-
Die Erfindung betrifft einen bewegungskompensierten
prädiktiven Codierer für ein Bewegtbildsignal und insbesondere
einen bewegungskompensierten prädiktiven
Zwischenrahmencodierer des beschriebenen Typs.
-
Ein bewegungskompensierter prädiktiver Codierer ist
bereits bekannt. Beispielsweise wird ein solcher Codierer in der
US-A-4 460 923 offenbart. Ein derartiger
bewegungskompensierter prädiktiver Codierer wird bei der digitalen Behandlung
eines Bewegtbildsignals entweder zur Übergabe an einen
Übertragungskanal oder zur Speicherung auf einem Aufzeichnungsmedium
verwendet. Das Bewegtbildsignal ist typischerweise ein
Fernsehsignal und weist aufeinanderfolgende Rahmen (auch:
Bildschirminhalte) auf. Bei der Wiedergabe auf einem Bildschirm
zeigt jeder Rahmen eine Momentaufnahme. Für jede
Momentaufnahme werden die Bildelemente durch Signalelemente des
Bewegtbildsignals dargestellt und nacheinander entlang einer
Bildzeile angeordnet, wobei die Bildzeile periodisch im
wesentlichen senkrecht zur Zeile abgelenkt wird. Im entsprechenden
Zusammenhang werden die Signalelemente im folgenden als
Bildelemente bezeichnet. Lediglich um die Beschreibung abzukürzen,
wird im folgenden durchweg angenommen, daß das
Bewegtbildsignal als bewegungskompensiertes prädiktives (Zwischenrahmen-)
Signal an einen Übertragungskanal übergeben und nicht auf
einem Aufzeichnungsmedium gespeichert wird.
-
In den IEEE Transactions on Communications, Bd. COM-32,
Nr. 8, S. 954-968, August 1984, S. SABRI, "Movement
Compensated Interframe Prediction for NTSC Color TV Signals"
(Bewegungskompensierte Zwischenrahmenprädiktion für
NTSC-Farbfernsehsignale) findet sich der Hinweis, daß Bildfolgen, die
Szenenänderungen enthalten, durch normale
Zwischenrahmen-Bewegungsprädiktoren nicht gut verarbeitet werden.
-
Zur bewegungskompensierten prädiktiven Codierung eines
Bewegtbildsignals wird bei der Erfassung von Bewegungsvektoren
aus dem Bewegtbildsignal ein Vektordetektor zur Erzeugung
eines Bewegungsvektorsignals verwendet, das nacheinander die
Bewegungsvektoren anzeigt. In einer später zu beschreibenden
Weise wird jeder Rahmen nach der Erfassung der
Bewegungsvektoren in eine vorgegebene Anzahl von Bildelementblöcken
unterteilt. Ein Block besteht beispielsweise aus acht Bildzeilen
und sechzehn Bildelementen in jeder Bildzeile. Für jeden Block
gibt der Bewegungsvektor die Verschiebung von einem
vorhergehenden Rahmen zu einem gegenwärtigen Rahmen an. Eine
prädiktive Codierungsschaltung, die mit dem Bewegtbildsignal und dem
Vektorsignal gespeist wird, berechnet einen Voraussagefehler
mit Bewegungskompensation, um ein bewegungskompensiertes
Voraussagefehlersignal zu erzeugen, das fortlaufend derartige
bewegungskompensierte Voraussagefehler anzeigt. Jeder bewegungskompensierte
Voraussagefehler entspricht einer Differenz
zwischen den Bildelementen der entsprechenden Blöcke, die
zwischen dem vorhergehenden und dem gegenwärtigen Rahmen durch
den jeweiligen Bewegungsvektor verknüpft sind. Nach der
Quantisierung zu einem quantisierten Fehlersignal wird das
Voraussagefehlersignal als bewegungskompensiertes prädiktives
codiertes Signal dem Übertragungskanal zugeführt. Vor der
Übergabe an den Übertragungskanal werden die Codes des
bewegungskompensierten prädiktiven codierten Signals
gewöhnlich einer längenvariablen Codierung unterworfen.
-
Bei der Erzeugung eines Bewegtbildsignals wird oft eine
Videoeffekttechnik verwendet, bei der mehrere Elementarbilder
verkleinert und dann auf verschiedene Weise zu einer
zusammengesetzten Momentaufnahme editiert werden, wobei jedes
verkleinerte Bild in einem kleinen Bereich des zusammengesetzten
Bildes angeordnet ist. Jeder Bereich kann aus einem oder
mehreren Blöcken bestehen. Solche zusammengesetzten Bilder werden
durch ein zusammengesetztes Bewegtbildsignal dargestellt. Vor
der Verkleinerung wird jedes Elementarbild durch ein
elementares Bewegtbildsignal dargestellt. Jedes verkleinerte Bild
braucht nicht mit anderen verkleinerten Bildern verknüpft zu
sein. Bestimmte Bereiche können sich daher in
aufeinanderfolgenden
zusammengesetzten Bildern monoton fortbewegen. Andere
können erheblichen Schwankungen oder Veränderungen unterworfen
sein. So ist es nicht selten, daß das zusammengesetzte
Bewegtbildsignal statistische Eigenschaften aufweist, die in jedem
zusammengesetzten Bild von einem Bereich zum anderen
variieren.
-
Im folgenden wird besonders der in jedem Block
enthaltene Teil einer Momentaufnahme betrachtet, der nun als
Blockbild bezeichnet wird. Das Blockbild kann Teil eines
zusammengesetzten Bildes sein. Im anderen Fall kann das Blockbild Teil
eines Bildes einer einzelnen, sich verändernden Szene sein. In
jedem Falle verringert sich die Korrelation zwischen den
Rahmen auf einen sehr kleinen Wert oder verschwindet völlig, wenn
eine starke Veränderung zwischen den Blockbildern des
vorhergehenden und des gegenwärtigen Rahmens auftritt. Bei einem
Bild einer Einzelszene kann eine solche starke Veränderung
beim Umschalten von einer Fernsehkamera zu einer anderen zum
Szenenwechsel oder bei einem Schwenk der Fernsehkamera
auftreten.
-
Wenn zwischen zwei Blockbildern eine starke Veränderung
auftritt, zeigt das Bewegungsvektorsignal einen
Bewegungsvektor an, der nicht gegen einen endlichen Vektor konvergiert,
sondern divergiert. Mit anderen Worten, der Bewegungsvektor
wird zu einem fehlerhaften Bewegungsvektor, der nicht mit
einer wirklichen Bewegung des Blocks zwischen dem
vorhergehenden und dem gegenwärtigen Rahmen übereinstimmt. Bei Verwendung
eines solchen fehlerhaften Vektors ist eine
Bewegungskompensation unmöglich. Es ergibt sich eine störende Zunahme der von
dem bewegungskompensierten prädiktiven codierten Signal
transportierten Informationsmenge. Dies bedeutet eine geringere
Codierungsleistung und führt zu einer geringeren
Bandkompressionsrate. Ferner verschlechtert der fehlerhafte
Bewegungsvektor die Qualität der wiedergegebenen Bilder.
-
Wie oben beschrieben, tritt eine starke Veränderung
zwischen zwei Blockbildern nicht nur bei einem Kameraschwenk
auf, sondern auch bei einem Szenenwechsel zwischen einer
vorhergehenden und einer gegenwärtigen Szene. Jedesmal wenn ein
Szenenwechsel erfolgt, wird die Informationsmenge übermäßig
groß. Es hat sich jedoch als unmöglich erwiesen, den
Szenenwechsel korrekt von einem Kameraschwenk oder einer starken
Veränderung, die durch eine sehr schnelle Bewegung eines
Bildteils entsteht, zu unterscheiden.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen
bewegungskompensierten prädiktiven Codierer für den Gebrauch
beim Codieren eines Bewegtbildsignals mit reduzierter
Informationsmenge auch für den Teil des Bewegtbildsignals zu
schaffen, der eine schnelle Bewegung darstellt.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
bewegungskompensierten prädiktiven Codierer vom beschriebenen Typ
zu schaffen, der eine hohe Codierungsleistung aufweist.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
eines bewegungskompensierten prädiktiven Codierers vom
beschriebenen Typ mit einer hohen Bandkompressionsrate.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
eines bewegungskompensierten prädiktiven Codierers vom
beschriebenen Typ, der ein bewegungskompensiertes prädiktives
codiertes Signal erzeugen kann, das sich mit verbesserter
Bildqualität wiedergeben läßt.
-
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist die
Schaffung eines bewegungskompensierten prädiktiven Codierers vom
beschriebenen Typ, in dem ein Szenenwechsel fehlerfrei erkannt
wird.
-
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen des Anspruchs
gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Beschreibung
eines Bewegungsvektors;
-
Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung zur Beschreibung
einer Videoeffekttechnik;
-
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bewegungskompensierten
prädiktiven Codierers nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Bildanalysators zum
Gebrauch in dem in Fig. 3 dargestellten Codierer;
-
Fig. 5, die der bequemeren Darstellung halber unter
Fig. 3 gezeichnet ist, ein unvollständiges Blockschaltbild
eines bewegungskompensierten prädiktiven Codierers nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
Fig. 6 ein Diagramm zur Beschreibung eines
Szenenwechseldetektors, der in dem in Fig. 5 dargestellten Codierer
verwendet wird;
-
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Decodierers für den
Einsatz in Kombination mit dem in Fig. 3 oder 5 dargestellten
Codierer;
-
Fig. 8 ein Teilblockschaltbild eines
bewegungskompensierten prädiktiven Codierers nach einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
-
Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Beschreibung
eines Szenenwechseldetektors, der in dem in Fig. 8
dargestellten Codierer verwendet wird.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird zunächst ein
Bewegungsvektor in Verbindung mit einem Fernsehbildsignal oder
einem ähnlichen Bewegtbildsignal beschrieben, das
aufeinanderfolgende Rahmen aufweist. Ein gegenwärtiger Rahmen
repräsentiert ein bei F dargestelltes gegenwärtiges Bild. Ein
unmittelbar vorhergehender Rahmen repräsentiert ein vorhergehendes
Bild F'. Die Zeitachse t verläuft senkrecht zu den Bildern F
und F'. Ähnlich wie die oben erwähnten Bildelemente und
Signalelemente werden die Bilder F und F' Rahmen genannt und je
nach den Umständen durch die Bezugsbuchstaben für die
entsprechenden Bilder bezeichnet.
-
Es wird ein Block des gegenwärtigen Rahmens F
betrachtet. Der Block wird als individueller Block aufgefaßt und
durch A bezeichnet. Ein entsprechender Block A' wird im
vorhergehenden Rahmen F' aufgesucht. Der entsprechende Block A'
dürfte unter den Blöcken des vorhergehenden Rahmens F' die
höchste Zwischenrahmenkorrelation zu dem speziellen Block A
aufweisen. Die Korrelation kann durch Berechnung einer
Rahmendifferenz
zwischen jedem Paar einander entsprechender
Bildelemente im vorhergehenden und im gegenwärtigen Rahmen F' bzw. F
und durch Aufsummieren entweder der Quadrate oder der
Absolutwerte der Rahmendifferenzen bestimmt werden.
-
Der Bewegungsvektor ist durch einen Vektor V definiert
(dargestellt durch einen normalen Buchstaben, nicht durch
einen fettgedruckten Buchstaben oder durch einen Pfeil über
dem normalen Buchstaben), der von einer senkrechten Projektion
des jeweiligen Blocks A auf den vorhergehenden Rahmen F' zum
entsprechenden Block A' gezeichnet wird. Der Bewegungsvektor
ist daher identisch mit einer Verschiebung von der senkrechten
Projektion zum entsprechenden Block A', d. h. einer
Verschiebung jedes Blocks von einem vorhergehenden Rahmen zu einem
gegenwärtigen Rahmen.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden verkleinerte Bilder
in einem zusammengesetzten Bild beschrieben. Wie in Fig. 1
werden als Beispiel bei F und F' ein gegenwärtiges bzw. ein
vorhergehendes zusammengesetztes Bild dargestellt. Es wird
angenommen, daß jedes zusammengesetzte Bild aus neun
regelmäßig angeordneten Bereichen A (wobei der gleiche
Bezugsbuchstabe verwendet wird), B, C, D, E, F (wobei wieder der gleiche
Bezugsbuchstabe verwendet wird), G, H und I besteht und daß in
jedem der Bereiche D und E zwischen den verkleinerten Bildern
des vorhergehenden und des gegenwärtigen zusammengesetzten
Bildes F' bzw. F eine starke Veränderung oder ein Wechsel
auftritt. Die starken Veränderungen werden durch Schraffieren der
Bereiche D und E des gegenwärtigen Rahmens F angedeutet.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ein
bewegungskompensierter prädiktiver (Zwischenrahmen-) Codierer nach einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der
Codierer wird für ein Bewegtbildsignal verwendet, das durch eine
zeitliche Aufeinanderfolge von Bildsignalelementen und anderen
bekannten Steuersignalelementen gegeben ist. Das
Bewegtbildsignal weist aufeinanderfolgende Rahmen auf und kann einen
Signalteil enthalten, der eine starke Veränderung repräsentiert,
wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Das Bewegtbildsignal
braucht kein Signal eines zusammengesetzten Bildes zu sein,
sondern kann ein Bewegtbildsignal sein, das
aufeinanderfolgende
Rahmen einer einzigen sich verändernden Szene
repräsentiert.
-
Das Bewegtbildsignal wird einem Codierereingang 11 als
Eingangsbildsignal zugeführt. Der Codierer weist eine
längenvariable Codierschaltung 12 auf, die ein längenvariabel
codiertes Signal, welches das Bewegtbildsignal in einer später
zu erläuternden Weise repräsentiert, einem Codiererausgang 13
zuführt. Das längenvariabel codierte Signal wird an einen
Übertragungskanal 15 mit einer bestimmten
Übertragungsgeschwindigkeit übergeben.
-
Vom Eingang 11 wird das Eingangsbildsignal an einen
Bildanalysator 16 und einen Verzögerungsregler 17 übergeben.
In- einer später ausführlich zu beschreibenden Weise analysiert
der Bildanalysator 16 das Eingangsbildsignal und erfaßt in
jedem Bereich einer Momentaufnahme die Veränderung zwischen dem
vorhergehenden und dem gegenwärtigen Rahmen. Der
Bildanalysator 16 erzeugt ein Veränderungssignal, das einen vorgegebenen
ersten bzw. zweiten Pegel annimmt, wenn die Veränderung einen
vorgegebenen Schwellwert übersteigt bzw. nicht übersteigt. Der
erste und der zweite vorgegebene Pegel können der logische
Eins- bzw. Null-Pegel sein. Im folgenden wird der
Verzögerungsregler 17 beschrieben. Das Veränderungssignal wird an
einen Zwischenspeicher 18 übergeben und vorübergehend
gespeichert. Der Zwischenspeicher 18 dient zur Anpassung des
Veränderungssignals an das Eingangsbildsignal. Dies läßt sich
so auffassen, daß der Zwischenspeicher 18 ein angepaßtes
Veränderungssignal erzeugt.
-
Der Verzögerungsregler 17 übergibt ein erstes
verzögertes Bildsignal an einen Vektordetektor 19 mit einer
Verzögerung, die gleich der Summe der Verzögerungen im Bildanalysator
16 und im Zwischenspeicher 18 ist. Der 19 dient zur Erfassung
von Bewegungsvektoren aus dem verzögerten Bildsignal, um ein
Bewegungsvektorsignal zu erzeugen, das die Bewegungsvektoren
anzeigt. Der Vektordetektor 19 weist irgendeine der bekannten
Strukturen auf. Ein Beispiel für derartige Vektordetektoren
wird in einem Artikel von Yuichi Ninomiya in den Transactions
of the Institute of Electronics and Communication Engineers of
Japan, Bd. J64-B, Nr. 1 (Januar 1983), S. 24-31, unter dem
Titel
(nach Übersetzung der Autoren) "Motion Compensated
Prediction for Inter-Frame Coding Systems" (Bewegungskompensierte
Prädiktion für Zwischenrahmen-Codierungssysteme) beschrieben.
-
Da jeder Bewegungsvektor die weiter oben in Verbindung
mit Fig. 1 beschriebene Verschiebung darstellt, zeigt das
Bewegungsvektorsignal eine Verschiebung jedes Blocks vom
vorhergehenden Rahmen zum gegenwärtigen Rahmen an. Das angepaßte
Veränderungssignal wird dem Vektordetektor 19 als Steuersignal
zugeführt, welches das Bewegungsvektorsignal steuert, indem es
der Verschiebung in demjenigen Bereich, wo die Veränderung den
vorgegebenen Schwellwert überschreitet, einen vorher
festgesetzten Wert zuweist, wie z. B. Null. Insbesondere kann der
Vektordetektor 19 bei der Erfassung der Verschiebung für jeden
Bereich des gegenwärtigen Rahmens das im Zwischenspeicher 18
gespeicherte Veränderungssignal als das angepaßte
Veränderungssignal lesen. Wenn das angepaßte Veränderungssignal den
ersten vorgegebenen Pegel für diesen Bereich aufweist, erzeugt
der Vektordetektor 19 das Bewegtbildsignal mit dem
vorgegebenen Wert. Jedesmal wenn das angepaßte Veränderungssignal den
zweiten vorgegebenen Pegel für den betrachteten Bereich
aufweist, erzeugt der Vektordetektor 19 für den betreffenden
Bereich den Bewegungsvektor ohne Änderung. Es versteht sich nun,
daß eine Kombination aus dem Zwischenspeicher 18 und einer
Verbindungsleitung zwischen dem Zwischenspeicher 18 und dem
Vektordetektor 19 als Steueranordnung dient, die als Antwort
auf das vom Bildanalysator 16 erzeugte Veränderungssignal das
Bewegungssignal steuert, indem es der Verschiebung des aus dem
betreffenden Bereich bestehenden Blocks den vorgegebenen Wert
zuweist.
-
Der Verzögerungsregler 17 übergibt ein zweites
verzögertes Bildsignal an ein Subtrahierglied 21 mit einer
Verzögerung, die gleich der Summe aus der obenerwähnten Summe und der
Verzögerung im Vektordetektor 19 ist. Das
Bewegungsvektorsignal wird der längenvariablen Codierschaltung 12 und einem
einstellbaren Rahmenspeicher 22 als Stellsignal zugeführt. Der
Rahmenspeicher 22 führt dem Subtrahierglied 21 ein
bewegungskompensiertes prädiktives codiertes (Zwischenrahmen-) Signal
mit einstellbarer Verzögerung zu, um die Bewegungskompensation
in der bekannten Weise auszuführen. Das Subtrahierglied 21
subtrahiert das prädiktive codierte Signal von dem zweiten
verzögerten Bildsignal und übergibt ein bewegungskompensiertes
Voraussagefehlersignal an einen Größenwandler 23. Das
Voraussagefehlersignal repräsentiert einen bewegungskompensierten
Voraussagefehler für jedes Bildelement. Der Größenwandler 23
quantisiert das Voraussagefehlersignal zu einem quantisierten
Fehlersignal, das an die längenvariable Codierschaltung 12 und
an ein Addierglied 24 übergeben wird. In dem quantisierten
Fehlersignal ist jeder Voraussagefehler in einen quantisierten
Fehler umgewandelt.
-
Das Addierglied 24 berechnet die Summe aus dem vom
Größenwandler 23 zugeführten quantisierten Fehlersignal und
dem vom einstellbaren Rahmenspeicher 22 zugeführten
prädiktiven codierten Signal und gibt ein lokales decodiertes Signal
an den Rahmenspeicher 22 zurück. Als Antwort auf das
Stellsignal erteilt der Rahmenspeicher 22 dem lokalen decodierten
Signal die einstellbare Verzögerung, um das
bewegungskompensierte prädiktive codierte Signal zu erzeugen. Die
längenvariable Codierschaltung 12 dient dazu, das vom Vektordetektor
19 zugeführte Bewegungsvektorsignal zusammen mit dem vom
Größenwandler 23 zugeführten quantisierten Fehlersignal mit
einer bestimmten Codiergeschwindigkeit in das längenvariabel
codierte Signal umzuwandeln, das aus den bekannten Huffman-
Codes oder ähnlichen längenvariablen Hochleistungscodes
besteht. Die längenvariable Codierschaltung 12 führt außerdem
die Anpassung der Codierungsgeschwindigkeit an die
Übertragungsgeschwindigkeit des Übertragungskanals 15 aus und
übergibt ein Signal mit angepaßter Geschwindigkeit an den
Übertragungskanal 15.
-
Wie aus Fig. 4 erkennbar, besitzt der Bildanalysator 16
einen Analysatoreingang 26 und einen Analysatorausgang 27. Dem
Analysatoreingang 26 wird das Eingangsbildsignal von dem in
Fig. 3 gezeigten Codierereingang 11 zugeführt. Das
Eingangsbildsignal wird an einen Rahmenspeicher 28 und ein
Subtrahierglied 29 übergeben. Der Rahmenspeicher 28 führt dem
Subtrahierglied 29 ein rahmenverzögertes Bildsignal zu, in welchem
dem Eingangsbildsignal eine Verzögerung von einer
Rahmenperiode
erteilt wird. Das Subtrahierglied 29 berechnet für jedes
Bildelement eine Rahmendifferenz zwischen dem
Eingangsbildsignal des gegenwärtigen Rahmens und dem verzögerten
Bildsignal des unmittelbar vorhergehenden Rahmens und erzeugt ein
Differenzsignal, das nacheinander die für die verschiedenen
Bildelemente des gegenwärtigen Rahmens berechneten
Rahmendifferenzen repräsentiert. Eine Kombination aus dem
Rahmenspeicher 28 und dem Subtrahierglied 29 dient daher als eine
Anordnung, die als Antwort auf das Eingangsbildsignal das
Differenzsignal erzeugt.
-
Ein Detektor 31 für signifikante Differenzen dient als
Signifikanzdiskriminator, d. h. als Komparator für den
Vergleich des Differenzsignals mit einem ersten vorgegebenen
Schwellwert zur Erzeugung eines Unterscheidungssignals. Wenn
die Differenz den ersten vorgegebenen Schwellwert
überschreitet, wird dem Unterscheidungssignal ein erster vorgegebener
Pegel zugewiesen. Wenn die Differenz den ersten vorgegebenen
Schwellwert nicht überschreitet, wird dem
Unterscheidungssignal ein zweiter vorgegebener Pegel zugewiesen. Auf diese
Weise unterscheidet der Detektor 31 für signifikante
Differenzen bei jeder Rahmendifferenz zwischen einer signifikanten
und einer nichtsignifikanten Differenz und erzeugt das
Unterscheidungssignal, das nacheinander die signifikanten und die
nichtsignifikanten Differenzen für die Bildelemente des
gegenwärtigen Rahmens repräsentiert.
-
Der Bildanalysator 16 kann mehrere
Schaltungsanordnungen für die entsprechenden Bereiche jedes Rahmens aufweisen,
wie z. B. die in Fig. 2 dargestellten Bereiche A bis I. Wenn
der Detektor 31 für signifikante Differenzen zwischen den
signifikanten und den nichtsignifikanten Differenzen für den
Bereich A unterscheidet, wird das Unterscheidungssignal an die
Schaltungsanordnung für den Bereich A übergeben. Ähnlich wird
das Unterscheidungssignal in einer vom Fachmann leicht zu
realisierenden Weise an die entsprechenden Schaltungsanordnungen
übergeben.
-
Die Schaltungsanordnung für den Bereich A soll
ausführlicher beschrieben werden: das Unterscheidungssignal wird an
eine Integrationsschaltung 32 zur Integration des ersten und
des zweiten vorgegebenen Pegels des für den Bereich A
erzeugten Teils des Unterscheidungssignals übergeben. Die
Integrationsschaltung 32 dient daher als Summierschaltung, die als
Antwort auf das Unterscheidungssignal die signifikanten und
die nichtsignifikanten Differenzen für den Bereich A auf
summiert, um ein Summensignal zu erzeugen, das die Summe für den
Bereich A des gegenwärtigen Rahmens repräsentiert.
-
Das Summensignal wird an einen Komparator 33 und an
einen Speicher 34 übergeben, der dem Komparator 33 das für den
Bereich A des vorhergehenden Rahmens berechnete Summensignal
zuführt. Der Komparator 33 dient zum Vergleich eines zweiten
vorgegebenen Schwellwerts mit der Differenz zwischen der Summe
für den Bereich A des gegenwärtigen Rahmens und der Summe für
den Bereich A des vorhergehenden Rahmens, um einem Schalter 35
ein Teilsignal zuzuführen, das den obenerwähnten ersten bzw.
zweiten vorgegebenen Pegel annimmt, wenn die Differenz den
zweiten vorgegebenen Schwellwert überschreitet bzw. nicht
überschreitet.
-
Der Schalter 35 ordnet die Teilsignale der
verschiedenen Schaltungsanordnungen zu dem obenerwähnten
Veränderungssignal, das über den Analysatorausgang 27 an den
Zwischenspeicher 18 ausgegeben wird, der im Zusammenhang mit Fig. 3
beschrieben wurde. Es ist nun leicht möglich, den ersten und den
zweiten vorgegebenen Schwellwert so zu wählen, daß das
Veränderungssignal den ersten bzw. den zweiten vorgegebenen Pegel
annimmt, wenn die Veränderung den vorgegebenen Schwellwert
überschreitet bzw. nicht überschreitet.
-
Für die Schaltungsanordnungen der verschiedenen
Bereiche kann eine einzige Schaltungsanordnung im
Zeitmultiplexbetrieb eingesetzt werden, wenn diese mit hoher Geschwindigkeit
betrieben werden kann. Dies ist so zu verstehen, daß entweder
eine einzelne Schaltungsanordnung oder eine Gruppe von
Schaltungsanordnungen für die verschiedenen Bereiche und den
Schalter 35 als Diskriminatoranordnung dient, die auf das
Summensignal anspricht, das nacheinander die Summen für die
jeweiligen Bereiche der aufeinanderfolgenden Rahmen
repräsentiert, und unterscheidet, ob die jeweilige Summe einen
vorgeschriebenen Schwellwert überschreitet, der unter
Berücksichtigung
des vorgegebenen Schwellwerts festgelegt wird. Die
Diskriminatoranordnung erzeugt dadurch das Veränderungssignal
jedesmal dann, wenn die Summe in einem der Bereiche der
aufeinanderfolgenden Rahmen den zuletzt erwähnten
vorgeschriebenen Schwellwert überschreitet.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird nachstehend ein
bewegungskompensierter prädiktiver Codierer nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Codierer
weist anstelle des Veränderungsdetektors (auch:
Bildanalysators) 16 und des Zwischenspeichers 18, die im Zusammenhang mit
Fig. 3 beschrieben werden, einen Szenenwechseldetektor 36 auf.
Der Szenenwechseldetektor 36 hat eine bekannte Struktur und
reagiert auf das Eingangsbildsignal, um einen Szenenwechsel in
einem der aufeinanderfolgenden Rahmen zu erkennen und
jedesmal, wenn in diesem Rahmen der Szenenwechsel festgestellt
wird, ein Szenenwechselsignal zu erzeugen. Beispielsweise kann
der Szenenwechseldetektor 36 so arbeiten, wie in einem Artikel
von Makato Miyahara in den Transactions of the Institute of
Electronics and Communication Engineers of Japan, Bd. 56-A,
Nr.8 (August 1973), S. 456-463, unter dem (wörtlich
übersetzten) Titel "Measurement and Investigation of Frame Difference
Signal Charakteristics for Band Compression" (Messung und
Untersuchung von Rahmendifferenzsignal-Kenngrößen zur
Bandkompression) beschrieben wird. Der Artikel von Miyahara
beschreibt, kurz gesagt, ein Verfahren zur Erkennung eines
Szenenwechsels mittels Berechnung der Anzahlen signifikanter
Rahmendifferenzen und durch Bestimmung einer Korrelation
zwischen diesen Zahlen von Rahmen zu Rahmen.
-
Das Szenenwechselsignal wird dem in Verbindung mit Mol-%3 beschriebenen Vektordetektor 19 zugeführt. Andererseits wird
das Eingangsbildsignal einem Verzögerungsregler 37 zugeführt,
der dem in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen
Verzögerungsregler 17 ähnlich ist. Der Verzögerungsregler 37 erzeugt
jedoch ein erstes verzögertes Bildsignal, das nur die im
Szenenwechseldetektor 36 aufgetretene Verzögerung aufweist, und ein
zweites verzögertes Bildsignal mit einer Verzögerung, die
gleich der Summe aus den Verzögerungen im
Szenenwechseldetektor 36 und im Vektordetektor 19 ist. Wie in Fig. 3 wird das
erste verzögerte Bildsignal dem Vektordetektor 19 zugeführt.
Das zweite verzögerte Bildsignal wird dem Subtrahierglied 21
(Fig. 3) zugeführt. Vom Szenenwechseldetektor 36 zum
Vektordetektor 19 ist eine Verbindungsleitung geschaltet, um das
Bewegungsvektorsignal zu steuern, indem den Verschiebungen der
verschiedenen Blöcke in demjenigen von den
aufeinanderfolgenden Rahmen, wo ein Szenenwechsel festgestellt wird, ein
vorgegebener Wert zugewiesen wird.
-
In Fig. 6 sind ein erster bis fünfter Rahmen F1, F2,
F3, F4 und F5 eines Eingangsbildsignals in einer ersten oder
oberen Zeile dargestellt. Es wird angenommen, daß im dritten
Rahmen F3 ein Szenenwechsel erfolgt. Ebenso wie das in
Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Veränderungssignal kann das
Szenenwechselsignal einen ersten bzw. einen zweiten vorgegebenen
Pegel annehmen, wie in der zweiten oder mittleren Zeile
dargestellt, wenn der Szenenwechsel im jeweiligen Rahmen auftritt
bzw. nicht auftritt. In dem dargestellten Beispiel hat das
Szenenwechselsignal nur während des dritten Rahmens F3 den
Logikpegel Eins und im ersten, zweiten, vierten und fünften
Rahmen F1, F2, F4 und F5 den Logikpegel Null. Der Vektordetektor
19 erfaßt wie gewöhnlich die Bewegungsvektoren, wenn das
Szenenwechselsignal den zweiten vorgegebenen Pegel annimmt. Nur
für den Rahmen, in dem der Szenenwechsel festgestellt wird,
steuert das Szenenwechselsignal mit dem ersten vorgegebenen
Pegel das Bewegungsvektorsignal, indem es den oben
diskutierten Verschiebungen innerhalb des gesamten fraglichen
Rahmens den bei V&sub0; angedeuteten vorgegebenen Wert zuweist.
-
In Fig. 7 ist ein Decodierer dargestellt, der zusammen
mit dem bewegungskompensierten prädiktiven Codierer eingesetzt
werden kann, der in Verbindung mit Fig. 3 erläutert wird. Als
Codierer kann auch der unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6
erläuterte Typ verwendet werden. Der Decodierer besitzt ein
Decodierereingang 38, dem über den Übertragungskanal 15, der
ebenfalls in Fig. 3 abgebildet ist, das
geschwindigkeitsangepaßte Signal zugeführt wird. Der Decodierer, der am
Decodiererausgang 39 eine Reproduktion des Eingangsbildsignals des
Codierers erzeugt, weist eine längenvariable Decodierschaltung
41 auf, die zunächst die Übertragungsgeschwindigkeit des
Übertragungskanals
15 an die Decodiergeschwindigkeit des
Decodierers anpaßt, um eine Reproduktion des längenvariabel codierten
Signals zu erzeugen, das in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben
wurde. Dann decodiert die längenvariable Decodierschaltung 41
die Reproduktion des längenvariabel codierten Signals zu einer
Reproduktion des Voraussagefehlersignals und einer
Reproduktion des Bewegungsvektorsignals.
-
Die Reproduktion des Voraussagefehlersignals wird an
ein Addierglied 42 übergeben. Die Reproduktion des
Bewegungsvektorsignals wird als Stellsignal einem einstellbaren
Rahmenspeicher 43 zugeführt. Das Addierglied 42 übergibt die
Reproduktion des Eingangsbildsignals in bekannter Weise an den
Decodiererausgang 39 und den einstellbaren Rahmenspeicher 43.
Als Antwort auf das Stellsignal führt der einstellbare
Rahmenspeicher 43 die Bewegungskompensation für die Reproduktion
des an den Speicher übergebenen Bildeingangssignals aus und
führt dem Addierglied 42 eine Reproduktion des
bewegungskompensierten prädiktiven codierten Signals zu, das in Verbindung
mit Fig. 3 beschrieben wurde.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird nachstehend ein
bewegungskompensierter prädiktiver Codierer nach einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Zusammenhang
mit Fig. 5 und 6 kann hier erwähnt werden, daß durch den
weiter oben beschriebenen Szenenwechseldetektor 36 irrtümlich ein
Szenenwechsel festgestellt werden kann. Die Ursache dafür ist,
daß große Rahmendifferenzen auftreten, wenn die Fernsehkamera
geschwenkt wird, oder wenn sonst eine starke Schwankung
auftritt und zu großen Absolutwerten der Rahmendifferenzen führt.
-
In Fig. 8 besitzt der Codierer einen Codierereingang,
der wieder durch das Bezugszeichen 11 bezeichnet wird. Der
Codierer weist einen Vektordetektor auf, der sich von dem in
Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Detektor nicht
unterscheidet und durch das Bezugszeichen 19 bezeichnet wird. Nun wird
angenommen, daß das Eingangsbildsignal ein analoges Bildsignal
ist. Vom Codierereingang 11 wird das analoge Bildsignal an den
Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 45 übergeben und in ein
digitales Bildsignal umgewandelt. Der Analog-Digital-Wandler
45 erkennt außerdem den Startzeitpunkt jedes Rahmens und
erzeugt einen Taktimpuls, der den jeweiligen Startzeitpunkt
anzeigt.
-
Im Codierer ist ein Rahmenspeicher 46 mit einer
Speicherkapazität von etwa einem Rahmen des digitalen Bildsignals
enthalten, der ein rahmenverzögertes Bildsignal erzeugt. Der
in Fig. 3 nicht im Detail dargestellte Vektordetektor 19 wird
mit dem digitalen Bildsignal und dem verzögerten Bildsignal
als den Bildsignalen des gegenwärtigen bzw. des vorhergehenden
Rahmens gespeist. Der Vektordetektor 19 erzeugt das
Bewegungsvektorsignal als optimal vorausgesagtes Signal, das als
Stellsignal an eine einstellbare Verzögerungsschaltung 47 übergeben
wird. Der Rahmenspeicher 46 übergibt das verzögerte Bildsignal
an die einstellbare Verzögerungsschaltung 47. Als Antwort auf
das Stellsignal führt die einstellbare Verzögerungsschaltung
47 die Bewegungskompensation aus und übergibt ein
bewegungskompensiertes Voraussagesignal an ein Subtrahierglied 48. Das
digitale Bildsignal wird über einen Verzögerungsregler 49 an
das Subtrahierglied 48 als Bildsignal mit eingestellter
Verzögerung übergeben, die gleich der Summe aus den Verzögerungen
im Vektordetektor 19 und in der einstellbaren
Verzögerungsschaltung 47 ist. Das Subtrahierglied 48 subtrahiert das
bewegungskompensierte Voraussagesignal von dem Bildsignal mit
eingestellter Verzögerung und erzeugt ein
bewegungskompensiertes Voraussagefehlersignal, welches die bewegungskompensierten
Voraussagefehler für die verschiedenen Bildelemente der
aufeinanderfolgenden Rahmen repräsentiert.
-
Mit anderen Worten, eine Kombination aus der
einstellbaren Verzögerungsschaltung 47, dem Subtrahierglied 48 und dem
Verzögerungsregler 49 dient als Rechnerbaustein zur Berechnung
der Voraussagefehler, der als Antwort auf das
Eingangsbildsignal und das Bewegungsvektorsignal für jedes Bildelement des
gegenwärtigen Rahmens einen bewegungskompensierten
Voraussagefehler berechnet, um das Voraussagefehlersignal zu erzeugen,
das nacheinander die bewegungskompensierten Voraussagefehler
für die verschiedenen Bildelemente der aufeinanderfolgenden
Rahmen darstellt. Das Subtrahierglied 48 entspricht dem in
Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Subtrahierglied 21. Dies
ist folglich so aufzufassen, daß der Codierer eine
Codierschaltung
aufweist, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben,
und daß die Codierschaltung dazu dient, das
Voraussagefehlersignal in ein bewegungskompensiertes prädiktives codiertes
Signal umzuwandeln, welches wahlweise zu einem längenvariabel
codierten Signal weiterverarbeitet werden kann.
-
Ein Absolutwert-Berechnungsbaustein 51, der mit dem
bewegungskompensierten Voraussagefehlersignal gespeist wird,
berechnet Absolutwerte der jeweiligen Voraussagefehler und
erzeugt ein Absolutwertsignal, das die Absolutwerte
repräsentiert. Ein Summenberechnungsbaustein 52, der von jedem
Taktimpuls zurückgesetzt und mit dem Absolutwertsignal gespeist
wird, beginnt für jeden Rahmen eine Summe der Absolutwerte zu
berechnen und erzeugt ein Summensignal, das die Summe
repräsentiert. Ein mit dem Summensignal gespeister Komparator 53
vergleicht die Summe mit einem vorgegebenen Schwellwert T.
Sobald die Summe den vorgegebenen Schwellwert überschreitet,
übermittelt der Komparator 53 an den Detektorausgang 54 ein
Szenenwechselsignal mit einem ersten voreingestellten Pegel,
wie z. B. dem Logikpegel Eins. Andernfalls wird dem
Detektorausgang 54 das Szenenwechselsignal mit einem zweiten
voreingestellten Pegel zugeführt, z. B. dem Logikpegel Null. In
Anbetracht von Fig. 3 wird nun verständlich, daß das
Szenenwechselsignal zur Steuerung des Bewegungsvektorsignals verwendet
werden kann, indem es den Verschiebungen der entsprechenden
Blöcke desjenigen von den aufeinanderfolgenden Rahmen, in dem
die Summe den voreingestellten Schwellwert T überschreitet,
einen vorgegebenen Wert zuweist.
-
Wie in bezug auf den Vektordetektor 19 beschrieben,
kann der Absolutwert-Berechnungsbaustein 51 durch einen
Quadratberechnungsbaustein (nicht dargestellt) ersetzt werden.
Als Antwort auf das bewegungskompensierte
Voraussagefehlersignal wertet ein solches Schaltungselement die
bewegungskompensierten Voraussagefehler aus und erzeugt ein
Auswertungssignal, wie z. B. das Absolutwertsignal, das nacheinander
Auswertungsergebnisse der bewegungskompensierten Voraussagefehler
für die verschiedenen Bildelemente der aufeinanderfolgenden
Rahmen repräsentiert.
-
In dem dargestellten Beispiel wird beschrieben, daß der
Analog-Digital-Wandler 45 zum Teil als Startzeitpunkt-Detektor
dient, um den Startzeitpunkt jedes Rahmens festzustellen und
den Taktimpuls zu erzeugen. Eine Kombination aus dem
Startzeitpunkt-Detektor und dem Summierbaustein 52 dient als
Summieranordnung, die als Antwort auf das Auswertungssignal die
Auswertungsergebnisse vom Startzeitpunkt jedes Rahmens an
aufsummiert, um das Summensignal zu erzeugen, das diese Summen
nacheinander für die verschiedenen Rahmen repräsentiert. Der
Komparator 53 dient als Szenenwechseldetektor, der als Antwort
auf das Summensignal einen Szenenwechsel in einem der
aufeinanderfolgenden Rahmen feststellt, wenn die Summe den
voreingestellten Schwellwert T überschreitet. Der
Szenenwechseldetektor erzeugt dadurch das Szenenwechselsignal mit dem ersten
voreingestellten Pegel.
-
Wie schließlich in Fig. 9 dargestellt ist, weisen die
Rahmendifferenzen gewöhnlich eine Varianz σFF² auf, die
durch die Beziehung
-
σFF² = 2σ&sub0;²[1-exp(-α v )]
-
gegeben ist, wobei σ&sub0;² die mittlere elektrische Leistung des
Bewegtbildsignals, v die Bewegungsgeschwindigkeit eines Bildes
oder Bildteils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rahmen und α
ein Parameter ist, der von der Kompliziertheit der Bilder
-
abhängt. Die Geschwindigkeit kann die Schwenkgeschwindigkeit
einer Fernsehkamera sein. Aus der oben angegebenen Gleichung
ist klar erkennbar, daß die Varianz mit zunehmender
Geschwindigkeit monoton wachsend gegen einen oberen Grenzwert geht.
-
Andererseits weisen die bewegungskompensierten
Voraussagefehler gewöhnlich eine Varianz σMC² auf, die durch die
Beziehung
-
σMC² = 2σ&sub0;²[1-exp(-α v-[v] )]
-
gegeben ist, wobei das eckige Klammerpaar in der Mathematik
als Gaußsche Notation bekannt ist. Die Varianz der
Voraussagefehler nimmt daher periodisch bei bestimmten
Geschwindigkeitswerten auf Null ab. Die speziellen Werte sind gleich
ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Bildelemente pro
Rahmen. Dies ist auch daraus ersichtlich, daß die
Voraussagefehler bei diesen speziellen Geschwindigkeiten gleich Null sind.
-
Wenn die Korrelation zwischen den Rahmen völlig
verloren
geht, wie etwa durch einen Szenenwechsel, haben die
Varianzen sowohl der Rahmendifferenzen als auch der
Voraussagefehler einen Wert, der annähernd gleich dem oberen Grenzwert
der Varianz der Rahmendifferenzen ist. Die Verwendung der
Rahmendifferenzen führt daher zu der oben beschriebenen
irrtümlichen Feststellung eines Szenenwechsels. Dagegen arbeitet
die Schaltungsanordnung von Fig. 8 unerwartet korrekt, wenn
der voreingestellte Schwellwert T so gewählt wird, wie in Mol-%9 veranschaulicht ist.
-
Die Erfindung ist bisher zwar anhand weniger
bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden, für den Fachmann
ist es aber nunmehr leicht möglich, diese Erfindung auf
verschiedene andere Weisen auszuführen. Beispielsweise können
Teilstichproben der Voraussagefehler genommen werden, wie in
der weiter oben erwähnten US-A-4 460 923 beschrieben ist.