DE3638128A1 - Hybrid-codierer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Codierer für Video­ signale, bei dem die Daten eines Videobildes in gleich große Datenblöcke unterteilt werden und jeder Datenblock nach einer Tiefpaßfilterung durch eine erste Operations­ einheit mit dem entsprechenden Datenblock des vorangegan­ genen Videobildes durch einen Subtrahierer verglichen wird, wobei der entsprechende Datenblock des vorangegan­ genen Videobildes nach einer Tiefpaßfilterung durch eine zweite Operationseinheit vom Ausgang eines Bildspeichers dem Subtrahierer zugeführt wird, und bei dem der durch den Subtrahierer gebildete Differenzblock durch eine dritte Operationseinheit einer Matrix-Transformation un­ terworfen wird und diese Transformation in einem Rück­ kopplungsweg durch eine vierte Operationseinheit mit der inversen Matrix wieder rückgängig gemacht wird und der rücktransformierte Differenzblock einem ersten Eingang eines Addierers zugeführt wird, während ein zweiter Ein­ gang des Addierers mit dem Ausgang der zweiten Opera­ tionseinheit verbunden ist und der Ausgang des Addierers an den Dateneingang des Bildspeichers geführt ist.

Ein Hybrid-Codierer mit den angegebenen Merkmalen ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 36 20 424.2 beschrieben. Ein Prinzipschaltbild dieses Hybrid-Codierers ist in Fig. 1 dargestellt. Der Haupt­ zweck des gezeigten Codierers ist der, die von einer Video-Datenquelle kommenden Videodaten möglichst mit ge­ ringem Informationsverlust in ein Signal mit möglichst geringer Bitrate umzucodieren. Bei diesem Vorgang werden zwei Codierungsprinzipien - daher der Name Hybrid- Codierer - angewendet:
Das Interframe-Prinzip, bei dem die Korrelation zwischen zeitlich aufeinanderfol­ genden Videobildern (diese Bezeichnung wird hier für Voll- und Teilbilder verwendet) ausgenutzt wird und das Intraframe-Prinzip, bei dem die Korrelation der Videodaten innerhalb eines Videobildes ausgenutzt wird.

Vor dem eigentlichen Codierungsprozeß ist eine Aufberei­ tung der Daten erforderlich. Diese Aufbereitung wird bei dem Hybrid-Codierer nach Fig. 1 durch eine Funktionsein­ heit PP (preprocessing) übernommen. Die Daten werden in Blöcken an den Codierer übergeben. Ein solcher Videoda­ tenblock enthält die Daten bestimmter Bildpunkte eines Videobildes, die als Elemente einer quadratischen Zahlen­ matrix aufgefaßt werden (zur Bedeutung der hier verwen­ deten Begriffe im Zusammenhang mit Zahlenmatrizen vgl. Wigner, E. P.: Group Theory; Academic Press New York and London 1959, S. 1-30). So kann z. B. ein Datenblock aus den Chrominanzwerten der ersten acht Bildpunkte der er­ sten acht Zeilen eines Videobildes bestehen. Durch die Funktionseinheit PP wird jedes Videobild in gleich große Datenblöcke zerlegt. Die Zerlegungsvorschrift enthält auch die Zuordnung einer Kennung zu jedem Datenblock. Der eben als Beispiel angeführte Datenblock könnte z. B. durch b ₁₁ symbolisiert und gekennzeichnet werden. Datenblöcke von aufeinanderfolgenden Videobildern, die die gleiche Kennung haben, werden hier als sich entsprechende Daten­ blöcke bezeichnet.

Mit dergleichen Bezeichnung sollen auch Datenblöcke auf­ einanderfolgender Videobilder gemeint sein, deren Infor­ mationsinhalte die größte Übereinstimmung haben. In die­ sem Sinne sich entsprechende Datenblöcke spielen bei Hybrid-Codierern eine Rolle, bei denen ein sogenanntes blockmatching vorgenommen wird. Auf diese Variante von Hybrid-Codierern soll jedoch nicht näher eingegangen wer­ den.

Bei der Übergabe eines Datenblockes z. B. des Datenblockes b ₁₁ an einen Eingang eines Subtrahierers SR wird gleich­ zeitig der entsprechende Datenblock - symbolisiert z. B. durch b ₁₁ - des vorangegangenen Videobildes aus einem Bildspeicher BS an den anderen Eingang des Subtrahierers SR gegeben. Die Wirkung einer Operationseinheit OE 1 - sie liegt zwischen der Funktionseinheit PP und einem Eingang des Subtrahierers SR - auf den Datenblock b ₁₁ und die Wirkung einer Operationseinheit OE 1 - sie folgt auf einen Ausgang A des Bildspeichers BS - auf den Datenblock b ₁₁ soll zunächst unberücksichtigt bleiben. Der Subtrahierer SR bildet die Differenz zwischen den beiden Blöcken im Sinne der Differenz zwischen zwei Matrizen (vgl. Wigner l. c., S. 7); dieser Differenzblock wird nun weiteren Ope­ rationen unterworfen.

Eine dritte Operationseinheit OE 3 nimmt mit jedem Diffe­ renzblock eine Ähnlichkeitstransformation im Sinne einer Matrixtransformation vor (vgl. Wigner l. c., S. 9). Sei a das Symbol für die Transformationsmatrix der Ein­ heit OE 3 und d ₁₁ das Symbol für die Matrix des Differenz­ blockes - oder einfacher für den Differenzblock - so liegt nach der Transformation am Ausgang der Einheit OE 3 der Block D ₁₁ = a ^-1 d ₁₁ a an, wobei a ^-1 das Symbol für die zu a inverse Matrix bedeutet. Die Transformation durch die Einheit OE 3 entspricht etwa der Fourier-Transformation bei der akustischen Signalübertragung:
der Block D ₁₁ kann meist mit weniger Binärstellen codiert werden als der Block d ₁₁.

Anschließend durchläuft das transformierte Signal einen Quantisierer Q, der nochmals für eine Datenreduktion sorgt. Damit das gesamte Signal mit konstanter Bitrate an einen Empfänger übertragen werden kann, ist ein Puffer­ speicher P vorgesehen. Ein Multiplexer MUX verschachtelt das aus dem Pufferspeicher P ausgelesene Nutzsignal mit Steuerinformationen.

Nach der Quantisierung wird das Signal auch über einen Rückkopplungszweig an den Eingang des Hybrid-Codierers zurückgeschleift. Zunächst wird der durch den Quantisie­ rer Q veränderte Block D ₁₁ durch eine nicht eingezeichne­ te Regenerationseinheit so weit regeneriert, daß er bis auf Rundungsfehler mit dem ursprünglichen Block D ₁₁ über­ einstimmt. Sodann wird er durch eine vierte Operations­ einheit OE 4 mit der Transformationsmatrix a ^-1 wieder in den Differenzblock d ₁₁ (ebenfalls bis auf Rundungsfehler) zurücktransformiert. Ein Addierer AR addiert zu diesem Block - wegen der Verbindung eines Ausganges A des Bild­ speichers BS mit einem Eingang des Addierers AR - den Da­ tenblock b ₁₁, mit dem durch den Subtrahierer SR der Dif­ ferenzblock d ₁₁ gebildet wurde. Eventuelle Verzögerun­ gen wegen endlicher Laufzeiten werden entweder durch Ver­ zögerungsglieder oder Taktverschiebungen (beides in der Figur nicht angedeutet) ausgeglichen.

Wie sich leicht überprüfen läßt, ergibt sich am Ausgang des Addierers AR der Datenblock b ₁₁ (bis auf Rundungsfeh­ ler) des gerade über die Funktionseinheit PP zugeführten Videobildes. Dieser Datenblock wird über einen Eingang E des Bildspeichers BS in ihn eingelesen und übernimmmt dort die Rolle des Datenblockes b ₁₁, der nun gelöscht wird.

In der zitierten Patentanmeldung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß - analog zum akustischen Fall - ein in seiner Bandbreite eingeschränktes Signal mit geringerer Bitrate über einen gegebenen Kanal übertragen werden kann. Mit der Einschränkung der Bandbreite ist hier die Unterdrückung der zu hohen Frequenzen gehörenden Koeffi­ zienten einer speziellen flächenhaften Fourier-Transfor­ mation von Bildausschnitten, repräsentiert durch die Da­ tenblöcke, gemeint. Bei dieser Unterdrückung der Koeffi­ zienten ist es nicht erforderlich, erst die spezielle Fourier-Transformation vorzunehmen - also die Blöcke in dem Frequenzbereich zu transformieren - sondern es läßt sich eine äquivalente Abänderung der Blöcke im Ortsbe­ reich vornehmen. Solche Tiefpaßfilterungen führen die Operationseinheiten OE 1 und OE 2 durch. In der zitierten Patentanmeldung ist auch in allen Einzelheiten beschrie­ ben, welchen Matrixoperationen die Datenblöcke unterwor­ fen werden, damit der transformierte Datenblock einem tiefpaßgefilterten Signal entspricht. Die Tiefpaßfilte­ rung des Videosignals macht sich auf dem Bildschirm durch eine Unschärfe bemerkbar; diese Unschärfe ist jedoch we­ niger störend als Störungen, deren Ursache eine große Quantisierung durch den Quantisierer Q ist. Die Tiefpaß­ filterung hat auch zur Folge, daß der Quantisierer Q kein adaptiver Quantisierer zu sein braucht und in einigen Fällen sogar ganz entfallen kann.

Die Matrizen, mit denen die Tiefpaßfilterung durch die Operationseinheiten OE 1 und OE 2 vorgenommen wird, sind nach der zitierten Patentanmeldung gleich. Jedoch erfolgt die Tiefpaßfilterung adaptiv, d. h., die Grenzfrequenz beider Einheiten OE 1 und OE 2 wird abhängig vom Videosig­ nal verändert. Die Veränderung der Grenzfrequenzen er­ folgt durch verändern einer skalaren Größe der Filterma­ trizen z. B. in Abhängigkeit vom sogenannten Displace­ ment-Vektor, eine Größe, die den Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Videobildern aufgrund der Bewegung der aufgenommenen Objekte angibt und ebenfalls vom Bild­ speicher BS bestimmt wird. Angaben über die Größe des Displacement-Vektors werden ebenfalls zur ordnungsgemäßen Decodierung an den Empfänger übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hybrid-Codierer der eingangs genannten Art eine Verbesse­ rung der Qualität der übertragenen Bilder herbeizuführen, ohne die Übertragungsbitrate zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Tiefpaßwirkung der ersten Operationseinheit geringer ist als die Tief­ paßwirkung der zweiten Operationseinheit. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Un­ teranspruch angegeben.

An Hand der Figur soll die Erfindung näher erläutert wer­ den.

Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Hybrid-Codie­ rers.

Die prinzipielle Funktionsweise eines Hybrid-Codierers nach der Figur ist in der Beschreibungseinleitung schon erläutert worden, so daß an dieser Stelle darauf verzich­ tet werden kann. Näher eingegangen werden soll jedoch auf die Wirkungsweise der Operationseinheiten OE 1 und OE 2.

Es handelt sich in beiden Fällen um zu Tiefpässen äquiva­ lente Schaltungen, die jedoch in ihrer Wirkung nicht identisch sind. Erfindungsgemäß soll die Tiefpaßwirkung der am Eingang gelegenen Operationseinheit OE 1 geringer sein als die Tiefpaßwirkung der Operationseinheit OE 2. Eine geringere Tiefpaßwirkung bedeutet z. B., daß die Grenzfrequenz eines Tiefpasses zu höheren Frequenzen hin verschoben wird. Die Tiefpaßwirkung Null heißt dann sinngemäß, daß die Grenzfrequenz eines Tiefpasses unend­ lich groß ist. In einem solchen Fall kann der Tiefpaß entfallen, da er keinen Einfluß mehr auf das ihn durch­ laufende Signal hat. Beide Operationseinheiten OE 1 und OE 2 werden in ihrer Wirkung vom Videosignal, z. B. vom oben erwähnten Displacement-Vektor, gesteuert. Die Steue­ rung erfolgt jedoch grundsätzlich so, daß die Grenzfre­ quenz der Einheit OE 1 immer größer ist als die der Ein­ heit OE 2.

Es soll nun plausibel gemacht werden, daß sich bei einer solchen Bemessung der Einheiten OE 1 und OE 2 eine Verbes­ serung der Bildqualität gegenüber dem Fall ergibt, in dem beide Einheiten gleich bemessen sind. Zu diesem Zweck sei zunächst angenommen, daß beide Einheiten OE 1 und OE 2 wir­ kungslos sind, also unendlich große Grenzfrequenzen ha­ ben. Für die weitere Argumentation ist folgende, empi­ risch gefundene Tatsache von Bedeutung:
Führt man mit den von der Einheit PP kommenden Daten­ blöcken die eingangs erwähnte spezielle, flächenhafte Fourier-Transformation durch - es ist übrigens die gleiche Transformation, die von der Einheit OE 3 mit den Differenzblöcken vorgenommen wird - und führt die gleiche Transformation auch mit den Datenblöcken durch, die vom Bildspeicher BS kommen, so stellt man fest, daß zwischen den Koeffizienten, die zu hohen Frequenzen und sich ein­ ander entsprechenden Datenblöcken gehören, nur eine geringe Korrelation besteht. Die hohen Frequenzanteile der Blöcke, die von der Einheit PP kommen, sind also statistisch unabhängig von den hohen Frequenzanteilen der Datenblöcke, die vom Bildspeicher BS kommen. Da jedoch der Subtrahierer SR die Differenz beider Blöcke bildet, und der Differenzblock durch die Einheit OE 3 Fourier- transformiert wird, ergeben sich für die hohen Frequenz­ anteile der Differenzblöcke - wegen der statistischen Unabhängigkeit der Summanden - größere Werte als für jeden der Blöcke alleine.

Erfindungsgemäß wird deshalb der hohe Frequenzanteil der Blöcke, die aus dem Bildspeicher BS kommen, durch die Einheit OE 2 - die nun eine endliche Grenzfrequenz hat - gedämpft. Dadurch wird die Bildqualität auf der Empfängerseite verbessert, weil für die Codierung auf der Senderseite ungeeignete Bildanteile nicht mehr verwendet werden. Das führt unter anderem zu einer geringeren Zahl der für die Codierung der Differenzblöcke erforderlichen Bits.

Davon unabhängig wird eine Bandbegrenzung des zu codie­ renden Signals durch die Operationseinheit OE 1 vorgenom­ men. Sie hat so zu erfolgen, daß die Grenzfrequenz der wie ein Tiefpaß wirkenden Einheit OE 1 über der Grenzfre­ quenz der Einheit OE 2 liegt. Die Bandbegrenzung der von der Einheit PP kommenden Blöcke reduziert das störende Quantisierungsrauschen auf Kosten der Bildschärfe; dieser Nachteil ist jedoch weniger störend.

Die Tiefpaßcharakteristik der Einheit OE 2 wird sowohl aus dem Grad der Korrelation zwischen den Koeffizienten der von der Einheit PP und der vom Bildspeicher BS kommenden Blöcke als auch aus der Tiefpaßcharakteristik der Einheit OE 1 bestimmt.

Claims (2)

1. Hybrid-Codierer für Videosignale, bei dem die Daten eines Videobildes in gleich große Datenblöcke unter­ teilt werden und jeder Datenblock nach einer Tiefpaß­ filterung durch eine erste Operationseinheit mit dem entsprechenden Datenblock des vorangegangenen Video­ bildes durch einen Subtrahierer verglichen wird, wobei der entspechende Datenblock des vorangegangenen Videobildes nach einer Tiefpaßfilterung durch eine zweite Operationseinheit vom Ausgang eines Bildspei­ chers dem Subtrahieren zugeführt wird, und bei dem der durch den Subtrahierer gebildete Differenzblock durch eine dritte Operationseinheit einer Matrix-Transforma­ tion unterworfen wird und diese Transformation in ei­ nem Rückkopplungsweg durch eine vierte Operationsein­ heit mit der inversen Matrix wieder rückgängig gemacht wird und der rücktransformierte Differenzblock einem ersten Eingang eines Addierers zugeführt wird, während ein zweiter Eingang des Addierers mit dem Ausgang der zweiten Operationseinheit verbunden ist und der Aus­ gang des Addierers an den Dateneingang des Bildspei­ chers geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßwirkung der ersten Operationseinheit (OE 1) geringer ist als die Tiefpaßwirkung der zweiten Operationseinheit (OE 2).

2. Hybrid-Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Tiefpaßwirkung der ersten Operationsein­ heit (OE 1) Null ist und diese Einheit daher entfällt.