FI111764B - Menetelmä ja järjestely kuvatiedon käsittelemiseksi - Google Patents

Description

111764

Menetelmä ja järjestely kuvatiedon käsittelemiseksi - Förfarande och anord-ning för behandling av bilddata

Keksintö liittyy yleisesti kuvatiedon käsittelyyn. Keksintö kohdistuu erityisesti ei-liikkuvien kuvien eli stillkuvien koodausta ja dekoodausta pakkausta eli tiivistämistä varten. Eräs keksinnön sovellutus koskee kuvatiedon tallentamista ja siirtämistä matkaviestinjärjestelmässä.

5 Digitaalikuvilla on taipumus sisältää suuri määrä tietoa, joka tulisi pakata tehokkaasti, jotta kuvia voitaisiin käyttää erilaisissa kuvankäsittelysovellutuksissa, joka vaihte-lee digitaalisen kameran muutamasta kuvasta kuva-arkistokirjastojen tuhansiin kuviin. Sovellutuksiin kuuluu myös kuvansiirto, joka kattaa sekä matkaviestin- ja radiotietoliikenteen että Internetin. Tämän vuoksi on kehitetty useita pakkausmenetel-10 miä näiden sovellutusten toteuttamiseksi. Pakkausmenetelmän tehokkuus riippuu pääasiassa sovellutuksesta, johon se liittyy. Matkaviestinjärjestelmien osalta pakkausmenetelmässä tulisi ottaa huomioon matkaviestimen pieni muistikapasiteetti ja siirtokanavan rajallinen kapasiteetti.

Kuva 1 esittää tyypillisen kuvan pakkaus- ja siirtojärjestelmän 100 lohkokaavion. 15 Digitoitu syötetty kuvatieto Y muunnetaan ensin siirtofunktiolla 102 muotoon w(Y). Se voi olla sellainen, jossa suoritetaan muunnos tila-tasosta, jossa kuvaa edustavat • kuvapistearvot (esim. luminanssi ja krominanssi), taajuustasolle. Sellaisen muun- .* noksen jälkeen kuvatieto ilmaistaan nyt tyypillisesti muunnostason kertoimina, • esim. DCT-muunnoksen kertoimina (DCT, Discrete Cosine Transform). Sen jälkeen 20 muunnostason kertoimet kvantisoidaan määrätyille tasoille q(w), 104. Edelleen . ·, kvantisoitu tieto koodataan, 106. Tässä vaiheessa kuvatieto on pakatussa muodossa.

Tätä pakattua tietoa voidaan käyttää tallentamiseen, ja tämän vuoksi kanavaa 110 .. voitaisiin käyttää kuvan taltioimiseen laitteen tallennuslevylle. Pakattua tietoa voi- * t täisiin käyttää siirtoa varten, ja tällöin kanava 110 voisi olla se kanava, jota käy-‘ · ‘ 25 tetään matkaviestin- tai radiotietoliikenteeseen, tai Intemet-välitykseen. Järjestelmän ’ I pakkauksen purkuosassa (vastaanotto) signaali e(q) vastaanotetaan kanavalta 110 ja ;dekoodataan dekooderissa 120, jonka jälkeen sille tehdään käänteiskvantisointi 122 . ja käänteismuunnos 124 kuvatiedon Y saamiseksi.

I Edellä selitetyt vaiheet muodostavat koodekkien peruskomponentit, joita käytetään 30 kuvan pakkaamisessa ja pakkauksen purkamisessa. Termi koodekki on annettu nimeksi kuvaa koodaavalle järjestelmälle tai järjestelylle, joka pystyy sekä koodaa- 2 111764 maan että dekoodaamaan kuvatietoa. Koodekit voidaan luokitella niiden tarjoamien toimintojen ja suorituskyvyn mukaan. Esimerkiksi matkaviestinympäristössä koo-dekki on parempi, jos se tarjoaa: - parhaimman mahdollisen kuvan laadun käytettävissä olevalla, tietyllä datasiirtono-5 peudella; - progressiivisen laadun. Tämä tarkoittaa sitä, että koodauksen ja dekoodauksen aikana kuvan laatua voidaan asteittain parantaa lisäämällä sen esityksessä käytettyjen bittien lukumäärää kuvapistettä kohti; - progressiivisen resoluution. Tämä tarkoittaa sitä, että kuvan resoluutiota voidaan 10 asteittain parantaa koodauksen ja dekoodauksen aikana; - yksinkertaisen toteutuksen; - kestävyyden virheitä kohtaan, joita voi esiintyä siirron aikana.

Kuvan pakkaamiseksi on tavallisia tekniikan tasossa käytettyjä menetelmiä. Laajimmin käytetty on ISO:n (International Standards Organization) julkaisema standardi 15 JPEG (Joint Photographic Experts Group). Kuvien pakkausstandardi JPEG sisältää 4 osaa. Parhaiten tunnettu ja tavallisimmin käytetty on ensimmäinen osa, joka tunnetaan nimellä perus-JPEG (JPEG baseline). Sen lisäksi että sillä on heikko suorituskyky, kun sitä sovelletaan pienillä bittinopeuksilla, tämä palkkausjärjestelmä ei tarjoa edellä mainittua toimivuutta. Perus-JPEG:n puutteiden voittamiseksi on 20 ehdotettu monia ratkaisuja. Näistä menetelmistä esitetään lyhyt kuvaus alla.

\ Aiemmin tunnetaan niin sanotun EDCT-muunnoksen (Embedded Discrete Cosine

Transform) ratkaisun käyttö. Tässä menetelmässä kuva muunnetaan DCT-muunnok-,,: sella, jota sovelletaan 8x8-kuvapistelohkoihin. Kvantisointi suoritetaan peräkkäin ta- . pahtuvana ja upotettuna koodausosaan. Koodaus suoritetaan käyttäen kontekstipe- ’.. 25 rasteista aritmeettista koodausta (context dependent arithmetic coding), jonka takia • ’ siitä tulee mutkikkaampi sekä muistin että laskentatavan kannalta. Lisäksi tämä me netelmä on lohkoperastainen, ja näin ollen se pienillä bittinopeuksilla johtaa lohko-: \ * virheisiin, jotka vaativat jälkikäsittely suodattimien käyttämistä. Tämän vuoksi sitä ei :,,.: voi pitää edullisena ratkaisuna matkaviestintää ajatellen. Lisää yksityiskohtia tästä : 30 menetelmästä saadaan viitteestä [1].

'. · ·' On myös tunnettua käyttää niin sanottua WTCQ-kvantisointia (Wavelet Trellis Co- • ded Quantization). Tämä algoritmi käsittää neljä vaihetta: kuvatiedon aaltoalkio- : muunnos (wavelet transform), muunnetun tiedon kaistojen luokitus ja bittijako, jol loin luokitus saadaan laskemalla tilastotietoja tiedosta. Näiden luokitusten perasteel-35 la suoritetaan muunnoskertoimien kvantisointi trelliksen tapaan. Trellis-kvantisointi otetaan trellis-modulointina tunnetusta menetelmästä, jonka avulla voidaan käyttää 3 111764 kaksinkertaista kvantisointitasojen lukumäärää tietyllä sallitulla bittinopeudella asettamalla rajoituksia tasojen välisille siirtymisille. Myöhemmin kvantisoidut kertoimet koodataan bittitasoihin (bit pluges) kontekstiin perustuvalla aritmeettisella kooderil-la (context based arithmetic coder). Tämä ratkaisu on kovin mutkikas matkaviestin-5 sovellutuksiin, eikä se tarjoa hyvää suorituskykyä pienillä bittinopeuksilla. Yksityiskohtia tästä menetelmästä saadaan viitteestä [2],

Erästä toista tekniikan tason ratkaisua sanotaan MTWC-koodaukseksi (Multi-Threshold Wavelet Coding). Tässä menetelmässä aaltoalkiomuunnos kohdistetaan kuvatietoon. Kvantisointi suoritetaan peräkkäin ja riippumattomasti muunnetun tie-10 don jokaiselle kaistalle; tästä nimitys moniportainen (multi-threshold). Koodaus suoritetaan sitten käyttäen kontekstiin perustuvaa aritmeettista koodausta, joka mutkistaa ratkaisua, ja tämän vuoksi sen käyttöä matkaviestintään ei pidetä edullisena. Yksityiskohtia tästä menetelmästä saadaan viitteestä [3],

Eräästä toisesta tekniikan tason ratkaisusta käytetään nimitystä Quadtree based Ent-15 ropy Coding. Tässä menetelmässä kuvatiedolle tehdään aaltoalkiomuunnos, jonka jälkeen muunnostason kertoimet jaetaan lohkoihin, joissa on 2nx2n kuvapistettä. Tämän jälkeen jokainen lohko koodataan jakamalla se neljäksi kvadrantiksi. Jokainen kvadrantti koodataan taas jakamalla se neljäksi kvadrantiksi, ja niin edelleen, kunnes uuttajakoa ei enää voi tehdä, niin että muodostuu kvadranttien muodostama 20 puu, josta nimitys quadtree (kvadranttipuu). Ensimmäisellä tasolla lähetetään se bit-. j timäärä, joka tarvitaan lohkon maksimikertoimen määrittämiseksi, sen jälkeen jokai- , ·. sen kvadrantin osalta määritetään lohkon maksimikertoimen ja kvadrantin maksimi- kertoimen välinen erotus. Tämän menetelmän etuna on, että se vaatii vähemmän laskentaa ja entropiakoodaus on yksinkertainen. Tämän ratkaisun ongelmana on kui-:,,' 25 tenkin se, ettei algoritmi tarjoa progressiivista laatua tai resoluutiota, jotka ovat tär- v keitä ominaisuuksia matkaviestinsovellutuksissa, kuten jo mainittiin. Yksityiskohtia tästä menetelmästä saadaan viitteestä [4].

< * e .**·. Eräs toinen tekniikan tason ratkaisu on Compact Quadtree Based Subband Image ,· , -koodausmenetelmä. Tätä tekniikan tason menetelmää kuvien pakkaamiseksi selite- * ' 30 tään asiakirjassa [5], Menetelmässä käytetään aaltoalkio-muunnosta, sen jälkeen kvantisointi upotetaan koodaukseen. Jokaista kvantisointitasoa kohti käytetään ; ’; quadtree-pohjaista menetelmää kaistojen koodausta varten. Kaistojen merkittävyys- , : kartta (alue, jossa kertoimet ovat suuremmat kuin kvantisointitaso) koodataan quadt- ree-menetelmällä, joka käyttää kolmea symbolia solmukohtiensa esittämiseen: 35 - “X” vastaa quadtree-lohkoa, jossa ainakin yksi kerroin on koodattu edellisellä kvantisointikynnyksellä; 4 111764 - “1” vastaa quadtree-lohkoa, jossa on ainakin yksi merkitsevä kerroin ja ei-merkitsevä kerroin; ja - “0” vastaa quadtree-lohkoa, jossa koko lohko on ei-merkitsevä.

Yksi symboleista saadaan implisiittisesti datasta, koska merkitsevän kertoimen 5 esiintyminen alueella tarkoittaa sitä, että koko aluetta pidetään merkitsevänä tulevia bittitasoja varten. Tämän vuoksi tässä menetelmässä oletetaan implisiittisesti, että kaistan data on voimakkaasti korreloitunutta. Näin ei kuitenkaan ole, koska hajoittaminen (eli muunnos) vähentää datan korrelaatiota. Lisäksi tämä menetelmä toimii huonosti virheiden esiintyessä, koska määrätyn näytteen osalta tehty väärä päätös 10 vääristää koko alueen. Tässä tapauksessa virhe etenee myös bittitasosta toiseen, koska tieto kulloisestakin bittitasosta saadaan edellisestä.

Näin ollen keksinnön tavoitteena on aikaansaada menetelmä ja järjestelmä kuvien pakkaamiseksi niin, että säilytetään kuvan korkea laatu yksinkertaisella laskennalla ja pienillä muistivaatimuksilla. Tämän keksinnön tavoitteena on myös ratkaista mai-15 nittujen tekniikan tason ratkaisujen ongelmat sekä täyttää kuvankäsittelylle asetetut vaatimukset, joita edellä tarkasteltiin.

Keksinnön tavoitteet toteutetaan aikaansaamalla kuvankäsittelytoimenpide, joka perustuu aaltoalkio-muunnokseen (wavelet transform), peräkkäiseen approksimointi-kvantisointiin (succesive approximation qvantisation) ja quadtree-koodaukseen 20 (guadtree coding). Qaudtree-koodaus käsittää edullisesti vaiheen, jossa quadtree-,' lohkojen kertoimien merkitsevyys koodataan kahdella symbolilla.

Esillä oleva keksintö tarjoaa tärkeitä etuja tekniikan tason menetelmiin verrattuna.

; ; Ratkaisu ei vaadi laajaa tietojenkäsittelyä tai suurta muistikapasiteettia. Kuitenkin se :Έ; tarjoaa korkean kuvanlaadun tietyllä bittinopeudella tekniikan tason ratkaisuihin 25 verrattuna. Keksinnön mukainen ratkaisu tarjoaa myös progressiivisen laadun ja re-; v, soluution.

Koska keksinnön menetelmässä ei suoriteta mitään luokituksia tai nopeusallokaa-: tioita (rate allocations), siinä upotetaan kvantisointiprosessi koodausosaan ja mah- dollistetaan osakaistojen ohi hyppääminen (subband skipping). Koodaus tehdään 30 yksinkertaisessa quadtree-muodossa, eikä aritmeettista koodausta tarvita. Näiden .· : etujen takia uusi ratkaisu on ihanteellinen matkaviestintää varten.

Esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmällä on tunnusomaista, että se käsittää vaiheet, joissa a) syötetty kuvatieto muunnetaan osakaistoiksi (sub-bands); 5 111764 b) muunnettu kuvatieto koodataan käyttäen peräkkäistä approksimointi-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa upotettuna koodaus-prosessiin; ja c) koodataan bittivirta merkitsevyystiedolla käyttäen quadtree-pohjaista menetelmää 5 ja sisällytetään bittivirtaan etumerkki- ja tarkennustietoa.

Keksintö koskee myös menetelmää bittivirran käsittelemiseksi kuvatiedoksi, jolloin bittivirta käsittää merkitsevyys-, etumerkki- ja tarkennustietoa, jolle menetelmälle on tunnusomaista, että se käsittää vaiheet, joissa: - dekoodataan merkitsevyystieto bittivirrasta quadtree-pohjaisella menetelmällä ja 10 otetaan bittivirrasta talteen etumerkki- ja tarkennustieto; - suoritetaan dekoodatun tiedon käänteinen peräkkäinen approksimointi-kvantisointi; ja - suoritetaan käänteinen muunnos kuvatiedon tuottamiseksi dekoodatusta ja kään-teiskvantisoidusta bittivirrasta.

15 Lisäksi keksintö koskee järjestelmää kuvatiedon käsittelemiseksi, jolloin järjestelmälle on tunnusomaista, että se käsittää: a) välineet syötetyn kuvatiedon muuntamiseksi eri osakaistoiksi; b) välineet muunnetun kuvatiedon koodaamiseksi käyttäen peräkkäistä approksimointi-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa : : ’: 20 upotettuna koodausprosessiin; ja c) välineet merkitsevyystiedon koodaamiseksi bittivirtaan käyttäen quadtree-poh- : ’.'. jäistä menetelmää ja etumerkki- ja tarkennustiedon sisällyttämiseksi bittivirtaan.

Keksintö koskee myös järjestelmää bittivirran käsittelemiseksi kuvatiedoksi, jolloin * * * ’·' * bittivirta käsittää merkitsevyys-, etumerkki- ja tarkennustietoa, jolle järjestelmälle v · 25 on tunnusomaista, että se käsittää: - välineet merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi bittivirrasta quadtree-pohjaisella πιει * · : netelmällä ja etumerkki- ja tarkennustiedon ottamiseksi talteen bittivirrasta; - välineet dekoodatun tiedon peräkkäisen approksimointi-kvantisoinnin suorittami- I » i , seksi; ja 30 - välineet käänteisen muunnoksen suorittamiseksi kuvatiedon tuottamiseksi dekoo- * » * ·; ‘ datusta ja käänteiskvantisoidusta bittivirrasta.

[V J Lisäksi keksintö koskee kuvankäsittelyjärjestelmää, jolle on tunnusomaista, että ku- • : vatiedon käsittelyä ja siirtoa varten se käsittää: - välineet syötetyn kuvatiedon muuntamiseksi eri osakaistoiksi; 35 - välineet muunnetun kuvatiedon koodaamiseksi käyttäen peräkkäisiä approksimoin- 6 111764 ti-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa upotettuna koodausprosessiin; - välineet merkitsevyystiedon koodaamiseksi bittivirtaan käyttäen quadtree-pohjaista menetelmää ja etumerkki-ja tarkennustiedon sisällyttämiseksi bittivirtaan; 5 - välineet merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi bittivirrasta quadtree-pohjaisella me netelmällä ja etumerkki-ja tarkennustiedon ottamiseksi talteen bittivirrasta; - välineet dekoodatun tiedon käänteisen peräkkäisen approksimointi-kvantisoinnin suorittamiseksi; ja - välineet käänteisen muunnoksen suorittamiseksi kuvatiedon tuottamiseksi.

10 Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Tässä tekstissä termi “tietoliikennejärjestelmä” tarkoittaa mitä tahansa järjestelmää tiedon siirtämiseksi. Termi “matkaviestinjärjestelmä” tarkoittaa tässä tekstissä yleisesti mitä tahansa tietoliikennejärjestelmää, joka mahdollistaa langattoman tietolii-15 kenneyhteyden matkaviestimen (MS, mobile station) ja järjestelmän kiinteiden osien välillä, kun matkaviestimen käyttäjä liikkuu järjestelmän palvelualueella. Tyypillinen matkaviestinjärjestelmä on yleinen matkaviestinjärjestelmä (PLMN, Public Land Mobile Network). Suurin osa käytössä olevista matkaviestinjärjestelmistä kuuluu näiden järjestelmien toiseen sukupolveen, joista tunnettu esimerkki on GSM : 20 (Global System for Mobile telecommunications). Keksintö soveltuu yhtä hyvin mat- : , j kaviestinjärjestelmien seuraavaan eli kolmanteen sukupolveen. Viitataan esimerkki- nä järjestelmään UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), jota ol-laan parhaillaan standardisoimassa. Kuitenkin on huomattava, että vaikka tietolii-... kenne on sopiva sovellutus esillä olevaa keksintöä varten, esillä oleva keksintö ei ;., 25 millään tavalla rajoitu tietoliikenneympäristöön.

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisemmin oheisten piirustusten avulla, joissa ; * kuva 1 esittää ennestään tunnetun kuvansiirtojärjestelmän; •, ’ ·; kuva 2 esittää järjestelmän kuvien käsittelemiseksi keksinnön mukaan; : 30 kuva 3 esittää kuvatiedon hajoittamista aaltoalkioiksi ("wavelet decomposi- \, tion”); ' ; kuvat 4a, 4b, 4c ja 4d esittävät kertoimen kvantisointia kvantisointitasoilla 0, 1, 2 ja 1 · vastaavasti 3; ja kuva 5 esittää tietoliikennelaitteen ja sen yhteyden tietoliikennejärjestelmään.

7 111764

Kuvaa 1 selitettiin edellä tekniikan tason selityksessä. Seuraavassa keksintöä selitetään ensin periaatetasolla kuvaan 2 viitaten, ja sitten yksityiskohtaisemmin kuviin 2-4 viitaten. Lopuksi selitetään keksinnön mukaista tietoliikennelaitetta kuvaan 5 viitaten.

5 Kuva 2 esittää esimerkinomaisen suoritusmuodon järjestelmästä kuvien käsittelemiseksi keksinnön mukaan. Kuvatiedon muuntamiseksi, lohko 202, kuvaan sovelletaan diskreettiä aaltoalkiomuunnosta (discrete wavelet transform). Yksityiskohtia aalto-alkiomuunnoksen suorittamisesta voidaan saada viitteestä [6], Sitten kvantisoidaan kertoimet määrätyille tasoille Q(W) käyttäen peräkkäistä approksimointi-10 kvantisointimenetelmää 204. Kertoimet muunnetaan tasoiksi koodattavien symboleiden lukumäärän pienentämiseksi. Kvantisoinnin tasot käyvät hienommiksi jokaisella kvantisointiaskeleella, kuten kuvassa 3 esitetään. Muistilohkoa 208 käytetään edellisen kvantisointiaskelen tulosten tallentamiseksi. Jokaisen kvantisointikierrok-sen tulos koodataan lennossa (coded on the fly) lähettämällä binäärisymboleissa tie-15 to kertoimien merkitsevyydestä kvantisointitasojen suhteen, 206. Kertoimien merkitsevyyttä kvantisointitasojen suhteen edustavien binäärisymbolien jono viedään siirtokanavaan, 210. Sitten kanavalta 210 vastaanotettu signaali E dekoodataan, 220, vastaanottimen dekooderissa. Edelleen signaali käänteiskvantisoidaan, 222, ja kään-teismuunnetaan, 224, kuvatiedon Y saamiseksi. Muistilohkoa 228 käytetään aikai-20 semmin vastaanotetun tiedon lisäämiseksi seuraavan kvantisointiaskelen kuvatie-'·' toon. Tässä on huomattavaa, että tämä menetelmä mahdollistaa dekoodauksen len- '. 1 i nossa, kun koodaus alkaa, eli tällöin ei tarvitse odottaa koko bittivirran vastaanotta- i ,· mistä ennenkuin dekoodaus voidaan aloittaa. Tämä merkitsee sitä, että dekoodaus 1: i voidaan aloittaa ennenkuin koodausprosessi on päättynyt. Tämä ominaisuus voi olla 25 edullinen, kun siirrettävänä on suuria kuvia. Kooderi aloittaa koodauksen ja bittien lähettämisen dekooderille, jonka ei tarvitse odottaa dekoodauksen aloittamista.

4

Kooderi ja dekooderi toimivat toisin sanoen oleellisesti rinnakkain, joka näin lyhen- : v, tää kuvan koodaukseen, siirtämiseen ja dekoodaukseen liittyvää viivettä.

* * ., Kuvassa 3 havainnollistetaan kuvatietoa sen jälkeen kun se on muunnettu aaltoalkio- ' ; 30 tason kaksitasoista aaltoalkio-muunnosta käyttäen. Jokainen taso sisältää high-high - kaistan HH, low-high -kaistan LH, high-low -kaistan HL ja low-low -kaistan LL. Tiedetään, että LH-kaista sisältää tietoa, joka liittyy vaakasuoriin reunoihin, HL-* kaista soveltuu pystyreunojen ilmaisemiseen, ja HH-kaista sisältää eniten piirteitä : vinosuunnassa. LL-kaista on oleellisesti karkeampi versio alkuperäisestä kuvasta. Se 35 johdetaan edelleen seuraavalle hajoitustasolle. Tässä on huomattava, ettei keksintö 8 111764 rajoitu tähän hajoitusmenetelmään, vaan vaihtoehtoisesti voidaan käyttää monia muita hajoitusmenetelmiä.

Kuva 3 esittää miten kuva voidaan skannata muunnostasolla kaksitasoisessa aaltoal-kio-hajoituksessa. Menetelmää voidaan kuitenkin laajentaa mihin tahansa tasojen lu-5 kumäärään, tyypilliseen kuvalohkon kokoon saakka. Tyypillinen kuvalohkon koko on tavallisesti suurempi tai yhtä suuri kuin 16 x 16 kuvapistettä, mutta lohko voi myös olla kooltaan pienempi. Aaltoalkio-tasossa kertoimet kvantisoidaan peräkkäin niiden suuruuksien alenevassa järjestyksessä. Tämä toimenpide on upotettu koodausmenetelmään. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että kvantisointitasoa suurempi 10 kerroin lähetetään ennen niitä, jotka ovat kvantisointitasoa pienemmät. Tämä on hyvin tärkeätä, kun pyritään aikaansaamaan paras kuvan laatu määrätyllä bittinopeu-della, tai kun pyritään aikaansaamaan progressiivisuus kuvan laadussa, koska kun bittivirta katkaistaan määrätyssä kohdassa, tämä varmistaa että suurimmat kertoimet on tässä vaiheessa lähetetty vastaanottimelle, eli ensin lähetetään tärkein tieto, joka 15 pienentää vääristymää enemmän kuin muut kertoimet. Tämän vuoksi saadaan pienin mahdollinen virhe. Käytettävissä olevien bittien lukumäärästä riippuen kvantisointi-prosessi suoritetaan peräkkäin hienommilla kvantisointiaskelilla. Ensimmäisellä askeleella saadaan erittäin karkea aaltoalkio-kertoimien kvantisointi Qi. Yksi kvan-tisointiaskel ilmoittaa ainoastaan, onko muunnoskertoimen Wj arvo suurempi tai pie-20 nempi kuin puolet muunnoskertoimien absoluuttisesta maksimiarvosta Cmax: * » · 1 '' 2 Q. = J + l,w. >^2« :!,* c ::: -1 ,w <--^ [ ' 2 O) Näin ollen tämä vaihe vastaa niiden kertoimien tallentamista, joilla on merkitystä : tietyn kvantisointiarvon kannalta. Jos kerroin on merkitsevä, eli suurempi kuin tai ,··. 25 yhtä suuri kuin kvantisointiaskel, myös sen etumerkki määritetään ja siirretään, ja kerroin korvataan sen ja kvantisointiarvon erotuksen absoluuttiarvolla.

9 111764

Dekooderilla vastaava rekonstruktiosääntö on seuraava: ' o, a, = o ά=· ι.5^,α, = ι a,=-i (2)

Sen jälkeen aloitetaan kvantisoinnin toinen vaihe. Siinä sovelletaan edellä olevaa 5 toimenpidettä niihin kertoimiin, jotka eivät jo ole merkitseviä, käyttäen kvantisoijaa Q2, joka on puolet edellisestä kvantisoijasta. Tätä prosessia voidaan toistaa käyttäen niin monta kvantisointiaskelta kuin halutaan/kuin sopii käytettävissä olevaa bitti-määrään nähden. Kun kvantisointitasot tehdään hienommiksi, on aikaisemmin merkitseviksi merkittyjä kertoimia tarkennettava. Tarkentaminen tehdään lähettämällä 10 tietoa kertoimista uuden kvantisointiaskelen koon suhteen. ‘Γ/O’ tarkoittaa sitä, että kerroin on suurempi/pienempi kuin lisäaskeleen koko, ja tämän vuoksi sen arvoa li-sätään/vähenneteään puolella kvantisointiaskelkoolla. Tämä toimenpide toistetaan jokaisella kvantisointitasolla. Tämä on edullinen tapa toteuttaa peräkkäinen approk-simointi-kvantisointi.

• t · ; \ 15 Merkitsevyystieto siirretään quadtree-muunnoksella, joka poikkeaa edellä selite- ‘ : tystä tekniikan tason ratkaisusta. Jokaisella tasolla aaltoalkio-kertoimille käsiteltävän : .' algoritmin korkein kvadrantti on kaista itse (LL, LH, HL tai HH). Kaista koodataan ’ : quadtree-menetelmällä kvantisointitason suhteen kahta symbolia käyttäen: v : - “ 1”, joka osoittaa että tässä kvadrantissa on ainakin yksi merkitsevä kerroin; ja : T: 20 - “0”, joka osoittaa että kvadrantti on ei-merkitsevä.

. Jos kvadrantti on merkitsevä, se jaetaan edelleen neljään kvadranttiin, ja jokainen •,,; ’ kvadrantti koodataan edellä selitetyllä tavalla. Prosessia toistetaan, kunnes enempi ·;·* jakaminen ei ole sallittua. Eli kun saavutetaan yhden kuvapisteen kvadrantit. Tällä tavalla kvadrantin kuvapisteille ei aseteta mitään korrelaatiota, ja Huffinan-koo-; ‘''; 25 dausta voidaan käyttää merkitsevyystiedon koodaamiseksi, joka sitten voidaan lähet tää siirtokanavalle 210. Tämän menetelmän avulla voidaan koodata koko alue tai ;: ; kaista, jos se on ei-merkitsevä, yhdellä symbolilla, jonka takia käytetään termiä osa- : kaistan ohi hyppääminen (subband skipping) tämän keksinnöllisen menetelmän ominaisuuden selittämiseksi.

10 111764

Kuvat 4a, 4b, 4c ja 4d esittävät esimerkkinä prosessin, jolla kvantisoidaan kerroin 75 neljään tasoon. Kuva 4a esittää kvantisointitason 0, jolla on yksi kvantisointi-arvo = 0. Näin ollen kerroin 75 kvantisoidaan arvoksi 0. Kuva 4b esittää kvantisointitason 1, jolla on kaksi kvantisointiarvoa: Oja 60. Näin ollen kerroin 75 kvantisoi-5 daan arvoksi 60. Edelleen kuva 4c esittää kvantisointitason 2, jolla on neljä kvantisointiarvoa: 0, 30, 50 ja 70. Näin ollen kerroin 75 kvantisoidaan nyt arvoksi 70. Lopuksi kuva 4d esittää kvantisointitason 3, jolla on kahdeksan kvantisointiarvoa: 0, 15, 25, 35, 45, 55, 65 ja 75. Näin ollen kerroin 75 kvantisoidaan arvoksi 75.

Kuva 5 esittää keksinnön mukaisen tietoliikennelaitteen, esimerkiksi matkaviestimen 10 500 lohkokaavion. Kuva 5 esittää myös sen yhteyden solukkojärjestelmään. Tietolii kennelaite käsittää antennin 501 radiotaajuisten signaalien vastaanottamiseksi tukiasemilta. Vastaanotettu RF-signaali johdetaan kytkimellä 502 RF-vastaanottimelle 511, jossa RF-signaali vahvistetaan ja muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi. Tämän jälkeen signaali havaitaan ja demoduloidaan lohkossa 512. Demodulaattorin tyyppi 15 riippuu tietoliikennejärjestelmän radiorajapinnasta. Se voi sisältää QAM-demodu-laattorin, tai RAKE-yhdistäjän (RAKE combiner). Salauksen purku ja lomituksen purku suoritetaan lohkossa 513. Tämän jälkeen signaali käsitellään signaalityypin (puhe / kuva / data) mukaan. Jos vastaanotettu data on kuvatietoa, signaalin käsitte-lylohko suorittaa kuvan 2 lohkoissa 220 - 228 selitetyt toimenpiteet. Vastaanotettu 20 ja rekonstruoitu kuvatieto Y voidaan esittää näytöllä, tai kuva voidaan viedä erilli-* seen laitteeseen, kuten videomonitoriin. Kuvatieto voidaan myös tallentaa muistiin -: 504. Ohjausyksikkö 503 ohjaa vastaanotinlohkoja muistiin 504 tallennetun ohjelman mukaisesti.

... Tiedonsiirrossa ohjausyksikkö 503 ohjaa signaalinkäsittelylohkoa 533 signaalin tyy- 25 pin mukaan. Jos syötetty signaali on kuvatietoa, signaalinkäsittelylohko 533 käsitte-·’ lee datan keksinnöllisen menetelmän mukaan, kuten kuvan 2 lohkoissa 202 - 208.

Edelleen lohko 521 suorittaa signaalin salauksen ja lomituksen. Lohkossa 522 koo-; . · datusta datasta muodostetaan purskeita. Purskeet vielä moduloidaan ja vahvistetaan lohkossa 523. RF-signaali johdetaan antenniin 501 kytkimen 502 kautta lähetystä . : 30 varten. Käsittely-ja lähetyslohkoja ohjataan myös ohjausyksiköllä 503.

Kuva 5 esittää lisäksi solukkojärjestelmän osat, joita käytetään kuvatieto-bittivirran : siirtämiseen. RF-signaalin lähetys ja vastaanotto tehdään tukiasemalla 551 ja anten nilla 550. Tukiasemalla on tiedonsiirtoyhteydet edelleen radioverkon ohjaimeen (Radio Network Controller) 552 ja matkapuhelinkeskukseen (MSC, Mobile Swit-35 ching Centre) 533. MSC on myös kytketty muihin radioverkon ohjaimiin, kotirekis- 11 111764 teriin (HLR, Home Location Register) 554 ja yleiseen kytkentäiseen puhelinverkkoon (PSTN, Public Switched Telephone Network).

Tietojen käsittely tietoliikennelaitteessa tapahtuu signaalinkäsittely-yksikössä, joka muodostuu mikroprosessorista (-prosessoreista) ja muistipiirien muodossa olevasta 5 muistista. Sellaiset järjestelyt ovat sinänsä tunnettuja matkaviestimien ja kiinteiden verkkoelementtien teknologiasta. Tunnetun tietoliikennelaitteen muuntamisessa keksinnön mukaiseksi tietoliikennelaitteeksi muistivälineisiin on tallennettava joukko koneella luettavia käskyjä, jotka käskevät signaaliprosessoria (-prosessoreita) suorittamaan edellä selitetyt toimenpiteet. Sellaisten käskyjen luomiseen ja muistivälinei-10 siin tallentamiseen liittyy tunnettua tekniikkaa, joka yhdistettynä tämän patenttihakemuksen oppeihin on alan ammattilaisen kykyjen puitteissa.

Kuten edellä mainittiin, esillä olevalla keksinnöllä on useita edullisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä ihanteellisen matkaviestinsovellutuksim: - vaadittujen aritmeettisten laskentojen määrä on pienempi kuin tekniikan tason me-15 netelmillä, koska suurin osa koodauksesta vaatii ainoastaan vertailujen tekemistä; - mitään luokituksia tai bittinopeusallokaatioita ei tarvita; - pienet vaatimukset muistikapasiteetille; - on osoitettu tehosignaali-kohinasuhteen (PSNR) 0,1 - 0,5 dB:n parannus verrattuna tekniikan tason ratkaisuun, jolla on samanlainen laskennallinen kompleksisuus, ku- 20 ten asiakirjassa [5] on selostettu.

,; .: Edellä on kuvattu keksinnön mukaisen ratkaisun eräs suoritusmuoto. Keksinnön mu- • · [ kaista periaatetta voidaan luonnollisesti muokata patenttivaatimuksissa määritellyn ' ' suoja-alan puitteissa, muuttamalla esimerkiksi toteutuksen yksityiskohtia ja käyttö- ’.· · aluetta.

25 Viitejulkaisut: Γ\: [1] ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N610 [2] ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N632 :;;;: [3] ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N665 . [4] ISO/IEC JTC 1 SC29/WG1 N638 30 [5] SPIE Voi. 3021, ”A region of Interest (ROI) Based Wavelet Compression

Scheme for Medical Images”, Shin et al., Department of Computer Science, Texas A&M University 12 111764 [6] Wavelets and Signal Processing, Olivier Rioul and Martin Vetterli, IEEE Signal Processing Magazine, October 1991, s. 14-36

Claims (20)

111764

1. Menetelmä kuvatiedon käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheet, joissa a) syötetty kuvatieto muunnetaan osakaistoiksi (202); 5 b) muunnettu kuvatieto koodataan käyttäen peräkkäistä approksimointi-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa upotettuna koodaus-prosessiin (204, 208); ja c) koodataan bittivirta merkitsevyystiedolla käyttäen quadtree-pohjaista menetelmää ja sisällytetään bittivirtaan etumerkki- ja tarkennustietoa (206).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe a) suori tetaan käyttäen aaltoalkio-muunnosta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe c) käsittää vaiheen, jossa merkitsevyystieto koodataan oleellisesti kahdella symbolilla.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu sii-15 tä, että se käsittää vaiheen, jossa osakaista hypätään ohi siirtämällä yksi ainoa, ennalta määrätty symboli.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää koodatun bittivirran siirtämisen siirtokanavalla (210).

6. Menetelmä bittivirran käsittelemiseksi kuvatiedoksi, jolloin bittivirta käsittää * ’ ·’ 20 merkitsevyys-, etumerkki-ja tarkennustietoa, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää ’: ·' i vaiheet, joissa: - dekoodataan merkitsevyystieto bittivirrasta quadtree-pohjaisella menetelmällä ja . ·: *. otetaan bittivirrasta talteen etumerkki- ja tarkennustieto (220); - suoritetaan dekoodatun tiedon käänteinen peräkkäinen approksimointi-kvantisointi ;Vi 25 (222, 228); ja - suoritetaan käänteinen muunnos kuvatiedon tuottamiseksi dekoodatusta ja kään-teiskvantisoidusta bittivirrasta (224).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että merkitsevyys-tieto dekoodataan oleellisesti kahdesta symbolista.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennalta määrätty yksi symboli tulkitaan ohi hypätyksi osakaistaksi. 111764

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6 - 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koodattu bittivirta vastaanotetaan siirtokanavalta (210).

10. Järjestelmä kuvatiedon käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää: 5 a) välineet (202) syötetyn kuvatiedon muuntamiseksi eri osakaistoiksi; b) välineet (204, 208) muunnetun kuvatiedon koodaamiseksi käyttäen peräkkäistä approksimointi-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa upotettuna koodausprosessiin; ja c) välineet (206) merkitsevyystiedon koodaamiseksi bittivirtaan käyttäen quadtree- 10 pohjaista menetelmää ja etumerkki- ja tarkennustiedon sisällyttämiseksi bittivirtaan.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että välineet (206) merkitsevyystiedon koodaamiseksi bittivirtaan quadtree-pohjaista menetelmää käyttäen käsittävät välineet merkitsevyystiedon koodaamiseksi oleellisesti kahdella symbolilla.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjes telmä käsittää välineet ohi hypätyn osakaistan koodaamiseksi yhdellä ainoalla ennalta määrätyllä symbolilla.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 10 - 12 mukainen järjestelmä, tunnettu ’ .: siitä, että se on osa tietoliikennelaitetta (500) siirtokanavalla siirrettävän kuvatiedon 20 käsittelemiseksi, ja että tietoliikennelaite lisäksi käsittää välineet (521, 522, 523, ; · 502, 501) koodatun bittivirran lähettämiseksi datasiirtokanavaan.

... 14. Järjestelmä bittivirran käsittelemiseksi kuvatiedoksi, jolloin bittivirta käsittää merkitsevyys-, etumerkki- ja tarkennustietoa, tunnettu siitä, että se käsittää: 25. välineet (220) merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi bittivirrasta quadtree-pohjai- sella menetelmällä ja etumerkki- ja tarkennustiedon ottamiseksi talteen bittivirrasta; - välineet (222, 228) dekoodatun tiedon käänteisen peräkkäisen approksimointi- , : kvantisoinnin suorittamiseksi; ja - välineet (224) käänteisen muunnoksen suorittamiseksi kuvatiedon tuottamiseksi 2' 30 dekoodatusta ja käänteiskvantisoidusta bittivirrasta.

, : 15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että välineet (220) merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi bittivirrasta quadtree-pohjaisella menetelmällä käsittää välineet merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi oleellisesti kahdesta symbolista. 111764

16. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää välineet ennalta määrätyn yhden ainoan symbolin tulkitsemiseksi ohi hypätyksi osakaistaksi.

17. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 14-16 mukainen järjestelmä, tunnettu 5 siitä, että se on osa tietoliikennelaitetta (500) datasiirtokanavasta vastaanotetun kuvatiedon käsittelemiseksi, ja että tietoliikennelaite lisäksi käsittää välineet (501, 502, 511, 512, 513) koodatun bittivirran vastaanottamiseksi datasiirtokanavasta.

18. Kuvankäsittelyjärjestelmä, tunnettu siitä, että kuvatiedon käsittelyä ja siirtoa varten se käsittää: 10. välineet (202) syötetyn kuvatiedon muuntamiseksi eri osakaistoiksi; - välineet (204, 208) muunnetun kuvatiedon koodaamiseksi käyttäen peräkkäisiä approksimointi-kvantisointia bittivirran tuottamiseksi, peräkkäisen approksimoinnin ollessa upotettuna koodausprosessiin; - välineet (206) merkitsevyystiedon koodaamiseksi bittivirtaan käyttäen quadtree-15 pohjaista menetelmää ja etumerkki- ja tarkennustiedon sisällyttämiseksi bittivirtaan; - välineet (220) merkitsevyystiedon dekoodaamiseksi bittivirrasta quadtree-pohjai-sella menetelmällä ja etumerkki-ja tarkennustiedon ottamiseksi talteen bittivirrasta; - välineet (222, 228) dekoodatun tiedon käänteisen peräkkäisen approksimointi-20 kvantisoinnin suorittamiseksi; ja . i - välineet (224) käänteisen muunnoksen suorittamiseksi kuvatiedon tuottamiseksi.

’ 19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen kuvankäsittelyjärjestelmä, tunnettu siitä, et tä välineet (206) merkitsevyysbittivirran koodaamiseksi quadtree-pohjaisella mene-v : telmällä käsittää välineet merkitsevyystiedon koodaamiseksi oleellisesti kahdella : 25 symbolilla. ;v>

20. Patenttivaatimuksen 18 tai 19 mukainen kuvankäsittelyjärjestelmä, tunnettu siitä, että kuvankäsittelyjärjestelmä on osa tietoliikennejärjestelmää, ja että se käsittää välineet (501 - 533) koodatun bittivirran siirtämiseksi siirtokanavassa. 111764