DE3642394A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur datenreduktion eines bildsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenreduktion eines geschlossen codierten Bildsignals. Außerdem ist eine Schal­ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Zur Datenreduktion von Bildsignalen wird häufig ein DPCM- Verfahren (Differenz-Pulscode-Modulation) eingesetzt. Durch dieses Verfahren läßt sich die Datenrate nahezu halbieren. Eine weitere Datenreduktion wird durch eine optimale Codie­ rung der zu übertragenden DPCM-Signalwerte erreicht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die große Empfindlichkeit gegenüber Störungen auf dem Übertragungsweg und die eingeschränkte Bildqualität bei kritischen Bildinhalten. DPCM-Verfahren werden hauptsächlich bei komponentencodierten Bildsignalen angewendet.

Häufig liegt jedoch ein geschlossen codiertes Bildsignal vor, bei dem die Datenrate nur im geringeren Maße reduziert werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Datenreduk­ tion von geschlossen codierten Bildsignalen anzugeben, das nur einen geringen Schaltungsaufwand benötigt und gegen Übertra­ gungsfehler unempfindlich ist.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft ist die wechselnde Aussendung von PCM- und DPCM-codierten Abtastwerten. Hierbei werden die DPCM-co­ dierten Abtastwerte durch Subtraktion eines durch Interpola­ tion ermittelten Prädiktionswertes vom aktuellen Abtastwert ermittelt. Dies ergibt gerade bei kritischen Verläufen des Bildsignals bessere Ergebnisse als die sonst bei einer DPCM-Codierung übliche Extrapolation. Auf komplizierte Prädiktionsalgorithmen kann daher verzichtet werden. Störungen eines DPCM-Wertes führen nicht zu Fehlerschleppen, da zur Er­ mittlung des Prädiktionswertes nur die benachbarten PCM-codier­ ten Abtastwerte verwendet werden. Die Verwendung einer Abtast­ frequenz, die exakt der dreifachen Farbträgerfrequenz ent­ spricht, hat den Vorteil, daß bei gleichbleibenden Farbflächen zur Interpolation verwendete Abtastwerte dieselbe Amplitude aufweisen.

Außerdem ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Anhand von Figuren und Prinzipschaltbildern eines Ausführungs­ beispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Bildsignal,

Fig. 2 einen Bildcoder und

Fig. 3 einen Bilddecoder.

In Fig. 1 ist der Verlauf eines Bildsignals prinzipiell darge­ stellt. Nach einem Zeilenimpuls und einem Farbburst wird der eigentliche Bildinhalt durch das Bildsignal V dargestellt. Der Bildinhalt besteht zunächst aus einer gleichbleibenden Farb­ fläche (genauer eines horizontalen "Farbstriches"), die durch einen Farbträger mit konstanter Amplitude repräsentiert wird. Am Ende dieser Farbfläche - das Bildsignal gibt hier nur den Teil einer Bildzeile wieder - geht das Bildsignal in eine negative Flanke über. Dies Bildsignal wird durch einen Abtast­ takt TA mit der dreifachen Farbträgerfrequenz abgetastet. Jeder zweite Abtastwert s(n - 3), s(n - 1), s(n + 1) usw. wird PCM-codiert ausgesendet. Diese Abtastwerte sind durch "+"-Zeichen gekenn­ zeichnet, die dazwischenliegenden Abtastwerte - mit "x" oder "o" gekennzeichnet - sollen DPCM-codiert ausgesendet werden.

Dies sind beispielsweise die Abtastwerte s(n) und s(n + 4).

Zur Erklärung des Verfahrens ist es ausreichend, diese beiden Abtastwerte zu betrachten. Zunächst soll der Abtastwert s(n) DPCM-codiert übertragen werden. Hierzu wird als Prädiktionswert (n) der Mittelwert (¹/₂ (s(n - 3) + s(n + 3) aus dem bereits übertragenen PCM-codierten Abtastwert s(n - 3) und dem noch zu übertragenden Abtastwert s(n + 3) gebildet, vom aktuellen Ab­ tastwert s(n) subtrahiert und anschließend übertragen. Durch die Verwendung einer Abtastfrequenz, die der dreifachen Bild­ trägerfrequenz entspricht, sind der gebildete Prädiktionswert (n) und der zugehörige aktuelle Abtastwert s(n) praktisch identisch. Der zugehörige DPCM-Wert entspricht daher Null. Bei nicht homogenen Farbflächen wird ein entsprechend abweichender DPCM-Wert übertragen. Dasselbe Verfahren wid für alle weiteren DPCM-codierten Abtastwerte angewendet. Fehlt die Farbe, es wird beispielsweise eine graue Fläche übertragen, kann der Prädiktions­ algorithmus beibehalten werden; die Amplitude des Färbträgers ist praktisch Null und das Bildsignal hat einen waagerechten Verlauf.

Der hier mit s(n + 4) bezeichnete Abtastwert gehört der bisheri­ gen Farbfläche nicht mehr an. Die steile Flanke entspricht einer senkrechten Kante im Bild. Der Prädiktionsalgorithmus muß daher geändert werden. Zunächst muß jedoch festgestellt werden, ob eine Kante vorliegt. Dies erfolgt durch Vergleich des fol­ genden Abtastwertes s(n + 5) und des vorvorhergehenden Abtastwer­ tes s(n + 2). Während bei konstanten Farbflächen die Differenz zwischen diesen beiden Abtastwerten Null oder geringer ist, er­ gibt sich bei Kanten stets eine größere Differenz. Der vorher­ gehende Abtastwert s(n + 3) kann zur Entscheidung nicht herange­ zogen werden, da die größere Differenz zwischen s(n + 3) und s(n + 5) auch bei einer Farbfläche größerer Sättigung, sie entspricht einer größeren Amplitude des Farbträgersignals, vorliegt. Ist jedoch eine Kante festgestellt worden, so wird der zum Abtastwert s(n + 4) gehörende Prädiktionswert (n + 4) durch Interpolation der angrenzenden PCM-Werte s(n + 3) und s(n + 5) gebildet und ein entsprechender DPCM-codierter Abtastwert übertragen. Natürlich können bei der Interpolation zur Ermittlung des Prädiktionswertes auch noch weitere Abtast­ werte herangezogen werden. Die dadurch erzielbare Verbesserung ist jedoch gering.

Anhand des in Fig. 2 dargestellten Bildcoders wird das Verfah­ ren näher erläutert. Der Bildcoder enthält sechs in Reihe ge­ schaltete Register R 1 bzw. R 6. Die Ausgänge des zweiten Registers R 2 und des vierten Registers R 4 sind mit den Eingängen eines ersten Prädiktors P 1 sowie mit den Eingängen einer zweiten Differenzüberwachung D 2 verbunden. Der Eingang des ersten Re­ gisters R 1 und der Ausgang des sechsten Registers R 6 sind mit den Eingängen eines zweiten Prädiktors P 2 verbunden. Die Aus­ gänge beider Prädiktoren sind mit Eingängen eines ersten Um­ schalters US 1 verbunden, dessen Ausgang an den Subtraktionsein­ gang eines Subtrahierers SU angeschaltet ist. Der zweite Eingang des Subtrahierers ist mit dem Ausgang des dritten Registers R 3 verbunden. Der Ausgang des Subtrahierers ist über einen Quanti­ sierer Q und einen ersten inversen Quantisierer IQ 1 mit einem Eingang eines ersten Addierers AD 1 verbunden, dessen zweiter Eingang ebenfalls an den Ausgang des ersten Umschalters US 1 geführt ist. Der Ausgang des ersten Addierers ist über einen ersten Zwischenspeicher ST 1 mit einem Eingang einer ersten Differenzüberwachung D 1 verbunden, deren zweiter Eingang an den Ausgang des zweiten Registers R 2 geschaltet ist. Vom Ausgang der ersten Differenzüberwachung D 1 wird der erste Umschalter US 1 gesteuert. Außerdem greifen die Ausgänge beider Differenz­ überwachungen über eine erste Quantisierer-Steuerlogik SL 1 in den Quantisierer Q und den inversen Quantisierer IQ 1 ein. Ein zweiter Umschalter US 2 verbindet den Ausgang des Quantisierers Q oder den Ausgang des dritten Registers R 3 mit dem Ausgang A 1 des Bildcoders.

In die Register R 1 bis R 6 werden über den Bildcoder-Eingang E 1 mit dem Abtasttakt digitalisierte Abtastwertes eingeschoben. Als aktueller Abtastwert wird der am Ausgang des Registers R 3 anliegende Abtastwert s(n) betrachtet. Die weiteren Register ermöglichen sowohl die Verwendung von vorangegangenen Abtastwer­ ten, die an den Ausgängen der Register R 4 bis R 6 anliegen, als auch die Verwendung von Abtastwerten, die - bezogen auf den aktuellen Abtastwert s(n) - in der Zukunft liegen. Bei Flächen wird eine Interpolation im zweiten Prädiktor P 2 durchgeführt, dem die Abtastwerte s(n - 3) und s(n + 3) zugeführt werden. Bei Kanten erfolgt eine Interpolation im ersten Prädiktor P 1. Die Entscheidung, ob eine Kante oder eine Farbfläche vorliegt wird in der ersten Differenzüberwachung D 1 getroffen. Dieser wird der folgende Abtastwert s(n + 1) und der vorvorhergehende Ab­ tastwert s _r (n - 2) zugeführt. Die Verwendung des rekonstruierten Abtastwertes s _r ist notwendig, um Gleichlauf mit dem Bilddecoder zu erzielen. Der rekonstruierte Abtastwert wird über den inversen Quantisierer IQ 1 und den ersten Addierer AD 1 gewonnen. Je nachdem, ob eine Kante oder eine Farbfläche vorliegt, wird der am Ausgang des ersten Prädiktors P 1 oder am Ausgang des zweiten Prädiktors P 2 anliegende Prädiktionswert (n) dem Subtraktionseingang des Subtrahierers SU zugeführt und von dem aktuellen Abtastwert s(n) subtrahiert. Der so gewonnene DPCM-Wert Δ s(n) wid über den Quantisierer Q und über den zweiten Umschalter US 2 ausgegeben. Der zweite Umschalter US 2 ermöglicht die alternierende Aussendung von DPCM-Werten Δ s und PCM-Werten s. Liegt eine Kante vor, so kann in Abhängigkeit vom in der zweiten Differenzüberwachung D 2 ermittelten Amplituden­ unterschied zwischen den Abtastwerten s(n - 1) und s(n + 1) (ent­ sprechend s(n + 3) und s(n + 5) in Fig. 1) die Quantisierungskenn­ linie des Quantisierers Q über die Steuerlogik SL 1 geändert werden.

In Fig. 3 ist der Bilddecoder dargestellt. Er enthält eben­ falls sechs in Reihe geschaltete Register R 11 bis R 16, denen über einen Bilddecoder-Eingang E 2 abwechselnd PCM-codierte und DPCM-codierte Abtastwerte zugeführt werden. Ebenso sind ein dritter Prädiktor P 3, ein vierter Prädiktor P 4 sowie eine dritte Differenzüberwachung D 3 eine vierte Differenzüberwachung D 4 vorhanden, die mit den entsprechenden Schaltungseinheiten des Bildcoders identisch sind und in derselben Weise an die Re­ gister angeschaltet sind. Dem ersten Umschalter US 1 ent­ spricht ein dritter Umschalter US 3. Der Ausgang des Registers R 13, an dem der aktuelle DPCM-Abtast Δ s(n) anliegt, ist über einen zweiten inversen Quantisierer IQ 2 mit dem Eingang eines zweiten Addierers AD 2 verbunden, dessen zweiter Eingang an den Ausgang des dritten Umschalters US 3 geführt ist. Der Ausgang des zweiten Addierers AD 2 ist entsprechend der Schaltungsanord­ nung des Bildcoders über einen zweiten Zwischenspeicher ST 2 mit einem Eingang der dritten Differenzüberwachung D 3 verbunden.

Der zweite inverse Quantisierer IQ 2 wird über die Ausgänge der Differenzüberwachungen und eine zweite Quantisierersteuer­ logik SL 2 gesteuert. Über einen vierten Umschalter US 4 werden die rekonstruierten Abtastwerte bzw. PCM-codierten Abtast­ werte am Bilddecoder-Ausgang A 2 abgegeben.

Bei den Schaltungsanordnungen ist zu beachten, daß nur bei jedem zweiten Abtastwert Prädiktionswerte ermittelt werden müssen. So können die in Reihe geschalteten Register, bei­ spielsweise beim Bilddecoder, in zwei Serienschaltungen aufgeteilt werden, in die dann jeweils mit um 180° phasenver­ schobene Takte nur PCM-codierte Abtastwerte bzw. DPCM-codierte Abtastwerte eingeschrieben werden. Für die Rechenvorgänge steht dann jeweils die doppelte Zeit zur Verfügung. Derselbe Effekt kann auch durch getaktete Prädiktoren, Differenzüberwachungen und Rechenschaltungen erreicht werden.

Ferner ist für jeden Fachmann selbstverständlich, daß - wenn es die Zeitbedingungen zulassen - auch nur jeweils ein Prädiktor verwendet werden kann, dessen Eingänge an unterschiedliche Register angeschaltet werden und andererseits - wenn es die Laufzeitbedingungen erfordern - die Ermittlung des Umschalt­ kriteriums durch die erste bzw. dritte Differenzüberwachung D 1 bzw. D 3 bereits um eine Abtasttaktperiode früher erfolgen kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Dar­ stellung eines im allgemeinen dem Quantisierer nachgeschalteten Codierers bzw. eines Decodierers auf der Empfangsseite verzichtet.

Der Bilddecoder hat die Aufgabe, aus den im dritten Prädiktor P 3 bzw. im vierten Prädiktor P 4 ermittelten Schätzwert durch Addition des zugehörigen DPCM-Wertes Δ s den rekonstruierten Abtastwert s _r wiederzugewinnen. Dies erfolgt durch Addition des DPCM-Signalwertes nach Durchlaufen des zweiten inversen Quanti­ sierers IQ 2 zu dem durch Interpolation gewonnenen Prädiktions­ wertes . Über den vierten Umschalter US 4 werden die rekonstru­ ierten Abtastwerte und die PCM-codierten Abtastwerte abwech­ selnd ausgegeben.

Bei einem G/B-PAL-Signal und einer Codierung mit acht Bits für die PCM-Abtastwerte sowie fünf Bits für die DPCM-Signal­ werte ergibt sich eine Bitrate von ca. 86 Mbit/s.

Die heutige Schaltkreistechnologie erlaubt es, jeweils zwei Bildsignale zusammenzufassen, wobei jeweils abwechselnd bei einem der Bildsignale eine DPCM-Codierung durchgeführt wird. Dies soll am Bildcoder näher erläutert werden. Dem Bildcoder- Eingang E 1 werden abwechselnd jeweils alle zweiten Abtastwerte von zwei Bildsignalen zugeführt. Die dazwischenliegenden Abtast­ werte beider Kanäle werden wiederum abwechselnd in ein zweites nicht dargestelltes Register eingeschrieben, das allein der Laufzeitanpassung dient und dem Subtrahierer SU zugeführt wird. Nach jedem Arbeitstakt wird somit abwechselnd ein DPCM-Wert eines Bildkanals ausgegeben. Die DPCM-Werte werden dann wieder mit dem PCM-codierten Abtastwerten verschachtelt. Bei entspre­ chend kürzere Laufzeiten aufweisenden Technologie können selbst­ verständlich noch mehrere Bildsignale im Zeitmultiplexbetrieb in der üblichen Weise verarbeitet werden.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Datenreduk­ tion ist ausreichend, um sechs Bildsignale und einige zusätz­ liche Tonsignale bei einer Bitrate von etwa 560 Mbit/s zu übertragen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Datenreduktion eines geschlossen codierten Bildsignals (V), gekennzeichnet durch

• a) die Abtastfrequenz entspricht der dreifachen Farbträger­ frequenz,
• b) die Abtastwerte (s(n)) werden abwechselnd PCM-codiert und DPCM-codiert ausgesendet,
• c) bei einem eine Fläche darstellenden Bildsignal (V) wird ein aktueller Prädiktionswert ((n)) durch Interpolation aus Abtastwerten (s(n - 3), s(n + 3) errechnet, die drei Abtastinter­ valle vor bzw. nach diesem liegen,
• d) bei einem eine Kante darstellenden Bildsignal (V) wird der aktuelle Prädiktionswert ((n + 4)) durch Interpolation aus dem vorangegangenen Abtastwert (s(n + 3)) und dem folgenden Abtastwert (s(n + 5)) errechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl eines geeigneten Prädikationsalgorithmus die Differenz zwischen dem auf den aktuellen Abtastwert (s(n)) folgenden Abtastwert (s(n + 1)) und dem vorvorhergegangenen Abtastwert (s(n - 2)) gbildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als vorvorhergegangener Abtastwert ein entsprechender rekonstruierter Abtastwert (s _r (n - 2)) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung eines DPCM-Signalwertes (Δ s) von der Amplitudendifferenz zwischen dem dem aktuellen Abtastwert (s(n)) vorhergegangenen Abtastwert (s(n - 1)) und dem auf den aktuellen Abtastwert folgenden Abtastwert (s(n + 1)) gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bildsignale (V) zusammengefaßt werden und abwechselnd für jedes Bildsignal ein zugehöriger DPCM-Wert ermittelt wird.

6. Bildcoder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Subtrahierer (SU) vorgesehen ist, dem ein aktueller Abtastwert (s(n)) zugeführt wird,
daß ein erster Prädiktor (P 1) vorgesehen ist, dem der voran­ gegangene und der folgende Abtastwert (s(n - 1), s(n + 1)) zugeführt wird,
daß ein zweiter Prädiktor (P 2) vorgesehen ist, dem jeweils drei Abtastintervalle vor und nach dem aktuellen Abtast­ wert (s(n)) liegende Abtastwerte (s(n - 3), s(n + 3)) zugeführt werden,
daß jeweils ein Ausgang der Prädikatoren (P 1, P 2) über einen ersten Umschalter (US 1) an den Subtraktionseingang des Subtrahierers (SU) anschaltbar sind,
daß eine erste Differenzüberwachung (D 1), vorgesehen ist, die den ersten Umschalter (US 1) steuert,
daß ein Quantisierer (Q) vorgesehen ist der an seinem Ausgang DPCM-Werte (Δ s) abgibt und
daß ein zweiter Umschalter (US 2) vorgesehen ist, über den ab­ wechselnd PCM- und DPCM-codierte Abtastwerte (s, Δ s) ausgegeben werden.

7. Bildcoder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Differenzüberwachung (D 2) vorgesehen ist, die den Quantisierer (Q) steuert.

8. Bildcoder nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster inverser Quantisierer (IQ 1) vorgesehen ist,
daß ein erster Addierer (AD 1) vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit dem Augang des ersten inversen Quantisierers (IQ 1) und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten Umschal­ ters (US 1) zur Ermittlung von rekonstruierten Abtastwerten (s _r ) verbunden ist, und
daß der Ausgang des ersten Addierers (AD 1) über einen ersten Zwischenspeicher (ST 1) der ersten Differenz­ überwachung (D 1) zugeführt ist.

9. Bilddecoder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dem Bilddecoder entsprechend aufgebaute Schaltungsan­ ordnung mit einem dritten und vierten Prädiktor (P 3, P 4), einer dritten und vierten Differenzüberwachung (D 3, D 4), einem dritten Umschalter (US 3) und einem zweiten Zwischenspeicher (ST 2) vorgesehen ist,
daß der Ausgang des dritten Umschalters (US 3) mit einem ersten Eingang eines zweiten Addierers (AD 2) verbunden ist,
daß ein zweiter inverser Quantisierer (IQ 2) vorgesehen ist, dem der aktuelle DPCM-Wert (Δ s(n)) zugeführt wird,
daß der Ausgang des zweiten inversen Quantisierers (IQ 2) mit einem zweiten Eingang des zweiten Addierers (AD 2) zur Ermitt­ lung von rekonstruierten Abtastwerten (s _r ) verbunden ist und
daß ein vierter Umschalter (US 4) vorgesehen ist, der abwech­ selnd rekonstruierte Abtastwerte (s _r ) und übertragene PCM- codierte Abtastwerte (s) an seinem Ausgang abgibt.