DE4017375A1 - Adaptives filter zur reduktion von codierartefakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein adaptives Filter zur Reduktion von Codierartefakten in einem decodierten Binärsignal, bei dessen Codierung die Daten von Abtastwerten zu Blöcken zusammengefaßt und blockweise transformationsco­ diert und die Transformations-Koeffizienten quantisiert worden sind und bei dem zu jedem Block sogenannte Neben­ informationen gehören, die unter anderem die zu diesem Block gehörige Quantisierungsschrittweite enthalten.

Derartige Filter sind zum Beispiel bei Bildtelefonen ein­ setzbar, und zwar bei der sogenannten Nachverarbeitung eines empfangenen und decodierten Videosignals. Eine Schaltungsanordnung, die dem gleichen Zweck dient, ist zum Beispiel in der DE 39 17 085 A1 beschrieben. Decodie­ rung bedeutet im vorliegenden Zusammenhang das Rückgän­ gigmachen - soweit das überhaupt möglich ist - aller Maß­ nahmen, die der Reduktion der Übertragungsbitrate auf der Sendeseite dienten. Vorwiegend ist hier an die blockweise zweidimensionale diskrete Kosinustransformation (DCT) der Abtastwerte von Videobildern und an die anschließende Quantisierung der Transformations-Koeffizienten gedacht. Näheres hierzu findet man in den Patentanmeldungen DE 36 19 343 A1, DE 36 20 424 A1 und DE 36 38 128 A1.

Andere Transformationen, die prinzipiell das gleiche lei­ sten wie die Kosinustransformation, sind z. B. die Walsh- und die Hadamard-Transformation oder auch die diskrete Fourier-Transformation.

Auch für Sprachsignale ist eine blockweise Codierung von Abtastwerten bekannt, wie zum Beispiel die DE 25 23 828 C2 zeigt. Wenn anschließend das codierte Sprachsignal zum Zwecke der Bitratenreduktion quantisiert wird, treten bei der Rückgewinnung der Sprache die glei­ chen Probleme auf wie bei Videosignalen. Die Erläuterung und Darstellung der hier zu behandelnden Problematik soll jedoch anhand der Videosignale sowie der diskreten Kosi­ nustransformation vorgenommen werden. Eine Übertragung auf andere Transformationen und andere Signale liegt für den Fachmann auf der Hand.

Bei einem Bildtelefon zum Beispiel wird das empfangene und im oben erläuterten Sinne decodierte Videosignal in einem Bildspeicher zwischengespeichert. Aus diesem Bild­ speicher wird es bildweise wieder ausgelesen und auf ei­ nem Bildschirm wiedergegeben. Dabei zeigt sich insbeson­ dere bei starken Bewegungsanteilen auf dem Bild eine für das (inzwischen genormte) Codierverfahren charakteristi­ sche Bildstörung (Codierartefakte): Das Bild scheint schachbrettartig aus quadratischen Feldern aufgebaut zu sein. Dabei haben die einzelnen Felder des Schachbrett­ musters die Größe der Blöcke, die bei der Codierung auf der Sendeseite der zweidimensionalen (flächenhaften) dis­ kreten Kosinustransformation unterworfen worden sind. Das auf dem Bildschirm störende Blockmuster ist eine Folge der Quantisierung der Transformations-Koeffizienten eines Blocks auf der Sendeseite, wie man sich durch folgende Überlegungen klarmacht:

Durch die Quantisierung werden unter anderem Transforma­ tions-Koeffizienten, deren Wert klein ist, auf den Reprä­ sentationswert null abgebildet. Die kleinen Transforma­ tions-Koeffizienten sind jedoch in der Regel solche, die zu kleinen Wellenlängen gehören, so daß die Quantisierung eine ähnliche Wirkung wie eine Tiefpaßfilterung hat. Im Grenzfall sehr grober Quantisierung wird für jeden Block in der Regel nur der (genäherte) Wert des nullten Trans­ formations-Koeffizienten übertragen, so daß auf der Emp­ fängerseite jedes wiedergegebene Bild aus Blöcken be­ steht, die in sich gleich gefärbt und gleich hell sind, wobei die Färbung und die Helligkeit eines Blockes etwa den Mittelwerten eines gleichgroßen Bildausschnittes des Originalbildes entsprechen. In einem solchen Fall kann eine Nachverarbeitung des empfangenen Videobildes nur darin bestehen, die scharf erscheinenden Blockränder durch geeignete Filterung in fließende Übergänge umzuwan­ deln.

Wird in weniger extremen Fällen eine entsprechende Filte­ rung durchgeführt, besteht jedoch die Gefahr, nicht nur die Konturen der Blöcke - im folgenden Blockkonturen ge­ nannt - zu glätten, sondern auch Konturen von abgebilde­ ten Objekten im Videobild - im folgenden Bildkonturen ge­ nannt - zu verwaschen und damit die Bildschärfe zu redu­ zieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter un­ ter den eingangs genannten Voraussetzungen anzugeben, durch das die Codierartefakte abgebaut werden, ohne gleichzeitig den Informationsinhalt des decodierten Bi­ närsignals zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Abtastwerte des decodierten Binärsignals einer Schaltung mit Hochpaßcharakter zugeführt werden,
daß das hochpaßgefilterte decodierte Binärsignal einem Codierer zugeführt wird, der mit ihm blockweise eine Transformationscodierung vornimmt, wobei die Blockstruk­ tur und die Transformationscodierung die gleiche ist wie die bei der Codierung des decodierten Binärsignals,
daß eine Schwellwertschaltung jeden Transformations-Koef­ fizienten eines Blockes zu null setzt, der betragsmäßig größer ist als die für diesen Block bei der Codierung des decodierten Binärsignals verwendete halbe Quantisierungs­ schrittweite,
daß durch einen der Schwellwertschaltung nachgeschalteten Decodierer die Transformationscodierung rückgängig ge­ macht wird und
daß die Ausgangsdaten dieses Decodierers von den Daten des decodierten Binärsignals durch einen Subtrahierer subtrahiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Filter wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der Quantisierungsfehler, der sich bei der Quantisierung der Transformations-Koeffizienten auf der Senderseite ergibt, maximal ±µ/2 beträgt, wobei µ (µ < 0) die Quantisierungsschrittweite bedeutet, die vom Quantisierer für den in Frage stehenden Block verwen­ det worden ist. Also könnten theoretisch (von Korrelatio­ nen sei hier abgesehen) alle Transformations-Koeffizien­ ten um die Größe µ/2 erhöht oder erniedrigt werden, ohne daß z. B. bei Videosignalen die Bildinformation ungenauer wird als sie ohnehin schon ist.

Anders wirkt sich das auf die Codierartefakte bzw. im Fall von Videosignalen auf die Blockkonturen aus. Zur De­ tektion solcher Konturen wird das decodierte Signal hoch­ paßgefiltert. Das hochpaßgefilterte Signal enthält sowohl die Blockkonturen als auch die Bildkonturen. Bei der an­ schließenden durchgeführten blockweisen Kosinustransfor­ mation (Transformation vom Ortsbereich in den Wellenlän­ genbereich genau wie bei der Codierung des decodierten Videosignals) des hochpaßgefilterten Bildes werden vor­ wiegend Transformations-Koeffizienten mit kleinen Wellen­ längen die größeren Zahlenwert haben. Liegt der Be­ tragswert eines Transformations-Koeffizienten über der halben Quantisierungsschrittweite µ/2, wird er zu null gesetzt, andernfalls von dem Wert des entsprechenden Transformations-Koeffizienten des decodierten Videosi­ gnals indirekt abgezogen. Diese Subtraktion bewirkt eine Abschwächung der kurzwelligen Anteile im decodierten Vi­ deosignal. Da die Subtraktion im Bereich der halben Quan­ tisierungsschrittweite µ/2 bleibt, werden Bildkonturen nicht verschlechtert, Blockkonturen jedoch geglättet. Die Subtraktion ist insofern indirekt, als sie nach der Rück­ transformation vom Wellenlängenbereich in den Ortsbereich erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anord­ nung für Videosignale,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anord­ nung nach Fig. 1 mit einem veränderten Hochpaßfilter und Fig. 3 zwei Schemata von Gewichten, die bei der Hochpaß­ filterung eines Videosignals eine Rolle spielen.

In Fig. 1 wird ein ankommendes Videosignal bildweise in einen Bildspeicher 7 eingeschrieben. In diesem Speicher sind die Daten der einzelnen Bildpunkte in PCM-Darstel­ lung abgelegt.

Aus dem Speicher 7 werden sie über Leitungen 7a in eine Schaltung 1 mit Hochpaßcharakter übernommen. Die Schal­ tung 1 führt mit den Daten der Bildpunkte eines Bildes eine lokale Hochpaß-Filterung durch. Hierunter sind die Interpolationswerte für einen bestimmten Bildpunkt - hier Aufpunkt genannt - zu verstehen, die sich durch eine ge­ wichtete Mittelung aus den ursprünglichen Daten des Auf- Punktes und den Daten der Punkte seiner Umgebung ergeben.

In Fig. 2a ist ein Schema von Gewichten angegeben, die im vorliegenden Beispiel zur lokalen Hochpaß-Filterung ver­ wendet werden. An dieser lokalen Filterung sind insgesamt 25 Bildpunkte beteiligt, die möglichst symmetrisch um den Aufpunkt konzentriert sind. Die ursprünglichen Daten des Aufpunktes bekommen das Gewicht -60; er befindet sich im Zentrum des quadratischen Schemas nach Fig. 2a. Die näch­ sten Nachbarn des Aufpunktes bekommen die Gewichte 4 und die dann folgenden Nachbarpunkte die Gewichte 2 oder 1. Alle anderen Bildpunkte haben das Gewicht 0. Die mit den angegebenen Gewichten multiplizierten Daten der Bildpunk­ te werden summiert und durch 64 dividiert.

Die auf diese Weise gefilterten Daten eines Videobildes werden über eine Leitung 1a an eine Einheit 2 weiterge­ leitet, die die gleiche blockweise Kosinustransformation durchführt wie eine entsprechende Anordnung bei der Co­ dierung des Videosignals auf der Senderseite. Insbesonde­ re heißt das im vorliegenden Beispiel, daß jedes Video­ bild lückenlos in quadratische Blöcke von 8×8 Bildpunk­ ten gegliedert wird und mit jedem Block eine DCT (diskre­ te Kosinustransformation) durchgeführt wird, die pro Block zu 64 Transformations-Koeffizienten führt.

Jeder dieser 64 Transformations-Koeffizienten wird nun durch eine Schwellwertschaltung 3 auf seine betragsmäßige Größe überprüft. Ist ein Koeffizient betragsmäßig größer als die für diesen Block bei der Quantisierung auf der Senderseite verwendete halbe Quantisierungschrittwei­ te µ/2, wird er zu null gesetzt; ist er betragsmäßig kleiner als diese Schwelle, wird er unverändert an eine Einheit 4 weitergeleitet.

Die Information über die verwendete Quantisierungs­ schrittweite µ erhält die Schwellwertschaltung 3 über die sogenannten Nebeninformationen eines Blockes, die zusam­ men mit den Bilddaten an den Empfänger übertragen wer­ den. Leitungen, über die der Wert µ an einen Eingang der Schwellwertschaltung 3 geleitet wird, sind in Fig. 1 nicht eingezeichnet. Auch Taktleitungen und Verzögerungs­ glieder sind der Übersicht halber in Fig. 1 nicht einge­ zeichnet, da derartige Ergänzungen vom Fachmann ohne wei­ teres vorgenommen werden können.

Die auf die geschilderte Weise veränderte Folge von 64 Fourier-Koeffizienten eines Blocks wird durch die Ein­ heit 4 vom Wellenlängenbereich in den Ortsbereich zurück­ transformiert und vom entsprechenden Block des aus dem Speicher 7 ausgelesenen Signals durch eine Einheit 5 sub­ trahiert.

Das von Blockkonturen befreite Signal wird über eine Lei­ tung 5a an einen nicht gezeigten Monitor weitergeleitet.

In Fig. 2 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Filters nach Fig. 1 abgebildet. Die Variante unterscheidet sich von dem Filter nach Fig. 1 durch eine wirkungsgleiche, jedoch veränderte Schaltung mit Hochpaßcharakter. Die Funktion der Schaltung 1 nach Fig. 1 wird in der Schal­ tung nach Fig. 2 durch die Bausteine 8 und 9 übernommen. Alle anderen Bausteine der Fig. 2 stimmen mit denen von Fig. 1 überein. Durch den Baustein 9 (Schaltung mit Tief­ paßcharakter) wird mit dem im Speicher 7 gespeicherten Videobild eine lokale Tiefpaßfilterung vorgenommen. Diese Tiefpaßfilterung unterscheidet sich von der oben be­ schriebenen lokalen Hochpaß-Filterung lediglich durch das Gewicht -60 des Aufpunktes, wie Fig. 3b zeigt. Mit dem Schema nach Fig. 3b werden die Bildpunktdaten in der gleichen Weise verändert wie bei der oben geschilderten Hochpaßfilterung. Über eine Leitung 9a wird das tiefpaß­ gefilterte Signal an einen Eingang des Addierers 8 ge­ legt, der dieses Signal und das ungefilterte Signal ad­ diert. Das ungefiltere Signal wird dem anderen Eingang des Addierers 8 über die Leitungen 7a zugeführt. Nach der Addition ergibt sich das gleiche Signal wie bei der loka­ len Hochpaß-Filterung.

Die anhand der Figuren beschriebene Signalverarbeitung ist nicht notwendig an abgrenzbare Bausteine wie z. B. an Subtrahierer oder Schwellwertschaltungen gebunden. Viel­ mehr kann sie auch durch einen für den angegebenen Zweck eigens entwickelten Rechner (Signalprozessor) oder durch einen programmierbaren Rechner durchgeführt werden.

Claims (3)

1. Adaptives Filter zur Reduktion von Codierartefakten in einem decodierten Binärsignal, bei dessen Codierung die Daten von Abtastwerten zu Blöcken zusammengefaßt und blockweise transformationscodiert und die Transforma­ tions-Koeffizienten quantisiert worden sind und bei dem zu jedem Block sogenannte Nebeninformationen gehören, die unter anderem die zu einem Block gehörige Quantisierungs­ schrittweite enthalten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastwerte des decodierten Binärsignals einer Schaltung mit Hochpaßcharakter (1) zugeführt werden,
daß das hochpaßgefilterte decodierte Binärsignal einem Codierer (2) zugeführt wird, der mit ihm blockweise eine Transformationscodierung vornimmt, wobei die Blockstruk­ tur und die Transformationscodierung die gleiche ist wie die bei der Codierung des decodierten Binärsignals,
daß eine Schwellwertschaltung (3) jeden Transformations- Koeffizienten eines Blockes zu Null setzt, der betrags­ mäßig größer ist als die für diesen Block bei der Codie­ rung des decodierten Binärsignals verwendete halbe Quan­ tisierungsschrittweite,
daß durch einen der Schwellwertschaltung (3) nachgeschal­ teten Decodierer (4) die Transformationscodierung rück­ gängig gemacht wird und
daß die Ausgangsdaten dieses Decodierers (4) von den Da­ ten des decodierten Binärsignals durch einen Subtrahie­ rer (5) subtrahiert werden.

2. Adaptives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mit Hochpaßcharakter (1) aus einer Schaltung mit Tiefpaßcharakter (9) besteht, deren Aus­ gangssignal durch einen Addierer (8) zum decodierten Bi­ närsignal addiert wird.

3. Adaptives Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung mit einem Rechner durchgeführt wird.