DE3426939A1

DE3426939A1 - Einbettungsquantisierungsvorrichtung fuer ein vektorsignal

Info

Publication number: DE3426939A1
Application number: DE19843426939
Authority: DE
Inventors: Kazuo Tokio/Tokyo Yamada; Hirohisa Tanashi Tokio/Tokyo Yamaguchi
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1984-07-21
Publication date: 1985-02-14
Also published as: GB2144299A; GB2144299B; JPS6029090A; GB8418786D0; DE3426939C2; US4639778A

Description

Einbettungsquantisierungsvorrichtung für ein

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einbettungsquantisierungsvorrichtung für ein Vektorsignal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Diese Vorrichtung wird beispielsweise für eine DPCM (Differentialpulscodemodulation) eines Farbfernsehsignal s verwendet.

Es ist bekannt, die Differentialpulscodemodulation (DPCM) und eine prädiktive Quantisierung zur Umsetzung (Codierung) analoger Signale in digitale Impulse anzuwenden, um die Informationsmenge zu verringern, so daß die Bildinformation in einem schmalen Frequenzbereich und/oder in kurzer Zeit übertragen werden 5 kann. Die DPCM ist in dem Bell System Technical Jour

nal, Mai bis Juni, 1966,

689 bis 721 beschrieben.

20

Die Kombination der bekannten DPCM und prädiktiven Quantisierung ist jedoch für eine Hochgeschwindigkeitsübertragung eines Bildsignals nicht ausreichend. So wird beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitsübertragung eines RGB-Stehbildes (aus roten, grünen und blauen Komponenten der drei Primärfarben) mit 512 χ 512 Elementen innerhalb von 10 Sekunden gefordert.

25

Wenn die Übertragungsgeschwindigkeit 48 Kb/s beträgt, dann ist die zulässige Anzahl der Bits für jede Quantisierung kleiner als 3 Bits. Berücksichtigt man, daß die Komponenten R, G und B gewöhnlich in 8 Bit quantisiert sind, dann ist eine starke Informationskompression erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine stärkere Informationskompression und bessere Bildqualität ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
15

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden mehrere prädiktive Fehlersignale gleichzeitig quantisiert. Dies

hat den Vorteil, daß die Bildqualtität eines Farbfernsehbildes besonders an den Rändern des Bildes verbessert und die Informationsmenge eines zu übertragenden Bildsignals verringert wird.
25

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vektorquantisierungsvorrichtung,

Fig. 2A ein ausführlicheres Blockschaltbild des Codierers 10 nach Fig. 1 für die Einbettungsquantisierung,

Fig. 2B den Betriebsablauf der Einrichtung nach

Fig. 2A, j

Fig. 2C ein Ausführungsbeispiel der Quantisierungs- | Steuereinheit 16 nach Fig. 2A, i

Fig. 2D ein anderes Ausführungsbeispiel der Quantisie- ' rungssteuereinheit 16 nach Fig. 2A und :

ι Fig. 3 ein Beispiel für Vektorkoordinaten nach der ,

Erfindung. j

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines DPCM-Übertra- ■ gungssystems, bei dem die erfindungsgemäße Vektorquan- '

¹^ tisierung angewandt wird. Darin ist mit 10 der Codierer '

bezeichnet, der einen Eingangssignalumsetzer U zur j

Umsetzung eines seriellen Eingangssignals in ein ι paralleles Vektorsignal, einen Subtrahierer 12, einen
Quantisierer 13, einen Prädiktor 14 und einen Addierer \ 15 aufweist. Mit 20 ist ein Kanalkodierer bezeichnet,

der das DPCM-Vektorsignal in einen Kanalcode zur . Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit an die
Kanalgeschwindigkeit umsetzt. Mit 30 ist ein Kanaldecodierer bezeichnet, der den Kanalcode in einen DPCM-Vek-

tor umsetzt, und mit 40 ein Decodierer zum Decodieren '■ eines DPCM-Vektorsignals, der einen Addierer 41,
einen Prädiktor 42 und einen Ausgangssignalumsetzer
43 aufweist, der das Signal in ein serielles Signal ί

umsetzt. ι

Ein Eingangssignal I., bei dem es sich um ein abge- ^;

tastetes Signal im Zeitbereich handelt, wird dem :

Eingangssignalumsetzer 11 zugeführt, der η Abtastwerte, I

wobei η eine ganze Zahl und größer 2 ist, in ein !

Vektorsignal I umsetzt (eine Serien- Parallel-Umset- j

zung durchführt). Durch den Subtrahierer 12 wird j

ein prädiktives Fehlervektorsignal E gebildet, indem er den prädiktiven Wert T, der durch den Prädiktor 14 erzeugt wird, vom Eingangsvektorsignal I subtrahiert. Der Quantisierer 13 quantisiert das prädiktive Fehlervektorsignal E, um das quantisierte Vektorausgangssignal Q zu bilden, das über den Kanalkodierer 20 zu einer digitalen Schaltung übertragen wird.

Auf der Empfangsseite wird das durch den Kanaldekodierer 30 dekodierte Vektorsignal dem Addierer 41 zugeführt, der den prädiktiven Wert "ί¹ zum Eingangssignal addiert, um das Ausgangsvektorsignal T¹ zu bilden. Dann bewirkt der Ausgangssignalumsetzer 43 die Umsetzung des parallelen Vektorsignals in ein serielles Zeitbereichsignal I_n.

Jedes Signal läßt sich wie folgt darstellen:

Eingangsvektorsignal

prädiktives Vektorsignal:

E =

prädiktiver Wert:

1 =

quantisiertes Vektorausgangssignal : Q =

(D (2) (3)

(4)

Das Bezugszeichen für das entsprechende empfangsseitige Signal ist mit einem hochgestellten Beistrich versehen.

Das quantisierte Vektorausgangssignal Q nach Fig. läßt sich in Form der Gleichung (5) darstellen, wobei mit R die Quantisierungsoperation bezeichnet ist.

(5)

Für das Vektorausgangssignal I¹ des Addierers 41 gilt die Gleichung (6).

2 ^H 2

+q·

(6)

Zur Bildung des quantisierten Vektorausgangssignals Q ist es bekannt, das Verfahren zur Bildung des quadratischen Minimums anzuwenden, d.h., das quantisierte Vektorausgangssignal Q so zu bilden, daß der quadrati-

-> sehe Fehler D zwischen dem Eingangsvektorsignal I des Addierers 12 im Codierer 10 und dem Ausgangsvektorsignal I¹ im Decodierer 40 minimal ist.

I¹ Γ(Ι - I¹ )

(7)

(mit "T" = transponierte Matrix, die vertikale Elemente in laterale ändert).

Bei der Bildung des prädiktiven Wertes i, im Prädiktor 14 wird jedoch das Signal i_T(l*L-(k-l)), das bereits den Quantisierungsfehler aufweist, verwendet, werden der Fehler dieses Signals und/oder die Fehler der vorhergehenden Signale aufsummiert und tritt der aufsummierte Fehler bei einem Teil der Komponentenvektoren auf. Es ist daher festgestellt worden, daß das Bild auf der Empfangsseite stark verzerrt ist.

Durch die Erfindung wird dieser Nachteil vermieden.

Die Quantisierung wird bei dem prädiktiven Fehlervektorsignal E = Ce₁, e₂,...,e )■ bewirkt, und unter Berücksichtung der Fortpflanzung des Quantisierungsfeh

—> lers läßt sich der Quantisierungsvektor Q wie folgt

darstellen:

= R(I

R(7-

(8)

I₂(Q₁) ) Ο)

i₃(q_lf Q₂)

I_n(Q₁, Q₂,-.,Q_n)

Das prädiktive Signal T enthält daher selbst den Quantisierungsfehler des letzten-Prädiktionsfehlers, so daß I, das den Fehler aufweist, dargestellt wird als I als I(Q). Die Gleichungen (4) und (5) werden dann wie folgt korrigiert:

Q= R(I - 1(Q))

(10)

wobei R der Operator für die Vektorquantisierung ist.

Das Endziel ist die Auflösung der Gleichung (10)

—> und die Ermittelung des Wertes Q, der die Gleichung

(10) erfüllt.

Wenn die quantisierte Vektorausgangsgröße Q, die

3426933!

die Gleichung (7) zur Minimisierung des quadratischen Fehlers erfüllt, gewonnen worden ist, erfüllt diese Ausgangsgröße nicht die Gleichung (10). D.h., wenn eine Ausgangsgröße Q₁ gewonnen worden ist, könnte die Gleichung (10) eine andere Quantisierungsausgangsgröße (?p ergeben, wie es durch die Gleichung (11) dargestellt ist.

Q₂ = R(I -

(11)

Ferner ergibt die Ausgangsgröße Q₂ eine andere Ausgangsgröße Q₃ nach Gleichung (10). Das endgültige Ergebnis der Einbettungsoperation nach Gleichung (10) ist daher einer der folgenden beiden Zustände:

Zustand (1): Die quantisierte Ausgangsgröße

—>

—^

konvergiert, d.h., man erhält die endgültige Ausgangsgröße Q , welche die Gleichung G?_n = R(T" - ?(Q_n)) erfüllt.

Zustand (2): Die quantisierte Ausgangsgröße divergiert

oder oszilliert, d.h. es wiederholen

sich ständig die beiden folgenden Gleichungen :

Q_n = R(I - KO_n-1)),

^_-1= R(Y- 1(Q_n)), aber Q_n-3= Q^

Versuche haben gezeigt, daß nahezu alle Eingangsbildvektoren konvergieren, wie es im Zustand (3) dargestellt ist, und daß weniger als 10 % aller Vektoren in dem Zustand (2) divergieren. Ferner kann die Anzahl der Einbettungen bis zum Erreichen des konvergenten Zustande kleiner als die Anzahl η der Elemente des Vektors sein. Wenn der Zustand divergiert, wie es

im Zustand (2) dargestellt ist, wird eine der quantisierten Ausgangsgrößen Q und Q _- ausgewählt, so daß der quadrische Fehler der Gleichung (7) kleiner ist. Für diesen Fall haben Untersuchungen gezeigt, daß sowohl Q als auch Q _₁ weitgehend die gleiche Bildqualität ergeben.

Erfindungsgemäß wird daher eine Einbettungsquantisierung bewirkt und ein quantisiertes Ausgangssignal erzeugt, das den Quantisierungsfehler mittelt.

Fig. 2A zeigt ein Blockschaltbild des Einbettungsquantisierungscodierers mit einer Quantisierungssteuereinheit 16, Schaltern 17 und 18 (SW. und SW_ß) und anderen Bauteilen, die mit den gleichen Bezugszahlen wie die gleichen Bauteile in Fig. 1 versehen sind. Die Schalter 17 und 18 und die zugehörige Steuereinheit 16 stellen ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar.

Fig. 2B veranschaulicht die Wirkungsweise dieser Schalter. In der Anfangsphase jedes Vektors ist der Schalter 17 (SW.) mit dem Kontakt a. und während der anderen Zeiten mit dem Kontakt a~ verbunden.

Der Schalter 18 (SW_n) ist mit dem Kontakt b. während

JlJ 1

der Einbettungsoperation verbunden, und in der Endphase der Quantisierung ist der Schalter 18 mit dem Kontakt b„ verbunden, so daß das quantisierte Ausgangssignal zu einer externen Schaltung übertragen wird. Zur Steuerung der Schalter wird der Quantisierungssteuereinheit 16 ein Taktpuls zugeführt, der an jeder Elementkomponentenstelle des Vektors ein Impulssignal aufweist.

In der Anfangsphase ist der Schalter 17 mit dem Kontakt a^ verbunden, so daß der Anfangswert Q* für die Einbettungsoperation gebildet wird. Zu dieser Zeit wird

das Eingangssignal dem Prädiktor 14 über den Schalter 17 zugeführt, und die quantisierte Anfangsausgangsgröße Q*, die nicht durch den Quantisierungsfehler beeinträchtigt wird, ist nachstehend dargestellt.

f* = RQ - I*) = RU -

(12)

Der Anfangswert Q* wird daher durch das Eingangsvektorsignal I gebildet. Wenn der Anfangswert gebildet worden ist, wird der Schalter 17 auf den Kontakt a_? umgeschaltet.

Wenn der Schalter 17 nicht vorgesehen wäre, müßte ein spezieller Quantisierer zur Bildung des Anfangswertes bei der Bildung des das quadratische Minimum darstellenden Quantisierungsausgangssignals nach Gleichung (7) vorgesehen werden, so daß der Aufbau der Vorrichtung wegen dieses zusätzlichen Quantisierers aufwendig würde.

Wenn der Anfangswert gebildet worden ist, wird der Schalter 17 auf den Kontakt a. umgeschaltet und die Einbettungsquantisierung durch Verwendung des Ausgangs signals als Eingangssignal der nächsten Phase bewirkt. Bei einer Anzahl η von Einbettungen ergeben sich folgende Einbettungsschritte:

->cf

n+1

Nachdem eine n-malige Einbettungsoperation abgeschlossen ist, wird der Schalter 18 auf den Kontakt b_? umgeschaltet, so daß die letzte Quantisierungsausgangs-

größe Q ₁ einer externen Schaltung zugeführt wird. [

Die Schalter 17 und 18 werden durch die Quantisierungssteuereinheit 16 gesteuert. Die Fig. 2C und 2D zeigen ; zwei Ausführungsbeispiele der Quantisierungssteuereinheit 16. ''

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2C wird der , Schalter 18 umgeschaltet, wenn die Bedingung der \ Gleichung (10) erfüllt ist. In Fig. 2C bezeichnet '. 16-1 einen Zähler (CNT_?) zum Zählen eines festen
Taktpulses, um den Schalter 17 (SW.) so zu steuern,
daß der Schalter 17 noch in der Anfangsphase der
Einbettungsoperation mit dem Kontakt a. verbunden ; wird. Die Wirkungsweise dieses Schalters 16-1 ist ! sehr einfach, und der Schalter 1.7 wird bei jedem
vorbestimmten Taktimpuls mit dem Kontakt a- verbunden. ; In Fig. 2C bezeichnen 16-3 eine Verknüpfungsschaltung,
d.h. ein NAND-Glied in Form eines UND-Gliedes mit ; eingangsseitiger Negation, 16-4a bis 16-4n Verzögerungs- ι glieder, die jeweils eine einer Taktperiode entsprechen- \ de Verzögerung bewirken, 16-5a bis 16-5n Subtrahierer ι und q. bis q Eingangssignale, die Elemente des durch ^: den Quantisierer 13 gebildeten Vektors darstellen. j

' \ Alle Subtrahierer 16-5a bis 16-5n erzeugen daher ' das Ausgangssignal 0, wenn das Elementsignal q. (mit ■ i = n) gleich dem Elementsignal der vorhergehenden ■ Taktperiode ist. Und, wenn die'Ausgangssignale aller - ·,

Subtrahierer 16-5a bis 16-5n null sind, erzeug-fc—die—, :'

Verknüpfungsschaltung 16-3 das Ausgangssignal 1,
das dem Shalter 18 zugeführt wird, um den Kontakt
mit b„ zu verbinden. Die Bedingung, daß die Verknüpfungsschaltung 16-3 das Ausgangssignal 1 erzeugt,

bedeutet, daß die Gleichung (10) konvergiert.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Quantisierungssteuereinheit 16 nach Fig. 2D bezeichnet 16-1 den gleichen Zähler wie den nach Fig. 2C und 16-2 einen weiteren Zähler zum Zählen der Taktimpulse. Der Zäh- ι ler 16-2 erzeugt ein Ausgangssignal, um den Schalter 18 (SW.) im letzten Takt mit dem Kontakt b_? zu verbin- i den. D.h., wenn ein Vektor aus einer Anzahl von m Elementen besteht, ist das Ausgangssignal des Zählers 16-2 (CNT₁) während der Takte 1 bis m-1 null und während des m-ten Taktes eins, so daß der Schalter SW. während des ersten bis (m-1)-ten Taktes mit dem

Jn.

Kontakt b₁ und während des m-ten Taktes mit dem Kontakt a_? verbunden ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2D ist nicht sichergestellt, daß die Gleichung

■15 (10) konvergiert. Wie jedoch bereits erwähnt wurde, genügt es, die Einbettungsoperation so oft zu wiederholen, wie ein Vektor Elemente aufweist, so daß die Anordnung nach Fig. 2D für die eigentliche Codierung eines Bildsignals ausreicht.

Der Quantisierer 13 in Fig. 2A kann ein ROM (Festwertspeicher) sein, der die Quantisierungskennlinien speichert und durch Zuführung eines prädiktiven Fehler- ' signals als Adressensignal ausgelesen wird. Dabei wird mithin eine Quantisierung durch ein einmaliges : Auslesen des ROM bewirkt.

Bei dem Prädiktor 14 kann es sich um einen herkömmlichen Prädiktor handeln, bei dem ein prädiktiver Algorithmus nach einem herkömmlichen Teilercodierungsverfahren (scalor coding technology) angewandt wird.

Fig. 3 zeigt schließlich ein Beispiel der Vektorkoordinaten des Ausgangssignals des Kanalkodierers 20. Bei diesem Beispiel ist die Anzahl der Elemente eines Vektors gleich drei, obwohl zuvor ein Ausführungsbeispiel mit vier Elementen beschrieben worden ist.

Der Codierer 10 nach Fig. 2A erzeugt das quantisierte Vektorsignal mit den Elementen e„, e_o und e„. Jedes dieser Elemente kann mehrere Zustände (Werte) aufweisen, weil es durch eine DPCM codiert ist. Das Ausgangssignal des Kanalkodierers 20 ist eines von 0 bis : 8 Ausgangssignalen, die jeweils den Zustand (Wert) der Elemente gemäß nachstehender Tabelle darstellen.

^eR ^eR

ft D

O	O	0	0
1	O	0	10
2	10	0	0
3	0	-10	0
4	0	0	-10
CJl	-10	0	0
6	0	10	0
7	0	0	20
8	0	0	-20

Wenn beispielsweise das Ausgangssignal des Kanalkodierers 20 eine 8 ist, bedeutet dies, daß das Element e_n = 0, das Element e„ = 0 und das Element e_n = -20 ix a U

ist. Auf diese Weise wird ein Farbbildelement in codierter Form durch nahezu 3 Bits (0-8) dargestellt.

- Leerseite -

Claims

20

Patentansprüche

Einbettungsquantisierungsvorrichtung für ein Vektorsignal mit einem Eingangsanschluß zur Aufnahme eines abgetasteten Eingangssignals, einem Subtrahierer, einem am Ausgang des Subtrahierers angeschlossenen Quantisierer, einem Addierer und einem am Ausgang des Addierers angeschlossenen Prädiktor, wobei der Subtrahierer die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Prädiktors und der Addierer die Summe des Ausgangssignals des Quantisierers und des Ausgangssignals des Prädiktors bildet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangsanschluß ein Vektorsignal aus mehreren Eingangssignalen zur Quantisierung eines Vektorsignals zugeführt wird, daß zur Bildung mehrerer quantisierter Ausgangssignale mehrmals eine Prädiktion und Quantisierung eines Eingangssignals durchgeführt werden, daß ein Schalter SW. vorgesehen ist, durch den ein Eingang des Prädiktors derart umschaltbar ist, daß dem Prädiktor in einer ersten Taktperiode einer Einbettungsquantisierungsoperation ein Eingangssignal und in anderen Taktperioden ein Ausgangssignal des Addierers zugeführt wird, daß am Ausgang des Quantisierers ein Schalter SW_R vorgesehen ist, über den einer externen Schaltung ein quantisiertes Ausgangssignal zuführbar ist, und daß

— 2 —

eine Quantisierungssteuereinheit (16) zur Steuerung der Schalter SW. und SW_ß vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Quantisierungssteuereinheit (16) eine Koinzidenzfeststelleinrichtung zum Feststellen, ob das Ausgangssignal des Quantisierers mit dem Ausgangssignal desselben in einer vorhergehenden Taktperiode zusammenfällt, so daß der Schalter SW_ß den Quantisier-

erausgang mit einer externen Schaltung verbindet, wenn die Koinzidenzfeststelleinrichtung die Koinzidenz feststellt, und einen Zähler zum Zählen eines Taktpulses zur Abgabe eines Ausgangssignals an den Schalter SW., so daß der Prädiktor nur in einer Anfangsphase der Einbettungsquantisierung ein Eingangssignal erhält, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzfeststelleinrichtung mehrere Verzögerungsglieder zum Verzögern eines Signals um eine Taktperiode, mehrere Subtrahierer zum Subtrahieren der Ausgangssignale der Verzögerungsglieder von einem Eingangssignal und ein logisches Verknüpfungsglied aufweist, das das Ausgangssignal erzeugt, wenn die Ausgangssignale aller Subtrahierer null sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungssteuereinheit (3 6) einen ersten Zähler (16-1) zur Abgabe eines derartigen Ausgangssignals an den Schalter SW., daß der Prädiktor nur während einer Anfangsphase der Einbettungsquantisierung ein Eingangssignal erhält, und einen zweiten Zähler (16-2) zur Abgabe eines derartigen Ausgangssignal an den Schalter SW_, daß der Ausgang des Quantisierers bei jeder

Quantisierung eines Vektors während der letzten
Taktimpulsperiode mit einer externen Schaltung
verbunden wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ;

dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wieder- ' holungen der Einbettungsquantisierung gleich einer

Anzahl von Elementen des zu quantisierenden Vektors ! ist.

I
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, j

dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalter SW_n ein

Jd

Kanalkodierer zur Kodierung eines quantisierten j

Vektorsignals in einen einzigen digitalen Wert :

nachgeschaltet ist. ,
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ^:

dadurch gekennzeichnet, daß ein Vektor drei Elemente j

aufweist, die die Primärfarben Rot, Grün und Blau i

zur Übertragung eines Farbfernsehsignals darstellen, j