DE3876472T2

DE3876472T2 - Bildverarbeitung.

Info

Publication number: DE3876472T2
Application number: DE8888302697T
Authority: DE
Inventors: Alastair Reed; Peter William Stansfield
Original assignee: Crosfield Electronics Ltd
Current assignee: Crosfield Electronics Ltd
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: DE3876472D1; GB8708010D0; EP0286286A1; JPS642475A; US4965754A; EP0286286B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung digitaler Daten, die den Farbgehalt von Bildpixeln in einander anstoßenden Blöcken darstellen.
Vorlagen wie Bilder oder Schrift werden häufig in digitalen Daten wiedergegeben, die den Farbgehalt der Bildpixel darstellen. Ein einfarbiges Bild codiert man in einen einzigen Pixelsatz, der den Graupegel jedes Pixels definiert, während eine farbige Darstellung in mehreren digitalen "Auszügen" codiert wird, nämlich ein Auszug für jede Farbkomponente. Diese Digitalisierung des Bildes führt zu einer großen Datenmenge. Beispielsweise beträgt eine typische Pixelauflösung 300x300 pro Quadratzoll (12x12 pro Quadratmillimeter). Oft ist es notwendig, diese Daten zu speichern oder zu übertragen, so dar verschiedene Verfahren entwickelt worden sind, die Daten zu komprimieren, um Speicherkapazität oder Übertragungszeit zu sparen.
Nach einem Verfahren wird eine Bildvorlage in mehrere Pixelblocks aufgeteilt und die Daten in jedem Block komprimiert. Wir haben festgestellt, daß dieses Verfahren zwar zufriedenstellend ist, daß aber bestimmte Typen Pixelblöcke nicht komprimiert werden können. Deshalb ist es unerwünscht, den Kompressionsalgorithmus für diese Blöcke anzuwenden, da die sich einstellenden Daten hinsichtlich der Menge sich nur sehr wenig von den ursprünglichen Daten unterscheiden.
CONFERENCE RECORD, 1976 INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS, 14th-16th June 1976, Philadelphia, vol. 3, pages 47-7 - 47-13, IEEE, New York, US; W.-H. CHEN et al.: "Adaptive coding of color images using cosine transform" erläutert ein Pipelineverfahren zum Komprimieren, bei dem ein adaptives Codierschema ausgeführt wird, das Unterblöcke für Bilddaten klassifiziert und eine Bitzuordnung jeder Klasse aus unterschiedlichen Klassen bestimmt, um für alle Bereiche eine richtige Codierung zu erzeugen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht ein Verfahren zum Verarbeiten digitaler Daten, die den Farbgehalt einander anstoßender Pixelblöcke eines Bildes darstellen für jeden Block aus:
a) räumlich wird für jeden Pixelsatz innerhalb eines Fensters von vorbestimmten Abmessungen, das kleiner ist als der Block, die Differenz zwischen den Farbgehaltwerten der Pixel (6) bestimmt und die maximale Differenz (W'max) mit einem vorbestimmten ersten Schwellwert (T&sub1;) (9) verglichen;
b) es wird bestimmt, ob die Differenz (D) zwischen den Pixelwerten für die maximalen und minimalen Farbgehaltwerte in dem Block (11) innerhalb zweiter vorbestimmter Grenzen (T&sub2;,T&sub3;) (12) liegt, wobei die untere Grenze größer als Null ist, und
c) mit den den Block definierenden digitalen Daten nur dann ein Kompressionsalgorithmus (13) durchgeführt werden, wenn die im Schritt (a) bestimmte Differenz (W'max) kleiner ist als der erste Schwellwert (T&sub1;) und die im Schritt (b) bestimmte Differenz (D) außerhalb der zweiten vorbestimmten Grenzen (T&sub2;,T&sub3;) liegt.
Wir haben festgestellt, daß sich bestimmte Arten von Pixelblöcken ohne weiteres komprimieren lassen, während dies für andere Arten nicht zutrifft. Typischerweise können Pixelblöcke nicht komprimiert werden, bei denen der Farbgehalt sehr stark zwischen den Pixeln schwankt, das heißt, wenn der Frequenzumfang in dem Block sehr hohe Freguenzen erfordert, um zu einer genauen Wiedergabe zu führen. In einem solchen Block können plötzliche Farbänderungen (Kanten) auftreten. Eine andere Art von Pixelblöcken kann ebenfalls nicht komprimiert werden, wenn nämlich der Farbgehalt sehr wenig schwankt, aber trotzdem nicht für jedes Pixel gleich ist. Als Beispiel für eine solche Darstellung wird auf eine sanfte Vignettierung verwiesen, nämlich eine allmähliche Farbänderung. In der Frequenzdarstellung erfordert ein derartiger Block eine Anzahl niedriger Frequenzen zur Darstellung. Erfindungsgemäß wird somit festgestellt, ob ein Pixelblock sich für die Komprimierung eignet, bevor der Algorithmus durchgeführt wird.
Mit dem Schritt (a) wird bestimmt, ob der Farbgehalt des Blockes bei relativ hohen Frequenzen variiert, wodurch angezeigt wird, daß der Block nicht komprimiert werden soll, während im Schritt (b) bestimmt wird, ob der Farbgehalt bei relativ niedrigen Frequenzen variiert, was anzeigt, dar der Block ebenfalls nicht komprimiert werden soll. Natürlich kann der Block komprimiert werden, wenn der Farbgehalt im ganzen Block der gleiche ist.
Ein typischer Kompressions-Algorithmus besteht darin, daß man den Pixelblock in den Frequenzbereich transformiert und dann die resultierenden Frequenzbeiwerte entsprechend einer Huffman-Codierung codiert.
Typischerweise besitzt das Fenster die Abmessungen von 2x2 Pixel.
Der erste Schwellwert und die zweiten Grenzwerte können unmittelbar eingestellt oder in anderer Weise erzeugt werden. Beispielsweise lassen sich die zweiten Grenzwerte durch einen einzelnen Wert und einen Bereich definieren.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten digitaler Daten vorgesehen, die den Farbgehalt von aneinander anstoßenden, eine Bildvorlage definierenden Pixelblöcken darstellen, die folgende Verarbeitungseinrichtungen aufweist:
a) räumlich wird für jeden Pixelsatz innerhalb eines Fensters vorbestimmter Abmessungen, das kleiner ist als der Block, die Differenz zwischen den Farbgehaltwerten der Pixel (6) festgestellt und die Maximaldifferenz (W'max) mit einem vorbestimmten ersten Schwellwert (T&sub1;) (9) verglichen,
b) es wird festgestellt, ob die Differenz (D) zwischen den Werten der Pixel mit maximalen und minimalen Farbgehaltwerten in dem Block (11) innerhalb zweiter vorbestimmter Grenzwerte (T&sub2;,T&sub3;) (12) liegt, wobei der kleinere Grenzwert größer als Null ist, und
c) mit den den Block bildenden digitalen Daten wird nur dann ein Kompressions-Algorithmus (13) durchgeführt, wenn die im Schritt (a) bestimmte Differenz (W'max) kleiner ist als der erste Schwellwert (T&sub1;) und die im Schritt (b) betimmte Differenz (D) außerhalb der zweiten vorbestimmten Grenzwerte (T&sub2;,T&sub3;) liegt.
Typischerweise wird man für die Verarbeitungseinrichtungen einen entsprechend Programmierten Rechner vorsehen.
Ausfiihrungsbeispiele des Verfahrens und der Vorrichtung zur Verarbeitung von den Farbgehalt von Bildpixeln darstellenden digitalen Daten werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 2A-2C drei unterschiedliche Typen Pixelblöcke,
Fig. 3 ein Schema zur Darstellung der Bedingungen, ob ein Pixelblock komprimiert werden soll und
Fig. 4 und 5 Flußdiagramme zur Darstellung von Verfahren zur Pixelverarbeitung im räumlichen und transformierenden Bereich.
Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung das Verarbeiten digitaler Daten, die den Farbgehalt aneinanderstoßender Blöcke von Pixel repräsentieren, die eine Bildvorlage bilden. Diese digitalen Daten können mit einem Abtastgerät, beispielsweise unserer Magnascan-Serie erzeugt werden, oder können auch von einem Operator ohne Abtastvorgang elektronisch hergestellt werden. Letzteres Verfahren bedingt besondere Probleme, wenn die digitalen Daten zur nachfolgenden Speicherung oder Übertragung komprimiert werden sollen. Dies deshalb, weil die elektronisch erzeugten Bilder sehr scharfe Kontraständerungen (Kanten) aufweisen können, die im transformierenden Bereich bzw. Frequenzbereich schwierig darzustellen sind, da eine große Anzahl von hochf requenzen Komponenten erforderlich ist. Will man ein Bild im Frequenzbereich darstellen, beispielsweise nach Ausführung einer Fourier-Transformation, so führt dies zu einem Datensatz, der verhältnismäßig einfach beispielsweise mittels einer Huffman-Codierung komprimiert werden kann.
Es ist ebenso schwierig, Bildteile zu verarbeiten, in denen der Farbgehalt sehr allmählich variiert, beispielswiese in einer sehr weich verlaufenden Schattierung. In diesem Fall sind sehr niedrige Frequenzen zur Darstellung erforderlich, wenn dieser Bildteil in den Frequenzbereich transformiert wird, und dies ist für die Codierung schwierig. Wo jedoch der Farbgehalt im ganzen Pixelblock der gleiche ist, kann eine sehr einfach Codierung mittels eines einzigen D.C. Ausdrucks im Frequenzbereich erfolgen.
In einem typischen Kompressionssystem kann das Originalbild, das farbig oder einfarbig ist oder einen Text oder eine Kombination von Bild und Text darstellt, in eine Anzahl von kleinen Pixelblöcken unterteilt werden, die in der Regel quadratisch sind und beispielsweise aus 8x8 Pixel bestehen. Jeder Block wird dann in den Frequenzbereich transformiert und die Daten komprimiert.
Um die vorstehend geschilderten Probleme zu lösen, werden die eine Bildvorlage darstellenden digitalen Daten, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in einem Speicher 1 gespeichert sind, einem Kompressionsselektor 2 zugeführt, von dem der Inhalt jedes Pixelblocks der Bildvorlage untersucht wird und von dem der Pixelblock entweder zu einer Kompressionsschaltung 3 übertragen wird, um den Blockinhalt zu komprimieren, oder unmittelbar zu einem Multiplexer MUX 4 im unkomprimierten Zustand. Der Ausgang der Kompressions Schaltung 3 ist ebenfalls an den Multiplexer 4 angeschlossen, der einen einzigen Ausgang (komprimiert oder nicht kompremiert) erzeugt, der in der üblichen Weise in einen Speicher geladen oder zu einer Übertragungsschaltung geführt wird. Obwohl die Schaltungen 2 und 3 in fester Verdrahtung ausgeführt sein können, wird ihre Funktion typischerweise von einem entsprechend Programmierten Rechner übernommen.
Die Untersuchung des Pixelblockinhalts wird bei Darstellung des Blockes im räumlichen Bereich durchgeführt, da damit vermieden wird, daß die Daten in den Frequenzbereich transformiert werden müssen und dann wieder zurück in den räumlichen Bereich, wenn entschieden worden ist, daß eine Kompression nicht erfolgt.
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, daß die Schrittfolge darstellt, die jeder Pixelblock im räumlichen Bereich erfährt. Beispielsweise werden 3x3 Pixelblöcke untersucht und 3 Beispiele solcher Blöcke sind in den Figuren 2A bis 2C gezeigt. Für ein einfarbiges Bild gibt es nur einen Satz Pixelblöcke, dagegeen für farbige Bilder gibt es je einen Satz für jede Farbkomponente. In diesem Fall wird das zu beschreibende Verfahren für jeden Block jeder Farbkomponente durchgeführt. Um die folgende Erläuterung zu vereinfachen, werden die Datenwert in jedem Block durch Dezimalzahlen zwischen 0 und 10 definiert, während in Wahrheit jede Farbkomponente im Bereich zwischen 0 und 255 dargestellt wird.
In einem ersten Schritt 5, wird ein 2x2 Fenster über den Pixelblock geführt. In jeder Position des Fensters im Block werden die digitalen Datenwerte der Pixel innerhalb des Fensters bestimmt und die Differenz Wmax zwischen dem größten Digitalwert und dem kleinsten Digitalwert ermittelt (Schritt 6).
Betrachtet man den Pixelblock der Fig. 2a mit dem Fenster in der dargestellten Position 7A, dann beträgt die Differenz Wmax = 1. Für die in den Fig. 2B und 2C gezeigten Blöcke ergeben sich die Werte in den Positionen 7B und 7C des Fensters mit 9 bzw. 6.
Eine Serie von Werten für Wmax wird für jede der vier möglichen Fensterpositionen erzeugt. Für die Fig. 2A betragen diese Werte 1, 1, 0, 1. Der maximale Wert für Wmax wird dann als (W'max) im Schritt 8 bestimmt. Für den Block der Fig. 2A beträgt W'max = 1. Für die Fig. 2B und 2C betragen die Werte W'max 9 bzw. 6.
Im Schritt 9 wird der Wert W'max mit einem ersten Schwellwert T&sub1; verglichen. Ist W'max größer oder gleich T&sub1;, so bedeutet dies, dar der Block zum Komprimieren ungeeignet ist, da für die Darstellung im Frequenzbereich eine Anzahl hochfrequenter Ausdrücke erforderlich ist. Der Schwellwert T&sub1; wird empirisch ermittelt und hat im Ausführungsbeispiel den Wert 8 (Fig. 3). Der Schritt 9 ergibt also, daß der Block in Fig. 2B zum Komprimieren ungeeignet ist, während die Blöcke in Fig. 2A und 2C eine weitere Verarbeitung erfahren. Nach Untersuchung des Blockes der Figur 2B werden die Daten unmittelbar zum Multiplexer 4 übertragen, bleiben also umkomprimiert (Schritt 10).
Blöcke, die der Bedingung W'max T&sub1; entsprechen, erfahren eine weitere Verarbeitung. Im Schritt 1 werden die größten und kleinsten Pixelwerte im gesamten Block bestimmt und die Differenz (D) zwischen den Pixelwerten berechnet. In Fig. 2A betragt D = 1, in Fig. 2B beträgt D = 9 und in Fig. 2C ist D = 7.
In Schritt 12 wird D mit zwei verhältnismäßig geringen Grenzwerten T&sub2; und T&sub3; verglichen, die ebenfalls empirisch festgelegt werden (in Fig. 3 beispielsweise T&sub2; = 1, T&sub3; = 3) und die wiederum unterscheidbar machen, ob der Block zur Datenkompression ungeeignet ist wegen der sehr niedrigen Frequenzen die zur Darstellung des Blockes frequenzmäßig erforderlich sind.
In diesem Ausführungsbeispiel wird festgestellt, daß der Fig. 2A-Block in diesen Bereich fällt und deshalb seine digitalen Daten unkomprimiert zum Multiplexer 4 übertragen werden sollen. Die Daten der Blöcke in den Fig. 2B und 2C liegen jedoch über dem Grenzwert T&sub3;, so daß sie zum Kompremieren geeignet sind, worauf im Schritt 13 der Kompressionsalgorithmus durchgeführt wird. Dies kann in jeder bekannten Form erfolgen, doch typischerweise wird der Datenblock in den Frequenzbereich transformiert und dann die Koeffizienten nach Huffman codiert.
Manchmal ist es wünschenswert, wie erwähnt, die Möglichkeit zum Komprimieren eines Pixelblocks in seiner frequenzmäßigen Darstellung zu untersuchen. Im Frequenzbereich liegen die digitalen Daten als ein Gleichspannungsausdruck vor mit mehreren Wechselstromkoeffizienten, wobei die gesamte Zahl der Datenwerte gleich der Pixelzahl im Bild ist (obwohl eine große Anzahl gleich Null sein kann). Bei diesem Verfahren erfolgt im Schritt 14 (Fig. 5) eine Energiemessung des Pixelblocks, in dem die Quadrate aller Wechselstromkoeffizienten auf summiert werden. Diese Energie E wird dann mit einem ersten Schwellwert T&sub4; im Schritt 15 verglichen, und dies liefert eine erste Anzeige, ob die Energie allgemein hoch oder niedrig ist. Ist E kleiner als T&sub4; (geringe Energie), dann wird E im Schritt 16 mit zwei unteren Schwellwerten T&sub6; und T&sub7; verglichen (entsprechend den Schwellwerten T&sub2; und T&sub3;), um zu bestimmen, ob die geringe Energie des Blockes in den Bereich hineinfällt, der nicht komprimiert werden soll. Liegt E in diesem Bereich, so werden die Daten unkomprimiert im Schritt 17 übertragen. Anderenfalls gelangen die Daten zur Kompressionsschaltung 3 und werden dem Kompressionsalgorithmus unterworfen (Schritt 18).
Legt der Schritt 15 fest, daß die Energie des Blockes ziemlich hoch ist, so wird die Energie E mit einem großen Schwellwert T5 im Schritt 19 verglichen (entsprechend dem Schwellwert T&sub1;). Ist die Energie größer als der Schwellwert T&sub5;, so werden die Daten unkomprimiert im Schritt 20 übertragen, anderenfalls werden die Daten komprimiert.
Typischerweise wird in diesem Fall die Darstellung des Pixelblocks in den räumlichen Bereich zurückgeführt, so daß beim Übertragen unkomprimierter Daten die räumliche Darstellung unmittelbar dem Multiplexer 4 zugeführt werden kann. Andererseits können die transformierten Daten durch Umkehrung in den räumlichen Bereich zurücktransformiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Verarbeiten digitaler Daten, die den Farbgehalt aneinanderstoßender Blöcke von einer Bildvorlage definierenden Pixel darstellen, wobei das Verfahren für jeden Block folgende Schritte umfaßt:

a) im räumlichen Bereich wird für jeden Pixelsatz innerhalb eines Fensters von bestimmten Abmessungen, die kleiner sind als der Block, die Differenz zwischen den Farbgehaltwerten der Pixel (6) festgestellt und die Maximumdifferenz W'max mit einem vorbestimmten ersten Schwellwert T&sub1; (9) verglichen;

b) es wird bestimmt, ob die Differenz (D) zwischen den Pixelwerten mit den maximalen und minimalen Farbgehaltwerten im Block (11) innerhalb zweiter bestimmter Grenzwerte (T&sub2;,T&sub3;) (12) liegt, wobei der kleinere Wert größer als Null ist und

c) die den Block definierenden digitalen Daten werden mit einem Algorithmus (13) nur dann komprimiert, wenn die im Schritt (a) bestimmte Differenz W'max kleiner ist als der erste Schwellwert (T&sub1;) und die im Schritt (b) bestimmte Differenz (D) außerhalb der zweiten vorbestimmten Grenzwerte (T&sub2;,T&sub3;) liegt.

2. Vorrichtung zum Verarbeiten digitaler Daten, die den Farbgehalt aneinanderstoßender Blöcke von eine Bildvorlage definierenden Pixel darstellen, wobei die Vorrichtung folgende Verarbeitungsmittel (2, 3) aufweist:

c) die den Block definierenden digitalen Daten werden mit einem Algorithmus (13) nur dann komprimiert, wenn die im Schritt (a) bestimmte Differenz W'max kleiner ist als der erste Schwellwert (T&sub1;) und die im Schritt (b) bestimmte Differenz (D) außerhalb der zweiten vorbestiinmten Grenzwerte (T&sub2;,T&sub3;) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungsmittel von einem entsprechend programmierten Computer gebildet sind.