NL8803152A - Prediktieve kodeer- en dekodeerschakeling voor beeldelementwaarden. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Prediktieve kodeer- en dekodeerschakeling voor beeldelementwaarden.

A. Achtergrond van de uitvinding

De uitvinding heeft in zijn algemeenheid betrekking op een prediktieve kodeerschakeling om beeldelementwaarden van uit beeldelementen opgebouwde beelden te koderen en op een prediktieve dekodeerschakeling om de aldus gekodeerde beeldelementwaarden weer in de oorspronkelijke beeldelementwaarden om te zetten.

Dergelijke schakelingen kunnen deel uitmaken van een televisie-omroepsysteem, in welk geval de kodeerschakeling deel uitmaakt van de omroepzender en elke TV-ontvanger is voorzien van een dekodeerschakeling. Ook kunnen kodeer- en dekodeerschakeling samen deel uitmaken van een videorecorder, of ander archiveringssysteem zoals een still-picture video camera en bijbehorende weergeefmodule.

B. Beschrijving van de stand van de techniek

Voor het overdragen van een beeld of plaatje langs elektrische weg, wordt zo'n beeld of plaatje in het algemeen opgedeeld in beeldelementen, elk met zijn eigen kleur en kan zodoende worden opgevat als een matrix. Bijvoorbeeld bestaat zo'n matrix uit rijen van beeldelementen, waarbij elke rij M2 beeldelementen omvat.

Zoals bekend wordt een kleur verkregen door een lineaire combinatie van drie zogenaamde componentsignalen zoals Y, 0, V of R, G, B. Het hierna volgende geldt voor elk van de componentsignalen afzonderlijk. De waarde die een bepaald componentsignaal voor een bepaald beeldelement heeft, zal beeldelementwaarde worden genoemd. Bij het digitaliseren wordt aan elk beeldelement een getal toegekend. Dit kan aangeven de beeldelementwaarde zelf, of bijvoorbeeld het verschil tussen de beeldelementwaarden van twee aan elkaar aansluitende beeldelementen. In het eerste geval wordt wel gesproken van een digitaal beeld in kanonieke vorm, of kortweg een kanoniek beeld.

Voor het realiseren van een hoge resolutie wordt er tegenwoordig steeds meer toe overgegaan om een beeld of plaatje samen te stellen uit een matrix van circa 1200 rijen (M.j=1200) met elke circa 1400 beeldelementen (M2=1400). Als nu voor elk beeldelement de beschouwde beeldelementwaarde door 8 bits wordt gerepresenteerd, dan zijn er voor de representatie van het kanonieke beeld ruim 10 bits nodig. Dit blijkt in de praktijk ontoelaatbaar hoog te zijn. Het doel van kodeerschakeling is nu om het kanonieke beeld om te zetten in een niet-kanoniek beeld dat met aanzienlijk minder bits kan worden gerepresenteerd.

Voor genoemde omzetting van het kanonieke beeld in een niet-kanoniek beeld zijn verschillende methoden bekend. De uitvinding heeft meer in het bijzonder betrekking op die methode die bekend staat als prediktieve kodering. Zoals algemeen bekend, zie bijvoorbeeld pagina's 637-648 van referentie 1, worden daarbij de beeldelementwaarden van het kanonieke beeld na elkaar en rij voor rij toegevoerd aan een verschilvormer waarin elke beeldelementwaarde met een zogenaamde prediktiewaarde wordt verminderd en de aldus verkregen prediktiefout wordt gekwantiseerd. De gekwantiseerde prediktiefouten worden enerzijds overgedragen en anderzijds toegevoerd aan een prediktieschakeling die daaruit de prediktiewaarde voor het volgende beeldelement berekent. In geval van uniforme kwantisering liggen de kwantiseringsniveau's op gelijke afstand van elkaar, welke afstand klein wordt genomen om de kwantiseringsruis zo klein mogelijk te houden. Als nu kan worden verondersteld dat de prediktiefouten nooit boven een bepaalde drempel uitkomen dan kan het aantal kwantiseringsniveau beperkt worden gehouden. In de praktijk blijkt dat acht kwantiseringsniveau's dan doorgaans voldoende is, zodat er niet meer dan drie bits nodig zijn om zo'n kwantiseringsniveau en daarmee de prediktiefout te representeren. In de praktijk blijkt de genoemde veronderstelling onjuist. In dergelijke signalen kunnen namelijk grote veranderingen optreden als gevolg van contouren in het beeld. Extreme veranderingen treden bijvoorbeeld op bij een donker (zwart) vlak op een lichte (witte) achtergrond. Als het gewenst is om dergelijke signalen toch met een gering aantal bits per beeldelement en nauwkeurig te koderen kan adaptieve kwantisering worden toegepast. Dit kan op verschillende manier worden gerealiseerd. Op de eerste plaats kan een kwantiseringskarakteristiek worden gekozen waarbij de kwantiseringsniveau's niet meer op gelijke afstand van elkaar liggen. Bijvoorbeeld neemt de afstand tussen opeenvolgende kwantiseringsniveau's toe bij toenemende waarde van het te kwantiseren signaal. Op de tweede plaats kan een keuze worden gedaan uit een aantal vaste kwantiseringskarakteristieken, waarbij de keuze wordt bepaald door bijvoorbeeld lokale statistische eigenschappen van het oorspronkelijke beeld. Een dergelijke adaptieve kwantisering is bijvoorbeeld beschreven in referentie 2. Meer in het bijzonder wordt daarbij voor elk beeldelement een zogenaamde maskeerfunktie berekend, daaruit wordt een signaal afgeleid dat bepaalt, welke kwantiseringskarakteristiek voor de kwantisering van de actuele prediktiefout moet worden aangewend. De maskeerfunktie van een actueel beeldelement is de gewogen som van verschillen van beeldelementwaarden van beeldelementen in de omgeving van het actuele beeldelement. Afhankelijk van het type omgeving kan onderscheid worden gemaakt tussen één- en twee-dimensionale raaskeerfunkties. Wordt de beeldelementwaarde van het j-de beeldelement op de i-de lijn aangegeven met S:^ en zijn maskeerfunktie met M·· en wordt de omgeving van dit beeldelement beperkt tot de k beeldelementen die aan dit beeldelement (i,j) voorafgaan, dan geldt bijvoorbeeld:

)

Zoals in referentie 2 is aangegeven is hierbij „ bijvoorbeeld afhankelijk van de Euclidische afstand tussen de beeldpunten (i,j) en (i,n).

C. Probleem dat de uitvinding beoogt op te lossen

Ten opzichte van andere adaptieve kwantiseringsmethoden wordt door adaptieve kwantisering onder bestuur van de maskeerfunktie een verdere vermindering gerealiseerd van de correlatie tussen de verschillende beeldelementen. Door nu de aldus verkregen gekwantiseerde prediktiefouten aan een optimaal gedimensioneerde variabele lengte koder toe te voeren komt deze verminderde correlatie in een lagere bitrate aan de uitgang van de variabele lengte koder tot uitdrukking. Zo blijkt bijvoorbeeld dat de helderheidscomponet Y voor plaatjes met veel contouren circa 30% en voor plaatjes met weinig contouren zelfs circa 40% Binder bits vereist. Geen verbetering blijkt deze kwantiseringsmethode op te leveren voor de kleurcomponentsignalen U en V.

De uitvinding beoogt een verdere vermindering te bewerkstelligen van het aantal bits dat nodig is om een beeld of plaatje te representeren, zonder merkbare vermindering van de beeldkwaliteit.

D. Samenvatting van de uitvinding

De bovenaangegeven doelstelling wordt gerealiseerd doordat overeenkomstig de uitvinding wordt bepaald of de maskeerfunktie is gelegen binnen een voorafbepaald interval. Is dat niet het geval dan wordt de prediktiefout naar de prediktieve dekodeerschakeling overgedragen. Is dat wel het geval, dan wordt nagegaan of de voorafgaande prediktiefout is overgedragen. Is dat het geval dan wordt de actuele prediktiefout niet overgedragen. Is dat niet het geval, dan wordt de actuele prediktiefout wel overgedragen als reeds een bepaald aantal achtereenvolgende prediktiefouten waarvoor de maskeerfunktie binnen het interval was gelegen niet zijn overgedragen.

In de bijbehorende prediktieve dekodeerschakeling worden die niet overgedragen prediktiefouten in de vorm van prediktiefouten met een vaste waarde, bijvoorbeeld de waarde nul, tussen de ontvangen prediktiefouten gevoegd. Daartoe wordt eveneens gebruik gemaakt van de maskeerfunktie die nu wordt afgeleid van de beeldelementwaarden die aan de uitgang van de dekodeerschakeling optreden.

De uitvinding zal kunnen worden gewaardeerd als de lezer zich realiseert dat in de prediktieve kodeerschakeling die in referentie 2 is beschreven, in principe elke prediktiefout wordt overgedragen naar het dekodeerstation, hoewel de gebruikte kwantiseringskarakteristiek voor opeenvolgende prediktiefouten kan verschillen. In tegenstelling hiermee wordt in de prediktieve kodeerschakeling volgens de uitvinding slechts één op de Q prediktiefouten overgedragen zolang de maskeerfunktie binnen vastgestelde grenzen ligt.

Uit experimenten op verschillende plaatjes, waarbij voor Q de waarde twee was gekozen en het interval van de maskeerfunktie liep van nul tot vier, bleek dat ten opzichte van de in referentie 2 beschreven kodeerschakeling, het totale aantal bits dat nodig was voor

Claims (10)

1. 2. Prediktieve kodeerschakeling volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat het maskeerfunktiecircuit is voorzien van optelmiddelen die prediktiewaarden en door het tweede koppelcircuit geleverde prediktiefouten ontvangt om door somvorming van prediktiewaarden en prediktiefouten de beeldelementwaarden te leveren voor het bepalen van de maskeerfunktiewaarden.
2. 3. Prediktieve kodeerschakeling volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat het waarderingscircuit een amplitude waarderingsschakeiing omvat die de maskeerfunktiewaarden ontvangt en een logische signaalwaarde van een eerste dan wel van een tweede soort levert afhankelijk van het feit of de actuele maskeerfunktiewaarde binnen respektievelijk buiten een vooraf bepaalde amplitude interval ligt.
3. 4. Prediktieve kodeerschakeling volgens konklusie 3, met het kenmerk, dat het waarderingscircuit verder is voorzien van een logische schakeling die de logische signaalwaarden van de amplitude waarderingsschakeiing ontvangt alsmede een aantal stuursignaalwaarden om door middel van een logische combinatie een nieuwe stuursignaalwaarde op te wekken.
4. 5. Prediktieve kodeerschakeling volgens konklusies 4 en 5, met het kenmerk, dat de logische kombinatie van stuursignaalwaarden en logische signaalwaarden die door de amplitudewaarderingsschakeling worden geleverd wordt beschreven door de logische uitdrukking: R(n) = Thr [ M(n)] . R (n-1) waarin R(n) de nieuwe stuursignaalwaarde voorstelt; R (n-1) de hieraan voorafgaande stuursignaalwaarde; Thr [M(n>] de actuele maskeerfunktiewaarde.
5. 6. Prediktieve dekodeerschakeling voor het dekoderen van ontvangen prediktiefouten, bevattende: a) een dekodeerschakeling-ingang voor ontvangst van de prediktiefouten en een dekodeerschakeling-uitgang voor het leveren van lokale beeldelementwaarden van beeldelementen die tezamen een beeld definiëren; b) opstelmiddelen die voor een actueel beeldelement via een eerste ingang een prediktiefout ontvangen en via een tweede ingang een bijbehorende lokale prediktiewaarde en die aan zijn uitgang door somvorming van beide daaraan toegevoerde waarden, voor het actuele beeldelement de lokale beeldelementwaarde levert; c) een derde koppelcircuit voor het koppelen van de eerste ingang van de optelmiddelen met de dekodeerschakeling-ingang; d) een lokaal prediktiecircuit met een ingang en een uitgang en die aan die uitgang de lokale prediktiewaarden levert; e) een vierde koppelcircuit voor het koppelen van de ingang van het lokale prediktiecircuit met de dekodeerschakeling-ingang; met het kenmerk, dat: f) het derde en het vierde koppelcircuit zijn voorzien van middelen die worden bestuurd door lokale stuursignaalwaarden voor het selektief tussen ontvangen prediktiefouten tussenvoegen van prediktiefouten met een vooraf bepaalde vaste waarde; g) een lokaal maskeerfunktiecircuit aanwezig is om voor een actueel beeldelement een lokale maskeerfunktiewaarde te bepalen die gelijk is aan de gewogen som van verschillen tussen telkens twee lokale beeldelementwaarden van een vooraf bepaalde kluster beeldelementen gelegen in de omgeving van het actuele beeldelement; h) een lokaal waarderingscircuit aanwezig is dat de lokale maskeerfunktiewaarden ontvangt en ingevolge daarvan voor het actuele beeldelement de lokale stuursignaalwaarde levert.
6. 7. Prediktieve dekodeerschakeling volgens konklusie 6, met het kenmerk, dat het lokale maskeerfunktiecircuit de lokale beeldelementwaarden ontvangt die optredén aan de uitgang van de optelmiddelen.
7. 8. Prediktieve dekodeerschakeling volgens konklusie 6, met het kenmerk, dat het lokale waarderingscircuit een lokale amplitude waarderingsschakeling omvat die de lokale maskeerfuntiewaarden ontvangt en een logische signaalwaarde van een eerste dan wel van een tweede soort levert afhankelijk van het feit of de actuele lokale maskeerfunktiewaarde binnen respektievelijk buiten een vooraf bepaalde amplitude interval ligt.
8. 9. Prediktieve dekodeerschakeling volgens konklusie 8, met het kenmerk, dat het lokale waarderingscircuit verder is voorzien van een logische schakeling die de logische signaalwaarden van de lokale amplitude waarderingsschakeling ontvangt alsmede een aantal lokale stuursignaalwaarden om door middel van een logische kombinatie een nieuwe stuursignaalwaarde op te wekken.
9. 10. Prediktieve dekodeerschakeling volgens konklusie 6, met het kenmerk, dat elke stuursignaalwaarde gelijk zijn aan een eerste dan wel aan een tweede logische signaalwaarde.
10. 11. Prediktieve dekodeerschakeling volgens konklusie 9 en 10, met het kenmerk, dat de logische kombinatie van stuursignaalwaarden en logische signaalwaarden die door de lokale amplitude waarderingschakeling worden geleverd wordt beschreven door de logische uitdrukking: R(n) = Thr [M(n)] . R (n-1) waarin R(n) de nieuwe lokale stuursignaalwaarde voorstelt; R (n-1) de hieraan voorafgaande lokale stuursignaalwaarde; Thr [M(n)] de actuele lokale maskeerfunktiewaarde.