DE69315203T2

DE69315203T2 - Verfahren zur kodierung von bilddaten

Info

Publication number: DE69315203T2
Application number: DE69315203T
Authority: DE
Inventors: Gisle Bjontegaard
Original assignee: Telenor ASA
Current assignee: Telenor ASA
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: US5579413A; JP2955363B2; JPH07504546A; NO175080B; ATE160252T1; ES2111152T3; AU3769593A; NO920956D0; NO920956L; HK1001748A1; WO1993018616A1; GR3025887T3; DE69315203D1; EP0630547B1; NO175080C; EP0630547A1; DK0630547T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Codieren von bilddaten und insbesondere zum Codieren von transformierten und quantisierten Blöcken von Bilddaten, optional von Gruppen solcher Blöcke, wobei das Verfahren primär vom Typ gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Patentanspruchs 1 ist.
Kürzlich sind digitale Kompressionstechniken in Gebrauch gekommen, um den Bitaufwand bei der Darstellung einzelner Bilder oder Bildfolgen (Bewegtbilder) zu reduzieren. Diese Techniken werden z. B. in der Bildtelephonie verwendet. Die Bildtelephonie-Codierungstechnik selbst ist von CCITT (Comite Cpnsultatif International de Téléfonique et Télégraphique) genormt. Die Normung wurde von einer Expertengruppe unter der Bezeichnung CCITT SG XV WP XV/1 ausgeführt, die resultierende Richtlinie hat die Nummer J.261. Auch in der ISO (International Organization for Standardization) hat Normen zum Codieren sowohl von Bewegtbildern als auch von Einzelbildern (Standbildern) geschaffen. Die für diese Aktivitäten verantwortlichen Gruppen haben die Bezeichnungen ISO/IEC JTC1/SC2/WG11 (für Bewegtbilder) und ISO/IEC JTC1/SC2/WG10 (für Standbilder) . Die Verfahren, die gewöhnlich MTEG und JPEG genannt werden, sind in ISO/IEC JTC1, Komitee-Entwurf 10918 und ISO/IEC JTC1, Komitee-Entwurf 11172, beschrieben.
Ein gemeinsames Merkmal all dieser Techniken ist, daß Blöcke von Bildwerten verarbeitet werden. Durch Anwenden einer geeigneten Transformation auf den Block ist das Ergebnis ein Block in der Umcodierungsebene, wobei der Energiegehalt in einer Blockecke konzentriert ist. Gewöhnlich wird eine diskrete Kosinustransformation (DCT) verwendet. Alle drei obenerwähnten Verfahren verwenden DCT. Die umcodierten Blöcke werden quantisiert, anschließend werden die quantisierten Werte mit einem sogenannten "Code variabler Länge" codiert.
Siehe auch EP-A-0 453 113, die ähnliche Techniken offenbart.
Während die Quantisierung im rekonstruierten Signal Fehler einführt (d. h. irreversibel ist), ist die Codierung des Typs mit variabler Länge ein reversibler Prozeß. Das bedeutet, daß dasjenige, was mit dem Code variabler Länge codiert worden ist, exakt rekonstruiert werden kann. Der Zweck der Verwendung der Codierung des Typs mit variabler Länge besteht darin, die übertragene Datenmenge zu reduzieren, ohne den Informationsgehalt zu verändern. Ereignisse mit geringer Wahrscheinlichkeit werden mit vielen Bits codiert, während Ereignisse mit großer Wahrscheinlichkeit unter Verwendung weniger Bits codiert werden. Die sogenannte "Huffman-Codierung" stellt ein Beispiel der Codierung des Typs mit variabler Länge dar. Es ist eine Voraussetzung für die Verbesserung einer Codierung mit variabler Länge, daß unterschiedliche Ereignisse mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten auftreten. Somit sind DCT-transformierte Blöcke von Bilddaten für die Codierung des Typs mit variabler Länge geeignet.
Es ist möglich, einen oder mehrere Eingangswerte für den Code variabler Länge zu verwenden. Wenn mehrere Werte verwendet werden, liegt der Fall vor, der mehrdimensionaler Code variabler Länge genannt werden kann. In der Codierungstechnik, die in CCITT genormt ist, und in den Codierungsverfahren, die nun zur Normung in der ISO vorliegen, werden zweidimensionale Codes variabler Länge verwendet. Die quantisierten Transformationskoeffizienten im transformierten Block werden in einer bestimmten Reihenfolge verarbeitet. Ein Eingangswert stellt den Pegel des quantisierten Transformationskoeffizienten dar, während der zweite Wert die Anzahl der Transformationskoeffizienten ab dem letzten codierten (von Null verschiedenen) Koeffizienten, die gleich Null sind, darstellt. Daher werden in diesem Fall nur Nichtnull-Koeffizienten codiert. (Die Codierung in dieser Weise, d. h. die Codierung nur der Werte, die von einem gegebenen Wert verschieden sind, und die Angabe der "Weglänge" im Block ab dem letzten codierten Wert wird "Lauflängencodierung" genannt.) Wenn der letzte Nichtnull-Koeffizient im Block codiert worden ist, wird ein Codewort übertragen (das Codewort wird hier EOB "End of Block" genannt), um zu melden, daß keine weiteren Nichtnull-Koeffizienten im Block zurückbleiben. Die Verwendung des EOB ist günstig, weil sich in einem Block nach dem letzten Nichtnull- Koeffizienten oftmals sehr viele Null-Koeffizienten befinden, sofern der Block nicht sehr klein ist. Die beigefügte Fig. 1 zeigt die Reihenfolge der Verarbeitung der Koeffizienten in einem Block, wie sie gemäß dem CCITT-Standardalgorithmus für die Bildtelephonie ausgeführt wird.
Ferner zeigt Fig. 2 einen Block, der quantisierte Koeffizienten und die zu codierenden resultierenden Ereignisse bei Anwendung des CCITT-Standardalgorithmus enthält. Der Übergang von EREIGNIS zu einem Codewort variabler Länge kann unter Verwendung lediglich einer Nachschlagtabelle erfolgen. Die Werte von LAUF und PEGEL werden in eine Tabelle eingegeben und ergeben für dieses Ereignis das Codewort. Dies ist in der beigefügten Fig. 3 schematisch gezeigt.
a) Die Transformation von Bilddatenblöcken, die DCT verwendet, b) die Quantisierung der Transformationskoeffizienten und c) die Codierung variabler Länge dieser Koeffizienten wie hier beschrieben verwenden drei Techniken, die als jeweils einzelne Techniken verwendet werden können. a) und b) sind jedoch Verfahren, die, wenn sie auf Bilddaten angewendet werden, ein Ergebnis schaffen, das für das Verfahren c) viel besser geeignet ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf die Codierung transformierter und quantisierter Blöcke von Bilddaten, optional von Gruppen solcher Blöcke, gerichtet, wobei ein Block aus einer Matrix von Koeffizienten gebildet ist und der Energiegehalt eines Blocks in Richtung einer Blockecke zunimmt. Die Ereignisse in jedem zu codierenden Block oder jeder zu codierenden Gruppe von Blöcke enthalten
(a) einen Lauf, der die Anzahl von Null-Koeffizienten in dem Block/der Gruppe zwischen einem aktuellen Nichtnull-Koeffizienten und dem vorhergehenden Nichtnull- Koeffizienten angibt, wobei die Laufrichtung in dem Block/der Gruppe vorgegeben ist, und
(b) die Größe des aktuellen Nichtnull-Koeffizienten in der Gruppe/dem Block.
Jedes Ereignis wird in einer Reihe aufeinanderfolgender Ereignisse aufgelistet, wobei das besondere Ereignis anschließend über eine Nachschlagtabelle in einen Code mit variabler Länge umcodiert wird. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ereignis vervollständigt wird durch
(c) einen dritten Parameter, der angibt, ob der aktuelle Nichtnull-Koeffizient der letzte Nichtnull- Koeffizient des Blocks ist, wobei der dritte Parameter nur zwei mögliche Werte besitzt, wobei jedes Ereignis dadurch als dreidimensionale Größe dargestellt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung folgt die Laufrichtung im Block dem CCITT-Standardalgorithmus für die Blockkoeffizientencodierung.
Wenn eine Gruppe von Blöcken codiert werden soll, geschieht dies in einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung durch Anordnen der Gruppe als Matrix, wobei sämtliche Koeffizienten jedes Blocks bis zum letzten Nichtnull-Koeffizienten im Block in einer Spalte vorhanden sind und Spalten Block für Block nebeneinander angeordnet sind.
In dem letztgenannten Fall wird vorzugsweise eine Lautrichtung in der Gruppenmatrix verwendet, die einfach Zeile für Zeile ist, wobei Positionen in der Gruppenmatrix ohne jeglichen Koeffizienten bei der Berechnung des Laufwertes nicht berücksichtigt werden.
Nun wird eine nähere Untersuchung der besonderen Merkmale der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vorgenommen, welche beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen.
Fig. 1 zeigt wie oben erwähnt ein Beispiel einer Reihenfolge zum Codieren von Koeffizienten in Übereinstimmung mit CCITT,
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der zweidimensionalen Codierung variabler Länge, die in CCITT verwendet wird,
Fig. 3 zeigt schematisch die Verwendung einer Nachschlagtabelle für Codewörter in einem zweidimensionalen Code variabler Länge,
Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Codierung variabler Länge mit mehreren Blöcken und
Fig. 5 zeigt schematisch die Verwendung einer Nachschlagtabelle für Codewörter mit einem dreidimensionalen Code variabler Länge.
Der neue Code variabler Länge verwendet drei Eingangswerte:
1. den Wert des Transformationskoeffizienten (der von Null verschieden ist),
2. die Lauflänge (die Anzahl von Null-Koeffizienten ab dem letzten Nichtnull-Koeffizienten),
3. einen Parameter, der angibt, ob der Koeffizient der letzte Nichtnull-Koeffizient im Block ist oder nicht.
Ähnlich wie in den Standardalgorithmen, die oben beschrieben worden sind, können die Werte, die an den obigen Positionen 1 und 2 angegeben sind, in entsprechender Weise ermittelt werden. Der Unterschied besteht darin, daß das Codewort für den letzten Nichtnull-Koeffizienten in den Code variabler Länge selbst integriert ist, d. h. nicht als ein getrenntes Codewort erscheint. Der Zweck hiervon ist, eine bessere Anpassung der Codewortlänge für unterschiedliche Ereignisse an die Wahrscheinlichkeit, daß ein besonderes Ereignis auftritt, zu ermöglichen. (Anmerkung: ein Ereignis ist hier als eine Kombination der obigen Werte 1, 2 und 3 definiert.) Folglich sollte es möglich sein, dieselben Informationen unter Verwendung einer geringeren Datenmenge zu übertragen.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, erfordert die folgende Reihenfolge von Ereignissen eine Codierung mit einem dreidimensionalen Code variabler Länge:
EREIGNIS = (Lauf, Pegel, nicht-letzter Nichtnull-Koef fizient (I)/letzter Nichtnull-Koeffizient (S))
EREIGNISSE = (0, 3, I) (1, 2, I) (7, 1, S)
Die Anwendung, die oben beschrieben worden ist, basiert auf der Ausführung der Codierung eines Blocks zu einer Zeit. Eine weitere Anwendung basiert auf der Codierung mehrerer Blöcke zur selben Zeit. Es liegt der gleiche Anfangspunkt wie vorhin vor, in diesem Fall sind jedoch statt eines Blocks mehrere Blöcke transformiert und quantisiert worden, die zu einem Zeitpunkt codiert werden müssen.
Es ist ersichtlich, daß sämtliche Koeffizienten in einem Block in einer Reihenfolge nacheinander abgelegt werden (d. h. vom Koeffizienten Nr. 1 zum Koeffizienten Nr. 64 für die in Fig. 1 gezeigte Situation) . Dies geschieht für sämtliche Blöcke, die gleichzeitig codiert werden sollen. Es wird angenommen, daß nur Blöcke, die einen oder mehr Nichtnull-Koeffizienten enthalten, codiert werden sollen. Es ist außerdem notwendig, die Anzahl dieser "Nichtnull- Blöcke" zu kennen. Fig. 4 zeigt ein Beispiel von sechs Blöcken, wobei die höchste Nummer eines Nichtnull-Koeffizienten 5 ist (Block 2).
Danach wird der dreidimensionale Code variabler Länge verwendet, wobei die Codierung nacheinander mit dem Koeffizienten Nr. 1 im Block 1-6, danach mit dem Koeffizienten Nr. 2 im Block 1-6 usw. ausgeführt wird. Der Koeffizient Nr. 2 im Block 4 ist der letzte Nichtnull- Koeffizient im Block 4. Die Eingangswerte für den Code variabler Länge für diesen Koeffizienten lauten: (Lauf = 2, Pegel = 1, 5 (der letzte Nichtnull-Koeffizient)) . Die Informationen bezüglich der Tatsache, daß dies der letzte Nichtnull-Koeffizient des Blocks 4 war, werden gespeichert. Wenn Koeffizienten mit einer höheren Anzahl codiert werden, wird der Block 4 nicht berücksichtigt, d. h. der Block 4 trägt dann zu einer Erhöhung des LAUF-Werts nicht bei.
Falls Fig. 4 zur beispielhaften Darlegung dieser Situation zugrundegelegt wird, sind die folgenden Ereignisse die zu codierenden Ereignisse:
EREIGNIS = (Lauf, Pegel, nicht-letzter Nichtnull-Koeffizient (I)/letzter Nichtnull-Koeffizient (S))
EREIGNISSE = (0, 5, I) (0, 7, I) (0, 3, I) (0, 1, I) (0, 4, I) (0, 8, I) (0, 2, I) (2, 1, S) (1, 3, I) (1, 3, I) (0, 2, S) (0, 2, S) (1, 1, S) (0, 1, I) (0, 2, S) (0, 1, S)
Die Codewörter werden unter Verwendung einer Nachschlagtabelle ermittelt, wobei in diesem Zusammenhang auf die schematische Darstellung von Fig. 5 Bezug genommen wird. Die drei Eingangsparameter, d. h. der Lauf-, der Pegelund der "I/S"-Parameter, ergeben einen einzelnen Ausgangswert, der das dreidimensionale Ereignis darstellt.

Claims

1. Verfahren zum Codieren transformierter und quantisierter Blöcke von Bilddaten, optional von Gruppen solcher Blöcke, wobei ein Block durch eine Matrix von Koeffizienten gebildet ist und der Energiegehalt eines Blocks in Richtung einer Blockecke zunimmt, wobei die Ereignisse in jedem zu codierenden Block oder jeder zu codierenden Gruppe von Blöcken enthalten:

(a) einen Lauf, der die Anzahl von Null-Koeffizienten in dem Block/der Gruppe zwischen einem aktuellen Nichtnull-Koeffizienten und dem vorhergehenden Nichtnull- Koeffizienten angibt, wobei die Laufrichtung in dem Block/der Gruppe vorgegeben ist, und

(b) die Größe des aktuellen Nichtnull-Koeffizienten in der Gruppe/dem Block,

wobei jedes Ereignis in einer Reihe aufeinanderfolgender Ereignisse eingegeben wird und das jeweilige Ereignis anschließend unter Verwendung einer Nachschlagtabelle in einen Code mit variabler Länge umcodiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ereignis vervollständigt wird durch Hinzufügung

(c) eines dritten Parameters, der angibt, ob der aktuelle Nichtnull-Koeffizient der letzte Nichtnull- Koeffizient des Blocks ist, wobei der dritte Parameter nur zwei mögliche Werte besitzt, wobei jedes Ereignis dadurch als dreidimensionale Größe dargestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Block codiert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrichtung in dem Block dem CCITT-Standardalgorithmus für die Blockkoeffizientencodierung folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Gruppe von Blöcken codiert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe als Matrix angeordnet ist, wobei sämtliche Koeffizienten jedes Blocks bis zum letzten Nichtnull-Koeffizienten im Block in einer Spalte vorhanden sind und Spalten Block für Block nebeneinander angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrichtung in der Gruppenmatrix einfach Zeile für Zeile ist, wobei Positionen in der Gruppenmatrix ohne jeglichen Koeffizienten bei der Berechnung des Laufwertes nicht berücksichtigt werden.