FI92271B - Koodausmenetelmä - Google Patents

Description

92271 KOODAUSMENETELMÄ

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty koodausmenetelmä erityisesti 5 elävän videosignaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokanavaa varten.

Videosignaalin siirtoon tarvitaan tyypillisesti välityskanava, jonka läpäisykyky on 2 - 70 Mbit/s.

Kun videosignaali kompressoidaan ilmaisemalla peräk-10 käisten kuvakenttien muutokset tai erot koodaamalla ja lähettämällä ne, siirtokanavan kapasiteetti voidaan pudottaa välille 64 Kbit/s - 2 Mbit/s.

Tunnetut elävän videosignaalin kompressiomenetelmät perustuvat yleensä menettelyyn jakaa kuvakenttä, 15 joka muodostuu esim. 256 x 256 kuvapisteestä eli pixe-listä, pixeliryhmiin eli klustereihin, jotka esim. sisältävät 8x8 pixeliä. Klusterien käytöllä voidaan pienentää lähetettävien osoitebittien lukumäärää. Yhden pixelin, joka tyypillisesti määritetään 6 bitin avulla, 20 joka sijaitsee mielivaltaisessa paikassa 256 x 256 pixelin kuvakentässä, osoite vaatii 16 bittiä. Kluste-reita, kuten 8x8 pixelin klustereita, käytettäessä kaikille klusterin pixeleleille, kuten 64 pixelille, käytetään 10 bitin yhteistä osoitetta.

25 Klustereihin perustuvien koodausmenetelmien ' epäkohtana on niiden kykenemättömyys käsitellä tehok kaasti ja tarkasti liikkuvien kohteiden reuna-alueita.

Ne joko tuhlaavat siirtokanavan kapasiteettia lähettämällä uudelleen pysyvää informaatiota tai ne saavat 30 aikaan liikkuvan kohteen reunaviivan hämärtymisilmiön eli ns. dirty window efektin.

Keksinnön tarkoituksena on tuoda julki uusi koodausmenetelmä, jonka avulla edellä esitettyjen klusteriin perustuvien koodausmenetelmien haitat pystytään 35 poistamaan. Keksinnön tarkoituksena on erityisesti saada aikaan uusi koodausmenetelmä, jonka avulla peräkkäiset kuvakentät koodataan pixeleihin perustuen ja 92271 2 joissa nimenomaan pixelien osoitetta kompressoidaan siten, että saavutetaan selvää säästöä kanavan kapasiteetissa .

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tun-5 nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaisessa koodausmenetelmässä, erityisesti elävän videosignaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokanavaa varten, lähetettävän videosignaalin kukin 10 kuva otetaan peräkkäin käsittelyyn siten, että aikasem-pi kuvamuistiin tallennettu referenssikuva haetaan muistista ja kuvia verrataan toisiinsa ja vain muuttuneet kuva-alueet lähetetään siirtokanavan kautta vastaanottimeen. Keksinnön mukaisesti kutakin kuvaa käsi-15 tellään pixel-muodossa; kuvaa ja referenssikuvaa verrataan keskenään pixel pixeliItä ja muodostetaan pixelien harmaasävyjen erojen perusteella erokuva; erokuva, joka koostuu jatkuvasta harmaasävyskaalasta, kvantisoidaan ennalta asetetun harmaasävyasteikon mukaan joukoksi 20 alierokuvia, joissa kukin alierokuva on binäärikuva, jossa kullakin pixelillä on binääriarvo 1 tai 0 sen mukaan, onko tietyn suuruinen harmaasävyasteikon mukainen harmaasävy voimassa tässä pixelissä vai ei; kaikki alierokuvat koodataan tämän jälkeen yleisesti tunnettu-25 ja binäärikuvan koodausmenetelmiä käyttäen ja lähetetään siirtokanavan kautta vastaanottimeen; binäärikuvat vastaanotetaan vastaanottimessa ja dekoodataan vastaavalla binäärikuvan dekoodausmenetelmällä, jonka jälkeen vastaanottimen kuvamuistista saatu kuvainformaatio 30 päivitetään vastaanotetulla eroinformaatiolla pixel pixeliltä ja luetaan kuvamuistista videosignaalina edelleen käsiteltäväksi.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa erokuva jaetaan harmaasävyasteikon erotuksen suuruuden mukaan 35 rajoitettuun lukumäärään 2k + 1 itsenäisiä alierokuvia, jossa •j* 92271 3 • erotus 0 nolla 5 1 pienin ero (positiivinen) 2 toiseksi pienin ero (positiivinen) 3 kolmanneksi pienin ero (positiivinen)

• · I

k suurin ero (positiivinen) 10 k + 1 pienin ero (negatiivinen k + 2 toiseksi pienin ero (negatiivinen) • » · 2k suurin ero (negatiivinen) 15 ja jossa kukin alierokuva 2k + 1 käsittää n x m pixe-1iä, joilla kullakin pixelillä on binääriarvo 1 tai 0 sen mukaan onko tietynsuuruinen harmaasävyasteikon erotus voimassa ko. pixelissä vai ei.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa alierokuvat 20 koodataan juoksukoodilla. Juoksukoodissa bitit 1 ja 0 ryhmitellään sopiviksi saman binääriarvon omaaviksi ryhmiksi. Ryhmissä olevien ykkösten tai nollien lukumäärä ilmoitetaan lukuna eteenpäin siirtokanavan kautta vastaanottajalle.

25 Menetelmän eräässä sovellutuksessa juoksukoo dissa käytetään siltausmenetelmää koodauksen lyhentämiseksi. Tämä merkitsee sitä, että tietyssä ykkösten tai nollien ryhmässä olevat erilliset päinvastaiset binää-riarvot eliminoidaan ja tulkitaan samaksi binääriarvok-30 si, mitä muut ryhmän enemmistön jäsenet edustavat.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa värikuva jaetaan sinänsä tunnetusti kolmeen osavärikuvaan, kuten RGB tai YUV, joista jokainen käsitellään erikseen omana harmaasävykuvanaan. Näin menetellen värivideokuva voi-35 daan lähettää siirtokanavaan keksinnön mukaisella menetelmällä koodattuna.

Keksinnön eduista toteamme seuraavaa. Vaikka 92271 4 kuva kvantisoidaan joukoksi binäärikuvia, osoitetietojen koodaamisessa säästetään merkittävästi niin, että siirtokanavaan syötettävän informaation määrä selvästi vähenee. Edelleen keksinnön etuna on, että kuvan kvan-5 tisointi binäärikuviksi on suoraviivainen toimenpide eikä mitään vääristymiä pääse tapahtumaan. Kaikki harmaasävyjen erotukset lähetetään kvantisointiaskelten mukaisesti ja vastaavanlainen tarkka kopio erokuvasta tuotetaan vastaanottimessa. Edelleen keksinnön etuna 10 on, että jos rajoitettu vääristymä hyväksytään, sil-tausmenetelmää voidaan käyttää tehokkaasti keksinnön mukaisen kompressiomenetelmän yhteydessä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan oheiseen piirustukseen viittaamalla, jossa 15 kuva 1 esittää kaaviomaisesti harmaasävykuvan muuttamista joukoksi binäärikuvia; kuva 2 esittää lohkokaavion muodossa keksinnön mukaista menetelmää käyttävää lähetintä; ja kuva 3 esittää keksinnön mukaista menetelmää käyttävää 20 vastaanotinta.

Pulssikoodimodulaatiomenetelmällä siirrettävä kuvainformaation sisältävä digitaalinen videosignaali vaatii siirtokanavakapasiteetin, jonka suuruus määräytyy siirrettävien kuvapisteiden, harmaasävyjen ja se-25 kunnissa lähetettävien kuvien määrän perusteella. Lähetettävää informaatiota voidaan pienentää kuvanlaatua huonontamatta lähettämällä vain peräkkäisten kuvien välistä muutosta edustava videosignaali. Tätä varten täytyy tavalla tai toisella etsiä kuvasta edellisen 30 kuvaan nähden muuttuneet alueet, jotka näin ollen ainoastaan lähetetään. Lähetettyjen muuttuneiden kuva-alueiden informaatio on lisäksi varustettava osoitteilla, jotka ilmaisevat, mistä kuvan alueesta on kysymys. Näin oikea kuvan rekonstruktio tulee mahdolliseksi. Eräs 35 tällainen videokompressiomenetelmä on esitetty suomalaisessa patenttijulkaisussa 70662.

Kuvapistettä eli pixeliä, joka sijaitsee mie- 92271 5 livaltaisessa paikassa kuvakentässä/ voidaan esittää seuraavana datana: pixel-arvo (harmaataso) + pixelin sijainnin osoite (paikkakoordinaatit eli x-osoite + y-osoite). Esimerkiksi, jos kuva käsittää 256 x 256 pixe-5 liä, pixelin kokonaisosoite on 16 bittiä (x- ja y-osoi-te molemmat vaativat 8 bitin osoitteen) ja pixelin arvo kuvataan 64 harmaasävytasolla (6 bittiä), niin tällöin siirrettävän informaation määrä on seuraava: 6 bittiä (pixelin arvo) + 16 bittiä (osoite) = 24 bittiä/pixel.

10 Tästä esimerkistä voidaan huomata, että suuri osa siirtokapasiteetista omistetaan pixelin osoitteiden lähettämiseen (esimerkissä 75 %).

Keksinnön mukainen koodausmenetelmä kohdistuu erityisesti pixelien osoitteisiin. Keksinnön mukaisesti 15 pixeleihin perustuvassa koodausmenetelmässä toteutetaan nimenomaan osoitteiden kompressointi siten, että huomattavasti vähemmän bittejä pixeliä kohti lähetetään siirtotielle. Keksintö kohdistuu kuvan muuntamismene-telmään, jossa harmaasävyinen kuva muunnetaan organi-20 soiduksi binäärikuvajoukoksi, joka kantaa mukanaan osoiteinformaatiota ja jota voidaan edelleen käsitellä käyttäen hyväksi sinänsä tunnettuja binäärikuvien koodausmenetelmiä .

Keksinnön mukaista menetelmää selostetaan 25 seuraavassa kuvaan 1 viittaamalla. Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään hyväksi sellaista videokompres-siomenetelmää, jossa siirtokanavalle lähetetään vain peräkkäisten kuvien välistä muutosta edustava videosignaali. Näin ollen videosignaalin harmaasävykuvasta 1 ja 30 referenssikuvasta 2 muodostetaan erokuva 3. Kaikki mainitut kuvat on muodostettu n x m pixelistä, jossa n ' ja m ovat kokonaislukuja. Erokuva 3 muodostetaan ver taamalla videosignaalin harmaasävykuvaa 1 pixel pixe-liltä referenssikuvan 2 vastaaviin pixeleihin. Eroku-35 vasta 3 muodostetaan kvantisoitu kuva 4. Tämä merkitsee sitä, että erokuva 3 jaetaan ennalta määrätyn har-maasävyasteikon mukaisesti rajoitettuun lukumäärään 2k 92271 6 + 1, jossa k = kokonaisluku, itsenäisiä alierokuvia.

Tämä voidaan esittää seuraavan taulukon muodossa: # erotus 5 0 nolla 1 pienin ero (positiivinen) 2 toiseksi pienin ero (positiivinen) 3 kolmanneksi pienin ero (positiivinen) 10 k suurin ero (positiivinen) k + 1 pienin ero (negatiivinen) k + 2 toiseksi pienin ero (negatiivinen) • · « 15 2k suurin ero (negatiivinen)

Kukin alierokuva 2k + 1 käsittää n x m pixeliä, joilla kullakin pixelillä on binääriarvo 1 tai 0. Binääriarvo 1 kuvaa tietyn suuruisen harmaasävyerotuksen olemassa 20 oloa. Binääriarvo 0 kuvaa tämän erotuksen puuttumista.

Kuvan harmaasävyt on tällöin esim. jaettu 64 tasoon ja kvantisointiprosessin aikana tarkistetaan kunkin pixe-lin harmaasävy ja luokitellaan tämän jälkeen tiettyyn alierokuvaan, joka vastaa tätä harmaasävyä. Muut ali-25 erokuvat saavat tämän pixelin kohdalla binääriarvoksi 0. Näin ollen kaikkiin alierokuviin tulee n x m pixeliä, joiden kunkin pixelin arvo on binäärinen 0 tai 1.

Kaikki edellä esitetyllä tavalla toteutetut binäärikuvat 2k + 1 voidaan nyt koodata käyttäen sinän-30 sä tunnettuja koodausmenetelmiä, jotka soveltuvat nimenomaan binäärikuvien koodaamiseen. Viittaamme esim. julkaisuihin: 1) Hunter, R. & Robinson, A.H.: International Digital Facsimile Coding Standards, Proc. of IEEE, Voi. 68, No.

35 7, July 1980, ss. 854-867; ja 2) Yasuda, Y.: Overview of Digital Facsimile Coding Techniques in Japan, Proc. of IEEE, Vol. 68, No. 7, J» 92271 7

July 1980, ss. 830-845.

Kukin binäärikuva koodataan edullisimmin käyttäen hyväksi juoksukoodia. Tämä merkitsee sitä, että kunkin binäärikuvan binääriarvot ryhmitellään nollien 5 ja ykkösten muodostamiksi ryhmiksi, josta binääriarvo ja niiden lukumäärä lähetetään peräkkäin siirtokanavaan. Tällaiset juoksukoodit ovat yleisessä käytössä mm. telefax-laitteissa.

Keksinnön mukaisen koodausmenetelmän yhteydes-10 sä voidaan käyttää siltausmenetelmää, mikäli rajoitettu vääristymä kuvan siirrossa sallitaan. Siltausmenetelmä-nä tarkoitetaan sellaista yleistä prosessia, jonka avulla voidaan juoksukoodin koodausta parantaa. Sil-tausmenetelmässä muutetaan esim. bitti "0" bitiksi "1", 15 jos tätä edeltävät kaksi bittiä ovat molemmat "1" ja seuraavat kaksi bittiä ovat myös "1". Esimerkiksi, jos bittijono on: 11011, välissä oleva bitti "0" muutetaan juoksukoodia koodattaessa ykköseksi. On huomattava, että siltaussäännöt voivat vaihdella huomattavasti.

20 Koodatut binäärikuvat vastaanotetaan vastaan ottimella, jossa käytetty juoksukoodi puretaan ja tulokseksi saadaan erokuvaa vastaava informaatio. Eroku-vaa verrataan vastaanottimen kuvamuistin vertailukuvaan pixel pixeliltä ja näin muodostetaan uusi kuva, joka 25 tallennetaan kuvamuistiin. Tämä kuva on saatavissa edelleen vastaanottimen muistista.

Videosignaalilähetin keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi on esitetty kuvassa 2. Videosignaali syötetään lähettimeen A/D-muuntimen 6 kautta, 30 jossa muuntimessa se muutetaan digitaaliseen muotoon. Digitaalinen videosignaali syötetään edelleen ensimmäi-* seen kuvamuistiin 7. Toiseen kuvamuistiin 8 on tallen nettu vertailukuva. Kummassakin kuvamuistissa 7, 8 kuva on pixel-muodossa n x m matriisina. Digitaalinen video-35 kuva syötetään ensimmäisestä muistista 7 pixel kerrallaan vertailulaitteeseen 9 yhtäaikaisesti ja samassa vaiheessa kuin toiselta kuvamuistilta 8 syötetään ver- 92271 8 tailukuvaa myös vertailulaitteeseen 9. Vertailulait-teessa 9 muodostetaan erokuva, joka syötetään edelleen harmaasävyvertailulaitteeseen 10. Harmaasävyvertailu-laite 10 sisältää ROM-muistiin tallennetun taulukon 5 harmaasävyasteikosta. Tähän taulukkoon kuuluu kaikkiaan 2k + 1 harmaasävyä edellä esitetyn taulukon mukaisesti. Harmaasävyvertailulaitteeseen 10 syötettyä erokuvaa verrataan pixel pixeliltä tallennettuihin harmaasävyi-hin ja kuva jaetaan tällä perusteella alierokuviin eli 10 binäärisiin kuviin, joita on kaiken kaikkiaan 2k + 1 kappaletta eli yhtä monta kuin ROM-muistiin on tallennettu harmaasävyjä. Kullekin alierokuvalle 2k + 1 on varattu oma muistiyksikkönsä 11; li1 - ll2k+1. Nämä muis-tiyksiköt ovat edullisesti RAM-muisteja. Alierokuvien 15 muistiyksiköt 11 on yhdistetty kukin omaan juoksukoo-daimeensa 12; 12 - 12 ja nämä edelleen valitsimeen 13, joka on yhdistetty siirtokanavaan 14. Alierokuva-muistit 11 käydään yksitellen läpi määrätyssä järjestyksessä ja binäärikuvien bittikartat, jotka sisältävät 20 n x m bittiä koodataan juoksukoodaimilla 12 ja syötetään edelleen valitsimen 13 kautta siirtolinjalle 14.

Keksinnön mukaista menetelmää soveltava vastaanotin on esitetty kuvassa 3. Siirtokavasta 14 tuleva koodattu videosignaali syötetään juoksukoodia tulkitse-25 vaan dekoodaimeen 15 ja siitä edelleen vertailulaitteeseen 16. Vertailulaitteelle 16 syötetään vastaanotetun dekoodatun videosignaalin kanssa pixel pixeliltä kuva-muistiin 17 tallennettu aikaisempi kuva ja näitä verrataan keskenään. Tulokseksi saatu uusi kuvadata syöte-30 tään takaisin kuvamuistiin 17 ja näin kuvamuisti tulee päivitettyä. Päivitetty kuvamuisti 17 puretaan D/A-• muuntimen 18 kautta ja näin muodostetaan videosignaali, joka syötetään eteenpäin näyttölaitteelle tai sopivalle kuvankäsittelylaitteelle tms.

35 Edellä esitettyihin lähettimiin ja vastaanot timiin kuuluu lisäksi ohjausyksikkö 19 ja vastaavasti 20, jonka avulla vastaavasti lähetintä ja vastaanotinta & 92271 9 ohjataan sopivasti.

Edellä keksintöä on selostettu vain sen yhteen edulliseen sovellutusmuotoon voittamalla, mutta on selvää, että keksintöä voidaan monin tavoin muunella 5 oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

92271 10

1. Koodausmenetelmä erityisesti elävän videosignaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokanavaa varten, 5 jossa menetelmässä lähetettävän videosignaalin kukin kuva otetaan peräkkäin käsittelyyn siten, että aikaisempi kuvamuistiin tallennettu referenssikuva haetaan muistista ja kuvia verrataan toisiinsa, ja vain muuttuneet kuva-alueet lähetetään siirtokanavan kautta vas-10 taanottimeen, jossa menetelmässä - kutakin kuvaa käsitellään pixelmuodossa (n x m); ja - kuvaa ja referenssikuvaa verrataan keskenään pixel pixeliltä ja muodostetaan niiden harmaasävyjen erojen perusteella kvantisoitu erokuva; tunnettu 15 siitä, että - erokuva, joka koostuu rajoitetusta kvantisoidusta harmaasävyskaalasta, muunnetaan joukoksi alierokuvia, joissa kukin alierokuva on binäärikuva, jossa kullakin pixelillä on binääriarvo 1 tai 0 sen mukaan onko tietyn 20 suuruinen eroarvo voimassa tässä pixelissä vai ei; - kaikki alierokuvat koodataan binäärikuvan koodausmenetelmää käyttäen ja lähetetään siirtokanavan kautta vastaanottimeen; - binäärikuvat vastaanotetaan vastaanottimessa ja de-25 koodataan vastaavalla binäärikuvan dekoodausmenetelmäl- lä, jonka jälkeen vastaanottimen kuvamuistista saatu kuvainformaatio päivitetään vastaanotetulla eroinfor-maatiolla pixel pixeliltä ja luetaan kuvamuistista videosignaalina edelleen käsiteltäväksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että erokuva jaetaan har-maasävyasteikon erotuksen suuruuden mukaan rajoitettuun lukumäärään 2k+l itsenäisiä alierokuvia, jossa: 35 92271 11 # erotus 0 nolla 1 pienin ero (positiivinen) 5. toiseksi pienin ero (positiivinen) 3 kolmanneksi pienin ero (positiivinen) k suurin ero (positiivinen) k+1 pienin ero (negatiivinen) 10 k+2 toiseksi pienin ero (negatiivinen) • · · 2k suurin ero (negatiivinen) ja jossa kukin alierokuva 2k + 1 käsittää n x m pixe-15 liä, joilla kullakin pixelillä on binääriarvo 1, joka kuvaa tietyn suuruisen harmaasävyerotuksen voimassa oloa ko. pixelissä, tai 0, joka kuvaa tämän erotuksen puuttumista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mene-20 telmä, tunnettu siitä, että alierokuvat koodataan juoksukoodilla (RLC).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että juoksukoodissa käytetään siltamenetelmää koodauksen lyhentämiseksi.

5. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että värikuva jaetaan sinänsä tunnetusti kolmeen osavärikuvaan (RGB tai YUV), joista jokainen käsitellään erikseen omana harmaasävykuvanaan. 30 52,71 12