DE69233726T2

DE69233726T2 - Verfahren und System zum Anpassen des Auffrischungszyklus an die Komplexität des Bildes

Info

Publication number: DE69233726T2
Application number: DE69233726T
Authority: DE
Inventors: Marco Modena; Tullio Roncatti
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1992-12-05
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2012-12-06
Also published as: EP0547460A1; IT1252546B; EP0547460B1; ITMI913401A0; DE69233726D1; ITMI913401A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffrischen in Redundanzreduzierungs-Übertragungssystemen für digitale Fernsehsignale. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Codierungssystem zur Durchführung des Auffrischungsverfahrens.
Die vorliegenden Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber IT-A-1252546 (Italienische Patentanmeldung N. M191A003401), die dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Unterbrechung der prädiktiven Codierung eine Intrafield-Codierung mit ungeraden Feldern verwendet wird und dass eine Interfield- oder eine Intrafield-Codierung auf das nächste gerade Feld in Nr aufeinander folgenden, in den beiden Feldern angeordneten Streifen durchgeführt wird.
Wie in der Anmeldung mit Priorität beschrieben, können korrelierende digitale Signale effizient übertragen werden, wenn die Korrelation zur Reduzierung der zu sendenden Informationsmenge verwendet wird. Gemäß den bekannten Verfahren kann dies durch Gruppieren der Signalmuster und Codieren dieser Signalmuster in Blöcken erzielt werden. Ein weiteres konventionelles Verfahren besteht darin, einen Prädiktor aus einer Kombination von Mustern vor dem eigentlichen Muster zu verwenden, um Letzteres abzuschätzen, und anschließend die Differenz zwischen dem vorliegenden Muster und dem Prädiktor zu berechnen. Das erhaltene Signal (Prädiktionsfehler) umfasst weniger Informationen als das ursprüngliche Signal. Als ein negativer Aspekt eines solchen Verfahrens ist zu beachten, dass bei einem Übertragungsfehler das Signal auf der Empfängerseite nicht korrekt rekonstruiert werden kann. Daraus folgt, dass der Sender so arbeiten muss, dass er einen korrekten Betrieb des Empfängers nach tolerierbaren Störgrößen erlaubt. Ein konventionelles Verfahren besteht darin, bei der Konstruktion des Prädiktors einen Multiplikationsfaktor kleiner als Eins zu verwenden (Vergessenheitsfaktor). Der Störfaktor verringert sich mit abnehmender Größe des Vergessenheitsfaktors. Ein weiteres verwendetes Verfahren besteht im Wechseln der Prädiktions-Fehlerübertragung mit der Übertragung des eigentlichen Musters (Auffrischung).
Insbesondere solche Auffrischungsverfahren können in numerischen Redundanzreduzierungs-Übertragungssystemen für Fernsehsignale angewandt werden, die in den drei Richtungen horizontal, vertikal und zeitlich als diskret gelten und die in jeder Richtung durch einen bestimmten Korrelationsgrad gekennzeichnet sind. Wie bereits erwähnt, wird die maximale Codierungseffizienz durch Abtasten der Korrelation in allen drei Richtungen erzielt. Die erweiterten Algorithmen umfassen beispielsweise eine zweidimensionale Block-Codierung in horizontaler und vertikaler Richtung und eine prädiktive Codierung in der Zeitrichtung. Blöcke werden beispielsweise durch M Segmente aufeinander folgender Fernsehzeilen gebildet, die jeweils N aufeinander folgende Pixel umfassen. Daraus folgt bei einer Verringerung der erzeugten Bitrate eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Übertragungsfehlern, die entlang der Zeitachse unbegrenzt widergespiegelt werden kann. Bei Zeitintervallen wird die prädiktive Codierung ausgeschlossen und durch eine reine „Block-Codierung" (Auffrischung) ersetzt. Einer der weniger wünschenswerten Nebeneffekte des Auffrischungsprozesses hängt damit zusammen, dass er eine Zunahme der zu sendenden Informationsmenge mit sich bringt.
M. Barbero et al. – „A bit rate reduction system for HDTV transmission" (Ein System zur Bitratenreduzierung für die HDTV-Übertragung), März 1991, IEEE Transactions an Circuits and Systems for Video Technology, zeigt ein Übertragungssystem zur Redundanzreduzierung für digitale Fernsehsignale gemäß der Präambel von Anspruch 1. Es arbeitet mit einem verzahnten ("interlaced") Fernsehsignal mit vier Betriebsarten. Eine Intrafield-Betriebsart, bei der die Codierung nur die Videomuster zu dem aktuellen Feld berücksichtigt; eine Interframe-Betriebsart (Zwischenbild-Betriebsart), bei der die Codierung die Differenz zwischen den Videomustern des aktuellen Felds und der damit zusammen angeordneten Videomuster des vorausgegangenen Felds mit der gleichen Parität berücksichtigt; eine bewegungskompensierte Interframe-Betriebsart, bei der die Codierung die Differenz zwischen den Videomustern des aktuellen Felds und der bewegungskompensierten Videomuster des vorigen Felds mit gleicher Parität berücksichtigt; und eine Interfield-Betriebsart, bei der die Codierung die Differenz zwischen den Videomustern des aktuellen Felds und den interpolierten Videomustern, die aus der Durchschnittsbildung der Muster zu den angrenzenden Zeilen des unmittelbar vorausgegangenen Felds mit einer anderen Parität erhalten wurden, berücksichtigt werden. Die Auswahl der Betriebsart erfolgt auf der Basis der Wechselstromenergie der Blöcke.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effizienz der Codierung bei Verwendung des Auffrischungsverfahrens zu verbessern. Diese Aufgabe wird dadurch erzielt, dass dieses Auffrischungsverfahren je nach der Komplexität des Ausgangssignals auf eine variable Anzahl von Streifen angewendet wird. Die Komplexität wird durch den Speicher-Füllstand des elastischen Puffers gemessen.
Eine Möglichkeit zur Umsetzung der Erfindung ist nachfolgend ausführlich beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei gilt:
1 zeigt die Konstruktion des Prädiktors;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Hybrid-DCT-Codierers mit Auffrischungssteuerung, die mit dem Füllstand des Puffers verknüpft ist; und
3 zeigt ein Beispiel einer bewegungskompensierten Prädiktion.
Die Codierer der letzten Generation konstruieren die Prädiktion, beginnend mit den Mustern in dem unmittelbar vorausgehenden Feld und dem zweiten Feld davor. Der Prädiktionsblock kann durch Muster (Pixel) gebildet werden, die in vertikaler und horizontaler Position zu den Pixeln der vorausgehenden Blocks angeordnet sind, durch Pixel, die eine andere Abstandsposition aufweisen, aber dennoch einen Block (Kompensation oder Bewegung) bilden oder die aus linearen oder nichtlinearen Kombinationen unterschiedlich angeordneter Pixel erhalten wurden. Das Format des Fernsehbildsignals geht davon aus, dass der Fernsehrahmen aus zwei Feldern gebildet wird, die allgemein als ungerades Feld und gerades Feld bezeichnet werden. Die Zeilen der einzelnen als 1 bis N1 nummerierten Felder befinden sich an einer Position zwischen den Zeilen der angrenzenden Felder. Ein Prädiktionsblock zu dem vorausgegangenen Feld zusammen mit dem tatsächlichen kann mithilfe arithmetischer Operationen mit Mustern konstruiert werden, z. B. durch vertikale Interpolierung von Mustern aufeinander folgender Zeilen (Interfield-Prädiktor). Die Konstruktion eines solchen Prädiktors ist in 1 dargestellt.
Ein Prädiktionsblock wird beginnend mit dem zweiten vorausgegangenen Feld (dem vorausgegangenen Rahmen) erhalten und beispielsweise aus Pixeln gebildet, die zusammen mit Pixeln im vorliegenden Block angeordnet sind. Ein Prädiktionsblock, der noch immer zum vorausgegangenen Rahmen gehört, kann auch beginnend mit Pixeln konstruiert werden, die nicht zusammen, aber dennoch blockweise angeordnet sind (bewegungskompensierter Interfield-Prädiktor). Darüber hinaus kann es praktisch sein, den vorliegenden Block direkt zu codieren, ohne einen Prädiktor zu verwenden (Intrafield-Codierung).
Das als Beispiel dargestellte Codierungssystem ist in 2 schematisch dargestellt. Das eingehende Signal VIN (1) ist ein digitalisiertes Fernsehsignal, das in Blöcken zu NXM Pixeln angeordnet wurde. Die Blöcke P1, P2 und P3 (bzw. 11, 12, 13) bilden die oben erwähnten Prädiktionsblöcke; Block SCELTA-PRED (2) untersucht das eingehende Signal VIN zusammen mit dem durch P1, P2 und P3 erzeugten Prädiktionssignal p1, p2, p3 und wählt für jeden Block den Prädiktor aus, der die zu sendenden Informationen minimiert; der Block SCELTA-PRED (2) kann des Weiteren eine effizientere Intrafield-Signalübertragung in Betracht ziehen. Der ausgewählte Prädiktor wird über den Verteiler SP (4) an den Addierer SIGMA 1 (3) geschickt.
Dieser Addierer SIGMA 1 (3) erzeugt das Prädiktions-Fehlersignal EP (5) und speist es in den Block DCT (6) ein, der die Redundanzreduzierung in vertikaler und horizontaler Richtung durchführt. Der Quantifizierungsblock Q (7) quantifiziert in variablen Schritten den Ausgang des Codiererblocks DCT (6). Der Ausgang (8) von Q (7) wird in den Block BUFFER (9) eingespeist zur nachfolgenden Übertragung und in INVQ (14), der die Funktion der komplementären Erweiterung von Q (7) betreibt. Der Zweck der Präsenz von BUFFER (9) liegt im Anpassen der stark variablen Datenerzeugungsrate des Codierers zur konstanten Bitrate. Der Block BUFFER (9) steuert des Weiteren den Schritt der Quantifizierung von Q (7) und INV Q (14), um einen Datenüberlauf im BUFFER (9) selbst zu vermeiden. Der Block INVDCT (15) rekonstruiert das Prädiktions-Fehlersignal EP' (25), das nach dem Addieren zum ausgewählten Prädiktionssignal p1, p2 oder p3 über SIGMA 2 (16) eine Schätzung des eingehenden Signals VIN (1) rekonstruiert. Der Block REFRESH-CONTROL (20) extrahiert den Takt aus dem eingehenden Videosignal VIN (1) durch die Verbindung L1 und bindet unter gewissen Umständen die in SCELTA-PRED (2) getroffene Auswahl.
Wie zuvor erwähnt, muss die prädiktive Codierung unterbrochen werden. Eine solche von der Schaltung REFRESH CONTROL (20) gesteuerte Unterbrechung impliziert in konventioneller Weise die Intrafield-Codierung einer bestimmten Anzahl von Streifen. Die Anzahl der aufgefrischten Streifen an jedem Rahmen wird so eingerichtet, dass sie eine Obergrenze festlegt für die Dauer, während der ein Fehler auf der Anzeige bleiben kann. Zum Minimieren der Verzerrung muss das Auffrischen daher mit einer großen Anzahl von Streifen pro Rahmen durchgeführt werden. Andererseits ist die erzwungene Intrafield-Codierung weniger effizient als die prädiktive Codierung.
Die vorliegende Erfindung reduziert, beginnend mit der obigen Beschreibung, die durch den Codierer verursachte Gesamtverzerrung durch Anpassen der Auffrischungsfrequenz an die Komplexität des eingehenden Signals VIN (1). Die Komplexität eines solchen Signals (1), die mit sinkender Autokorrelation des Signals selbst ansteigt, wird jetzt in vorteilhafter Weise gemessen durch den Speicherfüllstand des elastischen Speichers BUFFER (9). Hierzu wird REFRESH CONTROL (20) jetzt über die Leitung L1–2 mit BUFFER (9) verbunden. Es wurde festgestellt, dass abhängig vom Füllstand des elastischen Speichers BUFFER (9) die Anzahl der aufgefrischten Streifen jedes Felds kritisch variieren kann zwischen einem Minimum von Eins und einem Maximum von Acht, und die relative Auffrischungsperiode (für eine Standard-Videodefinition 625 Zeilen pro Rahmen und 25 Rahmen pro Sekunde und für Streifen aus acht Fernsehzeilen) muss zwischen ca. 1 Sekunde und einer Achtelsekunde liegen. Die Anzahl Nr der aufgefrischten Streifen nimmt den niedrigsten Wert an, wenn die Komplexität des Bilds sehr hoch ist, Nr wird allmählich erhöht, wenn diese Komplexität abnimmt, sodass die Verzerrung aus einem Leitungsfehler möglichst kurz an bleibt.
Da die Dauerhaftigkeit eines eventuellen Zeilenfehlers zu dem Parameter Nr umgekehrt proportional ist, ist dieser Parameter durch die Qualitätsanforderungen des rekonstruierten Signals begrenzt. Wie bereits festgestellt, umfasst die Auffrischung die erzwungene Intrafield-Codierung von Nr Streifen, die zu einem generischen ungeraden Feld gehören, und die Intrafield- oder Interfield-Codierung von Nr entsprechenden Streifen, die zum nächsten geraden Feld gehören. Zum Erhalten einer progressiven Abtastung der Auffrischung über das gesamte Fernsehfeld erfolgt die erzwungene Codierung von N'r angrenzenden Streifen in dem unmittelbar folgenden Rahmen. Dies lässt sich an einem Zahlenbeispiel leicht erklären. Angenommen, im Feldpaar "i" hat die Auffrischung die Streifen K, K + 1, ..., K + Nr – 1 betroffen, so sind im Feldpaar "i + 1" die von der Auffrischung betroffenen Streifen die mit den Nummern K + Nr, ...., K + Nr + N'r – 1.
Die Verwendung des Parameters N'r ist dadurch gerechtfertigt, dass die Anzahl der aufgefrischten Streifen von einem Rahmen zum nächsten geändert werden kann. Dieses Verfahren erlaubt das Eliminieren der Ausbreitung von Fehlern entlang der Zeitachse, wenn Interfield- und Interframe-Codierungen verwendet werden, jedoch nicht der Ausbreitung von Fehlern im Raum, wenn eine bewegungskompensierte Interframe-Codierung verwendet wird. In 3 werden beispielsweise zwei aufeinander folgende Rahmen mit Auffrischung von Nr Streifen am i-ten Rahmen und N'r Streifen am (i + 1)-ten Rahmen berücksichtigt. Unter der Annahme von Fehlern im Verlauf der Übertragung in Relation zu Block 1 (der zum i-ten Rahmen gehört) und einer bewegungskompensierten Interframe-Codierung von Block 2 (der zum (i + 1)-ten Rahmen gehört) gibt es, basierend auf dem Bewegungsvektor von 1' zu 2, eine räumliche Ausbreitung von Fehlern entlang der Zeitachse, was den Effekt der Auffrischung zunichte macht. Zum Ausgleichen dieses Nachteils ist es eine gängige Vorgehensweise, wenn Np die maximale Amplitude der vertikalen Komponente des Bewegungsvektors darstellt, einen aus Np Zeilen gebildeten Bereich zu definieren, in denen eine Codierung des Typs bewegungskompensierter Zeitrahmen verhindert oder durch Setzen des Bewegungsvektors auf Null (Interframe-Codierung) erlaubt wird. Zu diesem Bereich gehören die letzte Zeile des letzten aufgefrischten Streifens des vorausgegangenen Rahmens sowie die Np – 1 vorausgegangenen Zeilen. Die Blocks die – evtl. auch nur teilweise – ein oder mehrere Zeilen dieses Bereichs bilden, können die bewegungskompensierte Interframe-Codierung nicht verwenden. Eine weitere neuartige Eigenschaft der Erfindung ist die Möglichkeit, diese Codierung zu verwenden, indem Einschränkungen lediglich für die vertikale Komponente des Bewegungsvektors festgelegt werden und nur in der Richtung entgegen dem Verlauf der Auffrischungsstreifen, um die Verwendung der verfügbaren Bitrate zu optimieren. Solche Einschränkungen erlauben keine Verwendung der nicht aufgefrischten Blöcken des vorausgegangenen Rahmens in der Codierung.
1

Zeile N
Interframe-Prädiktionszeile
Zeile N + 1

2

Rahmen I
Nr
Bewegungskompensierter Prädiktionsblock

Rahmen i + 1
Nr
Bewegungsvektor VM

3

REFRESH CONTROL-AUFFRISCHUNGSSTEUERUNG
(Alle anderen Legenden bleiben unverändert)

Claims

Verfahren zum Auffrischen eines in einem Übertragungssystem zur Redundanzreduzierung übertragenen digitalen Fernsehsignals, wobei dieses digitale Fernsehsignal Pixel umfasst, die entlang der horizontalen, vertikalen und Zeitrichtung angeordnet sind und die Rahmen aus ungeraden und geraden Feldern umfassen, wobei jedes dieser Felder 1 bis N1 Fernsehleitungen umfasst in einer Zwischenposition hinsichtlich der Zeilen der temporär aneinander angrenzenden Felder, wobei eine zweidimensionale Block-Codierung in dieser horizontalen und vertikalen Richtung und eine prädiktive Codierung in dieser Zeitrichtung ausgeführt wird, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bilden eines Blocks eines bestimmten Felds eines bestimmten Rahmens, wobei dieser Block M Segmente aus aufeinander folgenden Fernsehzeilen umfasst und jedes der M Segmente N aufeinander folgende Pixel umfasst; b) Bilden (11) eines ersten Prädiktionsblocks aus Pixeln, die zu einem Rahmen unmittelbar vor diesem bestimmten Feld gehören; c) Konstruieren (12) eines zweiten Prädiktionsblocks mithilfe arithmetischer Operationen durch vertikales Interpolieren von Pixeln aus aufeinander folgenden Zeilen, die zu einem Feld unmittelbar vor diesem bestimmten Feld gehören; und d) Durchführen (2) einer Auswahl aus einer prädiktiven Interframe-Codierung auf der Basis dieses ersten Prädiktionsblocks, einer prädiktiven Interfield-Codierung auf der Basis dieses zweiten Prädiktionsblocks und einer Interfield-Codierung, die durch direktes Codieren dieses Blocks ohne Verwendung eines Prädiktors erhalten wurde, dadurch gekennzeichnet, dass diese Auffrischung dieses digitalen Fernsehsignals Folgendes umfasst: e1) wenn dieses bestimmte Feld ein ungerades Feld ist, Auffrischen einer variablen Anzahl Nr erster aufeinander folgender Streifen dieses bestimmten Felds durch Verwendung dieser Intrafield-Codierung und dadurch Unterbrechen der prädiktiven Codierung; und e2) wenn dieses bestimmte Feld ein gerades Feld ist, das auf dieses ungerade Feld folgt, Durchführen dieser Intrafield-Codierung oder dieser prädiktiven Interfield-Codierung dieser variablen Anzahl Nr zweiter aufeinander folgender Streifen, die zusammen mit diesen ersten aufeinander folgenden Streifen positioniert wurden, wobei jeder dieser ersten und zweiten aufeinander folgenden Streifen eine weitere Anzahl aufeinander folgender Fernsehzeilen umfasst, und wobei diese variable Anzahl Nr von der Komplexität des digitalen Fernsehsignals abhängt, und wobei diese Komplexität mithilfe eines Speicherfüllstands eines elastischen Ausgangsspeichers (9) gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese variable Anzahl Nr von Streifen einen Mindestwert annimmt, wenn diese Komplexität dieses digitalen Fernsehsignals hoch ist, wobei diese variable Anzahl Nr mit sinkender Komplexität allmählich ansteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Schritt e2) den Schritt zum Durchführen der Codierung in einer Anzahl aufgefrischter Streifen von einem Minimum von Eins bis zu einem Maximum von Acht umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei dieser Schritt e1) in einer Auffrischungsperiode durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Schritt e1) den Schritt zum Durchführen der Auffrischung umfasst in einer Periode, die zwischen ca. einer Sekunde und einem Achtel einer Sekunde beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt zur Verwendung einer prädiktiven Interframe-Codierung mit Bewegungskompensierung durch Begrenzen der Auswahl möglicher Bewegungsvektoren.
Auffrischungs-Codiersystem zum Auffrischen eines in einem Übertragungssystem zur Redundanzreduzierung übertragenen digitalen Fernsehsignals, wobei dieses digitale Fernsehsignal Pixel umfasst, die entlang der horizontalen, vertikalen und Zeitrichtung angeordnet sind und die Rahmen aus ungeraden und geraden Feldern umfassen, wobei jedes dieser Felder 1 bis N1 Fernsehleitungen umfasst in einer Zwischenposition hinsichtlich der Zeilen der temporär aneinander angrenzenden Felder, wobei eine zweidimensionale Block-Codierung in horizontaler und vertikaler Richtung und eine prädiktive Codierung in der Zeitrichtung ausgeführt wird, wobei dieses Codiersystem Folgendes umfasst: – Mittel zum Bilden eines Blocks eines bestimmten Felds eines bestimmten Rahmens, wobei dieser Block M Segmente der aufeinander folgenden Fernsehzeilen umfasst und jedes der M Segmente N aufeinander folgende Pixel umfasst; – einen ersten Prädiktor (11) zum Bilden eines ersten Prädiktionsblocks aus Pixeln, die zu einem Rahmen unmittelbar vor diesem bestimmten Feld gehören; – einen zweiten Prädiktor (12) zum Konstruieren eines zweiten Prädiktionsblocks mithilfe arithmetischer O perationen durch vertikales Interpolieren von Pixeln aus aufeinander folgenden Zeilen, die zu einem Feld unmittelbar vor diesem bestimmten Feld gehören; und – eine Wähleinrichtung (2) zur Durchführung einer Auswahl aus einer prädiktiven Interframe-Codierung auf der Basis dieses ersten Prädiktionsblocks, einer prädiktiven Interfield-Codierung auf der Basis dieses zweiten Prädiktionsblocks und einer Intrafield-Codierung, die durch direktes Codieren dieses Blocks ohne Verwendung eines Prädiktors erhalten wurde, wobei diese Wähleinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: – eine Auffrischungssteuerung (20) für folgende Aufgaben: – wenn dieses Feld ein ungerades Feld ist, Unterbrechen der prädiktiven Codierung durch Auffrischen einer variablen Anzahl Nr erster aufeinander folgender Streifen durch eine Intrafield-Codierung, und wenn dieses Feld ein gerades Feld ist, das auf dieses ungerade Feld folgt, Anwenden einer Intrafield- oder Interfield-Codierung in dieser variablen Anzahl Nr zweiter aufeinander folgender Streifen, die zusammen mit diesen ersten aufeinander folgenden Streifen positioniert wurden; und – ein elastischer Speicher (9), wobei diese Auffrischungs-Steuerung (20) von diesem elastischen Speicher (9) abhängt, wobei jeder dieser ersten und zweiten aufeinander folgenden Streifen eine weitere Anzahl aufeinander folgender Fernsehzeilen umfasst, und wobei diese variable Anzahl Nr von der Komplexität des digitalen Fernsehsignals abhängt, und wobei diese Komplexität mithilfe eines Speicherfüllstands dieses elastischen Ausgangsspeichers (9) gemessen wird.