DE3829816C2 - Digitale Bildverarbeitungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Bildverarbeitungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist aus SMPTE Journal, Februar 1993, Seiten 127 bis 131 bekannt.

Aus der DE 37 04 777 C1 ist ebenfalls ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Aufbereitung von Übertragungsdaten bekannt. Auch dort wird eine Transformationscodierung, eine Quantisierung und eine Prädiktionsauswertung der quantisierten Bilddaten sowie eine Kanalcodierung (Hufmann- Codierung) vorgenommen.

Aus Esprit ′86: Results and Achievements, Directorate General XII, Elsevier Science Publishers B.V. (North-Holland), The Commission of the European Communities, 1987, Seiten 413 bis 422 ist es bekannt zur Quantisierung von Bilddaten einen 68 000 Mikroprozessor einzusetzen. In dieser Veröffentlichung wird darauf hingewiesen, daß eine Echtzeitverarbeitung schwierig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Bildverarbeitungseinrichtung ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welche eine schnelle - quasi echtzeitfähige - Verarbeitung gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein System aus miteinander vernetzten Transputern, denen bestimmte Einzelaufgaben zugewiesen sind eine Bildverarbeitung in quasi Echtzeit ermöglicht. Insbesondere ist die zeit- und verarbeitungsaufwendige Quantisierung auf zwei parallel arbeitende Transputer aufgeteilt. Die weiteren Verarbeitungsschritte (Prozesse) sind auf mindestens zwei weitere Transputer verteilt. Die geeignete Verteilung der Prozesse auf mehrere Transputer, so daß eine gleichmäßige Auslastung der Prozessoren erreicht wird, führt zu einer schnellen Verarbeitung. Eine Eigenschaft der Bildverarbeitungseinrichtung ist der progressive Bildaufbau, d. h. für den Bildinformationsgehalt wichtige Spektralkoeffizienten werden zuerst übertragen und beim Empfänger dargestellt. Dazu werden die Spektralkoeffizienten in dem Koeffizientenspeicher zwischengespeichert, auf den ein wahlfreier Zugriff möglich ist.

Zur Anpassung an einen Übertragungskanal und zur Realisierung der Kommunikationsprotokolle nach dem OSI Referenzmodell (ISDN, R.v. Deckers Taschenbuch Telekommunikation, Heidelberg 1985, Seiten 116-119 und 211-215) ist das System lediglich um mindestens einen Transputer aufzustocken.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Struktur eines Transputers,

Fig. 2 den Datenfluß der Übertragungscodierung,

Fig. 3 das erfindungsgemäße Transputersystem und

Fig. 4 die Systemarchitektur.

Zum einfacheren Verständnis der Erfindung wird zuerst die Struktur eines Transputers (Fig. 1) dargestellt nach INMOS Datenbuch "Engineering Data IMS T 414 Transputer", August 1987. Ein solcher Transputer enthält einen Datenbus DB, an den über 32 bit breite Anschlüsse ein 32 bit Prozessor PR, 4 link Interfaces LI mit Link Steuerung LIS, ein 2 kbytes on-chip RAM OCR und eine externe Speicher Interface Schaltung EMI angeschlossen ist. Der Transputer beinhaltet außerdem noch zwei Timer T1, ein "System-Services" Schaltkreis SYS mit einer Schaltungslogik zur Initialisierung und Betrieb des Transputers sowie einen "Event" Schaltkreis EV, welcher externe Ereignisse mit internen Transputer-Prozessen abstimmt.

In Fig. 2 ist der Datenfluß der Übertragungscodierung in Senderichtung dargestellt. Transformierte Bilddaten mit einer Datenrate von 800 K Byte/s, z. B. von einer DCT (Discrete Cosine Transform) Transformationseinrichtung aus den Bild-Quellsignalen zu Spektralkoeffizienten aufbereitet, werden in einer in zwei Stufen aufgeteilten Quantisierung - Quantisierung 1 und 2 - verarbeitet. Diese Quantisierung der Spektralkoeffizienten geschieht nach folgender Beziehung:

V_kl, = NINT (W_k,l /th_kl)

wobei W_k,l einen Satz von Spektralkoeffizienten mit k und l als Indexvariablen, die von 1 bis N laufen, und th_k,l einen entsprechenden Satz von Quantisierungsschwellwerten darstellt und NINT einen Operator zur Ganzzahlrundung darstellt. Eine ausführliche Darstellung dieser Signalaufbereitung enthält die Europäische Patentanmeldung 88 102 345.1.

Die quantisierten Spektralkoeffizienten werden für eine nachfolgende Prädiktion in einem Koeffizientenspeicher abgelegt. Die Prädiktion erfolgt zweidimensional und blockwise für einen Satz von N × N, z. B. N = 3, quantisierten Spektralkoeffizienten. Die Prädiktion quantisierter Spektralkoeffizienten kann nach den verschiedensten bekannten Verfahren durchgeführt werden z. B. gemäß DE 37 04 777 oder gemäß Esprit 86: Results and Achievements Directorate General XIII, Elsevier Science Publishers B. V. (North-Holland). The Commission of the European Communities, 1987, Seiten 415-416. Ein wahlfreier Zugriff auf den Koeffizientenspeicher ist durch die Transputer-Realisierung möglich. Nach der Prädiktion wird eine Entropiekodierung als Kanalcodierung der zu übertragenden Daten und eine Anpassung an die Schnittstelle für die Datenübertragung vorgenommen. Die Datenübertragung zur S₀-Schnittstelle erfolgt mit 8 KByte/s. In Empfangsrichtung erfolgt eine entsprechende Bearbeitung der Daten in umgekehrter Reihenfolge.

Fig. 3 zeigt das vernetzte Transputersystem für die Verarbeitung gemäß dem Datenfluß nach Fig. 2. Die beiden Transputer T1 und T2 sind zur Quantisierung der Spektralkoeffizienten im Parallelbetrieb vorgesehen; d. h. ein Teil der zu quantisierenden Eingangsdaten wird mittels Transputer T1 und ein anderer Teil mittels Transputer T2 parallel verarbeitet. Schaltungstechnisch werden die Eingangsdaten über die Externe Interface Schaltung EMI des Transputers T1 aufgenommen. Die für den Transputer T2 bestimmten Daten werden über eines der Link Interfaces LI des Transputers T1 zum Transputer T2 auf eines seiner Link Interfaces LI durchgeschaltet. Die mittels Transputer T1 und T2 quantisierten Daten werden über die noch freien Link Interfaces an Eingänge - Link Interfaces - des Transputers T3 weitergegeben. Der Transputer T3 ist über sein EMI Interface mit einem Koeffizientenspeicher KS beschaltet zur Abspeicherung der quantisierten Koeffizienten. Zum Koeffizientenspeicher KS ist über die Steuerung des Transputers T3 ein wahlfreier Zugriff auf diese abgespeicherten Koeffizienten für die prädiktive Verarbeitung möglich. Die Prädiktion wird so ausgeführt, daß zuerst jene Daten den Transputer T3 verlassen, die für den Bildinformationsgehalt - Grobstrukturen - wichtig sind. Hierdurch ist empfangsseitig ein progressiver Bildaufbau möglich. Der dem Transputer T3 nachgeschaltete Transputer T4 übernimmt die Entropiecodierung, die Systemsteuerung und die Aufbereitung der Daten zur Übertragung. Bedarfsweise können dem Transputer T4 noch weitere Transputer T5 nachgeschaltet sein zur Anpassung an einen Übertragungskanal (ISDN-Netz) und zur Realisierung der Kommunikationsprotokolle nach dem OSI Referenzmodell.

In Empfangsrichtung sind die Transputer entsprechend in umgekehrter Richtung vernetzt: Transputer T1′ zur Kanaldecodierung, Transputer T2′ zur inversen Prädiktion von Bilddaten und Steuerung eines Koeffizientenspeichers KS′, Transputer T3′ und T4′ im Parallelbetrieb zur Wiedergewinnung der Spektralkoeffizienten aus den quantisierten Bilddaten.

Die Systemarchitektur der Transputer ist prinzipiell in Fig. 4 dargestellt. Mehrere Datenprozesse P_i (i = 1 . . . n) verarbeiten den Datenfluß in einer Pipeline. Diese werden von den Steuerprozessen S_j (j = 1 . . . m), die in einem Ring angeordnet sind gesteuert und beobachtet. Auf den Steuerfluß-Kanälen werden Informationen in Form von Nachrichten ausgetauscht. Die Steuerflußkanäle werden zwischen den Transputern über eigene Links geführt, oder mit den Daten gemultiplext über ein Link übertragen. Ein Link ist hier die Verbindung zweier benachbarter Link Interfaces.

Die Systemsteuerung kontrolliert den gesamten Ablauf des Systems durch Nachrichten (Befehle und Meldungen) mit den Prozessen. Durch diese Architektur kann das System durch Hinzufügen von zusätzlichen Modulen beliebig erweitert werden. Die Kommunikation zwischen den Prozessen und die gleichmäßige Auslastung des Multiprozessor-Systems durch Verteilung der Prozesse auf das Gesamtnetzwerk wird durch Schlüsselworte der Transputer-Befehlssprache OCCAM gesteuert.

Claims (4)

1. Digitale Bildverarbeitungseinrichtung zur Aufbereitung von Übertragungsdaten, wobei eine Quantisierung von Spektralkoeffizienten transformierter Bilddaten, eine Speicherung dieser quantisierten Spektralkoeffizienten, eine Prädiktionsauswertung der gespeicherten quantisierten Spektralkoeffizienten und eine Kanalcodierung der prädiktionsausgewerteten Daten erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein System von miteinander vernetzten Transputern (T1, T2, T3, T4) vorgesehen ist, daß mindestens ein erster und ein zweiter Transputer (T1, T2) zur Quantisierung der Spektralkoeffizienten im Parallelbetrieb vorgesehen sind, daß ein dritter Transputer (T3) vorgesehen ist zur Steuerung der Abspeicherung der Ausgangsdaten des ersten und des zweiten Transputers (T1, T2) in einem beigeordneten Koeffizientenspeicher (KS) sowie zur prädiktiven Verarbeitung der abgespeicherten Daten und daß dem dritten Transputer (T3) mindestens ein weiterer - vierter - Transputer (T4) zur Kanalcodierung der prädiktionsausgewerteten Daten nachgeschaltet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Transputer (T4) zur Entropiecodierung der prädiktionsausgewerteten Daten und zur Aufbereitung der Daten für die Übertragung vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem vierten Transputer (T4) ein oder mehrere weitere Transputer (T5 . . . ) nachgeschaltet sind zur Realisierung der Kommunikationsprotokolle des OSI-Referenzmodells.

4. Digitale Bildverarbeitungseinrichtung zur Decodierung von Übertragungsdaten, dadurch gekennzeichnet,
daß ein System von miteinander vernetzten Transputern (T1′, T2′, T3′, T4′) vorgesehen ist,
daß mindestens ein erster Transputer (T1′) zur Kanaldecodierung vorgesehen ist,
daß dem ersten Transputer (T1′) ein zweiter Transputer (T2′) nachgeschaltet ist zur Decodierung von prädiktiven Bilddaten, und zur Steuerung der Abspeicherung der decodierten prädiktiven Bilddaten in einem Koeffizientenspeicher (KS′), daß mindestens ein dritter und vierter Transputer (T3′, T4′) im Parallelbetrieb vorgesehen ist zur Wiedergewinnung der Spektralkoeffizienten aus quantisierten Bilddaten.