DE19957685A1

DE19957685A1 - Verfahren und Anordnung zur Codierung bzw. Decodierung einer Zahlenfolge

Info

Publication number: DE19957685A1
Application number: DE19957685A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hutter; Juergen Pandel; Robert Kutka; Ralf Buschmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-06-28
Also published as: WO2001041450A8; WO2001041450A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Codierung einer Zahlenfolge, umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation 1 zugewiesen ist, angegeben. Es wird die Zahlenfolge aufgespalten in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist und es wird eine erste der Ziffernfolgen codiert, derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation 1 der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden. Ferner wird jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert, derart, daß die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation 1 der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Codierung oder Decodierung einer Zahlenfolge.

Ein solches Verfahren ist aus [1] bekannt und wird üblicherweise bei einer Bildkomprimierung durchgeführt.

Verfahren zur Bildkomprimierung mit dazugehörigen Anordnungen sind bekannt aus [2], [3] und [4].

Das aus [2] bekannte Verfahren dient im Bildcodierungsstandard MPEG2 zur Codierung und Decodierung einer Folge von digitalen Bildern und basiert auf dem Prinzip einer blockbasierten Bildcodierung.

Weitere Verfahren und Anordnungen zur Codierung und Decodierung eines digitalisierten Bildes entsprechend einem der Bildcodierungsstandards H.261 [3] oder JPEG [4], welche Verfahren ebenfalls auf dem Prinzip der blockbasierten Bildcodierung basieren, sind aus [3] und [4] bekannt.

Ähnliche Verfahren werden für die Bildtelefonie mit n × 64 kbit/s (CCITT-Empfehlung H.261), für die TV-Kontribution (CCR-Empfehlung 723) mit 34 bzw. 45 Mbit/s und für Multimedia- Applikationen mit 1,2 Mbit/s (ISO-MPEG-1) verwendet.

Zur blockbasierten Bildcodierung wird, wie es aus [2] bekannt ist, das Verfahren einer blockbasierten, hybriden Diskreten Cosinus Transformation (DCT) verwendet.

Die blockbasierte, hybride DCT besteht aus einer zeitlichen Verarbeitungsstufe (Interframe-Codierung), die Verwandtschaftsbeziehungen aufeinanderfolgender Bilder ausnutzt, und einer örtlichen Verarbeitungsstufe (Intraframe- Codierung), die Korrelationen innerhalb eines Bildes ausnutzt.

Die örtliche Verarbeitung (Intraframe-Codierung) entspricht im wesentlichen der klassischen DCT-Codierung.

Das Bild wird in Blöcke von 8 × 8 Bildpunkten zerlegt, die jeweils mittels der DCT transformiert werden. Das Ergebnis ist eine Matrix von 8 × 8 Koeffizienten, die näherungsweise die zweidimensionalen Ortsfrequenzen im transformierten Bildblock widerspiegeln. Ein Koeffizient mit Frequenz 0 (Gleichanteil) stellt einen mittleren Grauwert des Bildblocks dar.

Nach der Transformation findet eine Datenexpansion statt. Allerdings wird in eine natürlichen Bildvorlage eine Konzentration der Energie um den Gleichanteil (DC-Wert) stattfinden, während die höchstfrequenten Koeffizienten meist nahezu Null sind.

In einem nächsten Schritt erfolgt eine spektrale Gewichtung der Koeffizienten, so daß die Amplitudengenauigkeit der hochfrequenten Koeffizienten verringert wird. Hierbei nützt man die Eigenschaften des menschlichen Auges aus, das hohe Ortsfrequenzen weniger genau auflöst als niedrige.

Ein zweiter Schritt der Datenreduktion erfolgt in Form einer adaptiven Quantisierung, durch die die Amplitudengenauigkeit der Koeffizienten weiter verringert wird bzw. durch die die kleinen Amplituden zu Null gesetzt werden. Das Maß der Quantisierung hängt dabei von einem Füllstand eines Puffers ab:
Bei leerem Puffer erfolgt eine feine Quantisierung, so daß mehr Daten erzeugt werden, während bei vollem Puffer gröber quantisiert wird, wodurch sich die zusätzliche Datenmenge reduziert.

Nach der Quantisierung wird der Block diagonal abgetastet ("zigzag"-Scanning). Anschließend erfolgt eine Entropiecodierung, die eine weitere Datenreduktion bewirkt.

Hierfür werden zwei Effekte ausgenutzt:

1. Die Statistik der Amplitudenwerte (hohe Amplitudenwerte treten seltener auf als kleine, so daß den seltenen Ereignissen lange und den häufigen Ereignissen kurze Codewörter zugeordnet werden) (Lauflängencodierung mit variablem Längencode bzw. Variable-Length-Codierung, VLC). Auf diese Weise ergibt sich im Mittel eine geringere Datenrate als bei einer Codierung mit fester Wortlänge. Die variable Rate der VLC wird zur Decodierung geglättet, beispielsweise einen gleitenden Durchschnitt.
2. Man nutzt die Tatsache aus, daß von einem bestimmten Wert an in den meisten Fällen nur noch Nullen folgen. Statt aller dieser Nullen überträgt man lediglich einen EOB-Code (End Of Block), was zu einem signifikanten Codiergewinn bei der Kompression der Bilddaten führt. Statt beispielsweise 512 bit sind dann nur 46 bit für diesen Block zu übertragen, was einem Kompressionsfaktor von über 11 entspricht.

Einen weiteren Kompressionsgewinn erhält man durch die zeitliche Verarbeitung (Interframe-Codierung). Zur Codierung von Differenzbildern wird weniger Datenrate benötigt als für die Originalbilder, denn die Amplitudenwerte sind weitaus geringer.

Allerdings sind die zeitlichen Differenzen nur klein, wenn auch die Bewegungen im Bild gering sind. Sind hingegen die Bewegungen im Bild groß, so entstehen große Differenzen, die wiederum schwer zu codieren sind. Aus diesem Grund wird die Bild-zu-Bild-Bewegung gemessen (Bewegungsschätzung bzw. Prädiktion) und vor der Differenzbildung kompensiert (Bewegungskompensation).

Dabei wird die Bewegungsinformation mit der Bildinformation übertragen, wobei üblicherweise nur ein Bewegungsvektor pro Makroblock (z. B. vier 8 × 8-Bildblöcke) verwendet wird.

Noch kleinere Amplitudenwerte der Differenzbilder werden erhalten, wenn statt der verwendeten Prädiktion eine bewegungskompensierte bidirektionale Prädiktion benutzt wird.

Bei einem bewegungskompensierten Hybridcoder wird nicht das Bildsignal selbst transformiert, sondern das zeitliche Differenzsignal.

Aus diesem Grund verfügt der bewegungskompensierte Hybridcoder auch über eine Rekursionsschleife, denn der Prädiktor muß den Prädiktionswert aus den Werten der bereits übertragenen (codierten) Bilder berechnen.

Eine entsprechende Rekursionsschleife befindet sich im Decoder, so daß Coder und Decoder synchronisiert sind.

Aus [5] ist ein Verfahren zur Bewegungsschätzung im Rahmen eines Verfahrens zur blockbasierten Bildcodierung bekannt.

Ein objektbasiertes Bildkompressionsverfahren, welches aus [9] bekannt ist, basiert auf einer Zerlegung des Bildes in Objekte mit beliebiger Berandung. Die einzelnen Objekte werden in verschiedenen "Video Object Plans" getrennt voneinander codiert, übertragen und in einem Empfänger (Decoder) wieder zusammengesetzt.

Wie oben beschrieben wird bei einem blockbasierten Codierverfahren das gesamte Bild in quadratische Bildblöcke unterteilt. Dieses Prinzip wird auch bei objektbasierten Verfahren übernommen, indem das zu codierende Objekt in quadratische Blöcke unterteilt und für jeden Block separat eine Bewegungsschätzung mit einer Bewegungskompensation durchgeführt wird.

Bei der Übertragung einer Folge von Bildern (Bilddaten) über einen Kommunikationskanal, in dem eine Störung eingetreten ist, insbesondere einen mobilen (Funk-)Kanal oder einen verlustbehafteten drahtgebundenen Kanal, können Teile der Bilddaten verloren gehen. Ein solcher Verlust der Bilddaten äußert sich in Form drastischer Qualitätseinbrüche in mehr oder weniger großen Bildbereichen.

Eine Störung eines Übertragungskanals kann auch dadurch eintreten, daß eine Übertragungskapazität des Übertragungskanals verringert wird.

Da wie oben beschrieben bei Bildcodierung/Bilddecodierung Verfahren der Bewegungsschätzung mit Bewegungskompensation eingesetzt werden, verschwindet die Bildstörung auch dann nicht, wenn der Übertragungskanal wieder eine fehlerfreie Übertragung gewährleistet.

Dies liegt daran, daß sich bei der Bewegungsschätzung insbesondere ein einmal auftretender Fehler bis zur Übertragung eines nächsten Vollbildes (Intrabild), d. h. eines Bildes, bei dem alle Bildpunkte codiert und übertragen werden, fortbesteht. Es erfolgt daher eine äußerst störende Fehlerfortpflanzung.

Videodatenkompressionsverfahren nach den bekannten Bildcodierungsstandards H.261 [3], JPEG [4] und MPEG2 [2] verwenden eine bewegungskompensierte Prädiktion (Bewegungsschätzung mit Fehlerkorrektur) und eine transformationsbasierte Restfehlercodierung, wobei bevorzugt die diskrete Cosinustransformation als Transformationscodierung eingesetzt wird.

Aus [1] ist ein Verfahren zu einer skalierbaren Codierung (hierarchische Codierung) im Rahmen einer Bildcodierung bekannt.

Dabei wird ein Bild unterteilt in eine Basisinformation mit einer vorgegebenen Bildqualität und einer Zusatzinformation zur Herstellung einer vollständigen oder verbesserten Bildqualität (ausreichende Bildqualität).

Die Basisinformation, welche quantisierte DCT Koeffizienten aufweist, wird codiert und in einem Basisdatenstrom (base layer) übertragen.

Die Zusatzinformation, welche eine Differenz von nicht quantisierten DCT Koeffizienten und den quantisierten DCT Koeffizienten aufweist, wird ebenfalls codiert und in einem Zusatzdatenstrom (enhancement layer) übertragen.

Bei der Codierung der Basisinformation und der Zusatzinformation werden die Werte der quantisierten DCT Koeffizienten und die Differenzwerte als eine Zahlenfolge aus binäre Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird entsprechend einer Scanreihenfolge des "zigzag"-Scannings geordnet.

Die geordnete Zahlenfolge wird als ein zweidimensionaler Datenblock bzw. Matrix dargestellt, bei dem bzw. der eine Spalte Ziffern der binären Zahl umfaßt. Die Matrix wird zeilenweise mit einer Lauflängencodierung, wie es aus [1] bekannt ist, codiert. Die Basisinformation wird in dem base layer übertragen, die Zusatzinformation wird in dem enhancement layer übertragen.

Bei Übertragungsfehlern im Bereich der Zusatzinformation oder bei einer geringeren übertragbaren Datenrate in dem Übertragungskanal ist immer noch sichergestellt, daß das jeweilige Bild in einer Qualität, die durch die Basisinformation hergestellt ist, rekonstruiert werden kann.

In [1] wird auch vorgeschlagen, ein progressiv skalierbare Bildcodierverfahren für die Codierung von Bewegtbildern einzusetzen.

Weitere progressive Verfahren zur Codierung von Einzelbildern sind aus [6] und [7] bekannt.

Bei diesen Verfahren reicht bereits eine geringe Datenmenge aus, um das Bild in einer Basisqualität zu rekonstruieren. Je mehr zusätzliche Daten empfangen werden, desto besser wird die Qualität des Bildes.

Verfahren zur Fehlerkompensation bzw. Fehlerkorrektur sind in [8] beschrieben.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Codierung einer Zahlenfolge, wie sie beispielsweise bei dem oben beschriebenen Verfahren bei der Codierung der Zusatzinformation auftritt, und ein Verfahren zur Decodierung einer Zahlenfolge sowie eine Anordnung zur Codierung einer Zahlenfolge und eine Anordnung zur Decodierung einer Zahlenfolge anzugeben, womit eine Codierung mit verbessertem Kompressionsfaktor für die Zahlenfolge erreicht wird.

Das Problem wird durch die Verfahren und durch die Anordnungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Bei dem Verfahren zur Codierung einer Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt durch Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, wird die Zahlenfolge aufgespalten in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist.

Eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen wird codiert derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden. Jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen wird codiert derart, daß

- die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und
- zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden.

Die Anordnung zur Codierung einer Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt durch Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, weist einen Prozessor auf, der derart eingerichtet ist, daß

- die Zahlenfolge aufspaltbar ist in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen ist codierbar derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,
- jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen ist codierbar derart, daß
- die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und
- zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden.

Bei dem Verfahren zur Decodierung einer codierten Zahlenfolge erfolgt für Zahlen der codierten Zahlenfolge jeweils eine Umsetzung bzw. Rekonstruktion von Ziffern unter Verwendung eines zu einem Codierverfahren inversen Verfahrens.

Die codierte Zahlenfolge wurde unter Verwendung des Codierverfahrens codiert derart, daß

- eine Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch die Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, aufgespalten wird in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,
- jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden.

Die Anordnung zur Decodierung einer codierten Zahlenfolge, weist einen Prozessor auf, der derart eingerichtet ist, daß für Zahlen der codierten Zahlenfolge jeweils eine Umsetzung bzw. Rekonstruktion von Ziffern unter Verwendung eines zu einer Codierung inversen Verfahrens durchführbar ist. Dabei wurde die codierte Zahlenfolge unter Verwendung des Codierverfahrens codiert derart, daß

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Verfahren als auch auf die Anordnungen.

Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung realisiert werden.

Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.

Auch können die Erfindung oder jede im weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.

Bei einer Weiterbildung wird jede Zahl der Zahlenfolge dargestellt als ein binärer Ausdruck. In diesem Fall umfaßt die Zifferngruppe eine Nullziffer, welche die nicht- signifikante Ziffer ist, und eine Einsziffer, welche die signifikante Ziffer ist.

Bei einer weiteren Weiterbildung wird diejenige Zahl mit der maximalen Anzahl Ziffern ermittelt.

Es ist zweckmäßig für die Codierung, die Anzahl m der Ziffernfolgen entsprechend dieser maximalen Anzahl von Ziffern festzusetzen.

In einer Ausgestaltung werden die zweiten Ziffernfolgen entsprechend einer Wertigkeit der Ziffern geordnet.

In diesem Fall umfaßt ein erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen alle ersten Ziffern. Eine zweite Ziffernfolge der Ziffernfolgen umfaßt alle zweiten Ziffern, usw. Die m- te Ziffernfolge der Ziffernfolgen umfaßt damit zumindest die maximale Ziffer.

Auch können die Ziffernfolgen derart geordnet werden, daß die erste Ziffernfolge gemäß dem Verfahren die maximale Ziffer aufweist.

Auch eine Ordnung derart ist vorstellbar, bei der die erste Ziffernfolge die meisten nicht-signifikanten Ziffern aufweist und die Anzahl signifikanter Ziffern in den nachfolgenden Ziffernfolgen stetig wächst.

Für die Anwendung eines Standardcodierverfahrens, beispielsweise eine Lauflängencodierung mit einem variablen Längencode, ist es zweckmäßig, eine Ziffernfolge gegebenenfalls durch Ziffern aufzufüllen.

Es ist aber auch vorstellbar, eine Zahl als einen Ausdruck aus beliebigen Ziffern aus einer Zifferngruppe darzustellen, welche Zifferngruppe mehrere signifikante Ziffern und eine nicht-signifikante Ziffer aufweisen kann.

In einer Ausgestaltung weist die Zahlenfolge codierte Bildinformation auf.

Eine Vereinfachung wird erreicht, wenn die registrierten Positionen in einer Merkfolge gespeichert werden.

Auch können die registrierten Ziffern weiterbearbeitet werden. Im Rahmen dieser Weiterbearbeitung kann jede registrierte Ziffer dahingehend geprüft werden, ob eine Codierung und Übertragung für die Rekonstruktion der entsprechenden Zahl notwendig ist.

Ist eine registrierte Ziffer für die Rekonstruktion der entsprechenden Zahl nicht notwendig, so ist es auch nicht notwendig, diese zu codieren und/oder zu übertragen.

Ein solcher Fall kann eintreten, wenn ein Wert einer Zahl der Zahlenfolge einen bestimmten Schwellenwert, welcher sich aus der Anzahl m der Ziffernfolgen ableiten läßt, überschreitet.

In diesem Fall ist es auch nicht notwendig, alle registrierten Ziffern, sondern nur ein Teil der registrierten Ziffern zu übertragen.

Es ist zweckmäßig das Verfahren für eine Codierung bzw. Decodierung eines digitalisierten Bildes aus Bildpunkten einzusetzen. Dadurch lassen sich bekannte Bildcodierverfahren, beispielsweise eine Bildcodierung gemäß einem Bildcodierstandard (MPEG2 oder MPEG4), vereinfachen und hinsichtlich einer größeren Datenkompression verbessern.

Ein Ausführungsbeispiel und Alternativen zu dem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Skizze, die eine Codierung von Bildern, die jeweils Basisinformation und Zusatzinformation aufweisen, veranschaulicht;

Fig. 2 eine Skizze, die veranschaulicht, wie die Codierung einer Zusatzinformation eines Bildblocks erfolgt;

Fig. 3 eine Skizze mit einem Bildcoder und einem Bilddecoder;

Fig. 4 eine Prozessoreinheit;

Fig. 5 Komponenten einer Anordnung zur Bildcodierung und zur Bilddecodierung;

Fig. 6 eine Skizze, die einen Ablauf bei einer Codierung von Zusatzinformation verdeutlicht;

Fig. 7 eine Skizze, die einen Ablauf bei einer Codierung von Zusatzinformation verdeutlicht;

Fig. 8 eine Skizze, die einen Ablauf bei einer Codierung von Zusatzinformation verdeutlicht.

In Fig. 1 wird eine Skizze gezeigt, die eine Codierung von Bildern einer Bildsequenz, welche Bilder jeweils Basisinformation und Zusatzinformation aufweisen, veranschaulicht.

Dazu sind drei zeitlich aufeinanderfolgende Bilder 101, 102 und 103 dargestellt, die jeweils eine Basisinformation B und eine Zusatzinformation Z aufweisen.

Die Zusatzinformation Z setzt auf der Basisinformation B jedes einzelnen Bildes 101 bis 103 auf.

Die Zusatzinformationen Z der Bilder sind untereinander nicht verknüpft, das heißt abhängig von einer aktuellen Störung oder einer aktuellen verfügbaren Übertragungskapazität eines Übertragungskanals des Übertragungskanals wird pro Bild mehr oder weniger Zusatzinformation Z in Form eines progressiven Verfahrens, wie es in [1] beschrieben ist, genutzt, um die jeweilige Bildqualität des einzelnen Bildes mehr oder weniger stark zu verbessern.

Ist beispielsweise der Übertragungskanal kurzfristig stark gestört oder die aktuell verfügbare Kanalkapazität verringert, so kann es bei einem einzelnen Bild dazu kommen, daß nur wenig Daten der Zusatzinformation Z zur Rekonstruktion des Bildes eingesetzt werden können. In diesem Fall könnte dieses Bild in einer Qualität dargestellt werden, die sich nur unwesentlich von der durch die Basisinformation B sichergestellten Qualität unterscheidet.

Ist die Störung des Übertragungskanals oder der Kanalkapazität weitgehend vorbei, so kann bereits im zeitlich nachfolgenden Bild die gesamte Zusatzinformation Z verwertbar sein, dieses nachfolgende Bild wird demnach in Qualität, die aus Informationen der Basisinformation B und Zusatzinformation Z besteht, dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Skizze, die veranschaulicht, wie die Codierung der Zusatzinformation Z eines Bildblocks mit 8 × 8 Bildpunkte erfolgt.

Zur Codierung der Zusatzinformation Z sind in einem zweidimensionalen Datenblock 201 Differenzkoeffizienten ΔDCT, welche aus den nicht quantisierten DCT Koeffizienten eines Bildblocks und den zugehörigen quantisierte DCT Koeffizienten bestimmt werden, codiert dargestellt (vgl. Fig. 6, Schritt 610).

Die Differenzkoeffizienten ΔDCT sind jeweils als binäre Werte 204 aus den Ziffern 0 202 (nicht-signifikante Ziffer) oder 1 203 (signifikante Ziffer) dargestellt, wobei in einer ersten Dimension 205 des Datenblocks 201 Bit mit einer ansteigender Wertigkeit m angeordnet sind (vgl. Fig. 6, Schritt 610).

Ein Bit ist jeweils einer Bitebene 206 mit der Wertigkeit m zugeordnet. Die maximale Wertigkeit m_max (hier m_max = 5) wird durch das maximale Bit des wertgrößten Differenzkoeffizienten ΔDCT_max bestimmt.

Die Differenzkoeffizienten ΔDCT sind in einer zweiten Dimension 207 entsprechend einer Scanreihenfolge l eines "zigzag"-Scanning des Bildblocks geordnet (vgl. Fig. 6, Schritt 610).

Dementsprechend weist der Datenblock 201 die Dimensionen (m_maxxk = 5 × 64) auf. Fehlende Bit 208 werden jeweils durch die Ziffer 0 aufgefüllt.

Ferner werden solche Differenzkoeffizienten ΔDCT jeweils durch eine Markierung x 209, gekennzeichnet, deren zugehöriger quantisierter DCT Koeffizient einen Wert ungleich Null aufweist.

Die Codierung des Datenblocks erfolgt entsprechend der Wertigkeit der Bitebenen 206, wobei mit der höchstwertigen Bitebene 210, d. h. mit der Bitebene mit der höchsten Wertigkeit m_max, begonnen wird (vgl. Fig. 6, Schritt 620).

Die weiteren Bitebenen 206 werden entsprechend der abnehmenden Wertigkeit m aufeinanderfolgend codiert. Als letzte Bitebene 206 wird die Bitebene mit der Wertigkeit 1 codiert.

Die Bitebene mit der höchsten Wertigkeit m_max 210 wird mit einer Lauflängencodierung mit variablem Längencode, wie es in [1] beschrieben ist, codiert.

Dabei werden in dieser Bitebene solche Bit gesucht, welche die Ziffer 1 220 aufweisen. Deren Positionen 222 in der Bitebene 210 werden ermittelt und registriert. Unter Verwendung der Positionen 222 werden die Lauflängen 221 zu den entsprechenden Differenzkoeffizienten ΔDCT ermittelt.

Für die Codierung der Bitebenen 206 mit niedrigerer Wertigkeit m wird die Information über die registrierten Positionen 222 weiterverwendet und ergänzt.

Die Codierung dieser Bitebenen 206 erfolgt jeweils gemäß folgendem Schema (vgl. Fig. 6, Schritte 630, 640, 650 und 660)

- die Ziffern an den bereits registrierten Positionen 222 werden registriert (vgl. Fig. 6, Schritte 630),
- es werden solche Bit 223 in der aktuell zu codierenden Bitebene 206 ermittelt, welche die Ziffer 1 aufweisen und an einer noch nicht registrierten Position stehen (vgl. Fig. 6, Schritte 640),
- die Ziffern 224 dieser Bit 223 werden registriert (vgl. Fig. 6, Schritte 640),
- die Positionen 225 dieser Bit werden ermittelt und ebenfalls registriert (vgl. Fig. 6, Schritte 640),
- unter Verwendung der registrierten Positionen 225, 222 werden die Lauflängen 225 zu den aktuell ermittelten Positionen bzw. zu den entsprechenden Differenzkoeffizienten ΔDCT ermittelt (vgl. Fig. 6, Schritte 650),
- bei der Ermittlung der Lauflängen werden bereits registrierte Positionen 222 nicht gezählt (verkürzte Lauflängen 225) (vgl. Fig. 6, Schritte 650),
- die Ziffern und die Lauflängen werden codiert (vgl. Fig. 6, Schritte 660).

Fig. 6 zeigt eine Skizze, welche den Ablauf bei der Codierung des Datenblocks bzw. der Zusatzinformation gemäß dem obigen Schema verdeutlicht.

Die beschriebene Vorgehensweise weist den großen Vorteil auf, daß insbesondere bei Bitebenen mit niedriger Wertigkeit weniger stark unterbrochene Lauflängen ermittelt werden. Diese weniger stark unterbrochenen Lauflängen führen bei der Lauflängencodierung mit variablem Längencode insgesamt zu einem für die Codierung und die Übertragung effizienten Code.

Anschaulich gesehen wird bei dieser Vorgehensweise eine Information, welche aus einer höheren Bitebene bekannt ist, bei der Bestimmung einer niedrigeren Bitebene berücksichtigt.

Fig. 3 zeigt eine Skizze einer Anordnung zur Durchführung eines blockbasierten Bildcodierverfahrens.

Ein zu codierender Videodatenstrom mit zeitlich aufeinanderfolgenden digitalisierten Bildern wird einer Bildcodierungseinheit 1201 zugeführt.

Die digitalisierten Bilder sind unterteilt in Makroblöcke 1202, wobei jeder Makroblock 16 × 16 Bildpunkte hat. Der Makroblock 1202 umfaßt vier Bildblöcke 1203, 1204, 1205 und 1206, wobei jeder Bildblock 8 × 8 Bildpunkte, denen Luminanzwerte (Helligkeitswerte) zugeordnet sind, enthält. Weiterhin umfaßt jeder Makroblock 1202 zwei Chrominanzblöcke 1207 und 1208 mit den Bildpunkten zugeordneten Chrominanzwerten (Farbdifferenzwerte).

Die Bildblöcke werden einer Transformationscodierungseinheit 1209 zugeführt. Bei einer Differenzbildcodierung werden zu codierende Werte von Bildblöcken zeitlich vorangegangener Bilder von den aktuell zu codierenden Bildblöcken abgezogen, es wird nur die Differenzbildungsinformation 1210 der Transformationscodierungseinheit (Diskrete Cosinus Transformation, DCT) 1209 zugeführt.

Dazu wird über eine Verbindung 1234 der aktuelle Makroblock 1202 einer Bewegungsschätzungseinheit 1229 mitgeteilt. In der Transformationscodierungseinheit 1209 werden für die zu codierenden Bildblöcke bzw. Differenzbildblöcke Spektralkoeffizienten 1211 gebildet und einer Quantisierungseinheit 1212 zugeführt.

Quantisierte Spektralkoeffizienten 1213 werden sowohl einer Scaneinheit 1214 als auch einer inversen Quantisierungseinheit 1215 in einem Rückwärtspfad zugeführt.

Nach einem Scanverfahren, z. B. einem "zigzag"-Scanverfahren, wird auf den gescannten Spektralkoeffizienten 1232 eine Entropiecodierung in einer dafür vorgesehenen Entropiecodierungseinheit 1216 durchgeführt. Die entropiecodierten Spektralkoeffizienten werden als codierte Bilddaten 1217 über einen Kanal, vorzugsweise eine Leitung oder eine Funkstrecke, zu einem Decoder übertragen.

In der inversen Quantisierungseinheit 1215 erfolgt eine inverse Quantisierung der quantisierten Spektralkoeffizienten 1213. So gewonnene Spektralkoeffizienten 1218 werden einer inversen Transformationscodierungseinheit 1219 (Inverse Diskrete Cosinus Transformation, IDCT) zugeführt.

Rekonstruierte Codierungswerte (auch Differenzcodierungs werte) 1220 werden im Differenzbildmodus einen Addierer 1221 zugeführt. Der Addierer 1221 erhält ferner Codierungswerte eines Bildblocks, die sich aus einem zeitlich vorangegangenen Bild nach einer bereits durchgeführten Bewegungskompensation ergeben. Mit dem Addierer 1221 werden rekonstruierte Bildblöcke 1222 gebildet und in einem Bildspeicher 1223 abgespeichert.

Chrominanzwerte 1224 der rekonstruierten Bildblöcke 1222 werden aus dem Bildspeicher 1223 einer Bewegungskompensationseinheit 1225 zugeführt.

Für Helligkeitswerte 1226 erfolgt eine Interpolation in einer dafür vorgesehenen Interpolationseinheit 1227. Anhand der Interpolation wird die Anzahl in dem jeweiligen Bildblock enthaltener Helligkeitswerte vorzugsweise verdoppelt.

Alle Helligkeitswerte 1228 werden sowohl der Bewegungskompensationseinheit 1225 als auch der Bewegungsschätzungseinheit 1229 zugeführt. Die Bewegungsschätzungseinheit 1229 erhält außerdem die Bildblöcke des jeweils zu codierenden Makroblocks (16 × 16 Bildpunkte) über die Verbindung 1234.

In der Bewegungsschätzungseinheit 1229 erfolgt die Bewegungsschätzung unter Berücksichtigung der interpolierten Helligkeitswerte ("Bewegungsschätzung auf Halbpixelbasis"). Vorzugsweise werden bei der Bewegungsschätzung absolute Differenzen der einzelnen Helligkeitswerte in dem aktuell zu codierenden Makroblock 1202 und dem rekonstruierten Makroblock aus dem zeitlich vorangegangenen Bild ermittelt.

Das Ergebnis der Bewegungsschätzung ist ein Bewegungsvektor 1230, durch den eine örtliche Verschiebung des ausgewählten Makroblocks aus dem zeitlich vorangegangenen Bild zu dem zu codierenden Makroblock 1202 zum Ausdruck kommt.

Sowohl Helligkeitsinformation als auch Chrominanzinformation bezogen auf den durch die Bewegungsschätzungseinheit 1229 ermittelten Makroblock werden um den Bewegungsvektor 1230 verschoben und von den Codierungswerten des Makroblocks 1202 subtrahiert (siehe Datenpfad 1231).

In Fig. 5 ist eine Anordnung zu einer Bildcodierung und einer Bilddecodierung dargestellt.

In Fig. 5 ist eine Kamera 501 dargestellt, mit der Bilder aufgenommen werden. Die Kamera 501 ist eine analoge Kamera 501, die Bilder einer Szene aufnimmt, und die Bilder in analoger Form zu einem ersten Rechner 502 überträgt. In dem ersten Rechner 502 werden die analogen Bilder in digitalisierte Bilder 503 umgewandelt und die digitalisierten Bilder 503 verarbeitet.

Der erste Rechner 502 ist als eine eigenständige Anordnung in Form einer eigenständigen Computerkarte, die in den ersten Rechner 502 installiert ist, ausgestaltet, mit welcher Computerkarte die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden.

Der erste Rechner 502 weist einen Prozessor 504 auf, mit dem die im Weiteren beschriebenen Verfahrensschritte der Bildcodierung durchgeführt werden. Der Prozessor 504 ist über einen Bus 505 mit einem Speicher 506 gekoppelt, in dem eine Bildinformation gespeichert wird.

Das im Weiteren beschriebene Verfahren zu der Bildcodierung ist in Software realisiert. Sie ist in dem Speicher 506 gespeichert und wird von dem Prozessor 504 ausgeführt.

Nach erfolgter Bildcodierung im dem ersten Rechner 501 und nach einer Übertragung der codierten Bildinformation über ein Übertragungsmedium 507 zu einem zweiten Rechner 508, wird in dem zweiten Rechner 508 die Bilddecodierung durchgeführt.

Der zweite Rechner 508 hat den gleichen Aufbau wie der erste Rechner 501. Der zweite Rechner 508 weist auch einen Prozessor 509 auf, welcher Prozessor 509 mit einem Bus 511 mit einem Speicher 510 gekoppelt ist.

Das im weiteren beschriebene Verfahren zu der Bilddecodierung ist in Software realisiert. Sie ist in dem Speicher 510 gespeichert und wird von dem Prozessor 509 ausgeführt.

In Fig. 4 ist eine Prozessoreinheit PRZE 401, welche für die Bildcodierung bzw. für die Bilddecodierung eingesetzt wird, dargestellt.

Die Prozessoreinheit PRZE 401 umfaßt einen Prozessor CPU 402, einen Speicher MEM 403 und eine Input/Output-Schnittstelle IOS 404, die über ein Interface IFC 405 auf unterschiedliche Art und Weise genutzt wird:
Über eine Grafikschnittstelle wird eine Ausgabe auf einem Monitor MON 406 sichtbar und/oder auf einem Drucker PRT 407 ausgegeben. Eine Eingabe erfolgt über eine Maus MAS 408 oder eine Tastatur TAST 409.

Auch verfügt die Prozessoreinheit PRZE 401 über einen Datenbus BUS 410, der die Verbindung von dem Speicher MEM 403, dem Prozessor CPU 402 und der Input/Output-Schnittstelle IOS 404 gewährleistet.

Weiterhin sind an den Datenbus BUS 410 zusätzliche Komponenten anschließbar, z. B. zusätzlicher Speicher, Datenspeicher (Festplatte) oder Scanner.

Im Folgenden werden Alternativen zu dem Ausführungsbeispiel beschreiben.

1. Alternative zu dem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 7)

In einer ersten Alternative zu dem Ausführungsbeispiel werden die bei der Codierung der Zusatzinformation registrierten Ziffern weiterverarbeitet (vgl. Fig. 7, Schritt 745).

Dabei werden die Ziffern dahingehend untersucht, ob eine Information über die jeweilige Ziffer für eine Rekonstruktion des zugehörigen Differenzkoeffizienten ΔDCT notwendig ist.

Ist die Information über die Ziffer für die Rekonstruktion nicht notwendig, so wird diese Ziffer nicht codiert und nicht übertragen.

2. Alternative zu dem Ausführungsbeispiel

In einer zweiten Alternative zu dem Ausführungsbeispiel werden auch verkürzte Lauflängen in der Bitebene mit der höchsten Wertigkeit m_max ermittelt (vgl. Fig. 7, Schritte 730, 740, 745, 750 und 760).

Unter Verwendung der quantisierten DCT Koeffizienten und weiterer bereits empfangener Seiteninformation, beispielsweise Quantisierungsparameter, Quantisierungsmethode oder Prädiktionstyp eines Macroblocks, können solche Bit in der höchsten Bitebene ermittelt werden, welche nur die Ziffer Null aufweisen können. Solche Bit werden bei einer Ermittlung einer Lauflänge nicht gezählt und führen somit zu verkürzten Lauflängen.

3. Alternative zu dem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 8)

In einer dritten Alternative zu dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß auch eine Bitebene mit einer niedrigeren Wertigkeit als die höchste Wertigkeit m_max mit einer Lauflängencodierung mit variablem Längencode, wie es in [1] beschrieben ist, codiert wird (vgl. Fig. 8, Schritte 845 und 850).

Dazu ist eine Marke vorgesehen, welche jeweils kennzeichnet, ob die aktuelle Bitebene gemäß dem aus [1] bekannten Verfahren oder gemäß dem Verfahren aus dem Ausführungsbeispiel codiert wird.

4. Alternative zu dem Ausführungsbeispiel

In einer vierten Alternative zu dem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren auf Bildpunkte bzw. Bildinformation im Ortsbereich angewendet.

In diesem Fall ist die Zusatzinformation Z in dem enhancement layer eine Differenzbildinformation, aus welcher in dem Decoder unter Verwendung der aus den quantisierten DCT Koeffizienten rekonstruierten Basisbildinformation der Bildblock wiederhergestellt wird.

Literaturverzeichnis

[1] Weiping Li: "Fine Granularity Using Bit-Plane Coding of DCT-Coefficients", ISO/IEC JTC1/SC29/WG 11, no. MPEG 98/4204.
[2] J. De Lameillieure, R. Schäfer: "MPEG-2-Bildcodierung für das digitale Fernsehen", Fernseh- und Kino-Technik, 48. Jahrgang, Nr. 3/1994, Seiten 99-107.
[3] D. Le Gall, "The Video Compression Standard for Multimedia Applications", Communications of ACM, Vol. 34, No. 4, S. 47-58, April 1991.
[4] G. Wallace, "The JPEG Still Picture Compression Standard", Communications of ACM, Vol. 34, No. 4, S. 31-44, April 1991.
[5] M. Bierling: "Displacement Estimation by Hierarchical Blockmatching", SPIE, Vol. 1001, Visual Communications and Image Processing '88, S. 942-951, 1988.
[6] Terminals for Telematic Services, ISO/IEC 10918
T.80-T.87.
[7] A. Said, W. A. Pearlman: "A new, fast, and efficient image coded based an set partitioning in hierarchical trees", IEEE Transactions an Circuits and Systems for Video Technology, vol. 6, pp 243-250, June 1996.
[8] Shu Lin, Daniel Costello: "Error Control Coding", Prentice-Hall, 1983.
[9] T. Sikora: "The MPEG4 Video Standard Verification Model", IEEE Trans. On Circuits and Systems for Video Technology, Vol. 7, No. 1, Februar 1997.

Claims

1. Verfahren zur Codierung einer Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist,

- bei dem die Zahlenfolge aufgespalten wird in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- bei dem eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß
jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zifferngruppe mehrere signifikante Ziffern umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zahlenfolge codierte Bildinformation aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Ziffernfolge ein binärer Ausdruck ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die registrierten Positionen in einer Merkfolge gespeichert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die registrierten Ziffern weiterbearbeitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zumindest ein Teil der registrierten Ziffern übertragen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die nicht-signifikante Ziffer eine Nullziffer ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Anzahl m der Ziffernfolgen gleich der Anzahl der Ziffern der größten Zahl der Zahlenfolge gesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, bei dem jede Zahl als ein binärer Ausdruck dargestellt wird und eine Zahl mit der maximalen Anzahl von Ziffern ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Ziffernfolgen entsprechend den Ziffern der Zahl mit der maximalen Anzahl von Ziffern geordnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste Ziffernfolge die maximale Ziffer aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die m Ziffernfolgen derart geordnet werden, daß die erste Ziffernfolge die meisten nicht-signifikanten Ziffern aufweist.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Anspruch, eingesetzt zu einer Codierung eines Bildes aus Bildpunkten.

15. Anordnung zur Codierung einer Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, welche Anordnung einen Prozessor aufweist, der derart eingerichtet ist, daß

- die Zahlenfolge aufspaltbar ist in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen ist codierbar derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß
der Prozessor eingerichtet ist, daß jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codierbar ist derart, daß

16. Verfahren zur Decodierung einer codierten Zahlenfolge, dadurch gekennzeichnet, daß die codierte Zahlenfolge codiert wurde derart, daß

- eine Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch die Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, aufgespalten wird in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,
- jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,

und daß für die Zahlen der codierten Zahlenfolge jeweils eine Umsetzung bzw. Rekonstruktion der Ziffern unter Verwendung eines zu der Codierung inversen Verfahrens erfolgt.

17. Anordnung zur Decodierung einer codierten Zahlenfolge, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Prozessor aufweist, der derart eingerichtet ist, daß für Zahlen der codierten Zahlenfolge jeweils eine Umsetzung bzw. Rekonstruktion von Ziffern unter Verwendung eines zu einer Codierung inversen Verfahrens durchführbar ist, wobei die codierte Zahlenfolge unter Verwendung des Codierverfahrens codiert wurde derart, daß

- eine zu codierende Zahlenfolge umfassend Zahlen, deren jede Zahl dargestellt ist durch die Ziffern aus einer Zifferngruppe, welche eine nicht-signifikante Ziffer und mindestens eine signifikante Ziffer umfaßt, und deren jeder Zahl eine Folgeinformation l zugewiesen ist, aufgespalten wird in m Ziffernfolgen, wobei die k-te Ziffer der i-ten Ziffernfolge die i-te Ziffer der k-ten Zahl ist,
- eine erste Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer eine Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden,
- jede nachfolgende Ziffernfolge der Ziffernfolgen codiert wird derart, daß die Ziffern aller registrierten Positionen registriert werden und zu jeder aufgefundenen signifikanten Ziffer auf einer nicht registrierten Position die Position unter Verwendung der Folgeinformation l der entsprechenden Zahl ermittelt wird und die ermittelte Position und die signifikante Ziffer registriert werden.