DE10030895A1

DE10030895A1 - Verfahren zur datenkomprimierten Codierung

Info

Publication number: DE10030895A1
Application number: DE2000130895
Authority: DE
Inventors: Cornelius Hahlweg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2020-06-24
Also published as: DE10030895B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur datenkomprimierten Codierung eines Objekts, insbesondere eines Streckenabschnitts, das durch eine Kette der Koordination von Punkten des Objekts beschrieben ist, wird eine nichtlineare Koordinatentransformation durchgeführt, wobei die Koordinatenkette auf eine Einheitskoordinatenkette abgebildet wird oder wobei eine Einheitskoordinatenkette auf die Koordinatenkette abgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur datenkomprimierten Codierung eines Objekts, insbesondere eines Streckenabschnitts, das durch eine Kette der Koordinaten von Punkten des Objekts beschrieben ist, wobei die Punkte der Koordinatenkette nicht äquidistant sind.

In der Verkehrstelematik wird die Geometrie von Strecken- bzw. Routenabschnitten im allgemeinen in Form von Koordinatenketten dargestellt, gespeichert und übertragen. Dabei werden je nach benötigter Ortsauflösung nur bestimmte charakteristische Punkte als Koordinatenpaare aufgenommen, so daß mittels linearer Interpolation eine Rekonstruktion mit entsprechender Genauigkeit möglich ist. Meist führt eine sinnvolle Auswahl repräsentativer Punkte zu einer in keiner Variablen

äquidistanten Abtastung. Dementsprechend wird stets eine Kette von Koordinatenpaaren übertragen, da sich keine durch die Abtastweite substituierbare bzw. implizit gegebene Variable finden läßt.

Für Verfahren zum Einbinden von Streckeninformationen in eine Datenbasis kann es durchaus vorteilhaft sein, eine Koordinatenkette kontinuierlich zu interpolieren. Ferner kann eine parametrische Formbeschreibung für Vergleichsverfahren bei der Auswertung der Streckeninformationen interessant sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine datenreduzierende Codierung anzugeben, die zur Übertragung und Aufzeichnung von Objekten geeignet ist, die durch eine Koordinatenkette beschrieben sind.

Diese Aufgabe wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß eine nichtlineare Koordinatentransformation durchgeführt wird, wobei die Koordinatenkette auf eine äquidistante Einheitskoordinatenkette abgebildet wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Koordinatentransformation mit Hilfe eines Polynoms als Transformationsvorschrift durchgeführt wird und die Koeffizienten des Polynoms sowie die Differenzvektoren der transformierten Punkte (transformierte Koordinatenkette) die komprimierten Daten bilden. Dabei kann eine einfache Rücktransformation bei der Decodierung durchgeführt werden, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen wird, daß die Transformationsvorschrift ein Polynom zweiten Grades ist.

Die Erfindung hat unter anderem den Vorteil, daß nur eine simple Transformationsvorschrift übertragen werden muß und aus dieser Formbeschreibung und zusätzlichen Angaben die Koordinatenkette vollständig rekonstruiert werden kann. Die Codierung kann sowohl zur Übertragung als auch für die Speicherung in Datenbanken verwendet werden.

Bei der Lösung einer quadratischen Gleichung ergeben sich in der Regel durch das nicht festgelegte Vorzeichen des Quadratwurzelanteils zwei Lösungen. Um eine eindeutige Lösung empfängerseitig sicherzustellen, ist gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die transformierte Koordinatenkette (Pt) rücktransformiert wird und die rücktransformierte Koordinatenkette mit der Koordinatenkette verglichen wird und daß in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ein Vorzeichen für eine anschließende Decodierung abgeleitet wird.

Vorzugsweise weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren codierten Daten folgende Elemente auf: absolute Koordinatenkette eines Bezugspunktes, Polynom-Koeffizienten, Vorzeichen und transformierte Koordinatenkette.

Je nach Form und Größe des Objekts im einzelnen kann die Bildung einer transformierten Koordinatenkette auch zu einer größeren Datenmenge führen als bei der Bildung einer Differenzen-Koordinatenkette. Für diesen Fall kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, daß für die transformierte Koordinatenkette und eine Differenz-Koordinatenkette jeweils die Fehlerenergie berechnet wird und daß diejenige Koordinatenkette mit der geringeren Fehlerenergie und ein Code-Bit in die codierten Daten eingefügt werden.

Eine einfache Verarbeitung der Koordinaten ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch möglich, daß zur Koordinatentransformation kartesische Koordinaten der Punkte durch komplexe Zahlen ersetzt werden.

Eine weitere Komprimierung der Daten ist dadurch möglich, daß anstelle der Einheitskoordinatenkette eine aus einem Katalog mehrerer vorgeformter Koordinatenketten entnommenen Koordinatenkette verwendet wird und ein Kennzeichen der verwendeten Koordinatenkette in die codierten Daten eingefügt wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine nichtlineare Koordinatentransformation durchgeführt wird, wobei eine Einheitskoordinatenkette auf die Koordinatenkette abgebildet wird.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Fehlerenergie der Differenzvektoren der transformierten Koordinatenkette berechnet wird und daß bei einer Fehlerenergie, die größer als ein vorgegebener Wert ist, die Ordnung des Polynoms heraufgesetzt wird und eine erneute Transformation, Differenzbildung und Fehlerenergieberechnung erfolgen, bis die Fehlerenergie den vorgegebenen Wert nicht mehr überschreitet.

Diese Ausführungsform erlaubt es ferner, eine zweidimensionale Koordinatenkette so zu beschreiben, daß eine Formbeschreibung aus der empfangenen bzw. wiedergegebenen Information möglich ist und daß die Streckeninformation als kontinuierliche und damit beliebig abtastbare Funktion erhalten wird, wobei die Formbeschreibung selbst schon eine für bestimmte Zwecke ausreichende Aproximation liefert.

Dabei kann außerdem vorgesehen sein, daß anstelle der Einheitskoordinatenkette eine aus einem Katalog mehrerer vorgeformter Koordinatenketten entnommenen Koordinatenkette verwendet wird, daß bei einer Fehlerenergie, die größer als ein vorgegebener Wert ist, mit einer anderen Koordinatenkette eine erneute Transformation, Differenzbildung und Fehlerenergieberechnung erfolgen, bis die Fehlerenergie den vorgegebenen Wert nicht mehr überschreitet, und daß ein Kennzeichen der zuletzt verwendeten Koordinatenkette in die codierten Daten eingefügt wird.

Besonders vorteilhaft ist bei beiden Ausführungsformen, wenn die Einheitskoordinatenkette äquidistant ist.

Eine geeignete Datentransformation ist bei der ersten Ausführungsform wie folgt möglich:

- Die Koordinatenkette k1 = {x1n, y1n} mit n = 1 . . N wird auf die Koordinatenkette k2 = {x2n = n.a+b, y2n = 0} abgebildet;
- diese Abbildung erfolgt unter Minimierung der Abstandsbetragsquadratssumme der einander zugeordneten Koordinatenpaare kt = {xtn, ytn}: {x1n, y1n} → {x2n, y2n};
- dazu werden die x,y-Koordinaten als komplexe Zahlen dargestellt.

Ansatz

kt_n

= a₂

.k1_n ²

+ a₁

.k1_n

+ a₀

Forderung

Gleichungssystem

Die Folge k2 kann eine reelle Integerfolge sein. Das Lösen derartiger Gleichungssysteme bereitet keine Schwierigkeiten und wird daher nicht gesondert dargestellt.

Die Rücktransformation erfolgt durch Lösen der quadratischen Gleichung im Komplexen:

Aufgrund der Zweideutigkeit der Lösung wird bei der ersten Ausführungsform der Erfindung bereits beim Codieren als Plausibilitätsscheck eine der beiden Rücktransformationen ausgeführt, beispielsweise mit positiver Quadratwurzel. Weiterhin wird gliedweise mit den Ausgangsdaten k1 verglichen. Im Falle der Ungleichheit (in vorgegebenen Grenzen) wird das jeweils andere Vorzeichen verwendet. Das Vorzeichen wird als einzelnes Bit pro Koordinatenpaar mitübertragen.

Eine für die zweite Ausführungsform geeignete Datentransformation ist wie folgt möglich:

- Die Einheitskoordinatenkette k2 = {x2n, y2n} mit n = 1 . . N wird auf die zu codierende Koordinatenkette k1 = {x1n, y1n} mit n = 1 . . N abgebildet;
- diese Abbildung erfolgt unter Minimierung der Abstandsbetragsquadratssumme der einander zugeordneten Koordinatenpaare kt = {xtn, ytn}: {x2n, y2n} → {x1n, y1n};
- dazu werden die x,y-Koordinaten als komplexe Zahlen dargestellt;
- der Grad M des Polynoms ist dabei M<N.

Ansatz

kt_n = a_M.k2_n ^M + . . . + a₁.k2_n + a₀

Forderung

Gleichungssystem

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Beispiel für eine zu codierende Koordinatenkette,

Fig. 2 die Abbildung der Koordinatenkette nach Fig. 1 auf eine weitere Koordinatenkette,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Datenformat des Ausgangssignals des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 ein Datenformat des Ausgangssignals des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 bei Anwendung einer reinen Differenzcodierung,

Fig. 6 ein weiteres Beispiel für eine zu codierende Koordinatenkette,

Fig. 7 die Koordinatenkette nach Fig. 6 und ein an diese angenähertes Polynom,

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig. 9 ein Datenformat des Ausgangssignals des Ausführungsbeispiels nach Fig. 8.

Fig. 1 zeigt als Beispiel für ein zu codierendes Objekt den Verlauf eines Verkehrsweges 1, der durch eine Reihe von Punkten 2 definiert ist, die eine Koordinatenkette bilden. Die Koordinaten sind beispielsweise der Imaginärteil J und der Realteil R. Die Einheiten sind hier willkürlich, beispielsweise Kilometer.

Fig. 2 zeigt die transformierte Koordinatenkette und ihre Abbildung auf die Einheitskoordinatenkette. Dabei sind die Punkte der transformierten Koordinatenkette als Sterne, die der Einheitskoordinatenkette als Kreise dargestellt.

Zusammengehörige Punkte der beiden Ketten bilden Differenzvektoren, die dünner als die transformierte Koordinatenkette gezeichnet sind. Die komplexen Koeffizienten des dafür benutzten Polynoms betragen a2 = 12,107-J.42,989; a1 = 0,789+J.0,553 und a0 = 0,001-J.0,000. Die Wurzelenergie der einfachen Differenzkette ist 0,00949, die der codierten Kette abs(kt-k2) = 0,00808. Es ergibt sich also ein Gewinn von 15%.

Fig. 3 zeigt einen Coder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dem Eingang 11 wird das zu codierende Objekt in Form einer Koordinatenkette P[1 . . N] zugeführt. Bei 12 wird die Koordinatenkette aufgespalten, nämlich in einen als absoluten Bezug dienenden Punkt P[1] und in die restliche Kette P[2 . . N]. In einem Subtrahierer 13 wird letztere auf P[1] bezogen, so daß eine Koordinatenkette Pr entsteht, bei der die Punkte durch Differenzbildung auf den als absoluten Bezug dienenden Punkt P[1] dargestellt sind. Bei der Aufspaltung stellt sich auch heraus, aus wievielen Koordinatenpaaren die Koordinatenkette besteht. Dieses N wird bei 14 zur Bildung einer Einheitskoordinatenkette E[1 . . N] = 1 . . n-1 verwendet. Die Einheitskoordinatenkette E und die Differenz-Koordinatenkette Pr werden einer Einrichtung 15 zur Lösung des oben angegebenen Gleichungssystems zugeführt. Darauf folgt ein Rundungsmodul 16, da die Einrichtung 15 mit Fließkomma arbeitet und eine sinnvolle Bitgenauigkeit bzw. eine Integerwandlung erreicht werden soll.

Die durch die Lösung des Gleichungssystems gewonnenen Koeffizienten a[0,1,2] werden bei 17 der eigentlichen Transformation unterworfen. Es entsteht damit die transformierte Koordinatenkette Pt[2 . . N]. Bei 18 erfolgt eine inverse Transformation der transfomierten Koordinatenkette Pt als Plausibilitätscheck. Durch Differenzbildung bei 19 zwischen der rücktransformierten Koordinatenkette Pr wird die Eindeutigkeit der Rücktransformation sichergestellt. Für den Fall eines falschen Ergebnisses muß das Vorzeichen der Wurzel umgekehrt werden, d. h. ein Vorzeichenbit VZ-Bit wird bei 20 gesetzt und einem Ausgang 21 zugeführt. Damit wird dem nicht dargestellten Decoder in einem Empfänger das richtige Vorzeichen für die Rücktransformation mitgeteilt.

In einem weiteren Differenzbildner 22 wird die Differenz der transformierten Koordinatenkette Pt und der Einheitskoordinatenkette E gebildet. Die entstehende Koordinatenkette Ptd wird einem Auswahlmodul 23 und einem Modul 24 zur Berechnung der Fehlerenergie zugeleitet. Dem Modul 24 werden ferner die Differenzen jeweils zweier aufeinander folgender Koordinatenpaare der Koordinatenkette P zugeleitet, die bei 25 gebildet werden. Bei 24 werden die Fehlerenergien beider zugeführter Signale berechnet und miteinander verglichen und ein Codebit CB ausgegeben, das besagt, welche Fehlerenergie kleiner ist. Die entsprechende Koordinatenkette wird vom Auswahlmodul 23 an einen Ausgang 26 weitergegeben. Das Codebit 27 wird zusammen mit der jeweils ausgewählten Koordinatenkette übertragen.

Die Fig. 4 und 5 stellen Beispiele für jeweils ein Datenformat dar, das von dem Coder gemäß Fig. 3 und einem anschließenden nicht dargestellten Multiplexer erzeugt wird. In beiden Fällen wird zunächst das Koordinatenpaar P_1_x und P_1_y des Bezugspunktes übertragen. Darauf folgt die Zahl der Koordinatenpaare N und das Codebit CB, das im Falle von Fig. 4 eine nichtlineare Codierung nl und im Falle von Fig. 5 eine reine Differenzcodierung diff anzeigt. Im Falle der nichtlinearen Codierung nach Fig. 4 werden dann die Koeffizienten a, das Vorzeichenbit VZ_1 und das erste Koordinatenpaar Ptd_1_x, Ptd_1_y der Koordinatenkette usw. bis zum Vorzeichenbit V2 N des letzten Koordinatenpaares Ptd_N_x, Ptd_N_y übertragen. Je nach Eigenschaften der zu codierenden Koordinatenkette bzw. des Objekts 1 (Fig. 1) kann eine Codierung mit Differenzen günstiger sein. Das Datenformat gemäß Fig. 5 beinhaltet dann nach dem Codebit CB:diff nacheinander die Koordinatenpaare der Differenz-Koordinatenkette Pd.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Fig. 6 bis 9 erläutert. Fig. 6 zeigt eine Koordinatenkette, die aus vier Punkten besteht. Bei der üblichen Codierung dieses Objekts mit Hilfe der vier Punkte ist der Verlauf des Objekts, insbesondere des Verkehrsweges, zwischen den Punkten nicht definiert. Der Empfänger wird daher in der Regel annehmen, daß es sich um gerade Verbindungen handelt. Weicht der tatsächliche Verlauf des Objekts jedoch von dieser geradlinigen Verbindung ab, wie es beispielsweise anhand der dünnen Kurve in Fig. 2 dargestellt ist, wäre zu einer genauen Reproduzierbarkeit des Objekts im Empfänger die Übertragung einer großen Menge von Punkten 31 erforderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, den Verlauf mit Hilfe der Koeffizienten eines Polynoms zu übertragen, so daß bei der Rekonstruktion eine angenäherte Kurve entsteht. In den Fig. 6 und 7 ist jeweils eine dazu benutzbare Einheitskoordinatenkette durch Punkte mit dem Imaginärteil gleich 0 und mit dem Realteil 1, 2, 3 und 4 dargestellt.

Dem Coder gemäß Fig. 8 wird bei 41 die Koordinatenkette P[1 . . N] zugeführt. Die Koordinatenkette sowie eine bei 44 ausgewählte Einheitskoordinatenkette werden in einen Solver 42 eingegeben, der die dargestellte Abbildung M-ter Ordnung vornimmt. Am Ausgang stehen die zugehörigen Koeffizienten a[0,1 . . M] zur Verfügung. Die Einheitskoordinatenkette wird bei 43 der mit den Koeffizienten erhaltenen Transformationsvorschrift unterworfen. Anschließend wird die Differenz Pd zur Kette P gebildet. Bei 46 wird die Fehlerenergie durch Summierung der Betragsquadrate der Differenzen berechnet und bei 47 einer Schwellwertoperation unterworfen. Bei Überschreiten einer festzulegenden Grenze wird die Ordnung des beschriebenen Polynoms bei 48 erhöht und die Lösung des Gleichungssystems bei 42 erneut ausgeführt. Führt dies nicht zum Erfolg, d. h. überschreitet die Fehlerenergie immernoch festgelegte Grenze, wird über die Funktion 44 aus einer Datenbank 51 eine weitere Einheitskoordinatenkette ausgelesen und dem Sollwert 42 sowie der Informationseinrichtung 43 zugeführt. Sobald die festgelegte Grenze unterschritten wird, werden als Code für das Objekt der Index k der gewählten Einheitskoordinatenkette, die Koeffizienten a und die Differenzen Pd bei 52, 49 und 50 ausgegeben.

Ein geeignetes Datenformat ist in Fig. 9 dargestellt. Nach einem Header, der zum Verständnis der Erfindung nicht erforderliche Angaben enthält, folgt die Anzahl N der angehängten Koordinatenpaare, dann die Anzahl M der Transformationsparameter, darauf die Art der gewählten Einheitskoordinatenkette (Katalog-Nr. k), danach beginnt die Übertragung der Koeffizienten a, jeweils als x- und y-Koordinate bis aM, was in Fig. 9 nicht dargestellt ist. Schließlich werden die Differenzvektoren Pd_1x_x und Pd_1_y bis Pd_N_x und Pd_N_y übertragen.

Claims

1. Verfahren zur datenkomprimierten Codierung eines Objekts, insbesondere eines Streckenabschnitts, das durch eine Kette der Koordinaten von Punkten des Objekts beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtlineare Koordinatentransformation durchgeführt wird, wobei die Koordinatenkette auf eine Einheitskoordinatenkette abgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatentransformation mit Hilfe eines Polynoms als Transformationsvorschrift durchgeführt wird und die Koeffizienten des Polynoms sowie die Differenzvektoren der transformierten Punkte (transformierte Koordinatenkette) die komprimierten Daten bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsvorschrift ein Polynom zweiten Grades ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transformierte Koordinatenkette (Pt) rücktransformiert wird und die rücktransformierte Koordinatenkette mit der Koordinatenkette verglichen wird und daß in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ein Vorzeichen für eine anschließende Decodierung abgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die codierten Daten folgende Elemente enthalten: absolute Koordinatenkette eines Bezugspunktes, Polynom-Koeffizienten, Vorzeichen und transformierte Koordinatenkette.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die transformierte Koordinatenkette und eine Differenz-Koordinatenkette jeweils die Fehlerenergie berechnet wird und daß diejenige Koordinatenkette mit der geringeren Fehlerenergie und ein Code-Bit in die codierten Daten eingefügt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Koordinatentransformation kartesische Koordinaten der Punkte durch komplexe Zahlen ersetzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Einheitskoordinatenkette eine aus einem Katalog mehrerer vorgeformter Koordinatenketten entnommenen Koordinatenkette verwendet wird und ein Kennzeichen der verwendeten Koordinatenkette in die codierten Daten eingefügt wird.

9. Verfahren zur datenkomprimierten Codierung eines Objekts, insbesondere eines Streckenabschnitts, das durch eine Kette der Koordinaten von Punkten des Objekts beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtlineare Koordinatentransformation durchgeführt wird, wobei eine Einheitskoordinatenkette auf die Koordinatenkette abgebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerenergie der Differenzvektoren der transformierten Koordinatenkette berechnet wird und daß bei einer Fehlerenergie, die größer als ein vorgegebener Wert ist, die Ordnung des Polynoms heraufgesetzt wird und eine erneute Transformation, Differenzbildung und Fehlerenergieberechnung erfolgen, bis die Fehlerenergie den vorgegebenen Wert nicht mehr überschreitet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Einheitskoordinatenkette eine aus einem Katalog mehrerer vorgeformter Koordinatenketten entnommenen Koordinatenkette verwendet wird, daß bei einer Fehlerenergie, die größer als ein vorgegebener Wert ist, mit einer anderen Koordinatenkette eine erneute Transformation, Differenzbildung und Fehlerenergieberechnung erfolgen, bis die Fehlerenergie den vorgegebenen Wert nicht mehr überschreitet, und daß ein Kennzeichen der zuletzt verwendeten Koordinatenkette in die codierten Daten eingefügt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitskoordinatenkette äquidistant ist.