DE69118621T2

DE69118621T2 - Bildkodierungsgerät

Info

Publication number: DE69118621T2
Application number: DE69118621T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Hibi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPH0556275A; DE69118621D1; EP0474100B1; EP0474100A2; US5243420A; EP0474100A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Bildcodierungsgerät, das dazu in der Lage ist, die Menge von in einem Eingangssignal enthaltener Information zu verringern, und das eine Vorhersagecodierung des Eingangssignals ausführen kann, um ein Signal zu erzeugen, das dazu geeignet ist, ein Bild über eine Kommunikationsleitung zu übertragen. Die Erfindung betrifft auch ein Bilddecodierungsgerät, das das über die Kommunikationsleitung vom Bildcodierungsgerät übertragene Bild wiedergeben kann.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

Entsprechend der Bereitstellung und Verbreitung digitaler Übertragungsnetzwerke in jüngerer Zeit, des Fortschritts bei der Bildverarbeitungstechnik und der Entwicklung digitaler Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitungstechniken ist der Bedarf entstanden, Videokommunikationsdienste als neue Kommunikationsdienste zu realisieren.
Hinsichtlich Videokommunikationsdiensten wurden der Videotelefondienst und der Fernsehkonferenzdienst geschaffen, und diese Dienste nähern sich einer Realisierung mittels eines hochfunktionellen Netzes wie des ISDN (Integrated Services Digital Network). Für Kommunikationsdienste mit höherem Funktionsvermögen befinden sich nun neue Kommunikationsnetze wie B-ISDN (breitbandiges Integrated Services Digital Network) unter aktiven Überlegungen. Auf anderen Gebieten als dem der Kommunikation werden neue Systeme zum wirkungsvollen Behandeln von Bildinformation (Bildmedien) erwartet.
Im allgemeinen enthält Bildinformation derart viel Information, daß ein breitbandiges Übertragungsnetz erforderlich ist, wenn ein Videosignal direkt über eine Kommunikationsleitung übertragen wird, ohne das Videosignal in eine angepaßte Form zu ändern. Demgemäß ist die direkte Übertragung eines Videosignals unrealistisch. Ein Videosignal enthält jedoch redundante Information. Wenn die Redundanz ausgenutzt wird, ist es möglich, die Menge von im Videosignal enthaltener Information zu verringern. Demgemäß werden in großem Umfang Bildcodier(Kompressions)techniken verwendet, um Videosignale wirkungsvoll zu behandeln.
Derartige Bildcodierungssysteme wurden auf dem Kommunikationsgebiet aktiv untersucht, insbesondere die Übertragung von Videosignalen. Davon rühren verschiedene Vorschläge her. Was derartige vorgeschlagene Bildcodierungssysteme betrifft, ist es den Erfindern bekannt, daß eine Inter-Vollbild-Vorhersage mit einem eine orthogonale Transformation aus führenden Bewegungskompensations-Codierungssystem den höchsten Codierungswirkungsgrad erzielen kann und es in jüngerer Zeit häufig verwendet wird.
Fig. 1 zeigt das Prinzip, gemäß dem das mit Inter-Vollbild- Vorhersage und orthogonaler Transformation arbeitende Bewegungskompensations-Codierungssystem arbeitet. Das Eingangsvideosignal enthält Zeitinformation, z. B. Bewegung im Bild sowie räumliche Information zum Inhalt eines Vollbilds. Beide Informationsteile enthalten Redundanz. Dann dient ein Bewegungskompensationsabschnitt 20 mit Inter-Vollbild-Vorhersage dazu, diese Zeitredundanz aus dem Eingangsvideosignal zu entfernen. Das sich ergebende Signal wird an einen Codierungsabschnitt 21 für eine orthogonale Transformation geliefert, in dem die räumliche Redundanz aus dem empfangenen Signal beseitigt wird. Das im Codierabschnitt 21 für orthogonale Transformation codierte Videosignal wird örtlich decodiert und an einen Vollbildspeicher-Abschnitt 22 ausgegeben, in dem das örtlich decodierte Signal eingespeichert wird. Dieses eingespeicherte Signal wird für die Inter-Vollbild-Vorhersage für das nächste Vollbild verwendet. D.h., daß der Bewegungskompensationsabschnitt 20 mit Inter-Vollbild-Vorhersage, der Codierabschnitt 21 für orthogonale Transformation und der Vollbildspeicher-Abschnitt 22 eine Schleife bilden, die als Codierungsschleife bezeichnet wird.
Den Erfindern ist es bekannt, daß ein Bildcodierungsgerät ein Bewegungskompensations-Codierungssystem mit Inter-Vollbild-Vorhersage und orthogonaler Transformation enthält, das mittels der vorangegangenen, bekannten Bewegung arbeitet, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, die aus Fig. 2A und 2B besteht.
Das vorstehend angegebene, bekannte Bildcodierungsgerät enthält einen Bewegungskompensationsabschnitt 23 mit Inter- Vollbild-Vorhersage, einen Vollbildspeicher-Abschnitt 24, einen Differenzoperations-Abschnitt 25, einen DCT-Abschnitt 26, einen Quantisierungsabschnitt 27, einen Codierungssteuerabschnitt 28, einen Entquantisierungsabschnitt 29, einen DCT-Invertierabschnitt 30 und einen Addierer 31.
Diese Komponenten bilden eine Schleife, durch die ein Videosignal in der angegebenen Reihenfolge läuft. Als erstes wird das Eingangsvideosignal an den Bewegungskompensationsabschnitt 23 mit Inter-Vollbild-Vorhersage geliefert, der dazu dient, das Eingangsvideosignal für jedes Vollbild zu codieren. D.h., daß der Bewegungskompensationsabschnitt 23 mit Inter-Vollbild-Vorhersage ein zuvor decodiertes Vollbild aus dem Vollbildspeicher-Abschnitt 24 als Vorhersagewert ausliest. Dann dient der Differenzoperations-Abschnitt 25 dazu, ein vorhergesagtes Abweichungssignal dadurch zu erzeugen, daß er die Differenz zwischen dem Eingangsvollbild und dem aus dem Vollbildspeicher 24 ausgelesenen Vorhersagewert bildet. Das Vorhersageabweichungssignal wird vom Differenzoperations-Abschnitt 25 an den DCT-Abschnitt 26 geliefert, in dem ein DCT(diskrete Cosinustransformation)-Vorgang am Vorhersageabweichungssignal ausgeführt wird, um das Signal in einen DCT-Koeffizient umzusetzen. Die DCT-Operation ist eine Art orthogonale Transformation. Der DCT-Abschnitt 26 liefert einen DCT-Koeffizient an den Quantisierungsabschnitt 27, in dem der DCT-Koeffizient auf ein zweckdienliches Niveau quantisiert wird, d. h., daß die Information komprimiert wird. Der Quantisierungsabschnitt 27 liefert das quantisierte Ausgangssignal unter der Steuerung des Codierungssteuerabschnitts 28 nach außen und an den Entquantisierungsabschnitt 29. Der Entquantisierungsabschnitt 29 dient dazu, eine Entquantisierungsoperation am quantisierten Signal auszuführen, um den DCT-Koeffizient herauszugreifen. Dann wird der DCT- Koeffizient an den DCT-Invertierabschnitt 30 geliefert, in dem die inverse DCT-Operation am DCT-Koeffizient ausgeführt wird, um den DCT-Koeffizient in das Vorhersageabweichungssignal umzusetzen. Das Vorhersageabweichungssignal wird im Addierer 31 zu der aus dem Vollbildspeicher-Abschnitt 24 ausgelesenen Vorhersageabweichung addiert. Dann wird das Additionsergebnis in den Vollbildspeicher-Abschnitt 24 eingespeichert und für die Inter-Vollbild-Vorhersage für das nächste Vollbild verwendet.
Das vorstehend angegebene bekannte Bildcodierungsgerät ist so ausgebildet, daß es den DCT-Koeffizient bei einer Abweichungstoleranz quantisiert, die zum Zweck einer Verringerung der Informationsmenge zweckdienlich ist. Demgemäß werden das Ausmaß codierter Ausgangssignale und die Qualität des codierten Bilds abhängig von der Änderung der Quantisierungsschrittgröße gesteuert. Die Quantisierungsschrittgröße wird entsprechend dem gewünschten Umfang des Codierungsausgangssignals eingestellt.
Wie vorstehend beschrieben, ist das oben angegebene Bildcodierungsgerät so ausgebildet, daß es den DCT-Koeffizient mit bestimmter Abweichungstoleranz quantisiert, um die Informationsmenge zu verringern. Dies bedeutet, daß eine Qualitätsbeeinträchtigung des codierten Bilds vom Quantisierungsfehler herrührt. Ferner dienen der Entquantisierungsabschnitt 29 und der DCT-Invertierabschnitt 30 dazu, die Entquantisierungsoperation und die inverse DCT-Operation für das komplette codierte Ausgangssignal auszuführen, um das örtlich decodierte Signal an die Codierschleife zurückzuführen.
Demgemäß muß, wenn das vorstehend angegebene Bildcodierungsgerät zur Bildübertragung verwendet wird, das codierte Ausgangssignal am Zielort empfangen werden. Wenn jedoch Information auf der Kommunikationsleitung verloren geht, tritt Fehlanpassung zwischen dem örtlich decodierten Ausgangssignal und dem am Ziel decodierten Ausgangssignal auf. Dies führt zu einer Fehlfunktion der Inter-Vollbild-Vorhersagecodierung, was die Qualität des decodierten Bilds merklich verschlechtert.
Ferner kann das oben angegebene Bildcodierungsgerät keine korrekte Anpassung an eine Änderung der im Eingangsvideosignal enthaltenen Informationsmenge ausführen. D.h., daß dann, wenn das eingegebene Bild eine sich plötzlich ändernde Bewegung enthält, die Menge an im Videosignal enthaltener Information so plötzlich ansteigt, daß der Codierungswirkungsgrad verringert ist, was die Qualität des codierten Bilds verschlechtert. So ist es schwierig, die Qualität des codierten Bilds konstant zu halten.
Ein bekanntes Bildcodierungsgerät (IEEE Journal on Selected Areas in Communication, Vol. 7, N. 5, Mai 1989; F. Kishino et al.: "Variable bit rate coding of video signals for ATM Networks") verwendet eine geschichtete Codierungstechnik unter Verwendung diskreter Cosinustransformationen. Jedes Vollbild in einem Videosignal wird vom in einem Vollbildspeicher abgespeicherten vorigen Vollbild subtrahiert. Das subtrahierte Bild wird in Blöcke unterteilt und jeder Block wird einer diskreten Cosinustransformation unterzogen. So werden Koeffizienten aus der diskreten Cosinustransformation für jeden Block erhalten. Dieses Bildcodierungsgerät unterteilt die Koeffizienten in höchstsignifikante (MSP) und geringstsignifikante Teile (LSP), und die MSP-Pakete haben Priorität gegenüber den LSP-Paketen. Demgemäß hat ein Paketverlust nur kleinen Einfluß auf die Bildqualität.
In einer früheren Anmeldung (WO 91/05439; veröffentlicht am 18. April 1991) ist ein Bildverarbeitungssystem dargestellt. Dort wird ein Bildsignal in einem Codierer für diskrete Cosinustransformation (DCT) transformationscodiert und die so erzeugten Ausgangskoeffizienten werden in einem Zonencodierer codiert. Das Ausgangssignal des Zonencodierers wird invers-codiert und von den Koeffizienten des DCT-Codierers abgezogen. Die sich ergebende Abweichung wird in einem Entropiecodierer codiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, ein Bildcodierungsgerät zu schaffen, das die Qualität eines codierten Bilds selbst dann hervorragend aufrecht erhalten kann, wenn ein Teil der Information auf einer Kommunikationsleitung verlorengeht, und das die Qualität des codierten Bilds selbst dann stabil halten kann, wenn die Informationsmenge im Eingangsvideosignal plötzlich ansteigt.
Die erste Aufgabe der Erfindung kann durch das durch die Merkmale von Anspruch 1 definierte Bildcodierungsgerät gelöst werden.
Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Im Betrieb dient die Vorhersagecodierungseinheit zu einer Vorhersagecodierung eines Videosignals für jedes Vollbild auf Grundlage des Eingangsvideosignals und des Videosignals des vorigen Vollbilds, wie aus der Vollbildspeichereinheit ausgelesen, und es erstellt ein Vorhersageabweichungssignal. Das Vorhersageabweichungssignal wird in der Einheit für orthogonale Transformation einer orthogonalen Transformation unterzogen, um Transformationskoeffizienten zu erhalten. Die sich ergebenden Transformationskoeffizienten werden in der Quantisierungseinheit quantisiert. Das Quantisierungsniveau wird von der Codierungssteuereinheit gesteuert, wenn die Transformationskoeffizienten quantisiert werden.
Die Quantisierungseinheit liefert das quantisierte Ausgangssignal als codiertes Ausgangssignal sowohl zur Außenseite des Geräts als auch zur Entquantisierungseinheit. Die Entquantisierungseinheit dient dazu, die Transformationskoeffizienten zu entquantisieren und die sich ergebenden Transformationskoeffizienten an die Einheit für inverse orthogonale Transformation zu liefern, in der an den entquantisierten Transformationskoeffizienten eine inverse orthogonale Transformation ausgeführt wird, um das Videosignal wiederherzustellen. Das wiederhergestellte Videosignal wird in die Vollbildspeichereinheit eingespeichert und zur Vorhersage des nächsten Vollbilds verwendet.
Die von der Quantisierungseinheit gelieferte quantisierte Abweichung wird andererseits an die Abweichungsquantisierungseinheit geliefert. In der Abweichungsquantisierungseinheit wird die quantisierte Abweichung abhängig vom durch die Abweichungscodierungs-Steuereinheit gesteuerten Quantisierungsniveau neu quantisiert.
Wie vorstehend angegeben, stellt das erfindungsgemäße Bildcodierungsgerät in der auf die Quantisierungseinheit folgenden Stufe eine Abweichungsquantisierungseinheit bereit, um die Quantisierungsabweichung in der Quantisierungseinheit weiter zu quantisieren. Das Ausgangssignal der Abweichungsquantisierungseinheit wird nicht als Zusatzinformation örtlich decodiert (nicht in die Codierungsschleife zurückgeliefert). Infolgedessen wird das Codierungsausgangssignal in zwei Hierarchien unterteilt, d. h. in das an die Schleife gelieferte Ausgangssignal der Quantisierungseinheit und in das Ausgangssignal der Abweichungsquantisierungseinheit.
Wenn die Zunahme der im Eingangsvideosignal enthaltenen Informationsmenge zu einer Verschlechterung der Qualität des Bilds in der Codierungsschleife führt, hält die Quantisierung der Abweichung die gewünschte Qualität aufrecht. Wenn dagegen das Bildcodierungsgerät auf Bildübertragung angewandt wird, wird das quantisierte Ausgangssignal in der Schleife an das Übertragungsnetz übertragen, in dem die Information nicht verlorengehen sollte. Wenn Information doch verlorengeht, geht nur das quantisierte Abweichungs-Ausgangssignal verloren. Demgemäß hat der Informationsverlust keinen Einfluß auf die Inter-Vollbild-Vorhersage der Codierungsschleife, was zu einem Herunterdrücken einer Beeinträchtigung der Qualität des codierten Bilds auf das Minimum führt. Das vorliegende Bildcodierungsgerät kann Bildinformation wirkungsvoller und in weitem Umfang behandeln, so daß das Gerät einen Beitrag zu einem auf hohem Niveau arbeitenden Bildübertragungssystem liefert.
Vorzugsweise enthält das Gerät ferner eine Vorhersagecodierungseinheit zum Codieren eines Signals mit jedem Vollbild und zum Ausgeben eines Vorhersageabweichungssignals, sowie eine Übertragungseinheit, die mit der Vorhersagecodierungseinheit verbunden und an die Quantisierungseinheit zum orthogonalen Transformieren des von der Vorhersagecodierungseinheit ausgegebenen Vorhersageabweichungssignals angeschlossen ist.
Bevorzugter enthält das Gerät ferner eine mit der Quantisierungseinheit verbundene Entquantisierungseinheit, um das von der Quantisierungseinheit ausgegebene quantisierte Ausgangssignal zu entquantisieren, sowie eine Einheit für inverse orthogonale Transformation, die mit der Entquantisierungseinheit verbunden ist, um eine inverse orthogonale Transformation der durch die Entquantisierungseinheit entquantisierten Transformationskoeffizienten auszuführen, um das Eingangssignal wiederzugeben, sowie eine Vollbildspeicher-Einheit, die mit der Einheit für inverse orthogonale Transformation verbunden und an die Vorhersagecodierungseinheit angeschlossen ist, um das von der Einheit für inverse orthogonale Transformation gelieferte Signal zu speichern und um das eingespeicherte Signal auszugeben, damit das eingespeicherte Signal zum Ausführen der Vorhersagecodierung für das nächste Vollbild verwendet wird.
Ferner ist die Vorhersagecodierungseinheit vorzugsweise so ausgebildet, daß sie ein Signal mit jedem Vollbild auf Grundlage des Eingangssignals und des in der Vollbildspeicher-Einheit abgespeicherten Signals ausführt, um die Vorhersagecodierung für das nächste Vollbild auszuführen.
Die Vorhersagecodierungseinheit, die Transformationseinheit, die Quantisierungseinheit, die Entquantisierungseinheit, die Einheit für inverse Transformation und die Vollbildspeicher- Einheit bilden vorzugsweise eine Codierungsschleife zum Ausführen der Vorhersagecodierung von Eingangssignalen auf sequentielle Weise.
Das Gerät enthält ferner vorzugsweise eine Differenzoperations-Einheit, die mit der Transformationseinheit verbunden ist, um die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem von der Vollbildspeicher-Einheit ausgegebenen abgespeicherten Signal zu bilden.
Vorzugsweise enthält das Gerät ferner einen Addierer, der sowohl mit der Einheit für inverse Transformation als auch der Vollbildspeicher-Einheit verbunden ist, um das von der Einheit für inverse Transformation ausgegebene Wiedergabesignal zum in der Vollbildspeicher-Einheit abgespeicherten Signal zu addieren.
Bevorzugter ist das Eingangssignal ein Videosignal.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung deutlich, wie es in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, daß das Prinzip eines Bewegungskompensationssystems mit Inter-Vollbild-Vorhersage und orthogonaler Transformation veranschaulicht, wie es den Erfindern bekannt ist;
Fig. 2, die aus Fig. 2A und 2B besteht, ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines den Erfindern bekannten Bildcodierungsgeräts zeigt;
Fig. 3, die aus Fig. 3A und 3B besteht, ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Anordnung eines Bildcodierungsgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Bildcodierungssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 5, die aus Fig. 5A und 5B besteht, ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des im Ausführungsbeispiel der Erfindung enthaltenen Abweichungscodierungs-Steuerabschnitts veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Codierungssteuerabschnitts unter der Annahme veranschaulicht, daß das Codierungsausgangssignal unverändert ist;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die den weiteren Quantisierungsprozeß einer quantisierten Abweichung beim Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das die Änderung des Umfangs des codierten Ausgangssignals beim Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Empfangsseite des erfindungsgemäßen Bildcodierungsgeräts zeigt; und
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb der in Fig. 8 dargestellten Empfangsseite des Bildcodierungsgeräts veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird in den folgenden Abschnitten ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bildcodierungsgeräts beschrieben.
Fig. 3, die aus Fig. 3A und 3B besteht, ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Bildcodierungsgeräts zeigt. Wie dargestellt, enthält das Bildcodierungsgerät einen Vollbildspeicher 32, einen Bewegungskompensationsabschnitt 33 mit Inter-Vollbild-Vorhersage, einen Differenzoperations-Abschnitt 34, einen DCT-Abschnitt 35, einen Quantisierungsabschnitt 36, einen Codierungssteuerabschnitt 37, einen Abweichungsquantisierungsabschnitt 38, einen Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39, einen Entquantisierungsabschnitt 40, einen DCT-Invertierabschnitt 41 und einen Addierer 42.
An den Differenzoperations-Abschnitt 34 und den Bewegungskompensationsabschnitt 33 mit Inter-Vollbild-Vorhersage (nachfolgend als Vorhersageabschnitt bezeichnet) 33 wird ein Eingangsvideosignal gegeben. Der Vorhersageabschnitt 33 dient dazu, zwischen jedem Vollbild im Eingangsvideosignal und dem Vollbild im Vollbildspeicher-Abschnitt 32 eine Vorhersage mit Bewegungskompensation auszuführen. Der Differenzoperations-Abschnitt 34 liest den Vorhersagewert aus dem Vollbildspeicher-Abschnitt 32 und bildet die Differenz zwischen dem Eingangsvideosignal und dem Vorhersagewert, um ein Vorhersageabweichungssignal zu bilden. Das Vorhersageabweichungssignal wird vom Differenzoperations-Abschnitt 34 an den DCT-Abschnitt 35 gegeben. Der DCT-Abschnitt 35 dient dazu, am Vorhersageabweichungssignal eine DCT-Operation (diskrete Cosinustransformation) auszuführen und die sich ergebenden DCT-Koeffizienten zu liefern. Die DCT-Operation ist eine Art orthogonaler Transformation. Die DCT-Koeffizienten werden an den Quantisierungsabschnitt 36 gegeben, in dem sie auf zweckdienliches Niveau (Quantisierungsschrittgröße) quantisiert werden, d. h., daß die Informationsmenge komprimiert wird. Der Quantisierungsabschnitt 36 gibt das quantisierte Ausgangssignal an den Entquantisierungsabschnitt 40, und er gibt eine Quantisierungsabweichung an den Abweichungsquantisierungsabschnitt 38. Der Entquantisierungsabschnitt 40 dient zum Entquantisieren des quantisierten Ausgangssignals, um den DCT-Koeffizient zu liefern. Der DCT-Koeffizient wird an den DCT-Invertierabschnitt 41 gegeben, in dem hinsichtlich des DCT-Koeffizienten die inverse DCT-Operation ausgeführt wird. Der DCT-Invertierabschnitt 41 gibt das Videosignal aus dem DCT-Koeffizient wieder. Das Videosignal wird an den Addierer 42 gegeben, in dem der aus dem Vollbildspeicher-Abschnitt 32 ausgelesene Vorhersagewert zum Videosignal addiert wird. Das Additionsergebnis wird in den Vollbildspeicher-Abschnitt 32 eingespeichert, um zur Inter- Vollbild-Vorhersage für das nächste Eingangsvollbild verwendet zu werden. Wie vorstehend beschrieben und wie in Fig. 3 veranschaulicht, durchläuft das Eingangsvideosignal eine Schleife (Codierungsschleife), die aus dem Vorhersageabschnitt 33, dem Differenzoperations-Abschnitt 34, dem DCT- Abschnitt 35, dem Quantisierungsabschnitt 36, dem Entquantisierungsabschnitt 40, dem DCT-Invertierabschnitt 41, dem Addierer 42 und dem Vollbildspeicher-Abschnitt 42 besteht.
Der Quantisierungsabschnitt 36 dient dazu, den DCT-Koeffizient bei zweckdienlicher Abweichungstoleranz zum Zweck einer Verringerung der Informationsmenge zu quantisieren. Die Steuerung des Umfangs des codierten Ausgangssignals und der Qualität des codierten Bilds hängt von der Quantisierungsschrittgröße im Quantisierungsschritt 36 ab. Die Quantisierungsschrittgröße wird in einem Codierungssteuerabschnitt 37 entsprechend dem Sollwert wie dem Umfang des codierten Ausgangssignals bestimmt. Der Codierungssteuerabschnitt 37 teilt dem Quantisierungsabschnitt 36 die Quantisierungsschrittgröße mit.
Wie vorstehend beschrieben, liefert der Quantisierungsabschnitt 36 die quantisierte Abweichung an den Abweichungsquantisierungsabschnitt 38. Der Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 wird durch einen Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 gesteuert. Im Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 wird die quantisierte Abweichung auf Grundlage einer zweckdienlichen Quantisierungsschrittgröße quantisiert. Die zweckdienliche Quantisierungsschrittgröße ist kleiner als die Quantisierungsschrittgröße, die im Quantisierungsabschnitt 36 verwendet wird.
Die Quantisierungsschrittgröße wird durch den Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 angegeben. D.h., daß der Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 unabhängig vom Quantisierungsabschnitt 36 gesteuert wird, der Teil der Codierungsschleife ist.
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des erfindungsgemäßen Bildcodierungsgeräts veranschaulicht.
In das Bildcodierungsgerät wird ein Videosignal eingegeben (Schritt S1). Zwischen dem Videosignal und dem als voriges Vollbild decodierten Videosignal wird eine Bewegungskompensation ausgeführt (Schritt S2). In einem Schritt S3 wird die Differenz zwischen dem als Ergebnis der Bewegungskompensation erhaltenen Videosignal und dem Eingangsvideosignal gebildet. Dann wird an der Differenz, d. h. am Vorhersageabweichungssignal eine DCT-Operation ausgeführt, um das Vorhersageabweichungssignal in einen DCT-Koeffizient umzuwandeln (Schritt S4). Dann wird der DCT-Koeffizient quantisiert (Schritt S5). Das quantisierte Ausgangssignal wird als Codierungsergebnis nach außen geliefert (Schritt S9). Zwischen dem DCT-Koeffizient und dem quantisierten Ausgangssignal wird die Differenz gebildet (Schritt S6), um eine Quantisierungsabweichung herzuleiten (Schritt S7). Die Differenz wird erneut quantisiert, um die Quantisierungsabweichung zu erzeugen (Schritt S8). Andererseits wird das quantisierte Ausgangssignal entquantisiert (Schritt S10), um den DCT-Koeffizient herzuleiten. Der sich ergebende DCT-Koeffizient wird auf Grundlage der inversen DCT-Operation als Videosignal wiedergegeben (Schritt S11). Dann wird das Videosignal zum Vorhersagewert addiert (Schritt S12) und das Additionsergebnis wird in den Vollbildspeicher eingespeichert (Schritt S13).
Fig. 5, die aus Fig. 5A und 5B besteht, ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des in Fig. 5 dargestellten Abweichungscodierungs-Steuerabschnitts 39 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird die Beschreibung auf den Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 gerichtet, der so arbeitet, daß er Qualitätsschwankungen des codierten Bilds unterdrückt.
Um die Bildqualität konstant zu halten, ist es wohlbekannt, daß die Quantisierungsschrittgröße auf einen vorgegebenen Wert fixiert wird. Jedoch hängt die Beziehung zwischen der gewünschten Bildqualität und dem Umfang des Codierungsausgangssignals und der Quantisierungsschrittgröße von der Art und Natur des Eingangsvideosignals ab. Demgemäß ist es unmöglich, vorab die geeignete Quantisierungsschrittgröße zu bestimmen.
Tatsächlich ist es erforderlich, die Quantisierungsschrittgröße unter Überprüfung des Codierungszustands einzustellen. Zu diesem Zweck wird in Betracht gezogen, daß die Codierungszustände über eine ausreichend lange Zeit auf summiert werden, damit der Mittelwert näher beim Sollwert liegen kann. Dies führt dazu, daß eine örtliche Schwankung der Informationsmenge zugelassen ist und der Sollwert als Gesamtheit erzielt wird. Der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 dient zum Überwachen des Codierungszustands, insbesondere des Codierungsumfangs des hinsichtlich der Abweichung quantisierten Ausgangssignals jedes Vollbilds (Schritte S21 und S22). Der Codierungsumfang des hinsichtlich der Abweichung quantisierten Ausgangssignals wird für jedes Vollbild aufsummiert (Schritt S23) und gemittelt (Schritt S24). Dann wird bestimmt, ob der mittlere Codierungsumfang größer als der Sollcodierungsumfang ist oder nicht (Schritt S25). Falls ja, wird die Quantisierungsschrittgröße größer gemacht (Schritt S28). Falls nein, wird die Quantisierungsschrittgröße kleiner gemacht (Schritt S26). Wenn beide Werte gleich sind, wird die Quantisierungsschrittgröße auf demselben Wert aufrecht erhalten (Schritt S27). Die erhaltene Quantisierungsschrittgröße wird mit der im Codierungssteuerabschnitt 37 vorgegebenen Quantisierungsschrittgröße verglichen (Schritt S29), wobei die erstere kleiner als die letztere sein sollte (Schritt S30). Wenn die erstere größer als die letztere ist, wird die Abweichungsquantisierung bedeutungslos. Dann gibt der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 die geeignete Quantisierungsschrittgröße aus. Grundsätzlich wird der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 unabhängig vom Codierungssteuerabschnitt 37 betrieben, so daß der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 die Quantisierungsschrittgröße für den Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 definiert und der Codierungssteuerabschnitt 37 die Quantisierungsschrittgröße für den Quantisierungsabschnitt 36 definiert.
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Codierungssteuerabschnitts 37 zum Konstanthalten des Umfangs des Ausgangscodes veranschaulicht. Wie dargestellt, liest der Codierungssteuerabschnitt 37 den Codeumfang im quantisierten Ausgangssignal (Schritt S42) und vergleicht den Istwert direkt mit dem Sollwert (Schritt S43). Abhängig vom Vergleichsergebnis (Schritt S44 bis S46) wird die Quantisierungsschrittgröße definiert (Schritt S47).
Fig. 7 veranschaulicht ein Verfahren zum Quantisieren einer Quantisierungsabweichung. Wenn das Eingangssignal im Quantisierungsabschnitt 36 mit geeignetem Quantisierungsniveau quantisiert wird, enthält das quantisierte Ausgangssignal eine Abweichung. So wird die quantisierte Abweichung herausgegriffen und mit einem kleineren Quantisierungsniveau als dem vorigen Niveau weiter quantisiert. Dies, weil das zusammengesetzte Ausgangssignal aus dem ursprünglich quantisierten Ausgangssignal und der quantisierten Abweichung eine kleinere Differenz zum ursprünglichen Eingangssignal als das quantisierte Ausgangssignal ohne jede Quantisierungsabweichung hat.
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das die Änderung des Codierungsumfangs des Ausgangssignals zeigt. In Fig. 8 dient der Codierungssteuerabschnitt 37 dazu, den Codeumfang im Ausgangssignal konstant zu halten, und der Abweichungscodierungs- Steuerabschnitt 39 dient dazu, die Bildqualität konstant zu halten, was unabhängig vom Codierungssteuerabschnitt 37 erfolgt. Es sei angenommen, daß die Informationsmenge im n-ten zu codierenden Vollbild plötzlich zunimmt. Die Menge an Ausgangsinformation (Umfang an Ausgangscodes) im Quantisierungsabschnitt 36 folgt der Zunahme der Menge an Eingangsinformation nicht, was zu einer Verschlechterung der Qualität des codierten Bilds führt, wie es mit der durchgezogenen Linie in Fig. 8 dargestellt ist. Dies, da die Differenz zwischen der Menge an Eingangsinformation und dem Umfang an Ausgangscodes im Quantisierungsabschnitt 36 zu einer Quantisierungsabweichung wird. Demgemäß trägt, wenn die Menge an Informationsausgangssignalen aus dem Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 zunimmt, das Ausgangssignal des Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 dazu bei, eine Beeinträchtigung der Qualität des codierten Bilds zu verhindern, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 8 dargestellt ist, was hinsichtlich einer Gesamtbetrachtung gilt (Ausgangssignal vom Quantisierungsabschnitt 36 + Ausgangssignal vom Abweichungsquantisierungsabschnitt 38).
Nun wird die Beschreibung auf den Betrieb des Bildcodierungsgeräts unter der Annahme gerichtet, daß die Menge von im Eingangsvideosignal enthaltener Information aufgrund z. B. einer im Videosignal entstandenen plötzlichen Bewegung zunimmt. Gemäß dieser Annahme dient der Codierungssteuerabschnitt 37 dazu, einen Anstieg des Codierungsumfangs zu unterdrücken, da der Umfang an Ausgangscodes erhöht wird, wenn das Bildcodierungsgerät das Videosignal weiterhin mit denselben Codierungsbedingungen codiert. D.h., daß der Codierungssteuerabschnitt 37 dem Quantisierungsabschnitt 36 eine größere Quantisierungsschrittgröße angibt, um die Informationsmenge zu verringern. Demgemäß führt dies, da die Quantisierungsabweichung im Quantisierungsabschnitt 36 ansteigt, zu einer Beeinträchtigung der Qualität des codierten Bilds im quantisierten Ausgangssignal des Quantisierungsabschnitts 36.
Jedoch dient der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 dazu, die Bildqualität unabhängig vom Codierungssteuerabschnitt 37 konstant zu halten. Demgemäß hält der Abweichungscodierungs-Steuerabschnitt 39 die dem Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 mitzuteilende Quantisierungsschrittgröße aufrecht. Die erhöhte Quantisierungsabweichung wird im Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 erneut quantisiert, so daß der Umfang der Ausgangscodes vom Abweichungsquantisierungsabschnitt 38 ansteigt. Der Anstieg kompensiert die Beeinträchtigung der Bildqualität am Ausgang des Quantisierungsabschnitts 36, was dazu führt, daß die Qualität des codierten Bilds insgesamt gesehen konstant bleibt.
Nun wird die Beschreibung auf ein Bildcodierungsgerät gerichtet, das bei einem Übertragungsnetz verwendet wird, in dem Information verlorengehen kann. Die im Bildcodierungsgerät codierte Information kann in zwei hierarchische Ausgangssignale unterteilt werden, d. h. das Ausgangssignal des Quantisierungsabschnitts 36 und das Ausgangssignal des Abweichungsquantisierungsabschnitts 38. Wenn angenommen wird, daß dem Ausgangssignal des Quantisierungsabschnitts 36 beim Übertragen der Daten höhere Priorität verliehen wird, - geht dann, wenn Information verlorengeht, das Ausgangssignal des Abweichungsquantisierungsabschnitts 38, das geringere Priorität hat, selektiv verloren. Dies führt zu einer Beseitigung an Informationsverlust, wie er im örtlich decodierten Ausgangssignal auftritt, d. h. bei der Inter-Vollbild-Vorhersage.
Daher kann, wenn Information verlorengeht, das vorliegende Bildcodierungsgerät gewährleisten, daß die Qualität des codierten Bilds auf demjenigen minimalen Niveau erhalten bleibt, das gewährleistet ist, wenn das vorstehend angegebene bekannte Bildcodierungsgerät bei einem Übertragungsnetz verwendet wird, in dem keine Information verlorengeht.
Nun wird die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 auf die Empfangsseite des Bildcodierungsgeräts gerichtet.
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm mit einem Ausführungsbeispiel eines Bilddecodierungsgeräts als Empfangsseite des Bildcodierungsgeräts.
Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, enthält das Bilddecodierungsgerät einen Abweichungsentquantisierungsabschnitt 44, einen DCT-Invertierabschnitt 45, einen Abweichungs-DCT-Invertierabschnitt 46, einen Bewegungskompensationsabschnitt 47, einen Vollbildspeicher 48, einen Addierer 49 und einen Addierer 50.
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des in Fig. 9 dargestellten Bilddecodierungsgeräts veranschaulicht.
Wie in Fig. 9 dargestellt, empfängt das Bilddecodierungsgerät das codierte Signal und das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal, die dem quantisierten Ausgangssignal bzw. dem quantisierten Abweichungsausgangssignal entsprechen. Das codierte Signal wird in den Entquantisierungsabschnitt 44 eingegeben, und das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal wird in den Abweichungsentquantisierungsabschnitt 43 eingegeben. Der Entquantisierungsabschnitt 44 dient zum Entquantisieren des codierten Signals und zum Liefern eines DCT-Koeffizienten an den DCT-Invertierabschnitt 45, in dem die inverse DCT-Operation für den DCT-Koeffizient ausgeführt wird. Ähnlich wie auf der Sendeseite liest der Bewegungskompensationsabschnitt 47 aus dem Vollbildspeicher 48 das für das vorige Vollbild decodierte Vollbild als Vorhersagewert aus. Der Addierer 49 dient dazu, den Vorhersagewert zum Ausgangssignal des DCT-Invertierabschnitts 45 zu addieren, um ein Videosignal wiederherzustellen. Das Videosignal wird in den Vollbildspeicher-Abschnitt 48 eingespeichert und als Vorhersagewert zum Decodieren des nächsten Vollbilds verwendet. Andererseits dient der Abweichungsentquantisierungsabschnitt 43 dazu, das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal zu entquantisieren und das entquantisierte Ausgangssignal an den Abweichungs-DCT-Invertierabschnitt 46 auszugeben, in dem hinsichtlich des entquantisierten Ausgangssignals die inverse DCT-Operation ausgeführt wird, um ein Videosignal wiederzugeben. Der Abweichungs-DCT-Invertierabschnitt 46 liefert das Videosignal an den Addierer 50, in dem das Videosignal vom Addierer 49 zum vom Abweichungs-DCT- Invertierabschnitt 46 wiedergegebenen Videosignal addiert wird. Das Additionsergebnis wird als endgültiges Wiedergabe- Videosignal ausgegeben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird im folgenden der Betrieb des Bilddecodierungsgeräts auf der Empfangsseite beschrieben.
Als erstes werden das eingegebene, hinsichtlich der Abweichung codierte Signal und das codierte Signal eingegeben (Schritte S56 und S51) und entquantisiert (Schritte S57 und S52). Die Entquantisierungsergebnisse, d. h. die DCT-Koeffizienten, werden jeweils einer inversen Transformation in die ursprünglichen Videosignale unterzogen (Schritte S58 und S54). Andererseits wird derselbe Abschnitt wie das als Ergebnis der Bewegungskompensation auf der Sendeseite erhaltene Videosignal als Vorhersagewert aus dem decodierten Videosignal gelesen und für ein voriges Vollbild abgespeichert (Schritt S53). Die die Leseposition (Bewegungsvektor) anzeigende Information wird als Seiteninformation von der Sendeseite an die Empfangsseite übertragen. Dann wird der Vorhersagewert zum Ausgangssignal der inversen DCT-Operation addiert, d. h. zum wiedergegebenen Vorhersageabweichungssignal (Schritt S55), um das Videosignal wiederherzustellen. Das wiederhergestellte Videosignal wird in den Vollbildspeicher 48 eingespeichert (Schritt S60), um es zum Decodieren des nächsten Vollbilds zu verwenden. Das Videosignal wird zu demjenigen Videosignal addiert, das durch die inverse DCT- Operation erhalten wurde, die am hinsichtlich der Abweichung codierten Signal ausgeführt wurde. Das Additionsergebnis wird als Wiedergabe-Bildsignal nach außen ausgegeben.
Wenn das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal nicht verwendet wird, führt dies zur selben Anordnung wie beim bekannten Bildcodierungsgerät, so daß die Empfangsseite das von einem bekannten Bildcodierungsgerät ges endete Signal empfangen und decodieren kann. Die Toleranz hinsichtlich des Verlusts von Information im Übertragungsnetz, wie für die Sendeseite beschrieben, gilt auch für die Empfangsseite. Das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal wird nicht für die Zwischen-Vollbild-Vorhersage verwendet, so daß es dann frei behandelt werden kann, wenn der Decodierprozeß für das Signal ausgeführt wird. Das hinsichtlich der Abweichung codierte Signal ist zum Verbessern der Qualität des Bilds auf der Empfangsseite wirkungsvoll.

Claims

1. Bildcodierungsgerät mit:

- einer Einrichtung (32, 33, 34, 42) zum Vorhersagen eines Eingangsbildsignals und zum Ausgeben eines Vorhersageabweichungssignals;

- einer Transformationseinrichtung (35) zum Transformieren des Vorhersageabweichungssignals und zum Ausgeben von Transformationskoeffizienten;

- einer Quantisierungseinrichtung (36) zum Quantisieren der Transformationskoeffizienten und zum Ausgeben eines quantisierten Ausgangssignals und eines Quantisierungsabweichungssignals, wobei das quantisierte Ausgangssignal von der Einrichtung (32, 33, 34, 42) zum Voraussagen eines Eingangsbildsignals und zum Ausgeben eines Vorhersageabweichungssignals verwendet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ferner folgendes aufweist:

- eine Codierungssteuereinrichtung (37), die mit der Quantisierungseinrichtung (36) verbunden ist, um eine erste Quantisierungsschrittgröße zu steuern, wie sie in der Quantisierungseinrichtung (36) zum Quantisieren der Transformationskoeffizienten verwendet wird, und um den Umfang quantisierter Ausgangscodes durch Vergleichen dieses Umfangs mit einem Sollwert konstant zu halten; und

- eine Abweichungsquantisierungseinrichtung (38), die mit der Quantisierungseinrichtung (36) verbunden ist, um das Quantisierungsabweichungssignal zu quantisieren; und

- eine Abweichungscodierungs-Steuereinrichtung (39), die mit der Abweichungsquantisierungseinrichtung (38) verbunden ist, um eine zweite Quantisierungsschrittgröße, wie sie in der Abweichungsquantisierungseinrichtung (38) zum Quantisieren des Quantisierungsabweichungssignals verwendet wird, und um die Qualität des codierten Bilds dadurch konstant zu halten, daß sie den mittleren Umfang der Quantisierungsabweichungscodes mit einem Sollumfang vergleicht.

2. Bildcodierungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Transformationseinrichtung (35) eine Einrichtung für orthogonale Transformation zum orthogonalen Transformieren des Vorhersageabweichungssignals und zum Ausgeben von Transformationskoeffizienten ist.

3. Bildcodierungsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das ferner eine Vorhersagecodierungseinrichtung (33) zum Codieren eines Signals mit jedem Vollbild und zum Ausgeben eines Vorhersageabweichungssignals sowie eine mit dieser Vorhersagecodierungseinrichtung (33) verbundene Transformationseinrichtung (35) aufweist, die mit der Quantisierungseinrichtung (36) verbunden ist, um das von der Vorhersagecodierungseinrichtung (33) ausgegebene Vorhersageabweichungssignal orthogonal zu transformieren.

4. Bildcodierungsgerät nach Anspruch 3, das ferner eine Entquantisierungseinrichtung (40), die mit der Quantisierungseinrichtung verbunden ist, um das von dieser Quantisierungseinrichtung (40) ausgegebene Quantisierungsausgangssignal zu entquantisieren, und eine Einrichtung (41) für inverse orthogonale Transformation aufweist, die mit der Entquantisierungseinrichtung (40) verbunden ist, um eine inverse orthogonale Transformation an den durch die Entquantisierungseinrichtung (40) entquantisierten Transformationskoeffizienten auszuführen, um das Eingangssignal zu erzeugen, und mit einer mit der Einrichtung (41) für inverse orthogonale Transformation verbundenen Vollbild-Speichereinrichtung (32), die an die Vorhersagecodierungseinrichtung (33) angeschlossen ist, um das von der Einrichtung (41) für inverse orthogonale Transformation zugeführte Signal einzuspeichern und um dieses eingespeicherte Signal so auszugeben, daß dieses eingespeicherte Signal zum Ausführen einer Vorhersagecodierung für ein nächstes Vollbild verwendet wird.

5. Bildcodierungsgerät nach Anspruch 4, bei dem die Vorhersagecodierungseinrichtung (33) so ausgebildet ist, daß sie ein Signal für jedes Vollbild auf Grundlage des Eingangssignals und des in der Vollbild-Speichereinrichtung (32) abgespeicherten Signals codiert, um die Vorhersagecodierung für das nächste Vollbild auszuführen.

6. Bildcodierungsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Vorhersagecodierungseinrichtung (33), die Transformationseinrichtung (35), die Quantisierungseinrichtung (36), die Entquantisierungseinrichtung (40), die Einrichtung (41) für inverse Transformation und die Vollbild-Speichereinrichtung (32) eine Codierungsschleife zum sequentiellen Ausführen der Vorhersagecodierung für Eingangssignale bilden.

7. Bildcodierungsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das ferner eine mit der Transformationseinrichtung (35) verbundene Differenzoperationseinrichtung (34) aufweist, um die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem von der Vollbild-Speichereinrichtung (32) ausgegebenen Speichersignal zu bilden.

8. Bildcodierungsgerät nach Anspruch 7, das ferner einen sowohl mit der Einrichtung (41) für inverse Transformation als auch der Vollbild-Speichereinrichtung (32) verbundenen Addierer (42) aufweist, um das von der Einrichtung (41) für inverse Transformation ausgegebene, wiedergewonnene Signal zum in der Vollbild-Speichereinrichtung (32) gespeicherten Signal zu addieren.

9. Bildcodiergerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Eingangssignal ein Videosignal ist.