DE4220750A1

DE4220750A1 - Verfahren zur interpolativen, prädiktiven Bild-Datenkompression

Info

Publication number: DE4220750A1
Application number: DE4220750A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Ing May
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1994-01-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Bild codierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung findet Verwendung in der audiovisuellen Telekommunikation, z. B. beim Bildtelefon oder bei Telekon ferenzen.

Heutige Bild-Datenkompressionstechniken, z. B. nach der CCITT Empfehlung H.261 für Bildtelefon oder Telekonferenz arbeiten mit einer Prädiktion des aktuellen Bildes aus dem vorhergehenden Bild mit blockweiser Bewegungskompensation, um die Datenmenge zur Beschreibung des aktuellen Bildes zu senken. Die CCITT Empfehlung H.261, entworfen für Bild- Übertragung bei sehr geringen Datenraten (p_*64 kbit/s), p=1 . . 30), benutzt nur ganzzahlige Verschiebungen von Bild zu Bild zur Bewegungskompensation in der Prädiktions schleife. Vorteilhaft ist die einfache Berechnung und Übertragung der Verschiebungsvektoren und der geringe Auf wand zur Berechnung des Schätzbildes (bzw. des Schätzbloc kes), da nur Speicherzugriffe und keine arithmetischen Operationen benötigt werden, um die Werte des verschobenen Schätzblockes zu erhalten.

Aber die ganzzahligen Verschiebungen verursachen hochfre quente Verzerrungen in der Prädiktionsschleife an den Blockgrenzen, wenn benachbarte Blöcke nicht dieselbe Ver schiebung aufweisen. Ein weiterer Nachteil ist die mangel hafte Prädiktion, da normalerweise die abgebildeten Ob jekte sich nicht mit ganzzahligen Verschiebungen, sondern gebrochenen, bewegen.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb ein interpolatives Prä diktionsverfahren anzugeben, mit dem eine höhere Bildqua lität sowie eine flüssigere Bewegungswiedergabe bei gerin ger Datenrate erzielt wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.

Mit dem erfindungsgemäßen interpolativen Prädiktionsver fahren wird der Prädiktionsgewinn gegenüber einfacher ganzzahliger Prädiktion aus dem vorrausgehend codierten Bild erheblich gesteigert.

Beispielsweise werden zwei vorausgehende Bilder benutzt um einen Block des aktuellen Bildes vorherzusagen. Für jeden Block (16_*16 Bildpunkte groß in H.261) wird eine Entschei dung getroffen, ob

a) der verschobene oder nicht verschobene Block des vorausgehenden Bildes
b) der verschobene oder nicht verschobene Block des vor-vorausgehenden Bildes
c) keine Prädiktion (intra coding)
d) eine gewichtete Mittellung aus verschobenen und/oder nicht verschobenen Blöcken aus beiden vorausgehenden Bildern

als Schätzblock verwendet wird.

Die Entscheidung wird normalerweise dadurch getroffen, daß die Prädiktionsart genommen wird, die den kleinsten qua dratischen Abstand zum Originalblock hat. Eine detail lierte Beschreibung zu dieser Entscheidung ist z. B. in CCITT Study Group XV Reference Model 8 (RM8) "Specialists Group on Coding for visual Telephony" Doc 525, Stuttgart, Juni 1989 enthalten.

Die Fälle a) und c) sind in der CCITT Empfehlung H.261 (auch in RM8) enthalten. Der Fall b) ist ebenfalls be kannt. Neu ist die Prädiktionsweise d), die den Prädikti onsgewinn am meisten steigert.

Das folgende Bild soll die Art der Prädiktion in H 261 verdeutlichen:

Für jedes Bild wird eine Prädiktion aus dem vorhergehenden Bild durchgeführt.

In dem erfindungsgemäßen Prädiktionsverfahren werden min destens zwei vorhergehende Bilder verwendet:

Die Verfahrensschritte sind im einzelnen

1: Schätzung der beiden Verschiebungsvektoren für den zu codierenden Block in Bezug auf das vorausge hende und vor-vorausgehende Bild (Verschiebung O ist eingeschlossen).

2: Berechnung der Bildpunktwerte für die beiden ver schobenen und/oder nicht verschobenen Schätz blöcke.

3: Berechnung des Mittelwertes der Bildpunktwerte aus beiden Schätzblöcken z. B. für die Gewichtung 0,5 : 0,5.

4: Berechnung des quadratischen oder absoluten mitt leren Abstands für die 4 Fälle a), b), c), d) zum zu codierenden Block.

5: Bestimmung des Prädiktionsverfahren, das den ge ringsten Abstand hat.

Der gesteigerte Prädiktionsgewinn im Fall d) basiert auf zwei Tatsachen

1. Die Mittelwertberechnung aus zwei vorhergehenden Bildern erfolgt über ein Tiefpaßfilter, daß das hohe Frequenzrauschen in der Prädiktionsschleife reduziert. Dieses Filter ist besser als das in RM8 der CCITT Empfehlung H.261 verwendete Filter.

2. Für eine lineare Bewegung z. B. mit einer 0,5 Bild punktverschiebung pro Bild kann in H.261 eine ganzzahlige Verschiebung von 0 oder 1 gewählt wer den. Wenn z. B. für das vorausgehende Bild O und für das vor-vorausgehende Bild 1 gewählt wird, entspricht die Impulsantwort des Prädiktors im Fall d) einem Prädiktor, der mit halber Bildpunkt genauigkeit und bilinearer Interpolation arbeitet.

Die Entscheidungsübermittlung und die Übertragung der Ver schiebungsvektoren wird analog dem in der CCITT-Empfehlung H.261 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Für jeden Block muß der gewählte Fall übermittelt werden: in Fall a) und b) wird ein Verschiebungsvektor übertragen, in Fall c) wird kein Verschiebungsvektor übertragen, im Fall d) wer den zwei Verschiebungsvektoren übertragen. Selbst der Fall, daß zwei Verschiebungsvektoren den Betrag Null be sitzen, ist im Fall d) berücksichtigt. In diesem Fall ar beitet die bereits beschriebene Filterung in nicht-be wegten Bereichen und erhöht den Prädiktionsgewinn vergli chen mit der lediglich aus einem vorhergehenden Bild nicht verschobenen Prädiktion.

Anstatt die vier Fälle a) bis d) zu übermitteln, ist es möglich, die Null-Verschiebungsvektorübertragung als 5. Fall e) durch Mittelwertbildung zu übertragen.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das im Ausfüh rungsbeispiel angegebene Prädiktionsverfahren, sondern es kann auch mit anderen Prädiktions-Codierverfahren, deren Codierschema nicht auf der CCITT-Empfehlung H.261 basiert, gearbeitet werden. Außerdem können andere Blockgrößen als 16·16 Bildpunkte, z. B. 8·8 Bildpunkte oder selbst unregel mäßige Blockgrößen aus einer Mischung von 16·16 und 8·8 Bildpunkten verwendet werden. Auch die Verwendung von Blöcken mit mehr als zwei vorhergehenden Bildern ist für die Prädiktion des aktuellen Blocks denkbar.

Claims

1. Verfahren zur prädiktiven Bildcodierung mit Bewegungs kompensation, bei dem die Bilder in Blöcke mit n_*n Bild punkten zerlegt werden und für jeden Block ein Bewegungs kompensierter Schätzblock aus vorausgehenden Bildern be rechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ent scheidung über ein Prädiktionsverfahren getroffen wird, derart daß entschieden wird ob

a) der verschobene oder nicht verschobene Block des vorausgehenden Bildes
b) der verschobene oder nicht verschobene Block des vor-vorausgehenden Bildes
c) keine Prädiktion
d) eine gewichtete Mittelung aus verschobenen und/oder unverschobenen Blöcken aus beiden voraus gehenden Bildern

als Schätzblock für den aktuellen Block verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens zwei Verschiebungsvektoren für den zu codierenden Block in Bezug auf das vorausge hende und vor-vorausgehende Bild geschätzt werden,
- daß die Bildwerte für die beiden Schätzblöcke be rechnet werden,
- daß der Mittelwert der Bildpunktwerte aus beiden Schätzblöcken für z. B. eine Gewichtung von 0,5 : 0,5 berechnet wird,
- daß der quadratische oder absolute mittlere Ab stand für die Fälle a) bis d) zum codierten Block berechnet wird, und
- daß das Prädiktionsverfahren mit dem geringsten Abstand bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Verschie bungsvektoren mit Betrag Null berücksichtigt werden, und daß die mittleren Bildpunktwerte aus den zwei Blöcken von zwei vorhergehenden Bildern bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Gewichtungsfaktoren ungleich 0,5 für die Berechnung der interpolativen Bildpunktwerte aus den verschobenen oder nicht verschobenen Blöcken der vor hergehenden Bilder eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß unregelmäßige Blockgrößen ver wendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Blöcke verwendet werden, die aus mehr als zwei vorhergehenden Bildern für die Prädiktion des aktuellen Blocks gebildet werden.