C O D A G E D I F F I ~ R E N T I E L

A P P L I C A T I O N

Jean-Claude J O L I V E T ** lng~nieur ENSA

D ' I M A G E S M U L T I N I V E A U X ,

A U V I S I O P H O N E *

par

el Francois -Xavier STOULS *** Ancien 616ve de l'Ecole Polytechnique

I~t~'SUMt~. - - Apr~s un rappel sur le codage diH~rentiel mult iniveaux, les auteurs ddcrivent un codeur ~tudi~ pour Ies s ignaux de visiophone el analgsent les rdsultats oblenus. Ils ~ludient plus parliculikrement les r~sultals sub]ectifs oblenus avec le codage di[/~rentiel ainsi que l'influenee du taux d'erreur de la transmission sur ia

qualit~ de l'image.

PLAn - - �9 I. : Introduction 1.1. G~n~ralil~s ; 1.2. Le codage di//~renliel mull iniveaux. �9 II. : Description du codeur-ddcodeur du v i d d o s i g n a l I I . l . Codeur ; II.2. D~codeur. �9 I I I . : Ddtermination des para- m~tres de r~g lage des codeurs III .1 . Essais sub]ectifs ; III .2. R~glage des seuils des comparateurs ; III .3. D~termination des dchelles de poids el de la valeur du quantum. �9 IV. : Codage e t t r a n s m i s s i o n de la synchronisation IV.1. Codage des impulsions de sgnchronisation par le codeur du viddosignal ; IV.2. Codage s~par~ des impulsions de synchronisation ; IV.3. D~tection de la synchronisation ; IV.4. Eva- luation sub#clive des images en fonction du taux d'erreur sur le canal de lransmission num~rique. �9 V. :

Conclusion. Bibliographie (8 r6f.).

I . I N T R O D U C T I O N

1.1. G6n6ralit6s.

Dans l '~ ta t actuel de la technique, une image de

tSl~vision sc pr~sente, au sp~cialiste du codage, comme

un signal analogique r~sul tant d 'une explorat ion lignc

par ligne de l ' image opt ique incidente. Dans le cas

le plus g6n~ral, ce signal se compose de trois part ies distinctes :

- - le vid~osignal p roprement dit,

- - u n e ext inct ion correspondant aux temps de

re tour des balayages du tube de prise de vue et du moni teur ,

- - pendan t la dur6e de cet te ext inct ion, on trou-

vera les impulsions de synchronisat ion.

t~Synchtoni~ Niveau du ~ blanc . ) ~ bliveau du -~L.J-___ noir ~ - - - Nombre de points i_ 18 d'image I- -

Exti nction Videosi gnal

- - - - U 216 _ ~ T -q . . . . . . . . ' ~56 ~

FIG. 1. - - Signal analogique de visiophone.

A t i t re d ' exemple on t rouve ra (Fig. 1) l 'a l lure du

signal analogique repr6sentant l ' exp lora t ion d 'une ligne d 'un visiophone.

On se t rouve donc devan t des s ignaux de caract6-

ristiques tr6s diff6rentes :

- - un vid6osignal de nature plus ou moins al6atoire,

- - des s ignaux de synchronisat ion pour lesquels on

a fix6 a priori la dur+e, la fr~quence, l ' ampl i tude . Les

ext inct ions sont 6galement connues en dur6e et li6es

h la synchronisat ion.

Dans le cas du codage du syst~me de modula t ion

par impulsions et codage (MIC) classique, aucune ten-

ta t ive n 'es t faite pour profi ter de la nature part icu-

li~re du signal et par consequent le m~me codeur peut

~tre utilis6 aussi bien pour le vid~osignal que pour

la synchronisat ion.

Dans ce cas, les param~tres h d6finir soul : le

hombre de n iveaux de quant i f icat ion et la fr6quence

d '6chanti l lonnage. Dans l ' exemple du visiophone, si

l 'on estime suffisant un codage h six moments , on

obt ient un d~bit num6rique de 12• 61~ments

binaires/s avec un 6chanti l lonnage ~ 2 MHz.

Si l 'on d6sire abaisser ce d6bit en se bornan t

l 'u t i l i sa t ion de techniques simples, la premiere id le

est &essayer de mieux adapter le codage aux carac-

t~ristiques s tat is t iques de l ' image. Les diff6rentes

~tudes menses dans ce domaine [1] ont montr~ que

l 'on cons ta ta i t une bonne s ta t ionnari t6 du c6t6 de

la s ta t is t ique des sauts (Fig. 2), c 'est-~-dire sur la

diff6rence entre l ' ampl i tude d 'un ~chantil lon et

l ' ampl i tude de l '~chanti l lon suivant . Les sauts les

plus probables 6tant dans l 'ordre, le saul z6ro, les

sauts de + 1, de + 2 ...

Par ailleurs, on sail que l'ceil est tr~s sensible aux

pet i tes var ia t ions de luminance dans les zones ~ te in te

* Ce travail a ~t6 r6alis6 dans le cadre du march6 d'~tudes CNET 70-45-186. ** Ing&fieur h la Soci6t6 Anonyme de T616eommunieations.

*** Chef du groupe d'6tudes de la SAT ~ Lannion.

- - 225 - -

2/12 J . - c . J O L I V E T ET F . -X . STOULS [ANNALES DES TELECOMMUNIGAT|ONS

- 10

p (s) 0,6

0,5

0,4

0,3

0,~

-5 o . . . . ~ . . . . 1'o sauts s

Fro. 2. - - Probabilit6 de sauts (image cod6e h 32 niveaux).

On remarque que :

- - sur les parties h faible var ia t ion de luminance, la recopie se fair par une al ternance de plus et moins un, donna n t naissance h u n bru i t de quant i f ica t ion

de fr6quence fondamentale 6gale h la demi-fr6quence d '6chant i l lonnage ;

- - sur les parties /~ var ia t ions rapides, des erreurs importantes peuven t intervenir , correspondant h u n

brui t de surcharge.

I1 faut noter cependant que ces erreurs in te rv iennen t

ra rement puisque la probabil i t6 d 'avoir un saut sup6rieur ~ trois en module est de l 'ordre de 10 % (pour un nombre maximal de n iveaux de 32).

plate, mais beaucoup plus tol6rant sur les variat ions brutales.

On peut donc penser coder, non pas l ' ampl i tude,

mais les sauts et en u t i l i sant une loi de q u a n t i f c a t i o n non lin6aire de fa~on h coder f inement les petites diff6rences et ~ accepter des erreurs sur les grands sauts de probabil i t6 faible.

1.2. Le c o d a g e d i f f6rent i e l m u l t i n i v e a u x .

Pour adapter le codage h la stat ist ique, on utilise

un codage de type Delta [2]. Cependant , le codage en delta classique est tr~s r i t e surcharg6 sur les sauts impor tants si on ne dispose pas d 'une fr6quence de t ransmission tr~s ~lev6e.

On a done choisi un type de codage interm6diaire

entre le delta et celui du MIC Off chaque saut est repr6sent6 par trois 616ments binaires, soit hu i t possi- bilit~s alors que le codage delta n ' en pr6sente que deux [3, 4].

La probabil i t6 d ' un saut positif 6 tant 6gale ~ celle du m~me saut n~gatif, on aura donc quatre sauts positifs et quatre sauts n6gatifs, ce qui exclut d'ailleurs le saut nul.

Dans ces conditions, le vid~osignal analogique va ~tre cod6 comme l ' indique la figure 3.

~ d~

~fVideosignal

A

FIG. 3. - - Allure du codage (avant filtrage).

II . DESCRIPTION DU CODEUR-D]~CODEUR DU VID]~OSIGNAL (Fig. 4)

I I .1 Codeur .

Le codeur se compose de quatre parties :

- - u n filtre d'entr6e,

- - un soustracteur,

--- un quant if icateur ,

- - un accumulateur .

I L I . I . Filtre d'entr~e.

Le filtre est a t taqu6 par le vid6osignal analogique p rovenan t de l 'ensemble de prise de rue . I1 61imine

les brui ts qui ne sont pas dans la bande utile et permet de respecter la condit ion de Shannon pour l '6chan- t i l lonnage du vid6osignal.

Le choix des caract6ristiques de ce filtre est le

r6sultat d ' un compromis.

En effet :

- - si l ' a t t6nua t ion est insuffisante sur les fr6quences sup6rieures au double de la fr6quence d '6chanti l lon- nage, on risque d 'observer des effets de repl iement de spectre, dormant un aspect moir6 h l ' image qui r6sulte des ba t t emen t s apr~s 6chanti l lonnage ;

- - si la bande passante est t rop faible, la d6finition de l ' image est insuffisante ;

- - s i la coupure du filtre est trop raide, apr~s

filtrage, il appara i t ra des suroscillations apr~s les fronts raides qui donneront une image off les contours

seront soulign6s une ou plusieurs fois.

Le filtre utilis6 pour les essais est un filtre de

Bessel dont le temps de propagat ion de groupe est cons tan t dans la bande passante pour 6viter les

suroscillations. La caract6ristique d ' ampl i tude est indiqu6e figure 5. On remarquera que la condi t ion la moins respect6e

est celle de Shannon (9 dB seulement d ' a t t6nua t ion h la moiti6 de la fr6quence d '6chanti l lonnage). Cela se justifie par le fait que les moir6s n ' appara i ssen t

226 - -

t. 27, n os 5-6, 1972] C O D A G E D I F F E R E N T I E L D ' I M A G E S M U L T I N I V E A U X 3/12

Videosignal + . ~ Soustracteur [--

Videosignal reconstru~

Transcodage

I

Fr6quence ff 6chantillonnage

Accumulateur ].

Videosignal I Filtre I_ I Accumulateur - I [ - I

FIG. 4. - - Sch6ma synoptique du codeur-d6codeur image.

=1] Transcodage ~

Transmission I num6rique

Transcodage ]J

]/16 0

-10

-20

-30

-40 dB

1/8

Fr~quence ~quence d'6chantillonnage 1/4 1/2 I

~ k

FIG. 5. Caraet6ristique d'amplitude du filtre d'entr6e.

de fa~oa visible que dans les zones od l 'on observe des structures p6riodiques de fr~quenees spatiales 6lev6es qui sont asscz rares et m6me dans ce cas, les effets parasites se confondent avec ceux observ6s

dans le sens perpendiculaire aux lignes, o~x nous avons ~galement un @hant i l lonnage (par l 'explorat ion en

lignes) et ofa aucun filtrage n ' in te rv ien t .

1 1 . 1 2 . $oustracteur.

II 61abore de fa~on analogique la diff6rence entre

le vid6osignal filtr6 et le vid6osignal reconstrui t apr~s codage.

II.1.3. Quantificateur.

I1 se compose de sept comparateurs C 1 h C7 qui re~oivent le signal diff6rence sur une entr6e, et dont l ' aut re entr6e est reli6e ~ des tensions de r6f6renee V 1 h V 7 ; d6 te rminan t l'6chelle de quant if icat ion. L '6 ta t des comparateurs est transf6r6 h des m6moires M 1

h M 7 h des ins tants fix6s par une horloge, ce qui revient h faire un 6chanti l lonnage de la tension d'entr6e. L '6 ta t des m6moires indique la zone d 'ampli - rude ou se trouve la diff6rence V e entre le vid6osignal d 'entr6e et le vid6osignal reconstruit , par rappor t aux

tensions V 1 h V 7 . Un transcodage d6terminc le saut que doit faire le codeur pour diminuer cette diff6rence

en choisissant Fun des poids Pz ~ Ps"

I I . 1 . 4 . A c c u m u l a t e u r .

I1 se compose d 'une m~moire analogique ou num6- rique. A chaque point explor6, un circuit d ' add i t ion ajoute a lg6briquement au contenu de la m6moire, le poids d6termiu6 par le quant if icateur .

Si l ' accumula teur est analogique (Fig. 6), la m6moire est un condensateur, et l ' addi t ion des poids

revient h injecter darts ce condertsateur des courants calibr6s de charge ou de d6charge.

Si l ' accumula teur est num6rique (Fig. 7), la m6moire

et l ' add i t ionneur sont eux-m~mes num6riques et l 'on

dolt util iser un d6codeur num6rique analogique pour

6laborer le vid6osignal reconstrui t [5]. Dans ce dernier cas, on doit 6galement pr6voir un

circuit emp6chant les d6bordements de la m6moire,

- - 227 - -

4/12 a . - c . J O L I V E T E T F . - X . S T O U L S [ANNALES DES T/~LI~'COMMUNICAT|ON~

I I

I C i Q i I I Qi Cj P~ "-I I---,,

- f Vo - R C .-V o

Poids positifs Poids n~gatifs F I G . 6. - - A c c u m u l a t e u r a n a l o g i q u e .

prendre certaines pr6cautions. Tout d 'abord, il convient de profiter de la connaissance a priori du signal. On salt que le vid6osignal aura une valeur

nulle pendan t l 'ext inct ion, c'est-h-dire pendan t une dur6e connue apr6s l ' impuls ion de synchronisat ion,

on sait 6galement que pendan t la p6riode active, son ampli tude sera comprise entre les n iveaux du noir (z6ro) et du blanc (ampli tude maximale) d 'ou les

Poids +_1 Additionneur M6moire 1 point ~ T ~ ContrSle des / d~bordements

lCommande de remise ~ z~ro

_ [ D~codeur I N---A

_ Videosignal reconstruit (vers soustracteur)

F r o . 7. - - A c c u m u l a t e u r n u m 6 r i q u e ,

c'est-~-dire f ixant sa valeur /~ une ampl i tude pr6- 6tablie, et correspondant a la valeur nominale du blanc dans le cas de sauts positifs trop impor tan ts et le fa isant saturer ~ z6ro dans le cas contraire.

I1 est 6galement impor t an t de pr6voir u n retour au tomat ique a z6ro du vid6osignal reconstrui t (niveau

du noir) pendan t l ' ext inct ion.

I I . 2 . D 6 c o d e u r .

Le d~codeur se compose d ' u n accumula teur iden- t ique h celui d6crit w II.1.4. I1 faut rioter iei une diffieult~ de r6alisation des eodeurs-d6eodeurs (codec) diff6rentiels mu l t i n iveaux qui provient du fait que l ' ampl i tude d u n e point d 'une ligne est :

i=n

an = ~ P i . i=O

Les accumulateurs d '6mission et de r6ception sont identiques, mais Fun est inclus dans un syst6me boucl6 et l ' au t re non.

En cons6quence, si les poids PI n ' o n t pas la m6me valeur h l '6mission et a la r6ception du fait soit d 'une erreur de t ransmission, soit d 'une imperfection de circuit dans le cas d ' u n accumula teur analogique, cette erreur va subsister et se re trouver sur t o u s l e s points suivants de la ligne.

Les d6rives entre les d6eodeurs d'6mission et de r6ception sans erreurs sur la t ransmission num6rique

ne peuven t pas exister dans le cas d ' un accumula teur

num6rique. Par eontre, le probl~me subsiste si l 'accu- mula teur est du type analogique, en effet il suffit que les courants inject~s dans les condensateurs de m6moire d'6mission et de r6ception, ne soient pas proport ionnels pour que l 'on constate un cumul des diff6rentes erreurs.

Pour minimaliser ces effets on peut cependant

circuits de remise h z6ro au tomat ique et de contr61e des d6bordements indiqu6s plus haut .

En ce qui concerne les d6rives des accumulateurs analogiques, on peut les minimaliser en in t roduisan t une constante de temps RC en pla~ant une r6sis- tanee R en parall~le sur le condensateur de m6moire C.

Dans ces conditions, supposons que le poids Pn corresponde h l ' in ject ion d ' un eourant in dans C. La var ia t ion de tension A V aux bornes de C sera :

1 f f l + T ( V \ I: - = v ~ , AV c J , \i .---ff )dt XVR(O)--

si z e s t la p6riode d '6chant i l lonnage,

A VR(0) est la valeur du saut pour V = 0.

Dans ees condit ions, on vol t que la var ia t ion AV

d6pend de la tension V. De fa~on g6n~rale si A v est la valeur nominale du saut in t rodui t h la pe p6riode d '6chant i l lonnage (Ap 6tant choisi dans l 'ensemble des sauts possibles) et si V 0 est la valeur du signal image reconstrui t au d6but de la premiere p6riode, l ' ampl i tude Vn de cette vid6o h la n e p6riode est :

V n ~ o c n V 0 + 5r n - 1 A 1 + . . . . . . + ~ A n - 1 - ~ - A n ,

en posant ~ = 1 -- v/RC < 1.

On voit que par un choix convenable de RC, on

peut avoir une d@roissance rapide de l ' influence des poids inject6s en fonction du temps, ce qui implique la correction des erreurs de t ransmiss ion ainsi que des d6rives.

Quel que soit le type d ' accumula teur utilis6, le

d6codeur est suivi d ' u n filtre dont le r61e principal est de minimaliser le b ru i t de quant i f icat ion. On t rouvera h la figure 8 a sa courbe de r6ponse en ampli tude. Ce filtre a la par t icular i t6 de pr6senter une r6ponse h un f ront a ya n t Failure indiqu6e figure 8 b ce qui am61iore l 'aspect subject if de l ' image [6].

- - 228 - -

t. 27, n ~ 5-6, 1972] CODAGE DIFFI~RENTIEL D'IMAGES MULTINIVI~AUX 5/12

1/I6 0

-10

- 20

,30

- 40

-c~9

Fr~quence d'~chaniillonnage

1/8 I/4 1/2

t attenuation (d B)

. . . . . j

FIG. 8. - - Caract6ristiques d'amplitude du filtre de sortie et r~ponse transitoire du filtre de sortie.

I I I , D I ~ . T E B M I N A T I O N D E S P A R A M I ~ T R E S D E B t ~ G L A G E D E S C O D E U t l S

L'ensemble codeur-d~codeur 5tant r~alis5 comme il a ete dit plus haut , il reste b d~terminer les diff~rents param~tres de r~glage qui sont :

- - l '~ehelle relative des poids h par t i r de la valeur du plus faible prise a rb i t ra i rement eomme u n i t ~ ;

- - la valeur du poids le plus faible par rappor t h l ' ampl i tude nominale du vid~osignal ;

- - l e r~glage des seuits des comparateurs par rappor t aux poids choisis.

La d~terminat ion de ces param6tres ne peut se faire u n i q u e m e n t en fonction de crit~res classiques

mais n~cessite une 5valuat ion subjective.

I I I . 1 . E s s a i s s u b j e c t i f s .

Ces essais ont porte sur la mesure de la d6gradation apport~e par les divers t ra i t ements par rappor t 5 des images de r~f~rence.

L ' image de r~f~rence est l ' image analogique seu- lement filtr~e par les filtres utilis~s en entr6e et sortie du codeur-d~codeur (codec).

Trois images ont ~tO, successivement prSsent~es aux observateurs. Deux reprdsentaient des visages, Fun

tr~s contrast5 d 'une jeune femme brune por tan t un chemisier ray~ noir et blanc, l ' aut re d 'une jeune femme blonde sans zones & fort contraste. Enfin, la troisi(~me image est un graphique simple trac5 au crayon feutre.

On pr~sentai t h chaque observateur l ' image de r(~f~rence puis l ' image trait~e correspoudante et ce, dans un ordrc al~atoire t a n t pour le type d ' image que pour le t ra i tement , et on lui demanda i t de juger

en u t i l i sant l%chelle de dSgradation fi cinq notes suivante :

5. dSgradation imperceptible,

4. d~gradation perceptible mais non g~nante, 3. d~gradation ldg~rement g~nante, 2. d~gradation trSs genante, 1. image inutil isable.

Les observateurs 5taient places dans une piece h ambiance calme et dans la p lupar t des cas commu- n iqua ien t avec l 'op4rateur par interphone. Les condi- tions d '~clairement de la piece ainsi que la valeur

de la brillance du tube cathodique du moni teur (niveau du noir et du blanc) ~taient ~galement mesur~s et gard~s sensiblement constants.

Le nombre total d 'observateurs classds en sp~cia- listes des probl~mes de tSl~vision et non sp6cialistes 6tait d 'une v ingta ine de personnes pour chaque essai (dix sp~cialistes et dix non spdcialistes).

Dans chaque s~rie, en plus des images trait~cs, on t rouva i t un ou deux pi~ges, c'est-a-dire que l 'on pr~- sentai t l ' image de r6%rence comme image A juger. Au ddpouillement, on a sys t~mat iquement ~cart~ les observateurs qui est imaient la d~gradation de cette image par rappor t g elle m~me supSrieure ou dgale h trois.

I I I . 2 . R 6 g l a g e des s e u i l s des c o m p a r a t e u r s .

Le r~glage des tensions de r~f~rence V 1 h V 7 des comparateurs (voir Fig. 4) a 6t6 fait de mani~re h minimaliscr l 'erreur quadra t ique moyenne sur la r6ponse du codeur.

On constate en effectuant les calculs [7] que l 'on

trouve ce m i n i m u m si l 'on place les tensions V~ au milieu de l ' interval le des poids adjacents Pi et Pi+l

Vi (P~ + P~+1)]2 �9

- - 229 - -

6/12 J . - C . J O L I V E T E T F . - X . S T O U L S [ANNALES DES T]ELECOMMUNICATIONS

D a n s ces c o n d i t i o n s , les 6chel les de q u a n t i f i c a t i o n f i ca t ion , p o u r q u a t r e s a u t s h l ' a u g m e n t a t i o n du b r u i t

p r e n n e n t l ' a l l u r e i n d i q u 6 e f igure 9. de s u r c h a r g e .

V7

I I

I I

I I

/ i

/ /

PI

P |

V6 V5 P4

/ /

' Poi ds

//

I I

I

//

/ /

/ / /

/ I

/--~P5

P6

V3 V2 V

V e -

P7

PB

FIG. 9. - - Echelle de quantification.

III.3. D6termination des 6chelles de poids et de la valeur du quantum.

Ces essa is o n t en f a i t 6t6 g roup6s , e t en effe t o n

a d ' u n e p a r t u t i l i s6 d e u x 6chel les de po ids qu i ~ t a i e n t :

+ i, + 3, + 7, + 15,

ou • 1, • 3, • I0 , • 25,

et d ' a u t r e p a r t , on a f a i t v a r i e r le u o m b r e de s a u t s

m a x i m a u x n6cessa i r e s p o u r c o d e r l ' a m p l i t u d e no i r -

b l a n c de 2 ~ 4.

Cela r e v i e n t h f a i r e c o d e r le v i d6os i gua l de 30

60 u i v e a u x a v e c la p r e m i e r e 6chel le e t de 50 ~ 100

a v e e la s eeonde .

Les r 6 s u l t a t s s u b j e e t i f s e u m u l 6 s p a r ce t y p e de

d ~ e o d e u r s o n t i n d i q u 6 s f igure 10.

O n c o n s t a t e que les m e i l l e u r s r 6 s u l t a t s s o n t o b t e n u s

a v e c l ' 6ehe l l e 1 3 7 15 u n a e e u m u l a t e u r n u m 6 r i q u e e t

t r o i s s a u t s m a x i m a u x . A v e e la m 6 m e 6ehel le de p o i d s

e t l ' a e e u m u l a t e u r a n a l o g i q u e les r ~ s u l t a t s s o n t 16g~-

r e m e n t in f6 r ieurs , s ans d o u t e h eause d u b r u i t de

q u a n t i f i e a t i o n p lu s f o r t su r ee t y p e d ' a e e u m u l a t e u r .

O n p e u t p e n s e r q u e la ba i s se de q u a l i t 6 p o u r d e u x

s a u t s c o r r e s p o n d ~ l ' a u g m e n t a t i o n d u b r u i t de q u a n t i -

Note subjective 5

�9 - ~

2 2 3 4

Amplitude noir- blanc (unit~ = saut maximal)

Fro. 10. - - R6sultats subjectifs pour diverses 6chelles de poids et divers nombres de sauts maximaux.

Echelle 1 - 3 - 7 - 15 : - - accumulateur num6rique, - - - - - - accumulateur analogique.

Eehelle 1 - 3 - 10 - 25 : . . . . . . . accumulateur num6rique,

- - accumulateur analogique.

On a d o n e r e t e n u p o u r la su i t e des essa is le m e i l l e u r

r6g lage . L ' a l l u r e des i m a g e s o b t e n u e s es t d o n n 6 e p a r

les p h o t o g r a p h i e s de la f igure 11.

- - 2 3 0 - -

t. 27, n ~ 5-6, 1972] CODAGE DIFFEBENTII'~L D'IMAGES MULTINIVEAUX 7 / 1 2

FI6. 11. Image cod6e.

a) r~f6rence, b) codage h accumulateur num~rique, c) codeur h accumulateur analogique.

Ces photographies ont 6t6 obtenues avec un temps de pose de 1 seconde et repr6sentent l'int6gration de plusieurs images. Les d6fauts introduits par le codage sont principalement visibles comme des effrangements sur les

transitions, en particulier entre les cheveux et le visage.

IV. CODAGE ET T R A N S M I S S I O N DE LA S Y N C H R O N I S A T I O N

Nous avons v u c o m m e n t il ~ ta i t possible de coder

le v id~os igna l ~ ra i son de t ro is ~l~ments b ina i res pa r

p o i n t d ' i m a g e sans a m e n e r une t rop for te d~g rada t i on

sub jec t ive . P o u r t r a n s m e t t r e ce t t e image il nous f a u t

~ g a l e m e n t coder la synch ron i sa t i on . De plus, dans le

cana l n u m ~ r i q u e nous devons pr~voi r une o rgan i sa t i on

en t r a m e s num~r iques p o u r assurer le t r i de l ' infor-

m a t i o n en roots.

On p e u t pense r h d e u x so lu t ions :

a) la s y n c h r o n i s a t i o n est cod~e c o m m e le v ideo-

s ignal , la s y n c h r o n i s a t i o n de t r a m e n u m 6 r i q u e es t

61abor6e h p a r t e t ne ser t q u ' a u ve r rou i l l age de t r a m e

n u m 6 r i q u e ;

b) la s y n c h r o n i s a t i o n de t r a m e n u m 6 r i q u e co inc ide

avec le d6bu t des impuls ions de s y n c h r o n i s a t i o n de

l ' image , un eodage s u p p l 6 m e n t a i r e ma t6 r i a l i se /~ la

r6cep t ion la fin de ces impuls ions p o u r p e r m e t t r e

leur r6g6n6rat ion.

IVA. Codage des impuls ions de synchron i sa - t ion par le codeur du vid~osignal .

D a n s ee sys t~me, on app l ique au codeur d i l t6rent ie l

m u l t i n i v e a u x , le v id6os igna l compos i t e (v id6os ignal e t

- - 231

8/12 J.-C. JOLIVET ET F.-X. STOULS [A~L~S DES T~:LECO . . . . . . c~ . . . . s

synchronisat ion superposOes). L '~laborat ion de la synchronisat ion de t rame

num~rique se fair comme indiqu~ au paragraphe

suivant .

IV.2. Codage s~par~ des impuls ions de syn - chronisat ion.

ll faut, dans ce cas, mat~rialiser par des roots particuliers inclus dans le signal num~rique, les fronts avan t et arri~re des impulsions de synchronisat ion car la d~terminat ion des synehronisat ions de ligne

et de t rame se fait en t e n a n t compte de la largeur

de ces impulsions. Lors de l 'ext inct ion, il faut de plus imposer l '~tat

du codeur de vid~osignal, afin que la s~quence de synchronisat ion ne soit pas interprOtr~e comme un

vid~osignal. Comme la s~quence de synchronisat ion est plus

courte que la duroc de suppression du vidSosignal, on dispose d ' un certain nombre d'~l~ments binaires qui peuven t etre affect~s h la t ransmission d'infor-

mat ions suppl~mentaires (voie t~l~phonique par

exemple). Enfin, il est possible de profiter de l 'ext inct ion,

pendan t laquelle on poss~de une connaissance a priori

du signal pour effectuer des bourrages positifs ou n~gatifs, pe rme t t an t la compensat ion des differences

entre les fr~quences d '~chant i l lonnage et de trans-

mission. I1 faut ~galement noter qu ' i l est impor tan t de

main ten i r une synchronisat ion correcte et d 'assurer

un recalage rapide en cas de d~verrouillage m~me si le b ru i t de t ransmiss ion num~rique est impor tan t car h l 'extr~me, la perte de cette informat ion condui t fi plusieurs t rames fansses. Pour remplir ces diff~rentes conditions, on a r~alis~ une s~quence compor tant

successivement :

- - u n e s~quence pr~paratoire, - - un mot part iculier correspondant au front avan t

de l ' impulsion, - - u n certain nombre d'~l~ments binaires dispo-

nibles, - - un mot ident ique h celui de d~but d ' impuls ion

et correspondant au f ront arri~re de l ' impulsion, - - u n certain nombre d'~l~ments binaires dispo-

nibles, - - le vid~osignal codd.

IV.2.1. S~quence pr~paratoire.

Elle est destin~e 5, acc~l~rer la reprise dc synchro-

nisat ion apr~s un d~croehage. Pour eela on fabrique pendan t la p~riode de sup-

pression avan t l ' impuls ion de synehronisat ion une s~quence impossible normalement dans le eodage du vid~osignal. Comme il importe ~galement de fixer l '~ ta t du codeur pendan t l ' ext inet ion, on v a l e met t re en sa tura t ion vers le noir en ~met tan t une s~rie de

roots reprOsentant les sauts max imaux nOgatifs, ce qni avec le code choisi repr6sente une suite de 1. Par exemple, darts le cas du visiophone, ces 1 seront au aombre de dix-sept, c'est-fi-dire plus de einq sauts m a x i m a u x n~gatifs (on rappelle que l ' ampl i tude noir- b lanc a ~t6 fixOe h trois sauts maximaux) .

Remarquons que eette sOquenee 6tant d~teetOe ~ la r6ception si elle est de longueur suffisante, et ne compor tan t pas d ' informat ion particuli~re, le fonc- t i o n n e m e n t peut ~tre assur6 meme si elle eomporte un ~l~ment binaire en plus ou en moins. Cela revient

dire qu'~ ce niveau on peut effeetuer un bourrage positif ou n~gatif compensant les differences de

fr~quenee entre la fr6quenee d'Ochantil lonnage et celle utilis~e pour la t ransmission. Cette eompensat ion

1 peut at teindre ~: 3 • 256 ----- 1,310 -a.

La var ia t ion du nombre d'dlOments binaires t rans- mis est faite au niveau de la conversion parall~le-sOrie du t ra in num~rique.

Les ~l~ments binaires sont mis en mOmoire h la fr~quenee d%ehantil lonnage. Les m~moires sont ensuite lues h la eadenee de t ransmission divisOe par trois avee une remise en phase du diviseur h chaque impulsion de synehronisat ion. Comme cette remise en phase n ' i n t e rv ien t que pe nda n t l '~mission de la s~rie de 1 on ne constate pas d ' in te r rup t ion du t ra in num~rique.

La gigue introduite est en t o u s l e s eas infOrieure h

un 61~ment binaire et un circuit de remise en phase permet de la rendre imperceptible sur l ' image.

IV.2.2. Sdquences de synchronisation.

Les roots matOrialisant le dObut et la fin des impul- sions de synchronisat ion sont formOs par une s6quence de Barker h six 616ments binaires. Le dOcodage de cette sOquence est donn6e figure 12.

Nive~u d~tect~

Fen~tre

i * i

-3 -2 -1 0 1 2 t Fro. 12. - - D4codage de ]a s4quence de synchronisation. La zone d'incertitude due aux 41~ments binaires disponibles

est hachur4e.

IV.3. D~tect ion de la synchronisa t ion .

Supposons que la synchronisat ion vienne de d~cro- cher. Dans ce cas on recherche la sOquence pr~para-

- - 232 - -

t. 27, n ~ 5-6, 1972] CODAGE DIFF~;RENTIEL

toire. On sait qu' i l faut rechercher une s~quence de (~ 1 ~ sup~rieure /~ seize ee qui peu t ~tre fait par un eompteur avan~ant de un ~ ehaque un re~u et remis

z6ro par les z6ros.

Du f a r de sa const i tut ion, eette s6quenee est assez sensible au bru i t de t ransmission numdrique, en fait si P e est la probabil i t6 d 'erreur du canal de trans- mission la probabil i t6 de non-dSteet ion est de 16 P e .

Elle devient cependant (16 Pe) ~ si l ' on eonsidSre deux lignes sueeessives. On peut done penser que l 'on aura une d6tection an bout de quelques lignes au

maximum.

Dans ce cas, on cherchera une sSquence de synchro-

n isa t ion en d~tectant le nombre de coincidences entre

les ~l~ments binaires regu et le mot de synchroni- sation mis en m~moire. La d~tection correspond i~ la coincidence d 'au moins cinq ~l~ments binaires.

Si l 'on a d~tect~ la s~quence pr~paratoire, on connai t la place que doit oecuper l ' impuls ion de synchroni- sation h plus ou moins u n ~lSment binaire pr~s. On va done effectner la recherche dans une fen~tre de trois ~l~ments binaires. Supposons que, dans eette fen~tre, on eonsid~re que l 'on a une impulsion de synehronisa t ion si l 'on a plus de quatre coincidences, la probabili t~ d 'absenee de d~teetion est ~gale h eelle d 'avoir deux ~l~ments binaires faux sur six ~l~ments binaires, soit :

P a ~ C2~ P e ~ = 15 P e 2 .

La probabil i t6 de faire une fausse d6tection est cclle d 'avoir trois 616ments faux sur six, c'est-~-dire :

P I ~ C36 P e a = 20 P e a .

Comme on dispose de deux s6quences par ligne, que l 'une ou l ' au t re peut servir ~ la synchronisat ion de mots du t ra in binaire et en t e n a n t compte du fait que si l 'on d6tecte deux impulsions (vraies ou fausses) une est ehoisie arbi t ra i rement . La probabil i t6 de mauvaise synchronisat ion de ce t ra in est :

P = ( P a • Pc,) + (Pc, • PI) + P f m P I = 20 Pe a .

A y a n t d6tect6 un mot de synchronisat ion aprgs la s~quence pr6paratoire, on met en phase une base de temps qui va fournir des cr6neaux aux endroits pr6vus pour les fronts arri~re d ' impulsions.

Si on constate la pr6sence d ' u n front arri~re qui peu t correspondre R u n e synchronisat ion ligne ou t rame le systSme est verrouill6 et fonctionne ind~- p e n d a m m e n t de la s6quence pr~paratoire.

Le verrouillage est consid6rd comme perdu si on ne d~tecte aucun mot de synchronisat ion darts les fen~tres pr~vues pendan t la dur~e d 'une ligne. (La probabili t~ de perte est de 20 Pea).

Les synchronisat ions de la t rame reme t t en t en phase une base de temps pilot~e par la fr~quence de ligne avec un verrouillage part iculier sur la fr~quence de trame. Ce verrouillage est consid~rfi comme perdu si l 'on ne d~tecte pas les mots de synchronisat ion

dans la fen~tre fournie par cette base de temps pen- dan t deux t rames successives.

D'IMAGES MULTINIVEAUX 9/12

Dans ees conditions, la fr6quence moyenne des pertes de synehronisa t ion est :

Ftram~ • (15 Pc2") e ,

alors que la frfiquenee d ' appar i t ion d 'une fausse synchronisat ion t rame est :

Fligne X 15 P e 2 .

On peut chiffrer l 'am61ioration obtenue par :

Fligne 10 Ftrame X 15 Pe 2 ~ P e ~ '

dans le cas dR visiophone.

I V . 4 . E v a l u a t i o n s u b j e c t i v e d e s i m a g e s e n f o n c t i o n d u t a u x d ' erreur s u r l e c a n a l de t r a n s - m i s s i o n n u m 6 r i q u e .

Afin de d~terminer la qualit~ de l ' image t ransmise en fonction du t aux d 'erreur exis tant sur la liaison num~rique, oil a proc~d~ h une s~rie d'essais en in t roduisan t des erreurs de fa~on al~atoire. La pro- port ion d'~l~ments binaires erronn~s a vari~ de 0 h 10 -a .

La mesure faite a 6galement ~td une mesure de

d~gradation par rappor t /~ l ' image analogique filtr~e en u t i l i sant l'~chelle de notes indiqude au para-

graphe III .1. Pour s~parer a u t a n t que possible, l ' influence des erreurs, on a proc~d~ h trois essais :

- - dans la premiere sdrie, seul le viddosignal est bruit6, la synchronisat ion de l ' image t ransmise s~par~ment ;

- - dans la deuxi6me, les impulsions de synehroni- sation sont cod~es par le codeur du vid~osignal ;

- - enfin, dans la troisi~me, la synehronisa t ion est

cod~e s~parSmont par le dispositif d~crit plus haut .

IV.4.1. Influence du brui t sur le codeur du vid~osignal.

Lorsque l 'on in t rodui t du bru i t sur le codeur du vid~osignal, on constate une diffdrence de r~sultats su ivant que l 'on utilise u n accumula teur num6rique ou un accumula teur analogique.

E n effet, dans le premier cas, u n mot erronn~ va provoquer une erreur constante sur la res t i tu t ion des ampli tudes des points suivants qui va persister jusqu 'h la remise ~ z~ro au tomat ique su ivante du d~codeur. Sur l ' image, cela va se t raduire par une port ion de ligne trop claire ou trop sombre (Fig. 13a).

Si l 'on utilise un accumula teur analogique, [8] une correction au tomat ique des erreurs va se produire a m e n a n t une dScroissance qui se t radui ra sur l ' image par des esp~ces de com~tes const i tu tes par un poin t t rop br i l lant (ou trop sombre) suivi de points dont la diff6rence de brillance avec les points voisins s 'at t~-

nue progressivement jusqu'fi s ' annule r (Fig. 13b). Cet effet est ~videmment moins g~nant que le precedent ce qui est confirm6 par les r~sultats subjectifs indiqu~s (Fig. 14).

- - 233

10/12 J . - C . J O L I V E T ET F . - X . S T T O U L S

Note subjective 5

[ANNALES DES TIs

1 0 10 .7 10 6

%. \

% \

10-5 10-4 10-3 Tat., x d'erreur

Fro. 14. - - Note subjective en fonction du t aux d 'er reur (synchronisat ion non bruitde).

- - - - - codeur ~ accumulateur analogique,

. . . . . codeur h accumulateur num~rique.

Pour le t aux d 'erreur tr~s impor t an t de 10 -3, la d ~ g r a d a t i o n e s t j u g ~ e /r~s g~uante p o u r le c o d e u r h

a e c u m u l a t e u r n u m d r i q u e e t i n t e r m ~ d i a i r e e n t r e 16g~- rement gdnanle e t tr~s ggnante p o u r celui ~ a e e u m u -

l a t e u r a n a l o g i q u e .

IV.4.2. Codage de la synchronisation avec le vid~osignal (Fig. 15).

Les r~sultats sont eomparables ou l~g~rement infd- rieurs pour les faibles t aux d 'erreur ce qui peut ~tre a t t r ibu~ h une l~g~re gigue sur le codage des impul-

5 Note subjective

Fxo. 13. - - Influence des erreurs de t ransmiss ion ( taux d 'er reur de 10-4).

Ces photographies ont dt~ obtenues avec un temps de pose de 1/30 s, ce qui produi t les zones sombres dues au non- recouvrement des t rames. Sur les figures 13 a et 13 b on dis- t ingue deux trainees dues h des erreurs, celles-ci se poursu iven t j u squ ' en fin de ligne avec un accumulateur num~rique (12 a) et s ' a t t~nuent plus rap idement avec un accumulateur h peti te

cons tante de temps (12 b).

a) codeur h accumula teur numdrique,

b) eodeur h aeeumula teur analogique.

Le codeur h accumula teur numdrique suit en fonction du t a u x d 'erreur une courbe comparable

celle de celui h accumula teur analogique, mats corres- pondan t h des t aux d 'erreurs dix fois plus faibles

environ. Remarquons que le t aux d 'erreur dolt a t te indre

ou ddpasser 10 -4 pour que la d~gradat ion soit jug~e

l~g~reme~t g~nante (note 3).

4

,,,,\ p

1 0 10 .7 10 .6 10 5 10 -4 10 .3

Taux d'erreur

FiG. 15. - - Note subjective en fonction du t aux d 'erreur (synchronisat ion codde avec l'image).

- - - - codeur h accumulateur analogique,

. . . . . codeur /~ accumu~ateur numdrique.

- - 234 - -

t. 27, n*' 5-6, 1572] CODAGE DIFFERENTIEL D'IMAGES MULTINIVEAUX 11/12

sions de synchronisat iou (ph6nombne ~ rapprocher des d6fauts de codage se produisant sur les zones h var ia t ion rapide).

Lorsque 1'on augmente le t aux d'erreur, on constate une dSgradation de la qualit6 subjective plus rapide que daus le cas pr6c6dent. En part iculier pour une proport ion d 'erreur de 10 - a , 1'image est jug6e inutil isable.

Les r6sultats p rouven t qu 'avec ce syst~me, on constate une mauvaise res t i tu t ion de la synchroni- sation ~ par t i r d ' un taux d 'erreur de 10 -5 environ.

I1 faut du reste noter que l'6chelle choisie est mieux adapt6e ~ la mesure des faibles d6gradations que des trbs importantes par exemple la ditt6rence entre 4 et 5 correspond ~ une petite perte de quali t6 alors que celle entre 1 et 2 est trbs grande.

IV.4.3. Codage s~par~ de la synchronisation et du oid~osignal (Fig. 16).

Dans ce cas, les r6sultats sont presque identiques h ceux mesur6s en t r a n s m e t t a n t la synehronisat ion

Note subjective 5

- " - 4

\ \ \ ' x \ x l

\ \ \

10-7 10-6 10-5 i0-4 i{)-3 Taux d'erreur

FIG. 16. - - Note subjective en fonction du taux d'erreur (synchronisation cod6e s6par6ment).

. . . . codeur h accumulateur analogique, . . . . . eodeur ~ accumulateur num6rique.

directement. Gr~.ce aux pr6cautions prises, la synchro- nisat ion semble doric par t icul ibrement r~sistante au brui t .

Dans tous les cas, il semble que la probabili t6 de perte de verrouillage de la t rame num6rique, soil suffisamment faible pour ne pas apporter de d6gra-

dar ien mesurable.

V. C O N C L U S I O N

Par rappor t au codage du syst~me de modula t ion

par impulsions et codage classique et darts le cas off

les stat is t iques sur les diff6rences entre 6chantil lons est favorable et pr6sente une s ta t ionnar i t6 suffisante, l 'u t i l i sa t ioa d ' u n syst~me de codage diff6rentiel mul t i - n iveaux semble pr6senter quelques avantages. E n effet, on r6alise aiusi et tou t en gardant une quali t6 suffisante, un gain sur le d6bit num6rique n6cessaire de l 'ordre de deux. Par ailleurs, les circuits n6cessaires

sent plus simples. Enfin, ~ condit ion de prendre

certaines pr6cautions sur la t ransmission des diff6- rentes synchronisat ions et si la na tu re discont inue du signal permet une remise ~ z6ro du codeur et du d6codeur, la r6sistance au bru i t est suffisamment bonne pour permettre un ben fonc t ionnement avec les t aux d'erreurs normalement rencontr6s en trans- mission num~rique. Les essais m o n t r e n t cependant que darts les cas limites des pr6cautions suppl6men- taires prises pour effectuer une correction au tomat ique des erreurs am~nent une am61ioration sensible des r6sultats.

On peut doric ra i sonnablement penser que l 'on puisse escompter soil une meilleure qualit6 subjective, soil une meilleure immuni t6 au bru i t en modif ian t certains des principes qui v iennen t d 'etre expos6s. Par exemple, dans ce cas nous n ' avons utilis6 que les corr61ations qui existent sur une ligue entre un point et le point pr6c6dent. L 'u t i l i sa t ion des corr6- tations qui exis tent 6galement avec les points corres- pendan t s de la ligne pr6c6dente dolt permet t re de resserrer la loi de pr6diction et d'am61iorer la qualit6 de l ' image.

R E M E R C I E M E N T S .

I I n o u s est agr~able de profiter de l'occasion qui nous est of/erie pour remereier l'dquipe du ddpartemenl Transmission et Traitement des Images du CNET - Issg el tout particulidrement Madame Seguin el Messieurs Blanc, Schwartz, Tartary el Poncin pour leurs conseils el l'intdrdt qu'ils ont montr~ pour nos essais.

Manuscri t re~u le 21 [~vrier 1972.

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Le Direcleur de la publication : M me Y. BOURNAT

Impr imer ie Jacques e~ D e m o n t r o n d 26, rue E r n e s t - R e n a n - 25-Besam;on - - Published in France D6p6t 16gal 2 e t r imes t re 1972, n ~ 8335