DE69015695T2

DE69015695T2 - Einrichtung zur Transformationskodierung.

Info

Publication number: DE69015695T2
Application number: DE69015695T
Authority: DE
Inventors: Kohtaro Asai; Kazuhiro Matsuzaki; Tokumichi Murakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-05-23
Also published as: EP0399487B1; CA2017384C; NO902302D0; EP0399487A3; AU621753B2; NO902302L; NO303479B1; FI902550A0; FI98681B; US5025482A; CA2017384A1; JPH02308671A; JP2520306B2; FI98681C; AU5575890A; EP0399487A2; DE69015695D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Transformationskodiervorrichtung, welche eine hocheffiziente Kodierung auf ein digitales Bildsignal anwendet.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine bekannte Transformationskodiervorrichtung zeigt, wie sie z.B. in der Veröffentlichung beschrieben ist: "A proposal of a coding control method in a MC-DCT coding system", von Kato et al., bei der National Conference on Information and System Department (1-204) des Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1987. Eine entsprechende Vorrichtung ist aus der US-A-4,821,119 bekannt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Subtraktionseinrichtung, welche eine Subtraktion zwischen einem Eingangssignal 101 in Form einer digitalen Bildeingangssignalfolge und einem Prediktionssignal 102 zwischen Bewegungskompensationseinzelbildern ausführt; das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine orthogonale Transformationseinheit, welche eine orthogonale Transformation für ein Differenzsignal 103 zwischen Einzelbildern durchführt; das Bezugszeichen 2b bezeichnet eine Quantisierungseinheit, welche eine Schwellwertverarbeitung auf einen Transformationskoeffizienten 104 anwendet, welcher durch die orthogonale Transformation in Übereinstimmung mit einer Menge an gespeicherten Daten in einem Puffer gewonnen wurde und dann einen Quantisierungsindex 106 ausgibt, das Bezugszeichen 3b bezeichnet eine Quantisierungsdekodiereinheit, welche eine Quantisierungsdekodierung für den Quantisierungsindex 106 durchführt und einen Quantisierungstransformationskoeffizienten 107 ausgibt, das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine inverse orthogonale Transformationseinheit, welche eine inverse orthogonale Transformation auf den Quantisierungstransformationskoeffizienten 107 anwendet und ein Differenzsignal 108 zwischen dekodierten Einzelbildern erzeugt; mit dem Bezugszeichen 12 ist eine Addiereinrichtung bezeichnet; das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Bildspeicher, welcher das Prediktionssignal 102 zwischen bewegungskompensierenden Einzelbildern erzeugt, das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Bewegungskompensationseinheit; das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine variable Längen- Kodiereinheit; das Bezugszeichen 111 bezeichnet kodierte Daten; das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Pufferspeicher für die Übertragung und das Bezugszeichen 113 bezeichnet übertragene Daten.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise beschrieben. Die Differenz zwischen dem Eingangssignal 101 und dem Prediktionssignal 102 zwischen bewegungskompensierten Einzelbildern wird durch die Subtraktionseinrichtung 11 erzielt, um das Differenzsignal 103 zwischen Einzelbildern zu erzeugen, aus denen redundante Komponenten entfernt sind. In der orthogonalen Transformationseinheit 1 wird das Differenzsignal 103 zwischen Einzelbildern in einen räumlichen Frequenzbereich unter Benutzung einer orthogonalen Transformation transformiert, um den Transformationskoeffizienten 104 zu erzeugen. In der Quantisierungseinheit 2b wird der Transformationskoeffizient 104 der folgenden Schwellwertverarbeitung basierend auf einer später beschriebenen Belegung eines Pufferspeichers ausgesetzt.
Pufferspeicherbelegung: Groß Schwellwert Th: Groß
Pufferspeicherbelegung: Klein Schwellwert Th: Klein
Ci ≤ Th Ci: nicht-signifikanter Koeffizient
Ci > Th Ci: signifikanter Koeffizient
wobei Ci der Transformationskoeffizient ist.
Der Transformationskoeffizient 104, der ein signifikanter Koeffizient als das Ergebnis der Schwellwertverarbeitung ist, wird in der Quantisierungseinheit 2b quantisiert und als ein entsprechender Quantisierungsindex 106 ausgegeben. Auf der anderen Seite wird der Transformationskoeffizient 104, der ein nicht-signifikanter Koeffizient ist, als der Quantisierungsindex 106 gleich Null ausgegeben. Der Quantisierungsindex 106 wird einer variablen Längen-Kodierung zusammen mit einem Bewegungsvektor 105 ausgesetzt, der später beschrieben wird, und als kodierte Daten 111 von der variablen Längen-Kodiereinheit 107 ausgegeben. Auf der anderen Seite wird der Quantisierungsindex 106 gleichzeitig in den Quantisierungstransformationskoeffizienten 107 als das Ergebnis der Quantisierungsdekodierung in der Quantisierungsdekodiereinheit 3b transformiert. In der inversen orthogonalen Transformationseinheit 4 wird der Quantisierungstransformationskoeffizient 107 in das Differenzsignal 108 zwischen dekodierten Einzelbildern transformiert. Anschließend werden in der Addiereinheit 12 das Differenzsignal 108 zwischen dekodierten Einzelbildern und dem zuvor genannten Prediktionssignal 102 zwischen bewegungskompensierenden Einzelbildern addiert, um ein dekodiertes Signal 109 zu erzeugen. Das dekodierte Signal 109 wird vorübergehend in dem Bildspeicher 5 gespeichert, um das Prediktionssignal 102 zwischen bewegungskompensierenden Einzelbildern als das Ergebnis der Bewegungskompensation zu erzeugen. In der Bewegungskompensationseinheit 6 wird, nachdem das Eingangssignal 101 in eine Vielzahl von Blöcken geteilt ist, der Versatz zwischen den ähnlichsten Anteilen, welche durch die Summe des Absolutwerts der Differenz zwischen zwei Blöcken oder der Summe der Quadrate der Differenz etc. bestimmt ist, durch die Benutzung eines demodulierten Signals 110 eines vorhergehenden Einzelbildes berechnet, welches an der räumlich selben Position oder in der Nähe für jeden Block angeordnet ist, wobei die Teile, welche den minimalen Versatz aufweisen, aus einem Bildsignal 110 des vorhergehenden Einzelbildes erfaßt werden und die minimale Menge eines räumlichen Versatzes als der Bewegungsvektor 105 ausgegeben wird. Die zuvor genannten kodierten Daten 111 werden vorübergehend in dem Pufferspeicher 8 für die Übertragung gespeichert, als übertragene Daten 113 mit einer festen Bitrate ausgegeben und zu derselben Zeit eine Pufferspeicherbelegung als ein Feedback-Signal 112 ausgegeben, um ein Pufferspeicher-Überlaufen zu vermeiden. Da die bekannte Transformationskodiervorrichtung wie zuvor beschrieben ausgebildet ist und eine Auswahl von Quantisierungscharakteristiken durch die ausschließliche Benutzung der Pufferspeicherbelegung für die Übertragung durchgeführt wird, besteht darin ein Nachteil, daß es schwierig ist, eine adaptive Quantisierung in Übereinstimmung mit statistischen Eigenschaften eines Eingangssignals wie beispielsweise Leistung und Frequenzcharakteristiken durchzuführen und es unmöglich ist, ein Signal effizient zu komprimieren.

ABRISS DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um solche Probleme zu vermeiden, und es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Transformationskodiervorrichtung zu erzielen, die in der Lage ist, ein Signal effizient in Übereinstimmung mit statistischen Eigenschaften des Eingangssignals zu quantisieren.
Um die zuvor genannten Aufgaben zu lösen, erzeugt eine Transformationskodiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Quantisierungscharakteristiken und wählt eine Quantisierungscharakteristik adaptiv in Übereinstimmung mit einer vorhergesagten Verzerrung für ein Eingangssignal und einer Sequenz von Transformationskoeffizienten aus.
In anderen Worten wählt die Umwandlungskodiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Quantisierungscharakteristik aus einer Vielzahl von Quantisierungscharakteristiken aus, welche in Übereinstimmung mit einer vorhergesagten Verzerrung für ein Eingangssignal und einer Sequenz von Transformationskoeffizienten erstellt wurden und bewirkt eine Quantisierung des Transformationskoeffizienten.
Die zuvor genannte und andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen klarer. Die Zeichnungen dienen lediglich der Erklärung und beschränken den Umfang dieser Erfindung nicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches eine bekannte Transformationskodiervorrichtung zeigt;
Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches die Struktur einer Transformationskodiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt; und
Fig. 3 eine erklärende Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Transformationskoeffizientensequenz, der Größe einer vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrung und der Quantisierungscharakteristik zeigt, welche für den Fall verwendet wird, daß drei Arten von Quantisierungscharakteristiken mit verschiedenen Quantisierungsstufengrößen gemäß dieser Erfindung erzeugt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 2a und 3a eine adaptive Quantisierungseinheit bzw. eine adaptive Quantisierungsdekodiereinheit, wobei beide unter einer Vielzahl von Quantisierungscharakteristiken eine geeignete auswählen und sie in Übereinstimmung mit räumlichen Frequenzen benutzen, welche einem vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignal 114 zur Zeit eines Eingangssignals 101 bzw. einer Sequenz von Transformationskoeffizienten 104 entsprechen. Daher sind dieselben Blöcke und Signale wie die in Fig. 1 gezeigten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und es wird auf eine Wiederholung dieser Beschreibung verzichtet.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise beschrieben. Es ist generell schwierig, eine Verzerrung visuell zu erkennen, welche in Bereichen stattfindet, die sich mit der Zeit als eine Bewegungsregion schnell verändern, und welche eine hohe räumliche Frequenz besitzen. Es ist weiterhin regelmäßig die Bewegungsregion ein Teil von großer vorhergesagter Bewegungskompensationsverzerrung und der Dynamikbereich für Signale ist breit. Bei der Zuordnung von kodierten Worten des Quantisierungsindex wird ein kurzes kodiertes Wort dem Quantisierungsindex entsprechend einem zentralen Quantisierungswert in der Nähe von Null zugeordnet.
Für den Fall, daß eine vorhergesagte Bewegungskompensationsverzerrung groß ist und eine Sequenz von Transformationskoeffizienten hoch ist, wird die Quantisierung demgemäß mit einer großen Quantisierungs-Schrittweite durchgeführt, so daß eine hocheffiziente Kodierung bei geringer subjektiven Bildqualitätverzerrung erzielt wird. Auch in einem Teil mit geringer vorhergesagter Verzerrung gibt es, selbst wenn das Quantisierungsausgangssignal sich auf Null beläuft, nicht viele Probleme für die visuelle Empfindung und es wird eine hocheffiziente Kodierung erzielt, weshalb eine große Quantisierungsstufengröße gewählt ist.
Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Sequenz von Transformationskoeffizienten, der Größe einer vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrung und der Quantisierungscharakteristik, die für den Fall verwendet wird, daß drei Arten von Quantisierungscharakteristiken entwickelt sind.
Darüber hinaus wird eine Klassifikation für die Sequenz von Transformationskoeffizienten und die vorhergesagte Verzerrung durch eine Schwellwertverarbeitung durch Setzen des Schwellwertes durchgeführt. Ein Transformationskoeffizient 104 und ein vorhergesagtes Bewegungskompensationsverzerrungssignal 114 zu dem Zeitpunkt der Bewegungskompensation, die beide durch eine Verarbeitung erzielt werden, die der konventionellen Verarbeitung entspricht, werden in die adaptive Quantisierungseinheit 2a eingegeben. In der adaptiven Quantisierungseinheit 2a, wie in Fig. 3 dargestellt, wird eine geeignete Quantisierungscharakteristik in Übereinstimmung mit einer Sequenz des Transformationskoeffizienten 104 und der Größe des vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals 114 ausgewählt und die Einheit 2a führt eine Quantisierung des Transformationskoefffizienten 104 durch, der als das Ergebnis einer Schwellwertverarbeitung basierend auf einem Pufferspeicherbelegung signifikant war. Auf der anderen Seite wird in der adaptiven Quantisierungsdekodiereinheit 3a, wie bei der adaptiven Quantisierungseinheit 2a, eine geeignete Quantisierungscharakteristik in Übereinstimmung mit einer Sequenz des Transformationskoeffizienten 104 und der Größe des vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals 114 ausgewählt, wobei eine Quantisierungsdekodierung durchgeführt wird. Um die Quantisierungscharakteristik auf der Kodierseite mit der Dekodierseite koninzident zu machen, wird das vorhergesagte Bewegungskompensationsverzerrungssignal 114 einer variablen Längen-Kodierung in der variablen Längen-Kodierungseinheit 7 ausgesetzt und dann zu der Dekodierseite geschickt. Die anderen Teile werden derselben Verarbeitung ausgesetzt, wie bei der konventionellen Verarbeitung.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird der Fall gezeigt, bei dem eine Quantisierungscharakteristik sich gemäß einer räumlichen Frequenzkomponente entsprechend einer Sequenz des Transformationskoeffizienten 104 und der Größe eines vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals 114 verändert. Für den Fall, daß das vorhergesagte Bewegungskompensationsverzerrungssignal 114 kleiner ist, als ein beliebig vorbestimmter Schwellwert und falls eine Steuerung so durchgeführt wird, daß alle Sequenzen des Transformationskoeffizienten in Blöcken zusammengefaßt werden, besteht ein Effekt darin, daß Rauschen in Zeitrichtung reduziert wird.
Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dieser Erfindung, da eine Vielzahl von Quantisierungscharakteristiken erzeugt werden und diese Quantisierungscharakteristiken in Übereinstimmung mit der Sequenz der Transformationskoeffizienten und der Größe der Verzerrung zur Zeit der Bewegungskompensationsvorhersage sorgfältig benutzt werden, solch eine Transformationskodiervorrichtung erzielt werden, daß die Quantisierung in Übereinstimmung mit statistischen Eigenschaften eines Eingangssignals durchgeführt wird und zugleich ein Signal effektiv komprimiert werden kann.

Claims

1. Transformationskodiervorrichtung, mit:

einer bewegungskompensierenden Einheit (6), welche eine digitale Bildeingangssignalfolge (101) in eine Vielzahl von Blöcken unterteilt, und anschließend entsprechende Blöcke mit hierzu korrespondierenden Bildsignalen (110) eines vorhergehenden Einzelbildes vergleicht, die an derselben räumlichen Position oder in der Nähe dieser Positionen angeordnet sind, die einander am meisten entsprechenden Teile dieser Blöcke aus den Bildsignalen (110) des vorhergehenden Einzelbildes erfaßt, und eine räumliche Versatzmenge zwischen diesen Blöcken und entsprechenden Teilen des vorhergehenden Einzelbildsignals als einen Bewegungsvektor (105) ausgibt;

einer Subtraktionseinheit (11), welche ein Einzelbildprediktionssignal (102), das in Übereinstimmung mit dem Bewegungsvektor erzeugt wurde, von dem digitalen Bildeingangssignal subtrahiert und ein Differenzsignal (103) erzeugt, das dem Ergebnis dieser Subtraktion entspricht; einer orthogonalen Transformationseinheit (1), die eine orthogonale Transformation auf das Differenzsignal (103) anwendet und einen Transformationskoeffizienten (104) ausgibt;

einer adaptiven Quantisierungseinheit (2a), welche eine Quantisierungschrakteristik aus einer Vielzahl von vorbestimmten Quantisierungscharakteristiken in Übereinstimmung mit der Größe des vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals (114) für die digitale Bildsignalblockfolge und einer Sequenz des Transformationskoeffizienten (104) auswählt und eine Quantisierung auf den Transformationskoeffizienten (104) gemäß der ausgewählten Quantisierungscharakteristik anwendet, um einen Quantisierungsindex (106) zu erzeugen;

einer adaptiven Quantisierungsdekodiereinheit (3a), welche eine Quantisierungscharakteristik aus einer Vielzahl von vorbestimmten Quantisierungscharakteristiken auswählt, welche sowohl der Größe des vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals als auch der Sequenz des Transformationskoeffizienten (104) entspricht, und eine Quantisierungsdekodierung auf den Quantisierungsindex (106) anwendet, um einen Quantisierungstransformationskoeffizienten (107) zu erzeugen; einer inversen orthogonalen Transformationseinheit, welche eine inverse orthogonale Transformation auf den Quantisierungstransformationskoeffizienten (107) anwendet, um ein Differenzsignal (108) zwischen dekodierten Einzelbildern zu erzeugen;

einer Addiereinheit (12), welche das dekodierte Differenzsignal (108) und das Einzelbildprediktionssignal addiert, um ein dekodiertes Bildsignal (109) zu erzeugen;

einem Bildspeicher (5), der das dekodierte Bildsignal (109) vorübergehend speichert, um das Einzelbildprädiktionssignal (102) in Übereinstimmung mit dem Bewegungsvektor auszugeben;

einer variablen Längen-Kodiereinheit (7), welche eine variable Längen- Kodierung auf den Quantisierungsindex (106) und den Bewegungsvektor (105) und das vorhergesagte Bewegungskompensationsverzerrungssignal (114) anwendet und das Ergebnis als kodierte Daten (111) ausgibt; und einem Übertragungspufferspeicher (8), welcher die kodierten Daten vorübergehend speichert, sie mit einer festen Bitrate ausgibt, und zugleich eine Pufferspeicherbelegung als ein Feedback-Signal (112) zu der adaptiven Quantisierungseinheit (26) ausgibt, um ein Pufferspeicherüberlaufen zu verhindern.

2. Transformationskodiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der adaptiven Quantisierungseinheit (2a) weiterhin basierend auf dem Feedback-Signal (112) ein Schwellwert erzeugt wird, welcher entsprechend der Pufferspeicherbelegung von dem Pufferspeicher zur Übertragung (8) ausgegeben wird, eine Schwellwertverarbeitung auf einen Transformationskoeffizienten (104) von der orthogonalen Transformationseinheit (1) angewendet wird, und anschließend nur ein Transformationskoeffizient über dem Schwellwert quantisiert wird.

3. Transformationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorhergesagte Bewegungskompensationsverzerrungssignal (114), welches von der Bewegungskompensationseinheit (6) ausgegeben wird, in die variable Längen-Kodiereinheit (7) eingegeben wird, einer variablen Längen-Kodierung unterzogen wird und anschließend in die adaptive Quantisierungsdekodiereinheit (3a) eingegeben wird, um die Quantisierungscharakteristik auf der Kodierungsseite koinzident mit der auf der Dekodierseite zu machen.

4. Transformationskodiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der adaptiven Quantisierungseinheit (2a) alle Sequenzen der Transformationskoeffizienten (104) für den Fall in Blöcken zusammengefaßt werden, daß der Grad der Übereinstimmung des vorhergesagten Bewegungskompensationsverzerrungssignals (114) kleiner ist, als ein beliebig aber fest vorgewählter Schwellwert.