Brevet FR2544574A1 — publié le 19841019

- PROCEDE DE CODAGE PAR COMPRESSION D'UN SIGNAL NUMERIQUE VIDEO EN COULEUR La présente invention concerne un procédé de codage par com- pression d'un signal numérique vidéo en couleur Plus particulièrement, le codage a trait à la compression de débit des deux signaux numériques de différence de couleur composant le signal vidéo. On notera dès maintenant que l'invention ne concerne pas les procédés de codage par modulation par impulsions codées en différentiel (MICD) qui sont actuellement employés et qui font appel à une prédiction intra-image ou inter-image. Le but de l'invention est de transmettre des mots numériques à débit faible qui sont représentatifs de points de l'image transmise et qui sont sélectionnés en fonction des intervalles de variation réels des signaux de différence de couleur dont les limites dépendent de la relation linéaire les liant avec le signal de luminance. A cette fin, l'objet de l'invention est de fournir un procédé de codage d'un signal numérique de luminance et de deux signaux numéri- ques de différence de couleur ayant des débits élevés et constitués de premiers mots représentatifs des points d'une image en couleur, en des signaux numériques codés de luminance et de différence de couleur ayant des débits faibles et constitués de seconds mots, caractérisé en ce que l'amplitude crête à crête de la luminance est partagée en zones de luminance qui sont chacune associée à deux tableaux de seconds mots de deux signaux codés respectivement représentatifs de sous-inter- valles prédéterminés des deux différences de couleur pour des luminances comprises dans ladite zone de luminance, et en ce que les premiers mots des deux signaux de différence de couleur représentatifs d'un point d'image sont codés en deux seconds mots qui sont choisis dans les deux tableaux respectifs associés à la zone de luminance incluant la luminan- ce dudit point d'image et qui sont représentatifs des deux sous-inter- valles dans la zone de luminance incluant respectivement les deux dif- férences de couleur dudit point. Selon un premier procédé, le nombre de bits dans les seconds mots alloués aux signaux de différence de couleur codés est constant et la loi de quantification propre au codage des signaux de différence de couleur est variable et différente entre les zones de luminance. -2- Selon un second procédé, la loi de quantification propre au codage des signaux de différence de couleur est constante et le nombre de bits dans les seconds mots est variable et différent entre les zones luminance. Selon une seconde réalisation des procédés, chaque zone de luminance est associée à un tableau de seconds mots d'un signal codé représentatif de sous-zones de variation prédéterminées des deux dif- férences de couleur pour des luminances comprises dans ladite zone de luminance Les deux premiers mots des deux signaux de différence de couleur représentatifs d'un point d'image sont codés en un second mot qui est choisi dans le tableau respectif associé à la zone de lumi- nance incluant la luminance dudit point d'image et qui est représentatif de la sous-zone dans la zone de luminance incluant les deux différences de couleur dudit point. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: la Fig 1 est un bloc-diagramme schématique d'un codeur selon une première réalisation du premier procédé; la Fig 2 montre le domaine cubique trichromatique des points d'image dans le repère cartésien à trois coordonnées primaires R, V, B ainsi que quatre plans à luminance constante; les Figs 3 à 6 montrent les zones de variation des deux signaux de différence de couleur DR et DB pour quatre zones de luminance selon une seconde réalisation du premier procédé; et la Fig 7 est un bloc-diagramme schématique d'un codeur selon la seconde réalisation du premier procédé. Dans la suite, on se réfère à un signal vidéo composite en couleur, qui est composé d'un signal de luminance Y, d'un premier signal de différence de couleur DR et d'un second signal de différence de couleur DB L'amplitude du signal de luminance est normalisée et varie entre O et 1 " O " correspond à une image noire et " 1 " correspond à une image blanche L'amplitude du signal de luminance Y est donnée par la relation bien connue: Y = LL R + L V + L B R V B -3 - R, V et B sont les trois coordonnées primaires rouge, verte et bleue d'un point d'image dans un système cartésien trichromatique LR, LV et LB sont les coefficients de luminance dont la somme est égale à l'unité. Les valeurs approximatives des coefficients de luminance sont respec- tivement: LR = 0,3; LV = 0,59, LB = 01 l Le changement des coordonnées R, V et B en les coordonnées Y, DR et DB est donné par les relations suivantes Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B ( 1) DR = R Y DB = B Y Inversement, le changement de coordonnées Y, DR et DB en les coordonnées R, V et B est donné par les relations suivantes R = Y + DR V = Y ( 0,3 / 0,59 > DR - ( 0,11 / 0,59) DB B = Y + DB Pour une image en noir et blanc, on a R = V = B = Y et DR =DB= O Dans la suite, un troisième signal de différence de couleur intervient également et est tel que DV = V Y. Il est supposé que les composantes primaires R, V et B sont sous la forme de signaux numériques et résultent de l'échantillonnage des composantes primaires analogiques fournies par une source vidéo en couleurs, telle qu'une caméra Dans un but de simplification, on suppose que la quantification est effectuée suivant une échelle à niveaux, entre O et 100, bien qu'en pratique, la quantification est effectuée suivant une échelle à 256 niveaux ce qui correspond à la représentation de chaque échantillon par un mot à 8 bits. R, V et B variant entre 0 et 100 et dont Y variant entre -4 - O et 100, on en déduit les trois intervalles de variation de DR, DV et DB qui sont: 4 DR $ 70 41 89 Cependant, en pratique, la conversion analogique-numérique est de préférence effectuée par des convertisseurs analogiques-numériques identiques sur les trois signaux composants, c'est-à-dire suivant une même échelle de quantification Comme montré à la Fig 1, dans le codeur, une matrice de couleur 2 reçoit les signaux analogiques R, V et B d 'une source vidéo 1 et retransmet les signaux Y, DR et DB aux entrées de trois atté- nuateurs analogiques 3 Y, 3 R et 3 B Les coefficients d'atténuation ty, a R et a B des trois atténuateurs sont choisis de sorte que les amplitudes crête à crête des trois signaux Y', DR' et DB' sortant des atténuateurs soient égales à celle du signal de luminance Y On obtient pour: 0 irndiquées dans la Fig 2. Dans la Fig 2, L 11, L 30, L 41 et L 59 désignent des points aux intersections des plans Y = 11, Y = 30, Y = 41 et Y = 59 et de la diagonale du cube passant par l'origine O Les trois coordonnées primaires R, V et B des points Lll, L 30, L 41 et L 59 sont égales à 11, 30, 41 et 59 Pour chaque 6 - plan Y, tout point M appartenant à ce plan ayantdes coordonnées R, V et B permet de définir un vecteur LM dont les coordonnées sont les différences de couleur: DR = R Y, DV = V Y et DB = B Y Par exemple, comme montré à la Fig 1 relativement au plan Y = 11, les variations du vecteur LM permettent de déterminer les intervalles de variation des signaux de différence de couleur DR, DV et DB pour 0 Y 11 en tenant compte des intervalles selon les inégalités ( 2): 11 = sup (inf (-11,0), 70) o "inf" désigne le petit nombre et "sup" le plus grand nombre. Ainsi, pour tous les points d'images dont la luminance est inférieure à 11, les signaux R, V et B ne prennent pas toutes les valeurs entres O et et les signaux de différence de couleur DR et DB varient dans des intervalles dont les largeurs sont inférieures à celles des intervalles définies par les inégalités ( 2) Cette restriction des limites de variation permet ainsi de réduire le débit d'information à transmettre en fonction de la luminance du point. Selon un premier procédé de codage, le nombre de bits alloués à la transmission des signaux de différence de couleur DB et DR est constant et la loi de quantification linéaire ou non linéaire change en fonction de la luminance du point d'image à transmettre Par exemple, si on choisit quatre zones de luminance délimitées par les trois plans à luminance constante Y = 30, Y = 41 et Y = 59, on trouve en référence à la Fig 2 les intervalles de variation respectifs suisars des signaux de différence de couleur DR, DV, DB et donc ceux des signaux de différence de couleur DR', DV' et DB'déduits par multiplication des coefficients a R' m V et a B' -7 - pour O 22 4: DR'4 ' 37 4 DV' 4 17 4 DB'l pour 30 ( 100-30)), 70) = 70 ( 50,84-30)), 41) = 28, ( 100-30)), 89) = 70 soit 304 DR' DV' 4,35 23 4, DB' pour 41 33 -pour 59 50 Selon une première réalisation du procédé, chacun des signaux de différence de couleur codés sont délivrés par le codeur sous la forme de seconds mots à 5 bits, comme mon- tré à la Fig 1 Ceci revient à coder le signal DR', DB' sortant du convertisseur analogique-numérique respectif 4 R, 4 B sur 32 niveaux d'une loi de quantification choisie par mi quatre en fonction de la luminance Y du point d'image considéré Chaque loi de quantification peut 8 tre linéaire ou non linéaire et correspond à l'une des quatre zones de luminance Les numéros des 32 niveaux ou sous-intervalles de variation de chacune des quatre lois de quantification sont sous la forme de seconds mots à 5 bits A chaque loi de quantification et donc à chaque zone de luminance est attibuée une sous-mémoire constituée par un tableau de 28 = 256 seconds mots afin qu'à chaque premier mot à 8 bits DR', DB' corresponde un second mot représentatif du niveau le plus voisin de la valeur de DR', DB' Les quatre sous- mémoires sont incluses dans une mémoire programmable PROM ou REPROM d'un circuit de mémorisation 5 R, 5 B A la sortie du convertisseur 4 y est reliée l'entrée d'un second circuit de mémorisation 6 et l'entrée d'un circuit de sélection des quatre zones de luminance 7 Le circuit 6 contient la table de compression du signal Y' qui permet de faire cor- respondre à chaque mot entrant à 8 bits un mot sortant à 8, 7 ou 6 bits selon la loi de compression de luminance choisie. -9- Le circuit 7 détermine en fonction du premier mot à 8 bits de Y', la zone de luminance correspondante parmi quatre en vue d'adresser par un mot à deux bits dans chaque circuit R' 5 B' l'une des quatre sous- mémoires qui correspond à la loi de quantification de DR', DB' pour la zone de luminance en question. Selon une seconde réalisation du premier procédé, un second mot de 10 bits est alloué pour chaque paire de premiers mots à 8 bits DR' et DB' sortant des convertisseurs 4 R et 4 B En effet, les deux variables DR' et DB', ou DR et DB ne sont pas indépendantes. Dans les Figs 3, 4, 5 et 6 sont représentés par des zones hachurées les domaines de variation de DB et DR pour chacune des quatre zones de luminance Ces domaines de variation sont obtenus en traçant les droites d'équation DB = -2,73 DR 5,36 DV pour DV = constante et comprise entre les limites respectives Cette-dernière équation est obtenue à partir de la relation ( 1) comme suit Y = 0,3 R + 0,5 V + 0,11 B ou O = 0,3 (R-Y) + 0,59 (V-Y) + 0,11 (B-Y) ou DB = ( 0,3/0,11) DR ( 0, 59/0,11) DV Pour les première, seconde et quatrième zones de luminance-, comme montré aux Figs 3, 4 et 6, on constate que les variables DB et DR ne sont pas totalement indépendantes. Au lieu de quantifier la totalité des intervalles de variation de DR et DB selon la première réalisation, seule- ment les zones hachurées, dans les Figs 3 à 6, sont quanti- fiées en 2 = 1024 sous-zones repérées par des numéros sous forme de mots à 10 bits. Le codeur selon la seconde réalisation montré à la Fig 7 est analogue à celui montré à la Fig 1, à l'exception que les deux circuits de mémorisation 5 R et 5 B sont remplacés par un unique circuit de mémorisation 5 RB* Le circuit 5 RB' RB contient quatre sous-mémoires PROM et REPROM assignées cha- cune à une zone de luminance et ayant chacune 28 x 28 mots de 10 bits choisis chacun parmi les 1024 mots représentatifs des numéros des souszones de la zone de luminance A tous -10 - les points d'image Y', DR', DB' appartenant à une même sous-zone correspond un même mot à 10 bits Les 1024 mots différents d'une sous-mémoire correspondent à 1024 couleurs ou sous-zones de la zone hachurée de la Fig 3 à 6 corres- pondante En d'autres termes, à chaque paire de deux mots entrants DR' et DB' à 8 bits représentatifs d'un point dont la couleur est comprise dans une sous-zone hachurée corres- pond la couleur correspondante parmi 1024 codée en un mot sortant à 10 bits Ainsi, selon ce second mode de réalisa- tion du premier procédé, on dispose donc de points plus nom- breux pour transmettre la même information, comparativement au premier mode de réalisation qui revenait à choisir 1024 points dans les zones rectangulaires des Figs 3 à 6 déter- minées par les limites de DB et DR La qualité de la trans- mission est ainsi améliorée. Selon un second procédé de codage, dans chaque zone de luminance, le nombre de bits alloués à la transmission des signaux de différence de couleur DR et DB (ou DB' et DR') est variable en fonction de la luminance du point d'image, et la loi de quantification linéaire ou non linéai- re est constante et indépendante de la luminance dans la zone Le codeur selon ce second procédé a une organisation analogue à celle montrée à la Fig 1 Les circuits de mémo- risation assignés aux signaux DR' et DB' comprennent égale- ment chacun quatre sous-mémoires correspondant aux quatre zones de luminance Par exemple, lorsque la largeur de l'intervalle de variation de DR', DB' est petite par exem- ple inférieure à 70, DR' et DB' sont codés en mots sortants à 4 bits, et lorsque la largeur de l'intervalle de variation DR' et DB' est grande et supérieure à 70, DR' et DB' sont codés en mots sortants à-5 bits Les signaux sortants ont un débit variable et sont transmis tels quels par paquet si le réseau de transmission est à débit variable et en modepaquet, ou sont transmis à travers une mémoire tampon qui adapte le débit variable au débit constant du réseau dans le cas con- traire. Bien que l'invention a été décrite en se référant à des signaux numériques Y, DR et DB (ou Y', DR' et DB') ayant des premiers mots avec un même nombre de bits, le procédé selon l'invention est également applicable à tout ensemble de signaux numériques issus d'un signal vidéo composite ayant des mots à nombre de bits différents En effet, la proportion de la couleur bleue dans le signal de luminance étant plus faible que celle de la couleur rouge, les mots du signal DB peuvent avoir moins de bits que ceux du signal DR, par exemple respectivement six et huit bits. Par ailleurs, le procédé de l'invention s'applique à toute autre combinaison des signaux Y, DR et DB différente de celle définie ci-dessus relative au standard SECAM. Une autre combinaison est celle relative au standard NTSC qui est constituée par le signal de luminance Y et les signaux de chrominance E et E donnés par les relations suivantes Q doné EQ = 0,48 DR + 0,41 DB EI = 0,74 DR 0,27 DB De nouvelles zones de luminance et donc de nouveaux intervalles et zones de variation des signaux de différence de couleur ou dits également de-chrominance sont alors à dé- finir dans le répère trichromatique. 12 - R e v e N d i c a t i o N s 1 Procédé de codage d'un signal numérique de luminance (Y) et de deux signaux de différence de couleur (DR; DB) ayant des débits élevés et constitués de premiers mots représentatifs des points d'une image en couleur, en des signaux numériques codés de luminance et de différence de couleur ayant des débits faibles et constitués de se- conds mots, caractérisé en ce que l'amplitude crête à crête de la luminance (Y) est partagée en zones de luminance ( O ( Y seconds mots de deux signaux codés représentatifs de sous- intervalles de variation (niveaux) prédéterminés des deux différences de couleur (DR; DB) pour des luminances compri- ses dans ladite zone de luminance, et en ce que les premiers mots des deux signaux de différence de couleur (DR; DB) représentatifs d'un point d'image sont codés en deux seconds mots qui sont choisis dans les tableaux respectifs ( 5 R; 5 B associés à la zone de luminance incluant la luminance dudit point d'image et qui sont représentatifs des deux sous- intervalles dans la zone de luminance incluant respective- ment les deux différences de couleur dudit point. 2 Procédé conforme à la revendication 1, caracté- risé en ce que le nombre de bits dans les seconds mots est constant et en ce que les seconds mots dans chaque tableau ( 5 R; 5 B) sont représentatifs de sous-intervalles (niveaux) choisis suivant une loi de quantification de l'intervalle total de variation du signal de différence de couleur respec- tif (DR; DB) pour la zone de luminance associée. 3 Procédé conforme à la revendication 2, caracté- risé en ce que les limites des intervalles de variation des deux signaux de différence de couleur (DR; DB) sont inter- dépendants des limites de variation d'un troisième signal de différence de couleur (DV) pour la zone de luminance associée. 13 - 4 Procédé conforme à la revendication 1, caracté- risé en ce que les seconds mots de chaque différence de cou- leur sont représentatifs de sous-intervalles (niveaux) sui- vant une loi de quantification constante du signal de diffé- rence de couleur associé-(DR; DB) et en ce que le nombre de bits dans les seconds mots de chaque tableau est fonction de la largeur de l'intervalle de variation du signal de différence de couleur pour la zone de luminance associée. Procédé de codage d'un signal numérique de luminance (Y) et de deux signaux de différence de couleur (DR; DB) ayant des débits élevés et constitués de premiers mots représentatifs des points d'une image en couleur, en des signaux numériques codés de luminance et de différence de couleur ayant des débits faibles et constitués de seconds mots, caractérisé en ce que l'amplitude crête à crête de la luminance (Y) est partagée en zones de luminance ( 04 Y 4 30; 30 qui sont chacune associée à un tableau ( 5 RB) de seconds mots d'un signal codé représentatifs de sous-zones de variation prédéterminées des deux différences de couleur pour des luminances comprises dans ladite zone de luminance, et en ce que les deux premiers mots des deux signaux de différence de couleur (DR; DB) représentatifs d'un point d'image sont codés en un second mot qui est choisi dans le tableau res- pectif ( 5 RB) associé à la zone de luminance incluant la luminance dudit point d'image et qui est représentatif de la sous-zone dans la zone de luminance incluant les deux différences de couleur dudit point. 6 Procédé conforme à la revendication 5, caracté- risé en ce que le nombre de bits dans les seconds mots est constant et en ce que les seconds mots dans chaque tableau ( 5 RB) sont représentatifs de sous-zones choisies suivant une loi de quantification de la zone totale de variation des deux signaux de différence de couleur (DR; DB) pour la zone de luminance associée. 14 - 7 Procédé conforme à la revendication 6, carac- térisé en ce que les limites des zones de variation des deux signaux de différence de couleur (DR; DB) sont dépen- dants des limites de variation d'un troisième signal de différence de couleur (DV) pour la zone de luminance associée. 8 Procédé conforme à la revendication 5, caractéri- sé en ce que les seconds mots des différences de couleur sont représentatifs de sous-zones suivant une loi de quantifi- cation constante des deux signaux de différence de couleur et en ce que le nombre de bits dans les seconds mots de cha- que tableau est fonction de l'étendue de la zone de varia- tion des signaux de différence de couleur pour la zone de luminance associée. 9 Procédé conforme à l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce qu'avant codage, les si- gnaux de différence de couleur (DR'; DB') sont corrigés afin que leur amplitude crête à crête soit égale à celle du si- gnal de luminance (Y).