DE102014113520B4 - Method for low-loss transformation and/or compression of a data stream - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms von Eingangssignalen (S12Bit) mit einer ersten Bittiefe in einen Datenstrom von Ausgangssignalen (S8Bit) mit einer zweiten Bittiefe mittels einer Übertragungsfunktion, bei welcher ein Rauschanteil der Eingangssignale (S12Bit) berücksichtigt wird, wobei die Übertragungsfunktion derart ausgelegt ist, dass in dem Datenstrom von Ausgangssignalen (S8Bit) der Rauschanteil wenigstens annähernd konstant ist, und wobei die Übertragungsfunktion ferner umfasst:- wenigstens eine Logarithmusfunktion, bei welcher ein Logarithmus wenigstens des Eingangssignals (S12Bit) und des Rauschanteils gebildet wird; oder- wenigstens eine Area-Kosinus-Hyperbolicus-Funktion des Eingangssignals (S12Bit), des Rauschanteils und eines proportionalen statistischen Rauschanteils, welchen das Eingangssignal (S12Bit) zusätzlich zu dem Rauschanteil aufweist.Method for the low-loss transformation and/or compression of a data stream of input signals (S12Bit) with a first bit depth into a data stream of output signals (S8Bit) with a second bit depth using a transfer function in which a noise component of the input signals (S12Bit) is taken into account, the transfer function is designed such that the noise component in the data stream of output signals (S8Bit) is at least approximately constant, and wherein the transfer function further comprises:- at least one logarithmic function, in which a logarithm of at least the input signal (S12Bit) and the noise component is formed; or- at least one area hyperbolic cosine function of the input signal (S12Bit), the noise component and a proportional statistical noise component which the input signal (S12Bit) has in addition to the noise component.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Kontrastanhebung eines Datenstroms sowie eine Bildverarbeitungseinheit.The invention relates to a method for low-loss transformation and/or compression of a data stream. The invention also relates to a method for increasing the contrast of a data stream and an image processing unit.
Moderne existierende Bildsensoren (zum Beispiel thermisch, visuell oder dergleichen) besitzen einen hohen Dynamikbereich bzw. eine hohe Bit- oder Samplingtiefe von beispielsweise 12, 14 oder 16 Bit (im Folgenden allgemein mit n Bit bezeichnet). Diese intern vorliegenden Daten können jedoch in vielen Systemen nicht übertragen oder verarbeitet werden, da oft Standardschnittstellen vorhanden sind, die häufig nur für 8 Bit ausgelegt sind. Ebenso ergibt sich oft die Notwendigkeit, bei der Übertragung von Bildsignalen geringere Datenmengen zu übermitteln.Modern existing image sensors (for example thermal, visual or the like) have a high dynamic range or a high bit or sampling depth of for example 12, 14 or 16 bits (referred to generally as n bits below). However, this internally available data cannot be transmitted or processed in many systems, since there are often standard interfaces that are often only designed for 8 bits. Likewise, there is often a need to transmit smaller amounts of data when transmitting image signals.
Diese Problematik betrifft selbstverständlich auch andere Signaltypen, wie zum Beispiel Audiosignale, Messsignale, Spannungssignale oder dergleichen, unterschiedlichster Sensoren.Of course, this problem also affects other types of signals, such as audio signals, measurement signals, voltage signals or the like, from a wide variety of sensors.
Bekannte Systeme wandeln die durch den Sensor erhaltenen Signale im Sensordynamikbereich beispielsweise linear von der internen auf die extern verfügbare Bittiefe um. Dabei geht in erheblichem Maße Bildinformation verloren. Verlustfreie Verfahren, wie beispielsweise ZIP-Format oder dergleichen, können interne Daten auf die verfügbare Bandbreite zwar reduzieren, liefern jedoch keine direkt lesbaren Signale (beispielsweise Audiosignale oder Bildsignale), sondern einen Datenstrom, der nachgeschaltet zu Bild oder Ton zurückgerechnet werden muss. Außerdem benötigen derartige Verfahren eine vergleichsweise hohe Rechenleistung im System, insbesondere der Kamera, und erzeugen eine zusätzliche Verzögerung der Bilddaten bzw. der sonstigen Daten.Known systems linearly convert the signals received by the sensor in the sensor dynamic range from the internal to the externally available bit depth, for example. In the process, image information is lost to a considerable extent. Lossless methods, such as ZIP format or the like, can reduce internal data to the available bandwidth, but do not deliver directly readable signals (e.g. audio signals or image signals), but rather a data stream that has to be recalculated downstream to image or sound. In addition, such methods require a comparatively high computing power in the system, in particular in the camera, and generate an additional delay in the image data or other data.
Die
Zudem wird auf GOWEN, R.A.; SMITH, A.: Square root data compression. In: AlP Review of Scientific Instruments, Volume 74, August 2003, Number 8, 3853-3861. http://dx.doi.org/10.1063/1.1593811 verwiesen.In addition, GOWEN, R.A.; SMITH, A.: Square root data compression. In: AlP Review of Scientific Instruments, Volume 74, August 2003, Number 8, 3853-3861. http://dx.doi.org/10.1063/1.1593811.
Darüber hinaus wird auf BERNSTEIN, Gary M. [et al.]: Noise and bias in square-root compression schemes. 13.01.2010. 22 S. URL: https://arxiv.org/pdf/0910.4571.pdf [abgerufen am 24.01 .2022] verwiesen.In addition, BERNSTEIN, Gary M. [et al.]: Noise and bias in square-root compression schemes. 01/13/2010. 22 p. URL: https://arxiv.org/pdf/0910.4571.pdf [accessed on 01/24/2022].
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, bei welchem insbesondere lediglich ein geringer Teil an Nutzinformation verloren geht und die Daten direkt verwendbar sind.Proceeding from this, the object of the present invention is to create a method for low-loss transformation and/or compression of a data stream which avoids the disadvantages of the prior art, in which in particular only a small part of the useful information is lost and the data can be used directly .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms von Eingangssignalen mit einer ersten Bittiefe in einen Datenstrom von Ausgangssignalen mit einer zweiten Bittiefe mittels einer Übertragungsfunktion gelöst, bei welcher ein Rauschanteil der Eingangssignale berücksichtigt wird.This object is achieved according to the invention by a method for low-loss transformation and/or compression of a data stream of input signals with a first bit depth into a data stream of output signals with a second bit depth using a transfer function in which a noise component of the input signals is taken into account.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht das Ausgangssignal weiterhin aus direkt verwendbaren Daten bzw. direkt betrachtbaren Bilddaten. Die angewandte Transformation und/oder Kompression kann bei Bedarf mittels einer entsprechenden Umkehrfunktion im empfangenden System weitgehend rückgängig gemacht werden. Außerdem können beispielsweise im Falle von Bilddaten bereits eingeführte, vorhandene Bildoptimierungsfunktionen direkt auf die erzeugten Bilddaten angewendet werden. Ebenfalls können lokale Optimierungen (manuell oder automatisch) zur Bildoptimierung für einen Betrachter verwendet werden.In the method according to the invention, the output signal also consists of data that can be used directly or image data that can be viewed directly. The applied transformation and/or compression can, if necessary, be reversed to a large extent by means of a corresponding inverse function in the receiving system. In addition, for example in the case of image data, existing image optimization functions that have already been introduced can be applied directly to the generated image data. Local optimizations (manually or automatically) can also be used for image optimization for a viewer.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch eine rauschangepasste Transformation die vorhandenen Bitressourcen unter den vielfältigen Signalen so effektiv wie möglich aufgeteilt werden. Wird die Signalverteilung im ganzen möglichen Wertebereich als beliebig angenommen, besteht die optimale Lösung darin, dieselbe geringe Anzahl von Bits dem Rauschen jedes beliebigen Signalwerts zuzubilligen.The invention is based on the consideration that the available bit resources are distributed as effectively as possible among the various signals by means of a noise-adapted transformation. If the signal distribution is assumed to be arbitrary over the whole possible range of values, the optimal solution is to allocate the same small number of bits to the noise of any given signal value.
Beispielsweise besitzt ein Bildsignal S (bei vernachlässigbarem sogenannten Dunkelstromrauschen) das Rauschen bzw. das Signalrauschen
In vorteilhafter Weise wird lediglich das Signalrauschen ΔS bei der Transformation und/oder Kompression beeinträchtigt. Man erhält zwar kein Bit-identisches Bild mehr, aber da die Veränderungen lediglich das Rauschen betreffen, bleibt die wesentliche Information im Bild auch nach der Transformation bzw. Kompression erhalten. Bei Bildsignalen weisen hellere Bereiche ein höheres Signalrauschen auf und erfahren dadurch eine andere Kodierung als dunkle Bereiche. Der von der Bildhelligkeit unabhängige Rauschanteil R, insbesondere das Ausleserauschen oder das Elektronenrauschen, gewinnt bei dunklen Pixeln in der Rauschbetrachtung an Bedeutung, während er bei hellen Pixeln keine wesentlichen Beiträge liefert. Auch bei Wärmebildern skaliert das Signalrauschen ΔS mit der Quadratwurzel des Signals S. Allerdings sind Wärmebilder durch einen deutlichen Untergrund gekennzeichnet. In
Die Übertragungsfunktion ist derart ausgelegt, dass in dem Datenstrom von Ausgangsbildsignalen der Rauschanteil wenigstens annähernd konstant ist. Da es das Rauschen ist, welches die Dynamik einer Signalrepräsentation begrenzt, ist es vorteilhaft, eine Transformation bzw. Kompression unter der Bedingung zu finden, dass das Rauschen der Zielrepräsentation, welche beispielsweise eine Bittiefe von 8 Bit aufweist, konstant ist oder wenigstens annähernd, insbesondere innerhalb eines Toleranzbereichs, konstant ist.The transfer function is designed in such a way that the noise component in the data stream of output image signals is at least approximately constant. Since it is the noise that limits the dynamics of a signal representation, it is advantageous to find a transformation or compression under the condition that the noise of the target representation, which has a bit depth of 8 bits, for example, is constant or at least approximately, in particular within a tolerance range, is constant.
Die Transformation und/oder die Kompression kann wenigstens teilweise umkehrbar sein. Sonach kann die angewandte Transformation bei Bedarf mittels einer entsprechenden Umkehrfunktion im empfangenen System komplett oder zumindest weitgehend rückgängig gemacht werden.The transformation and/or the compression can be at least partially reversible. Accordingly, the applied transformation can, if necessary, be completely or at least largely reversed by means of a corresponding inverse function in the receiving system.
Die Übertragungsfunktion kann in einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel wenigstens eine Wurzelfunktion, insbesondere eine Quadratwurzelfunktion, umfassen, bei welcher der Radikand wenigstens durch das Eingangssignal Sn und den Rauschanteil R gebildet wird.In an example not belonging to the invention, the transfer function can comprise at least one root function, in particular a square root function, in which the radicand is formed at least by the input signal S n and the noise component R.
Die Übertragungsfunktion kann sich in einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel zu
Die Übertragungsfunktion umfasst als erste erfindungsgemäße Alternative wenigstens eine Logarithmusfunktion, bei welcher ein Logarithmus wenigstens des Eingangssignals Sn und des Rauschanteils R gebildet wird. Alternativ zur Wurzelfunktion kann somit auch eine logarithmische Übertragungsfunktion verwendet werden.As a first alternative according to the invention, the transfer function comprises at least one logarithm function, in which a logarithm of at least the input signal S n and the noise component R is formed. As an alternative to the square root function, a logarithmic transfer function can also be used.
Die Übertragungsfunktion kann sich zu
Das Eingangssignal Sn kann zusätzlich zu dem Rauschanteil R einen proportionalen statistischen Rauschanteil aufweisen. Die Übertragungsfunktion kann wenigstens eine Area-Kosinus-Hyperbolicus-Funktion des Eingangssignals, des Rauschanteils und des proportionalen statistischen Rauschanteils umfassen.In addition to the noise component R, the input signal S n can have a proportional statistical noise component. The transfer function can comprise at least one hyperbolic area cosine function of the input signal, the noise component and the proportional statistical noise component.
Wenn ein dem Signal proportionaler statistischer Rauschterm vorhanden ist, kann als zweite erfindungsgemäße Alternative eine Area-Kosinus-Funktion zum Einsatz kommen. Der statistische Rauschterm kann durch einen Bruchteil αi charakterisiert werden, welcher sich z.B. in der Größenordnung von ca. 0,5 bis ca. 2 % bewegt.If there is a statistical noise term proportional to the signal, an area cosine function can be used as a second alternative according to the invention. The statistical noise term can be characterized by a fraction α i which is, for example, of the order of about 0.5 to about 2%.
Die Übertragungsfunktion kann sich zu
Vorteilhaft ist es, wenn die Übertragungsfunktion als Look-Up-Tabelle ausgeführt wird.It is advantageous if the transfer function is implemented as a look-up table.
Die Transformation und/oder Kompression kann mittels einer Look-Up-Tabelle durchgeführt werden, wodurch im System kaum Rechenleistung benötigt wird. Dies vermeidet auch eine zusätzliche Verzögerung (Delay) bei Bildsignalen, die bei Kamerasystemen unerwünscht bzw. je nach Anwendung sogar inakzeptabel sein kann.The transformation and/or compression can be carried out using a look-up table, which means that hardly any computing power is required in the system. This also avoids an additional delay in image signals, which can be undesirable in camera systems or even unacceptable depending on the application.
Die Eingangssignale können als Eingangsbildsignale und die Ausgangssignale als Ausgangsbildsignale ausgeführt sein.The input signals can be in the form of input image signals and the output signals can be in the form of output image signals.
Anspruch 7 betrifft ein Verfahren zur Kontrastanhebung eines Datenstroms von Eingangsbildsignalen mit einer Eingangsbittiefe, welche in einen Datenstrom von Ausgangsbildsignalen mit einer Ausgangsbittiefe übertragen wird, wobei:
- a) eine verlustarme Transformation und/oder Kompression des Datenstroms von Eingangsbildsignalen mit der Eingangsbittiefe als erster Bittiefe in einen Datenstrom von Zwischenbildsignalen mit der Eingangsbittiefe als zweiter Bittiefe mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms durchgeführt wird, wonach
- b) eine Kontrastanhebung in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen erfolgt, und wonach
- c) in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen eine Anzahl, insbesondere der untersten, Bits der Zwischenbildsignale derart entfernt wird, dass ein Datenstrom von Ausgangsbildsignalen mit der Ausgangsbittiefe erhalten wird.
- a) a low-loss transformation and/or compression of the data stream of input image signals with the input bit depth as the first bit depth into a data stream of intermediate image signals with the input bit depth as the second bit depth is carried out using the method according to the invention for low-loss transformation and/or compression of a data stream, after which
- b) contrast is increased in the data stream of intermediate image signals, and after that
- c) in the data stream of intermediate image signals, a number, in particular the lowest, bits of the intermediate image signals are removed in such a way that a data stream of output image signals with the output bit depth is obtained.
Im Falle von kontrastarmen Bildern werden oft Histogrammausgleichsfunktionen bzw. Kontrastanhebungen verwendet. Da die beschriebenen Verfahren jedoch das Signalrauschen (bei der Aufnahme) berücksichtigen, sollten derartige Korrekturen nicht vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.In the case of low-contrast images, histogram equalization functions or contrast enhancements are often used. However, since the methods described take signal noise (during recording) into account, such corrections should not be carried out before the method according to the invention is applied.
In Schritt c) kann sich die Anzahl der zu entfernenden Bits aus der Differenz zwischen der Bitanzahl der Eingangsbittiefe und der Bitanzahl der Ausgangsbittiefe ergeben.In step c), the number of bits to be removed can result from the difference between the number of bits in the input bit depth and the number of bits in the output bit depth.
In Anspruch 9 ist eine Signalverarbeitungseinheit angegeben.Claim 9 specifies a signal processing unit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung prinzipmäßig beschrieben.Advantageous refinements and developments of the invention result from the dependent claims. Exemplary embodiments of the invention are described in principle below with reference to the drawing.
Es zeigen:
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1 ein Diagramm eines Signalrauschens bei Bildaufnahmen; -
2 ein Diagramm eines Signalrauschens bei Bildaufnahmen mit einem Offset; -
3 ein vereinfachtes Diagramm einer Wurzelübertragungsfunktion, welche nicht zur Erfindung gehört; -
4 ein vereinfachtes Diagramm einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle für eine Wurzelübertragungsfunktion; -
5 ein vereinfachtes Diagramm einer logarithmischen Übertragungsfunktion; -
6 ein vereinfachtes Diagramm einer Abhängigkeit zwischen Signal und Signalrauschen bei einer logarithmischen Übertragungsfunktion; -
7 ein vereinfachtes Diagramm einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle für eine logarithmische Übertragungsfunktion; -
8 ein vereinfachtes Diagramm einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle für eine Area-Kosinus-Übertragungsfunktion miteinem Rauschterm von 0,5 %; und -
9 ein vereinfachtes Diagramm einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle für eine Area-Kosinus-Übertragungsfunktion miteinem Rauschterm von 2 %.
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1 a diagram of a signal noise in image recordings; -
2 a diagram of a signal noise when recording images with an offset; -
3 a simplified diagram of a root transfer function not belonging to the invention; -
4 a simplified diagram of a 12-bit to 8-bit look-up table for a root transfer function; -
5 a simplified diagram of a logarithmic transfer function; -
6 a simplified diagram of a dependency between signal and signal noise in a logarithmic transfer function; -
7 Figure 12 is a simplified diagram of a 12-bit to 8-bit look-up table for a logarithmic transfer function; -
8th Figure 12 is a simplified diagram of a 12-bit to 8-bit look-up table for an area cosine transfer function with a 0.5% noise term; and -
9 a simplified diagram of a 12-bit to 8-bit look-up table for an area cosine transfer function with a 2% noise term.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Eingangsbildsignalen als Eingangssignale und Ausgangsbildsignalen als Ausgangssignale beschrieben. Selbstverständlich können als Eingangs- oder Ausgangssignale auch sonstige Signalarten wie Spannungssignale, Messsignale, Audiosignale usw. in Frage kommen.The invention will be described below using input image signals as input signals and output image signals as output signals. Of course, other types of signals such as voltage signals, measurement signals, audio signals, etc. can also be considered as input or output signals.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression eines Datenstroms von Eingangsbildsignalen S12Bit mit einer ersten Bittiefe von 12Bit in einen Datenstrom von Ausgangsbildsignalen S8Bit mit einer zweiten Bittiefe von 8Bit mittels einer Übertragungsfunktion vorgeschlagen, bei welcher ein Rauschanteil der Eingangsbildsignale S12Bit berücksichtigt wird. Beispielhaft wird hier von einer ersten Bittiefe von 12Bit und einer zweiten Bildtiefe von 8Bit ausgegangen. Es sind hier natürlich beliebige andere Bittiefen denkbar.According to the invention, a method is proposed for the low-loss transformation and/or compression of a data stream of input image signals S 12-bit with a first bit depth of 12 bits into a data stream of output image signals S 8-bit with a second bit depth of 8-bits by means of a transfer function in which a noise component of the input image signals S 12-bit is taken into account will. As an example, a first bit depth of 12 bits and a second image depth of 8 bits are assumed here. Of course, any other bit depths are conceivable here.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einer Signalverarbeitungseinheit oder Bildverarbeitungseinheit, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist beispielsweise als Computerprogramm in einem Speicherelement der Signalverarbeitungseinheit oder Bildverarbeitungseinheit ablaufen.The method according to the invention can run on a signal processing unit or image processing unit which is set up to carry out the method, for example as a computer program in a memory element of the signal processing unit or image processing unit.
Allgemein besitzt das Signal S ein Signalrauschen
Da es das Signalrauschen ΔS ist, das die Dynamik der Signalrepräsentation S bzw. Sn (mit einer ersten Bittiefe n) begrenzt, ist es vorteilhaft, eine Transformation und/oder Kompression des Datenstroms von Eingangsbildsignalen Sn zu finden, bei welcher das Signalrauschen der Zielrepräsentation bzw. der Ausgangsbildsignale Sm (mit einer zweiten Bittiefe m) mit einem Signalrauschen von ΔSm konstant ist.Since it is the signal noise ΔS that limits the dynamics of the signal representation S or S n (with a first bit depth n), it is advantageous to find a transformation and/or compression of the data stream of input image signals S n in which the signal noise of the Target representation or the output image signals S m (with a second bit depth m) with a signal noise of ΔS m is constant.
Die folgenden Erläuterungen beschreiben eine Zielrepräsentation S8Bit mit einer Bittiefe m von 8 Bit. Das Verfahren ist jedoch entsprechend auch auf andere Bittiefen bzw. Samplingtiefen m der Zielrepräsentation Sm anwendbar. Die Konstante 255 wird dann allgemein durch 2m-1 ersetzt, woraus ΔSm bzw. Sm als Ergebnis resultiert.The following explanations describe a target representation S 8 bits with a bit depth m of 8 bits. However, the method can also be used accordingly for other bit depths or sampling depths m of the target representation S m . The constant 255 is then generally replaced by 2 m-1 , resulting in ΔS m or S m as a result.
Die Übertragungsfunktion ist derart ausgelegt, dass in dem Datenstrom von Ausgangsbildsignalen Sm der Rauschanteil R wenigstens annähernd konstant ist. Die Transformation und/oder die Kompression kann wenigstens teilweise oder komplett umkehrbar sein.The transfer function is designed in such a way that the noise component R is at least approximately constant in the data stream of output video signals S m . The transformation and/or the compression can be at least partially or completely reversible.
In vorteilhafter Weise kann die Übertragungsfunktion, z.B. auf der Signalverarbeitungseinheit, als Look-Up-Tabelle ausgeführt sein.The transfer function can advantageously be implemented as a look-up table, e.g. on the signal processing unit.
In einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel kann die Übertragungsfunktion wenigstens eine Wurzelfunktion, insbesondere eine Quadratwurzelfunktion, umfassen, bei welcher der Radikand wenigstens durch das Eingangssignal Sn und den Rauschanteil R gebildet wird.In an example that does not belong to the invention, the transfer function can include at least one root function, in particular a square root function, in which the radicand is formed at least by the input signal S n and the noise component R.
Die Übertragungsfunktion kann sich somit allgemein zu
Die Wurzelübertragungsfunktion kann wie folgt ermittelt werden.The root transfer function can be found as follows.
Bei der Annahme eines konstanten Rauschens in den Ausgangsbildsignalen Sm bzw. S8Bit ergibt sich:
Die Konstante const. ist abhängig vom maximalen Eingangsbildsignal Snmax, sowie von dem unabhängigen Rauschanteil R und berechnet sich sonach wie folgt:
Hiernach transformiert sich das Ladungssignal (Zahl der Ladungselektronen e-) S in ein 8 Bit-Signal S8Bit entsprechend:
Hierin wird das Fotoladungssignal S repräsentiert durch:
In
Die zur Darstellung eventuell benötigte Umkehrfunktion zur Wurzelübertragungsfunktion leitet sich entsprechend vom 8-Bit-Ausgangsbildsignal S8Bit wie folgt ab: (6)
In
Erfindungsgemäß kann die Übertragungsfunktion in einer Ausführungsform wenigstens eine Logarithmusfunktion umfassen, bei welcher ein Logarithmus wenigstens des Eingangssignals Sn und des Rauschanteils R gebildet wird. Die Übertragungsfunktion kann sich dabei allgemein zu
Eine logarithmische Übertragungsfunktion mit einem Justierparameter α = 1 ist in
Die 8-Bit-Signalrepräsentation ergibt sich dann entsprechend zu
Wie vorstehend bereits ausgeführt, kann der Justierparameter α zur Anpassung an weitere Systemeigenschaften verwendet werden.As already explained above, the adjustment parameter α can be used to adapt to other system properties.
Das Signalrauschen ergibt sich in diesem Fall zu
In
Wenn das Eingangsbildsignal Sn zusätzlich zu dem Rauschanteil R einen proportionalen statistischen Rauschanteil oder Rauschterm aufweist, kann die Übertragungsfunktion erfindungsgemäß in einer alternativen Ausführungsform wenigstens eine Area-Kosinus-Hyperbolicus-Funktion des Eingangsbildsignals Sn, des Rauschanteils R und des proportionalen statistischen Rauschanteils umfassen.If the input image signal S n has a proportional statistical noise component or noise term in addition to the noise component R, the transfer function can, according to the invention in an alternative embodiment, comprise at least one area hyperbolic cosine function of the input image signal S n , the noise component R and the proportional statistical noise component.
Dabei ergibt sich die Übertragungsfunktion allgemein zu
Der Bruchteil αi kann in der Größenordnung von 0,5 bis 2 % liegen. Führt man den Bruchteil αi in die Formel für das Rauschen ΔS ein, erhält man
Geht man nun wie bei der Wurzelübertragungsfunktion vor, so sucht man eine 8-Bit-Repräsentation S8Bit des Signals S, mit der sich die Bedingung erfüllen lässt, dass die Varianz ΔS8Bit des 8-Bit-Ausgangssignals S8Bit für alle Werte von S konstant ist. Dies ist äquivalent zu der folgenden Bedingung:
Diese Differentialgleichung wird durch eine Area-Kosinus-Funktion gelöst (die Inverse des hyperbolischen Kosinus):
Die Konstante c0 = ΔS8Bit ist bestimmt durch die Bedingung S8Bit (Qmax) = Snmax = 255, und zwar
Die Umkehrfunktion dazu ist gegeben durch
Beispielhaft für einen statistischen Rauschterm αi von 0,5 % zeigt
Weiterhin wird ein Verfahren zur Kontrastanhebung eines Datenstroms von Eingangsbildsignalen mit einer Eingangsbittiefe, welcher in einen Datenstrom von Ausgangsbildsignalen mit einer Ausgangsbittiefe übertragen wird, vorgeschlagen, wobei:
- a) eine verlustarme Transformation und/oder Kompression des Datenstroms von Eingangsbildsignalen mit der Eingangsbittiefe als erster Bittiefe in einen Datenstrom von Zwischenbildsignalen mit der Eingangsbittiefe als zweiter Bittiefe mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression durchgeführt wird, wonach
- b) eine Kontrastanhebung in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen erfolgt, und wonach
- c) in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen eine Anzahl, insbesondere der untersten, Bits der Zwischenbildsignale derart entfernt wird, dass ein Datenstrom von Ausgangsbildsignalen mit der Ausgangsbittiefe m erhalten wird.
- a) a low-loss transformation and/or compression of the data stream of input image signals with the input bit depth as the first bit depth into a data stream of intermediate image signals with the input bit depth as the second bit depth is carried out using a method for low-loss transformation and/or compression according to the invention, after which
- b) contrast is increased in the data stream of intermediate image signals, and after that
- c) in the data stream of intermediate image signals, a number, in particular the lowest, bits of the intermediate image signals are removed in such a way that a data stream of output image signals with the output bit depth m is obtained.
In Schritt c) kann sich die Anzahl der zu entfernenden Bits aus der Differenz zwischen der Bitanzahl der Eingangsbittiefe und der Bitanzahl der Ausgangsbittiefe ergeben.In step c), the number of bits to be removed can result from the difference between the number of bits in the input bit depth and the number of bits in the output bit depth.
Bei kontrastarmen Bildern werden oft Histogrammausgleichsfunktionen oder Kontrastanhebungen verwendet. Da die beschriebenen Verfahren jedoch das Signalrauschen (bei der Aufnahme) berücksichtigen, ist es vorteilhaft, derartige Korrekturen nicht vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur verlustarmen Transformation und/oder Kompression, beispielsweise mittels der Wurzelübertragungsfunktion, durchzuführen. Beispielsweise können zusätzliche Anhebungsmethoden auf Bilder geringen Kontrasts angewendet werden, nachdem die Wurzelübertragungsfunktion angewendet wurde.Histogram equalization functions or contrast enhancements are often used for low-contrast images. However, since the methods described take into account the signal noise (during recording), it is advantageous not to carry out such corrections before using the method according to the invention for low-loss transformation and/or compression, for example using the root transfer function. For example, additional enhancement methods can be applied to low-contrast images after the square root transfer function has been applied.
Ein kontrastverstärktes Signal SCE ist durch die Formel
wobei L + 1 = 2n die Zahl der möglichen Grauwerte eines Eingangsbildsignals SL ist, das seinerseits die n-Bit-Repräsentation eines Ladungssignals S bezeichnet, eventuell nach einer Transformation wie etwa mittels der Wurzelübertragungsfunktion. Lmin bzw. Lmax bezeichnen die Anzahl des niedrigsten bzw. höchsten Histogrammwerts, dessen Vorkommen von 0 verschieden ist.A contrast-enhanced signal S CE is given by the formula
where L + 1 = 2 n is the number of possible gray values of an input image signal SL, which in turn denotes the n-bit representation of a charge signal S, possibly after a transformation such as by means of the root transfer function. L min and L max denote the number of the lowest and highest histogram value whose occurrence is different from 0.
Die Varianz ΔSCE des kontrastverstärkten Signals SCE ist:
Im Falle, dass SL die direkte lineare kontrastverstärkte n-Bit-Repräsentation darstellt, ist die Varianz ΔSL von SL gegeben durch:
Im Falle, dass SL die n-Bit-Repräsentation nach Anwendung der Transformation mit der Wurzelübertragungsfunktion darstellt, ist die Varianz von SL gegeben durch
Mit der vorstehend genannten Gleichung (19) erhält man für die jeweiligen Varianzen des kontrastverstärkten Signals:
In beiden Fällen wird, sofern eine Kontrastanhebung möglich ist, das heißt, wenn Lmax + Lmin < L ist, die Varianz mit demselben Verstärkungsfaktor multipliziert wie das Signal selbst. Deshalb sind die niedrigen Bits, die man beim Komprimieren entfernen will, in der Tat hinsichtlich der Varianz weniger signifikant als ohne Kontrastanhebung. Die Transformation mittels einer Wurzelübertragungsfunktion mit konstanter Varianz ist für die verlustarme Kompression sehr gut geeignet.In both cases, if contrast enhancement is possible, that is, if L max + L min < L, the variance is multiplied by the same gain factor as the signal itself. Therefore, the low bits that one wants to remove when compressing are in the Tat was less significant in terms of variance than without contrast enhancement. The transformation using a root transfer function with constant variance is very well suited for low-loss compression.
Das Signal nach dem Histogrammausgleich SHE ist gegeben durch die Formel
Bezeichnet man mit H das Histogramm, erhält man für die Varianz ΔSHE des Signals SHE nach dem Histogrammausgleich:
Bei konstantem Histogramm H innerhalb der Grenzen des Auftretens Lmax und Lmin reduziert sich die Formel zu der Formel für die direkte Kontrastanhebung (19). Im allgemeinen Fall jedoch variiert H innerhalb dieser Grenzen und damit wird auch der Varianzmultiplikator von ΔSL um einen konstanten Wert schwanken, was für eine bestimmte Zahl von SL-Werten ein schlechteres Verhalten in Bezug auf die verlustarme Kompression bedeutet. Daher scheint es im Sinne der verlustarmen Kompression sehr vorteilhaft zu sein, eine n-zu-n-Bittransformation mit einer Wurzelübertragungsfunktion auf die volle n-Bitrepräsentation des Signals anzuwenden, danach eine direkte Kontrastanhebung durchzuführen und erst danach die unteren (n - m) Bits (Eingangsbittiefe - Ausgangsbittiefe) abzuschneiden.With a constant histogram H within the limits of occurrence L max and L min , the formula is reduced to the formula for direct contrast enhancement (19). In the general case, however, H varies within these limits and hence the variance multiplier of ΔS L will also vary around a constant value, which means worse low-loss compression performance for a certain number of SL values. Therefore, in terms of low-loss compression, it seems to be very advantageous to apply an n-to-n-bit transformation with a square root transfer function to the full n-bit representation of the signal, then perform a direct contrast enhancement and only then the lower (n - m) bits (input bit depth - output bit depth).
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