DE69323523T2

DE69323523T2 - Einrichtung zur Kodierung von digitalen bilddarstellenden Signalen und entsprechende Dekodierungseinrichtung

Info

Publication number: DE69323523T2
Application number: DE69323523T
Authority: DE
Inventors: Etienne Fert
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2013-10-21
Also published as: FR2697393A1; CN1088041A; EP0595403B1; ATE176842T1; JP3496959B2; US5500677A; CA2109138C; FI934714A0; FI934714A; CA2109138A1; KR100286508B1; AU5030893A; EP0595403A1; JPH06233137A; ES2130214T3; AU674884B2; DE69323523D1; FI108596B; CN1045147C; KR940010768A

Description

Einrichtung zur Kodierung von digitalen bilddarstellenden Signalen und entsprechende Dekodierungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kodierung von digitalen bilddarstellenden, in Blöcke unterteilten Signalen, zusammengesetzt aus einem ersten Kodierungsweg mit einer diskreten Kosinus-Transformationsschaltung, einer Quantifizierungsschaltung mit einem ersten bestimmten Quantifizierungsschritt, einer Kodierungsschaltung variabler Länge, einem Pufferspeicher zur Abgabe kodierter Signale mit einem bestimmten Qualitätsniveau und einer Datenflußregelschaltung eines vorbestimmten Weges, mit am Ausgang der besagten Quantifizierungsschaltung einer ersten umgekehrten Quantifizierungsschaltung, einer umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung, einem ersten Addierer, einem Bildspeicher, einer Bewegungsausgleichsstufe, einem Subtrahierer, um den besagten zu kodierenden digitalen Signalen die vorbestimmten Signale am Ausgang der besagten Stufe zu entnehmen, und einer zweiten Kodierungsstufe, die selbst insbesondere eine Schaltung zur Berechnung der Differenzen ausgehend von den nach der diskreten Kosinus- Transformationsschaltung gelegenen Signalen enthält, eine Schaltung zur Quantifizierung dieser Differenzen mit einem zweiten Quantifizierungsschritt, der feiner als der erste ist, und einer Schaltung zur Kodierung der so quantifizierten Differenzen. Diese Erfindung ist insbesondere zum Senden von Fernsehbildern nach zwei Bildqualitätsniveaus einsetzbar und mit der Norm MPEG kompatibel.
Zum Übertragen von Bildern in einem digitalen Kanal ist es unter Berücksichtigung des Datenflusses der bestehenden Kanäle erforderlich, die in diesen Bildern enthaltene Information zu komprimieren. Für diesen Zweck bestehen zahlreiche Kodierungstechniken, und eine der derzeit am meisten eingesetzten verwendet aufeinanderfolgend eine mathematische Transformation mit der Bezeichnung diskrete Kosinus-Transformation (DCT in Englisch), dann eine Quantifizierung der mit der besagten Transformation erhaltenen Koeffizienten und eine Kodierung variabler Länge der so quantifizierten Werte, wobei diese Operationen mit einer zeitlichen Vorbestimmung vervollständigt werden, die ausgehend von den besagten quantifizierten Werten vorgenommen wird und es ermöglicht, nicht die Signale zur Kodierung zu führen, die jedem laufenden Bild entsprechen, sondern die Signale, die den Differenzen zwischen diesem laufenden Bild und dem vorhergehenden Bild entsprechen, unter Berücksichtigung der zwischen den beiden in dem sie trennenden Zeitintervall stattgefundenen Bewegung.
Das Patent der Vereinigten Staaten von Amerika Nr. US-A-4 958 226 beschreibt eine Einrichtung dieser Art. Ihre Struktur, die ursprünglich den ersten Kodierungsweg und den ersten Vorbestimmungsweg zum Erhalt eines ersten Bildqualitätsniveaus beinhaltet, enthält ebenso einen zweiten Kodierungsweg einer sogenannten Restfehlergröße, aus dem besagten ersten Kodierungsweg entnommen. Das danach dekodierte und wiederhergestellte Bild nutzt somit eine zusätzliche Information, was den Erhalt eines zweiten Bildqualitätsniveaus ermöglicht.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine perfektionierte Kodierungseinrichtung vorzuschlagen, die den Erhalt des zweiten Bildqualitätsniveaus ermöglicht.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Kodierungseinrichtung entsprechend der weiter oben in der Einleitung gegebenen Definition, mit dem zusätzlichen Merkmal, daß der Vorbestimmungsweg zudem zwischen dem Ausgang der besagten Schaltung zur Quantifizierung der Differenzen und der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung einen zusätzlichen Zweig aufweist, der eine zweite umgekehrte Quantifizierungsschaltung der Signale am Ausgang der besagten Schaltung zur Quantifizierung der Differenzen und einen zweiten Addierer der Ausgänge der besagten ersten und zweiten umgekehrten Quantifizierungsschaltungen enthält, wobei der Ausgang des besagten zweiten Addierers mit dem Eingang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung verbunden ist.
Die so vorgeschlagene Struktur besteht in der Vorkehrung im Kodierer eines zusätzlichen retroaktiven Zweigs, der die vom zweiten Kodierungsweg verarbeiteten Informationen entnimmt, um sie mit denen vom Vorbestimmungsweg verarbeiteten zu verbinden und so eine präzisere Vorbestimmung zu gewährleisten.
Gewiß beschreibt das Dokument EP-A-0474100 eine Kodieningseinrichtung entsprechend der zuvor in der Einleitung der Beschreibung gegebenen Definition. Zu bemerken ist allerdings, daß keine Rede von einem gegebenen zusätzlichen Zweig ist, der es dank eines präziseren Bewegungsausgleiches, da nicht nur die ursprüngliche Quantifizierung berücksichtigt wird, sondern auch die zusätzliche Quantifizierung, ausgehend von der Restfehlervorbestimmung, ermöglicht, die Präzision der Vorherbestimmung und somit das zweite Bildqualitätsniveau zu verbessern. Dazu ist die in dem besagten Dokument beschriebene Einrichtung im Gegensatz zu der vorliegenden Anmeldung nicht mit dem MPEG-Standard kompatibel.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Dekodieren von Signalen anzubieten, die unter Zuhilfenahme einer Kodierungseinrichtung mit der hier oben definierten Struktur zuvor kodiert wurden.
Diese Dekodierungseinrichtung, bestehend aus einem ersten Dekodierungsweg mit in Serie einer Dekodierungsschaltung variabler Länge, einer dritten umgekehrten Quantifizierungsschaltung nach dem besagten bestimmten Quantifizierungsschritt, einer umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung und einer Bewegungsausgleichsstufe, selbst mit einer Bewegungsausgleichsschaltung versehen, und einem dritten Addierer, der an einem ersten Eingang den Ausgang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung und an einem zweiten Eingang den Ausgang der besagten Bewegungsausgleichsschaltung erhält und die dekodierten Signale abgibt, einerseits zum Ausgang der Dekodierungseinrichtung und andererseits, über einen Bildspeicher, zum Eingang der besagten Bewegungsausgleichsschaltung geleitet, ist nach der Erfindung spezieller dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zweiten Dekodierungsweg aufweist, der selbst in Serie eine zweite Dekodierungsschaltung variabler Länge enthält, eine vierte umgekehrte Quantifizierungsschaltung nach dem besagten Quantifizierungsschritt, der feiner als der erste ist, und einen vierten Addierer, wobei der besagte vierte Addierer an seinen beiden Eingängen die Ausgänge der besagten dritten und vierten umgekehrten Quantifizierungsschaltungen erhält und seine Ausgangssignale an den Eingang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung geleitet werden.
Die Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung werden jetzt in der folgenden Beschreibung und anhand der Zeichnungen präziser verdeutlicht, die als nicht begrenzende Beispiele gegeben werden und folgendes darstellen:
- Fig. 1 zeigt ein Durchführungsbeispiel einer Kodierungseinrichtung nach der Erfindung;
- Fig. 2 zeigt ein Durchführungsbeispiel einer Dekodierungseinrichtung nach der Erfindung.
Die auf Fig. 1 dargestellte Kodierungseinrichtung enthält zuerst eine diskrete Kosinus-Transformationsschaltung 10. Diese Transformation, ausgehend von Bildblöcken mit hier dem Format 8 · 8 Bildpunkten (oder Pixeln) ausgeführt, versichert die Umwandlung der an ihrem Eingang empfangenen (Bildern entsprechenden) digitalen Signalen in einem Block zu 8 · 8 Koeffizienten, von denen der erste einen mittleren Wert der Grauniveaus der Pixel des betrachteten Blocks darstellt und die dreiundsechzig anderen die verschiedenen in dem Block vorhandenen Raumfrequenzen darstellen.
Eine Quantifizierungsschaltung 20 versichert dann die Quantifizierung jedes dieser Koeffizienten am Ausgang der Schaltung 10. Diese Quantifizierung ist einerseits an die Position des betrachteten Koeffizienten im Block 8 · 8 gebunden (die hohen Raumfrequenzen sind weniger vom menschlichen Auge wahrnehmbar, und die Quantifizierung der entsprechenden Koeffizienten kann folglich mit einem größeren Quantifizierungsschritt durchgeführt werden, der eine weniger präzise Quantifizierung gibt), und andererseits an einen Quantifizierungsfaktor, gebunden an den Datenfluß entsprechend der nachstehenden Beschreibung. Die aus dieser Quantifizierung ergehenden Werte werden dann einer Kodierungsschaltung 30 variabler Länge zugeführt, an deren Ausgang ein Pufferspeicher 40 zur Aufnahme der kodierten Wörter vorgesehen ist. Entsprechend der Füllung dieses Speichers 40 leitet eine am Ausgang des besagten Speichers vorgesehene Datenflußregelschaltung 50 den weiter oben erwähnten Quantifizierungsfaktor zur Quantifizierungsschaltung 20 zurück, dessen an die Füllung gebundener Wert eine derartige Änderung des Quantifizierungsschrittes ermöglicht, daß der besagte Speicher 40 weder überfüllt noch geleert wird. Eine solche Kodierungskette mit Datenflußregelung wird z.B. in dem europäischen Patentantrag EP- 0448491 und folglich hier nicht näher beschrieben. Die Ausgangssignale des Speichers 40 sind kodierte Signale, die einem auf der Fig. 1 mit LQ bezeichneten vorbestimmten Qualitätsniveau entsprechen.
Die aus der Quantifizierung ergehenden Werte werden ebenfalls einem Vorbestimmungsweg zugeführt, der zuerst aus einer umgekehrten Quantifizierungsschaltung 60 besteht. Ein Subtrahierer 105 ermöglicht dann die Berechnung der Differenz zwischen den ursprünglich am Ausgang der diskreten Kosinus-Transformationsschaltung 10 vorhandenen Koeffizienten und dieser selben Koeffizienten am Ausgang der Schaltung 60 nach der Quantifizierung und dann der umgekehrten Quantifizierung. Diese Differenzen werden dann für eine feinere Quantifizierung und eine Kodierung dieser neuen quantifizierten Werte an eine zweite Kodierungskette geleitet. Auf ähnliche Art wie zuvor enthält diese letztere eine zweite Quantifizierungsschaltung 115 mit einem feineren Quantifizierungsschritt als dem der ersten Quantifizierungsschaltung, gefolgt von einer zweiten Kodierungsschaltung 125 variabler Länge, an deren Ausgang ein Pufferspeicher 135 vorgesehen ist. Unter Berücksichtigung der Füllung dieses Speichers 135 leitet eine zweite Regelschaltung 145 einen Quantifizierungsfaktor an eine zweite Quantifizierungsschaltung 115 zurück. Wie zuvor verbindet dieser Faktor seine Wirkungen mit denen der Wahl des Quantifizierungsschrittes, um die Datenflußregelung des Speichers 135 zu versichern. Aufgrund der zusätzlichen, feineren, von der Schaltung 115 vorgenommenen Quantifizierung sind die Signale am Ausgang dieses Speichers 135 kodierte Signale entsprechend einem mit HQ bezeichneten Qualitätsniveau, über dem am Ausgang des ersten Speichers 40 beobachteten.
Nach der Erfindung ermöglicht ein Addierer 165 dann die Berechnung der Summe der am Ausgang der umgekehrten Quantifizierungsschaltung 60 vorhandenen Koeffizienten und der am Ausgang einer zweiten, umgekehrten Quantifizierungsschaltung 155 vorhandenen Koeffizienten, bereitgestellt am Ausgang der zweiten Quantifizierungsschaltung 115. Diese Summe wir an den Vorbestimmungsweg geleitet, genauer gesagt an eine umgekehrte diskrete Kosinus-Transformationsschaltung 70 zur Gewährleistung der umgekehrten Konvertierung zu der von der Schaltung 10 durchgeführten, d.h. zur Wiederherstellung ausgehend von den Koeffizienten DCT von digitalen, Blöcken zu 8 · 8 Pixeln entsprechenden Signalen. Diese Signale werden einem ersten Eingang eines Addierers 85 zugeführt, dessen Ausgang im Bildspeicher 75 abgelegt wird.
Der Ausgang dieses Speichers 75 wird an eine Bewegungsausgleichsstufe geleitet, die eine Bewegungsbewertungsschaltung 80 und eine Bewegungsausgleichsschaltung 90 enthält (diese Schaltung 90 ist es, die an einem ersten Eingang den Ausgang des besagten Speichers 75 erhält). Die Schaltung 80 erhält hier die digitalen Eingangssignale der Kodierungseinrichtung und bestimmt hier für jeden Bildblock einen für seine Bewegung in bezug auf das vorhergehende Bild repräsentativen Versetzungsvektor (diese Bestimmung ist unter dem Namen blockweise Erkennung, oder im Englischen "block matching" bekannt). Der so bestimmte Vektor wird an einen zweiten Eingang der Bewegungsausgleichsschaltung 90 geleitet, und diese liefert einen vorbestimmten Block, dessen Differenz zum vorhergehenden Block in einem Subtrahierer 100 bestimmt wird, vor der diskreten Kosinus- Transformationsschaltung 10 gelegen. Auch der vorbestimmte Block wird an einen zweiten Eingang des Addierers 85 zurückgeleitet.
Der Subtrahierer 100 erhält an einem ersten Eingang den Ausgang einer Formatumwandlungsschaltung 95, die selbst die digitalen bilddarstellenden Eingangssignale der Einrichtung erhält, um sie am Ausgang in Blöcken darzustellen. Die am Eingang der Schaltung 10 vorhandenen digitalen Signale sind folglich keine Eingangssignale der Kodierungseinrichtung entsprechend aufeinanderfolgenden Bildblöcken, sondern Signale, die die Differenz zwischen jedem ursprünglichen Bildblock und dem vorbestimmten Block darstellen, der davon nach den im Vorbestimmungsweg durchgeführten Operationen abgeleitet wird (und der vom Eingang der umgekehrten Quantifizierungsschaltung 60 zum Ausgang der Bewegungsausgleichsschaltung 90 reicht).
Ohne die Elemente 105 bis 165 würde der Weg mit den Schaltungen 60, 70, 75, 80, 85, 90 einen herkömmlichen Vorbestimmungsweg darstellen. Die Vorkehrung der Elemente 105 bis 165 ermöglicht die Vornahme einer verbesserten, feineren Quantifizierung, von der aus einerseits die zusätzliche Kodierung am Ausgang des Speichers 135 zu den kodierten Signalen verbesserter Qualität und andererseits nach der Erfindung eine präzisere Vorbestimmung vorgenommen werden, als die besagte herkömmliche Vorbestimmung.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene und dargestellte Durchführungsbeispiel begrenzt. Die Erfindung betrifft zugleich eine Dekodierungseinrichtung, die Signale dekodieren kann, die zuvor mit einer Einrichtung wie der von Fig. 1 kodiert wurden.
Ein Durchführungsbeispiel einer solchen Dekodierungseinrichtung ist auf Fig. 2 dargestellt. Diese Einrichtung enthält in diesem Beispiel zuerst einen ersten Dekodierungsweg mit in Serie einer Dekodierungsschaltung 225 variabler Länge, einer dritten umgekehrten Quantifizierungsschaltung 260 nach dem besagten bestimmten Quantifizierungsschritt, einer umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung 210 und einer Bewegungsausgleichsstufe. Diese Stufe enthält selbst eine Bewegungsausgleichsschaltung 290, die wie bei der Kodierung die Vorbestimmungsinformation liefert, und einem dritten Addierer 265, der an seinen beiden Eingängen den Ausgang der umgekehrten Quantifizierungsschaltung und den der Bewegungsausgleichsschaltung erhält. Dieser Addierer 265 gibt die dekodierten Signale ab, einerseits zum Ausgang der Dekodierungseinrichtung und andererseits, über einen Bildspeicher 275, zum Eingang der besagten Bewegungsausgleichsschaltung geleitet. Die Dekodierungseinrichtung weist zudem einen zweiten Dekodierungsweg auf, der selbst in Serie eine zweite Dekodierungsschaltung 325 variabler Länge enthält, eine vierte umgekehrte Quantifizierungsschaltung 355 nach dem besagten Quantifizierungsschritt, der feiner als der erste ist, und einen vierten Addierer 365. Dieser Addierer erhält an seinen beiden Eingängen die Ausgänge der besagten dritten und vierten umgekehrten Quantifizierungsschaltungen 260 und 355, und die Ausgangssignale werden an den Eingang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung 210 geleitet.
In der Dekodierungseinrichtung erhält der erste Dekodierungsweg die einem vorbestimmten Qualitätsniveau entsprechenden, zuvor mit LQ bezeichneten Signale, und der zweite Dekodierungsweg erhält die einem verbesserten Qualitätsniveau entsprechenden, zuvor mit HQ bezeichneten Signale. Das Addieren der so in jedem der beiden Wege dekodierten Informationen ermöglicht die erneute Zusammensetzung am Ausgang der Dekodierungseinrichtung von Bildern mit dieser Qualität sogenannten verbesserten Niveaus. Wenn man aus einem beliebigen Grund nur dazu in der Lage ist, kodierte, sogenannte LQ-Signale zu empfangen, die bei ihrer Übertragung ein erhöhtes Schutzniveau genießen, ermöglicht es ein Schalter 390, auf Fig. 2 gestrichelt dargestellt, den zweiten Dekodierungsweg abzuschalten. Diese Fig. 2 entspricht dann dem herkömmlichen Schema, mit einem einzigen Dekodierungsweg, der die besagten kodierten LQ-Signale empfängt und nur wiederhergestellte Bilder der Qualität LQ des sogenannten vorbestimmten Niveaus liefert.

Claims

1. Einrichtung zur Kodierung von digitalen bilddarstellenden, in Blöcke unterteilten Signalen, zusammengesetzt aus einem ersten Kodierungsweg mit einer diskreten Kosinus-Transformationsschaltung (10), einer Quantifizierungsschaltung (20) mit einem ersten bestimmten Quantifizierungsschritt, einer Kodierungsschaltung (30) variabler Länge, einem Pufferspeicher (40) zur Abgabe kodierter Signale mit einem bestimmten Qualitätsniveau und einer Datenflußregelschaltung (SO) eines vorbestimmten Weges, mit am Ausgang der besagten Quantifizierungsschaltung einer ersten umgekehrten Quantifizierungsschaltung (60), einer umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung (70), einem ersten Addierer (85), einem Bildspeicher (75), einer Bewegungsausgleichsstufe (80, 90), und einem Subtrahierer (100), vorgesehen, um den besagten zu kodierenden digitalen Signalen die vorbestimmten Signale am Ausgang der besagten Stufe zu entnehmen, und einer zweiten Kodierungsstufe, die selbst insbesondere eine Schaltung (105) zur Berechnung der Differenzen ausgehend von den nach der diskreten Kosinus-Transformationsschaltung gelegenen Signalen enthält, eine Schaltung (115) zur Quantifizierung dieser Differenzen mit einem zweiten Quantifizierungsschritt, der feiner als der erste ist, und einer Schaltung (125) zur Kodierung der so quantifizierten Differenzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorbestimmungsweg zudem zwischen dem Ausgang der besagten Schaltung zur Quantifizierung der Differenzen und der besagten umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung einen zusätzlichen Zweig aufweist, der eine zweite umgekehrte Quantifizierungsschaltung (155) der Signale am Ausgang der besagten Schaltung zur Quantifizierung der Differenzen und einen zweiten Addierer (165) der Ausgänge der besagten ersten und zweiten umgekehrten Quantifizierungsschaltungen enthält, wobei der Ausgang des besagten zweiten Addierers mit dem Eingang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung verbunden ist.

2. Einrichtung zum Dekodieren von Signalen, die unter Zuhilfenahme einer Kodierungseinrichtung nach Anspruch 1 zuvor kodiert wurden, bestehend aus einem ersten Dekodierungsweg mit in Serie einer Dekodierungsschaltung (225) variabler Länge, einer dritten umgekehrten Quantifizierungsschaltung (260) nach dem besagten bestimmten Quantifizierungsschritt, einer umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung (210) und einer Bewegungsausgleichsstufe, selbst mit einer Bewegungsausgleichsschaltung (290) versehen, und einem dritten Addierer (265), der an einem ersten Eingang den Ausgang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus- Transformationsschaltung und an einem zweiten Eingang den Ausgang der besagten Bewegungsausgleichsschaltung erhält und die dekodierten Signale abgibt, einerseits zum Ausgang der Dekodierungseinrichtung und andererseits, über einen Bildspeicher (275), zum Eingang der besagten Bewegungsausgleichsschaltung geleitet, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zweiten Dekodierungsweg aufweist, der selbst in Serie eine zweite Dekodierungsschaltung (325) variabler Länge enthält, eine vierte umgekehrte Quantifizierungsschaltung (355) nach dem besagten Quantifizierungsschritt, der feiner als der erste ist, und einen vierten Addierer (365), wobei der besagte vierte Addierer an seinen beiden Eingängen die Ausgänge der besagten dritten und vierten umgekehrten Quantifizierungsschaltungen erhält und seine Ausgangssignale an den Eingang der besagten umgekehrten diskreten Kosinus-Transformationsschaltung geleitet werden.

3. Dekodierungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dekodierungsweg in Serie zwischen der vierten umgekehrten Quantifizierungsschaltung (355) und dem vierten Addierer (365) einen Schalter (390) zum Abschalten des besagten zweiten Weges enthält.