DE19604050A1 - Verfahren zur Bearbeitung von decodierten Bildblöcken eines blockbasierten Verfahrens zur Bildcodierung - Google Patents
Verfahren zur Bearbeitung von decodierten Bildblöcken eines blockbasierten Verfahrens zur BildcodierungInfo
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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.
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.
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.
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
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
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
C2 = 0,063
C3 = 0,129
C4 = 0,188
C5 = 0,211
C6 = 0,188
C7 = 0,129
C8 = 0,063
C9 = 0,015
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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