DE19737258A1 - Bilddatenübertragungsverfahren - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung und/oder
Übertragung digitaler Daten, insbesondere Bilddaten, über einen Datenkanal, bei der
mindestens eine diskrete Wavelettransformation durchgeführt wird, die aus den
Daten jeweils mindestens zwei Datenbänder erzeugt und bei dem die von der
mindestens einen diskreten Wavelettransformation erzeugten Datenbänder zur
Einspeisung in den Datenkanal weiterverarbeitet werden. Die Erfindung bezieht sich
auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Speicherelement zur Speiche
rung von Daten, insbesondere CD-ROM oder Diskette, auf dem mindestens ein auf
einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares Anwendungsprogramm gespeichert
ist, das durch Wavelettransformation digitaler Bilddaten entstandene Datenbänder
zu verarbeiten vermag.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Bilddatenübertragungsverfahren und eine
Bilddatenübertragungsvorrichtung zur Übertragung digitaler Bilddaten über einen
Datenkanal.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Aufbereitung digitaler
Daten, insbesondere Bilddaten zur Speicherung und/oder Übertragung der Daten an
einen Datenkanal nach einer der Bilddatenaufbereitung nachgeschalteten Quantisie
rung und Kodierung, bei dem mindestens eine diskrete Wavelettransformation mit
einem Waveletfilter durchgeführt wird, der mindestens einen nicht-ganzzahligen
Koeffizienten enthält. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Speicherelement, auf
dem mindestens ein Anwendungsprogramm gespeichert ist, das digitale Daten
durch eine Wavelettransformation mit mindestens zwei Waveletfiltern aufbereitet,
wobei mindestens ein Koeffizient eines bei der Wavelettransformation verwendeten
Waveletfilters nicht ganzzahlig ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Präkodierung digitaler Bild
daten zur Speicherung und/oder Übermittlung der Daten an einen Datenkanal nach
einer der Präkodierung nachgeschalteten Kodierung, bei den 2-dimensionale Bild
daten bi,j zumindest in einem ersten Bildbereich mit einer bijektiven Funktion f in
einen 1-dimensionalen Datenstrom aus Daten dk abgebildet werden kann, wobei i,
i, k natürliche Zahlen sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Speicherele
ment, auf dem ein Anwendungsprogramm gespeichert ist, das ein solches Ver
fahren ausführt.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Kodierung digitaler
präkodierter Bilddaten mit einem statistischen arithmetischen Kodierer, der eine
Kodierung der Bilddaten gemäß einem adaptiv veränderbaren Wahrscheinlichkeits
maß kodiert.
Verfahren und Vorrichtungen zur Bilddatenübertragung sind seit vielen Jahren
bekannt. Zur schnellen weltweiten Versendung von Bildern werden Bilder digitali
siert und über Datennetze - beispielsweise mit Hilfe des Internets - übermittelt. Die
Digitalisierung und Speicherung von Bildern auf einem elektronischen Medium ist
unbestritten vorteilhaft, da hierdurch große Bildarchive durch vergleichsweise
kompakte z. B. magnetische Datenträger ersetzt werden können. Die Speicherung
von Bildern in digitaler Form ermöglicht den augenblicklichen Zugriff auf jedes
beliebige Bild unter Zehn- oder Hunderttausenden. Hochauflösende digitalisierte
Bilder besitzen jedoch einen erheblichen Bedarf an Speicherplatz. Ein kleines Bild
mit 640 × 480 Punkten und 256 Farben benötigt bereits 300 KByte Speicherplatz
auf einer Festplatte. Ein Bild mit höherer Auflösung erfordert einen erheblich
größeren Speicherplatz: Bei 1.024×768 Punkten und 24 Bit Farbtiefe ergibt sich
ein Speicherplatzbedarf von mehr als 2 MByte. Bei der Datenübertragung führen
solche riesigen Datenmengen zu sehr langen Übertragungszeiten, da Übertragungs
kanäle nur eine begrenzte Anzahl von Byte pro Sekunde übermitteln können. Für
viele Anwendungen ist aufgrund der begrenzten Bildübertragungsgeschwindigkeit
die Zeitspanne zwischen der senderseitigen Bilddatenaufbereitung und -einspeisung
in den Datenkanal einerseits und der empfängerseitigen Bilddatenrekonstruktion
und Bildanzeige andererseits zu lang.
Zur Verminderung des Speicherplatzbedarfs - und damit gleichzeitig auch zur
Ermöglichung einer schnelleren Bildübertragung - werden Datenkompressionsver
fahren angewandt. Eine Datenkomprimierung ist ein Prozeß, mit dem die Anzahl der
Byte verringert wird, die zur Darstellung von Daten benötigt wird. Das Verfahren
ersetzt wiederholt auftretende Datenbyte oder -zeichen durch eine geringere Anzahl
speziell verschlüsselter Byte. Dadurch nehmen die komprimierten Daten weniger
Speicherplatz in Anspruch. Komprimierungsverfahren machen sich die Tatsache
zunutze, daß bestimmte Byte/Zeichen immer wieder in den Dateien auftreten.
Diesen Bytefolgen wird ein kürzerer Code zugeordnet. Je nachdem, wie oft diese
Bytefolgen in einer Datei vorkommen und wie groß diese Bytefolgen sind können
die Dateien um viele Größenordnungen verkleinert werden. Zur Wiederherstellung
des Originalbildes wird ein invertiertes Komprimierungsverfahren in umgekehrter
Reihenfolge angewandt: Die kürzeren Codes, die bestimmte Bytefolgen ersetzt
haben, werden durch die ursprünglichen Bytefolgen wieder ausgetauscht.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Bilddatenkomprimierung besteht darin, die
Auflösung eines digitalisierten Bildes zu verringern. Dies führt zwar zu einer Ver
kleinerung der Dateien; die Bildqualität wird bei diesem Verfahren aber ebenfalls
verschlechtert.
1992 ist von der ISO/IEC ein Verfahren zum internationalen Standard erklärt
worden, daß mit "JPEG" bezeichnet wird. Das Kürzel "JPEG" steht für "Joint
Photography Experts Group" und beinhaltet vier Grundverfahren zur Bilddatenkom
pression. Bei zwei dieser Verfahren handelt es sich um sogenannte verlustbehaftete
Verfahren, bei denen hohe Datenkompressionsraten bei verschlechterter Bildquali
tät erreicht wird, bei einem Verfahren um einen verlustfreien Modus mit einer
allerdings nur bescheidenen Kompressionsrate von etwa 2 : 1 und bei einem Ver
fahren mit einem sogenannten hierarchischen Mode um ein Verfahren, das eine
Skalierung unterschiedlicher Bilder gestattet.
Beispielhaft wird nachfolgend ein verlustbehafteter sequentieler "JPEG"-Modus
beschrieben. Wie jedes Datenkompressionsverfahren basiert dieser Modus aus den
Verfahrensschritten der Datenaufbereitung, der Datenverarbeitung, der Quantisie
rung und schließlich der Kodierung. Zur Rekonstruktion nach Übertragung oder
Speicherung der Daten werden die invertierten Schritte in umgekehrter Reihenfolge
durchlaufen.
Bei der Bilddatenaufbereitung wird die Pixel-Information eines Bildes in eine Vielzahl
von Blöcken zerlegt. In der Bilddatenverarbeitungsstufe wird die Bildformation in
eine Darstellung transformiert, die sich besser zur Kompression eignet. Hierzu wird
beispielsweise die 2-dimensionale diskrete Kosinustransformation (DCT) ange
wandt. Diese Transformation - wie auch die Fouriertransformation - beinhaltet die
Abbildung eines Zeitsignals in ein Frequenzsignal. Je kontrastreicher und dichter
eine Bildinformation ist, desto höher der Anteil an hohen Frequenzen. Zur Kodie
rung wird die diskrete Kosinustransformation auf jeden einzelnen bei der Daten
aufbereitung erzeugten Blöcke angewandt. Aus einem Bilddatenblock von 8×8
Pixeln resultieren bei dieser Transformation 64 DCT-Koeffizienten, von denen einer
die Farbe bzw. die Graustufe eines Blocks festlegt, während die anderen Koeffizien
ten den Frequenzgehalt des Bildmusters beschreiben. Mit der Transformation der
Bilddaten erfolgt zwar noch keine Datenkompression; die transformierten Bilddaten
sind aber besser komprimierbar.
In einem der Transformation nachfolgenden Quantisierungsschritt erfolgt die
Reduktion der Bildinformation. Die Koeffizienten der diskreten Kosinustransforma
tion werden durch Quantisierungsfaktoren dividiert und das Resultat auf den
nächsten ganzzeiligen Wert gerundet. Der aus der Quantisierung resultierende
Strom von Bytes wird mit der bekannten Lauflängen-Kodierung kodiert. Bei dieser
Kodierung wird gleichzeitig auch eine Komprimierung vorgenommen, da als Resul
tat der Quantisierung häufig längere Folgen von Nullen entstehen. Die Gesamtlänge
des Codes wird durch weitere Kodierverfahren minimiert.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren werden von einem Präkodierer die
2-dimensionalen Bilddaten in einen 1-dimensionalen Datenstrom übertragen. Die
Abtastung erfolgt zeilen- oder spaltenweise.
Das vorstehend beschriebene verlustbehaftete "JPEG"-Verfahren basierend auf
einer diskreten Kosinustransformation besitzt allerdings einige Nachteile. Bei starker
Komprimierung treten Unstetigkeiten zwischen aneinander angrenzenden rekon
struierten Blöcken von 8×8 Pixeln auf. Außerdem ermöglicht das Verfahren nach
"JPEG" keine Skalierung zur Erzielung verschiedener Auflösungen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist bereits über eine der Datenkompression
vorgeschalteten Datenaufbereitung mit Wavelets (bezogen auf vorstehendes
Beispiel anstelle der diskreten Kosinustransformation) nachgedacht worden, vgl. A.
K. Louis et al.: "Wavelets", 1994, M. V. Wickerhauser: Adapted Wavelet Analysis
from Theory to Software (1994), A. K. Peters, Wellesley, Massachusetts.
Bei der Wavelettransformation wird ein Bild mit speziellen Tiefpass- und Hochpaß
filtern stufenweise transformiert. Nach der ersten Transformationsstufe entsteht
ein Band mit tieferliegenden Skalen (Tiefpaß), das eine geglättete Approximation
an das ursprüngliche Bild darstellt, sowie - bei Anwendung der Wavelettrans
formation auf die Spalten und Zeilen eines Bildes - drei weitere Bänder, die bei der
Glättung "verlorengegangene" Details beinhalten. Ein erstes dieser drei Bänder
enthält die vertikalen Frequenz- und Raumanteile, das zweite Band die horizontalen
Frequenz- und Raumanteile und das dritte Band diagonale Frequenz- und Raum
anteile einer jeweils festgelegten Skala. Dieser Transformationsschritt kann (typi
scherweise auf dem Tiefpaß) wiederholt werden. Der Vorteil der Wavelettrans
formation besteht in erster Linie darin, daß der ihr zugrundeliegende Algorithmus
schnell computergestützt berechenbar ist, daß die für die optische Wahrnehmung
eines Bildes wesentlichen Informationen sehr viel besser als mit anderen Verfahren
extrahiert werden können, daß wesentliche Strukturen besonders betont werden
können und das Bild leicht skaliert werden kann.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren an
zugeben, mit dem Daten bei möglichst großer Kompressionsrate und hoher Rekon
struierbarkeit speicher- und übertragbar sind.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zur Speicherung und/oder Über
tragung digitaler Daten der eingangs genannten Art die von der mindestens einen
Wavelettransformation erzeugten Datenbänder einzeln weiterverarbeitet und
unabhängig von der Weiterverarbeitung und Übertragung und/oder Speicherung
anderer Datenbänder gespeichert und/oder an den Datenkanal übertragen werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vor
richtung besteht darin, daß bei der unabhängigen Verarbeitung der einzelnen
Datenbänder bei der Übertragung der verarbeiteten Daten empfängerseitig bereits
mit der Dekodierung eines ersten empfangenen Datenbandes begonnen werden
kann, während die Weiterverarbeitung wavelettransformierter Daten senderseitig
noch nicht abgeschlossen ist. Die Übertragungsgeschwindigkeit wird hierbei
erheblich vergrößert. Außerdem kann aus den ersten Datenbändern bereits ein
erstes Bild mit noch vermindeter Qualität erzeugt werden, das dem Betrachter
rasch einen ersten Eindruck vermitteln kann. Bei der Suche nach bestimmten
Bildern kann ein Benutzer daher bereits relativ schnell erkennen, ob ein sich succes
sive entwickelndes Bild "das Richtige" ist und bereits vor Abschluß der vollständi
gen Rekonstruktion des Bildes abbrechen und ein anderes Bild auswählen.
Die Weiterverarbeitung eines jeden Datenbandes nach der Wavelettransformation
umfaßt vorteilhafterweise eine Quantisierung der in dem Datenband enthaltenen
Daten sowie eine nachfolgende Kodierung. Zur Verkleinerung der Datenmenge
werden hierbei vorteilhafterweise die in einem jeweiligen Datenband enthaltenen
Daten komprimiert.
Bilddaten werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise nach
der Quantisierung einer Präkodierung unterzogen, bei der 2-dimensionale Bilddaten
in ein 1-dimensionalen Datenstrom übertragen werden.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zur Speicherung und/oder digitaler
Daten der eingangs genannten Art interpolierende Wavelets verwendet.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschrie
benen Verfahrens mit einer zentralen Prozessoreinheit, einer Dateneingabeschnitt
stelle für digitale Daten, einer Speichereinrichtung und/oder einer mit einem Daten
übertragungskanal koppelbaren Datenausgabeschnittstelle, einer Einrichtung zur
Durchführung mindestens einer Wavelettransformation und einer Einrichtung zur
Weiterverarbeitung der von der Einrichtung zur Durchführung mindestens einer
Wavelettransformation erzeugten Datenbänder, um die der weiterverarbeiteten
Daten auf einem Datenträger zu speichern und/oder über die Datenausgabeschnitt
stelle in den Datenkanal einzuspeisen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Einrichtung zur Weiterverarbeitung die von der Einrichtung zur Durchführung
mindestens einer Wavelettransformation erzeugten Datenbänder einzeln weiterver
arbeitet und unabhängig von der Weiterverarbeitung und Speicherung und/oder
Übertragung anderer Datenbänder speichert und/oder an die Datenausgabeschnitt
stelle überträgt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht - ebenso wie bei dem
vorstehend beschriebenen Verfahren - darin, daß bei der Übertragung der ver
arbeiteten Daten empfängerseitig mit der Dekodierung eines ersten empfangenen
Datenbandes sofort begonnen werden kann. Aus den ersten empfangenen und
dekodierten Datenbändern kann bereits ein erstes Bild relativ rasch konstruiert
werden, das sehr schnell einem Betrachter zur Verfügung steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung sind durch die
Merkmale der Ansprüche 9 bis 13 gekennzeichnet.
Die Aufgabe wird bei einem Speicherelement zur Speicherung von Daten, ins
besondere CD-ROM oder Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenver
arbeitungseinheit ausführbares Anwendungsprogramm gespeichert ist, das durch
Wavelettransformation digitaler Bilddaten entstandene Datenbänder zu verarbeiten
vermag, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein auf dem Speicherelement
gespeichertes Anwendungsprogramm die Datenbänder einzeln und unabhängig von
der Weiterverarbeitung und Übertragung und/oder Speicherung anderer Daten
bänder zur Speicherung und/oder Übertragung an einen Datenkanal weiterver
arbeitet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Speicherelementes sind in
den Ansprüchen 15 bis 18 angegeben.
Die Aufgabe wird bei einem Speicherelement zur Speicherung von Daten, ins
besondere CD-ROM oder Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenver
arbeitungseinheit ausführbares Anwendungsprogramm gespeichert ist, das durch
Wavelettransformation digitaler Bilddaten entstandene Datenbänder zu verarbeiten
vermag, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein auf dem Speicherelement
gespeichertes Anwendungsprogramm eine interpolierende Wavelettransformation
durchführt.
Bei einem erfindungsgemäßen Bilddatenübertragungsverfahren, bei dem digitale
Bilddaten über einen Datenkanal übertragen werden wird, auf der Senderseite das
vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt, während auf der Empfängerseite
die entsprechenden invertierten Verfahrensschritte in umgekehrter Reihenfolge
durchgeführt werden. Erfindungsgemäß enthält eine Bilddatenübertragungsvor
richtung zur Übertragung digitaler Bilddaten über einen Datenkanal neben der
vorstehend erwähnten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Speiche
rung und/oder Übertragung digitaler Bilddaten über einen Datenkanal eine Emp
fangsvorrichtung, die die zu einem senderseitigen Verfahren invertierten Verfah
rensschritte in umgekehrter Reihenfolge durchführt und entsprechende Merkmal
aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Aufbereitung digitaler
Daten, insbesondere Bilddaten, zur Speicherung und/oder Übertragung der Daten
über einen Datenkanal nach einer der Bilddatenaufbereitung nachgeschalteten
Quantisierung und Kodierung, bei der mindestens eine Wavelettransformation mit
einem Waveletfilter durchgeführt wird, der mindestens einen nicht-ganzzahligen
Koeffizienten enthält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Koeffizienten der
Waveletfilter algebraische Zahlen sind.
Die Koeffizienten typischer Waveletfilter sind Wurzeln von Polynomen mit ganzzah
ligen Koeffizienten und damit nicht als rationale Zahlen darstellbar. Eine verlustfreie
Implementierung eines Wavelet-Algorithmus ist daher im Rahmen eines Kodes mit
rationalen Zahlen nur mit Hilfe einer Differenz-Bild-Übertragung möglich. Durch die
Verwendung von algebraischen Zahlen, also Zahlen aus einer Menge, die die
ganzen Zahlen um die Nullstellen von Polynomen mit ganzzahligen Koeffizienten
erweitert, kann ein Computer im wesentlichen weiter mit ganzen Zahlen rechnen.
Dies führt zu einer erheblich schnelleren Rechengeschwindigkeit als bei
Gleitkommaoperationen und es werden auch Rundungsfehler vermieden. Die
Verwendung algebraischer Zahlen als Koeffizienten der Waveletfilter führt daher zu
einer erheblichen Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Aufbereitung digitaler
Daten, insbesondere Bilddaten zur Speicherung und/oder Übertragung der Daten
über einen Datenkanal nach einer der Bilddatenaufbereitung nachgeschalteten
Quantisierung und Kodierung, bei der mindestens eine Wavelettransformation mit
einem Waveletfilter durchgeführt, der mindestens einen nicht-ganzzahligen Koeffi
zienten enthält, erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß die Koeffizienten der
Waveletfilter dyadische Zahlen sind.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Präkodierung digitaler
Bilddaten zur Speicherung und/oder Übermittlung der Daten an einen Datenkanal
nach einer der Präkodierung nachgeschalteten Kodierung, bei dem 2-dimensionale
Bilddaten Bi,j zumindest in einem ersten Bildbereich mit einer bijektiven Funktion f
in einen 1-dimensionalen Datenstrom aus Dk abgebildet werden, wobei i, j, k
natürliche Zahlen sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umkehrfunktion
f-1 eine Diskretisierung einer Peano-Kurve ist.
In der Präkodierung, geschieht die Übertragung von 2-dimensionalen Bilddaten in
einen 1-dimensionalen Datenstrom. Dabei wird erfindungsgemäß die Korrelation der
in zwei Dimensionen benachbarten Punkten ausgenutzt, um in der anschließenden
Kodierung höhere Kompressionsraten zu erzielen. Die Peano-Kurve besitzt die
Eigenschaft, daß die räumliche Nähe von Punkten in der 2-dimensionalen Anord
nung in optimaler Weise auf eine räumliche Nähe der Punkte im 1-dimensionalen
Bildbereich abgebildet wird. Erfindungsgemäß wird entlang einer Kurve abgetastet,
die die zweidimensional angeordneten Daten so durchläuft, daß jeder Punkt genau
einmal erreicht wird. Die Kurve ist raumfüllend. Der Vorteil dieses Präkodierungs
verfahren besteht darin, daß im 1-dimensionalen Datenstrom aufgrund der stärke
ren Korrelation benachbarter Punkte eine höhere Datenkompressionsrate erzielt
werden kann.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Speicherelement zur Speicherung von
Daten, insbesondere CD-ROM oder Diskette, auf dem mindestens ein auf einer
Datenverarbeitungseinheit ausführbares Anwendungsprogramm gespeichert ist, das
2-dimensionale Bilddaten Bi,j zumindest in einem ersten Bildbereich mit einer
bijektiven Funktion f in einen 1-dimensionalen Datenstrom aus Daten Dk abbildet,
wobei i, j, k natürliche Zahlen sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Umkehrfunktion f-1 eine Diskretisierung einer Peano-Kurve ist.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Kodierung digitaler präko
dierter Bilddaten mit einem statistischen arithmetischen Kodierer, der eine Kodie
rung der Daten gemäß einem adaptiv veränderbaren Wahrscheinlichkeitsmaß
kodiert erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wahrscheinlichkeitsmaß eine
Markovkette beliebiger Länge mit Coarse-Graining ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kodierung digitaler präkodierter
Bilddaten besteht in erster Linie darin, daß die Kodierung mit dem erfindungs
gemäßen Wahrscheinlichkeitsmaß effektiver durchgeführt werden kann. Der
Kodierer mißt eine empirische Markov-Verteilung und verwendet diese als Grund
lage zur Kodierung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines strukturierten Bildes mit sieben
Teilstücken, die Datenbänder repräsentieren, die durch Wavelettrans
formation eines Bildes entstanden;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Baumstruktur von Matrizen, in
denen Daten eines Datenbandes abgelegt werden, die aus einer Wave
lettransformation hervorgehen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zu Präkodierung von Bilddaten mit Pea
no-Kurven;
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Markovkette
mit Coarse-Graining.
1.1 Mathematische Beschreibung eines Bildes
Zur Beschreibung eines Bildes mit B Pixeln in der Breite und H Pixeln in der Höhe benützt man drei Funktionen F = (FR, FG, FB), die auf {1, . . ., H} × {1, . . ., B} definiert sind und ihre Werte in {0, . . ., 255} annehmen. FR (rot), FG (grün), FB (blau) beschreiben die drei Farbebenen. Somit ist jeder Pixel in jeder Farbebene in 8 Bits kodiert.
Zur Beschreibung eines Bildes mit B Pixeln in der Breite und H Pixeln in der Höhe benützt man drei Funktionen F = (FR, FG, FB), die auf {1, . . ., H} × {1, . . ., B} definiert sind und ihre Werte in {0, . . ., 255} annehmen. FR (rot), FG (grün), FB (blau) beschreiben die drei Farbebenen. Somit ist jeder Pixel in jeder Farbebene in 8 Bits kodiert.
1.2 Farbtransformation
Das ursprüngliche Bild F in der RGB-Farbdarstellung wird durch eine lineare Transformation Φ pixelweise in eine neue Farbdarstellung YC1C2 transfor miert.
Das ursprüngliche Bild F in der RGB-Farbdarstellung wird durch eine lineare Transformation Φ pixelweise in eine neue Farbdarstellung YC1C2 transfor miert.
Dabei ist Y eine Intensitätsebene, C1, C2 zwei Farb-(Differenz-)Ebenen. Die
Transformation Φ wird so gewählt, daß die visuell stärksten Informationen in
der Y-Ebene konzentriert werden, während sich in den Ci-Ebenen visuell
geringer zu wichtende Informationen befinden.
1.3 Wavelet-Transformation
Gegeben seien eine Skalenfunktion und ein biorthogonales Wavelet Φ0, Φ1 ∈ L2 (R) mit dem zugehörigen diskreten Wavelet Filterpaar (h0, h1), es gilt
Gegeben seien eine Skalenfunktion und ein biorthogonales Wavelet Φ0, Φ1 ∈ L2 (R) mit dem zugehörigen diskreten Wavelet Filterpaar (h0, h1), es gilt
({h α|k}k∈Z ∈ l2(Z), α ∈ {0, 1}). Die benutzten Filterpaare besitzen endlichen Träger,
d. h. es gibt natürliche Zahlen Nα derart, daß h α|i=0 für |i| < Nα. Sei
wobei den Abschluß der Menge der endlichen Linearkombinationen
aus Funktionen gn, n ∈ Z bezeichnet. Aus den Eigenschaften eines Wavelets folgt V0 =
V-1 ⊕ W-1. Mit 0,1,0, 1 seien die zugehörigen dualen Objekte bezeichnet.
Jede Funktion f ∈ Vo läßt sich nun nach den Basisvektoren
entwickeln:
mit
Hierbei bezeichnet <.,.< das Skalarprodukt
im L2 (R).
Ist die Skalenfunktion interpolierend (vgl.Abschnitt 1.9), so gilt:
fk = f(k) (k ∈ Z).
In diesem Fall können wir also ohne Integration aus dem diskreten Bild F die diskre
ten Wavelet-Koeffizienten f α|k berechnen und aus den f α|k umgekehrt direkt wieder das
diskrete Bild F rekonstruieren.
Für ein eindimensionales Bild {fk}k=0, . . ., B ergibt sich:
Dabei wird fk für k ∉ {0, . . . ,B} durch eine geeignete Vorschrift fortgesetzt (Randbe
handlung).
Für ein zweidimensionales Bild {Fi, j}i=0, . . ., B, j=0, . . . H ergibt sich durch Tensorierung:
1.4 Wavelettransformation eines Bildes, Zerlegung in unabhängige Bänder
Ein zu transformierendes Bild der Größe H0×B0 wird durch Randbehandlung auf H×B soweit vergrößert bis sowohl Höhe wie Breite durch 2 teilbar sind. Danach wird das Bild wavelettransformiert (vgl. Abschnitt 1.3). Daraus ergibt sich ein strukturiertes Bild mit einem Low-Pass-Anteil F 00|n, m und den 3 High-Pass-Anteilen
Ein zu transformierendes Bild der Größe H0×B0 wird durch Randbehandlung auf H×B soweit vergrößert bis sowohl Höhe wie Breite durch 2 teilbar sind. Danach wird das Bild wavelettransformiert (vgl. Abschnitt 1.3). Daraus ergibt sich ein strukturiertes Bild mit einem Low-Pass-Anteil F 00|n, m und den 3 High-Pass-Anteilen
Die 4 Teile werden wiederum als einzelne Bilder aufgefaßt und der Low-Pass-Anteil
(ggf. nach erneuter Anpassung seiner Höhe und Breite) Wavelettrans
formiert. Daraus ergibt sich ein strukturiertes Bild mit 7 Teilstücken, das
schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.
Diese Transformation wird in der Regel bis zu 4 mal durchgeführt, wobei sich
die Anzahl sich nach der Größe des Bildes und nach den in der Wavelettrans
formation maximal auftretenden Zahlenwerten richtet. Das daraus entstehen
de strukturierte Bild hat maximal 13 Teile, Bänder genannt. Sie bestehen aus
dem Low-Pass-Anteil und maximal 12 High-Pass-Anteile. Jeder Anteil ist
durch eine Funktion F(n) gegeben wo n ∈ I die Koordinate der Pixel bezeich
net, die zu dem Band gehören. Die Daten werden in Matrizen abgelegt, die in
einer Baumstruktur angeordnet sind. Eine solche Baumstruktur ist in Fig. 2
dargestellt.
Die einzelnen Matrizen werden den nachfolgenden Tools unabhängig vonein
ander zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
1.5 Quantisierung
Im Anschluß an die Wavelettransformation eines Bildes wird jedes Band für sich alleine weiterbehandelt. Damit kann die Optimierung des Kodes sehr flexibel und schnell gemacht werden. Die verwendete Quantisierung ist eine sogenannte "Equiquantisierung mit Deadzone": Sei F(n) ∈ l2 (I) die Dar stellung des Bildes in einem Band. Der Wertebereich von F wird in Intervalle der gleichen Länge aufgeteilt (equiquantisiert) bis auf ein einziges, die soge nannte Deadzone. Sie ist um den Nullwert zentriert. Die Größe der Deadzone und die Anzahl der Intervalle sind wählbare Parameter, die zur Optimierung des Kodes wesentlich sind. Sie beeinflussen die Qualität einer verlustbehafte ten Kompression, sowie die Kompressionsrate. Die Einteilung des Werteberei ches in die Intervalle J definiert eine σ-Algebra Σ (durch Vereinigung und Durchschnittsbildung von Elementen in J). Damit existiert eine natürliche Projektion π von l2(I) auf die Σ-meßbaren Funktionen auf I, die sogenannte Quantisierung. Falls F ∈ l2(I) die Bandfunktion bezeichnet, heißt π(F) die Quantisierung von F. Die Daten π(F) werden wiederum in einer Matrix abge legt.
Im Anschluß an die Wavelettransformation eines Bildes wird jedes Band für sich alleine weiterbehandelt. Damit kann die Optimierung des Kodes sehr flexibel und schnell gemacht werden. Die verwendete Quantisierung ist eine sogenannte "Equiquantisierung mit Deadzone": Sei F(n) ∈ l2 (I) die Dar stellung des Bildes in einem Band. Der Wertebereich von F wird in Intervalle der gleichen Länge aufgeteilt (equiquantisiert) bis auf ein einziges, die soge nannte Deadzone. Sie ist um den Nullwert zentriert. Die Größe der Deadzone und die Anzahl der Intervalle sind wählbare Parameter, die zur Optimierung des Kodes wesentlich sind. Sie beeinflussen die Qualität einer verlustbehafte ten Kompression, sowie die Kompressionsrate. Die Einteilung des Werteberei ches in die Intervalle J definiert eine σ-Algebra Σ (durch Vereinigung und Durchschnittsbildung von Elementen in J). Damit existiert eine natürliche Projektion π von l2(I) auf die Σ-meßbaren Funktionen auf I, die sogenannte Quantisierung. Falls F ∈ l2(I) die Bandfunktion bezeichnet, heißt π(F) die Quantisierung von F. Die Daten π(F) werden wiederum in einer Matrix abge legt.
1.6 Präkodierung
Der Datenstrom, der vom Sender zum Empfänger geschickt wird, ist in der Zeit linear angeordnet. Um die in den Matrizen 2-dimensional angeordneten Daten auf diese Form zu bringen, müssen sie gescannt werden. In unserem Algorithmus werden verschiedene Scanningarten benutzt. Es wird zeilenwei se, spaltenweise über die Matrix gegangen, oder es wird nach längs einer Hilbertkurve (vgl. Abschnitt 3) gescannt. Die Bildqualität und Kompressions rate hängt wesentlich von der Wahl der Scanningmethode ab. So ist es günstiger das Band F01 längs Zeilen zu scannen und F10 längs Spalten als umgekehrt. Für Bilddaten mit stark räumlicher Korrelation ist die Hilbertkurve besonders geeignet.
Der Datenstrom, der vom Sender zum Empfänger geschickt wird, ist in der Zeit linear angeordnet. Um die in den Matrizen 2-dimensional angeordneten Daten auf diese Form zu bringen, müssen sie gescannt werden. In unserem Algorithmus werden verschiedene Scanningarten benutzt. Es wird zeilenwei se, spaltenweise über die Matrix gegangen, oder es wird nach längs einer Hilbertkurve (vgl. Abschnitt 3) gescannt. Die Bildqualität und Kompressions rate hängt wesentlich von der Wahl der Scanningmethode ab. So ist es günstiger das Band F01 längs Zeilen zu scannen und F10 längs Spalten als umgekehrt. Für Bilddaten mit stark räumlicher Korrelation ist die Hilbertkurve besonders geeignet.
1.7 Kodierung
Die Basis unseres Kodierers ist der arithmetische Kodierer von I. H. Witten, R. M. Neal und J. Cleary (Commun. ACM 30, 6 page 520-541) in der aktuali sierten Form von A. Moffat, R. M. Neal und I. H. Witten (Preprint). Er ist der zur Zeit beste statistische Kodierer. Wir haben ihn auf die Verwendung von Markovketten beliebiger Länge ausgebaut (vgl. Abschnitt 4). Die Länge kann für jedes Band einzeln gewählt werden. Der Kodierer arbeitet adaptiv, d. h. die der Kodierung zugrunde liegende Statistik wird ständig einem Update unterworfen. Der Kodierer mißt eine empirische Markov-Verteilung und verwendet diese als Grundlage der Kodierung (vgl. Abschnitt 4).
Die Basis unseres Kodierers ist der arithmetische Kodierer von I. H. Witten, R. M. Neal und J. Cleary (Commun. ACM 30, 6 page 520-541) in der aktuali sierten Form von A. Moffat, R. M. Neal und I. H. Witten (Preprint). Er ist der zur Zeit beste statistische Kodierer. Wir haben ihn auf die Verwendung von Markovketten beliebiger Länge ausgebaut (vgl. Abschnitt 4). Die Länge kann für jedes Band einzeln gewählt werden. Der Kodierer arbeitet adaptiv, d. h. die der Kodierung zugrunde liegende Statistik wird ständig einem Update unterworfen. Der Kodierer mißt eine empirische Markov-Verteilung und verwendet diese als Grundlage der Kodierung (vgl. Abschnitt 4).
1.8 Beispiel eines diskreten Waveletfilters
Aus Daubechies entnehmen wir folgendes Beispiel eines Waveletfilter-Paares (h, ):
Aus Daubechies entnehmen wir folgendes Beispiel eines Waveletfilter-Paares (h, ):
1.9 Interpolierende Wavelets, Faktorisierung
Die Wavelettransformation eines Signales f wird im allgemeinen auf eine diskrete Transformation der Koeffizienten {fn}n∈Z zurückgeführt. Dabei stehen f und die Koeffizienten in folgenden Zusammenhang:
Die Wavelettransformation eines Signales f wird im allgemeinen auf eine diskrete Transformation der Koeffizienten {fn}n∈Z zurückgeführt. Dabei stehen f und die Koeffizienten in folgenden Zusammenhang:
f(x) = Σ fn Φ (x-n)
Um die Berechnung der Koeffizienten {fn}n ∈ Z ohne Integration durchzuführen und
dann nach deren Transformation nicht wieder auf die Funktion f(x) zurückzurechnen zu
müssen, ist es von Vorteil "interpolierende Wavelets" zu benutzen. Ein Wavelet heißt
interpolierend, falls für alle
die Gleichung gilt:
f(n) = fn, (n ∈ Z).
Dies ist äquivalent zu Φ0(n) = , n ∈ Z. Die fundamentale Gleichung
impliziert für interpolierende Wavelets
d. h. der gerade Teil der Filterfunktion h0(z) = Σ z-kh 0|k ist konstant. Für die Polypha
senmatrix P bedeutet dies
Für biorthogonale Wavelets mit Filtern endlicher Länge bedeutet dies, daß es ein m ∈ Z
gibt derart, daß die Polyphasen-Matrix in der folgenden Form faktorisiert werden kann:
In unserem Algorithmus wird ein Wavelet dieses Typs verwendet.
Waveletfilter enthalten typischerweise Wurzeln von ganzen Zahlen. Um die
computergestützte Verarbeitung schnell und fehlerfrei durchführen zu können
ist es vorteilhaft, die Wurzeln als algebraische Zahlen zu fassen.
Ein Wavelet-Algorithmus enthält im wesentlichen nur Additionen und Multipli
kationen von Zahlen. Die Filterkoeffizienten sind typischerweise nicht ganz
zahlig und enthalten oftmals Wurzeln ganzer Zahlen, die irrational sind, wie
z. B. √3. Deshalb wird meistens mit Float-Zahlen gerechnet, obwohl die
Ausführung von Operatoren mit Float-Zahlen auf dem Computer langsamer ist
als entsprechende ganzzahlige Operationen und sich Fehler dadurch ergeben
können, daß die Rundungsverfahren auf den einzelnen Rechnern verschieden
sind. Es ist deshalb von großem Vorteil, die auftretenden Wurzeln als alge
braische Zahlen aufzufassen und im Ring der um diese algebraischen Zahlen
erweiterten ganzen Zahlen zu rechnen. Die komplexe Zahl a heißt algebraisch
bezüglich des Rings der ganzen Zahlen, falls es ein nicht triviales Polynom
P(x) mit ganzzahligen Koeffizienten gibt, derart, daß P(a) = 0 ist. Dieses
Verfahren erhält die Geschwindigkeit und arbeitet fehlerfrei, da Rundungen
gänzlich entfallen.
2.1 Wavelet-Transformation
Die grundlegenden Gleichungen der Skalenanalyse mit Waveletfiltern sind
Die grundlegenden Gleichungen der Skalenanalyse mit Waveletfiltern sind
Sie drücken aus, daß jede Funktion f aus dem abgeschlossenen Teilraum
V0: = « Φ0(x-u) | n ∈ Z » im Raum der quadratintegrierbaren Funk
tionen L2(R) in zwei Funktionen zerlegt werden kann
f = f0 + f1
und zwar so, daß
Φ0 heißt Skalerfunktion, Φ1 ist die Waveletfunktion. Sie erzeugen (nach
Voraussetzung) Basen von V0, V-1 und W-1. h0 ist der Skalenfilter und h1
der Waveletfilter. f0 ist der Low-Pass- und f1 der High-Pass-Anteil. Aus den
fundamentalen Gleichungen folgt
2.2 Die diskrete Wavelet-Transformation
Die Zerlegung eines Signals f in den Low-Pass- und den High-Pass-Anteil erfolgt so: Sei f ∈ V0, d. h. es gibt eine Folge {fn}n∈Z so daß
Die Zerlegung eines Signals f in den Low-Pass- und den High-Pass-Anteil erfolgt so: Sei f ∈ V0, d. h. es gibt eine Folge {fn}n∈Z so daß
Die fundamentalen Gleichungen implizieren die Existenz der Folgen {f 0|n},
{f 1|n}, so daß
Daraus folgt für die diskrete inverse Wavelet-Transformation
Die diskrete Wavelettransformation selbst ist analog definiert;
wobei 0 und 1 die dualen diskreten Waveletfilters bezeichnet.
2.3 Ein bekanntes Beispiel für einen Wavelet-Filter ist der sogenannte Daube
chies-4-Filter:
Die Multiplikation mit √2 und die Division mit 8 ist irrelevant. (Sie wird erst
am Schluß berücksichtigt). Die Multiplikation mit √3 ist jedoch problema
tisch. Sie wird bei dem erfindungsgemäßen Algorithmus symbolisch als
Multiplikation mit y durchgeführt. Dem Computer wird dann als Regel
folgende Gleichung übergeben: y2-3 = 0. Dies genügt um die Wavelet
transformation im Ring der ganzen Zahlen durchzuführen.
3.1 Raumfüllende Kurven/Peano-Kurven
Sei I = [0, 1] das Einheitsintervall in R und E = 1×1 das Einheitsquadrat in R2. Eine bijektive Abbildung
Sei I = [0, 1] das Einheitsintervall in R und E = 1×1 das Einheitsquadrat in R2. Eine bijektive Abbildung
f:I → E
heißt raumfüllend. Die Bijektivität bedeutet, daß, wenn t ∈ I alle Werte aus
I durchläuft, dann wird f(t) alle Punkte aus E genau einmal erreichen.
Ist eine solche Abb. f zusätzlich stetig, so wird f Peano-Kurve genannt.
3.2 Beispiel einer raumfüllenden Kurve
Fig. 3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung zur Konstruktion eines Beispiels einer Peano-Kurve. Das Verfahren nach Hilbert funktioniert wie folgt:
Das Quadrat E wird in vier gleich große Teilquadrate D1, . . ., D4 zerlegt, und das Intervall I wird in vier gleich große Intervalle T1, . . ., T4 zerlegt. Den Quadraten Di werden die Teilintervalle Ti zugeordnet.
Fig. 3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung zur Konstruktion eines Beispiels einer Peano-Kurve. Das Verfahren nach Hilbert funktioniert wie folgt:
Das Quadrat E wird in vier gleich große Teilquadrate D1, . . ., D4 zerlegt, und das Intervall I wird in vier gleich große Intervalle T1, . . ., T4 zerlegt. Den Quadraten Di werden die Teilintervalle Ti zugeordnet.
Diese Prozedur wird nun für alle Quadrate Di und Teilintervalle Ti wiederholt,
so daß sich eine Zuordnung von 16 Quadraten Dij (i, j = 1, . . ., 4) zu 16
Intervallen Tij (i, i = 1, . . ., 4) ergibt. In weiteren Iterationsschritten ent
stehen immer feinere Quadrate und Intervalle. Fig. 3 zeigt eine schematische
Darstellung dieses Verfahrens.
Die ineinander enthaltenen Quadrate Di ⊂ Dij ⊂ Dijk ⊂ . . . enthalten genau
einen gemeinsamen Punkt Pijk. . ., während die ineinander enthaltenen Inter
valle Ti ⊂ Tij ⊂ . . . genau einen gemeinsamen Punkt Tijk. . . enthalten. Dann
ist die Abbildung
eine stetige raumfüllende Kurve, d. h. eine Peano-Kurve. Die in der obigen
Skizze in den jeweiligen Iterationsschritten enthaltenen Kurven werden auch
Hilbertkurven genannt.
3.3 Diskretisierung einer raumfüllenden Kurve
Die Diskretisierung einer raumfüllenden (oder Peano-)Kurve erhält man dadurch, daß das kontinuierliche Intervall I durch eine Menge von äquidi stanten Punkten IN = {s1, . . ., s2N} C I und das Einheitsquadrat E durch eine Menge von in beiden Raumrichtungen äquidistanten Punkten EN: = {q1, . . ., q2N} C E ersetzt wird und man die bijektive Abbildung
Die Diskretisierung einer raumfüllenden (oder Peano-)Kurve erhält man dadurch, daß das kontinuierliche Intervall I durch eine Menge von äquidi stanten Punkten IN = {s1, . . ., s2N} C I und das Einheitsquadrat E durch eine Menge von in beiden Raumrichtungen äquidistanten Punkten EN: = {q1, . . ., q2N} C E ersetzt wird und man die bijektive Abbildung
fN : IN → EN
als Einschränkung von f auf IN erhält:
fN = f ↑ IN.
3.4 Beispiel: Eine solche Diskretisierung erhält man, indem man im oben be
schriebenen Verfahren zur Konstruktion einer Peano-Kurve im z. B. dritten
Iterationsschritt die Mittelpunkte der Intervalle Tijk den Mittelpunkten der
Quadrate Dijk zuordnet.
4.1 Wir betrachten ein Band B mit N Pixeln, die gemäß einer zuvor festgelegten
Scanningart durchnummeriert sind. B = {1, . . ., N}. Die Graustufen eines
Pixels werden als mögliche Konfigurationen K eines Pixels interpretiert, K =
{xI, . . ., xM}. Die Konfiguration eines Bandes w ist dann eine Funktion auf B
mit Werten in K, d. h. w ∈ Ω: = KB.
Auf Ω betrachten wir nun verschiedene Wahrscheinlichkeitsmaße, die dann
dem Kodierer zugeführt werden.
Fall 1a, unabhängig gleich verteilte Pixel-Konfigurationen:
Dabei ist p(x) die über ein Histogramm gemessene, d. h. empirische Wahr
scheinlichkeit, daß der Grauwert x in w vorkommt.
4.2 Fall 2a, Markovkette der Korrelationslänge 2:
µ2(w) := ν(w(1)).p(w(1),w(2)).p(w(2),w(3)).. . ..p(w(N-1), w(N))
dabei bezeichnet ν(x) die Ausgangsverteilung der Grauwerte und p(x,y) die
stochastische Übergangsmatrix, d. h. p(x,y) ist die Wahrscheinlichkeit, daß
in w auf die Konfiguration x die Konfiguration y folgt. Sie wird vom Algo
rithmus durch ein entsprechendes Histogramm gemessen.
Fall 3a, Markovkette der Korrelationslänge 3:
µ3(w) := ν(w(1),w(2)).p(w(1),w(2),w(3)).p(w(2),w(3),w(4)).. . ..p(w(N-2),w(N-1),w(N)).
ν(x,y) bezeichnet jetzt die Anfangsverteilung der Konfiguration eines Pixel
paares und p(x,y,z) die Wahrscheinlichkeit, daß ein Pixel den Grauwert z
hat, wenn der Vorgänger den Wert y und der Vor-Vorgänger den Wert x an
genommen hat.
Die Länge der Markovkette kann beliebig in die Höhe getrieben werden. Mit
der Länge der Kette wächst die Problematik, daß die Zahl Z den möglichen
Konfigurationen L aufeinanderfolgender Pixel
Z - ML
mit der Zahl der Pixel im Band N vergleichbar wird. In diesem Fall kann keine
sinnvolle Statistik betrieben werden. Um dies zu vermeiden, verwenden wir
eine Methode des sogenannten "Coarse-Graining"; dabei werden die zuvor
eingeführten Wahrscheinlichkeitsmaße folgendermaßen abgeändert.
Die Konfigurationen K eines Pixels werden in disjunkte Teilmengen zerlegt,
typischerweise drei, vier oder fünf:
Das auf Ω definierte Maß wird jetzt folgendermaßen abgeändert
Fall 2b, Markovkette mit Coarse-Graining:
Fall 2b, Markovkette mit Coarse-Graining:
2(w) = (w(1)).(w(1),w(2)).(w(3),w(4)).. . ..(w(N-1), w(N)).
Dabei bezeichnet (y) die Ausgangsverteilung auf der Zerlegung {K1, . . ., Kg},
d. h. die Wahrscheinlichkeit, daß Ki mit x ∈ Ki vorkommt; (x,y) ist die
Wahrscheinlichkeit, daß die Konfiguration y eintritt, wenn der Vorgänger
sich in einer Konfiguration x ∈ Ki befindet (nach Konstruktion ist (x1,y) =
(x2,y), falls x1 und x2 in ein und demselben Ki sind). Die Übergangswahr
scheinlichkeiten (x,y) werden von unserem Algorithmus gemessen.
4.3 Fall 3b, Markovkette der Korrelationslänge 3 mit Coarse-Graining:
3(w) := (w(1), w(2)).(w(1), w(2), w(3)).(w(2), w(3), w(4)).. . ..(w(N-2), w(N-1), w(N)).
(x,y) bezeichnet wiederum die Anfangsverteilung der Paare (Ki, Kj), wobei
x ∈ Ki und x ∈ Kj ist. (x,y,z) ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine Pixelkon
figuration z ∈ Km auftritt, falls der Vorgänger y in Kn und der Vor-Vor
gänger x in Km liegt. wird vom Algorithmus gemessen.
Der Algorithmus mit und ohne Coarse-Graining kann auf beliebig lange Mar
kovketten ausgedehnt werden.
Die Wahrscheinlichkeitsmaße werden vom arithmetischen Kodierer in folgen
der Weise benützt: Die i-te Pixelkonfiguration wird rekursiv durch die An
gabe eines halboffenen Teilintervalls in dem Intervall des Vorgängers kodiert
(siehe Fig. 4 für M = 3).
Dabei wird das Intervall, das die Konfiguration des Pixels (i - 1) kodiert,
proportional zu (w(i - 2), w(i - 1),.) in der in K gewählten Ordnung aufge
teilt. Die Konfiguration w(i) wird dann durch das Subintervall der Länge
p(w(1), w(2), w(3)) (Länge des vorangehenden Intervalls) kodiert. Dies ist
eine Weiterführung der im Originalartikel erklärten Methode.
Zur Beschleunigung des Zugriffs auf die kummulierten Frequenzen verwen
den wir den Algorithmus von Fenwick. (P. Fenwick, 1994, A new data
structure for cummalitive probability tables, Software-Practice and Experien
ce 24, 3 page 327-336. Errata in 24, 7 page 677.)
Die Polyphasenmatrix P(z) eines diskreten Waveletfilters endlicher Länge
(Abschnitt 1.9) kann in Dreiecksmatrizen faktorisiert werden, bis auf eine
konstante 2×2 Matrix. Die Durchführung der diskreten Wavelettransforma
tion gemäß dieser Faktorisierung beschleunigt die Transformation um ca.
einen Faktor 2. Falls die Koeffizienten des diskreten Waveletfilters dyadische
Zahlen sind, kann die Faktorisierung innerhalb der Matrizen mit dyadischen
Eintragungen gemacht werden. Dies führt auf einen besonders schnellen
Algorithmus zur diskreten Wavelettransformation; denn die Konvolutionen
enthalten jetzt nur noch Multiplikationen mit ganzen Zahlen und binäre
Shifts.
Claims (37)
1. Verfahren zur Übertragung und/oder Speicherung digitaler Daten, insbeson
dere Bilddaten, über einen Datenkanal, bei dem mindestens eine diskrete Wavelet
transformation durchgeführt wird, die aus den Daten jeweils mindestens zwei
Datenbänder erzeugt, und bei dem die von der mindestens einen diskreten Wavelet
transformation erzeugten Datenbänder zur Speicherung und/oder Einspeisung in
den Datenkanal weiterverarbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der mindestens einen Wavelettransformation
erzeugten Datenbänder einzeln weiterverarbeitet und unabhängig von der Weiter
verarbeitung und Übertragung und/oder Speicherung anderer Datenbänder gespei
chert und/oder an den Datenkanal übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterverarbeitung eines jeden Datenbandes nach
der Wavelettransformation eine Quantisierung der in dem Datenband enthaltenen
Daten umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterverarbeitung eines jeden Datenbandes nach
der Quantisierung eine Kodierung der quantisierten Daten umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Daten eines jeden Datenbandes bei der Kodierung
komprimiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Daten Bilddaten sind und die Kodierung eine
Präkodierung umfaßt, bei der 2-dimensionale Bilddaten in einen 1-dimensionalen
Datenstrom übertragen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch eine Präkodierung nach einem der Ansprüche 23 bis 26.
7. Verfahren zur Übertragung und/oder Speicherung digitaler Daten, insbeson
dere Bilddaten, über einen Datenkanal, insbesondere nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei dem mindestens eine diskrete Wavelettransformation durchgeführt
wird, die aus den Daten jeweils mindestens zwei Datenbänder erzeugt, und bei
dem die von der mindestens einen diskreten Wavelettransformation erzeugten
Datenbänder zur Speicherung und/oder Einspeisung in den Datenkanal weiterver
arbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahren mindestens eine interpolierende
Wavelettransformation durchgeführt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden
Ansprüche mit einer Zentralen Prozessoreinheit (CPU), einer Dateneingabeschnitt
stelle für digitale Daten, insbesondere Bilddaten, einer Speichereinrichtung und/oder
einer mit einem Datenübertragungskanal koppelbaren Datenausgabeschnittstelle,
einer Einrichtung zur Durchführung mindestens einer Wavelettransformation und
einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung der von der Einrichtung zur Durchführung
mindestens einer Wavelettransformation erzeugten Datenbänder zur Speicherung
der weiterverarbeiteten Daten auf einem Datenträger und/oder zur Einspeisung der
weiterverarbeiteten Daten über die Datenausgabeschnittstelle in den Datenkanal,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Weiterverarbeitung die von der
Einrichtung zur Durchführung mindestens einer Wavelettransformation erzeugten
Datenbänder einzeln weiterverarbeitet und unabhängig von der Weiterverarbeitung
und Speicherung und/oder Übertragung anderer Datenbänder speichert und/oder an
die Datenausgabeschnittstelle überträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Weiterverarbeitung die in jedem
Datenband enthaltenden Daten einzeln quantisiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Weiterverarbeitung die quanti
sierten Daten kodiert.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Weiterverarbeitung die quanti
sierten Daten beim Quantisieren oder Kodieren auch komprimiert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Daten Bilddaten sind und die Einrichtung zur
Weiterverarbeitung bei der Kodierung der Daten eines Datenbandes eine Präkodie
rung durchführt, bei der 2-dimensionale Bilddaten in einen 1-dimensionalen Daten
strom übertragen werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Daten Bilddaten sind und die Einrichtung zur
Weiterverarbeitung bei der Kodierung der Daten eines Datenbandes eine Präkodie
rung nach einem der Ansprüche 23 bis 26 durchführt.
14. Speicherelement zur Speicherung von Daten, insbesondere CD-ROM oder
Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares
Anwendungsprogramm gespeichert ist, das durch Wavelettransformation digitaler
Bilddaten entstandene Datenbänder zu verarbeiten vermag,
dadurch gekennzeichnet, daß ein auf dem Speicherelement gespeicherten Anwen
dungsprogramm die Datenbänder einzeln und unabhängig von der Weiterverarbei
tung und Übertragung und/oder Speicherung anderer Datenbänder zur Speicherung
und/oder Übertragung an einen Datenkanal weiterverarbeitet.
15. Speicherelement nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Speicherelement mindestens ein auf einer
Datenverarbeitungseinheit ausführbares Anwendungsprogramm gespeichert ist, das
digitale Bilddaten wavelettransformiert und dabei aus den Bilddaten jeweils minde
stens zwei Datenbänder erzeugt.
16. Speicherelement nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, daß ein auf dem Speicherelement gespeicherten Anwen
dungsprogramm die Datenbänder einzeln und unabhängig von der Weiterverarbei
tung und Übertragung und/oder Speicherung anderer Datenbänder zur Speicherung
und/oder Übertragung an einen Datenkanal weiterverarbeitet und dabei die in den
Datenbändern enthaltenen Daten einzeln quantisiert und anschließend kodiert.
17. Speicherelement nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß ein auf dem Speicherelement gespeicherten Anwen
dungsprogramm die Datenbänder einzeln und unabhängig von der Weiterverarbei
tung und Übertragung und/oder Speicherung anderer Datenbänder zur Speicherung
und/oder Übertragung an einen Datenkanal weiterverarbeitet und dabei die in den
Datenbändern enthaltenen Daten einzeln quantisiert, kodiert und dabei auch
komprimiert werden.
18. Speicherelement nach einem der zwei vorstehenden Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die ein oder mehreren Computerprogramme so
eingerichtet sind, daß sie Bilddaten empfangen und bei der Kodierung der Bilddaten
eines Datenbandes eine Präkodierung durchführen, bei der zweidimensionale
Bilddaten in einen eindimensionalen Datenstrom übertragen werden.
19. Speicherelement zur Speicherung von Daten, insbesondere CD-ROM oder
Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares
Anwendungsprogramm gespeichert ist, das durch eine diskrete Wavelettrans
formation digitaler Bilddaten entstandene Datenbände zu verarbeiten vermag,
dadurch gekennzeichnet, daß die diskrete Wavelettransformation eine interpolieren
de Wavelettransformation ist.
20. Bilddatenübertragungsverfahren bei dem digitale Bilddaten über einen
Datenkanal übertragen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Senderseite ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 6 und auf der Empfängerseite die zu einem der Verfahren nach
einem der Ansprüche 1 bis 6 invertierten Verfahrensschritte in umgekehrter Reihen
folge durchgeführt werden.
21. Bilddatenübertragungsvorrichtung zur Übertragung digitaler Bilddaten über
einen Datenkanal,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 und
eine Empfangsvorrichtung, die die zu einem der Verfahren nach einem der An
sprüche 1 bis 6 invertierten Verfahrensschritte in umgekehrter Reihenfolge durch
führt.
22. Verfahren zur Aufbereitung digitaler Daten, insbesondere Bilddaten, zur
Speicherung und/oder Übertragung der Daten über einen Datenkanal nach einer der
Bilddatenaufbereitung nachgeschalteten Quantisierung und Kodierung, bei der
mindestens eine diskrete Wavelettransformation mit einem Waveletfilter durch
geführt wird, der mindestens einen nicht-ganzzahligen Koeffizienten enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten des Waveletfilters algebraische
Zahlen sind.
23. Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung digitaler Daten - insbeson
dere Bilddaten - über einen Datenkanal, das zumindest die Verfahrensschritte der
Datenaufbereitung, Quantisierung und Kodierung umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Datenaufbereitung nach Anspruch
20 beinhaltet.
24. Speicherelement zur Speicherung von Daten, insbesondere CD-ROM oder
Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares
Anwendungsprogramm gespeichert ist, das digitale Daten - insbesondere Bilddaten -
durch eine Wavelettransformation mit mindestens zwei Waveletfiltern aufbereitet,
wobei mindestens ein Koeffizient eines bei der Wavelettransformation verwendeten
Waveletfilters nicht ganzzahlig ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der Waveletfilter algebraische
Zahlen sind.
25. Verfahren zur Aufbereitung digitaler Daten, insbesondere Bilddaten, zur
Speicherung und/oder Übertragung der Daten über einen Datenkanal nach einer der
Bilddatenaufbereitung nachgeschalteten Quantisierung und Kodierung, bei der
mindestens eine diskrete Wavelettransformation mit einem Waveletfilter durch
geführt wird, der mindestens einen nicht-ganzzahligen Koeffizienten enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten des Waveletfilters dyadische Zahlen
sind.
26. Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung digitaler Daten - insbeson
dere Bilddaten - über einen Datenkanal, das zumindest die Verfahrensschritte der
Datenaufbereitung, Quantisierung und Kodierung umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Datenaufbereitung nach Anspruch
22 beinhaltet.
27. Speicherelement zur Speicherung von Daten, insbesondere CD-ROM oder
Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares
Anwendungsprogramm gespeichert ist, das digitale Daten - insbesondere Bilddaten -
durch eine Wavelettransformation mit mindestens zwei Waveletfiltern aufbereitet,
wobei mindestens ein Koeffizient eines bei der Wavelettransformation verwendeten
Waveletfilters nicht ganzzahlig ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der Waveletfilter dyadische Zahlen
sind.
28. Verfahren zur Präkodierung digitaler Bilddaten zur Speicherung und/oder
Übermittlung der Daten an einen Datenkanal nach einer der Präkodierung nach
geschalteten Kodierung, bei dem 2-dimensionale Bilddaten Bi,j zumindest in einem
ersten Bildbereich mit einer bijektiven Funktion f in einen 1-dimensionalen Daten
strom aus Daten Dk abgebildet werden, wobei i,j,k natürliche Zahlen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrfunktion f-1 eine Diskretisierung einer
Peano-Kurve ist.
29. Verfahren nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Diskretisierung einer Umkehrfunktion f-1 eine
Hilbert-Kurve ist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddaten außerhalb des ersten Bildbereichs in
einer solchen Abtastreihenfolge abgetastet werden, daß die Verbindungslinie, die
die Bilddaten außerhalb des ersten Bildbereichs ihrer Abtastreihenfolge gemäß
miteinander verbindet, im wesentlichen spiralförmig um den ersten Bildbereich
herum verläuft.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bildbereich quadratisch ist und eine Kanten
länge von 2n besitzt, wobei n eine natürliche Zahl ist, und anschließend der abgeta
stete Bildbereich linear skaliert wird.
32. Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung digitaler Bilddaten über
einen Datenkanal, das zumindest die Verfahrensschritte der Datenaufbereitung,
Quantisierung, Präkodierung und Kodierung umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Präkodierung nach einem der
Ansprüche 23 bis 26 beinhaltet.
33. Speicherelement zur Speicherung von Daten, insbesondere CD-ROM oder
Diskette, auf dem mindestens ein auf einer Datenverarbeitungseinheit ausführbares
Anwendungsprogramm gespeichert ist, das 2-dimensionale Bilddaten Bi,j zumindest
in einem ersten Bildbereich mit einer bijektiven Funktion f in einen 1-dimensionalen
Datenstrom aus Daten Dk abbildet, wobei i,j,k natürliche Zahlen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Diskretisierung einer Umkehrfunktion f-1 eine
Peano-Kurve ist.
34. Speicherelement nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrfunktion f-1 eine Diskretisierung einer
Hilbert-Kurve ist.
35. Speicherelement nach einem der Ansprüche 33 oder 34,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anwendungsprogramm die Bilddaten außerhalb
des ersten Bildbereichs in einer solchen Abtastreihenfolge abtastet, daß die Verbin
dungslinie, die die Bilddaten außerhalb des ersten Bildbereichs ihrer Abtastreihenfol
ge gemäß miteinander verbindet, im wesentlichen spiralförmig um den ersten
Bildbereich herum verläuft.
36. Speicherelement nach einem der Ansprüche 33 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bildbereich quadratisch ist und eine Kanten
länge von 2n besitzt, wobei n eine natürliche Zahl ist, und anschließend der abgeta
stete Bildbereich linear skaliert wird.
37. Verfahren zur Kodierung digitaler präkodierter Bilddaten mit einem statisti
schen arithmetischen Kodierer, der eine Kodierung der Bilddaten gemäß einem
adaptiv veränderbaren Wahrscheinlichkeitsmaß kodiert,
dadurch gekennzeichnet, daß das Wahrscheinlichkeitsmaß eine Markovkette
beliebiger Korrelationslänge mit Coarse-Graining ist.
Priority Applications (2)
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DE19737258A DE19737258A1 (de) | 1997-08-27 | 1997-08-27 | Bilddatenübertragungsverfahren |
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Family Applications (1)
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