DE69721850T2 - Bildkodierungsverfahren und Bildkodierer - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildcodierer zum Codieren eines Bildsignals, wie etwa ein digitalisiertes Standbildsignal oder ein differentielles Bildsignal, das die Differenz zwischen zwei Einzelbildern in einem beweglichen Bild repräsentiert.
  • Herkömmliche Bildcodierer führen anfangs eine zweidimensionale mathematische Transformation, wie etwa eine diskrete Cosinustransformation oder eine Wavelet-Transformation, an dem Bildsignal aus. Die transformierten Daten werden anschließend in eine eindimensionale Folge umgeordnet und gemäß einer bestimmten Quantisierungsregel quantisiert. Die quantisierten Daten werden dann durch ein geeignetes Verfahren, wie etwa ein Entropie-Codierungsverfahren, codiert. Im Ergebnis wird das eingegebene Bildsignal gewöhnlich auf einen Bruchteil seiner ursprünglichen Größe komprimiert.
  • Eine Aufgabe bei der Bildcodierung besteht darin, die maximale Kompressionsrate zu erreichen. Der Schlüssel zum Erreichen dieser Aufgabe besteht darin, die mathematische Transformation zu haben, die die Bildinformationen in eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Werten, die nicht Null sind, oder genauer in eine verhältnismäßig kleine Zahl von Werten, die in Werte quantisiert werden, die nicht Null sind, codiert. Es gibt leider keine einzelne mathematische Transformation, die für alle Bilder gut arbeitet. Da die diskrete Cosinustransformation die Cosinusfunktion verwendet, eignet sie sich ausgezeichnet für Bildsignale, die sich periodisch ändern, ist jedoch weniger erfolgreich bei Bildsignalen mit scharfen Übergängen (Schnitten), die an willkürlichen Stellen erscheinen. Die Wavelet-Transformation ist geeignet bei der Behandlung von Schnitten, ist jedoch weniger erfolgreich bei der Behandlung von periodischen Signalen.
  • Herkömmliche Bildcodierer erreichen somit für einige Bildsignale große Kompressionsraten und für andere Bildsignale kleine Kompressionsraten. Im Ergebnis ist die mittlere Kompressionsrate viel kleiner als das gewünschte Maximum.
  • In "Maximum energy principle of multiple transforms in data compression" von Feng Zou u. a., IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, Dez. 1995, IEEE, USA, Bd. 43, Nr. 12, ISSN 1053–587X wird die Datenkompression mit mehreren Transformationen, wie etwa die diskrete Cosinustransformation und die Wavelet-Transformation, beschrieben, um eine bessere Datenkompressionsrate zu erreichen.
  • Aus EP 0 561 593 ist eine Bilddaten-Verarbeitungsvorrichtung bekannt, bei der selbst dann, wenn ein Schnitt vorhanden ist, eine Verschlechterung der Bildqualität verhindert wird. Die Bilddaten-Verarbeitungsvorrichtung umfaßt eine Schaltung der diskreten Cosinustransformation und eine Schaltung der Wavelet-Transformation.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kompressionsrate eines Bildcodierers zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, unterschiedliche Typen von Bildsignalen bei einer hohen Kompressionsrate zu codieren.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Codieren von Bildern gemäß Anspruch 1 wird ein Bildsignal durch wenigstens zwei unterschiedliche mathematische Transformationen transformiert, um wenigstens zwei unterschiedliche transformierte Signale zu erhalten. Diese transformierten Signale werden separat umgeordnet, um jeweils eindimensionale Signale zu erhalten. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung werden die eindimensionalen Signale jeweils quantisiert und in den resultierenden quantisierten Signalen werden die Mengen der Daten, die nicht Null sind, verglichen. Das quantisierte Signal mit einer minimalen Menge von Daten, die nicht Null sind, wird ausgewählt, codiert und ausgegeben.
  • Ein Bildcodierer gemäß der Erfindung ist im Anspruch 4 dargestellt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • In der beigefügten Zeichnung ist:
  • 1 ein Blockschaltplan eines ersten Beispiels einer Vorrichtung für die Wavelet-Transformation (WLT);
  • 2 der Ausgang einer Wavelet-Transformation; und
  • 3 ein Blockschaltplan einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • In 1 umfaßt eine typische Vorrichtung zur Wavelet-Transformation (WLT) einen Prozessor 11 zur Wavelet-Transformation (WLT), einen ersten Scanner 12, einen ersten Quantisierer 13, einen ersten Codieren 14, einen Komparator 15 zum Vergleichen der Codegröße, einen Schalter 16, einen Prozessor 21 für die diskrete Cosinustransformation (DCT), einen zweiten Scanner 22, einen zweiten Quantisierer 23 und einen zweiten Codierer 24. Der Komparator 15 zum Vergleichen der Codegröße und der Schalter 16 bilden einen Selektor 25 zum Auswählen eines codierten Signals. Diese Elemente umfassen wohlbekannte Rechen- und Speicherschaltungen, deren Beschreibungen weggelassen werden, um die Unverständlichkeit der Erfindung durch nicht relevante Einzelheiten zu vermeiden. Die Elemente sind in der gezeigten Weise untereinander verbunden und arbeiten in der folgenden Weise.
  • Ein Bildsignal s10, das ein zweidimensionales Bild repräsentiert, wird in den Prozessor 11 der Wavelet-Transformation und in den Prozessor 21 der diskreten Ca sinustransformation eingegeben. Beide Prozessoren 11 und 21 unterteilen das eingegebene Bild in zweidimensionale Blöcke aus Bildelementen (Pixel) und transformieren jeden Block einzeln. Die Blockgrößen, die von den beiden Prozessoren verwendet werden, können verschieden sein.
  • Die Wavelet-Transformation verwendet ein Tiefpaßfilter h(k) und ein Hochpaßfilter g(k), mit entsprechenden Fourier-Transformationen H(ω) und G(ω), die die folgenden Bedingungen erfüllen (ω ist eine Variable, die die Frequenz repräsentiert): |H(0)| = 1 |H(ω)|2 + |G(ω + π)|2 = 1 Die Wavelet-Transformation wird in aufeinanderfolgenden Stufen ausgeführt, wo bei in jeder Stufe eine räumliche Hochpaß- und Tiefpaßfilterung durchgeführt wird. Der Ausgang jeder Stufe umfaßt vier Komponenten, die unterschiedliche Kombinationen von hohen und niedrigen horizontalen und vertikalen räumlichen Frequenzen repräsentieren. Wenn S(i–j)(j, k) und Si(j, k) den Eingang und den Ausgang der i-ten Stufe bezeichnen, zusätzliche Indizes H und L Hochpegel und Niedrigpegel bezeichnen und ein Sternchen (*) die mathematische Faltungsoperation bezeichnet, können die vier Komponenten durch die folgenden Formeln beschrieben werden: SLLi(j/2, k/2) = SLL(i–1)(j,k) * h(j) * h(k) SLHi(j/2, k/2) = SLL(i–1)(j, k) * h(j) * g(k) SHLi(j/2, k/2) = SLL(i–1)(j, k) * g(j) * h(k) SHHi(j/2, k/2) = SLL(i–1)(j, k) * g(j) * g(k) Die Schreibweise (j/2, k/2) gibt an, daß der Ausgang jeder Stufe in der horizontalen und in der vertikalen Richtung um einen Faktor 2 verkleinert wird. Gleichfalls wird die Grenzfrequenz, die hochfrequente Komponenten von niederfrequenten Komponenten trennt, in jeder Stufe um einen Faktor 2 verringert. SLL0(j, k) ist das eingegebene Bildsignal s10.
  • Die Wavelet-Transformation ist in 2 für einen 8 × 8-Block dargestellt. Das Symbol HL1 bezeichnet z. B. den Datenwert SHL1(j/2, k/2), der durch die obige Formel angegeben ist. Das Ergebnis dieser Wavelet-Transformation ist ein erstes transformiertes Signal s11, das für jeden 8 × 8-Block aus eingegebenen Bildelementen eine zweidimensionale Matrix aus 64 transformierten Datenwerten umfaßt. Jeder transformierte Datenwert ist in 2 durch einen Blockpunkt angegeben. Jede zweidimensionale Matrix wird an den ersten Scanner 12 geliefert, der die Daten in der Folge, die in Tabelle 4 gezeigt ist, umordnet, um ein erstes eindimensionales Signal s12 zu erhalten.
  • Tabelle 1: Abtastreihenfolge der WTL-Daten
    Figure 00050001
  • Das erste eindimensionale Signal s12, das vom ersten Scanner 12 ausgegeben wird, wird durch den ersten Quantisierer 13 quantisiert, um ein erstes quantisiertes Signal S13 zu erzeugen. Quantisierung bedeutet einfach, daß ein Bereich von möglichen Signalwerten auf einen einzelnen quantisierten Wert abgebildet wird. Die Quantisierungsregel kann durch eine Quantisierungstabelle, die in dem ersten Quantisierer 13 gespeichert ist, oder durch eine oder mehrere mathematische Formeln beschrieben werden.
  • Das erste quantisierte Signal s14 wird durch den ersten Codieren 14 codiert. Das Codierungsschema verwendet z. B. Codeworte mit variabler Länge, wovon jedes eine Folge von Nullen repräsentiert, der ein quantisierter Wert, der nicht Null ist, folgt. Ein Codierungsschema dieses Typs kann in Form einer Codiertabelle beschrieben werden. Das resultierende erste codierte Signal s14 wird an den Selektor 25 zum Auswählen eines codierten Signals ausgegeben.
  • Der Prozessor 21 für eine diskrete Cosinustransformation transformiert dasselbe Bildsignal s10 durch die nachfolgend angegebene Formel, die einen n × n-Block von Bildelementwerten in einen n × n-Block aus Koeffizienten F(u, v) umsetzt. Der Blockgröße-Parameter n ist eine positive ganze Zahl, wie etwa B.
  • Figure 00050002
  • Die resultierenden Koeffizienten F(u, v) bilden eine zweidimensionale Matrix, wobei u die horizontale Abmessung und v die vertikale Abmessung bezeichnet. Diese zweidimensionalen Matrizen werden als ein zweites transformiertes Signal s21 an den zweiten Scanner 22 ausgegeben, der die Koeffizienten in die Zickzack-Folge, die durch Tabelle 2 angegeben ist, umordnet, um ein zweites eindimensionales Signal s22 zu erhalten.
  • Tabelle 2: Abtastreihenfolge der DTC-Daten
    Figure 00060001
  • Der zweite Quantisierer 23 quantisiert das zweite eindimensionale Signal s22, um quantisierte Koeffizienten QF(u, v) zu erhalten. Der zweite Quantisierer 23 verwendet ein Paar Quantisierangsformeln für Standbilder und ein anderes Paar Quantifizierungsformeln für differentielle Bilder. Bei einem bewegten Bild wird das erste Paar Formeln für Internbilder und das zweite Paar für Zwischenbilder verwendet. Jedes Paar Formeln besitzt einen Parameter q, der die Größe des Quantisierungsschritts bezeichnet. Das erste Paar Formeln, das für Standbilder und Internbilder verwendet wird, lautet: QF(0, 0) = [F(0, 0) + 4]/8 QF(u, v) = F(u, v)/(2 × q), wenn (u, v) ≠ (0, 0)
  • Die Formeln, die für differentielle Bilder (Zwischenbilder) verwendet werden, lauten: QF(u, v) =[F(u, v) – 4/2]/(2 × q), wenn F(u, v) ≥ 0 QF(u, v) = [F(u, v) + q/2]/(2 × q), wenn F(u, v) < 0
  • Die quantisierten Koeffizientendaten QF(u, v) bilden das zweite quantisierte Signal s23, das vorn zweiten Quantisierer 23 an den zweiten Codierer 24 ausgegeben wird. Der zweite Codieren 24 codiert dieses Signal durch ein Verfahren, das z. B. dem im ersten Codierer 14 verwendeten Verfahren ähnlich ist, mit nicht notwendi gerweise derselben Codierungstabelle, und liefert das resultierende zweite codierte Signal s24 an den Selektor 25 zum Auswählen eines codierten Signals.
  • In dem Selektor 25 zum Auswählen eines codierten Signals vergleicht der Komparator 25 zum Vergleichen der Codegröße die Größe des vollständigen Codes der beiden codierten Signale s14 und s24, wählt das codierte Signal mit der kleineren Codegröße und sendet ein Steuersignal s15 an den Schalter 16, das dem Schalter 16 befiehlt, das gewählte Signal auszugeben. In 1 ist das zweite codierte Signal s24 das gewählte Signal s16.
  • Durch Verwendung von zwei unterschiedlichen mathematischen Transformationen und das Auswählen des codierten Signals mit der kleineren Codegröße kann die erste Ausführungsform eine große Kompressionsrate für eine große Vielzahl von eingegebenen Bildsignalen erreichen. Die mittlere Kompressionsleistung der ersten Ausführungsform ist somit beträchtlich besser als die Kompressionsleistung eines Bildcodierers des herkömmlichen Typs, der auf eine einzelne mathematische Transformation beschränkt ist.
  • Die Verwendung von unabhängigen Quantisierern 13 und 23 und unabhängigen Codierern 14 und 24 für die Signale, die sich aus den beiden mathematischen Transformationen ergeben, ermöglicht, daß jedes transformiertes Signal durch ein Verfahren quantisiert und codiert wird, das für die spezielle Transformation, die verwendet wird, am besten geeignet ist. Die ersten und zweiten Codierer 14 und 24 können, wie oben angemerkt wurde, unterschiedliche Codierungstabellen oder vollkommen unterschiedliche Codierverfahren verwenden. Gleichfalls können die ersten und zweiten Quantisierer 13 und 23 unterschiedliche Quantisierungstabellen oder unterschiedliche Quantisierungsverfahren verwenden.
  • 3 zeigt eine Ausfühnngsform der Erfindung, wobei für gleichwertige Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet werden. Die Beschreibungen dieser Elemente werden weggelassen. Der Codierer 24 in 3 ist sowohl mit dem ersten Codierer 14 als auch mit dem zweiten Codierer 24 von 1 gleichwertig.
  • Der Hauptunterschied zwischen dem Beispiel der Vorrichtung für Wavelet-Transformation (WLT) und der Ausführungsform besteht darin, daß der Selektor 25 zum Auswählen eines codierten Signals des Beispiels der Vorrichtung für Wavelet- Transformation (WLT) in der Ausführungsform durch einen Selektor 34 zum Auswählen eines quantisierten Signals ersetzt wurde, der zwischen den ersten und zweiten Quantisierern 13 und 23 und dem Codierer 24 angeordnet ist. Der Selektor 34 zum Auswählen eines quantisierten Signals umfaßt einen Schalter 16 und einen Komparator 35 zum Vergleichen von quantisierten Daten, der eines der beiden quantisierten Signale s13 und s23, die von den ersten und zweiten Quantisierern 13 und 23 ausgegeben werden, auswählt und das gewählte quantisierte Signal s16 an den Codierer 24 liefert.
  • Der Komparator 35 zum Vergleichen von quantisierten Daten arbeitet, indem er die Anzahl von Datenwerten, die nicht Null sind, in den ersten und zweiten quantisierten Signalen s13 und s23 zählt und das quantisierte Signal mit der minimalen Menge von Daten, die nicht Null sind, auswählt. Ein Steuersignal s35 von dem Komparator 35 zum Vergleichen quantisierten Daten befiehlt dem Schalter 16, das gewählte quantisierte Signal an den Codierer 24 zu liefern.
  • Die anderen Elemente in der Ausführungsform arbeiten wie in dem Beispiel.
  • Die Menge von Daten, die nicht Null sind, in den quantisierten Signalen sagen die Größe der codierten Daten mit einer guten Genauigkeit vorher, so daß die Ausführungsform im wesentlichen die gleiche Wirkung schafft wie das Beispiel, während an Stelle von zwei Codierern lediglich ein Codieren benötigt wird. Die Ausführungsform ist vorteilhaft, da für die quantisierten Daten, die sich aus beiden mathematischen Transformationen ergeben, dasselbe Codierverfahren und dieselbe Codiertabelle verwendet werden.
  • Die Anzahl der mathematischen Transformationen ist nicht auf zwei oder drei begrenzt. Im allgemeinen können N unterschiedliche mathematische Transformstionen durchgeführt werden und es erfolgt eine Auswahl unter den N resultierenden codierten Signalen, wobei N jede Zahl größer als 1 ist.
  • Die Ausführungsform kann außerdem modifiziert werden, indem die Anzahl der mathematischen Transformationen vergrößert wird. Ferner sind Mischformen dieser Ausführungsformen möglich. Eine Auswahl zwischen ersten und zweiten transformierten Signalen kann z. B. auf der Grundlage einer Energiekonvergenzrate erfolgen und das gewählte Signal kann durch ein Verfahren quantisiert und codiert werden, während ein drittes transformiertes Signal durch ein anderes Verfahren quantisiert und codiert wird; daraufhin können die Codegrößen der beiden codierten Signale verglichen werden und das kleinere codierte Signal wird für die Ausgabe gewählt.
  • Die mathematischen Transformationen müssen nicht jeweils zweidimensionale Blocktransformationen sein. Einige oder alle Transformationen können an dem Bild als Ganzes an Stelle von n × n-Blöcken aus Bildelementen (Pixeln) wirken.
  • Wenn alle mathematischen Transformationen zweidimensionale Blocktransformationen sind und alle Blockgrößen gleich sind, kann der Komparator zum Vergleichen der Codegröße, der Komparator zum Auswählen von quantisierten Daten oder deren Energiekonvergenz-Komparator für jeden Block ein separates Steuersignal erzeugen. In anderen Fällen werden Steuersignale für jeweils größere Einheiten ausgegeben, z. B. ein Steuersignal pro Bild.
  • Der erfindungsgemäße Bildcodierer muß keine separaten Schaltungen umfassen, wie in der obigen Ausführungsform gezeigt ist. Die verschiedenen Transformationsprozessoren können z. B. in einem einzigen Prozessor kombiniert sein, der die erforderlichen mathematischen Transformationen nacheinander durchführt. Dieser Prozessor kann außerdem so beschaffen sein, daß er die Abtast-, Quantisierungs-, Codierungs- und Vergleichsoperationen, die in den Ausführungsformen von anderen Elementen durchgeführt werden, ausführt.
  • Der Fachmann erkennt, daß weitere Modifikationen möglich sind.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Codieren eines Bildsignals, welches die folgenden Schritte aufweist: Durchführen einer Mehrzahl von unterschiedlichen mathematischen Transformationen an dem Bildsignal, wodurch eine Mehrzahl von transformierten Signalen erhalten wird; Umordnen der transformierten Signale, um jeweils eindimensionale Signale zu erhalten; Auswählen, Quantisieren und Codieren eines der eindimensionalen Signale, um ein codiertes Signal zu erhalten und ausgeben des codierten Signals; wobei der Schritt des Auswählens, Quantisierens und Codierens ferner die folgenden Schritte aufweist: Quantisieren von jedem der eindimensionalen Signale, um damit eine Mehrzahl von quantisierten Signalen zu erhalten; Vergleichen der Menge der Daten, die nicht Null sind, in den quantisierten Signalen; Auswählen eines quantisierten Signals mit einer minimalen Menge von Daten, die nicht Null sind, aus den quantisierten Signalen; und Codieren und Ausgeben des so ausgewählten Signals.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die unterschiedlichen Quantisierungsverfahren für unterschiedliche eindimensionale Signale in dem Schritte des Quanti sierens von. jedem der eindimensionalen Signale verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem unterschiedliche Quantisierungstabellen für verschiedene eindimensionale Signale in dem Schritt des Quantisierens von jedem der eindimensionalen Signale verwendet werden.
  4. Bildcodierer zum Codieren eines Bildsignals, welcher aufweist: eine Mehrzahl von Transformationsprozessoren (11, 21) zum parallelen Durchfhren unterschiedlicher mathematischer Transformationen an dem Bildsignal, wodurch eine Mehrzahl von transformierten Signalen erhalten wird; eine gleiche Mehrzahl von Scannern (12, 22), die an die jeweiligen Transformationsprozessoren angeschlossen sind, um die transformierten Signale umzuordnen, um jeweils eindimensionale Signale zu erhalten; eine gleiche Anzahl von Quantisierern (13, 23), die an die jeweiligen Scanner angeschlossen sind, um die eindimensionalen Signale zu quantisieren, um jeweils quantisierte Signale zu erhalten; einen Selektor (34) zum Auswählen eines quantisierten Signals, der an die Quantisierer angeschlossen ist, um Mengen von Daten, die nicht Null sind, in den quantisierten Signalen zu vergleichen und um ein quantisiertes Signal mit einer geringstem Menge von Daten, die nicht Null sind, auszuwählen; und ein Codierer (24), der an den Selektor zum Auswählen eines quantisierten Signals gekoppelt ist, um das quantisierte Signal, das von dem Selektor zum Auswählen eines quantisierten Signals ausgewählt wurde, zu codieren, um ein codiertes Signal zu erhalten, sowie ferner zum Ausgeben des codierten Signals.
  5. Bildcodierer nach Anspruch 4, bei dem die Quantisierer (13, 23) unterschiedliche Quantisierungsverfahren verwenden.
  6. Bildcodierer nach Anspruch 4, bei dem die Quantisierer (13, 23) unterschiedliche Quantisierungstabellen verwenden.
  7. Bildcodierer nach Anspruch 4, bei dem die Transformationsprozessoren (11, 21) das Bildsignal in Blöcke unterteilen und zweidimensionale Transformationen an den Blöcken durchführen.
  8. Bildcodierer nach Anspruch 7, bei dem einer der Transformationsprozessoren (11) eine Wavelet-Transformation durchführt.
  9. Bildcodierer nach Anspruch 8, bei dem ein anderer der Transformationsprozessoren (21) eine diskrete Cosinustransformation durchführt.
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