DE60218560T2 - Bildkompression - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf integrierte Schaltungen und Bild- und Videokompressionsverfahren.
  • Digitale Standbildkameras (DSCs) sind in letzter Zeit zu einem sehr verbreiteten Verbrauchergerät geworden, das einen weiten Bereich von Nutzern, angefangen von Hobbyphotographen, Web-Entwicklern, Immobilienvertretern, Versicherungsregulierern, Photojournalisten bis hin zu Alltagsphotoenthusiasten anspricht. Die jüngsten Vorteile hochaufgelöster CCD-Anordnungen in Verbindung mit der Verfügbarkeit leistungsarmer digitaler Signalprozessoren (DSPs) haben zur Entwicklung von DSCs geführt, die recht nahe an die Auflösung und Qualität kommen, die herkömmliche Filmkameras bieten. Diese DSCs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Filmkameras mehrere zusätzlich Vorteile hinsichtlich Datenablage, -manipulation und -übertragung. Die digitale Darstellung aufgenommener Bilder ermöglicht, dass der Nutzer die Bilder leicht in irgendeinen Typ elektronischer Medien integriert und sie über irgendeinen Typ eines Netzes sendet. Die Fähigkeit, aufgenommene Bilder sofort zu betrachten und wahlweise zu speichern, schafft die Flexibilität, die Filmverschwendung zu minimieren und sofort zu bestimmen, ob das Bild noch einmal aufgenommen werden muss. Das Bild kann mit seiner digitalen Darstellung nach der Aufnahme korrigiert, geändert oder modifiziert werden. Siehe z. B. Venkataraman u. a., "Next Generation Digital Camera Integration and Software Development Issues", in Digital Solid State Cameras: Design and Applications, 3302 Proc. SPIE (1998). Ähnlich offenbaren USP 5.528.293 und USP 5.412.425 Aspekte digitaler Standbildkamerasysteme einschließlich der Speicherung von Bildern auf Speicherkarten und des Leistungsverbrauchs für batteriebetriebene Kameras.
  • Ferner können DSCs erweitert werden, um Videoclips (kurze Videosequenzen) aufzunehmen und um Bilder/Videos mit Verfahren wie etwa JPEG für Standbilder (Sequenzen von Standbildern) und MPEG für Videosequenzen zu komprimieren. In der DCT-gestützten Videokompression wie etwa H.261, H.263, MPEG1, MPEG2 und MPEG4 oder in der Bildkompression wie etwa JPEG wird ein Bild in Makroblöcke zerlegt. Je nach dem verwendeten Farbtonformat enthält jeder Makroblock eine bestimmte Anzahl von 8 × 8-Blöcken. Zum Beispiel ist ein Makroblock im Fall des Farbtonformats 4:2:0 aus vier 8 × 8-Farbdichteblöcken und aus zwei 8 × 8-Farbtonblöcken gebildet. 3 zeigt in einem Blockschaltplan ein DCT-gestütztes Video- oder Bildsequenzcodierungs-Kamerasystem. Um die Bitrate zu verringern, wird eine 8 × 8-DCT (diskrete 8 × 8-Cosinus-Transformation) verwendet, um die Blöcke für die Quantisierung in den Frequenzbereich umzusetzen. Der erste Koeffizient in einem 8 × 8-DCT-Block wird der Gleichspannungskoeffizient genannt; die verbleibenden 63 DCT-Koeffizienten in dem Block werden Wechselspannungskoeffizienten genannt. Die DCT-Koeffizientenblöcke werden quantisiert, in einer 1-D-Sequenz abgetastet und unter Verwendung einer Codierung variabler Länge (VLC) codiert. Für die prädiktive Codierung, an der eine Bewegungskompensation (MC) beteiligt ist, werden für die Rückkopplungsschleife eine inverse Quantisierung und eine IDCT benötigt. Im US-Patent 5.485.212 ist eine Block-mal-Block-Codierung beschrieben, wobei ein blockweiser Vergleich zwischen Blöcken eines momentanen Teilbildes und entsprechenden Blöcken eines vorherigen Teilbildes erfolgt, wobei je nach dem Vergleich die vorher codierten Blöcke verwendet werden.
  • Allerdings können Prozessoren in einigen Fällen beschränkte Verarbeitungsleistung haben, was die Echtzeitvideocodierung oder Standbildsequenzcodierung unmöglich machen könnte. Ähnlich können andere Digitalkameras wie etwa Kameras in einem Netz beschränkte Verarbeitungsleistung haben, was die Videocodierung beeinträchtigt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und Vorrichtungen, wie sie in den Ansprüchen dargelegt sind.
  • In einem Aspekt schafft die Erfindung eine Video- und/oder Bildkompression auf der Grundlage von Streifen von (Makro-)Blöcken, wobei sie Entscheidungen enthält, einen Streifen zu codieren oder durch einen bereits codierten entsprechenden Streifen eines früheren Teilbildes und/oder Bildes anzunähern.
  • Dies hat Vorteile einschließlich der Verringerung der Codierungskomplexität und/oder der Verringerung der Speicheranforderungen ohne wesentliche Verschlechterung der Video- und/oder Bildcodierungsqualität.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Zeichnung ist zur Klarheit heuristisch.
  • 1 veranschaulicht die Kompression einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 2 zeigt das Kamerasystem einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 3 zeigt ein Kamerasystem.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1. Übersicht
  • Die Video-Kompressions/Dekompressions-Verfahren der bevorzugten Ausführungsform codieren effizient Sequenzen von JPEG-Bildern. Die Verfahren verwenden die Korrelation zwischen aufeinander folgenden Teilbildern, um ein platzsparendes Zwischenformat zu erzeugen, das aus einer Bitmap und aus Bitstromsegmenten besteht. Da JPEG Bilder als Zeilen von 8 × 8- (oder 16 × 16-)Blöcken codiert, wird das Bild in Bildgebietsstreifen unterteilt, die aus aufeinander folgenden Zeilen von Blöcken, aus einer einzelnen Zeile von Blöcken oder aus einem Teil einer Zeile von Blöcken bestehen. Jeder Streifen wird entweder durch (1) das übliche JPEG-Bitstromsegment oder (2) eine Näherung durch das entsprechende Bitstromsegment aus einem vorherigen Bild dargestellt. Die Bitmap des Verfahrens enthält für jeden Streifen einen Wert, der angibt, welche dieser zwei Darstellungen verwendet wird. Wenn das Bild wiedergewonnen wird, wird die Bitmap verwendet, um die Verschachtelung der richtigen Bitstromsegmente zu koordinieren.
  • Die Verfahren können Bits auffüllen und am Ende jedes Streifen-Bitstromsegments eine JPEG-Neustartmarkierung einfügen. Dies schafft für das Bitstromsegment eine Byteausrichtung, die die Segmentspeicherung, -wiedergewinnung und -verschachtelung viel effizienter macht.
  • 2. Bevorzugte Ausführungsformen des Gleichspannungskoeffizienten
  • 1 veranschaulicht die Codierung und die Decodierung einer ersten bevorzugten Ausführungsform für eine Sequenz von Teilbildern (Bildern). Die Auswahl, welche Streifen eines Bildes zu codieren und welche mit einem vorherigen Bildstreifen anzunähern sind, beeinflusst sowohl die resultierende Bildqualität als auch die Codierungskomplexität. Das Verfahren der ersten bevorzugten Ausführungsform verwendet eine Gleichspannungskoeffizienten-Differenzbildung zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern, um zu bestimmen, ob Informationen für diesen Streifen zu speichern sind. Die Definition der Streifen könnte einfach, wie etwa eine feste Anzahl von (Makro-)Blöcken, oder kundenspezifisch, um an die Fähigkeiten einer bestimmten Realisierung anzupassen, sein. Tatsächlich werden üblicherweise Bilddaten während der Kompression gepuffert, d. h. Gruppen von Blöcken aufeinander folgend mit Bündelspeicherübertragungen (z. B. Direktspeicherzugriff, DMA) an einen internen Speicherpuffer übertragen. Es ist nützlich, die Streifengröße nicht größer als diese Puffergröße auszuwählen, sodass die zugeordnete Streifenverarbeitung innerhalb einer einzelnen Speicherübertragung ausgeführt werden kann.
  • Der Codierer der bevorzugten Ausführungsform arbeitet wie folgt: Alle jeweils wenigen (z. B. 5-20) Teilbilder wird ein vollständiges JPEG-Bild (das Schlüsselteilbild) codiert. Die DCT-Koeffizienten der jedem Streifen des Schlüsselteilbildes entsprechenden Blöcke werden im Speicher gehalten. Daraufhin werden für die Blöcke jedes Streifens die DCT-Koeffizienten (oder nur der Gleichspannungskoeffizient) des nächsten Teilbildes berechnet. Daraufhin wird die Differenz des Gleichspannungskoeffizienten jedes Blocks des Streifens mit dem des entsprechenden Blocks des Streifens des Schlüsselteilbildes gebildet und (der Absolutwert) mit einem Schwellenwert verglichen. Falls die Summe der Gleichspannungskoeffizientendifferenzen über die Blöcke in dem Streifen oder die maximale Gleichspannungskoeffizientendifferenz über die Blöcke des Streifens unter dem Schwellenwert liegt, wird die Entscheidung getroffen, den Streifen zu codieren. Daraufhin wird mit jedem nachfolgenden Bild (bis zum nächsten Schlüsselteilbild) eine Bitmaske mit einem jedem Streifen entsprechenden Bit gespeichert – wobei eine 1 angibt, dass der Streifen codiert wird, und eine 0 angibt, dass der Streifen nicht codiert wird. Der Rest des komprimierten Bildes enthält dann die Bitstromsegmente von den Streifen, die komprimiert werden müssen.
  • Wenn ein bestimmtes Bild aus der Ablage zurückgerufen wird, rekonstruiert der Prozessor das Bild anhand der Codierungsbitmap, der zusätzlichen Bitstromsegmente codierter Streifen und des zuvor vollständig komprimierten und mit Streifen indizierten Schlüsselbildes. Da die Huffman-Etiketten über alle Bilder dieselben sind, ist es ferner möglich, Teile der Huffman-Ströme für einzelne Streifen von zuvor komprimierten Bildern einzuspeisen.
  • 3. Systeme
  • Die Verfahren der bevorzugten Ausführungsform sind gut geeignet für Umgebungen, die die ununterbrochene Kompression und Speicherung von Videosignalen oder Bildsequenzen, die nur teilweise räumliche Aktualisierungen enthalten, erfordern. 2 veranschaulicht Funktionsblöcke des Überwachungskamerasystems einer bevorzugten Ausführungsform, das die Kompression der Sequenz durch die CCD-Kamera aufgenommener Bilder der bevorzugten Ausführungsform enthält. Es wird angemerkt, dass der Speicher/die Ablage abnehmbar sein könnte und dass die Wiedergewinnung/Anzeige von der Kamera/Kompression bei jedem Teilsystem einschließlich einer Steuereinheit physisch getrennt sein könnte. Die Verfahren sind gut geeignet für DSPs, die DCTs schnell ausführen können, für Codierer variabler Länge wie etwa Huffman aber lange Zeit brauchen. Die Verfahren benötigen wesentlich weniger Zeit bei der Codierung und weniger Ablagemedien. Die Verfahren schaffen im Austausch für eine etwas langsamere Bildwiedergewinnung einen Mechanismus, um eine schnellere JPEG-Codierung zu ermöglichen, was häufig eine entscheidende Beschränkung an Systeme ist.
  • 4. Abwandlungen
  • Die bevorzugten Ausführungsformen können geändert werden, während die Merkmale der Analyse der DCT (z. B. Gleichspannungskoeffizienten) von Blöcken in einem Streifen eines Bildes, um zu entscheiden, ob als (quantisierte) DCT-Koeffizienten (zuzüglich möglicherweise Codierung variabler Länge) oder als eine Näherung eines bereits codierten entsprechenden Streifens in einem früheren Bild codiert werden soll, erhalten bleiben.
  • Zum Beispiel werden andere Aufteilungen eines Bildes in Streifen wie etwa mehrere Streifenabschnitte mit wenigen an dem Schlüsselteilbild angebrachten Bits, um auszuwählen, welche Aufteilung in Streifen verwendet wird, verwendet. Außerdem könnten anstelle der Absolutwerte für die Codierungsentscheidung andere Fehlermaße wie etwa Summen von Quadraten verwendet werden. In der Codierungsentscheidung könnten mehr als nur die Gleichspannungskoeffizienten verwendet werden; z. B. könnten Differenz und Schwellenwert des Gleichspannungskoeffizienten zuzüglich der drei niedrigsten Wechselspannungskoeffizienten gebildet werden. Analog könnten anfangs nur die Gleichspannungskoeffizienten berechnet werden, während die Entscheidung, ob zu Codieren oder der frühere Streifen zu wiederholen ist, vor irgendeiner für die Blöcke des Streifens erforderlichen vollständigen DCT-Koeffizientenberechnung getroffen wird. Ferner könnten für Codierungsentscheidungen anstelle der DCT mit analoger Koeffizientenanalyse Wavelet- und andere Transformationsverfahren verwendet werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bildkompression, das umfasst: (a) Unterteilen eines Eingangsbildes in Streifen von Blöcken (51, 52, 53, 54), wobei die Streifen aus aufeinander folgenden Zeilen von Blöcken, aus einer einzelnen Zeile von Blöcken oder aus einem Teil einer Zeile von Blöcken bestehen; (b) Vergleichen von Blöcken eines der Streifen von Blöcken mit entsprechenden Blöcken von Pixeln in einem entsprechenden Streifen von Blöcken eines früheren Bildes; (c) Codieren des Streifens von Blöcken des Eingangsbildes als einen entsprechenden Streifen von Blöcken des früheren Bildes, wenn der Vergleich des Schrittes (b) angibt, dass der Streifen näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist; und (d) Codieren des Streifens von Blöcken des Eingangsbildes, wenn der Vergleich des Schrittes (b) angibt, dass der Streifen nicht näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: (a) das Vergleichen des Schrittes (d) von Anspruch 1 das Vergleichen mit einem Schwellenwert für die Differenz zwischen Gleichspannungskoeffizienten jedes der Blöcke des Streifens und Gleichspannungskoeffizienten jedes der Blöcke des entsprechenden Streifens umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Codieren eine JPEG-Codierung ist, wenn der Streifen nicht näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist.
  4. Bildkompressionsvorrichtung, mit: (a) Mitteln zum Unterteilen eines Eingangsbildes in Streifen von Blöcken (51, 52, 53, 54), wobei die Streifen aus aufeinander folgenden Zeilen von Blöcken, aus einer einzelnen Zeile von Blöcken oder aus einem Teil einer Zeile von Blöcken bestehen; (b) Mitteln zum Vergleichen von Blöcken, die so beschaffen sind, dass sie Blöcke eines der Streifen von Blöcken mit entsprechenden Blöcken von Pixeln in einem entsprechenden Streifen von Blöcken eines früheren Bildes vergleichen; (c) Mitteln zum Codieren des Streifens von Blöcken des Eingangsbildes als einen entsprechenden Streifen von Blöcken des früheren Bildes, wenn die Mittel zum Vergleichen von Blöcken angeben, dass der Streifen näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist; und (d) Mitteln zum Codieren des Streifens von Blöcken des Eingangsbildes, wenn die Mittel zum Vergleichen von Blöcken angeben, dass der Streifen nicht näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der: (a) die Mittel zum Vergleichen von Blöcken Mittel umfassen, um einen Schwellenwert der Differenz zwischen Gleichspannungskoeffizienten jedes der Blöcke des Streifens und Gleichspannungskoeffizienten jedes der Blöcke des entsprechenden Streifens zu vergleichen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der die Codierung eine JPEG-Codierung ist, wenn der Streifen nicht näherungsweise gleich dem entsprechenden Streifen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die umfasst: (a) einen Eingangspufferspeicher; wobei (b) der Pufferspeicher eine Größe besitzt, die ausreicht, um den Streifen von Blöcken zu enthalten.
  8. Überwachungssystem, das umfasst: (a) eine Kamera mit einem Ausgang für Bilder; (b) eine Bildkompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4-7.
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