DE69027820T2 - Kodierer/Dekodierer mit adaptiver Quantisierung - Google Patents

Kodierer/Dekodierer mit adaptiver Quantisierung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Quantisierer zur Kompression einer Menge digitaler Informationssignale und auch auf einen Kodierer/Dekodierer gerichtet, die mit diesem Quantisierer zusammenwirken.
  • Bezugnehmend auf Figur 5 ist als Stand der Technik ein adaptiver Quantisierungskodierer/Dekodierer dargestellt, wie er z.B. [A Proposal of Coding Control Method for MC.DCT Coding Scheme] von Kato et al beschrieben ist (The National Convention of Information and Systems Group; The Institute of Electronic, Information and Communication Engineers, 1987). In Figur 5 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Subtrahlerer; 2 eine Transformationseinheit; 3 einen Quantisierungskodierer; 4 eine Kodiereinheit; 5 einen Quantisierungsdekodierer; 6 eine Rücktransformationseinheit; 7 einen Addierer; 8 einen Rahmenspeicher; 9 eine adaptive Kodier-Steuereinheit; 10 einen Transmissionskanal und 11 einen Dekodierer.
  • Als nächstes werden Wirkungsabläufe des Systems dargestellt, in Figur 5 beschrieben. Auf der übertragungsseite wird durch den Subtrahierer 1 ein Differenzsignal zwischen einem digitalisierten Eingangsbildsignal 100 und einem kunftigen Signal 101, das ein vorausgegangenes Rahmensignal des Rahmenspeichers 8 ist, erhalten. Das so erhaltene Differenzsignal ist definiert als künftig zu erwartendes Fehlersignal 102. Das zu erwartende Fehlersignal 102 wird in den Umwandlungskoeffizienten 103 eines Frequenzbereiches in der Transformationseinheit 2 umgewandelt, durch eine Transformationsfunktion, wie z.B. eine diskrete Cosinustransformation. Der Transformationskoeffizient 103 wird auf ein diskretes Niveau 105 quantisiert (nachstehend als Quantisierungsniveau bezeichnet) durch einen Quantisierungskodierer 3 in Übereinstimmung mit einer Quantisierungsschrittgröße 104, die von der adaptiven Kodiersteuereinheit 9 bereitgestellt wird. Mit Hilfe der Kodiereinheit 4 wird ein Code dem Quantisierungsniveau 105 zugewiesen, wobei im Ergebnis kodierte Daten 106 gemeinsam mit der Information der Quantisierungsschrittgröße 104 durch den Transmis sionskanal 10 übertragen werden. Die Transformationseinheit 2, der Quantisierungskodierer 3 und die Kodiereinheit 4 sind zu einem Quantisierungskodiermodul zusammengefaßt. Ein Dekodierumwandlungskoeffizient 107 wird von dem Quantisierungsniveau 105 durch den Quantisierungsdekoder 5 unter Einbeziehung der Quantisierungsschrittgröße 104 erhalten. Der Dekodierumwandlungskoeffizient 107 durchläuft eine Rücktransformation in der Rücktransformationseinheit 6 und man erhält dadurch ein angenommenes Dekodierfehlersignal 108. Ein lokaler Quantisierungsdekodiermodul ist zusammengesetzt aus dem Quantisierungsdekoder 5 und der Rücktransformationseinheit 6 auf der Übertragungsseite. Das angenommene Dekodierfehlersignal 108 wird zu dem angenommenen Signal 101 hinzuaddiert durch die Addiereinheit 7. Der addierte Wert wird als lokales Dekodiersignal 109 in dem Rahmenspeicher 8 festgehalten, um als angenommenes Signal 101 des nächsten Rahmens zu dienen.
  • Andererseits werden die Kodierdaten 110, die durch den Transmissionskanal 10 übertragen wurden, dekodiert auf ein Quantisierungsniveau 111 mit der Dekodiereinheit 11 auf der Empfängerseite. Ein Dekodierumwandlungskoeffizient 112 wird von dem Quantisierungsniveau 111 mit Hilfe des Quantisierungsdekoders 5' unter Einbeziehung der Quantisierungsstufengröße 104 von der Dekodiereinheit 11, erhalten. Der Dekodierumwandlungskoeffizient 112 durchläuft eine Rücktransformation in der Rücktransformationseinheit 6', und erhält ein angenommenes Dekodierfehlersignal 113. Ein Quantisierungsdekodiermodul besteht aus der Dekodiereinheit 11, dem Quantisierungsdekoder 5' und die Rücktransformationseinheit 6' auf der Empfängerseite. Das angenommene Dekodierfehlersignal 113 wird einem angenommenen Signal 114 durch die Addiereinheit 7' hinzuaddiert. Das so addierte Signal wird ausgegeben als Dekodiersignal 115 und im gleichen Moment in einem Rahmenspeicher 8' festgehalten, um als angenommenes Signal 114 für den nächsten Rahmen zu dienen.
  • Der Quantisierungskodierer 3 zur Durchführung der Quantisierung, wobei die Quantisierungsstufengröße 104 adaptiv geregelt wird, wird nun im Folgenden beschrieben. Jeder dynamische Bereich eines digitah sierten Eingangssignales 100 und das angenommene Signal 101 bewegt sich von 0 bis 255, d.h. 8 Bit. In diesem Fall umfaßt der dynamische Bereich des angenommenen Fehlersignals 102 minus 255 bis plus 255 oder 9 Bit (1 Bit ist ein Zeichenbit). Das 9 Bit angenommene Fehlersignal 102 ist in (8 x 8) Blöcken angeordnet und wird in den Transformationskoeffizienten 103 des Frequenzbereichs einer zweidimensionalen diskreten Cosinustransformation umgewandelt. Infolge erstreckt sich der dynamische Bereich des Transformationskoeffizienten 103 von minus 2048 bis 2047, d.h. 12 Bit (1 Bit ist ein Zeichenbit). Daraus folgt, daß die dynamischen Bereiche des Eingangssignals für den Quantisierungskodierer 3 und des Ausgangssignals vom Quantisierungsdekoder 5 zwischen minus 2048 bis plus 2047 sich bewegen. Es wird jetzt angenommen, daß eine Charakteristik des Quantisierers definiert ist. Der Einfachheit halber als eine lineare Quantisierungscharakteristik mit einer Mittellinie, wobei die Quantisierungsschrittgröße mit folgender Formel (1) dargestellt ist und konstant ist auf allen Entscheidungs ebenen.
  • qdec(n) = ( n x g) x n/ n
  • qrep(n) = 1/2 {qdec(n) + qdec (n + n/ n )} (1)
  • qrep(0) = 0,
  • wobei qdec(n) die Entscheidungsebene ist, qrep(n) ein Rekonstruktionswert ist, g ist die Quantisierungsschrittgröße und n ist der Quantisierungsindex. In diesem Falle ist g eine positive gerade Zahl. In Figur 6 wird eine Quantisierungscharakteristik für diesen Fall dargestellt. In Figur 6 bezeichnet die horizontale Achse das Entscheidungsniveau des Quantisierers, während die vertikale Achse den Rekonstruktionswert bezeichnet. Z.B., wenn der Transformationskoeffizient CO vorbeschrieben ist als 3g &le; CO < 4g, dann wird CO quantisiert zu 3,5g, und der Quantisierungsindex, der einer Kodierungsübertragung unterworfen wird, nimmt den Wert 3 an. Im speziellen, wie in Figur 7 dargestellt ist und wenn die Quantisierungsschrittgröße g den Wert 32 annimmt, wird der Transformationskoeffizient CO, der nunmehr vorbeschrieben ist als 64 &le; CO < 96, zu einem Rekonstruktionswert 80 quantisiert. Die Größe der Quantisierungsschrittgröße hängt von der Feinheit der Quantisierung ab. Die Quantisierung wird weniger fein mit zunehmender Quantisierungsschrittgröße g. Eine Differenz (Quantisierungsfehler) zwischen dem Eingangswert und zwischen dem Rekonstruktionswert nimmt zu, wobei eine Verschlechterung in der Qualität des dekodierten Bildes verursacht wird. Der dynamische Bereich des Eingangswertes ist, wie oben diskutiert, fest. Deshalb ist, wenn die Quantisierungsschrittgröße g groß ist, nimmt der dynamische Bereich des kodierten Quantisierungsindexes ab, um gleichzeitig die zu übertragende Informationsmenge zu reduzieren. Wenn die Quantisierungsschrittgröße g z.B. 16 annimmt, dann reicht der dynamische Bereich des Quantisierungsindexes von minus 128 bis plus 127. Im Gegensatz, wenn die Quantisierungsschrittgröße g den Wert 64 annimmt, ist der dynamische Bereich des Quantisierungsindexes von minus 32 bis plus 31. Daraus folgt, daß es möglich ist, den Zusammenhang des dekodierten Bildes und der zu übertragenden Informationsmenge durch adaptive Regelung der Quantisierungsschrittgröße g, in Übereinstimmung mit dem eingegebenen Bild zu steuern.
  • In Figur 8 ist für diesen Zeitpunkt eine Quantisierungscharakteristik gezeigt unter der Annahme, daß die Quantisierungsschrittgröße variiert und auf den Wert 30 festgelegt wird. Der Umwandlungskoeffizient CO, der nämlich vorgegeben ist zwischen 2040 &le; CO &le; 2047, wird zu einem Wiedergabewert 2055 quantisiert. Im negativen Fall wird der Umwandlungskoeffizient CO, der zwischen minus 2048 &le; CO &le; minus 2040 vorgegeben ist, in ähnlicher Weise zu einem Wiedergabewert von minus 2055 quantisiert.
  • Die US-Schrift US 4 847 866 bezieht sich auf einen Differential-Pulskode-Modulationskodierer, wobei eine Differenz zwischen einem Eingangssignal und einem künftig anzunehmenden Wert von einem Vorhersageschaltkreis ausgegeben wird und durch einen Quantisierer verschlüsselt und übertragen und danach das quantisierte Differenzsignal mit dem angenommenen Wert kombiniert wird. Der so erhaltene Wert wird beschränkt, innerhalb des dynamischen Bereichs des Eingangssignals durch einen Begrenzungsschaltkreis.
  • Der Begrenzungsschaltkreis begrenzt einen durch Kombination eines quantisierten Ausgangswertes mit einem räumlichen Bildelementsignal vom Vorhersageschaltkreis zu einem Wert, der in dem Bildelementraum existieren kann.
  • Es ergibt sich das folgende Problem des Standes der Technik der adaptiven Quantisierungskodierer und - dekodierer der oben beschriebenen Konstruktion. Es besteht die Möglichkeit, daß der ausgegebene Wiedergabewert bei Veränderung der Quantisierungsschrittgröße einen zulässigen Bereich für die Eingabe auf der nächsten Stufe übersteigt. Z.B. resultiert ein Fehler im Verfahrensablauf, wenn ein ausgegebener Wert des Quantisierungsdekoders im Quantisierungsdekodiermodul außerhalb des zulässigen Bereiches liegt.
  • Demzufolge ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die entwickelt wurde, um das vorstehende Problem zu umgehen, einen adaptiven Quantisierungskodierer/Dekodierer anzugeben, wobei ein auszugebender Rekonstruktionswert einen zulässigen Eingabebereich der nächsten Stufe nicht überschreitet und kein Fehler im Verfahrensablauf erfolgt.
  • Der adaptive Quantisierungskodierer/Dekodierer gemäß der vorliegenden Erfindung sieht einen Begrenzer in einem Quantisierungskodiermodul vor, so daß ein Rekonstruktionswert auf dem Quantisierungsniveau sich nicht außerhalb eines vorbestimmten, zulässigen Bereichs befindet oder sieht auch einen Begrenzer in einem lokalen Quantisierungsdekodiermodul vor, so daß ein Ausgangssignalniveau innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereiches fällt, bzw. sieht einen Begrenzer in einem Quantisierungsdekodiermodul vor, so daß das Ausgangssignalniveau innerhalb eines vorbe stimmten zulässigen Bereiches fällt.
  • Der adaptive Quantisierungskodierer/Dekodierer der Erfindung ist so aufgebaut, daß der Rekonstruktionswert des Quantisierungsniveaus nicht den vorgegebenen zulässigen Bereich übersteigt, dank eines Begrenzers, der im Quantisierungskodiermodul vorgesehen ist, bzw. alternativ fällt das Ausgangssignalniveau innerhalb des zulässigen Bereichs, dank eines Begrenzers, der im Quantisierungsdekodiermodul vorgesehen ist.
  • Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verdeutlicht, in der folgenden Erläuterung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen:
  • Figur 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausgestaltung eines adaptiven Quantisierungskodierers/Dekodierers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • Figur 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausgestaltung eines adaptiven Quantisierungskodierers/Dekodierers nach der Erfindung ist;
  • Figur 3 eine graphische Darstellung ist, die eine Charakteristik des Begrenzers A wiedergibt, der in einem Quantisierungskodiermodul gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
  • Figur 4 eine graphische Darstellung ist, die die Charakteristik eines Begrenzers B wiedergibt, der in einem Quantisierungsdekodiermodul oder einem lokalen Quantisierungsdekodiermodul vorgesehen ist, nach der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 5 ein Blockdiagramm ist, das den Stand der Technik der adaptiven Quantisierungskodie rer/Dekodierer darstellt;
  • Figur 6 eine graphische Darstellung ist, um eine Quantisierungscharakteristik zu erklären; und
  • Figur 7 und 8 graphische Darstellungen zur Erläuterung sind, wobei bei jede die Quantisierungscharakteristik darstellt, wenn Quantisierungsschrittgrößen auf den Wert 32 bzw. 30 festgelegt wurden.
  • Beispielgebende Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben. In der ersten Ausgestaltung der Figur 1 bedeuten das Bezugszeichen 12 einen Begrenzer A, der in einem Quantisierungskodiermodul vorgesehen ist. Mit 13' ist ein Begrenzer B bezeichnet, der in einem Quantisierungsmodul vorgesehen ist. Andere Komponenten sind dieselben wie in Figur 5 dargestellt.
  • Die Wirkungsweise des Begrenzers A des Quantisierungskodiermoduls wird unter Bezugnahme der Figur 1 erklärt. Wie im Stand der Technik, beginnt der Verfahrensablauf durch Quantisierung eines Umwandlungs koeffizienten 103 auf ein Quantisierungsniveau 105 in einem Quantisierungskodierer 3 durch eine Quantisierungsschrittgröße 104. Als nächster Schritt wird das Eingangssignal der nächsten Stufe beurteilt, von der Quantisierungsschrittgröße 104 und dem Quantisie rungsniveau 105 mit Hilfe des Begrenzers A 12, ob oder nicht ein Wiedergabewert einen zulässigen dynamischen Bereich übersteigt, hier von minus 2048 bis plus 2047. Falls es größer als der dynamische Bereich ist, wird das Quantisierungsniveau 116 durch ein Niveau näher dem Ursprung ausgegeben. Im speziellen, wie dargestellt in Figur 3, wenn die Quantisierungsschrittgröße den Wert 30 annimmt, wird der Umwandlungskoeffizient zwischen 2010 und 2047 quantisiert zu 2025. Figur 3 zeigt einen Fall, für den der Umwandlungskoeffizient positiv ist. Im Fall eines negativen Koeffizienten, sich bewegend von minus 2010 und minus 2048, wird er ähnlich zu minus 2025 quantisiert.
  • Den Verfahrensablauf des Begrenzers B im Quantisierungsdekodiermodul der Figur 1 wird beschrieben, mit Bezug auf die Figur 2. Dem Begrenzer B 13' wird ein Dekodierumwandlungskoeffizient 112 eingegeben, der als ein Ausgangssignal des Quantisierungsdekoders 5' des Dekodiermoduls vorzustellen ist. Falls einer dieser Werte den zulässigen dynamischen Bereich übersteigt, wird der Wert begrenzt, um innerhalb des dynamischen Bereiches des Umwandlungskoeffizienten zu fallen. Ein auf diese Art begrenzter Umwandlungskoeffizient 180 wird dann ausgegeben. In Übereinstimmung mit einer zweiten Ausgestaltung der Figur 2 wird anstelle des Begrenzers A des Quantisierungskodiermoduls der Figur 1 ein Dekodierumwandlungskoeffizient 107 des Quantisierungsdekoders 5 begrenzt, innerhalb des zulässigen dynamischen Bereichs durch den Begrenzer B 13 in dem lokalen Quantisierungsdekodiermodul. Ein auf diese Weise begrenzter Umwandlungskoeffizient 117 wird dann ausgegeben. In den Begrenzer B nämlich, wie in Figur 4 dargestellt, und wenn die Quantisierungsschrittgröße g 30 ist, wird der Umwandlungs koeffizient zwischen 2040 und 2047 als numerischer Wert 2047 ausgegeben. Figur 4 zeigt einen Fall, bei dem der Umwandlungskoeffizient positiv ist, im Fall eines negativen Umwandlungskoeffizienten zwischen minus 2040 und minus 2048 wird in ähnlicher Weise 2048 ausgegeben.
  • Bei den ersten und zweiten Ausgestaltungen sind demzufolge die Begrenzer jeweils an der Übertragungs und Empfangsseite des Systems vorgesehen. Die Wirkungen jedoch werden selbstverständlich auch dargestellt, durch einen Begrenzer auf einer einzigen Seite.
  • Wie oben dargelegt, gemäß der vorliegenden Erfindung, sind Begrenzer A oder B im Quantisierungsmodul oder in dem lokalen Quantisierungsdekodiermodul vorgesehen; oder der Begrenzer B ist in dem Quantisierungsdekodiermodul vorgesehen. Mit dieser Anordnung über steigt der Rekonstruktionswert für das diskrete Niveau in bezug auf die Quantisierungsdekodierung, nicht den zulässigen Bereich des Eingangssignals der nächsten Stufe; oder alternativ das Ausgangssignalniveau fällt innerhalb des zulässigen Bereichs. Dies verhindert umgekehrt jeden Fehler des Verfahrensablaufs, wenn der Quantisierungsdekoder wirksam wird.

Claims (4)

1. Kodierer zum verdichtenden Umwandeln jedes von digitalen Eingangssignalen einer finiten Wortlänge durch Quantisieren jedes Eingangssignals auf einen diskreten Pegel, während adaptiv eine Quantisierungsschrittweite durch das digitale Eingangssignal variiert wird, der ein Kodiermodul für adaptive Quantisierung zum Kodieren des Eingangssignals durch Quantisieren des Eingangssignals mit einer Umwandlungseinheit (2), einem Quantisierungskodierer (3) und einer Kodiereinheit (4), ein lokales Dekodiermodul zum Erzeugen eines lokalen Dekodiersignals von einem quantisierten Wert des Eingangssignals mit einem Quantisierungsdekodierers (5) und einer inversen Umwandlungseinheit (6); einen Rahmenspeicher (8) zum Speichern des lokalen Dekodiersignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Quantisierungskodiermodul einen ersten Begrenzer (12) umfaßt, der, wenn ein nach seiner Quantisierung erzeugter Rekonstruktionswert eines diskreten Pegels einen vorbestimmten zulässigen Bereich überschreitet, den Rekonstruktionswert in einen diskreten Pegel, der um einen Pegel näher an einem Ursprung in dem zulässigen Bereich liegt, kodiert, wobei der erste Begrenzer (12) zwischen dem Ausgang des Quantisierungskodierers (3) und dem Eingang der Kodiereinheit (4) angeordnet ist und das Ausgangssignal des ersten Begrenzers (4) dem Quantisierungsdekodierer zugeführt wird.
2. Kodierer zum verdichtenden Umwandeln jedes von digitalen Eingangssignalen einer finiten Wortlänge durch Quantisieren jedes Eingangssignals auf einen diskreten Pegel, während adaptiv eine Quantisierungsschrittweite durch das digitale Eingangssignal variiert wird, der ein Kodiermodul für adaptive Quantisierung zum Kodieren des Eingangssignals durch Quantisieren des Eingangssignals mit einer Umwandlungseinheit (2), einem Quantisierungskodierer (3) und einer Kodiereinheit (4), ein lokales Dekodiermodul zum Erzeugen eines lokalen Dekodiersignals von einem quantisierten Wert des Eingangssignals mit einem Quantisierungsdekodierers (5) und einer inversen Umwandlungseinheit (6); einen Rahmenspeicher (8) zum Speichern des lokalen Dekodiersignais aufweist, dadurch gekennzeichnet daß das lokale Dekodiermodul einen zweiten Begrenzer (13) zum Begrenzen eines in einem vorbestimmten zulässigen Bereich auszugebenden Signalpegels einschließt, wobei der zweite Begrenzer zwischen dem Ausgang des Quantisierungsdekodierers (5) und der inversen Umwandlungseinheit (6) angeordnet ist.
3. Kodierer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Umwandlungseinheit (2) ein Differenzsignal zwischen dem Eingangssignal und dem lokalen Dekodiersignal empfängt und linear transformiert.
4. Dekodierer zum Dekodieren eines kodierten Signals, das durch Quantisieren jedes von Eingangssignalen einer finiten Wortlänge auf einen diskreten Pegel, während eine Quantisierungsschrittweite durch das digitale Eingangssignal variiert wird, verdichtend umgewandelt ist, der ein Dekodiermodul für eine adaptive Quantisierung zum Erzeugen eines Dekodiersignals nach Empfang eines kodierten Signals mit einer Dekodiereinheit (11), einem Quantisierungsdekodierer (5') und einer inversen Umwandlungseinheit (6') und einen Rahmenspeicher (8') zum Speichern des Dekodiersignals aufweist, dadurch gekennzeichet daß ein dritter Begrenzer (13') zum Begrenzen eines Ausgangssignalpegels des Quantisierungsdekodiermoduls in einem zulässigen Bereich vorgesehen ist, der zwischen dem Ausgang des Quantisierungsdekodierers (5') und dem Eingang der inversen Umwandlungseinheit (6') angeordnet ist.
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