DE3876771T2

DE3876771T2 - Adaptives verfahren zur transformationskodierung und -dekodierung einer folge von bildern und einrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens.

Info

Publication number: DE3876771T2
Application number: DE8888403374T
Authority: DE
Inventors: Eric Auvray; Alain Ferre; Claude Perron
Original assignee: Thomson Grand Public
Current assignee: Thomson Grand Public
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-12-31
Also published as: JP2003250166A; JP3469232B2; JP3469222B2; JP2002152746A; JP3040410B2; JPH02504692A; EP0323362A1; JP2000036960A; KR900701126A; ATE83596T1; WO1989006470A1; ES2036706T3; FR2625635B1; DE3876771D1; EP0323362B1; FR2625635A1; JP3258984B2; KR0135635B1

Description

Die Erfindung betrifft ein adaptives Verfahren zum Codieren und Decodieren einer Folge von Bildern sowie Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Ziel eines solchen Verfahrens liegt darin, die zu übertragende oder zu speichernde Informationsmenge zu reduzieren, wenn Bilder digitalisiert worden sind. Es läßt sich beispielsweise auf digitale Videoübertragungssysteme oder auf digitale Videomagnetaufzeichnungsgeräte anwenden.
Die Codierung eines digitalisierten Bildes mittels einer zweidimensionalen Transformation des Typs Cosinus, Fourier, Hadamard, Haar oder Karhunen-Loeve ist bekannt. Eine solche Codierung besteht darin, daß jedes Bild in Blöcke von Bildelementen unterteilt wird, wobei jedes Bildelement durch einen digitalen Wert dargestellt ist, der sein Luminanzwert oder der Wert einer Farbdifferenz ist; daß die Transformation auf jeden Block Anwendung findet, um eine Matrix von Werten zu erhalten, die Transformationskoeffizienten des Blocks genannt werden; und daß diese Transformationskoeffizienten in codierter Form, beispielsweise nach einem Huffmann-Code übertragen werden. Die Decodierung besteht dann darin, daß die Huffmann-Codewörter decodiert werden, um die Transformationskoeffizienten zu erhalten, und daß dann die digitalen Werte, die jedes Bildelement darstellen, wiederhergestellt werden, indem die zu der für die Codierung verwendeten inverse, zweidimensionale Transformation auf die Transformationskoeffizienten angewendet wird, die einem Block von Bildelementen entsprechen. Die in der Praxis verwendeten Transformationen sind Transformationen, für die schnelle Algorithmen existieren, wie zum Beispiel die Cosinus-Transformation.
Die FR-A-2 575 351 beschreibt ein adaptives Verfahren zum Codieren und Decodieren, das darin besteht, daß:
- jedes Bild in Blöcke von Bildelementen unterteilt wird;
- auf jeden Block, der durch einen Block von Luminanzwerten dargestellt ist, eine Cosinustransformation Anwendung findet, um einen Block von Transformationskoeffizienten zu gewinnen;
- für jeden Block bestimmt wird, ob er eine stark oder schwach belebte Szene darstellt;
- der Wert der Transformationskoeffizienten des Blocks übertragen wird, wenn dieser eine sehr belebte Szene darstellt, oder die Wertedifferenzen dieser Koeffizienten, bezogen auf die Koeffizienten des entsprechenden Blocks in dem vorausgehenden Bild, übertragen werden, wenn der Block eine schwach belebte Szene darstellt;
- eine Information übertragen wird, die den Typ der für jeden Block verwendeten Codierung angibt, wobei diese zwei Codierungstypen Intra-Bild-Codierung bzw. Inter-Bild-Codierung genannt werden. Die Koeffizienten oder die Differenzen von Koeffizienten werden in Form von Huffmann-Codewörtern übertragen.
Nach diesem bekannten Verfahren besteht die Decodierung darin, daß vor der Anwendung der inversen Transformation ein Wert der Transformationskoeffizienten jedes Blocks bestimmt wird, der eine schwach belebte Szene darstellt, indem die Wertdifferenz jedes seiner Koeffizienten jeweils zum Wert der Koeffizienten des entsprechenden Blocks im vorausgehenden Bild hinzuaddiert wird.
Nach diesem bekannten Verfahren besteht die Decodierung ferner darin, daß eine Wichtung auf die Werte der Koeffizienten oder auf die Werte der Koeffizientendifferenzen angewendet wird, mit einem höheren Gewicht für die Koeffizienten oder die Koeffizientendifferenzen, die den niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes enstprechen, gegenüber den Koeffizienten oder den Koeffizientendifferenzen, die den hohen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen; und daß die gewichteten Koeffizienten und Koeffizientendifferenzen in einem linearen Maßstab quantisiert werden. Der Quantisierungsschritt ist in Abhängigkeit von der zu übertragenden Informationsmenge variabel. Dies bedeutet, daß alle Koeffizienten oder alle Differenzen von Transformationskoeffizienten eines Blocks mit dem gleichen, sogenannten Quantisierungskoeffizienten multipliziert werden, der in Abhängigkeit von der Menge der zu übertragenden Informationen für die Blöcke von Bildelementen, die vor dem betrachteten Block codiert worden sind, variabel ist; und daß nur der ganzzahlige Teil des Multiplikationsergebnisses beibehalten wird.
Die zu übertragenden Informationen werden in einem Pufferspeicher gespeichert, wodurch eine Übertragung mit konstantem Durchsatz ermöglicht wird. Eine Regelungseinrichtung liefert einen Wert des Qantisierungskoeffizienten, der kontinuierlich abnimmt, wenn sich der Pufferspeicher füllt, und der kontinuierlich zunimmt, wenn sich der Pufferspeicher leert.
Selbstverständlich besteht die Decodierung darüberhinaus darin, daß jeder übertragene Koeffizientenwert oder jeder übertragene Wert einer Koeffizientendifferenz mit einem Koeffizienten multipliziert wird, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Wichtungskoeffizienten ist, und daß er dann mit einem Koeffizienten multipliziert wird, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Quantisierungskoeffizienten ist.
Stellt eine Folge von Bildern eine sehr belebte Szene dar, dann ist die zu übertragende Informationsmenge hoch; folglich ist der Quantisierungskoeffizient klein, um die Amplitude der zu übertragenden Koeffizientenwerte oder der Werte der Koeffizientendifferenzen zu reduzieren. Andererseits geben die Wichtungskoeffizienten den Transformationskoeffizienten mehr Gewicht, die den niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen, um die bedeutsamen Bildinformationen zu übertragen, wobei weniger bedeutsame Informationen geopfert werden, die den hohen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen.
Stellt die Bildfolge eine schwach belebte oder unbewegte Szene dar, dann findet für jeden Block eine Inter-Bild-Codierung statt, um die bestehende Korrelation zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern auszunützen. Die Differenzwerte von Transformationskoeffizienten von entsprechenden Blöcken weisen von einem Bild zum folgenden eine abnehmende Amplitude auf; die zu übertragende Informationsmenge nimmt tendenziell ab. Dann reagiert die Regelung, indem der Quantisierungskoeffizient erhöht wird. Andererseits betreffen die noch zu übertragenden Informationen nicht mehr die niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes, dann sie sind durch die Wichtung bevorzugt und demnach übertragen worden. Die noch zu übertragenden Informationen betreffen nur die hohen räumlichen Frequenzen des Bildes, und diese werden dann mit einer beträchtlichen Informationsmenge übertragen. Nach einem Zeitintervall, das einigen Bildern entspricht, wird also die Gesamtheit der Informationen übertragen, die eine unbewegte Szene darstellen, und sie erlauben es, die Szene mit sehr guter Wiedergabetreue wiederherzustellen.
Das obengenannte Dokument schlägt für die Codierung und die Decodierung von Farbfernsehbildern vor, drei Folgen von digitalen Werten parallel zu verarbeiten, die einem Luminanzsignal bzw. zwei Farbdifferenzsignalen entsprechen.
Dieses bekannte Verfahren weist zwei Nachteile auf. Die Parallelverarbeitung der drei Folgen von digitalen Werten führt zur Verwendung von drei Pufferspeichern, die die codierten Informationen mit Durchsätzen in einem konstanten Verhältnis wiederherstellen müssen, da der Übertragungskanal einen konstanten Durchsatz aufweist. Nun weisen aber die Informationsdurchsätze, die einem Luminanzsignal und zwei Farbdifferenzsignalen entsprechen, äußerst variable Verhältnisse auf, denn die Farbsättigung ist sehr variabel und kann bei Bildern, die nur Weiß-, Grau- und Schwarztöne beinhalten, sogar Null sein.
Durch die Tatsache, daß zwischen diesen drei Informationsdurchsätzen ein konstantes Verhältnis erzwungen wird, erhöht sich in der Praxis unnötigerweise die Menge der übertragenen Informationen, oder ein Teil der Informationen, die den Farbdifferenzen entsprechen, wird geopfert, wodurch die Wiederherstellungstreue beeinträchtigt wird.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der bei diesem Verfahren durchgeführten Regelung. Folgen in ein und demselben Bild Blöcke aufeinander, die durch eine Inter-Bild-Codierung codiert worden sind, dann reagiert die Regelung, da die zu übertragende Informationsmenge gering ist, mit einer Erhöhung des Quantisierungsquotienten, und sie neigt dazu, die Füllung des Pufferspeichers aufrechtzuerhalten. Falls danach ein isolierter Block oder einige Blöcke durch eine Intra-Bild-Codierung zu codieren sind, weil sie einer begrenzten Zone entsprechen, die sich in Bewegung befindet, dann ist es plötzlich erforderlich, große Informationsmengen zu übertragen. Da der Pufferspeicher praktisch voll gehalten wird, kann die Regelung nur reagieren, indem sie einen großen Teil der zu übertragenden Informationen opfert, d.h. indem sie abrupt den Quantisierungsquotienten vermindert, wenn sich der Pufferspeicher der Sättigung nähert. In einem solchen Falle werden die Blöcke von Bildelementen, die durch die Inter-Bild-Codierung codiert wurden, mit ausgezeichneter Wiedergabetreue wiederhergestellt, während die Nachbarblöcke, die durch eine Intra-Bild-Codierung codiert wurden, mit mäßiger Wiedergabetreue wiederhergestellt werden. Der Qualitätsunterschied ist dann deutlich wahrzunehmen, denn dies beiden Blocktypen liegen benachbart in ein und demselben Bild.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, diesen zwei Nachteilen des bekannten Verfahrens abzuhelfen. Der Gegenstand der Erfindung ist ein adaptives Codierungsverfahren, das insbesondere darin besteht, daß in ein und demselben Pufferspeicher die zu übertragenden Informationen gespeichert werden, die den Luminanzwerten und den zwei Farbdifferenzsignalen entsprechen, un darin besteht, daß Wichtungs- und Quantisierungskoeffizienten verwendet werden, die bis auf eine Konstante für die Transformationskoeffizienten oder die Differenzen von Transformationskoeffizienten identisch sind, die diesen drei Signaltypen entsprechen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nach einem weiteren Merkmal darin, daß Wichtungskoeffizienten verwendet werden, die zusätzlich zu dem größeren Gewicht, das sie den Informationen verleihen, die den niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen, auch in Abhängigkeit von der zu übertragenden Informationsmenge variabel sind, so daß das Gewicht, das den Informationen verliehen ist, die den hohen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen, noch weiter verringert wird, wenn sich der Pufferspeicher immer mehr füllt und sich dem Maximum nähert.
Nach einem anderen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Quantisierungskoeffizient in Abhängigkeit von der Füllrate des Pufferspeichers variabel, dies jedoch diskontinuierlich und entsprechend einem festgelegten Füllungsschwellenwert, so daß sie unter diesem Füllungsschwellenwert konstant bleibt und zunimmt, wenn sich die Füllung über diesen Schwellenwert erhöht.
Erfindungsgemäß ist ein adaptives Verfahren zum Codieren und Decodieren einer Folge von Bildern durch Transformation, wobei die Codierung darin besteht, daß:
- jedes Bild in Blöcke von Bildelementen unterteilt wird, wobei jeder Block durch einen Block von Luminanzwerten, einen Block von Differenzwerten für die Farbe Blau und einen Block von Differenzwerten für die Farbe Rot dargestellt wird;
- auf jeden Block von Werten eine zweidimensionale Transformation Anwendung findet, um einen Block von Transformationskoeffizienten für den betrachteten Werteblock zu gewinnen;
- für jeden Block von Werten entweder der Wert der Transformationskoeffizienten des Blocks oder die Wertdifferenz dieser Transformationskoeffizienten, bezogen auf den Wert der Transformationskoeffizienten eines entsprechenden Blocks in dem Bild, welches dem im Vorgang der Codierung befindlichen Bild vorausgeht, übertragen wird, so daß die Menge von für den betrachteten Block zu übertragenden Informationen minimiert wird, wobei die Codierung im ersteren Fall als Intra- Bild-Codierung und im zweiten Fall als Inter-Bild-Codierung bezeichnet wird;
- jeder Transformationskoeffizient oder jede Differenz von Transformationskoeffizienten mit einem sogenannten Wichtungskoeffizient multipliziert wird, der von der Ordnungszahl dieses Transformationskoeffizienten bzw. dieser Differenz von Transformationskoeffizienten abhängt;
- der Durchsatz von übertragenen Informationen geregelt wird, indem die zu übertragenden Informationen, die den drei Arten von Werteblöcken entsprechen, in demselben Pufferspeicher abgespeichert werden und indem die Transformationskoeffizienten sowie die Differenzen von Transformationskoeffizienten der drei Typen von Blöcken mit einem sogenannten Quantisierungskoeffizienten multipliziert werden, der in Abhängigkeit von der Menge der zu übertragenden Informationen variabel ist;
wobei die Decodierung für jeden Block darin besteht, daß:
- jeder übertragene Wert eines Transformationskoeffizienten bzw. jeder übertragene Wert einer Differenz von Transformationskoeffizienten mit einem Koeffizienten, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Wichtungskoeffizienten ist, und mit einem Koeffizienten, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Quantisierungskoeffizienten ist, multipliziert wird;
- zu dem Wert jeder Differenz von Transformationskoeffizienten der Wert eines Transformationskoeffizienten hinzuaddiert wird, der dem betrachteten Koeffizient in einem Block entspricht, der seinerseits dem betrachteten Block entspricht, und der zu demjenigen Bild gehört, welches dem Bild vorausgeht, das gerade decodiert wird;
- auf jeden Transformationskoeffizienten eine Transformation Anwendung findet, die invers zu der für die Codierung verwendeten Transformation ist, um einen Block von Werten zu gewinnen, die einen decodierten Bildteil darstellen;
dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Durchsatzes der Wichtungskoeffizient auch in Abhängigkeit von der Menge von zu übertragenden Informationen variabel ist, in solcher Weise, daß die Wichtung, mit der die Koeffizienten und die Differenzen von Koeffizienten, die hohen räumlichen Frequenzen entsprechen, behaftet werden, vermindert wird, wenn die Menge von zu übertragenden Informationen zunimmt.
Fig. 1 zeigt die Reihenfolge der Abtastung der Transformationskoeffizienten oder der Differenzen von Transformationskoeffizienten eines Blocks von Bildelementen bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 zeigt einen Graph zur Veranschaulichung einer bei diesem Ausführungsbeispiel durchgeführten Wichtung;
Fig. 3 zeigt einen Graph zur Veranschaulichung einer bei diesem Ausführungsbeispiel durchgeführten Quantisierung;
Fig. 4 bis Fig. 6 erläutern die Regelung des Durchsatzes der übertragenen Informationen bei diesem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 und Fig. 8 erläutern die Durchführung einer Variante des Verfahrens nach der Erfindung;
Fig. 9 zeigt die Synchronisationssignale eines Codierers und eines Decodierers bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung;
Fig. 10 und 11 zeigen das Übersichtsschema eines Ausführungsbeispiels einer Codiereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;
Fig. 12 und 13 zeigen das Übersichtsschema eines Ausführungsbeispiels einer Decodiereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Folge von Bildern durch eine Folge von abgetasteten und digitalisierten Farbfernsehteilbildern gebildet. Jedes Bildelement ist durch einen Luminanzwert, einen Rot-Farbdifferenzwert und einen Blau-Farbdifferenzwert mit jeweils 8 Bit dargestellt. Die Abtastung der Luminanz weist eine Frequenz von 10,125 MHz auf, während die Abtastung jedes der Farbdifferenzsignale eine Frequenz von 5,0625 MHz aufweist. Der Durchsatz an codierten Informationen ist konstant und liegt in der Größenordnung von 10 MBit/s.
Jedes zu codierende Fernsehbild ist aus zwei ineinandergeschachtelten Teilbildern gebildet, die auf übliche Weise durch eine Fernsehkamera analysiert werden. Jedes Teilbild wird getrennt codiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Cosinustransformation verwendet. Sie wird auf Blöcke von 16 x 16 Luminanzwerten, Blöcke von 16 x 8 Rot-Farbdifferenzwerten und Blöcke von 16 x 8 Blau-Farbdifferenzwerten angewendet. Jede andere bekannte zweidimensionelle Transformation läßt sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwenden. Die Transformation wird parallel auf jeden dieser 3 Blocktypen angewendet. Sie liefert für jeden Werteblock eine Matrix von Werten, die Transformationskoeffizienten des betrachteten Werteblocks genannt werden. Der Block von Tansformationskoeffizienten weist Dimensionen auf, die den Dimensionen des zu transformierenden Blocks gleich sind. Die Transformationskoeffizienten haben reelle Werte.
Die Transformationskoeffizienten der Luminanzwerte f(i,j) werden nach der folgenden Formel berechnet:
wobei gilt: c(u) = 1/ 2 für u = 0;
c(u) = 1 für u ≠ 0.
Die Transformationskoeffizienten der Farbdifferenzwerte f'(i,j) werden nach der folgenden Formel berechnet:
i und j sind der Zeilenindex bzw. der Spaltenindex in dem Block von zu codierenden Werten; u und v sind der Zeilenindex bzw. der Spaltenindex der Transformationskoeffizienten in dem Block dieser Koeffizienten. Der Transformationskoeffizient, der sich in der ersten Spalte und in der ersten Zeile befindet, ist gleich dem Zweifachen des mittleren Wertes der Koeffizienten eines Blocks von Transformationskoeffizienten. Er weist einen Wert auf, der immer positiv ist. Dieser Wert muß mit höchstmöglicher Genauigkeit codiert werden, denn der kleinste Fehler bei diesem Transformationskoeffizienten setzt sich in eine sehr deutliche Differenz zwischen einem Block von Bildelementen und den Nachbarblöcken um.
Die anderen Koeffizienten eines Transformationsblocks entsprechen räumlichen Frequenzen des Bildes, die zunehmen, wenn u und v zunehmen. Für die höchsten Werte von u und v sind die Transformationskoeffizienten im allgemeinen Null. In der Folge werden die Koeffizienten eines Blocks von Transformationskoeffizienten nach einer Abtastreihenfolge betrachtet, die in Fig. 1 graphisch dargestellt ist und zunehmenden Werten der Summe u² + v² entspricht. Der Abtastweg der Transformationskoeffizienten ist so gewählt, daß der Kompressionsgrad für den zu codierenden Bildtyp bezogen auf ihre statistischen Merkmale optimiert wird.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht dann darin, daß für jeden Typ eines zu codierenden Wertes (Luminanzwert, Blau-Farbdifferenzwert, Rot-Farbdifferenzwert) parallel eine sogenannte Inter-Bild-Codierung und eine sogenannte Intra-Bild-Codierung durchgeführt wird. Die Inter- Bild-Codierung besteht darin, die Wertedifferenz zwischen den Transformationskoeffizienten eines betrachteten Blocks von Bildelementen jeweils bezogen auf die Transformationskoeffizienten eines Blocks zu berechnen, der dem betrachteten Block in dem Bild entspricht, das dem im Vorgang der Codierung befindlichen Bild vorausgeht. Die Intra-Bild-Codierung besteht darin, direkt den Wert der Transformationskoeffizienten des Blocks zu verwenden. In beiden Fällen besteht das Codierverfahren dann in der Anwendung einer Wichtung, einer Quantisierung und dann einer Huffmann-Codierung.
Im allgemeinen erfordert die Intra-Bild-Codierung eines Blocks, der einen belebten Bildteil darstellt, eine größere Menge an Informationen als die Inter-Bild-Codierung. Umgekehrt erfordert die Inter-Bild-Codierung eines Blocks, der einen unbewegten Bildteil darstellt, im allgemeinen weniger Informationen als die Intra-Bild-Codierung. Die Wahl des Typs der Codierung ist für die drei Arten von zu codierenden Signalen gleich. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Wahl des Typs der Codierung darin, genau zu bestimmen, wieviele Informationen in beiden Fällen für ein und denselben Block von zu codierenden digitalen Werten erforderlich sind. Jede Informationsmenge wird dadurch berechnet, daß die Bitanzahl der codierten Daten gezählt wird, die durch die folgenden Operationen geliefert werden: Wichtung, Quantisierung, Huffmann-Codierung. Das Verfahren besteht dann darin, die durch die Codierung gelieferten Daten zu übertragen, die die geringste Menge an Informationen benötigen.
Die Wichtung erlaubt es, die Tatsache auszunutzen, daß eine Unterdrückung von Informationen, die bestimmte Transformationskoeffizienten eines Blocks von Bildelementen codieren, nicht viele Verschlechterungen in dem decodierten Bild nach sich zieht. Die Koeffizienten, die den niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen, sind empfindlicher gegenüber der Unterdrückung von Informationen als die Koeffizienten, die den hohen räumlichen Frequenzen des Bildes entsprechen. Die Wichtung erfolgt so, daß die Koeffizienten, die den niedrigen räumlichen Frequenzen entsprechen, bevorzugt werden. Sie besteht darin, daß der Wert der Transformationskoeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten eines Blocks mit einem Wichtungskoeffizienten multipliziert wird, der für die Luminanz durch die folgende Formel angegeben ist:
worin u und v der jeweilige Spalten- bzw. Zeilenindex des Koeffizienten oder der Koeffizientendifferenz sind, auf die sich die Wichtung bezieht; worin R eine Konstante ist, die von der Größe des Blocks und der Bildabtastfrequenz abhängt und den Wert 1,4 für eine Abtastfrequenz von 10,125 Mhz und eine Blockgröße von 16 x 16 aufweist; und worin Nor ein konstanter Parameter ist, der jedoch eine Funktion von R ist und durch die folgende Formel gegeben ist: Nor = 0,42 für eine Abtastfrequenz von 10,125 MHz;
und worin Pon ein variabler Parameter ist, der die Stärke der Wichtung festlegt. Sein Wert ist eine Funktion des Füllungsgrades des Pufferspeichers, der die zu übertragenden codierten Informationen speichert, die den drei Signalarten entsprechen, die für die Bildelemente repräsentativ sind. Diese Informationen sind diejenigen, die den Blöcken entsprechen, die dem Bildelementblock vorangehen, der gerade codiert wird. Die betrachtete Anzahl von Bits ist diejenige, die gemäß der Huffmann-Codierung der von Null verschiedenen Werte, der bereichsweisen Codierung der Nullwerte und nach dem Einfügen der Separatorwörter für die Daten erhalten wird. Die Stärke der Wichtung ist eine mit der Füllung des Pufferspeichers zunehmende Funktion, um dieser Füllung entgegenzuwirken.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kapazität des Pufferspeichers 64 Kilobits. Der Wert des Parameters Pon und das erhaltene Wichtungsverhältnis zwischen den hohen und tiefen räumlichen Frequenzen des Bildes sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben: Füllung des Pufferspeichers Wert des Parameters Pon Für das Wichtungsverhältnis hohe/tiefe Frequenzen erhaltener Wert
Der Wert der Transformationskoeffizienten oder der Differenzen von Transformationskoeffizienten für die Farbdifferenzsignale wird mit einem Koeffizienten gewichtet, der durch die folgende Formel gegeben ist:
worin R' eine Konstante ist, die von der Größe des Blocks und der Abtastfrequenz für das Farbdifferenzsignal abhängt und für Blöcke der Größe 16 x 8 und eine Abtastfrequenz von 5,0625 MHz den Wert 0,7 hat; und worin Nor' eine Konstante ist, die durch die folgende Formel gegeben ist: Nor' = 0,59 für eine Abtastfrequenz von 5,0625 MHz.
Der Wichtungskoeffizient Pch(u, v) hängt über die Variable Pon ebenfalls von der Füllung des Pufferspeichers ab, damit er am Regelungsvorgang für den Durchsatz der zu übertragenden codierten Informationen teilnimmt. Der Wichtungskoeffizient ist derselbe für die Daten, die durch Inter-Bild-Codierung codiert wurden, und für die diejenigen, die durch Intra-Bild- Codierung codiert wurden.
Der Regelungsvorgang besteht ferner darin, daß der Wert des Transformationskoeffizienten oder der Differenzen von Transformationskoeffizienten eines Blocks mit einem Quantisierungskoeffizienten multipliziert wird, der eine Funktion der Füllung des Pufferspeichers ist, der die codierten Daten enthält, die den Blöcken entsprechen, die dem Block vorausgehen, der gerade codiert wird.
Die Quantisierungsoperation wird für die durch die Intra- Bild-Codierung erhaltenen Transformationskoeffizienten und für die durch die Inter-Bild-Codierung erhaltenen Differenzen von Transformationskoeffizienten nach dem Wichtungsvorgang parallel durchgeführt. Für einen gegebenen Bildelementblock werden alle Transformationskoeffizienten und alle Differenzen von Transformationskoeffizienten, die der Luminanz entsprechen, mit demselben Quantisierungskoeffizientenwert multipliziert. Alle Transformationskoeffizienten und alle Differenzen von Transformationskoeffizienten, die den zwei Farbdifferenzsignalen entsprechen, werden mit einem Wichtungskoeffizienten multipliziert, der bis auf eine konstanten Multiplikationsfaktor denselben Wert wie derjenige für die Luminanz hat. Diese Konstante ist gleich 1,41, um einen konstanten Multiplikationsfaktor zu kompensieren, der im Verlauf der Berechnung der Cosinustransformationen eingeführt wurde und für Blöcke unterschiedlicher Größen geringfügig verschieden ist, wie dies einerseits für die Luminanz und andererseits für die Farbdifferenzen gilt.
Der Quantisierungskoeffizient ist für einen Füllung Eb des Pufferspeichers, die kleiner ist als ein Schwellenwert, eine Konstante, und er nimmt exponentiell ab, wenn die Füllung Eb über diesem Schwellenwert liegt. Im vorliegenden Beispiel, bei dem die Kapazität des Pufferspeichers 64000 Bits entspricht, wird der Schwellenwert für die Füllung auf 56000 gesetzt. Für die Luminanz ist der Quantisierungskoeffizient durch die folgende Formel gegeben: für Eb ≥ 56000 Bits; Nlum = 1 für Eb < 56000 Bits.
Für die Farbdifferenzsignale ist der Quantisierungskoeffizient durch die folgende Formel gegeben: für Eb ≥ 56000 Bits; Nchr = 1,41 für Eb < 56000 Bits.
wobei die Konstanten Nor und Nor' die vorstehend definierten Werte haben.
Die Werte der Transformationskoeffizienten oder der Differenzen von Transformationskoeffizienten werden nach der Wichtung und der Quantisierung abgeschnitten, um sie auf den nächstliegenden ganzzahligen Wert zu runden.
Fig. 2 stellt den Graph des Verhältnisses zwischen dem auf die hohen und niedrigen räumlichen Frequenzen des Bildes angewandten Wichtungskoeffizienten für die Luminanz in Abhängigkeit von der Füllung Eb des Pufferspeichers dar. Es nimmt stufenweise zu, wenn die Füllung von 0 bis 64 Kbits variiert.
Fig. 3 stellt den Graph des der Luminanz entsprechenden Quantisierungskoeffizienten Nlum in Abhängigkeit von der Füllung Eb dar. Aus dem Graphen geht deutlich hervor, daß der Quantisierungskoeffizient für die meisten Füllungswerte konstant ist, und daß er sehr schnell abnimmt, wenn die Füllung ihrem Maximum nahekommt. Die Beziehung zwischen dem Quantisierungskoeffizienten und der Füllung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidet sich demnach deutlich von den üblicherweise verwendeten, die kontinuierlich variieren. Ein üblicher Quantisierungskoeffizient weist keinen solchen horizontalen Abschnitt im Graph auf, sondern nimmt regelmäßig in Abhängigkeit von der Füllung ab.
Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen den Regelungsvorgang für den Fall, in dem drei aufeinanderfolgende Bilder eine unbewegte Szene darstellen. Jede dieser Figuren stellt einen Graphen dar, auf dessen Ordinate die tatsächlich übertragene Informationsmenge und auf dessen Abszisse die Ordnungszahl der Koeffizienten oder der Differenzen von Transformationsdifferenzen jedes dieser Bilder aufgetragen ist, wobei diese Ordnungszahl auf dem in Fig. 1 dargestellten Abtastweg bestimmt wird. Die betrachteten Informationsmengen sind die nach der Wichtung, der Quantisierung und der Huffmann-Codierung erhaltenen.
Jedoch ist in Fig. 4 bis 6 die Informationsmenge, die dem ersten Transformationskoeffizienten entspricht, der also 0 als Zeilen- und Spaltenindex aufweist, nicht dargestellt, da sie nicht der Durchsatzregelung unterworfen ist. Der erste Koeffizient wird nicht gewichtet und nicht normalisiert, um zu vermeiden, daß auf dem wiederhergestellten Bild zwischen den Blöcken sichtbare Unregelmäßigkeiten erscheinen. Die Figuren 4 bis 6 zeigen also die Informationsmenge, die nur den anderen Koeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten entspricht.
Es wird angenommen, daß das erste dieser drei aufeinanderfolgenden Bilder sich von dem möglicherweise vorausgegangenen unterscheidet. Die Transformationskoeffizienten dieses ersten Bildes werden also alle durch eine Intra-Bild-Codierung codiert, die eine große Informationsmenge erfordert, die vor allem in den Transformationskoeffizienten mit niedriger Ordnungszahl verteilt ist. Andererseits bewirkt die Wichtung, daß auch die Koeffizienten mit niedriger Ordnungszahl begünstigt werden. Schließlich werden im Laufe der Operation, die in der Aufrundung auf den nächsten ganzen Wert besteht, bestimmte Koeffizienten mit hoher Ordnungszahl auf Null gerundet. All dies geht so vor sich, als ob ein Schwellenwert bei + 0,5 und - 0,5 vorhanden wäre. Aus all diesen Gründen werden in Fig. 4 die Koeffizienten mit hoher Ordnungszahl durch keine Informationsmenge übertragen. Insbesondere werden viele Koeffizienten mit einer hohen Ordnungszahl auf den Wert Null gerundet, da sie im absoluten Wert unter 0,5 liegen. Die Anzahl der auf Null gerundeten Koeffizienten oder von Koeffizientendifferenzen nimmt zu, wenn der Quantisierungskoeffizient in der Folge einer starken Füllung des Pufferspeichers abnimmt. Der Schwelleneffekt neigt also in Kombination mit der Quantisierung dazu, auch Informationen zu unterdrücken, die den hohen räumlichen Frequenzen entsprechen.
Fig. 5 entspricht einem zweiten Bild, das unmittelbar auf das erste folgt und mit ihm identisch ist. Die Transformationskoeffizienten des zweiten Bildes sind demnach in der Theorie genau mit denen des ersten Bildes identisch. Sie werden mit einer Inter-Bild-Codierung codiert, um die Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Bild auszunutzen. Die Inter- Bild-Codierung erfolgt dadurch, daß die Differenz zwischen den Transformationskoeffizienten des zweiten Bildes und den Transformationskoeffizienten des ersten Bildes berechnet wird, nach dem letztere einer Codierung und dann einer Decodierung unterworfen wurden, um im Laufe des Codierungs- und des Decodierungsschritts einen gleichen Wert zu subtrahieren.
Die Wichtungs- und Quantisierungsoperationen unterdrücken Informationen und rufen damit Codierungsfehler hervor, die in einer nicht verschwindenden Differenz zwischen den Transformationskoeffizienten vor der Codierung und den Transformationskoeffizienten nach der Codierung und der anschließenden Decodierung zum Ausdruck kommt. Es bestehen also zwischen den codierten und dann decodierten Koeffizienten für das erste Bild und den gerade codierten Koeffizienten für das zweite Bild Differenzen, die nicht Null sind. Diese Differenzen sind im besonderen darin begründet, daß der Wichtungskoeffizient und der Quantisierungkoeffizient von einem Bild zum anderen variieren.
Fig. 5 stellt die Informationsmenge dar, die diesen Koeffizientendifferenzen entspricht, wobei diese Differenzen einer Wichtung, einer Quantisierung und einer Huffmann-Codierung unterworfen wurden. Die durch diese Differenzen gebildete Informationsmenge ist aus mehreren Gründen geringer als die Informationsmenge, die den Werten der Transformationskoeffizienten des ersten Bildes entspricht. Zu allererst, weil die Koeffizientendifferenzen niedrige Werte aufweisen, da das erste und das zweite Bild identisch sind. Diese Informationsmenge entspricht vor allem den mittleren und hohen Frequenzen, d.h. den mittleren und hohen Ordnungszahlen, weil die im Laufe der Codierung des ersten Bildes durchgeführte Wichtung und Quantisierung die Informationen geopfert haben, die den mittleren und hohen Ordnungszahlen entsprechen. Diese Informationen ermöglichen es, dem zweiten wiederhergestellten Bild Details hinzuzufügen. Da die Codierung aller Blöcke des zweiten Bildes eine Inter-Bild-Codierung ist, die die Beziehung mit dem ersten Bild ausnutzt, nimmt die zu übertragende Informationsmenge ab, folglich leert sich der Pufferspeicher, und der Regelungsvorgang ruft eine Erhöhung des Quantisierungskoeffizienten und dann seine Aufrechterhaltung auf dem konstanten Wert 1 hervor.
Die Erhöhung des Quantisierungskoeffizienten erhöht die Amplitude der Differenzen der Transformationskoeffizienten und neigt demnach dazu, die zu übertragende Informationsmenge für die Koeffizienten mit mittlerer und hoher Ordnungszahl zu erhöhen, neigt also dazu, den Pufferspeicher zu füllen. Diese Tendenz wird aber durch die Begrenzung des Quantisierungskoeffizienten gebremst. Andererseits entsprechen die zu übertragenden Informationen vor allem den mittleren und hohen räumlichen Frequenzen, da die den niedrigen räumlichen Frequenzen entsprechenden Informationen zum großen Teil im Laufe der Codierung des ersten Bildes übertragen worden sind. Die Wichtung benachteiligt die hohen Frequenzen um so mehr, je voller der Pufferspeicher ist. Die Wichtung neigt also ebenfalls dazu, die für das zweite Bild übertragene Informationsmenge zu vermindern. Schließlich ist diese deutlich kleiner als die für das erste Bild übertragene.
Die Codierung eines dritten, mit den zwei vorausgehenden identischen Bildes ist ebenfalls eine Inter-Bild-Codierung und braucht nur Informationen zu übertragen, die hohen räumlichen Frequenzen entsprechen und im Laufe der Codierung des ersten und des zweiten Bildes nicht übertragen werden konnten. Diese Informationen erlauben es, dem dritten wiederhergestellten Bild feine Einzelheiten hinzuzufügen. Auf diese Weise erreichen die wiederhergestellten Bilder sehr rasch eine sehr gute Wiedergabetreue, wenn es sich um eine Folge von unbewegten Bildern handelt.
Fig. 6 stellt die Menge von zu übertragenden Informationen für das dritte Bild in Abhängigkeit von der Ordnungszahl der Koeffizienten dar. Es sei bemerkt, daß diese Informationsmenge vor allem den sehr hohen räumlichen Frequenzen entspricht, und daß sie insgesamt im Verhältnis zur für die Codierung des zweiten Bildes und die Codierung des ersten Bildes zu übertragenden Informationsmenge abnimmt, da die Wichtung die sehr hohen Frequenzen stark benachteiligt, obwohl der Pufferspeicher sich zu leeren beginnt. Die Stärke der Quantisierung und Wichtung ist so gewählt, daß die Regelung nicht dazu neigt, die Füllung auf einem konstanten Niveau zu halten, sondern sie während jeder Inter-Bild-Codierung zu verringern.
Im allgemeinsten Fall weist jedes Bild unbewegte und bewegte Zonen auf. Die Blöcke, die sich in bewegten Zonen befinden, erfordern eine Intra-Bild-Codierung, die dazu neigt, den Pufferspeicher zu sättigen. Die Stärke der Wichtung und der Quantisierung ist so gewählt, daß der Speicher nicht mit Informationen gesättigt wird, die diesen Blöcken entsprechen. Die Wichtung hängt auf solche Weise von der Füllung des Pufferspeichers ab, daß die Koeffizienten oder die Koeffizientendifferenzen, die den hohen räumlichen Frequenzen entsprechen, weniger benachteiligt werden, wenn die Füllung abnimmt. Die Stärke der Wichtung bleibt jedoch so, daß sich der Pufferspeicher leert, wenn eine Folge von durch die Inter-Bild- Codierung codierten Blöcken vorliegt, so daß für die Codierung von durch eine Intra-Bild-Codierung codierten Blöcken, wodurch eine große Menge an zu übertragenden Informationen erzeugt wird, Kapazität verfügbar bleibt.
Sind also einer oder mehrere aufeinanderfolgende Blöcke durch eine Intra-Bild-Codierung zu codieren, dann befindet sich der Pufferspeicher nicht nahe der Sättigung; folglich muß der Quantisierungskoeffizient nicht abrupt erhöht werden, um ein Überschreiten der Kapazität des Pufferspeichers zu vermeiden, wenn ein mit der Intra-Bild-Codierung zu codierender Block ankommt. Dieser Regelungsvorgang vermeidet also eine abrupte Verschlechterung der Wiederherstellungsqualität des Bildes von einem Block zum nächsten im gleichen Bild, indem abrupte Schwankungen des Quantisierungskoeffizienten vermieden werden. Dadurch kann ein sichtbarer Kontrast in der Wiederherstellungsqualität zwischen den durch die Inter-Bild-Codierung und den durch die Intra-Bild-Codierung codierten Blöcken vermieden werden, die in ein und demselben Bild benachbart sind.
Da das erfindungsgemäße Verfahren darin besteht, die Transformationskoeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten, die der Luminanz und den zwei Farbdifferenzsignalen entsprechen, bis auf eine Multiplikationskonstante mit dem gleichen Wichtungs- und Quantisierungskoeffizienten zu multiplizieren, werden diese drei Signaltypen mit der gleichen Qualität im Inneren ein und desselben Blocks codiert, und die zu übertragenden Informationen können in einem gemeinsamen Pufferspeicher gespeichert werden. Dieses Speichern in einem gemeinsamen Pufferspeicher erlaubt es, die codierten Informationen mit einem bestimmten Verhältnis zwischen den Informationsmengen zu übertragen, die den drei Signaltypen entsprechen. Da kein aufgezwungenes Verhältnis zwischen den übertragenen Informationsmengen für die drei Signaltypen besteht, wird bei gleicher Wiedergabetreue ein beträchtlicher Vorteil bezüglich des Bildkompressionsgrads erreicht.
Die Menge der für die zwei Farbdifferenzsignale zu übertragenden Informationen ist nämlich in Abhängigkeit von den in den Bildern dargestellten Szenen äußerst variabel. Weisen die Bilder nur wenig gesättigte Farben auf, dann ist die Menge der für die Farbdifferenzsignale zu übertragenden Informationen gering. In diesem Fall erlaubt es die gemeinsame Regelung für die Farbdifferenzsignale, eine reduzierte Informationsmenge zu übertragen, im Gegensatz zu dem herkömmlichen unabhängigen Regelungsverfahren für die drei Signaltypen, das dazu führt, drei unabhängige Pufferspeicher zu verwenden und ein konstantes Verhältnis zwischen den für die drei Signaltypen übertragenen Informationen zu erzwingen.
Die Füllung Eb des Pufferspeichers muß vor Beginn der Codierung eines betrachteten Blocks bekannt sein. Sie muß die codierten Informationen berücksichtigen, die allen Blöcken entsprechen, die dem betrachteten Block vorausgehen. Sie wird dadurch berechnet, daß die Mengen von zu übertragenden Informationen für alle Blöcke addiert werden, die dem betrachteten Block vorausgehen, und daß von dieser Summe die übertragene Informationsmenge subtrahiert wird, ihrerseits berechnet durch die Bildung des Produkts aus dem Durchsatz des Übertragungskanals und der Zeitdauer, die zwischen dem Beginn und dem Ende der Übertragung der Informationen verstrichen ist, die den Block codieren, der dem betrachteten vorausgehen.
Nach der Quantisierung wird jeder Koeffizientenwert oder Differenzwert von Transformationskoeffizienten, mit Ausnahme des ersten Koeffizienten in jedem Block und mit Ausnahme der Nullwerte, durch einen Huffmann-Code codiert. Die Koeffizienten oder die Differenzen von Transformationskoeffizienten eines Blocks werden nacheinander in der Abtastreihenfolge betrachtet, die nach Fig. 1 zunehmenden Werten von u²+v² entspricht. Die Koeffizienten oder Koeffizientendifferenzen, die Null sind, werden bereichsweise codiert, wobei die Länge der Bereiche durch einen Huffmann-Code codiert wird. Die gewählte Abtastreihenfolge ist so, daß die Folge der Koeffizienten oder Koeffizientendifferenzen eines Blocks immer mit einem langen Bereich von Nullwerten endet. Der erste Koeffizient oder die erste Koeffizientendifferenz jedes Blocks mit Null als Zeilen- und Spaltenindex werden ohne Huffmann-Codierung übertragen.
Zur Optimierung der Verringerung des Durchsatzes wird die Huffmann-Codierung nach 8 unterschiedlichen Bäumen durchgeführt:
- A1 zur Codierung der dem Luminanzsignal entsprechenden Transformationskoeffizienten, denen ein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A2 zur Codierung der dem Luminanzsignal entsprechenden Transformationskoeffizienten, denen kein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A3 zur Codierung der dem Luminanzsignal entsprechenden Differenzen von Transformationskoeffizienten, denen ein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A4 zur Codierung der dem Luminanzsignal entsprechenden Differenzen von Transformationskoeffizienten, denen kein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A5 zur Codierung der irgendeinem der Farbdifferenzsignale entsprechenden Transformationskoeffizienten, denen ein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A6 zur Codierung der irgendeinem der Farbdifferenzsignale entsprechenden Transformationskoeffizienten, denen kein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A7 zur Codierung der irgendeinem der Farbdifferenzsignale entsprechenden Differenzen von Transformationskoeffizienten, denen ein Bereich von Nullen vorausgeht;
- A8 zur Codierung der irgendeinem der Farbdifferenzsignale entsprechenden Differenzen von Transformationskoeffizienten, denen kein Bereich von Nullen vorausgeht.
Allerdings ist es mit einer gewissen Verschlechterung des Kompressionsgrades möglich, identische Codierbäume A5 und A7 sowie identische Codierbäume A4, A6 und A8 zu verwenden. Es sei auch bemerkt, daß die Codierbäume darüberhinaus besondere Ereignisse codieren: Füllbits und Daten-Separatorwörter.
Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Bäumen zur Codierung der von Null verschiedenen Werte der Koeffizienten oder der Koeffizientendifferenzen, denen kein Bereich von Nullen vorausgeht, sowie zur Codierung der von Null verschiedenen Koeffizienten oder Koeffizientendifferenzen, denen ein Bereich von Nullen vorausgeht, ergibt eine Verminderung der Menge von zu übertragenden Informationen in der Größenordnung von 10 % gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen ein einziger Codierbaum für diese zwei verschiedenen Fälle verwendet wird. Diese Verminderung hat den folgenden Grund. Im Prinzip wären zwei verschiedene Bäume mit einem Präfix zu ihrer Unterscheidung erforderlich, um einerseits einen Bereich von Nullen und andererseits einen von Null verschiedenen Koeffizienten oder eine von Null verschiedene Koeffizientendifferenz zu codieren. Es kommen jedoch nie zwei aufeinanderfolgende Bereiche von Nullen vor, denn dann würden sie wie ein einziger Bereich codiert werden. Folglich ist es sicher, daß nach einem Bereich von Nullen ein Koeffizient oder eine Koeffizientendifferenz vorhanden sind, die nicht Null sind. Dies ist eine bekannte Information, die also nicht übertragen werden muß. Die Verwendung der obengenannten zwei Bäume ermöglicht es, diese Informationsredundanz auszunutzen, um die Menge von zu übertragenden Informationen zu vermindern.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die zur Codierung der Koeffizienten verwendeten Huffmann-Codes eine auf -63, +63 begrenzte Dynamik auf. Die zur Codierung der Koeffizientendifferenzen verwendeten weisen eine auf -31, +31 begrenzte Dynamik auf. Bei Überschreitung wird wenigstens ein Überschreitungspräfix beigefügt. Zwei verschiedene Codewörter werden zur Unterscheidung der Werte 0 modulo +64 und 0 modulo -64 hinzugefügt. Die Mehrfachwerte von +64 und -64 sind im folgenden jeweils mit 0+ und 0- bezeichnet, und sie werden unter Verwendung mehrerer Überschreitungspräfixe codiert. Der letzte Bereich von Nullen in jedem Block wird nicht codiert, wobei die jedem Block entsprechenden codierten Daten durch ein Inter-Block-Synchronisationswort getrennt sind. Der Wert des ersten Koeffizienten oder der ersten Koeffizientendifferenz in jedem Block wird im Klartext durch neun Bits dargestellt.
Die acht Huffmann-Bäume genügen den folgenden Vorschriften:
- die Codewörter haben alle eine Länge von weniger als 16 Bits;
- in keiner erlaubten Verkettung von Codewörtern darf eine Folge von 10 Nullen erscheinen, folglich:
-- können die Codewörter nicht auf mehr als 5 Nullen enden, bis auf eine Ausnahme;
-- ist das Wort "00000" für präzise Verwendungen reserviert;
-- dürfen die Codewörter nicht mit mehr als 4 Nullen beginnen;
- nur die Codierbäume, die den Farbdifferenzsignalen entsprechen, enthalten Synchronisationswörter.
Der Codierbaum A1 codiert 195 Ereignisse. Die von Null verschiedenen Koeffizienten ergeben 129 mögliche Ereignisse, nämlich: die Werte -63, ..., -1, 1, ..., +63; ein den Koeffizienten eigenes Überschreitungspräfix; ein Mehrfachwert von +64, der mit 0+ bezeichnet ist; ein Mehrfachwert von 64, der mit 0- bezeichnet ist.
- Die Bereiche von Nullen ergeben 65 Ereignisse: die Werte der Länge: 1, ..., 63; ein den Bereichen von Nullen eigenes Überschreitungspräfix sowie ein den Bereichen von Nullen eigener Nullwert 0p.
- Ein besonderes Ereignis ist durch einen Füllvorgang gebildet.
Die Vorschriften, denen dieser Baum A1 genügen muß, sind wie folgt: das Ereignis 0+ muß mit "00000" codiert werden; die Codewörter dürfen höchstens auf 3 Nullen enden, und das Überschreitungspräfix für die Koeffizienten muß auf 1 enden.
Der Baum A2 codiert 129 Ereignisse: die Werte -63, ..., -1, 1, ..., 63; ein den Koeffizienten eigenes Überschreitungspräfix; ein Mehrfachwert von +64, der mit 0+bezeichnet ist; einen Mehrfachwert von -64, der mit 0-bezeichnet ist. Dieser Baum muß der folgenden Vorschrift genügen: das kürzeste Codewort muß eine Länge von zwei Bits haben und durch "00" gebildet sein. Es gibt kein verbotenes Ereignis.
Der Baum A3 codiert 195 Ereignisse und weist die folgenden Merkmale auf:
- Die von Null verschiedenen Koeffizienten ergeben die folgenden 129 Ereignisse: die Werte -63, ..., -1, 1, ..., 63; ein den Koeffizienten eigenes Überschreitungspräfix; einen Mehrfachwert von +64 sowie einen Mehrfachwert von -64;
- die Bereiche von Nullen ergeben 65 Ereignisse: die Werte 1,..., 63; ein den Bereichen von Nullen eigenes Überschreitungspräfix; einen den Bereichen von Nullen eigenen Wert 0p;
- ein besonderes Ereignis ist durch einen Füllvorgang gebildet.
Dieser Baum A3 muß den folgenden Vorschriften genügen: der Mehrfachwert von +64 wird mit "00000" codiert; die Codewörter dürfen nicht auf mehr als 4 Nullen enden; die Länge der Codewörter ist für die Längen der Bereiche von Nullen größer als drei Bits, und das dem Koeffizienten eigene Überschreitungspräfix muß auf 1 enden.
Der Baum A4 muß 65 Ereignisse codieren: die Werte der von Null verschiedenen Koeffizienten: -31, ..., -1, +1, ..., 31; ein den Koeffizienten eigenes Überschreitungspräfix; einen Mehrfachwert von +31; einen Mehrfachwert von -31. Dieser Baum muß der folgenden Vorschrift genügen: das kürzeste Codewort muß eine Länge von einem Bit aufweisen und gleich 0 sein. Es gibt kein verbotenes Ereignis.
Der Baum A5 codiert 131 Ereignisse und muß die folgenden Merkmale aufweisen: 65 Ereignisse für die Koeffizienten, gebildet durch die Werte - 31, ..., -1, +1, ..., 31; ein den Koeffizienten 0+, 0- eigenes Überschreitungspräfix; 65 Ereignisse für die Bereiche von Nullen: die Werte 1, ..., 63, ein den Bereichen von Nullen eigenes Überschreitungspräfix, und die Länge 0; ein besonderes Ereignis, das durch ein Intra- Block-Synchronisationswort gebildet ist. Dieser Baum muß den folgenden Vorschriften genügen: der Wert 0+ muß mit 00000 codiert werden; die Bereiche von Nullen dürfen nicht auf mehr als vier Nullen enden; die Länge der Bereiche von Nullen muß größer als 3 sein, und der Code des den Koeffizienten eigenen Überschreitungspräfixes muß auf 1 enden. Ein besonderes Ereignis ist durch ein Intra-Block-Synchronisationswort gebildet.
Der Baum A6 codiert 65 Ereignisse und ist mit dem Baum A4 identisch.
Der Baum A7 codiert 131 Ereignisse und ist mit dem Baum A5 identisch.
Der Baum A8 codiert 65 Ereignisse und ist mit dem Baum A4 identisch.
Wahlweise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch perfektionieren, daß der Wichtungskoeffizient und der Quantisierungskoeffizient von einem Parameter abhängig gemacht werden, der Klasse des Blocks von Bildelementen genannt wird, der sich im Vorgang der Codierung befindet. Dieser Parameter drückt die Schwierigkeit der Wiederherstellung diese Blocks von Bildelementen aus. Die Erfahrung zeigt nämlich, daß die am schlechtesten wiederhergestellten Blöcke dadurch gekennzeichnet sind, daß sie wenigstens eine relativ gleichförmige, dunkle Zone aufweisen, die sich wenigstens auf einen an den betrachteten Block angrenzenden Block von Bildelementen erstreckt, wobei die Grenze zwischen den beiden Blöcken die dunkle Zone über eine beträchtliche Länge schneidet. In einem solchen Fall ist die dunkle Zone auf beiden Seiten der Grenze unterschiedlich codiert, wodurch die Unterteilung des Bildes in Blöcke sichtbar wird, insbesondere weil das Kornrauschen nicht auf die gleiche Weise wiederhergestellt ist und besonders in einer dunklen Zone sichtbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Verfahren darin, die Blöcke von Bildelementen in acht von 1 bis 8 numerierte Klassen einzuteilen, in Abhängigkeit von der anwachsenden Schwierigkeit, sie wiederherzustellen, ohne daß die Grenzen zwischen den Blöcken erscheinen. Es besteht darin, jeden Block von 16x16 Elementen in Blöcke von 4x4 Elementen zu unterteilen und dann den mittleren Luminanzwert in jedem der Unterblöcke von 4x4 Elementen zu berechnen. In der Praxis werden nur die am Rand eines Blocks gelegenen Blöcke betrachtet.
Fig. 7 zeigt das Beispiel eines Blocks mit den zwölf Unterblöcken, für die ein mittlerer Luminanzwert berechnet wird. Diese sind schraffiert dargestellt. Das Verfahren besteht dann darin, in Zonen von länglicher Form, die sich am Rand der Blöcke von Bildelementen befinden und zwei aneinander angrenzende Unterblöcke umfassen, einen mittleren Luminanzwert zu berechnen. Diese Zonen überdecken sich teilweise. In Fig. 7 sind die Unterblöcke ab dem in der oberen, linken Ecke befindlichen Block im Uhrzeigersinn numeriert. In Fig. 8 sind die Zonen ab der in der oberen, linken Ecke befindlichen Zone im Uhrzeigersinn numeriert. Die Zone Nr. 1 überdeckt beispielsweise den Unterblock Nr. 1 und den Unterblock Nr. 2. Die Zone Nr. 2 überdeckt den Unterblock Nr. 2 und den Unterblock Nr. 3. Der mittlere Luminanzwert in einer Zone ist gleich der halben Summe der mittleren Luminanzwerte der beiden in dieser Zone enthaltenen Unterblöcke. Dieser mittlere Luminanzwert wird nach der folgenden Formel berechnet:
L(Zone Nr. 1) = 1/2(L(Block Nr. i) + (L(Block Nr. (i+1)) (9)
worin i = 1 bis 12; und L(Block Nr. i) und L(Block Nr. (i+1)) für den mittleren Luminanzwert im Block Nr. 1 bzw. den mittleren Luminanzwert in dem Block Nr. i+1 stehen.
Das Verfahren besteht dann darin, die Zone zu bestimmen, die den kleinsten mittleren Luminanzwert aufweist. Dieser minimale Luminanzwert wird mit Lmin bezeichnet und bestimmt die Schwierigkeit der Codierung des betrachteten Blocks. Das Verfahren besteht weiter darin, den betrachteten Block in eine von acht Schwierigkeitsklassen einzuteilen, indem der Wert des minimalen Luminanzwertes mit sieben Schwellenwerten verglichen wird, und einen Wichtungskoeffizienten und einen Quantisierungskoeffizienten in Abhängigkeit von der für den betrachteten Block bestimmten Schwierigkeitsklasse zu bestimmen.
Die Stärke der Wichtung und des Quantisierungskoeffizienten wird umso stärker abgemildert, je schwieriger die Codierung für einen Block ist, d.h. umso stärker, je geringer die ermittelte minimale Luminanz ist. Die Verteilung der Blöcke auf acht Schwierigkeitsklassen ermöglicht ein fortschreitendes Abnehmen der Stärke der Wichtung und der Qantisierung, wenn die Codierschwierigkeit zunimmt.
Ein anderes, wahlweise vorgesehenes Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung betrifft den Schutz gegen die Fortpflanzung von Fehlern, die für das differentielle Inter-Bild-Codierverfahren charakteristisch ist. Falls einander entsprechende Blöcke in einer Folge von Bildern, d.h. Blöcke mit der gleichen Position in jedem Bild aus der Folge durch eine Inter-Bild-Codierung codiert werden, dann schlägt sich ein Fehler in dem ersten Block in allen folgenden, entsprechenden Blöcken nieder. Kann ein solcher Fehler entdeckt werden, dann läßt sich der gesamte fehlerhafte Block durch den entsprechenden Block von Bildelementen in dem Bild ersetzen, das dem des fehlerhaften Blocks vorausgeht. Da in diesem Beispiel die Bilder aus zwei getrennt codierten Teilbildern aufgebaut sind, ist der entsprechende Block ein Block von Elementen des Teilbildes, das dem betrachteten Teilbild vorausgeht und die gleiche Parität besitzt. Allerdings wird durch diese Korrekturmethode kein perfektes Bild wiederhergestellt; folglich ist es dennoch erforderlich, die Fortpflanzung von Fehlern dadurch zu begrenzen, daß für jeden Block mit einer gegebenen Position eine Intra-Bild-Codierung erzwungen wird, beispielsweise mit einem festgelegten maximalen Intervall von 30 Bildern. Wird die Intra-Bild-Codierung zu unregelmäßigen oder periodischen Zeitpunkten erzwungen, dann erhöht sich der Durchsatzaufwand beträchtlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Fortpflanzung von Fehlern mit einer schwachen Zunahme des Informationsdurchsatzes zu begrenzen. Es weist ein erstes Kriterium auf, das darin besteht, die Intra-Bild-Codierung zu erzwingen, wenn für einen gegebenen Block die relative Differenz zwischen dem Aufwand für die Inter-Bild-Codierung und dem Aufwand für die Intra-Bild-Codierung unter einem ersten Schwellenwert liegt, oder wenn der gegebene Block nicht seit einer Anzahl von Bildern N(i,j) durch eine Intra-Bild-Codierung codiert worden ist, die über einem zweiten festgelegten Schwellenwert liegt; (i,j) sind dabei die Koordinaten, die die Position des Blocks in einem Bild angeben. Der erste Schwellenwert kann eine Funktion (f(N(i,j)) der Anzahl der Bilder sein, seit der der gegebene Block nicht mit einer Intra-Bild-Codierung codiert worden ist. Sie ist eine zunehmende Funktion, so daß nach einer bestimmten Zeit eine Intra- Bild-Codierung hervorgerufen wird, selbst wenn die relative Differenz des Aufwandes konstant bleibt.
Die relative Differenz zwischen den Codieraufwendungen wird dadurch berechnet, daß die Differenz zwischen der für die Intra-Bild-Codierung eines Blocks erforderlichen Bitzahl und der für die Inter-Bild-Codierung eines Blocks erforderlichen Bitzahl erstellt wird, und daß diese Differenz durch die für die Codierung des Blocks durch eine Inter-Bild-Codierung erforderliche Bitzahl dividiert wird. Die Funktion f(N(i,j)) kann eine Funktion der Form A N²(i,j) oder A N³(i,j) sein, worin A eine Konstante ist, die so gewählt ist, daß das Erzwingen spätestens nach 50 Teilbildern stattfindet, die mit einer Inter-Bild-Codierung codiert wurden. In der Praxis ist es erforderlich, ein zweites Kriterium vorzusehen, das es erlaubt, auf sichere Weise die Anzahl der Bilder zu begrenzen, während der ein gegebener Block mit einer Inter-Bild-Codierung codiert wird. Dieses zweite Kriterium besteht in einem Vergleich zwischen der Anzahl der Bilder, während der der gegebene Block mit einer Inter-Bild-Codierung codiert worden ist, und einem zweiten Schwellenwert N&sub0;, der z.B. auf 50 festgelegt worden ist, was 50 Teilbildern entspricht, also einer Zeitdauer von 1 Sekunde bei einer europäischen Fernsehnorm.
In bestimmten Fällen können diese Kriterien zu einer großen Zahl von erzwungenen Intra-Bild-Codierungen in demselben Bild führen. Die Operationen der erzwungenen Intra-Bild-Codierung müssen zeitlich verteilt werden, um ein abruptes Ansteigen der Menge von zu übertragenden Informationen zu vermeiden. Zu diesem Zweck besteht das Verfahren darüberhinaus darin, eine Intra-Bild-Codierung nur für solche aufeinanderfolgende Blökke zu erzwingen, die um ein Intervall, das größer als ein dritter Schwellenwert ist, auseinanderliegen. Beispielsweise kann es darin bestehen, die Erzwingung nur für die Blöcke zu erlauben, deren Nummer in dem betrachteten Teilbild gleich N&sub1; modulo 4 ist, wobei N&sub1; ein ganzer Wert ist, der von 0 bis 3 variiert und sich bei jedem Teilbild ändert. Bei diesem Beispiel wird jeder Block durch eine Intra-Bild-Codierung mit einem Intervall codiert, das höchstens gleich N&sub0; + 4 Teilbilder ist.
Das erfindungsgemäße Codierverfahren besteht außerdem darin, mit den codierten Daten Synchronisationsinformationen zu übertragen, die es erlauben, nach einer Übertragung auf einem asynchronen Kanal den Abtasttakt der Bilder wiederzufinden; darüberhinaus besteht es darin, Separatoren zu übertragen, die es erlauben, die Art der verschiedenen codierten Daten wiederzufinden, die auf dem Übertragungskanal seriell übertragen werden.
Zum Wiederfinden des Videotakt genannten Abtasttaktes der Bilder werden zwei Typen von Synchronisationsmustern unabhängig von den codierten Daten und ihren Separatoren übertragen, wobei die Übertragung dieser codierten Daten eingefroren wird. Ein Bildsynchronisationsmuster wird mit einer Frequenz von 25 Hz vor den codierten Daten jedes Teilbildpaares übertragen; ein Zeilensynchronisationsmuster wird mit einer Frequenz von 15625 Hz übertragen, um einen Taktgeber der Abtastfrequenz der Bildelemente nachzuregeln. Diese beiden Typen von Synchronisationsmustern haben keine feste Position in bezug auf die codierten Daten und sind in Fig. 9 nicht dargestellt.
Es ist nicht erforderlich, daß die beiden Typen von Synchronisationsmustern nicht durch Verkettungen von Daten nachzuahmen sind, denn die Muster sind durch eine Bitzahl getrennt, die bis auf 1 Bit bestimmt ist. Ein Lernvorgang, der darin besteht, die Anwesenheit von aufeinanderfolgenden Mustern zu den vorgesehenen Zeitpunkten zu überprüfen, erlaubt es, sie von den Daten zu unterscheiden.
Die Separatoren der codierten Daten sind in Fig. 9 dargestellt. Den codierten Daten, die zwei Teilbildern entsprechen, geht ein Bildseparator voraus, der in diesem Beispiel 8 mal wiederholt wird. Jeder Bildseparator weist ein Präfix von 16 Bits mit 15 Nullen und 1 Eins auf, sowie ein Binärwort von 3 Bits, das die Ordnungszahl des Separators in den 8 Separatoren angibt. In der Praxis wird die Anzahl der Wiederholungen in Abhängigkeit von der Fehlerrate in dem Übertragungskanal gewählt. Das Präfix ist ein Binärwort, das durch eine erlaubte Verkettung der Huffmann-Codewörter und der Inter-Block-Separatorwörter nicht nachgeahmt werden kann. Die Wiederholung der Bildseparatoren erlaubt es, sie gegen isolierte Fehler und kleine Fehlerpakete zu schützen. Die Erfassung eines Bildseparators wird nur gültig gemacht, wenn sie mehrere Male durchgeführt worden ist, und wenn die genaue Position der Bildseparatoren dank der 3 Bits bekannt ist, die die Ordnungszahl jedes Bildseparators codieren.
Die codierten Daten, die dem Block Nr. 1 entsprechen, werden nach dem achtmal wiederholten Bildseparator übertragen. Dann wird ein Inter-Block-Separator übertragen, der den für den Block Nr. 2 codierten Daten vorausgeht. Der Inter-Block-Separator weist ein Radikal aus 11 Bits auf, das aus 10 Nullen und 1 Eins besteht, ein Binärwort aus zwei Bits, das die Ordnungszahl des Blocks modulo 4 angibt, sowie ein Binärwort aus zwei Bits, das die Summe modulo 4 der Ordnungszahl des Blocks und der Anzahl der codierten Ereignisse in dem auf den Inter- Block-Separator folgenden Block wiedergibt. Das so gebildete Radikal kann nicht durch eine erlaubte Verkettung von Codewörtern nachgeahmt werden, die zu den acht Huffmann-Codierbäumen gehören. Hierzu weisen diese Codierbäume Codewörter auf, die mit höchstens 4 Nullen beginnen und auf höchstens 5 Nullen enden. Ein Codewort, das nur Nullen aufweist, ist verboten, denn würde es wiederholt, dann würde der Inter-Block- Separator nachgeahmt.
Der untere Teil von Fig. 9 stellt das Format der für einen Block codierten Daten dar. Es weist auf: ein Binärwort aus drei Bits, das die Klasse des Blocks wiedergibt; ein Bit, das den Codiertyp der codierten Daten des Rot-Farbdifferenzsignals angibt, nämlich Inter-Bild oder Intra-Bild; dann diese Daten mit einer variablen Anzahl von Bits; dann einen Intra- Block-Separator, der durch ein Huffmann-Codewort gebildet ist; dann ein mit Inter-Intra bezeichnetes Bit, das den Codiertyp der codierten Daten für das Blau-Farbdifferenzsignal angibt; dann einen Intra-Block-Separator, der durch ein Huffmann-Codewort gebildet ist; dann ein Bit, das den Codiertyp für die codierten Daten des Luminanzsignals angibt; und schließlich die codierten Daten des Luminanzsignals.
Es ist zu bemerken, daß die Bildseparatoren eine Redundanz einbringen, die aufgrund ihres seltenen Vorkommens zu vernachlässigen ist. Die Intra-Block-Separatoren sind unerläßlich, da der letzte Bereich von Nullen jedes Blocks nicht codiert wird. Sie sind nicht geschützt und bringen somit keine Redundanz ein. Dagegen besteht in den Inter-Block-Separatoren eine Redundanz. Die Inter-Block-Separatoren gehörten nach dem Stand der Technik zu den Inter-Bild- und Intra-Bild- Codierbäumen des Luminanzsignals und hatten eine Länge von 5 Bits. Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete hat eine Länge von 15 Bits, also eine Redundanz von 10 Bits. Andererseits weisen die Huffmann-Codierbäume der Farbdifferenzsignale ein reserviertes Wort auf, das aus fünf aufeinanderfolgenden Nullen gebildet ist, um den Wert 0+ zu codieren, was die mittlere Länge der Huffmann-Codes im Vergleich zu den beim Stand der Technik verwendeten erhöht. Die Informationsredundanz in den Inter-Block-Separatoren wird auf weniger als 1% der gesamten übertragenen Informationen geschätzt. Diese Redundanz ist gering, erlaubt es jeodch, den Schutz gegen Fehler bei den Inter-Block-Separatoren merklich zu verbessern.
Es ist unerläßlich, daß die Inter-Block-Separatoren gut erfaßt werden, da der Verlust eines einzigen Bits der codierten Daten den vollkommenen Verlust der Synchronisation der Decodierung in bezug auf die Codierung hervorruft, und damit den Verlust eines ganzen Bildes.
Falls ein Inter-Block-Separator fehlerhaft ist, läßt sich die Decodierung mittels eines Binärworts, das die Ordnungszahl des Blocks modulo 4 wiedergibt, wieder mit der Codierung synchronisieren.
Es gibt wenigstens vier Möglichkeiten, einen Fehler in einem Block auf der Ebene der Inter-Block-Separatoren zu erfassen:
- durch die Erfassung eines Inter-Block-Separators, bevor die beiden in jedem normalen Block enthaltenen Intra-Block- Separatoren erfaßt worden sind;
- durch die Erfassung eines Inter-Block-Separators, dessen Anfang nicht mit dem Ende der Daten des vorhergehenden Blocks zusammenpaßt, wobei das Ende dieser Daten dank des Binärworts aus zwei Bits vorgesehen ist, das die Ordnungszahl des Blocks plus die Anzahl der Ereignisse modulo 4 angibt;
- durch die Erfassung einer Blockordnungszahl modulo 4, die nicht gleich der Ordnungszahl des vorhergehenden Blocks inkrementiert um 1 ist;
- durch die Erfassung einer Summe aus einer Blockordnungszahl und einer Anzahl von Ereignissen modulo 4, die nicht gleich der Summe der Ordnungszahl des Blocks und der Anzahl der empfangenen Ereignisse ist.
Der Empfang eines Blocks wird nur gültig gemacht, wenn keine einzige dieser Bedingungen realisiert ist. Die Erfahrung zeigt, daß es die Verwendung der Ordnungszahl des Blocks modulo 4 und der Summe der Ordnungszahl des Blocks und der Anzahl der Ereignisse modulo 4, die in den Inter-Block-Separatoren übertragen werden, erlaubt, den größten Teil der Fehler zu erfassen, die die Blöcke berühren.
Wenn ein Block als fehlerhaft erfaßt wird, dann besteht das Verfahren darin, ihn zu maskieren, indem er durch den entsprechenden Block in dem Teilbild ersetzt wird, das dem im Vorgang der Codierung befindlichen Teilbild unmittelbar vorausgeht. Es ist zu bemerken, daß ein isolierter Fehler an einem Inter-Block-Separator die Maskierung des vorausgehenden und des nachfolgenden Blocks nach sich zieht, da das Ende des ersten und der Anfang des zweiten nicht korrekt identifiziert werden können.
Der störendste Fehler besteht aus Fehlerpaketen, die wenigstens vier aufeinanderfolgende Blöcke befallen, denn in diesem Fall ist es nicht möglich, die Decodierung wieder mit der Codierung zu synchronisieren, da die Ordnungszahl des Blocks modulo 4 übertragen wird. Alle folgenden Blöcke in dem gleichen Bild sind verschoben. Die Synchronisation wird erst am Anfang des folgenden Bildes wiedergefunden. Andererseits pflanzt sich der Fehler auf die folgenden Bilder in den Blöcken fort, die mit einer Inter-Bild-Codierung codiert worden sind. Die Fehlerbeständigkeit der Inter-Block-Separatoren läßt sich durch die Erhöhung des Modulo des Wortes steigern, das die Ordnungszahl des Blocks wiedergibt, sowie des Wortes, das die Summe der Ordnungszahl des Blocks und der Anzahl der Ereignisse wiedergibt.
Fig. 10 stellt das Übersichtsschema eines Ausführungsbeispiels einer Codiervorrichtung mit einer Synchronisationsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Dieses Beispiel weist auf: einen Eingangseinschluß 1; einen Teilbildspeicher 2; einen ersten und einen zweiten Blockspeicher 3 bzw. 4; eine Einrichtung 5 zur Klassifizierung der Blöcke; eine Einrichtung 6 zur Codierung der Luminanz; eine Einrichtung 7 zur Codierung der Farbdifferenzen; eine Einrichtung 8 zum Berechnen des Quantisierungskoeffizienten und des Wichtungskoeffizienten; einen Speicher 9; eine Einrichtung 10, die ein Huffmann-Codierer und Generator von Separatoren ist; eine Ablaufsteuerung 11; ein Schieberegister 12; einen Bildsynchronisations- und Zeilensynchronisationsgenerator 13; eine Einrichtung 14 zum Berechnen der Füllung des Pufferspeichers, der aus dem Speicher 9, der Einrichtung 10 und dem Register 12 besteht; eine Einrichtung 15 zum Berechnen der übertragenen Informationsmenge sowie einen Ausgangsanschluß 19, der mit einem asynchronen Übertragungskanal verbunden ist, der einen konstanten Durchsatz von 10 Mb pro Sekunde aufweist.
Der Eingangsanschluß 1 erhält in Form eines Tripels aus Binärwörtern parallel einen Luminanzwert Y, einen Rot-Farbdifferenzwert DR sowie einen Blau-Farbdifferenzwert DB. Jedes Tripel stellt ein Bildelement dar. Die betrachtete Bildfolge ist eine Folge von klassischen Fernsehbildern, worin jedes Bild aus zwei verschachtelten Teilbildern besteht; jedoch sind diese zwei Teilbilder unabhängig codiert. Das Luminanzsignal wird mit einer Frequenz von 10,125 MHz abgetastet, und jedes der Farbdifferenzsignale wird mit einer Frequenz von 5,06 MHz abgetastet. Die Codiereinrichtungen 6 und 7 arbeiten parallel. Während die Einrichtung 6 zwei Luminanzwerte codiert, codiert die Einrichtung 7 einen Rot-Farbdifferenzwert sowie einen Blau-Farbdifferenzwert.
Ein Dateneingang des Teilbildspeichers 2 ist mit dem Eingangseinschluß 1 verbunden. Lese- und Schreibsteuereingänge dieses Speichers 2 sind über nicht dargestellte Verbindungen mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 11 verbunden. Die Ablaufsteuerung 11 steuert die Speicherung der Werte Y, DR, DB nach ihrer Verfügbarkeit. Ein Datenausgang des Speichers 2 ist mit Dateneingängen der Blockspeicher 3 und 4 verbunden. Steuereingänge der Speicher 3 und 4 sind über nicht dargestellte Verbindungen mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 11 verbunden. Die Ablaufsteuerung 11 steuert das Auslesen aus dem Speicher 2 und das Schreiben in den Speicher 3 von 16x16 Luminanzwerten, die für einen Block von 16x16 Bildelementen stehen. Gleichzeitig steuert sie das Auslesen aus dem Speicher 2 und das Schreiben in den Speicher 4 von 8x16 Rot-Farbdifferenzwerten und von 8x16 Blau-Farbdifferenzwerten, die für den gleichen Block von Bildelementen stehen.
Ein Datenausgang des Blockspeichers 3 ist mit einem Eingangsanschluß 20 der Einrichtung 6 und mit einem Eingang der Klassifiziereinrichtung 5 verbunden. Ein Datenausgang des Blockspeichers 4 ist mit einem Eingang der Einrichtung 7 verbunden. Ein weiterer Eingang der Einrichtung 7 und ein Eingangsanschluß 21 der Einrichtung 6 sind mit einem Ausgang der Einrichtung 8 verbunden. Die Einrichtung 8 liefert den Wert eines Quantisierungskoeffizienten und eines Wichtungskoeffizienten, die so berechnet sind, daß der Durchsatz an auf dem Übertragungskanal übertragenen, codierten Informationen reguliert wird. Die Einrichtung 8 besitzt einen ersten Eingang, der mit einem Ausgang der Klassifiziereinrichtung 5 verbunden ist, sowie einen zweiten Eingang, der mit einem Ausgang der Recheneinrichtung 14 verbunden ist. Die Einrichtung 14 besitzt einen ersten Eingang, der mit einem Ausgang der Einrichtung 15 verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit einem Ausgangsanschluß 22 der Einrichtung 6 verbunden ist, sowie einen dritten Eingang, der mit einem ersten Ausgang der Einrichtung 7 verbunden ist.
Der Speicher 9 besitzt: einen ersten Dateneingang, der mit einem Ausgangsanschluß 23 der Einrichtung 6 verbunden ist, sowie mit einem zweiten Ausgang der Einrichtung 7; einen zweiten Dateneingang, der mit einem Ausgangsanschluß 24 der Einrichtung 6 sowie mit einem dritten Ausgangsanschluß der Einrichtung 7 verbunden ist, und einen dritten Dateneingang, der mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung 11 verbunden ist.
Die Rolle des Speichers 9 besteht darin, die Werte der Cosinustransformationskoeffizienten oder der Cosinustransformations-Koeffizientendifferenzen oder die Längen von Bereichen von Nullen zu speichern, die die Luminanz- oder Farbdifferenzwerte repräsentieren, um eine Regelung des Durchsatzes der codierten Informationen zu ermöglichen, die in den Kanal geschickt werden. Die von dem ersten Dateneingang des Speichers 9 erhaltenen Daten sind Werte von Transformationskoeffizienten oder von Differenzen von Transformationskoeffizienten, oder von Längen von Bereichen von Nullen. Die von dem zweiten Dateneingang des Speichers 9 erhaltenen Daten sind Zeiger, die den an dem ersten Dateneingang anliegenden Daten entsprechen, um den Typ der Codierung (Inter- oder Intra-Bild) und den Datentyp anzugeben: Daten, die Luminanzwerten entsprechen, oder einer Blau- oder Rot-Farbdifferenz, und zur Angabe der Koeffizienten oder der Differenzen von Koeffizienten, die von Null verschieden sind, einerseits, und von Längen von Bereichen von Nullen andererseits.
Die von dem dritten Dateneingang des Speichers 9 erhaltenen Daten entsprechen ebenfalls den von dem ersten Eingang erhaltenen Daten und geben den Anfang eines Blocks oder, im Inneren eines Blocks, den Anfang der Luminanzdaten oder den Anfang der Daten einer Rot-Farbdifferenz, oder aber den Anfang der Daten einer Blau-Farbdifferenz an. Diese zwei Zeiger werden in dem Speicher 9 gleichzeitig mit einem Datenwert gespeichert, der für die Luminanz oder eine Farbdifferenz steht, und sie bilden einen Befehl zur Steuerung der Huffmann-Codierer- und Separatoren-Generator-Einrichtung 10, so daß die Daten nach 8 verschiedenen Huffmann-Bäumen codiert werden und die Inter-Block-Separatoren, die Intra-Block-Separatoren und die Inter-Bild-Separatoren geliefert werden. Der Speicher 9 besitzt zwei Ausgänge, die jeweils mit einem von zwei Eingängen der Einrichtung 10 verbunden sind, um dieser parallel einen Datenwert und eine entsprechenden Befehl zu liefern.
Der Speicher 9 besitzt außerdem Schreib- und Lesesteuereingänge, die über nicht dargestellte Verbindungen jeweils mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 11 verbunden sind. Die Ablaufsteuerung 11 steuert das Auslesen der Daten und der entsprechenden Befehle nach der Codierung und Übertragung dieser Daten auf dem Kanal durch die Einrichtung 10. Die Einrichtung 10 signalisiert der Ablaufsteuerung 11 über eine nicht dargestellte Verbindung ihre Verfügbarkeit.
Die Einrichtung 10 besitzt einen Ausgang, der mit einem parallelen Eingang des Schieberegisters 12 verbunden ist. Das Register 12 besitzt einen Ausgang, der mit dem Ausgangsanschluß 19 der Codiereinrichtung verbunden ist, und es besitzt einen Steuereingang, der ein Taktsignal HC empfängt, das den Übertragungstakt auf dem Kanal definiert. Der Bild- und Zeilensynchronisationsgenerator 13 besitzt einen Ausgang, der auch mit dem Ausgangsanschluß 14 verbunden ist, um Synchronisationsmuster mit der Bildfrequenz und der Zeilenfrequenz zu liefern. Der Generator 13 wird mittels einer nicht dargestellten Verbindung durch die Ablaufsteuerung 11 gesteuert. Die Übertragung der Synchronisationsmuster wird völlig unabhängig von der Übertragung der codierten Daten und ihrer Separatoren durchgeführt, indem periodisch die Übertragung dieser codierten Daten eingefroren wird, um die Synchronisationsmuster zu übertragen. Diese Muster erlauben es, nach der Decodierung den Bild- und Zeilentakt wiederzugewinnen, der im Verhältnis zum Takt des Kanals asynchron ist.
Die Einrichtung 10 ist im wesentlichen durch eine Ablaufsteuerung und Festwertspeicher gebildet. Die Festwertspeicher erlauben es, ausgehend von den durch den Speicher 9 gelieferten Daten, eine Umcodierung durchzuführen; diese Umcodierung hängt vom Typ der Daten ab, und dieser wird durch den sie begleitenden Befehl angegeben. Die Ablaufsteuerung wird durch diese Befehle gesteuert, um einen Festwertspeicher auszuwählen, der einem für die umzucodierenden Daten geeigneten Huffmann-Code entspricht. Die Ablaufsteuerung liefert auch die Binärwörter, die die Inter-Block-, Intra-Block- und Bild- Separatoren bilden. Diese Ablaufsteuerung weist Zähler auf, um die Ordnungszahl jedes Bild-Separators, jedes Blocks modulo 4, sowie die Summe der Ordnungszahl jedes Blocks und der Anzahl der codierten Ereignisse in diesem Block modulo 4 zu bestimmen, um in Entsprechung zu dem oben beschriebenen Verfahren diese Werte in die Separatoren einzuschließen.
Die Ablaufsteuerung 11 liefert der Gesamtheit der Elemente dieser Codiereinrichtung Taktsignale, und sie liefert insbesondere den Einrichtungen 6 und 7 Steuersignale mit einer Periode, die der Verarbeitung eines Blocks von 16x16 Bildelementen entspricht. Es ist zu beachten, daß die für die Bildelemente stehenden Werte in dem Teilbildspeicher 2 mit Haltezeitintervallen gespeichert werden, die der Zeilen- und Teilbildaustastung entsprechen.Diese repräsentativen Werte werden jedoch aus dem Speicher 2 mit einer etwas langsameren Geschwindigkeit wieder ausgelesen, so daß das Aus lesen mit einem regelmäßigen Takt durchgeführt wird, ohne die Zeitintervalle der Zeilen- und Teilbildaustastung zu berücksichtigen.
Ein Ausgang der Einrichtung 10 ist mit einem parallelen Eingang des Schieberegisters 12 verbunden, um ihm ein Binärwort zu liefern, das einem codierten Datenwert oder einem Separator entspricht. Das Schieberegister 12 überträgt die Bits dieses Binärwortes unter der Wirkung des Taktsignals HC, das dem Übertragungstakt auf dem betrachteten Kanal entspricht, nacheinander zu dem Ausgangsanschluß 19.
Die Einrichtung 8 liefert einen Wichtungskoeffizienten, der für die Einrichtung 6 zum Codieren der Luminanz und für die Einrichtung 7 zum Codieren der Farbdifferenzen der gleiche ist; und sie liefert einen Quantisierungskoeffizienten, der bis auf einen Multiplikationskoeffizienten für die Einrichtungen 6 und 7 gleich ist. Diese beiden Koeffizienten stellen also eine gemeinsame Regelung für den Durchsatz der zu übertragenden Informationen sicher, die der Luminanz entsprechen, sowie für die zu übertragenden Informationen, die den Farbdifferenzen entsprechen. Der Speicher 9 speichert diese zwei Arten von zu übertragenden Informationen, sowie Zeiger, die es erlauben, diese unterschiedlichen Arten von Informationen zu identifizieren und die Befehle zum Steuern der Einrichtung 10 bilden.
Da der Speicher 9 vor dem Huffmann-Codierer 10 angeordnet ist, besteht die Regelung des Bitflusses auf dem Kanal tatsächlich darin, durch die variable Wichtung und Quantisierung auf die Amplitude der Koeffizienten oder der Koeffizientendifferenzen einzuwirken, bevor sie mittels des Huffmann-Codierers codiert werden. Eine Reduzierung der Amplitude zeigt sich in einer Reduzierung der Bitzahl am Ausgang des Huffmann-Codierers. All dies läuft ab, als ob es anstelle des Speichers 9, der Einrichtung 10 und des Registers 12 nur einen Pufferspeicher gäbe, der die Binärdaten seriell speichert und sie seriell dem Kanal wiedergibt. Tatsächlich berechnet die Einrichtung 14 nicht die Füllung des Speichers 9, sondern die Füllung dieses Pufferspeichers. Die Füllung des Pufferspeichers ist gleich der Menge an Binärinformationen in der Form von Huffmann-Codes, die zum betrachteten Zeitpunkt noch zu übertragen sind. Es gibt keine mathematische Beziehung zwischen der Füllung des Speichers 9 und der Füllung des Pufferspeichers. Folglich wird die Kapazität des Speichers 9 unter Berücksichtigung der mittleren Länge der Huffmann-Codes gewählt. In diesem Beispiel ist die mittlere Länge gleich 2 Bits. Der Speicher 9 hat eine Kapazität von 32K Wörtern, wobei jedes Wort aus einem Datenwert und einem Befehl gebildet ist, und entspricht einer Kapazität von 64K Bits für den Pufferspeicher, wie er oben definiert worden ist.
Die Einrichtung 15 liefert der Einrichtung 14 den Wert der auf dem Kanal übertragenen Informationsmenge. Die Einrichtungen 6 und 7 liefern der Einrichtung 14 den Codieraufwand jedes Koeffizienten oder jeder Differenz von Koeffizienten. Die Einrichtung 14 berechnet den Wert der Füllung des Pufferspeichers, indem sie die Codieraufwendungen kumuliert und die übertragene Menge subtrahiert. Dann liefert sie den Füllungswert an die Recheneinrichtung 8, die entsprechend den Formeln (3) bis (8) einen Quantisierungskoeffizienten und einen Wichtungskoeffizenten bestimmt, wobei die Stärke der Quantisierung und der Wichtung in Abhängigkeit von der Klasse des Blocks moduliert wird, die durch die Einrichtung 5 bestimmt worden ist.
Die Zähleinrichtung 15 bestimmt auf Grund des Taktsignals HC die Anzahl der übertragenen Bits, wobei ihr das Signal den Übertragungstakt auf dem Kanal angibt, der bekannt und konstant ist, der aber bezüglich des Abtasttakt der Bilder asynchron ist. Der Wert des Wichtungsverhältnisses der hohen Frequenzen zu den niedrigen Frequenzen entspricht den in Fig. 2 dargestellten Werten. Der Quantisierungskoeffizient der Luminanz weist einen konstanten Wert für eine Füllung des Pufferspeichers auf, die von 0 bis 56 Kb variiert, und er nimmt dann exponentiell für eine Füllung ab, die von 56 Kb bis 64 Kb variiert.
Die Einrichtung 5 weist in Reihe zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang auf: eine Einrichtung 16 zum Berechnen der mittleren Luminanz in Randzonen jedes Blocks von Bildelementen; eine Einrichtung 17 zum Bestimmen der minimalen Luminanz in jedem Block; sowie eine Einrichtung 18 zum Bestimmen der Klasse eines Blocks.
Die Einrichtung 16 berechnet die mittlere Luminanz in 12 Unterblöcken mit 4x4 Bildelementen am Rande jedes Blocks; dann berechnet sie die mittlere Luminanz in 12 Zonen mit 4x8 Elementen entsprechend dem oben beschriebenen und in Fig. 7 und 8 veranschaulichten Verfahren. Die Einrichtung 17 bestimmt unter den durch die Einrichtung 16 berechneten Mittelwerten den Minimalwert. Die Einrichtung 18 vergleicht diesen Mittelwert bezüglich 7 festgelegter Schwellwerte und leitet daraus ein Binärwort ab, dessen Wert von 0 bis 7 reichen kann, und das die Klassennummer des Blocks bildet, die die Schwierigkeit der Codierung und der Wiederherstellung dieses Blocks zum Ausdruck bringt. Die Einrichtung 5 wird durch die Ablaufsteuerung 11 über nicht dargestellte Verbindungen gesteuert. Die Einrichtung 5 kann in Form einer festverdrahteten Logikschaltung oder in Form eines Mikroprozessors und eines Programmspeichers realisiert sein. In beiden Fällen liegt ihre Realisierung im Vermögen des Fachmanns.
Fig. 11 stellt das Übersichtsschema der Einrichtung 6 zur Codierung der Luminanz dar. Das Übersichtsschema der Einrichtung 7 entspricht vollkommen dem der Einrichtung 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 6 auf: eine Einrichtung 43 zum Berechnen einer zweidimensionalen Cosinustransformation an Blöcken mit den Dimensionen 16x16. Die Einrichtung 43 besitzt einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 20 verbunden ist, um nacheinander die Luminanzwerte zu empfangen, die einem Bildblock entsprechen. Die zweidimensionale Transformation wird in zwei Stufen berechnet, die zwei eindimensionalen Transformationen entsprechen, wobei der bekannte Algorithmus von Beyong Gi Lee angewendet wird. Die Einrichtung 43 kann beispielsweise nach der Beschreibung der französischen Patentanmeldung 2 581 463 ausgeführt sein.
Die Codiereinrichtung 6 weist außerdem Mittel auf, die es erlauben, parallel die Transformationskoeffizienten eines Blocks von Luminanzwerten und die Differenzen zwischen diesen Koeffizienten und den Transformationskoeffizienten des entsprechenden Blocks in dem vorausgehenden Teilbild zu berechnen. Sie führt die Operationen der Wichtung, der Quantisierung und der Codierung der Bereiche von Nullen parallel an den Koeffizienten und an den Differenzen von Transformationskoeffizienten durch.
Die durch die Einrichtung 43 berechneten Transformationskoeffizienten werden nacheinander durch eine Wichtungseinrichtung 45, eine Quantisierungseinrichtung 46 sowie eine Einrichtung 47 zum Codieren der Bereiche von Nullen verarbeitet. Letztere besitzt einen ersten und einen zweiten Eingang, die jeweils die codierten Daten sowie einen Zeiger liefern, der den Typ der gelieferten Daten angibt, d.h. Wert eines Transformationskoeffizienten oder Länge eines Bereichs von Nullen. Diese beiden Ausgänge sind jeweils mit zwei Eingängen eines Speichers 52 verbunden, der dazu dient, für einen Block von Bildelementen, der nach der Intra-Bild-Codierung codiert worden ist, Daten und die entsprechenden Zeiger zu speichern. Der Speicher 52 besitzt zwei Datenausgänge, die mit zwei Eingängen a&sub1; bzw. a&sub2; eines Multiplexers 51 verbunden sind, um ihm jeweils ein Datenwort und ein Zeigerwort zu liefern.
Die Einrichtung 6 weist auch einen Subtrahierer 44 mit einem ersten Eingang auf, der mit dem Ausgang der Einrichtung 43 verbunden ist, um den Wert eines Transformationskoeffizienten zu empfangen, sowie mit einem zweiten Eingang, der mit einem Ausgang des Speichers 42 verbunden ist, der die Werte der Transformationskoeffizienten des dem gerade verarbeiteten entsprechenden Blocks in dem unmittelbar vorher codierten Teilbild speichert. Der Subtrahierer 44 berechnet also die Differenz zwischen einem Transformationskoeffizienten und dem entsprechenden Transformationskoeffizienten in dem vorhergehenden Teilbild. Diese Differenz wird dann nacheinander durch eine Wichtungseinrichtung 48, eine Quantisierungseinrichtung 49 sowie eine Einrichtung 50 zum Codieren der Bereiche von Nullen verarbeitet. Die Einrichtung 50 besitzt zwei Ausgänge, die jeweils einen codierten Datenwert liefern, der durch eine Differenz von Transformationskoeffizienten oder durch eine Länge von Bereichen von Nullen gebildet ist, sowie einen Zeiger, der diesem Datentyp entspricht.
Diese beiden Ausgänge sind jeweils mit einem von zwei Dateneingängen des Blockspeichers 53 verbunden, der zum Speichern der Daten und der entsprechenden Zeiger für einen Block von Bildelementen dient, der nach der Inter-Bild-Codierung codiert worden ist. Der Speicher 53 besitzt zwei Datenausgänge, die jeweils mit einem von zwei Eingängen b&sub1; und b&sub2; des Multiplexers 51 verbunden sind, um ihm jeweils ein Datenwort und ein Zeigerwort zu liefern, wobei letzteres einen Befehl zum Steuern der Einrichtung 10 darstellt.
Der Multiplexer 51 besitzt einen Steuereingang, der mit einem Ausgang einer Einrichtung 39 zum Auswählen des Codiertyps verbunden ist. Er besitzt darüberhinaus zwei Ausgänge, die mit den Ausgangsanschlüssen 23 bzw. 24 der Einrichtung 6 verbunden sind, um jeweils einen Befehl und ein Datenwort zu liefern, das durch den Wert eines Transformationskoeffizienten, den Differenzwert des Transformationskoeffizienten oder den Wert der Länge eines Bereichs von Nullen gebildet ist. Je nach dem Wert eines Steuersignals, das durch die Einrichtung 39 geliefert wird, verbindet der Multiplexer 51 jeweils die Eingänge a&sub1; und a&sub2; mit seinen beiden Ausgängen, oder er verbindet jeweils die Eingänge b&sub1; und b&sub2; mit seinen beiden Ausgängen, je nachdem, ob die durchzuführende Codierung eine Intra-Bild-Codierung oder eine Inter-Bild-Codierung ist.
Die Wichtungseinrichtungen 45 und 48 sowie die Quantisierungseinrichtungen 46 und 49 besitzen Steuereingänge, die mit dem Eingangsanschluß 21 der Einrichtung 6 verbunden sind, um jeweils ein Binärwort zu empfangen, das den Wichtungskoeffizienten bzw. den Quantisierungkoeffizienten definiert, der auf die Transformationskoeffizienten und die Differenzen von Transformationskoeffizienten der Luminanzwerte angewendet wird. Der Eingangsanschluß 21 ist auch mit einem Eingang einer Einrichtung 30 zum Berechnen des Kehrwerts des Wichtungskoeffizienten und des Quantisierungskoeffizienten verbunden.
Die Einrichtung 6 weist darüberhinaus eine Einrichtung 31 zum Decodieren der Bereiche von Nullen auf, die den Transformationskoeffizienten entsprechen, wobei die Einrichtung 31 zwei Eingänge aufweist, die jeweils mit den zwei Ausgängen der Einrichtung 47 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der entweder einen von Null verschiedenen Transformationskoeffizienten liefert, der durch den ersten Ausgang der Einrichtung 47 abgegeben wird, oder eine Folge von Nullwerten, je nach dem Wert des Zeigers, der von dem zweiten Ausgang der Einrichtung 47 geliefert ist. Die Nullwerte oder die von Null verschiedenen Werte von Transformationskoeffizienten, die durch die Einrichtung 31 geliefert sind, werden dann nacheinander durch eine Einrichtung 32 zur inversen Quantisierung sowie durch eine Einrichtung 33 zur inversen Wichtung verarbeitet und werden danach zu einem ersten Eingang eines Multiplexers 34 geliefert.
Die Einrichtung 6 weist außerdem eine Einrichtung 35 zum Decodieren der Bereiche von Nullen auf, die Differenzen von Transformationskoeffizienten entsprechen, deren zwei Eingänge mit dem ersten bzw. dem zweiten Ausgang der Einrichtung 50 verbunden sind, um jeweils Daten zu empfangen, die aus Differenzen von Transformationskoeffizienten oder Längen von Bereichen von Nullen bestehen, sowie Zeiger, die den Typ dieser Daten angeben. Die Einrichtung 35 überträgt die von Null verschiedenen Differenzen von Transformationskoeffizienten, ohne sie zu modifizieren, und sie liefert eine Folge von Nullwerten, um die Bereiche von Differenzen von Transformationskoeffizienten des Wertes Null wiederherzustellen. Diese Differenzwerte von Transformationskoeffizienten werden durch einen Ausgang der Einrichtung 35 geliefert und werden nacheinander durch eine Einrichtung 36 zur inversen Quantisierung und durch eine Einrichtung 37 zur inversen Wichtung verarbeitet, worauf sie an einen zweiten Eingang des Multiplexers 34 angelegt werden.
Die Einrichtungen 33 und 37 zur inversen Wichtung sowie die Einrichtungen 32 und 36 zur inversen Quantisierung besitzen Steuereingänge, die mit einem Ausgang der Einrichtung 30 verbunden sind, um den inversen Wichtungskoeffizienten und den inversen Quantisierungskoeffizienten zu empfangen, die den Luminanzwerten des gerade verarbeiteten Blocks entsprechen und durch die Einrichtung 30 berechnet worden sind. Der Multiplexer 34 besitzt einen Ausgang, der entweder mit ihrem ersten Eingang oder mit ihrem zweiten Eingang verbunden ist, je nach dem Wert eines Binärsignals, das an einem Steuereingang anliegt, der mit dem Ausgang der Einrichtung 39 zum Auswählen des Codiertyps verbunden ist. Der Ausgang des Multiplexers 34 ist mit einem Dateneingang eines Speichers 41 verbunden, der die Werte der Transformationskoeffizienten aller Blöcke von Bildelementen des Teilbildes speichert, das unmittelbar vorher verarbeitet worden ist.
Ein Datenausgang des Speichers 41 ist mit einem Dateneingang eines Speichers 42 verbunden, der ausschließlich die Transformationskoeffizienten des Blocks im vorhergehenden Teilbild speichert, der dem gerade verarbeiteten Block von Bildelementen entspricht. Die Speicher 41 und 42 besitzen Schreib- und Lesesteuereingänge, die über nicht dargestellte Verbindungen mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 11 verbunden sind. Ein Dateneingang des Speichers 42 ist mit einem zweiten Eingang des Subtrahierers 44 verbunden, um ihm den Wert der Transformationskoeffizienten des entsprechenden Blocks in einer Reihenfolge zu liefern, die der Reihenfolge der Transformationskoeffizienten entspricht, die durch die Einrichtung 43 berechnet worden sind, wobei die Reihenfolge beispielsweise den in Fig. 1 dargestellten Zickzackverlauf nimmt. Der Speicher 42 und der Speicher 41 spielen die Rolle einer digitalen Verzögerungsleitung, die eine Verzögerung um ein Teilbild erzeugt.
Darüberhinaus enthält die Einrichtung 6 eine Einrichtung 38 zum Berechnen des Intra-Bild-Codieraufwandes sowie eine Einrichtung 40 zum Berechnen des Inter-Bild-Codieraufwandes für den gleichen Block von Bildelementen. Die Einrichtung 38 besitzt zwei Eingänge, die jeweils mit einem von zwei Ausgängen der Einrichtung 47 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der mit einem Eingang der Einrichtung 39 zum Auswählen des Codiertyps verbunden ist. Die Einrichtung 40 besitzt zwei Eingänge, die jeweils mit einem der beiden Ausgänge der Codiereinrichtung 50 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der mit einem anderen Eingang der Einrichtung 39 verbunden ist. Die Einrichtungen 38 und 40 berechnen einen Codieraufwand unter Berücksichtigung der Inter-Block-, Intra-Block- und Inter- Bild-Separatoren sowie unter Berücksichtigung der Huffmann- Codewörter, die zum Codieren jedes Transformationskoeffizienten, jeder Differenz von Transformationskoeffizienten und jedes Bereiches von Nullen verwendet werden. Die Auswähleinrichtung 39 empfängt also gleichzeitig zwei Binärwörter, die den durch die Intra-Bild-Codierung und den durch die Inter- Bild-Codierung verursachten Aufwand angeben.
Die Einrichtung 39 bestimmt, welches der geringste Aufwand ist und wählt im Prinzip den Codiertyp, der diesem Aufwand entspricht. Aber sie kann auch eine Intra-Bild-Codierung aufzwingen. Die Einrichtung 39 besitzt einen ersten Ausgang, der mit den Steuereingängen der Multiplexer 34 und 51 verbunden ist, um die Inter-Bild- oder die Intra-Bild-Codierung zu steuern; und sie besitzt einen zweiten Ausgang, der mit dem Ausgangsanschluß 22 verbunden ist, um den Codieraufwand des Blocks zu liefern. Dieser Aufwand wird zum Berechnen der Füllung des virtuellen Pufferspeichers verwendet.
Die Einrichtung 39 kann zum Vergleichen der Codieraufwendungen und zum Erzwingen der Intra-Bild-Codierung in bestimmten Fällen aus einem Mikroprozessor und einem Festwertspeicher bestehen, der ein Programm enthält, um das Verfahren entsprechend durchzuführen.
Das Verfahren des Erzwingens beinhaltet drei Kriterien. Ein erstes Kriterium besteht darin, die Differenz zwischen dem Aufwand für die Intra-Bild-Codierung und dem Aufwand für die Inter-Bild-Codierung zu berechnen; dann diese Differenz durch den Aufwand für die Inter-Bild-Codierung zu dividieren; dann das Ergebnis mit einem ersten, variablen Schwellwert zu vergleichen. Dieser erste Schwellwert wird berechnet, indem die Anzahl N(i,j) der Blöcke gezählt wird, die die Koordinaten (i,j) haben und mit einer Inter-Bild-Codierung codiert worden sind, seit zum letzten Mal ein Block von Koordinaten (i,j) mit einer Intra-Bild-Codierung codiert worden ist, und schließlich indem eine Funktion von N(i,j) dividiert durch eine Konstante berechnet wird. Diese Funktion kann beispielsweise N²(i,j) sein.
Ein zweites Kriterium des Erzwingens besteht im Vergleich der Anzahl N(i,j) mit einem zweiten Schwellwert N&sub0;, der z.B. auf 30 festgelegt ist. Die Codierung in einer Intra-Bild- Codierung wird erzwungen, wenn N(i,j) 30 überschreitet.
Ein drittes Kriterium, das die Operationen des Erzwingens zeitlich verteilen soll, besteht darin, das Erzwingen nur für die Blöcke zu erlauben, deren Nummer in dem betreffenden Teilbild gleich einem Wert N&sub1; modulo 4 ist. Der Wert N&sub1; ist ein ganzer Wert, der von 0 bis 3 variiert und sich bei jedem Teilbild ändert.
Die Realisierung dieses Rechenprogramms für einen Mikroprozessor liegt im Vermögen des Fachmanns.
Fig. 12 stellt das Übersichtsschema eines Ausführungsbeispiels eines Bild-Decodierers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Das Beispiel weist auf: einen Eingangsanschluß 57, der mit einem Übertragungskanal verbunden ist; einen Huffmann-Decodierer 58; einen Satz 59 von Synchronisationsregistern; einen Speicher 60; Mittel 80 zum Decodieren der Luminanz; Mittel 81 zum Decodieren der Farbdifferenzsignale; eine Einrichtung 64 zum Wiedergewinnen des Kanaltakt; eine Einrichtung 65 zum Erfassen der Inter-Block- Separatoren; eine Einrichtung 66 zum Erfassen der Inter-Bild- Separatoren; eine Einrichtung 67 zum Erfassen der Bildsynchronisationsmuster; eine Einrichtung 68 zum Erfassen der Zeilensynchronisationsmuster; einen Taktgeber 69 mit dem Rhythmus der Videosignale; einen Schreibadressenzähler 70 des Pufferspeichers; einen Zähler 71 für den Aufwand eines Blocks; einen Speicher 72 zum Speichern der Parameter eines Blocks; einen Leseadressenzähler 73 des Pufferspeichers; eine Einrichtung 74 zum Berechnen des inversen Quantisierungskoeffizienten und des inversen Wichtungskoeffizienten; einen Zähler 90 der Ausgangsfüllung; eine Einrichtung 91 zum Berechnen der Füllung des Pufferspeichers, der durch den Speicher 60, den Decodierer 58 und die Register 59 gebildet ist; einen Zähler 92 für die Anzahl der empfangenen Bits; einen Klassendecodierer 93; eine Ablaufsteuerung 94; einen Schreibadressenzähler 95 des Parameterspeichers; einen Leseadressenzähler 96 des Parameterspeichers sowie drei Ausgangsanschlüsse 83 bis 85, die einen Luminanzwert Y, einen Rot-Farbdifferenzwert DR bzw. einen Blau-Farbdifferenzwert DB liefern.
Die Einrichtung 67 zum Erfassen der Bildsynchronisationsmuster und die Einrichtung 68 zum Erfassen der Zeilensynchronisationsmuster haben Eingänge, die mit dem Eingangsanschluß 57 verbunden sind, sowie Ausgänge, die jeweils mit einem von zwei Eingängen des Taktgebers 69 verbunden sind. Der Taktgeber 69 liefert ein Taktsignal HV, das den Takt der durch den Decodierer wiederhergestellten Luminanz- und Farbdifferenzwerte bestimmen wird.
Die Ablaufsteuerung 94 liefert an alle Elemente der Decodiereinrichtung synchron zu dem Videotaktsignal Steuersignale. Zur Vereinfachung erwähnt das Übersichtsschema nur einen Typ des Videotaktsignals, das mit HV bezeichnet ist, aber tatsächlich sind mehrere Videotaktsignale vorgesehen, die subvielfache Frequenzen der Abtastfrequenz des Luminanzsignals aufweisen. Die Realisierung dieser Taktsignale liegt im Vermögen des Fachmanns.
Die Einrichtung 64 zum Wiedergewinnen des Kanaltakt besitzt einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 57 verbunden ist, sowie einen Ausgang, der ein Taktsignal HC liefert, das dem Takt der auf dem Kanal übertragenen Bits entspricht. Dieses Taktsignal liegt insbesondere an einem Takteingang des Zählers 71 für den Aufwand eines Blocks an, um die Anzahl der Bits zu zählen, die jedem empfangenen Block entsprechen.
Der Huffmann-Decodierer 58 besitzt einen über den Eingangsanschluß 57 mit einem Übertragungskanal verbundenen Eingang, um eine Folge von Binärwerten mit einem konstanten Takt von 10 Mb pro Sekunde zu empfangen; die Folge wird durch eine Codiervorrichtung wie die oben beschriebene übertragen. Er besitzt auch einen Takteingang, der das Taktsignal HC empfängt, sowie einen Synchronisationseingang, der mit einem ersten Ausgang der Einrichtung 65 zum Erfassen der Inter- Block-Separatoren verbunden ist. Letztere liefert ein Signal, das den Decodierer 58 am Anfang der Übertragung der codierten Daten jedes Blocks reinitialisiert. Der Decodierer 58 kann ein einem Ereignis entsprechendes Codewort nur decodieren, wenn er das dem vorausgehenden Ereignis entsprechende Codewort korrekt decodiert hat. Bei einem Übertragungsfehler bleibt der Huffmann-Decodierer bis zur Erfassung des nächsten Inter-Block-Separators außer Synchronisation.
Die Einrichtung 65 hat einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 57 verbunden ist, um die übertragenen Bits zu empfangen, sowie einen Eingang, der mit dem Ausgang des Decodierers 68 verbunden ist, um jedesmal, wenn der Decodierer 58 ein Ereignis decodiert hat, ein logisches Signal zu empfangen.
Die Funktion der Einrichtung 65 besteht darin, jeden Inter- Block-Separator dank des Musters zu erkennen, das das Radikal bildet, sowie dank der zwei Binärwörter, die dem Radikal folgen, zu überprüfen, daß kein Übertragungsfehler vorliegt. Hierzu vergleicht sie die Ordnungszahl des Blocks modulo 4, die in dem Inter-Block-Separator übertragen worden ist, und die Ordnungszahl des Blocks, die nach der Anzahl der vorher empfangenen Separatoren gezählt worden ist. Darüberhinaus überprüft die Einrichtung 65 die Anzahl der empfangenen Codewörter, d.h. die Anzahl der Ereignisse in dem vorausgehenden Block, indem sie den übertragenen Wert der Summe der Ordnungszahl des Blocks und der Anzahl der Ereignisse modulo 4 mit der berechneten Summe der Anzahl der vorher erfaßten Blöcke und der Anzahl der vorher erfaßten Ereignisse modulo 4 vergleicht. Ein Inter-Block-Separator wird durch die Einrichtung 65 als gültig anerkannt, wenn ihm zwei weitere Inter- Block-Separatoren folgen, die diese zwei Bedingungen bestätigen.
Ergibt eine dieser drei Überprüfungen ein negatives Ergebnis, dann liefert ein zweiter Ausgang der Erfassungseinrichtung 65 einen Maskierungsbefehl, der durch ein Binärwort NBM gebildet ist, das die Anzahl der zu maskierenden Blöcke angibt, an einen ersten Eingang des Speichers 72. Die Verbindung aus dieser Fehlererfassung und dem Verfahren zum Maskieren fehlerhafter Blöcke erlaubt es in der Mehrzahl aller Fälle, fehlerhafte Übertragungen auszuschalten.
Im allgemeinen sind an den Kanaltyp angepaßte Fehlerkorrektureinrichtungen jeweils zwischen den Ausgangsanschluß 19 der Codiereinrichtung und den Eingangsanschluß 57 der Decodiereinrichtung eingeschaltet. Diese Einrichtungen sind üblicher Art und in den Figuren nicht dargestellt. Sie erlauben es, mittels einer geringen Redundanz an übertragenen Bits die kleinen Fehlerpakete zu korrigieren. Die von der Einrichtung 65 zum Erfassen der Inter-Block-Separatoren durchgeführten Überprüfungen erlauben es, die noch verbleibenden Fehler zu erfassen. Diese können schwerwiegende Folgen für das wiederhergestellte Bild haben, dann sie können nicht nur die Luminanz oder die Farben eines Blocks verfälschen, sondern sie können auch die Position eines gesamten Blocks beeinträchtigen, wenn ein Inter-Block-Separator nicht erkannt wird. Die Überprüfung der Ordnungszahl jedes Inter-Block-Separators und die Überprüfung der Anzahl der decodierten Ereignisse erlauben die genaue Berechnung der Anzahl NBM der zu maskierenden Blöcke und ermöglichen es somit, die Blöcke zu maskieren und ein Bild mit einer deutlich besseren Qualität wiederherzustellen als dies der Fall wäre, wenn Blöcke an ungenauen Positionen wiederhergestellt würden.
Der erste Ausgang der Einrichtung 65 ist auch mit einem Eingang zur Nullstellung des Zählers 71 für den Aufwand eines Blocks verbunden, sowie mit einem Takteingang des Zählers 95 für die Schreibadressen des Speichers 72 und über eine nicht dargestellte Verbindung mit einem Eingang der Ablaufsteuerung 94.
Wenn ein Inter-Block-Separator gültig ist, dann reinitialisiert das von dem ersten Ausgang der Einrichtung 65 gelieferte Binärsignal den Huffmann-Decodierer 58, stellt den Zähler 71 für den Aufwand eines Blocks wieder auf Null, inkrementiert den Schreibadressenzähler 95 um eine Einheit und triggert die Ablaufsteuerung 94, damit dieser das Einschreiben der Parameter des als gültig anerkannten Blocks in den Speicher 72 steuert. Die in den Speicher 72 eingeschriebenen Parameter sind: die Adresse ADB für das Einschreiben des ersten Wortes der codierten Daten des Blocks in den Speicher 60; der Aufwand CB für diesen Block, d.h. die Anzahl der Bits zwischen den zwei Inter-Block-Separatoren, die diese Daten einrahmen; sowie der Wert MBN, der gleich der Anzahl der Blöcke ist, die eventuell zu maskieren sind, wobei diese Zahl Null ist, wenn kein Block zu maskieren ist. Diese drei Parameter werden durch den Ausgang des Schreibadressenzählers 70 des Pufferspeichers, den Ausgang des Zählers 71 für den Aufwand eines Blocks bzw. durch den dritten Ausgang der Erfassungseinrichtung 65 für die Inter-Block-Separatoren geliefert. Diese drei Ausgänge sind jeweils mit einem von drei Dateneingängen des Speichers 72 verbunden. Dieser besitzt einen ersten, einen zweiten und einen dritten Datenausgang, um jeweils die Werte dieser drei Parameter wiederherzustellen. Er besitzt auch Lese- und Schreibsteuereingänge, die über nicht dargestellte Verbindungen mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 94 verbunden sind.
Wird ein Inter-Block-Separator als gültig anerkannt, dann steuert die Ablaufsteuerung 94 das Einschreiben in den Speicher 72, um die Parameter des Blocks zu speichern, der diesem Separator folgt. Der Schreibadressenzähler 95 besitzt einen mit einem Schreibadresseneingang des Speichers 72 verbundenen Ausgang, um ihm jedesmal eine Schreibadresse der Parameter zu liefern, wenn ein Inter-Block-Separator gültig gemacht worden ist. Wenn einer oder mehrere Inter-Block-Separatoren nicht als gültig anerkannt werden, dann wird für die Daten mehrerer Blöcke ein einziger Satz von Parametern in den Speicher 72 eingeschrieben, denn dann läuft alles so ab, als ob die Daten einem einzigen Block entsprechen würden. Diese Daten werden in dem Pufferspeicher 60 gespeichert, obwohl sie fehlerhaft sind, und sie werden aus dem Speicher 60 ausgelesen, aber sie werden nicht zur Wiederherstellung eines Bildes verwendet. Der Zähler 95 besitzt auch einen Nullstelleingang, der mit dem Ausgang der Einrichtung 67 zum Erfassen der Bildsynchronisation verbunden ist, um am Anfang jedes Bildes wieder auf Null gesetzt zu werden.
Der Ausgang des Schreibadressenzählers 70 ist auch mit einem Schreibadresseneingang des Pufferspeichers 60 verbunden. Ein Ladeeingang des Leseadressenzählers 73 ist mit dem ersten Datenausgang des Speichers 72 verbunden, um eine Blockanfangsadresse ADB zu empfangen; der Zähler besitzt außerdem einen Ausgang, der mit einem Leseadresseneingang des Pufferspeichers 60 verbunden ist. Der Zähler 70 besitzt einen Takteingang, der das Videotaktsignal HV empfängt, sowie einen Nullstelleingang, der mit dem Ausgang der Einrichtung 67 verbunden ist. Der Ausgang der Einrichtung 67 ist auch mit einem Nullstelleingang des Leseadressenzählers 73 des Pufferspeichers verbunden. Der Zähler 73 besitzt einen Takteingang, der über eine nicht dargestellte Verbindung mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung 94 verbunden ist.
Der zweite Ausgang des Speichers 72 ist mit einem Eingang der Einrichtung 91 zum Berechnen der Füllung des Pufferspeichers verbunden, um ihm den Aufwand CB eines Blocks zu liefern. Der dritte Ausgang des Speichers 72 ist mit einem Eingang der Ablaufsteuerung 94 und einem Eingangsanschluß 86 der Mittel 80 und 81 verbunden, um ihnen den Wert NBM der Anzahl der zu maskierenden Blöcke zu liefern.
Der Huffmann-Decodierer 58 besitzt einen ersten und einen zweiten Ausgang, die jeweils mit einem von zwei Eingängen von Einrichtungen 59 verbunden sind, die Synchronisationsregister genannt werden, denn sie erlauben es, die codierten Daten nach dem Videotaktsignal HV zu synchronisieren, während der Huffmann-Decodierer 58 im Rhythmus des Taktsignals HC des Kanals arbeitet. Der Decodierer 58 besitzt einen dritten Ausgang, der einem Eingangsanschluß 75 der Mittel 80 und 81 ein Binärsignal zur Auswahl der Codierung liefert: Inter-Bild- oder Intra-Bild-Codierung. Zwei Ausgänge der Synchronisationsregister 59 sind jeweils mit zwei Dateneingängen des Pufferspeichers 60 verbunden, die den codierten Daten bzw. einem binären Befehlswort entsprechen, das den Typ der codierten Daten angibt. Der Pufferspeicher 60 besitzt einen ersten und einen zweiten Ausgang, die mit Eingangsanschlüssen 77 bzw. 76 der Mittel 80 und 81 verbunden sind, um ihnen codierte Daten bzw. ein binäres Befehlswort zu liefern.
Der Speicher 60 besitzt darüberhinaus einen Schreibtakteingang sowie einen Lesetakteingang, die über nicht dargestellte Verbindungen jeweils mit zwei Ausgängen der Ablaufsteuerung 94 verbunden sind. Wenn ein Inter-Block-Separator als gültig anerkannt worden ist, dann steuert die Ablaufsteuerung 94 das Einschreiben der wenigstens einem Block entsprechenden codierten Daten in den Speicher 60, in einer Adressenfolge, die durch den Zähler 70 geliefert wird, im Anschluß an die Anfangsadresse ADB des Blocks, die als einzige in dem Speicher 72 gespeichert ist.
Für das Auslesen der gespeicherten codierten Daten aus dem Speicher 60 steuert die Ablaufsteuerung 94 für jeden Block oder für eine Gruppe von Blöcken (falls ein Fehler erfaßt worden ist):
- ein Auslesen der Adresse ADB, die dem Anfang des Blocks entspricht, aus dem Speicher 72;
- ein Laden dieser Adresse in den Leseadressenzähler 73;
- ein Lesen an der Adresse ADB in dem Pufferspeicher 60, wobei die Adresse ADB durch den Zähler 73 an den Leseadresseneingang geliefert wird;
- eine Folge von Inkrementierungen des Inhalts des Zählers 73;
- eine Folge von Auslesungen aus dem Pufferspeicher 60 an den durch den Zähler 73 gelieferten Adressen.
Da der Speicher 60 hinter dem Huffmann-Codierer 58 angeordnet ist, läuft alles so ab, als ob anstelle des Decodierers 58 und des Speichers 60 ein Pufferspeicher vorhanden wäre, der die durch den Kanal übertragenen binären Daten seriell speichert und sie seriell wiederherstellt. Tatsächlich berechnet die Recheneinrichtung 91 die Füllung dieses Pufferspeichers, die durch keine mathematische Beziehung an die Füllung des Speichers 60 gebunden ist, denn dieser enthält von dem Huffmann-Decodierer gelieferte Binärwörter. Die Füllung des Pufferspeichers ist gleich der Menge an Binärinformationen in Form von Huffmann-Codes, die zu dem betrachteten Zeitpunkt noch zu decodieren ist. Die Kapazität des Speichers 60 ist identisch mit der Kapazität des Speichers 9 der Codiereinrichtung und reicht für alle Fälle aus. Bei diesem Beispiel ist sie gleich 32K Wörter, wobei jedes Wort aus einem Datenwert und einem Befehl besteht.
Die Einrichtung 74 zum Berechnen des Quantisierungskoeffizienten und des Wichtungskoeffizienten besitzt zwei Ausgänge, die mit Eingangsanschlüssen 78 bzw. 79 der Mittel 80 und 81 verbunden sind, sowie zwei Eingänge, die mit einem Ausgang der Recheneinrichtung 91 bzw. einem Ausgang des Klassifizierungsdecodierers 93 verbunden sind. Die Recheneinrichtung 91 besitzt einen ersten Eingang, der mit dem zweiten Datenausgang des Speichers 72 verbunden ist, der ein Binärwort CB für den Codieraufwand eines Blocks liefert; einen zweiten Eingang, der mit einem Ausgang des Zählers 90 der Ausgangsfüllung verbunden ist, der einen Wert OCI liefert; sowie einen dritten Eingang, der mit einem Ausgang des Zählers 92 verbunden ist, der die Anzahl NCANAL der empfangenen Bits liefert, und einen vierten Eingang (Nullstelleingang), der mit einem Ausgang der Einrichtung 67 zum Erfassen der Bildsynchronisation verbunden ist.
Der Zähler 90 der Ausgangsfüllung besitzt einen Takteingang, der das Videotaktsignal HV empfängt; einen Stillsetzeingang, der mit dem Ausgang der Einrichtung 66 zum Erfassen der Inter-Bild-Separatoren verbunden ist, sowie einen Nullstelleingang, der mit dem Ausgang der Einrichtung 67 zum Erfassen der Bildsynchronisationsmuster verbunden ist. Der Zähler 90 zählt die Anzahl der Bits, die von dem Kanal an den Pufferspeicher zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Bildsynchronisationsmuster erfaßt ist, und dem Zeitpunkt, zu dem ein Inter-Bild-Separator erfaßt ist, geliefert werden. Das Ergebnis dieser Zählung bildet den Wert OCI der Ausgangsfüllung des Pufferspeichers an Anfang jedes Bildes.
Der Zähler 92 für die Anzahl der empfangenen Bits besitzt einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 57 verbunden ist, sowie einen Eingang, der mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung 94 verbunden ist. Der Zähler 92 mißt die genaue Anzahl der seit dem Anfang eines Blocks von dem Pufferspeicher empfangenen Bits, da diese Anzahl nicht im voraus genau bekannt ist, weil der Kanal asynchron ist. Der Zähler 92 wird im Prinzip am Anfang des Empfangs jedes Blocks durch ein von der Ablaufsteuerung 94 geliefertes Signal wieder auf Null gestellt, aber die Ablaufsteuerung 94 überspringt eine oder mehrere Nullstellungen, wenn das Binärwort NBM nicht Null ist, d.h., wenn wenigstens ein Block zu maskieren ist. Sind beispielsweise zwei Blöcke zu maskieren, dann befiehlt die Ablaufsteuerung 94 erst am Ende des zweiten maskierten Blocks das Zurückstellen des Zählers 92 auf Null.
Der Klassendecodierer 93 besitzt einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 57 verbunden ist, um ein Binärwort zu decodieren, das eine Klasse angibt und sich unmittelbar hinter jedem Inter-Block-Separator befindet. Er liefert dieses Binärwort an die Recheneinrichtung 74, die es für die Berechnung des Quantisierungskoeffizienten und des inversen Wichtungskoeffizienten auf die gleiche Weise wie die Einrichtung zum Berechnen der Quantisierungs- und Wichtungskoeffizienten in der oben beschriebenen Codiereinrichtung berücksichtigt.
Die Einrichtung 74 zum Berechnen des inversen Quantisierungskoeffizienten und des inversen Wichtungskoeffizienten arbeitet analog zu der Einrichtung 30 zum Berechnen des Quantisierungs- und des Wichtungskoeffizienten, aber sie führt zusätzlich die Berechnung des Kehrwerts des Quantisierungskoeffizienten und des Kehrwerts des Wichtungskoeffizienten durch, die mittels der Formeln (3) bis (8) erhalten worden sind.
In diesen Formeln ist die Füllung des Pufferspeichers der Codiervorrichtung durch einen Wert ersetzt, der gleich einer Konstanten minus der Füllung des Pufferspeichers der Codiereinrichtung ist.
Die Summe der Füllungen dieser beiden Pufferspeicher ist nämlich gleich einer Konstanten, wenn die Regelung in der Codier- und der Decodiereinrichtung gut funktioniert, wobei diese Regelung zur Folge hat: jeder codierte Datenwert unterliegt ständig einer Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem er in den Pufferspeicher der Codiereinrichtung gelangt, und dem Zeitpunkt, zu dem er den Pufferspeicher der Decodiereinrichtung verläßt, da der Durchsatz des Kanals konstant ist. Diese Verzögerung entspricht dem konstanten Wert der Summe beider Füllungen.
Diese Konstante wird dadurch bestimmt, daß die Ausgangsfüllung OCI des Pufferspeichers der Decodiereinrichtung mittels des Ausgangsfüllungs-Zählers 90 gemessen wird, der die Anzahl der Bits mißt, die in die Einrichtung 58 zwischen dem Zeitpunkt eintreten, zu dem die Einrichtung 67 das Bildsynchronisationsmuster erfaßt, das unabhängig von dem Strom der codierten Daten übertragen wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die Einrichtung 66 die Anwesenheit eines Inter-Bild-Separators in den codierten Daten erfaßt, die am Eingang der Einrichtung 58 eintreffen. Dadurch, daß die zwei Pufferspeicher ständig komplementär gefüllt sind, ist es möglich, den inversen Quantisierungskoeffizienten und den inversen Wichtungskoeffizienten in dem Decodierer exakt zu berechnen. Keine einzige Information, die die Füllung des Pufferspeichers wiedergibt, wird in Klarschrift auf den Übertragungskanal geschickt; folglich wird diese Information nicht durch Fehler gestört.
Fig. 13 zeigt ein detaillierteres Übersichtsschema der Mittel 80 zum Decodieren der Luminanz. Die Mittel 81 weisen ein entsprechendes Schema auf, und sie werden alternativ verwendet, um die Rot- und Blau-Farbdifferenzsignale zu decodieren. Die Mittel 80 weisen auf: eine Einrichtung 101 zur inversen Quantisierung; eine Einrichtung 102 zur inversen Wichtung; drei Multiplexer 103 bis 105 mit zwei Eingängen und einem Ausgang; einen Speicher 106, der einen Block von Transformationskoeffizienten speichert; einen Addierer 107; eine Ablaufsteuerung 108; ein Register 109 zum Speichern eines entsprechenden Koeffizienten; einen Speicher 110 zum Speichern der entsprechenden Koeffizientenblöcke des Teilbildes, das dem laufenden Teilbild vorausgeht; eine Einrichtung 111 zum Decodieren der Bereiche von Nullen; einen Teilbildspeicher 112, sowie eine Einrichtung 113 zum Berechnen der zweidimensionalen, inversen Cosinustransformierten.
Die Einrichtung 101 besitzt einen Dateneingang, der mit dem Eingangsanschluß 77 verbunden ist, der die von dem Pufferspeicher 60 gelieferten, codierten Daten empfängt, sowie einen Steuereingang, der mit dem Eingangsanschluß 78 verbunden ist, der den Wert eines von der Einrichtung 74 berechneten, inversen Quantisierungskoeffizienten empfängt. Ein Ausgang der Einrichtung 101 ist mit einem Eingang der Einrichtung 102 verbunden. Diese besitzt auch einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 79 verbunden ist, um den von der Einrichtung 74 berechneten Wert eines inversen Wichtungskoeffizienten zu empfangen, sowie einen Ausgang, der mit einem ersten Eingang des Multiplexers 103 verbunden ist. Der Multiplexer 103 besitzt einen zweiten Eingang, der ständig einen Nullwert empfängt, sowie einen Ausgang, der entweder mit dem ersten Eingang oder mit dem zweiten Eingang verbunden ist, je nach dem Wert eines an einem Steuereingang anliegenden Binärsignals, der mit einem Ausgang der Einrichtung 111 verbunden ist.
Die Einrichtung 111 decodiert die Bereiche von Nullen auf Grund der Daten und eines Befehls, die an einem ersten bzw. an einem zweiten Eingang anliegen, die mit dem Eingangsanschluß 77 bzw. dem Eingangsanschluß 76 der Mittel 80 verbunden sind. Der Ausgang des Multiplexers 103 liefert also den Wert eines Transformationskoeffizienten oder einer Differenz von Transformationskoeffizienten. Er ist mit einem ersten Eingang des Multiplexers 104 und mit einem ersten Eingang des Addierers 107 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 107 ist mit einem Ausgang des Registers 109 verbunden, das ihm den Wert des Transformationskoeffizienten liefert, der dem gerade im Vorgang der Decodierung befindlichen Koeffizienten in dem Bild entspricht, das dem Bild vorausgeht, das sich gerade im Vorgang der Decodierung befindet.
Der Ausgang des Addierers 107 liefert also den Wert eines Transformationskoeffizienten, wenn sein erster Eingang den Wert einer Differenz von Transformationskoeffizienten empfängt. Dieser Ausgang ist mit dem zweiten Eingang des Multiplexers 104 verbunden. Der Multiplexer 104 besitzt einen Steuereingang, der mit dem Eingangsanschluß 75 verbunden ist, um den Wert eines Steuerbits zu empfangen, das eine Inter- Bild- oder eine Intra-Bild-Decodierung auswählt, sowie einen Ausgang, der mit einem ersten Eingang des Multiplexers 105 verbunden ist. Ein zweiter Eingang des Mulitplexers 105 ist mit dem Ausgang des Registers 109 verbunden, um den Wert des Koeffizienten zu empfangen, der dem im Vorgang der Decodierung befindlichen Koeffizienten entspricht. Ein Steuereingang des Multiplexers 105 ist mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung 108 verbunden, um gegebenenfalls ein Maskierungs-Steuersignal zu empfangen. Liegt dieses Maskierungssignal am Multiplexer 105 an, dann überträgt dieser den Wert des von dem Register 109 gelieferten, entsprechenden Koeffizienten, anstatt den von dem Multiplexer 104 gelieferten Wert des Transformationskoeffizienten zu übertragen.
Der Ausgang des Multiplexers 105 ist mit einem Dateneingang des Speichers 106 verbunden. Der Speicher 106 besitzt Schreib- und Lesesteuereingänge, die jeweils mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 108 verbunden sind, wobei dieser den Speicher 106 steuert, um alle Transformationskoeffizienten eines Blocks zu speichern, bevor die inverse Cosinustransformation dieser Koeffizienten befohlen wird. Die Ablaufsteuerung 108 besitzt einen Eingang, der das Videotaktsignal HV empfängt, einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 76 verbunden ist, um einen Befehl zu empfangen, der vom Typ der zu decodierenden Daten abhängt, sowie einen Eingang, der mit dem Eingangsanschluß 86 verbunden ist, um den Wert NBM der Anzahl der zu maskierenden Blöcke zu empfangen. Ist NBM = 0, dann befiehlt die Ablaufsteuerung 108 keine Maskierung. Ist NBM verschieden von 0, dann befiehlt die Ablaufsteuerung 108 die Maskierung der angegebenen Anzahl von Blöcken.
Der Speicher 110 besitzt eine Dateneingang, der mit einem Datenausgang des Speichers 106 verbunden ist, um alle Blöcke von Transformationskoeffizienten zu speichern, die sich aus der Decodierung eines Teilbildes ergeben, damit die Koeffizienten geliefert werden können, die den Transformationskoeffizienten des folgenden Teilbildes entsprechen. Der Speicher 110 besitzt einen Dateneingang, der mit einem Dateneingang des Registers 109 verbunden ist, sowie Lese- und Schreibsteuereingänge, die mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 108 verbunden sind.
Der Datenausgang des Speichers 106 ist auch mit einem Eingang der Recheneinrichtung 113 verbunden. Diese besitzt einen Nullstelleingang, der mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung 108 verbunden ist, sowie einen Ausgang, der mit einem Dateneingang des Bildspeichers 112 verbunden ist. Der Teilbildspeicher 112 besitzt einen Lese- und Schreibsteuereingang, der mit Ausgängen der Ablaufsteuerung 108 verbunden ist, sowie einen Datenausgang, der mit dem Ausgangsanschluß 83 des Decodierers verbunden ist, um eine Folge von Luminanzwerten Y zu liefern. Der Teilbildspeicher 112 hat die Aufgabe, die Folge von Luminanzwerten in der üblichen Reihenfolge der Abtastung eines Teilbildes wiederherzustellen, während die Recheneinrichtung 113 die Luminanzwerte liefert, die in der Reihenfolge der Unterteilung der Blöcke im Teilbild decodiert sind. Die Recheneinrichtung 113 zum Durchführen der inversen Cosinustransformationen ist üblicher Art. Sie kann nach der Beschreibung realisiert sein, die in der französischen Patentanmeldung FR-A-2 581 463 gegeben ist.

Claims

1. Adaptives Verfahren zum Codieren und Decodieren einer Folge von Bildern durch Transformation, wobei die Codierung darin besteht, daß:

- jedes Bild in Blöcke von Bildelementen unterteilt wird, wobei jeder Block durch einen Block von Luminanzwerten, einen Block von Differenzwerten für die Farbe Blau und einen Block von Differenzwerten für die Farbe Rot dargestellt wird;

- auf jeden Block von Werten eine zweidimensionale Transformation Anwendung findet, um einen Block von Transformationskoeffizienten für den betrachteten Werteblock zu gewinnen;

- für jeden Block von Werten entweder der Wert der Transformationskoeffizienten des Blocks oder die Wertdifferenz dieser Transformationskoeffizienten, bezogen auf den Wert der Transformationskoeffizienten eines entsprechenden Blocks in dein Bild, welches dem im Vorgang der Codierung befindlichen Bild vorausgeht, übertragen wird, so daß die Menge von für den betrachteten Block zu übertragenden Informationen minimiert wird, wobei die Codierung im ersteren Fall als Intra- Bild-Codierung und im zweiten Fall als Inter-Bild-Codierung bezeichnet wird;

- jeder Transformationskoeffizient oder jede Differenz von Transformationskoeffizienten mit einem sogenannten Wichtungskoeffizient multipliziert wird, der von der Ordnungszahl dieses Transformationskoeffizienten bzw. dieser Differenz von Transformationskoeffizienten abhängt;

- der Durchsatz von übertragenen Informationen geregelt wird, indem die zu übertragenden Informationen, die den drei Arten von Werteblöcken entsprechen, in demselben Pufferspeicher abgespeichert werden und indem die Transformationskoeffizienten sowie die Differenzen von Transformationskoeffizienten der drei Typen von Blöcken mit einem sogenannten Quantisierungskoeffizienten multipliziert werden, der in Abhängigkeit von der Menge der zu übertragenden Informationen variabel ist;

wobei die Decodierung für jeden Block darin besteht, daß:

- jeder übertragene Wert eines Transformationskoeffizienten bzw. jeder übertragene Wert einer Differenz von Transformationskoeffizienten mit einem Koeffizienten, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Wichtungskoeffizienten ist, und mit einem Koeffizienten, der gleich dem Kehrwert des für die Codierung verwendeten Quantisierungskoeffizienten ist, multipliziert wird;

- zu dem Wert jeder Differenz von Transformationskoeffizienten der Wert eines Transformationskoeffizienten hinzuaddiert wird, der dem betrachteten Koeffizient in einem Block entspricht, der seinerseits dem betrachteten Block entspricht, und der zu demjenigen Bild gehört, welches dem Bild vorausgeht, das gerade decodiert wird;

- auf jeden Transformationskoeffizienten eine Transformation Anwendung findet, die invers zu der für die Codierung verwendeten Transformation ist, um einen Block von Werten zu gewinnen, die einen decodierten Bildteil darstellen;

dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Durchsatzes der Wichtungskoeffizient auch in Abhängigkeit von der Menge von zu übertragenden Informationen variabel ist, in solcher Weise, daß die Wichtung, mit der die Koeffizienten und die Differenzen von Koeffizienten, die hohen räumlichen Frequenzen entsprechen, behaftet werden, vermindert wird, wenn die Menge von zu übertragenden Informationen zunimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß ferner die mittlere Luminanz in mehreren Zonen berechnet wird, die am Rand jedes Blocks von Bildelementen liegen; und daß für jeden Block der minimale Wert unter diesen Mittelwerten bestimmt wird; und daß der Wichtungskoeffizient und der Quantisierungskoeffizient jedes Blocks auch in Abhängigkeit von der so bestimmten minimalen Luminanz variabel sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner in folgendem besteht: die von Null verschiedenen Werte von Transformationskoeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten werden, bevor sie übertragen werden, mittels Huffmann-Codes codiert; und es erfolgt eine bereichsweise Codierung der Nullwerte von Transformationskoeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten, außer bei dem letzten Bereich; wobei die Koeffizienten oder die Differenzen von Koeffizienten nacheinander in einer vorbestimmten Abtastreihenfolge berücksichtigt werden und die Länge der Bereiche mit einem Huffmann-Code codiert wird; dadurch gekennzeichnet, daß ferner für die Luminanzwerte bzw. für die Farbdifferenzwerte vier verschiedene Huffmann-Codes verwendet werden für:

- die von Null verschiedenen Werte von Koeffizienten, denen in der Reihenfolge der Abtastung der Koeffizienten nicht wenigstens ein Nullwert vorausgeht;

- die von Null verschiedenen Werte von Koeffizientendifferenzen, denen in der Reihenfolge der Abtastung der Koeffizientendifferenzen nicht wenigstens ein Nullwert vorausgeht;

- die von Null verschiedenen Werte von Koeffizienten, denen in der Reihenfolge der Abtastung der Koeffizientendifferenzen wenigstens ein Nullwert vorausgeht;

- die von Null verschiedenen Werte von Koeffizientendifferenzen, denen in der Reihenfolge der Abtastung der Koeffizientendifferenzen wenigstens ein Nullwert vorausgeht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner die Intra- Bild-Codierung für bestimmte Blöcke erzwungen wird, obwohl sie einen höheren Codieraufwand als die Inter-Bild-codierung für diese Blöcke ergibt, um die Ausbreitung von Fehlern einzuschränken, dadurch gekennzeichnet, daß die Intra-Bild-Codierung für einen gegebenen Block erzwungen wird, wenn die relative Differenz zwischen dem Codieraufwand der Inter-Bild- Codierung und dem Codieraufwand der Intra-Bild-Codierung kleiner als ein erster Schwellenwert ist oder wenn der gegebene Block seit einer Anzahl von Bildern N(i,j), die größer als ein zweiter festgelegter Schwellenwert ist, nicht mit einer Intra-Bild-Codierung codiert wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert variabel ist und in Abhängigkeit von der Anzahl von Bildern N(i,j), seit welchem der betrachtete Block nicht mit einer Intra-Bild-Codierung codiert wurde, abnimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Verteilung der erzwungenen Intra-Bild-codierungen ferner eine Intra-Bild-codierung nur für solche aufeinanderfolgende Blöcke erzwungen wird, die um ein Intervall, das größer als ein dritter fester Schwellenwert ist, auseinanderliegen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwischen den codierten Daten, die zwei aufeinanderfolgenden Bildern entsprechen, mehrere sogenannte Bild-Separatorwörter eingefügt werden, die jeweils ein festes Muster enthalten, das durch alle erlaubten Verkettungen von codierten Daten nicht nachgeahmt werden kann, und ein Binärwort eingefügt wird, das die Ordnungszahl des betrachteten Separators modulo eine feste Zahl wiedergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwischen den codierten Daten, die zwei aufeinanderfolgenden Blöcken entsprechen, ein sogenanntes Inter-Block-Separator-Binärwort eingefügt wird, welches ein festes Muster enthält, das durch alle erlaubten Verkettungen von codierten Daten nicht nachgeahmt werden kann; sowie ein Binärwort, welches die Ordnungszahl des darauffolgenden Blockes modulo einer festen Zahl wiedergibt; und ein Binärwort, welches die Summe der Ordnungszahl des darauffolgenden Blocks und der Anzahl von durch die codierten Daten des darauffolgenden Blocks darstellenden Ereignissen modulo einer festen Zahl wiedergibt.

9. Vorrichtung zur Codierung einer Folge von Bildern durch Transformation, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei jedes Bildelement durch einen Luminanzwert, einen Rot-Farbdifferenzwert und einen Blau-Farbdifferenzwert dargestellt wird, mit:

- Codiermitteln (6, 7) zum Berechnen eines Blocks von Transformationskoeffizienten oder Differenzen von Transformationskoeffizienten für jeden Block von Luminanzwerten und für jeden Block von Farbdifferenzwerten; und zum Multiplizieren dieser Koeffizienten und dieser Differenzen von Koeffizienten mit einem sogenannten Wichtungskoeffizienten und mit einem sogenannten Quantisierungskoeffizienten, wobei ersterer von der Ordnungszahl des Transformationskoeffizienten oder der Transformationskoeffizientendifferenz in seinem Block abhängt, während der zweite für alle Koeffizienten oder Differenzen von Koeffizienten eines Blocks gleich ist und von der Menge der zu übertragenden Informationen abhängt;

- Mitteln zur Regelung der Menge von zu übertragenden Informationen, mit einem gemeinsamen Speicher (9) für die zu übertragenden Daten, die den Luminanzwerten und den Farbdifferenzwerten entsprechen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung ferner umfassen:

- Mittel (38, 40), um den Codieraufwand für die Transformationskoeffizienten und -koeffizientendifferenzen zu bestimmen;

- Mittel (15), um die Menge der übertragenen Informationen zu berechnen;

- Mittel (14) zum Berechnen der Menge von zu übertragenden Informationen ausgehend von dem Codieraufwand und ausgehend von der Menge der übertragenen Informationen;

- Rechenmittel (8), um einen Quantisierungskoeffizienten und einen Wichtungskoeffizienten ausgehend von der Menge der zu übertragenden Informationen zu bestimmen, wobei der Wichtungskoeffizient auch von der Ordnungszahl jedes Transformationskoeffizienten bzw. jeder Transformationskoeffizientendifferenz abhängt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel zur Bestimmung eines Quantisierungskoeffizienten und eines Wichtungskoeffizienten ferner umfassen:

- erste Mittel (16), um die mittlere Luminanz in mehreren Zonen, die am Rand jedes Blocks von Bildelementen liegen, ausgehend von der Folge von Luminanzwerten, die diesen Block von Bildelementen darstellen, zu berechnen;

- zweite Mittel (17), um für jeden Block von Bildelementen den minimalen Wert unter den mittleren Luminanzwerten zu berechnen, die durch die ersten Mittel (16) berechnet wurden;

- dritte Mittel (18, 8), um diesen Minimalwert mit mehreren vorbestimmten Schwellenwerten zu vergleichen; um den Block einer Klasse in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Vergleichsvorgänge zuzuweisen; und um daraus einen Wichtungskoeffizienten und einen Quantisierungskoeffizienten in Abhängigkeit von der so bestimmten Klasse abzuleiten.

11. Vorrichtung zum Decodieren einer Folge von Bildern durch Transformation, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei jeder Block von Bildelementen durch einen Block von Luminanzwerten, einen Block von Rot-Farbdifferenzwerten und einen Block von Blau-Farbdifferenzwerten dargestellt wird, die in Form von Transformationskoeffizienten bzw. von Transformationskoeffizientendifferenzen codiert werden, mit:

- Mitteln (60, 70 bis 73, 95, 96) zum Speichern der zu decodierenden Daten, mit einem gemeinsamen Speicher (60) für die zu decodierenden Daten, die den Luminanzwerten und den Farbdifferenzwerten entsprechen;

- Decodiermitteln (74, 80, 81, 90 bis 93) zum Multiplizieren der Koeffizienten bzw. der Koeffizientendifferenzen jedes Blocks mit einem sogenannten inversen Wichtungskoeffizienten und einem sogenannten inversen Quantisierungskoeffizienten; zur Berechnung eines Transformationskoeffizienten ausgehend von jeder Differenz von Transformationskoeffizienten; und zur Berechnung eines Blocks von Luminanzwerten bzw. von Farbdifferenzwerten ausgehend von einem Block von Transformationskoeffizienten;

dadurch gekennzeichnet, daß die Decodiermittel Mittel (90 bis 93, 74) enthalten, um einen Koeffizientenwert für inverse Quantisierung bzw. für inverse Wichtung zu berechnen, der bis auf eine Multiplikationskonstante derselbe für die Luminanz wie für die Farbdifferenzen ist, wobei letztere Mittel enthalten:

- Mittel (92) zum Berechnen der Menge von durch die Decodiervorrichtung empfangenen Informationen;

- Mittel (90, 91) zum Berechnen der Menge der noch zu decodierenden Informationen ausgehend von der durch die Decodiervorrichtung empfangenen Informationsmenge und von der aus dem Pufferspeicher (60) ausgelesenen Informationsmenge;

- Mittel (74) zum Berechnen eines Koeffizientenwertes für inverse Quantisierung und eines Koeffizientenwertes für inverse Wichtung ausgehend von der noch zu decodierenden Informationsmenge, wobei jeder Koeffizient für inverse Wichtung ferner von der Ordnungszahl jedes Transformationskoeffizienten bzw. jeder Transformationskoeffizientendifferenz abhängt.

12. Decodiervorrichtung nach Anspruch 11, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (90 bis 93, 74) zur Berechnung eines Quantisierungskoeffizientenwertes und eines Wichtungskoeffizientenwertes ferner einen Decodierer (93) umfassen, um ein Binärwort zu decodieren, welches die codierten Daten begleitet, die jedem Block von Bildelementen entsprechen, wobei dieses Wort die Codierschwierigkeit für den Block wiedergibt; und daß diese Mittel (90 bis 93, 74) die Werte dieser Koeffizienten auch in Abhängigkeit von dem Wert dieses Binärwortes berechnen.