DE19604050A1 - Verfahren zur Bearbeitung von decodierten Bildblöcken eines blockbasierten Verfahrens zur Bildcodierung - Google Patents

Verfahren zur Bearbeitung von decodierten Bildblöcken eines blockbasierten Verfahrens zur Bildcodierung

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Description

Komprimiert man Daten eines Videodatenstroms mit Codierver­ fahren, die auf Transformationscodierungen, wie z. B. der diskreten Cosinustransformation, basieren, entsehen bei Be­ wegtbildern bei extrem niedriger Übertragungsrate von unge­ fähr 8 bis 112 kbit/s, wie sie für Mobilfunkanwendungen und Bildtelefonanwendungen vorgesehen sind, zwangsläufig Fehler in bestimmten Bildbereichen.
Diese äußern sich in künstlichen Kanten an Blockrändern, Rauschstrukturen oder Unschärfen. Solche Codierfehler wirken für den Betrachter störend und verfälschen den Bildeindruck.
Vor allem künstliche Kanten an Blockrändern sind ein Problem, das bei allen blockbasierten Codierungsverfahren auftritt. Diese künstlichen Kanten verringern den Qualitätseindruck des Bildes für einen Betrachter erheblich.
Weitere Artifakte erscheinen in bewegten Bildbereichen einer Bildfolge, also eines Videodatenstroms.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die künstlichen Kanten an den Blockrändern von Bildblöcken eines blockbasier­ ten Codierverfahrens zu glätten.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem darin zu sehen, daß der Gesamteindruck eines Bildes für einen Betrachter durch Glättung der künstlichen Kanten an den Blockrändern aller Bildblöcke eines Bildes, das mit einem blockbasierten Bildcodierverfahren codiert wurde, erheblich verbessert wird.
Eine weitere Verbesserung des Gesamteindrucks wird durch die Weiterbildung des Verfahrens nach Patentanspruch 2 erreicht, da für jeden Bildblock ein anderer, den spezifischen Eigen­ schaften des jeweiligen Bildblockes angepaßter Kantenglät­ tungsfilter verwendet wird.
Die Weiterbildung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 3 bie­ tet den Vorteil, daß nicht nur die Kanten an den Blockrändern jedes Bildblockes geglättet werden, sondern auch die Artifak­ te in den bewegten Bereichen einer Bildfolge geglättet wer­ den.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Auswahl unterschiedli­ cher Kantenglättungsfilter für unterschiedliche Bildblöcke als Kriterium die Information über die Bildqualität, die un­ terschiedlich sein kann, zu verwenden. Ein Maß für die Bild­ qualität ist beispielsweise in dem Quantisierungsparameter gegeben. Dies ist vom besonderen Vorteil bei der Übertragung von Bildtelefonsequenzen mit unterschiedlichen Übertragungs­ raten, die durch jeweils unterschiedliche verwendete Bildqua­ lität erreicht wird. Hieran kann die Auswahl des Kantenglät­ tungsfilters durch diese Weiterbildung vorteilhaft angepaßt werden.
Ebenso ist es vorteilhaft, die Auswahl der Kantenglättungs­ filter sowohl abhängig von der verwendeten Bildqualität als auch von der Größe des Bewegungsvektors durchzuführen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Auswahl von Kantenglät­ tungsfiltern für Kanten zweier Bildblöcke, die aneinander­ grenzen, für die beiden direkt aneinandergrenzenden Kanten einen gemeinsamen Kantenglättungsfilter zu verwenden, der sich ergibt aus dem Kantenglättungsfilter mit maximaler Fil­ tereigenschaft, die verwendet würden bei unabhängiger Auswahl der beiden Blöcke.
Es zeigen
Fig. 1 eine Skizze, in der ein Bildblock dargestellt ist, dessen Pixel am Blockrand mit einem Kantenglättungs­ filter gefiltert werden;
Fig. 2 eine Skizze, in der beschrieben ist, wie zusätzlich zu den Pixeln an den direkten Blockrändern eines Bildblockes auch weiter innen liegende Pixel eines Bildblockes mit einem weiteren Kantenglättungsfilter geglättet werden;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm, das die einzelnen Verfahrens­ schritte des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 dar­ stellt;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm, das die Weiterbildung des Verfah­ rens durch die Auswahl eines Kantenglättungsfilters für jeden einzelnen Bildblock abhängig von dem Bewe­ gungsvektor, der dem jeweiligen Bildblock zugeordnet ist, beschreibt;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, daß das Verfahren bei zusätzli­ cher Filterung blockinnerer Pixel mit mindestens ei­ nem weiteren Kantenglättungsfilter darstellt;
Fig. 6a und 6b zwei Skizzen, in denen mögliche Koeffizien­ ten zweier geeigneter Kantenglättungsfilter darge­ stellt sind;
Fig. 7 eine Darstellung der Übertragungsfunktion der in den Fig. 6a und 6b dargestellten Kantenglättungsfil­ ter.
Anhand der Fig. 1 bis 7 wird das erfindungsgemäße Verfah­ ren weiter erläutert.
Das Verfahren ist keineswegs auf ein bestimmtes blockbasier­ tes Bildcodierungsverfahren beschränkt, schon gar nicht auf blockbasierte Verfahren, die ausschließlich die diskrete Co­ sinustranformation als Transformationscodierung verwenden.
Auch ist dieses Verfahren unabhängig von der Blockgröße, die das blockbasierte Verfahren zur Bildcodierung verwendet.
Von Bedeutung ist allein, daß das Verfahren zur Bildcodierung auf der Verwendung von Bildblöcken basiert.
In Fig. 1 ist ein Bildblock BB dargestellt. Der Bildblock BB ist ein kleiner Teil eines Bildes, das mit einem blockbasier­ ten Verfahren zur Bildcodierung codiert wurde.
Vor einer im weiteren beschriebenen Filterung des Bildblocks BB wird der Bildblock BB gespeichert 1.
Blockbasierte Verfahren zur Bildcodierung sind z. B. MPEG, JPEG, H. 261, oder H. 263 (Ming Liou, Qverview of the px64 kbit/s Video Coding Standard, Communications of the ACM, Vol. 34, No. 4, S. 60-63, April 1991, 1991; G. Wallace, The JPEG Still Picture Compression Standard, Communications of the ACM, Vol. 34, No. 4, S. 31-44, April 1991, 1991; S. Okubo et al, International Standardization on Picture Coding, IEEE Transactions, Vol. E 74, No. 3, S. 533-538, März 1991, 1991; D. Le Gall, The A Video Compression Standard for Multimedia Applications, Communications of the ACM, Vol. 34, No. 4, S. 47-58, April 1991, 1991).
Das Verfahren ist jedoch nicht auf die vorgenannten blockba­ sierten Verfahren zur Bildcodierung beschränkt, da das erfin­ dungsgemäße Verfahren auf jedes blockbasierte Bildcodierungs­ verfahren angewendet werden kann.
Jeder Bildblock BB weist n×n Pixel (Bildpunkte, Picture Elements) auf, wobei die Anzahl n der Pixel, die der Bild­ block BB aufweist, eine beliebig natürliche Zahl ist.
Bei Verwendung beispielsweise des MPEG-Verfahrens ist die Blockgröße, also die Anzahl n von Bildpunkten, die der Bild­ block BB aufweist, 8.
Künstliche Kanten entstehen, wie oben beschrieben, vor allem an den Blockrändern des Bildblockes BB. Die Blockränder wer­ den bei dem Bildblock BB durch Kantenpixel KP gebildet.
Diese Kantenpixel KP einer Kante K werden mit einem Kan­ tenglättungsfilter KGF gefiltert, um die Kanten K zu glätten 2.
Der Kantenglättungsfilter KGF ist in seiner Struktur keinen Einschränkungen unterworfen, kann also einen beliebigen Auf­ bau besitzen.
Wichtig ist nur, daß der Kantenglättungsfilter KGF die Eigen­ schaft besitzt, Kanten K zu glätten. Mögliche Filterstruktu­ ren TP1 und TP2, die als Kantenglättungsfilter KGF verwendet werden können, sind in den Fig. 6a und 6b und in Fig. 7 in Form einer Übertragungsfunktion H(f) abhängig von einer Frequenz f dargestellt.
Die dargestellten Tiefpaßfilter schränken jedoch die allge­ meine Verwendbarkeit keineswegs ein, sie sollen nur verdeut­ lichen, welche Art von Filter beispielsweise als Kantenglät­ tungsfilter KGF verwendet werden können.
Wie oben dargestellt ist, ist jede Art von Filter als Kan­ tenglättungsfilter KGF verwendbar, wenn der verwendete Filter die Eigenschaft der Kantenglättung einer Kante K aufweist.
Das in Fig. 6a dargestellte Filter TP1 weist folgende Koef­ fizienten auf:
C1 = 0,237
C2 = 0, 526
C3 = 0,237.
Das in Fig. 6b dargestellte Filter TP2 weist folgende Koef­ fizienten auf:
C1 = 0,073
C2 = 0,252
C3 = 0,351
C4 = 0,252
C5 = 0,073.
Auch die Filterstruktur ist für das erfindungsgemäße Verfah­ ren nicht von grundlegender Bedeutung. Es können sowohl li­ neare als auch nichtlineare Filter als Kantenglättungsfilter KGF verwendet werden, wenn der verwendete Filter eine Kante K glättet.
Wenn eine wie in Fig. 6a dargestellte lineare, eindimensio­ nale Filtermaske verwendet wird, ist es vorteilhaft, die Fil­ termaske FM in der Weise über die zu filternden Kantenpixel KP zu führen, daß die Filtermaske FM senkrecht zu der zu fil­ ternden Kante K geführt wird.
Wenn eine zweidimensionale Filtermaske als Kantenglättungfil­ ter KGF verwendet wird, ist bei der Dimensionierung des Kan­ tenglättungsfilters KGF darauf zu achten, daß die Eigenschaft der Kantenglättung der Kante K erhalten bleibt.
Die in den Fig. 6a und 6b und in Fig. 7 dargestellte Di­ mensionierung der Filter, die als Kantenglättungfilter KGF verwendet werden können, hat sich in Experimenten als vor­ teilhaft herausgestellt.
Eine andere Dimensionierung der Filter als Kantenglättungs­ filter KGF ist jedoch ohne weiteres für jeden Fachmann mög­ lich und wird über Experimente, die den subjektiven Eindruck, den ein gefiltertes Bild für einen Betrachter hervorruft, ex­ perimentell angepaßt.
Es ist ebenso möglich, wie in Fig. 2 dargestellt, nicht nur die direkt an der Kante K liegenden Kantenpixel KP zu fil­ tern, sondern außerdem auch weiter in dem Bildblock BB lie­ gende Kanteninnenpixel KIP mit einem zweiten Kantenglättungs­ filter KGF 2 zu filtern. Der zweite Kantenglättungsfilter KGF2 kann, muß aber nicht derselbe Kantenglättungsfilter KGF sein, der zur Filterung der Kantenpixel KP verwendet wird.
Bei der Auswahl des zweiten Kantenglättungsfilters KGF2 ist darauf zu achten, daß die Filterung der Kanteninnenpixel KIP nicht zu stark wird, wodurch die Detailinformation des Bildes, die vor allem in den inneren Pixeln des Bildblockes BB "liegt", "verwischt" werden könnte.
Die im vorigen beschriebene Vorgehensweise, Kantenpixel KP oder zusätzlich auch die Kanteninnenpixel KIP zu filtern, wird für jeden Bildblock BB eines Bildes durchgeführt.
Um den durch zusätzliche Artifakte, die durch Bewegung eines Bildbereichs entstehen, verschlechterten Bildeindruck für ei­ nen Betrachter des Bildes zu verbessern, kann die Bewegungs­ information, die bei blockbasierten Verfahren für jeden Bild­ block BB in Form eines Bewegungsvektors BV, der ebenso wie der Bildblock BB gespeichert wird 3, vorhanden ist, vorteil­ haft für das Verfahren verwendet werden.
Als Faustregel kann man sagen, daß, je stärker die Bewegung eines Bildbereiches innerhalb einer Bildfolge ist, also je größer der Bewegungsvektor BV für den jeweiligen Bildblock BB ist, desto stärker ist die Kante K des Bildblockes BB zu er­ kennen. Diese Kante K hat, wie im vorigen beschrieben, einen störenden Einfluß auf den Gesamteindruck für den Betrachter eines Bildes.
Dieser Verstärkung der Kante K durch Bewegung von Bildberei­ chen kann dadurch entgegengewirkt werden, daß der Kantenglät­ tungsfilter KGF für jeden Bildblock BB neu ausgewählt wird abhängig von der Größe des Bewegungsvektors BV 4.
Die Auswahl des Kantenglättungsfilters KGF folgt der "Faustregel":
Je größer der Bewegungsvektor BV ist, desto stärker ist die Filtereigenschaft des zu verwendenden Kantenglättungsfilters KGF für den jeweiligen Bildblock BB.
In der im folgenden dargestellten Tabelle ist eine mögliche Zuordnung der Größe des Bewegungsvektors BV für einen Bild­ block BB und dem für den Bildblock BB zu verwendenden Kan­ tenglättungsfilters KGF dargestellt.
Die entsprechenden Filter TP1 und TP2 sind mit ihren charak­ teristischen Übertragungsfunktion H(f) in Fig. 7 darge­ stellt.
Die dargestellten Werte für den Bewegungsvektor BV schränken jedoch die Allgemeingültigkeit der Verwendung der oben be­ schriebenen Faustregel nicht ein, sondern beschreiben nur ei­ ne mögliche Lösung unter vielen, die durch Experimente gefun­ den wurden.
Jede andere Zuordnung, ist jedoch dem Fachmann bekannt und kann ohne weiteres verwendet werden.
Wichtig ist hierbei nur, daß bei der Weiterbildung des Ver­ fahrens durch Auswahl eines Kantenglättungsfilters KGF für je­ den Bildblock BB die Möglichkeit besteht, die Auswahl des zu verwendenden Filters abhängig zu machen von der Größe des Be­ wegungsvektors BV, wodurch der Verstärkung der Kanten K durch Bewegung in zeitlich aufeinanderfolgenden Bildbereichen ent­ gegengewirkt wird.
Die Auswahl unterschiedlicher Filter abhängig von dem Bewe­ gungsvektor BV als Kantenglättungsfilter KGF für jeden Bild­ block BB 5 kann selbstverständlich auch bei der Auswahl des zweiten Kantenglättungsfilters KGF2 bei der Weiterbildung des Verfahrens, das in Fig. 2 dargestellt ist, angewendet wer­ den.
Die Auswahl verschiedener Kantenglättungsfilter KGF muß je­ doch nicht für jeden Bildblock geschehen, sondern kann z. B. auch für einen Makroblock MB, der mehrere Bildblöcke BB auf­ weist, geschehen, oder aber auch einzeln für jede Kante K des Bildblocks BB 6.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erweist es sich als vorteilhaft, die Auswahl unterschiedlicher Filter als Kan­ tenglättungsfilter KGF über die bei der Übertragung verwende­ te Bildqualität zu steuern. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, daß die Auswahl der Kantenglättungsfilter KGF auto­ matisch angepaßt wird an eine möglicherweise sich verändernde Bildqualität durch Änderung der Übertragungsraten.
Information über die verwendete Bildqualität eines zu deco­ rierenden Bildes wird bei blockbasierenden Verfahren überli­ cherweise in einem Quantisierungsparameter Q angegeben. Mit dem Quantisierungsparameter Q wird angegeben, mit welcher Gaustufenauflösung die Werte des jeweiligen Bildblocks BB nach erfolgter Durchführung einer Codierungstransformation bei der Codierung, übertragen werden.
Für den bekannten Bildtelefonstandard H. 263 bedeutet ein Wert des Quantisierungsparameters Q = 1 die höchstmögliche Auflösung der Graustufen und ein Wert des Quantisierungsparameters Q = 31 die niedrigstmögliche Auflösung der Graustufen.
Damit gibt der Quantisierungsparameter Q direkt Aufschluß aber die Qualität eines beim Empfänger dargestellten Bild­ blocks BB. Die Auswahl des Kantenglättungsfilters KGF für je­ den Bildblock BB wird nun abhängig von dem Quantisierungspa­ ramter Q gesteuert. Hierbei wird die Stärke des verwendeten Tiefpaßfilters TP erhöht mit der Verringerung der Graustufen­ auflösung des Bildes, also für den Bildtelefonstandard H. 263 mit wachsendem Quantisierungsparameter Q. Es hat sich bei­ spielsweise folgende Steuerkurve für die Auswahl des zu ver­ wendenden Kantenglättungsfilters KGF als vorteilhaft heraus­ gestellt, welche jedoch in keinster Weise die Allgemeingül­ tigkeit des oben beschriebenen Prinzips einschränkt:
Bei einem Wert des Quantisierungsparameters Q, der zwischen 1 und 7 liegt, wird keine Filterung durchgeführt. Liegt der Wert des Quantisierungsparameters Q zwischen 7 und 14, wird ein schwacher Tiefpaßfilter, beispielsweise mit den folgenden Koeffizienten verwendet, wobei der schwache Tiefpaßfilter die Struktur des in Fig. 6a dargestellten Filters aufweist:
C1 = 0,25
C2 = 0,5
C3 = 0,25
Weist der Quantisierungsparameter Q einen Wert auf, der zwi­ schen 14 und 23 liegt, wird ein mittlerer Tiefpaßfilter ver­ wendet, dessen Struktur gleich ist des ersten Tiefpaßfilters TP1, der in Fig. 6a dargestellt ist. Die drei Koeffizienten des mittleren Tiefpaßfilters ergeben sich vorteilhafterweise zu:
C1 = 0,3333
C2 = 0,3333
C3 = 0,3333
Liegt der Wert des Quantisierungsparameters Q zwischen 23 und dem maximalen Wert 31, so wird ein starker Tiefpaßfilter ver­ wendet, der 9 Koeffizienten aufweist. Die Struktur des ver­ wendeten starken Tiefpaßfilters ist entsprechend dem in Fig. 6b dargestellten Tiefpaßfilter, jedoch erweitert um jeweils einen Koeffizienten auf jeder Seite. Die Koeffizienten erge­ ben sich beispielsweise zu:
C1 = 0,015
C2 = 0,063
C3 = 0,129
C4 = 0,188
C5 = 0,211
C6 = 0,188
C7 = 0,129
C8 = 0,063
C9 = 0,015
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, als Auswahlkrite­ rium für den zu verwendenden Kantenglättungsfilter KGF eine Kombination der Bildqualität und der Größe des Bewegungsvek­ tors BV zu verwenden.
Bei dieser Weiterbildung des Verfahrens erweist es sich bei einem Wert des Bewegungsvektors BV = 0 als vorteilhaft, daß der sich nach der im vorigen beschriebenen Auswahl nach der Bild­ qualität ergebende zu verwendende Filtertyp um eine Stärke eines Filtertyps verringert wird. Dies bedeutet beispielswei­ se bei einer Auswahl eines mittleren Tiefpaßfilters aus­ schließlich abhängig von der Bildqualität, also von dem Quan­ tisierungsparameter Q, daß bei einem Bewegungsvektor BV mit dem Wert 0 anstatt des mittleren Tiefpaßfilters ein schwacher Tiefpaßfilter verwendet wird.
Weist der Bewegungsvektor BV einen Wert auf, der zwischen 0 und 10 liegt, wird die Auswahl des Kantenglättungsfilters KGF ausschließlich abhängig von dem Quantisierungsparameter Q ge­ troffen.
Weist der Bewegungsvektor BV einen Wert größer als 9 auf, wird die Stärke des Filtertyps, der sich allein aus dem Quan­ tisierungsparameter Q ergibt, um 1 erhöht. Dies bedeutet bei­ spielsweise bei einer Verwendung eines schwachen Tiefpaßfil­ ters abhängig von dem Quantisierungsparameter Q, würde bei einem Bewegungsvektor BV < 9 ein mittlerer Tiefpaßfilter ver­ wendet werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, bei Kanten zweier Bildblöcke, die direkt aneinandergrenzen, denjenigen Kantenglättungsfil­ ter KGF zur Filterung dieser beiden direkt aneinandergrenzen­ den Kanten zu verwenden, der die stärkste filternde Eigen­ schaft aufweist von den Kantenglättungsfiltern KGF, die für die zwei Kanten, die direkt aneinander grenzen, ausgewählt wurden, als die beiden Kanten unabhängig voneinander betrach­ tet wurden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bearbeitung von decodierten Bildblöcken (BB) eines block-basierten Verfahrens zur Bildcodierung,
  • - bei dem die decodierten Bildblöcke (BB) gespeichert wer­ den (1),
  • - bei dem bei jedem Bildblock (BB) Kantenpixel mindestens ei­ ner Kante (K) des Bildblocks (BB) mit einem Kantenglättungs­ filter (KGF) gefiltert wird (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei mehreren Bild­ blöcken (BB) zur Filterung der mindestens einen Kante unter­ schiedliche Kantenglättungsfilter (KGF) verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der verwendete Kan­ tenglättungsfilter (KGF) abhängig von dem Bewegungsvektor (BV) eines Bildblocks (BB) ausgewählt wird, wobei die Stärke des verwendeten Kantenglättungsfilters (KGF) zunimmt mit der Größe des Bewegungsvektors (BV).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine eindimensionale Filtermaske des Kantenglättungsfilters (KGF) verwendet wird, die in der Weise über die mindestens eine Kante geführt wird, daß sie senkrecht über jede der minde­ stens einen Kante (K) positioniert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine zweidimensionale Filtermaske des Kantenglättungsfilters (KGF) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zu­ sätzlich Kanten innerhalb des Bildblocks (BB), die an die mindestens eine Kante (K) angrenzen, gefiltert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem für die Filterung von inneren Kantenpixeln (KIP) andere Kantenglättungsfilter (KGF) verwendet werden als für die Filterung der mindestens einen Kante (K) des Bildblocks (BB).
8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der verwendete Kan­ tenglättungsfilter (KGF) abhängig von der Bildqualität eines Bildblocks (BB) ausgewählt wird, wobei die Stärke des verwen­ deten Kantenglättungsfilters (KGF) zunimmt mit der Verringe­ rung der Bildqualität des Bildblocks (BB).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem für zwei direkt aneinandergrenzende Kanten zweier benachbarter Bildblöcke (BB) für beide Kanten der Kantenglättungsfilter (KGF) von den für die beiden Kanten des jeweiligen Bildblocks (BB) ausgewählten Kantenglättungsfilter (KGF) der Kantenglät­ tungsfilter (KGF) verwendet wird, dessen filternde Eigen­ schaft maximal ist.
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