Verfahren zur Bilddatenreduktion für digitale Fernsehsignale
专利汇可以提供Verfahren zur Bilddatenreduktion für digitale Fernsehsignale专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且Ein Verfahren zur Bilddatenreduktion für digitale Fernsehsignale, mit einer Vorverarbeitung der Signale mittels blockweisen Transformationsverfahrens, wobei ein transformiertes und quantisiertes Signal, das zu einem Zeitpunkt t-1 erzeugt und in einem Bildspeicher abglegt wurde, von einem transformierten Signal, das zu einem Zeitpunkt t entsteht, subtrahiert wird, und wobei das derart gewonnene Differenzsignal einer Quantisierung unterzogen wird. Das quantisierte Differenzsignal wird einer Analyse und außerdem einer Zeitverzögerung (VZ) unterzogen, die dem Zeitbedarf für die Analyse (AS) entspricht. Das auf diese Weise verzögerte Signal wird zum einen zur Aktualisierung des Bildspeicherinhaltes auf das von dem Bildspeicher (M) ausgelesene, ebenfalls entsprechend verzögerte Signal in Abhängigkeit von aus der Analyse gewonnenen Additionsbedingungssignalen summiert und zum anderen einer Entropie-Codierung (HC) in Abhängigkeit von den Analyse-Ergebnissen unterzogen, welche Additionsbedingungssignale eine Information darüber enthalten, ob ein Block, dessen Analyse abgeschlossen ist, ein "bewegter" oder "unbewegter" Block ist, und falls der Block ein "bewegter" Block ist, Information über eine zu übertragende Koeffizientengruppe enthalten. Das derart codierte Signal wird einer Pufferung (B) unterzogen, die dazu bestimmt ist, aus dem ungleichförmigen Datenfluß der Entropie-Codierung einem Ausgangssignalkanal zur Übertragung einen gleichförmigen Datenfluß anzubieten.，下面是Verfahren zur Bilddatenreduktion für digitale Fernsehsignale专利的具体信息内容。
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bilddatenreduktian,für digitale Fernsehsignale, mit einer Vorverarbeitung der Signale mittels blockweisen Transformationsverfahrens, wobei ein transformiertes und quantisiertes Signal, das zu einem Zeitpunkt t-l erzeugt und in einem Bildspeicher abgelegt wurde, von einem transformierten Signal, das zu einem Zeitpunkt t entsteht, subtrahiert wird und wobei das derart gewonnene Differenzsignal einer Quantisierung unterzogen wird.
Bereits bekannte Verfahren zur Bilddatenreduktion können unterteilt werden in:
- - DPCM(Differenz-Pulsecodemodulations)-Verfahren,
- - Transformationsverfahren,
- - Hybridverfahren.
Bei DPCM-Verfahren wird jeweils die Differenz zwischen einem aus bereits übertragenen Abtastwerten ermittelten Schätzwert und dem tatsächlichen Abtastwert ermittelt. Bei reinen DPCM-Codern erfolgt diese Vorhersage (Prädiktion) dreidimensional, d.h. sowohl innerhalb eines Bildes als auch von Bild zu Bild.
Bei Transformationsverfahren erfolgt eine Abbildung von dem Bild in den Transformationsbereich. Aus Aufwandsgründen wurden bisher nur zweidimensionale Transformationen realisiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hybridverfahren. Das Prinzip-des Hybridverfahrens ist in Fig.l dargestellt.
Die Hybridcodierung stellt eine Mischung aus Transformation und DPCM dar. Dabei erfolgt die Transformation innerhalb eines Bildes zweidimensional, Blockgröße 16x16 oder 8x8 Bildpunkte, während die DPCM von Bild zu Bild.arbeitet. Das durch Transformation und/oder DPCM dekorrelierte Signal wird quantisiert und übertragen.
Im wesentlichen arbeiten sämtliche Hybridverfahren nach dem in Fig.l gezeigten Schema. Bei ausgereiften Verfahren werden dabei die Funktionen Q, P und C adaptiv ausgeführt.
Aus der europäischen Patentanmeldung 82.3070263 ist ein Verfahren bekannt, das einen Coder mit folgenden wesentlichen Merkmalen verwendet:
- - Dynamische Bit-Zuordnung: Für jeden zu codierenden Koeffizienten wird mittels eines Vorhersage-Algorithmus diejenige von mehreren Huffman-Code-Tabellen ausgewählt, welche die Bitrate minimiert.
- - Lauflängen-Codierung: Entlang einer bestimmten Abtastrichtung aufeinanderfolgend auftretende Nullen werden durch Lauflängen codiert.
- - Konstante Kanalrate: Wird durch eine Kopplung des Quantisierers an die Pufferfüllung erreicht. Hierzu wird ein PI-Regler (mit proportionalem integrierenden Verhalten) verwendet.
Aus der Druckschrift "F.May: Codierung von Bildfolgen mit geringer Rate für gestörte Übertragungskanäle, NTG-Fachberichte, Bd.74, S.379-388" ist ein System zur Bildübertragung über schmalbandige Funkkanäle bei einer Ubertragungsrate von 9,6 Kbit/s und eine Bildfolgefrequenz von 0,5 Bildern bekannt. Für dieses bekannte Verfahren sind mehrere Bit-Zuordnungsmatrizen vorgesehen, wobei immer die für den jeweiligen Block optimale ermittelt und in Form einer Klassenzugehörigkeit übertragen wird. Ferner werden bezüglich des quadratischen Fehlers optimale nichtlineare Quantisierungs-Kennlinien. verwendet. Eine konstante Kanalrate wird durch Eingangs-Puffersteuerung erreicht, d.h. jedes Bild wird zuerst analysiert; sodann wird die Anzahl der zu übertragenden Koeffizienten solange verändert, bis die Kanalrate eingehalten wird.
Aus der Druckschrift "W.H.Chen, W.K. Pratt: Scene Adaptive Coder, IEEE Trans. Comm., Vol.Com32, No.3, March 1984" ist eine adaptive Bandbreiten-Kompressionstechnik bekannt, die eine diskrete Cosinus-Transformation verwendet (ähnlich europäischer Patentanmeldung 82.30 70 263).
Aus der Druckschrift "A.G. Tescher: Rate adaptive Communication, IEEE International Conference on Communication, 1978, pp.19.1.1.-19.1.6" ist ein Konzept für eine Bitratenregelung bei einer Quellencodierung bekannt.
In dem Fachbuch "W.K. Pratt: Image Transmission Techniques, Academic Press, New York, San Francisco, London, 1979" wird ein Überblick über Transformationstechniken der genannten Art gegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das gegenüber bekannten Verfahren eine wesentlich verbesserte Bildqualität bei gleicher Kanalrate ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe für die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben, wobei die betreffenden Figuren jeweils Ausführungsbeispiele für die Erfindung darstellen.
- Fig.l zeigt eine schematische Darstellung des Grundkonzepts der bekannten Hybridcodierung.
- Fig.2 zeigt ein Blockschaltbild eines vollständigen Ubertragungssystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
- Fig.3 zeigt ein Blockschaltbild eines Senders gemäß einem Ausführungsbeispiel innerhalb des in Fig.2 gezeigten Ubertragungssystems.
- Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild eines Empfängers gemäß einem Ausführungsbeispiel innerhalb des in Fig.2 gezeigten Ubertragungssystems.
- Fig.5A zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Art und Weise, wie ein Feld mit mxn Koeffizienten in Koeffizientengruppen in Form gedachter diagonaler Streifen unterteilt ist.
- Fig.58 zeigt eine schematische Darstellung, aus der hervorgeht, wie eine Pufferregelung in dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Coder-Ausgangsrate durch Begrenzen der Anzahl der zu übertragenden Koeffizientengruppen wirkt.
- Fig.5C zeigen, wie benachbarte Koeffizientengruppen zu und 5D einer Obergruppe zusammengefaßt werden.
- Fig.6 zeigt die Kennlinien einer Pufferregelung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 2-6 beschrieben.
Bei der Erfindung wird die Diskrete Cosinus-Transformation (DCT) in einer Transformationsstufe T verwendet. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Transformationen anwendbar. Das Codier-Verfahren arbeitet nach den Blockschaltbildern gemäß Fig.3 (Sender) und Fig.4 (Empfänger).
Die ankommenden Bilder werden blockweise zweidimensional cosinustransformiert (Blockgröße 16x16 Bildpunkte). Die Blockgröße 8x8 läßt sich einfach durch Änderung von Huffman-Code-Tabellen 1B und. der Bit-Zuordnungsmatrizen Tabelle 2 (siehe Anhang) realisieren. Die Differenz zwischen den so erhaltenen Spektralkoeffizienten und den entsprechenden Koeffizienten im DPCM-Speicher M wird dann entsprechend dem durch die Pufferregelung vorgegebenen Quantisierungsintervall Δ quantisiert (Block Q).
Aus dem quantisierten Prädiktionsfehler-Signal Δ yQ(u,v,t) wird dann für jede Koeffizientengruppe (Fig.5A) die Energie bestimmt (Block E).
Durch die Begrenzungsfunktion fA (x) ist gewährleistet, daß das Ergebnis t von Δ YQ2 nicht mit mehr Bits dargestellt wird, als für die weitere Verarbeitung notwendig ist. Der für die Summation verwendete Akkumulator hat ebenfalls nur 12 Bits, wobei ein dreizehntes Bit auf "1" gesetzt wird und bleibt, sobald einmal Überlauf aufgetreten ist.
Die auf diese Weise erhaltenen Energien E(i) werden über ein Netzwerk Ll an den Block S weitergegeben. Ll begrenzt dabei den Amplitudenbereich auf E*(i) - (0 ≤ E*(i) ≤ 16), so daß E* (i) mit 5 Bitsdargestellt werden kann.
In der Stufe S wird für jede Koeffizientengruppe aufgrund seiner Energie durch Vergleich mit in Tabellenform abgelegten Schwellenwerten ermittelt, ob sie zu übertragen ist. Die Nummer der ersten zu übertragenden Koeffizientengruppe liefert N0, während die Nummer der letzten zu übertragenden Koeffizientengruppe ND liefert. Ist ND < 4, so wird es gleich "1" gesetzt. Falls keine Koeffizientengruppe gefunden wurde, die zu übertragen ist, wird N0 und ND gleich "1" gesetzt. Dadurch ist gewährleistet, daß auch bei der Klassifikation K der Block als unbewegt klassifiziert wird. Der Pufferregler kann durch Vergabe der maximalen Anzahl von Koeffizi- . entengruppen auf die Rate Einfluß nehmen.
Falls also ND größer als ein durch den Pufferregler vorgege- bener Wert NDMAX ist, so ist ND = NDMAX zu setzen. ,
Das Ergebnis des Blockes S wird zur Klassifikation K, zur Codierung HC und an einen bedingten Addierer (+) weitergegeben.
Neben dem Block S werden die Energien E(i) über L2, das die vier niederwertigsten Bits abschneidet, an einen Integrierer I weitergegeben. Der Integrierer I bildet aus E(i) das Signal EI(i)
Dabei werden nur die Bits mit der Wertigkeit 0...7 bei der Addition berücksichtigt, während Bit 8 ODER-verknüpft mit dem Überlaufbit des Addierers das Bit 8 des Akkumulators ergibt, so daß man am Ausgang des Integrators wieder 9-Bit-Codeworte hat.
Cie Stufe K führt folgende Operationen aus:
Durch das Abschneiden der vier niederwertigsten Bits bei der Energieberechnung ergeben sich aus Fig.6 Kurve Kl die in Beziehung (3) angegebenen vier Werte für die Schranke T.
Ist der Block unbewegt, wird er der "Unbewegt"-Klasse 4 zugeordnet. Ist der Block bewegt und damit zu übertragen, so wird die Energie der zu übertragenden Obergruppe
Die beiden notwendigen Klassengrenzen G (N0, ND, 1) und G (NO, ND, 2) werden wie folgt ermittelt:
- EH : bei der Generierung der Huffman-Code-Tabellen vorausgesetzte mittlere Energie (= Varianz)
- B(i,j,k) : Zuordnungsmatrix f der Huffman-Code-Tabellen für Klasse K (Tabelle 2)
- EHg : Energie bis Diagonale ND, gemittelt über Klasse k und k+1
Die Fallunterscheidung bei der Berechnung von G(NO,ND,k) und EG kommt daher, daß der Gleichanteil bei allen Klassen mit de gleichen Huffman-Code-Tabelle für maximale Varianz codie:t wird. Seine Energie bleibt daher bei der Klassifikatior unberücksichtigt. Die zu übertragende Obergruppe wird dann codiert (Block HC) und in den Ausgangspuffer (Block B) geschrieben. Hierzu werden die Code-Tabellen 1 bis 7 der Tabelle 1 verwendet, welche über die Zuordnungsmatrizen in Tabelle 2 für jeden Koeffizienten ausgewählt werden. Bei der Godierung werden die sog. "modified" Huffman-Codes verwendet. Dabei werden Werte /y/ ≤ yesc huffmancodiert. Bei /y/ > yesc wird ein Escapewort gesendet, gefolgt vom Wert von y in natürlichem Code. Das Quantisierungsintervall kann die Werte Δo, Δo/2, Δo/4, Δo/8 annehmen. Dem entsprechen 255, 511, 1023, 2047 Amplitudenstufen. Daher haben diese natürlichen Codeworte unterschiedliche Längen (8, 9, 10, 11 Bits).
Zusätzlich muß für jeden Block die Klassenzugehörigkeit und die Obergruppe (NO, ND) übertragen werden. Für diesen Overhead werden die folgenden Bitraten benötigt:
- 1. Fall: 2 Bit wenn k = 4 ("Unbewegt"-Klasse)
- 2. Fall: 2 Bit + die in Tabelle 1B ("Huffmarf-Code-Tabellen für Obergruppe und Klasse)angegebene mittlere Wortlänge, wenn k = 1 bis-3
Zuletzt wird der DPCM-Speicher auf den aktuellen Stand gebracht. Dabei sind die Obergruppe und die Klassenzugehörigkeit zu berücksichtigen
Wie bereits erwähnt, wird eine konstante Kanalrate durch Andern der Schranke "bewegt"/"unbewegt" T, des Quantisierungsintervalles Δ und der maximal zu übertragenden Diagonale NDMAX erreicht. In Abhängigkeit der Pufferfüllung werden über die nichtlinearen Kennlinien Kl bis K3 die Größen T, Δ, NDMAX ermittelt (Fig.6).
Im Bereich BN < B(k) ≤ 1 (Kennlinie K3) wird die Rate über NDMAX geregelt.
Für 8Δ≤ B(k) ≤ BN folgt keine Regelung. Ist 0 < 8(k) < BA, so erfolgt die Pufferregelung über das Quantisierungsintervall Δ (Kennlinie K2). Dabei kann Δ nur Werte annehmen, die die folgende Ungleichung erfüllen:
Wie bereits erwähnt, muß das Quantisierungsintervall auch bei der Codierung mit berücksichtigt werden.
Bei sehr vollem Puffer B(k) > BT (Kennlinie Kl) wird noch die Schranke T'über eine quadratische Kennlinie Kl erhöht. Die Erhöhung der Schranke "bewegt"/"unbewegt" geschieht dann auf zwei Wegen:
- a) Erhöhung von T über Kennlinie Kl
- b) Reduzierung von NDNAX und damit der Gesamtenergie (EG über Kennlinie K3.
Durch Punkt b) wird eine sehr effiziente Rauschunterdrückung bei vollem Puffer erreicht.
- 1. Pufferregelung.
- - Art der Begrenzung der Bitrate durch Weglassen von Koeffizientengruppen, wenn der Puffer volläuft. Dabei wird die Anzahl der Koeffizientengruppen über einen Proportionalregler geregelt.
- - Regelung der Rate über-das Quantisierungsintervall bei leerlaufendem Puffer mit einem Proportionalregler. Dabei kann das Quantisierungsintervall nur die Werte Δo/2, Δo/4, Δo/8 annehmen.
- - Art der Erkennung geänderter Blöcke durch Berechnung der Energie des quantisierten Signals. Dies ist identisch mit einer Kopplung der Schranke "bewegt"/"unbewegt" T an das Quantisierungsintervall. Ein guter Wert für T ist T = Nz/12. Dieses T ist über einen weiten Bereich der Pufferfüllung konstant.
- - Erhöhung der Schranke T bei vollaufendem Puffer über eine quadratische Kennlinie.
- - Der Regler für die Anzahl der maximal zu übertragenden Diagonalen und der Regler für das Quantisierungsintervall arbeiten nie gemeinsam, sondern je nach Pufferfüllung jeweils nur einer.
- - Die Tatsache, daß für die Änderungserkennung für Blöcke nur die Koeffizientengruppen berücksichtigt werden, die auch übertragen werden.
- 2. Codierung.
- - Adaptive Huffman-Codierung durch feste Zuordnung der Huffman-Code-Tabellen für drei "Bewegt"-Klassen (bisher gibt es dynamische Zuordnung der Huffman-Code-Tabellen (HCT) /1/ und feste Zuordnung von nichtlinearen optimalen n=Bit-Maxquantisierern /2/).
- - Klassifizierung aufgrund des quantisierten Signals.
- - Art der Bestimmung der Klassengrenzen aus der Zuordnung der Huffman-Code-Tabellen und der Varianz, für die die HCT generiert wurden.
- - Art der Erkennung und Codierung geänderter Obergruppen innerhalb eines Blocks (bei /1/ durch Lauflängen-Codierung und End of Block Codewort).
- - Die Tatsache, daß für die Änderungserkennung für Blöcke nur die Koeffizientengruppen berücksichtigt werden, die auch übertragen werden.
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