DE69322879T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ratenreduktion für Bildaufzeichnung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bit-Raten-Verminderung für die Aufzeichnung von Bildern auf einem Videorecorder.
• Sie bezieht sich insbesondere auf die digitale Aufzeichnung eines Bildes, aber auch auf die Übertragung und Speicherung von Bildern.
• In zukünftigen Studios für digitale Fernsehsignale mit hoher Auflösung scheint es wesentlich zu sein, das hochauflösende Fernsehsignal in digitaler Form aufzeichnen zu können, um die Qualität der Bilder im Verlauf der Mehrfach-Lese- Aufzeichnungs-Operationen zu erhalten, die beim Schneiden von Aufzeichnungsbändern auftreten können. Die bekannten analogen hochauflösenden Videorecorder verwenden Magnetbandspulen, und dieses Aufzeichnungsmedium könnte auch für digitale Videorecorder in Betracht gezogen werden. Für eine bequeme und zuverlässige Verwendung würden jedoch Videorecorder auf Kassettenbasis besser geeignet sein. Tatsächlich scheint die gegenwärtige Technik für diese Auswahlen ungeeignet zu sein, da, um einen hohen Datendurchsatz zu erhalten, der für eine solche Aufzeichnung erforderlich ist, eine sehr große Zahl von acht oder sechzehn Leseköpfen und ein Magnetband sowie ein Aufzeichnungsverfahren mit viel höherer Qualität verwendet werden müßte, als derzeit verfügbar ist. Andere auf die Aufzeichnung auf Kassette bezogene Probleme hängen mit der Tatsache zusammen, daß die auf dem Band verfügbare Zeit wenigstens 60 Minuten überschreiten sollte, und die Tonaufzeichnung auf wenigstens vier digitalen Audiokanälen erfolgen sollte. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, können natürlich digitale Lösungen mit einer Signal-Bit-Raten-Kompression in Betracht gezogen werden, die in Einklang mit den Hauptzwängen sind, die auf die Verwendung eines digitalen Videorecorders bezogen sind. Ein erster Zwang besteht darin, daß eine feste Bit-Rate pro Vollbild oder pro Bild verwendet werden muß, um so einen Bildfür-Bild-Schnitt und einen willkürlichen Zugriff zu den Bildern auf dem Aufzeichnungsband zu erlauben. Ein willkürlicher Zugriff zu den Bildern erfordert ein Bild oder ein Vollbild, das immer genau synchron mit dem Augenblick der auf dem Band aufgezeichneten Synchronisation beginnt, denn sonst ist ein Suchen und Positionieren unmöglich. Ein Bildfür-Bild-Schnitt erfordert, daß das neu positionierte Bild den gleichen Raum auf dem Band einnimmt wie das neue Bild und auch die Bilder echt unabhängig voneinander sind. Gemäß einem zweiten Zwang muß die verwendete Kodierung ein Bildlesen in bestimmten Betriesarten zu lassen, wie Zeitlupen-, Zeitraffer- und Einzelbildbetrieb. Beim Zeitlupenbetrieb muß die Rekonstruktion der Bilder vollkommen sein, und im beschleunigten Betrieb muß es möglich sein, die Bilder zu erkennen. Es sei hervorgehoben, daß bei den gegenwärtig vorhandenen, mit Kassetten arbeitenden Videorecordern beim Zeitlupenbetrieb die gelesene Information einige Fehler aufgrund von Technologien enthält, die als "Überabtastung" und "Nachlauf" bekannt sind, wobei die Zeitlupe durch Wiederholen von Vollbildern oder durch Interpolation erhalten werden kann. Beim schnellen Vorlauf wird jedoch aufgrund der Position der Leseköpfe relativ zu dem Band nur ein Teil der Information gelesen (der Rest wird interpoliert). Ferner gehen für ein und dasselbe Bild einigen Zeilen von dem Bild zum Zeitpunkt t und andere von dem Bild zu Zeitpunkten t+1, t+2... in Abhängigkeit von der Lesegeschwindigkeit aus. Schließlich ist es gemäß einem dritten Zwang für professionelle Anwendungen unbedingt erforderlich, die Qualität der Rekonstruktion ohne sichtbare Verschlechterung des Bildes selbst nach einer Kodierungs/Dekodierungs-Reihe zu garantieren.
• Die meisten vorhandenen Bit-Raten-Verminderungsverfahren wurden für Übertragungsanwendungen entwickelt. Sie beruhen generell auf der Aufspaltung des Bildes durch eine Kosinus- (oder Unter-Band)-Transformation, gefolgt von einer Kodierung mit variabler Länge. Die mittlere Bit-Krate liegt fest, obwohl die Bit-Rate sich von einem Bild zum anderen ändern kann. Um hohe Kompressionsraten zu erhalten, verwenden diese Verfahren ferner eine Zwischenbild-Kodierung mit Bewegungskompensation, so daß die Bilder von den vorherigen Bildern abhängen.
• Für Aufzeichnungsanwendungen ist das Hauptproblem, eine feste Bit-Rate pro Bild oder Bildzone (beispielsweise pro aufgezeichnetem Bildsektor) zu halten, wobei an den Inhalt des Bildes anpaßbare Verfahren verwendet werden, die die einzigen sind, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Zu diesem Zweck gibt es zwei Wege zur Lösung des Problems, entweder durch Ausführen von zwei Durchläufen, einem ersten Durchlauf, um den binären Aufwand des Bildes zu erhalten, der die Einstellung der Parameter erlaubt, um das Bild in dem größtmöglichen Ausmaß innerhalb der verfügbaren Bit-Rate zu kodieren, oder mit einer Voranalyse des Bildes, die die Zuordnung der verfügbaren Bit-Rate als Funktion des Inhalts jedes Blockes des Bildes erlaubt. Diesen Verfahren sind die üblichen Techniken zugeordnet, die bei der Übertragung durch Kosinus-Transformations- (oder Unterband)-Aufspaltung, Quantisierung und Kodierung mit variabler Länge oder neue Verfahren, die für diese bestimmte Anwendung entwickelt worden sind, verwendet werden.
• Diese Verfahren sind beispielsweise beschrieben:
• In dem Aufsatz von N. ENDOH mit dem Titel "Experimental Digital VCR with New DCT-Based Bit-Rate Reduction and Channel Coding", veröffentlicht im SMPTE Journal im Juli 1992 auf den Seiten 475 bis 480.
• In dem Artikel von P. KAUFF mit dem Titel "A DCT Coding Scheme for Digital HDTV Recording", veröffentlicht im vierten Internationalen Workshop für hochauflösendes Fernsehen, der in Turin in Italien 1991 stattfand.
• In dem Aufsatz von T. KONDO mit dem Titel "Adaptive Dynamic Range Coding Scheme for Future HDTV Digital VTR", veröffentlicht im vierten International Workshop für hochauflösendes Fernsehen in Turin in Italien 1991.
• In dem Aufsatz von K. ONISHI et al. mit dem Titel "An Experimental Home-Use Digital VCR with Three Dimensional DCT and Superimposed Error Correction Coding", veröffentlicht in IEEE Transactions on Consumer Electronics, Bd. 37, Nr. 3, August 1991.
• In dem Aufsatz von J. MAX mit dem Titel "Quantizing for Minimum Distorsion", veröffentlicht in IRE Journal Transaction Inform Theory, Bd. IT-6, 7-12, Januar 1960.
• In dem Aufsatz von P. NOLL und R. ZELINSKI mit dem Titel "Comments on: Quantizing Characteristics for Signals Having Laplacian Amplitude Probability Density Function", veröffentlicht in dem IEEE article Transactions on Communications, Bd. COM-27, Nr. 8, August 1979.
• In dem Aufsatz von N. ENDOH wird das Kodierungsverfahren als innerhalb des Bildes bezeichnet (d. h. unabhängig von einem Bild zu einem anderen) mit Bildaufspaltung durch Kosinus-Transformation, Quantisierung und anschließende Kodierung mit variabler Länge, wobei die feste Bit-Rate durch Voranalyse des Bildes gewonnen wird. Die letztere besteht aus einer Berechnung der Energie pro Block, die es ermöglicht, die Bit-Rate örtlich als Funktion der Schwierigkeit einer Kodierung der Blöcke zuzuordnen, und aus einer Berechnung der globalen Energie des Bildes, die es möglich macht, die gesamte verfügbare Bit-Rate zuzuordnen, um das Bild zu kodieren. Dieses Verfahren, das für eine Datenformatierung außer der entwickelt wurde, die in gegenwärtigen Videorecordern verwendet wird, kann jedoch nicht a priori das Problem der beschleunigten Betriebsarten lösen.
• In dem Aufsatz von P. KAUFF beruht das verwendete Verfahren auf demselben Prinzip wie zuvor mit einer Voranalyse, aber auch mit einer Technik, die es möglich macht, teilweise das Problem der beschleunigten Betriebsarten zu lösen, wobei die größten Koeffizienten der Kosinus-Transformation nicht mit Codes von variabler Länge kodiert werden, sondern regelmäßig auf dem Band und mit einer festen Anzahl von Bits eingefügt werden. Ferner wird eine Wahl zwischen den Intra- Vollbild- oder Intra-Bild-Betriebsarten getroffen. Nichtsdestoweniger bleiben bestimmte Probleme ungelöst, insbesondere hinsichtlich der Lösungen, die sekundär genommen werden müssen, wenn die Bit-Rate überschritten wird. Ferner würde das in Form von Bildqualität in der beschleunigten Betriebsart gewonnene Ergebnis ungewiß erscheinen. Ferner erfordert dieses Verfahren die Entwicklung eines neuen Videorecorders, der die Tatsache berücksichtigt, daß die Formatierung der Daten auf dem Band modifiziert ist.
• Im Aufsatz von T. KONDO ist das verwendete Verfahren anders, da zur Gewinnung einer Bit-Rate, die pro Bildperiode, d. h. über zwei Bilder, festgelegt ist, dieses Verfahren keine Kodierung mit variabler Länge verwendet, wobei der binäre Aufwand sehr schwierig vorherzusehen ist. Das verwendete Verfahren besteht in der Zerhackung des Bildes in Blöcke mit drei Dimensionen, mit sechs Zeilen und sechs Pixeln für die aufeinanderfolgenden Bilder, und in der anschließenden Berechnung des Dynamikbereiches innerhalb jedes Blockes durch Voranalyse, um so örtlich die Bit-Rate zuzuordnen, die für jeden Block notwendig ist. Die Summe der Dynamikbereiche über dem Bild macht es dann möglich, die gesamte verfügbare Bit- Rate dem ganzen Bild zuzuordnen. Mit diesem Verfahren wird die Bit-Rate für zwei Bilder festgelegt. Es erlaubt jedoch nicht die schnellen Vorlauf-Betriebsarten, und das Schneiden ist auf Gruppen von zwei Bildern mal zwei Bildern beschränkt. Die gewonnenen Ergebnisse würden daher als unangemessen für die Herstellung eines professionellen Videorecorders erscheinen.
• In dem Aufsatz von K. ONISHI wird eine dreidimensionale Kosinus- Transformation unter Einbeziehung von vier Bildern gefolgt von einer Aufteilung in vier Frequenzbänder verwendet. Ein erster Durchlauf bestimmt den Aufwand jedes Blockes, und die Quantisierung wird gemäß der verfügbaren Bit-Rate angepaßt. Der Aufsatz bietet jedoch keine Lösung im Hinblick auf beschleunigte Betriebsarten, und das Schneiden ist auf vier Bilder begrenzt. Auch der Rauschabstand ist unangemessen, um eine Herstellung von professionellen Videorecordern zu erlauben.
• Das Dokument SIGNAL PROCESSING IMAGE COMMUNICATION, Bd. 4, Nr. 1, 1. November 1991, AMSTERDAM, NL, Seiten 65 -79, XP 000233566, L. VANDENDORPE: "Optimized Quantization for Image Subband Coding", beschreibt das allgemeine Prinzip einer optimierten Quantisierung für die Kodierung eines Signals, das in Unter-Bänder aufgeteilt ist und ein Bild darstellt. Die Quantisierung wird in jedem Unter-Band dadurch optimiert, indem eine direkte Matrix- Transformation durchgeführt wird, die einer Analyse des Unter-Bandes in dem Kodierer äquivalent ist, und indem die in jedem Unter-Band verwendeten Wichtungs- Koeffizienten derart gewählt werden, daß das mittlere gewichtete Rauschen minimiert wird, wobei die Berechnung des gewichteten Rauschens für jedes Unter-Band durchgeführt wird.
• Das Dokument EP-A-0 442 096 beschreibt eine Vorrichtung zum Kodieren von in Unter-Bänder aufgeteilten Videosignalen, wobei das Signal in ein Unter-Band mit niedrigen Frequenzen und ein oder mehrere Unter-Bänder mit hohen Frequenzen aufgeteilt ist. In jedem der verschiedenen Unter-Bänder erfolgt eine nicht lineare adaptive Quantisierung für die hochfrequenten Signale des genannten Unter- Bandes. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Quantisierungs-Koeffizienten in dem/den hochfrequenten Unter-Band/Unter-Bändern in Abhängigkeit von der Feststellung einer horizontalen, vertikalen oder diagonalen Struktur gewählt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
• Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bit-Raten-Verminderung für die Aufzeichnung von Bildern auf einem Videorecorder gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zu schaffen, die im Anspruch 6 beschrieben ist.
• Ihr Haupt-Vorteil besteht darin, daß sie es ermöglicht, die Erfordernisse von professionellen digitalen Videorecordern hinsichtlich der Qualität der erhaltenen Bilder, der speziellen Betriebsarten, der Mehrfach-Erzeugung von Bildern und der Schnittmöglichkeiten, die sie erlaubt, erfüllt. Ferner macht sie es möglich, ein unterabgetastetes Bild oder ein "Unter-Bild" zu erhalten, das über eine verminderte Zahl von Bits innerhalb des Bansisbandes für jede der Luminanz- und Chrominanz- Komponenten kodiert ist, was den Betrieb von digitalen Videorecordern in schnellen Vorlaufbetriebsarten erlaubt und die Kompatibilität mit vorhandenen Videorecordern gewährleistet. Die Größe jedes "Unter-Bildes" kann auf der Basis eines Kompromisses zwischen Bildqualität und verfügbarer Bit-Rate gewählt werden. Jedes Unter-Bild wird einfach dadurch gewonnen, daß gerade das Basisband einer Unter-Band-Aufspaltung (beispielsweise durch Kosinus-Transformation) genommen wird oder mehrere wiedervereinigte Unter-Bänder oder wiederum eine unterabgetastete Bildquelle. Durch Darstellung des Bildes als Frequenzbänder kann es dann leicht übertragen oder von dem zu kodierenden Bild subtrahiert werden, indem beispielsweise die Hochfrequenzbänder für den Fall unterdrückt werden, daß die verfügbare Bit-Rate überschritten wird. Durch Verwendung von nicht linearen Quantisierern können sie auf 6, beispielsweise für die nicht linearen Quantisierer, begrenzt werden, wobei ein linearer Quantisierer zurückbehalten wird, um die niedrigen Frequenzen zu kodieren.
• Schließlich macht sie es möglich, ein Datenformat beizubehalten, das vollständig kompatibel mit dem 4/2/2-Format von vorhandenen Videorecordern ist, wobei die Daten dessen ungeachtet mit Worten kodiert werden, deren Länge dank Hilfs-Daten bekannt ist, die die Varianz des Quantisierungsfehlers für jede Komponente, Luminanz und Chrominanz, liefern.
• Die Aufzeichnung der Hilfs-Daten erlaubt die anschließende Dekodierung der Datenworte mit einer Länge, die dank dieser Hilfs-Daten bekannt ist.
• Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich nachfolgend anhand der Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen stellen dar:
• Fig. 1a und 1b die verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Prozesses in Form eines Fließdiagramms;
• Fig. 2a bis 2d Beispiele für die Aufteilung des Bildes in Unter-Bänder in einem FOURIER-Zwischenraum;
• Fig. 3 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Haupt-Eigenschaften, die von dem erfindungsgemäßen Kodierungsverfahren angewendet werden, bestehen in der Ausführung einer Intra-Bild- Kodierung von Zeilensprung- oder fortlaufenden Bildquellen, um anschfließend das Bild in Unter-Bänder aufzuspalten (entweder durch Unter-Band-Filterung oder durch Kosinus-Transformation auf der Basis von beispielsweise Blöcken von 8 · 8 Pixeln), indem eine Voranalyse des Bildes blockweise durchgeführt wird, um so jedem Pixel des aufgespaltenen Bildes eine adaptive Bit-Rate für jede Luminanz- und Chrominanzkomponente zuzuordnen. Die lineare Quantisierung wird mit dem Basisband (Niederfrequenz-Band) des Bildes durchgeführt, und die nicht lineare Quantisierung wird mit den anderen durchgeführt. Dies ermöglicht die Durchführung einer Kodierung des Basisbandes mit 8 Bits für jede der Luminanz- und Chrominanz- Komponenten, um so ein unterabgetastetes Bild zu erhalten, das nachfolgend als "Unter-Bild" bezeichnet wird.
• Der Prozeß besteht aus den in den Fließdiagrammen von Fig. 1a und 1b dargestellten Schritten, wobei zur Durchführung gemäß einem ersten Schritt 1 ein Aufspalten des Bildes in Unter-Bänder durchgeführt wird, wobei im Schritt 2 eine Voranalyse des Bildes in Blöcken von einer spezifizierten Zahl von Pixeln von zum Beispiel 8 · 8 ausgeführt wird, wobei gemäß Schritt 3 die verfügbare Bit-Rate zu jedem Pixel rekursiv als Funktion der Energie zugeordnet wird, die in jedem der Blöcke von 8 · 8 Pixeln und in jedem Band enthalten ist, um so im Schritt 4 die Auswahl eines Quantisierers und einer geeigneten Kodierung jeder Komponente im Schritt S durchzuführen.
• Die Aufspaltung des Bildes in Unter-Bänder, die beim Schritt 1 ausgeführt wird, findet in einer Weise statt, die gleich der ist, die beispielsweise in den französischen Patentanmeldungen FR-A-2 654 887 und FR-A-2 661 062 beschrieben ist, die im Namen des Anmelders eingereicht wurden, entweder durch Aufspalten mit einem vollständigen Baum (Fig. 2a) mit 64 Unter-Bändern oder sonst durch hierarchische Aufspaltung mit einem Baum mit 16 Unter-Bändern wie in Fig. 2b dargestellt ist, die die verschiedenen Auflösungspegel innerhalb des Bereichs von räumlichen Vertikal- und Horizontalfrequenzen darstellt, die in Zyklen pro Bildbreite und -höhe gemessen werden. Wegen dieser Aufspaltung sind die aufgezeichneten Daten nicht miteinander korreliert, außer in dem Basisband, wobei die interpolierten Daten in den bechleunigten Betriebsarten (was bei gegenwärtigen digitalen Videorecordern bekannt ist) widersprüchlich werden, und die Kodierung der Bilder mittelmäßige Qualität aufweist. Um dieses Problem zu lösen, werden die wichtigsten Unter- Bänder mit einer festen Bit-Rate unabhängig von dem Bild kodiert. Einen annehmbarer Qualitäts/Bit-Raten-Kompromiß erhält man durch Zuteilung einer festen Bit-Rate für die vier Unter-Bänder, die das Basisband umfassen. Das Ergebnis wird jedoch durch Aufspalten des Bildes in Unter-Bänder mit Hilfe eines vollständigen Baums mit Ausnahme für das Basisband verbessert, das durch einen Pegel weniger als die anderen aufgespalten wird, was durch den Baum mit 61 Unter- Bändern in Fig. 2c mit seiner hierarchischen Version mit 13 Unter-Bändern, wie in Fig. 2d dargestellt ist, gezeigt wird. Diese Anordnung macht es möglich, das Basisband (viermal größer) mit einem linearen Fest-Inkrement-Quantisierer zu quantisieren, der ein Bild liefert, das mit 8 Bits kodiert ist und den Daten folgt, die üblich auf digitalen Videorecordern aufgezeichnet werden.
• Die blockweise Voranalyse des Bildes besteht in der Berechnung einer Funktion der Energie jedes Blocks einer bestimmten Anzahl von Pixeln, z. B. 8 · 8, indem die Varianz jedes Unter-Bandes mit Ausnahme des Basisbandes (Fig. 1a) berechnet wird. Der Zweck besteht in der Bestimmung der Blöcke von beispielsweis 8 · 8 Pixeln des Bildes, für das die Kodierung komplizierter erscheint als die anderen, wobei die letzteren durch die Blöcke des Bildes dargestellt werden, die die hohen Frequenzen ausstrahlen. Diese Berechnung wird für jede Komponente der Luminanz oder der Chrominanz durchgeführt. Die Berechnung paßt jedes Pixel eines Unter-Bandes mit einem Block von 8 · 8 Pixeln in der Bildquelle an. Für jeden Block von 8 · 8 Pixeln wird die Diskrepanz zwischen dem Wert des Pixels nach der Unter-Band-Aufspaltung und der Varianz des relevanten Unter-Bandes [sic] berechnet. Das berücksichtigte Ergebnis ist gleich der Summe der in jedem der Unter- Bänder erhaltenen Ergebnisse.
• Diese Berechnung wird durch die folgende empirische Formel zusammengefaßt:
• mit i # bdb und 1 ≤ cod (k,n) ≤ 4
• wobei i ein Index ist, der die Unterband-Nummer darstellt;
• n stellt die Luminanz- oder Chrominanz-Komponente (y, CR, Cb) dar
• k ist die Zahl jedes relevanten Blocks mit 8 · 8 Pixeln
• bdb ist die Zahl des Basisbandes
• N ist die Zahl der verwendeten Unter-Bänder (beispielsweise 61)
• fp(k,i,n) stellt den Wert des Pixels dar, das zu dem Block k des Unter-Bandes i für die Komponente n gehört
• var(i,n) stellt die Varianz des Unter-Bandes i für die Komponente n dar
• cod(k,n) ist ein Wichtungs-Koeffizient des Blocks k der Komponenten n
• und a ist ein Koeffizient, der von der Luminanz- oder Chrominanz- Komponente abhängt (a = 1 für Luminanz und 2 für jede der 2 Chrominanz- Komponenten).
• Der Wichtungs-Faktor "cod(k,n)" ist in die adaptive Zuordnung der verfügbaren Bit-Rate zu jedem Pixel des aufgespaltenen Bildes einbezogen.
• Die gerade beschriebene Voranalyse des Bildes ist jedoch nicht einzigartig und kann beispielsweise durch ein üblicheres Verfahren ersetzt werden, das auf der Berechnung der Energie in Blöcken von 8 · 8 Pixeln der Bildquelle (Fig. 1b) beruht. Der Reiz ist, daß die Berechnung dann parallel mit der Unter-Band-Aufspaltung durchgeführt werden kann, wodurch keine zusätzliche Bildverzögerung eingeführt wird. Dieses Verfahren besteht in der Berechnung der Varianzen der verschiedenen Blöcke von 8 · 8 Pixeln der Bildquelle, um so einen Wert für die örtliche Varianz zu erzielen und dann die Varianz der Ergebnisse oder die globale Varianz zu berechnen. Dies macht es möglich, den Wichtungsfaktor zu gewinnen, indem beispielsweise der Logarithmus des Verhältnisses der örtlichen und globalen Varianzen verwendet wird. In diesem Fall sind die erlaubten Werte 1/2, 1 und 2 anstelle von 1, 2, 3 oder 4 wie zuvor. Obwohl vergleichbar, erscheinen die gewonnenen Ergebnisse jedoch bei dem vorherigen Verfahren besser zu sein.
• Die Zuordnung der verfügbaren Bit-Rate zu jedem Unter-Band anstatt zu dem Basisband wird durchgeführt, indem die Niederfrequenzbänder in einem größeren Maß kodiert werden als die Hochfrequenzbänder. Innerhalb jedes Unter-Bandes wird jedes Pixel, das einem Block von 8 · 8 Pixeln entspricht, durch den Faktor "cod" gewichtet, der früher während des Voranalyse-Schrittes 2 bestimmt wurde. Das Problem besteht darin, für jedes Pixel die Zahl von Pegeln der Darstellung des Quantisierers zu bestimmen, um so den gesamten Quantisierungsfehler bei Anpassung an eine globale Bit-Rate zu minimieren, die durch das Bild festgelegt wird. Diese Berechnung setzt voraus, daß die Frequenzbänder mit Ausnahme des Niederfrequenzbandes Laplace-Verteilungen folgen. Für diesen Zweck werden ein Code mit fester Länge und nicht lineare Quantisierer verwendet, die beispielsweise in dem Aufsatz mit dem Titel "Quantizing for Minimum Distorsion" beschrieben wurden, der in IRE Trans. Inform. Theory, Bd. IT-6, 7-12. Januar 1960, von J. MAX beschrieben wurde. In Befolgung dieses Verfahrens wird das Niederfrequenzband noch mit 8 Bits pro Pixel mit einem linearen Quantisierer mit festem Inkrement kodiert. Die Bestimmung der Zahl der Pegel des Quantisierers verwendet das Verfahren von Lagrange-Vervielfachern.
• Die Anwendung dieses Verfahrens macht es möglich, jedem Pixel eine Bit- Rate durch Betrachtung der Varianz des gesamten Quantisierungsfehlers relativ zu der Varianz des Quantisierungsfehlers für jede Komponente n der Luminanz oder der Chrominanz in jedem der Bänder i außerhalb des Basisbandes zuzuordnen.
• Für einen MAX-Quantisierer ist die Varianz V des gesamten Quantisierungsfehlers gegeben durch:
• V = V(i,n) (2)
• mit V(i,n) = ε².2-2b(i,n).Var(i,n) (3)
• worin:
• V(i,n) die Varianz des Quantisierungsfehlers für das Band i für die Komponente n angibt
• - ε² eine Konstante gleich beispielsweise 4,5
• - b(i,n) die Bit-Rate des Bandes i für die Komponente n ist
• - Var(i,n) die Varianz des Bandes i der Komponente n ist.
• Durch Berücksichtigung einer Bit-Rate, die sich innerhalb eines Bandes ändern kann anstatt einer konstanten Bit-Rate wird die obige Formel verallgemeinert und wird:
• V (k,i,n) = ε².2-2.b(k,i,n).Var(k,i,n) (4)
• worin:
• V(k.i,n) die Varianz des Quantisierungsfehlers für ein Pixel k des Bandes i für die Komponente n ist
• b(k,i,n) die Bit-Rate des relevanten Pixels ist und
• Var(k,i,n) eine Funktion der Varianz des Bandes für das relevante Pixel ist.
• Für Unter-Bänder mit identischer Größe (64 bei dem Beispiel von Fig. 2a oder 60 bei Fig. 2c) entspricht jedem Pixel k eines Bandes i ein Bildquellenblock (von 8 · 8 Pixeln entsprechend 3 Aufspaltungspegeln für die Beispiele von Fig. 2a und 2c).
• In diesem Fall:
• worin:
• - Nk gleich der Zahl der Pixel pro Band ist
• - cod(k,n) der Wichtungs-Koeffizient ist, der früher vom Pixel k der Komponente n definiert wurde.
• Um den Fehler V(k,i,n) mit der Beschränkung einer festen Bit-Rate B pro Bild durch Verwendung des bekannten Verfahrens mit Lagrange-Vervielfachern zu minimieren, beläuft sich die Operation auf die Lösung der partiellen Differential- Gleichung:
• wobei λ R
• Da B = b(k,i,n) ist, vereinfacht sich die Gleichung (6) und wird
• Unter Berücksichtigung der Gleichung (4) kann die Gleichung (7) auch geschrieben werden:
• Dies macht es möglich, die binäre Bit-Rate für ein Pixel in jedem Unter-Band durch die Beziehung zu erhalten:
• Durch Auferlegung einer maximalen Bit-Rate pro Bild auf B, so daß
• B = b(k,i,n) = Dmax (10)
• worin der Zahl NT von zu verarbeitenden Punkten pro Bild entspricht, und durch Ersatz des Ausdrucks (9) im Ausdruck (10) erscheint die Konstante λ vollständig definiert durch die Gleichung
• Im Falle eines rekursiven Berechnungsverfahrens wird 1 in jedem Unter-Band für jede Komponente so bestimmt, daß man die gewünschte maximale Bit-Rate erhält.
• - Wenn deb-nec die Bit-Rate bezeichnet, die in einem gegenwärtigen Augenblick erforderlich ist, um den Rest der Unter-Bänder zu kodieren, nämlich
• b(k,i,n) avec λ = 1
• ,wobei λ = 1 ist und
• - i,n sich von dem gegenwärtigen Unter-Band zum letzten Unter-Band ändert,
• - bezeichnet deb-aut die verfügbare Bit-Rate, die beim gegenwärtigen Augenblick
• (nämlich Dmax minus der für die bereits verarbeiteten Unter-Bänder verwendeten Bit-Rate verbleibt, und die Gleichung (11) wird
• Np: Zahl der Pixel, die im gegenwärtigen Augenblick für die Verarbeitung verbleiben.
• Die verschiedenen Annäherungen im Verlauf der Verarbeitung können ein Überschreiten der Bit-Rate verursachen, und in diesem Fall werden die Pixel, die den Bändern von den höchsten Frequenzen zu den niedrigsten entsprechen, nicht übertragen, bis die maximale Bit-Rate erhalten wird.
• J. MAX 's früher erwähntes Quantisierungsverfahren vermutet, daß die Wahrscheinlichkeitsdichte der Quelle bekannt ist. Der Zweck der letzteren ist die Minimierung der Varianz des Fehlers bei Festlegung auf eine Zahl von Darstellungspegeln. Die Zahl der Darstellungspegel des J. MAX-Quantisierers ist durch die Gleichung gegeben:
• Nb_rep(k,i,n) = 2b(k,i,n) - 1
• und von der Wahrscheinlichkeitsdichte der Quelle wird angenommen, daß sie einer Laplace-Verteilung folgt.
• Ein MAX-Quantisierer mit 2N+1 Darstellungspegeln wird vollständig durch die Daten mit Sequenzen X1 bis XN und Y1 bis YN definiert, die jeweils den Entscheidungs-Intervallen und den Repräsentationswerten der Nb-rep(k,i,n)-Pegel entsprechen.
• Es können zwei Verfahren verfolgt werden, um die Sequenzen Xi und Yi zu bestimmen. Das erste ist iterativ und als Lloyd-Verfahren bekannt. Das zweite berechnet eine sich wiederholende Sequenz, aus der Entscheidungs-Intervalle und Rekonstruktions-Intervalle bestimmt werden. Das zweite Verfahren, das beispielsweise in dem Aufsatz von P. NOLL und R. ZELINSKI mit dem Titel "Comments on: Quantizing Characteristics for Signals Having Laplacian Amplitude Probability Density Function" beschrieben ist, das in den IEEE-Journal Transactions on Communications, Bd. COM-27, Nr. 8, August 1979, erschienen ist, ist einfacher auszuführen, da die Xi und Yi durch die Beziehungen der Form gegeben sind
• Die Sequenz (ai) wird im Falle einer Laplace-Verteilung mit Einheits-Varianz definiert. Unter diesen Umständen können die Eingangssignale zu den Quantisierern durch Veränderung der Varianzen und der Faktoren "cod" der Voranalyse normiert werden. Die Zahl von Bits ist zwischen 3 und 8 begrenzt, wodurch es ermöglicht wird, gerade 6 unterschiedliche nicht lineare Quantisierer für alle Bilder zu verwenden.
• Eine Vorrichtung zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Sie enthält eine Vorrichtung zum Zerhacken des Bildes in Unter- Bänder 6, die für die niedrigen Frequenzen mit einem linearen Quantisierer 7 und für die hohen Frequenzen mit einem der 6 nicht linearen Quantisierer 8 verbunden sind. Ein Multiplexer 9 stellt eine Auswahl zwischen den Signalen sicher, die durch den linearen Quantisierer 7 geliefert werden und denen, die von den nicht linearen Quantisierern 8 geliefert werden. Die Auswahl eines Quantisierers 8 wird durch eine Vorrichtung 10 sichergestellt, um die Zahl der Ausgangspegel der Quantisierer zu berechnen. Dies wird durch den Ausgang einer Vorrichtung zur Berechnung der Unter-Band-Varianz 11 und durch eine Vorrichtung zur Messung der Aktivität von Blöcken 12 gesteuert. Natürlich können diese Vorrichtungen insgesamt durch Mikroprozessormittel verkörpert werden, die in geeigneter Weise gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Prozeß programmiert sind.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verringerung der Bit-Rate für die Aufzeichnung von Bildern mit einem digitalen Videorecorder mit einer Zerlegung des Quellenbildes in Unter- Bänder (1), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Durchführung einer Voranalyse des Bildes durch Bildblöcke (2),

- Zuordnen der bei jedem Pixel des zerlegten Bildes verfügbaren Bit-Rate in einer rekursiven und adaptiven Weise (3) in Abhängigkeit von einem Raumparameter des aus der Voranalyse berechneten Bildes und einem Frequenzparameter,

- Auswählen eines Quantisierers (4), der durch die Wahrscheinlichkeitsdichte der Quelle und eine Berechnung der minimalen Varianz des Quantisierungsfehlers bestimmt ist,

- und Kodieren (5) jedes Pixels jeder Signalkomponente in jedem Unter-Band in Abhängigkeit von dem ausgewählten Quantisierer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Voranalyse des Bildes durch Blöcke in einer Berechnung eines Wichtungs-Koeffizienten cod(k,n) besteht, unter Berücksichtigung der Abweichung in jedem Unter-Band zwischen den Werten Fp(k,i,n) jedes Pixels eines Blocks und der Varianz Var(i,n) des Unter-Bandes entsprechend der Beziehung

wobei i die Nummer des Unter-Bandes ist, n eine Luminanzkomponente oder eine Chrominanzkomponente darstellt, k eine Nummer des Blocks bezeichnet, N die Zahl der angewendeten Unter-Bänder ist, Fp(k,i,n) den Wert des Pixels darstellt, das zu dem Block k des Unter-Bandes i für die Komponente n gehört, Var(i,n) die Varianz des Unter-Bandes i für die Komponente n ist, cod(k,n) ein Wichtungs-Koeffizient des Blocks k der Komponente n ist und α ein Koeffizient ist, der von der Luminanzkomponente und der Chrominanzkomponente abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Bit-Rate jedem Pixel jedes Unter-Bandes zugeordnet ist, indem die Bänder mit niedrigen Frequenzen in einem höheren Grad kodiert werden als die Bänder mit hohen Frequenzen, wobei jeder Bildblock durch den Wichtungs-Koefflzienten cod(k,n) gewichtet und dann jedes Pixel auf d(k,i,n) Bit kodiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für jedes Pixel jedes Unter-Bandes verfügbare Bit-Rate b(k,i,n) aus der Varianz jeder Komponente eines Bandes i bestimmt wird, die durch das Quadrat des Koeffizienten der adaptiven Zuordnung cod(k,n) gewichtet und durch die Zahl der Pixel Nk je Band dividiert ist, gewichtet mit einem Koeffizienten α, der aus dem Multiplizierverfahren von Lagrange bestimmt ist, um die Varianz des Quantisierungsfehlers in jedem Unter-Band minimal auszuwählen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufzeichnung ein Bild verwendet wird, das aus dem Quellenbild oder einem aus der Zerlegung in Unter-Bilder gewonnenen Bild unterabgetastet wird, um eine Kompatibilität in der Verarbeitung mit den bestehenden digitalen Videorecordern zu gewährleisten.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Vorrichtung zur Zerlegung des Bildes in Unter-Bänder (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zerlegen des Bildes für die niedrigen Frequenzen mit einem linearen Quantisierer (7) und für die hohen Frequenzen mit einer Vielzahl von nicht linearen Quantisierern (8) verbunden ist, und daß die Vorrichtung außerdem einen Multiplexer (9) enthält, der die Auswahl zwischen den durch den linearen Quantisierer (7) gelieferten Signalen und den Signalen sicherstellt, die durch die nicht linearen Quantisierer (8) geliefert werden, der mit einer Berechnungseinheit (10) der Stufenzahl im Ausgangssignal der Quantisierer verbunden ist, wobei die Berechnungseinheit (10) die Auswahl eines nicht linearen Quantisierers (8) gewährleistet, der von einer Vorrichtung zum Berechnen der Varianz des Unter-Bandes (11) und einer Vorrichtung zum Messen der Energie je Block (12) gesteuert wird.