Кодер телевизионного сигнала

 

Изобретение относится к технике связи и вычислительной технике. Его использование позволяет повысить информативность за счет исключения структурной избыточности кодируемого сигнала. Кодер содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 памяти, блок 3 умножения, сумматоры 4, 6, блок 5 инвертирования, сумматор 7 модулей, квантователь 8, дешифратор 9, блок 10 коммутации и блок 11 кодирования. Благодаря введению преобразователей 12 - 14 кодов обеспечивается полное исключение структурной избыточности для групп из 2<SP POS="POST">.</SP>2 элементов кодируемого изображения. 2 табл., 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„,, 156 90

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTQPGH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4484856/24-24 (22) 19.09.88 (46) 07.06 ° 90. Бюл. У 21 (72) С.А. Куликов (53) 621.397:681.325(088,8) (56) Цифровое кодирование телевизионных,изображений./ Под ред. И.И. Цуккермана. М.: Радио и связь, 1981, с. 9.

Техника кино и телевидения, 1986, М 11, с. 27-31.

Авторское свидетельство СССР

М- 1424125, кл. Н 03 И 3/00, 1986. (54) КОДЕР ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к технике (51) Н 03 М 3/00 7/30, Н 04 М 7/12

2 свАзи и вычислительной технике. его использование позволяет повысить информативность за счет исключения структурной избыточности кодируемого сигнала. Кодер содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 памяти, блок 3 умножения, сумматоры 4,6, блок

5 инвертирования, сумматор 7 модулей, квантователь 8, дешифратор 9, блок

10 коммутации и блок 11 кодирования, Благодаря введению преобразователей

12-14 кодов обеспечивается полное исключение структурной избыточности для групп из 2х2 элементов кодируемого изображения ° 4 ил., 2 табл.

1569990

S PS 1е

1 если х, ) а„у

О, если x < а л х.

1 О О 1 (IV) (V) Lo îj ) О 0

1 1 (III)

1 О

L СЧП) (о о (xII) о i) (vI) (Ix) (1 О о о) (VIII)

О О"

1 0 (XIII) (Х) О 1

1 О (xI) (xIv) (ХЧ) Изобретение относится к технике связи и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых телевизионных системах с эффективным ко->

Дированием.

Цель изобретения — повышение информативности за счет исключения структурной избыточности кодируемого сигнала. 10

На фиг. 1 приведена блок"схема ко, дера; на фиг. 2 — треугольник допустимых кодовых комбинаций для а, на

1, фиг. 3 — блок памяти; на фиг. 4 квантователь. 15

Кодер телевизионного сигнала со держит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 памяти, блок 3 умножения, первый сумматор 4, блок $ инвертирования, второй сумматор 6, 20 сумматор 7 модулей, квантователь 8, дешифратор 9, блок 10 коммутации, ; блок 11 кодирования, первый-третий преобразователи 12-14 кодов.

Управление блоками кодера осуще- 25 ствляется от синхрогенератора (не показан), который формирует сигналы тактовой частоты Ет (подается на блоки 1,2,8), частоты группы f ./4 (в блоки 2 11) канальной частоты Е к 30 (в блок 11), частоты полей f< (в блок

2) и сигналы управления С, M (В блок 2) .

В основе работы кодера лежит следующее. Поступающий на вход устройства аналоговый видеосигнал подвергается дискретизации и квантованию на 256 уровней. Затем цифровое ТВ изображеИатрица (I) знаков соответствует

55 группам с a> = О, матрицы (II) и (III) горизонтальным, матрицы (ХЧ) и (V) вертикальным, матрицы (VI) — (XIII) ние разбивается на пересекающиеся группы по n = 2х2 элементов в группе °

Каждая группа подвергается эффективному кодированию, при этом независимо от содержания других групп. Так как кодируемые элементы группы четырехразрядные, то исходная разрядность кодового слова группы равна и 32 бита.

Для каждой коднруемой группы вычисляются три переменные: средняя яркость а1, полусумма а модулей отклонений яркостей элементов х группы от а1

1 .и матрица S знаков:

Четыре элемента х. каждой группы

1 представляются этими тремя переменными. На приемной стороне элементы декодируемой группы квантуются на два уровня в соответствии с выражением аа а — -- если S 1

Р 9 а -(— -) если $ = О а f

1 4-р с = э где р — число единиц кода S.

После вычисления в кодере переменных а,, а н S осуществляется грубое равномерное квантование а и выравнивание кодов а1, а и $ во времени.

Структуры матрицы S при адаптивном групповом кодировании групп размером

2х2 имеют вид наклонным контурам, а матрицы (XIV) н (XV) принадлежат наклонным одноэлементным линиям. Вероятности горизонтальных и вертикальных контуров приВ табл. 1 выходной код определен только для четырех из 16 кодовых комбинаций входного кода. Эти четыре ко55 довые комбинации соответствуют двум горизонтальным и двум вертикальным кодируемым контурам. В определении ,других двенадцати кодовых слов нет необходимости, так как для других

5 156999 мерно одинаковы и существенно превышают вероятность наклонных контуров и наклонных линий. Эксперименты показывают, что исключение наклонных контуров и линий путем обнуления кода а для этих групп практически не приводит к ухудшению качества кодированных изображений.

В последние годы для улучшения качества изображений широко используют10 ся так называемые FIR-фильтры, в которых ограничивается полоса пространственных частот в диагональном направлении. Это возможно из"за того, что

15 зрение человека является анизотропным— оно менее остро в диагональном направлении. Исключение с 6 по 14 структуры

S по сути также является анизотропной фильтрацией (FIR-фильтрацией)

ТВ-изображений.

В выходном восьмиразрядном кодовом слове 56 кодовых комбинаций отводятся на кодирование групп с а = О, т.е. на а1 — с 1 по 56-ю. Комбинации с 57-й по 106-ю отводятся на группы с матрицей (II) знаков, с 107-й по

156-ю — с S матрицей (III), с 157-й по 206-ю — с S матрицей (IV) и с

207-й по 256-ю с матрицей (Ч) знаков номер, т.е. на каждый контур из четырех возможных типов отводится по 50 кодовых комбинаций.

Для того, чтобы предотвратить появление ложных контуров на монохромных изображениях, обычно требуется 35

50 и более уровней .квантования х. .

Из-эа значительной межэлементной корреляции статистика а близка к статисt тике х-, поэтому оказывается, что для ! У а, также достаточно 50 уровней нели- 40 нейного квантования.

Для каждого из четырех передаваемых контуров число единиц кода S равно 2, т.е. р = 2. И для каждого контура возможные значения а лежат в 45 пределах треугольника допустимых кодовых комбинаций (фиг. 2).

Для каждого а значение а лежит в пределах (О, (и-р) - а,) при а < 128 или (О, (255 - а„) р) при а ) 128. В 50 предлагаемом кодере реализовано совместное кодирование а „ и а : для каждого контура значения а, и а выбираются из треугольника допустимых значений.

Если для групп с а О на а от1 1 водится 56 кодовьцс.комбинаций, то при а Ф 0 на две переменные а и а отводится 50 кодовых комбинаций. Таким

0 б образом, для групп с а ф О и вертикальным или горизонтальным контуром число комбинаций уменьшается. Это оказывается возможным из-за маскирую. щих свойств контуров. Эксперименты показывают, что сжатие потока видеоданных в четыре раза по изложенному алгоритму практически не приводит к ухудшению качества изображений.

Блок 2 памяти может быть выполнен (фиг. 3) на буферном регистре 15, адресном .счетчике 16» оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) 17 и регистре 18 сдвига.

Блок 3 служит для умножения каждо1, 1 го элемента х. на величину — и мо»

1 и жет быть реализован как на ППЗУ, так и йа буферных регистрах и сумматорах.

Сумматор 7 модулей осуществляет вычисле ние

1 а также матрицы S знаков каждой из и сумм вида d; = х; — а,.

Квантователь 8 содержит (фиг. 4) преобразователь 19 кодов и первый 20 и второй 21 блоки задержки, первые

22 и вторые 23 входы и первые-третьи выходы 24-26.

Блок 11 кодирования служит для преобразования параллельного кода в последовательный.

На первые входы дешифратора 9 поступает код S (4 разряда) на вторые— код а (3 разряда), а считывается один разряд. Этот разряд равен нулю, когда код а равен 000 или когда на входе блока 9 присутствует одна иэ 12 кодовых комбинаций S= CS Б 8 $ r =

= 0000, 0001, 0010, 0100, 0101, 0111, 10003 1010, 1011, 1101 1110, 111 f ..

Если на управляющий вход блока 1 0 коммутации подается ноль, то к выходам блока 10 подключается код с выходов второго преобразователя 13 кодов.

Третий преобразователь 14 кодов выполнен в соответствии с табл. 1 (на

ППЗУ).

1569990 структур S, соответствующих наклонным контурам и линиям, код а обнуляется и к выходу блока 10 подключено кодовое слово с выходов второго преобразо, вателя 13. В данном преобразователе

: содержатся кодовые комбинации, соответствующие равнояркостным кодируемым, группам. Кодовые комбинации,соответствующие группам с вертикальным или горизонтальным контуром, хранятся в преобразователе 12 кодов, который может быть выполнен на ППЗУ по таблице перекодирования, приведенной- в табл.2.

На вход преобразователя 13 поступает семиразрядный код а, (128 кодовых комбинаций)» а считывается восьмиразрядный код В. При этом на выходе преобразователя 13 могут быть только 56 кодовых комбинаций из 256 воэ- 20 можных: комбинации, соответствующие числам от 0 до 55 включительно, т.е. от (00000000) до (00110111). Значения а и В связаны следующей функциональ25 ной зависимостью: (19; а, при а 1

13= а -201

- .- — ) +20 при а ) 19

3 /

30 где fx) — целая часть числа х, т.е, алгоритм нелинейного квантования а представляет собой грубую аппрокси1 мацию логарифмической функции: наиболее точно восстанавливаются малые значения а„. При этом для а„ (19 уровни квайтования а, и В совпадают, а при а, 7 19 каждые три соседних уровня квантования a„ представляют".я одним. Выбор логарйфмической функции целесообразен, поскольку согласуется с классическим психофизическим законом Вебера-Фехнера.

4S

На вход первого преобразователя 12 поступают четыре старших разряда а, три старших разряда а и два разряда а выхода преобразователя 14 — итого девять разрядов. Девятиразрядный код преобразуется в восьмиразрядный. При этом на выходе преобразователя 12 могут быть только 200 комбинаций из

256 возможных: комбинации, соответствующие числам от 56 до 255 включительно, т.е. от (0 111000) до (11111111), 55 В табл. 2 для S = (00) (с выходов преобразователя 14) приведены возможные пары значений а„ и à q по входу

l и пятьдесят (= 1,50) кодовых комби" наций по выхбду, которые соответствуют числам F(i) от 56 до 105. Для (01) и i-й пары (а,a ) на выходе преобразователя 12 формируется комбинация, соответствующая числу F (i)=

= Г(ь.) + 50, для S = <10 P — F ii(i)

= Р(з.) + 100 и для S= (11) — F " (i)=

= F(i) + 150. В преобразователе 19 кодов квантователя 8 производится грубое равномерное квантование восьмиразг/ рядного кода а в трехразрядный а

Г а11 по правилу а и (32)

Кодер ТВ-сигнала изображения работает слеДующим образом.

В АЦП 1 аналоговый сигнал монохромного иэображения подвергается дискре-. тизации с частотой Е > 12 ИГц и квантованию на 256 уровней. Восьмиразрядные элементы х. цифрового ТВ-! сигнала с выходов АЦН 1 поступают в блок 2 памяти. Имеющийся в этом блоке 2 регистр 15 необходим для выравнивания разрядов с выхода АЦП 1, В блоке 2 производится задержка ТВ-сигнала на поле при этом в ОЗУ 17 запоминаются нечетные поля. Элементы чет ных полей минуют ОЗУ 17 и подаются на ,йервые информационные входы регистра

18, на вторые информационные входы которого подаются элементы нечетного

tïîïà с выходов ОЗУ 17 ° В регистре 18 производится формирование кодируемой группы из четырех элементов х, х (Ф и х» х <, причем элементы х 1, х принадлежат строке нечетного поля, а элементы х» х — соответствующей строке четного поля. Все четыре элементы х., с выхода блока 2 поступают в блок 3 и на вторые входы суммато ра 6.

В блоке 3 каждый элемент х; умножается на 1/4 и результат кажцого умножения подается в сумматор 4, где

Ф производится вычисление а = 2. (-, х. ).

Семиразрядный код а, (без младшего разряда) подается в блок 5 инвертирования и в квантователь 8. После инвертирования код а, поступает в сумматор ,6, где осуществляется вычисление четырех разностей (х;-а,), которые передаются в сумматор 7 модулей, где производится вычисление

1 Ь аг=- . х. -а, >

1569990

10 и формирование матрицы знаков S иэ знаков разностей (х .-а ), В квантова1 тель 8 поступает на входы 23 семнраэрядный код а ., а на входы 2 2 — четырехразрядный S и восьмиразрядный а . Ко5 эффициент а в квантователе 8 подвергается равномерному грубому квантова-. нию по правилу а =(а /32,$ а переменные а и Б задерживаются на время квантования а . Разрядность а,, à и

S на выходах квантователя 8 равны 7, 3 и 4 соответственно. Коды а и S поступают с выходов 26 и 24 квантователя

8 в дешифратор 9, сигнал на выходе ко- 15 торого равен единице, когда а ф О и

S равна одной из четырех комбинаций:

0011, 0110, 1001, 1100. Этот сигнал является управляющим для блоков 10 коммутации, на одни входы которого 20 подается восьмиразрядный код с выходов преобразователя 13, а на другие— восьмиразрядный код с выходов преобразователя 12. В .преобразователе 13 осуществляется грубое .нелинейное кван- 25

/ тование а„для групп с а = О, по закону: а„, при а, (19;

В= а -20

+20 при а ) 19.

Ф 1

На а при а = О отводится 56 кодовых комбинаций. В восьмиразрядном итоговом кодовом слове им соответствуют комбинации с (00000000) по

1. (00110111) . Комбинация из этого множества подключается к выходам блока

10, если управляющий сигнал равен нулю. В преобразователе 12 хранятся ко- 40 довые комбинации с (00111000) по (11111111), соответствующие кодируемым группам с а ф О и вертикальным или горизонтальным контурам. На каждый из четырех возможных контуров (но- 45 мера их задаются с помощью преобразователя 14) отводится 50 кодовых комбинаций, которые формируются в соответствии с табл. 2.

Полученное итоговое слово кодируемой группы с выходов блока 1О в параллельном коде подается на входы блока

11 кодирования, где сворачивается в последовательный код и поступает в цифровой канал. связи.. 55

Каждая из 256 комбинаций, отводимой на группу, является разрешенной, 1 I т.е. информативной. В кодере эа счет векторного квантования а>, а, S удается полностью исключить структурную избыточность переменных а, а, S.

Благодаря этому четырехкратное сжатие потока видеоданных получено для размера группы 2х2, для которого сведены к минимуму потери качества кодированных изображений.

Формула изобретения

Кодер телевизионного сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразов.= тель, вход которого является входом кодера, первый сумматор, первые выиоды которого через блок инвертировани соединены с соответствующими первыми входами второго сумматора, выходы которого подключены к соответствующим входам сумматора модулей, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами кваитователя, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к входам блока памяти, вы-= ходы которого соединены с соответст" вующими вторыми входами второго сумматора н входами блока умножения, выходы которого подключены к соответствующим входам первого сумматора, вторые выходы которого соединены с соответствующими вторыми входами квантователя, первые выходы которого подключены к первым входам дешифратора, выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации, выходы которого подключены к соответствующим входам блока кодирования, выход которого является выходом кодера, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с це-. лью повышения информативности за сче г исключения структурной избыточности кодируемого сигнала, в кодер введены первый — третий преобразователи кодов, вторые выходы квантователя соединены с первыми входами первого и входами второго преобразователей ко-. дов, выходы которых подключены к первым и вторым информационным входам блока коммутации, третьи выходы квантователя соединены с вторыми входами дешифратора и первого преобразователя кодов, входы и выходы третьего преобразователя кодов подключены соответственно к первым выходам квантователя и третьим входам первого преобразователя.кодов.

1569990

Выходной код

S S1

S Sq

Входной код

1 1 1

81 S S3 S

О

О исло сответст-. ующее коовой комбинации на выходе блока 12

56 33

57 34

8 6

35

36

60

92

62

9 4

63

64

94

9 6

0

О

0

0

О

1

1

1

0

0

1

1

0

О

О

О

1

О

„0

1

0

1

О

О

1

0

1

О

О

О

0

0

О

О

О

Та бли ца 1

Та блица 2

1569990

Продолжение табл. 2

5 6 7 8 9

1 2

3 4

95

43

96

44

12

10

13

10 3

46

14

47

98

48

71

49

100

73

51

11 4

101

75

76

12

102

22

12

23

103

56

79.12

12

80

81

58

104

13

59

13

84

14 1

85

14

105

63

15

87

П р и м е ч а н и е. Если кодовая комбинация на выходе блока 12 отводится на несколько кодируемых пар (а „а ), то в колонках а, PU и а приведены значения а и а, которые приписываются декодируемой группе с этой комбинацией.!

569990

Фиг.2

Фиг.J

Фиг.4

Составитель 0 Ревинский

Техред M. Дидык Корректор О. Кравцова

Редактор М. Бланар

Заказ 1458 Тираж 663 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101