DE4229394A1

DE4229394A1 - Verfahren zur adaptiven Quantisierung von Farbbildern

Info

Publication number: DE4229394A1
Application number: DE4229394A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Dipl Ing Menzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1994-03-10

Description

Das Verfahren zur adaptiven Quantisierung von Farbbildern be trifft die Verarbeitung digitalisierter stehender Farbbilder mit digitaler Rechentechnik in der Medizin, insbesondere der Video endoskopie. Bei der Speicherung und Überprüfung von Befunden, der Unterweisung von Auszubildenden oder beim Vergleich von Befunden ist eine Speicherung der mit medizinischen Unter suchungsgeräten gewonnenen Farbbilder notwendig, außerdem werden die Farbbilder meist über Datenleitungen untereinander ver netzter Bildverarbeitungsanlagen transportiert. Die zu übertra gende Datenmenge hat dabei wesentlichen Einfluß auf die Über tragungszeit und erforderliche Speicherkapazität.

In der Literatur werden Vektorquantisierungsverfahren zur Daten reduktion digitaler Bilder als aussichtsreichste Variante der Datenreduktion genannt. Dabei wird eine räumliche Gruppierung von Bildelementen vorgenommen und die statistische Abhängigkeit der Informationsteile berücksichtigt.

Aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 38 408/1980 mit der deutschen Nachanmeldung P 31 11 823.2 ist ein Verfahren bekannt, das eine unterschiedliche Quantisierung von Eingangsbildele mentwerten unter Berücksichtigung der Sehcharakteristik des menschlichen Auges vornimmt. Für Teile des Bildes in denen viel Aktion dargestellt ist, nimmt die Sehempfindlichkeit des Auges ab, so daß eine Quantisierung mit einem Grobquantisierungswert ausreicht, während für Eingangsbildelementwerte mit kleinen Änderungen eine Feinquantisierungscharakteristik angewandt wird. Der Nachteil der dort vorgestellten Lösung ist die Nichtan wendbarkeit des Verfahrens auf Farbbilder.

Aus der DE-OS 32 08 859 wird die Anwendung o.g. Verfahrens auf Farbbilder dargestellt. Dabei wird die menschliche Sehcharak teristik derart ausgenutzt, daß das Auge für die Größe eines Luminanzunterschiedes und die Farbe in einem örtlichen Bereich, in dem die Ortsfrequenz groß ist, unempfindlich ist, während es für die Größe eines Luminanzunterschiedes und die Farbe in einem örtlichen Bereich wo die Ortsfrequenz klein ist, empfindlich ist. Die vorgestellte Quantisierungsvorrichtung teilt unter Berücksichtigung der o.g. Sehcharakteristik das Farbbildsignal in eine Vielzahl von Farbanteilen auf, bildet so Eingangsbil delementwerte und ermittelt für jeden Farbanteil einen Schätz wert aus dem Eingangsbildelementwert. Dieser Schätzwert wird dann adaptiv mit einer gewählten Charakteristik aus einer Viel zahl von Quantisierungscharakteristiken quantisiert. Entspre chend der für jeden Farbanteil vorgesehenen Quantisierungscha rakteristik und der Quantisierungsschritte werden die Eingangs bildelemente in Blöcke unterteilt und entsprechend der Vertei lung der Quantisierungswerte quantisiert, so daß das Farbbild mit einem hohen Einengungseffekt kodiert wird. Dabei werden Blöcke mit gleichen Verteilungen der Quantisierungswerte auch gleich quantisiert, wenn ein bestimmter Schwellwert der Ver teilung der Quantisierungswerte nicht überschritten wird. Die Farbvalenz der einzelnen Bildelemente wird hierbei nicht be rücksichtigt und eine Auswahl besonders interessanter bzw. her vorzuhebender Bildausschnitte ist nicht möglich. Die Datenkom pression tritt zu Lasten der Beeinträchtigung der Bildqualität auf. Insbesondere den Anforderungen der Erkennbarkeit kleinster Struktur- oder Farbänderungen, wie sie in der Videoendoskopie, z. B. zur Darstellung winziger Veränderungen von Schleimhäuten auftreten, wird dieses Verfahren nicht gerecht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren an zugeben, das auch die Erkennbarkeit kleiner und kleinster Struk tur- oder Farbunterschiede bei gleichzeitig höherer Datenkom pression gewährleistet. Die unterschiedliche Farbwahrnehmung durch das Auge in Abhängigkeit von der Farbvalenz soll zu einer effektiven Quantisierung ausgenutzt werden.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst und durch die Unteran sprüche weiter ausgestaltet. In bekannter Art und Weise werden Schätzfehler der Eingangsbildelementwerte berechnet, z. B. über die zweidimensionale Interpolationsprädiktion. Durch diesen Übergang von Eingangsbildelementwerten zu Schätzwertfehlern lassen sich statistische Parameter von unterschiedlichen Bild daten verallgemeinern und damit besser quantisieren. Die zu Blöcken zusammengefaßten Schätzwertfehler werden blockweise mit einem Vektorquantisierer quantisiert. Der Vektorquantisierer wird in herkömmlicher Art und Weise mit der Quantisierungs charakteristik des Quantisierers R(D) , dem zu erreichenden Feh ler D_set und der Streuung des aktuellen Schätzwertfehlerblock es gesteuert. In dem vorgestellten Patent wird zusätzlich zu dieser Quantisierersteuerung für die Erzielung einer weiteren Datenreduktion die Farbvalenz in die Steuerung des Quantisierers einbezogen. Dabei wird der Umstand genutzt, daß das menschliche Auge für Fehler von blauen Farben weitaus empfindlicher ist als für Fehler von grünen Farben. Es werden deshalb die Helligkeit sinformationen von den Farbinformationen getrennt und eine Lumi nanzkomponente und zwei Chrominanzkomponenten gebildet.

Für jedes Farbsystem ist eine vorbereitete Tabelle LUT (Look up table) in einem Speicher abgelegt. Diese Berechnung der Tabelle wird einmalig vor der Kodierung des Systems für das entspreche nde Farbsystem durchgeführt. Damit sind für eine gegebene Anzahl von zu Gruppen zusammengefaßter gleich großer Farbbereiche die zulässigen Abweichungen der Chrominanzkomponenten bei vorgegeb enen erkennbaren Fehlern bestimmt. Die Quantisierungscharakteri stik mit der die jeweiligen Farbwerte quantisiert werden, wird dann für die zusammengefaßten Farbbereiche entsprechend dem wahrnehmbaren Farbunterschied FU so ausgewählt, daß der daraus ermittelte vorgegebene Fehler D_set im Chrominanzwert erreicht wird und daß der Farbunterschied FU in die entsprechenden Farb koordinaten umgerechnet die zulässige Chrominanzabweichung D_set darstellt. Wird die Vorgabe verschiedener vorgegebener wahrnehm barer Farbunterschiede FU gewünscht, kann die entsprechende Tabelle LUT um eine dritte Dimension erweitert werden.

Die Quantisierung der Werte σ und D_set erfolgt dann nach be kannter Art und Weise.

Auf gleiche Weise ist es möglich, die Quantisierungscharakteris tik nicht in Abhängigkeit des wahrnehmbaren Farbunterschiedes FU sondern in Abhängigkeit der Häufigkeit der auftretenden Farben auszuwählen. Für zusammengefaßte Farbbereiche der 2-D-Farbgrafik ist bei jeweils gleicher Anzahl auftretender Chrominanzwerte in den festgelegten Farbbereichen die Quantisierungscharakteristik auswählbar.

Ausführungsbeispiel

Es werden für ein zu quantisierendes Bildwertelement die Lumi nanzkompenente c₁ und die Chrominanzkomponenten c₂ und c₃ durch Matrizierung der Ausgangsdatenwerte Rot-Grün-Blau in z. B. c₁ = Y, c₂ = I und c₃ = Q (Farbfernseh-System NTSC) berechnet. Damit ist entsprechend der Farbwertanteile i, q die Zugehörigkeit zu einer Teilfarbfläche in der unterteilten 2-D-Farbwertanteil-Grafik festgelegt. Durch diese Festlegung der Teilfarbflächen sind die Werte für den zu erreichenden Quantisierungsfehler D_set wie im folgenden Text beschrieben, bestimmbar.

Die Quantisierungsschwellen werden aus einem kontrastgleichen Farbraum in den gegebenen Farbraum zurückgerechnet. Bei vor liegendem Farbwert kann dieser dann entsprechend der Quantisie rungsschwellen bearbeitet werden. In einem kontrastgleichen Farbraum (hier CIE1960) wird ein gleichförmiges rechteckiges Raster gelegt. Dieses wird, da es durch die Koordinatentrans formation in die Farbkoordinaten des Bildmateriales rückgerech net wird, stark verzerrt dargestellt. Die Gebiete mit gleich großen Teilflächen werden zu Gruppen zusammengefaßt. Innerhalb dieser Gruppen berechnet man den maximal zulässigen Fehler D_set der verwendeten Chrominanzkoordinaten. Dieser ist zuerst im kontrastgleichen Farbraum CIE1960 zu berechnen und danach in den Farbraum des Bildmaterials umzurechnen.

Für den vorzugebenden wahrnehmbaren Farbunterschied wird ein Farbunterschied FU eingesetzt, der sich am visuellen System orientiert. Ein vom Menschen noch zu unterscheidender Farb unterschied FU ist mit FU=1 angegeben und wird nach McAdam aus den Koordinaten des Farbsystems CIE1960 berechnet:

FU = 263 {(u₂-u₁)² + (v₁-v₂)²}^0,5 (1)

Um die vorzugebenden Fehler D_set für die Quantisierung definieren zu können, ist der Farbunterschied FU anschließend in die Koor dinaten des Farbraumes NTSC umzurechnen. Mit FU₁ =1 soll sicher gestellt werden, daß visuell keine Farbverfälschung erkennbar ist. Anschließend ist die Bittiefe b in Abhängigkeit von _PB und D_set nach bekannter Art und Weise ermittelbar. Da der Luminanz fehler bei der Luminanzkoordinate c₁ bewertet wird und in die Fehlerrechnung von Farbwertanteilen nicht eingeht, sind mit (1) vier Fehlerwerte (Abweichungen in Richtung der Koordinatenach sen) als Farbwertanteile im System CIE1960 berechenbar.

Beispiel für die Fehlerberechnung der Farbwertanteile in der Nähe des Unbuntpunktes E:

Zuerst werden die Koordinaten für diesen Unbuntpunkt E (u₀, v₀) berechnet, diese stellen den Ausgangspunkt für die maximal zu lässigen Abweichungen der Chrominanzwerte dar. Es wird davon ausgegangen, daß der berechnete Fehler näherungsweise für die um den Unbuntpunkt E gruppierten Farbwertanteile relevant ist.

u₀ = 2x/(6y-x+1,5)
v₀ = 3y/(6y-x+1,5) mit x=y=z=1/3 für E (2)

Anschließend sind die Abweichungen vom Unbuntpunkt E (Δu, Δv) zu ermitteln:

FU₁: Δu = Δv = +/- 0.00268 (kein Farbfehler erkennbar, FU=1)
FU₂: Δu = Δv = +/- 0.0114 (max. zu ertragender Farbfehler, FU=3).

Danach werden die Farbwertanteile der vorgegebenen Abweichungen FU_1,2 für das Farbsystem CIE1931 bestimmt:

x = 1.5u/(u-4v+2)
y = v/u-4v+2) (3)
z = 1-x-y

Für die weitere Berechnung wird y auf Y = 100 (mittlere Bildhel ligkeit) rücknormiert.

Unter Verwendung der vorgegebenen Farbtransformation nach McAdam erhält man den Fehler in jedem gewünschten Farbraum, z. B.

L* = 116 (Y′/Y₀)^0.33-16
a* = 500 {(X′/X₀)^0.33-(Y′/Y₀)^0.33} (4)
b* = 200 {(Y′/Y₀)^0.33-(Z′/Z₀)^0.33}

wobei gilt 0 < Y′ < 100.

Der vorgegebene Farbunterschied FU, in die entsprechenden Farb koordinaten umgerechnet, stellt die zulässigen Chrominanzabwei chungen dar. In der Tabelle LUT werden die maximal auftretenden Abweichungen vom Unbuntpunkt E und die sich daraus näherungs weise ergebenden Fehler D_set angegeben:

Mit dem nun bekannten maximal zulässigen Fehler D_set für jede Chrominanzkomponente werden diese jetzt quantisiert. Die Ta belle LUT ist je nach dem zu verwendenden Farbraum bzw. vorgege benen Farbunterschied FU beliebig erweiterbar und damit auch in den dreidimensionalen Raum übertragbar. Bei dreidimensionaler Tabelle werden verschiedene vorzugebende Farbunterschiede FU möglich (wie in Tabelle LUT angegeben, FU₁=1 und FU₂=3).

Verzeichnis der Abkürzungen

b Bittiefe
CIE Internationale Beleuchtungskommission
CIE1960 Contrastgleicher Farbraum nach McAdam
c₁ Luminanzkomponente
c₂ Chrominanzkomponente 1
c₃ Chrominanzkomponente 2
D Fehler
D_set Fehlervorgabe
E Unbuntpunkt
FU Farbunterschied
LUT Wertzuweisungstabelle (look up table)
MSE Mittlerer quadratischer Fehler
R(D) Rate-Distorsions-Verhältnis (Quantisierer-Charak teristik)
σ_PRV Streuung des Prädiktionsfehlers
(σ)_PE Prädiktionsfehler
u, v Chrominanzkomponenten im kontrastgleichen Farbsystem nach McAdam
X Folge von (Grau-)Werten, Vektor
x′ rekonstruierter Wert
X′ rekonstruierter Vektor X
Y′ normierte Luminanz für L*a*b*-Farbraumberechnung
X₀,Y₀,Z₀ Normfarbkoordinaten für weißen Strahler MgO
X,Y,Z Farbkoordinaten im Farbsystem CIE1931
x,y,z Farbwertanteile im Farbsystem CIE1931
Y,I,Q Farbkoordinaten der NTSC-Norm
L*,a*,b* Farbkoordinaten im kontrastgleichen Farbraum L*a*b*.

Claims

1. Verfahren zur adaptiven Quantisierung von Farbbildern, bei dem die Eingangsbildwerte von Bildelementen in rechteckigen Blöcken zusammengefaßt werden, ein Eingangsbildwert für jedes Bildelement und seinen Farbanteil erzeugt wird und Schätzfehler dieser Eingangsbildwerte registriert werden, dadurch gekenn zeichnet,
daß die registrierten Schätzfehler der Eingangsbildwerte der Bildelemente, getrennt nach Helligkeits- und Farbanteil und mit unterschiedlichen Quantisierungscharakteristiken quantisiert werden,
die Auswahl der Quantisierungscharakteristik in Abhängigkeit von der Art des Quantisierens und der Streuung der Schätzfehler und/ oder der Sichtbarkeit des Farbfehlers im visuellen System und/oder der Häufigkeit von Farbwerten erfolgt,
eine Vorgabe des zu erreichenden Quantisierungsfehlers erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsinformationen von den Farbinformationen getrennt und eine Luminanz- und zwei Chrominanzkomponenten gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß für jedes Farbsystem eine Tabelle LUT (look up table) zur Bestimmung der Farbvalenz vor der Kodierung des Sys tems für das entsprechende Farbsystem berechnet und in einem Speicher abgelegt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekenn zeichnet, daß zur Bestimmung der Quantisierungscharakteristik mit der die jeweiligen Farbwerte quantisiert werden diejenige ausgewählt wird, mit der der vorgegebene Fehler D_set im Chromi nanzwert erreicht wird und daß der vorgegebene wahrnehmbare Far bunterschied FU in die entsprechenden Farbkoordinaten umgerech net die zulässige Chrominanzabweichung darstellt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch geken nzeichnet, daß der vorgegebene Fehler D_set in Abhängigkeit von einem wahrnehmbaren Farbunterschied FU eingesetzt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch ge kennzeichnet, daß als Ausgangspunkt für die Festlegung der maxi mal zulässigen Abweichungen der Chrominanzwerte Teilflächen in der Farbgrafik der Farbwertanteile als bestimmte Bereiche glei cher Fehlervorgabe D_set festgelegt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 , 5, und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Chrominanzwerte in den Teilflächen ermittelt und danach die zugehörigen Farbwertanteile bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten zulässigen Abweichungen der Chrominanzwerte näherungsweise für die gesamte Teilfläche ver wendet werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, da durch gekennzeichnet, daß die Tabellen LUT je nach verwendeten Farbraum und/oder zu vorzugebenden Farbunterschied FU beliebig erweiterbar sind.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Quantisierungscharakteristik in Abhängigkeit von der Häufigkeit der auftretenden Farben ausgewählt wird.