AT402119B - System zur speicherung von bilddaten - Google Patents

Description

AT 402 119 B

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von aus einem Originalbild gewonnenen Bilddaten in Form von Spektralwerten, wobei ein durch Abtastung des Originalbildes gewonnenes zweiparametriges Feld von Helligkeitswerten mittels eines Spektralrechners unter Anwendung einer Transformation durch ein orthogonales Funktionensystem in ein ebenfalls zweiparametriges Speicherfeld von Spektralwerten gewandelt wird.

Es ist bekannt, zum Zweck der Bildspeicherung ein Originalbild durch flächendeckende Abtastung in Bildpunkte aufzulösen, die durch Helligkeits- bzw. Farbintensitätswerte charakterisiert sind. Diesen Bildpunkten werden Bildinformationen zugeordnet, die neben den Koordinaten des jeweiligen Bildpunktes auch die dazugehörenden Helligkeits- bzw. Farbintensitätswerte in digitalisierter Form enthalten. Aus der Summe aller Bildinformationen eines Originalbildes kann durch ein zur Bildabtastung inverses Reproduktionsverfahren eine Kopie des Originalbildes erhalten werden. Wegen der großen Menge der hierbei zu speichernden Bits erweist sich jedoch dieses Verfahren als unwirtschaftlich. Man gelangt zu einer Reduktion der zu speichernden Datenmenge, wenn man anstelle der einzelnen Bildinformationen deren Spektralwerte speichert. Hierbei werden jedem Bildpunkt außer seinem Helligkeitswert H noch zwei die Koordinaten des Bildpunktes bestimmende Abtastparameter Xi, X2 zugeordnet, so daß sich nach der Abtastung das ganze Bild als Helligkeitsfunktion H(xi ,X2) in Abhängigkeit von den Abtastparametern darstellt.

Die Gewinnung der Spektralwerte verschiedener Ordnungen aus der Helligkeitsfunktion H(xi,x2) erfolgt bekanntlich mit Hilfe von Funktionen eines orthogonalen Funktionensystems, die die entsprechenden Ordnungen aufweisen. Im folgenden ist gezeigt, wie dies beispielsweise mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen, also auf dem Wege der Fourieranalyse durchgeführt wird:

Einem im Einheitsquadrat 0<xi<1, 0<x2<1 gegebenen Originalbild mit der Heiligkeitsfunktion H(xi,x2) werden die durch die Indices ki ,k2 (Wellenzahlen, Raumfrequenzen) charakterisierten diskreten Spektralwerte S(k. ,k2) 1 1 ü Η (x ,x2)e

-2T i(k^x^+k2x2) dx^dx2 zugeordnet, aus denen durch Bildung der folgenden Doppelsumme H 1 (X1,X2)

Y2 S(k1,k2)e2Xi(kl!Vk2x2) die Kopie H' des Originalbildes H auf dem Wege einer Rücktransformation erhalten wird.

Die Summationsparameter ki,k2 dieser Doppelsumme nehmen die Werte zwischen den Grenzen -G und +G an, welche die Bildauflösung der Kopie H’ bestimmen. Im Extremfall, also bei naturgetreuer Wiedergabe des Originalbildes müßte der Grenzwert G gleich unendlich werden, das aber wegen des begrenzten Aufwandes an Speicherkapazität und Verarbeitungszeit unmöglich ist.

In den diversen Anwendungen der Bildspeicherung, wie beispielsweise in der Computertomographie oder bei der Speicherung geographischer Satellitenbilder, fallen sehr große Mengen von Daten an, die archiviert werden müssen. Hierbei wächst die Menge der für ein bestimmtes Bild zu speichernden Daten mit der Höhe der Auflösung, also mit der Qualität der aus dieser Datenmenge rekonstruierbaren Kopie des Bildes. Es stellt sich daher die Frage, wie weit man in einem bestimmten Anwendungsfall die Bildqualität und damit die Menge der zu speichernden Bilddaten auf das unumgänglich notwendige Maß verringern kann. Diese Frage stellt sich besonders dann, wenn ein Bild einzelne Elemente enthält, die einer besonders hohen Auflösung bedürfen, während zur Speicherung der anderen Elemente mit einer wesentlich geringeren Auflösung das Auslangen gefunden wird. Da man im allgemeinen auf die hohe Auflösung in einem Teil des Bildes nicht verzichten kann, wird diese auf das Gesamtbild angewendet, was eine überflüssige Speicherbelastung nach sich zieht.

Aus der EP 0241 576 B1 ist es bekannt, zur Verringerung der Datenmenge bei der Bildkodierung Teilbereiche des Bildes zu klassifizieren und die - in dieser Schrift nicht näher beschriebene - Weiterverarbeitung des Bildes anhand der Klassifizierung durchzuführen. 2

AT 402 119 B

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein verbessertes System zur Speicherung von Bilddaten in Form von Spektralwerten zu schaffen, das eine Optimierung der Qualität von Bildern mit Bildelementen, die unterschiedlicher Auflösung bedürfen, ermöglicht, und mit modernen Datenverarbeitungsgeräten durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß entweder ein Spektralrechner für aufeinanderfolgende oder mehrere Spektralrechner für gleichzeitige Berechnungen von Spektralwerten von Teilbildern des Originalbildes vorgesehen sind und daß jeder Spektralrechner einen die Anzahl der jeweils zu speichernden Spektralwerte des zugeordneten Teilbildes berechnenden Bildqualitätsrechner aufweist, der die Bildqualität des Teilbildes durch Eliminierung von Spektralwerten vernachlässigbarer Relevanz bis zu einem für dieses Teilbild errechneten Qualitätswert reduziert.

Die Reduzierung der Bildqualität erfolgt in der Weise, daß der Bildqualitätsrechner die Bildqualität des Teilbildes durch Eliminierung von Spektralwerten minimaler Relevanz schrittweise reduziert und nach jedem Schritt durch Vergleich der qualitativ reduzierten Bildinformation mit der originalen Bildinformation einen Qualitätsdifferenzwert errechnet und die Reduktion der Bildqualität bei Erreichen eines vorgegebenen Qualitätsdifferenzwertes beendet.

Zur Eliminierung von Spektralwerten minimaler Relevanz eignet sich vorzugsweise ein quadratisches Tiefpaßfilter mit hyperbolischem Kern mit schrittweise reduzierbarer Kerngröße.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Bildqualitätsrechner einerseits an eine die originale Bildinformation vermittelnde Abtastvorrichtung und anderseits an einen die Abtastsignale eines aus dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters rekonstruierten Bildes liefernden Bildrechner angeschlossen und mit einem Fehlerquadrat-Rechner zur Ermittlung der Differenz zwischen originaler und rekonstruierter Bildqualität sowie mit einem als Steilvorrichtung zur Einstellung der Kerngröße des Tiefpaßfilters dienenden Signalprozessor versehen, der nach Erreichen der maximal zulässigen Differenz die Einspeicherung der zuletzt zulässigen Spektralwerte veranlaßt.

Die zur Anwendung gelangenden orthogonalen Funktionensysteme sind nicht auf Trigonometrische Funktionen beschränkt. Der Fourier-Transformation entsprechende Transformationen lassen sich auch mit diskontinuierlichen Funktionen, wie Walsh-Funktionen oder Haar-Funktionen erzielen. Im Unterschied zu den Trigonometrischen Funktionen bieten die diskontinuierlichen Funktionen den Vorteil, nicht durch Rechenvorgänge, sondern durch einfache Schaltvorgänge in den Signaiprozessoren realisiert zu werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise eines quadratischen Tiefpaßfilters und in Fig. 3 ist der Verlauf einer Walsh-Funktion im Vergleich zu einer Trigonometrischen Funktion dargestellt.

Die Speicherung von Spektralwerten eines Bildes mit Bildelementen stark unterschiedlichen Auflösungsbedarfes erweist sich als aufwendig hinsichtlich des Bedarfes an Speicherkapazität, weil auch für minimale Spektralwerte, deren Anteil an der gesamten Bildinformation vernachlässigbar ist, Speicherplätze zur Verfügung gestellt werden müssen. Im allgemeinen treten die minimalen Spektralwerte bei den hohen Abtastfrequenzen auf, so daß mit einer Begrenzung der Bildinformation auf tiefere Frequenzen auch eine Eliminierung der vernachlässigbaren Spektralwerte gegeben ist. Erfahrungsgemäß sind in einem Bild die Bildelemente mit hohem Auflösungsbedarf nur vereinzelt vorhanden, während in weiten Bereichen das Bild im wesentlichen glatt ist und einer geringeren Auflösung bedarf.

Diesen Umstand mach sich die Erfindung in der Weise zunutze, daß das Originalbild, etwa schachbrettartig in viele Teilbilder zerlegt wird, deren Spektralwerte gesondert berechnet werden. Statistisch ergibt sich, daß die meisten Teilbilder mit einer geringen spektralen Auflösung das Auslangen finden und somit eine hohe Auflösung auf nur wenige Teilbilder entfällt, die eine besonders detaillierte Struktur aufweisen. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die Umsetzung der Bildinformationen der Teilbilder mittels eines einzigen Spektralrechners nacheinander oder mittels einer der Anzahl der Teilbilder gleichen Anzahl von Spektralrechnern gleichzeitig erfolgt.

Aus den gegebenen Anforderungen an einen Spektralrechner ergibt sich für einen solchen die Aufgabe, vor der Umsetzung der abgetasteten Bildinformation eines Teilbildes in Spektralwerte die jeweils erforderliche Auflösung zu erkennen und die Anzahl der Spektralwerte entsprechend zu begrenzen. Hierbei wird jedes Teilbild nach Abtastung in eine Folge von Abtastwerten umgesetzt. Jede Abtastinformation enthält die Koordinaten des zugehörigen Bildpunktes sowie den zugeordneten Helligkeitswert. Bei Systemen für Farbbilder sind je drei Helligkeitswerte für die einzelnen Farbkomponenten vorgesehen.

Der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Systems zur Speicherung von Bilddaten ist im folgenden anhand der Fig. 1 erläutert, die die Schaltungselemente, die für die Verarbeitung eines Teilbildes erforderlich sind, zeigt.

Das jeweils zur Einspeicherung heranstehende Teilbild 1 des Originalbildes wird von einer Abtastvorrichtung 2 abgetastet, wobei die Helligkeitswerte der einzelnen Bildpunkte in digitale Abtastwerte umgesetzt 3

AT 402 119 B werden. Diese Abtastwerte werden einerseits einem Spektralwertrechner 3 und anderseits einem ersten Eingang eines Bildqualitätsrechners 4 zugeführt. Der Spektralwertrechner 3 ermittelt aus den eingegebenen Abtastwerten unter Anwendung einer Spektral-Transformation durch ein orthogonales Funktionensystem, etwa einer Fourier-Transformation, die der Menge aller Abtastwerte zugeordneten Spektralwerte. Anstelle einer Fourier-Transformation kann auch eine entsprechende Transformation mit Hilfe von Walsh-Funktionen, Haar-Funktionen oder mit Hilfe von Wavelets vorgenommen werden.

Die vom Spektralwertrechner 3 errechneten Spektralwerte werden einem stufenweise einstellbaren quadratischen Tiefpaßfilter 5 mit hyperbolischer Frequenzbegrenzung zugeführt. Das Tiefpaßfilter 5 unterdrückt die Weitergabe von Spektralwerten höherer Ordnung in einem solchen Ausmaß, das vom Bildqualitätsrechner 4 nach einem Vergleich der originalen Bildinformation mit einer mittels des Tiefpaßfilters 5 qualitativ reduzierten Bildinformation ermittelt wird. Diese reduzierte Bildinformation wird mittels eines an den Ausgang des Tiefpaßfilters 5 angeschlossenen Bildrechners 6 gewonnen, der aus den um die Spektralwerte {vernachlässigbarer Relevanz) höherer Ordnung verminderten Spektrum eine in Form von Abtastwerten dargestellte Kopie des Teilbildes 1 rekonstruiert. Die so gewonnenen reduzierten Abtastwerte werden einem zweiten Eingang des Bildqualitätsrechners 4 zugeführt. Im Bildqualitätsrechner 4 werden die von der Abtastvorrichtung 2 gelieferten, originalen Abtastwerte mit den vom Bildrechner 6 gelieferten, reduzierten Abtastwerten verglichen. Zu diesem Vergleich kann beispielsweise die Fehlerquadratmethode herangezogen werden, bei der die Summe der Quadrate der Differenzen zwischen originalen und reduzierten Abtastwerten gebildet wird. Überschreitet diese Summe einen vorgegebenen Wert, so wird die Qualitätsreduktion im Tiefpaßfilter 5 unterbrochen und es werden die vom Tiefpaßfilter 5 zuletzt gelieferten Spektralwerte in einem Speicher 7 gespeichert. Aus dem Speicher 7 werden die Spektralwerte entnommen, wenn mit einer im Bildrechner 6 enthaltenen Reproduktionseinrichtung eine Kopie 8 des Teilbildes 1 angefertigt wird.

Bei der Rekonstruktion der Kopie 8 des Teiibildes 1 im Zuge eines Bildspeichervorganges kann die Eliminierung der nicht relevanten Spektralwerte einerseits in der Weise erfolgen, daß in der oben engegebe-nen Doppelsumme für die Funktion H'(xi,X2) die Summationsgrenzen -G,+ G entsprechend variiert werden. Es kann aber anderseits auch eine andere Form der Einschränkung der Summationsgrenzen zwecks Eliminierung der unerwünschten Spektralwerte in der Weise erfolgen, daß eine Abhängigkeit zwischen den Summationsgrenzen der beiden Summationsparameter ki ,k2 hergestellt wird.

Erfahrungsgemäß liegen die meisten Spektralwerte eines Bildes innerhalb eines von einer Hyperbel begrenzten Fläche der Frequenzebene, deren Punkten je ein Frequenzpaar mit den Raumfrequenzen ki und k2 entspricht. Ausgehend von dieser Erfahrung erweist es sich als zweckmäßig, die Entscheidung, ob Spektralwerte eine vernachlässigbare Relevanz aufweisen, ob deren Frequenzwerte ki,k2 innerhalb einer entsprechend bemessenen Hyperbel, dem "Kern" des Tiefpaßfilters 5 liegen. Auf diese Weise läßt sich eine reduzierte Kopie H” des Originalbildes H durch die folgende Doppelsumme

definieren, wobei hinsichtlich der Summationsgrenze K, ,l<2 die Festlegung gilt: K,.K2 = m2.

Die Summationsgrenzen Ki und K2 sind also keine festen Werte, sondern voneinander abhängige Variable, deren gegenseitige Abhängigkeit sich in der Frequenzebene in Form von Hyperbeln darstellt, wie in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt ist. Vom Tiefpaßfilter 5 werden nur die achsennahen, also die innerhalb des Kernes liegenden Spektralwerte übertragen, während die außerhalb der begrenzenden Hyperbel liegenden Frequenzpaare, d.h. deren Spektralwerte unterdrückt werden.

Die Größe der Hyperbeln wird durch den Faktor mz bzw. m bestimmt. Die Größe m kennzeichnet den Schnittpunkt der Hyperbel mit einer mit den Koordinatenachsen einen Winkel von 45’ einschließenden Geraden, die in Fig. 2 mit Ge bezeichnet ist. Die Koordinaten dieses Schnittpunktes haben die Werte (m,m). Je geringer der Wert m ist, desto näher rückt die Hyperbel an den Koordinatenursprung heran und desto kleiner ist der Kern des Tiefpaßfilters 5 und desto geringer ist die Anzahl der übertragenen Spektralwerte, d.h. umso geringer ist auch die Bildqualität. Im Zuge einer stufenweisen Eliminierung von 4

Claims (5)

1. AT 402 119 B nicht relevanten Spektralwerten, die außerhalb des Kernes liegen, wird auch der Wert m zur Berechnung der jeweils aktuellen Hyperbel stufenweise verringert. Zur Verdeutlichung dieses Umstandes ist in Fig. 2 mit strichlierten Linien eine zweite Hyperbel eingezeichnet, deren m-Wert die Hälfte des m-Wertes der äußeren, mit stark ausgezogenen Kurven eingezeichneten Hyperbel beträgt. Da die die einzelnen Spektralwerte kennzeichnenden Punkte der Frequenzebene überall in gleicher Dichte vorhanden sind, ist das Ausmaß der Einsparung an nicht relevanten Spektralwerten unmittelbar am Verhältnis der Fläche des Kernes der Hyperbel zur Gesamtfläche des gezeichneten Quadrates, in das die Hyperbel eingezeichnet ist, zu erkennen. Fig. 3 zeigt eine Walsh-Funktion im Vergleich zu einer Sinus-Funktion gleicher Frequenz. Die Walsh-Funktion weist nur die Werte +1 und-1 auf, zwischen denen ein diskontinuierlicher Übergang vorgesehen ist. Die Walsh-Funktionen bilden ebenso wie die Trigonometrischen Funktionen ein orthogonales Funktionensystem mit dem in gleicher Weise wie mit der Fourier-Transformation die Gewinnung von Spektralwerten aus einem Originalbild sowie eine Rücktransformation in eine Bildkopie gelingt. Da die Walsh-Funktionen ausschließlich die Werte +1 und -1 annehmen, eignen sie sich in besonderer Weise zur Bildung von Spektralwerten mit Hilfe von Signalprozessoren. In entsprechender Weise lassen sich hierzu auch Haar-Funktionen verwenden, die im Unterschied zu den Walsh-Funktionen die Werte 0 und 1 annehmen. Hinsichtlich der für Spektraltransformationen in Frage kommenden Funktionensysteme (z.B. Wavelets) gibt es keine Beschränkung, soferne sie nur die Reproduktion von Kopien des Originalbildes gewährleisten. Gemäß dem Abtasttheorem steht die Anzahl der Spektralwerte in der Frequenzebene mit der Anzahl der abgetasteten Bildpunkte in der Bildebene in einem festen Verhältnis, insbesondere im Verhältnis 1:1. Durch die Zerlegung des Originalbildes in Teilbilder wird die Anzahl der insgesamt abzutastenden Bildpunkte nicht verändert und somit auch nicht die Anzahl der insgesamt zu speichernden Spektralwerte. Ein relativ gering erhöhter Speicheraufwand ergibt sich im Zusammenhang mit der Identifizierung der einzelnen Teilbilder, der aber durch die Einsparung von Speicherplätzen zufolge der reduzierten Anzahl von Spektralwerten weitaus übertroffen wird. Patentansprüche 1. System zur Speicherung von aus einem Originalbild gewonnenen Bilddaten in Form von Spektralwerten, wobei ein durch Abtastung des Originalbildes gewonnenes zweiparametriges Feld von Helligkeitswerten mittels eines Spektralrechners unter Anwendung einer Transformation durch ein orthogonales Funktionensystem in ein ebenfalls zweiparametriges Speicherfeld von Spektralwerten gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß entweder ein Spektralrechner für aufeinanderfolgende oder mehrere Spektralrechner für gleichzeitige Berechnungen von Spektralwerten von Teilbildern des Originalbildes vorgesehen sind und daß jeder Spektralrechner einen die Anzahl der jeweils zu speichernden Spektralwerte des zugeordneten Teilbildes berechnenden Bildqualitätsrechner (4) aufweist, der die Bildqualität des Teilbildes durch Eliminierung von Spektraiwerten vernachlässigbarer Relevanz bis zu einem für dieses Teilbild errechneten Qualitätswert reduziert.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildqualitätsrechner (4) die Bildqualität des Teilbildes durch Eliminierung von Spektralwerten minimaler Relevanz schrittweise reduziert und nach jedem Schritt durch Vergleich der qualitativ reduzierten Bildinformation mit der originalen Bildinformation einen Qualitätsdifferenzwert errechnet und die Reduktion der Bildqualität bei Erreichen eines vorgegebenen Qualitätsdifferenzwertes beendet.
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung von Spektralwerten minimaler Relevanz ein quadratisches Tiefpaßfilter (5) mit hyperbolischem Kern mit schrittweise reduzierbarer Kerngröße vorgesehen ist.
4. 4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildqualitätsrechner (4) einerseits an eine die originale Bildinformation vermittelnde Abtastvorrichtung (2) und anderseits an einen die Abtaatsignale eines aus dem Ausgangasignal des Tiefpaßfilters (5) rekonstruierten Bildes liefernden Bildrechner (6) angeschlossen ist und einen Fehlerquadrat-Rechner zur Ermittlung der Differenz zwischen originaler und rekonstruierter Bildqualität sowie einen als Stellvorrichtung zur Einstellung der Kerngröße des Tiefpaßfilters (5) dienenden Signalprozessor aufweist, der nach Erreichen der maximal zulässigen Differenz die Einspeicherung (7) der zuletzt zulässigen Spektralwerte veranlaßt. 5 AT 402 119 B
5. 5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als orthogonale Funktionensysteme diskontinuierliche Funktionen wie Walsh-Funktionen, Haar-Funktionen dienen. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 6