FI92271C - Koodausmenetelmä - Google Patents

Description

92271

KOODAUSMENETELMA

Keksinnon kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa maaritelty koodausmenetelma erityisesti 5 elåvån videosignaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokana-vaa vårten.

Videosignaalin siirtoon tarvitaan tyypillises-ti valityskanava, jonka lapåisykyky on 2 - 70 Mbit/s.

Kun videosignaali kompressoidaan ilmaisemalla perSk-10 kåisten kuvakenttien muutokset tai erot koodaamalla ja lahettamalla ne, siirtokanavan kapasiteetti voidaan pudottaa valille 64 Kbit/s - 2 Mbit/s.

Tunnetut elåvån videosignaalin kompressiomene-telmåt perustuvat yleensa menettelyyn jakaa kuvakenttå, 15 joka muodostuu esim. 256 x 256 kuvapisteestå eli pixe-listå, pixeliryhmiin eli klustereihin, jotka esim. sisaltavåt 8x8 pixelia. Klusterien kaytolla voidaan pienentaa lahetettavien osoitebittien lukumaaraa. Yhden pixelin, joka tyypillisesti maaritetaan 6 bitin avulla, 20 joka sijaitsee mielivaltaisessa paikassa 256 x 256 pixelin kuvakentåsså, osoite vaatii 16 bittia. Kluste-reita, kuten 8x8 pixelin klustereita, kaytettSessS kaikille klusterin pixeleleille, kuten 64 pixelille, kaytetaan 10 bitin yhteistM osoitetta.

25 Klustereihin perustuvien koodausmenetelmien ' epåkohtana on niiden kykenemSttdmyys kasitella tehok- kaasti ja tarkasti liikkuvien kohteiden reuna-alueita.

Ne joko tuhlaavat siirtokanavan kapasiteettia lMhetta-malla uudelleen pysyvåa informaatiota tai ne saavat 30 aikaan liikkuvan kohteen reunaviivan hamårtymisilmidn eli ns. dirty window efektin.

Keksinnon tarkoituksena on tuoda julki uusi koodausmenetelma, jonka avulla edella esitettyjen klus-teriin perustuvien koodausmenetelmien haitat pystytaan 35 poistamaan. Keksinnon tarkoituksena on erityisesti saada aikaan uusi koodausmenetelma, jonka avulla perSk-kaiset kuvakentåt koodataan pixeleihin perustuen ja 92271 2 joissa nimenomaan pixelien osoitetta kompressoidaan siten, etta saavutetaan selvaa saastSa kanavan ka-pasiteetissa.

Keksinnon mukaiselle menetelmalle on tun-5 nusomaista se, mitå on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnon mukaisessa koodausmenetelmassa, erityisesti elavan videosignaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokanavaa vårten, låhetettåvån videosignaalin kukin 10 kuva otetaan perakkMin kasittelyyn siten, etta aikasem-pi kuvamuistiin tallennettu referenssikuva haetaan muistista ja kuvia verrataan toisiinsa ja vain muuttu-neet kuva-alueet lahetetaan siirtokanavan kautta vas-taanottimeen. Keksinndn mukaisesti kutakin kuvaa kSsi-15 tellaan pixel-muodossa; kuvaa ja referenssikuvaa verrataan keskenaan pixel pixeliltå ja muodostetaan pixelien harmaasavyjen erojen perusteella erokuva; erokuva, joka koostuu jatkuvasta harmaasavyskaalasta, kvantisoidaan ennalta asetetun harmaasavyasteikon mukaan joukoksi 20 alierokuvia, joissa kukin alierokuva on binåarikuva, jossa kullakin pixelilla on binåariarvo 1 tai 0 sen mukaan, onko tietyn suuruinen harmaasavyasteikon mukai-nen harmaasåvy voimassa tåssa pixelissa vai ei; kaikki alierokuvat koodataan tåmån jålkeen yleisesti tunnettu-25 ja binåårikuvan koodausmenetelmia kåyttåen ja lahetetaan siirtokanavan kautta vastaanottimeen; binSSrikuvat vastaanotetaan vastaanottimessa ja dekoodataan vastaa-valla binaarikuvan dekoodausmenetelmalla, jonka jSlkeen vastaanottimen kuvamuistista saatu kuvainformaatio 30 paivitetåån vastaanotetulla eroinformaatiolla pixel pixelilta ja luetaan kuvamuistista videosignaalina edelleen kasiteltavaksi.

Menetelman eraassa sovellutuksessa erokuva jaetaan harmaasavyasteikon erotuksen suuruuden mukaan 35 rajoitettuun lukumaaraan 2k + 1 itsenåisia alierokuvia, jossa •Λ: 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 kåsittåå n x m pixe-liå, joilla kullakin pixelilla on binååriarvo 1 tai 0 sen mukaan onko tietynsuuruinen harmaasåvyasteikon erotus voimassa ko. pixelisså vai ei.

Menetelman erååsså sovellutuksessa alierokuvat 20 koodataan juoksukoodilla. Juoksukoodissa bitit 1 ja 0 ryhmitellaan sopiviksi saman binaariarvon omaaviksi ryhmiksi. Ryhmisså olevien ykkdsten tai nollien luku-maara ilmoitetaan lukuna eteenpain siirtokanavan kautta vastaanottajaile.

25 MenetelmSn erååssa sovellutuksessa juoksukoo dissa kåytetåån siltausmenetelmåå koodauksen lyhentåmi-seksi. Tåmå merkitsee sitå, ettå tietysså ykkosten tai nollien ryhmåsså olevat erilliset påinvastaiset binåå-riarvot eliminoidaan ja tulkitaan samaksi binååriarvok-30 si, mitå muut ryhmån enemmiston jåsenet edustavat.

Menetelmån erååsså sovellutuksessa vårikuva jaetaan sinånså tunnetusti kolmeen osavårikuvaan, kuten RGB tai YUV, joista jokainen kåsitellåån erikseen omana harmaasåvykuvanaan. Nåin menetellen vårivideokuva voi-35 daan låhettåå siirtokanavaan keksinnon mukaisella mene-telmållå koodattuna.

Keksinnon eduista toteamme seuraavaa. Vaikka 92271 4 kuva kvantisoidaan joukoksi binåårikuvia, osoitetieto-jen koodaamisessa sååstetåån merkittåvåsti niin, ettå siirtokanavaan syotettavån informaation måårå selvasti våhenee. Edelleen keksinnon etuna on, ettå kuvan kvan-5 tisointi binåårikuviksi on suoraviivainen toimenpide eika mitaan våaristymia pååse tapahtumaan. Kaikki har-maasåvyjen erotukset låhetetåån kvantisointiaskelten mukaisesti ja vastaavanlainen tarkka kopio erokuvasta tuotetaan vastaanottimessa. Edelleen keksinndn etuna 10 on, etta jos rajoitettu vååristymå hyvåksytaan, sil-tausmenetelmaå voidaan kåyttåa tehokkaasti keksinnon mukaisen kompressiomenetelman yhteydessa.

Seuraavassa keksintoa selostetaan oheiseen piirustukseen viittaamalla, jossa 15 kuva 1 esittaa kaaviomaisesti harmaasåvykuvan muutta-mista joukoksi binaårikuvia; kuva 2 esittåå lohkokaavion muodossa keksinndn mukaista menetelmåå kåyttåvåå låhetintå; ja kuva 3 esittaa keksinnon mukaista menetelmåå kåyttåvåå 20 vastaanotinta.

Pulssikoodimodulaatiomenetelmållå siirrettåvå kuvainformaation sisåltåvå digitaalinen videosignaali vaatii siirtokanavakapasiteetin, jonka suuruus mååråy-tyy siirrettåvien kuvapisteiden, harmaasåvyjen ja se-25 kunnissa låhetettåvien kuvien måårån perusteella. Låhe-tettåvåå informaatiota voidaan pienentåå kuvanlaatua huonontamatta låhettåmållå vain peråkkåisten kuvien vålistå muutosta edustava videosignaali. Tåtå vårten tåytyy tavalla tai toisella etsiå kuvasta edellisen 30 kuvaan nåhden muuttuneet alueet, jotka nåin olien aino-astaan låhetetåån. Låhetettyjen muuttuneiden kuva-alu-eiden informaatio on lisåksi varustettava osoitteilla, jotka ilmaisevat, mistå kuvan alueesta on kysymys. Nåin oikea kuvan rekonstruktio tulee mahdolliseksi. Eras 35 tållainen videokompressiomenetelmå on esitetty suoma-laisessa patenttijulkaisussa 70662.

Kuvapistettå eli pixeliå, joka sijaitsee mie- 92271 5 livaltaisessa paikassa kuvakentassa, voidaan esittåå seuraavana datana: pixel-arvo (harmaataso) + pixelin sijainnin osoite (paikkakoordinaatit eli x-osoite + y-osoite). Esimerkiksi, jos kuva kasittaå 256 x 256 pixe-5 lia, pixelin kokonaisosoite on 16 bittiå (x- ja y-osoi-te molemmat vaativat 8 bitin osoitteen) ja pixelin arvo kuvataan 64 harmaasåvytasolla (6 bittia), niin tSlldin siirrettåvån informaation maarå on seuraava: 6 bittia (pixelin arvo) + 16 bittiS (osoite) = 24 bittiS/pixel.

10 Tasta esimerkista voidaan huomata, etta suuri osa siir-tokapasiteetista omistetaan pixelin osoitteiden lahet-tåmiseen (esimerkissa 75 %).

Keksinnon mukainen koodausmenetelma kohdistuu erityisesti pixelien osoitteisiin. Keksinnon mukaisesti 15 pixeleihin perustuvassa koodausmenetelmassa toteutetaan nimenomaan osoitteiden kompressointi siten, ettå huo-mattavasti vahemmån bitteja pixeliM kohti låhetetaan siirtotielle. Keksintd kohdistuu kuvan muuntamismene-telmaan, jossa harmaasåvyinen kuva muunnetaan organi-20 soiduksi binaarikuvajoukoksi, joka kantaa mukanaan osoiteinformaatiota ja jota voidaan edelleen kSsitella kayttaen hyvaksi sinansa tunnettuja binåSrikuvien koo-dausmenetelmia.

Keksinnon mukaista menetelmåå selostetaan 25 seuraavassa kuvaan 1 viittaamalla. Keksinndn mukaisessa menetelmSssa kåytetaan hyvaksi sellaista videokompres-siomenetelmaa, jossa siirtokanavalle lahetetaSn vain perSkkSisten kuvien vålista muutosta edustava videosig-naali. Nain olien videosignaalin harmaasavykuvasta 1 ja 30 referenssikuvasta 2 muodostetaan erokuva 3. Kaikki mainitut kuvat on muodostettu n x m pixelista, jossa n ' ja m ovat kokonaislukuja. Erokuva 3 muodostetaan ver- taamalla videosignaalin harmaasSvykuvaa 1 pixel pixe-lilta referenssikuvan 2 vastaaviin pixeleihin. Eroku-35 vasta 3 muodostetaan kvantisoitu kuva 4. TMmå merkitsee sita, etta erokuva 3 jaetaan ennalta maarStyn har-maasavyasteikon mukaisesti rajoitettuun lukumMaraan 2k 92271 6 + 1, jossa k = kokonaisluku, itsenaisia alierokuvia.

Tåmå voidaan esittåa 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) • a « 15 2k suurin ero (negatiivinen)

Kukin alierokuva 2k + 1 kasittåå n x m pixelia, joilla kullakin pixelillå on binaåriarvo 1 tai 0. Binåariarvo 1 kuvaa tietyn suuruisen harmaasåvyerotuksen olemassa 20 oloa. Binaåriarvo 0 kuvaa tåmån erotuksen puuttumista.

Kuvan harmaasavyt on tålloin esim. jaettu 64 tasoon ja kvantisointiprosessin aikana tarkistetaan kunkin pixe-lin harmaasåvy ja luokitellaan tåmån jålkeen tiettyyn alierokuvaan, joka vastaa tåtå harmaasåvyå. Muut ali-25 erokuvat saavat tåmån pixelin kohdalla binååriarvoksi 0. Nåin olien kaikkiin alierokuviin tulee n x m pixe-liå, joiden kunkin pixelin arvo on binåårinen 0 tai 1.

Kaikki edellå esitetyllå tavalla toteutetut binåårikuvat 2k + 1 voidaan nyt koodata kåyttåen sinån-30 så tunnettuja koodausmenetelmiå, jotka soveltuvat ni-menomaan binåårikuvien koodaamiseen. Viittaamme esim. julkaisuihin: 1) Hunter, R. & Robinson, A.H.: International Digital Facsimile Coding Standards, Proc. of IEEE, Vol. 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 binåårikuva koodataan edullisinunin kSyt-tåen hyvåksi juoksukoodia. TarnM merkitsee sitS, ettS kunkin binaSrikuvan binaariarvot ryhmitellaan nolllen 5 ja ykkosten muodostamiksi ryhmiksi, josta binåariarvo ja niiden lukumSårå låhetetåån perakkMin siirto-kanavaan. Tallaiset juoksukoodit ovat yleisesså kSytds-sa mm. telefax-lalttelssa.

Keksinnbn mukaisen koodausmenetelman yhteydes-10 så voidaan kayttaS siltausmenetelmaa, rnikali rajoitettu vaaristyma kuvan siirrossa sallitaan. SiltausmenetelmS-na tarkoitetaan sellaista yleista prosessia, jonka avulla voidaan juoksukoodin koodausta parantaa. Sil-tausmenetelmåssa muutetaan esim. bitti "0" bitiksi "1", 15 jos tata edeltåvat kaksi bittia ovat molemmat "1" ja seuraavat kaksi bittia ovat myos "1". Esimerkiksi, jos bittijono on: 11011, valissa oleva bitti "0" muutetaan juoksukoodia koodattaessa ykkoseksi. On huomattava, etta siltaussaannot voivat vaihdella huomattavasti.

20 Koodatut binåårikuvat vastaanotetaan vastaan- ottimella, jossa kSytetty juoksukoodi puretaan ja tu-lokseksi saadaan erokuvaa vastaava informaatio. Eroku-vaa verrataan vastaanottimen kuvamuistin vertailukuvaan pixel pixeliltå ja nfiin muodostetaan uusi kuva, joka 25 tallennetaan kuvamuistiin. Tåma kuva on saatavissa edelleen vastaanottimen muistista.

Videosignaalilahetin keksinnon mukaisen mene-telman toteuttamiseksi on esitetty kuvassa 2. Videosig-naali syotetaan lShettimeen A/D-muuntimen 6 kautta, 30 jossa muuntimessa se muutetaan digitaaliseen muotoon. Digitaalinen videosignaali syotetaMn edelleen ensimm&i-* 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 syotetaan ensimmaisesta muistista 7 pixel kerral-laan vertailulaitteeseen 9 yhtaaikaisesti ja samassa vaiheessa kuin toiselta kuvamuistilta 8 syotetSSn ver- 92271 8 tailukuvaa myos vertailulaitteeseen 9. Vertailulait-teessa 9 muodostetaan erokuva, joka syotetåån edelleen harmaasåvyvertailulaitteeseen 10. Harmaasåvyvertallu-laite 10 sisåltåå ROM-muistiin tallennetun taulukon 5 harmaasåvyasteikosta. Tåhån taulukkoon kuuluu kalkkiaan 2k + 1 harmaasåvyå edellå esitetyn taulukon mukaisestl. Harmaasåvyvertailulaitteeseen 10 syotettyå erokuvaa verrataan pixel pixeliltå tallennettuihin harmaasåvyi-hin ja kuva jaetaan tållå perusteella alierokuviin eli 10 binåårisiin kuviin, joita on kalken kaikkiaan 2k + 1 kappaletta eli yhtå monta kuin ROM-muistiin on tallen-nettu harmaasåvyjå. Kullekin alierokuvalle 2k + 1 on varattu oma muistiyksikkonså 11; li1 - ll2k+1. Nåmå muis-tiyksikdt ovat edullisesti RAM-muisteja. Alierokuvien 15 muistiyksikot 11 on yhdistetty kukin omaan juoksukoo-daimeensa 12; 12 - 12 ja nåmå edelleen valitsimeen 13, joka on yhdistetty siirtokanavaan 14. Alierokuva-muistit 11 kåydåån yksitellen låpi mååråtysså jårjes-tyksesså ja binåårikuvien bittikartat, jotka sisåltåvåt 20 n x m bittiå koodataan juoksukoodaimilla 12 ja sydte-tåån edelleen valitsimen 13 kautta siirtolinjalle 14.

Keksinnon mukaista menetelmåå soveltava vas-taanotin on esitetty kuvassa 3. Siirtokavasta 14 tuleva koodattu videosignaali syotetåån juoksukoodia tulkitse-25 vaan dekoodaimeen 15 ja siitå edelleen vertailulaitteeseen 16. Vertailulaitteelle 16 syotetåån vastaanotetun dekoodatun videosignaalin kanssa pixel pixeliltå kuva-muistiin 17 tallennettu aikaisempi kuva ja nåitå verrataan keskenåån. Tulokseksi saatu uusi kuvadata syote-30 tåån takaisin kuvamuistlin 17 ja nåin kuvamuisti tulee påivitettyå. Påivitetty kuvamuisti 17 puretaan D/A-• muuntimen 18 kautta ja nåin muodostetaan videosignaali, joka sydtetåån eteenpåin nåyttolaitteelle tai sopivalle kuvankåsittelylaitteelle tms.

35 Edellå esitettyihin låhettimiin ja vastaanot- timiin kuuluu lisåksi ohjausyksikko 19 ja vastaavasti 20, jonka avulla vastaavasti låhetintå ja vastaanotinta

->»K

92271 9 ohjataan sopivasti.

Edellå keksintda on selostettu vain sen yhteen edulliseen sovellutusmuotoon viittamalla, mutta on selvaå, ettS keksintoa voidaan monin tavoin muunella 5 oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

92271 10

1. Koodausmenetelmå erityisesti elåvan video-signaalin koodaamiseksi kapeaa siirtokanavaa vårten, 5 jossa menetelmasså lahetettavan videosignaalin kukin kuva otetaan perakkain kasittelyyn siten, etta aikai-sempi kuvamuistiin tallennettu referenssikuva haetaan muistista ja kuvia verrataan toisiinsa, ja vain muuttu-neet kuva-alueet låhetetaan siirtokanavan kautta vas-10 taanottimeen, jossa menetelmassa - kutakin kuvaa kåsitellaan pixelmuodossa (n x m); ja - kuvaa ja referenssikuvaa verrataan keskenåan pixel pixelilta ja muodostetaan niiden harmaasavyjen erojen perusteella kvantisoitu erokuva; tunnettu 15 siita, etta - erokuva, joka koostuu rajoitetusta kvantisoidusta harmaasåvyskaalasta, muunnetaan joukoksi alierokuvia, joissa kukin alierokuva on binaarikuva, jossa kullakin pixelilla on binaariarvo 1 tai 0 sen mukaan onko tietyn 20 suuruinen eroarvo voimassa tåssa pixelissS vai ei; - kaikki alierokuvat koodataan binåårikuvan koodaus-menetelmaa kayttaen ja lahetetMSn siirtokanavan kautta vastaanottimeen; - binaarikuvat vastaanotetaan vastaanottimessa ja de-25 koodataan vastaavalla binaarikuvan dekoodausmenetelmål- la, jonka jalkeen vastaanottimen kuvamuistista saatu kuvainformaatio påivitetaan vastaanotetulla eroinfor-maatiolla pixel pixeliltH ja luetaan kuvamuistista videosignaalina edelleen kåsiteltavåksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelma, tunnettu siita, etta erokuva jaetaan har-maasavyasteikon erotuksen suuruuden mukaan rajoitettuun lukumaaraån 2k+l itsenåisia 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 kåsittaa n x m pixe-15 liå, joilla kullakin pixelilla on binååriarvo 1, joka kuvaa tietyn suuruisen harmaasåvyerotuksen voimassa oloa ko. pixelisså, tai 0, joka kuvaa tåmån erotuksen puuttumista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mene-20 telmå, tunnettu siita, ettS alierokuvat kooda- taan juoksukoodilla (RLC).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, etta juoksukoodissa kSytetåån siltamenetelmaa koodauksen lyhentåmiseksi.

5. Jonkin edeltavista patenttivaatimuksista mukainen menetelma, tunnettu siita, etta vari-kuva jaetaan sinansa tunnetusti kolmeen osavårikuvaan (RGB tai YUV), joista jokainen kasitellaan erikseen omana harmaasåvykuvanaan. 30 92.71 12