EP1800490A1 - Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer codierten videosequenz unter verwendung einer zwischen-schicht-bewegungsdaten-prädiktion - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer codierten videosequenz unter verwendung einer zwischen-schicht-bewegungsdaten-prädiktion

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EP1800490A1
EP1800490A1 EP05791756A EP05791756A EP1800490A1 EP 1800490 A1 EP1800490 A1 EP 1800490A1 EP 05791756 A EP05791756 A EP 05791756A EP 05791756 A EP05791756 A EP 05791756A EP 1800490 A1 EP1800490 A1 EP 1800490A1
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expansion
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images
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    • H04N19/13—Adaptive entropy coding, e.g. adaptive variable length coding [AVLC] or context adaptive binary arithmetic coding [CABAC]

Definitions

  • the I-slice is a slice in which all macroblocks of the slice are coded using an intra-prediction.
  • an encoder / D & encoder concept is achieved which, on the one hand, has the possibility of scalability and, on the other hand, can build on standard-compliant elements, in particular, for example, for motion compensation.
  • a basic lifting scheme on the coder side or an inverse lifting scheme on the decoder side will first be described with reference to FIG. 3. Detailed explanations of the backgrounds of the combination of lifting schemes and wavelet transformations can be found in W. Sweldens, "A cuentom design construction of biorthogonal wavelets", J. Apjpl Comp. Harm. Anal., Vol (no.2), pp.
  • the prediction step is equivalent to carrying out a high-pass filter of a two-channel filter bank, as described in I. Daiagbeies and W. Sweldens, "Factoring wavelet transforms im- lifting steps", J. Fourier Anal. Appl.vol 4 (no.3), pp. 247-269, 1998.
  • low-pass filtering is performed by replacing the even samples 5 even [ ⁇ :] with a linear combination of the prediction residuals h [k].
  • the corresponding updating operator U is given by
  • the low-pass and the high-pass analysis filters of this wavelet have 5 resp. 3 filter taps, wherein the corresponding scaling function is a B-spline of order 2.
  • this wavelet is used for a large subband coding scheme.
  • the corresponding predictive and updating operators are the same. Transformation as follows
  • MCTF motion, so it has been found that the above-described NEN ⁇ Skalierlessschemata, the compensated at the motion temporal filtering (MCTF Compensated Temporal Filtering) already provide a high degree of flexibility in terms of time scalability and SNR scalability.
  • MCTF Compensated Temporal Filtering already provide a high degree of flexibility in terms of time scalability and SNR scalability.
  • exis ⁇ cash discount is a problem in that the bit rate of several scaling layers still together significantly higher than the bit rate is the e can be achieved if pictures would be diert co ⁇ with the highest quality without scalability.
  • scalable encoders may never reach the bit rate of the non-scaled case.
  • the bit rate of a data stream with multiple scaling layers should be at least as close as possible to the bit rate of the non-scaled case.
  • the scalability concept should provide a high degree of flexibility for all types of scalability, ie a high degree of flexibility both in terms of time as well as in terms of space and in terms of SNR.
  • the basic transaction data may be used in the actual calculation of the expansion Movement Dehn, as they are subsequently used by the expansion motion compensator, are taken into account.
  • autonomous calculation of extension movement data is therefore carried out in the sense of high flexibility, whereby these extension movement data calculated independently of the base movement data are used for encoder prediction on the coder side, while the base movement data are only for Purposes of calculating a
  • the finally obtained low-pass image is associated with a particular image of the original sequence of images, and that also each high-pass image is associated with an image of the original sequence, with exactly the deviations of the original image of the sequence (a Motion compensation) from the selected basic picture of the sequence (which is fed in the lower branch of the analysis filter bank of FIG. 4). If each update parameter M O i, Mu, IM 2I and M 3 i equal
  • the current macroblock is set to INTRA_BASE, which means that it is a macroblock3 ⁇ with a prediction from the base layer.
  • INTRA_BASE which means that it is a macroblock3 ⁇ with a prediction from the base layer.
  • the same reference indices are used as for the corresponding macroblock / sub-macroblock partitionings of the base layer block.
  • the associated motion vectors are multiplied by a factor of 2. This factor applies to the situation shown in FIG. 6b, in which a base layer 1102 comprises half the area or number in pixels As the extension layer 1104. If the ratio of the spatial resolution of the base layer to the spatial resolution of the extension layer is not equal to 3_ / 2, then corresponding scaling factors are used for the motion vectors.

Abstract

Bei der skalierbaren Videocodierung in Verbindung mit einer Bewegungskompensation (1006, 1014) sowohl in einer Basisschicht (1002) als auch in einer Erweiterungsschicht wird eine Prädiktion (1014, 1016) der Bewegungsdaten der Erweiterungsschicht (1004) unter Verwendung der Bewegungsdaten der Basisschicht (1004) vorgenommen, um ein Skalierbarkeitskonzept zu erhalten, das zum einen maximale Flexibilität für die Berechnung der Bewegungsdaten der verschiedenen Schichten liefert, und das andererseits eine niedrige Bitrate erlaubt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer codierten Vi¬ deosequenz unter Verwendung einer Zwischen-Schicht- Bewegungsdaten-Prädiktion
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Videocodiersys¬ teme und insbesondere auf skalierbare Videocodiersysteme, die in Verbindung mit dem Videocodierstandard H.264/AVC o- der mit neuen MPEG-Videocodiersystemen einsetzbar sind.
Der Standard H.264/AVC ist Ergebnis eines Videostandardi- sierungs-Projekts der ITU-T-Videocodier-Expertengruppe (VCEG) und der ISO/IEC-Bewegbild-Expertengruppe (MPEG) . Die Hauptziele dieses Standardisierungsvorhabens bestehen dar¬ in, ein übersichtliches Videocodier-Konzept mit sehr gutem Kompressionsverhalten zu schaffen, und gleichzeitig eine Netzwerk-freundliche Videodarstellung zu erzeugen, die so- wohl Anwendungen mit „Konversationscharakter", wie bei¬ spielsweise die Video-Telefonie, sowie Anwendungen ohne Konversationscharakter (Speichern, Rundfunk, Stream- Übertragung) umfassen.
Es existiert neben dem oben-zitierten Standard ISO/IEC
14496-10 auch eine Vielzahl von Publikationen die sich auf den Standard beziehen. Lediglich beispielhaft wird auf „The Emerging H.264-AVC Standard", Ralf Schäfer, Thomas Wiegand und Heiko Schwarz, EBU Technical Review, Januar 2003, ver- wiesen. Zudem umfasst die Fachveröffentlichung „Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard", Thomas Wiegand, Gary J. Sullivan, Gesle Bjontegaard und Ajay Lothra, IEEE Tran- sactions on Circuits and System for Video Technology, JuIy 2003, sowie die Fachveröffentlichung „Context-based adapti- ve Binary Arithmethic Coding in the H.264/AVC Video Compression Standard", Detlev Marpe, Heiko Schwarz und Tho¬ mas Wiegand, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, September 2003, einen detaillierten Über- blick verschiedener Aspekte des Video-Codier-Standards.
Zum bessren Verständnis wird jedoch nachfolgend anhand der Figuren 9 bis 11 ein Überblick über den Videocodie- rer/Decodierer-Algorithmus gegeben.
Fig. 9 zeigt einen kompletten Aufbau eines Videocodierers, welcher allgemein aus zwei unterschiedlichen Stufen be¬ steht. Allgemein gesagt, erzeugt die erste Stufe, die prin¬ zipiell Video-bezogen arbeitet, Ausgangsdaten, die schließ- lieh von einer zweiten Stufe, die in Fig. 9 mit 80 bezeich¬ net ist, einer Entropy-Codierung (Entropy Coding) unterzo¬ gen werden. Die Daten sind Daten 81a, quantisierte Trans¬ formations-Koeffizienten 81b sowie Bewegungsdaten 81c, wo¬ bei diese Daten 81a, 81b, 81c dem Entropie-Codierer 80 zu- geführt werden, um ein codiertes Videosignal am Ausgang des Entropie-Codierers 80 zu erzeugen.
Im Einzelnen wird das Eingangsvideosignal (Input Video Sig¬ nal) in Makroblöcke aufgeteilt, bzw. gesplittet, wobei je- der Makroblock 16 X 16 Pixel hat. Dann wird die Zuordnung der Makroblöcke zu Slice-Gruppen und Slices (slice = Schei¬ be) ausgewählt, wonach jeder Makroblock jedes Slices durch das Netz von Betriebsblöcken, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, verarbeitet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass ei- ne effiziente Parallel-Verarbeitung von Makroblöcken mög¬ lich ist, wenn verschiedene Slices in einem Videobild sind. Die Zuordnung der Makroblöcke zu Slice-Gruppen und Slices wird mittels eines Blocks Codiersteuerung. (Coder Control) 82 in Fig. 8 durchgeführt. Es existieren verschiedene SIi- ces, die folgendermaßen definiert sind:
I-Slice: Der I-Slice ist ein Slice, in dem alle Makroblöcke des Slices unter Verwendung einer Intra-Prediction codiert werden.
P-Slice: Zusätzlich zu dem Codiertypen des H-Slices können bestimmte Makroblöcke des P-Slices ebenfalls unter Verwen- düng einer Inter-Prädiktion mit zumindest ej_nem Bewegungs- Kompensierten-Prädiktionssignal (Motion Compensated Predic- tion Signal) pro Prädiktionsblock codiert werden.
B-Slice: Zusätzlich zu den Codiertypen, die im P-Slice ver- fügbar sind, können bestimmte Markoblöcke des B-Slices e- benfalls unter Verwendung einer Inter-Prädik:tion mit zwei Bewegungs-Kompensierten-Prädiktionssignalen pro Prädikti¬ onsblock codiert werden.
Die obigen drei Codiertypen sind sehr ähnlich zu denen in früheren Standards, jedoch mit der Ausnahme der Verwendung von Referenzbildern, wie es nachfolgend beschrieben wird. Die folgenden zwei Codiertypen für Slices sind im Standard H.264/AVC neu:
SP-Slice: Es wird auch als Schalt-P-Slice bezeichnet, der so codiert wird, dass ein effizientes Umschalten zwischen unterschiedlichen vorkodierten Bildern möglich wird.
SI-Slice: Der SI-Slice wird auch als Schalt—I-Slice be¬ zeichnet, der eine genaue Anpassung des Makxoblocks in ei¬ nem SP-Slice für einen direkten beliebigen Zugriff und für Fehler-Wiederherstellungszwecke erlaubt. Insgesamt sind. Slices eine Sequenz von Makroblöcken, die in der Reihenfolge eines Raster-Scans verarbeitet werden, wenn nicht eine ebenfalls im Standard definierte Eigenschaft der flexiblen Makroblock-Anordnung FMO (FMO = Flexible Macro
Block Ordering-) verwendet wird. Ein Bild kann in einen oder mehrere Slices aufgeteilt werden, wie es in Fig. 11 darge¬ stellt ist. Ein Bild ist daher eine Sammlung von einem oder mehreren Slices. Slices sind in dem Sinn selbstständig von- einander, da Ihre Syntaxelemente aus dem Bitstrom analy¬ siert (geparst) werden können, wobei die Werte der Abtast¬ werte in dem Bereich des Bildes, der durch den Slice darge¬ stellt wird, kiorrekt decodiert werden können, ohne dass Da¬ ten von anderen Slices benötigt werden, vorausgesetzt, dass verwendete Refferenzbilder sowohl im Codierer als auch iiα
Decodierer identisch sind. Bestimmte Informationen von an¬ deren Slices können jedoch nötig sein, um das Deblocking- Filter über Slice-Grenzen hinweg anzuwenden.
Die FMO-Eigenschaft modifiziert die Art und Weise, wie Bil¬ der in Slices und Makroblöcke partitioniert werden, indem das Konzept der Slice-Gruppen verwendet wird. Jede Slice- Gruppe ist ein Satz von Makroblöcken, die durch eine Malcro- block-zu-Slice-Gruppen-Abbildung definiert ist, die durch den Inhalt eines Bildparametersatzes und durch bestimmte Informationen von Slice-Headern spezifiziert ist. Diese Makroblock-zu—Slice-Gruppen-Abbildung besteht aus einer Slice-Gruppen—Identifikationszahl für jeden Makroblock j_n dem Bild, wobei spezifiziert wird, zu welcher Slice-Gruppe der zugeordnete Makroblock gehört. Jede Slice-Gruppe kann in eine oder mehrere Slices partitioniert werden, so dass ein Slice eine Sequenz von Makroblöcken innerhalb derselben Slice-Gruppe hat, die in der Reihenfolge einer Rasterabtas- tung innerhalb des Satzes von Makroblöcken einer speziellen Slice-Gruppe verarbeitet wird.
Jeder Makroblock kann in einem von mehreren Codiertypen ab- hängig von dem Slice-Codiertyp übertragen werden. In all den Slice-Codiertypen werden die folgenden Typen einer Intra-Codierung unterstützt, die als intra_4X4 oder ixitra_ i6xi6 bezeichnet werden, wobei zusätzlich ein Chroma- Prädiktions-Modus und auch ein I-PCM Prädiktionsmodus unter- stützt werden.
Der intra_4χ4 Modus basiert auf der Prädiktion von jedem 4x4 Chroma-Block separat und ist gut geeignet zum Codierren von Teilen eines Bildes mit herausragenden Details. Der intra_ i6χi6 -Modus führt au.f der anderen Seite eine Prädiktdon des gesamten I6xl6-Chroina-Blocks durch und ist mehr geeignet zum Codieren von „weichen" Bereichen eines Bildes.
Zusätzlich zu diesen zwei Chroma-Prädiktions-Typen wird ei- ne getrennte Chroma-Prädiktion durchgeführt. Als Alternati¬ ve für intra_4x4 und intra_i6Xi6 erlaubt der I-4X4 Codiextyp, dass der Codierer einfach die Prädiktion sowie die Trans¬ formationscodierung überspringt und statt dessen die Werte de codierten Abtastwerte direkt überträgt. Der I-PCM~Modus dient den folgenden Zwecken: Er ermöglicht es dem Codierer, die Werte der Abtastwerte präzise darzustellen. ER liefert eine Art und Weise, um die Werte von sehr anormalem Bildin¬ halt ohne Datenvergrößerung genau darzustellen. Er ermög¬ licht es ferner, für die Anzahl von Bits eine harte Grenze vorzugeben, die ein. Codierer für eine Makroblockhandhabung haben muss, ohne dass die Codiereffizienz leidet. Im Gegensatz zu früheren Videocodierstandards (nämlich H.263 plus und MPEG-4 Visual), wo die In1:ra-Prädiktion im Transformationsbereich durchgeführt worden ist, wird die Intra-Prädiktion bei H.264/AVC immer im Raumbereich (Spati- al Domain) durchgeführt, und zwar indem auf benachbarte Ab¬ tastwerte von vorher codierten Blöcken bezug genommen wird, die links bzw. oberhalb des zu prädizierenden Blocks liegen (Fig. 10) . Dies kann in bestimmten Umgebungen, bei denen Übertragungsfehler auftreten, eine Fehlearfortpflanzung mit sich bringen, wobei diese Fehlerfortpflanzung aufgrund der Bewegungskompensation (Motion Compensation) in intercodier- ten Makroblöcken stattfindet. Daher kann ein begrenzter Intra-Codiermodus signalisiert werden, der eine Prädiktion nur von intra-codierten benachbarten MakxOblöcken ermög- licht.
Wenn der intra-4X4-Modus verwendet wird, v^ird jeder 4x4- Block aus räumlich benachbarten Abtastwexrten vorhergesagt. Dei 16 Abtastwerte des 4x4-Blocks werden unter Verwendung von vorher decodierten Abtastwerten in benachbarten Blöcken vorhergesagt. Für jeden 4x4-Block kann einer von 9 Prädik¬ tionsmodi verwendet werden. Zusätzlich zur „DC-Prädiktion (wo ein Wert verwendet wird, um den gesamten 4x4-Block vor¬ her zu sagen) , werden 8 Richtungs-Prädikfcions-Modi spezifi- ziert. Diese Modi sind geeignet, um Richtungsstrukturen in einem Bild, wie beispielsweise Kanten be± verschiedenen Winkeln vorherzusagen.
Zusätzlich zu den Intra-Makroblock-Codierrtypen werden ver- schiedene prädiktive oder bewegungs-kompensierte Codierty¬ pen als P-Makroblocktypen spezifiziert. Jeder P-Makroblock- Typ entspricht einer spezifischen Aufteilung des Makro¬ blocks in die Blockformen, die für eine toewegungs- kompensierte Prädiktion verwendet werden. Aufteilungen mit Luma-Blockgrössen von 16x16, 16x8, 8x8, 8x16 Abtastwerten werden durch die Syntax unterstützt. Im Falle von Auftei¬ lungen von 8x8 Abtastwerten wird ein zusätzliches Syntax- element für jede 8x8-Aufteilung übertragen. Dieses Syntax- element spezifiziert, ob die entsprechende 8x8-Aufteilung ferner in Aufteilungen von 8x4, 4x8 oder 4x4 Luma- Abtastwerten und entsprechenden Chroma-Abtastwerten weiter partitioniert wird.
Das Prädiktionssignal für jeden prädiktiv-codierten MxM- Lumablock wird erhalten, indem ein Bereich des entsprechen¬ den Referenzbildes, der durch einen Translations- Bewegungsvektor und einen Bildreferenzindex spezifiziert ist, verschoben wird. Wenn somit ein Makroblock unter: Ver¬ wendung von vier 8x8-Aufteilungen codiert wird, und wenn jede 8x8-Aufteilung ferner in vier 4x4-Aufteilungen aufge¬ teilt wird, kann eine maximale Menge an 16 Bewegungsvekto¬ ren für einen einzigen P-Makroblock im Rahmen des sogjenann- ten Bewegungsfelds bzw. Motion Field übertragen werden.
Der Quantisierungsparameter-Slice QP wird verwendet, um die
Quantisierung der Transformationskoeffizienten bei
H.264/AVC festzulegen. Der Parameter kann 52 Werte aπtneh- men. Diese Werte sind so angeordnet, dass eine Zunahme von 1 im Hinblick auf den Quantisierungsparameter eine Errhöhung der Quantisierung schrittweise um etwa 12 % bedeutet. Dies bedeutet, dass eine Erhöhung des Quantisierungsparameters um 6 eine Zunahme der Quantisierer-Schrittweite um genau einen Faktor von 2 mit sich bringt. Es sei darauf hingewie¬ sen, dass eine Änderung der Schrittgröße um etwa 12 % eben¬ falls in etwa eine Reduktion der Bitrate um etwa 12 % be¬ deutet. Die quantisierten Transformationskoeffizienten eines Blocks werden allgemein in einem Zick-Zack-Weg abgetastet und un¬ ter Verwendung von Entropie-Codierverfahren weiter verar- beitet. Die 2x2-DC-Koeffizienten der Chroma-Komponente wer¬ den in Raster-Scan-Reihenfolge abgetastet und alle Invers- Transformations-Operationen innerhalb H.264/AVC können un¬ ter Verwendung von nur Additionen und Shift-Operationen von 16-Bit-Ganzzahlwerten implementiert werden.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wird das Eingangssignal zunächst Bild für Bild in einer Videosequenz, jeweils für jedes Bild gesehen, in die Makroblöcke mit 16x16 Pixeln aufteilt. Hierauf wird jedes Bild einem Subtrahierer 84 zugeführt, der das ursprüngliche Bild subtrahiert, das von einem Deco- dierer 85 geliefert wird. Der im Encodierer enthalten ist. Das Subtraktionsergebnis, also die Restsignale im Raum- Bereich (Spatial Domain) , werden nunmehr transformiert, skaliert und quantisiert (Block 86) , um die quantisierten Transformationskoeffizienten auf der Leitung 81b zu erhal¬ ten. Zur Erzeugung des Subtraktionssignals, das in den Sub¬ trahierer 874 eingespeist wird, werden die quantisierten Transformationskoeffizienten zunächst wieder skaliert und invers transformiert (Block 87), um einem Addierer 88 zuge- führt zu werden, dessen Ausgang das Deblocking-Filter 89 speist, wobei am Ausgang des Deblocking-Filters das Aus¬ gangsvideosignal, wie es z.B. ein Decodierer decodieren wird, z.B. zu Kontrollzwecken überwacht werden kann (Aus¬ gang 90) .
Unter Verwendung des decodierten Ausgangssignals am Ausgang 90 wird dann eine Bewegungsschätzung (Motion Estimation) in einem Block 91 durchgeführt. Zur Bewegung.sSchätzung in Block 91 wird, wie es aus Fig. 9 ersichtlich ist, ein Bild des ursprünglichen Input-Videosignals zugeführt. Der Stan¬ dard erlaubt zwei verschiedene Bewegungsschätzungen, näm¬ lich eine Vorwärts-Bewegungs-Schätzung und eine Rückwärts- Bewegungs-Schätzung. Bei der Vorwärts-Bewegungs-Schätzung wird die Bewegung des aktuellen Bilds im Hinblick^ auf das vorhergehende Bild abgeschätzt. Dagegen wird bei der Rück- wärts-Bewegungs-Schätzung die Bewegung des aktuellen Bilds unter Verwendung eines zukünftigen Bilds abgeschätzt. Die Ergebnisse der Bewegungsschätzung (Block 91) werden einem
Bewegungskompensations-Block (Motion Compensstion) 92 zuge¬ führt, der insbesondere dann, wenn ein Schalster 93 auf den Inter-Prädiktions-Modus geschaltet ist, wie es in Fig. 9 der Fall ist, eine bewegungs-kompensierte Inizer-Prädiktion durchgeführt. Steht der Schalter 93 dagegen auf Intra¬ Frame-Prädiktion, so wird eine Intra-Frame-Pxädiktion unter Verwendung eines Blocks 490 durchgeführt. Hierzu werden die Bewegungsdaten nicht benötigt, da für eine Ixitra-Frame- Prädiktion keine Bewegungskompensation ausgeführt wird.
Der Bewegungsschätzungsblock 91 erzeugt Bewegungsdaten bzw. Bewegungsfelder, wobei Bewegungsdaten bzw. Bewegungsfelder, die aus Bewegungsvektoren (Motion Vectors) bestehen, zum Decodierer übertragen werden, damit eine entsprechende in- verse Prädiktion, also Rekonstruktion unter Verwendung der Transformationskoeffizienten und der Bewegungsdaten durch¬ geführt werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass im Falle einer Vorwärts-Prädiktion der Bewegungsvektor aus dem unmittelbar vorhergehenden Bild bzw. auch aas mehreren vor- hergehenden Bildern berechnet werden kann. Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass im Falle einer Rückwärts- Prädiktion ein aktuelles Bild unter Verwendung des unmit¬ telbar angrenzenden zukünftigen Bildes und aatürlich auch unter Verwendung von weiteren zukünftigen Bilderrn berechnet werden kann.
Nachteilig an dem in Fig. 9 dargestellten Videoctodierer- 5 Konzept ist dass es keine einfache Skalierbarkeitsmöglich- keit bietet. Wie es in der Technik bekannt ist, versteht man unter dem Ausdruck „Skalierbarkeit" ein Codle- rer/Decodier-Konzept, bei dem der Codierer einen, skalierten Datenstrom liefert. Der skalierte Datenstrom umfasst eine 0 Basis-Skalierungsschicht sowie eine oder mehrere Erweite- rungs-Skalierungsschichten. Die Basis-Skalieruncjsschicht umfasst eine Darstellung des zu codierenden Signals allge¬ mein gesagt mit geringerer Qualität, jedoch auch, mit gerin¬ gerer Datenrate. Die Erweiterungs-Skalierungsschicht ent- 5 hält eine weitere Darstellung des Videosignals, die typi¬ scherweise zusammen mit der Darstellung des Videosignals in der Basis-Skalierungsschicht eine Darstellung mit verbes¬ serter Qualität im Hinblick auf die Basis- Skalierungsschicht liefert. Dagegen hat die Erweiterungs- O Skalierungsschicht selbstverständlich einen eigenen Bitbe¬ darf, so dass die Anzahl der Bits zur Darstellung des zu codierenden Signals mit jeder Erweiterungsschicht zunimmt.
Ein Decodierer wird je nach Ausgestaltung bzw. nach Mög- 5 lichkeit entweder nur die Basis-Skalierungsschicht decodie¬ ren, um eine vergleichsweise qualitativ schlechte Darstel¬ lung des durch das codierte Signal dargestellten Bildssig¬ nals zu liefern. Mit jeder „Hinzunahme" einer weiteren Ska¬ lierungsschicht kann der Decodierer jedoch schrittweise die O Qualität des Signals (zu Lasten der Bitrate) verbessern.
Je nach Implementierung und nach Übertragungskanal von ei¬ nem Codierer zu einem Decodierer wird imm,er wenigstens die Basis-Skaliezrungsschicht übertragen , da die Bitrate der Ba- sis-Skalierurαgsschicht typischerweise so gering ist , dass auch ein bisher begrenzter Übertragumgskanal ausreichend sein wird. Erlaubt der Übertragungs k_anal nicht mehr Band- breite für d±e Anwendung, so wird nur: die Basis- Skalierungsschicht , nicht aber eine Erweiterungs- Skalierungsschicht übertragen . Dies hat zur Folge , dass der Decodierer lediglich eine niederqualJLtative Darstellung des Bildsignals erzeugen kann . Im Vergleich zum unskalierten Fall, bei dem die Datenrate so hoch gewesen wäre, dass eine Übertragung das Übertragungssystem überhaupt nicht möglich gewesen wäre , ist die niederqualitatiLve Darstellung von Vorteil . Erlaubt der Übertragungskana.1 die Übertragung von einer oder mehrerer Erweiterungsschichten, so wird der Co- dierer auch eine oder mehrere Erweiterungsschichten zum De¬ codierer übertragen, so dass dieser j e nach Anforderung schrittweise die Qualität des ausgegebenen Videosignals er¬ höhen kann.
Im Hinblick auf die Codierung von Videoseguenzen kann man zwei unterschiedliche Skalierungen unterscheiden . Die eine Skalierung ist die zeitliche Skalierung, dahingehend, dass z . B . nicht alle Video-Einzelbilder ei_ner Videosequenz über¬ tragen werden, sondern dass- zur Redmzierung der Datenrate - beispielsweise nur j edes zweite BiLd, j edes dritte Bild, j edes vierte Bild, etc . übertragen wi_rd .
Die andere Skalierung ist die SNR-Skalierbarkeit ( SNR = Signal to Noise Ratio) , bei der j ede Skalierungsschicht , also sowohl die Basis-SkalierungsschL cht als auch die ers¬ te, zweite, dritte . . . Erweiterungs-Skzalierungsschicht sämt¬ liche zeitlichen Information umfasst, j edoch mit einer un¬ terschiedlichen Qualität . So hätte di e Basis- Skalierungsschicht zwar eine niedrige Datenrate, jedoch ein geringes Signal/Rausch-Verhältnis, wobei dieses Sig- nal/Rausch-Verhältnis dann, mit Hinzunahme j eweils einer Erweiterungs-Skalierungsschicht schrittweise verbessert werden kann.
Das in Fig. 9 dargestellte Codierer-Konzept ist dahingehend problematisch, dass es darauf basiert, dass lediglich Rest¬ werte durch den Subtrahierer 84 erzeugt werden, und dann weiter verarbeitet werden. Diese Restwerte werden aufgrund von Prädiktionsalgorithmen berechnet, und zwar in der in Fig. 9 gezeigten Anordnung, die unter Verwendung der Blöcke 86, 87, 88, 89, 93, 94 und 84 eine geschlossene Schleife bildet, wobei in der geschlossenen Schleife ein Quantisie- rungs-Parameter eingeht, und zwar in den Blöcken 86, 87.
Würde nunmehr eine einfache SNR-Skalierbarkeit dahingehend implementiert werden, dass z.B. jedes prädiz;ierte Restsig¬ nal zunächst mit einer groben Quantisierer-Schrittweite quantisiert wird, und dann, schrittweise, urxter Verwendung von Erweiterungsschichten mit feineren Quantisierungs- Schrittweiten quantisiert werden würde, so würde dies fol¬ gende Konsequenzen haben. Aufgrund der inversen Quantisie¬ rung und der Prädiktion insbesondere im Hinblick auf die Bewegungsschätzung (Block 91) und die Bewegixngskompensation (Block 92) , die unter Verwendung des ursprünglichen Bildes einerseits und des quantisierten Bildes andererseits statt¬ finden, ergibt sich ein „Auseinanderlaufen1" der Quantisie¬ rungs-Schrittweiten" sowohl im Encodierer als auch im Deco- dierer. Dies führt dazu, dass die Erzeugung der Erweite- rungs-Skalierungsschichten auf Encoder-Seite sehr problema¬ tisch wird. Ferner wird die Verarbeitung der: Erweiterungs- Skalierungsschichten auf der Decodiererseite zumindest im Hinblick auf die im Standard H.264/AVC definierten Elemente unmöglich.. Grund hierfür ist die anhand von Fig. 9 darge¬ stellte geschlossene Schleife im Video-Encodierer, in der die Quantisierung enthalten ist.
Im Standardisierungsdokument JVT-I 032 tl mit dem Titel
„SNR-Scalable Extension of H.264/AVC, Heiko Schwarz, Detlev Marpe und Thomas Wiegand, vorgestellt beim neunten JVT- Meeting vom 2. bis zum 5. Dezember 2003 in San Diego wird eine skaLierbare Erweiterung zu H.264/AVC vorgestellt, die eine Skalierbarkeit sowohl hinsichtlich der Zeit als auch des Signal/Rausch-Verhältnisses (bei gleicher oder unter¬ schiedlicher Zeitgenauigkeit) umfasst. Hierzu wird, eine Lifting-Darstellung zeitlicher Subbandzerlegungen einge¬ führt, d-Le die Verwendung bekannter Verfahren zur Bewe- gungs-koiαpensierten Prädiktion erlaubt.
Wavelet-b>asierte Videocodier-Algorithmen, bei denen Lif- ting-Implementierungen für die Wavelet-Analyse und für die Wavelet-Synthese eingesetzt werden, sind in J.-R. Ohm, „Complexlty and delay analysis of MCTF interframe "wavelet structures", ISO/IECJTC1/WG11 Doc.M8520, JuIy 2002 , be¬ schrieben. Anmerkungen zur Skalierbarkeit finden s ich auch in D. Taiibman, „Successive refinement of video: fundamental issues, past efforts and new directions", Proc. of SPIE (VCIP'03) , vol. 5150, pp. 649-663, 2003, wobei hierfür je¬ doch erhebliche Änderungen an Codiererstrukturen aötig sind. Erfindungsgemäß wird dagegen ein Codierer/D&codierer- Konzept erreicht, das einerseits die Skalierbarkeitsmög- lichkeit hat und das andererseits auf standardkonformen E- lementen, insbesondere z.B. für die Bewegungskompensation, aufbauen kann. Bevor detailliert auf einen Encoder/Docoder-Aufbau anhand von Fig. 3 eingegangen wird, sei zunächst anhand von Fig. 4 ein grundsätzliches Lifting-Schema auf Seiten des Codierers bzw. ein Invers-Lifting-Schema auf Seiten des Decodierers dargestellt. Detaillierte Ausführungen zu den Hintergründen der Kombination von Lifting-Schemen und Wavelet- Transformationen finden sich in W. Sweldens, „A cu≤tom de- sign construction of biorthogonal wavelets", J. Apjpl. Comp. Harm. Anal., vol. 3 (no. 2), pp. 186-200, 1996 und I. Daubechies und W. Sweldens, „Factoring wavelet transforms into lifting Steps", J. Fourier Anal. Appl. , vol. A (no.3), pp. 247-269, 1998. Im allgemeinen besteht das Liftring- Schema aus drei Schritten, dem Polyphasen- Zerlegungsschxitt, dem Prädiktions-Schritt und dem Update- Schritt (Aktualisierungs-Schritt) .
Der Zerlegungs-Schritt umfasst eine Aufteilung des ein- gangsseitigen Datenstroms in eine identische erste Kopie für einen unteren Zweig 40a sowie eine identische Kopie für einen oberen Zweig 40b. Ferner wird die identische Kopie des oberen Zweigs 40b um eine Zeitstufe (z"1) verzögert, so dass ein Abtastwert S2k+i mit einem ungeradzahligen Index k zum gleichen Zeitpunkt wie ein Abtastwert mit einem geraden Index s2k durch einen jeweiligen Dezimierer bzw. Dovm- sampler 42a, 42b läuft. Der Dezimierer 42a bzw. 42b.) redu¬ ziert die Anzahl der Samples im oberen bzw. im unteren Zweig 40b, 40s durch Eliminieren jedes jeweils zwezLten Ab¬ tastwerts.
Der zweite Bereich II, der sich auf den Prädiktion—Schritt bezieht, umfasst einen Prädiktionsoperator 43 sowie einen Subtrahierer 44. Der dritte Bereich, also der Aktualisie- rungs-Schritt umfasst einen Aktualisierungs-Operator 45 so- wie einen Addierer 46. Ausgangsseitig existieren noch zwei Normierer 47, 48, zum Normieren des Hochpass-Signals hk (Normierer 47) und zum Normieren des Tiefpass-Signals Ik durch den Normierer 48.
Im einzelnen führt die Polyphasenzerlegung dazu, dass die geradzahligen und ungeradzahligen Abtastwerte einen gegebe¬ nen Signals s[k] getrennt werden. Da die KorrelationsstruR- tur typischerweise eine Lokalcharakteristik zeigt, sind die geraden und ungeraden Polyphasenkomponenten hochkorrelierrt. Daher wird in einem anschließenden Schritt eine Prädiktion (P) der ungeraden Abtastwerte unter Verwendung der geraden Abtastwerte durchgeführt. Der entsprechende Prädiktions- Operator (P) für jeden ungeraden Abtastwert ist eine lineare Kombination der benachbarten geraden Ab— tastwerte d.h.
Als Ergebnis des Prädiktions-Schritts werden die ungerad— zahligen Abtastwerte durch ihre entsprechenden Prädiktions- Restwerte
ersetzt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Prädikti¬ onsschritt äguivalent zum Durchführen eines Hochpass- Filters einer Zwei-Kanal-Filterbank ist, wie es in I. Daiα- bechies und W. Sweldens, „Factoring wavelet transforms imto lifting steps", J. Fourier Anal. Appl. vol 4 (no.3), pp. 247-269, 1998 dargelegt ist. Im dritten Schritt des Lifting-Schemas wird eine Tiefpass- Filterung durchgeführt, indem die geraden Abtastwerte 5even[Ä:] durch eine lineare Kombination der Prädiktions—Restwerte h[k] ersetzt werden. Der entsprechende Aktualis ierungs- Operator U ist gegeben durch
Durch Ersetzen der geraden Abtastwerte mit
kann das gegebene Signal s[k] schließlich durch l(k) und h(k) dargestellt werden, wobei jedes Signal jedoch die hal- be Abtastrate hat. Da sowohl der Aktualisierunςjs-Schritt als auch der Prädiktions-Schritt vollständig invertierbar sind, kann die entsprechende Transformation als kritisch abgetastete Perfekt-Rekonstruktions-Filterbank interpre¬ tiert werden. In der Tat kann gezeigt werden, dass jegliche biorthogonale Familie von Wavelet-Filtern durch eine Se¬ quenz von einem oder mehreren Prädiktions-Schr±tten und ei¬ nem oder mehreren Aktualisierungs-Schritten realisiert wer¬ den kann. Für eine Normierung der Tiefpaß- und Hochpass- Komponenten werden, wie es ausgeführt worden ist, die Nor- mierer 47 und 48 mit geeignet gewählten Skalieαcungsfaktoren Fi und Fh versorgt.
Das Invers-Lifting-Schema, das der Synthese-FilLterbank ent¬ spricht, ist in Fig. 4, auf der rechten Seite, gezeigt. Es besteht einfach aus der Anwendung des Prädiktions- und Ak¬ tualisierungs-Operators in umgekehrter Reihenfolge und mit umgekehrten Vorzeichen, gefolgt von der Rekonstruktion un- ter Verwendung der geraden und ungeraden Polyphasenkompo- nenten. Im einzelnen umfasst der in Fig. 4 rechte gezeigte Decodierer somit wieder einen ersten Decodiererbereich I, einen zweiten Decodiererbereich II sowie einen dritten De- codiererbereich III. Der erste Decodiererbereich macht die Wirkung des Aktualisierungs-Operators 45 rückgängig. Dies geschieht dadurch, dass das durch einen weiteren Normierer 50 zurück-normierte Hochpass-Signal dem Aktualisierungs- Operator 45 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des deco- dierseitigen Aktualisierungs-Operators 45 wird dann nun, im Gegensatz zum Addierer 46 in Fig. 4, einem Subtrahierer 52 zugeführt. Entsprechend wird mit dem Ausgangssignal des Prädiktors 43 vorgegangen, dessen Ausgangssignal nunmehr nicht, wie auf Codiererseite einem Subtrahierer zugeführt wird, sondern dessen Ausgangssignal nunmehr einem Addiererr 53 zugeführt wird. Nunmehr findet ein Upsampling des Sig¬ nals in jedem Zweig um den Faktor 2 statt (Blöcke 54a, 54b) . Hierauf wird der obere Zweig um einen Abtastwert in die Zukunft geschoben, was äquivalent zum Verzögern des UΓL- teren Zweigs ist, um dann eine Addition der Datenströme aixf dem oberen Zweig und dem unteren Zweig in einem Addierer 55 durchzuführen, um das rekonstruierte Signal sk am Ausgang der Synthese-Filterbank zu erhalten.
Durch den Prädiktor 43 bzw. den Aktualisierer 45 können verschiedene Wavelets implementiert werden. Falls das soge¬ nannte Haar-Wavelet implementiert werden soll, sind der Prädiktions-Operator und der Aktualisierungs-Operator durch folgende Gleichung gegeben
derart, dass i(5[2Ä:]-f- j[2Ä + l])
dem nicht-normierten Hochpaß- bzw . Tiefp aß- (Analyse- ) Aus¬ gangssignal des Haar-Filters entsprechen. .
Im Falle des 5/3-Biorthogonal-Spline-Wavelets haben das Tiefpaß- und das Hochpaß-Analyse-Filter dieses Wavelets 5 bzw . 3 Filtertaps , wobei die entsprechende Skalierungsfunk¬ tion ein B-Spline der Ordnung 2 ist . In Codieranwendungen für nicht-bewegte Bilder ( Still-Images , "wie beispielsweise JPEG 2000 ) wird dieses Wavelet für ein z eitliches Subband- Codierschema verwendet . In einer Lifting -Umgebung sind die entsprechenden Prädiktions- und Aktualis ierungs-Operatoren der 5/3-Transformation folgendermaßen ge geben
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Codierer/Decodierer- Struktur mit beispielhaften vier Filterebenen sowohl auf Seiten des Codierers als auch auf Seiten des Decodierers. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, dass die erste Filterebene, die zweite Filterebene, die dritte Filterebene und die vierte Filterebene bezogen auf den Codierer identisch sind. Die Filterebenen bezogen auf den Decodierer sind ebenfalls i- dentisch. Auf Codiererseite umfasst jede Filterebene als zentrale Elemente einen Rückwärts-Prädilctor Mi0 sowie einen Vorwärts-Prädiktor Mn 61. Der Rückwärts—Prädiktor 60 ent- spricht prinzipiell dem Prädiktor 43 von. Fig. 4, während der Vorwärts-Prädiktor 61 dem Aktualisiexer von Fig. 4 ent¬ spricht. Im Unterschied zu Fig. 4 sei darauf hingewiesen,- dass sich Fig. 4 auf einen Strom von Abtastwerten beziehtr bei denen ein Abtastwert einen ungeradzahligen Index 2k+l hat, wäh- rend ein anderer Abtastwert einen geradzahligen Index 2k hat. Die Notation in Fig. 3 bezieht sich jedochΛ wie es be¬ reits anhand von Fig. 1 dargelegt worden ist, auf eine Gruppe von Bildern anstatt auf eine Gruppe von Abtastwer¬ ten. Hat ein Bild beispielsweise eine Anzahl von Abtastwer- ten bzw. Pixeln, so wird dieses Bild insgesamt eingespeist. Dann wird das nächste Bild eingespeist etc. Es existieren somit nicht mehr ungeradzahlige und geradzahlige Abtastwer¬ te, sondern ungeradzahlige und geradzahlige Bilder. Erfin¬ dungsgemäß wird das für ungeradzahlige und geradzahlige Ab- tastwerte beschriebene Lifting-Schema auf ungeradzahlige bzw. geradzahlige Bilder, von denen jedes eine Vielzahl von Abtastwerten hat, angewendet. Aus dem abtastwert-weisen Prädiktor 43 von Fig. 4 wird nunmehr die Rückwärrts- Bewegungskompensations-Prädiktion 60, während aiαs dem ab- tastwert-weisen Aktualisierer 45 die Bildweise Vorwärts- Bewegungskompensations-Prädiktion 61 wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die BewegungsfilLter, die aus Bewegungsvektoren bestehen, und die Koeffizienten für die Blöcke 60 und 61 darstellen, jeweils für zwei aufeinan¬ der bezogene Bilder berechnet und als Seiteninformationen vom Codierer zum Decodierer übertragen werden. Von wesent¬ lichem Vorteil beim erfindungsgemäßen Konzept ist jedoch die Tatsache, dass die Elemente 91, 92, wie sie anhand von Fig. 9 beschrieben sind und im Standard H.264/AVC standar¬ disiert sind, ohne weiteres dazu verwendet werden können, um sowohl die Bewegungsfelder Mio als auch die Bewegungs¬ felder Mn zu berechnen. Für das erfindungsgemäße Konzept muss daher kein neuer Prädiktor/Aktualisierer eingesetzt werden, sondern es kann der bereits bestehende, untersuchte und auf Funktionalität und Effizienz überprüfte im Video¬ standard genannte Algorithmus für die Bewegungskompensation in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrich.tung eingesetzt werden.
Insbesondere zeigt die in Fig. 3 dargestellt allgemeine Struktur der verwendeten Filterbank eine zeitliche Zerle- gung des Videosignals mit einer Gruppe von 16 Bildern, die an einem Eingang 64 eingespeist werden. Die Zerlegung ist eine dyadische zeitliche Zerlegung des Videosignals, wobei bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit 4 Ebe¬ nen 24=16 Bilder, also eine Gruppengröße von 16 Bildern be- nötigt wird, um auf der Darstellung mit der kleinsten zeit¬ lichen Auflösung, also auf den Signalen am Ausgang 28a und am Ausgang 28b anzukommen. Werden daher 16 Bilder grup¬ piert, so führt dies zu einer Verzögerung von 16 Bildern, was das in Fig. 3 gezeigte Konzept mit vier Ebenen für in- teraktive Anwendungen eher problematisch macht. Wird daher auf interaktive Anwendungen abgezielt, so wird es bevor¬ zugt, kleinere Gruppen von Bildern zu bilcden, wie bei¬ spielsweise vier oder acht Bilder zu gruppieren. Dann wird die Verzögerung entsprechend reduziert, so dass auch der Einsatz für interaktive Anwendungen möglich wird. In Fäl¬ len, in denen Interaktivität nicht benötigt wird, bei¬ spielsweise zu Speicherzwecken etc. kann die Anzahl der Bilder in einer Gruppe, also die Gruppengröße, entsprechend erhöht werden, beispielsweise auf 32, 64, etc. Bilder.
So wird eine interaktive Anwendung des Hasr-basierten bewe- gungs-kompensierten Lifting-Schemas verwendet , das aus ei¬ ner Rückwärts-Bewegungskompensations-Prädxktion (Mio) , wie in H.264/AVC bestellt, und das ferner einen Aktualisierungs- Schritt umfasst, der eine Vorwärtsbewegungskompensation (Mn) umfasst. Sowohl der Prädiktions-Schritt als auch der Aktualisierung-Sch-ritt verwenden den Beweg-ungskompensati- onsprozess, wie er in H.264/AVC dargestellt it. Ferner wird nicht nur die Bewegungskompensation verwendet, sondern auch das in Fig. 9 mit dem Bezugszeichen 89 bezeichnet Deblo- cking-Filter 89.
Die zweite Filtereloene umfasst wieder Downsampler 66a, 66b, einen Subtrahierer 69, einen Rückwärts-Prädiktor 67, einen Vorwärts-Prädiktor 68 sowie einen Addierer 70 und eine Wei¬ terverarbeitungseinrichtung, um an einem Ausgang der Wei¬ terverarbeitungseinrichtung das erste und das zweite Hoch- pass-Bild der zweiten Ebene auszugeben, während am Ausgang des Addierers 70 das erste und das zweite Tiefpass-Bild der zweiten Ebene ausgegeben werden.
Der Codierer in Fig. 3 umfasst zusätzlich eine dritte Ebene sowie eine vierte Ebene, wobei in den Eingang 64 der vier¬ ten Ebene eine Gruppe von 16 Bildern eingespeist wird. An einem Hochpass-Ausgang 72 der vierten Ebene, der auch als HP4 bezeichnet ist, werden mit einem Quantάsierungs- Parameter Q quantisierte und entsprechend ■weiterverarbeite- te acht Hochpass-B±lder ausgegeben. Entsprechend werden an einem Tiefpass-Ausgang 73 der vierten Filterebene acht Tiefpass-Bilder ausgegeben, die in einem Eingang 74 der dritten Filterebene eingespeist wird. Die Ebene ist wieder¬ um wirksam, um an einem Hochpass-Ausgang 75, der auch mit HP3 bezeichnet istr vier Hochpass-Bilder zu erzeugen und um einem Tiefpass-Ausgang 76 vier Tiefpass-Bilder zu erzeugen, die in den Eingang 10 der zweiten Filterebene eingespeist werden und zerlegt werden. Es sei besonders darauf hinzuweisen, dass die durrch eine Filtierebene verarbeitete Gruppe von Bildern nicht unbedingt Videobilder sein müssen, die von einer ursprünglichen Vi- deosequenz stammen, sondern auch Tiefpass-Bilder sein kön¬ nen, die von einer nächsthöheren Filterebene an einem Tief¬ pass-Ausgang der Filterebene ausgegeben worden sind.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass das in Fig. 3 gezeigte Cod±erer-Konzept für sechzehn Bilder ohne weitere s auf acht Bilder reduziert werden kann, wenn einfach die vierte Fil¬ terebene weggelassen wird und die Gruppe von Bildern in den Eingang 74 eingespeist wird. Genauso kann das in Fig. 3 ge¬ zeigte Konzept auch ohne weiteres auf eine Gruppe von zwei- unddreißig Bildern erweitert werden, indem eine fünfte Fil¬ terebene hinzugefügt wird, und indem die dann sechzehn Hochpass-Bilder an einem Hochpass-Ausgang der fünften Fil¬ terebene ausgegeben werden und die sechzehn Tiefpass-Bilder am Ausgang der fünften Filterebene in den Eingang 64 der vieurten Filterebene eingespeist werden.
Auf Decodiererseite wird ebenfalls das baumartige Konzept der Codiererseite angewendet, jedoch nun nicht metir, wie auf Codiererseite von der höheren Ebene zur niedrigeren E- bene, sondern nunmehr, auf der Decodiererseite, von der niedrigeren Ebene zur höheren Ebene. Hierzu wird von einem Übertragungsmedium, das schematisch als Network Abstraction Layer 100 bezeichnet ist, der Datenstrom empfangen und der empfangene Bitstrom wird zunächst einer Invers- Weiterverarbeitung unter Verwendung der Invers-
Weiterverarbeitungseinrichtungen unterzogen, um eine rekon¬ struierte Version des ersten Hochpass-Bildes der ersten E- bene am Ausgang der Einrichtung 30a und eine rekonstruierte Version des Tiefpass-Bildes der ersten Ebene arα Ausgang des Blocks 30b von Fig. 3 zu erhalten. Dann wird, in Analogie zur rechten Hälfte von Fig. 4, zunächst die Vorv/ärts- Bewegungskompensations-Prädiktion mittels des Pirädiktors 61 rückgängig gemacht, um dann das Ausgangssignal des Prädik- tors 61 von der rekonstruierten Version des Tiezfpass- Signals zu subtrahieren (Subtrahierer 101) .
Das Ausgangssignal des Subtrahierers 101 wird in einen Rückwärts-Kompensations-Prädiktor 60 eingespeist, um ein Prädiktionsergebnis zu erzeugen, das in einem Addierer 102 zur rekonstruierten Version des Hochpass-Bildes addiert wird. Hierauf werden beide Signale, also die Signale im un¬ teren Zweig 103a, 103b auf die doppelte Abtastrste ge- brachte und zwar unter Verwendung der üpsampler 104a, 104b, wobei dann das Signal auf dem oberen Zweig je nach Imple¬ mentierung verzögert bzw. „beschleunigt" wird. Es sei dar¬ auf hingewiesen, dass das üpsampling durch die Brücke 104a, 104b e±nfach durch Einfügen von einer Anzahl von Nullen, die gleich der Anzahl von Samples für ein Bild entspricht, durchgeführt wird. Die Verschiebung um die Verzögerung ei¬ nes Bildes durch das mit z"1 gezeigte Element im oberen Zweig 103b gegenüber dem unteren Zweig 103a bewirkt, dass die Addition durch einen Addierer 106 dazu führt, dass aus- gangsseitig bezüglich des Addierers 106 die beiden Tief- pass-Bilder der zweiten Ebene nacheinander vorliegen.
Die rekonstruierte Version des ersten und des zweiten Tief¬ pass-Bildes der zweiten Ebene werden dann in das decodie- rerseitige Invers-Filter der zweiten Ebene eingespeist und dort, zusammen mit den übertragenen Hochpaß-Bildern der zweiten Ebene wieder durch die identische Implementierung der Invers-Filterbank kombiniert, um an einem Amsgang 108 der zweiten Ebene eine Folge von vier Tiefpass-Bildern. der dritten Ebene zu haben. Die vier: Tiefpass-Bilder der drit¬ ten Ebene werden in einer Invers-Filterebene der dritten Ebene mit den übertragenen Hochpaß-Bildern der drittem Ebe- ne kombiniert, um an einem Ausgang 110 des Invers-Filfcers der dritten Ebene acht Tiefpass—Bilder der vierten Ebene in aufeinanderfolgendem Format zu haben. Diese acht Tiefpass- Bilder der dritten Ebene werden dann, in einem Invers— Filter der vierten Ebene mit den acht Hochpaß-Bildern der vierten Ebene, die vom Übertragungsmedium 100 über den Ein¬ gang HP4 empfangen werden, wieder wie anhand der ersten E- bene besprochen, kombiniert, um an einem Ausgang 112 des Invers-Filters der vierten Ebene eine rekonstruierte Gruppe von 16 Bildern zu erhalten.
In jeder Stufe der Analyse-Filterbank werden somit zwei Bilder, also entweder ursprüngl±che Bilder oder Bilderr die Tiefpaß-Signale darstellen und ±n einer nächsthöheren Ebene erzeugt worden sind, in ein Tiefpass-Signal und in ein Hochpass-Signal zerlegt. Das Tiefpass-Signal kann als Dar¬ stellung der Gemeinsamkeiten der: Eingangsbilder betrachtet werden, während das Hochpass-Signal als Darstellung der Un¬ terschiede zwischen den Eingangsbildern betrachtet werden kann. In der entsprechenden Stufe der Synthese-FiltertDank werden die beiden Eingangsbilder: unter Verwendung des Tief- pass-Signals und des Hochpass-S±gnals wieder rekonstruiert. Da im Syntheseschritt die inversen Operationen des Anslyse- schritts durchgeführt werden, garantiert die Analy¬ se/Synthese-Filterbank (ohne Quantisierung selbstverständ- lieh) eine perfekte Rekonstruktion.
Die einzigen auftretenden Verluste kommen aufgrund der: Quantisierung in den Weiterverarbeitungseinrichtungen z.B. 26a, 26b, 18 vor. Wird sehr fein quantisiert, so wird ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erre±cht. Wird dagegen sehrr grob quantisiert, so wird ein relativ schlechtes Signal- Rausch-Verhältnis, jedoch bei niedriger Bitrate, also bei niedrigem Bedarf, erreicht.
Ohne SNR-Skalierbarkeit könnte berel_ts mit dem in Fig. 3 dargestellten Konzept zumindest eine Zeit- Skalierungssteuerung implementiert werden. Hierzu wird eine Zeit-Skalierungs-Steuerung 120 eingesetzt, die ausgebildet ist, um eingangsseitig die Hochpaß- bzw. Tiefpass-Ausgänge bzw. die Ausgänge der WeiterverarbeLtungseinrichtungen (26a, 26b, 18 ... ) zu erhalten, um aus diesen Teildaten¬ strömen TPl, HPl, HP2, HP3, HP4 einen skalierten Datenstrom zu erzeugen, der in einer Basis-SkaLierungsschicht die we_L- terverarbeitende Version des ersten Tiefpass-Bildes und des ersten Hochpass-Bildes hat. In einerr ersten Erweiterungs- Skalierungsschicht könnte dann die ^eiterverarbeitende Verr- sion der zweiten Hochpass-Bildes untergebracht sein. In e_L- ner zweiten Erweiterungs-Skalierungs Schicht könnten dann die weiterverarbeiteten Versionen der Hochpass-Bilder drit¬ ter Ebene untergebracht sein, währead in einer dritten Er— weiterungs-Skalierungsschicht die weiterverarbeitenden Ver¬ sionen der Hochpass-Bilder vierter Ebene eingebracht sind. Damit könnte ein Decodierer allein aufgrund der Basis- Skalierungsschicht bereits eine zeitlich gering qualitativ-e Sequenz von Tiefpass-Bildern niedriger Ebene erzeugen, als o pro Gruppe von Bildern, zwei Tiefpas s-Bilder erste Ebene. Mit Hinzunahme jeder Erweiterungs-Skslierungsschicht kann die Anzahl der rekonstruierten Bilden pro Gruppe immer ver¬ doppelt werden. Die Funktionalität des Decodierers wird ty¬ pischerweise von einer Skalierungs-S"teuerung gesteuert, di e ausgebildet ist, um zu erkennen, wie viel Skalierungs- schichten im Datenstrom enthalten sind bzw. wie viele Ska¬ lierungsschichten vom Decodierer beim Decodieren berück¬ sichtigt werden sollen.
Das JVT-Dokument JVT-J 035, mit dem Titel „SNR-Scalable Ex¬ tension of H.264/AVC" Heiko Schwarz, Detlev Marpe und Tho¬ mas Wiegand, vorgestellt beim zehnten JVT-Treffen in Waiko- loa Hawaii, 8. bis 12. Dezember 2003, zeigt eine SNR- skalierbare Erweiterung des in den Fig. 3 und 4 dargestell- ten zeitlichen Zerlegungsschemas. Insbesondere wird eine zeitliche Skalierungsschicht in einzelne "SNR- Skalierungsunterschichten" aufgeteilt, wobei eine SNR- Basisschicht dahingehend erhalten wird, dass eine bestimmte zeitliche Skalierungsschicht mit einer ersten, gröberen Quantisiererschrittweite quantisiert wird, um die SNR-
Basisschicht zu erhalten. Dann wird unter anderem eine in- verse Quantisierung durchgeführt, und das Ergebnissignal aus der inversen Quantisierung wird von dem ursprünglichen Signal subtrahiert, um ein Differenzsignal zu erhalten, das dann mit einer feineren Quantisiererschrittweite quanti¬ siert wird, um die zweite Skalierungsschicht zu erhalten. Die zweite Skalierungsschicht wird jedoch wieder unter an¬ derem requantisiert mit der feineren Quantisiererschritt¬ weite, um das nach der Requantisierung erhaltene Signal von dem ursprünglichen Signal zu subtrahieren, um ein weiteres Differenzsignal zu erhalten, das, wieder nach Quantisierung nun jedoch mit einer feineren Quantisiererschrittweite eine zweite SNR-Skalierungsschicht bzw. eine SNR-Enhancement- Layer darstellt.
So hat sich herausgestellt, dass die vorstehend beschriebe¬ nen Skalierbarkeitsschemata, die auf der Bewegungs- kompensierten zeitlichen Filterung (MCTF; MCTF = Motion Compensated Temporal Filtering) basieren, bereits eine hohe Flexibilität im Hinblick auf di e zeitliche Skalierbarkeit und auch die SNR-Skalierbarkeit liefern. Allerdings exis¬ tiert noch eine Problematik dahingehend, dass die Bitrate mehrerer Skalierungsschichten zusammengenommen immer noch deutlich über der Bitrate liegte die erreichbar ist, wenn Bilder mit der höchsten Qualität ohne Skalierbarkeit co¬ diert werden würden. Wegen der Seiteninformationen für die verschiedenen Skalierungsschichten mag von skalierbaren Co- dierern die Bitrate des nicht-skalierten Falls nie erreicht werden. Allerdings sollte die Bitrate eines Datenstroms mit mehreren Skalierungsschichten wenigstens so nahe wie mög¬ lich an die Bitrate des nicht-skalierten Falls herankommen können.
Des weiteren sollte das Skalieirbarkeitskonzept eine hohe Flexibilität für alle Skalierbar.:keitsarten liefern, also eine hohe Flexibilität sowohl in zeitlicher Hinsicht als auch in räumlicher Hinsicht als auch in SNR-Hinsicht.
Die hohe Flexibilität ist besonders dort wichtig, wo be¬ reits Bilder geringer Auflösung ausreichend wären, jedoch eine höhere zeitliche Auflösung wünschenswert wäre. Eine solche Situation ergibt sich beispielsweise dann, wenn schnelle Änderungen in Bildern vorhanden sind, wie bei¬ spielsweise bei Videos von Mannschaftssportarten, wo sich viele Personen zusätzlich zum Ball gleichzeitig bewegen.
Ein weiterer Nachteil an bestehenden Skalierbarkeitskonzep- ten besteht darin, dass sie entweder die identischen Bewe¬ gungsdaten für alle Skalierungs schichten verwenden, was entweder die Flexibilität der S kalierbarkeit einschränkt oder in einer nicht optimalen Bewegungs-Prädiktion bzw. in einem dadurch zunehmenden Restsignal der Bewegungs- Prädiktion resultiert.
Andererseits führt eine komplett unterschiedliche Bewe- gungsdaten-Übertragung von zwei verschiedenen Skalierungs¬ schichten zu einem erheblichen Overhead, da insbesondere dann, wenn relativ niedrige SNR-Skalierungsschichfeen be¬ trachtet werden, bei denen relativ grob quantisiert wird, der Anteil der Bewegungsdaten am Gesamtbitstrom durchaus merkbar wird. Ein flexibles Skalierbarkeitskonzept, bei dem unterschiedliche Bewegungsdaten in unterschiedlichen Ska¬ lierungsschichten überhaupt möglich sind, wird daher: durch eine zusätzliche Bitrate erkauft, was insbesondere im Hin¬ blick darauf, dass sämtliche Anstrengungen dahin genen, die Bitrate zu senken, besonders nachteilhaft ist. Die zusätz¬ lichen Bits für die Übertragung der Bewegungsdaten treten ferner gerade in den niedrigen Skalierungsschichten im Ver¬ glich zu den Bits für die Bewegungs-Prädiktions-Restwerte hervor. Dies ist jedoch genau dort besonders unangenehm, da in den niedrigen Skalierungsschichten gerade versucht wird, eine einigermaßen akzeptable Qualität, also wenigstens ei¬ nen einigermaßen vernünftigen Quantisierungs-Parameter zu verwenden und gleichzeitig eine niedrige Bitrate zu erhal¬ ten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein skalierbares Videocodiersystemkonzept zu schaffen, das eine niedrige Datenrate liefert und dennoch Flexibilität zeigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugten ei¬ ner codierten Videosequenz nach Patentanspruch 1, ei_n Ver¬ fahren zum Erzeugen einer codierten Videosequenz nach Pa¬ tentanspruch 15, eine Vorrichtung zum Decodieren elixer co¬ dierten Videosequenz nach Patentanspruch 16, ein Verfahren zum Decodieren einer codierten Videosequenz nach Patentan¬ spruch 21, ein Computer-Programm nach Patentanspruch. 22 o- der ein Computer-lesbares Medium nach Patentanspruch. 23 ge¬ löst. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass weitere Datenrateneinsparungen bei gleichzeitiger Fle¬ xibilität im Hinblick auf verschiedene SNR- oder räumliche Skalierungsschichten dadurch erxeicht wird, dass bei der Berechnung der Erweiterungs-Bewegungsdaten im Rahmen einer Erweiterungs-Bewegungskompensation für die Erweiterungs- Skalierungsschicht die Basis-Bewegungsdaten verwendet wer¬ den. Erfindungsgemäß wird somit bei der Berechnung der Er- weiteirungs-Bewegungsdaten nicht so getan, als ob es gar keine Bewegungsdaten der Basisschicht gäbe, sondern die Be¬ wegungsdaten der Basisschicht werden bei der Berechnung mit einbezogen.
Hierbei wird gemäß bevorzugten .Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein adaptives Konzept angewendet, d.h. dass für verschiedene Blöcke eines Bildes verschiedene Art und Weisen der Berücksichtigung der Basis- Bewegungsdaten vorgenommen werden können, und dass natür- lieh aiαch für einen Block auf eine Erweiterungs-
Bewegungsdaten-Prädiktion mit den Basis-Bewegungsdaten als Prädiktor ganz verzichtet werden kann, wenn sich heraus¬ stellt, dass die Prädiktion keinen Erfolg bei der Datenra- tenreduktion liefert. Ob überhampt eine Erweiterungs- Bewegungsdaten-Prädiktion unter Verwendung der Basis- Bewegungsdaten vorgenommen worden ist, und welcher Art die¬ se war, wird mit einem Block zugeordneten Signalisierungs- informationen im Bitstrom übertragen und so dem Decodierer mitgeteilt. Damit ist der DecodLerer in der Lage, zur Re- konstruktion der Bewegungsdaten für einen Block auf die im Decodierer bereits rekonstruierten Basis-Bewegungsdaten zu¬ rückzugreifen, wobei die Tatsache, dass überhaupt zurückge¬ griffen werden soll, und auf welche Art und Weise zurückge¬ griffen werden soll, durch blockrweise übertragene Signali- sierungsinformationen im Bitstroin signalisiert ist.
Die Basis-Bewegungsdaten können je nach Implementierung bei der tatsächlichen Berechnung der Erweiterungs- Bewegungsdsten, wie sie anschließend von dem Erweiterungs- Bewegungs-Kompensierer verwendet werden, berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird jedoch auch bevorzugt, die Er- weiterungs—Bewegungsdaten unabhängig von den Basis- Bewegungsdaten zu berechnen und die Basis-Bewegungsdaten lediglich bei der Nachverarbeitung der Erweiterungs- Bewegungsdaten zu verwenden, um die Erweiterungs-'- Bewegungsdaten zu erhalten, die tatsächlich zum Erweite- rungs-Bildoodierer übermittelt werden. Erfindungsgemäß wird daher im Sinne einer hohen Flexibilität eine selbstständige Berechnung von Erweiterungs-Bewegungsdaten vorgenommen, wo¬ bei diese unabhängig von den Basis-Bewecjungsdaten berechne¬ ten Erweiterungs-Bewegungsdaten zur codiererseitigen Bewe- gungs-Prädd_ktion verwendet werden, während die Basis- Bewegungsdaten lediglich zu Zwecken der Berechnung eines
Restsignals beliebiger Art eingesetzt werden, um die nöti¬ gen Bits zmr Übertragung der Erweiterungs-Bewegungsvektoren zu reduzieren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Bewegungsdaten-Zwisch-en-Schicht- Prädiktion um eine Zwischen-Schicht-Restwerteprädiktion er¬ gänzt, um auch bei den Restwerten der Bewegungskompensati- onsprädiktion Redundanzen zwischen den verschiedenen Ska- lierungsschichten so gut als möglich zu nutzen und zu Da- tenratenreduktionszwecken zu berücksichtigen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Bitraten-Reduzierungen nicht nur mit einer innerhalb einer Skalierungsschicht durchgeführten Be- wegungs-kompensierten Prädiktion erreicrit sondern auch mit einer Zwisctien-Skalierungsschicht-Prädik-tion der Restbilder nach der Bewegungs-kompensierten Prädiktion von einer nied¬ rigeren Schicht, beispielsweise der Basisschicht, zu einer höheren Schicht, wie beispielsweise der Erweiterungs¬ schicht. Es wurde herausgefunden, dass innerhalb derselben zeitli¬ chen Skalierungsschicht die Restwerte der einzelnen hier betrachteten anderen Skalierungsscliichten nach der Bewe- gungs-kompensierten Prädiktion, die vorzugsweise im Hin- blick auf die Auflösung oder im Hinblick auf das Signal- Rausch-Verhältnis (SNR) skaliert sind, auch zwischen den Restwerten Korrelationen haben. Erfindungsgemäß werden die¬ se Korrelationen dadurch vorteilhaft ausgenutzt, dass auf Codiererseite für die Erweiterungs-Skalierungsschicht ein Zwischen-Schicht-Prädiktor vorgesehen wird, der mit einem Zwischen-Schicht-Kombinierer auf Decodiererseite korrespon¬ diert. Vorzugsweise ist dieser Zwischen-Schicht-Prädiktor adaptiv ausgelegt, um z.B. für jeden Makroblock zu ent¬ scheiden, ob sich eine' Zwischen-Schicht-Prädiktion lohnt, oder ob die Prädiktion eher zu einem Bitratenanstieg führen würde. Das letztere ist der Fall, wenn im Hinblick auf ei¬ nen nachfolgenden Entropie-Codieαrer das Prädiktions- Restignal größer als das ursprüngliche Bewegungs- Kompensations-Restsignal der Erweiterungsschicht wird. Die- se Situation wird jedoch in vielen Fällen nicht auftreten, so dass der Zwischen-Schicht-Prädiktor aktiviert ist und zu einer deutlichen Bitraten-Reduktion führt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich¬ nungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. Ia ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Encodierers;
Fig. Ib eine detailliertere Darstellung eines Basis-
Bildcodierers von Fig. Ia; Fig. Ic eine Erläuterung der Funktionalität einer Zwi¬ schen-Schicht-Prädiktions-Flag;
Fig. Id eine Beschreibung einer Bewegungsdaten-Flag;
Fig. Ie eine bevorzugte Implementierung des Erweiterungs- Bewegungskompensierers 1014 von Fig. Ia;
Fig. If eine bevorzugte Implementierung des Erweiterungs- Bewegungsdatenermittlers 1078 von Fig. 2;
Fig. Ig eine Übersichtsdarstellung von drei bevorzugten Ausführungsformen zur Berechnung der Erweite- rungs-Bewegungsdaten und zur Erweiteirungs- Bewegungsdaten-Verarbeitung zu Zwecken der Signa¬ lisierung und ggf. Restdatenübertragiαng;
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Decodierers;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Decodierers mit vier Ebenen;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschauliohung der Lifting-Zerlegung einer zeitlichen Sixbband-
Filterbank;
Fig. 5a eine Darstellung der Funktionalität des in Fig. 4 gezeigten Lifting-Schemas;
Fig. 5b eine Darstellung von zwei bevorzugten. Lifting- Vorschriften mit unidirektionaler Prä.diktion (Haar-Wavelet) und bidirektionaler Prädiktion (5/3-Transformation) ; Fig. 5c eine bevorzugte Ausführungsform der Prädi Jctions- und Aktualisierungs-Operatoren mit Bewegungskom- pensation und Referenzindizes zur beliebicjen Wahl der zwei durch das Liftung-Schema zu verartrbeiten- den Bilder;
Fig. 5d eine Darstellung des Intramodus, bei dem ur¬ sprüngliche Bildinformationen Makroblock-weise in Hochpassbilder eintragbar sind;
Fig. 6a eine schematisctie Darstellung zur Signalisierung eines Makroblocki-Modus;
Fig. 6b eine schematiscrie Darstellung zur Hochtastung von Bewegungsdaten t>ei einer räumlichen Skalierbar¬ keit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6c eine schematischie Darstellung der Datenstrrom- Syntax für Bewecjungsvektor-Differenzen;
Fig. 6d eine schematisclαe Darstellung einer Restwerte- Syntax-Erweitermng gemäß einem bevorzugter». Aus- führungsbeispielL der vorliegenden Erfinduixg;
Fig. 7 ein Übersichtsdi_agramm zur Veranschaulichixng der zeitlichen Verlegung einer Gruppe von beispiels¬ weise 8 Bildern;
Fig. 8 eine bevorzugte zeitliche Plazierung von Tief- pass-Bildern für eine Gruppe von 16 Bildern; Fig. 9 ein Übersichts-BlockschaltbiLd zur Veranschauli¬ chung der grundsätzlichen Codierstruktur für ei¬ nen Codierer gemäß dem Standard H.264/AVC für ei¬ nen Makroblock;
Fig. 10 eine Kontext-Anordnung, die aus zwei benachbarten Pixelelementen A und B links bzw. oberhalb eines gegenwärtigen Syntaxelements C besteht; und
Fig. 11 eine Darstellung der Aufteilung eines Bildes in Slices.
Fig. Ia zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen einer codierten Videosequenz, die eine Basis-Skalierungsschicht und eine Erweiterungs-
Skalierungsschicht aufweist. Eine ursprüngliche Videose¬ quenz mit einer Gruppe von 8, 16 oder einer anderen Anzahl von Bildern wird über einen Eingang 100 O eingespeist. Aus- gangsseitig enthält die codierte Videosequenz die Basis- Skalierungsschicht 1002 und die Erweitexungs- Skalierungsschicht 1004. Die Erweiterungs- Skalierungsschicht 1004 und die Basis-Skalierungsschicht 1002 können einem Bitstrom-Multiplexer zugeführt werden, der ausgangsseitig einen einzigen skalierbaren Bitstrom er- zeugt. Eine getrennte Übertragung der beiden Skalierungs¬ schichten ist jedoch je nach Implementierung ebenfalls mög¬ lich und in bestimmten Fällen sinnvoll. Fig. Ia zeigt einen Codierer zum Erzeugen von zwei Skalierungsschichten, also der Basis-Skalierungsschicht und einer Erweiterungs- Skalierungsschicht. Um einen Codierer zu erhalten, der ge¬ gebenenfalls eine oder mehrere weitere Erweiterungsschich¬ ten erzeugt, ist die Funktionalität der Erweiterungs- Skalierungsschicht zu wiederholen, wobei eine höhere Erweiterungs-Skalierungsschicht immer von der terungs-Skalierungsschicht immer von der nächstniedrigeren Erweiterungs-Skalierungsschicht so mit Daten versorgt wird, wie in Fig. 1 die gezeigte Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 von der Basis-Skalierungsschicht 1002 mit Daten ver- sorgt wird.
Bevor auf verschiedene Skalierungsarten speziell eingegan¬ gen wird, wie beispielsweise eine SNR-Skalierbarkeit oder eine räumliche Skalierbarkeit oder eine kombinierte Ska- lierbarkeit aus räumlicher und SNR-Skalierbarkeit, sei zu¬ nächst das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zunächst umfasst der Encodierer einen Basis- Bewegungs-Kompensierer oder Basis-Bewegungs-Schätzer 1006 zum Berechnen von Basis-Bewegungsdaten, die angeben, wie sich ein Makroblock in einem aktuellen Bild bezüglich eines anderen Bilds in einer Gruppe von Bildern, die der Basis- Bewegungs-Kompensierer 1006 eingangsseitig erhält, bewegt hat. Techniken zum Berechnen von Bewegungsdaten, insbeson¬ dere zum Berechnen eines Bewegungsvektors für einen Makro- block, der prinzipiell ein Bereich von Pixeln in einem di¬ gitalen Videobild ist, sind bekannt. Vorzugsweise wird die Bewegungs-Kompensationsberechnung eingesetzt, wie sie im Video-Codierstandard H.264/AVC standardisiert ist. Hierbei wird ein Makroblock eines späteren Bildes betrachtet und ermittelt, wie sich der Makroblock im Vergleich zu einem früheren Bild „bewegt" hat. Diese Bewegung (in xy-Richtung) wird durch einen zweidimensionalen Bewegungsvektor angege¬ ben, der vom Block 1006 für jeden Makroblock berechnet und über eine Bewegungsdaten-Leitung 1008 einem Basis- Bildcodierer 1010 zugeführt wird. Hierauf wird für das nächste Bild berechnet, wie sich ein Makroblock vom vorhe¬ rigen Bild zum nächsten Bild bewegt hat. In einer Implementierung kann man diesen neuen Bewegungs¬ vektor, der gewissermaßen die Bewegung vom zweiten zum dritten Bild angibt, wieder als zweidimensionalen Absolut- Vektor mit der Bewegung zwischen dem ersten und dem dritten Bild übertragen. Aus Effizienzgründen wird es jedoch bevor¬ zugt, nur eine Bewegungsvektor-Differenz zu übertragen, al¬ so die Differenz aus dem Bewegungsvektor eines Makroblocks vom zweiten zum dritten Bild und dem Bewegungsvektor des Makroblocks vom ersten zum zweiten Bild. Alternative Refe- renzierungen bzw. Bewegungsvektor-Differenzen zu nicht un¬ mittelbar vorausgehenden Bildern, sondern zu weiteren vo¬ rausgehenden Bildern sind ebenfalls verwendbar.
Die Bewegungsdaten, die vom Block L006 berechnet worden sind, werden dann einem Basis-Bewecjungs-Prädiktor 1012 zu¬ geführt, der ausgebildet ist, um eine Basis-Folge von Rest¬ fehlerbildern zur Verwendung der Bewegungsdaten und der Gruppe von Bildern zu berechnen. Der Basis-Bewegungs- Prädiktor führt somit die Bewegungs kompensation durch, die vom Bewegungskompensierer bzw. Bewegungs-Schätzer gewisser¬ maßen vorbereitet worden ist. Diese Basis-Folge von Rest¬ fehlerbildern wird dann dem Basis-BdLldcodierer zugeführt. Der Basis-Bildcodierer ist ausgebildet, um die Basis- Skalierungsschicht 1002 an seinem Ausgang zu liefern.
Der erfindungsgemäße Encodierer umfasst ferner einen Erwei- terungs-Bewegungs-Kompensierer oder Erweiterungs-Bewegungs- Schätzer 1014 zum Ermitteln von Erweiterungs- Bewegungsdaten. Diese Erweiterungs-Bewegungsdaten werden dann einem Erweiterungs-Bewegungs-Pxrädiktor 1016 zugeführt, der ausgangsseitig eine Erweiterungsfolge von Restfehler¬ bildern erzeugt und einem nachgeschalteten Zwischen- Schicht-Prädiktor 1018 zuführt. Der Erweiterungs-Bewegungs- Prädiktor führt somit die Bewegungskompensation dxαrch, die vom Bewegungskompensierer bzw . Bewegungs-Schätzer gewisser¬ maßen vorbereitet worden ist .
Der Zwischen-Schicht-Prädiktor ist ausgebildet, urn aus- gangsseitig Erweiterungs-Prädiktions-Restfehlerbilder zu berechnen . Je nach Implementierung verwendet der Zwischen- Schicht-Prädiktor zusätzlich zu den Daten, die er vom Block 1016 erhält , also zusätzlich zu der Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern die Basis-Folge von Restfehlerbildern, wie sie vom Block 1012 über eine gestrichelte Umwegleitung 1020 geliefert wird. Alternativ kann der Block 1018 j edoch auch eine interpolierte Folge von Restfehlerbilderrn, die am Ausgang des Blocks 1012 geliefert und durch einen Interpo- lator 1022 interpoliert wird, verwenden . Wieder alternativ kann der Zwischen-Schicht-Prädiktor auch eine rekonstruier¬ te Basis-Folge von Restfehlerbildern liefern, wie sie an einem Ausgang 1024 vom Basis-Bildcodierer 1010 geliefert wird. Wie es aus Fig . Ia zu sehen ist, kann diese rekon- struierte Basis-Folge von Restfehlerbildern interpoliert sein 1022 oder nicht-interpoliert sein 1020 . Allgemein ge¬ sagt arbeitet der Zwischen-Schicht-Prädiktor somit unter Verwendung der Basis-Folge von Restfehlerbildern, wobei die Informationen an dem Zwischen-Schicht-Prädiktor-ELngang 1026 z . B . durch Rekonstruktion oder Interpolation, von der Basis-Folge von Restfehlerbildern am Ausgang des B locks 1012 abgeleitet sind.
Dem Zwischen-Schicht-Prädiktor 1018 nachgeschaltet ist ein Erweiterungs-Bildcodierer 1028 , der ausgebildet is t , um die Erweiterungs-Prädiktions-Restfehlerbilder zu codie ren, um die codierte Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 zu erhal¬ ten . Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Zwischen-Schicht-Prädiktor ausgebildet, um Makroblock für Makroblock und Bild für Bild das Signal an seinem Eingang 1026 von dem entsprechenden Signal, das der Zwischen-Schicht-Prädiktor 1018 von dem Erweiterungs- Bewegungs-Prädiktor 1016 erhält, zu subtrahieren. Das bei dieser Subtraktion erhaltene Ergebnissignal stellt dann ei¬ nen Makroblock eines Bildes der Erweiterungs-Prädiktions- Restfehlerbilder dar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Zwischen-Schicht-Prädiktor adaptiv ausge¬ bildet. Für jeden Makroblock wird eine Zwischen-Schicht- Prädiktions-Flag 1030 bereitgestellt, die dem Zwischen- Schicht-Prädiktor anzeigt, dass er eine Prädiktion durchzu¬ führen hat, oder die in ihrem anderen Zustand anzeigt, dass keine Prädiktion durchzuführen ist, sondern dass der ent¬ sprechende Makroblock am Ausgang des Erweiterungs- Bewegungs-Prädiktors 1016 ohne weitere Prädiktion dem Er- weiterungs-Bildcodierer 1028 zuzuführen ist. Diese adaptive Implementierung hat den Vorteil, dass eine Zwischen- Schicht-Prädiktion nur dort durchgeführt wird, wo sie sinn¬ voll, ist, wo also das Prädiktions-Restsignal zu einem nied- rigeren Ausgangsbildrate führt, und zwar im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Zwischen-Schicht-Prädiktion durch¬ geführt worden ist, sondern bei dem unmittelbar die Aus¬ gangsdaten des Erweiterungs-Bewegungs-Prädiktors 1016 co¬ diert worden sind.
Im Falle einer räumlichen Skalierbarkeit ist zwischen der Erweiterungs-Skalierungsschicht und der Basis- Skalierungsschicht ein Dezimator 1032 vorgesehen, der aus- gebildet ist , um die Videosequenz an seinem Eingang, die eine bestiirante räumliche Auflösung hat Λ auf eine Videose¬ quenz an seinem Ausgang umzusetzen, die eine geringere Auf¬ lösung hat . Fa lls eine reine SNR-Skalierbarkeit vorgesehen ist , falls als o die Basis-Bildcodierer 1010 und 1028 für die beiden Ska lierungsschichten mit unt erschiedlichen Quan- tisierungs-Pajrametern 1034 bzw . 1036 arbeiten, ist der De- zimator 1032 n icht vorgesehen . Dies wird in Fig . Ia durch die Umwegleitung 1038 schematisch darge stellt .
Im Fall der rä umlichen Skalierbarkeit rrvuss ferner der In- terpolator 102 2 vorgesehen sein . Im Fal l einer reinen SNR- Skalierbarkeit ist der Interpolator 102 2 dagegen nicht vor¬ gesehen . An se iner Stelle wird stattdes sen die Umwegleitung 1020 genommen, wie es in Fig . Ia dargestellt ist .
In einer Implementierung ist der Erweiterungs-Bewegungs- Kompensierer 1 O14 ausgebildet, um komplett ein eigenes Be¬ wegungsfeld zu berechnen, oder um das durch den Basis- Bewegungs-Kompensierer 1006 berechnete Bewegungsfeld direkt (Umwegleitung JL040 ) oder nach einer Hoctitastung durch einen Hochtaster 1042 zu verwenden . Im Fall einer räumlichen Ska¬ lierbarkeit muss der Hochtaster 1042 vorgesehen sein, um einen Bewegungsvektor der Basis-Bewegungsdaten auf die hö- here Auflösung hochzutasten, also z . B . zu skalieren . Wenn beispielsweise die Erweiterungs-Auflösung doppelt so hoch und breit wie die Basis-Auflösung ist, überdeckt ein Makro¬ block ( 16x16 Lmminanz-Abtastwerte ) in der Erweiterungs¬ schicht einen Bildbereich, welcher einem Sub-Makroblock ( 8x8 Luminanz-Αbtastwerte) in der Basisschicht entspricht .
Um den Basis-Bewegungsvektor für den Makiroblock der Erwei- terungs-Skalierrungsschicht verwenden zu können, wird der Basis-Bewegungsvektor daher in seiner x-Komponente und sei¬ ner y-Komponente verdoppelt, also mit dem Faktor 2 ska¬ liert. Hierauf wird jedoch noch bezugnehmend auf Fig. 6b näher eingegangen.
Liegt dagegen lediglich eine SNR-Skalierbarkeit vor, so ist das Bewegungsfeld für alle Skaliexrungsschichten dasselbe. Es muss also nur ein einziges Mal berechnet werden und kann von jeder höheren Skalierungsschicht unmittelbar so verwen- det werden, wie es von der niedrigeren Skalierungsschicht berechnet worden ist.
Zur Zwischen-Schicht-Prädiktion kann sowohl das Signal am Ausgang des Basis-Bewegungs-Prädiktors 1012 verwendet wer- den. Alternativ kann jedoch auch das rekonstruierte Signal auf der Leitung 1024 verwendet werden. Die Auswahl, welches dieser beiden Signale zur Prädiktion verwendet wird, wird durch einen Schalter 1044 vorgenommen. Das Signal auf der Leitung 1024 unterscheidet sich vom Signal am Ausgang des Blocks 1012 dadurch, dass es bereits eine Quantisierung er¬ lebt hat. Dies bedeutet, dass das Signal auf der Leitung 1024 im Vergleich zum Signal am Ausgang des Blocks 1012 ei¬ nen Quantisierungsfehler hat. Die Alternative der Verwen¬ dung des Signals auf der Leitung 1.024 zur Zwischen-Schicht- Prädiktion ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine
SNR-Skalierbarkeit entweder allein, oder in Verbindung mit einer räumlichen Skalierbarkeit eingesetzt wird, da dann der durch den Basis-Bildcodierer LOlO vorgenommene Quanti¬ sierungsfehler gewissermaßen in dd_e höhere Skalierungs- schicht „mitgenommen" wird, da das Ausgangssignal am Block 1018 dann den von der ersten Skallerungsschicht gemachten Quantisierungsfehler enthält, der dann durch den Erweite- rungs-Bildcodierer mit einer typischerweise feineren Quan- tisierer-Schrittweite bzw. einem veränderten Quantisie¬ rungs-Parameter 2 am Eingang 1036 quantisier~t und in die Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 geschrieben wird.
Analog zur Zwischen-Schicht-Prädiktions-Flag 1030 wird auch eine Bewegungsdaten-Flag 1048 in den Bild-Codierer einge¬ speist, damit eine entsprechende Information hierüber in der Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 enthalten ist, um dann vom Decodierer, auf den bezugnehmend auf Fig. 2 einge- gangen wird, verwendet zu werden.
Wird eine reine räumliche Skalierbarkeit verwendet, so kann statt des Signals auf der Leitung 1024, also statt der rekonstruierten Folge von Basis-Restfehlerbil_dern auch das Ausgangssignal des Basis-Bewegungs-Prädiktors 1012, also die Basis-Folge von Restfehlerbildern eingesetzt werden.
Die Steuerung dieses Schalters kann je nach -Implementierung manuell oder aufgrund einer Prädiktions-Nutzenfunktion er- folgen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass vorzugsweise sämtliche Prädiktionen, also die Bewegungs-Prädiktion, die Erweiterungs-Bewegungsdaten-Prädiktion und die Zwischen- Schicht-Restwerteprädiktion adaptiv ausgeführt: sind. Dies bedeutet, dass nicht unbedingt für jeden Makroblock oder Sub-Makroblock in einem Bild der Basis-Folge -von Restfeh¬ lerbildern beispielsweise tatsächlich auch Bevjegungsdaten- Prädiktions-Restwerte vorhanden sein müssen. So kann ein Bild der Basis-Folge von Restfehlerbildern trotz der Tatsa¬ che, dass es als „Restfehlerbild" bezeichnet wird, auch nicht-prädizierte Makroblöcke bzw. Sub-MakrobZLöcke enthal¬ ten. Diese Situation wird dann auftreten, wenn sich heraus¬ gestellt hat, dass in einem Bild z. B. ein neues Objekt auftritt. Hier würde eine bewegungskompensierte Prädiktion keinen Sinn machen, da das Prädiktions-Restsignal größer: werden würde als das ursprüngliche Signal im Bild. Bei der Erweiterungs-Bewegungs-Prädi-ktion im Block 1016 würde ir^ einem solchen Fall somit sowohl der Prädiktionsoperator als auch ggf. der Aktualisierungjsoperator für diesen Block Cz- B. Makroblock oder Sub-Makroblock) deaktiviert sein.
Dennoch wird aus Übersichtlichkeitsgründen z. B. von einer Basis-Folge von Restfehlerbi ldern gesprochen, obgleich vielleicht nur ein einziges Restfehlerbild der Basis-FoLge von Restfehlerbildern einen einzigen Block aufweist, in dem tatsächlich Bewegungs-Prädik~tions-Restsignale enthalten sind. In typischen Anwendungsfällen wird jedoch jedes Resst- fehlerbild tatsächlich eine ihohe Anzahl von Blöcken mit Be- wegungs-Prädiktions-Restdaten haben.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung trifft dies auch für" die Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern zu. So wird, diese Situation in der Erwei~terungs-Schicht ähnlich zur Si- tuation in der Basis-Schicht sein. Im Sinne der vorliegen¬ den Erfindung ist daher eine Erweiterungs-Folge von Rest - fehlerbildern bereits eine Folge von Bildern, in denen i-_m Extremfall nur ein einziger Block eines einzigen „Restfelh- lerbildes" Bewegungs-Prädiktions-Restwerte hat, während in allen anderen Blöcken dieses Bildes und sogar in allen an¬ deren „Restfehlerbildern" eigentlich gar keine Restfehleα: stehen, da für alle diese Bilder/Blöcke die bewegungskom— pensierte Prädiktion und ggf- die bewegungskompensierte Ak¬ tualisierung deaktiviert worden sind.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung gilt dies auch für den Zwischen-Schicht-Prädiktor, der Erweiterungs-Prädiktions— Restfehlerbilder berechnet . Typischerweise werden die Er — weiterungs-Prädiktions-Restfehlerbilder in einer Folge vor- liegen . Jedoch ist auch der Zwischen-Schicht-Prädiktor vor¬ zugsweise adaptiv ausgestaltet . Wenn sich z . B . herausge¬ stellt hat, dass nur für einen einzigen Block- eines einzi¬ gen „Restfehlerbildes" eine Restdaten-Prädiktion von der Basisschicht zur Erweiterungsschicht sinnvoll, war, während für alle anderen Blöcke dieses Bildes und ggf. sogar für alle anderen Bilder der Folge von Erweiterungs-Prädiktions- Restfehlerbildern die Zwischen-Schicht-Restdatenprädiktion deaktiviert worden ist, wird aus Übersichtlichkeitsgründen im vorliegenden Kontext diese Folge dennoch als Erweite- rungs-Prädiktions-restfehlerbilder bezeichnet. In-diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass derr Zwischen- Schicht-Prädiktor nur Restdaten prädizieren Icann, wenn in einem entsprechenden Block eines RestfehlerbiLldes in der Basisschicht bereits Bewegungskompensations-Restwerte be¬ rechnet worden sind, und wenn für einen diesem Block ent¬ sprechenden Block (z. B. an der gleichen x, y-Position) in einem Restfehlerbild der Erweiterungs-Folge ebenfalls eine bewegungskompensierte Prädiktion vorgenommen worden ist, so dass in diesem Block Restfehlerwerte aufgrund einer bewe- gungskompensierten Prädiktion in der Erweiterrungsschicht stehen. Nur dann, wenn in beiden zu betrachtenden Blöcken tatsächliche Bewegungskompensations-Prädiktions-Restwerte bestehen, wird der Zwischen-Schicht-Prädiktorr vorzugsweise aktiv werden, um einen Block von Restfehlerwerten in einem Bild der Basisschicht als Prädiktor für einen. Block von Restfehlerwerten in einem Bild der Erweiterurigsschicht zu verwenden und dann nur die Restwerte dieser Prädiktion, al- so Erweiterungs-Prädiktions-Restfehlerdaten in diesem Block des betrachteten Bildes zum Erweiterungsbildcodierer zu ü- bertragen.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. Ib auf eine detail- liertere Darstellung des Basis-Bildcodierers 1010 oder des Erweiterungs-Bildcodierers 1028 bzw. eines beliebigen Bild- codierers eingegangen. Eingangsseitig empfäng-t: der Bildco- dierer die Gruppe von Restfehlerbildern und führt sie mak- roblockweise einer Transformation 1050 zu. Die transfor- mierten Makroblöcke werden dann in einem Block 1052 ska¬ liert und unter Verwendung eines Quantisierungsparameters 1034, 1036, ... quantisiert. Am Ausgang des Blocks 1052 werden dann der verwendete Quantisierungs-Parameter, also die verwendete Quantisierungs-Schrittweite für einen Makuro- block sowie Quantisierungs-Indizes für die Spektralwerte des Makroblocks ausgegeben. Diese Informationen werden dann einer in Fig. Ib nicht gezeigten Entropie-Codierstufe zuge¬ führt, die einen Huffman-Codierer oder vorzugsweise einen arithmetischen Codierer umfasst, der gemäß H.264/AVC nacrα dem bekannten CABAC-Konzept arbeitet. Das Ausgangssignal der Einrichtung 1052 wird jedoch ebenfalls einem Block 1O54 zugeführt, der eine inverse Skalierung und Requantisierung durchführt, um die Quantisierungs-Indizes zusammen mit dem Quantisierungs-Parameter wieder in Zahlenwerte umzurechnen, die dann einer inversen Transformation in einem Block 1036 zugeführt werden, um eine .rekonstruierte Gruppe von Rest— fehlerbildern zu erhalten, die nunmehr im Vergleich zur ixr- sprünglichen Gruppe von Restfehlerbildern am Eingang des Transformationsblocks 1050 einen Quantisierungsfehler hat , der von den Quantisierungs-Parametern bzw. der Quantisie¬ rungs-Schrittweite abhängt. Je nach Steuerung des Schalters 1044 wird nunmehr entweder das eine Signal oder das andere Signal dem Interpolator 1022 oder bereits dem Zwischen- Schicht-Prädiktor 1018 zugeführt, um die erfindungsgemäße Restwert-Prädiktion durchzuführen.
In Fig. Ic ist eine einfache Implementierung der Zwischen— Schicht-Prädiktions-Flag 1030 dargestellt. Ist die Zwi- schen-Schicht-Prädiktions-Flag gesetzt, so ist der Zwi- schen-Schicht-Prädiktor 1018 aktiviert. Ist die Flag dage¬ gen nicht gesetzt, so ist der Zwischen-Schicht-Prädiktor deaktiviert, so dass ein Simulcast-Betrieb für diesen Mak— roblock oder einen diesem Makroblock untergeordneten Sub- Makroblock ausgeführt wird. Grund hierfür könnte sein, dass der Codiergewinn durch die Prädiktion eigentlich ein Co- dierverlust ist, dass also eine Übertragung des entspre¬ chenden Makroblocks am Ausgang des Blocks 1016 einen besse¬ ren Codiergewinn bei der nachfolgenden Entropie-Codierung liefert als wenn Prädiktions-Restwerte verwendet werden würden.
Eine einfache Implementierung der Bewegungsdaten-Flag 1048 ist in Fig. Id gezeigt. Ist die Flag gesetzt, so werden Be¬ wegungsdaten der Erweiterungsschicht aus hochgetasteten Be- wegungsdaten der Basisschicht abgeleitet. Im Fall einer SNR-Skalierbarkeit ist der Hochtaster 1042 nicht nötig. Hier können bei gesetzter Flag 1048 die Bewegungsdaten der Erweiterungsschicht direkt aus den Basis-Bewegungsdaten ab¬ geleitet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Be- wegungsdaten-„Ableitung" in der direkten Übernahme der Be¬ wegungsdaten bestehen kann, oder aber in einer echten Prä¬ diktion, bei der Block 1014 die von der Basis-Schicht er¬ haltenen Bewegungsvektoren von entsprechenden von dem Block 1014 berechneten Bewegungsvektoren für die Erweiterungs- Skalierungsschicht z.B. subtrahieret, um Bewegungsdaten- Prädiktionswerte zu erhalten. Die Bewegungsdaten der Erweiterungs-Schicht (falls keine Prädiktion irgendwelcher Art vorgenommen worden ist) , oder die Restwerte der Prädiktion (falls eine echte Prädiktion vorgenommen worden ist) werden über einen in Fig. Ia gezeigten Ausgang zum
Erweiterungs-Bildcodierer 1028 geliefert, damit sie am Ende in dem Erweiterungs-Skalierungsschicht-Bitstrom 1004 enthalten sind. Wird dagegen eine komplette Übernahme der Bewegungsdaten von der Basis-Skalierungsschicht mit oder ohne Skalierung vorgenommen, so müssen keine Erweiterungs- Bewegungsdaten in den Erweiterungs—Skalierungsschicht- Bitstrom 1004 geschrieben werden. Es genügt lediglich, diese Tatsache durch die Bewegungsdaten-Flag 1048 im Bewegungsdaten-Flag 1048 im Erweiterungs- Skalierungsschicht-Bitstrom zu signalisieren.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Decodieren einer codier- ten Videosequenz, die die Basis-Skalierungsschicht 1002 und die Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 umfasst. Die Er- weiterungs-Skalierungsschicht 1004 und die Basis- Skalierungsschicht 1002 können von einem Bitstrom- Demultiplexer stammen, der einen skalierbaren Bitstrom mit beiden Skalierungsschichten entsprechend demultiplext, um sowohl die Basis-Skalierungsschicht 1002, als auch die Er- weiterungs-Skalierungsschicht 1004 aus dem gemeinsamen Bit¬ strom zu extrahieren. Die Basis-Skalierungsschicht 1002 wird einem Basis-Bild-Decodierer 1060 zugeführt, der ausge- bildet ist, um die Basis-Skalierungsschicht zu decodieren, um eine decodierte Basis-Folge von Restfehlerbildern und um Basis-Bewegungsdaten zu erhalten, die an einer Ausgangslei¬ tung 1062 anliegen. Die Ausgangssignale an der Leitung 1062 werden dann einem Basis-Bewegungs-Kombinierer 1064 zuge- führt, der die im Encodierer in dem Block 1012 eingeführte Basis-Bewegungsprädiktion wieder rückgängig macht, um aus- gangsseitig decodierte Bilder der ersten Skalierungsschicht auszugeben. Der erfindungsgemäße Decodierer umfasst ferner einen Erweiterungs-Bild-Decodierer 1066 zum Decodieren der Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004, um Erweiterungs-
Prädiktions-Restfehlerbilder an einer Ausgangsleitung 1068 zu erhalten. Die Ausgangsleitung 1068 umfasst ferner Bewe- gungsdaten-Infomationen, wie beispielsweise die Bewegungs¬ daten-Flag 1070 oder, falls tatsächlich Erweiterungs- Bewegungsdaten oder Erweiterungs-Bewegungsdaten-Restwerte in der Erweiterungs-Skalierungsschicht 1004 waren, diese Erweiterungs-Bewegungsdaten. Die decodierte Basis-Folge auf der Leitung 1062 wird nunmehr entweder durch einen Interpo- lator 1070 interpoliert oder unverändert (Leitung 1072) ei¬ nem Zwischen-Schicht-Kombinierer 1074 zugeführt, um die vom Zwischen-Schicht-Prädiktor 1018 von Fig. Ia vorgenommene Zwischen-Schicht-Prädiktion wieder rückgängig zu machen. Der Zwischen-Schicht-Kombinierer ist also ausgebildet, um die Erweiterungs-Prädiktions-Restfehlerbilder mit Informa¬ tionen über die decodierte Basis-Folge auf der Leitung 1062, seien sie interpoliert (1070) oder nicht (1072), zu kombinieren, um eine Erweiterungs-Folge von Restfehlerbil- dexn zu erhalten, die schließlich einem Erweiterungs-
Be^wegungs-Kombinierer 1076 zugeführt wird, der ebenso wie de_r Basis-Bewegungs-Kombinierer 1064 die auch in der Erwei¬ te-trungsSchicht vorgenommene Bewegungs-Kompensation rückgän¬ gig macht. Der Erweiterungs-Bewegungs-Kombinierer 1076 ist mit einem Bewegungsdatenermittler 1078 gekoppelt, um für die Bewegungs-Kombination im Block 1076 die Bewegungsdaten zu liefern. Die Bewegungsdaten können tatsächlich vom Er- wexterungs-Bild-Decodierer am Ausgang 1068 gelieferte volle Erweiterungs-Bewegungsdaten für die Erweiterungsschicht sein. Alternativ können die Erweiterungs-Bewegungsdaten auch Bewegungsdaten-Restwerte sein. In beiden Fällen werden die entsprechenden Daten über eine Erweiterungs- Bewegungsdaten-Leitung 1080 dem Bewegungsdaten-Ermittler 1078 zugeführt. Signalisiert die Bewegungsdaten-Flag 1070 jedoch, dass für die Erweiterungs-Schicht keine eigenen Er- weiLterungs-Bewegungsdaten übertragen worden sind, so werden notwendige Bewegungsdaten über eine Leitung 1082 von der Basis-Schicht geholt, und zwar je nach verwendeter Skalier- bar-keit, entweder direkt (Leitung 1084) oder nach einer Hochtastung durch einen Hochtaster 1086.
Im Fall einer Zwischen-Schicht-Prädiktion von INTRA- Blöcken, also keinen Bewegungsdaten-Restwerten, ist auf De- codiererseite ferner eine entsprechende Verbindung zwischen dem Erweiterungs-Bewegungs-Kombinierer 1076 und dem Basis- Bewegungs-Kombiriierer 1064 vorgesehen, die je nach räumli¬ cher Skalierbarlceit einen Interpolator 1090 aufweist oder eine Umweg-Leitung, wenn nur eine SNR-SkaJLierbarkeit einge¬ setzt worden ist . Im Fall einer optionalen Intrablock- Prädiktion zwischen zwei Schichten wird der Erweiterungs¬ schicht für diesen Intra-Makroblock lediglich ein Prädikti- ons-Restsignal übertragen, was durch entsprechende Signali- sierungsinformatIonen im Bitstrom bekannt gegeben wird. In diesem Fall wird der Erweiterungs-Beweguncjs-Komprimierer zusätzlich zu dex nachfolgend noch dargelegten Funktionali¬ tät auch für diesen einen Makroblock eine Summenbildung, also eine Kombination zwischen den MakroblLock-Restwerten und den Makroblock-Werten aus der niedrigeren Skalierungs¬ schicht durchführen und dann den erhaltenen Makroblock der eigentlichen inversen Bewegungs-KompensatLons-Verarbeitung zuzuführen.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Figuren 3 bis 5d auf eine bevorzugte A.usführungsform des Basis-Bewegungs- Prädiktors 1012 oder des Erweiterungs-Bewegungs-Prädiktors 1016 bzw. des inversen Elements, also des Erweiterungs- Bewegungs-Kombinierers 1076 oder des Basis—Bewegungs- Kompensierers 1064 eingegangen.
Prinzipiell kann jeder Bewegungs-Kompensations-Prädiktions- Algorithmus eingesetzt werden, also auch der Bewegungs- Kompensations-Alg-orithmus, der bei 92 in Fig. 9 dargestellt worden ist. So gehorcht der konventionelle Bewegungs-
Kompensations-Alg-orithmus ebenfalls der in Fig. gezeigten Systematik, wobei jedoch der Aktualisierungs-Operator U, der in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 45 dargestellt ist, de- aktiviert ist. Dies führt dazu,- dass eine Gruppe von Bil¬ dern in ein Ursprungsbild und davon gewissermaßen abhängige Restbilder bzw. Prädiktions-Restsignale oder Restfehlerbil— der umgewandelt wird. Wird jedoch in dem bekannten Bewe- gungs-Kompensationsschema eine Erweiterung dahingehend imp¬ lementiert, dass der Aktualisierungs-Operator, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, aktiv JLst und z.B. so berechnet wird, wie es anhand der Figuren 5a bis 5d dargestellt ist, so wird aus der normalen Bewegiαngs-Kompensations- Prädiktions-Berechnung die sogenannte MCTF-Verarbeitung, die auch als Bewegungs-kompensLertes zeitliches Filtern be¬ zeichnet wird. Hierbei wird durrch die Aktualisierungs- Operation aus dem normalen Bild. bzw. INTRA-BiId der konven¬ tionellen Bewegungskompensation, ein Tiefpass-Bild, da das ursprüngliche Bild durch das mit dem Aktualisierungs- Operator gewichtete Prädiktions-Restsignal kombiniert wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungstoeispiels der vorliegenden Erfindung wird, wie es bereits anhand der Figuren Ia und 2 beschrieben worden ist, eine solche MTCF-Verarbeitung für jede Skalierungsschicht durchgeführt, wobei die MCTF- Verarbeitung vorzugsweise derart: stattfindet, wie es anhand der Figuren 3 bis 5d und 7 bis 8 beschrieben ist.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 4 und die nach¬ folgenden Figuren 5a-5d auf die bevorzugte Ausführungsform des bewegungskompensierten Präd±ktionsfilters eingegangen. Wie es bereits ausgeführt worden ist, besteht das bewe¬ gungskompensierte zeitliche Filter (MCTF; MCTF = motion- compensated temporal Filter) aus einem allgemeinen Lifting- schema mit drei Schritten, nämli-ch der Polyphasenzerlegung, der Prädiktion und der Aktualisierung. In Fig. 4 ist die entsprechende Analyse/Synthese-F"ilterbankstruktur gezeigt. Auf der Analysesseite werden die ungeraden Abtastwerte ei¬ nes gegebenen Signals durch eine lineaire Kombination der geradzahligen Abtastwerte unter Verwendung des Prädiktion¬ soperators P und eines Hochpassignals H auf die Prädikti- onsrestwerte gefiltert. Ein entsprechendes Tiefpassignal 1 wird durch Addieren einer Linearkombination der Prädikti- onsrestwerte h mit den geradzahligen Arotastwerten des Ein¬ gangssignals s unter Verwendung des Aktualisierungsopera¬ tors gebildet. Der gleichungsmäßige Zusammenhang der in Fig. 4 gezeigten Größen h und 1 sowie der prinzipiellen
Ausführungsformen der Operatoren P und U ist in Fig. 5a ge¬ zeigt.
Da sowohl der Prädiktionsschritt als auch der Aktualisie- rungsschritt vollständig invertierbar s ind, kann die ent¬ sprechende Transformation als kritisch abgetastete Perfekt- rekonstruktionsfilterbank betrachtet werden. Die Synthese¬ filterbank umfasst die Anwendung des Prsdiktionsoperators und des Aktualisierungsoperators in umgekehrter Reihenfolge mit den invertieren Vorzeichen im Summationsprozess, wobei die geraden und die ungeraden Polyphasenkomponenten verwen¬ det werden. Für eine Normierung der Hoctipass/Tiefpass- Komponenten werden entsprechende Skalieirungsfaktoren Fi und Fh verwendet. Diese Skalierungsfaktoren müssen nicht unbe- dingt verwendet werden, sie können jedoch eingesetzt wer¬ den, wenn Quantisiererschrittgrößen während der Codierung ausgewählt werden.
Es zeigt f[x, k] ein Videosignal mit den Raumkoordinaten x = (x,y)τ, wobei k die Zeitkoordinate ist. Der Prädiktionsope¬ rator P und der Aktualisierungsoperator U für die zeitliche Zerlegung unter Verwendung der Liftingdaxstellung des Haar- Wavelets ist gegeben, wie es links in Ficj, 5b gezeigt ist. Für die 5/3-Transformation ergeben sich die entsprechenden Operatoren so, wie es rechts in Fig. 5b gezeigt ist. Die Erweiterung auf die bewegungskompensierte zeitliche Filte¬ rung wird durch Modifikation des Prädiktionsoperators und des Aktualisierungsoperators wie in Fig. 5c gezeigt, er¬ reicht. Besonders sei auf die Referenzindizes r > 0 verwie¬ sen, die eine allgemeine Bild-adaptive bewegungskompensier¬ te Filterung erlauben. Durch diese Referenzindizes kann si¬ chergestellt werden, dass bei- dem in Fig. 4 dargestellten Szenario nicht immer lediglich zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Bilder in ein Hochpassbild und in ein Tiefpassbild zerlegt werden, sondern dass zum Beispiel ein erstes Bild mit einem dritten Bild einer Sequenz bewegungs- kompensiert gefiltert werden kann. Alternativ ermöglich die geeignete Wahl der Referenzindizes, dass z. B. auch ein und dasselbe Bild einer Folge von Sequenzen dazu verwendet wer¬ den kann, als Basis für den Bewegungsvektor zu dienen. Dies bedeutet, dass die Referenzindizes beispielsweise bei einer Folge von acht Bildern ermöglichen, dass alle Bewegungsvek- toren z. B. auf das vierte Bild dieser Folge bezogen sind, so dass sich am Ende durch Verarbeitung dieser acht Bilder durch das Filterschema in Fig_ 4 ein einziges Tiefpassbild ergibt, und dass sich sieben Hochpassbilder (Erweiterungs¬ bilder) ergeben, und dass sämtliche Bewegungsvektoren, wo bei jedem Bewegungsvektor ein Erweiterungsbild zugeordnet ist, auf ein- und dasselbe BiILd der ursprünglichen Sequenz beziehen.
Wenn somit ein- und dasselbe Bild einer Sequenz als Refe- renz für die Filterung mehrerer weiterer Bilder verwendet wird, führt dies zu einer nicht: dem Faktor 2 gehorchenden zeitlichen Auflösungsskalierung, was für bestimmte Anwen¬ dungen von Vorteil sein kann. Es wird in den unteren Zweig der Analyse-Filterbank in Fig. 4 immer dasselbe Bild, näm¬ lich beispielsweise das vierte Bild der Folge aus acht Bil¬ dern, eingespeist. Das Tiefpassbild ist bei jeder Filterung dasselbe, nämlich das letztendlich erwünschte einzige Tief- passbild der Folge von Bildern. Wenn de:r Aktualisierungspa¬ rameter Null ist, wird das Basisbild einfach durch den un¬ teren Zweig gewissermaßen "durchgeschleust". Dagegen ist das Hochpassbild immer abhängig von dem entsprechenden an¬ deren Bild der ursprünglichen Folge und dem Prädiktionsope- rator, wobei der zu diesem Eingangsbild zugehörige Bewe¬ gungsvektor bei der Prädiktion verwendet wird. In diesem Fall kann man daher sagen, dass das letztendlich erhaltene Tiefpassbild einem bestimmten Bild der ursprünglichen Folge von Bildern zugeordnet ist, und dass auch jedes Hochpass- bild einem Bild der ursprünglichen Folge zugeordnet ist, wobei genau die Abweichungen des ursprünglichen Bilds der Folge (einer Bewegungskompensation) von dem gewählten Ba¬ sisbild der Folge (das in dem unteren Zweig der Analyse- Filterbank von Fig. 4 eingespeist wird) entspricht. Wenn jeder Aktualisierungsparameter MOi, Mu, IM2I und M3i gleich
Null ist, führt dies dazu, dass das in den unteren Zweig 73 der vierten Ebene eingespeiste Bild einfach nach unten „durchgeschleift" wird. Das Tiefpassbild TPl wird gewisser¬ maßen "wiederholt" in die Filterbank eingespeist, während die anderen Bilder - gesteuert durch die Referenzindizes - nach und nach in den Eingang 64 von Fig. 3 eingeführt wer¬ den.
Wie es aus den vorstehenden Gleichungen zu sehen ist, lie- fern die Prädiktions- bzw. Aktualisierungsoperatoren für die bewegungskompensierte Filterung für die zwei verschie¬ denen Wavelets unterschiedliche Prädiktionen. Wenn das Haar-Wavelet verwendet wird, wird eine unidirektionale be- wegungskompensierte Prädiktion erreicht. Wird dagegen das 5/3-Spline-Wavelet eingesetzt, so spezifizieren die beiden Operatoren eine bidirektionale bewegungskompensierte Prä¬ diktion.
Da die bidirektionale kompensierte Prädiktion allgemein die Energie des Prädiktionsrestwerts reduziert, jedoch die Be¬ wegungsvektorrate im Vergleich zu einer unidirektionalen Prädiktion erhöht, ist es wünschenswert, dynamisch zwischen. der unidirektionalen und der bidirektionalen Prädiktion hin- und herzuschalten, was bedeutet, dass zwischen einer Liftingdarstellung des Haar-Wavelets und des 5/3-Splin- Wavelets abhängig von einem bildabhängigen Steuersignal hin- und hergeschaltet werden kann. Das erfindungsgemäße Konzept, das keine geschlossene Rückkopplungsschleife zur zeitlichen Filterung verwendet, erlaubt ohne weiteres diese makroblockweise Hin- und Herschaltung zwischen zwei Wave- lets, was wiederum der Flexibilität und insbesondere der Datenrateneinsparung dient, die optimal signalangepasst durchführbar ist.
Um die Bewegungsfelder oder allgemeiner gesagt die Prädik¬ tionsdatenfelder Mp und Mo darzustellen, kann vorteilhaft¬ erweise auf die bestehende Syntax der B-Slices in H.264/AVC zurückgegriffen werden.
Durch Kaskadieren der paarweisen Bildzerlegungsstufen wird eine dyadische Baumstruktur erhalten, die eine Gruppe von 2n-Bildern in 2n~1-Restbilder und ein einziges Tiefpass-
(oder Intra-)Bild zerlegt, wie es anhand von Fig. 7 für ei¬ ne Gruppe von acht Bildern dargestellt ist. Insbesondere zeigt Fig. 7 das Hochpass-Bild HPl der ersten Ebene am Aus- gang 22 des Filters erster Ebene sowie das Tiefpass-Bild erster Ebene am Ausgang 24 des Filters erster Ebene . Die beiden Tiefpass-Bilder TP2 am. Ausgang 16 des Filters zwei¬ ter Ebene sowie die beiden Hochpass-Bilder, die aus der zweiten Ebene erhalten werden , sind in Fig . 7 als Bilder der zweiten Ebene gezeigt . D-L e Tiefpass-Bilder dritter Ebe¬ ne liegen am Ausgang 76 des Filters dritter Ebene an, wäh¬ rend die Hochpass-Bilder drit ter Ebene am Ausgang 75 in weiterverarbeiteter Form vorl iegen . Die Gruppe von acht Bildern könnte ursprünglich a cht Videobilder umfassen, wo¬ bei dann der Decodierer von Fig . 3 ohne vierte Filterebene eingesetzt werden würde . Ist die Gruppe von acht Bildern dagegen eine Gruppe von acht Tiefpass-Bildern, wie sie am Ausgang 73 des Filters vierte x Ebene eingesetzt werden, so kann die erfindungsgemäße MCT F-Zerlegung als Basis-
Bewegungs-Prädiktor, Erweiter iings-Bewegungs-Prädiktor, bzw . als Basis-Bewegungs-Kombinierer oder Erweiterungs- Bewegungs-Kombinierer eingesetzt werden .
Allgemein gesagt werden bei dieser Zerlegung somit eine
Gruppe von 2n Bildern, (2n+1~2) Bewegungsfeldbeschreibungen, (211"1) Restbilder sowie ein einziges Tiefpass- (oder INTRA-) Bild übertragen .
Sowohl der Basis-Bewegungs-Kornpensierer als auch der
Erweiterungs-Bewegungs-Kompensierer werden vorzugsweise durch einen Basis-Steuerparameter bzw . einen Erweiterungs- Steuerparameter gesteuert, um eine abhängig von einer be¬ stimmten Rate festgelegte opt±male Kombination eines Quan- tisierungs-Parameters ( 1034 oder 1036 ) und Bewegungsinfor¬ mationen zu berechnen . Hierbei wird gemäß nachfolgender Me¬ thodik vorgegangen, um ein optimales Verhältnis bezüglich einer bestimmten maximalen Bit rate zu erhalten . So hat sich herausgestellt, dass für niedrige Bitraten, also für rel_a- tiv grobe Quantisierungs-Parameter die Bewegungsvektoreix stärker ins Gewicht fallen als für höhere Skalierungs¬ schichten, bei denen relativ feine Quantisierungs-Parame ter genommen werden. Daher werden für Fälle grober Quantisie¬ rung und damit niedriger Bitrate eher weniger Bewegungsd^- ten berechnet als für höhere Skalierungsschichten. So wiαrd es bei höheren Skalierungsschichten bevorzugt, in Sub- Makroblock-Modi zu gehen, um für eine gute Qualität und für eine optimale Situation bei der hohen Bitrate eher viele Bewegungsdaten zu berechnen als im Fall einer niedrigen Bitrate, bei der die Bewegungsdaten prozentual stärker ins Gewicht fallen im Hinblick auf die Restdaten als im Fall einer höheren Skalierungsschicht. Dies wird nachfolgend dargelegt.
Die Bilder A und B seien gegeben, die entweder ursprüngli¬ che Bilder sind, oder Bilder, die Tiefpaß-Signale darstel¬ len, die in einer vorherigen Analyse-Stufe erzeugt werden - Ferner werden die entsprechenden Arrays von Luma-
Abtastwerten a[] und b[] bereitgestellt. Die Bewegungsbe¬ schreibung Mio wird in einer Makroblock-weisen Art und Wei¬ se folgendermaßen geschätzt:
Für alle möglichen Makroblock- und Sub-Makroblock-Teilung&n eines Makroblocks i innerhalb des Bildes B werden die zuge¬ ordneten Bewegungsvektoren
Mi = [mx, my]τ
durch Minimieren des Lagrange-Funktionals Hi1.=argmϊüeiSn{D8^(i,m)+λ•R(i,m) } bestimmt,
wobei der Verzerrungsterm folgendermaßen gegeben ist:
Hierbei spezifiziert S den Bewegungsvektor-Suchbereich in¬ nerhalb des Referenzbildes A. P ist der Bereich, der durch die betrachtete Makroblock-Teilung oder Sub-Makroblock- Teilung überstrichen wird. R(i,m) spezifiziert die Anzahl von Bits, die benötigt werden, um alle Komponenten des Be¬ wegungsvektors m zu übertragen, wobei D ein fester Lagran- ge-Multiplizierer ist.
Die Bewegungssuche schreitet zunächst über alle Ganzzahl- Abtastwert-genauen Bewegungsvektoren in dem gegebenen Suchbereich S fort. Dann, unter Verwendung des besten Ganzza-hl-Bewegungsvektors werden die 8 umgebenden Halb- Abtastwert-genauen Bewegungsvektoren getestet. Schließlich wird ianter Verwendung des besten Halb-Abtastwert-genauen Bewegiαngsvektors die 8 umgebenden Viertel-Abtastwert- genauen Bewegungsvektoren getestet. Für die Halb- und die Viertel- Abtastwert-genaue Bewegungsvektor-Verbesserung wird der Terrα a[x-mx,y-my]
als Int:erpolationsoperator interpretiert.
Die Mocius-Entscheidung für den Makroblock-Modus und den Sub-Makroblock-Modus folgt grundsätzlich demselben Lösungs¬ ansatz . Von einem gegebenen Satz von möglichen Makroblock¬ oder Sub-Makroblock-Modi SmOde/ wird der Modus pi der das folgende Lagrange-Funktional minimiert, ausgewählt: P1 = arg min { D5^ (i,p) -+- λ ■ R(i, p) }
PeSmoäc
Der Verzerrungsterrn ist folgendermaßen gegeben:
DSAD(i,p)= ∑\b[x,y]-a[x-mx[p,x,y],y-my[p,x,y]]\
(x,y)eP
wobei P den Makroblock oder Sub-Makroblock-Bereich spezifi¬ ziert, und wobei m[p,x,y] der Bewegungsvektor ist, der dem Makroblock- oder Sub-Makroblock-Modus p und der Teilung o- der Sub-Makroblock—Teilung zugeordnet ist, die die Luma- Position (x,y) umfasst.
Der Ratenterm R(i,jp) stellt die Anzahl von Bits dar, die der Wahl des Codierrmodus p zugeordnet sind. Für die Bewe- gungs-kompensiertera Codiermodi umfasst derselbe die Bits für den Makroblock—Modus (falls zutreffend) , den bzw. die Sub-Makroblock-Modi. (falls zutreffend) und den bzw. die Be¬ wegungsvektoren. Für den Intra-Modus umfasst derselbe die Bits für den Makroblock-Modus und die Arrays von quanti- sierten Luma- und Chroma-Transformation-Koeffizienten- Pegeln.
Der Satz von möglichen Sub-Makroblock-Modi wird durch
{P_8x8, P_8x4, P_4κ:8, P_4x4 }
gegeben. Der Satz von möglichen Makroblock-Modi wird durch
{P 16x16, P 16x8, P 8x16, P 8x8, INTRA} gegeben, wobei der INTRA-Modus nur verwendet wird, wenn ei¬ ne Bewegungsfeldbeschreibung Mio, die für den Prädikti¬ onsschritt verwendet wird, geschätzt wird .
5 Der Lagrange-Multiplizierer λ wiαrd abhängig von dem Basis¬ schicht-Quantisierungs-Parameter für das bzw . die_ Hochpass- Bilder QPH± der Zerlegungsstufe, für die das Bewegungsfeld geschätzt wird, gemäß folgender Gleichung gesetzt :
I O λ = 033 -2A(QPm /3 -4)
Erfindungsgemäß wird das in Fig . 8 gezeigte Zerlegungssche¬ ma verwendet, von dem ausgegangen wird, dass es einen ver¬ nünftigen Kompromiss zwischen ze itlicher Skalierbarkeit und
15 Codier-Wirkungsgrad ermöglicht . Die Sequenz der ursprüngli¬ chen Bilder wird als Sequenz von Eingangsbildern A, B, A, B, A, B . . . A, B behandelt . Somit liefert dieses Schema eine Stufe mit optimaler zeitlicher S kalierbarkeit (gleicher Ab¬ stand zwischen den Tiefpass-Bildern) . Die Sequenz von Tief-
2 0 pass-Bildern, die als Eingangs-S dgnal in alle folgenden
Zerlegungsstufen verwendet werden, werden als Sequenzen von Eingangsbildern B, A, A, B, B, A . . . A, B behandelt, wo¬ durch die Abstände zwischen den Tiefpass-Bildern, die zer¬ legt werden in dem folgenden Zwe ±-Kanal-Analyse-Schema,
2 5 klein gehalten werden, wie es in Fig . 8 zu sehen ist .
Nachfolgend wird bezugnehmend au f die Figuren 6a bis 6d auf" bevorzugte Implementierungen sowohl der Bewegungsdaten- Zwischen-Schicht-Prädiktion als auch der Restdaten-
3 0 Zwischen-Schicht-Prädiktion eing egangen . Um eine räumliche bzw . eine SNR-Skalierbarkeit zu erreichen, werden also prinzipiell Bewegungsdaten und T exturdaten aus einer nied¬ rigeren Skalierungsschicht zu Pr ädiktionszwecken für eine höheren Skalierungsschicht verwe ndet . Hierbei wird insbe- sondere bei der räumlichen Skalierbarkeit eine Hochtastung bzw. ein Upsampling der Bewegungsdaten nöt-Lg sein, bevor sie al_s Prädiktion für die Decodierung von räumlichen Er- weiterrungsschichten eingesetzt werden können. Die Bewe- gungs—Prädiktionsdaten einer Basis-Schicht—Darstellung wer¬ den unter Verwendung eines Teilsatzes der existierenden B- Slice—Syntax von AVC übertragen. Zum Codieren des Bewe¬ gungsfeldes einer Erweiterungsschicht werden vorzugsweise zwei zusätzliche Makroblock-Modi eingeführt .
Der erste Makroblock-Modus ist „Base_Layer_Jyiode" und der zweite Modus ist der „Qpel_Refinement_Mode" . Zum Signali¬ sieren dieser zwei zusätzlichen Makroblock-Modi werden zwei Flags, nämlich die BLFlag und QrefFlag, zur Makroblock- Schien"t-Syntax hinzugeführt, und zwar vor dem Syntaxelement mb_mode, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. So signalisiert die erste Flag BLFlag 1098 den Base-Layer-Modus , während die andere Flag 1100 den Qpel-Refinement-Modus symbolisiert. Ist eine solche Flag gesetzt, so hat sie den Wert 1, und der Daisenstrom ist derart, wie es in Fig. 6a gezeigt ist. Wenn also die Flag 1098 den Wert 1 hat, spielen die Flag 1100 und das Syntaxelement Makroblock-Modus 1102 keine wei¬ tere Rolle. Hat dagegen die Flag 1098 den Wert null, so ist sie nicht gesetzt, und es kommt die Flag HOO zum Tragen, die, wenn sie gesetzt ist, wieder das Element 1102 über¬ brückt . Haben dagegen beide Flags 1098 und IL100 einen Wert null, also sind sie beide nicht gesetzt, so wird der Makro¬ block-Modus im Syntaxelement 1102 ausgewertet.
Wenn also BLFlag = 1 ist, so wird der Basis—Layer-Modus verwendet, und für den entsprechenden Makrotolock wird keine weitere Information verwendet. Dieser Makrotolock-Modus zeigt an, dass die Bewegungs-Prädiktions-Informationen ein- schließlich der Makroblock-Parrtitionierung des entsprechen¬ den Makroblocks der Basisschicht direkt so für die Erweite— rungsschicht verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass hier und in der gesamten Anmeldung der Term „Basis- Schicht" eine nächstniedrigere Schicht bezüglich der gegen— wärtig betrachteten Schicht, also der Erweiterungsschicht, darstellen soll. Wenn die Basisschicht eine Schicht mit derr halben räumlichen Auflösung darstellt, wird das Bewegungs¬ vektor-Feld, also das Feld von Bewegungsvektoren ein- schließlich der Makroblock-Partitionierung entsprechend skaliert, wie es in Fig. 6b dargestellt ist. In diesem Fall umfasst der gegenwärtige Makrololock dieselbe Region wie ein 8x8-Sub-Makroblock des Basis-Layer-Bewegungsfeld. Wenn so¬ mit der entsprechende Basis-Layer-Makroblock in einem Di- rect-, 16x16-, 16x8- oder 8x16—Modus codiert ist, oder wenn der entsprechende Basis-Layer-Sub-Makroblock in dem 8x8- Modus oder in dem Direct-8x8-Modus codiert ist, dann wird der 16xl6-Modus für den gegenwärtigen Makroblock verwendet. Wenn andernfalls der Basis-Schicht-Sub-Makroblock im 8x4-, 4x8- oder 4x4-Modus codiert ist , ist der Makroblock-Modus für den gegenwärtigen Makroblock = 16x8, 8x16 oder 8x8 (mit allen Sub-Makroblock-Modi = 8x8 ) . Wenn der Basis-Schicht- Makroblock einen INTRA-Makroblock darstellt, wird der ge¬ genwärtige Makroblock auf INTRA_BASE gesetzt, was bedeutet, dass es sich um einen Makrobloc3< mit einer Prädiktion von der Basisschicht handelt. Für die Makroblock- Partitionierungen des gegenwärtigen Makroblocks werden die¬ selben Referenzindizes wie für die entsprechenden Makro- block/Sub-Makroblock-Partitionierungen des Basis-Schicht- Blocks verwendet. Die zugeordneten Bewegungsvektoren werden mit einem Faktor von 2 multipliziert. Dieser Faktor gilt für die in Fig. 6b gezeigte Situation, bei der eine Basis¬ schicht 1102 die halbe Fläche bzw. Anzahl in Pixel umfasst als die Erweiterungsschicht 1104. Ist das Verhältnis der räumlichen Auflösung der Basisschicht zur räumlichen Auflö¬ sung der Erweiterungsschicht ungleich 3_/2, so werden auch entsprechende Skalierungsfaktoren für die Bewegungsvektoren verwendet.
Ist dagegen die Flag 1098 gleich null und die Flag 1100 gleich 1, wird der Makroblock-Modus Qpel_Refinement_Mode signalisiert. Die Flag 1100 ist vorzugsweise nur vorhanden, wenn die Basisschicht eine Schicht mit der halben räumli¬ chen Auflösung der gegenwärtigen Schichi; darstellt. Andern¬ falls ist der Makroblock-Modus (Qpel_Re±inement_Mode) nicht in dem Satz von möglichen Makroblock-Mocii enthalten. Dieser Makroblock-Modus ist ähnlich dem Basis-Layer-Modus. Die Makroblock-Partitionierung sowie die Referenzindizes und die Bewegungsvektoren werden wie beim Basis-Layer-Modus ab¬ geleitet. Für jeden Bewegungsvektor gibt es jedoch einen zusätzliche Viertel-Abtastwert-Bewegungsvektor-Verfeinerung -1,0 oder +1 für jede Bewegungsvektor-Kσmponente, die zu- sätzlich übertragen und dem abgeleiteten Bewegungsvektor hinzugefügt wird.
Wenn die Flag 1098 = null ist und die FJ_ag 1100 = null ist, oder wenn die Flag 1100 nicht vorhanden ist, werden der Makroblock-Modus sowie die entsprechenden Referenzindizes und Bewegungsvektor-Differenzen wie üblLch spezifiziert. Dies bedeutet, dass der komplette Satz von Bewegungsdaten für die Erweiterungsschicht genauso wie für die Basis¬ schicht übertragen wird. Erfindungsgemäß wird jedoch auch hier die Möglichkeit vorgesehen, den Bas άs-Schicht-
Bewegungsvektor als Prädiktor für den aktuellen Erweite¬ rungs-Schicht-Bewegungsvektor (anstatt des räumlichen Bewe- gungsvektor-Prädiktors) zu verwenden. So soll die Liste X (wobei X zwischen 0 und 1 ist) die Referenzindex-Liste des betrachteten Bewegungsvektors spezifizieren. Wenn alle nachfolgenden Bedingungen wahr sind, wird, wie es in Fig. 6c gezeigt ist, eine Flag MvPrdFlag übertragen, und zwar für jede Bewegungsvektor-Differenz:
der Basis-Schicht-Makroblock, der die gegenwärtigen Makroblock/Sub-Makroblock-Partitionen umfasst, ist nicht in einem INTRA-Makroblock-Modus codiert;
die Basis-Schicht-Makroblock/Sub-Makroblock-Partitio- nierung, die den oberen linken Abtastwert der gegen¬ wärtigen Makroblock/Sub-Makroblock-Partitionierung überdeckt, verwendet die List X oder eine Bi- Prädiktion;
der Listen-X-Referenzindex der Basis-Schicht- Makroblock/Sub-Makroblock-Partitionierung, der das o- bere linke Sample der gegenwärtigen Makroblock/Sub- Makroblock-Partitionierung umfasst, ist gleich dem Listen-X-Referenzindex der gegenwärtige Makro- block/Sub-Makroblock-Partitionierung.
Wenn die Flag 1106 von Fig. βc nicht vorhanden ist, oder wenn diese Flag 1106 = null ist, wird der räumliche Bewe- gungsvektor-Prädiktor so spezifiziert, wie es im Standard AVC der Fall ist. Andernfalls, wenn die Flag 1106 vorhanden und = 1 ist, wird der entsprechende Basis-Schichtvektor als Bewegungsvektor-Prädiktor verwendet. In diesem Fall wird der Listen-X-Bewegungsvektor (wobei X=O oder 1 ist) der ge¬ genwärtigen Makroblock/Sub-Makroblock-Partitionierung durch Hinzufügen der übertragenen Listen-X-Bewegungsvektor- Differenz zu dem möglicherweise skalierten Listen-X- Bewegungsvektor der Basis-Schicht-Makrok>lock/Sub- Makroblock-Partitionierung erhalten.
Die Flags 1098, 1100 und 1106 stellen somit zusammen eine Möglichkeit dar, die allgemein in Fig. Ia gezeigte Bewe- gungsdaten-Flag 1048 bzw. allgemein ein Bewegungsdaten- Steuersignal 1048 zu implementieren. Selbstverständlich e- xistieren hierfür verschiedene andere Möglichkeiten der Signalisierung, wobei natürlich auch eine feste Vereinba- rung zwischen dem Sender und dem Empfänger verwendet werden kann, die eine Reduktion an Signalisierungsinformationen erlaubt.
Zusammenfassend wird anhand der Figuren Ie, If und Ig eine detaillierte Implementierung des Erweiterungs-
Bewegungskompensierers 1014 von Fig. Ia bzw. des Erweite- rungs-Bewegungsdaten-Ermittlers 1078 von Fig. 2 näher dar¬ gelegt.
Bezug nehmend auf Fig. Ie ist zu sehen, dass der Erweite- rungs-Bewegungskompensierer 1014 prinzipjLell zwei Dinge tun muss. So muss er zunächst die Erweiterunςys-Bewegungsdaten, also typischerweise die gesamten Bewegungsvektoren berech¬ nen und dem Erweiterungs-Bewegungs-Prädikitor 1016 zuführen, damit er diese Vektoren gewissermaßen in uncodierter Form verwenden kann, um die Erweiterungs-Folge von Restfehler¬ bildern zu erhalten, die im Stand der Technik typischerwei¬ se adaptiv und Block-für-Block durchführen zu können. Eine andere Sache ist jedoch die Erweiterungs-Bewegungsdaten- Verarbeitung, also wie die zur bewegungsleompensierten Prä¬ diktion verwendeten Bewegungsdaten nunmehr so stark als möglich komprimiert werden und in einem Bitström geschrie¬ ben werden. Hierzu, damit etwas in dem Bi"tstrom geschrieben werden kann, müssen entsprechende Daten zum Erweiteruncjs- Bildcodierer 1028 gebracht werden, wie es anhand von Fi_g. Ie dargestellt ist. Der Erweiterungs-Bewegungsdaten- Verarbeitungseinrichtung 1014b kommt also die Aufgabe zu, 5 die in den Erweiterungs-Bewegungsdaten, die die Erweite - rungs-Bewegungsdaten-Berechnungseinrichtung 1014a ermittelt hat, enthaltene Redundanz im Bezug auf die Basisschicht so stark als möglich zu reduzieren.
0 Die Basis-Bewegungsdaten oder die hochgetasteten Basis- Bewegungsdaten können erfindungsgemäß sowohl von der Erwei- terungs-Bewegungsdaten-Berechnungseinrichtung 1014a zur Be¬ rechnung der tatsächlich zu verwendeten Erweiterungs- Bewegungsdaten eingesetzt werden, oder können auch nur zur 5 Erweiterungs-Bewegungsdaten-Verarbeitung, also zur ErweiLte- rungs-Bewegungsdaten-Kompression verwendet werden, während sie für die Berechnung der Erweiterungs-Bewegungsdaten Icei¬ ne Rolle spielen. Während die beiden Möglichkeiten 1.) und 2.) von Fig. Ig Ausführungsbeispiele zeigen, bei denen O die Basis-Bewegungsdaten bzw. die hochgetasteten Basis- Bewegungsdaten bereits bei der Erweiterungs-Bewegungsdaten- Berechnung eingesetzt werden, zeigt das AusführungsbeispJ,el 3.) von Fig. Ib einen Fall, bei dem Informationen über d_±e Basis-Bewegungsdaten nicht zur Berechnung der Erweiteruncjs- 5 Bewegungsdaten, sondern lediglich zur Codierung bzw. Gewin¬ nung von Restdaten eingesetzt werden.
Fig. If zeigt die decodiererseitige Implementierung der Er- weiterungs-Bewegungsdaten-Ermittlungseinrichtung 1078, di_e 0 ein Steuermodul 1078a zur blockweisen Steuerung aufweist, welches die Signalisierungsinformationen vom Bitstrom bzw. vom Erweiterungs-Bild-Decodierer 1066 enthält. Ferner um— fasst der Erweiterungs-Bewegungsdaten-Ermittler 1078 eine Erweiterungs-Bewegungsdaten-Rekonstruktionseinrichtung 1078k>, die entweder allein unter Verwendung der decodierten Basis-Bewegungsdaten oder decodierten hochgetasteten Basis- Bewegungsdaten oder aber durch Kombination aus Informatio- nen über die decodierten Basis-Bewegungsdaten und von dem Erweiterungs-Bild-Decodierer 1066 aus der Erweiterungs- Skalierungsschicht 1004 extrahierten Restdaten tatsächlich die Bewegungsvektoren des Erweiterungs-Bewegungsdaten- Feldes ermittelt, die dann von dem Erweiterungs-Bewegungs- Kombinierer 1076 verwendet werden können, der als üblicher Kombinierer ausgebildet sein kann, um die encodiererseitige bewegungskompensierte Prädiktion wieder rückgängig zu ma¬ chen.
Nachfolgend wird auf die verschiedenen Ausführungsbeispie¬ le, wie sie in Fig. Ig zur Übersicht dargestellt sind, ein¬ gegangen. Wie es bereits anhand von Fig. 6a dargelegt wor¬ den ist, signalisiert die BLFlag 1098 eine komplette Über¬ nahme der hochskalierten Basis-Bewegungsdaten für die Er- weiterrungs-Bewegungs-Prädiktion. In diesem Fall ist die
Einrichtung 1014a ausgebildet, um die Basis-Bewegungsdaten komplett zu übernehmen bzw. im Falle von unterschiedlichen Auflösungen der verschiedenen Schichten die Basis- Bewegungsdaten in hochskalierter Form zu übernehmen und zur Einrichtung 1016 zu übermitteln. Zum Erweiterungs-
Bildcodierer wird jedoch keine Information über Bewegungs¬ felder oder Bewegungsvektoren übermittelt. Stattdessen wird lediglich für jeden Block, sei es ein Makroblock oder ein Sub-Makroblock, eine eigene Flag 1098 übertragen.
Auf Decodiererseite bedeutet dies, dass die Einrichtung 1078a von Fig. If für einen Block die Flag 1098 decodiert und dann, wenn sie aktiv war, die aus der Basisschicht vor- handenen decodierten Basis-Bewegungsdaten oder die deco¬ dierten hochgetasteten Basis-Bewegungsdaten verwendet, um daraus die Erweiterungs—Bewegungsdaten zu berechnen, die dann zum Block 1076 geliefert werden. Bewegungsvektor- Restdaten benötigt die Einrichtung 1078 in diesem Fall nicht.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Errfin- dung, das durch die Flag QrefFlag 1100 signalisiert ist, wird der Basis-Bewegungs^vektor in die Erweiterungs-
Bewegungsdatenberechnung, die durch die Einrichtung 1014a ausgeführt wird, integriert. Wie es in Fig. Ig im Abschnitt 2.) dargestellt ist und vorstehend beschrieben worden ist, findet die Bewegungsdatenberechnung bzw. die Berechnung der Bewegungsvektoren m dadurch statt, dass das Minimum des Ausdrucks
(D + λ R)
gesucht wird. In den Verzerrzungsterm D geht der Unter¬ schied zwischen einem Block eines aktuellen Bildes B uncd einem durch einen bestiπunten potentiellen Bewegungsvektσr verschobenen Block eines vorausgehenden und/oder späteren Bildes ein. In den Faktor: λ geht der Quantisierungsparame- ter des Erweiterungs-Bild-Codierers, der in Fig. Ia mit
1036 bezeichnet ist, ein. Der Ausdruck R liefert Informati¬ onen über die Anzahl von Bits, die zur Codierung eines po¬ tentiellen Bewegungsvektoxs verwendet wird.
Üblicherweise wird jetzt eine Suche unter verschiedenen po¬ tentiellen Bewegungsvektoirren durchgeführt, wobei für jeden neuen Bewegungsvektor der Verzerrungsterm D berechnet wird, und der Ratenterm R berechnet wird, und wobei der Erweite- rungs-Quantisierungs-Parartieter 1036, der vorzugsweise fest ist, jedoch ebenfalls variieren könnte, berücksichtigt wird. Der beschriebene Surnmenterm wird für verschiedene po¬ tentielle Bewegungsvektoren ausgewertet, wonach der Bewe — gungsvektor genommen wird, der das minimale Ergebnis der Summe liefert.
Erfindungsgemäß wird nunmehr der Basis-Bewegungsvektor des entsprechenden Blocks aus der Basisschlicht ebenfalls in diese iterative Suche integriert. Soll_te er das Suchkrite¬ rium erfüllen, so muss wieder lediglich die Flag 1100 über¬ tragen werden, es müssen jedoch keine Restwerte oder etwas anderes für diesen Block übertragen werden. Die Einrichtung 1014a verwendet somit dann, wenn der Basis-Bewegungsvektor das Kriterium (Minimum des vorstehenden Ausdrucks) für ei¬ nen Block erfüllt, diesen Basis-Bewegungsvektor, um ihn zur Einrichtung 1016 zu übermitteln. Zum Exweiterungs- Bildcodierer wird jedoch lediglich die Flag 1100 übermit- telt.
Auf Decodiererseite bedeutet dies , dass die Einrichtung 1078a, wenn sie die Flag 1100 decodiert , die Einrichtung 1078b ansteuert, um für diesen Block den Bewegungsvektor aus den Basis-Bewegungsdaten zu ermitteln, da der Erweite- rrungs-Bild-Decodierer keine Restdaten übermittelt hatte .
Bei einer Variation der zweiten Ausführrungsform wird in die iterative Suche nicht nur der Basis-Bewegungsvektor, son- dem eine Vielzahl von von dem Basis-Bewegungsvektor abge¬ l eiteten (leicht) veränderten Basis-Bewegungsvektoren in die Suche integriert . Je nach Implement ierung kann j ede Komponente des Bewegungsvektors unabhängig voneinander um ein Inkrement erhöht oder erniedrigt werden, oder gleich gelassen werden . Dieses Inkrement kann eine bestimmte Gra- nularität eines Bewegungsvektors darst eilen, z . B . einen Auflösungsschritt , einen Halb-Auflösungsschritt oder einen Viertel-Auflösungsschritt . Erfüllt ein solcher veränderter Basis-Bewegungsvektor das Suchkriterium^ so wird zusätzlich zur Flag 1100 auch gewissermaßen als „Restdaten" die Verän¬ derung, also das Inkrement , also +1, 0 oder -1 übertragen . Ein Decodierer wird dann, aktiviert durch die Flag 1100, im Datenstrom nach dem Inkrement suchen und ferner den Basis- Bewegungsvektor oder den hochgetasteten Basis- Bewegungsvektor wieder gewinnen und im Block 1078b des In- krement mit dem entsprechenden Basis-Bewegung"svektor kombi¬ nieren, um dann den Bewegungsvektor für den entsprechenden Block in der Erweiterungsschicht zu erhalten.
Bei der dritten Ausführungsform, die durch die Flag 1106 signalisiert wird, kann die Ermittlung der BeΛr/egungsvekto- ren prinzipiell beliebig erfolgen. Im Hinblick auf volle Flexibilität kann die Einrichtung 1014a die E-rweiterungs- Bewegungsdaten z . B. gemäß der in Verbindung mit dem zwei¬ ten Ausführungsbeispiel genannten Minimierungsaufgabe er- mittein. Der ermittelte Bewegungsvektor wird dann zur enco- diererseitigen bewegungskompensierten Prädiktion verwendet, ohne dass auf Informationen aus der Basisschicht Rücksicht genommen wird. Die Erweiterungs-Bewegungsdaten-Verarbeitung 1014a ist in diesem Fall jedoch ausgebildet, um in die Be- wegungsvektor-Venrarbeitung zur Redundanzredukfcion, also vor der eigentlichen arithmetischen Codierung, die Basis- Bewegungsvektoren miteinzubeziehen.
So wird gemäß dem Standard H.264/AVC eine Überrtragung von Bewegungsvektordifferenzen vorgenommen, wobei Differenzen zwischen in der Klähe liegenden Blöcken innerhalb eines Bil¬ des bestimmt werden. In der Implementierung kann die Diffe¬ renz zwischen verschiedenen in der Nähe liegenden Blöcken gebildet werden, um dann die kleinste Differenz auszuwäh- len. Erfindungsgemäß wird nunmehr in diese Suche nach dem günstigsten Prädi_ktor für die Bewegungsvektordifferenz der Basis-Bewegungsvektor für den entsprechenden Block in einem Bild mit einbezogen. Erfüllt er das Kriterium, dass er als Prädiktor den kleinsten Restfehlerwert liefert , so wird dies durch die Flag 1106 signalisiert und es wird lediglich der Restfehlerwert zum Block 1028 übertragen. Erfüllt der Basis-Bewegungsvektor dieses Kriterium nicht, so wird die Flag 1106 nicht gesetzt, und es wird eine räumliche Bewe- gungsvektordifferenzberechnung vorgenommen.
Für einfachere Codiererimplementierungen kann jedoch auch statt der iterativen Suche einfach immer bzw. für adaptiv bestimmte Blöcke der Basis-Bewecjungsvektor bzw. eine hoch— getastete Version desselben als Prädiktor dienen.-
Erfindungsgemäß wird auch eine Zwischen-Schicht-Prädiktion. von Restdaten vorgenommen. Hierauf wird nachfolgend einge¬ gangen. Wenn die Bewegungsinforiaationen von einer Schicht zur nächsten verändert werden, kann es günstig oder nicht günstig sein, Restinformationen bzw. im Falle einer MCTF- Zerlegung, Hochpass-Informationen der Εrweiterungsschicht aus der Basisschicht zu prädiziexen. Wenn die Bewegungsvet- toren für einen Block der aktuellen Schicht zu den Bewe¬ gungsvektoren der entsprechenden Basisschicht bzw. makro- blockweise zu entsprechenden Bewegungsvektoren der entspre — chenden Basisschicht ähnlich sind, ist es wahrscheinlich, dass die Codiereffizienz erhöht werden kann, wenn das co¬ dierte Basis-Schicht-Restsignal (Hochpass-Signal) als Prä¬ diktion für das Erweiterungs-Restsignal (Erweiterungs- Hochpass-Signal) verwendet wird, wodurch nur die Differenz zwischen dem Erweiterungs-Restsignal und der Basisschicht- Rekonstruktion (Leitung 1024 von Fig. Ia) codiert wird. Wenn die Bewegungsvektoren jedoch, unähnlich sind, ist es sehr unwahrscheinlich, dass eine Prädiktion des Restsignals die Codiereffizienz verbessern wird. Folglich wird ein a- daptiver Lösungsansatz für die Pirädiktion des Restsignals bzw. Hochpass-Signals eingesetzt. Dieser adaptive Lösungs¬ ansatz, also ob der Zwischen-Schi-cht-Prädiktor 1018 aktiv ist oder nicht, kann durch eine tatsächliche Berechnung des Nutzens auf der Basis des Differenzsignals erfolgen oder kann aufgrund einer Abschätzung durchgeführt werden, wie unterschiedlich ein Bewegungsvektor einer Basis- Skalierungsschicht für einen Makroblock zu einem ent spre¬ chenden Makroblock in der Erweiterungs-Skalierungsscnicht ist. Ist der Unterschied kleiner als ein bestimmter Schwel- lenwert, so wird der Zwischen-Schicht-Prädiktor über die Steuerleitung 1030 aktiviert. Ist der Unterschied da«gegen größer als ein bestimmter Schwellwert, so wird der Zwi¬ schen-Schicht-Prädiktor für diesen Makroblock deaktiviert.
Es wird eine Flag ResPrdFlag 1108 übertragen. Wenn diese Flag 1108 = 1 ist, wird das rekonstruierte RestsignaX der Basisschicht als Prädiktion für das Restsignal des gegen¬ wärtigen Makroblocks der Erweiterungsschicht verwendet, wo¬ bei nur eine Approximation des Unterschieds zwischen dem gegenwärtigen Restsignal der Erweiterungsschicht und seiner Basisschicht-Rekonstruktion codiert wird. Andernfalls ist die Flag 1108 nicht vorhanden oder gleich null. Hierbei wird das Restsignal des gegenwärtigen Makroblocks in der Erweiterungsschicht dann ohne Prädiktion aus der Basi s- Schicht codiert.
Wenn die Basisschicht eine Schicht mit der Hälfte der räum¬ lichen Auflösung der Erweiterungs-Schicht darstellt, wird das Restsignal unter Verwendung eines InterpolationsfAlters hochgetastet, bevor das hochgetastete Restsignal der Basis¬ schicht als Prädiktionssignal verwendet wird. Dieses Filter ist ein Interpolations-Filter mit sechs Taps, derart, dass zur Interpolation eines Wertes der hohen räumlichen Auiflö- sung der Erweiterungsschicht, der aufgrund der niedricjen Auflösung in der Basisschicht nicht vorhanden war, Werrte aus der Umgebung verwendet werden, um ein möglichst gαtes Interpolationsergebnis zu erhalten. Interpoliert man jedoch Werte am Rand eines Transformati¬ onsblocks, und würde das Interpolations-Filter daher zur Interpolation Werte eines anderren Transformationsblocks verwenden, so wird es bevorzugt, genau dies nicht zu tun, sondern die Werte des Interpolations-Filters außerhalb des betrachteten Blocks zu synthetisieren, damit eine Interpo¬ lation mit möglichst wenig Artefakten stattfindet.
Anhand eines sogenannten Core-Experiments wurde herausge- funden, dass die Zwischen-Schicϊit-Prädiktion von Bewegungs¬ und Restwerten die Codiereffizienz des AVC-basierten MCTF- Ansatzes deutlich verbessert. Für bestimmte Testpunkte wur¬ den PSNR-Gewinne von mehr als IdB erhalten. Insbesondere bei sehr niedrigen Bitraten für jede räumliche Auflösung (mit Ausnahme der Basisschicht) war die Verbesserung der Rekonstruktionsqualität deutlicli sichtbar.
Abhängig von der Gegebenheit, kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert wer- den. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speicher¬ medium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektro¬ nisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das Verfahren ausgeführt wird. .Allgemein besteht die Erfin- düng somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit ei¬ nem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Pro¬ grammcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens real-isiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Computer¬ lesbares Medium, auf dem ein skalierbarer Datenstrom mit einer ersten Skalierungsschicht und einer zweiten Skalie¬ rungsschicht samt der zugehörigen Steuerzeichen für die verschiedenen Decodierer-seitigen Einrichtungen gespeichert sind. So kann das Computer-lesbare Medium ein Datenträger sein, oder aber das Internet, auf dem ein Datenstrom von einem Anbieter zu einem Empfänger übertragen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen einer codierten Videosequenz, die eine Basis-Skalierungsschicht (1002) und eine Er- weiterungs-Skalierungsschicht (1004) aufweist, mit folgenden Merkmalen:
einem Basis-Bewegungskompensierer (1006) zum Berechnen von Basis-Bewegungsdaten, die angeben, wie sich ein Block in einem aktuellen Bild bezüglich eines anderen Bildes in einer Gruppe von Bildern bewegt hat;
einem Basis-Bewegungs-Prädiktor (1012) zum Berechnen einer Basis-Folge von Restfehlerbildern unter Verwen- düng der Basis-Bewegungsdaten;
einem Basis-Bildcodierer (1010), der ausgebildet ist, um aus der Basis-Folge von Restfehlerbildern eine co¬ dierte erste Skalierungsschicht zu erzeugen;
einem Erweiterungs-Bewegungskompensierer ( 1014 ) zum Ermitteln von Erweiterungs-Bewegungsdaten, wobei der Erweiterungs-Bewegungskompensierer ausgebildet ist, um adaptiv und blockweise Erweiterungs-Bewegungsdaten un- ter Verwendung der Basis-Bewegungsdaten zu ermitteln und blockweise Signalisierungsinformationen zu lie¬ fern;
einem Erweiterungs-Bewegungs-Prädiktor ( 1016) zum Be- rechnen einer Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern unter Verwendung der Erweiterungs-Bewegungsdaten; und
einem Erweiterungs-Bildcodierer ( 1028 ) zum Codieren von Informationen über die Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern und zum Codieren der blockweisen
Signalisierungsinformationen, um eine codierte Erwei- terungs-Skalierungsschicht zu erhalten .
2. Vorrichitung nach Anspruch 1, bei der der Basis- Bewegungskompensierer ausgebildet ist, um die Basis- Bewegungsdaten für Bilder zu berechnen, die eine nied¬ rigere räumliche Auflösung haben als Bilder, auf deren Basis der Erweiterungs-Bewegungskompensierer die Er¬ weiternngs-Bewegungsdaten ermittelt,
bei der ferner ein Hochtaster (1042) vorgesehen ist, um die Basis-Bewegungsdaten gemäß einem Unterschied der räumlichen Auflösung der Gruppe von Bildern zu skalieren, und
bei der der Erweiterungs-Bewegungskompensierer (1014) ausgebildet ist, um die Erweiterungs-Bewegungsdaten auf der Basis der skalierten Basis-Bewegungsdaten zu berechnen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Erweiterungs- Beweguncjskompensierer (1014) ausgebildet ist, um die skalierten Basis-Bewegungsdaten für einen Block als
Erweiterrungs-Bewegungsdaten zu übernehmen, und um dem Erweiterrungs-Bildcodierer (1028) für diesen Block ein Übernahme-Signal (1098) zuzuführen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Erweiterungs- Bewegung-skompensierer (1014) ausgebildet ist, um die skalierten Basis-Bewegungsdaten als Prädiktor für ei¬ nen Block von Erweiterungs-Bewegungsdaten zu verwen¬ den, um ein Erweiterungs-Bewegungsdaten-Restsignal zu berechnen, und um dem Erweiterungs-Bildcodierer (1028) das Erweiterungs-Bewegungsdaten-Restsignal zusammen mit eineit: Prädiktions-Signalisierung zuzuführen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2r bei der der Basis- Bildcodierer (1010) ausgebildet ist, um mit einem Ba¬ sis-Quantisierungs-Parameter (1034) zu guantisieren, bei der der Basis-Bewegungskompensierer ausgebildet ist, um abhängig von einem Basis-Steuerparameter ( 1034 ) , der von dem Basi s-Quantisierungsparamter ab¬ hängen kann, die Basis-Bewegungsdaten zu berechnen,
bei der der Erweiterungs — Bildcodierer ( 1028 ) ausgebzLl- det ist, um mit einem Erv/eiterungs-Quantisier"ungs- Parameter ( 1036) zu quantisieren, und
bei der der Erweiterungs— Bewegungskompensierer ( 10 1-3 ) ausgebildet ist, um die Erweiterungs-Bewegungsdaten abhängig von einem Erweiterungs-Steuer-Parameter ( 1036 ) zu berechnen, der von dem Erweiterungs- Quantisierungsparamter abhängen kann und der sich von dem Basis-Steuer-Parameter für den Basis-Bildcodierer unterscheidet .
6 . Vorrichtung nach Anspruch. 5 , bei der der Erweiterung~s- Bewegungskompensierer aus gebildet ist, um die Basis— Bewegungsdaten als Prädikztor für die Erweiterungs-
Bewegungsdaten zu verwenden, und um ein Erweiterungs - Bewegungsdaten-Restsignal mit einer blockweisen Sign a¬ lisierung dem Erweiterung s-Bildcodierer ( 1028 ) zuzu¬ führen .
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Erweiterung;s- Bewegungskompensierer (10IL4) ausgebildet ist, um eine Suche unter eine Anzahl von potentiellen BewegungsveAk¬ toren bei der Bestimmung eines Bewegungsvektors für einen Makroblock gemäß einem Suchkriterium durchzufüh¬ ren, wobei der Erweiterungs-Bewegungskompensierer (1014) ausgebildet ist, urn bei der Suche auch einen für den korrespondierenden Block der Basisschicht be¬ reits bestimmten Bewegungsvektor zu verwenden, und uπn dann, wenn durch den Bewegungsvektor der Basisschicht das Suchkriterium erfüllt ist, den Bewegungsvektor der Basisschicht zu übernehmen und eine diesbezügliche In- formation (1100) dem Erweiterungs-Bildcodierer (1028) zuzuführen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis I1 bei dem der Erweiterungs-Bewegungskompensierer (1014) ferner ausgebildet ist, um auch einen inkitremental-veränderten Bewegungsvektor der Basisschicht zu berücksichtigen, und um dann, wenn durch den inkremental-veränderten Bewegungsvektor der Basisschicht das Suchkriterium er- füllt wird, die inkrementale Veränderung des Bewe¬ gungsvektors dem Erweiterungs-Bildcodierer (1028) für einen Block zusammen mit einer Sigrαalisierung (1100) für den Block zuzuführen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Erweiterungs-Bewegungslcompensierer (1014) ausgebildet ist, um Bewegungsvektor"en für Blöcke eines Bildes zu bestimmen, und um ferner die Bewegungsvekto¬ ren nachzuverarbeiten, um Bewegungs^vektordifferenzen zwischen zwei Bewegungsvektoren zu ermitteln und dem Erweiterungs-Bildcodierer (1028) zuzuführen, und
bei der der Erweiterungs-Bewegungskompensierer (1014) ferner ausgebildet ist, um abhängig von einer Kosten- funktion statt einer Differenz zwischen Bewegungsvek¬ toren für zwei Blöcke des selben Bildes eine Differenz zwischen einem Bewegungsvektor des Blocks eines Bildes aus der Erweiterungsschicht und eines modifizierten oder unmodifizierten Bewegungsvektoars eines korrespon- dierenden Blocks eines Bildes aus der Basisschicht zu verwenden, und um diese Differenz dem Erweiterungs- Bildcodierer (1028) zusammen mit einer Signalisierung (1106) für den Block zuzuführen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Erweiterungs- Bewegungskompensierer (1014) ausgebildet ist, um als Kostenfunktion einen Betrag einer Di£ferenz zu verwen¬ den.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Zwischen-Schicht-Prädiktor (1018) aufweist, der ausgebildet ist, um unter Verwendung der Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern und Informa¬ tionen über die Basis-Folge von Restfehlerbildern Er- weiterungs-Prädiktions-Restfehlerbilder zu berechnen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
bei der der Basis-Bildcodierer (1010) ausgebildet ist, um eine Quantisierung mit einem Basis—Quantisierungs- Parameter (1034) durchzuführen,
bei der der Erweiterungs-Bildcodierer (1028) ausgebil¬ det ist, um eine Quantisierung mit einem Erweiterungs- Quantisierungs-Parameter (1036) durchzuführen, wobei der Erweiterungs-Quantisierungs-Parameter (1036) eine feinere Quantisierung als der Basis-Quantisierungs- Parameter (1034) zur Folge haben kannΛ
bei der der Basis-Bildcodierer (1010) ausgebildet ist, um die mit dem ersten Quantisierungsparameter quanti- sierte Basis-Folge von Restfehlerbildern zu rekon- struierten, um eine rekonstruierte Basis-Folge zu er¬ halten, und
bei der der Zwischen-Schicht-Prädiktor (1026) ausge¬ bildet ist, um die Erweiterungs-Prädik.t:ions~ Restfehlerbilder unter Verwendung der Erweiterungs- Folge von Restfehlerbildern und der rekonstruierten Basis-Folge von Restfehlerbildern als <die Informatio¬ nen über die Basis-Folge von Restfehleαrbildern zu be¬ rechnen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, die ferner fol¬ gende Merkmale aufweist:
einen Dezimierer (1032) zum Dezimieren einer Auflösung der Gruppe von Bildern, wobei der Dezimierer (1032) ausgebildet ist, um dem Basis-Bewegungs-Kompensierer (1006) eine Gruppe von Bildern mii: einer Basis- Auflösung bereitzustellen, die kleiner ist als eine Erweiterungs-Auflösung einer Gruppe von Bildern, die dem Erweiterungs-Bewegungs-Kompensierer (1014) zur Verfügung gestellt wird; und
einem Interpolierer (1022) zum räumlichen Interpolie¬ ren der Basis-Folge von RestfehleUrbildern oder einer rekonstruierten Basis-Folge von Restfehlerbildern, um eine interpolierte Basis-Folge von Restfehlerbildern zu erhalten, die dem Zwischen-Schicht-Prädiktor (1018) als Informationen (1026) über die Basis-Folge von Restfehlerbildern zuführbar ist.A-nspruch 3 reinkopie- ren
14. Verfahren zum Erzeugen einer codierten Videosequenz, die eine Basis-Skalierungsschicht (1002) und eine Er- weiterungs-Skalierungsschicht (1004) aufweist, mit folgenden Schritten:
Berechnen (1006)von Basis-Bewegurxgsdaten, die angeben, wie sich ein Block in einem aktuellen Bild bezüglich eines anderen Bildes in einer Gruppe von Bildern be- wegt hat;
Berechnen (1012) einer Basis-Folge von Restfehlerbil¬ dern unter Verwendung der Basis-Bewegungsdaten; Durchführen einer Basis-Bildcodierrung (1010), um aus der Basis-Folge von Restfehlerbildern eine codierte erste Skalierungsschicht zu erzeugen;
Ermitteln (1014) von Erweiterungs—Bewegungsdaten, wo¬ bei adaptiv und blockweise Erweiterungs-Bewegungsdaten unter Verwendung der Basis-Bewegungsdaten ermitteln werden, und wobei und blockweise Signalisierungsinfor- mationen geliefert werden;
Berechnen (1016) einer Erweiterungs-Folge von Restfeh¬ lerbildern unter Verwendung der Errweiterungs- Bewegungsdaten; und
Durchführen einer Erweiterungs-Bildcodierung (1028) durch Codieren von Informationen tάber die Erweite¬ rungs-Folge von Restfehlerbildern und durch Codieren der blockweisen Signalisierungsinformationen, um eine codierte Erweiterungs-Skalierungsschicht zu erhalten.
15. Vorrichtung zum Decodieren einer codierten Videose¬ quenz mit einer Basis-Skalierungsschicht (1002) und einer Erweiterungs-Skalierungsschicht (1004) mit fol¬ genden Merkmalen:
einem Basis-Bild-Decodierer (1060) zum Decodieren der Basis-Skalierungsschicht, um eine decodierte Basis- Folge von Restfehlerbildern und Basis-Bewegungsdaten zu erhalten;
einem Basis-Bewegungs-Kombinierer (1064), der ausge¬ bildet ist, um unter Verwendung der Basis- Bewegungsdaten und der decodierten Folge von Restfeh¬ lerbildern eine Folge von Bildern der Basis- Skalierungsschicht zu erhalten;
einem Erweiterungs-Bild-Decodierer (1066) zum Decodie¬ ren der Erweiterungs-Skalierungsschicht, um Informati- onen über eine Erweiterungs-Folge von Restfehlerbil¬ dern und Informationen über Erweiterungs- Bewegungsdaten zu erhalten;
einer Erweiterungs-Bewegungsdaten-Berechnungsein- richtung (1078) zum Berechnen der Erweiterungs- Bewegungsdaten durch Auswerten der Informationen über die Erweiterungs-Bewegungsdaten und unter Verwendung von Informationen über Basis-Bewegungsdaten aufgrund der ausgewerteten Informationen über die Erweiterungs- Bewegungsdaten; und
einem Erweiterungs-Bewegungs-Kombinierer (1076) , der ausgebildet ist, um unter Verwendung der Erweiterungs- Folge von Restfehlerbildeirn und der Erweiterungs- Bewegungsdaten eine Folge von Bildern der Erweite- rungs-Skalierungsschicht zu erhalten.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
bei der der Erweiterungs-Bάld-Decodierer (1066) ausge¬ bildet ist, um aus der Erweiterungs-Skalierungsschicht ein Bewegungsdaten-Übernahmesignal zu liefern,
bei der ferner ein Hochtas~ter (1086) vorgesehen ist, um die Basis-Bewegungsdaten von einer Basis- Skalierungsschicht-Auflösung auf eine Erweiterungs- Skalierungsschicht-Auflösung umzusetzen, und
bei der die Erweiterungs-Bewegungsdaten-
Berechnungseinrichtung (1C78) ausgebildet ist, um ab¬ hängig von dem Bewegungsdaten-Übernahmesignal (1098) als Erweiterungs-Bewegungsdaten die umgesetzten Basis- Bewegungsdaten zu liefern.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Erweite- rungs-Bild-Decodierer (1066) ausgebildet ist, um aus der Erweiterungs-Skalierungsschicht eine Prädiktions- Signalisierung (1100, 1106) und ein Erweiterungs- Bewegungsdaten-Restsignal zu liefern,
bei der die Erweiterungs-Bewegungsdaten-Berech- nungseinrichtung (1078) ausgebildet ist, um das Erwei_- terungs-Bewegungsdaten-Restsignal abhängig von der Prädiktions-Signalisierung (1100, 1106) mit den Basis- Bewegungsdaten oder in ihirer Auflösung umgesetzten Ba.- sis-Bewegungsdaten zu kombinieren, um die Erweite- rungs-Bewegungsdaten zu erhalten.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der Erweiterungs- Bild-Decodierer (1066) ausgebildet ist, um aus der Er— weiterungs-Skalierungsschicht eine Differenz- Prädiktions-Signalisierung (1106) und ein Erweite- rungs-Bewegungsdaten-Rests±gnal in Form von Bewegungs— Vektordifferenzen für Blöcke zu liefern, und
bei der die Erweiterungs-Bewegungsdaten- Berechnungseinrichtung (1078) ausgebildet ist, um zur Berechnung eines Bewegungs-vektors für einen Block ab¬ hängig von der Differenz-Pxrädiktions-Signalisierung (1106) die Bewegungsvektorcäifferenz mit einem Basis- Bewegungsvektor für einen entsprechenden Block zu kom— binieren.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, die ferner einen Zwischen-Schicht-Kombinierer (1074) auf¬ weist, um in der Erweiterungsschicht enthaltene Erwei- terungs-Prädiktions-Restfehlerdaten mit der decodier¬ ten Basis-Folge von Restfeh2erbildern oder einer in¬ terpolierten Basis-Folge von Restfehlerbildern zu kom¬ binieren, um die Erweiterungs-Folge von Restfehlerbil¬ dern zu erhalten.
20. Verfahren zum Decodieren einer codierten Videosequenz mit einer Basis-Skalierungsschicht (1002) und einer Erweiterungs-Skalierungsschicht (1004) mit folgenden Schritten:
Decodieren (1060) der Basis-Skalierungsschicht, um ei- ne decodierte Basis-Folge von Restfehlerbildern und Basis-Bewegungsdaten zu erhalten;
Durchführen einer Basis-Bewegungs-Kombination (1064) unter Verwendung der Basis-Bewegungsdaten und der de- codierten Folge von Restfehlerbildern, so dass eine
Folge von Bildern der Basis-Skalierungsschicht erhal¬ ten wird;
Decodieren (1066) der Erweiterungs-Skalierungsschicht, um Informationen über eine Erweiterungs-Folge von
Restfehlerbildern und Informationen über Erweiterungs- Bewegungsdaten zu erhalten;
Berechnen (1078) der Erweiterungs-Bewegungsdaten durch Auswerten der Informationen über die Erweiterungs- Bewegungsdaten und unter Verwendung von Informationen über Basis-Bewegungsdaten aufgrund der ausgewerteten Informationen über die Erweiterungs-Bewegungsdaten; und
Durchführen einer Erweiterungs-Bewegungs-Kombination (1076), um unter Verwendung der Erweiterungs-Folge von Restfehlerbildern und der Erweiterungs-Bewegungsdaten eine Folge von Bildern der Erweiterungs- Skalierungsschicht zu erhalten.
21. Computerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 15 oder 20, wenn das Verfahren auf ei¬ nem Computer läuft.
22. Computer-lesbares Medium mit einer codierten Videose- cfuenz, die eine Basis-Skalierungsschicht (1002) und eine ErweiLterungs-Skalierungsschicht (1004) aufweist, wobei die codierte Videosequenz derart ausgebildet ist, dass sie dann, wenn sie in einer Vorrichtung zum Decodieren gemäß Patentanspruch 15 decodiert wird, in einer decodierten ers¬ ten Skalierungsschicht und einer decodierten zweiten Ska¬ lierungsschicht resultiert.
EP05791756A 2004-10-15 2005-09-21 Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer codierten videosequenz unter verwendung einer zwischen-schicht-bewegungsdaten-prädiktion Withdrawn EP1800490A1 (de)

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