FI84682C - Foerfarande och anordning foer predikterande kodning. - Google Patents

Description

1 84682

Menetelmä ja laite ennustavaa koodausta varten

Esillä olevan keksinnön kohteena on ennustava koodausmenetelmä, joka käsittää digitaalisen sisääntulosignaa-5 Iin ja digitaalisen ennustesignaalin väliseen eroon verrannollisen laskostuneen erosignaalin muodostamisen, erosig-naalin kvantisoinnin, ennustesignaalin ja kvantisoidun erosignaalin summaamisen sisääntulosignaalia edustavan rekonstruoidun signaalin muodostamiseksi, ja ennustesig-10 naalin muodostamisen rekonstruoidusta signaalista riippuvaisesti .

Ennustavassa koodauksessa eli DPCM-koodauksessa (Differential pulse code modulation) käytetään hyväksi si-sääntulosignaalin signaaliarvojen välistä korrelaatiota 15 koodaamalla ja siirtämällä signaaliarvojen välinen erotus.

Kuviossa 1 on esitetty tyypillisen DPCM-kooderin periaatteellinen lohkokaavio. Lohko 1 muodostaa sisääntulosignaa-lin x(n) ja ns. ennustesignaalin p(n) välisen erosignaalin e(n), joka kvantisoidaan kvantisointilohkossa 3. Kvantisoi-20 tu erosignaali e'(n) summataan lohkossa 4 ennustesignaaliin p(n), jolloin saadaan ns. rekonstruoitu signaali x'(n), joka edustaa sisääntulosignaalin x(n) ja kvantisointivir-heen summaa. Rekonstruoidun signaalin x'(n) perusteella muodostetaan ennustuslohkossa 5 ennustesignaali p(n), joka 25 syötetään lohkolle 1.

Signaalit x(n) ja p(n) ovat yleensä rinnakkaismuotoisia digitaalisia signaaleja, käsittäen esimerkiksi kahdeksan bittiä, jolloin niiden lukualue on 0...255. Tavallisessa DPCM-koodauksessa erosignaali e(n) voi saada 30 sekä positiivisia että negatiivisia arvoja ja sen yksikäsitteiseen esittämiseen käytetään yksi bitti enemmän kuin signaalin x(n) ja p(n) esittämiseen. Esimerkiksi 9-bitin 2-komplementtiesityksessä erosignaalin e(n) koko arvoalue on -256...+255. Ennustesignaalin p(n) arvo P mää-35 rää erosignaalin e(n) kullakin hetkellä mahdollisen luku- 2 84682 alueen XMIN-P. . .x^-p, eli esimerkkitapauksessa -P...255-P, kun sisääntulosignaalin maksimi- ja minimiarvot ovat X^ ja XMIH. Tällöin on kullakin hetkellä käytössä vain osa erosig-naalin e(n) arvoista sekä niitä vastaavista kvantisointita-5 soista, kuten on havainnollistettu kuviossa 2A.

Laskostavassa kvantisoinnissa käytetään hyväksi ero-signaalin edellä mainittua ominaisuutta kuvaamalla (laskostamalla) negatiiviset erosignaalin e(n) arvot positiiviselle lukualueelle ennen kvantisointia, kuten kuviossa 2B 10 on havainnollistettu. Laskostavaa kvantisointia on kuvattu esim. artikkelissa "A Simple High Quality DPCM-codec for Video Telephone Using 8 Mbit per second ", Nachtrictentech-nische Zeitung, 1974, Häft 3, sivut 115-117. Kuviossa 2B erosignaalin negatiivinen alue, -1...-P, on kuvautunut 15 positiiviselle alueelle arvon 255-P yläpuolelle siten, että arvoja X ja 256-X vastaa sama kvantisoitu arvo. Täten arvon 255-P alapuolella on suurin mahdollinen positiivinen ja yläpuolella suurin mahdollinen negatiivinen erosignaalin arvo. Laskostaminen voidaan käytännössä suorittaa jättämäl-20 lä erosignaalin e(n) etumerkkibitti pois, kun erosignaali on 2-komplementtimuodossa. Koska erosignaalin esittämiseen käytetään nyt yksi bitti vähemmän, on kvantisointilohkon lukualue puolet pienempi kuin normaalissa ennustavassa koodauksessa. Kvantisointitasoja on siten noin kaksi ker-25 taa tiheämmässä normaaliin ennustavaan koodaukseen verrattuna, jos käytettävissä on sama määrä tasoja kvantisoidun erosignaalin esittämiseksi.

Kvantisointitasoja Q on tyypillisesti alle 64. Tällöin kvantisointilohkon jokaiseen kvantisointiväliin Qn 30 .. ,Qn+i sijoittuu useita erosignaalin e(n) arvoja. Pienillä ja suurilla sisääntulosignaalin arvoilla voi kvantisoin-tivälissä, johon erosignaalin arvo 255-P kuuluu, erosignaalin arvo kuvautua väärän merkkiseksi, mitä tämän jälkeen kutsutaan virheelliseksi kvantisoinniksi. Kuviossa 2B kvan-35 tisointivälissä Qn...Qntl arvon 255-P yläpuolelle, posltii- 3 84682 viselle alueelle laskostunut negatiivinen erosignaalin arvo kuvautuu kvantisoinnissa suhteellisen suureksi positiiviseksi kvantisoidun erosignaalin e'(n) arvoksi, kuten kuviossa 2C on havainnollistettu. Tämä virheellinen kvanti-5 sointi saattaa esimerkiksi videokuvan siirrossa näkyä valkoisen kuva-alkion vaihtumisena mustaksi tai päinvastoin.

Tällainen laskostavassa kvantisoinnissa esiintyvä virhe on pyritty estämään rajoittamalla signaalia ylhäältä ja alhaalta suurimman mahdollisen kvantisointivirheen ver-10 ran. Tällöin erosignaali ei voi saada arvoja siltä kvanti-sointiväliltä Qn.. .Qntl, johon kuuluu sekä positiivisia että laskostuneita negatiivisia arvoja. Tällainen signaalin rajoittaminen supistaa kuitenkin merkittävästi sisääntulosig-naalin dynamiikkaa erityisesti karkeiden (vähän kvantisoin-15 titasoja käsittävien) kvantisoijien yhteydessä.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikansaada laskostavaa kvantisointia varten menetelmä ja laite, joilla estetään virheellinen kvantisointi sisääntulosignaalin dynamiikkaa rajoittamatta.

20 Tämä saavutetaan keksinnön mukaisesti siten, että virheelliset kvantisoinnit tunnistetaan erosignaalin muo-dostamistapahtumassa ja rekonstruoidun signaalin muodos-tamistapahtumassa eriaikaisesti esiintyvien ylivuotojen avulla ja korjataan ennustesignaalin arvosta riippuvaises-25 ti.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan virheellinen kvantisointitapahtuma helposti havaita tarkkailemalla erosignaalin ja rekonstruoidun signaalin muodostamistapah-tumia. Normaalissa toiminnassa, kun erosignaalia muodostet-30 taessa negatiivinen arvo on laskostunut positiiviselle alueelle eli on tapahtunut ylivuoto, myös rekonstruoitua signaalia muodostettaessa tapahtuu automaattisesti ylivuoto, joka kumoaa laskostumisen aiheuttaman, kvantisoin-titulosta vääristävän vaikutuksen ja tulokseksi saadaan 35 oikea rekonstruoitu arvo. Mikäli vain toisessa näistä muo- 4 84682 dostamistapahtumista esiintyy ylivuoto, se kertoo kvan-tisoinnissa tapahtuneesta virheellisyydestä.

Kun virheellinen kvantisointitapahtuma on havaittu, voidaan ennustesignaalin arvon avulla määrittää onko vir-5 heellinen kvantisointikuvaus tapahtunut positiivisesta negatiiviseen arvoon vai päinvastoin. Näin voidaan ennuste-signaalin avulla korjata kvantisoinnissa tapahtunut virhe valitsemalla lähin oikea kvantisoidun erosignaalin tai rekonstruoidun signaalin arvo. Edullisinta tämä on toteut-10 taa tallentamalla muistiin kutakin erosignaalin arvon ja ennustesignaalin arvon yhdistelmää kohden korjausarvo, joka virhetilanteessa korvaa virheellisen kvantisoinnin vääristämän arvon.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa korvataan 15 rekonstruoidun signaalin arvo, jonka virheellinen kvanti-sointi on vääristänyt, muistiin tallennetulla korjausarvol-la. Tällöin voidaan käyttää pienempää ja nopeampaa muistia kuin itse kvantisoitua erosignaalia korjaamalla. Nopea muisti on välttämätön nopeutta vaativissa sovellutuksissa, 20 kuten esimerkiksi 34 Mbit/s videokoodekeissa. Koska rekonstruoitu signaali on joka tapauksessa muodostettava ennen kuin virheellinen kvantisointitapahtuma voidaan tunnistaa, on rekonstruoidun signaalin korjaaminen edullista myös nopeusvaatimusten kannalta. Tällöin signaalinkäsittely 25 tapahtuu jatkuvasti etenevänä prosessina, jossa ei tarvitse palata taaksepäin korjaamaan jo muodostettuja signaaleja.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 6 mukainen laite.

Keksintöä selitetään nyt yksityiskohtaisemmin suo-30 ritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää lohkokaavion tekniikan tason mukaisesta, ennustavan koodauksen toteuttavasta laitteesta, kuvio 2A esittää erosignaalin lukualuetta ja ero-35 signaalin saamien arvojen riippuvuutta ennustesignaalin 5 84682 arvosta P, kuvio 2B havainnollistaa laskostunutta erosignaalia, ja kuvio 2C havainnollistaa kvantisointivirheen synty-5 mistä kuvion 2B erosignaalia kvantisoitaessa, ja kuvio 3 esittää lohkokaavion eräästä keksinnön mukaisesta laitteesta laskostavaa kvantisointia varten.

Kuviossa 3 vähentäjäpiiri 1 vähentää sisääntulosig-naalista x(n) ennustesignaalin p(n) muodostaen laskostuneen 10 erosignaalin e(n). Signaalit x(n) ja p(n) ovat edullisesti 8-bittisiä digitaalisia rinnakkaismuotoisia signaaleja. Vähentäjäpiiri 1 voi olla tavanomainen piiri, joka antaa tuloksena 2-komplementtimuodossa olevan signaalin, joka käsittää kahdeksan bittiä sekä etumerkkibitin. Mainitut 15 kahdeksan bittiä muodostavat laskostuneen erosignaalin e(n) ja etumerkkibitti muodostaa ylivuotosignaalin 0F1. Erosig-naali e(n) johdetaan kvantisointipiirille 3, jossa se kvan-tisoidaan. Kvantisointipiirin 3 muodostama kvantisoitu erosignaali e'(n) summataan summainpiirissä 4 ennustesig-20 naaliin p(n). Summainpiiri 4 voi olla tavanomainen piiri, joka muodostaa 2-komplementtimuodossa olevan signaalin, joka käsittää kahdeksan bittiä ja etumerkkibitin. Mainitut kahdeksan bittiä muodostavat ensimmäisen rekonstruoidun signaalin x'N(n). Etumerkkibitti muodostaa ylivuotosig-25 naalin 0F2. Ensimmäinen rekonstruoitu signaali x'K(n) johdetaan valitsinpiirin 6 yhteen sisääntuloon. Valitsinpiirin 6 toiseen sisääntuloon johdetaan kvantisointivirheen kor-jaussignaali x'or(n). Valitsinpiiri 6 kytkee sen ohjaussi-sääntuloon johdetun ohjaussignaalin OF mukaisesti ulostu-30 loonsa jomman kumman kahdesta sisääntulosta. Valitsinpiirin 6 ulostulosignaali x'(n) muodostaa lopullisen rekonstruoidun signaalin, jonka perusteella muodostetaan ennustusloh-kossa ennustesignaali p(n), joka syötetään vähentäjäpiiri 1-le 1.

35 Ennustuslohkon 5 toteutus voi vaihdella hyvin pal- 6 84682 jon sovellutuksesta riippuen, mutta tyypillisesti se käsittää ainakin laskenta-algoritmin, joka laskee rekostruoidus-ta signaalista x'(n) uuden ennustesignaalin p(n) arvon P joko viiveettömästi tai ennaltamäärätyllä viiveellä. Tyy-5 pillinen sovellutus on videokuvansiirto, jolloin ennustesignaalin p(n) arvo voidaan esimerkiksi laskea samalla juovalla olevien edellisten kuva-alkioiden avulla ja juova-jakson suuruisella viiveellä edellisellä juovalla olevien viereisten kuva-alkioiden avulla tai kuvakenttäjakson suu-10 ruisella viiveellä edellisessä kuvakentässä olevan vastaavan kuva-alkion avulla.

Vähentäjäpiirin 1 muodostama ylivuotosignaali 0F1 ja summainpiirin 4 muodostama ylivuotosignaali 0F2 syötetään ekslusiiviselle TAI-piirille 8, jonka ulostulosignaali 15 muodostaa ohjaussignaalin OF. Mikäli kummassakaan piirissä 1 ja 4 ei tapahdu ylivuotoa eli OF1=0 ja 0F2=0, niin myös OF=0, jolloin valitsinpiiri 6 kytkee ensimmäisen rekonstruoidun signaalin x'N(n) ulostuloonsa. Signaali x'N(n) kytketään valitsinpiirin 6 ulostuloon myös silloin, kun kum-20 massakin piirissä 1 ja 4 tapahtuu ylivuoto eli 0F1-1, 0F2=1 ja OF=0. Lopuksi mikäli vain toisessa piireistä 1 ja 4 tapahtuu ylivuoto, eli 0F1=1 ja 0F2=0 tai OF1=0 ja 0F2*1, niin ohjaussignaali OF saa tilan 1, jolloin valitsinpiiri kytkee ylivuodon korjaussignaalin x'ol,(n) ulostuloonsa muo-25 dostamaan rekonstruoidun signaalin x'(n) arvon virhetilanteessa.

Kuvion 3 laite käsittää lisäksi virheellisen kvan-tisoinnin korjausrekisterin 7, joka muodostaa kvantisoin-nin korjaussignaalin x'0F(n). Rekisterille 7 syötetään en-30 nustesignaali p(n). Kvantisoinnin korjausrekisteri 7 on edullisesti muistipiiri, johon on kutakin ennustesignaalin p(n) arvoa kohti määritelty korjattu rekonstruoidun signaalin arvo. Tämä arvo muodostaa kullakin hetkellä kvantisoinnin korjaussignaalin x’or(n), joka on jatkuvasti val-35 miina valitsinpiirin 6 toisessa sisääntulossa riippumatta 7 84682 siitä onko virheellinen kvantisointi tapahtunut vai ei. Kun virheellinen kvantisointi tapahtuu ja signaalin OF tila on 1, valitsinpiiri 6 voi nopeasti korjata rekonstruoidun signaalin x'(n) arvon kytkemällä ulostuloonsa signaalin 5 x’0F(n).

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kvantisoija-piiri 3 sisältää myöhemmin tapahtuvaa VLC-koodausta (variable length coding = vaihtuvamittainen koodaus) varten välikoodauspiirin 3a, joka muodostaa kvantisointituloksen 10 perusteella välikoodin IC (Intermediate code), joka tyypillisesti on kvantisointitulokseksi valitun kvantisointitason järjestysnumero. Kvantisointitasoja, kuten myös erosig-naalin e'(n) arvoja, on tyypillisesti alle 64 kappaletta, jolloin välikoodi IC on mahdollista esittää kuudella bitil-15 lä. Tämän ansiosta voidaan käyttää pienempää ja nopeampaa VLC-koodausmuistia.

Kuvion 3 suoritusmuodossa kvantisointipiirille 3 syötetään molemmat ylivuotosignaalit 0F1 ja 0F2. Välikoo-dauspiiri 3a sisältää kaksi muistia: normaalin välikoodaus-20 muistin sekä virheellisen kvantisoinnin korjausmuistin. Normaali välikoodausmuisti sisältää kunkin kvantisointitason järjestysnumeron. Kun ylivuotosignaalit 0F1 ja 0F2 ovat samat, välikoodi IC muodostetaan tämän muistin avulla. Kvantisoinnin korjausmuisti puolestaan käsittää kutakin 25 kvantisointituloksen ja erisuurten ylivuotosignaalien 0F1 ja 0F2 yhdistelmää kohti korjatun välikoodiarvon, joka virhetilanteessa vastaa lähintä oikeaa kvantisointitasoa, joka ei ole virheellinen. Välikoodi IC muodostetaan tämän muistin avulla, kun esiintyy virheellinen kvantisointi ja sig-30 naalien 0F1 ja 0F2 tilat ovat erilaiset.

Edellä esitetyn keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon avulla virheellisen kvantisointitapahtuman tunnistaminen ja korjaaminen käy mahdollisimman nopeasti, minkä vuoksi se soveltuu suurta nopeutta vaativiin sovellutuksiin, 35 kuten hyvälaatuisen videosignaalin siirtoon.

8 84682

Erityisesti hitaammissa sovellutuksissa voidaan kuitenkin vaihtoehtoisena ratkaisuna korjata kvantisoitua erosignaalia e’(n). Tällöin tarvitaan rekisterin 7 sijasta korjausmuisti, johon on kutakin ennustesignaalin p(n) ja 5 erosignaalin e(n) tai e'(n) kohti tallennettu lähin oikea kvantisoidun erosignaalin arvo, joka ei aiheuta virhettä ja jolla kvantisoidun erosignaalin arvo virhetilanteessa korvataan. Tällainen muisti voi sisältyä kvantisoin-tipiiriin 3 tai se voi olla rekisterin 7 tyyppinen eril-10 linen piiri.

Käytännön sovellutuksissa voi olla useita rinnakkaisia kuvion 3 mukaisia kvantisoijia 3, joilla jokaisella on rekisterissä 7 ja välikoodauspiirissä 3a oma korjaus-taulukkonsa. Tällöin rekisterille 7 tuodaan tieto myös 15 siitä, millä kvantisoijalla signaali kullakin hetkellä koodataan.

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityiskohdiltaan esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä ja 20 laite voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puit teissa.

Claims (8)

9 84682

1. Menetelmä ennustavaa koodausta varten, joka käsittää 5 digitaalisen sisääntulosignaalin ja digitaalisen ennustesignaalin väliseen eroon verrannollisen laskostuneen erosignaalin muodostamisen, erosignaalin kvantisoinnin, ennustesignaalin ja kvantisoidun erosignaalin sum-10 maamisen sisääntulosignaalia edustavan rekonstruoidun signaalin muodostamiseksi, ja ennustesignaalin muodostamisen rekonstruoidusta signaalista riippuvaisesti, tunnettu siitä, että virheelliset kvantisointitapahtumat tunnistetaan erosig-15 naalin muodostamistapahtumassa ja rekonstruoidun signaalin muodostamistapahtumassa eriaikaisesti esiintyvien ylivuotojen avulla ja korjataan ennustesignaalin arvosta riippuvaisesti .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-20 n e t t u siitä, että virheellinen kvantisointi korjataan korvaamalla virheellinen kvantisoidun erosignaalin arvo ennustesignaalin avulla valitulla lähimmällä virheettömällä arvolla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-25 n e t t u siitä, että virheellinen kvantisointi korjataan korvaamalla virheen vääristämä rekonstruoidun signaalin arvo ennustesignaalin avulla valitulla lähimmällä oikealla arvolla.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että kvantisointituloksen perusteella muodostetaan myöhempää koodausta varten välikoodi, joka edullisesti on valitun kvantisointitason järjestysnumero, ja että virheellisessä kvantisointitapahtumassa muodostettu välikoodi vaihdetaan ennustesignaalin tai mainit- 35 tujen ylivuotosignaalien avulla valittuun toiseen välikoo- 10 84682 diin, joka vastaa lähintä oikeaa kvantisoidun erosignaalin arvoa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laskostunut erosig- 5 naali muodostetaan poistamalla 2-komplementtimuodossa olevan erosignaalin etumerkkibitti.

6. Laite ennustavaa koodausta varten, joka laite käsittää vähentäjävälineen (1) digitaalisen sisääntulosig-10 naalin (x(n)) ja digitaalisen ennustesignaalin (p(n)) väliseen eroon verrannollisen laskostuneen erosignaalin (e(n)) muodostamiseksi, kvantisointivälineen (3) erosignaalin kvantisoimi- seksi, 15 summainvälineen (4) ennustesignaalin (p(n)) ja kvan tisoidun erosignaalin (e'(n)) summaamiseksi sisääntulosig-naalia edustavan rekonstruoidun signaalin (x'(n)) muodostamiseksi, ennustusvälineen (5) ennustesignaalin (p(n)) muodos-20 tamiseksi rekonstruoidusta signaalista (x'(n)) riippuvaisesti, tunnettu siitä, että vähentäjäväline (1) ja summainväline (4) käsittävät ylivuodosta ilmoittavat yli-vuotosignaaliulostulot (OF1, OF2), ja että laite edelleen käsittää kvantisoinnin korjausvälineet (6, 7, 8), jotka 25 ovat vasteelliset mainittujen ylivuotosignaalien (0F1, OF2) eriaikaiselle esiintymiselle virheellisen kvantisoinnin tunnistamiseksi ja korjaamiseksi ennustesignaalin (p(n)) arvosta riippuvaisesti.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, t u n-30 n e t t u siitä, että virheellisen kvantisoinnin korjausvälineet käsittävät ennustesignaalillaa osoitettavan muistivälineen (7), johon on kutakin ennustesignaalin arvoa kohti tallennettu rekonstruoidun signaalin korjausarvo, sekä mainituille ylivuotosignaaleille (0F1, 0F2) vasteel- 35 lisen valitsinvälineen (6, 8) virheellisen kvantisoinnin il 84682 vääristämän rekonstruoidun signaalin (x'(n)) arvon korvaamiseksi mainitulla korjausarvolla, kun mainitut ylivuo-tosignaalit (0F1, 0F2) esiintyvät eriaikaisesti.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, 5 tunnettu siitä, että kvantisointiväline (3) käsittää koodausvälineen (3a), joka muodostaa kvantisointitulok-sesta riippuvaisesti välikoodin (IC), joka edullisesti on valitun kvantisointitason järjestysnumero, ja että mainittu koodausväline (3a) sisältää kvantisoinnin korjausmuistin, 10 johon on kutakin erosignaalin ja ylivuotosignaalien arvoja varten tallennettu korjattu välikoodin arvo, joka virheellisessä kvantisointitapahtumassa korvaa alkuperäisen väli-koodin. 12 84682