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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Informationskomprimierungsverfahren und eine Informationskomprimierungsvorrichtung
zum kompatiblen Decodieren einer Gruppe von Fernsehsignalen mit
steigender Auflösung. Sie findet insbesondere Anwendung auf
Sende- und Empfangssysteme für digitale Videosignale sowie auf
digitale Video-Rekorder.
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Es ist bekannt, zur Reduzierung des Informationsdurchlasses von
Informationskomprimierungsvorrichtungen das digitale Bild zu
codieren, indem eine zweidimensionale Transformation des
Cosinus-, Fourier-, Hadamard-, Haar- oder Karhunen-Loeve-Typs
ausgeführt wird. Die Codierung durch Transformation ermöglicht die
Nutzung der statistischen Eigenschaften der Bildquelle und der
psychovisuellen Vermögen der Beobachter. Da die Anzahl der
auszuführenden Operationen für die Ausführung dieser Codierungen
mit der Größe des Bildes sehr schnell anwächst, wird dieses
Bild in Fenster oder Blöcke unterteilt, wobei die
Transformation auf jedes der Pixel des Fensters angewandt wird. Diese
zweidimensionale Transformation ermöglicht, so viele
Koeffizienten zu erhalten, wie in jedem Bildblock Pixel vorhanden sind.
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Die Reduzierung des Durchlasses wird dadurch erhalten, daß die
Koeffizienten quantifiziert werden und daß die Folge der mit
Hilfe eines Codes mit variabler Länge erhaltenen Werte
geschrieben wird. Da diese letztere Operation eine variable
Datenrate hervorbringt und da der Fernsehkanal eine feste
Datenrate besitzt, wird am Ausgang des Codierers ein Pufferspeicher
angefügt, um eine Regulierung des im Codierer umlaufenden
Informationsflusses sicherzustellen.
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Die Decodierung besteht darin, die empfangenen Wörter des Codes
mit variabler Länge zu decodieren, um die Ausgangskoeffizienten
der zweidimensionalen Transformation wiederzugewinnen und dann
die digitalen Werte wiederherzustellen, die jedes Bildelement
repräsentieren, indem auf die Koeffizienten der Transformation,
die jedem Bildblock entspricht, diejenige zweidimensionale
Transformation angewandt wird, die zu der für die Codierung
verwendeten invers ist. Die in der Praxis verwendeten
Transformationen sind die Transformationen, für die schnell ausführbare
Algorithmen vorhanden sind, wie dies beispielsweise bei
Codierungsalgorithmen für die Cosinustransformation der Fall ist,
wovon Beschreibungen in den französischen Dokumenten FR-A-
2575351 oder FR-A-2 625 635, veröffentlicht am 7.7.89,
eingereicht im Namen der Anmelderin, gefunden werden können. Auf
allgemeine Weise sind derartige Systeme auf Bilder anwendbar,
die eine im voraus bekannte Auflösung besitzen, die durch die
Anzahl der Zeilen und der Anzahl der Punkte pro Zeile definiert
ist, z.B. diejenige mit 720 Punkten und 576 Zeilen, die durch
die Empfehlung 661 von CCIR definiert ist. Neben diesem Auf
lösungstyp gibt es jedoch andere Auflösungstypen, etwa diejenigen
der Systeme des hcchauf lösenden Fernsehens, die beispielsweise
in dem Artikel von J. CHATEL, mit dem Titel "Compatible
Hierarchy of Studio standards", SMPTE-Konferenz, San Francisco
1989, 1. bis 3. Februar, beschrieben sind, sowie die reduzierte
Auflösung mit 288 Zeilen und 360 Punkten für die Anwendungen,
die eine reduzierte Bildqualität erfordern, etwa für das
Bildtelephon. Diese Verschiedenheit der Auflösungen hat sowohl
verschiedene Codierungs- und Decodierungssysteme als auch
Komplikationen bei der Verwaltung der Verbindungen der
Satelliten- oder Funkkanäle zur Folge, die unter bestimmten Umständen so
viele audiovisuelle Programme übertragen müssen, wie
unterschiedliche Systeme vorhanden sind. Sie schafft außerdem Zwänge
bei den Anwendern, welche dazu veranlaßt werden können, ihre
Empfänger auszutauschen, um die von den hochauflösenden
Fernsehsystemen gebotene Bildqualität zu nutzen.
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Indessen kann dieses Problem zum Teil durch die bekannte Lehre
der Patentanmeldung WO-A--87/06418 gelöst werden, die eine
Mehrfachauflösungs-Codierungsvorrichtung beschreibt. Leider ist
dieses System bei der Aufzeichnung von hochauflösenden
Videosignalen auf Video-Rekorder nicht zufriedenstellend, weil sie
zu teueren Ausführungen von Decodierern mit voller Auflösung
bei schnellem Bildrücklauf führt.
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Das Ziel der Erfindung ist, die obengenannten Nachteile zu
beseitigen.
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Hierzu hat die Erfindung ein
Informationskomprimierungsverfahren zum kompatiblen Decodieren einer Gruppe von Fernsehsignalen
mit steigender Auflösung zum Gegenstand, wobei diese Signale
zwischen wenigstens einem Sendecodierer und einem
Empfangscodierer übertragen werden, das darin besteht, daß beim Codierer
das räumliche Frequenz band des zu übertragenden Signals mit der
größten Auflösung in benachbarte Teilbänder unterteilt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Codierer eine zweidimensionale
Transformation vom Cosinustyp des zu übertragenden Signals
durchgeführt wird und daß das Band durch aufeinanderfolgendes
Abtasten in ineinander verschachtelte Teilblöcke unterteilt
wird, die sich aus der Transformation ergeben und Gruppen von
Teilbändern mit unterschiedlichen Auflösungen entsprechen, und
beim Decodierer die empfangenen Signale bezüglich der Gruppen
von Teilbändern decodiert werden, indem nur diejenigen
betrachtet werden, die für die Wiederherstellung wenigstens eines
Mitglieds der Auflösungsgruppe entsprechend der Auflösung des
Empfängers notwendig sind.
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Die Erfindung hat die Hauptvorteile, daß sie ermöglicht,
gleichzeitig die Aufwärtskompatibilität und die
Abwärtskompatibilität zwischen den Fernsehsystemen mit unterschiedlichen
Auflösungen sicherzustellen. Sie ermöglicht beispielsweise für
Decodierer von Empfängern mit der Fernsehnorm 625 oder 525
Zeilen, gleichzeitig Signale mit geringerer Auflösung, etwa
diejenigen des Bildtelephons, oder Signale mit den Normen des
hochauflösenden Fernsehens gleichermaßen zu decodieren. Sie
ermöglicht außerdem, eine Kompatibilität zwischen den
Fernsehsendesystemen mit den Normen 625 oder 525 Zeilen und den digitalen
Video-Rekordern sicherzustellen, welche erforderlich machen,
daß der Kompressionstyp nicht rekursiv ist (d. h., daß die
Codierung eines Bildes im Innerbildmodus ohne Rückgriff auf die
durchlaufene Codierung erfolgen kann), damit der
Schnellvorlauf- und der Schnellrücklauf-Modus effektiv verwirklicht
werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter unten
mit Hilfe der folgenden Beschreibung deutlich, die mit Bezug
auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen zeigen:
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- Fig. 1 ein Schema, das die Ineinanderschachtelung der
Spektralbereiche zeigt, die von den verschiedenen bekannten
Fernsehnormen mit unterschiedlichen Auflösungen belegt werden;
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- die Fig. 2-7 Beispiele der Zerlegung eines Bildes der
hochauflösenden Norm in andere Teilbilder mit geringeren
Auflösungen;
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- Fig. 8 eine Ausführungsform eines Codierers gemäß der
Erfindung;
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- Fig. 9 den Übertragungsmodus, der von der Erfindung
ausgeführt wird, um die Teilbilder mit unterschiedlichen Auflösungen
zu übertragen;
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- Fig. 10 eine Ausführungsform einer Decodierungsarchitektur
gemäß der Erfindung;
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- Fig. 11 bis 13 eine Zerlegung des hochauflösenden Signals
in mehrere Teilbänder, die gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung mittels orthogonaler Filter erhalten werden;
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- Fig. 14 eine Darstellung eines Verfahrens der
Überabtastung, die in der Erfindung ausgeführt wird, um von einer Fünf
punktanordnungs-Bildstruktur zu einer orthogonalen Bildstruktur
überzugehen;
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- Fig. 15 eine Ausführungsform eines Decodierers, die den
Zerlegungen der Fig. 11 bis 13 entspricht;
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- Fig. 16, 17 und 18 eine Darstellung einer dritten
Ausführungsform des Verfahrens zum Unterteilen der Spektren der
hochauflösenden Signale in Teilbänder, die eine Aufteilung der
Koeffizienten einer zweidimensionalen Transformation vom
Cosinustyp in Teilblöcke ausnutzt.
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In den bekannten Fernsehsystemen derjenigen Typen, die
beispielsweise im Artikel M.M. Wendland Schroëder mit dem Titel
"On picture Quality of some Television signal Processing
Techniques", veröffentlicht in der Zeitschrift SMPTE vom
Oktober 1984 oder in den Artikeln von Jean CHATEL mit dem Titel
"Toward a World Studio Standard for High Definition TV",
veröffentlicht in der Zeitschrift IBC 1988, und "Compatible
Hierarchy of studio standards", (SMPTE-Konferenz 1.-3. Februar
1979, San Francisco) beschrieben sind, ist das hochauf lösende
Fernsehsignal durch die Tatsache definiert, daß es doppelt so
viele Zeilen und doppelt so viele Punkte pro Zeile wie das
Fernsehsignal der derzeit vorhandenen Systeme mit 625 oder 525
Zeilen besitzt. Dieses hochauflösende Signal (HD), das auch
unter der Abkürzung HDP des angelsächsischen Ausdrucks "High
Definition Progressive" bekannt ist, besitzt eine Auflösung, die
1920 Punkten pro Zeile und 1152 Zeilen entspricht, was der
doppelten Auflösung des bekannten Fernsehsystems mit der Abkürzung
EDP des angelsächsischen Ausdrucks "Enhanced Definition
Progressive" entspricht, dessen Auflösung 576 Zeilen mit 960
Punkten ist. Dazwischen gibt es das System HDQ, das die Abkürzung
des angelsächsischen Ausdrucks "High Definition Quincunx" ist
und 1152 Zeilen mit 960 Punkten besitzt, wobei seine Punkte von
einer Zeile zur nächsten in einer Fünfpunktanordnung angeordnet
sind, wie dies in den obenerwähnten Artikeln von Jean CHATEL
beschrieben und gezeigt ist. Andere Systeme mit geringeren
Auflösungen sind ebenfalls vorhanden. Es handelt sich
beispielsweise um das bekannte System mit der Bezeichnung EDQ, das die
Abkürzung des angelsächsischen Ausdrucks "Enhanced Definition
Quincunx" ist, und um das bekannte System mit der Bezeichnung
"VT", das die Abkürzung des angelsächsischen Ausdrucks "Video
Telephon" ist. Das EDQ-System definiert das Bild durch 576
Zeilen mit 480 Punkten pro Zeile, die in einer Fünfpunktanordnung
angeordnet sind, während das VT-System das Bild durch 288
Zeilen mit 480 Punkten definiert.
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Die miteinander verglichenen räumlichen Auflösungen dieser
Systeme sind in der orthonormierten Ebene von Fig. 1 dargestellt,
wo auf der Abszissenachse die horizontalen räumlichen
Frequenzen des Bildes in Zyklen pro Bildbreite aufgetragen sind und
auf der Ordinatenachse die vertikalen räumlichen Frequenzen des
Bildes, gemessen in Zyklen pro Bildhöhe aufgetragen sind. In
dieser Figur sind die Spektralbereiche, die durch die
orthogonalen Abtastsysteme für die Signale HDP, EDP und VT beschrieben
werden, Rechtecke, während die durch die
Fünfpunktanordnungssysteme HDQ und EDQ beschreibbaren Bereiche Rhomben sind. Diese
Bereiche sind jeweils ineinandergeschachtelt. Die
Durchlaßbänder der Systeme HDP und HDQ sind auf 960 Zyklen pro Bildbreite
und auf 576 Zyklen pro Bildhöhe eingeschränkt. Diejenigen der
Systeme HDQ und EDP sind auf 480 Zyklen pro Bildbreite und auf
288 Zyklen pro Bildhöhe eingeschränkt, während das Durchlaßband
eines VT-Systems auf 240 Zyklen pro Bildbreite und auf 144
Zyklen pro Bildhöhe eingeschränkt ist. In dieser
Ineinanderschachtelung sind die Kappungsfrequenzen, die horizontal und
vertikal jeden Bereich begrenzen, Zweiervielfache der
Kappungsfrequenzen des VT-Systems (240 Zyklen pro Bildbreite und 144
pro Bildhöhe).
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Auf der Grundlage der vorangehenden Bemerkung besteht die
Erfindung darin, das Bild mittels räumlicher Filter in
Frequenzteilbänder gemäß einem gekannten Teilband-Codierungsverfahren
mit Hilfe orthogonaler und diagonaler Filter zu unterteilen,
wie dies beispielsweise in dem obenerwähnten Artikel von M.M.
Wendland Schroëder beschrieben ist. Die unterteilten Bänder
stellen entweder eine der Auflösungen des Signals dar, wenn es
sich beispielsweise um die Codierung des Bandes VT handelt,
oder ermöglichen durch Kombination die Wiederherstellung einer
der weiter oben aufgelisteten Auflösungen EDQ, EDP, HDQ oder
HDP.
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Die Unterteilung in Frequenzbänder erfolgt gemäß dem weiter
unten mit Hilfe der Fig. 2a bis 7 erläuterten Prinzip. Das
Spektrum des Signals HDP von Fig. 2a entspricht der orthogonalen
Abtaststruktur, die in Fig. 2b beschrieben ist. Die
aufeinanderfolgenden Abtastungen auf einer Zeile sind voneinander um
eine Strecke V/1920 getrennt, während die Zeilen voneinander um
eine Strecke H/1152 getrennt sind, wobei V und H die Breite
bzw. die Höhe des Bildes repräsentieren. Das Spektrum des
Signals HDP wird anschließend durch ein diagonales Filter
gefiltert, dessen Bandspektrum in Fig. 3 durch einen Rhombus
begrenzt ist. Dieses Signal, das ein eingeschränktes Durchlaßband
besitzt, wird durch eine Fünfpunktanordnungsstruktur des Typs
beschrieben, wie er in Fig. 3b dargestellt ist. Diese Struktur
entspricht einer um den Faktor 2 reduzierten Unterabtastung der
orthogonalen Struktur von Fig. 2b. Da sich die
Fünfpunktanordnungsstruktur von Fig. 3b nicht ohne weiteres für eine
Codierung vom cosinustransformationstyp eignet, wird sie auf die in
den Fig. 6 und 7 gezeigte Weise in eine orthogonale
Doppelstruktur transformiert. Das Signal HDQ des Rhombus-Spektrums
und der Fünfpunktanordnungsstruktur wird zunächst gemäß einer
rechtwinkligen Schablone gefiltert, die in den Rhombus
einbeschrieben ist, der dem EDP-Signal entspricht. Das erhaltene
Signal kann noch immer durch eine orthogonale Struktur
beschrieben werden, die durch eine Unterabtastung der Struktur HDQ
gemäß Fig. 3c erhalten wird. In Fig. 6 ist die Differenz zwischen
den Spektren HDQ und EDP ein Spektrum, das ein Teilband der
Frequenz SB4 bildet, wobei dieses Spektrum die Form von vier
Punkten in Diamantanordnung hat, die keine niedrigen Frequenzen
besitzt. Dieses Spektrum kann seinerseits gemäß der in Fig. 3c
gezeigten Struktur unterabgetastet werden, was das Spektrum von
Fig. 7 ergibt.
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Auf ähnliche Weise wird das Frequenzteilband SBS des Signals
HDP durch Subtraktion des vom Signal HDQ eingenommenen
Spektrums von dem durch das Signal HDP eingenommenen Spektrum
erhalten. Dieses Teilband SB5 kann gemäß einer
Fünfpunktanordnungsstruktur des Typs, wie er in Fig. 3b gezeigt ist,
unterabgetastet werden, damit es die Form eines Rhombus-Spektrums
erhält. Dieses Spektrum kann seinerseits durch das oben erwähnte
Verfahren auf zwei rechtwinklige Spektren reduziert werden, die
die Teilbänder SB5a und SB5b bilden und in den Fig. 4 und 5
gezeigt sind.
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Mittels der diagonalen oder orthogonalen Filterungen, deren
Verwirklichungen im Bereich des Wissens des Fachmanns liegen,
ermöglicht das obenbeschriebene Verfahren die Reduzierung eines
Signals HDP, das aus 1152 Zeilen und 1920 Punkten pro Zeile
gebildet ist, in eine Serie von Teilbändern SB1, SB2, SB3a, SB3b,
SB4, SB5a und SB5b zu reduzieren, die rechtwinklige
Spektralstrukturen besitzen, die entweder durch 960 Punkte und 576
Zeilen für die Bänder SB5a, SB5b, SB4 oder durch 480 Punkte und
288 Zeilen für die Bänder SB1, SB2, SB3a, SB3b beschrieben
werden.
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Die Teilbilder der rechtwinkligen Spektren können getrennt
durch das Komprimierungsverfahren durch Cosinustransformation
oder jede zweidimensionale Transformation der obengenannten
Typen codiert werden. Fig. 8 beschreibt einen Codierer, der gemäß
diesem Prinzip arbeitet.
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Dieser Codierer ist um einen Multiplexierer 1 und um mit 2 bis
8 bezeichnete elementare Codierer mit zweidimensionalen
Transformationen, insbesondere des Typs mit Cosinustransformation,
wie sie beispielsweise in den obenerwähnten Patentanmeldungen
der Anmelderin beschrieben sind, organisiert. Der
Multiplexierer 1 überträgt die codierten Signale der verschiedenen
obenerwähnten Teilbänder über Pufferregister 10 an eine Kanal-
Schnittstellenschaltung 9.
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Das Signal VT wird durch aufeinanderfolgende Filterungen des
Signals HDP durch die Filter 11, 12, 13, 14 erhalten, welche in
dieser Reihenfolge in Serie geschaltet sind.
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Das Filter 11 besitzt die Struktur eines Diagonalfilters. Es
transformiert das Signal HDP mit 144 Megahertz in ein Signal
HDQ mit Fünfpunktanordnungsstruktur mit 72 Megahertz.
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Das Filter 12 besitzt die Struktur eines orthogonalfilters. Es
transformiert das Signal HDQ in ein Signal EDP mit orthogonaler
Struktur mit 36 Megahertz.
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Das Filter 13 besitzt die Struktur eines Diagonalfilters. Es
transformiert das Signal EDP in ein Signal EDQ mit diagonaler
Struktur mit 18 Megahertz.
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Schließlich besitzt das Filter 14 die Struktur eines
Orthogonalfilters. Es transformiert das Signal EDQ in ein Signal VT
mit orthogonaler Struktur mit 9 Megahertz.
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Das Signal VT wird in den Eingang eines Codierers 2 eingegeben.
Die komprimierten Signale werden in den Eingang (a) der
Multiplexiererschaltung 1 eingegeben.
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Das Signal EDQ wird in seine zwei orthogonalen Komponenten
durch das orthogonale Filter 14 und durch eine
Subtraktionsschaltung 15 zerlegt, die die vom orthogonalen Filter 14
gelieferten Komponenten des Spektrums des Signals VT von der
Gesamtheit des das Band des Signals EDQ repräsentierenden Rhombus-
Spektrums abzieht. Das Ergebnis der Subtraktion wird nach der
Unterabtastung, die durch die Schaltung 16 symbolisiert ist, in
den Eingang des Codierers 3 eingegeben. Die vom Codierer 3
komprimierten Signale werden in einen Eingang (b) des
Multiplexierers 1 eingegeben. Das vom Multiplexierer 1 übertragene Signal
EDQ ist durch Nebeneinanderanordnung des Signals VT, das vom
Codierer 2 geliefert wird, und des vom Codierer 3 gelieferten
Signals gebildet.
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Das Signal EDP ist durch die Nebeneinanderanordnung des Signals
EDQ und zweier orthogonaler Komponenten, die an den
entsprechenden Ausgängen der Codierer 4 und 5 erhalten werden,
gebildet. Die Signale mit orthogonaler Spektralstruktur werden durch
ein orthogonales Filter 18 und durch eine
Spektrum-Subtraktionsschaltung 19, gefolgt von Unterabtastschaltungen 21 und 22,
in die Eingänge der Codierer 4 und 5 geliefert. Eine Spektrum-
Subtraktionsschaltung 20 subtrahiert das Spektrum mit
orthogonaler Struktur, welches das Signal EDP bildet, vom Spektrum mit
Rhombus-Struktur des Signals EDQ, das vom diagonalen Filter 13
geliefert wird. Das resultierende Signal, das von der
Subtraktionsschaltung 20 geliefert wird, wird nach Unterabtastungen
durch die Schaltung 32 an den Eingang des orthogonalen Filters
18 bzw. an einen ersten Eingang der Subtraktionsschaltung 19
geliefert. Das vom orthogonalen Filter 18 gelieferte Ergebnis
der Filterung wird in den zweiten Eingang der
Subtraktionsschaltung 19 und nach den Unterabtastungen durch die Schaltung
21 in den Eingang des Codierers 4 eingegeben.
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Das Signal HDQ ist durch Nebeneinanderanordnung des Signals EDP
und eines Signals mit orthogonaler Spektrumsstruktur, das vom
Codierer 6 geliefert wird, gebildet. Das in den Eingang des
Codierers 6 eingegebene Signal wird durch Filterung des Signals
HDQ durch das orthogonale Filter 12 und durch eine
Subtraktionsschaltung 23, gefolgt von einer Unterabtastschaltung 24,
erhalten.
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Das Signal HDP ist durch Nebeneinanderanordnung des Signals HDQ
und zweier Signale mit orthogonaler Spektrumsstruktur, die
durch die Codierer 7 und 8 geliefert werden, gebildet. Diese
Signale werden nach der Filterung des Signals HDP durch ein
diagonales Filter 11, eine Subtraktionsschaltung 25, eine
Unterabtastschaltung 29, ein orthogonales Filter 26, eine
Subtraktionsschaltung 27 und Unterabtastschaltungen 28 und 29
erhalten. Die Subtraktionsschaltung 25 subtrahiert das Signal HDQ
vom Signal HDP. Das Ergebnis wird nach der Unterabtastung durch
die Schaltung 29 in einen ersten Eingang der
Subtraktionsschaltung 27 und in den Eingang des orthogonalen Filters 26
eingegeben. Das vom Filter 26 gelieferte Signal wird einerseits durch
eine Unterabtastschaltung 28 in den Eingang des Codierers 7 und
andererseits in einen zweiten Eingang der Subtraktionsschaltung
27 eingegeben. Das Ergebnis der von der Subtraktionsschaltung
27 ausgeführten Subtraktion wird durch eine
Unterabtastschaltung 29 in den Eingang des Codierers 8 eingegeben.
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Die Codierungsvorrichtung von Fig. 8 ermöglicht die Übertragung
der verschiedenen Teilbilder in Multiplexform auf die in Fig. 9
gezeigte Weise. Somit sind beispielsweise für jede Bildzone,
die durch eine bestimmte Gruppe von N Zeilen, z.B. 8 Zeilen,
des Bandes SB1 für die Übertragung des Signals VT beschrieben
wird, in den Teilbändern SB2, SB3a, SB3b, die für die
Übertragung der Signale EDQ und EDP notwendig sind, N = 8 Zeilen
vorhanden, während in den Teilbändern SB4, SB5a, SB5b, die für die
Übertragung der Signale HDQ und HDP notwendig sind, 2N = 16
Zeilen vorhanden sind. Jedes Teilband wird auf bekannte Weise
durch die Kanal-Schnittstellenschaltung 9 durch nicht
imitierbare Synchronisationssignale SYN1 bis SYN5, d. h. durch
Signale, die durch keine Verknüpfung der anderen übertragenen
Codes imitiert werden können, getrennt. Zwischen diesen
Synchronisationsmustern ist die Beschreibung der Teilbänder SB1
bis SB5b in der Weise eingefügt, daß durch Decodieren der
Informationen zwischen den Synchronisationsmustern SYN1 und SYN2
die Wiederherstellung des Signals mit Auflösung VT, das dem
Teilband SB1 entspricht, möglich ist; daß durch Decodieren bis
zum Synchronisationsmuster 3 das Signal mit Auflösung EDQ
wiederhergestellt werden kann, das durch die
Nebeneinanderanordnung der Spektren SB1 und SB2 gebildet ist, usw. Diese
Anordnung ermöglicht den Empfangsdecodierern, sich anhand der nicht
imitierbaren Muster SYN1 bis SYN5 zu synchronisieren, um ohne
jede weitere Operation die Signale zu wählen, die sie
decodieren können, um ein Videosignal mit irgendeiner der oben
beschriebenen Auflösungen wiederherzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen entsprechenden kompatiblen
Decodierer ist in Fig. 10 gezeigt. In diesem Beispiel werden
die vom Übertragungskanal ausgegebenen Signale in einen Eingang
34 eines Decodierers eingegeben und durchlaufen zunächst einen
Eingangsprozessor 35, der die Synchronisationsmuster SYN
erfaßt, um die zu decodierenden Informationen auf die
obenbeschriebene Weise zu isolieren. Die Signale, die lediglich den
Nutzteilbändern mit der vom Decodierer zugelassenen Auflösung
zugehören, werden in einen Pufferspeicher 36 übertragen, dann
durch den Decodierungsbetrieb des Decodierers, der durch sieben
elementare Decodierer mit Cosinustransformation gebildet ist,
die mit 38 bis 44 bezeichnet sind, decodiert und schließlich in
eine Vorrichtung 45 für die Zusammenführung der Teilbänder
übertragen, die innerhalb einer gestrichelten Linie dargestellt
ist, um das Signal gemäß einem Prozeß wiederherzustellen, der
zur Filterung/Unterabtastung, die von der Codierungsvorrichtung
von Fig. 8 ausgeführt wird, entgegengesetzt ist.
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Das Signal VT wird durch den Decodierer 38 ausgehend vom Signal
des Teilbandes SB1 wiederhergestellt.
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Das Signal EDQ ergibt sich aus der Decodierung der Signale in
den Teilbändern SB1 und SB2 durch die Decodierer 38 und 39 und
durch die Umgruppierung der decodierten Signale durch die
Elemente 46 bis 50 der Umgruppierungsvorrichtung 45. Die Elemente
46 bis 50 sind aus einer Additionsschaltung 46, einer ersten
und einer zweiten Überabtastschaltung 47, 48 und einem ersten
orthogonalen Filter 49 sowie einem zweiten orthogonalen Filter
50 zusammengesetzt. Die Additionsschaltung 46 stellt das Signal
EDQ durch Addition der von den Decodierern 38 und 39
gelieferten und durch die ersten und zweiten Überabtastschaltungen 47,
48 und die Filter 49, 50 geformten Signale wieder her.
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Auf äquivalente Weise werden die Signale der Teilbänder SB3a
und SB3b in eine Additionsschaltung 51 mit zwei Eingängen
eingegeben, nachdem sie in den Decodierern 40 und 41 decodiert, in
den Überabtastschaltungen 51 und 52 transformiert und in den
orthogonalen Filtern 53 und 54 gefiltert worden sind. Die an
den Ausgängen der Additionsschaltungen 51 und 46 erhaltenen
Signale werden anschließend einerseits über eine
Überabtastschaltung 56 und ein diagonales Filter 57 und andererseits über
eine Überabtastschaltung 58 und eine diagonale
Filterungsschaltung 59 in die zwei Operandeneingänge einer Additionsschaltung
55 eingegeben. Das Signal EDP wird am Ausgang der
Additionsschaltung 55 erhalten.
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Noch immer auf ähnliche Weise wird das Signal HDQ am Ausgang
einer Additionsschaltung 60 durch Addition des Signals EDP, das
durch eine Überabtastschaltung 61 und ein orthogonales Filter
62 geformt ist, zu dem Signal erhalten, welches im Teilband 584
durch den Decodierer 42 decodiert und durch eine
Überabtastschaltung 63 und ein orthogonales Filter 64 geformt wird.
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Das Signal HDP wird am Ausgang einer Additionsschaltung 65
erhalten, die das Signal HDQ nach einer Formung durch eine
Überabtastschaltung 66 und ein diagonales Filter 67 zu dem Signal
addiert, das von einer Additionsschaltung 68 geliefert wird und
durch eine Überabtastschaltung 69 und ein diagonales Filter 70
geformt wird. Die Additionsschaltung 68 führt die Addition der
durch die Decodierer 43 und 44 decodierten Signale der
Teilbänder SB5a und SB5b aus, nachdem sie durch Überabtastschaltungen
71 und 72 sowie durch orthogonale Filter 73 und 74 geformt
worden sind.
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Der vom Decodierer von Fig. 10 ausgeführte Rekombinationsprozeß
ist im strengen Sinn zu demjenigen der Zerlegung in Teilbänder,
der im Codierer von Fig. 8 ausgeführt wird, entgegengesetzt. Er
besteht einfach in der Überabtastung und dann in der Filterung
der Teilbänder, bevor diese gemäß einem in der
Interpolationstheorie wohlbekannten Prinzip addiert werden. Durch die
Gruppe von aufeinanderfolgenden Rekombinationen ermöglicht der
Decodierungsbetrieb von Fig. 10 eventuell die Wiederherstellung
bis zum Signal HDP, aber auch sämtlicher der oben beschriebenen
Zwischenstufen. Beispielsweise ist ein Decodierungsbetrieb, der
auf die Auflösung EDP eingeschränkt ist, nicht mit sämtlichen
in Fig. 10 gezeigten Funktionen ausgestattet, sondern nur mit
denjenigen Funktionen, die die Decodierung der Teilbänder SB1,
SB2, SB3a und SB3b ermöglichen. Dennoch kann ein solcher
Decodierer, obwohl er ein komprimiertes Signal mit höherer
Auflösung empfängt, deswegen dieses Signal decodieren und auf einem
Bildschirm mit der Auflösung EDP anzeigen. Dies wird kraft des
Eingangsprozessors (35) erhalten, der nur die auf die
Teilbänder SB1 bis SB3b bezogenen Signale hält, die er in den Speicher
36 überträgt und die allein decodiert werden. Die Rekombination
dieser Teilbänder ergibt ein Signal EDP mit einer Auflösung,
die niedriger als diejenige des ursprünglichen Signals ist, das
jedoch die niedrigen räumlichen Frequenzen desselben Bildes
repräsentiert.
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Ein weiterer Nutzen der eben beschriebenen
Decodierungsvorrichtung besteht darin, daß sie die Beseitigung der Probleme
ermöglicht, die mit der Ausführung der Funktionen des schnellen
Vorlaufs und des schnellen Rücklaufs von Video-Rekordern in
Verbindung stehen. Der Nutzen des Einbaus der
Decodierungsvorrichtung kann insbesondere in der Möglichkeit bestehen, daß die
Aufzeichnung auf das Magnetband des Video-Rekorders in der
Weise erfolgt, daß zwei Kanäle beispielsweise durch einen
Verschachtelungsprozeß voneinander unterschieden werden können.
Der erste Kanal zeichnet das Signal auf, wie es im Sender
codiert worden ist, während der zweite Kanal für die schnelle
Suche der Bilder auf dem Band bestimmt ist. Dieser zweite Kanal
muß physikalisch auf dem Band an einer Stelle angeordnet sein,
auf die selbst dann zugegriffen werden kann, wenn das Band
schnell läuft. Das in diesem Kanal befindliche Signal ist
vorzugsweise ein Signal mit verringerter Auflösung,
beispielsweise mit der Auflösung, die gleich derjenigen des Signals VT ist.
Dieses Signal wird durch Decodierung und dann durch Codierung
des am Eingang des Video-Rekorders vorhandenen Signals
erhalten, das mit der beschriebenen Sendercodierung gemäß der
Erfindung codiert ist. Der Nutzen dieser Umcodierung besteht darin,
daß sie billiger ist, weil nur ein Decodierungs- und
Codierungsbetrieb
notwendig ist, der einer geringen Auflösung
entspricht. Andererseits weist diese Codierung ebenfalls den
Vorteil auf, daß sie die zeitliche Rekursion nicht verwendet und
daß sie eine feste Datenrate besitzt. Somit wird ein Bild stets
durch die gleiche Anzahl von Bits dargestellt und belegt auf
dem Band einen konstanten Platz, der vollkommen
wiedererkennbar ist.
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Eine erste Ausführungsvariante der Erfindung wird im folgenden
mit Hilfe der Fig. 11 bis 15 beschrieben. Diese
Ausführungsvariante benutzt nur trennbare orthogonale Filter (d. h. Filter,
die aus vertikalen Filtern und horizontalen Filtern aufgebaut
sind). Gemäß dieser Variante findet die Zerlegung des Signals
HDP auf die in den Fig. 11 und 12 gezeigte Weise in mehrere
Teilbänder statt, die durch die orthogonalen Filter erhalten
werden. Das Signal HDP wird zunächst in ein Signal EDP und in
Teilbänder SB5, SB6, SB7 zerlegt, die hohen vertikalen
räumlichen Frequenzen/niedrigen horizontalen Frequenzen, hohen
vertikalen Frequenzen/hohen horizontalen Frequenzen bzw. niedrigen
vertikalen Frequenzen/hohen horizontalen Frequenzen
entsprechen.
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Gemäß diesem Prinzip wird das Band EDP in ein Teilband SB1
(Signal VT) und in Teilbänder SB2, SB3 und SB4 unterteilt. Die
Ausführung eines Codierers gemäß diesem Verfahren ist in
Fig. 13 gezeigt.
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Dieser Codierer ist um einen Multiplexierer 75 organisiert, der
über ein Pufferregister 77 an eine
Kanal-Schnittstellenschaltung 76 die codierten Signale überträgt, die mit den oben
beschriebenen Teilbändern in Beziehung stehen.
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Das Signal VT wird durch aufeinanderfolgende Filterungen des
Signals HDP durch horizontale und vertikale Filter 78 bis 81
erhalten, die abwechseln und in dieser Reihenfolge in Serie
geschaltet sind. Der Ausgang des vertikalen Filters 81 ist mit
dem Eingang eines Codierers 82 verbunden, der das Signal vT
im
Teilband SB1 liefert. Das Signal im Teilband SB2 wird von einem
Codierer 83 geliefert. Dieser Codierer ist mit seinem Eingang
mit dem Ausgang einer Subtraktionsschaltung 84 verbunden, deren
zwei Operandeneingänge mit dem Eingang bzw. mit dem Ausgang des
vertikalen Filters 81 verbunden sind. Die Subtraktionsschaltung
84 liefert somit an den Eingang des Codierers 83 die vertikalen
Komponenten des Spektrums des Signals, das in den Eingang des
vertikalen Filters 81 eingegeben wird, die das Teilband SB2
definieren. Ebenso werden die vertikalen räumlichen Komponenten
des Spektrums des Signals EDP, das in den Eingang des
horizontalen Filters 80 eingegeben wird, am Ausgang einer
Subtraktionsschaltung 85 erhalten, die mit ihren zwei Operandeneingängen
an den Eingang bzw. an den Ausgang des horizontalen Filters 80
angeschlossen ist. Das Ergebnis der von der
Subtraktionsschaltung 85 ausgeführten Subtraktion wird einerseits in den Eingang
eines vertikalen Filters 86 und andererseits in einen ersten
Operandeneingang einer Subtraktionsschaltung 87 eingegeben,
deren zweiter Operandeneingang mit dem Ausgang des vertikalen
Filters 86 verbunden ist. Das vertikale Filter 86 liefert die
gefilterten vertikalen Komponenten des am Ausgang der
Subtraktionsschaltung 85 erhaltenen Signals zum Eingang eines
Codierers 88. Das codierte Signal am Ausgang des Codierers 88 ist im
Teilband SB4 codiert. Das am Ausgang der Subtraktionsschaltung
87 erhaltene Signal wird in den Eingang eines Codierers 89
eingegeben, wobei das Ergebnis der Codierung im Teilband SB3
übertragen wird. Die von den Codierern 88 und 89 ausgegebenen
Signale bilden mit den von den Codierern 82 und 83 gelieferten
Signalen ein Signal EDP.
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Das im Teilband SB5 codierte Signal wird durch den Codierer 90
codiert, der die Signale codiert, die von einer
Subtraktionsschaltung 91 geliefert werden, deren zwei Operandeneingänge mit
dem Eingang bzw. mit dem Ausgang des vertikalen Filters 79
verbunden sind.
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Das codierte Signal im Teilband SB7 wird am Ausgang eines
Codierers 92 erhalten, dessen Eingang mit dem Ausgang eines
vertikalen
Filters 93 verbunden ist. Dieses vertikale Filter 93
ist mit seinem Eingang mit dem Ausgang einer
Subtraktionsschaltung 94 verbunden, deren zwei Operandeneingänge mit dem Eingang
bzw. mit dem Ausgang eines horizontalen Filters 78 verbunden
sind. Die codierten Signale im Band SB6 werden von einem
Codierer 95 geliefert, dessen Eingang mit dem Ausgang einer
Subtraktionsschaltung 96 verbunden ist. Die Subtraktionsschaltung 96
ist mit ihren beiden Operandeneingängen mit dem Eingang bzw.
mit dem Ausgang des vertikalen Filters 93 verbunden.
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Die Nebeneinanderanordnung der Teilbänder SB5 und SB7 neben dem
in den Teilbändern SB1 bis SB4 übertragenen Signal EDP
ermöglicht, das obenerwähnte Signal HDQ zu erhalten. Auf ähnliche
Weise ermöglicht die Nebeneinanderanordnung des im Teilband SB6
ausgesandten Signals und des Signals HDQ, das in
Nebeneinanderanordnung in den Teilbändern SB1 bis SB7 ausgesandt wird, die
Wiederherstellung des Signals HDP auf die in Fig. 12 gezeigte
Weise.
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Diese Ausführungsvariante ermöglicht indessen nicht, die
Fünfpunktanordnungsnormen HDQ und EDQ ohne weiteres vorkommen zu
lassen, weil weder ein Diagonalfilter noch ein
orthogonales/fünfpunktartiges Abtastdurchlaßgitter zum Einsatz kommen.
Aufgrund dieser Tatsache stellt sie keine vollkommene Antwort auf
die gesuchte Kompatibilität zwischen den orthogonalen
abgetasteten Signalen des Typs HDP, EDP, VT und den abgetasteten
Signalen mit Fünfpunktanordnungsstruktur des Typs HDQ oder EDQ
dar. Diese Schwierigkeit kann jedoch dadurch behoben werden,
daß mittels der Überabtastschaltungen 97, 98 die Signale
überabgetastet werden, die die Form einer Fünfpunktanordnung
besitzen, bevor sie in den Eingang des Codierers von Fig. 13 in
einem orthogonalen Gitter des in Fig. 14 gezeigten Typs
eingegeben werden, derart, daß die Signale HDQ bzw. EDQ in die HDP-
bzw. EDP-Normen umgewandelt werden. Die mit 98 bis 110
bezeichneten Unterabtastschaltungen sind am Eingang der Codierer
angeordnet, um ihnen die Nebeneinanderanordnung der Teilbänder SB1
bis SB7 zu ermöglichen.
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Ein Decodierer, der der ersten Ausführungsvariante der
Erfindung entspricht, ist in Fig. 15 gezeigt. Dieser Decodierer
führt die umgekehrten Funktionen des Codierers von Fig. 13 aus.
Er enthält eine Gruppe von Decodierungsblöcken, die mit 111 bis
117 bezeichnet sind, um die Decodierung der in den Teilbändern
SB1 bis SB7 übertragenen Signale zu ermöglichen. Diese Signale
werden zum Eingang der Decodierer 111-117 auf eine Weise
übertragen, die ähnlich wie in der Decodierungsvorrichtung von
Fig. 10 ist, d. h. durch eine Multiplexierungsschaltung 118,
einen Pufferspeicher 119 und einen Eingangsprozessor 120.
Diese von jedem der Decodierer gelieferten Signale werden zuerst
durch die Überabtastvorrichtungen, die mit 118a bis 118g
bezeichnet sind, überabgetastet, um anschließend durch die
vertikalen Filter, die mit 119a bis 119g bezeichnet sind, vertikal
gefiltert zu werden. Additionsschaltungen 120ab, 120cd und
120fg führen die jeweilige Addition der Signale aus, die von
den vertikalen Filtern 119a, 119b, 119c, 119d, 119f bzw. 119g
geliefert werden. Die von diesen Additionsschaltungen
gelieferten Signale werden ihrerseits durch Überabtastvorrichtungen,
die mit 121ab, 121cd bzw. 121fg bezeichnet sind, überabgetastet
und dann durch horizontale Filter, die mit 122ab, 122cd bzw.
122fg bezeichnet sind, horizontal gefiltert. Die von den
horizontalen Filtern 122ab und 122cd gelieferten Signale werden
dann in einer Additionsschaltung 123 addiert, die an ihrem
Ausgang das Signal EDP liefert. Dieses Signal EDP wird seinerseits
durch eine Überabtastschaltung 124 überabgetastet und dann
durch ein vertikales Filter 125 vertikal gefiltert, um durch
eine Additionsschaltung 126 zum Ergebnis der vom vertikalen
Filter 119e ausgeführten Filterung addiert zu werden. Das
Ergebnis der von der Additionsschaltung 126 ausgeführten Addition
wird durch eine Überabtastschaltung 127 überabgetastet und dann
durch ein horizontales Filter 128 horizontal gefiltert. Das
Ergebnis der vom horizontalen Filter 128 ausgeführten Filterung
wird in einer Additionsschaltung 129 zu dem vom horizontalen
Filter 122fg gelieferten Filterungsergebnis hinzugefügt, um das
Signal HDP zu liefern.
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In der Ausführungsform von Fig. 15 zwingt die mit den Signalen
VT oder EDP kompatible Decodierung nicht dazu, den gesamten
Decodierungsbetrieb für das Signal HDP zu nutzen. Das Signal HDQ
kann ausgehend vom Signal HDP erhalten werden, dennoch muß das
Teilband SB6, das die im Spektrum HDQ fehlenden Frequenzen
repräsentiert, nicht decodiert werden. Ebenso kann das Signal EDQ
ausgehend vom Signal EDP erhalten werden, wobei das vom
Teilband SB3 ausgegebene Signal nicht decodiert werden muß. Dies
führt im Falle eines Decodierers HDQ bzw. EDQ zu einem
Decodierer, der vom Typ HDQ bzw. EDP ist, jedoch reduziert um die auf
das Teilband SB6 bzw. SB3 bezogene Decodierung.
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Selbstverständlich sind die Ausführungsformen der Erfindung,
die eben beschrieben worden sind, nicht die einzigen. Eine
zweite Ausführungsvariante der Erfindung kann darin bestehen,
ein anderes Verfahren zu verwenden, um die Unterteilung des
hochauflösenden Signals in Teilbänder mit unterschiedlichen
Auf lösungen zu erhalten, wobei die obenbeschriebene
Multiplexierung für die Erzeugung der Binärzüge beibehalten wird. Wie
in dem Artikel von J.M. ADANT u.a. "Block operations in digital
signal processing with application to TV coding" - Signal
Processing - , Seiten 385 - 397, 1987, beschrieben, kann stets
angenommen werden, daß eine Halbbandfilterung und eine
zweidimensionale Dezimierung um einen Faktor 2 ausreichen, um vom
Format HDP zum Format EDP überzugehen, was auf die in Fig. 16
gezeigte Weise erhalten werden kann. Im Falle von
Bildkomprimierungssystemen, die die Cosinustransformation nutzen,
ermöglicht diese Eigenschaft, einfach eine Abwärtskompatibilität zu
erhalten. Um nämlich mehrere Kompatibilitätsebenen anzuordnen,
ist es ausreichend, Unterblöcke zu definieren, die auf die in
Fig. 17 gezeigte Weise ineinander verschachtelt sind.
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Die Kompatibilität zwischen den Systemen wird dann dadurch
erhalten, daß die übliche Abtastung der Koeffizientenblöcke der
Cosinustransformationen leicht abgewandelt wird, um zuerst den
Teilblock mit kleinerer Dimension, z.B. 4x4 (8x8) und dann die
anderen Blöcke zu entnehmen. In Fig. 17 ist ein abgewandeltes
Abtastbeispiel gezeigt.
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Die sequentielle Information, die nach der Abtastung erhalten
wird, kann dann in die obenbeschriebene
Multiplexierungsstruktur in dem Maß integriert werden, in dem eine Einschränkung auf
die orthogonalen Formate VT, EDP, HDP erfolgt. Die Teilbänder
SB1 bis SB6 sind dann durch die Abtastung der Koeffizienten der
Cosinustransformation auffolgende Weise definiert:
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SB1 :KOEF. 1 ... KOEF. 4
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SB2+SB4+SB3 :KOEF. 5 ... KOEF. 16
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SB5+SB7+SB6 :KOEF. 17 ... KOEF. 64