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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Verarbeitungssysteme
für empfangene
Videosignale, um Bilder auf einem Fernsehbildschirm anzuzeigen,
und insbesondere auf ein integriertes System, das im allgemeinen
als ein "Fernsehprozessor
mit verbesserter Qualität" (IQTV) oder "Fernsehprozessor
mit intelligenter Qualität" (SQTV) bezeichnet
wird, das das Speichern vollständiger
Bilder oder Teile hiervon während der
Decodierungsphase erfordert.
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Diese
integrierten Systeme werden in Videoempfängern immer mehr verwendet,
um die Bildqualität zu
verbessern, ohne Änderungen
in den relevanten Übertragungsstandards
(PAL, NTSC, SECAM) zu erfordern.
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In
der Praxis werden die analoge Luminanz-Komponente (Y), die analoge
Chrominanz-Komponente U und die analoge Chrominanz-Komponente V
(die analogen UV-Komponenten) der Videosignale durch geeignete Analog-Digital-Umsetzer
digitalisiert, wobei die erhaltenen digitalen Signale, die die zwei
Teilbilder betreffen, in die das Videosignal im allgemeinen unterteilt
ist, in einem dedizierten Speicher gespeichert werden. Dies erlaubt
zuerst eine Umsetzung der Zeilensprung-Abtastfrequenz (in der Praxis
der sogenannten "Auffrischrate") von 50 oder 60
Hz auf 100 oder 120 Hz, um das Flimmern nicht wahrnehmbar zu machen.
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Außerdem erlauben
die auf diese Weise im Speicher gespeicherten digitalen Werte, die
für jeden
Bildpunkt jeder Zeile relevant sind, die jedes Teilbild bilden,
geeignete Algorithmen zum Reduzieren des Gaußschen Rauschens oder des Zacken-
oder Impulsrauschens zu implementieren, wobei es durch die Verdopplung
des Speichers möglich
ist, für
die für
Verschmierung der Gegenstände,
die sich auf einem Hintergrund schnell bewegen, außerdem eine
Kompensationsschleife (Beseitigungsschleife) zu implementieren,
die einen Algorithmus, der die Berechnung der Mittelwerte unter
den Werten dieser Bildpunkte beabsichtigt, die sich auf aufeinanderfolgende
Bilder beziehen, um auf diese Weise nicht korrelierte Inhalte des
Videosignals zu beseitigen, und Korrekturalgorithmen, die auf der
Bewegungserfassung basieren, verwendet.
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Im
allgemeinen sind der oder die Teilbildspeicher DRAM-Vorrichtungen,
die sich entsprechend den gegenwärtigen
Grenzen der Herstellungstechnologien außerhalb der integrierten Vorrichtung
befinden, die die Verarbeitungsschaltungen enthält (die im allgemeinen als
SQTV_IC oder IQTV_IC bezeichnet wird).
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Ein üblicher
Videoempfänger
enthält
einen Abstimmabschnitt, der den Kanal und das relevante Frequenzband
des über
Kabel, Satellit oder terrestrischen Äther übertragenen Signals auswählt. Der
Tuner setzt das empfangene Signal, das die in der Frequenz multiplexierten
Luminanz- und Chrominanzdaten enthält, in eine Zwischen-Video-Frequenz
um (z. B. 3,8,9 MHz entsprechend dem italienischen Standard). Ein
Demodulationsblock verarbeitet das zu einer Zwischenfrequenz umgesetzte
Signal, wobei er ein zusammengesetztes Basisband-Videosignal erzeugt,
das von einer Wähleinrichtung
der Eingangssignalquelle ausgewählt
wird, wobei es in den Standarddecodierer (PAL, NTSC, SECAM) eingespeist
wird, der die Trennung der Luminanz- und Chrominanz-Komponenten ausführt.
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Die
für die
Luminanz (Y) und die Chrominanz (UV) relevanten analogen Signale
werden folglich durch geeignete Analog-Digital-Umsetzer umgesetzt,
um so einen digitalen Datenstrom der Luminanz (Y) und einen digitalen
Datenstrom der Chrominanz (UV) zu erzeugen, die in die IQTV_IC-Vorrichtung
(oder SQTV-IC-Vorrichtung) eingespeist werden.
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Der
Artikel: "Multipurpose
Scanning Rate Converter IC for Improved Quality Television", Proceedings of
the Custom Integrated Circuit Conference, San Diego, 1.–4. Mai
1994, No. Conf. 16, 1. Mai 1994, Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Seiten 111–114,
XP000492867, D'Alto
V., u. a. beschreibt eine hochintegrierte Multistandard-Schaltung
MSRC für
die Aufwärtsmischung
der Teilbild-Rate oder die Verschachtelt-Progressiv-Umsetzung der
Videodaten. Um die Umsetzungsoperationen auszuführen, werden die Videodaten
in Teilbildspeichern mit angemessener Kapazität gespeichert.
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EP-A-0624032
offenbart eine Videoformat-Umsetzungsvorrichtung und ein zugehöriges Umsetzungsverfahren
für hochauflösendes Fernsehen,
wobei der Wert des aktuellen Bildpunkts durch den Mittelwert der Werte
der Bezugsbildpunkte ersetzt wird, die sich in einem vorausgehenden
bzw. nächsten
Teilbild an der gleichen Position befinden, wenn der aktuelle Bildpunkt
ein stationärer
Bildpunkt ist, während
der aktuelle Bildpunkt durch eine Bewegungskompensation interpoliert
wird, wenn der aktuelle Bildpunkt ein in die Bewegung einbezogener
Bildpunkt ist.
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Jeder
FIELD MEMORY kann ein Teilbild des Bildes im 4 : 2 : 2-Format oder
im 4 : 1 : 1-Format speichern, wobei folglich der folgende Speicherraum
beansprucht wird.
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Im
Fall eines PAL-Übertragungssystems,
das der kritischere Standard ist, wobei es als ein Bezugsbeispiel
genommen werden kann, wird die Gesamtanforderung, wenn zwei Teilbildspeicher
verwendet werden, 3.317.760*2 = 6.635.520 bit.
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Es
gibt die Notwendigkeit oder einen Nutzen, diese Speicheranforderungen
eines SQTV_IC (oder IQTV_IC) zu verringern, ohne eine wahrnehmbare
visuelle Verschlechterung der Bilder zu verursachen. Dies sollte
durch eine Vervollkommnung der Herstellungsprozesse erfolgen, um
Kosten zu sparen und/oder um geeignetere Voraussetzungen für die Integration
des Teilbildspeichers im selben IQTV_IC-Chip (oder SQTV_IC-Chip)
zu erzeugen.
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Das
System der Erfindung basiert auf der Kompression und Codierung entsprechend
einem adaptiven differentiellen Impulscode-Modulationsschema (ADPCM)
der digitalen Daten, die für
ein Teilbild in einem 4 : 2 : 2-Format oder in einem 4 : 1 : 1-Format
eines Bildes geeignet sind, die im relevanten Teilbildspeicher bei
einer Standardfrequenz von 50 oder 60 Hz zu speichern sind, und auf
der ADPCM-Decodierung und -Dekompression der aus dem Teilbildspeicher
bei einer mehrfachen Frequenz (im allgemeinen der doppelten Frequenz) der
Frequenz, mit der die Daten in den Teilbildspeicher geschrieben
werden, gelesenen Daten.
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Der
ADPCM-Kompressionsmechanismus nutzt die Korrelation aus, die zwischen
den Werten benachbarter Bildpunkte eines Bildes vorhanden ist, und
die Anzahl der Bits zu verringern, die für eine binäre Darstellung des Bildes selbst
erforderlich ist. Es ist in der Tat möglich, die Bildpunkt-Werte
durch geeignetes Kombinieren lediglich der Werte der zu ihnen benachbarten
Bildpunkte zu approximieren (wobei deshalb nicht der tatsächliche
Bildpunkt-Wert verwendet (gespeichert) wird), d. h., durch die Implementierung
der sogenannten "Vorhersage" des Bildpunkts selbst.
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Deshalb
ist es möglich,
durch das Definieren des Vorhersagemechanismus und deshalb durch
das passende Codieren (und Speichern) lediglich des Vorhersagefehlers
anstatt jedes Bildpunkts die Menge der binären Zahlen zu verringern, die
für die
digitale Darstellung eines Bildes erforderlich ist. Je genauer die
Vorhersage des Bildpunkt-Wertes ist, desto niedriger ist die Entropie
des Vorhersagefehlers oder desto niedriger ist die Anzahl der Bits,
die erforderlich sind, um ihn zu codieren.
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Das
Verfahren der Erfindung ermöglicht
in der Praxis, die Anforderung an RAM-Speicher für das Speichern des verwendeten
Teilbildes oder der verwendeten Teilbilder bei einem fast vernachlässigbaren
Verlust in der Qualität
der wiederhergestellten Bilder auf weniger als die Hälfte zu
verkleinern, weil die Bildfehler hauptsächlich bei hohen Frequenzen
verteilt werden.
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Die
verschiedenen Aspekte und Vorteilte der Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung einiger wichtiger Ausführungsformen und unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung noch offensichtlicher, worin:
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1 ein Blockschaltplan eines
Empfängers
ist, der ein digitalisiertes Bildverarbeitungssystem enthält;
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2 ein Beispiel der Architektur
der Schaltungsanordnung für
die Analog- Digital-Umsetzung,
die digitale Verarbeitung und die Digital-Analog-Rückumsetzung
der Y-, U- und V-Komponenten der Videobilder zeigt;
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3 eine teilweise Darstellung
ist, die die gemäß der vorliegenden
Erfindung modifizierte Architektur zeigt;
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4 eine Darstellung eines
Fenstererzeugungsblocks der Darstellung in 3 ist;
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5 eine Darstellung ist,
die die Anordnung beim Abtasten der Bildpunkte jedes Blocks für ein durch vier
Zeilen definiertes Arbeitsfenster zeigt;
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6 eine Darstellung ist,
die das Abtasten der Daten pro Block in einem durch vier Zeilen
definierten Arbeitsfenster zeigt;
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7 eine Darstellung des ADPCM-Codierungs-
und Kompressionsblocks ist;
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8 eine Darstellung des ADPCM-Decodierungs-
und Dekompressionsblocks ist; und
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die 9, 10 und 11 eine
ausführliche
Darstellung des Varianzbewertungsblocks der funktionalen Darstellung
nach 7 zeigen.
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1 zeigt einen typischen
funktionalen Blockschaltplan eines Videoempfängers.
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Der
Tuner (TUNER) wählt
den Kanal und das relevante Frequenzband (z. B. RAI2 471 MHz), wobei er
ein zu einer Video-Zwischenfrequenz (z. B. bei 38,9 MHz entsprechend
dem italienischen Standard) umgesetztes Signal erzeugt, das die
in der Frequenz multiplexierten Luminanz- und Chrominanzsignale
enthält.
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Der
Demodulationsblock (DEMODULATOR) verarbeitet das zu einer Zwischenfrequenz
umgesetzte Tunersignal und erzeugt an seinem Ausgang ein zusammengesetztes
Basisband-Videosignal.
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Durch
eine Eingangs-Wähleinrichtung
(INPUT SEL) wird die Quelle des Videosignals ausgewählt (das z.
B. von der Antenne oder dem Kabel oder von einer SCART-Buchse kommt).
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Der
Decodierer (STANDARD DECODER) trennt die Luminanz- und Chrominanz-Komponenten
des zusammengesetzten Videosignals entsprechend dem speziellen Übertragungsstandard
(PAL, NTS oder SECAM) und sendet sie zu den relevanten Analog-Digital-Umsetzern,
die in der Darstellung durch den ADC-Block als ein Ganzes dargestellt
sind. Die Analog-Digital-Umsetzer erzeugen einen digitalen Strom
der Luminanzwerte (Y-Werte) und einen digitalen Strom der Chrominanzwerte
U und der Chrominanzwerte V (UV-Werte),
die in den SQTV IC-Prozessor eingespeist werden, der entsprechend
dem betrachteten Beispiel mit den zwei Teilbildspeichern (FIELD
MEMORY_1 und FIELD MEMORY_2) kommuniziert.
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Der
SQTV_IC-Prozessor kann programmiert sein, um Daten zu managen, die
alternativ in einem 4 : 1 : 1-Format oder in einem 4 : 2 : 2-Format
formatiert sind.
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Nach
der Verarbeitung werden die Luminanz-Komponenten (Y-Komponenten)
und die Chrominanz-Komponenten (UV-Komponenten) durch die zugeordneten
Digital-Analog-Umsetzer rückumgesetzt
und in die Eingänge
des VIDEO PROCESSOR-Blocks eingespeist, um die Ablenksignale (RGB)
zu erzeugen.
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Der
Chip SQTV_IC kann z. B. die PQFP100-Vorrichtung sein, die im vorläufigen Datenblatt
(Ausgabe Dezember 1995) von SGS-THOMSON MICROELECTRONICS beschrieben
ist, deren Inhalte durch ausdrücklichen
Literaturhinweis hierin aufgenommen sind.
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Die
zwei Teilbildspeicher FIELD MEMORY_1 und FIELD MEMORY_2 können in
einer externen DRAM-Vorrichtung implementiert oder im SQTV_IC-Chip
integriert sein.
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Die
durch den FIELD MEMORY_1 ausgeführte
Funktion besteht im Speichern eines Video-Teilbildes alle 20 ms
(im Fall des 50-Hz-PAL-Standards).
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Dies
bedeutet, daß das
nächste
Teilbild das vorausgehende Teilbild nach 20 ms ersetzt. Durch das Lesen
der Inhalte des FIELD MEMORY_1 alle 10 ms wird die Verdoppelung
der Teilbilder erhalten. Deshalb wird in den ersten 10 ms nach dem
Speichern eines Teilbildes das Teilbild vollständig in einem "Raster"-Format gelesen.
In den folgenden 10 ms vor dem Speichern eines neuen Teilbildes
wird das vorausgehende Teilbild in einem "Raster"-Format
ein zweites Mal gelesen.
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Dieses
Verfahren des Betriebs kann durch die Verwendung eines Schreib-Lese-Speichers (üblicherweise
eines DRAMs) oder eines sequentiellen Speichers (der im allgemeinen
als FIFO bezeichnet wird) implementiert sein, in dem das zuerst
gespeicherte Datenelement das erste zu lesende Datenelement ist,
usw. für alle
Elemente nach dem ersten Datenelement.
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Praktisch
wird der FIELD MEMORY_2 als eine Teilbild-Verzögerung verwendet, um die Interpolation der
Teilbilder zu ermöglichen,
die darauf zielen, das Impulsrauschen und daß Gaußsche Rauschen zu beseitigen.
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Die
ganze funktionale Darstellung des in der SQTV_IC enthaltenen Verarbeitungsabschnitts
ist in 2 ausführlicher
gezeigt.
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Entsprechend
einer wohlbekannten Architektur, wie z. B. derjenigen, die in 2 gezeigt ist, werden die
für die
Y Komponente (die Luminanz-Komponente) und die UV-Komponente (die
Chrominanz-Komponente U und die Chrominanz-Komponente V) relevanten
Daten in den Teilbildspeicher FIELD MEMORY_1 in einem voreingestellten
Format (4 : 1 : 1 oder 4 : 2 : 2) bei einer Schreibfrequenz von
50 (oder 60), oder 50 oder 60 Hz geschrieben, wobei sie beim Doppelten
dieser Frequenz gelesen werden.
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Der
LINE MEMORY_1-Block ist ein Puffer des sogenannten "First-In-First-Out"-Typs, der jedes
Bildelement (jeden Bildpunkt) einer Abtastzeile des Videobildes
um eine Zeit verzögern
kann, die gleich der "Übergangs"-Zeit einer ganzen
Zeile aus Bildpunkten ist. Dies erlaubt, Paare aus Bildpunkten,
die zu aufeinanderfolgenden Abtastzeilen gehören und die die gleiche Position
in der Zeilenabtastung besetzen (d. h., sie sind in einer Richtung
orthogonal zu den Abtastzeilen zueinander benachbart), in die relevanten
Eingänge
des NOISE REDUCTION-Blocks einzuspeisen:
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In
dem betrachteten Beispiel ist außerdem ein zweiter Teilbildspeicher
vorhanden, FIELD MEMORY_2, um die Implementierung von Filterungsalgorithmen
der nicht korrelierten Informationen zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Teilbildern eines Bildes zu erlauben, um das (nicht Gaußsche) Impulsrauschen
entsprechend den Techniken zu beseitigen (zu filtern), die einem
ausgebildeten Praktiker wohlbekannt sind.
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In
der Praxis können
die Korrekturalgorithmen für
die Beseitigung unerwünschter
Wirkungen oder Rauschwirkungen verschiedenen Ursprungs und Typs
in dem Block implementiert sein, der im allgemeinen als NOISE REDUCTION
bezeichnet wird. Dies ist kraft der Digitalisierung der Videosignal-Komponenten
und ihrer Speicherung mit der Standard-Übertragungsfrequenz (50 oder
60 Hz) und deshalb der Möglichkeit
möglich, die
gespeicherten Daten mit einer mehrfachen Frequenz zu lesen und Verarbeitungen
auszuführen,
die geeignet sind, um unerwünschte
Wirkungen verschiedener Natur und Quelle, wie sie auftreten, abhängig von
der Video-Eingangssignalquelle, zu kompensieren und zu beseitigen.
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Kurz,
ein SQTV-Prozessor enthält
einen Umsetzer SRC für
die Abtastfrequenz der Bilder (Abtastraten-Umsetzer), Kompressions/Codierungs-Netze,
wie sie in der Darstellung durch die zwei VFC-Blöcke (vertikaler Formatumsetzer)
und durch den PE-Block (Bildverbesserung) zum Hervorheben der Kantendefinition
der Bilder dargestellt sind, dem ein "First-In-First-Out"-Puffernetz
(LINE MEMORY 5, 6 und 7) vorangeht, um Arbeitsfenster in einer bestimmten
Anzahl (3) der Abtastzeilen des Videobildes zu verwirklichen.
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Der
Block enthält
ferner Digital-Analog-Umsetzer (DAC), um die verarbeiteten digitalen
Ströme
der Luminanz (Y) und der Chrominanz (UV) in die entsprechenden analogen
Signale bezüglich
der drei Komponenten rückumzusetzen,
die zur Adresse des VIDEO PROCESSOR-Blocks einzuspeisen sind, der
die Ablenksignale (RGB) erzeugt.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem SQTV-System des herkömmlichen
Typs, z. B. wie dem, das in 2 beschrieben
ist, kann die Erfindung durch das Modifizieren der Architektur des
Speicherabschnitts für
die digitalen Eingangsdaten implementiert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die Architektur dieses Abschnitts im SQTV-Verarbeitungssystem
nach 2 in 3 gezeigt.
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Im
wesentlichen umfaßt
die Architektur der Erfindung für
jeden digitalen Strom einen Kompressions- und Codierungsblock (ADPCM-Codierer)
der Daten, die in den relevanten Teilbildspeicher zu schreiben sind, FIELD
MEMORY_1 und FIELD MEMORY_2, und einen ADPCM-Decodierungs- und Dekompressionsblock (ADPCM-Decodierer)
der aus dem Speicher gelesenen Daten.
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Zweckmäßigerweise
ist es für
jeden digitalen Strom, der entsprechend einem adaptiven differentiellen Impulscode-Modulationsschema
(ADPCM) zu komprimieren ist, bevor er in einen relevanten Teilbildspeicher geschrieben
wird, nützlich,
geeignete Arbeitsfenster zu erzeugen, die in der Praxis jedes Bild
(Teilbild) in mehrere Bereiche aufteilen, um das Management der
Daten während
der verschiedenen Phasen der Kompression, der Codierung, des Schreibens
in den Speicher, des Lesens, der Decodierung und der Dekompression
zu optimieren.
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Nun
wird die Aufmerksamkeit auf den FIELD MEMORY_1 konzentriert, wobei
angenommen wird, daß die
PAL-Teilbilder mit einer Frequenz von 50 Hz zu speichern sind, während sie
mit einer doppelten Frequenz von 100 Hz zu lesen sind, wobei unter
Bezugnahme auf die Darstellung in 3 das
Folgende bemerkt werden kann.
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Das
im Y-Puffer des FIELD MEMORY_1 der Darstellung in 3 gespeicherte Teilbild ist aus einer Folge
aus 288 Videozeilen zusammengesetzt, wobei jede von ihnen aus 720
Luminanz-Bildelementen besteht. Diese Zeilen werden durch den WINDOW
GENERATOR-Schaltungsblock verwendet, um ein Arbeitsfenster zu erzeugen,
in dem eine Kompression ausgeführt
wird.
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Dieses
Fenster oder dieser Bildbereich wird durch den Y_ADPCM_Codiererblock
komprimiert und dann im Y_FIELD MEMORY_1 gespeichert. Bei der Speicherausgabe
werden diese Fenster in einer "Raster"-Betriebsart ohne die Hilfe eines Verzögerungspuffers
des "First-In-First-Out"-Typs durch den Y_ADPCM_Decodiererblock
dekomprimiert.
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4 zeigt den Stromlaufplan
jedes WINDOW GENERATOR-Blocks.
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Wird
z. B. angenommen, daß in
einem Fenster gearbeitet wird, das aus 16 Bildelementen pro Zeile besteht,
wobei 4 Zeilen verwendet werden, wie in S gezeigt
ist, sind in Anbetracht der Tatsache, daß der WINDOW GENERATOR durch
die Videozeilen in der "Raster"-Serienbetriebsart
gespeist wird, "First-In-First-Out"-Speicher (LINE MEMORY)
erforderlich, um jedes Bildelement einer Videozeile um eine Zeit zu
verzögern,
die gleich der "Übergangs"-Zeit der ganzen
Zeile durch den Puffer ist. Für
die Konstruktion des vierzeiligen Fensters sind drei dieser Speicher
erforderlich.
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Jede
Zeile speist den VARIANCE ESTIMATOR-Block mit 16 Bildelementen zu
einem Zeitpunkt, wobei sie auf dieselbe vertikale Zeile ausgerichtet
sind. Dieser Block berechnet die Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden
Bildelementen, die zu einem Fenster gehören, dessen horizontale Breite
gleich 16 Bildelementen ist, als Absolutwert. Auf diese Weise werden
zum selben Zeitpunkt vier Partialsummen erhalten. Die Summe der
vier Werte ist die erwartete Gesamtsumme.
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Diese
Lösung
ist gegenüber
dem Multiplexieren der Bildpunkte der vier Zeilen (stromaufwärts des
VARIANCE ESTIMATORs) vorzuziehen, weil das Multiplexieren die Betriebsfrequenz
von 13,5 MHz auf 54 MHz vergrößern würde, was
für die
praktische Implementierung ungünstig
ist.
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Diese
Bildelemente werden in den ADPCM-Codierer eingespeist.
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Jedes
PAL-Teilbild ist folglich in rechteckige Blöcke mit einer Größe von 16*4
oder allgemeiner R × C (R
Zeilen und C Spalten) unterteilt. Die maximale Effektivität der Kompression
wird erhalten, wenn R bzw. C aus den ganzzahligen Teilern der Bildgröße ausgewählt sind.
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Der
durch den ADPCM-Codierer implementierte Algorithmus führt die
Kompression jedes Blocks aus, d. h. eine Verringerung der Anzahl
der Bits, die für
seine digitale Darstellung erforderlich ist, indem er lediglich die
Informationen verwendet, die aus dem Block selbst erhalten werden,
um sowohl den Zugriff auf den Block im komprimierten Datenstrom
als auch die Dekompression des Blocks zu vereinfachen.
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Durch
das Definieren einer Anordnung des Abtastens der Bildpunkte jedes
Blocks, so daß für jeden Bildpunkt
mit Ausnahme des ersten jeder Zeile ein vorhergehender Bildpunkt
existiert, der als Prädiktor
des Bildpunkts selbst verwendet werden kann, und unter der Annahme,
daß P(i,
j), i = 1, ..., R und i = 1, ..., C der Bildpunkt der Zeile i und
der Spalte j eines generischen Blocks ist, wobei P'(i, j) der als Prädiktor von
P(i, j) verwendete Bildpunkt ist, ist die Reihenfolge nach 5 deshalb wie folgt definiert:
- – P(i,
1), i = der erste abgetastete Bildpunkt jeder Zeile i = 1, ...,
R
- – P'(i, j) = P(i, j – 1); i
= 1, ..., R und j = 2, ..., C.
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Durch
das Definieren von E(i, j) = P(i, j) – P'(i, j) als den Vorhersagefehler ist
es deshalb bekannt, daß die
Menge der Vorhersagefehler eine statistische Beschreibung besitzt,
die durch eine Folge zufälliger
und gleichverteilter unabhängiger
Variable gut approximiert werden kann, die eine Laplace-Wahrscheinlichkeitsdichte
besitzen.
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Durch
das Ausnutzen dieser älteren
Informationen über
den Vorhersagefehler ist es möglich,
den letzteren zu komprimieren, indem er auf eine kleine Menge von
Werten Q(k), k = 1, ..., L mit L < 2^B
abgebildet wird, ohne eine übermäßige Verzerrung
einzufügen.
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Diese
Abbildungsoperation wird Quantisierung genannt.
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Wird
angenommen, daß jeder
Wert der L Werte Q(k) mit einer Anzahl C von Bits codiert werden
kann, die kleiner als B ist (dies ist uneingeschränkt wahr,
wenn z. B. L ≤ 2^C
gilt), führt
die binäre
Codierung jedes dem Vorhersageprozeß unterworfenen Bildpunkts
zu einer Kompression um einen Faktor C/B.
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Das
ADPCM-Kompressionsverfahren wird auf jeden der Blöcke angewendet,
in die das Bild durch die folgenden Operationen unterteilt wird:
- 1) Auswahl und Codierung im digitalen Strom
eines geeigneten Quantisierers;
- 2) Codierung des ersten Bildpunkts jeder Zeile des Blocks;
- 3) Dekorrelierung, Quantisierung und Codierung aller folgenden
Bildpunkte des Blocks.
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Die Auswahl
und die Codierung des Quantisierers
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Es
ist wohlbekannt, daß die
durch den Quantisierungsprozeß eingeführte Verzerrung
reduziert werden kann, falls alle Quantisierungswerte Q(k) berechnet
werden, indem die Leistung des zu quantisierenden Signals betrachtet
wird. Es ist außerdem
bekannt; daß verschiedene
Teile eines digitalen Bildes sehr verschiedene Leistungswerte zeigen
können.
Das vorliegende Verfahren definiert die Menge der Werte Q(k), die
für jeden Block
relevant sind, abhängig
von der Leistung des Blocks selbst wie folgt:
- – die Menge
der Werte von Q1(k), k = 1, ..., L, die im Fall der Einheitsleistung
verwendet wird, ist sowohl dem Codierer als auch dem Decodierer
bekannt;
- – die
Leistung U des Blocks wird im digitalen Strom geschätzt und
codiert;
- – die
Werte Q(k), die von dem Block tatsächlich verwendet werden, werden
als:
Q(k) = Q1(k)*U; k = 1, ..., L
berechnet.
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Die
Bewertung der Blockleistung kann in der statistischen Laplace-Hypothese
des Vorhersagefehlers leicht ausgeführt werden. In der Tat kann
in diesem Fall die Leistung durch das Multiplizieren des Mittels
der Absolutwerte der Blockvorhersagefehler mit der Quadratwurzel
aus zwei berechnet werden. Die Leistungscodierung kann einfach durch
das Skalieren mit dem Maximalwert und durch das Darstellen des Ergebnisses
als eine Anzahl von K Bits erfolgen, um auf diese Weise im wesentlichen
eine gleichförmige
Quantisierung zu realisieren.
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Beim
Auswählen
des Quantisierers der Vorhersagefehler muß ebenfalls der Spitzenwert
der Quantisierungsfehler berücksichtigt
werden, weil es im Fall großer
Vorhersagefehler geschehen kann, daß der durch den Quantisierer
zurückgegebene
Maximalwert entsprechend der im folgenden gezeigten Darstellung
zu klein ist. Deshalb werden gleichzeitig zur Berechnung der Varianz
außerdem
die Spitzenwerte des Vorhersagefehlers für jede Gruppe G aus horizontalen
aufeinanderfolgenden Zeilen berechnet (z. B. G = 2). Für jede dieser Gruppen
aus Bildpunkten wird ein Bit zur Codierung hinzugefügt, um das
Auftreten einer übermäßigen Spitze des
Vorhersagefehlers zu signalisieren, wobei folglich ein Quantisierer
ausgewählt
wird, der im Fall eines Zeilenpaars einer Leistung 2*U entspricht.
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Die Codierung
des ersten Bildpunktes jeder Zeile des Blocks
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Der
erste Bildpunkt des Blocks, der oben als P(1, 1) bezeichnet wurde,
wird keiner Vorhersage unterworfen, wobei er folglich entsprechend
seiner ursprünglichen
Auflösung
durch eine Anzahl von B Bits codiert wird.
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Im
Vergleich zur bekannten Technik ist der Abtastpfad des Fensters
modifiziert. Dies erlaubt, die Dekompression der Notwendigkeit anzupassen,
am Ausgang des FIELD MEMORYs das Rasterformat zu erhalten.
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Die Entkorrelation, Quantisierung
und Codierung aller anderen Bildpunkte des Blocks
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Für jeden
Bildpunkt P des Blocks wird der Bildpunkt P' als Prädiktor entsprechend dessen übernommen,
was oben definiert ist. Es muß angemerkt
werden, daß dieser
Prädiktor,
was aus der gezeigten Abtastreihenfolge folgt, bereits quantisiert
und wiederhergestellt ist, wobei er deshalb nicht aus dem ursprünglichen Bild
erhalten wird; dies erlaubt im Einklang mit der ADPCM-Technik eine verbesserte
Steuerung der Qualität des
Bildes.
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Ein Beispiel der Kompression
mit N Bit je Bildpunkt
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Unter
Bezugnahme auf das in 5 gezeigte
Abtastbeispiel wird ein R*C-Block
aus Bildpunkten nach dem WINDOW GENERATOR-Block berücksichtigt.
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Die
Gesamtzahl der für
die Kompression des Blocks verwendeten Bits ist gleich: K + (8*R) + (R*C – 1)*N + R/G,wobei:
K
= die für
das Codieren der Leistung verwendeten Bits,
8 = die für den ersten
Bildpunkt beim Abtasten jeder Zeile verwendeten Bits,
N = die
für die
Quantisierung verwendeten Bits,
(R*C – 1)*N = die für die DPCM-Codierung
der verbleibenden Bildpunkte verwendeten Bits,
R/G = die Bits
zum Signalisieren des geänderten
Quantisierers in den
R/G Gruppen der Zeilen sind.
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Im
Fall: K = 6, R = 4, C = 16, N = 4, G = 2 wird die folgende Gesamtmenge
erhalten: 6 + 8*4 + (8*16 – 1)*4 + 4/2 = 280 Bits/Block
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Im
Fall: K = 6, R = 4, C = 16, N = 3, G = 2 wird gegenüber den
für die
ursprüngliche
Darstellung erforderlichen 4*16*8 = 512 bit die folgende Gesamtmenge
erhalten: 6 + 8*4 + (8*16 – 1)*3 + 4/2 = 220 Bits/Block
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Ein Beispiel der Kompression
eines PAL-4 : 2 : 2-Teilbildes
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Jedes
Teilbild besteht aus 3.240 4*16-Luminanzblöcken und aus 1.620 4*16-Blöcken für jede Chrominanz-Komponente;
jeder Luminanz- und Chrominanzblock ist mit einer Anzahl von Bits
codiert, die gleich (4*16*8) = 512 bit ist.
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Jedes
in Blöcke
aufgebrochene Teilbild beansprucht die folgende Anzahl an Bits:
| – Y-Komponente
[(720*288)/(4*16)]*512 = | 1.658.880
bit |
| – U-Komponente
[(360*288)/(4*16)]*512 = | 829.400
bit |
| – V-Komponente
[(360*288)/(4*16)]*512 = | 829.400
bit |
| | gesamt
3.317.760 bit |
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Wird
im Gegensatz z. B. eine 4-Bit/Bildpunkt-Kompression der Luminanz
und eine 3-Bit/Bildpunkt-Kompression der Chrominanz betrachtet,
würde folgen:
| – Y-Komponente
[(720*288)/(4*16)]*280 = | 907.200
bit |
| – U-Komponente
[(360*288)/(4*16)]*220 = | 356.400
bit |
| – V-Komponente
[(360*288)/(4*16)]*220 = | 356.400
bit |
| | gesamt
1.620.000 bit |
der erhaltene Kompressionsfaktor ist gleich
2.048, wobei folglich eine 50%-Kompression jedes Teilbildes ermöglicht wird.
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Ein Beispiel der Dekompression
eines PAL-4 : 2 : 2-Teilbildes
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Während der
Dekompressionsphase muß das
Rasterformat erzeugt werden. Unter Bezugnahme auf das Beispiel in
den 5 und 6 wird angenommen, daß, um alle
Bildelemente, die zur Zeile 3 gehören, zu dekomprimieren, und
um als nächstes
die Dekompression von denjenigen des m-ten und (m + 1)-ten Blocks der
Luminanz-Komponente zu beginnen, die folgenden Bits aus dem m-ten
Block gelesen werden müssen:
K
= 6 Bits, die für
die Leistungscodierung verwendet werden,
8 = Bits, die für den ersten
Bildpunkt des Abschnitts der Zeile 3 verwendet werden;
C – 1*N =
60 Bits, die für
die DPCM-Codierung der verbleibenden Bildpunkte der Zeile 3 verwendet
werden,
1 Bit, um zu signalisieren, daß der Quantisierer geändert wurde.
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Auf
diese Weise sollte der ADPCM-Decodiererblock der Darstellung nach 3 alle Informationen besitzen,
die erforderlich und ausreichend sind, um alle 16 Bildelement-Gruppen
jedes 4*16-Blocks zu dekomprimieren, und die zu der Videozeile gehören, die
der folgenden Verarbeitung unterworfen wird.
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Ein Beispiel
der Anwendung auf einen SQTV-Decodierer
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Werden
die gezeigten Beziehungen betrachtet, ist es möglich, die Architektur für eine auf
3,1 Mbit verringerte globale Speicheranforderung zu definieren,
falls eine 50%-Kompression der FIELD MEMORIES angenommen wird.
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Dieses
Ergebnis wird durch die Neukompression der stromaufwärts des
NOISE REDUCTION-Blocks gespeicherten Teilbilder entsprechend der
in 3 gezeigten Darstellung
erreicht.
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Die
Kompression ist an den durch den WINDOW GENERATOR erzeugten 4*16-Block
entsprechend dem adaptiven DPCM-Schema angepaßt. Insbesondere für die 4*16-Luminanzblöcke ist
eine 4-Bit-Kompression ausgewählt
worden, während
für die
4*16-Chrominanzblöcke
eine 3-Bit-Kompression gewählt
worden ist.
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Deshalb
beträgt
die Speicheranforderung der 2 FIELD MEMORIES: 1.620.000*2
= 3.240.000 bit
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Wird
die Aufgabe des Integrierens der FIELD MEMORIES in den SQTV-Chip betrachtet,
ohne zu externen Speichervorrichtungen zu greifen, ermöglicht das
oben dargelegte Ergebnis eine große Einsparung von Siliciumfläche, die
für seine
Verwirklichung erforderlich ist.
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7 zeigt eine funktionale
Darstellung jedes ADPCM-Codiererblocks.
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In 7 enthält der ADPCM-Codiererblock
einen 64*8-Bit-Puffer (BLOCK BUFFER) für die Erfassung der Eingangsdaten.
Eine dedizierte Schaltung (VARIANCE ESTIMATOR) berechnet den Mittelwert
der Bildelemente jedes Eingangsdatenblocks und den Mittelwert der
Summe der Absolutwerte der Differenzen zwischen jedem Bildelement
des Datenblocks. Mit diesen Parametern ist es möglich, die Varianz des Eingangsdatenblocks
(des Blocks der Bildelemente) zu bewerten. Der geschätzte Wert
der Varianz wird als ein Konditionierungs-Koeffizientenzeiger des
Quantisierers (QUAN TIZER) verwendet, der voreingestellt und in einem dedizierten
Festwertspeicher (ROM) bleibend aufgezeichnet sein kann. Als eine
Alternative kann die Verwendung einer voreinstellbaren kombinatorischen
Logik-Schaltungsanordnung (PLA-Schaltungsanordnung) eine weniger
teuere Lösung
sein, um einen oder mehrere voreingestellte digitale Werte entsprechend
des an den Eingang angelegten Varianz-Datenelements zu erzeugen.
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Das
DPCM-Kompressionsnetz, das geeignet ist, um einen Prädiktorwert
zu erzeugen, um ihn an den relevanten Eingang der Differenziererstufe
(–) anzulegen,
besteht aus einem Multiplexer mit zwei Eingängen (MUX), an dessen ersten
Eingang der Wert des ersten Bildelements (A1) jedes eingegebenen
Datenblocks angelegt wird, während
der durch das Netz erzeugte Prädiktorwert
an den anderen Eingang angelegt wird. Die Addiererstufe (+) empfängt durch
einen ersten Eingang den Ausgangsstrom der Quantisiererschaltung (QUANTIZER),
der zum Ausgangswert des Multiplexers (MUX) zu addieren ist. Das
durch die Addiererstufe (+) erzeugte Summen-Datenelement wird an
den Eingang einer Begrenzungsschaltung (LIM. 0–255) angelegt, deren Ausgangsstrom
in den Eingang einer Prädiktorwert-Generatorschaltung
(COEFF) gespeist wird.
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Die
Begrenzerstufe (LIM. 0–255)
kann aus einer dedizierten kombinatorischen Logikschaltung hergestellt
sein. Die Verwendung dieser Stufe wird notwendig, um das mögliche Streuen
des Maximalwerts eines Bildpunkts von der zugeordneten Grenze zu
kompensieren, die im Fall einer 8-Bit-Codierung eines Bildpunkt-Wertes
bei 255 fixiert ist. Nährend
der Kompressions- und Dekompressionsphasen könnte der Bildpunkt-Wert in
der Tat zufällig
den Grenzwert von 255 überschreiten,
wobei in diesem Fall die Begrenzerschaltung den Maximalwert des
Bildpunkts innerhalb der erlaubten Grenze beschränkt.
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Eine
Codierungsstufe (CODER) für
das Schreiben der komprimierten Daten in die Teilbildspeicher mit drei
Bits für
die Chrominanzdaten und vier Bits für die Luminanzdaten empfängt am Eingang
den Ausgangsstrom der Quantisiererschaltung (QUANTIZER) und schreibt
die so neukomprimierten Daten in die relevanten Puffer des Teilbildspeichers.
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8 zeigt eine funktionale
Darstellung jedes ADPCM DECODER-Blocks.
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Wird
angenommen, daß aus
dem Speicher ein ADPCM-komprimierter 4*16-Block der Luminanzdaten gelesen wird,
wird aus diesen ein Varianzwert erhalten, der in den ROM (oder in
die PLA) eingespeist wird, um auf einen der darin gespeicherten
Werte zu zeigen. Die T0-, T1-, T2-, T3-, T4-, T5-, T6- und T7-Werte,
die in den Multiplexer MUX gespeist werden, werden auf diese Weise
erzeugt. Im Fall der Dekompression der Luminanzdaten steuern die
4-Bit-Teilwörter, die
aus dem Datenblock erhalten werden, die Auswahl der T-Werte durch den MUX
an.
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Der
aktuelle T-Wert wird schließlich,
abgesehen davon, daß er
das dekomprimierte Bildelement wird, außerdem der Wert, der zum nächsten durch
den MUX ausgewählten
Wert zu addieren ist.
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Dieser
Prozeß wird
durch das erste Bildelement des Blocks initialisiert, das nicht
der Kompression und Dekompression unterworfen wird.
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Selbstverständlich können die
tatsächlichen
Ausführungsformen
der verschiedenen funktionalen Blöcke der ADPCM ENCODER- und
ADPCM DECODER-Darstellungen nach den 7 und 8 verschiedenen sein. Praktische
Ausführungsformen
dieser funktionalen Blöcke
sind in der Beschreibung und der Zeichnung der Anmeldung für das europäischen Patent
Nr. 96830106.9, im Namen desselben Anmelders am 11. März 1996
eingereicht, beschrieben, wobei deren Inhalte durch ausdrücklichen
Literaturhinweis hierin aufgenommen sind.
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Die 9, 10 und 11 zeigen
eine ausführliche
funktionale Darstellung des VARIANCE ESTIMATOR-Blocks nach 7 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
In den Figuren sind gemeinsame funktionale Symbole verwendet, wobei
sie deshalb vom Durchschnittsfachmann unmittelbar gelesen und von
ihm verstanden werden können,
wobei eine wiederholte Definition und Beschreibung jeder Stufe,
die die VARIANCE ESTIMATOR-Schaltung bildet, als nicht notwendig
für ein
vollständiges
Verständnis
der Architektur oder für
ihre praktische Implementierung gehalten wird.
