Кодер телевизионного сигнала

(Х 1) Изобретение относится к технике связи и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых телевизионных системах с эффективным коДированием.Цель изобретения - повышение информативности за счет исключения структурной избыточности кодируемого сигнала. 10На 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. 15Кодер телевизионного сигнала со держит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 памяти, блок 3 умножения, первый сумматор 4, блок 5 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 ствляется от синхрогенератора (не показан), который формирует сигналы тактовой частоты Е (подается на блоки 1,2,8), частоты группы й ./4 (в блоки 2,11), канальной частоты Г к 30 (в блок 11), частоты полей Е (в блок 2) и сигналы управления С 5 1 е (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 (1) знаков соответствует55 группам с а = О, матрицы (11) и (111) горизонтальным, матрицы (1 Ч) и (Ч) вертикальным, матрицы (Ч 1) - (Х 111) ние разбивается на пересекающиесягруппы по и = 2 х 2 элементов в группеКаждая группа подвергается эффективному кодированию, при этом независимоот содержания других групп. Так каккодируемые элементы группы четырехразрядные, то исходная разрядность кодового слова группы равна и32 бита. Для каждой коднруемой группы вычисляются три переменные: средняя яркость а 1, полусумма а о модулей отклонений яркостей элементов х группы от а 1 .и матрица Б знаков: Четыре элемента х . каждой группы1 представляются этими тремя переменными. На приемной стороне элементы декодируемой группы квантуются на два уровня в соответствии с выражениемаа а -если Б19 Э а-( - -) если Б =О а 1 4-р с= фгде р - число единиц кода Б,После вычисления в кодере переменных а ан Б осуществляется грубое равномерное квантование а и выравнивание кодов а 1, а и Б во времени.Структуры матрицы Б при адаптивном групповом кодировании групп размером 2 х 2 имеют вид наклонным контурам, а матрицы (Х 1 Ч) н(Хч) принадлежат наклонным одноэлементным линиям, Вероятности горизонтальных и вертикальных контуров приВ табл. 1 выходной код определентолько для четырех из 16 кодовых комбинаций входного кода, Эти четыре ко довые комбинации соответствуют двумгоризонтальным и двум вертикальным кодируемым контурам. В определении ,других двенадцати кодовых слов нет необходимости, так как для других 5 156999мерно одинаковы и существенно превышают вероятность наклонных контуров инаклонных линий. Эксперименты показывают, что исключение наклонных контуров и линий путем обнуления кода а 5для этих групп практически не приводит к ухудшению качества кодированных изображений.В последние годы для улучшения качества изображений широко используют 1 Ося так называемые Г 1 К-фильтры, в которых ограничивается полоса пространственных частот в диагональном направлении. Это возможно из"за того, что15зрение человека является анизотропным -оно менее остро в диагональном направлении. Исключение с 6 по 14 структурыЯ по сути также является анизотропной фильтрацией (Р 1 К-фильтрацией)ТВ-изображений.В выходном восьмиразрядном кодовомслове 56 кодовых комбинаций отводятся на кодирование групп с а = О,т.е. на а 1 - с 1 по 56-ю. Комбинациис 57-й по 106-ю отводятся на группыс матрицей (11) знаков, с 107-й по156-ю - с Я матрицей (11), с 157-йпо 206-ю - с Я матрицей (1 Ч) и с207-й по 256-ю с матрицей (Ч) знаковномер, т.е. на каждый контур из четырех возможных типов отводится по 50кодовых комбинаций,Для того, чтобы предотвратить появление ложных контуров на монохром"ных изображениях, обычно требуется 3550 и более уровней .квантования х .Из-эа значительной межэлементной корреляции статистика а близка к статис 1тике х., поэтому оказывается, что дляфа, также достаточно 50 уровней нелинейного квантования.Для каждого из четырех передаваемых контуров число единиц кода Я равно 2, т.е, р = 2. И для каждого контура возможные значения а лежат в 45пределах треугольника допустимых кодовых комбинаций (фиг. 2),Для каядого а значение а лежитв пределах (О, (и-р) а,) при а 4128или (О, (255 - а) р) при а, )128. В 50предлагаемом кодере реализовано совместное кодирование аи а : для каждого контура значения а, и а выбираются из треугольника допустимыхзначений.Если для групп с а0 на а от 1 1водится 56 кодовых, комбинаций, то приаФ 0 на две переменные а и а отводится 50 кодовых комбинаций. Таким 0 бобразом, для групп с а 1 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 каждо 1 го элемента х. на величину - и мои жет быть реализован как на ППЗУ, так и йа буферных регистрах и сумматорах.Сумматор 7 модулей осуществляет вычисление а также матрицы Я знаков каждой изи сумм вида с 1; = х - аКвантователь 8 содержит (фиг, 4)преобразователь 19 кодов и первый 20и второй 21 блоки задержки, первые22 и вторые 23 входы и первые-третьивыходы 24-26.Блок 11 кодирования служит для преобразования параллельного кода в последовательный.На первые входы дешифратора 9 поступает код Я (4 разряда) на вторые -код а (3 разряда), а считываетсяодин разряд. Этот разряд равен нулю,когда код а равен 000 или когда навходе блока 9 присутствует одна иэ 12кодовых комбинаций Я= (Я Я ЯзЯ== 0000, 0001, 0010, 0100, 0101, 0111,1000, 1010, 1011, 1101, 1110, 1111Если на управляющий вход блока 10коммутации подается ноль, то к выходам блока 10 подключается код с выходов второго преобразователя 13 кодов,Третий преобразователь 14 кодоввыполнен в соответствии с табл. 1 (наППЗУ).структур Б, соответствующих наклонным контурам и линиям, код а обнуляется и к выходу блока 10 подключено кодовое слово с выходов второго преобразо" , вателя 13. В данном преобразователесодержатся 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 посту" пает 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 воз можных: комбинации, соответствующие числам от О до 55 включительно, т,е. от (00000000) до (00110111). Значения а и В связаны следующей Функциональ 25 ной зависимостью:(19;а , при а 1 В= а -201- +20 при а ) 19 3 /30 где х 1 - целая часть числа х, т.е, алгоритм нелинейного квантования а представляет собой грубую аппроксимацию логарифмической Функции: наиболее точно восстанавливаются малые значения а. При этом для а ( 19 уровни квайтования а, и В совпадают, а при а, ) 19 каждые три соседних уровня квантования а представляют" ся одним. Выбор логарйфмической функции целесообразен, поскольку согласуется с классическим психофизическим законом Вебера-фехнера,45На 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 (0111000) до (11111111),55 В табл, 2 для Б = (00) (с выходов преобразователя 14) приведены возможные пары значений а и апо входу и пятьдесят (1 = 1,50) кодовых комбинаций по выходу, которые соответствуют числам Р(х) от 56 до 105. Для(01) и д-й пары (а ,а ) на выходе преобразователя 12 формируется комбинация, соответствующая числу Р(х)= = Р (1.) + 50, для Б = (1 О ) - Р ф(д) = Р(1) + 100 и для Б= (11) - Р ф(1)= = Р(1) + 150. В преобразователе 19 кодов квантователя 8 производится грубое равномерное квантование восьмиразл/ рядного кода а в трехразрядный аГ ад.1по правилу а 1 32Кодер ТВ-сигнала изображения работает слеДующим образом.В АЦП 1 аналоговый сигнал монохромного иэображения подвергается дискретизации с частотой Е12 ИГц и квантованию на 256 уровней. Восьми- разрядные элементы х. цифрового ТВсигнала с выходов АЦИ 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 четных полей минуют ОЗУ 17 и подаются на ,йервые информационные входы регистра18, на вторые информационные входы которого подаются элементы нечетного поля с выходов ОЗУ 17. В регистре 18 производится Формирование кодируемой группы из четырех элементов х , х( йф х, х, причем элементы х х принадлежат строке нечетного поля, а элементы х, х - соответствующейстрокечетного поля. Все четыре элементы х., с выхода блока 2 поступаютв блок 3 и на вторые входы сумматора 6.В блоке 3 каждый элемент х; умножается на 1/4 и результат кажцого умножения подается в сумматор 4, гдепроизводится вычисление а = 2. (-, х;).1;:, 4Семиразрядный код а, (без младшегоразряда) 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 вычисление1 Ьаг - х; а 11и формирование матрицы знаков Б иэ знаков разностей (х .-а ), В квантователь 8 поступает на входы 23 семнраэрядный код а а на входы 2 2 - четырех- разрядный 8 и восьмиразрядный аг. Ко 5 эффициент а в квантователе 8 подвергается равномерному грубому квантованию по правилу а г =а /32, а переменные а 1 и 8 задерживаются на время квантования аг. Разрядность а 1, а г и Я на выходах квантователя 8 равны 7, 3 и 4 соответственно. Коды а и Б поступают с выходов 26 и 24 квантователя 8 в дешифратор 9, сигнал на выходе ко торого равен единице, когда аг 0 и Я 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 тование а для групп с а г = О, по закону: а, при а, (19;30 В= а -20+20 при а ) 19, 3Ф 1На а, при а г = 0 отводится 56 кодовых комбинаций. В восьмиразрядном итоговом кодовом слове им соответствуют комбинации с (00000000) по (00110111), Комбинация из этого множества подключается к выходам блока 10, если управляющий сигнал равен нулю, В преобразователе 12 хранятся ко довые комбинации с (00111000) по (11111111), соответствующие кодируемым группам с а г Ф 0 и вертикальным или горизонтальным контурам. На каждый из четырех возможных контуров (но мера их задаются с помощью преобразователя 14) отводится 50 кодовых комбинаций, которые формируются в соответствии с табл. 2,11 олученное итоговое слово кодируемой группы с выходов блока 1 О в параллельном коде подается на входы блока 11 кодирования, где сворачивается в последовательный код и поступает в цифровой канал. связи 55Каждая из 256 комбинаций, отводимой на группу, является разрешенной, 1 т.е. информативной. В кодере эа счет векторного квантования а 1, аг, Я удается полностью исключить структурную избыточность переменных а 1, аг, Я. Благодаря этому четырехкратное сжатие потока видеоданных получено для размера группы 2 х 2, для которого сведены к минимуму потери качества кодированных изображений,Формула изобретенияКодер 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 щ и й с я тем, что, с це-. лью повышения информативности за счег 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 кодов12 1569990 8 Ра 8 8 Входной код 1 1 1 838 0 О О О и 5 3 34 8 6 8 О 9 5 2 3 9 2 3 9. 4 9 5 0 3 3 6 4 4 7 О О О О О О 0 О 1 1 1 1 1 1 1 1 О О О О 1 1 1 1 О О О О 1 1 1 1 Число соответст-,вующее кодовой комбинации навыходеблока 12 О О 1 1 О О 1 1 О О 1 1 О О 1 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 О 1 0 1 О 1 Та бли ца 1 Выходной код Та блица 2.12 24 12 57 80 25 81 13 26 104 82 13 13 27 13 60 84 14 2 14 1 30 62 14 105 31 63 86 32 87 64 П р и м е ч а н и е. Если кодовая комбинация на выходе блока 12 отводитсяна несколько кодируемых пар (а а ), то в колонках а,Ми а приведены значения а и а, которые приписываются декодируемой группе с этой комбинацией.569990 2 г.Ю 02 0 Ревинскийык Корре авцова а Бланар 63а по изобретениЖ, Раушская оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 1 аказ 458 НИИПИ Государствен 113оставител ехред М.Д ТиражГО комитет 5, Москва,Подписноеи открытиям при ГКНТ ССб., д. 4/5