Beschreibung
Verfahren zum Codieren einer Folge von digitalisierten Bildern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Codieren einer Folge von digitalisierten Bildern umfassend eine Vielzahl von Bildpunkten mit zugeordneten Bildpunktwerten sowie ein entsprechendes Decodierverfahren und einen entsprechenden Encoder und Decoder.
In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten ist es wünschenswert, digitalisierte Bilder möglichst gut mit geringen Verlusten zu komprimieren, um damit den Speicherplatz für die Bilder klein zu halten. Darüber hinaus ist es oftmals erforderlich, große Datenmengen von digitalisierten Bilderfolgen möglichst schnell aus einem Speicher über ein Übertragungsnetz auch bei eingeschränkter Bandbreite des Netzes abzurufen, wobei gegebenenfalls auch geringfügige Verluste bei der Kompression der Bilddaten akzeptiert werden können.
Digitalisierte Bilderfolgen treten unter anderem in medizinischen Anwendungen auf, bei denen beispielsweise bei Röntgenaufnahmen mittels eines Computertomographen eine Folge von zweidimensionalen Schnittbildern von Organen des geröntgten Patienten generiert werden, wobei diese Schnittbilder in einem gewissen räumlichen Abstand zueinander aufgenommen werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Kompressionsverfahren für die verlustfreie Kompression solcher Bildda- ten bekannt, wobei diese Verfahren auch für beliebige andere digitalisierte Bilder eingesetzt werden. Insbesondere werden zur Kompression die Standards JPEG-LS bzw. JPEG-2000 eingesetzt, bei denen die einzelnen Bilder der Bilderfolge unabhängig voneinander komprimiert werden. Dabei wird eine beste- hende Korrelation zwischen den einzelnen aufeinander folgenden Bildern nicht ausgenutzt.
Aus dem Stand der Technik sind ferner verschiedene Videocodierstandards bekannt, welche zur Kompression von sich bewegenden Bildinhalten, beispielsweise von Videofilmen, eingesetzt werden. In dem Codierstandard H.264/AVC werden Bildblö- cke von aufeinander folgenden Bildern mit Hilfe von Bewegungskompensation prädiziert. Der sich ergebende Prädiktionsfehler wird dann codiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vor- richtung zum Codieren bzw. Decodieren von Bildern zu schaffen, welche gute Kompressionsraten für Bilder beliebiger Bildinhalte ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß dem unabhängigen
Patentanspruch 19 bzw. den Encoder gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 21 bzw. den Decoder gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 22 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Folge von digitalisierten Bildern umfassend eine Vielzahl von Bildpunkten mit zugeordneten Bildpunktwerten codiert, wobei zu codierende Bildpunkte der Bilder prädiziert werden und die sich aus der Prädiktion ergebenden Prädiktionsfehler codiert werden. Die Prädiktion eines zu codierenden Bildpunkts erfolgt dabei für zumindest einen Teil der Bildpunkte mit Hilfe von Trajekto- rien entlang codierter Bildpunkte. Die Prädiktion basierend auf Trajektorien wird dabei vorzugsweise immer dann durchge- führt, wenn sie möglich ist, d.h. wenn ausreichend viele bereits codierte Bildpunkte vorliegen.
Bei der erfindungsgemäßen Prädiktion eines zu codierenden Bildpunkts basierend auf Trajektorien wird zunächst eine Mehrzahl von Trajektorien ermittelt, wobei die Trajektorien jeweils durch den zu codierenden Bildpunkt und weitere Bildpunkte aus dem Bild des zu codierenden Bildpunkts und/oder aus einem oder mehreren zeitlich zu dem Bild des zu codieren-
den Bildpunkts benachbarten Bildern verlaufen. Für die ermittelten Trajektorien wird jeweils ein Bewertungsmaß bestimmt, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Trajektorie gemäß dem Bewertungsmaß umso höher bewertet wird, je kleiner die Schwankungen der uncodierten Bildpunktwerte der weiteren Bildpunkte entlang der Trajektorie sind. Basierend auf den weiteren Bildpunkten der Trajektorie mit der höchsten Bewertung bzw. dem höchsten Bewertungsmaß wird dann ein Prädiktionswert für den Bildpunktwert des zu codierenden Bildpunkts ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich Bildpunkte mit ähnlichen Bildpunktwerten oftmals in eine vorgegebene Richtung fortsetzen, so dass eine besonders gute Prädiktion mit Hilfe von Trajektorien erreicht wird, deren Bildpunkte ähnliche Bildpunktwerte aufweisen. Hierdurch kann eine hohe Codiereffizienz, insbesondere für eine verlustfreie oder nahezu verlustfreie Codierung, erreicht werden .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hängt das Bewertungsmaß dabei von der Summe der betragsmäßigen Abweichungen oder der quadratischen Abweichungen zwischen den Bildpunktwerte der weiteren Bildpunkte der Trajektorie und dem Mittelwert dieser Bildpunktwerte ab, wobei eine Trajektorie umso höher bewertet wird, je kleiner die betragsmäßigen Abweichungen oder quadratischen Abweichungen sind.
Gegebenenfalls hängt das Bewertungsmaß auch von den Abständen zwischen den weiteren Bildpunkten der Trajektorie ab, wobei eine Trajektorie umso höher bewertet wird, je größer diese Abstände sind. Hierdurch wird eine geeignete Normalisierung des Bewertungsmaßes erreicht. Ebenso kann das Bewertungsmaß von dem Abstand zwischen dem zu codierenden Bildpunkt zu dem weiteren, am nächsten zu dem zu codierenden Bildpunkt liegenden Bildpunkt abhängen, wobei eine Trajektorie umso höher bewertet wird, je geringer dieser Abstand ist. Hierdurch fließt bei der Bewertung der Trajektorie ein Zuverlässigkeitsfaktor
ein, wobei davon ausgegangen werden kann, dass die Aussage, dass ein zu codierender Bildpunkt zu einer Struktur mit ähnlichen Bildpunktwerten gehört, umso zuverlässiger ist, je näher die weiteren Bildpunkte der Trajektorie zu dem zu codie- renden Bildpunkt sind.
Bei der erfindungsgemäß durchgeführten Prädiktion können Tra- jektorien mit der gleichen Länge und/oder auch Trajektorien mit unterschiedlichen Längen berücksichtigt werden. Entschei- dend ist lediglich, dass eine Trajektorie zumindest zwei weitere, bereits codierte Bildpunkte umfasst.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zulässige Länge der bei der Prädiktion verwen- deten Trajektorien nach jeder Codierung des Bildes um einen Bildpunkt erhöht. Hierdurch wird berücksichtigt, dass umso längere Trajektorien aus Bildpunkten verschiedener Bilder gebildet werden können, je mehr Bilder bereits codiert wurden. Gegebenenfalls kann die zulässige Länge der Trajektorien zu- mindest für eine vorbestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Bildern auch fest gewählt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Prädiktionswert für den Bildpunktwert des zu codierenden BiId- punkts mittels einer Extrapolation bestimmt. Es können dabei beliebige Extrapolationsverfahren eingesetzt werden, insbesondere eine lineare Extrapolation und/oder eine Spline- Extrapolation und/oder eine Polynom-Extrapolation. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass als Prädiktionswert für den Bildpunktwert des zu codierenden Bildpunkts der Mittelwert der Bildpunktwerte der weiteren Bildpunkte bestimmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für zumindest einen Teil der Bilder BiId- punkte mittels Trajektorien umfassend Bildpunkte aus dem gleichen Bild und/oder mittels Trajektorien umfassend Bildpunkte aus verschiedenen Bildern prädiziert. Insbesondere werden bei der Initialisierung des Verfahrens zumindest für
die ersten beiden Bilder Bildpunkte mittels Trajektorien aus dem gleichen Bild prädiziert und/oder basierend auf einer von dem erfindungsgemäßen Verfahren abweichenden Codierung codiert. Die abweichende Codierung wird in einem Bild dann ein- gesetzt, wenn noch nicht ausreichend viele Bildpunkte zur Prädiktion basierend auf Trajektorien vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die sich aus der Prädiktion ergebenden Prädiktionsfehler zumindest teilweise durch die Abweichung zwischen dem Bildpunktwert des zu codierenden Bildpunkts und dem prädizierten Bildpunktwert repräsentiert. Die Abweichung ist dabei insbesondere vorzeichenbehaftet, um bei einer späteren Decodierung auch den decodierten Bildpunkt richtig mittels der Abweichung zu korrigieren.
Gegebenenfalls kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung der Codiereffizienz ein Informationsverlust in den codierten Bildern akzeptiert werden. Vorzugsweise wird dabei ein Schwellwert vorgegeben, wobei die sich aus der Prädiktion ergebenden Prädiktionsfehler beim betragsmäßigen Überschreiten des Schwellwerts durch die Abweichung zwischen dem Bildpunktwert des zu codierenden Bildpunkts und dem prädizierten Bildpunktwert repräsentiert werden und ansonsten auf den Wert Null gesetzt werden. Auf diese Weise wird eine Fehlerschranke berücksichtigt, wobei alle Prädiktionsfehler kleiner oder gleich der Fehlerschranke auf Null gesetzt werden, wodurch die Codiereffizienz erhöht wird. Vorzugsweise wird dabei der Bildpunktwert eines Bildpunkts mit einem Prädiktionsfehler von Null durch den prädizierten Bildpunktwert ersetzt, um hierdurch einen Drift zwischen der Codierung und der Decodierung der Bilder zu vermeiden.
Der eigentliche Prädiktionsfehler kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl verlustfrei als auch verlustbehaftet co- diert werden. Es werden hierbei aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Codierung des Prädiktionsfehlers verwendet, welche insbesondere eine Transformation (vorzugsweise eine DCT-Transformation) und/oder eine Quantisierung und/oder
eine Entropiecodierung umfassen. Eine Quantisierung impliziert dabei Informationsverluste, wohingegen die Entropiecodierung verlustfrei ist.
Im Falle einer verlustbehafteten Codierung eines Prädiktionsfehlers wird der Bildpunktwert des Bildpunkts, für den der Prädiktionsfehler ermittelt wurde, vorzugsweise durch den prädizierten und mit dem decodierten Prädiktionsfehler korrigierten Bildpunktwert ersetzt. Auf diese Weise wird wiederum sichergestellt, dass keine Drifts zwischen der Codierung und der Decodierung der Bilder auftritt.
Im Regelfall ist es in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, dass Seiteninformationen betreffend die Durch- führung der Codierung übertragen werden, da bei der Decodierung in analoger Weise wie bei der Codierung vorgegangen wird und hierzu keine Informationen von dem die Codierung durchführenden Encoder benötigt werden. Sollten mehrere unterschiedliche Prädiktionsmodi verwendet werden, können jedoch gegebenenfalls Seiteninformationen zur Signalisierung des verwendeten Prädiktionsmodus für die codierten Bilder erzeugt werden .
Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Codierung von digitalisierten Bildern in der Form von medizinischen Aufnahmen, insbesondere von medizinischen Röntgenaufnahmen. Vor allem bei diesen Aufnahmen setzen sich Strukturen mit den gleichen oder ähnlichen Bildpunktwerten in solche Richtungen fort, in denen das aufgenommene Objekt (z.B. das Organ eines Patienten) liegt bzw. welche eine Grenze des Organs zu seiner Umgebung darstellen.
Neben dem oben beschriebenen Codierverfahren umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zum Decodieren einer Folge von digitalisierten Bildern, welche mit dem erfindungsgemäßen Codierverfahren codiert sind. Dabei werden die Prädiktionsfehler der jeweiligen Bildpunkte decodiert und die jeweiligen zu decodierenden Bildpunkte prädiziert, wobei sich ein decodier-
ter Bildpunkt aus einer Korrektur eines prädizierten Bildpunkts mit dem decodierten Prädiktionsfehler ergibt. Die Prädiktion eines zu decodierenden Bildpunkts läuft dabei wiederum basierend auf Trajektorien ab. Insbesondere wird eine Mehrzahl von Trajektorien ermittelt, wobei die Trajektorien jeweils durch den zu decodierenden Bildpunkt und weiteren, bereits decodierten Bildpunkten aus dem Bild des zu decodierenden Bildpunkts und/oder aus einem oder mehreren zeitlich zu dem Bild des zu decodierenden Bildpunkts benachbarten BiI- dern verlaufen. Für die ermittelten Trajektorien wird jeweils ein Bewertungsmaß bestimmt, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Trajektorie gemäß dem Bewertungsmaß umso höher bewertet wird, je kleiner die Schwankungen der decodierten Bildpunktwerte der weiteren Bildpunkte entlang der Trajekto- rie sind. Basierend auf den weiteren Bildpunkten der Trajektorie mit der höchsten Bewertung bzw. dem höchsten Bewertungsmaß wird dann ein Prädiktionswert für den Bildpunktwert des zu decodierenden Bildpunkts ermittelt.
Neben den oben beschriebenen Codier- und Decodierverfahren umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zum Übertragen einer Folge von digitalisierten Bildern, bei denen die Bilder der Folge mit dem erfindungsgemäßen Codierverfahren codiert werden, über eine Übertragungsstrecke übertragen werden und anschließend mit dem erfindungsgemäßen Decodierverfahren decodiert werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Encoder zum Codieren einer Folge von digitalisierten Bildern, der ein Prä- diktionsmittel zur Prädiktion von zu codierenden Bildpunkten der Bilder sowie ein Codiermittel zum Codieren der für die sich aus der Prädiktion ergebenden Prädiktionsfehler umfasst. Das Prädiktionsmittel ist dabei derart ausgestaltet, dass die oben beschriebene erfindungsgemäße Prädiktion mittels Trajek- torien mit dem Prädiktionsmittel durchführbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechenden Decoder zum Decodieren einer Folge von mit dem erfindungsgemäßen Ver-
fahren codierter Bilder, wobei der Decoder ein Decodiermittel zum Decodieren der Prädiktionsfehler der jeweiligen Bildpunkte sowie ein Prädiktionsmittel zur Prädiktion der zu decodierenden Bildpunkte umfasst, wobei sich der decodierte BiId- punkt aus einer Korrektur eines prädizierten Bildpunkts mit dem decodierten Prädiktionsfehler ergibt. Das Prädiktionsmittel ist dabei derart ausgestaltet, dass die Prädiktion mittels Trajektorien basierend auf dem erfindungsgemäßen Deco- dierverfahren erfolgt.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein System, umfassend einen erfindungsgemäßen Encoder und einen erfindungsgemäßen Decoder .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Codierung von
Bildern gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Diagramm, welches die Berechnung eines Prädik- tionswerts für einen zu codierenden Bildpunkt gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Systems aus En- coder und Decoder zum Codieren und Decodieren einer digitalisierten Bilderfolge gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 1 das Prinzip der erfin- dungsgemäßen Codierung basierend auf einem Ausschnitt einer Folge von digitalisierten Bildern umfassend drei zeitlich aufeinander folgende Bildern II, 12 und 13 beschrieben. Bei der Folge von Bildern kann es sich beispielsweise um Aufnah-
men von bildgebenden medizinischen Systemen handeln. Die einzelnen Bilder können insbesondere mit einem Computertomographen erfasste Schnittaufnahmen von Organen eines Patienten darstellen. Durch solche Systeme werden sehr große Daten- mengen generiert, welche für eine Archivierung verlustfrei oder nahezu verlustfrei gespeichert werden müssen.
Jedes einzelne Bild II, 12 bzw. 13 der digitalisierten Bilderfolge gemäß Fig. 1 enthält eine Vielzahl von Bildpunk- ten in der Form von Pixeln, wobei jedem Pixel ein Bildpunktwert zugeordnet ist, der bei Schwarz-Weiß-Aufnahmen ein Helligkeitswert und bei Farbaufnahmen im Regelfall ein Lumi- nanzwert ist. Die einzelnen Bildpunkte der Bilder sind in Fig. 1 durch Punkte dargestellt, wobei zwischen drei ver- schiedenen Arten von Bildpunkten unterschieden wird. Durch weiße Bildpunkte werden zu codierende Bildpunkte P wiedergegeben, durch schwarze und schraffierte Bildpunkte P' und P' ' bereits codierte Bildpunkte. Die schraffierten Bildpunkte P' dienen dabei in Fig. 1 zur Bildung von Trajektorien zur Prä- diktion des zu codierenden Bildpunkts in der dritten Zeile und dritten Spalte des Bilds 13. In Fig. 1 sind aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich einige der Bildpunkte mit den entsprechenden Bezugszeichen P, P' und P'' versehen. In Fig. 1 ist ferner ein Koordinatensystem mit x, y und z-Richtung wiedergegeben. Die x-y-Ebene repräsentiert dabei die zweidimensionale Ausdehnung der entsprechenden Bilder und durch die z-Richtung wird die zeitliche Reihenfolge der Bilder wiedergegeben, wobei das Bild Il vor dem Bild 12 und das Bild 12 vor dem Bild 13 aufgenommen wurde.
In dem Beispiel der Fig. 1 ist die Codierung des Pixels in der dritten Spalte und dritten Zeile des Bilds 13 wiedergegeben. Bei der erfindungsgemäßen Codierung werden dabei Trajektorien ausgehend von dem zu codierenden Bildpunkt durch zu- mindest zwei weitere, bereits codierte Bildpunkte im gleichen Bild 13 bzw. in den benachbarten Bildern Il und 12 bestimmt. Die Trajektorien, welche durch Bildpunkte im gleichen Bild 13 verlaufen, sind in Fig. 1 dabei mit T' bezeichnet. Demgegen-
über sind die Trajektorien, welche durch Bildpunkte in den zeitlich vorhergehenden Bildern Il und 12 verlaufen, mit dem Bezugszeichen T bezeichnet. Es sind aus Übersichtlichkeitsgründen wiederum nur einige Trajektorien mit den entsprechen- den Bezugszeichen T bzw. T' versehen. Basierend auf den Trajektorien wird mit der erfindungsgemäßen Codierung eine geeignete Prädiktion des zu codierenden Bildpunkts ermöglicht. Die einzelnen Schritte zur Prädiktion laufen dabei wie nachfolgend erläutert ab.
Zunächst wird eine Anzahl n von Bildpunkten festgelegt, die pro Trajektorie ausgewählt werden. Die Anzahl entspricht dabei der Gesamtanzahl der Bildpunkte pro Trajektorie abzüglich des zu codierenden Bildpunkts. Es müssen dabei mindestens zwei Bildpunkte als Mindestanzahl vorhanden sein. In dem Szenario der Fig. 1 wurde diese Anzahl auf n = 2 gesetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Wert n der Anzahl der Bildpunkte im Laufe des Verfahrens variiert bzw. für Trajektorien mit Bildpunkten innerhalb des gleichen Bildes anders gewählt wird als für Trajektorien mit Bildpunkten aus verschiedenen Bildern. Gegebenenfalls kann nach jeder Codierung eines neuen Bildes die Anzahl an zulässigen Bildpunkten pro Trajektorie immer um eins heraufgesetzt werden.
Nach Festlegung der Anzahl der Bildpunkte werden die durch bereits codierte Bildpunkte verlaufenden Trajektorien bestimmt. In dem Szenario der Fig. 1 werden dabei Trajektorien sowohl in dem Bild 13 als auch in den zwei vorhergehenden Bildern Il und 12 herangezogen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass in dem Verfahren nur Trajektorien aus dem gleichen Bild bzw. nur Trajektorien mit Bildpunkten aus verschiedenen Bildern verwendet werden. Gemäß Fig. 1 existieren vier Trajektorien T' mit Bildpunkten aus dem gleichen Bild 13 und neun Trajektorien T mit jeweils einem Bildpunkt aus dem Bild Il und dem Bild 12. Es wird nunmehr für jede der Trajektorien ein Fehlermaß fγ bestimmt, welches die Abweichung der Bildpunktwerte der Bildpunkte P' der jeweiligen Trajektorie von dem Mittelwert dieser Bildpunktwerte repräsentiert. Das
heißt, das Fehlermaß ist in der hier beschriebenen Ausführungsform wie folgt definiert:
Das obige Fehlermaß entspricht einer speziellen Variante eines Bewertungsmaßes gemäß Anspruch 1, wobei ein geringeres Fehlermaß einer höheren Bewertung entspricht.
Das Fehlermaß kann auch gegebenenfalls anders definiert sein, entscheidend ist lediglich, dass das Fehlermaß ein Maß für die Schwankungen der Bildpunktwerte entlang der Trajektorie darstellt. Beispielsweise kann anstatt der Abweichung in der Form der betragsmäßigen Differenz zwischen Bildpunktwert und Mittelwert auch die quadratische Abweichung und damit die Varianz zur Berechnung des Fehlermaßes verwendet werden.
Mit Hilfe des obigen Fehlermaßes ergibt sich für das Szenario der Fig. 1, bei dem n = 2 gewählt ist, das Fehlermaß wie folgt:
Das Fehlermaß kann gegebenenfalls auch so definiert sein, dass es durch den Abstand d der Bildpunkte auf der Trajektorie normalisiert wird. Ein entsprechendes Fehlermaß f2 lautet dann wie folgt:
Δx , Ay und Δz sind dabei die Abstände von zwei Bildpunkten auf der Trajektorie in x- bzw. y- bzw. z-Richtung. In dem Szenario der Fig. 1 sind diese Abstände entlang einer Trajektorie konstant. Gegebenenfalls kann die obige Gleichung auch
derart modifiziert werden, dass sich verändernde Abstände zwischen den einzelnen Bildpunkten berücksichtigt werden.
Basierend auf dem Fehlermaß wird schließlich die Trajektorie mit dem geringsten Fehlermaß, d.h. mit der höchsten Bewertung, ausgewählt. Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, dass sich insbesondere in medizinischen Bildern Strukturen mit einem gleichen oder ähnlichen Helligkeitswert in eine Richtung fortsetzen. Der Prädiktor bzw. Prädiktionswert w für das zu codierende Pixel wird dann in der hier beschriebenen Ausführungsform basierend auf einer Extrapolation entlang der ausgewählten Trajektorie ermittelt. Für den in Fig. 1 betrachteten Fall, bei dem n = 2 gilt, wird beispielsweise eine lineare Extrapolation verwendet, bei der sich der Prädiktor w wie folgt ergibt:
W = W2- Aw =w2- (wλ -W2) = Iw2 - W1
Die Berechnung des Prädiktors mit linearer Extrapolation ist in Fig. 2 gezeigt. Entlang der Abszisse ist der Verlauf der Trajektorie wiedergegeben, der geeignet parametrisiert ist. Die Werte Pl und P2 bezeichnen dabei die Positionen der bereits codierten Bildpunkte entlang der zur Prädiktion verwendeten Trajektorie und der Punkt P3 ist die Position des BiId- punkts, der zu prädizieren ist. Entlang der Ordinate sind die entsprechenden Bildpunktwerte der Bildpunkte, beispielsweise als entsprechende Helligkeitswerte, aufgetragen. Der Bildpunktwert des Bildpunkts an der Position Pl ist dabei mit W1 und der Bildpunktwert des Bildpunkts an der Position P2 mit W2 bezeichnet. Bei der linearen Extrapolation wird nunmehr eine Gerade durch die Bildpunkte W1 und w2 gelegt, und entsprechend der Geradengleichung wird an der Position P3 der Bildpunktwert w des zu codierenden Bildpunkts bestimmt. Man erkennt, dass in dem Szenario der Fig. 1 der Bildpunktwert von W1 nach w2 um den Abstand Δw abnimmt. Um diesen Abstand ist dann auch der prädizierte Bildpunktwert w kleiner als der Bildpunktwert w2.
Anstatt der oben beschriebenen linearen Extrapolation kann der Prädiktionswert auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine Spline-Interpolation oder Polynom-Extrapolation, bestimmt werden. Ebenso kann gegebenenfalls auch der Mittel- wert der Bildpunkte als Prädiktionswert verwendet werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Auswahl der Trajektorie durch einen Zuverlässigkeitsfaktor g(a) modifiziert werden, der in Abhängigkeit von einem Abstand a des zu prädizierenden Bildpunkts zu dem nächstliegenden Bildpunkt auf der Trajektorie ist. Dieses modifizierte Abstandsmaß /{ kann dabei beispielsweise wie folgt lauten:
f[= gia)-fx
Mit obiger Gleichung kann berücksichtigt werden, dass Trajek- torien umfassend Bildpunkte mit einem kleinen Abstand zum prädizierten Bildpunkt bevorzugt ausgewählt werden. Die Funk- tion g(a) ist in diesem Fall monoton steigend. Mit dem Zuverlässigkeitsfaktor wird berücksichtigt, dass die Wahrscheinlichkeit einer richtigen Prädiktion höher ist, je näher die Bildpunkte einer Trajektorie zu dem zu prädizierenden Bildpunkt sind.
Nach der Ermittlung des Prädiktionswerts w folgen schließlich die Restfehlerermittlung und die anschließende Codierung dieses Restfehlers. Der Prädiktor w entspricht im Regelfall nicht dem zu codierenden Originalbildpunktwert. Deshalb wird ein Fehlersignal (auch als Prädiktionsfehler bezeichnet) berechnet, welches der Differenz zwischen Prädiktor und Originalbildpunktwert entspricht. Im Falle einer verlustfreien Codierung wird dieses Fehlersignal codiert. Es ist jedoch auch möglich, dass zur Codierung eine Fehlerschranke vorgegeben wird, wobei das ursprünglich ermittelte Fehlersignal nur dann codiert wird, wenn die betragsmäßige Differenz des Fehlersignals nicht innerhalb der Fehlerschranke liegt. Sollte die betragsmäßige Differenz innerhalb der Fehlerschranke liegen,
wird ein Prädiktionsfehler von Null übertragen. Gegebenenfalls kann die Fehlerschranke auch variiert werden, wobei für den Fall der verlustfreien Codierung die Fehlerschranke auf Null gesetzt wird.
Durch die Berücksichtigung einer Fehlerschranke wird eine höhere Kompression der codierten Bilder erreicht. Die Bildqualität nimmt zwar ab, jedoch kann sie für bestimmte Anwendungen weiterhin ausreichend sein. Bei der Berücksichtigung ei- ner Fehlerschranke ist es günstig, dass der ursprüngliche
Bildpunktwert eines prädizierten Bildpunkts durch den Bildpunktwert des prädizierten Bildpunkts ersetzt wird, falls die Differenz innerhalb der Fehlerschranke liegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Encoder und Decoder auf derselben Datengrundlage arbeiten, wodurch Drift vermieden wird.
Nach der Bestimmung des Fehlersignals bzw. Prädiktionsfehlers wird dieser Fehler codiert. Diese Codierung kann auf beliebige Weise mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Insbesondere kann eine Transformation (vorzugsweise eine DCT-Transformation) des Prädiktionsfehler durchgeführt werden und anschließend basierend auf den transformierten Prädiktionsfehlern eine Quantisierung und/oder eine Entropiecodierung erfolgen. Die Schritte der Quantisierung und Entro- piecodierung sind dabei aus dem Bereich der Videocodierung hinlänglich bekannt. Dabei führt die Quantisierung zu einem Verlust, wohingegen durch die Entropiecodierung eine verlustlose Komprimierung durchgeführt wird.
Sollen die Bilder der Bilderfolge verlustfrei codiert werden, wird bei der Codierung des Prädiktionsfehlers nur die Entropiecodierung und nicht die Quantisierung eingesetzt. Wird der Prädiktionsfehler durch die Codierung (d.h. insbesondere durch eine Quantisierung) verändert, ist es günstig, den ur- sprünglichen Bildpunktwert des codierten Pixels durch den
Bildpunktwert zu ersetzen, der sich aus dem prädizierten Wert und dem codierten und anschließend wieder decodierten Prädiktionsfehler ergibt. Auf diese Weise wird wiederum sicherge-
stellt, dass Encoder und Decoder dieselbe Datengrundlage für die Bestimmung der Prädiktoren haben, so dass Drift vermieden wird.
Nach der soeben beschriebenen Codierung des Prädiktionsfehlers wird der codierte Fehler an einen Decoder übertragen. In dem Decoder ist in analoger Weise eine Decodierung basierend auf der im Vorangegangenen beschriebenen Ermittlung von Tra- jektorien implementiert. Insbesondere decodiert der Decoder Prädiktionsfehler und führt eine erfindungsgemäße Prädiktion basierend auf Trajektorien die einzelnen Bildpunktwerte durch. Anschließend werden die prädizierten Bildpunkte mit den decodierten Prädiktionsfehlern korrigiert, um hierdurch den ursprünglichen Pixelwert zu erhalten. Im Falle einer ver- lustfreien Codierung wird dann auch exakt der ursprüngliche Pixelwert erhalten.
Bei der Decodierung ist es in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, dass Seiteninformationen zur Auswahl der Trajektorie an den Decoder übertragen werden, da der Decoder die Auswahl der Trajektorien analog zum Encoder nachvollziehen kann. Lediglich für den Fall, dass der Encoder sich aus Effizienzgründen für eine andere Trajektorie entscheidet oder zwischen verschiedenen Prädiktionsmodi gewechselt wird (z.B. zwischen den bekannten Modi im Standard H.264/AVC zur Codierung des Prädiktionsfehlers), können entsprechende Seiteninformationen optional übermittelt werden.
Bei der Initialisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens er- folgt die Codierung der ersten beiden Bilder zwangsläufig nicht auf dreidimensionalen Trajektorien aus unterschiedlichen Bildern, da anfangs noch keine codierten Bildpunkte aus verschiedenen Bildern zur Bildung der Trajektorien vorhanden sind. Stattdessen wird eine zweidimensionale Richtungsprädik- tion eines Bildpunkts basierend auf Bildpunkten des gleichen Bildes verwendet. Ferner wird für die ersten zu codierenden Bildpunkte des ersten bzw. zweiten Bildes eine komplett andere Codierung verwendet (z.B. eine Intracodierung ohne Prädik-
tion) , da anfangs auch noch keine zweidimensionalen Trajekto- rien im gleichen Bild gebildet werden können. Eine Richtungsprädiktion basierend auf drei Dimensionen, d.h. unter Berücksichtigung der z-Richtung, erfolgt erst bei der Codie- rung des dritten Bildes nach der Initialisierung des Verfahrens .
Für das dritte zu codierende Bild sind dreidimensionale und auch zweidimensionale Trajektorien der Länge n = 2 vorgese- hen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Alternativ können im dritten Bild auch ausschließlich zweidimensionale Trajektorien innerhalb des gleichen Bilds verwendet werden. Es ist dann jedoch erforderlich, für ausgewählte Bildbereiche (z.B. Blöcke vorgegebener Größe) den Prädiktionsmodus zu signali- sieren und als Seiteninformation an den Decoder zu übertragen. Die dreidimensionale Prädiktion kann nunmehr auch für die weiteren zu codierenden Bilder fortgesetzt werden, wobei mit jedem hinzukommenden Bild gegebenenfalls die maximale Länge der dreidimensionalen Trajektorien um eins erhöht wer- den kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die Auswahl einer bevorzugten Prädiktionsrichtung pro Bildpunkt basierend auf entsprechenden Trajektorien kann eine gute Prädiktion insbesondere für Strukturen erreicht werden, bei denen sich derselbe Helligkeitswerts eines Objekts in eine Richtung fortsetzt, wie dies insbesondere bei medizinischen Bilddaten der Fall ist. Es kann somit eine höhere Codiereffizienz, insbesondere für verlustfreie bzw. na- hezu verlustfreie Codierung, erreicht werden. Die Prädiktionsrichtung wird erfindungsgemäß anhand bereits codierter Bildpunkte ermittelt. Diese Ermittlung erfolgt im Decoder in der gleichen Weise wie im Encoder, so dass keine zusätzlichen Prädiktionsinformationen vom Encoder an den Decoder übermit- telt werden müssen. Dies erhöht zusätzlich die Codiereffizienz .
In Fig. 3 ist schematisiert ein System zum Codieren und Decodieren einer Bilderfolge basierend auf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Der Encoder zum Codieren der Bilderfolge ist dabei mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und der dem Encoder zugeführte Bilddatenstrom umfassend die Bilder II, 12 und 13 wird zunächst einem Prädiktionsmittel 2 zugeführt, das basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Trajektorien einen Prädiktionswert und einen entsprechenden Prädiktionsfehler zwischen Prädikti- onswert und ursprünglichem Bildpunktwert der einzelnen Bildpunkte ermittelt. Die Prädiktionsfehler werden dann einem Codiermittel 3 zugeführt, der basierend auf entsprechend bekannten Codierverfahren, wie Quantisierung bzw. Entropiecodierung, den Prädiktionsfehler codiert.
Der codierte Prädiktionsfehler wird schließlich über einen Übertragungsweg, der mit dem Pfeil P angedeutet ist, an einen Decoder 4 übertragen. Der Übertragungsweg kann dabei leitungsgebunden oder drahtlos sein. Im Decoder erfolgt eine De- Codierung des empfangenen Prädiktionsfehlers in einem entsprechenden Decodiermittel 5. Ferner wird die Prädiktion der Bildpunktwerte in einem Prädiktionsmittel 6 durchgeführt, wobei die Prädiktion analog zum Prädiktionsmittel 2 basierend auf Trajektorien abläuft. Die prädizierten Bildpunkte werden dann mit dem decodierten Prädiktionsfehler korrigiert, so dass bei verlustfreier Codierung der ursprüngliche Bildpunktwert und bei verlustbehafteter Codierung ein approximierter Bildpunktwert erhalten wird.