22.5.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Исходным пунктом для развития общей концепции линейного адаптивного кодирования послужило изобретение Катлером [52] системы дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). Катлер предложил применить интеграторы для предсказания уровня данного элемента на основании уровня предшествующего элемента строки, а разность между оценкой, полученной в результате предсказания, и фактической величиной уровня подвергать квантованию и кодированию для передачи по каналу связи.

Блок-схема системы кодирования изображений с ДИКМ приведена на рис. 22.5.6. В системе такого типа непрерывный сигнал, соответствующий изображению, дискретизируется по пространственным переменным, и разность между фактическим уровнем элемента и его оценкой квантуется и кодируется для передачи. Для квантования разности используют обычно 8 уровней с дальнейшим преобразованием в трех- или четырехразрядные двоичные комбинации [53, 54]. Таким образом, сокращение полосы частот определяется разницей между 6—8 дв. ед. и 3 дв. ед., затрачиваемыми на передачу элемента изображения соответственно с помощью ИКМ и ДИКМ. В типичном кодере системы ДИКМ предсказание для данного элемента основано на квантованном разностном сигнале, полученном для предшествующего элемента строки. На приемной стороне декодированный и восстановленный разностный сигнал комбинируется со своим приближением, полученным в результате предсказания точно тем же способом, что и на передающей стороне, и таким образом восстанавливается исходное изображение.

Рис. 22.5.6. Система ДИКМ для передачи изображений: а — передатчик; б — приемник.

В 1958 г. Грэхэм [55] предложил шкалу квантования с неравномерным расположением уровней. Представление о типичных шкалах такого рода, предназначенных для систем ДИКМ и дельта- модуляции, дает рис. 22.5.7. Применение неравномерной шкалы существенно повышает субъективную оценку качества восстанавливаемого изображения. Однако, как показали эксперименты, для большинства приложений при этом приходится сохранять по меньшей мере 8 уровней квантования.

 

Рис. 22.5.7. Шкала квантования для систем дельта-модуляции и ДИКМ.

Входной сигнал изменяется в определенном диапазоне уровней яркости. Следовательно, предсказанный сигнал также не должен выходить за пределы этого диапазона. Если уровень входного отсчета достигает верхней границы диапазона, то аналоговый разностный сигнал для данного элемента может принимать либо нулевое, либо отрицательное значение. В другом крайнем случае, когда входной отсчет минимален, разностный сигнал может иметь либо нулевое, либо положительное значение. В любой из этих ситуаций некоторая часть всей биполярной шкалы квантования заведомо не понадобится. Мусман [56] в связи с этим предложил «перекидную» шкалу квантования, идею которой поясняет рис. 22.5.8. Такая шкала позволяет использовать положительные (отрицательные) уровни

квантования, когда они заведомо не нужны в ее нижней (верхней) части. Хорошо спроектированная восьмиуровневая (трехразрядная) система ДИКМ по субъективной оценке качества получаемых изображений в общем приближается к пяти-шестиразрядной системе ИКМ; отмечаются лишь небольшие искажения вблизи резких контуров [57]. При демонстрации изображений в виде последовательности кадров в реальном масштабе времени телевизионной передачи определенная степень корреляции таких искажений на соседних кадрах вызывает специфический эффект, называемый «контурной активностью» (edge busyness). Эта активность проявляется в виде искрящегося обрамления контурных участков изображения.

Квантованные разностные сигналы, формируемые кодером в восьмиуровневой системе ДИКМ, различаются вероятностью своего появления — более многочисленны малые разности. Можно, следовательно, вместо трехразрядного равномерного кода применить статистический код с переменной длиной слова, например код Хаффмэна, что приводит к дальнейшему сокращению объема передаваемых данных. Как показывает моделирование, код Хаффмэна снижает удельный расход двоичных цифр до 2,5 дв. ед./эл. [158, 59]. Однако применение такого кода осложняется необходимостью использования буферного накопителя данных.

Рис. 22.5.8. «Перекидная» шкала квантования для системы ДИКМ: а — вдали от верхней границы диапазона яркости; б — на расстоянии трех элементов от  границы; в — на расстоянии двух элементов от границы; г — на расстоянии одного элемента от границы; д — на границе.

Рис. 22.5.9. Примеры кодирования изображений посредством ДИКМ с затратой 3 дв. ед./эл.

 — наименьший уровень квантования; СКО — среднеквадратическая ошибка воспроизведения яркости: а) оригинал; б) , СКО = 1,31 %; в) ,CKO = 1.33 %; г) , CKO = 1,66 %.

На рис. 22.5.9 приведены фотоснимки, полученные в результате цифрового моделирования системы ДИКМ. В экспериментах использовалась неравномерная шкала квантования типа показанной на фиг. 22.5.7 в трех вариантах, различавшихся величиной наименьшего уровня квантования . По субъективным оценкам, при  достигается наилучший компромисс между искажениями двух видов — перегрузкой и зернистостью.

Брэйнард и Кэнди [51, 60] провели исследования по применению кодера с непосредственной обратной связью для передачи изображений. Такой кодер, будучи упрощенным вариантом предложенного Киммом и Кью [61] кодера с шумовой обратной связью, содержит дифференцирующий фильтр для предварительного обострения перепадов сигнала, интегрирующий усилитель и сглаживающий (путем интегрирования с утечкой) оконечный фильтр. Предполагалось, что по сравнению с кодером системы ДИКМ преимущество кодера с непосредственной обратной связью будет определяться большей свободой его конструирования в связи с возможностью подбора частотных характеристик трех составляющих его фильтров таким образом, чтобы свести к минимуму шум квантования. Однако при моделировании такой системы [51] не обнаружилось сколько-нибудь значительного преимущества по сравнению с хорошо спроектированными кодерами, использующими неравномерную шкалу квантования.