DE69406915T2

DE69406915T2 - Verfahren zur differentiellen kodierung und dekodierung und zugeordnete schaltung

Info

Publication number: DE69406915T2
Application number: DE69406915T
Authority: DE
Inventors: Silvio Cucchi; Maurizio Lazzer
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2014-04-30
Also published as: CA2161678A1; WO1994026068A1; ATE160479T1; EP0696404A1; AU6649994A; ITMI930844A1; FI955156A0; ITMI930844A0; EP0696404B1; KR960702248A; US5815207A; CN1121759A; AU686623B2; DE69406915D1; FI955156A; JPH08509583A; ES2109694T3; CN1068495C; IT1272417B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Schaltungen für differentielles Codieren und Decodieren.
Ein Verfahren, das normalerweise dafür benutzt wird, die zu übertragende Information zu vermindern, besteht darin, die Differenz zwischen den im Durchgang befindlichen Signal und seiner Vorhersage zu ermitteln.
An diesem Punkt erhebt sich das Problem dahingehend, daß, falls das Eingabesignal innerhalb eines gewissen Wertebereiches eingeschränkt ist, das durch Ermitteln der Differenz zwischen Eingabesignal und vorhergesagtem Signal erhaltene Signal einen doppelten Bereich hat.
Es sind einfache Algorithmen bekannt, die in der Lage sind, das differentielle Signal innerhalb des Bereiches des ursprünglichen Signals zu halten.
Beispielsweise beschreibt das Buch von W.K. Pratt: Digital Image Processing, 1978, John Wiley & Sons, USA, Abschnitt 22.5.3: "Differential Pulse Code Modulation" auf den Seiten 641 bis 645 ein Verfahren zum Codieren eines Videosignals, bei dem die Differenz zwischen einem tatsächlichen Pixel und seiner Schätzung quantisiert und zur Übertragung codiert wird. Weiterhin. ist es durch die Tatsache, daß kleinere Differenzen zahlreicher sind als große Differenzen, möglich, einen Code variabler Länge zu benutzen und eine stärkere Codierkompression zu erreichen.
Es ist aus dem Artikel in Electronics & Communications in Japan, Teil 1, Bd. 73, Nr. 6 vom Juni 1990, S. 12 bis 21, von Y. Izawa et al.: "Improvement of picture coding and picture efficiency using Discrete Cosine Transform" auch eine Verbesserung von Bildqualität und Codierleistung durch Verwendung diskreter Cosinustransformation bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der differentiellen Codierung und Decodierung bereitzustellen, das in der Lage ist, die Redundanz der zu übertragenden Information wirksam zu vermindern. Erfindungsgemäß wird das Codierverfahren deshalb so strukturiert, wie es in Anspruch 1 erläutert wird, und die zugehörige Schaltung ist 50, wie sie in Anspruch 3 erläutert wird.
Die Erfindung ist aus der folgenden Beschreibung eher zu verstehen.
Das differentielle Codieren ist eine spezielle Art des Codierens, die statt des direkten Codierens eines Eingabesignals die Differenz zwischen diesem Signal und einem daraus vorhergesagten Signal ermittelt. Zur Vorhersage des Eingabesignals kann eine beliebige Differenz zwischen diesem Signal und einem daraus vorhergesagten Signal benutzt werden. Zur Vorhersage des Eingabesignals ist es möglich, eine beliebige Art von Vorhersageeinrichtung zu benutzen; im einfaöhsten Falle kann der vorher codierte Wert als Vorhersagesignal verwendet werden.
Angenommen, daß die Werte des Eingabesignals in der Menge (-Bereich, Bereich - 1) enthalten sind, wobei der Bereich ganzzahlig positiv ist, resultiert daraus, daß die Differenz zwischen diesem Signal und seinem vorhergesagten einen doppelten Bereich hat.
Daher erhebt sich dasproblem, wie das differentielle Signal innerhalb des ursprünglichen Bereiches geführt werden kann. Der hier beschriebene Algorithmus ist aus der Literatur bekannt und ist das einfachste Verfahren zur Bewahrung des differentiellen Signals innerhalb des ursprünglichen Bereichssignals.
Es sollen:
val pred der Wert der vorherzusagenden Abtastung sein, der Vorhersagewert sein.
Der Algorithmus lautet wie folgt:
Δ = val - pred
falls ( Δ < - Bereich) Δ = Δ + 2 Bereich;
oder falls ( Δ ) Bereich - 1) Δ = Δ - 2 Bereich;
In einer Ausführungsform davon führt die Erfindung neben der Beibehaltung der Werte des differentiellen Signals innerhalb des ursprünglichen Bereiches eine weitere Kompression durch.
Die Grundidee besteht darin, daß bei dem gegebenen vorhergesagten Signal die Differenzwerte auf solche Weise zugeordnet werden, daß die kleineren Werte so nahe wie möglich am Vorhersagewert liegen.
Auf diese Weise werden kleineren Zahlen eher wahrscheinliche Werte zugeordnet.
Der Algorithmus ist folgender:
Δ = val - pred
BereichΔ = Bereich
wenn (pred > 0) BereichΔ = Bereich - pred - 1;
sonst wenn (pred < 0) BereichΔ = Bereich + pred;
wenn ( Δ ) BereichΔ
wenn (( Δ - BereichΔ + 1) mod 2 == 0) sn = -1;
sonst wenn (( Δ BereichΔ + 1) mod 2 == 1) sn = +1;
A = ( BereichΔ + ,( Δ - BereichΔ + 1) / 2 ) sn;
Wenn das Eingabesignal viele Male null ist, neigt ein Differenzvorgang wie der vorstehende dazu, einige der vorhandenen Nullen zu beseitigen.
Es ist günstig, die Nullenfolge aufrechtzuerhalten, da sie bei einer eventuellen nachfolgenden Komprimierung der Information auf sehr wirksame Weise codiert werden können.
In einer wefteren Ausführungsform der Erfindung, bleibt durch das Ausführen einer absoluten Codierung des Signals, wenn dessen Wert null ist, die Anzahl der Nullen sogar dann unverändert, wenn differentiell vorgegangen wird.
Der Algorithmus ist folgender:
wenn ( val == 0 ) Δ = 0;
sonst wenn ( pred == 0) Δ val;
sonst wenn ( pred )
Δ = val - pred;
wenn (( Δ ≥ 0) V ( Δ < - pred )) Δ = Δ + 1;
sonst wenn ( pred < 0)
Δ = val - pred;
wenn (( Δ ≤ 0) V ( Δ > - pred ) Δ = Δ - 1;
Hier ist keine Steuerung am differentiellen Signalbereich eingeführt worden; die Techniken der vorstehend beschriebenen Algorithmen können jedoch darauf ausgedehnt werden.
Eine Anwendung des vorstehend erwähnten Verfahrens auf ein Videosignal soll nun beschrieben werden.
Der grundlegende Teil des Systems ist die Vorhersageeinrichtung, die es ermöglicht, daß der Variationsbereich der zu höherer Energie transformierten Koeffizienten vermindert wird. Das differentielle Signal, das übertragen wird, hat ein statistisches Merkmal, das sich für nachfolgende Codierung sehr gut eignet.
Das Verfahren wird auf das Codieren von Videoabbildkomponenten angewandt, auf Leuchtdichte und Farbwert, wobei man sich der DCT (diskrete Cosinustransformation) bedient.
Ein digitales Abbild ist aus einer Anzahl von Zeilen zusammengesetzt, und jede Zeile wird aus einer Anzahl von Punkten gebildet, die üblicherweise als "Pixel" bezeichnet werden.
Die Video-Codiertechnik, auf die hier Bezug genommen wird, nimmt eine Unterteflung des Abbildes in Blöcke zu 8 x 8 Pixeln vor, und dann wendet sie die zweidimensionale DCT auf jeden Block an. Ein derartiger Vorgang ermöglicht es, daß die räumliche Redundanz der Pixel in jedem Block vermindert wird.
An diesem Punkt befinden sich die DCT-Koeffizienten innerhalb jedes Blockes nicht in Korrelation zueinander; die restliche Korrelation zwischen benachbarten Blöcken bleibt sichtbar.
Im Verfahren der Erfindung werden Blöcke entlang von Abbildstreifen betrachtet. Insbesondere der erste Block jedes Streifens wird ohne jegliche Verarbeitung übertragen, wobei beginnend beim nächsten das Verfahren der Erfindung angewendet wird, um die Werte der höher gewichteten Koeffizienten zu vermindern.
Der Alggrithmus betrachtet nur die Koeffizienten der ersten Spalte jedes transformierten 8 x 8 Blockes; derartige Koeffizienten sind im allgemeinen diejenigen mit der höheren Gewichtung, da sie die vertikalen Frequenzen darstellen, die bei einem verschachtelten Abtasten die wichtigsten sind.
Daher kennt er beim Verarbeiten des vorliegenden Blockes den gesamten vorhergehenden Block und alle Koeffizienten des vorliegendenblockes mit Äusnahme derjenigen der ersten Spalte, die geschätzt werden sollen.
Das Verfahren besteht aus dem Verknüpfen der Kurvenform (in der Raumdomäne) mit der Grenze zwischen dem vorliegenden und den vorhergehenden Block.
Um dies zu bewerkstelligen, wird der vorhergehende Block spaltenweise zurücktransformiert, und die letzte Spalte wird bestimmt; ebenso wird der vorliegende Block spaltenweise zurücktransformiert, um die erste Spalte zu bestimmen, aber in dieser Situation sind die DCT-Koeffizienten der ersten Spalte nicht bekannt und erscheinen deshalb in der Rückwärtstransfornation als Unbekannte.
An diesem Punkt wird durch das Verknüpfen der beiden Spalten an der gemeinsamen Grenze (in der Raumdomäne) zwangsweise die Kontinuität zwischen den beiden Blöcken auferlegt.
Aus dem so erhaltenen System ergeben sich die unbekannten Ausdrücke der ersten Spalte.
Die gesamte Verfahrensweise besteht nur aus der folgenden Berechnung:
x = 0, ..., 7
wobei:
PRx0 = der vorhergesagte Wert der DCT-Koeffizienten mit Index x0 des vorliegenden Blockes ist;
= der DCT-Koeffizient mit Index x, y des vorhergehenden Blockes ist;
= der DCT-Koeffizient mit Index x, y des vorliegenden Blokkes ist.
Die auf diese Weise erhaltene Vorhersage wird vom tatsächlichen Wert subtrahiert, und die Differenz wird übertragen.
Es ist anzumerken, daß der durch die vorstehende Formel geschätzte Wert auch Werte annehmen kann, die sich außerhalb des zulässigen Bereiches befinden; unter diesen Umständen wird am nächstliegenden Ende nur eine Sättigung ausgeführt.
Der nächste Schritt besteht darin, für jedes Paar homologer Koeffizienten geeignete Gewichtungskoeffizienten einzuführen. Auf diese Weise wird festgestellt, daß es nicht korrekt ist, die Spalten an den Grenzen zu verknüpfen, insbesondere dann, wenn das Abbild sich von einem Block zum anderen zu stark unterscheidet. Insbesondere für Koeffizienten höherer Ordnung ist solche Korrektur unabdingbar.
In diesem Falle gilt die Formel:
x = 0, . .., 7
wobei:
Kx = Gewichtungskoeffizient.
Aus durchgeführten Simulationen hat sich herausgestellt, daß die Leistungsfähigkeit des Systems auf Schwankungen von Gewichtungskoeffizienten nicht sehr empfindlich ist, wodurch sie alle gleich groß und mit Werten gewählt wurden, die sich aus Summen von Zweiter-Potenzen ergeben, um die zugehörige Hardware zu vereinfachen.
Unter diesen Umständen besetzt der geschätzte Wert im allgemeinen eine Anzahl von Bits, die größer als das zulässige eine ist, eine einfache gleichförmige Quantisierung mit Sättigung führt das Signal wieder in den richtigen Bereich zurück.
Der Vorhersagewert wird vom tatsächlichen Wert dadurch subtrahiert, daß er unterschiedlichen Algorithmen folgt, einem für den Fall, daß der DCT-Koeffizient einen Index 00 hat und einem für die anderen Koeffizienten.
Wenn der Index des DCT-Koeffizienten 00 ist, wird der erste beschriebene Algorithmus benutzt, wodurch ermöglicht wird, daß der Vorhersagefehlerbereich verkleinert wird. Tatsächlich hat ein solcher Koeffizient eine quasi gleichförmige Wahrscheinlichkeitsverteilung; der Differenzvorgang mit dem vorhergesagten transformiert eine solche Verteilung in eine Laplace-Verteilung, die für eine nachfolgende Codierung viel besser geeignet ist.
Für die anderen vorherzusagenden Koeffizienten wird, da sie eine größere Anzahl von Malen gleich null sind, der Algorithmus des Differentials mit der Beibehaltung der Nullen verwendet.
Im Falle von Koeffizienten höherer Ordnung erlaubt die so ausgeführte Vorhersage das Erreichen einer wesentlichen Komprimierung des Signals nicht; unter solchen Umständen wird der Koeffizient ohne jegliche Verarbeitung übertragen.
Soweit das differentielle Signalcodieren betroffen ist, reicht es aus, in Bezug auf die im Codieralgorithmus beschriebenen Operationen die inversen auszuführen.
Die Schaltungen für das Realisieren der Verfahren der Erfindung umfassen zumindest eine Vorherbesageeinrichtung, eine Addieroder Subtrahiereinrichtung und Mittel, die in der Lage sind, Berechnungen auszuführen, wie etwa z.B. einen digitalen Signalprozessor.
Im einfachsten Falle kann die Vorhersageeinrichtung wie eine Verzögerungsleitung dargestellt werden und den vorher über-tragenen Wert ausgeben. Augenscheinlich sind verschiedene Variationen der vorstehend beschriebenen Verfahren und Schaltungen möglich, sie alle fallen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Codieren eines Videosignals, das die Schritte umfaßt:

- Einteilen des Videosignals in Blöcke zu X Zeilen und Y Spalten;

- Berechnen der zweidimensionalen diskreten Cosinustransformation der Blöcke;

- Vorherbestimmen der Transformationskoeffizienten der ersten Spalte jedes transformierten Blockes;

- Ermitteln einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert jedes der Transformationskoeffizienten und dem vorherbestimmten Wert jedes der Transformationskoeffizienten, falls der tatsächliche Wert nicht gleich null ist; und das gekennzeichnet ist durch

- Vorherbestimmen der Transformationskoeffizienten der ersten Spalte jedes transformierten Blockes unter Verwendung von Koeffizienten weiterer Spalten des transformierten Blockes und Koeffizienten eines vorhergehenden transformierten Blockes;

- Codieren der Differenz durch Zuordnen eher wahrscheinlicher Differenzwerte zu kleineren Zahlen, wobei die Zahlen innerhalb des Anfangsbereiches des tatsächlichen Wertes bleiben; und

- Codieren des tatsächlichen Wertes des Transformationskoeffizienten an sich, falls der tatsächliche Wert gleich 0 ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorherbestimmte erste Spalte jedes Blockes mit Hilfe der folgenden Berechnung errechnet worden ist:

x = 0, ..., 7

wobei:

PRx0 = der vorhergesagte Wert der DCT-Koeffizienten mit Index x0 des vorliegenden Blockes ist;

= der DCT-Koeffizient mit Index x, y des vorhergehenden Blockes,

= der DCT-Koeffizient mit Index x, y des vorliegenden Blockes

Kx =Wichtungskoeffizient

sind.

3. Schaltung zum Codieren eines Videosignals, die umfaßt:

- Mittel zum Einteilen in Blöcke von X Zeilen und Y Spalten des Videosignals;

- Mittel zum Berechnen der zweidimensionalen diskreten Cosinustransformation der Blöcke;

- Mittel zum Vorherbestimmen der Transformationskoeffizienten der ersten Spalte jedes transformierten Blokkes;

- Mittel zum Übertragen einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert jedes der Transformationskoeffizienten und dem vorherbestimmten Wert jedes der Transformationskoeffizienten, falls der tatsächliche Wert nicht gleich null ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

-das Mittel zum Vorherbestimmen der Transformationskoeffizienten der ersten Spalte jedes transformierten Blockes Koeffizienten von weiteren Spalten des transformierten Blockes und Koeffizienten eines vorhergehenden transfprmierten Blockes benutzt;

und daß die Schaltung weiterhin umfaßt

-Mittel zum Codieren der Differenz durch Zuordnen eher wahrscheinlicher Differenzwerte zu kleineren Zahlen, wodurch die Zahlen innerhalb des Anfangsbereiches des tatsächlichen Wertes bleiben; und

Mittel zum Codieren des tatsächlichen Wertes des Transformationskoeffizienten an sich, falls der tatsächliche Wert gleich 0 ist.