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 US 4 458 267 A betrifft ein digitales Röntgensystem.the U.S. 4,458,267 A relates to a digital X-ray system.

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 Δ S = S + R 2 ,

Figure DE102014113520B4_0001
wobei R ein Rauschanteil ist. Der Rauschanteil kann ein Ausleserauschen oder Elektronenrauschen sein. Er kann auch als nRMS e- bezeichnet werden. Das Signalrauschen ΔS, das bei der Aufnahme von Bildern entsteht, ist von der Helligkeit jedes Bildpunkts abhängig. Dunkle Bildpunkte bzw. Pixel besitzen deutlich weniger Signalrauschen ΔS als helle Bildpunkte. Wie aus 1 ersichtlich, besteht das Signalrauschen ΔS im Wesentlichen aus der Quadratwurzel des Signals (Helligkeit des Bildpunkts) selbst. In 1 ist auf der horizontalen Achse (Abszisse) das Bildsignal S und auf der vertikalen Achse (Ordinate) das Signalrauschen ΔS aufgetragen.For example, an image signal S (with negligible so-called dark current noise) has the noise or the signal noise Δ S = S + R 2 ,
Figure DE102014113520B4_0001
where R is a noise component. The noise component can be read noise or electron noise. It can also be denoted as n RMS e- . The signal noise ΔS that occurs when taking pictures depends on the brightness of each pixel. Dark picture elements or pixels have significantly less signal noise ΔS than bright picture elements. How out 1 As can be seen, the signal noise ΔS essentially consists of the square root of the signal (brightness of the pixel) itself. In 1 the image signal S is plotted on the horizontal axis (abscissa) and the signal noise ΔS is plotted on the vertical axis (ordinate).

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 2 ist ein Signalrauschen ΔS bei Bildsignalen S mit einem Offset dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich, beginnt somit die Kurve nicht bei einem Eingangssignal von 0. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise auch auf derartige Offset-behaftete Signale angewendet werden. Die Kompressionswirkung kann hierbei abhängig vom Offset jedoch unterschiedlich hoch sein.Advantageously, only the signal noise ΔS is impaired during the transformation and/or compression. Although you no longer get a bit-identical image, but since the changes only affect the noise, the essential information in the image is retained even after the transformation or compression. In the case of image signals, brighter areas have higher signal noise and are therefore coded differently than dark areas. The noise component R, which is independent of the image brightness, in particular the readout noise or the electron noise, becomes more important when considering the noise in the case of dark pixels, while it does not make any significant contributions in the case of bright pixels. The signal noise ΔS also scales with the square root of the signal S in thermal images. However, thermal images are characterized by a clear background. In 2 a signal noise ΔS is shown for image signals S with an offset. How out 2 As can be seen, the curve does not begin with an input signal of 0. The method according to the invention can advantageously also be applied to such offset-prone signals. However, depending on the offset, the compression effect can vary in magnitude.

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 S m = ( 2 m 1 ) S n + R 2 R S nmax + R 2 R

Figure DE102014113520B4_0002
ergeben, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal und R der Rauschanteil sein kann.In an example not belonging to the invention, the transfer function can change to S m = ( 2 m 1 ) S n + R 2 R S n max + R 2 R
Figure DE102014113520B4_0002
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax can be a maximum input signal and R can be the noise component.

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 S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + α S n R ) ln ( 1 + α S n max R )

Figure DE102014113520B4_0003
ergeben, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, α ein Justierparameter zur Anpassung an weitere Systemeigenschaften und R der Rauschanteil sein kann.The transfer function can change S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + a S n R ) ln ( 1 + a S n max R )
Figure DE102014113520B4_0003
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α can be an adjustment parameter for adapting to other system properties and R can be the noise component.

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 S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 α i 2 S n + ( 1 + 2 α i 2 S n ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ln | 1 + 2 α i 2 S n max + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R |  

Figure DE102014113520B4_0004
ergeben, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, αi ein Bruchteil für den proportionalen statistischen Rauschanteil und R der Rauschanteil sein kann.The transfer function can change S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 a i 2 S n + ( 1 + 2 a i 2 S n ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ln | 1 + 2 a i 2 S n max + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R |
Figure DE102014113520B4_0004
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α i is a fraction for the proportional statistical noise component, and R is the noise component.

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:

  1. 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
  2. b) eine Kontrastanhebung in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen erfolgt, und wonach
  3. 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.
Claim 7 relates to a method for increasing the contrast of a data stream of input image signals with an input bit depth, which is transmitted in a data stream of output image signals with an output bit depth, wherein:
  1. 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
  2. b) contrast is increased in the data stream of intermediate image signals, and after that
  3. 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:

  • 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 mit einem Rauschterm von 0,5 %; und
  • 9 ein vereinfachtes Diagramm einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle für eine Area-Kosinus-Übertragungsfunktion mit einem Rauschterm von 2 %.
Show it:
  • 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 Δ S = S + R 2 .

Figure DE102014113520B4_0005
Dieses Signalrauschen ΔS, das bei der Aufnahme von Bildern entsteht, ist abhängig von der Helligkeit jedes Bildpunkts bzw. Pixels. Dunkle Pixel besitzen deutlich weniger Rauschen als helle Pixel. Im Wesentlichen besteht das Signalrauschen ΔS aus der Quadratwurzel des Signals S (Helligkeit des jeweiligen Pixels) selbst. Ein von der Bildhelligkeit unabhängiger Rauschanteil R, welcher beispielsweise das Ausleserauschen oder das Elektronenrauschen der CCD-Elemente der Bildsensoren (thermisch, visuell oder dergleichen) sein kann, gewinnt bei dunklen Pixeln bei der Betrachtung des Signalrauschens an Bedeutung, während er bei hellen Pixeln weniger in Erscheinung tritt. Der Rauschanteil R kann auch als nRMS e- bezeichnet werden, wobei mit e- die Ladungselektronen bezeichnet werden.In general, the signal S has signal noise Δ S = S + R 2 .
Figure DE102014113520B4_0005
This signal noise ΔS, which occurs when taking pictures, depends on the brightness of each picture element or pixel. Dark pixels have significantly less noise than bright pixels. The signal noise ΔS essentially consists of the square root of the signal S (brightness of the respective pixel) itself. A noise component R that is independent of the image brightness, which can be, for example, the readout noise or the electron noise of the CCD elements of the image sensors (thermal, visual or similar). , becomes more important when considering signal noise for dark pixels, while it becomes less apparent for bright pixels. The noise component R can also be denoted as n RMS e- , where e- denotes the charge electrons.

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 S m = ( 2 m 1 ) S n + R 2 R S nmax + R 2 R

Figure DE102014113520B4_0006
ergeben. Dabei ist Sm das Ausgangsbildsignal, Sn das Eingangsbildsignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe und R der Rauschanteil. Snmax stellt das maximale Eingangsbildsignal dar und kann mit der maximalen Ladungskapazität eines CCD-Elements, zum Beispiel in Höhe von 20.000 Elektronen (vorliegend mit e- bezeichnet) gleichgestellt werden. Der Rauschanteil R bzw. das Ausleserauschen des CCD-Elements kann zum Beispiel 20 Elektronen (e-) umfassen. Die vorstehend genannten Werte stellen typische Parameter eines CCD-Sensors dar. Andere Sensorarten (zum Beispiel CMOS usw.) können andere Parameter aufweisen. Der funktionelle Zusammenhang ist jedoch im Wesentlichen gleich.The transfer function can thus be general S m = ( 2 m 1 ) S n + R 2 R S n max + R 2 R
Figure DE102014113520B4_0006
result. In this case, S m is the output image signal, S n is the input image signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth and R is the noise component. S nmax represents the maximum input image signal and can be equated with the maximum charge capacity of a CCD element, for example equal to 20,000 electrons (denoted here by e - ). The noise component R or the readout noise of the CCD element can, for example, comprise 20 electrons (e - ). The above values represent typical parameters of a CCD sensor. Other sensor types (e.g. CMOS, etc.) may have other parameters. However, the functional relationship is essentially the same.

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: Δ S 8 Bit = dS 8 Bit dS Δ S = dS 8 Bit dS S + R 2 = const .,

Figure DE102014113520B4_0007
was sich lösen lässt durch S 8 Bit = 2 const . ( S + R 2 R ) ,
Figure DE102014113520B4_0008
wobei die Integrationskonstante so gewählt wurde, dass S = 0 <=> S8BR = 0.Assuming constant noise in the output image signals S m or S 8Bit , the result is: Δ S 8th bit = dS 8th bit dS Δ S = dS 8th bit dS S + R 2 = const .,
Figure DE102014113520B4_0007
what can be solved by S 8th bit = 2 const . ( S + R 2 R ) ,
Figure DE102014113520B4_0008
where the constant of integration was chosen such that S = 0 <=> S 8BR = 0.

Die Konstante const. ist abhängig vom maximalen Eingangsbildsignal Snmax, sowie von dem unabhängigen Rauschanteil R und berechnet sich sonach wie folgt: Δ S 8 Bit = const . = 255 / 2 S nmax + R 2 R .

Figure DE102014113520B4_0009
The constant const. depends on the maximum input image signal S nmax , as well as on the independent noise component R and is calculated as follows: Δ S 8th bit = const . = 255 / 2 S n max + R 2 R .
Figure DE102014113520B4_0009

Hiernach transformiert sich das Ladungssignal (Zahl der Ladungselektronen e-) S in ein 8 Bit-Signal S8Bit entsprechend: S 8 Bit = 255 S + R 2 S nmax + R 2 R .

Figure DE102014113520B4_0010
The charge signal (number of charge electrons e - ) S is then transformed into an 8-bit signal S 8Bit accordingly: S 8th bit = 255 S + R 2 S n max + R 2 R .
Figure DE102014113520B4_0010

Hierin wird das Fotoladungssignal S repräsentiert durch: S = S nmax 2 n 1 S n .

Figure DE102014113520B4_0011
Here, the photocharge signal S is represented by: S = S n max 2 n 1 S n .
Figure DE102014113520B4_0011

In 3 ist eine Wurzelübertragungsfunktion dargestellt. Dabei ist auf der horizontalen Achse (Abszisse) das Eingangsbildsignal S12Bit aufgetragen. Auf der vertikalen Achse (Ordinate) ist das Ausgangsbildsignal S8Bit aufgetragen.In 3 a square root transfer function is shown. The input image signal S 12 bit is entered on the horizontal axis (abscissa). The output image signal S 8-bit is plotted on the vertical axis (ordinate).

Die zur Darstellung eventuell benötigte Umkehrfunktion zur Wurzelübertragungsfunktion leitet sich entsprechend vom 8-Bit-Ausgangsbildsignal S8Bit wie folgt ab: (6) S = [ S 8 Bit 255 ( S n max + R 2 R ) + R 2 ] 2 R 2 .

Figure DE102014113520B4_0012
The inverse function for the square root transfer function that may be required for display is derived from the 8-bit output image signal S 8Bit as follows: (6) S = [ S 8th bit 255 ( S n max + R 2 R ) + R 2 ] 2 R 2 .
Figure DE102014113520B4_0012

In 4 ist beispielhaft die Anwendung der Wurzelübertragungsfunktion in Form einer Look-Up-Tabelle dargestellt. Wie aus 4 ersichtlich, ist das 1-Bit-Differenzsignal unabhängig von der Signalhöhe nur geringfügig größer als das Signalrauschen. Das heißt, dass die Transformation nahezu dynamikerhaltend ist. In 4 ist auf der Abszissenachse das 12-Bit-Eingangsbildsignal S12Bit aufgetragen. Die linke Ordinatenachse zeigt das 8-Bit-Ausgangsbildsignal S8Bit und die rechte Ordinatenachse das Signalrauschen.In 4 the application of the root transfer function is shown as an example in the form of a look-up table. How out 4 As can be seen, the 1-bit difference signal is independent of the signal level only slightly larger than the signal noise. This means that the transformation is almost dynamic. In 4 the 12-bit input image signal S 12Bit is plotted on the abscissa axis. The left ordinate shows the 8-bit output image signal S 8Bit and the right ordinate shows the signal noise.

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 S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + α S n R ) ln ( 1 + α S n max R )

Figure DE102014113520B4_0013
ergeben, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, α ein Justierparameter zur Anpassung an weitere Systemeigenschaften und R der Rauschanteil sein kann.According to the invention, in one embodiment, the transfer function can comprise at least one logarithm function, in which a logarithm of at least the input signal S n and the noise component R is formed. The transfer function can be general S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + a S n R ) ln ( 1 + a S n max R )
Figure DE102014113520B4_0013
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α can be an adjustment parameter for adapting to other system properties and R can be the noise component.

Eine logarithmische Übertragungsfunktion mit einem Justierparameter α = 1 ist in 5 gezeigt. Dabei ist wiederum auf der Abszissenachse das Eingangsbildsignal S12Bit und auf der Ordinatenachse das Ausgangsbildsignal S8Bit aufgetragen.A logarithmic transfer function with an adjustment parameter α = 1 is in 5 shown. In this case, the input image signal S 12 bits is again plotted on the abscissa axis and the output image signal S 8 bits is plotted on the ordinate axis.

Die 8-Bit-Signalrepräsentation ergibt sich dann entsprechend zu S 8 Bit = 255 ln ( 1 + α S R ) ln ( 1 + α S n max R ) .

Figure DE102014113520B4_0014
The 8-bit signal representation then results accordingly S 8th bit = 255 ln ( 1 + a S R ) ln ( 1 + a S n max R ) .
Figure DE102014113520B4_0014

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 Δ S 8 Bit = 255 ln ( 1 + α S n max R ) S + R 2 S + R α .

Figure DE102014113520B4_0015
In this case, the signal noise results in Δ S 8th bit = 255 ln ( 1 + a S n max R ) S + R 2 S + R a .
Figure DE102014113520B4_0015

6 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem 12-Bit-Eingangsbildsignal S12Bit und dem Signalrauschen ΔS für fünf unterschiedliche Justierparameter α, nämlich 0,0025, 0,5, 1, 2 und 4. Das Gesamtrauschen wird bei einem kleinen Eingangsbildsignal annähernd vollständig durch das - konstante - Ausleserauschen bestimmt, was in der gewählten Funktion sehr deutlich erkennbar ist, während für größere Eingangsbildsignale das Gesamtrauschen von der Wurzel aus dem Eingangsbildsignal dominiert wird und der Einfluss des Ausleserauschens immer schwächer wird. Das sogenannte Dunkelstromrauschen ist im Allgemeinen ohne Bedeutung und kann vorliegend vernachlässigt werden. Wie weiter aus 6 ersichtlich, beginnt das Rauschen bei relativ großen Bitwerten bei einem kleinen Eingangsbildsignal S12Bit und fällt bei mittlerer Helligkeit rasch unter die 1-Bit-Grenze, um schließlich im Bereich großer Helligkeit einen Bruchteil eines Bits (etwa 15 % bei einem Justierparameter von α = 1) zu erreichen. Dies bedeutet, dass bei Helligkeit ein Bit des 8-Bit-Ausgangsbildsignals S8Bit eine wesentlich größere Differenz im Originalsignal repräsentiert als das Rauschäquivalent und damit ist das mögliche Signal-Rauschverhältnis spürbar reduziert. Dies lässt sich auch erkennen, wenn man die Umkehrfunktion S= R α [ ( 1 + α S n max R ) S 8 Bit 255 1 ]

Figure DE102014113520B4_0016
und die Ableitung dS dS 8 Bit = R 255 α ( 1 + α S n max R ) S 8 Bit 255 ln ( 1 + α S n max R )   = S + R α 255 ln ( 1 + α S n max R )
Figure DE102014113520B4_0017
betrachtet. 6 shows the dependency between the 12-bit input image signal S 12Bit and the signal noise ΔS for five different adjustment parameters α, namely 0.0025, 0.5, 1, 2 and 4 - Readout noise determines what can be seen very clearly in the selected function, while for larger input image signals the total noise is dominated by the square root of the input image signal and the influence of the readout noise becomes weaker and weaker. The so-called dark current noise is generally irrelevant and can be neglected in the present case. How further from 6 As can be seen, the noise begins with relatively large bit values with a small input image signal S 12 bits and falls quickly below the 1-bit limit at medium brightness, finally becoming a fraction of a bit in the high brightness range (about 15% with an adjustment parameter of α = 1 ) to reach. This means that in the case of brightness, one bit of the 8-bit output image signal S 8Bit represents a significantly greater difference in the original signal than the noise equivalent, and the possible signal-to-noise ratio is thus noticeably reduced. This can also be seen by looking at the inverse function S= R a [ ( 1 + a S n max R ) S 8th bit 255 1 ]
Figure DE102014113520B4_0016
and the derivation dS dS 8th bit = R 255 a ( 1 + a S n max R ) S 8th bit 255 ln ( 1 + a S n max R ) = S + R a 255 ln ( 1 + a S n max R )
Figure DE102014113520B4_0017
considered.

In 7 ist eine beispielhafte Realisierung einer Look-Up-Tabelle für eine logarithmische Übertragungsfunktion mit einem Eingangsbildsignal S12Bit der Bittiefe 12 Bit und einem Ausgangsbildsignal S8Bit von 8 Bit gezeigt. Dabei werden wiederum unterschiedliche Justierparameter α von 0,025, 0,5, 1, 2, und 4 angenommen. Auf der Abszissenachse ist das 12-Bit-Eingangsbildsignal S12Bit und auf der Ordinatenachse das 8-Bit-Ausgangsbildsignal S8Bit aufgetragen. Die logarithmische Funktion erscheint zur Reduktion der Anzahl der Quantisierungsstufen geeignet, da sie die Kontrastverhältnisse oder Modulationsverhältnisse unabhängig vom Wert der Hintergrundstrahlung annähernd erhält. Die Konstanz der Rauschrepräsentation ist jedoch bei einer Wurzelfunktion als Übertragungsfunktion besser gewährleistet. Falls bei einer logarithmischen Übertragungsfunktion ein sehr kleiner Justierparameter, etwa α = 0,0025, verwendet wird, lässt sich allerdings ein der Wurzelübertragungsfunktion ähnliches Resultat erzielen.In 7 1 shows an exemplary implementation of a look-up table for a logarithmic transfer function with an input image signal S 12 bits with a bit depth of 12 bits and an output image signal S 8 bits with 8 bits. Again, different adjustment parameters α of 0.025, 0.5, 1, 2 and 4 are assumed. The 12-bit input image signal S 12Bit is plotted on the abscissa axis and the 8-bit output image signal S 8Bit is plotted on the ordinate axis. The logarithmic function appears suitable for reducing the number of quantization levels since it approximately preserves the contrast ratios or modulation ratios regardless of the background radiation level. However, the constancy of the noise representation is better guaranteed with a root function as the transfer function. However, if a very small adjustment parameter, such as α = 0.0025, is used for a logarithmic transfer function, a result similar to the root transfer function can be achieved.

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 S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 α i 2 S n + ( 1 + 2 α i 2 S n ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ln | 1 + 2 α i 2 S n max + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ,

Figure DE102014113520B4_0018
wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, αi ein Bruchteil für den proportionalen statistischen Rauschanteil und R der Rauschanteil sein kann.The general transfer function is: S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 a i 2 S n + ( 1 + 2 a i 2 S n ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ln | 1 + 2 a i 2 S n max + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ,
Figure DE102014113520B4_0018
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α i is a fraction for the proportional statistical noise component, and R is the noise component.

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 Δ S = S + R 2 + ( α i S ) 2 .

Figure DE102014113520B4_0019
The fraction α i can be of the order of 0.5 to 2%. If you introduce the fraction α i into the formula for the noise ΔS, you get: Δ S = S + R 2 + ( a i S ) 2 .
Figure DE102014113520B4_0019

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: Δ S 8 Bit = dS 8 Bit dS Δ S= dS 8 Bit dS S + R 2 + ( α i S ) 2 = const . = : c 0 .

Figure DE102014113520B4_0020
If one now proceeds as with the root transfer function, one looks for an 8-bit representation S 8Bit of the signal S, with which the condition can be fulfilled that the variance ΔS 8Bit of the 8-bit output signal S 8Bit for all values of S is constant. This is equivalent to the following condition: Δ S 8th bit = dS 8th bit dS Δ S= dS 8th bit dS S + R 2 + ( a i S ) 2 = const . = : c 0 .
Figure DE102014113520B4_0020

Diese Differentialgleichung wird durch eine Area-Kosinus-Funktion gelöst (die Inverse des hyperbolischen Kosinus): Δ S 8 Bit = c 0 α i ln | 1 + 2 α i 2 S + ( 1 + 2 α i 2 S ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ,

Figure DE102014113520B4_0021
worin wiederum die Integrationskonstante derart gewählt ist, dass S = 0 <=> S8Bit = 0.This differential equation is solved by an area cosine function (the inverse of the hyperbolic cosine): Δ S 8th bit = c 0 a i ln | 1 + 2 a i 2 S + ( 1 + 2 a i 2 S ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ,
Figure DE102014113520B4_0021
where in turn the constant of integration is chosen such that S = 0 <=> S 8Bit = 0.

Die Konstante c0 = ΔS8Bit ist bestimmt durch die Bedingung S8Bit (Qmax) = Snmax = 255, und zwar c 0 = Δ S 8 Bit = 255 α ln | 1 + 2 α i 2 S n max + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R |

Figure DE102014113520B4_0022
und folglich S 8 Bit ( S ) = 255 ln | 1 + 2 α i 2 S + ( 1 + 2 α i 2 S ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ln | 1 + 2 α i 2 S n max + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | .
Figure DE102014113520B4_0023
The constant c 0 = ΔS 8bits is determined by the condition S 8bits (Qmax) = S nmax = 255, viz c 0 = Δ S 8th bit = 255 a ln | 1 + 2 a i 2 S n max + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R |
Figure DE102014113520B4_0022
and consequently S 8th bit ( S ) = 255 ln | 1 + 2 a i 2 S + ( 1 + 2 a i 2 S ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ln | 1 + 2 a i 2 S n max + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | .
Figure DE102014113520B4_0023

Die Umkehrfunktion dazu ist gegeben durch S ( S 8 Bit ) = A arccos h ( B + C S 8 Bit / 255 ) 1 2 α i 2   = A ln | B + C S 8 Bit / 255 + ( B + C S 8 Bit / 255 ) 2 1 | 1 2 α i 2

Figure DE102014113520B4_0024
mit den Abkürzungen: A = 1 4 α i R 2 2 , C = arccosh 1 A = ln | 1 / A + 1 / A 2 1 ) |  und B = arccosh 1 + 2 α i 2 S n max A C = ln | ( 1 + 2 α i 2 S n max ) / A + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) / A 2 1 ) | C .
Figure DE102014113520B4_0025
The inverse function is given by S ( S 8th bit ) = A arccos h ( B + C S 8th bit / 255 ) 1 2 a i 2 = A ln | B + C S 8th bit / 255 + ( B + C S 8th bit / 255 ) 2 1 | 1 2 a i 2
Figure DE102014113520B4_0024
with the abbreviations: A = 1 4 a i R 2 2 , C = arccosh 1 A = ln | 1 / A + 1 / A 2 1 ) | and B = arccosh 1 + 2 a i 2 S n max A C = ln | ( 1 + 2 a i 2 S n max ) / A + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) / A 2 1 ) | C .
Figure DE102014113520B4_0025

Beispielhaft für einen statistischen Rauschterm αi von 0,5 % zeigt 8 die Realisierung einer 12-Bit-zu-8-Bit-Look-Up-Tabelle mit dem Area-Kosinus-Gesetz. Analog ist in 9 eine derartige Realisierung für einen statistischen Rauschterm αi von 2 % gezeigt. In 8 zeigt die untere horizontale Achse eine Fotoladung mit einer Anzahl an Elektronen e- und die obere horizontale Achse das 12-Bit-Eingangsbildsignal S12Bit. Auf der linken Ordinatenachse ist das 8-Bit-Ausgangsbildsignal S8Bit und auf der rechten Ordinatenachse das Signalrauschen des 8-Bit-Ausgangsbildsignals S8Bit aufgetragen. Wie vorstehend erwähnt, sind in 9 dieselben Größen für einen Rauschterm αi von 2 % aufgetragen. Ein sogenanntes Fixed-Pattern-Rauschen stellt im Prinzip einen vorstehend erwähnten statistischen Rauschterm dar. Dieser lässt sich jedoch nachträglich, das heißt nach der Kompression oder Transformation eliminieren, falls die durch das Fixed-Pattern-Rauschen entstehende Inhomogenität zu irgendeinem Zeitpunkt bekannt ist. Dies kann zum Beispiel durch eine Mittelung über mehrere Bilder unterschiedlichen Bildinhalts erfolgen.As an example for a statistical noise term α i of 0.5% 8th the realization of a 12-bit to 8-bit look-up table using the area cosine law. Analog is in 9 such a realization for a statistical noise term α i of 2% is shown. In 8th the lower horizontal axis shows a photocharge with a number of electrons e - and the upper horizontal axis shows the 12-bit input image signal S 12Bit . The 8-bit output image signal S 8Bit is plotted on the left-hand ordinate axis and the signal noise of the 8-bit output image signal S 8Bit is plotted on the right-hand ordinate axis. As mentioned above, in 9 the same values are plotted for a noise term α i of 2%. A so-called fixed-pattern noise basically represents a statistical noise term mentioned above. However, this can be eliminated afterwards, ie after the compression or transformation, if the inhomogeneity caused by the fixed-pattern noise is known at any time. This can be done, for example, by averaging over a number of images with different image content.

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:

  1. 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
  2. b) eine Kontrastanhebung in dem Datenstrom von Zwischenbildsignalen erfolgt, und wonach
  3. 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.
Furthermore, a method for increasing the contrast of a data stream of input image signals with an input bit depth, which is transmitted in a data stream of output image signals with an output bit depth, is proposed, wherein:
  1. 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
  2. b) contrast is increased in the data stream of intermediate image signals, and after that
  3. 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 S CE ( S L ) L S L L min L max L min

Figure DE102014113520B4_0026
gegeben,
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 S CE ( S L ) L S L L at least L Max L at least
Figure DE102014113520B4_0026
given,
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: Δ S CE ( S L ) = L L max L min Δ S L

Figure DE102014113520B4_0027
The variance ΔS CE of the contrast-enhanced signal S CE is: Δ S CE ( S L ) = L L Max L at least Δ S L
Figure DE102014113520B4_0027

Im Falle, dass SL die direkte lineare kontrastverstärkte n-Bit-Repräsentation darstellt, ist die Varianz ΔSL von SL gegeben durch: Δ S L = L S nmax S + R 2

Figure DE102014113520B4_0028
und variiert beispielsweise von 0,1 % von L (S = 0) bis 0,7 % von L (S = Smax) für Qmax = 20.000 e- (Elektronen), R = 20 e-, n = 12.In case S L represents the direct linear contrast-enhanced n-bit representation, the variance ΔS L of S L is given by: Δ S L = L S n max S + R 2
Figure DE102014113520B4_0028
and varies, for example, from 0.1% of L (S = 0) to 0.7% of L (S = S max ) for Q max = 20,000 e- (electrons), R = 20 e-, n = 12.

Im Falle, dass SL die n-Bit-Repräsentation nach Anwendung der Transformation mit der Wurzelübertragungsfunktion darstellt, ist die Varianz von SL gegeben durch Δ S L = L 2 S nmax + R 2

Figure DE102014113520B4_0029
und hat im Beispiel unabhängig von S den konstanten Werten 0,4 % von L.In case SL is the n-bit representation after applying the transform with the root transfer function, the variance of SL is given by Δ S L = L 2 S n max + R 2
Figure DE102014113520B4_0029
and in the example has the constant value 0.4% of L independently of S.

Mit der vorstehend genannten Gleichung (19) erhält man für die jeweiligen Varianzen des kontrastverstärkten Signals: Δ S CE ( S L ) = L L max L min L S nmax S + R 2

Figure DE102014113520B4_0030
für den linearen Fall bzw. Δ S CE ( S L ) = L L max L min L 2 S nmax + R 2
Figure DE102014113520B4_0031
für den Fall mit Wurzeltransformation.Using equation (19) above, one obtains for the respective variances of the contrast-enhanced signal: Δ S CE ( S L ) = L L Max L at least L S n max S + R 2
Figure DE102014113520B4_0030
for the linear case or Δ S CE ( S L ) = L L Max L at least L 2 S n max + R 2
Figure DE102014113520B4_0031
for the case with root transformation.

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 S HE ( S L ) = L SH ( S L ) SH min SH max SH min ,

Figure DE102014113520B4_0032
worin SH Zahlen im kumulierten Histogramm bezeichnet mit SHmin := SH(Lmin) und SHmax := SH(Lmax) = SH(L) = Gesamtzahl der Bildpunkte.The signal after histogram equalization S HE is given by the formula S HE ( S L ) = L SH ( S L ) SH at least SH Max SH at least ,
Figure DE102014113520B4_0032
where SH denotes numbers in the cumulative histogram with SH min := SH(L min ) and SH max := SH(L max ) = SH(L) = total number of pixels.

Bezeichnet man mit H das Histogramm, erhält man für die Varianz ΔSHE des Signals SHE nach dem Histogrammausgleich: Δ S HE ( S L ) = L Δ SH ( S L ) SH max SH min L H ( S L ) SH max SH min Δ S L .

Figure DE102014113520B4_0033
Denoting the histogram with H, one obtains for the variance ΔS HE of the signal S HE after the histogram adjustment: Δ S HE ( S L ) = L Δ SH ( S L ) SH Max SH at least L H ( S L ) SH Max SH at least Δ S L .
Figure DE102014113520B4_0033

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).

Claims (9)

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 (S 12Bit ) with a first bit depth into a data stream of output signals (S 8Bit ) with a second bit depth by means of a transfer function in which a noise component of the input signals (S 12Bit ) is taken into account, wherein the transfer function is designed such that the noise component in the data stream of output signals (S 8Bit ) 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 (S 12Bit ) and the noise component is formed; or - at least one area hyperbolic cosine function of the input signal (S 12Bit ), the noise component and a proportional statistical noise component which the input signal (S 12Bit ) has in addition to the noise component. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Transformation und/oder die Kompression wenigstens teilweise umkehrbar ist.procedure after claim 1 , wherein the transformation and/or the compression is at least partially reversible. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Übertragungsfunktion zu S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + α S n R ) ln ( 1 + α S nmax R )
Figure DE102014113520B4_0034
ergibt, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, α ein Justierparameter zur Anpassung an weitere Systemeigenschaften und R der Rauschanteil ist.
procedure after claim 1 or 2 , where the transfer function increases to S m = ( 2 m 1 ) ln ( 1 + a S n R ) ln ( 1 + a S n max R )
Figure DE102014113520B4_0034
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α is an adjustment parameter for adapting to further system properties and R is the noise component.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Übertragungsfunktion zu S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 α i 2 S n + ( 1 + 2 α i 2 S n ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R | ln | 1 + 2 α i 2 S n max + ( 1 + 2 α i 2 S n max ) 2 1 + 4 α i 2 R 2 1 + 2 α i R |
Figure DE102014113520B4_0035
ergibt, wobei Sm das Ausgangssignal, Sn das Eingangssignal, n die erste Bittiefe, m die zweite Bittiefe, Snmax ein maximales Eingangssignal, αi ein Bruchteil für den proportionalen statistischen Rauschanteil und R der Rauschanteil ist.
procedure after claim 1 or 2 , where the transfer function increases to S m = ( 2 m 1 ) ln | 1 + 2 a i 2 S n + ( 1 + 2 a i 2 S n ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R | ln | 1 + 2 a i 2 S n max + ( 1 + 2 a i 2 S n max ) 2 1 + 4 a i 2 R 2 1 + 2 a i R |
Figure DE102014113520B4_0035
where S m is the output signal, S n is the input signal, n is the first bit depth, m is the second bit depth, S nmax is a maximum input signal, α i is a fraction for the proportional statistical noise component, and R is the noise component.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Übertragungsfunktion als Look-Up-Tabelle ausgeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , where the transfer function is implemented as a look-up table. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eingangssignale Eingangsbildsignale (S12Bit) und die Ausgangssignale Ausgangsbildsignale (S8Bit) sind.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , where the input signals are input image signals (S 12Bit ) and the output signals are output image signals (S 8Bit ). Verfahren zur Kontrastanhebung eines Datenstroms von Eingangsbildsignalen (S12Bit) mit einer Eingangsbittiefe, welcher in einen Datenstrom von Ausgangsbildsignalen (S8Bit) mit einer Ausgangsbittiefe übertragen wird, wobei: a) eine verlustarme Transformation und/oder Kompression des Datenstroms von Eingangsbildsignalen (S12Bit) mit der Eingangsbittiefe als erster Bittiefe in einen Datenstrom von Zwischenbildsignalen mit der Eingangsbittiefe als zweiter Bittiefe mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 6 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 (S8Bit) mit der Ausgangsbittiefe erhalten wird.Method for increasing the contrast of a data stream of input image signals (S 12Bit ) with an input bit depth, which is transferred into a data stream of output image signals (S 8Bit ) with an output bit depth, wherein: a) low-loss transformation and/or compression of the data stream of input image signals (S 12Bit ) 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 by means of a method according to claim 6 is carried out, after which b) the contrast is increased in the data stream of intermediate image signals, and after which c) a number of bits, in particular the lowest bits, of the intermediate image signals are removed in the data stream of intermediate image signals in such a way that a data stream of output image signals (S 8Bit ) with the output bit depth is obtained. Verfahren nach Anspruch 7, wobei sich in Schritt c) die Anzahl der zu entfernenden Bits aus der Differenz zwischen der Bitanzahl der Eingangsbittiefe und der Bitanzahl der Ausgangsbittiefe ergibt.procedure after claim 7 , wherein in step c) the number of bits to be removed results from the difference between the number of bits of the input bit depth and the number of bits of the output bit depth. Signalverarbeitungseinheit, welche zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.Signal processing unit, which is used to carry out a method according to one of Claims 1 until 8th is set up.
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