FI83714C - Foerfarande och anordning foer en prediktiv kodning. - Google Patents

Description

1 83714

Menetelmä ja laite ennustavaa koodausta varten

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä ennustavaa koodausta varten, jossa menetelmässä kvantisoi-5 daan sisääntulosignaalin ja ennustesignaalin välinen ero-signaali ja valitaan kvantisointituloksesta riippuvaisesti koodaustulokseksi koodi eripituisten koodien muodostamasta ryhmästä, jossa pituudeltaan lyhimmät koodit on allokoitu erosignaalin todennäköisimmin esiintyville arvoille.

10 Ennustavassa koodauksessa eli DPCM-koodauksessa (Differential pulse code modulation) käytetään hyväksi koodattavan signaalin signaaliarvojen välistä korrelaatiota koodaamalla ja siirtämällä signaaliarvojen välinen ero-signaali. Tavallisesti tämä toteutetaan muodostamalla si-15 sääntulosignaalin ja sitä vastaavan tai kuvaavan ns. ennustesignaalin välinen erosignaali, joka sitten kvantisoi-daan esitystarkkuuden pienentämiseksi. Kvantisoidun ero-signaalin mahdollisten arvojen lukumäärä on huomattavasti pienempi kuin sisääntulosignaalin mahdollisten arvojen 20 lukumäärä. Kvantisoitu erosignaali summataan ennustesignaalin kanssa, jolloin muodostetaan uudelleen sisääntulo-signaali, joka kuitenkin sisältää kvantisointivirheen. Näin muodostettua signaalia kutsutaan rekonstruoiduksi signaaliksi, joka on sama kuin vastaanottimen dekooderissa 25 muodostettava signaali. Tämän rekonstruoidun signaalin avulla lasketaan uusi ennustesignaali, joka pyrkii mahdollisimman tarkasti estimoimaan sisääntulosignaalin seuraa-vaa arvoa.

Tyypillisesti ennustavaan koodaukseen liittyy myös 30 tilastollisia tai entropiakoodausmenetelmiä, esim. ns. vaihtuvamittaisten eli VLC (variable-length-coding)-koodien käyttö. Tällöin kullekin kvantisoidun erosignaalin arvolle on varattu eli allokoitu yksi koodi eripituisia koodeja sisältävästä ryhmästä. Allokointi on suoritettu 35 siten, että lyhimmät koodit on varattu todennäköisimmin 2 S3714 esiintyville kvantisoidun erosignaalin arvoille. Käytännössä lyhimmät koodit on allokoitu erosignaalin arvolle nolla sekä pienille positiivisille ja negatiivisille arvoille. Tällä tavoin erosignaali on ollut mahdollista 5 esittää ja siirtää keskimäärin vähemmillä biteillä kuin ilman vaihtuvamittaisten koodien käyttöä.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada vaihtuvamittaisia koodeja käyttävä ennustava koodausmenetelmä, jossa erosignaalin esittämiseen ja siirtämiseen 10 tarvittavien binäärikoodien keskimääräistä pituutta on edelleen lyhennetty.

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä menetelmällä, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että koodien allokointia erosignaalin arvoille muutetaan 15 ennustesignaalin arvosta riippuen.

Keksintö perustuu havaintoon, että VLC-koodauksella saavutettua informaation tiivistystä rajoittaa erityisesti lyhyiden VLC-koodien äärellinen määrä. Kuitenkin normaalissa koodauksessa on kullakin hetkellä käytössä vain noin 20 puolet erosignaalin arvoista, kvantisointitasoista sekä niitä vastaavista väli- ja VLC-koodeista. Suurilla ja pienillä ennustesignaalin arvoilla voi myös osa lyhyistä VLC-koodeista jäädä käyttämättä. Kulloinenkin ennustesignaalin arvo määrää erosignaalin mahdollisten arvojen alueen ja 25 siten myös tämän alueen ulkopuolelle jääville erosignaalin arvoille allokoidut VLC-koodit. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa allokoidaan VLC-koodit ennustesignaalin arvon mukaisesti siten, että osa normaalin ennustavan koodauksen tuottamista pitkistä VLC-koodeista korvataan erosignaalin 30 mahdottomille arvoille allokoiduilla lyhyemmillä koodeil la, jotka muutoin jäisivät käyttämättä. Tällä tavoin voidaan selvästi lyhentää siirrettävien VLC-koodien keskimääräistä pituutta.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan menestyksel-35 lisesti soveltaa myös laskostavaa kvantisointia käyttävän 3 83714 ennustavan koodauksen yhteydessä.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 7 mukainen laite ennustavaa koodausta varten.

Keksintöä selitetään nyt yksityiskohtaisesti suori-5 tusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää lohkokaavion keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavasta kooderista, kuvio 2 esittää lohkokaavion keksinnön mukaisesti 10 koodatun signaalin dekoodaukseen käytettävästä dekooderis-ta, kuviot 3A ja 3B havainnollistavat VLC-koodien uudelleenallokointia, kuviot 4A ja 4B havainnollistavat VLC-koodien uu-15 delleenallokointia laskostavaa kvantisointia käyttävän ennustavan koodauksen yhteydessä, kuvio 5 esittää esimerkin tavanomaisesta yksiulotteisesta VLC-koodien allokointitaulukosta, ja kuvio 6 esittää esimerkin keksinnön mukaisesta kak-20 siulotteisesta VLC-koodien allokointitaulukosta.

Aluksi viitataan kuvioon 1, jossa on esitetty periaatteellinen lohkokaavio eräälle keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavalle kooderille. Keksintö kuvataan aluksi tavanomaisen ennustavan koodauksen yhteydessä, mutta samat 25 perusperiaatteet pätevät myös myöhemmin selostettavan, laskostavaa kvantisointia käyttävän ennustavan koodauksen yhteydessä.

Kuvion 1 kooderin toiminta voidaan karkeasti jakaa kahteen osaan: ennustava koodaus (DPCM) ja vaihtuvamit-30 täinen koodaus (VLC).

Ennustavassa koodauksessa vähentäjäpiiri 1 vähentää sisääntulosignaalista x(n) ennustesignaalin p(n) muodostaen erosignaalin e(n). Signaalit x(n) ja p(n) ovat edullisesti 8-bittisiä digitaalisia signaaleja. Erosignaali 35 e(n) voi saada sekä positiivisia että negatiivisia arvoja 4 83714 ja sen esittämiseen 2-komplementtimuodossa käytetään yksi bitti enemmän kuin signaalien x(n) ja p(n) esittämiseen. Erosignaali e(n) johdetaan kvantisointipiirille 3, jossa sen esitystarkkuutta pienennetään kvantisoimalla se käyt-5 täen signaalin esittämiseen vähemmän signaaliarvoja, enintään 64:ää. Kvantisointipiirin 3 muodostama kvanti-soitu erosignaali e'(n) summataan summainpiirissä 4 ennus-tesignaaliin p(n), jolloin saadaan rekonstruoitu signaali x'(n), joka edustaa sisääntulosignaalin x(n) ja kvanti-10 sointivirheen q(n) summaa. Rekonstruoidun signaalin x'(n) perusteella muodostetaan ennustuslohkossa 5 ennustesignaa-li p(n), joka syötetään vähentäjäpiirille 1.

Ennustuslohkon 5 toteutus voi vaihdella hyvin paljon sovellutuksesta riippuen, mutta tyyppillisesti se kä-15 sittää ainakin laskenta-algoritmin, joka laskee rekonstruoidusta signaalista x'(n) uuden ennustesignaalin p(n) arvon P joko välittömästi tai ennalta määrätyllä viiveellä. Tyypillinen sovellutus on videokuvan siirto, jolloin ennustesignaalin p(n) arvo voidaan esimerkiksi laskea välit-20 tömästi samalla juovalla olevien edellisten kuva-alkioiden avulla ja juovajakson suuruisella viiveellä edellisellä juovalla olevien viereisten kuva-alkioiden avulla tai kuvakenttä j akson suuruisella viiveellä edellisessä kuvakentässä olevan vastaavan kuva-alkion avulla.

25 Ennustava kvantisointi on alan ammattimiesten hyvin tuntema ja sen yksityiskohtainen toteutus voi vaihdella huomattavasti ilman että poiketaan keksinnön piiristä.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kvantisoija-piiri 3 sisältää myös välikoodauspiirin 3a, joka muodostaa 30 kvantisointituloksen perusteella välikoodin IC (intermediate code),joka tyypillisesti on kvantisointitulokseksi valitun kvantisointitason järjestysnumero. Kvantisointi-tasoja on tyypillisesti alle 64 kappaletta, jolloin väli-koodi IC on mahdollista esittää kuudella bitillä. Välikoo-35 di IC syötetään osoitteeksi VLC-koodauslohkolle 6. Osoit- 5 83714 teenä voidaan käyttää myös kvantisoitua erosignaalia e'(n), mutta välikoodin IC käytöllä säästetään osoitebit-tejä ja sitä kautta muistin kokoa.

VLC-koodauslohko 6 muodostaa vakiopituisen koodin 5 6a, joka sisältää välikoodin IC ja ennustesignaalin p(n) perusteella valitun VLC-koodin ja ylimääräisiä täytebittejä. Yleensä koodauslohko 6 muodostaa lisäksi VLC-koodin pituuden ilmoittavan signaalin 6b. Signaalit 6a ja 6b viedään rinnan/sarjamuuntimelle 7, jossa signaali 6a muunneli) taan sarjamuotoon samalla poistaen ylimääräiset täytebitit pituusinformaatiota hyväksikäyttäen. Sarjamuotoinen signaali syötetään siirtonopeuden tasaavaan lähtöpuskuriin 8, jonka jälkeen suoritetaan myös linjakoodaus.

Kuviossa 3A on kuvattu eri pituisten VLC-koodien 15 tavanomaista kiinteää allokointia erilaisille erosignaalin arvoille. Kuviossa 5 on esitetty esimerkki vastaavasta välikoodilla IC indeksoidusta allokointitaulukosta sekä muutamista VLC-koodeista. Lyhimmät VLC-koodit on allokoitu erosignaalin e(n) arvolle nolla ja pienille positiivisille 20 ja negatiivisille erosignaalin e(n) arvoille, jotka ovat erosignaalin todennäköisimmin esiintyviä arvoja. Pitkät VLC-koodit on allokoitu harvemmin esiintyville suurille erosignaalin arvoille.

Erosignaalin e(n) koko arvoalue on 9-bitin 2-komp-25 lementtiesityksessä -256...+255. Tulosignaalin x(n) ja ennustesignaalin p(n) lukualue on esimerkissä 0...255. Ennustesignaalin p(n) arvo P määrää erosignaalin e(n) kullakin hetkellä mahdollisen lukualueen XMIN-P. . .Χ,^-P, eli -P...255-P. Tällöin on kullakin hetkellä käytössä vain 30 puolet erosignaalin e(n) arvoista sekä niitä vastaavista kvantisointitasoista ja VLC-koodeista. Erityisesti suurilla ja pienillä ennustesignaalin arvoilla normaalia kiinteää VLC-koodien allokointia käytettäessä saattaa osa lyhyistä VLC-koodeista jäädä käyttämättä, koska ne on allo-35 koitu erosignaalin e(n) arvoille, jotka ovat kyseisellä 6 83714 hetkellä mahdottomia. Keksinnön mukaisessa menetelmässä suoritetaan ennustesignaalin p(n) arvosta P riippuva uudelleenallokointi järjestämällä VLC-koodit siten, että käyttämättä jääneet lyhyet VLC-koodit siirretään korvaa-5 maan pitkiä VLC-koodeja erosignaalin e(n) mahdollisella lukualueella. Kuvio 3B havainnollistaa VLC-koodien pituutta keksinnön mukaisen uudelleenallokoinnin jälkeen.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa VLC-koodien uudelleenallokointi on käytännössä toteutettu siten, 10 että VLC-koodauslohko 6 käsittää muistin, joka sisältää kaksiulotteisen VLC-koodeja sisältävän allokointi taulukon, joka on indeksoitu välikoodilla IC ja ennustesignaalin p(n) arvolla P. Tätä varten VLC-koodauslohkolle 6 johdetaan IC-koodin lisäksi toisena osoitteena ennustesignaali. 15 Kuviossa 5 on havainnollistettu erästä tällaista allokoin-titaulukkoa, jossa esimerkiksi ennustesignaalin p(n) arvoa P=128 vastaavan VLC-sarakkeen voi muodostaa kuvion 5 yksiulotteinen taulukko. Muissa kuvion 6 sarakkeissa VLC-koodit on keksinnön mukaisesti allokoitu välikoodeille eri 20 tavoin muuttamalla koodien järjestystä.

Eräs vaihtoehtoinen toteutustapa on kvantisoinnin jälkeen muuttaa välikoodia IC. Tämä voidaan toteuttaa muodostamalla ennustesignaalin e(n) ja alkuperäisen välikoo-din IC tai kvantisoidun erosignaalin e'(n) avulla sopiva 25 uusi välikoodi, joka syötetään osoitteeksi VLC-koodauslohkolle 6, jossa on yksiulotteinen allokointitaulukko. Tällä toimenpiteellä saavutetaan sama vaikutus kuin edellä esitetyllä ratkaisulla ilman että tarvitaan muutoksia VLC-koodauslohkoon 6, mutta toisaalta se vaatii ylimääräisen 30 piirin uuden välikoodin muodostamista varten. Ratkaisu saattaa kuitenkin olla edullinen, kun keksintöä sovelletaan vanhoihin koodereihin.

Kuvioissa 4A ja 4B on havainnollistettu keksinnön soveltamista laskostavan kvantisoinnin yhteydessä. Laskos-35 tavaa kvantisointia on kuvattu esim. artikkelissa "A

7 83714

Simple High Quality DPCM-codec for Video Telephone Using 8 Mbit per second ", Nachtrictentechnische Zeitung, 1974, Häft 3, sivut 115-117. Laskostavassa kvantisoinnissa käytetään hyväksi sitä, että erosignaalille e(n) on tietyllä 5 hetkellä mahdollisia vain puolet erosignaalin kaikista arvoista. Erosignaalin e(n) lukualuetta voidaan pienentää kuvaamalla (laskostamalla) negatiiviset erosignaalin arvot sellaisten erosignaalin positiivisten arvojen päälle, jotka ovat sillä hetkellä käytetyllä ennustesignaalin p(n) 10 arvolla P mahdottomia. Kuviossa 4A pienet positiiviset arvot ovat alueella 0... 255-P ja negatiiviset arvot las-kostuneina alueelle arvon 255-P yläpuolella. Koska pienet erosignaalin arvot ovat yleisiä, lyhyet VLC-koodit on perinteisessä laskostavaa kvantisointia käyttävässä koodauk-15 sessa allokoitu kuviossa 4A kiinteästi lukualueen ala- ja yläpäässä oleville yleisimmille erosignaalin arvoille.

Laskostavassa kvantisoinnissa on siten joka hetki käytössä myös ne lyhyet VLC-koodit, jotka normaalissa ennustavassa kvantisoinnissa jäisivät mahdollisen lukualueen 20 ulkopuolelle. Osa lyhyistä VLC-koodeista saattaa kuitenkin laskostumisen seurauksena erityisesti hyvin suurilla tai pienillä ennustesignaalin arvoilla P sijoittua suurille erosignaalin negatiivisille tai positiivisille arvoille, kuten VLC-koodit kuvion 4A erosignaaliarvon 255-P oikealla 25 puolella. Nämä lyhyet VLC-koodit saadaan keksinnön mukaisesti tehokkaampaan käyttöön siirtämällä ne kuvion 4B mukaisesti lähellä ennustesignaalin p(n) sen hetkistä arvoa P oleville erosignaalin arvoille. Tällä tavoin saadaan käytettyjen VLC-koodien keskimääräinen pituus lyhenemään. 30 Käytännön toteutus voi olla samanlainen kuin tavanomaisessa ennustavassa kvantisoinnissa, ainoastaan käytetyt allo-kointitaulukot ovat sisällöltään erilaiset.

Käytännön sovellutuksissa voi olla useita rinnakkaisia kuvion 1 mukaisia kvantisoijia 3, joilla jokaisella 35 on koodauslohkossa 6 oma taulukkonsa. Tällöin koodausloh- β 83714 kolle 6 tuodaan myös tieto siitä, millä kvantisoijalla 3 signaali kullakin hetkellä koodataan.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukaisesti koodatun signaalin dekoodaamiseen soveltuvan dekooderin lohko-5 kaavio. Dekooderi käsittää dekoodauslohkon 22, joka muuttaa vastaanottamansa koodatun signaalin y(n) kvantisoiduk-si erosignaaliksi e'(n). Kvantisoitu erosignaali e'(n) johdetaan summainpiirille 21, jossa se summataan ennuste-signaaliin p(n), jolloin tuloksena saadaan rekonstruoitu 10 signaali x'(n). Ennustuslohko 23 laskee rekonstruoidun signaalin x'(n) avulla ennustesignaalin p(n) samalla tavoin kuin ennustuslohko 5 kuviossa 1. Jos siirtovirheitä ei tapahdu, signaali x’(n) on sama kuin lähettimessä tai kooderissa muodostettu rekonstruoitu signaali x'(n). En-15 nustesignaali p(n) johdetaan summainpiirille 21 ja VLC-dekoodauslohkolle 22. Dekoodauslohko 22 sisältää keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa kvantisoidun erosignaalin e'(n) arvoja sisältävän kaksiulotteisen taulukon, joka on indeksoitu ennustesignaalin p(n) arvon P ja kvantisoituja 20 erosignaalin arvoja vastaavien VLC-koodien avulla. Taulukko on siten käänteinen muunnostaulukko kuvion 6 allokoin-titaulukolle, paitsi että välikoodeja IC ei enää tarvita — vaan ne on korvattu suoraan kvantisoidun erosignaalin e'(n) arvoilla.

25 Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksinnön mukainen menetelmä ja laite voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (11)

1. Menetelmä ennustavaa koodausta varten, jossa menetelmässä kvantisoidaan sisääntulosignaalin ja ennus- 5 tesignaalin välinen erosignaali ja valitaan kvantisoin-tituloksesta riippuvaisesti koodaustulokseksi koodi eripituisten koodien muodostamasta ryhmästä, jossa pituudeltaan lyhimmät koodit on allokoitu erosignaalin todennäköisimmin esiintyville arvoille, tunnettu siitä, että koo- 10 dien allokointia erosignaalin arvoille muutetaan ennuste-signaalin arvosta riippuen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lyhyet koodit, jotka on allokoitu erosignaalin arvoille, jotka eivät ole kyseisellä ennus- 15 tesignaalin arvolla mahdollisia, siirretään erosignaalin arvoille, jotka ovat kyseisellä ennustesignaalin arvolla mahdollisia.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että erosignaali kvantisoidaan laskos- 20 tavan kvantisoinnin periaatteella, jolloin negatiiviset erosignaalin arvot kvantisoinnissa kuvautuvat sellaisten erosignaalin positiivisten arvojen tilalle, jotka ovat kyseisellä ennustesignaalin arvolla mahdottomia, ja että erosignaalin suuria positiivisia tai negatiivisia arvoja 25 vastaaville kvantisoidun erosignaalin arvoille allokoidut lyhyet koodit siirretään lähellä ennustesignaalin arvoa oleville kvantisoidun erosignaalin arvoille.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kvantisointituloksena 30 muodostetaan välikoodi, joka on edullisesti kvantisointi-tulokseksi valitun kvantisointitason järjestysnumero.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koodit valitaan kaksiulotteisesta allokointitaulukosta ennustesignaalin 35 arvon ja välikoodin tai kvantisoidun erosignaalin perus- 10 8371 4 teella.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koodit valitaan yksiulotteisesta allokointitaulukosta hakukoodilla, joka muo- 5 dostetaan ennustesignaalin arvon ja välikoodin tai kvan-tisointituloksen perusteella.

7. Laite ennustavaa koodausta varten, joka laite käsittää välineen (1) sisääntulosignaalin (x(n)) ja ennus-10 tesignaalin (p(n)) välisen erosignaalin (e(n)) muodostamiseksi, kvantisointivälineen (3) erosignaalin (e(n)) kvan-tisoimiseksi, summainvälineen (4) kvantisoidun erosignaalin 15 (e'(n)) ja ennustesignaalin (p(n)) summaamiseksi, ennustevälineen (5) ennustesignaalin muodostamiseksi summainvälineen ulostulosignaalista riippuvaisesti, sekä koodausvälineet (6), jotka kvantisointituloksesta 20 riippuvaisesti valitsevat koodaustulokseksi koodin eripi tuisia koodeja sisältävästä ryhmästä, jossa pituudeltaan lyhimmät koodit on allokoitu erosignaalin usein esiintyville arvoille, tunnettu siitä, että koodausvälineet (6) ovat vasteellisia ennustesignaalille (p(n)) 25 mainitun allokoinnin muuttamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että kvantisointiväline (3) muodostaa kvantisointituloksena välikoodin, joka on edullisesti kvantisointitulokseksi valitun kvantisointitason järjes- 30 tysnumero.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että koodausvälineet (6) sisältävät ennustesignaalilla ja välikoodilla tai kvantisoidulla erosignaalilla osoitettavan kaksiulotteisen allokointitau- 35 lukon. 11 8371 4

9 83714

10. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite sisältää välineen haku-koodin muodostamiseksi ennustesignaalin ja välikoodin tai kvantisointituloksen perusteella, ja että koodausvälineet 5 sisältävät mainitulla hakukoodilla osoitettavan yksiulotteisen allokointitaulukon.

11. Laite ennustavalla koodauksella koodatun signaalin dekoodaamiseksi, joka laite käsittää dekoodausvälineen (22), joka sisältää muunnostaulu-10 kon koodatun signaalin (y(n)) sisältämien koodiarvojen muuttamiseksi kvantisoidun erosignaalin (e'(n)) arvoiksi, summainvälineen (21) kvantisoidun erosignaalin (x'(n)) ja ennustesignaalin (p(n)) summaamiseksi muodostamaan rekonstruoitu signaali (x'(n)), sekä 15 ennustusvälineen (23) ennustesignaalin (p(n)) muo dostamiseksi rekonstruoidun signaalin (x'(n)) perusteella, tunnettu siitä, että dekoodausväline (22) on vas-teellinen ennustesignaalille (p(n)) mainitun muunnostaulukon muuttamiseksi tai vaihtamiseksi. 20 12 8371 4