22.5.4. АДАПТИВНЫЕ КОДЕРЫ С ПРЕДСКАЗАНИЕМ

Как было отмечено выше, применение дельта-модуляции для кодирования изображений связано с поиском компромисса между искажениями двух типов: зернистостью и перегрузкой на склонах видеосигнала. Оба этих эффекта могут быть в определенной степени ослаблены путем адаптации шкалы квантования к характеристикам изображения в процессе кодирования. В случае быстрых изменений яркости вдоль строки развертки выгодно увеличить шаг квантования — это ослабит перегрузку на склонах. Если же яркость изменяется очень медленно, шаг квантования выгодно уменьшить для устранения зернистости. Такой подход лежит в основе ряда адаптивных систем кодирования с дельта-модуляцией и с ДИКМ [65-74]. Алгоритм квантования для кодирования с дельта-модуляцией, предложенный Винклером [65, 66], предусматривает удвоение шага квантования в том случае, когда зарегистрированы три дельта-сигнала одной полярности, следующие подряд, и снижение шага вдвое всякий раз, когда дельта-сигналы меняют знак. Теоретическое исследование этой процедуры привело Джайэнта [75] к заключению, что увеличение шага квантования следует производить в отношении, а уменьшение — в отношении . В принципе можно, конечно, распространить этот подход на случай ДИКМ, рассматривая возможность адаптивной расстановки всех восьми уровней квантования. Однако построение такого кодера затрудняется неизбежным дополнительным его усложнением, а также опасностью потери устойчивости системой в целом.

Другой подход к адаптивному кодированию с предсказанием заключается в двухрежимном кодировании. Кодер такой системы работает либо в режиме ДИКМ, либо в режиме дельта-модуляции. Если на протяжении нескольких отсчетов яркость изображения меняется достаточно плавно, то кодирование ведется в режиме дельта-модуляции; резкие изменения яркости вызывают переключение кодера в режим трехразрядной ДИКМ до тех пор, пока видеосигнал опять не примет более спокойный характер. Достаточно простой алгоритм переключения режимов состоит в том, чтобы переходить от дельта-модуляции к ДИКМ после трех идентичных дельта-сигналов, следующих подряд.

Таблица 22.5.1. Логическая схема образования кодовых комбинаций в двухрежимной системе с избыточной дискретизацией

Сигнал для обратного переключения от ДИКМ к дельта-модуляции возникает в том случае, когда кодер работает в сущности вхолостую, используя свою 8-уровневую шкалу квантования лишь для переходов между уровнями  и . Основным преимуществом такого алгоритма является его простота: он не требует передачи специальных дополнительных сигналов для синхронизации переключений на приемной стороне. К сожалению, платой за это преимущество является запаздывание с переключением от дельта-модуляции к ДИКМ на три элемента, что может приводить к ощутимому эффекту перегрузки и соответствующим искажениям в передаче контуров. Более тонкая процедура двухрежимного кодирования была предложена Фраем, Шиндлером и Веттигером [74]. Чтобы повысить точность в определении момента перехода от дельта-модуляции к ДИКМ, здесь предусматривается избыточная дискретизация изображения с увеличением в 3 раза нормальной частоты отсчетов. Процесс переключения системы из режима дельта-модуляции в режим ДИКМ иллюстрирует табл. 22.5.1. Если в режиме дельта-модуляции, когда дискретизация избыточна, зарегистрированы три одинаковых дельта-сигнала подряд, передается пятиразрядная двоичная кодовая комбинация в соответствии с табл. 22.5.1. В остальных случаях для каждой тройки дельта-сигналов решение принимается «большинством голосов»: передается «единица», если два сигнала в тройке положительны, в противном случае передается «нуль». Возвращение от ДИКМ к дельта-модуляции производится при возникновении холостого хода, т. е. при прямом или обратном переходе от уровня  к уровню  в шкале квантования.

Рис. 22.5.11. Примеры адаптивного кодирования изображений посредством линейного предсказания: а — двухрежимное кодирование с затратой 2 дв. ед./эл.: б — двухрежимное кодирование с избыточной дискретизацией с затратой 2 дв. ед./эл.

Как показали эксперименты по изучению работы двухрежимного кодера в реальной телевизионной системе, такое же субъективное качество передачи, что и в трехразрядной системе ДИКМ, удается обеспечить при затрате в среднем около 2,0 дв. ед./эл. Метод имеет и недостатки, связанные с усложнением процессов кодирования и декодирования, а также с повышением по сравнению с системой ИКМ чувствительности к шумам канала связи. Кроме того, переменная длина кодовых слов ведет к необходимости буферного накопления данных.

На рис. 22.5.11 приведены фотоснимки, полученные путем цифрового моделирования системы двухрежимного кодирования в простом ее выполнении и с избыточной дискретизацией. По субъективным оценкам, двухрежимное кодирование дает значительно лучший результат, чем адаптивное кодирование с дельта-модуляцией, однако удваивает расход двоичных цифр. Простые системы двухрежимного кодирования не освобождают в полной мере от искажений типа перегрузки вблизи контуров изображения. Заметность таких искажений в двухрежимных системах с избыточной дискретизацией оказывается значительно меньшей.