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DE102013107719B4 - Verfahren und Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen

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DE102013107719B4
DE102013107719B4 DE102013107719.6A DE102013107719A DE102013107719B4 DE 102013107719 B4 DE102013107719 B4 DE 102013107719B4 DE 102013107719 A DE102013107719 A DE 102013107719A DE 102013107719 B4 DE102013107719 B4 DE 102013107719B4
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Abstract

Verfahren zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalwerten, welches von einer Vorrichtung zur verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression durchführbar ist, mit folgenden Schritten:
a) Unterteilen wenigstens eines zu komprimierenden Bildes in Blöcke von N*M Signalwerten;
b) Adaptives Ausführen einer ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf einen der N*M-Blöcke in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, wobei
eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den N*M-Block ausgeführt wird, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten, wobei
eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block angewandt wird, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln, und wobei
derjenige Ganzzahl transformierte Block als erster transformierter Block, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist, ausgewählt und weiterverwendet wird; und
c) Wiederholen des Schrittes b) für jeden N*M-Block des zu komprimierenden Bildes.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalwerten, welches von einer Vorrichtung zur verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression durchführbar ist, sowie eine Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen, welche Teil eines Quellencodierers sein kann.
  • Um Einzelbilder oder Bildsequenzen effizient übertragen oder speichern zu können, werden die Bildsignale einer Bilddatenkompression unterzogen, um die Menge zu speichernder oder zu übertragender Bilddaten zu reduzieren.
  • Bei der Bilddatenkompression spielt die Dekorrelation von Signalwerten eine wesentliche Rolle. Mit Hilfe der Dekorrelation können statistische Abhängigkeiten von Signalwerten aufgelöst werden. Typischerweise ist die Information eines Originalbildes bzw. Originalsignals auf alle Signalwerte, auch Pixel genannt, verteilt. Mit Hilfe von Dekorrelationsverfahren werden die Informationen eines Bildsignals auf wenige Signalwerte konzentriert, d. h. nach der Dekorrelation weisen einige Signalwerte eine hohe Amplitude auf, während möglichst viele Signalwerte nur noch betragsmäßig kleine Amplitudenwerte aufweisen.
  • Zur Dekorrelation können Prädiktionsverfahren und/oder Transformationsverfahren eingesetzt werden, wobei letztere beispielsweise durch Filterbankstrukturen realisiert werden können. Insbesondere die immer komplexeren Prädiktionsverfahren führten in der Vergangenheit zu einer enormen Leistungssteigerung der Bildsequenzkompression.
  • Standardisierte Verfahren zur Bildsequenzkompression sind beispielsweise in dem MPEG-2-Standard, auch als ISO-IEC13818/2-Standard bekannt, dem H.264-Standard, auch als ISO/IEC14496-10-Standard bekannt, und dem HEVC-Standard, auch als ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 Standard bekannt, definiert.
  • In dem Aufsatz „H.264-based Lossless Video Coding Using Adaptive Transforms” in IEEE International Conference an Acoustics, Speech, and Signal Processing, Proceedings (ICASSP '05), vol. 2, pp. 301–304, March 18–23, 2005 wird von S. Takamura et al. ein reversibles Videokodierverfahren beschrieben, welches eine adaptive Transformation mit H.264 Werkzeugen kombiniert.
  • Aus der US 2012/0008675 A1 ist ein Verfahren zum Kodieren von Videodaten bekannt, bei dem ein zweidimensionaler Block von Transformationskoeffizienten abgetastet wird, um einen eindimensionalen Transformationskoeffizientenvector zu erzeugen. Es werden Werte ermittelt, die anzeigen, ob die Transformationskoeffizienten in dem eindimensionalen Vector von Bedeutung sind. Zudem wird eine Entropiekodierung auf wenigstens einen Wert unter Verwendung eines Kontextmodels ausgeführt.
  • In dem Aufsatz „HEVC Lossless Coding and Improvements” in IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 22, no. 12, pp. 1839–1843, Dec. 2012 beschreiben M. Zhou et al. ein verlustloses Kodierungsverfahren gemäß dem HEVC-Standard, welches eine Transformation, Quantizierung und In-Loop-Filter umgeht.
  • In dem Aufsatz „Shape-Adaptive Reversible Integer Lapped Transform for Lossy-to-Lossless ROI Coding of Remote Sensing Two-Dimensional Images”, in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 8, no. 2, pp. 326–330, March 2011 beschreiben L. Jiao et al. ein SA-RLT-Verfahren, um Bilder zu komprimieren.
  • In dem Aufsatz „Directional Lapped Transforms for Image Coding”, IEEE Transactions on Image Processing, vol. 19, no. 1, pp. 85–97, Jan. 2010 beschreiben J. Xu et al. ein Verfahren zur blockbasierten Bildkompression.
  • In der Online-Bibliothek von Wikipedia ist unter der Adresse
    „http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=H.264/MPEG-4_AVC&oldid=564202076 ein Aufsatz über H.264/MPEG-4 AVC” zu finden.
  • Die standardisierten Verfahren zur Bildsequenzkompression arbeiten blockbasiert. Deshalb werden auch die Bilddaten blockbasiert dekorreliert. Ein Block kann entweder zeitlich prädiziert werden, wenn Informationen aus einem anderen Bild genutzt werden können, oder örtlich vorausgesagt werden. Prädiktionsverfahren für Videobilder sind z. B. aus der EP 0 632 657 B1 und der DE 697 36 654 T2 bekannt.
  • Die nach der Ausführung eines Prädiktionsverfahrens verbleibenden Prädiktionsfehler enthalten meist noch statistische Abhängigkeiten zwischen den Signalwerten. Deshalb kann zusätzlich eine Transformation des Prädiktionsfehlerblocks durchgeführt werden. Dies ist im MPEG-2-Standard eine diskrete Kosinus-Transformation (DCT). Bei der DCT-Transformation werden die transformierten Signalwerte anschließend quantisiert, wodurch Bildinformation irreversibel entfernt wird. Deshalb kann die DCT-Transformation ausschließlich bei eine verlustbehafteten Bilddatenkompression eingesetzt werden.
  • Aus der WO 00/46998 ist ein Verfahren zur DCT-Transformation eines beliebig geformten Ausschnitts eines Bildes bekannt, bei dem abhängig von einer Entscheidungseinheit eine vertikale Transformation und anschließend eine horizontale Transformation des Bildausschnitts oder umgekehrt zuerst eine horizontale Transformation und dann eine vertikale Transformation durchgeführt werden.
  • In den Standards IEC13818/2 und ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 werden aus der DCT abgeleitete Ganzzahl-Transformationen eingesetzt. Hierbei wird die Normierung der Signalwerte weggelassen, um ganze Zahlen wieder auf ganze Zahlen abbilden zu können. Die hierbei verwendeten Transformationsmatrizen verstärken die Signalwerte jedoch so stark, dass die verstärkten Signalwerte einer Quantisierung unterzogen werden müssen, um die Verstärkung wieder zu kompensieren. Die Quantisierung der Signalwerte führt jedoch zu einem irreversiblen Verlust an Bildinformation.
  • Für bestimmte Anwendungen oder bestimmte Bildinhalte ist es jedoch erforderlich, dass komprimierte Bildsignale in einem Decoder wieder vollständig, d. h. fehlerfrei rekonstruiert werden können. Dies bedeutet, dass die Kompression der Bilddaten verlustlos erfolgen muss, so dass das rekonstruierte Signal Bit für Bit mit dem Originalsignal identisch ist. Eine verlustlose Bilddatenkompression verlangt, dass alle Verarbeitungsschritte ganze Zahlen wieder auf ganze Zahlen abbilden und keine Quantisierung der Signalwerte erlaubt ist. Demzufolge müssen die bekannten Transformationsverfahren, wenn eine verluslose Bilddatenkompression benötigt wird, wegen der großen Signalverstärkung, die nicht durch eine Quantisierung kompensiert werden darf, abgeschaltet werden. Wird jedoch die Transformation abgeschaltet, verschlechtert sich dadurch der Dekorrelationsgrad und die Kompressionseffizienz sinkt.
  • Angemerkt sei, dass auch in nahezu verlustlosen Bilddaten-Kompressionssystemen die bekannten Transformationen abgeschaltet werden müssen. Ein nahezu verlustloses Kompressionssystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine definierte Änderung von Signalwerten, wie z. B. ±1 oder ±2 erlaubt ist. Die Signalwerte können zum Beispiel im Zusammenhang mit einer Prädiktion definiert begrenzt werden, wie dies im ISO/IEC 14495-1 Standard beschrieben ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgaben zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen zur Verfügung zu stellen, welche bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression ohne Verschlechterung der Dekorrelation angewendet bzw. verwendet werden können.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Transformationsverfahren adaptiv auszuwählen, welches den Dynamikbereich der transformierten Signalwerte nicht oder nur in dem Maße vergrößert, dass die Kompressionseffizienz im Wesentlichen nicht sinkt. Insbesondere wird dies mit einer Transformation erreicht, die anstelle einer Transformationsmatrix lineare Zuweisungsoperationen verwendet, die benachbarte Signalwerte in einer Spalte und/oder einer Zeile eines Blocks berücksichtigt.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtpunkt, können innerhalb einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkommpression blockweise angeordnete Signalwerte sowohl mittels eines Prädiktionsverfahrens als auch mittels eines adaptiv ausgewählten Transformationsverfahrens dekorreliert werden.
  • Insbesondere werden bei dem Prädiktionsverfahrens die Signalwerte eines Blocks auf ganze Zahlen, welche in definierten Grenzen schwanken dürfen, abgebildet. Die Prädiktionsfehler behafteten Signalwerte werden dann adaptiv in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Transformation unterzogen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass eine Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen bei einer verlustlosen, nahezu verlustlosen oder einer verlustbehafteten Bilddatenkompression eingesetzt werden kann.
  • Das oben genannte technische Problem wird mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst.
  • Danach wird ein Verfahren zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte aufweist:
    • a) Unterteilen eines zu komprimierenden Bildes bzw. Bildsignals in Blöcke von NxM Signalwerten;
    • b) Adaptives Ausführen einer ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf einen der N*M-Block in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter um einen ersten transformierten Block zu erhalten, wobei eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den N*M-Block ausgeführt wird, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten, wobei eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block angewandt wird, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln, und wobei derjenige Ganzzahl transformierte Block als erster transformierter Block, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist, ausgewählt und weiterverwendet wird; und
    • c) wiederholen des Schrittes b) für jeden N*M-Block eines zu komprimierenden Bildes oder einer zu komprimiereden Bildsequenz.
  • Auf diese Weise kann bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression ein hoher Dekorrelationsgrad bezüglich der blockbasierten Signalwerte erzielt werden, ohne dass die Kompressionseffizienz sinkt.
  • Vorteilhafterweise kann die Kostenfunktion neben dem Informationsgehalt auch den Aufwand zur Signalisierung der ausgewählten Ganzzahl-Transformation an einen Dekoder berücksichtigen. Unter Aufwand ist die Anzahl an Bits gemeint, mit der die ausgewählte Ganzzahl-Transformation bzw. der ausgewählte transformierte Block an den Dekoder signalisiert werden kann.
  • Um eine bessere Dekorrelationseffizienz erhalten zu können, kann nach Ausführung des Schrittes a) ein Prädiktionsverfahrens auf den N*M-Block angewandt werden, wobei jeder Signalwert des Blocks auf eine ganze Zahl abgebildet wird, wodurch ein Schätzfehler-Block, auch Prädiktionsfehler-Block genannt, gebildet wird. In diesem Fall wird in Schritt b) eine ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf den Schätzfehler-Block in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter adaptiv ausgeführt, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, und in Schritt c) wird das Prädiktionsverfahren und Schritt b) für jeden Block des zu komprimierenden Bildes wiederholt.
  • Die Kostenfunktion liefert, da sie die Verstärkung der Signalwerte durch die ausgeführte 1D- oder 2D-Transformation mit berücksichtig, eine Aussage über das Verhältnis von Dekorrelationseffekt zu dem Effekt der Verstärkung. Ist das Verhältnis größer als 1, kann auf den jeweiligen N*M Block oder Schätzblock eine 2D-Transformation ausgeführt werden.
  • Da jeder Verarbeitungsschritt ganze Zahlen wieder auf ganze Zahlen abbildet, und insbesondere keine Quantisierung der Signalwerte erfolgt, können Bilder verlustlos oder nahezu verlustlos komprimiert werden, ohne dass die Dekorrelationseffizienz sinkt.
  • Angemerkt sei, dass ein NxM Block einen Block, der eine einzige Spalte von M Signalwerten mit N = 1 und M > 1, einen Block, der eine einzige Zeile von N Signalwerten mit N > 1 und M = 1, oder einen beliebigen rechteckigen Block von NxM Signalwerten mit N > 1 und M > 1 definieren kann.
  • Unter einer 1D-Transformation wird eine horizontale oder vertikale Transformation verstanden, während bei einer 2D-Transformation eine vertikale und horizontale Transformation durchgeführt wird.
  • Um bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression eine Transformation nicht abschalten zu müssen, können in Schritt c) die Signalwerte des jeweiligen N*M-Blocks oder Schätzfehler-Blocks zeilenweise und/oder spaltenweise in einer vorbestimmten Reihenfolge transformiert. Hierbei können benachbarte Signalwerte einer Zeile und/oder einer Spalte des N*M-Blocks oder Schätzfehler-Blocks unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperationen, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen, transformiert werden. Benachbarte Signalwerte können unmittelbar aneinander angrenzende Signalwerte sein, oder solche, die in derselben Zeile oder derselben Spalte enthalten sind.
  • Zweckmäßiger Weise werden die jeweils einer Zeile oder Spalte zugeordneten Zuweisungsvorschriften in einer vorbestimmten Reihenfolge ausgeführt.
  • Die Zuweisungsoperationen sind so zu wählen, dass bei der Transformation die Signalwerte nur mit einem derart kleinen Verstärkungsfaktor modifiziert werden, dass die Transformation bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression nicht abgeschaltet werden muss. Ist nämlich die Verstärkung zu groß, wird der Dekorrelationsgewinn durch die zu große Verstärkung der Signalwerte und ein damit einhergehendes Sinken des Komprimierungseffekts kompensiert. Bei einer 1D-Transformation sind maximale Verstärkungsfaktoren von 2 wünschenswert, während bei einer 2D-Transforamtion ein maximaler Verstärkungsfaktor von 4 nicht überschritten werden sollte. Allerdings hängt ein zulässiger Verstärkungsfaktor unter Anderem von der Bildart und dem Anwendungsgebiet ab.
  • Die Ausführung der Ganzzahl-Transformation auf einen N*M-Block oder Schätzfehler-Block kann auch kaskadiert ausgeführt werden. Das bedeutet, dass, in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Bedingung, nach Ausführung des Schrittes b) Signalwerte an vorbestimmten Positionen des ersten Ganzzahl transformierten Blocks zu einem KxL Block mit reduzierter Größe angeordnet werden können, dass auf den Block mit reduzierter Größe eine Transformation, vorzugsweise ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter ausgeführt wird, und dass die vorbestimmten Signalwerte des ersten transformierten Blocks durch die entsprechenden Signalwerte des transformierten Blocks mit reduzierter Größe überschrieben bzw. ersetzt werden.
  • Die Kaskadierung der Transformation kann auch mit dem transformierten Block reduzierter Größe in gleicher Weise fortgesetzt werden.
  • Das Verfahren kann effizienter gestaltet werden, wenn die auf einen N*M-Block oder Schätzfehler-Block ausgeführte ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf vorbestimmte, nachfolgende Blöcke des zu komprimierenden Bildes durchgeführt werden. Denkbar ist hierbei, dass benachbarte Blöcke des zu komprimierenden Bildes in Abhängigkeit von ihrer stochastischen Bindung mit derselben ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation modifiziert werden.
  • Vorteilhafter Weise können die Schritte a) bis c) für jedes zu komprimierende Bild ausgeführt werden.
  • Bei den zu komprimierenden Bildern kann es sich um Einzelbilder oder um Bildsequenzen handeln.
  • Das oben genannte technische Problem kann auch durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst werden.
  • Danach wird eine Vorrichtung zur blockbasierten Dekorrelation geschaffen, welche
    eine erste adaptive Transformationseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter auf einen Block eines zu komprimierenden Bildes auszuführen, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, wobei die erste adaptive Transformationseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den Block des zu komprimierenden Bildes auszuführen, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten,
    wobei eine Auswerte- und Auswahleinrichtung vorgesehen und dazu ausgebildet ist, jeweils eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block auszuführen, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln und denjenigen Ganzzahl transformierten Blocks als ersten transformierten Block auszuwählen, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist.
  • Um eine Kaskadierung der Transformation durchführen zu können, kann die Vorrichtung folgende Merkmale aufweisen:
    eine Erkennungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Signalwerte an vorbestimmten Positionen innerhalb des ersten transformierten Blocks zu erkennen und/oder auszulesen, und die ferner dazu ausgebildet sein kann, zu entscheiden, ob aus den erkannten Signalwerten ein Block reduzierter Größe erzeugbar ist,
    einen Blockgenerator, der dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die Erkennungseinrichtung aus den Signalwerten an den vorbestimmten Positionen des ersten transformierten Blocks einen Block reduzierter Größe zu bilden,
    eine zweite adaptive Transformationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter auf den Block reduzierter Größe eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auszuführen, und
    eine Substitutionseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Signalwerte an den vorbestimmten Positionen des ersten transformierten Blocks durch die entsprechenden Signalwerte des transformierten Blocks reduzierter Größe zu überschreiben.
  • In vorteilhafter Weise können die erste adaptive Transformationseinrichtung und/oder die zweite adaptive Transformationseinrichtung jeweils dazu ausgebildet sein, die Signalwerte des Blocks bzw. des Blocks reduzierter Größe zeilenweise und/oder spaltenweise zu transformieren, wobei benachbarte Signalwerte einer Zeile und/oder benachbarte Signalwerte einer Spalte des Blocks bzw. des Blocks reduzierter Größe unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperationen, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen, transformiert werden.
  • Vorteilhafter Weise kann auch die zweite adaptive Transformationseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den Block reduzierter Größe auszuführen, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten. Zudem kann eine Auswerte- und Auswahleinrichtung vorgesehen und dazu ausgebildet sein, jeweils eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block auszuführen, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln, und denjenigen Ganzzahl transformierten Blocks als transformierten Block reduzierter Größe auszuwählen, dessen Informationsgehalt am kleinsten ist.
  • Die Vorrichtung kann ferner eine der ersten adaptiven Transformationseinrichtung vorgeschaltete Prädiktionseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, ein Prädiktionsverfahren auf jeden Block des zu komprimierenden Bildes auszuführen, wobei jeder Signalwert des jeweiligen Blocks auf eine ganze Zahl abgebildet werden kann.
  • Ferner kann die Vorrichtung eine Segmentationseinrichtung aufweisen, die zum Unterteilen wenigstens eines zu komprimierenden Bildes in Blöcke von N*M Signalwertenausgebildet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein System zur Bilddatenübertragung mit einem Quellencodierer, in welchem die Erfindung verwirklicht ist, und
  • 2 eine kaskadenförmige Erweiterung der in 1 gezeigten Transformationsstufe;
  • 3 einen 4x4-Block mit den Signalwerten a bis p,
  • 4a den in 3 gezeigten 4x4-Block mit maximal möglichen Verstärkungsfaktoren nach einer vertikalen Transformation,
  • 4b den in 3 gezeigten 4x4-Block mit maximalen Verstärkungsfaktoren nach einer horizontalen Transformation,
  • 5a den in 3 gezeigten 4x4-Block mit den maximalen Verstärkungsfaktoren nach einer 2D-Transformation,
  • 5b einen 2x2-Block, der aus dem in 5a gezeigten 4x4-Block gebildet worden ist.
  • 1 zeigt das Blockschaltbild eines beispielhaften Übertragungssystems 10 zur Übertragung von Einzelbildern oder Bildsequenzen von einer Sendeeinrichtung zu einem Empfänger 70.
  • Die Sendeeinrichtung kann einen Quellencodierer und zweckmäßigerweise einen an sich bekannten Kanalcodierer 60 aufweisen. Die Aufgabe des Quellencodierers liegt insbesondere darin, zu übertragende Bildsignale zu komprimieren, wobei ein Kernelement der Bilddatenkompression die Dekorrelation von Signalwerten der zu übertragenden Bildsignale betrifft, der nachfolgend das Hauptaugenmerk gilt. 1 zeigt eine beispielhafte Dekorrelationsvorrichtung 15 zur blockbasierten Dekorrelation von Signalwerten.
  • Die Sendeeinrichtung weist eine Segmentationseinrichtung 20 auf, die, wie dargestellt, Teil der Dekorrelationsvorrichtung 15 sein kann. Die Segmentationseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, die beispielsweise von einer digitalen Kamera (nicht dargestellt) kommenden Bildsignale in Blöcke von NxM Signalwerten, auch Pixel genannt, zu unterteilen. Mit anderen Worten wird jedes empfangene Bildsignal, gleichgültig ob es sich um ein Einzelbild oder Bildsequenzen handelt, in mehrere NxM-Blöcke unterteilt. Obwohl Blöcke beliebiger Größe von der Dekorrelationseinrichtung 15 verarbeitet werden können, werden nachfolgend beispielhafte 4x4-Blöcke betrachtet.
  • Die Segmenationseinrichtung 20 ist mit einem Prädiktor 30 verbunden, der auf jeden NxM-Block eines zu komprimierenden Bildes ein vorbestimmtes Prädiktionsverfahren ausführt. Der Prädiktor 30 führt entweder eine zeitliche Prädiktion oder eine örtliche Prädiktion auf die NxM-Blöcke aus. Bei der Prädiktion wird jeder Signalwert eines NxM-Blocks auf eine ganze Zahl abbildet, so dass am Ausgang des Prädiktors 30 ein Schätzfehler-Block von NxM Schätzfehler-Signalwerten anliegt. Der Prädiktor 30 ist an sich bekannt.
  • Jeder NxM-Schätzfehler-Block eines zu komprimierenden Bildes wird vom Prädiktor 30 einer Ganzzahl-Transformationsstufe 50 zugeführt, welche dazu ausgebildet ist, eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf einen empfangenen Schätzfehler-Block adaptiv auszuführen. Die Ganzzahl-Transformationsstufe 50 weist vorzugsweise eine Transformationseinrichtung 52 zur horizontalen Ganzzahl-Transformation sowie eine Transformationseinrichtung 54 zur vertikalen Ganzzahl-Transformation auf. Die Transformationsstufe 50 und deren Funktion können von einem Entscheider 40 gesteuert werden, der symbolisch durch zwei Schalter 41 und 42 und eine Logikeinrichtung 43 dargestellt ist.
  • Sind die beiden Schalter 41 und 42 geöffnet, wie 1 zeigt, führt die Transformationsstufe 50 auf einen anliegenden Schätzfehler-Block eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation durch, da die Signalwerte des anliegenden Schätzfehler-Blocks zeilenweise und anschließend spaltenweise transformiert werden. Angemerkt sei an dieser Stelle, dass der Entscheider 40 auch die Reihenfolge der Durchführung einer horizontalen- und vertikalen Transformation steuern kann. Die Wahl der Reihenfolge muss dem Empfänger 70 signalisiert werden.
  • Ist nur der Schalter 41 geschlossen, wird ein anliegender Schätzfehler-Block zur Transformationseinrichtung 54 weitergeleitet und die Transformationsstufe 50 führt eine vertikale 1D-Transformation durch. Ist hingegen nur der Schalter 42 geschlossen, wird ein anliegender Schätzfehler-Block zur Transformationseinrichtung 52 weitergeleitet und die Transformationsstufe 50 führt eine horizontale 1D-Transformation durch.
  • Die Transformationseinrichtung 52 kann dazu ausgebildet sein, benachbarte Signalwerte jeder Zeile eines empfangenen Schätzfehler-Blocks unter Anwendung einer vorbestimmten Zuweisungsoperation, insbesondere einer linearen Zuweisungsoperation, zu transformieren. In ähnlicher Weise kann die Transformationseinrichtung 54 dazu ausgebildet sein, benachbarte Signalwerte jeder Spalte des anliegenden Schätzfehler-Blocks unter Anwendung einer vorbestimmten Zuweisungsoperation, insbesondere einer linearen Zuweisungsoperation, zu transformieren. Die genaue Funktionsweise der Transformationsstufe 50 wird weiter unten anhand beispielhafter linearer Zuweisungsoperationen erläutert.
  • Die Logikeinrichtung 43 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vorbestimmter Kriterien zu entscheiden, ob eine vertikale 1D-Transformation, eine horizontale 1D-Transformation, eine horizontale und vertikale 2D-Transformation, oder keine Transformation auf die Signalwerte eines anliegenden Schätzfehler-Block ausgeführt werden soll. In Abhängigkeit der Entscheidung der Logikeinrichtung 43 werden die Schalter 41 und 42 entsprechend geöffnet und geschlossen. Bei den vorbestimmten Kriterien kann es sich um einen blockbasierten Parameter, insbesondere den Verstärkungsfaktor, den Informationsgehalt und/oder die Gesamtenergie eines Schätzfehler-Blocks nach der Durchführung einer Transformation handeln.
  • Gemäß einer vorteilhaften Implementierung steuert der Entscheider 40 die beiden Transformationseinrichtungen 52 und 54 derart an, dass eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf einen ankommenden Schätzfehler-Block ausgeführt wird, wodurch ein horizontal transformierter Block, ein vertikal transformierter Block und ein zweidimensional transformierter Block hinsichtlich des Schätzfehler-Blocks gebildet wird. Somit wird jeder NxM-Schätzfehler-Block von der Transformationsstufe 50 in drei transformierte NxM-Blöcke umgeformt.
  • Die Logikeinrichtung 43 kann dazu ausgebildet sein, für jeden der drei transformierten Blöcke eines Schätzfehler-Blocks eine Kostenfunktion C zu berechnen, welche den Informationsgehalt I(Block, Modus) jedes transformierten Blocks berücksichtigt. Die Logikeinrichtung 43 kann ferner dazu ausgebildet sein, neben dem Informationsgehalt jedes transformierten Blocks auch den Aufwand R, der zur Signalisierung der ausgewählten Ganzzahl-Transformation an den Empfänger 70 benötigt wird, zu berücksichtigen. Der Informationsgehalt für jeden der drei transformierten Blöcke kann von der Logikeinrichtung 43 wie folgt berechnet werden:
    Figure DE102013107719B4_0002
  • Die gesamte Kostenfunktion ergibt sich dann zu C(I(Block, Modus) + λR, wobei der Begriff „Modus” anzeigt, ob es sich um einen horizontalen, vertikalen oder zweidimensional transformierten Block handelt. Lambda (λ) wird auch als Lagrange-Faktor bezeichnet, der theoretisch mittels Extremwertberechnung ermittelt werden kann, indem das Minimum der Kostenfunktion C berechnet wird. Praktische Maßnahmen zur Ermittlung des Lagrange-Faktors sind hinlänglich bekannt.
  • In der Kostenfunktion C bedeutet si einen von K unterschiedlichen, konkreten Signalwerten innerhalb eines transformierten NxM Blocks, der c(si) mal in dem jeweiligen transformierten Block vorkommt.
  • Ausgewählt wird von der Logikeinrichtung 43 dann derjenige transformierte Block, für den die Kostenfunktion C das kleinste Ergebnis liefert.
  • Vereinfacht kann angenommen werden, dass der Aufwand R im vorliegenden Beispiel zur Signalisierung einer Transformation genau zwei Bits beträgt:
    00 → keine Transformation
    01 → nur horizontale Transformation
    10 → nur vertikale Transformation
    11 → 2D-Transformation.
  • Damit ist der Aufwand zur Signalisierung der verwendeten Transformation konstant und kann aus der Kostenminimierung herausgenommen werden. Denn jeder transformierte Block wird automatisch mit zwei zusätzlichen Bits belastet, die der Entscheider 40 benötigt, um dem Empfänger 70 die ausgewählte Transformation zu signalisieren. Diese Signalisierung ist in 1 durch eine gestrichelte Linie 80 symbolisiert.
  • Demzufolge bestimmt die Logikeinrichtung 43 lediglich den Informationsgehalt I für den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den 2D-transformierten Block und vergleicht die Ergebnisse miteinander. Der Transformationsmodus, der zum kleinsten Informationsgehalt innerhalb eines transformierten Blocks führt, wird dann verwendet. Dies bedeutet, dass der transformierte Block mit dem kleinsten Informationsgehalt an den Kanalcodierer 60 weitergegeben wird. Kleinster Informationsgehalt bedeutet, dass die Signalwerte in dem dazugehörenden transformierten Block die niedrigste stochastische Abhängigkeit zueinander aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Logikeinrichtung 43 derart implementiert sein, dass sie für jeden transformierten Block des Schätzfehler-Blocks eine Kostenfunktion anwenden kann, welche die Gesamtenergie des jeweiligen transformierten Blocks berücksichtigt. Hierzu können die transformierten Signalwerte jedes transformierten Blocks quadriert und summiert werden. Der transformierte Block mit der niedrigsten Gesamtenergie wird dann zur Weiterverarbeitung ausgewählt und zum Kanalcodierer 60 weitergeleitet.
  • Der Entscheider 40 bzw. die Logikeinrichtung 43 kann ferner dazu ausgebildet sein, eine 1D- oder 2D-Transformation in Abhängigkeit von bereits verarbeiteten Blöcken in der Nachbarschaft auszuwählen. Die Abhängigkeit von Blöcken kann dazu genutzt werden, den Aufwand zur Signalisierung der ausgewählten Transformation zu senken. Maßnahmen, mit denen abhängige Blöcke ermittelt werden können, sind bekannt. Eine mögliche Methode zur Berechnung der Blockabhängigkeit bildet die bedingte Wahrscheinlichkeit. Mittels der an sich bekannten Entropiecodierung können kurze Codewörter erzeugt werden, die den Signalisierungsaufwand reduzieren.
  • Die in 1 gezeigte Transformationsstufe 50 kann für eine Kaskadierung der Transformation eines NxM-Schätzfehler-Blocks erweitert werden, wie dies beispielhaft in 2 gezeigt ist.
  • Um einen transformierten NxM-Block einer kaskadenartigen Transformation zu unterziehen, kann der Ausgang der Transformationsstufe 50 über einen Schalter 94 mit dem Kanalcodierer 60 und parallel über einen Schalter 90 mit einem Blockgenerator 100 verbunden werden. Der Blockgenerator 100 ist dazu ausgebildet, Signalwerte, die an vorbestimmten Positionen des transformierten NxM-Blocks stehen, zu erkennen und/oder auszulesen und zu einem neuen KxL-Block zusammenzufassen, der folglich weniger Signalwerte als der transformierte NxM-Block enthält. Bei den Signalwerten kann es sich um Signalwerte handeln, die beispielsweise mit einem Verstärkungsfaktor von 1 verstärkt worden sind.
  • Denkbar ist, dass der Blockgenerator 100 vom Entscheider 40 die Signalwerte bzw. Positionen der Signalwerte in dem NxM-Block, die einen KxL-Block reduzierter Größe bilden sollen, mitgeteilt bekommt. In diesem Fall kann der Entscheider 40 die Funktion einer Erkennungseinrichtung übernehmen, die dazu ausgebildet ist, Signalwerte an vorbestimmten Positionen innerhalb des transformierten NxM-Blocks zu erkennen und zu entscheiden, ob aus den erkannten Signalwerten ein Block reduzierter Größe gebildet werden kann oder soll. Der neue Block reduzierter Größe enthält KxL Signalwerte, die wiederum einer horizontalen- und/oder vertikalen Transformationsstufe 120 zugeführt werden können, die im Aufbau und der Funktionsweise der Transformationsstufe 50 entsprechen kann.
  • Am Ausgang der Transformationsstufe 120 erscheint dann ein transformierter KxL-Block. Bei dem erläuterten Beispiel ist der Entscheider 40 auch mit der Transformationsstufe 120 verbunden und dazu ausgebildet, die gleichen Aufgaben auszuführen wie hinsichtlich der Transformationsstufe 50.
  • Der Entscheider 40 kann ferner dazu ausgebildet sein, zum Beispiel den Dekorrelationsgrad oder Informationsgehalt des transformierten KxL-Blocks zu ermitteln und zu veranlassen, dass der transformierte KxL-Block über einen Schalter 96 dem Blockgenerator 100 zugeführt wird, wenn zum Beispiel der Dekorrelationsgrad oder Informationsgehalt des transformierten KxL-Blocks einen vorbestimmten Schwellenwert unter- bzw. überschreitet, d. h. zwischen den Signalwerten noch eine relevante stochastische Abhängigkeit besteht, die reduziert werden könnte. Auf diese Weise wird auch der transformierte KxL-Block reduziert und anschließend in der Transformationsstufe 120 transformiert. Dieses Prozedere kann mehrmals wiederholt werden.
  • Die Transformationsstufe 120 ist mit einem Eingang einer Substitutionseinrichtung 130 verbunden. An diesen Eingang übergibt die Transformationsstufe 120 den ausgewählten transformierten KxL-Block. Über einen Schalter 92 ist der Ausgang der Transformationsstufe 50 mit einem weiteren Eingang der Substitutionseinrichtung 130 verbunden, an den der ausgewählte transformierte NxM-Block der Transformationsstufe 50 übergeben wird. Die Substitutionseinrichtung 120 ist dazu ausgebildet, dafür zu sorgen, dass die neu transformierten Signalwerte des transformierten KxL-Blocks die Signalwerte des transformierten NxM-Blocks an den entsprechenden Positionen überschreiben. Für den oben erwähnten Fall, dass auch der transformierte KxL-Block dem Blockgenerator 100 und der Transformationsstufe 120 zugeführt wird, veranlasst die Substitutionseinrichtung 130, dass zum Beispiel zuerst die neu transformierten Signalwerte die Signalwerte des transformierten KxL-Blocks an den entsprechenden Positionen überschreiben und anschließend die neu transformierten Signalwerte des transformierten KxL-Blocks die Signalwerte des transformierten NxM-Blocks an den entsprechenden Positionen überschreiben.
  • Die Schalter 90, 92, 94 und 96 können vom Entscheider 40 angesteuert werden, um eine nicht kaskadierte, eine einmalige oder mehrmalige, kaskadierte Transformation zu steuern. Der Entscheider 40 kann deshalb als ein Funktionsblock betrachtet werden, der auch Auswerte- und Steueraufgaben übernimmt.
  • In 2 sind die Schalter 90 und 92 geschlossen, während die Schalter 94 und 96 geöffnet sind. Folglich wird eine kaskadierte Transformation auf den transformierten NxM-Block ausgeführt.
  • Ein im Empfänger 70 implementierter Quellendekodierer (nicht dargestellt) ist dazu ausgebildet, die von der Sendeeinrichtung übertragenen und im Empfänger 70 wieder blockweise zusammengefassten Bits zu decodieren, um aus den transformierten NxM-Blöcken das Originalbild bzw. die Originalbilder wieder verlustfrei oder nahezu verlustfrei rekonstruieren zu können. Hierzu werden die in den Transformationsstufen 50 und 120 ausgeführten Transformation im Quellendecodierer invers ausgeführt.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise des in den 1 und 2 dargestellten Bilddatenübertragungssystems 10 näher erläutert.
  • Angenommen sei, dass der in den 1 und 2 gezeigte Quellenkodierer eine verlustlose Bilddatenkompression durchführt. Weiterhin sei angenommen, dass die Segmentationseinrichtung 20 jedes empfangene digitale Bild in mehrere 4x4-Blöcke unterteilt, welche dem Prädiktor 30 zugeführt werden. Der Prädiktor 30 kann in an sich bekannter Weise aus jedem empfangenen 4x4-Block einen 4x4-Schätzfehler-Block mit 16 Signalwerten a bis p erzeugen. Ein solcher Block ist in 3 dargestellt. Der in 3 dargestellte Schätzfehler-Block bildet vorzugsweise das Ergebnis einer zeitlichen oder örtlichen Prädiktion durch den Prädiktor 30. Um eine verlustlose oder nahezu verlustlose Bilddatenkompression zu ermöglichen, bildet der Prädiktor 30 jeden der vorhergesagten Signalwerte a bis q auf eine ganze Zahl ab.
  • Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur die Verarbeitung eines 4x4-Schätzfehlerblocks eines zu komprimierenden Bildes erläutert.
  • Der in 3 dargestellte Schätzfehler-Block wird nunmehr der Transformationsstufe 50 zugeführt. Um eine adaptive Ausführung einer ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf den Schätzfehler-Block zu starten, sei angenommen, dass zunächst der Entscheider 40 lediglich den Schalter 42 schließt, um eine horizontale Transformation mit Hilfe der Transformationseinrichtung 52 durchzuführen.
  • Die Transformationseinrichtung 52 führt eine horizontale Transformation durch, bei der die Signalwerte des 4x4-Schätzfehler-Blocks zeilenweise transformiert werden, wobei vorteilhafter Weise benachbarte Signalwerte einer Zeile unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperation, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen transformiert werden. Die Transformation erfolgt somit auf Basis einer sequentiellen Verarbeitung der Signalwerte jeder Zeile. Die Transformationseinrichtung 52 ist dazu ausgebildet, beispielsweise die Signalwerte a bis d der ersten Zeile des in 3 gezeigten Schätzblocks unter Anwendung der nachfolgenden linearen Zuweisungsoperationen zu transformieren: b ← b – (a + c)/2 d ← d – (c + c)/2 = d – c a ← a + (b + b + 2)/4 oder a ← a + (b + 2)/4 c ← c + (b + d + 2)/4
  • Die erste Zuweisungsoperation bedeutet, dass der Signalwert b durch den neuen Signalwert, d. h. den transformierten Signalwert b – (a + c)/2 ersetzt wird. In ähnlicher Weise werden die Signalwerte d, a und c durch neue Signalwerte entsprechend der jeweiligen Zuweisungsoperation ersetzt. Im vorliegenden Beispiel ist wichtig, dass die angegebenen Zuweisungsoperationen in der angegebenen Reihenfolge ablaufen müssen, da die dritte Zuweisungsoperation schon den veränderten Wert von b verwendet. Wie man sieht, hängt die Transformation bzw. Modifikation jedes Signalwertes von linken und/oder rechten Nachbarsignalwerten ab. Befindet sich ein Signalwert, wie beispielsweise der Signalwert a am Rande des Schätzfehler-Blocks, gibt es lediglich einen rechten Nachbarwert, der dann aber beispielsweise doppelt berücksichtigt werden kann. Leicht ist zu erkennen, dass mit dem Ansatz linearer Zuweisungsoperationen eine horizontale Transformation für beliebige Blockbreiten möglich ist.
  • Angenommen sei beispielsweise, dass der originale Wertebereich der Signalwerte eines zu komprimierenden Bildes von 0 bis 7 reicht. Für ein konstantes Signal, dessen Ortsfrequenz gleich 0 ist und die Signalwerte der ersten Zeile des zu transformierenden 4x4-Blocks a = b = c = d = 7 betragen, lauten die transformierten Signalwerte: b = 0, d = 0, a = 7 und c = 7. Der Wertebereich der transformierten Signalwerte von a und c hat sich also nicht vergrößert.
  • Für ein Signal mit maximaler Ortsfrequenz können die Signalwerte a bis d der ersten Zeile folgende Wert annehmen: a = 7, b = 0, c = 7, d = 0. Die transformierten Signalwerte lauten dann wie folgt: b = –7, d = –7, a = 4 und c = 4. Das bedeutet, dass sich der Wertebereich für die Signalwerte b und d nach der Transformation verdoppelt hat.
  • Nunmehr betrachten wir die linearen Zuweisungsoperationen für die zweite Zeile des in 3 gezeigten 4x4-Blocks, welche analog zu den Zuweisungsoperationen für die erste Zeile definiert werden können und beispielsweise wie folgt lauten: f ← f – (e + g)/2 h ← h – (g + g)/2 = h – g e ← e + (f + f + 2)/4 oder e ← e + (f + 2)/4 g ← g + (f + h + 2)/4
  • Mit diesen linearen Zuweisungsoperationen wird die zweite Zeile des in 3 gezeigten Schätzfehler-Blocks für die Signalwerte e bis h in der Transformationseinrichtung 52 horizontal transformiert.
  • Die horizontale Transformation der dritten Zeile für die Signalwerte i bis l und der vierten Zeile für die Signalwerte m bis p erfolgt in Analogie zur ersten und zweiten Zeile.
  • In 4b sind die maximal resultierenden Verstärkungsfaktoren, auch Einzelverstärkung genannt, der Signalwerte a bis q bezogen auf Prädikationsfehler mit einer Ortsfrequenz von 0 oder der maximalen Ortsfrequenz dargestellt, die sich bei einer horizontalen Transformation mit den zuvor angegebenen Zuweisungsoperationen ergeben.
  • Die beispielhaft angegebenen Zuweisungsoperationen stellen sicher, dass bei einer horizontalen Transformation der maximale Einzelverstärkungsfaktor nur 2 beträgt. Dies ist ein ausreichend kleiner Verstärkungsfaktor, der eine blockbasierte Transformation auch bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression erlaubt.
  • Der von der Transformationseinrichtung 52 transformierte 4x4-Block kann in einem Speicher (nicht dargestellt) zwischengespeichert werden.
  • Nunmehr schließt der Entscheider 40 den Schalter 41 und öffnet den Schalter 42, sodass der 4x4-Schätzfehler-Block die Transformationseinrichtung 54 durchläuft und folglich einer vertikalen Transformation unterzogen wird.
  • Die Transformationseinrichtung 54 führt eine vertikale Transformation durch, bei der die Signalwerte des 4x4-Schätzfehler-Blocks spaltenweise transformiert werden, wobei vorteilhafter Weise benachbarte Signalwerte einer Spalte unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperation, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen transformiert werden. Die Transformation erfolgt somit auf Basis einer sequentiellen Verarbeitung der Signalwerte jeder Spalte. Die Transformationseinrichtung 54 ist dazu ausgebildet, beispielsweise die Signalwerte a bis m der ersten Spalte des in 3 gezeigten Schätzblocks unter Anwendung der nachfolgenden linearen Zuweisungsoperationen zu transformieren: e ← e – (a + i)/2 m ← m – i a ← a + (e + 2)/4 i ← i + (e + m + 2)/4.
  • Die Zuweisungsoperationen müssen in dieser Reihenfolge abgearbeitet werden, da die dritte Zuweisungsoperation bereits den veränderten Signalwert von e verwendet. Die vertikale Transformation der Signalwerte hängt jeweils von den Nachbarwerten ab, die über oder unter dem jeweiligen, zu ersetzenden Wert angeordnet sind. Mit Hilfe der beispielhaften linearen Zuweisungsoperation kann die Transformationseinrichtung 54 vertikale Transformationen für beliebige Blockhöhen, d. h. Spaltenlänge durchführen.
  • Die weiteren drei Spalten des in 3 dargestellten Blocks können mit linearen Zuweisungsoperationen transformiert werden, deren Strukturen den Zuweisungsoperationen für die erste Spalte entsprechen.
  • In 4a sind die maximal möglichen Einzelverstärkungsfaktoren bezogen auf einen Prädiktionsfehler mit einer Ortsfrequenz gleich 0 oder einer maximalen Ortsfrequenz gezeigt, mit denen die Signalwerte des in 3 gezeigten Schätzfehler-Blocks maximal verstärkt werden können.
  • Die beispielhaft angegebenen Zuweisungsoperationen stellen sicher, dass bei einer vertikalen Transformation der maximale Einzelverstärkungsfaktor nur 2 beträgt. Dies ist ein ausreichend kleiner Verstärkungsfaktor, der eine blockbasierte Transformation auch bei einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression erlaubt.
  • Nach einer vertikalen Transformation aller Spalten des in 3 dargestellten Schätzfehler-Blocks durch die Transformationseinrichtung 54 ergibt sich ein transformierter Block mit 4x4 transformierten Signalwerten, der in einem Speicher (nicht dargestellt) zwischengespeichert werden kann.
  • Nunmehr öffnet der Entscheider auch den Schalter 42, so dass der am Eingang der Transformationsstufe 50 anliegende Schätzfehler-Block sowohl die Transformationseinrichtung 52 als auch die Transformationseinrichtung 54, oder in umgekehrter Reihenfolge zunächst die Transformationseinrichtung 54 und dann die Transformationseinrichtung 52 durchläuft. Auf diese Weise wird auf den 4x4-Schätzfehler-Block eine 2D-Transformation, d. h. eine vertikale und eine horizontale Transformation durchgeführt. Mathematisch betrachtet bedeutet eine 2D-Transformation, dass nacheinander eine horizontale und eine vertikale Transformation ausgeführt wird, was dazu führt, dass die maximal möglichen Einzelverstärkungsfaktoren der in 4a und 4b gezeigten Blöcke multipliziert werden.
  • In 5a sind die maximal möglichen Verstärkungsfaktoren dargestellt, die sich bei einer 2D-Transformation des in 3 gezeigten Schätzfehler-Blocks ergeben. Wie 5a zeigt, können theoretisch die Signalwerte f, h, n und p des in 3 dargestellten Schätzfehler-Blocks nach einer 2D-Transformation maximal mit einem Verstärkungsfaktor von 4 verstärkt werden. Die theoretisch maximale Verstärkung erscheint groß. Sie tritt allerdings in der Praxis nur für solche Signalwerte auf, welche nach der horizontalen Transformation in der Regel schon sehr klein sind. Für typische Bildsignale fällt daher die hohe Verstärkung kaum ins Gewicht.
  • Auch der 2D-transformierte Block kann in einem Speicher zwischengespeichert werden.
  • Der Entscheider 40 kann nunmehr mit Hilfe der Logikeinrichtung 43 in Abhängigkeit von einem vorbestimmten, blockbasierten Parameter die geeignete Transformation für den in 3 gezeigten 4x4-Schätzfehlerblock adaptiv auswählen. Wie bereits oben ausführlich erläutert, kann der Entscheider 40 hierzu denjenigen transformierten 4x4-Block auswählen, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist. Angenommen sei, dass der Entscheider 40 den 2D-transformierten Block mit den in 5a gezeigten maximalen Verstärkungen ausgewählt hat.
  • Der Entscheider 40 kann ferner dazu ausgebildet sein, zu prüfen, ob zwischen den Signalwerten des ausgewählten 2D-transformierten 4x4-Blocks noch stochastische Abhängigkeiten bestehen, die reduziert oder vollständig aufgelöst werden können. Angenommen sei, dass der Entscheider 40 keine relevante stochastische Abhängigkeit erkannt hat. Demzufolge wird der Schalter 94 geschlossen und die Schalter 90 und 92 geöffnet. Der ausgewählte, transformierte 4x4-Block wird dann über den geschlossenen Schalter 94 dem Kanalcodierer 60 zugeführt und anschließend zum Empfänger 70 übertragen. Zusätzlich wird der Empfänger 70 noch darüber informiert, welchen Transformationsmodus der Entscheider 40 ausgewählt hat.
  • Stellt der Entscheider 40 jedoch fest, dass zwischen den Signalwerten des ausgewählten transformierten 4x4-Blocks noch eine relevante stochastische Abhängigkeit besteht, kann er den Schalter 94 öffnen und die Schalter 90 und 92 schließen, um eine Kaskadierung der Transformation zu ermöglichen. Allerdings muss das Ergebnis, dass eine Kaskadierung der Transformation durchgeführt wird, dem Empfänger 70 mitgeteilt werden, wodurch der Komprimierungseffekt verschlechtert wird.
  • Der transformierte 4x4-Block gelangt dann vom Ausgang der Transformationsstufe 50 an den Eingang des Blockgenerators 100.
  • Gemäß einer vorteilhaften Implementierung kann der Entscheider 40 die Signalwerte oder die Positionen der Signalwerte innerhalb des transformierten 4x4-Blocks erkennen, die beispielsweise mit einem Verstärkungsfaktor von eins verstärkt worden sind. Die entsprechenden Informationen überträgt der Entscheider 40 zum Blockgenerator 100. Unter Ansprechen auf diese Informationen stellt der Blockgenerator 100 die erkannten Signalwerte zu einem neuen Block reduzierter Größe zusammen. Im vorliegenden Beispiel seien vier Signalwerte mit einer Verstärkung von 1 in dem in 5a gezeigten Block erkannt worden, die im Blockgenerator 100 zu einem neuen 2x2-Block mit den Signalwerten q bis r zusammengestellt werden, wie dies in 5b gezeigt ist.
  • Eine Weiterverarbeitung von Signalwerten, die mit einer Verstärkung von größer als 1 verstärkt worden sind, ist nicht ratsam, da dadurch die Verstärkung automatisch größer als 4 wird.
  • Der transformierte 2x2-Block wird vom Blockgenerator 100 der Transformationsstufe 120 zugeführt. Ein solcher 2x2-Block kann beispielsweise durch folgende lineare Zuweisungsoperationen transformiert werden:
    r ← r–q
    t ← t–s
    s ← s–q
  • Bei einer so kleinen Blockgröße ist es nichtnotwendig, eine geeignete 1D- oder 2D-Transformation für den 2x2-Block auszuwählen, wie dies hinsichtlich der Transformationsstufe 50 beschrieben worden ist. Werden jedoch im Blockgenerator 100 4x4-Blöcke oder größere Blöcke erzeugt, kann die Transformationsstufe 120 unter Steuerung des Entscheiders 40 in ähnlicher Weise wie die Transformationsstufe 50 betrieben werden.
  • Der transformierte 2x2-Block wird anschließend der Substitutionseinrichtung 130 übergeben, der über den Schalter 94 auch der transformierte 4x4-Block von der Transformationsstufe 50 zugeführt wird. Die Substitutionseinrichtung 130 sorgt dafür, dass die neu berechneten transformierten Signalwerte des transformierten 2x2-Blocks die Signalwerte des transformierten 4x4-Blocks an den entsprechenden Positionen überschreiben. Der so geänderte, transformierte 4x4-Block wird anschließend dem Kanalcodierer 60 zugeführt.

Claims (14)

  1. Verfahren zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalwerten, welches von einer Vorrichtung zur verlustlosen oder nahezu verlustlosen Bilddatenkompression durchführbar ist, mit folgenden Schritten: a) Unterteilen wenigstens eines zu komprimierenden Bildes in Blöcke von N*M Signalwerten; b) Adaptives Ausführen einer ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf einen der N*M-Blöcke in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, wobei eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den N*M-Block ausgeführt wird, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten, wobei eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block angewandt wird, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln, und wobei derjenige Ganzzahl transformierte Block als erster transformierter Block, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist, ausgewählt und weiterverwendet wird; und c) Wiederholen des Schrittes b) für jeden N*M-Block des zu komprimierenden Bildes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) ein Prädiktionsverfahren auf einen der N*M-Blöcke ausgeführt wird, wobei jeder Signalwert des Blocks auf eine ganze Zahl abgebildet wird, wodurch ein Schätzfehler-Block gebildet wird, dass in Schritt b) eine ein- oder zweidimensionalen Ganzzahl-Transformation auf den Schätzfehler-Block in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter adaptiv ausgeführt wird, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, und dass in Schritt c) das Prädiktionsverfahren und Schritt b) für jeden Block des zu komprimierenden Bildes wiederholt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion auch den Aufwand zur Signalisierung der ausgewählten Ganzzahl-Transformation an einen Empfänger berücksichtigt; und Auswählen und Weiterverwenden desjenigen Ganzzahl transformierten Blocks als ersten transformierten Block, für welchen die jeweilige Kostenfunktion den kleinsten Wert liefert.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Signalwerte des N*M-Blocks oder Schätzfehler-Blocks zeilenweise und/oder spaltenweise transformiert werden, und dass benachbarte Signalwerte einer Zeile und/oder benachbarte Signalwerte einer Spalte des N*M-Blocks oder Schätzfehler-Blocks unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperationen, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen, transformiert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer Zeile oder die jeweils einer Spalte zugeordneten Zuweisungsoperationen in einer vorbestimmten Reihenfolge ausgeführt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausführung des Schrittes b) Signalwerte an vorbestimmten Stellen des ersten transformierter Blocks zu einem Block reduzierter Größe angeordnet werden, und dass auf den Block reduzierter Größe adaptiv eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter ausgeführt wird, und dass die Signalwerte an den vorbestimmten Positionen des ersten transformierten Blocks durch die entsprechenden Signalwerte des transformierten Blocks reduzierter Größe überschrieben werden.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den N*M-Block oder Schätzfehler-Block adaptiv ausgeführte ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf vorbestimmbare N*M-Blöcke des zu komprimierenden Bildes durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) für jedes zu komprimierende Bild ausgeführt werden.
  9. Vorrichtung (15) zur blockbasierten Dekorrelation von Bildsignalen mit einer ersten adaptiven Transformationseinrichtung (50, 52, 54)), die dazu ausgebildet ist, eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter auf einen Block von NxM Signalwerten eines zu komprimierenden Bildes auszuführen, um einen ersten transformierten Block zu erhalten, wobei die erste adaptive Transformationseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den Block des zu komprimierenden Bildes auszuführen, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten, wobei eine Auswerte- und Auswahleinrichtung (40, 43) vorgesehen und dazu ausgebildet ist, jeweils eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block auszuführen, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln und denjenigen Ganzzahl transformierten Blocks als ersten transformierten Block auszuwählen, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Erkennungseinrichtung (40), die dazu ausgebildet ist, Signalwerte an vorbestimmten Positionen innerhalb des ersten transformierten Blocks zu erkennen, und die ferner dazu ausgebildet sein kann, zu entscheiden, ob aus den erkannten Signalwerten ein Block reduzierter Größe erzeugbar ist, einen Blockgenerator (100), der dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die Erkennungseinrichtung (40) aus den erkannten Signalwerten des ersten transformierter Blocks einen Block reduzierter Größe zu bilden, eine zweite adaptive Transformationseinrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, insbesondere in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter auf den Block reduzierter Größe eine ein- oder zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auszuführen, und eine Substitutionseinrichtung (130), die dazu ausgebildet ist, die Signalwerte an den vorbestimmten Positionen des ersten transformierten Blocks durch die entsprechenden Signalwerte des transformierten Blocks reduzierter Größe zu überschreiben.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste adaptive Transformationseinrichtung (50) und/oder die zweite adaptive Transformationseinrichtung (120) jeweils dazu ausgebildet sind, die Signalwerte des Blocks bzw. des Blocks reduzierter Größe zeilenweise und/oder spaltenweise zu transformieren, wobei benachbarte Signalwerte einer Zeile und/oder benachbarte Signalwerte einer Spalte des Blocks bzw. des Blocks reduzierter Größe unter Anwendung vorbestimmter Zuweisungsoperationen, insbesondere linearer Zuweisungsoperationen, transformiert werden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite adaptive Transformationseinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, eine horizontale Ganzzahl-Transformation, eine vertikale Ganzzahl-Transformation und eine zweidimensionale Ganzzahl-Transformation auf den Block reduzierter Größe auszuführen, um einen horizontal transformierten Block, einen vertikal transformierten Block und einen zweidimensional transformierten Block zu erhalten; wobei eine Auswerte- und Auswahleinrichtung (40, 43) vorgesehen und dazu ausgebildet ist, jeweils eine Kostenfunktion auf den horizontal transformierten Block, den vertikal transformierten Block und den zweidimensional transformierten Block auszuführen, um für jeden transformierten Block dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie als vorbestimmbaren, blockbasierten Parameter zu ermitteln, und denjenigen Ganzzahl transformierten Blocks als transformierten Block reduzierter Größe auszuwählen, dessen Informationsgehalt oder Gesamtenergie am kleinsten ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine der ersten adaptiven Transformationseinrichtung (50) vorgeschaltete Prädiktionseinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, ein Prädiktionsverfahren auf jeden Block des zu komprimierenden Bildes auszuführen, wobei jeder Signalwert des jeweiligen Blocks auf eine ganze Zahl abgebildet werden kann.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Segmentationseinrichtung (20) zum Unterteilen wenigstens eines zu komprimierenden Bildes in Blöcke von N*M Signalwerten.
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