DE4004232A1 - Verfahren zur ermittlung von kantenstrukturen - Google Patents

Verfahren zur ermittlung von kantenstrukturen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bekannt aus EP 02 25 428 A2 oder EP 02 83 715 A2.
Zur Feststellung, ob ein Bild von einer Kante durchsetzt ist, wird bei der EP 02 83 715 A2 ein Operatorfenster, welches so groß gewählt wird, wie der zu untersuchende Bildpunkt nebst seinen Nachbarpunkten, z. B. 3×3 Fenster, sukzessiv über das Bild bzw. Teilbild geführt. Innerhalb des Fensters wird für einen Bildpunkt jeweils untersucht, ob der Bildpunkt abzüglich des Mittelwertes seiner Nachbarbildpunkte einen festen Schwellwert überschreitet. Ist dies der Fall, wird der untersuchte Bildpunkt als Kantenpunkt gekennzeichnet. Um eine Aussage darüber zu erhalten, ob ein ganzer Teilbereich (Block) als Kantenblock aufzufassen ist, wird die Anzahl der ermittelten Kantenpunkte aufsummiert und ebenfalls mit einem Schwellwert verglichen.
Aus der EP 02 25 428 A2 wird eine Orientierung von Kanten aus der Anzahl der Wertigkeiten eines dreiwertigen Signals und ihrer Reihenfolge um den auszuwertenden Bildpunkt ermittelt. Das dreiwertige Signal wird dabei durch den Vergleich jedes Bildpunktes mit dem Mittelwert seiner jeweiligen Umgebungspunkte gewonnen, je nachdem, ob die Helligkeit um einen vorgegebenen Betrag oberhalb, innerhalb oder unterhalb eines Toleranzbereiches liegt.
In Pratt, W.K. "Digital Image Processing", John Wiley & Sons, New York 1978, Seiten 478 bis 502 werden verschiedene lineare und nichtlineare Verfahren zur Kantendetektion vorgestellt und miteinander verglichen, mit denen jeder Bildpunkt (Pixel) eines Bildes auf Kantstrukturen hin untersucht werden kann. Blockorientierte Verfahren zur Transformationscodierung benötigen jedoch anstelle solcher Kantenpunktentscheidungen eine Kantenaussage für jeden zu transformierenden Teilbildbereich (Bildblock). Da das Wesen dieser Codierarten darin liegt, die einzelnen Bildblöcke unabhängig voneinander zu bearbeiten, dürfen in die Kantenblockentscheidungen nur die Pixel eingehen, die auch dem betreffenden Block angehören. Ein Verfahren, das diesen Forderungen genügt, ist aus dem ISO Normvorschlag TC 97/SC2, WG8 N 462 Rev., 1987 "Coded Representation of Pictures and Audio Information: A Hybrid Algorithm for the Coding of Colour Images", Seiten 2 bis 7 bekannt. Der dort angegebene ADATEC Algorithmus (Adaptive Transform And Differential Entropy Coding) verwendet zur schnellen Übertragung von Einzelbildern eine Transformationscodierung, die auch ein Modul zur Kantendetektion beinhaltet. Die hieraus erhaltene Kanteninformation wird zur adaptiven Quantisierung der zu übertragenden Koeffizienten verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches eine gute Kantenerkennung liefert, die geeignet ist, ein Bild oder eine Bildsequenz, das/die über einen Kanal begrenzter Datenrate, z. B. 64 kbit/s, übertragen wird, ohne sichtbaren Qualitätsverlust zu rekonstruieren. Diese Aufgabe wird durch die Schritte des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens auf.
Die Erfindung geht von folgenden Erkenntnissen aus:
Wird ein Bild mittels einer Transformationscodierung von Abtastwerten übertragen, so wird das Bild in Blöcke (Teilbilder) fester Größe zerlegt, die einzeln in den Spektralbereich überführt werden. Die beschränkte Kanalkapazität der Übertragungskanäle, z. B. 64 kbit/s, erfordert eine Quantisierung der dabei entstehenden Transformationskoeffizienten. Das Verfahren nach der Erfindung liefert nun ein Kriterium, mit dem die Quantisierungskennlinien so gesteuert werden können, daß ein Kompromiß zwischen der zur Übertragung der Koeffizienten erforderlichen Datenrate und der Wahrnehmbarkeit des Quantisierungsfehlers im rekonsturierten Bild erreicht wird.
Der im ADATEC-Algorithmus integrierte Kantendetektor unterscheidet zwar zwischen Luminanz- und Chrominanzkomponenten des Bildes, indem er für die Luminanzabtastwerte eines Bildblockes andere Entscheidungsschwellen zugrunde legt als für die zum gleichen Block gehörenden Chrominanzabtastwerte. In jeder Bildkomponente arbeitet er jedoch mit festen Entscheidungsschwellen, so daß er eine Adaption der Luminanzschwellen an die Wahrnehmbarkeit nicht leisten kann.
Nach dem Weber-Fechnerschen Gesetz, vgl. beispielsweise "Nachrichtentechnische Zeitschrift 1984/85, Hefte 1-12 und 1- 3, Arbeitsblätter 1 und 2 ist die visuelle Wahrnehmbarkeitsschwelle für Luminanzdifferenzen in einem Bildausschnitt eine streng monoton steigende Funktion der mittleren lokalen Luminanzamplitude. Besonders für die in einem Bild enthaltenen Kanten ist die Beachtung dieses Zusammenhangs wichtig. Derartige Strukturen können nämlich im Idealfall als zweidimensionale Luminanzsprünge beschrieben werden. Das Weber-Fechnersche Gesetz besagt nun, daß das menschliche Auge einen solchen Sprung in einem Bildausschnitt mit niedriger Grundhelligkeit schon bei einer geringeren Sprunghöhe wahrnehmen kann als in hellen Bildpartien.
Eine Kantendetektion arbeitet optimal, wenn die zur Auswahl einer der beiden Aussagen "Kante" oder keine "Kante" benötigten Schwellen den örtlichen mittleren Luminanzwerten nachgeführt werden, wenn nur solche Kanten detektiert werden sollen, die über der betreffenden Sichtbarkeitsschwelle liegen.
Die Gültigkeit des Weber-Fechnerschen Gesetzes ist auf die Bildkomponente Luminanz beschränkt. Die Einstellung der entsprechenden Entscheidungsschwellen für eine Kantendetektion in Chrominanzkomponenten hat also nach anderen Gesichtspunkten zu erfolgen. Um hier eine Optimierung der adaptiven Schwelle zu erreichen, wird von der Tatsache ausgegangen, daß ein Sprung in einer solchen Bildkomponente, also eine Farbkante, dem Auge umso deutlicher in Erscheinung tritt, je höher die Helligkeit im betreffenden Bildbereich ist. Die lokale Sichtbarkeitsschwelle für Chrominanzkanten liegt also in Gebieten mit hoher mittlerer Luminanz niedriger als in Regionen mit geringem Grauwert. Entsprechend sind die Detektorschwellen pro Bildpunkt an die mittlere Luminanz in Pixelumgebung anzupassen.
Da der ATADEC-Kantendetektor die Luminanzabtastwerte eines Bildblocks völlig unabhängig von den Chrominanzwerten bearbeitet, gestattet er im Gegensatz zum Verfahren gemäß der Erfindung auch keine derartige luminanzadaptive Steuerung der Chrominanzkantendetektion.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen und Tabellen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Kartendetektors,
Fig. 2 ein Kantenpunkt-Operatorfenster,
Fig. 3 die optimale Kennlinie der Aktivitätsschwellen in der Luminanzkomponente,
Fig. 4 die optimale Kennlinie der Aktivitätsschwellen in den Chrominanzkomponenten und
Fig. 5 eine Tabelle zur Klassifikation der Kantenpunkte nach Neigungswinkeln.
Das Verfahren nach der Erfindung wird im Zusammenhang mit einem Bewegtbild-Übertragungssystem der Datenrate 64 kbit/s erläutert. Es basiert auf der Unterteilung eines Vollbildes in aneinandergrenzende Teilbildbereiche (Blöcke) der Größe 8*8 Bildpunkte, die nacheinander mit verschiedenen Codierverfahren übertragen werden. Die Entscheidung, welche Codierungsart für einen gegebenen Block zu bevorzugen ist, wird aus den Luminanzabtastwerten dieses Blocks abgeleitet und auch auf die entsprechenden Abtastwerte in den systemeigenen Chrominanzkomponenten I und Q bzw. U, V angewendet werden. Kann zwischen dem Bildinhalt des aktuellen Blocks keine Verwandtschaft zum Inhalt des ortsgleichen Blocks im vorhergehenden Bild mehr festgestellt werden, so ist eine Transformationscodierung dieses Bildblocks angebracht, zu der hier die diskrete Cosinustransformation DCT herangezogen wird. Auf eine komponentenweise DCT-Transformation eines solchen Blockes mit neuem Bildinhalt folgt eine Quantisierung der dabei entstehenden Spektralkoeffizienten.
Im Hinblick auf eine gute Qualität der rekonstruierten Bilder reicht es nicht aus, pro Bildkomponente eine starre Quantisierungskennlinie zu verwenden. Es wird erfindungsgemäß eine Anpassung an die lokalen Bildstrukturen vorgenommen. Der Koeffizientenquantisierer bietet deshalb in jeder Bildkomponente die Möglichkeit, die betragsniedrigsten Schwellen einer vorgegebenen Kennlinie um die Hälfte ihres Ausgangswertes abzusenken.
Aufgabe eines Kantendetektors ist nun die Auslösung dieser Schwellenabsenkungen nach Maßgabe der im aktuellen Block enthaltenen Konturen. Ihm werden dazu die zu diesem Block gehörenden Abtastwerte aus allen drei Bildkomponenten (Luminanzkomponente Y, Chrominanzkomponenten I und Q) parallel zur Verfügung gestellt. Der nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Verfahren aufgebaute Kantendetektor kann so eine Kantenblockentscheidung auch in den Chrominanzkomponenten unter Berücksichtigung der lokalen Luminanzamplituden treffen. Diese adaptive Schwelleneinstellung unterscheidet ihn von bisherigen Kantendetektoren mit festen Entscheidungsschwellen.
Der in Fig. 1 dargestellte Kantendetektor besteht aus den beiden Baugruppen Kantenpunktdetektor und Kantenblockdetektor. Die dem Kantenpunktdetektor zugeführten digitalen Bilddaten a(c) (j, k) sind die Abtastwerte eines Bildblocks a der Größe 8*8 Bildpunkte. Der Wertebereich für die Bildpunktkoordinaten j und k ist also hier durch die Menge (1, . . ., 8) gegeben. c stellt den Bildkomponentenindex dar, wobei gilt: c=1 für die Luminanzkomponente, c=2 für die I-Chrominanzkomponente und c=3 für die Q-Chrominanzkomponente. Der Kantenpunktdetektor ermittelt aus den Abtastwerten zu jedem Punkt im Innern des Feldes a(c) die Information, ob er von einer Kante mit weder horizontalem noch vertikalem Verlauf durchquert wird, und gibt gegebenenfalls den lokalen Neigungswinkel der Kante aus. Der Kantenblockdetektor wertet diese in den drei Matrizen p(c) (j, k) abgelegten Bildpunktinformationen komponentenweise aus und stellt anschließend die dabei getroffene Entscheidung, ob der bearbeitete Block in Bildkomponente c eine diagonale Kante aufweist, in den drei Werten b(c) bereit.
Die Arbeitsweise des Kantenpunktdetektors und des Kantenblockdetektors wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
Im Kantenpunktdetektor wird nun zu jedem Bildpunkt (j, k), der nicht auf dem Blockrand liegt, pro Bildkomponente ein Operatorfenster aufgestellt, das entsprechend Fig. 2 aus den unmittelbar angrenzenden Bildpunkten zusammengesetzt ist. Die Abtastwerte dieses Fensters seien wie folgt bezeichnet:
a₁(c) (j, k) = a(c) (j-1, k-1)
a₂(c) (j, k) = a(c) (j, k-1)
a₃(c) (j, k) = a(c) (j+1, k-1)
a₄(c) (j, k) = a(c) (j-1, k)
a₅(c) (j, k) = a(c) (j+1, k+1)
a₆(c) (j, k) = a(c) (j, k+1)
a₇(c) (j, k) = a(c) (j-1, k+1)
a₈(c) (j, k) = a(c) (j-1, k)
mit 2j, k7 wegen der erforderlichen Ausnahme des Blockrandes sowie dem Komponentenindex c aus der Menge (1, 2, 3).
Da die weiteren Betrachtungen auf ein einziges Operatorfenster beschränkt bleiben, wird im folgenden auf eine Spezifizierung des Fenstermittelpunkts (j, k) verzichtet. Für den Mittelwert der Amplituden des jeweiligen Fensters ergibt sich so die Beziehung
Mit Hilfe einer Aktivitätsfunktion A werden nun die Fensterpunkte in gegenüber dem Mittelwert aktive (A=±1) und inaktive (A=0) Bildpunkte unterteilt. Diese Abbildung der Amplituden a auf Aktivitäten A ist wie folgt definiert:
für alle i aus {1, . . ., 8}.
Charakteristisch für das vorliegende Verfahren mit luminanzadaptiver Steuerung ist, daß nicht nur die Luminanzschwelle S1 (1), sondern auch die entsprechenden Schwellen S1 (2) und S1 (3) für aktive Bildpunkte in den Chrominanzkomponenten I und Q allein von der mittleren Luminanz im Operatorfenster abhängen. Häufig wird eine 8-bit- Quantisierung der Bildabtastwerte verwendet, die alle lokalen Bildpunktamplituden in den Bereich (0, . . ., 255) überführt.
Der im Sinne einer effizienten Kantendetektion und einfachen Implementierbarkeit optimale Zusammenhang zwischen den Aktivitätsschwellen S1 (c) und den Luminanzmittelwerten kann dann für jede Bildkomponente aus den Fig. 3 und 4 entnommen werden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird die Luminanzschwelle S1 (1) nachgeführt und zu höheren Luminanzamplituden hin erhöht, und zwar stufenweise in drei äquidistanten Bereichen 0 . . . 85, 86 . . . 170 und 171 . . . 256 von Bildamplituden-Abtastwerten.
Bei der Auswertung der Chrominanzkomponenten werden, wie Fig. 4 zeigt, die Schwellen S1 (2)(a) und S1 (3)(a) zu höheren Luminanzamplituden hin abgesenkt, und zwar stufenweise in zwei äquidistanten Bereichen 0 . . . 127 und 128 . . . 255 von Bildamplituden-Abtastwerten. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kennlinien wurden empirisch durch Markierung aller in einem Testbild detektierten Kantenpunkte ermittelt.
Der Bezugspunkt mit den Koordinaten (j, k) ist nun Kantenpunkt in Bildkomponente c, wenn die Aktivitäten der Punkte des zugehörigen Operatorfensters allen nachfolgenden Bedingungen genügen:
  • 1. Das Operatorfenster darf nur aktive Bildpunkte beinhalten, also A1 (c) verschieden von 0 für alle i.
  • 2. Ein voller Umlauf um den Fenstermittelpunkt muß genau zwei Vorzeichenwechsel der Aktivität aufweisen. Hier gilt: Auf Fensterpunkt i folgt genau dann ein Vorzeichenwechsel, wenn |A(c) i+1 - Ai (c)| = 2 für alle i mit 1 i 8 bei A(9) = A(1)
  • 3. Die Lage der beiden Vorzeichenwechsel im Umlauf muß einem der in Fig. 5 in Form einer Tabelle aufgelisteten Kantenpunkttypen entsprechen.
Diese Tabelle zeigt in Abhängigkeit der Vorzeichenwechsel bei einem Umlauf um den Fenstermittelpunkt den lokalen Kantenneigungswinkel.
Erfüllt der Bildpunkt mit den Koordinaten (j, k) diese Forderungen, so wird für ihn in der Ausgabematrix p(c) der in der Tabelle verzeichnete Wert eingetragen, mit dem der lokale Neigungswinkel der dann erkannten Kante codiert ist. Sind die Kantenpunkt-Bedingungen jedoch nicht erfüllt, so wird p(c)(j, k) = 0 als Kennzeichen für eine negative Kantenentscheidung ausgegeben.
Die drei so entstandenen Kantenpunkt-Info-Matrixen p(c) gibt der Kantenpunktdetektor an die zweite Funktionseinheit des Kantendetektors, nämlich den Kantenblockdetektor, weiter. Dort werden sie unabhängig voneinander zur Erstellung einer Kantenpunktstatistik herangezogen. Und zwar wird in jeder Bildkomponente c die Anzahl nr (c) der Kantenpunkte vom Typ r, die im aktuellen Bildblock vorhanden sind, für alle in Spalte 2 gemäß der Tabelle nach Fig. 5 eingetragenen Kantenpunktarten ermittelt. Diese Werte ergeben sich folgendermaßen aus den Infomatrixen:
für alle r aus {1, . . ., 6}
wobei gilt:
Aus diesen Kantenpunktanzahlen werden nun komponentenweise die Entscheidungen abgeleitet, ob der gegebene Bildblock eine Kantenstruktur, die sich nicht vorzugsweise in horizontaler oder vertikaler Richtung erstreckt, aufweist und damit als Kantenblock gilt. Das verwendete Entscheidungskriterium lautet:
Ein Bildblock ist genau dann Kantenblock in Bildkomponente c, wenn er mindestens S2 (c) Kantenpunkte eines Typs enthält. Zur Erkennung eines Kantenblocks geeignete Mindestanzahlen von Kantenpunkten sind:
S2 (1) = S2 (2) = S2 (3) = 3.
Diese Schwellen wurden empirisch ermittelt.
Die vom Kantenblockdetektor ausgegebenen Werte b(c) seien nun wie folgt den beiden aus dem Kriterium gewonnenen Aussagen "Kantenblock" oder "kein Kantenblock" zugeordnet:
Diese Definition ermöglicht eine mathematische Formulierung des Zusammenhangs zwischen den neigungswinkelbezogenen Kantenpunktanzahlen nr (c) und der Kantenblockinformation b(c):
MAX M bezeichne hier das Maximum einer endlichen Zahlenmenge M. Die so errechneten Werte b(c) stehen am Ausgang des Kantendetektors nach Fig. 1 als Funktion aller in den drei Feldern a(c) abgelegten Blockabtastwerte zur Verfügung und können zur Steuerung eines Koeffizientenquantisierers verwendet werden.
Das Verfahren nach der Erfindung führt zu einer Kantendetektion, die kaum aufwendiger ist als die bekannten Verfahren, denn zur Variation der Aktivitätsschwellen erweisen sich die einfach zu implementierenden Treppenkennlinien mit äquidistanten Stufenabständen, wie sie in den Fig. 3 und 4 für dem Fall einer 8-bit-Quantisierung aller Bildabtastwerte dargestellt sind, als völlig ausreichend. Außerdem wird der zur luminanzadaptiven Steuerung verwendete Parameter, nämlich der lokale Luminanzmittelwert, auch bei bekannten Verfahren wie dem ATADEC-Algorithmus verwendet und muß somit nicht zusätzlich berechnet werden.
Bei einer Verwendung von Kennlinien des in den Fig. 3 und 4 dargestellten Typs erfolgt die lokale Adaption der Aktivitätsschwellen in guter Näherung entsprechend dem Weber- Fechnerschen Gesetz, nach dem die Wahrnehmbarkeitsschwelle Dy für Luminanzdifferenzen in einem Umfeld mit der Luminanz Y folgendem mathematischen Zusammenhang genügt:
Dy = k×Y.
Die Proportionalitätskonstante k wurde im gesamten zulässigen Wertebereich der Luminanzabtastwerte als konstant angesehen Tatsächlich ist sie jedoch sowohl von der lokalen Luminanz als auch von den aktuellen Bildstrukturen abhängig. Eine Modifikation des vorgestellten Verfahrens besteht in einer verfeinerten Anpassung der Luminanzaktivitätsschwellen an den lokalen Bildinhalt. Auch in den Chrominanzkomponenten besteht eine brauchbare Alternative zur beschriebenen rein luminanzadaptiven Schwelleneinstellung in einer anderen Form der Berücksichtigung der aktuellen Bildverhältnisse.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung eines Kriteriums, ob ein Bild oder ein Teilbild von mindestens einer Kante durchsetzt ist oder nicht, wobei für das Bild oder Teilbild eine Kantendetektion durch Vergleich der Bildpunkte des Bildes oder Teilbildes mit einem Schwellwert vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich jedes Bildpunktes mit einem Schwellwert die Höhe dieses Schwellwertes in Abhängigkeit des mittleren Luminanzwertes der Umgebungspunkte des auszuwertenden Bildpunktes nachgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der Luminanzkomponente des Bildes oder Teilbildes der Schwellwert bei einem hohen mittleren Luminanzwert der Umgebungspunkte erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der Chrominanzkomponenten des Bildes oder Teilbildes der Schwellwert bei einem hohen mittleren Luminanzwert der Umgebungspunkte abgesenkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Auswertung die Luminanzwerte in äquidistante Bereiche, z. B. drei, unterteilt werden und daß jedem dieser Bereiche ein anderer Luminanzschwellwert zugeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Auswertung die Chrominanzwerte in äquidistante Bereiche, z. B. zwei, unterteilt werden und daß jedem dieser Bereiche ein anderer Chrominanz-Schwellwert zugeordnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildpunkt erst dann als Kantenpunkt ausgewählt wird, wenn er selbst und alle seine Umgebungspunkte über dem Schwellwert liegen, und wenn beim Umlauf um den auszuwertenden Bildpunkt eine Aktivitätsfunktion genau zwei Vorzeichenwechsel aufweist, wobei i die Anzahl der Umgebungspunkte um den auszuwertenden Bildpunkt, c = 1, 2, 3 einen Bildkomponentenindex (1 für die Luminanz-, 2 und 3 für die beiden I- und Q-Chrominanzkomponenten), S1 den Luminanzschwellwert, und den Mittelwert der Amplituden der Umgebungspunkte des auszuwertenden Bildpunktes angibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Vorzeichenwechsels einem vorbestimmten Kantenpunkttyp entsprechen muß, um den auszuwertenden Bildpunkt als Kantenpunkt auszuwählen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Vorzeichenwechseln ein lokaler Kantenneigungswinkel ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Teilbildbereiches (Bildblocks) aus der Anzahl als Kantenpunkte ermittelter Bildpunkte eine Entscheidung abgeleitet wird, ob ein Bildblock insgesamt als Kantenblock aufzufassen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Entscheidung Kantenstrukturen in bestimmten Richtungen, z. B. in horizontaler oder vertikaler Richtung unterdrückt werden, falls diese Fälle für die nachfolgende Bildverarbeitung nicht benötigt werden.
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