Brevet FR2408945A1 — publié le 19790608

la présente invention concerne la compression et l'expansion de signaux numériques de télévision à codage différentiel. Le codage des signaux de télévision destines à être traités ou transmis sous forme numérique et, plus particulièrement, ce codage en utilisant la modulation d'impulsions codées différentielles (NrCD, ou en anglais DPCM) ont déjà fait l'objet de nombreuses études parmi lesquelles on citera les articles suivants: - "Predictive Quantizing Systems (Differential Pulse Code Modulation) for the Transmission of Television Signals" par J.B.O'Neal, paru dans la revue américaine "Bell System Technical Journal", vol. 45, pages 689 à 721, mai 1966, - "A comparison of extended dîfferential coding schemes for video signals" par H.G. Musmann, paru dans les actes du Séminaire de Zurich de 1974, - "Système de codage numérique de l'image de télévision - le projet OCCITAN" par J. Poncin et J. Sabatier, paru dans la revue française "L'écho des recherches", janvier 1976, pages 28 à37, - "Dégradation des signaux d'images et qualité subjective en codage numérique: visibilité du flottement de contour" par F.Kretz et J-L Boudeville, paru dans la revue française "Annales des Télécommunications", tome 31, NO 9-10, septembre-octobre 1976. Dans le codage MICD, on code la différence entre la valeur réelle d'un échantillon de signal de télévision et une estimation de cette valeur calculée à partir d'échantillons codés voisins antérieurs. Les différences sont classées en zones autour de 0, les zones étant délimitées par des valeurs numériques ou seuils. Chaque valeur de différence située entre deux seuils est codée suivant une combinaison codée d'impulsion donnée et constante correspondant à la zone délimitée par les deux seuils. La largeur des zones croit avec le rang des zones quand on s'écarte de zéro, ce qui permet d'obtenir ce qu'il est convenu d'appeler une compression dans le codeur ou une expansion dans le décodeur. Les faibles différences sont donc codées finement afin d'éviter l'apparition de bruit granulaire, notamment dans les plages uniformes de l'image. Par contre, ce tassement des zones dans les faibles différences implique, le nombre des éléments binaires ou ebs par échantillon étant toujours limité, une plus grande imprécision du codage des grandes différences. On dit que la caractéristique de compression est alors non linéaire. En général on n'a jusqu''ici utilisé que des caractéristiques de compression symétriques par rapport au zéro, bien que cela ne soit pas nécessairement un optimum du point de vue de l'effet visuel des défauts, comme il a été dit dans le troisième article technique cité ci-dessus. Toutefois, dans l'image reconstituée apparaissent trois types de défauts: - un traînage consécutif à une dynamique de la caractéristique de quantification des différences insuffisante, - un flottement de contour dû au codage différent d'une ligne à 1 'autre ou d'une image à l'autre d'une transition en présence de bruit, et - le bruit granulaire qui apparait sur les zones uniformes de façon analogue au bruit de source. En pratique, on sait que la modulation simple par impulsions codées (ou MIC) d'un signal de télévision de définition courante conduit à un débit numérique prohibitif de l'ordre de 120 Meb/s. La modulation MICD permet,une réduction de ce débit jusqu'à 45 Meb/s avec une qualité d'image couleur convenable en codant séparément les composantes. Toutefois ce débit de 45 Meb/s est exclu, au moins au plan des normalisations européennes discutées au CCITT en ce qui concerne les systèmes de transmissions. Il faut donc prévoir un débit numérique qui corresponde au débit immédiatement inférieur d'un système de transmission normalisé, c'est à dire 34 Meb/s. Il s'est avéré qu'en fixant le débit à 34 Meb/s pour un signal de télévision à 625 lignes échantillonné à 8,86 MHz, les défauts mentionnés ci-dessus rendaient la qualité de l'image insuffisante en n'utilisant qu'une caractéristique symétrique. Dans le second article technique cité ci-dessus, on a proposé d'utiliser plusieurs caractéristiques, toujours symétriques, qui étaient commutées en fonction des propriétés locales de l'image. II s'est avéré que, pour un débit de 34 Meb/s, on n'obtenait pas encore une qualité d'image suffisante. Un objet de la présente invention consiste à prévoir une caractéristique qui permette de réduire le débit numérique dans les systèmes de codage numérique de l'image de télévision, tout en préservant une qualité d'image adéquate. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu une compression et une expansion correspondante de signaux numériques de télévision à codage différentiel MICD dans lesquelles la caractéristique de quantification est au moins partiellement non symétrique par rapport à zéro, en ce qui concerne le nombre et les valeurs des seuils et des niveaux de reconstruction des différences entre la valeur réelle d'un échantillon de signal de télévision et son estimation. Suivant une autre caractéristique, ladite caractéristique comprend dans ses parties non symétriques, moins de niveaux pour la région des différences négatives que pour la région des différences positives. Suivant une autre caractéristique, ladite caractéristique a une pente qui décrolt plus vite dans la région négative que dans la région positive. Les caractéristiques de la présente invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fige 1 est le bloc-diagramme d'un codeur MICD classique utilisé pour coder avec compression des signaux d'image de télévision, la Fig. 2 est le bloc-diagramme d'un décodeur NICD classique utilisé pour reconstruire des signaux d'images de télévision, la Fig. 3 montre la caractéristique de quantification utilisée tant dans le codeur de la Fig. t que dans le décodeur de la Fig. 2, la Fig. 4- est le bloc-diagramme d'une variante du codeur de la Fig. 1, et la Fig. 5 est le bloc-diagramme dtune autre variante du codeur de la Fig. 1. Le codeur NICD de la Fig. 1 comprend un soustracteur algébrique 1 dont la première entrée est reliée à l'entrée de signal 2 à laquelle est appliquée le signal d'image de télévision à coder, et dont la sortie est reliée à entrée d'un circuit quantificateur 3 dont la sortie est, d'une part, reliée à un circuit d'utilisation 4, tel par exemple qu'un organe de transmission, et, d'autre part, reliée à un convertisseur 5. La sortie du convertisseur 5 est reliée à l'entrée d'un circuit prédicteur 6 dont la sortie est reliée à la seconde entrée du soustracteur 1. Dans l'exemple de réalisation décrit, on suppose que le signal d'image de télévision appliqué à l'entrée 2 se trouve sous forme numérique Xn et est délivré par un codeur classique MIC, non montré. Le soustracteur 1 effectue la différence d entre le signal numérique X et un signal numérique de prédiction P délivré n n n par le circuit prédicteur 6. Le circuit quantificateur 3 peut être constitué par une mémoire morte de codage dans laquelle les valeurs d délivrées par le n soustracteur 1 sont considérées comme des adresses auxquelles correspondent des signaux numériques MICD C qui sont lus pour etre appliqués au circuit 4 qui les n transmet. Par ailleurs, les signaux numériques C sont également appliqués au conver n tisseur 5. Le convertisseur 5 peut eAtre constitué par une mémoire morte de décodage dans laquelle les valeurs C sont considérées comme des adresses auxquelles n correspondent des signaux numériques dn qui constituent classiquement les différences reconstruites. Le circuit prédicteur 6, qui peut être classique, consiste en une mémoire dans laquelle sont emmagasinées les informations numériques relatives à certains points de l'image précédant le point courant auquel correspond le signal Xn. En ce qui concerne les formules de prédiction qui peuvent etre mises en oeuvre dans le circuit 6, on pourra se reporter utilement aux second et troisième articles techniques cités dans le préambule de la présente description, Le circuit 6 délivre pour chaque point le signal numérique de prédiction Pn. Il apparaîtra sue la loi de correspondance entre les valeurs d et n n dans le quantificateur 3, d'une part, et la loi de correspondance entre les valeurs cl et d dans le convertisseur 5, d'autre part, forme la caractéristique r de compression et d'expansion (c'est à dire de quantIfication) des différences. Dans l'exemple de réalisation de l'invention, la loi de correspondance entre les valeurs d et C est indiquée dans le tableau I suivant. n n Tableau I Valeur de d comprise entre Valeur de C n n - 255 et - 70 1 - 69 et - 50 2 - 49 et - 33 3 - 32 et - 19 4 - 18 et - 9 5 - 8 et - 3 6 - 2 et 2 7 3 et 8 8 g et 18 9 19 et 32 10 33 et 47 71 48 et 64 12 65 et 83 13 84 et 104 t4 105 et 127 13 128 et 255 16 A chaque valeur de C correspond une plage de valeurs d définie par deux n n seuils. D'après le tableau T, il apparat que le nombre de ces plages, de part et d'autre de la valeur d = 0, n'est pas symétrique et que les largeurs de ces n plages ne sont pas symétriques quand on s'écarte notablement de cette valeur. Dans le tableau I, on suppose que l'on utilise un codage MIC du signal à coder comportant 8 éléments binaires, avec la convention positive, ou le blanc extrême est codé 255 et le noir extrême 0, A une valeur d positive correspond donc dans n le codage MICD, une valeur de luminance X supérieure à la valeur de prédiction n Pn, c'est à dire un point plus blanc que ce que la valeur de prédiction ferait prévoir. A une valeur d négative correspond un point plus sombre que prévu. n La loi de correspondance entre les valeurs C et d est indiquée dans le n n tableau II suivant. Tableau II Valeur de C Valeur de Ad n n 1 - 80 2 - 58 3 - 40 4 - 25 5 - 12 6 -4 7 o 8 4 9 12 10 25 il 39 12 55 13 73 14 93 15 115 16 140 On peut remarquer que, sauf à proximité de 0, les valeurs de a sont n sensiblement dissymétriques, les valeurs positives étant plus nombreuses et atteignant des valeurs plus élevées que les valeurs négatives. Les valeurs indiquées dans les tableaux I et II ont été choisies à la suite d'essais subjectifs. Bien entendu, les valeurs des seuils et des niveaux de reconstruction pourraient varier un peu, par exemple de l'ordre de 25 1' pour les valeurs éloignées de zéro et de + 4 unités pour les valeurs proches de zéro. La Fig. 3 représente la caractéristique de compression et d'expansion (ou de quantification) tirée des tableaux I et Il. Bien entendu, avec un codage MIC à convention négative, il faudrait inverser le signe de d . Par ailleurs, quand on utilise d'une manière plus n générale un codage MIC à n éléments binaires pour X , au lieu de 8 éléments binaires, comme on l'a supposé dans les tableaux I et II, les valeurs indiquées des seuils et des niveaux de reconstruction doivent être multipliées par 2n-8 et, éventuellement, arrondies à l'entier de module inférieur. Le décodeur MICD de la Fig. 2 comprend un organe de réception 7 qui reçoit les signaux numériques transmis par l'organe de transmission 4 de la Fig. 1 et qui délivre les signaux C reçus à un circuit convertisseur 8. La n sortie du convertisseur 8 est reliée, d'une part, à un circuit prédicteur 9 et. d'autre part. à la première entrée d'un circuit additionneur 10. La sortie du circuit prédicteur 9 est reliée à la seconde entrée du circuit additionneur 10. Le circuit 10 délivre le signal reconstitué X qui est appliqué, après n une conversion numérique-analogique à un récepteur de télévision, non montré. Le décodeur de la Fig. 2 a donc une structure classique. Le convertisseur 8 est identique au convertisseur 5 de la Fig. 1 tandis que le prédicteur 9 est identique au prédicteur 6 de la Fig. 1. Donc le convertisseur 8 délivre les signaux numériques an tandis que le prédicteur 9 délivre les signaux numériques P . Dans 10, l'addition de d et de P donne la valeur reconstruite A n n n x. n Le codeur MICD de la Fig. 4 constitue une variante du circuit de la Fig. 1. Il comprend un circuit soustràcteur 1 qui recoit le signal X à coder, n à sa première entrée, et le signal de prédiction P , à sa seconde entrée. La sortie du circuit 1 est reliée à l'entrée d'un circuit classique 11, prévu pour délivrer à sa première sortie la valeur absolue du signal numérique qui est appliqué à son entrée et à sa seconde sortie le signe de ce signal numérique. La première sortie de 11 est reliée, en parallèle, aux entrées d'adresses de deux mémoires mortes 12 et 13. La sortie de données de la mémoire 12 est reliée au premier contact d'un inverseur 14 tandis que la sortie de données de la mémoire 13 est reliée au second contact de l'inverseur 14. La sortie de ce signe du circuit 11 est reliée à l'entrée de commande de l'inverseur 14. Le contact mobile de 14 est relié, d'une part. à l'organe de transmission 4 et, d'autre part. à l'entrée du convertisseur 5 dont la sortie est reliée à l'entrée du prédicteur 6 dont la sortie est reliée à la seconde entrée de 1. Ainsi, à la Fig. 4, l'ensemble des circuits il à 14 remplace le circuit 3. La première sortie de 11 délivre la valeur absolue ldn1. La mémoire 12 utilise les valeurs absolues qui lui sont appliquées comme des adresses pour délivrer les valeurs C 7 à 16 conformément à la partie inférieure du tableau I. n La mémoire 13 utilise les valeurs absolues qui lui sont appliquées comme des adresses pour délivrer les valeurs C 1 à 6 conformément à la partie supérieure n du tableau I. Selon la valeur + ou - du signe de d fournie par 11, l'inverseur n 14 commute la sortie de 12 ou de 13 vers 4 et 5. On retrouve bien la fonction de la mémoire 3 de la Fig. 1. Le codeur MICD de la Fig. 5 constitue une autre variante du circuit de la Fig. 1. Au lieu de la mémoire 3, il comprend un graupe de 15 comparateurs 15.1 à 15.t5 dont les entrées respectives sont reliées en parallèle à la sortie du soustracteur 1 et dont les sorties sont reliées aux entrées correspondantes d'un transcodeur 16. Les comparateurs 15.1 à 15.1 5 déterminent les bornes des zones de d indiquées dans la première colonne du tableau I et le résultat en n est déduit dans le transcodeur 16 qui délivre les signaux numériques C . Les n détails des comparateurs et du transcodeur sont classiques dans la technique du traitement des informations. RExENrsIcATIoNs 1) Compression et expansion (quantification) de signaux numériques de télévision à codage différentiel MICD, caractérisées en ce que la caractéristique de quantification est, au moins partiellement, non symétrique par rapport à zéro, en ce oui concerne le nombre et les valeurs des seuils et des niveaux de reconstruction des différences entre la valeur réelle d'un échantillon de signal de télévision et son estimation. 2) Compression et expansion (quantification) suivant la revendication 1, caractérisées en ce que ladite caractéristique de quantification comprend, dans ses parties non symétriques, moins de niveaux pour la région des différences négatives que pour la région des différences positives, quand le signal à coder est à convention positive, ou l'inverse dans le cas contraire. 3) Compression et expansion (quantification) suivant la revendication 2, caractérisées en ce que ladite caractéristique de quantification a une pente qui décrott plus vite dans la région négative que dans la région positive, quand le signal à coder est à convention positive, ou l'inverse dans le cas contraire. 4) Compression et expansion (quantification) suivant l'une des revendications là 3, caractérisées en ce que la caractéristique de quantification d'un signal à codage MIC à 8 éléments binaires et en convention positive correspond aux tableaux I et II suivants: Tableau I Valeur de dn comprise entre Valeur de C n n - 255 et - 70 1 - 69 et - 50 2 - 49 et - 33 3 - 32 et - 19 4 - 18 et - 9 5 - 8 et - 3 6 - 2 et 2 7 3 et 8 - 8 9 et - 18 9 19 et 32 10 33 et 47 i1 48 et 64 12 65 et 83 13 84 et 104 14 105 et 127 15 128 et 255 16 Tableau II Valeur de Cn Valeur de d n I - 80 2 - 58 3 - 40 4 - 25 5 - 12 6 -4 7 0 8 4 9 12 10 25 17 39 12 55 13 73 14 93 15 115 16 140 dans lesquels dn est la différence entre la valeur du signal à coder et son estimation, C la valeur décimale correspondant à la valeur en code MICD, n et d la différence reconstruite, les valeurs des seuils et des niveaux de n reconstruction étant données à + 25 % pour les valeurs éloignées du zéro et à - 4 unités pour les valeurs proches du zéro. 5) Compression et expansion (quantification) suivant la revendication 4, caractérisées en ce que la caractéristique de quantification d'un signal à codage MIC à 8 éléments binaires, mais en convention négative, correspond auxdits tableaux I et II, mais dans lesquels les signes de d et d sont n n inversés. 6) Compression et expansion (quantification) suivant la revendication 4 ou 5, le signal MIC à traiter comportant n éléments binaires, au lieu de 8, caractérisées en ce que les valeurs ds seuils et des niveaux de reconstruction desdits tableaux I et II sont multipliées par 2n-8