DE69028149T2

DE69028149T2 - Kodiereinrichtung

Info

Publication number: DE69028149T2
Application number: DE69028149T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Ishikawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2010-06-09
Also published as: EP0402149A3; JP2754741B2; EP0402149B1; JPH0313089A; US5115241A; DE69028149D1; EP0402149A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kodiereinrichtung und insbesondere eine Einrichtung zur Kodierung digitaler Daten wie ein Audiosignal, Videosignal und dergleichen, deren Daten zueinander korreliert sind.

Verwandter Stand der Technik

Verschiedene Arten von Kodierverfahren wurden als Verfahren zur Verschmälerung eines Übertragungsbandes, d.h. als Verfahren zur Verringerung der Übertragungsinformationensmenge im Fall digitalen Übertragens von Informationen wie eines Videosignals oder Audiosignals vorgeschlagen. So ist beispielsweise ein Voraussage-Kodierverfahren (DPCM) zur Komprimierung einer Informationsmenge unter Verwendung der Korrelation zwischen benachbarten Abtastwerten bekannt. Bei dem Voraussage-Kodierverfahren wird ein Voraussagewert für einen zu kodierenden Abtastwert von einem dekodierten Wert eines übertragenen Kodiercodes erhalten, ein Differenzwert (Voraussage- Fehler) zwischen dem Voraussagewert und dem Abtastwert quantisiert und der durch eine derartige Quantisierung erhaltene Kodiercode übertragen. Es gibt bezüglich des Verfahrens zur Voraussagewert-Erzeugung verschiedene Voraussage-Kodierverfahren. Diesbezüglich zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines grundlegenden Aufbaus einer Kodiereinrichtung mit dem einfachsten Kodierverfahren zur Voraussage durch einen vorangehenden Wert (Voraussage-Kodierverfahren, das einen vorangehenden dekodierten Wert als Voraussagewert verwendet).
Gemäß Fig. 1 subtrahiert eine Subtraktionseinrichtung 12 einen Voraussagewert xip (vorangehenden dekodierten Wert gemäß dem Ausführungsbeispiel) von einem Abtastwert xi, der einem Eingangsanschluß 10 zugeführt wird, und gibt einen Differenzwert ei aus. Eine Quantisierungseinheit 14 quantisiert den Differenzwert ei und gibt einen Kodiercode yi aus. Der Kodiercode yi wird von einem Ausgangsanschluß 16 zu einer Übertragungsstrecke übertragen. Der Kodiercode yi wird außerdem einer Umkehr-Quantisierungseinheit 18 zugeführt. Die Umkehr-Quantisierungseinheit 18 wandelt den Kodiercode yi in einen Differenzwert (Quantisierungs-Repräsentantenwert Q(ei)) um. Der Voraussagewert wird durch einen Addierer 20 zu dem Quantisierungs-Repräsentantenwert Q(ei) addiert, so daß der eingegebene Abtastwert wiederhergestellt werden kann.
Da der wiederhergestellte eingegebene Abtastwert xi einen Quantisierungsfehler enthält, besteht die Möglichkeit, daß er den Wertebereich des ursprünglichen eingegebenen Abtastwerts überschreitet. Daher wird der Wertebereich durch eine Begrenzungseinrichtung 22 in der Amplitude begrenzt. Ein lokaler dekodierter Wert i der ein Ausgangssignal der Begrenzungseinrichtung 22 darstellt, wird in ein D-Flip-Flop (Voraussageeinrichtung ) 24 eingegeben. Da bei diesem Beispiel der dekodierte Wert des vorangegangenen Werts als Voraussagewert verwendet wird, ist die Voraussageeinrichtung durch ein D-Flip-Flop aufgebaut, das heißt, durch eine Verzögerungsschaltung mit einer einer Abstastperiode (einem Taktzyklus) entsprechenden Verzögerungszeit. Im nächsten Taktzyklus führt das D-Flip-Flop 24 der Subtraktionseinrichtung 12 und dem Addierer 20 den lokalen dekodierten Wert i als Voraussagewert zu. Der Voraussagewert für den Abtastwert xi wird durch Hinzufügen eines tiefgestellten Index "p" mit xip bezeichnet.
Im allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Differenzwerte zwischen den Voraussagewerten und den eingegebenen Abtastwerten in einem schmalen Wertebereich einseitig. Die Infomationsmenge kann durch Feineinstellung von Quantisierungsschritten in einem Bereich mit kleinen Differenzen und durch Grobeinstellung von Quantisierungsschritten (nichtlineare Quantisierung) in einem Bereich mit großen Differenzen komprimiert werden.
Allerdings ist bei dem herkömmlichen Beispiel, in dem Fall, daß der Differenzwert "0" als Quantisierungs-Repräsentantenwert, und Mittig-Schritt-Quantisierungskennlinien verwendet werden, bei denen die Quantisierungs-Repräsentantenwerte bezüglich der positiven und negativen Werte symmetrisch angeordnet sind, die Anzahl von Quantisierungs-Repräsentantenwerten auf eine ungerade Anzahl eingestellt. Da die durch n Bit ausdrückbare Anzahl von Quantisierungs-Repräsentantenwerten 2n beträgt, bleibt andererseits in dem Fall, daß der DPCM-Code auf eine feste Länge von n Bit eingestellt ist, eine Kodierung übrig. Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer derartigen Mittig-Schritt-Quantisierungskennlinie.
Das heißt, unter der Annahme, daß beispielsweise ein Kodiercode aus 4 Bit besteht, gibt es außer dem dem Differenzwert "0" entsprechenden Kodiercode 15 Kodiercodes. Jeweils 7 Kodiercodes sind positiven Quantisierungs-Repräsentantenwerten und negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerten zugewiesen. Daher werden die Quantisierungsschritte grob, und im Fall der Kodierung eines Videosignals ist es sehr wahrscheinlich, daß ein großer Quantisierungsfehler in einem Kantenbereich eines Bildes erzeugt wird, das heißt dann, wenn ein sogenannter Kantenübergang oder dergleichen auftritt. Wenn andereseits die Quantisierungsschritte wesentlich verringert werden, werden Gradienten-Überlastungsstörsignale oder dergleichen erzeugt.
Im Fall der Verwendung einer Mittig-stufe- ("midriser type-") Quantisierungskennlinie, bei der der Differenzwert "0" nicht als Quantisierungs-Repräsentantenwert verwendet wird, können andererseits alle 8 Kodiercodes jeweils positiven Quantisierungs-Repräsentantenwerten und negativen Quantisierungs- Repräsentantenwerten zugewiesen werden, und die Quantisierungsschritte selbst können relativ verkleinert werden. Auf einem Flachbildschirm jedoch verändert sich im Fall, daß der Differenzwert "0" nicht als Quantisierungs-Repräsentantenwert verwendet wird, der dekodierte Wert trotz der Tatsache, daß der Bildschirm flach ist, so daß ein sogenanntes Eigenrauschen bzw. Kornrauschen oder dergleichen leicht auftritt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Probleme bei derartigen Bedingungen zu lösen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt eine Kodiereinrichtung an, bei der die Quantisierungsschritte selbst dann verringert werden können, wenn die Kodiercodes auf Mittig- Schritt-Quantisierungskennlinien beruhend gebildet werden.
Erfindungsgemäß ist eine Kodiereinrichtung wie in Patentanspruch 1 dargelegt angegeben.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer herkömmlichen allgemeinen Voraussage-Kodiereinrichtung.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer Mittig-Schritt-Quantisierungskennlinie.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kodiereinrichtung.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kodiereinrichtung. Dabei bezeichnet die Bezugszahl 30 einen Eingangsanschluß, die Bezugszahl 32 eine Subtraktionseinrichtung, die Bezugszahl 34 eine Quantsierungseinheit, die Bezugszahl 36 einen Ausgangsanschluß, die Bezugszahl 38 eine Umkehr-Quantisierungseinheit, die Bezugszahl 40 einen Addierer, die Bezugszahl 42 eine Begrenzungseinrichtung, die Bezugszahl 44 ein als Voraussageeinrichtung dienendes D-Flip-Flop und die Bezugszahl 46 eine MSB-Extraktionsschaltung zur Extraktion des höchstwertigen Bits (MSB) eines Voraussagewerts.
Die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 3 ist nachstehend beschrieben. Die Subtraktionseinrichtung 32 subtrahiert den Voraussagewert xip von dem Abtastwert xi, der in den Eingangsanschluß 30 eingegeben wird, und gibt den Differenzwert ei aus. Entsprechend einem MSB-Signal (dem höchstwertigen Bit (MSB) des Voraussagewerts), das aus der MSB-Extraktionsschaltung 46 ausgegeben wird, wählt die Quantisierungseinheit 34, wenn das MSB-Signal auf "1" gesetzt ist, eine erste Quantisierungskennlinie aus, bei der die Anzahl der negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechenden Kodiercodes groß ist, was nachstehend beschrieben ist, und die Quantisierungseinheit 34 wählt, wenn das MSB-Signal auf "0" gesetzt ist, eine zweite Quantisierungskennlinie aus, bei der die Anzahl der den positiven Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechenden Kodiercodes groß ist. Dann quantisiert die Quantisierungseinheit 34 den Differenzwert ei und wandelt ihn in den DPCM-Code um. Der aus der Quantisiereinheit 34 ausgegebene DPCM-Code wird von dem Ausgangsanschluß 36 zu einer Übertragungsstrecke übertragen und wird außerdem in die Umkehr-Quantisierungseinheit 38 eingegeben.
Ansprechend auf das aus der MSB-Extraktionsschaltung ausgegebene MSB-Signal wandelt die Umkehr-Quantisierungseinheit 38 den DPCM-Code mittels der der Quantisierungskennlinie in der Quantisierungseinheit 34 entsprechenden umgekehrten Quantisierungskennlinie in den Quantisierungs-Repräsentantenwert (Differenzwert) Q(ei) zurück. Der Addierer 40 addiert den Voraussagewert zu dem Quantisierungs-Repräsentantenwert und die Begrenzungseinrichtung 42 begrenzt das Summensignal aus dem Addierer bezüglich der Amplitude. Ein Ausgangssignal der Begrenzungseinrichtung 42 entspricht dem lokalen dekodierten Wert i und wird durch das D-Flip-Flop bis zum nächsten Taktzyklus verzögert und als Voraussagewert des nächsten Abtastwerts verwendet und der Subtraktionseinrichtung 32, der MSB-Extraktionsschaltung 46 und dem Addierer 40 zugeführt.
Der Grund für die Auswahl der Quantisierungskennlinien durch das aus der MSB-Extraktionsschaltung 46 ausgegebene MSB-Signal wird nachstehend anhand numerischer Werte beschrieben. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel der Quantisierungskennlinie (der ersten Quantisierungskennlinie) in dem Fall, daß das höchstwertige Bit (MSB) des Voraussagewerts auf "0" gesetzt ist. Tabelle 2 zeigt ein Beispiel der Quantisierungskennlinie (der zweiten Quantisierungskennlinie) in dem Fall, daß das höchstwertige Bit des Voraussagewerts auf "1" gesetzt ist. In diesem Fall wird angenommen, daß der eingegebene Abtastwert aus 7 Bit (0 bis 127) und der DPCM-Code aus 3 Bit besteht.
Wie vorstehend angeführt, bleibt unter der Annahme, daß der Differenzwert "0" zuerst als Repräsentantenwert zugewiesen und daß dieselbe Anzahl positiver und negativer Quantisierungs-Repräsentantenwerte zugewiesen wurde, ein Code (100 in den Tabellen 1 und 2) übrig. Daher findet der Voraussagewert bei dem Ausführungsbeispiel Beachtung, und die folgenden Verarbeitungen werden ausgeführt. Das heißt, unter der Annahme, daß der Voraussagewert für den eingegebenen Abtastwert xi auf xip und der Voraussagefehler (der Differenzwert) auf ei eingestellt ist, und daß der Maximalwert und der Minimalwert des eingegebenen Abtastwerts jeweils auf xmax und xmin eingestellt sind, folgt:
xmin - xip ≤ ei ≤ xmax - xip , (1)
wobei xip, wenn die folgende Gleichung
xip - xmin = xmax - xip
erfüllt ist, erhalten wird zu
xip = (1/2)(xmax + xmin). (2)
Mit xmax = 127 und xmin = 0 ergibt ssich aus Gleichung (2) xip = 63,5. Daraus ist ersichtlich, daß für xip ≥ 64 der negative Zahlenbereich des Voraussage-Fehlers ei größer ist, und für xip < 64 der positive Zahlenbereich größer ist. Tabelle 1 (MSB = "0")
Andererseits ist bekannt, daß unter der Annahme, daß der Maximalwert des Differenzwerts emax und der Maximalwert des Quantisierungs-Repräsentantenwerts Q(emax) ist, die Gradientenüberlastung beinahe vernachlässigt werden kann, falls Q(emax) ≥ (1/3) emax ist. Da bei dem vorangehenden Beispiel emax = 127 ist, ist Q(emax) ≥ 127/3 42. Zur Beseitigung des Einflusses der Gradientenüberlastung ist ein Quantisierungs- Repräsentantenwert von 42 erforderlich. Andererseits tritt die Gradientenüberlastung leicht in einem größeren Zahlenbereich des Differenzwerts auf. Daher wird für xip ≥ 64 dem Code "100" der negative Quantisierungs-Repräsentantenwert (- 42) zugewiesen. Für xip < 64 wird dem Code "100" der positive Quantisierungs-Repräsentantenwert (42) zugewiesen. Der Voraussagewert besteht aus 7 Bit. Wenn die Zahl 64 durch eine binäre Zahl ausgedrückt wird, geschieht dies durch 1000000. Daher kann die vorstehend beschriebene Unterscheidung anhand des höchstwertigen Bits (MSB) des Voraussagewerts durchgeführt werden. Tabelle 2 (MSB = "1")
Im Fall eines Videosignals ist der Minimalwert nicht immer "0", da das Signal mit einem gewissen Pegel oder darunter als Synchronisationssignal verwendet wird. Falls der letzte Quantisierungs-Repräsentantenwert durch das höchstwertige Bit des Voraussagewerts zugewiesen wird, besteht in diesem Fall die Möglichkeit, daß der Quantisierungs-Repräsentantenwert einem engen Zahlenbereich zugewiesen wird. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das für eine derartige Situation geeignet ist. In Fig. 4 bezeichnen dieselben Bezugszahlen wie in Fig. 3 dieselben Komponenten. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dahingehend, daß eine Vergleicherschaltung 48 anstatt der MSB-Extraktionsschaltung 46 verwendet wird.
Ein Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. 3 ist nachstehend beschrieben. Sowohl der Voraussagewert xip als auch ein Mittenwert M des Zahlenbereichs des eingegebenen Abtastwerts werden in die Vergleicherschaltung 48 eingegeben. Die Vergleicherschaltung 48 gibt "1" aus, wenn xip größer als M ist. Die Vergleicherschaltung 48 gibt "0" aus, wenn xip gleich oder kleiner ist als M. Ein Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 48 wird der Quantisierungseinheit 34 und der Umkehr-Quantisierungseinheit 38 auf die gleiche Weise wie das Ausgangssignal der MSB-Extraktionsschaltung 46 zugeführt. Die Quantisierungseinheit 34 und die Umkehr-Quantisierungseinheit 38 wählen, wenn das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 48 "1" ist, die Kennlinie der Seite aus, bei der der Zahlenbereich der negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerte groß ist, während sie, wenn das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 48 "0" ist, die Kennlinie der Seite auswählen, bei der der Zahlenbereich der positiven Quantisierungs- Repräsentantenwerte groß ist.
- Die Arbeitsweise ist nachstehend praktisch beschrieben. Aus Gleichung (2) folgt mit xmin = 16 , xip = (127 + 16)/2 = 71,5. Wenn der Voraussagewert xip 72 oder mehr beträgt, ist der negative Zahlenbereich des Voraussage-Fehlers ei groß. Wenn der Voraussagewert xip kleiner als 72 ist, ist der positive Zahlenbereich von ei groß. Daher reicht es aus, das Zuweisungsverfahren des letzten Quantisierungs-Repräsentantenwertes anhand des Vergleichs zwischen den Größen des Voraussagewerts xip und dem vorstehend angeführten Wert 72 zu bestimmen. Daher werden sowohl der Voraussagewert xip als auch der Mittenwert M des eingegebenen Abtastwerts, d.h. (1/2) (xmax + xmin) der Vergleicherschaltung 48 zugeführt und verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird der letzte Quantisierungs-Repräsentantenwert, d.h. der dein Kodiercode 100 gemäß den Beispiel-Tabellen 1 und 2 entsprechende Quantisierungs-Repräsentantenwert zugewiesen.
Obwohl das Ausführungsbeispiel vorstehend für den Fall beschrieben wurde, daß die positiven und negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerte symmetrisch zugewiesen werden, ist die Erfindung nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Die gleiche Funktionsweise ergibt sich, wenn der Zahlenbereich der Quantisierungs-Repräsentantenwerte in dem größeren Zahlenbereich der Differenzwerte breiter gemacht wird, wenn der letzte Quantisierungs-Repräsentantenwert zugewiesen wurde. Andererseits wurde bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel die Voraussage durch den vorangehenden Wert als Voraussage-Verfahren verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein derartiges Voraussage-Verfahren beschränkt, sondern kann auch bei anderen Voraussage-Verfahren wie einer zweidimensionalen Voraussage, einer dreidimensionalen Voraussage, einer adaptiven Voraussage oder dergleichen angewendet werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung leicht ersichtlich ist, kann gemäß der Erfindung die Bildqualität (insbesondere die Gradientenüberlastungseigenschaften) nach Beendigung der Dekodierung merklich verbessert werden, ohne die zu übertragende Informationsmenge zu erhöhen.

Claims

1. Einrichtung zur Signalkodierung mit

einer Subtraktionseinrichtung (32) zur Bildung eines Differenzwerts (ei) aus einem Abtastwert des Signals und dessen Voraussagewert,

einer Quantisierungseinrichtung (34) zur Kodierung des Differenzwerts unter Verwendung von Kodiercodes, und einer Umkehr-Quantisierungseinrichtung zur Dekodierung kodierter Codes, die durch die Quantisierungseinrichtung kodiert wurden, und

Einrichtungen (40, 42, 44) zur Bestimmung eines Voraussagewerts beruhend auf dem Voraussagewert des vorhergehenden Zyklus und dem Ausgangssignal der Umkehr-Quantisierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zusätzlich eine auf den Voraussagewert ansprechende Einrichtung (46, 48) aufweist, um zu unterscheiden, ob der Bereich eines Werts, den der Differenzwert annehmen kann, entweder für positive oder negative Werte groß ist oder nicht, und um entsprechend dem Ergebnis der Unterscheidung die Quantisierungseinrichtung entweder in einer Betriebsart zu betreiben, in der die Anzahl von Kodiercodes, die positiven Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechen, größer als die Anzahl von Kodiercodes ist, die negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechen, oder in einer Betriebsart zu betreiben, in der die Anzahl von Kodiercodes, die den negativen Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechen größer als die Anzahl von Kodierwerten ist, die den positiven Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ansprechende Einrichtung eine Schalteinrichtung aufweist, die die Betriebsart der Quantisierungseinrichtung in Übereinstimmung damit auswählt, ob der Voraussagewert ein vorbestimmter Wert ist oder nicht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (46) zur Extraktion des höchstwertigen Bits des Voraussagewerts, wobei das höchstwertige Bit für die Auswahl der Betriebsart der Quantisierungseinrichtung verwendet wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48) zum Vergleichen des Voraussagewerts mit dem vorbestimmten Wert, wobei das Ergebnis der Voraussage für die Auswahl der Betriebsart der Quantisierungseinrichtung verwendet wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungseinrichtung den kodierten Code entsprechend der positiven und negativen symmetrischen Mittig-Schritt- Quantisierungskennlinien ausgibt, der entweder einem vorbestimmten Quantisierungs-Repräsentantenwert und/oder einem speziellen code-selektiven Repräsentantenwert entspricht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und zweiten Betriebsart alle Kodiercodes, außer dem speziellen Code, gemeinsamen absoluten Quantisierungs-Repräsentantenwerten entsprechen.