DE2309444C3

DE2309444C3 - System zur digitalen Bildübertragung mittels Differenz-Pulscodemodulation (DPCM)

Info

Publication number: DE2309444C3
Application number: DE2309444A
Authority: DE
Inventors: Willmut Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Zschunke
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-02-26
Filing date: 1973-02-26
Publication date: 1980-06-04
Also published as: AU6583974A; GB1457556A; JPS502413A; DE2309444A1; DE2309444B2; JPS5250097B2

Description

Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausfühningsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Sendeseite;

F ϊ g. 2 ein Blockschaltbild der Empfaiigsseite; Fi g. 3 einen Ausschnitt aus einem Fernsehbild;

F i g. 4 die Lage von Abtastpunkten und Zeilen für ein Fernsehbild der deutschen Norm und

Fi g. 5 die Darstellung einer Rampenfunktion.

In diesen Figuren sind die erfindungsgemäßen Ergänzungen gegenüber dem bekannten DPCM-System stärker ausgezogen.

Es wird zuerst kurz das Prinzip des bekannten DPCM-Systemi beschrieben. Die Abtastwerte eines Bildes werden über den Eingang Ei der Sendeseite (Fi g. 1) an einen Differenzbildner Döfangelegt, in dem der Differenzwert zu dem vorhergehenden Abtastwert ermittelt wird. Dieser Differenzwert wird dann in einem Quantisierer Qu quantisiert und anschließend in einem Coder Cod in einen 3 oder 4 Bit-Code codiert. Aus dem Eingangssignal werden in einer Auswerteschaltung Au yie Synchronisierimpulse abgetrennt Bei dem Auftreten eines Synchronisierimpulses wird dann ein Generator G angestoßen, der ein entsprechendes Codewort für jeden Synchronisierimpuls erzeugt Die Codeworte für die Synchronisierimpulse und die vom Coder abgegebenen Codeworte für die Differenz der Abtastwerte werden in einem Sendekreis Sk zusammengefaßt und über den Ausgang A 1 zur Empfangsseite übertragen.

Die quantisierten Differenzwerte werden außerdem in einem Summenbildner Su 1 zu dem vorhergehenden Abtastwert addiert und dann in einer nachfolgenden Verzögerungsschaltung Vi um die Dauer einer Abtastperiode verzögert Dieser verzögerte Abtastwert wird dann wieder an den Differenzbildner Diff und an den Summierer Su 1 angelegt

Auf der Empfangsseite (Fig.2) werden die über den Eingang E2 einlaufenden Codeworte an einen Decoder Dec und an einen Detektor Det für Synchronisationsworte angelegt

Die decodierten Differenzwerte werden in einem Summenbildner Su 2 zu dem vorhergehenden Abtastwert addiert und diese neuen Abtastwerte werden dann in einem Ausgangskreis AK mit den Synchronisierzeichen zusammengefaßt und stehen am Ausgang A 2 als wiederhergestelltes Videosignal mit Synchronisierzeichen an. Das Ausgangssignal des Summenbildners Su 2 wird in einer Verzögerungsschaltung V2 um die Dauer einer Absiastperiode verzögert und wird dann an einen Eingang des Summenbildners Su 2 angelegt

Um die Wiedergabe von starken Helligkeitsänderungen zu verbessern, sind erfindungsgemäß auf der Sende- und der Empfangsseite die stark ausgezogenen Einrichtungen und Verbindungen hinzugefügt Für das Ausführungsbeispiel ist dabei angenommen, daß ein Vergleich mit der vorhergehenden Zeile vorgenommen wird.

Da die Einrichtungen auf der Sende- und Empfangsseite identisch sind, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet

Die Differenzwerte we- ', ,■» vor dem Eingang des Summenbildners Su in analoger Form abgegriffen und an einen Schwellwertkreis Swangelegt

Wenn der Differen^wert eine vorgegebene Größe überschreitet, wird vofi diesem Kreis eine Torschaltung Tfreigegeben, über di£ die Amplitude des Abtastwertes vom Ausgang des Sur^menbildners Su und die Stellung eines Zählers Zä an efte Vergleichs- und Absuchschaltung VA weitergegebtfh werden. Ein Überschreiten der vorgegebenen Differenz erfolgt immer bei Konturpunkten, d. h. an Punkten einer Kante oder Kontur.

Der Zähler Zä wird jeweils durch ein Codewort für die Zeilensynchronisierung gestartet und dann im Takt der Abtastimpulse weitergeschaltet

In der Vergleichs- und Absuchschaltung VA wird die Lage des gerade abgetasteten Konturpunktes, dessen Amplitudendifferenz zum vorhergehenden Abtastwert den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, mit entsprechenden Konturpunkten der vorhergehenden Zeile verglichen, die in einem Speicher Sp gespeichert sind, und es wird geprüft, ob aus den Konturpunkten ein entsprechender Konturpunkt für die nächste Zeile vorhergesagt werden kann. Bei dieser Auswertung wird auch die Amplitude mit herangezogen.

Gleichzeitig werden die Lage und die Amplitude des Konturpunktes in den Speicher eingeschrieben. Auch ein für die nächste Zeile vorhergesagter Konturpunkt wird in diesen Speicher mit einem zusätzlichen Kennzeichen eingeschrieben. Die Grundlagen für die Arbeit der Vergleichs- und Absuchschaltung werden weiter unten noch ausführlicher beschrieben.

Wegen der Speicherung ist es zweckmäßig, die Amplituden der Konturpunkte in nicht dargestellter Weise zu codieren und nach der Ausspeicherung wieder zu decodieren. Die Lage kann vom Zähler digital abgegriffen und weiterverarbeitet werden.

Während der Abtastung einer Zeile wird laufend die Stellung des Zählers Zä an einen Positionsvergleicher VP angelegt, der den Inhalt des Speichers Sp daraufhin überprüft, ob zu dem gerade abgetasteten Punkt ein vorhergesagter Konturpunkt eingespeichert ist Sobald ein derartiger Konturpunkt vorliegt, wird der Wert der Amplitude ausgelesen und vom Positionsvergleicher VP abgegeben. Gleichzeitig wird ein Steuerkreis St betätigt, der den Kontakt u umschaltet. Durch das Umschalten des Kontaktes u wird statt des am Ausgang der Verzögerungsschaltung V erscheinenden vorhergehenden Abtastwertes die vorhergesagte Amplitude des Konturpunktes als Bezugswert angelegt. Auf der Sendeseite wird in diesem Fall die Differenz zwischen der vorhergesagten Amplitude des Konturpunktes und der wirklichen Amplitude ermittelt und auf der Empfangsseite wird der übertragene Differenzwert zu der vorhergesagten Amplitude addiert.

Dadurch, daß das Auftreten einer Kontur und der entsprechende Bezugswert auf der Sende- und der Empfangsseite auf die gleiche Weise aus dem bisher angelaufenen Bildinhalt ermittelt wird, muß bei dem neuen System keine zusätzliche Information übertragen werden.

Die Arbeitsweise der Vergleichs- und Absuchschaltung beruht auf folgenden Grundlagen.

Große Differenzen, die in dem bekannten System die eingangs erwähnten Schwierigkeiten bereiten, treten in einem Bild an den Berandungslinien von Flächen, & h. bei Konturen, auf. Wenn das Auftreten einer Kontur und der neue Abtastwert genügend genau vorausgesagt werden, so kann man diesen Wert und nicht wie bisher üblich den vorhergehenden Abtastwert als Bezugswert zur Differenzbildung verwenden und hat damit einen wesentlich kleineren Differenzwert zu codieren.

F i g. 3 zeigt das Prinzip der Vorhersage. Eine Kontur verlaufe durch einen Teil des Bildes in der gezeigten Weise. Die Abtastpunkte sind durch Punkte, die Bildzeilen durch waagerechte Geraden gekennzeichnet In den Zeilen ;-2 und Al sollen die Punkte k-2 bzw. Ar-I als Konturpunkte aufgrund der Tatsache, daß die

Differenz zum vorhergehenden Abtastwert einen bestimmten Wert überschritt, erkannt worden sein. Unter der Voraussetzung, daß die Krümmung der Kontur nicht zu groß ist, läßt sich ihr weiterer Verlauf durch Fortsetzung der Geraden durch die beiden in den vorhergegangenen Zeilen gefundenen Konturpunkte mit guter Näherung voraussagen. Der zugehörige Amplitudenwert wird ebenfalls durch lineare Extrapolation aus den Amplitudenwerten der beiden Konturpunkte vorausgesagt. Von diesem Amplitudenwert kann man bei der Übertragung des Punktes Jtin der Zeile /als Bezugswert für die Differenzcodierung ausgehen und erhält damit einen wesentlich geringeren zu codierenden Differenzwert.

Für ein Fernsehbild mit 5 MHz Bandbreite ergeben sich bei Abtastung mit 10 MHz bei einer Zeilendauer von 52 \isec in einer Zeile 520 Abtastpunkte. Wenn man diese Zahl geringfügig auf 2⁹=512 verringert (etwa durch geringfügige Erniedrigung der Abtastfrequenz oder Einengung der Bildbreite), so kann man jeden Bildpunkt der Zeile durch eine Positionsangabe mit 9 Bit kennzeichnen. Um eine Kontur vorhersagen zu können, müssen zwei auf der gleichen Konturlinie liegende

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20 Punkte in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen gefunden werden (vgL F i g. 3). Dazu werden nach links und nach rechts von einem Konturpunkt der gerade abgetasteten Zeile jeweils sieben gespeicherte Konturpunkte der vorhergehenden Zeile daraufhin geprüft, ob sie zusammen mit diesem Konturpunkt eine Konturlinie bilden. Eine Zuordnung zu einem Konturpunkt der vorhergehenden Zeile wird dann vorgenommen, wenn beide Konturpunkte ungefähr den gleichen Amplitudenwert haben. Wenn der Amplitudenwert der Konturpunkte mit 8 Bit codiert wird, ist die Zuordnung ausreichend sicher. Sind zwei zueinander gehörende Konturpunkte gefunden, so kann damit die Vorhersage für einen Konturpunkt der nächsten Zeile bezüglich Position und Amplitude gemacht werden. Diese Vorhersage wird dann gespeichert Ein zusätzliches Bit zeigt an, daß es sich um einen vorhergesagten Konturpunkt handelt, der in der nächsten Zeile als Bezugspunkt benutzt werden kann, wenn die Position des zu codierenden Bildpunktes mit der Position des vorhergesagten Konturpunkies übcrcinsürümi. Ein Konturpunkt kann etwa in der folgenden Weise gespeichert werden.

LOLOOL 0 0 L

9 Bit
Positionsangabe

OLLOLOLL

8 Bit Amplituden wert

I Bit
Angabe, ob vorhergesagter Wert

Damit ergeben sich pro Konturpunkt 18 Bit Speicherplatzbedarf. Nimmt man an, daß bei den etwa 500 Bildpunkten pro Zeile etwa 500 Bildpunkten pro Zeile etwa 50 Konturen auftreten, was einem sehr detailreichen Bild entspräche, so sind etwa 900 Bit Speicherplatzbedarf nötig.

Wenn eine noch genauere Vorhersage der Kontur gewünscht wird, kann die Positionsangabe noch verfeinert werden.

F i g. 4 zeigt für ein Fernsehbild der deutschen Norm die Lage von Abtastpunkten und Zeilen. Da mit dem Zeilensprungverfahren gearbeitet wird, stehen pro Halbbild jeweils nur die halbe Anzahl von Zeilen zur Verfügung. Das Verhältnis Zeilenabstand im Halbbild zu Bildpunktabstand ist 13:1. Aus der Figur ist zu entnehmen, daß durch Verbindung zweier Punkte übereinanderliegender Zeilen nicht sämtliche Neigungswinkel d einer Kontur erfaßbar sind. Insbesondere ist die Auflösung nahezu vertikal verlaufender Konturen nur grob. Die Lage eines Konturpunktes zwischen zwei Abtastpunkten wird durch Einfügen von zwei oder drei Stützpunkten genauer festgelegt Ein Spannungssprung, wie er beim zeilenweisen Zerlegen des Bildes bei einer Kante auftritt wird infolge der Bandbegrenzung auf den Frequenzbereich 0... 4 vor der Abtastung verschliffen. Dies ist in F i g. 5 schematisch durch eine Rampenfunktion der Anstiegszeit -^₇- dargestellt Bei der nachfolgenden Abtastung im Abstand -^₇- ergeben sich die

^z Jg

Differenzwerte Δ\ bzw. Δ2 zwischen den Abtastwerten 0 und 1 bzw. 1 und 2. Nimmt man der Einfachheit halber den skizzierten rampenförmigen Verlauf der bandbegrenzten Spannung an, so ergibt sich die Entfernung des Konturpunktes (mit din Fig.5 gekennzeichnet) vom Punkt 1 aufgrund einer lineraren Interpolation zu

I₁ + I₂ 2/, ·

Durch Bestimmung zweier aufeinanderfolgender Differenzen Δι und Δ2 ist somit eine feinere Ermittlung der Konturpunkte möglich.

In diesem Fall sind noch 2 Bit für die Feinposition zu speichern, was drei zusätzlichen Zwischen-Punkten für die Lage entspricht

Wenn anstelle der Vorhersage eines Konturpunktes aufgrund von Bildpunkten der vorhergehenden Zeile eine solche aufgrund von Bildpunkten des vorhergehenden Bildes durchgeführt werden soll, ist es nur erforderlich, eine weitere Zähleinrichtung vorzusehen, die durch den Bild-Synchronimpuls gestartet und mit den Zeilensynchronimpulsen weitergeschaltet wird. Zur Festlegung eines Abtastpunktes werden dann die Stellungen beider Zähler herangezogen. Der Speicher ist entsprechend zu vergrößern. Eine derartige Vorhersage von Bud zu Bud ist dann von Vorteil, wenn schnelle Bewegungen auftreten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Übertragung von Bildern, insbesondere Fernsehbildern, mit Differenz-Pulscodemodulation (DPCM), in dessen Sendeeinrichtung jeweils die Differenzwerte zwischen den Abtastwerten und Bezugswerten aus vorhergehenden Bildpunkten gebildet und in PCM-Form übertragen werden und in dessen Empfangseinrichtung die Differenzwerte zu Bezugswerten addiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeeinrichtung (Fig. 1) und in der Empfangseinrichtung (Fig.2) eine Überwachungseinrichtung (SW) vorgesehen ist, die die Differenzwerte auf ihre Größe überwacht und veranlaßt, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen Größe eines Differenzwertes der zugehörige Abtastwert zusammen mit der Lage der Abtastpunktes innerhalb der Zeile oder des Bildes gespeichert wird, daß eine weitere Einrichtung (VA, SP) vorgesehen ist, die diese Werte mit entsprechenden gespeicherten Werten der vorhergehenden Zeile oder des vorhergehenden Bildes vergleicht und aus zwei entsprechenden Punkten die voraussichtliche Lage und den Abtastwert eines entsprechenden Punktes für die nächste Zeile oder das nächste Bild berechnet und speichert, und daß bei der Abtastung der nächsten Zeile oder des nächsten Bildes an der berechneten Lage sendeseitig und empfangsseitig der berechnete Abtastwert statt des vorhergehenden Abtastwertes als Bezugswert verwendet wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sende- und empfangsseitig zur Feststellung der Lage eines Abtastpunktes in einer Zeile eine Zählvorrichtung (Zä) vorgesehen ist, die bei jedem Zeilensynchronimpuls gestartet wird und im Takt der Abtastung einer Zeile weiterschaltet, und daß beim Auftreten eines Abstastpunktes, bei dem der Differenzwert zum vorhergehenden Abtastpunkt eine vorgegebene Größe überschreitet, die äugenblickliche Stellung der Zählervorrichtung abgegriffen und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sende- und empfangsseitig zur Feststellung der Lage eines Abtastpunktes in einem Bild eine weitere Zählvorrichtung vorgesehen ist, die bei jedem Bildsynchronimpuls gestartet wird und im Takt der Zeilensynchronimpulse weitergeschaltet und daß beim Auftreten eines interessierenden Abtastpunktes die augenblicklichen Stellungen beider Zählvorrichtungen zur Weiterverarbeitung abgegriffen werden.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblickliche Stellung der Zählvorrichtung (en) laufend abgegriffen und in einer Prüfschaltung (VP) mit den Werten eingespeicherter Abtastpunkte (Sp) verglichen wird und daß bei Übereinstimmung der augenblicklichen Stellung mit der Lage eines berechneten Abtastwertes dieser über eine Schaltvorrichtung (u) als Bezugswert sendeseitig an den einen Eingang des Differenzbildners (Diff) und an den einen Eingang eines Summenbildners (Su 1) und empfangsseitig an den einen Eingang des Summenbildners (Su 2) angelegt wird.

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung von Bildern, insbesondere Fernsehbildern, mit Differenz-Pulscodemodulation (DPCM), in dessen Sendeeinrichtung jeweils die Differenzwerte zwischen den Abtastwerten und Bezugswerten aus vorhergehenden Bildpunkten gebildet und in PCM-Form übertragen werden und in dessen Empfangseinrichtung die Differenzwerte zu Bezugswerten addiert werden.

Ein derartiges System ist beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Mai/Juni 1966, Seiten 689 - 721.

Der Bezugswert, dort »Prädiktionswert« genannt, der sendeseitig vom Abtastwert subtrahiert und empfangsseitig zum Differenzwert addiert wird, ist bei solchen Systemen im einfachsten Falle der vorhergehende Abtastwert.

Da bei natürlichen Bildern benachbarte Bildpunkte sich sehr oft nur wenig unterscheiden, benötigt man zur Kodierung der Differenz zweier Abtastwerte eine geringere Bitzahl als zur Kodierung jedes einzelnen Abtastwertes und kann somit durch Anwendung der DPCM die Bitrate auf der Übertragungsstrecke reduzieren.

Schwierigkeiten ergeben sich bei der DPCM, wenn die Differenz zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte groß wird (scharfer Übergang bei Kanten). Sind die Quantisierungsstufen für die DPCM klein gewählt, wie es zur Wiedergabe von Flächen mit sich wenig ändernder Leuchtdichte wünschenswert ist, so ist es nicht möglich, mit diesen kleinen Stufen einem scharfen Übergang zu folgen (slope overload). Wählt man die Quantisierungsstufen gröber, so werden Flächen infolge des auftretenden Quantisierungsrauschens schlecht wiedergegeben (granular noise), außerdem kann Kantenunruhe (egde business) auftreten, wenn die quantisierten Abtastwerte an einer Kante zwischen aufeinanderfolgenden Bildern um eine Quantisierungsstufe schwanken.

Aus der DE-OS 21 40 561 ist eine Vorrichtung zur Konturbestimmung bekannt, bei der der mittlere Pegel des Videosignals der einen Zeile gespeichert und zur Pegeländerung in der nächsten Zeile verwendet wird.

Aus der »Nachrichtentechnischen Zeitschrift«, Heft 11,1971, S. 564 bis 568, insbesondere aus dem Abschnitt 3.3 auf S. 566 ist es bekannt, ein Bild nur nach den Helligkeitswerten »schwarz« oder »weiß« abzutasten und dabei durch eine Differenzbildung aufeinanderfolgender binärer Abtastwerte Konturpunkte zu ermitteln. Übertragen wird ausgehend von einem ersten Konturpunkt jeweils die Richtung zum nächsten ermittelten Konturpunkt. Die Qualität der Bildübertragung ist bei einem derart redundanzreduzierten System längst nicht so gut wie die des erstgenannten Systems, bei dem empfangsseitig die Helligkeitswerte punktweise in einem vorgegebenen Raster wiedergegeben werden.

Aufgabe

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System der erstgenannten Art anzugeben, das hinsichtlich seiner durch die aufgezeigten Schwierigkeiten leicht beeinträchtigten Bildübertragungsqualität verbessert ist.

Lösung

Die Aufgabe wird mit den im Patantanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.