WO1983003727A1

WO1983003727A1 - Procede de modulation et codage, a prediction de plage, avec taux de bits reduit adapte au signal

Info

Publication number: WO1983003727A1
Application number: PCT/EP1982/000091
Authority: WO
Inventors: Waldemar Kehler
Original assignee: Waldemar Kehler
Priority date: 1982-04-20
Filing date: 1982-04-20
Publication date: 1983-10-27

Description

Bereichsprädiktives Code-Modulationsverfahren mit signaladaptiv reduzierter bit-Rate.

U ) V e r f a h r e n s - B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung beschreibt ein bereichsprädiktives Code-Modulationsverfahren auf der Basis eines in der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 20 061 A1 beschriebenen mehrfach adaptiven (D)PCM-Quantisierungsverfahrens, mit dessen Hilfe hier signaladaptiv reduzierte bit-Raten erzielt werden sollen.

1. Stand der Technik

1.1. Konventionelle prädiktive Verfahren, wie insbesondere die Differenz-Puls Code-Modulation (DPCM) beruhen insbesondere auf einer punktuellen Signalwert- Vorhersage. Um diesen Prädiktionswert (Schätzwert) herus wird sekundär eine von der Übertragungsrate abhängige Anzahl diskreter Abweichungswerte gelegt. Diese werden binär codiert. Die zutreffende Abweichung wird mittels Codewort des repräsentativen diskreten Abweichungswertes übertragen.

1.2. Eine wesentliche Verbesserung stellt die adaptive DPCM (ADPCM) dar. Aufgrund subjektiver Erfahrungen beruhende Fehlertoleranz wird hierbei genutzt, um signaladaptiv primär davon abhängige, tolerable Schrittweiten festzulegen. Aus verschiedenen, subjektiv zulässigen Schrittweiten-Gruppierungen ergeben sich sekundär, aufgrund fester Übertragungsrate (aus der Stufenzahl), Quantisierungsbereiehe unterschiedlicher Veite.

1.3. Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, indeis in der Nähe der absoluten Signalbereichsgrenzen die zum Prädiktionswert unmöglichen Abweichungen, wegen Bereichsüberschreitung, garnicht berücksichtigt werden. Dies wird, ent sprechend der Auslegeschrift 2 124 060 des Deutschen Patentamts, ebenfalls genutzt (vgl. dort, Spalte 3 , Zeile 8 bis 12). Die "redundanzmindernde, mehrfach adaptive Quantisierung eines Wertebereichs, besonders geeignet zur optimierten Codierung und Decodierung von (D)PCM- Signalen bei fester bit-Rate" gemäß DE 30 20 061 A1, weicht erstaals davon ab, daß nur e i n meist durch (gewichtete) Hittelwertbildung bestimmter Prädiktionswert ermittelt wird, um den sekundär(aus Stufungskriterien)ein Quantisierungsbereich gelegt wird. Erstmals wird, als Alternative hierzu, die primäre Festlegung einer aus einen vorhersehbaren Signalbereich (Erwar tungsbereich) hervorgehenden Erwartungsnenge (für Signalwerte) ermöglicht. Ein Erwartungsbereich bedarf zu seiner Festlegung, anders als ein konventioneller Prädiktionswert, mindestens zwei vorhersehbare_Parameter. Diese werden von mehreren Funktionen bzw. einer (mehrparametrigen) Erwartungsfunktion geliefert, die vom konventionellen Prädiktionswert unabhängig ist, indem sie letzteren höchstens als einen von mehreren Parametern benutzt. Erst sekundär folgt daraus eine Bereichsquantisierung. Der Unterschied zwischen dem oben beschriebenen "Quantisierungsbereich" und einer "Bereichsquantisierung" eines Erwartungsbereichs für das Signal, beschreibt Redundanz. Die ideale Erwartungsnenge dieses Erwartungsbereichs wird alle nur irgendwie aus einem Signal ermittelbaren divergierenden(1) Vorhersagen berücksichtigen. Sie weicht damit prinzipiell von konventionellen Quantisierungsbereichen ab. Gemäß DE 30 20 061 Ai wird, bei fester bit-Rate, die Redundanz zwischen den Verfahrensweisen zur Optimierung von Quantisierungsbereichen genutzt.

2. Kritik, neue Möglichkeiten

2.1. Die Nutzung von Redundanz zur Reduktion der (mittleren) Übertragungsrate liegt nahe,- ist aber in DE 30 20 261 A1 noch nicht als Anwendungsmöglichkeit jenes zum Teil bereichsprädiktiven Verfahrens genannt. Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen, indem sie Vege zur Reduzierung der bit-Rate aufzeigt. Dazu muß der sehr weitläufigen Auffassung einer Erwartungsnenge gemäß DE 30 20 061 A1, die. Vorstellung entgegengesetzt werden. daß aus quasiperio dischen Signalen technischer Anwendungsfalle annähernd ideale Erwartungsmengen vorhersehbar sind, wie oben beschrieben. Zugrundegelegt werden muß diesbezüglich die ausreichend schnelle Abrufbarkeit der gesamten relevanten Signalentwicklung innerhalb eines ausreichend langen Zeitraums. Unvorherseh barkeiten absoluter Art können jedoch keinesfalls Gegenstand irgendeines prädiktiven Verfahrens sein und bleiben entsprechend auch hier unberücksichtigt. Die Entwicklung ausreichend großer und schneller Speicher bildet jedenfalls die Grundlage für die Weiterentwicklung prädiktiver Verfahren. 3. Das neue Verfahren

3.1. Neue Speichertechniken ermöglichen den schnellen Zugriff auf große Signal datenmengen und deren rasche Verarbeitung. Die näherungsweise Ermittlung von Idealen Erwartungsmenqen ist damit auch für komplexe Signalverläufe möglich geworden. Während der Begriff Erwartungsmenge noch subjektive Defi nitionsmöglichkeiten offen läßt, ist die Ideale Erwartungsmenge derart zu sehen, daß sie alle nur denkbaren divergierenden (I) Parameter und sonst d Signalverlauf extrahierbaren Erwartungsfunktionen berücksichtigt. Letztere lassen sich zu einer einzigen mehrparametrigen Erwartungsfunktion zusammen fassen. Die Patentansprüche sind, ebenso wie die Verfahrensbeschreibung, als anschaulich von Idealen Erwartungsmengen ausgehend zu verstehen. In der tech nischen Realisation kann jedoch nur gelten, daß mindestens zwei Erwartungs parameter (auch Prädiktionen im engen konventionellen Sinn) die Erwartungs menge festzulegen helfen (zentrieren). Subjektive Aspekte, auch wenn sie von Signalgegebenheiten abhängen (vgl. ADPCM), sind ebensowenig "Erwartungspara meter" wie irgendwelche technisch-physikalischen Gegebenheiten oder ein vom Anwender z.B. festgelegter Gesichtspunkt. Der Begriff ist ausschließlich signal- und wahrscheinlichkeitsbezogen. Selbstverständlich wird auch das neue Verfahren bereits bekannte Techniken zur zusätzlichen Redundanzverrin gerung, insbesondere die Möglichkeit subjektiv zulässiger Schrittweiten nebenher nutzen müssen, um eine Codeoptimierung zu erreichen. Zwecks Reduktion der Übertragungsrate wird dabei als wesentlichste Gegebenheit der unt Punkt 1.4. erkennbare Unterschied zwischen dem konventionellen Quantisierungs bereich und einem meist wesentlich engeren Idealen Erwartungsbereich bzw. der zugehörigen Idealen Erwartungsmenge nutzbar.

4. Realisierungsfälle

4.1. Bei Videoaufzeichnungen kann primär aus jeder orthogonalen Richtung (x,y,t) eine gezielte Prädiktion versucht werden. Zusätzlich kann nach konventionellem Huster eine Art (gewichteter) Mittelwert-Prädiktion aus den Umgebungspunkten gemacht werden. Der Streubereich "dieser Werte liefert eine praktisch Ideale Erwartungsnenge, sofern innerhalb eines hinreichend weiten Beobachtungskegels längs der Zeitachse keine Bewegung erkannt wird. Jeder darüber hinausgehende Quantisierungsbereich nach konventionellem Muster ist redundant. Eine exakte Abschätzung aus der Zeitachse in Form eines punktuel len Prädiktionswertes wird andererseits durch Rauscheffekte meist verhindert. Wird Bewegung erkannt, so bleibt der Charakter einer Erwartungsmenge erhalten, sie kann aber nur noch eine nichtideale bzw. mögliche Erwartungsnenge sein. Immerhin läßt sich die Anderunqstendenz der Bewegung feststellen und als wei terer Erwartungsparameter einbringen. Der Erwartungsbereich für die Änderung liefert die in DE 30 20 061 A1 schon erwähnte Abkehr von redundanter Symmetrie.

(*) Namensgebung 4.2. Die fiktive Annahme einer sehr scharfen, bewegten Schwarz-Weiß-Kante läßt auch in anderer Hinsicht die Nützlichkeit der Definition eines Idealen Erwartungsbereichs bzw. einer Idealen Erwartungsmenge erkennen. Für eine bewegungsgefährdete Prädiktions-Adresse (Bildpunkt-Koordinaten) wird der Ideale Erwartungsbereich alle Werte zwischen schwarz und weiß enthalten. Die Ideale Erwartungsmenge der scharfen Kante besteht jedoch ausschließlich aus den beiden Werten schwarz und weiß, ist also mit einem bit codierbarl Die Ideale Dynamische Erwartungsmenge, die hier theoretisch mit zwei Werten auskäme, wird int Fall unscharfer Kanten Repräsentativwerte enthalten müssen, die den gesamben . Erwartungsbereich abdecken, was praktisch stets der Fall sein wird. Die Idealisierung läßt jedoch erkennen, daß eine Resttnenge durchaus innerhalb eines Erwartüngsbereichs bzw. zwischen Verten einer Erwartungs menge liegen darf(vgl. Anspruch 1b). Auch wird ein Unterschied zur vorher beschriebenen Definitionsmöglichkeit deutlich, die nun als Ideale Statische Erwartungsmenge gedeutet werden kann. Aus beiden Definitionen ließe sich wiederum eine Ideale Gesamt-Erwartungsmenqe herleiten,usw. - Vgl. Anspruch 4. In diesem Fall wird aber auch deutlich, daß konventionelle Verfahren derartige Fälle garnicht codieren (Ausnahme: Die nichtprädiktive PCM). Erst bereichs prädiktive Verfahren eröffnen solche Möglichkeiten prinzipiell. Besonders deutlich verhält sich die Bereichsprädiktion der konventionellen punktuellen Wert-Prädiktion in allen Fällen überlegen, bei denen ein Streuungsmaß angegeben werden kann, das jede Mittelwertbildung mathematisch sinnvoll ergänzt (mithin auch bei der Berechnung von Prädiktionswerten konventioneller Art eine zusätzliche Möglichkeit!). Üblicherweise läßt sich der Streuung noch eine Vorzugsrichtung zuordnen, wie bereits erklärt worden ist.

4.3. Bildfolgen lassen eine sehr anschauliche Erklärung der erwähnten Fakten, Definitionen und Möglichkeiten zu. Es erscheint jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, das die Beschreibungen auf alle quasiperiodischen Vorgänge anwendbar sind, Oszilloskopbilder machen dies besonders deutlich. 4.4. Neben dem Fall verschiedener Erwartungsmengen gemäß 4.2. tritt insbesondere die zu einer Erwartungsmenge fremde Restmenge als weitgehend frei wählbarer Parametersatz auf. Die Restmenge ist dort von dominierender Bedeutung, wo die Wahrscheinlichkeit für Signaiwerte außerhalb der Erwartungsmenge groß ist. Hier sei ihre Nützlichkeit am Beispiel einer sehr engen Erwartungsmenge erklärt: In einer quasi-rauschfreien Bildfolge sind oft viele Bildanteile statisch. In einem nicht bewegungsgefährdeten Punkt reduziert sich die Ideale Statische Erwartungsmenge (vgl. 4.2.) auf den Signalwert des vorigen Bildes. Liegt der Signalwert des aktuellen Bildes gleich, so genügt die Über tragung eines Kennungsbits ("1"). Andernfalls wird nach dem inversen Kennungs bit ("o") für die Restmenge ein Lokalisierungs-Codewort übertragen. 5. Unterschiede

5.1. Eine Bereichsprädiktion unterscheidet sich grundlegend von der Festlegung von Quantisierungsbereichen herkömmlicher DPCM-Verfahren. Dort liefert ein punktueller Prädiktionswert jenen zentralen Stützpfeiler, um den herum nach zweckmäßigen Kriterien ein Quantisierungsbereich (für Abweichungen) aufgebaut wird. Die Weite des Bereiches ist nicht von der erwarteten Streuung abhängig. Insbesondere liegt neben den Prädiktionswert kein unmittelbarer Erwartungsparameter vor. In DE 30 20 061 A1 werden erstmals über weitere Erwartungsparameter "Erwartungsmengen" erzeugt, die allerdings nicht von zuvor dafür festgelegten Erwartungsbereichen gemäß 1.4. ausgehen. Die Definition von Erwartungsmengen erscheint dort bewußt diffuser gehalten, um den vielfältigen Möglichkeiten gerecht zu werden, die zur Festlegung einer nicht nur auf einem Erwartungswert basierenden Wertemenge geeignet sind. Da eine Erwartungsmenge auch als Erwartungsbereich aufgefaßt werden kann, läßt es sich für diesen Sonderfall als bereichsprädiktives Verfahren deuten. Das neue Verfahren geht erfindungsgemäß den umgekehrten Weg, legt also primär in jedem Fall einen Erwartungsbereich fest. Von willkürlichen Zusatzparametern abgesehen, die auch technisch oder subjektiv bedingt werden, wird streng gemäß 1.4. vorgegangen (Erwartungsmenge folgt aus Erwartungsbereich).

3.2 Unter 4.4. ist ein Fall geschildert, welcher der Definition einer Erwartungs menge dann nicht bedarf, wenn sich der Erwartungsbereich auf einen Prädik tions-Punkt reduziert. In der Praxis steht dem das Grundrauschen (Filmkorn) meist entgegen. Der Unterschied zu konventioneller DPCM wird jedoch klar, sobald im Anschluß an das Kennungsbit Lokalisationscodes unterschiedlicher Länge vorgesehen werden. So können für die Lokalisation innerhalb der Erwartungsmenge zusätzlich ein bis drei, für die Restmenge umgekehrt vier bis ein bit, je nach Signalzustand, vorgesehen werden. - Ansprüche 1c, 2c; 3a.b,c. Dies läuft auf eine Codewort-Längenprädiktion hinaus, die nach konventionel ler Vorgehensweise entfallen muß.

III ) B e i s p i e l e

1. Als erstes Anwendungsbeispiel sei der unter 5.2 genannte Fall(in Verbindung mit 4.4) erwähnt. Hier kann die Sicherheit der Abschätzung von Erwartungsmengen gegen Übertragungsbits aufgerechnet werden, besonders innerhalb der mit hoher Sicherheit statischen Bildbereiche. Als idealer Grenzfall ist bei zusätzlicher Rauschfreiheit ein bit Ubertragungsrate gemäß 4.4. nötig. Stellt man dennoch zwei bit zur Verfügung, so läßt sich sogar sukzessiv von Bild zu Bild das Quantisierungsrauschen abbauen, (das durch die stets diskreten Werte entsteht, )sobald Bildteile statisch sind. - Ansprüche 1c, 2c; 3a,b,c

2. Das zweite Beispiel betrifft Sprungerwartungen (bzw. eine Art Rampenfunktion) sobald bewegte Kanten die Prädiktions-Adresse (aktueller Bildpunkt) gefährden. Ein extremes Beispiel wurde unter 4.2. angegeben. Praktisch liegt stets der Fall vor, daß eine Dynamische Erwartungsmenge rechts oder links (!) zur Statischen Erwartungsmenge auftaucht. Hier zeigt sich die zusätzliche Redundanz aller herkömmlicherweise symmetrisch um einen Prädiktionswert herum operierenden Verfahren, selbst bei fester Ubertragungsrate, da die Abweichungser wartung gerichtet (positiv oder negativ) sein wird. Im Idealfall ist dann bei fester Ubertragungsrate ein bit redundant. - Ansprüche 1a, 2a, (3a)

3 . Natürlich kann jede Dynamische Erwartungsmenge als zur statischen komplementär betrachtet werden. Damit wäre sie eine zu erwartende Restraenge bzgl. dem Beispiel 2. - Ansprüche 1c, 2c; 3c; 5

4. Prinzipiell läßt sich der Grad der Näherung in einer Erwartungsnenge stufen a) "1.." = Erwartungsmenge, dann sukzessiv codiert (vgl. Ansprüche) b) "11." = Erwartungs-Kernmenge und, falls unbedingt erforderlich c) "111" = Prädiktionswert mit enger Toleranz (dritte Stufe weniger günstig) Eine Codierungs-Null läßt die Deutung eines Restmengen-Charakters innerhalb der Erwartungsmenge zu. Dies kann implizieren, daß der Code für jede Null um ein bit verlängert wird (der Anmelder kann hierbei jedoch nur unter Ausschluß von Fall c) Vorteile erkennen, sofern die Mengen sukzessiv zentral zueinander liegen, was aber nicht der Fall zu sein braucht ) .Eine zwei-bit- Minimalcodierung in statischen Bildgebieten erscheint jedoch vorteilhaft, mithin eine Anwendung der Fälle a) und b), bei ein bis drei bit Übertragungs rate, sowie einem Abbruch nach ein bis drei Stellen mit "1". Vgl. auch unter 4.4 bzw. 4.2. Stets wird hier die Wahrscheinlichkeit gegen Übertragungsbits aufs Spiel gesetzt. Ansprüche 1a,c, 2a, c; 3a, b; 4

5. Signalisiert das Kennungs-bit, daß ein enger(tolerabler) Erwartungsbereich in statischen Bildgebieten verfehlt wurde, so wird ein reiner Restmengen code übertragen. Doch entspräche hier lediglich der Restcode den Ansprüchen unter 1b und 2b. Praktisch wichtiger im Hinblick auf diese Ansprüche erscheint jener Fall in dem eine Statische Erwartungsmenge mit hoher Sicherheit nicht erreicht wird, weil mit Sicherheit eine Bewegungsfront eintrifft mithin eine Dynamische Erwartungsmenge maßgebend wird. -Anspr.1b, 2b ; 4; 5

6. Es erscheinen Codes denkbar, welche die Codewort-Länge direkt an der Weite infrage kommender Bereiche orientieren. - Anspruch 3b

7. Es sind auch Codes möglich, die für die Statische-, die Dynamische Erwartungsmenge sowie für die Restmenge unterschiedliche Kennungen und Codewort- Längen vorsehen können. - Ansprüche 3 ; 4

8. Das Verfahren eignet sich auch dort, wo, aufbauend auf PCM-Stützwerten, prädiktive Verfahren(zur bit-sparenden Reduktion von Übertragungsraten) dazwischen angewandt werden. Dabei können PCM-Stützwerte auch als Rest maengencode interpretiert und signalbedingt abgerufen werden, sobald z.B. ein Kennungsbit es signalisiert. In turbulenten Bildbereichen erscheint dies sinnvoll. - Anspruch 4; 5.- Eine Kombination mit verwandten oder darauf aufbauenden Codierverfahfen erscheint ebenso sinnvoll möglich.

Claims

P A T E N T - A N S P R Ü C H EBereichsprädiktives Code-Modulationsverfahren mit signaladaptiv reduzierter bit-Rate.I ) P a t e n t - A n s p r ü c h eErweitertes Quantisierungsverfahren zur Codierung eines Signal-Wertebereichs auf der Grundlage der Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamts mit der Bezeichnung "Redundanzmindernde, mehrfach adaptive Quantisierung eines Wertebereichs, besonders geeignet zur optimierten Codierung und Decodierung von (D)PCM-Signalen bei fester bit-Rate" unter DE 30 20 061 A1 (gleicher Anmelder), dadurch gekennzeichnet, daß

1. zwecks Reduktion der Ubertragungsrate das dort beschriebene Verfahren modifiziert wird mittels a) ausschließlicher Ansteuerung eines entsprechend festzulegenden Erwartunggbereichs für Signalwerte in Form einer codierbaren Erwartungs menge; b) ausschließlicher Ansteuerung einer entsprechend festzulegenden, zur Erwartungsraenge fremden Restmenqe (die durchaus innerhalb des Erwartungsbereichs liegen darf, sowohl ganz, als auch teilweise); c) Ansteuerung einer Erwartungs- und Restmenge meist verschiedener Größe, zwecks Realisierung entsprechend unterschiedlicher Codewort-Längen;

2. mittels unter 1. genannten Voraussetzungen nun fallabhängig dementsprechend a) ein reiner (auch sukzessiver) bereichsabhängiger Erwartungsmengen-Code, der, insbesondere unter Ausnutzung von subjektiv zulässigen Schritt weiten, bei primärer Abgrenzung einer Erwartungsraenge sekundär zu variablen Stufenzahlen führt, daraufhin übertragen wird. b) ein reiner (auch sukzessiver) Restmengen-Code, der, insbesondere unter Ausnutzung von subjektiv zulässigen Schrittweiten, bei primärer Abgrenzung einer Erwartungsraenge sekundär zu variablen Stufenzahlen für eine von jener abhängigen Abgrenzung einer Restmenge führt, übertragen wird; c) ein entsprechend den Mengengrößen gemischter Code von prinzipiell unterschiedlicher Länge (signaladaptiv bedingt) übertragen wird;

3. die Codewortlänge reduziert wird, indem zusätzlich oder für sich allein a) bei (sukzessiv) korrekt abgeschätztem tolerablera Erwartungsbereich auf unnötige Präzisierung, insbesondere durch weitere Ubertragungsbits, verzichtet wird. b) abhängig von einer variablen Weite eines Erwartungs- bzw. Restbereichs die Codewortlängen entsprechend variieren. c) abhängig von subjektiven oder physikalischen bzw. technischen Erfordernissen anderer Art (insbesondere auch willkürlich) irgendein Stufungs prinzip zur Anwendung kommt, das auf dem Erwartungs- und Restmengenprinzip aufbaut, wobei eine Erwartungsmenge grundsätzlich mindestens auf zwei Erwartungsparametern beruht.

4. eine Kombination oder Auswahl der unter 1.bis 3. sowie in DE 30 20 061 A1 genannten Verfahrensweisen, auch fallabhängig bzw. signalbedingt alternierend benutzt wird, insbesondere auch eine Kombination mit PCM-Verfahren.

5. bezüglich obiger Punkte abweichende, insbesondere inverse Definitionen (Mengen) bzw. Codierungen geschaffen werden, insbesondere wiederum derart, daß ein Wert n i c h t innerhalb einer Erwartungsmenge erwartet wird bzw. ein Wert wahrscheinlichkeitshalber innerhalb einer Restmenge liegt (logische Umcodierung desselben Prinzips).