WO1997028517A1 - Verfahren zur bildcodierung - Google Patents

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WO1997028517A1
WO1997028517A1 PCT/DE1997/000124 DE9700124W WO9728517A1 WO 1997028517 A1 WO1997028517 A1 WO 1997028517A1 DE 9700124 W DE9700124 W DE 9700124W WO 9728517 A1 WO9728517 A1 WO 9728517A1
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PCT/DE1997/000124
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Robert Kutka
Albert Salai
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/10—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding
    • H04N19/102—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the element, parameter or selection affected or controlled by the adaptive coding
    • H04N19/124—Quantisation
    • H04N19/126—Details of normalisation or weighting functions, e.g. normalisation matrices or variable uniform quantisers
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    • H04N19/124—Quantisation

Definitions

  • the invention relates to a method with which a coding transformation of binary represented values is carried out with the aid of a computer.
  • Such methods are of considerable importance in the context of, for example, data compression methods for video telephony, video conferences and digital television. The importance of these methods can be explained by the need for high computing power in order to process image sequences in real time.
  • the coding transformation forms, for example the so-called discrete cosine transformation
  • the coding transformation is carried out bit by bit.
  • N bits in each case 1 bit of the same value of the N values to be coded, are transformed, starting with the least significant bits up to the most significant bits.
  • the (one-dimensional) coding transformation for all N values to be coded is determined. Since only 2 N bits of input data arise in each step, these can be calculated in advance and taken from the look-up tables.
  • An encoding transformation for an image line of length N and the predeterminable bit depth B requires N accesses to the look-up tables, as well as many shift operations (shifts) and additions.
  • the look-up tables each have 2 N entries. N different look-up tables are also required for N output values of the coding transformation.
  • the main disadvantage of the method is that only 1 bit of the N values to be coded is transformed in each case, that is to say read out from the look-up tables. B cycles are therefore necessary for the implementation of the coding transformation. This leads to a much more time-consuming and computationally intensive implementation of the coding transformation than the method according to the invention. Furthermore, the increased number of shift operations and additions compared to the method according to the invention results in greater power loss when the method is carried out by a computer.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying a method for coding transformation which can be carried out more quickly than the known method.
  • the transformation is not carried out only for one bit of the N input values, but at least 2 bits of each of the N values to be coded are put together to form an addressing group, each of which uniquely indicates a table position in at least one look-up table is addressed.
  • this procedure doubles the speed at which the method can be carried out.
  • FIG. 1 shows a flow diagram in which the individual process steps of the method according to the invention are shown
  • FIGS. 2a and 2b show two sketches, in each of which the formation of the address for the desired table space for the transformation result in the respective look-up table, which results from the values to be coded in binary form, is described;
  • FIG. 3 shows a block diagram in which different transformations for which the method according to the invention can be used are shown
  • FIG. 4 shows a sketch of a computer with which the transformation is carried out.
  • the values x-j_ ( -H) to be coded are shown in FIGS. 2a and 2b, with the first being i coding value is clearly identified, the first index i being a natural number between 1 and a value N to be coded the number N.
  • a second index j identifies within each value x ⁇ to be coded the individual bits with which the numerical value of the value Xj to be coded is described.
  • the at least one value to be encoded is shown in binary form.
  • the second index j is a natural number between 1 and the number of bits B that are required to represent the respective value.
  • the number of bits is referred to below as a bit depth B.
  • the least significant bit is designated x-j_ ⁇ B ⁇ for the value to be coded x- £. Accordingly, the most significant bit is designated X-L'- 1 '.
  • FIG. 3 Different transformations are shown in FIG. 3, each of which can implement the coding transformation 301.
  • a coding transformation in the context of this invention is understood to mean, for example, a discrete cosine transformation 302, a wavelet transformation 303 or an S transformation 304. Further coding transformations are familiar to the person skilled in the art (discrete sinus transformation, ...) (cf. FIG. 3).
  • the coding transformation is carried out bit by bit. All bits X ] _ ( J ) , ⁇ 2 ( J ) , - .., XJJ ⁇ / starting with the least significant bit with the second index j, which has the value B, up to the most significant bit with the value 1 of the second index j. This method is carried out cyclically until all bits of the at least one value to be coded are transformed. After B cycles, a (one-dimensional) coding transformation is thus determined for all N values to be coded.
  • the results of the transformation are read out by the computer from these look-up tables, each of which is indexed by the input values ADR, so that the transformation does not have to be carried out completely in each case. A considerable saving of time is achieved by the pre-calculation of the results of the coding transformation.
  • N different look-up tables are required for N output values of the discrete cosine transformation.
  • the speed at which the method can be carried out is multiplied by at least 2 bits from each to be coded Value divided into a bit group to be encoded (see FIG. 2b).
  • An address ADR for the table space searched for in the respective look-up table is now no longer specified by only 1 bit of the values to be coded, but rather by at least 2 grouped, directly adjacent bits of the values to be coded.
  • the respective look-up table is indexed by at least 2 bits of each value to be encoded.
  • the at least two bits in the values to be coded are of equal importance.
  • each entry has 8 to 12 bits, a memory volume of around 500 to 800 KB is required for the 8 look-up tables.
  • a further acceleration is obtained by grouping more than 2 bits positioned directly next to one another in the values to be coded.
  • N look-up tables with transformation results for the respective input values are determined beforehand and stored 101 (cf. FIG. 1).
  • the respective input value results from at least two directly consecutive bits x ⁇ J ) , x ⁇ 'D "1" 1 ' of an encoding value x 102.
  • the content of the table position, which is indexed by the input value, is read 103 in a further step. This procedure is repeated until all bits of the at least one value to be encoded are transformed 104.
  • a coding transformation of the next bit group of the at least one value to be coded is transformed 106.
  • FIG. 4 shows a computer R with which the method according to the invention is necessarily carried out.
  • the values XJ L to be coded are fed to the computer R ZW. After carrying out the method according to the invention, transformed values TW were determined and are stored. Further processing is provided for the transformed values TW WV.
  • the further processing WV can, for example in the context of the data compression method for video telephony, video conference and digital television, consist in the fact that the transformed values representing a certain piece of information, for example image information, are transmitted to the respective communication partner and, after decoding, in a computer are displayed on the screen in the form of a reconstructed image.
  • the following publications have been cited in this document:

Abstract

Eine Codierungstransformation, beispielsweise eine Diskrete Cosinus-Transformation (DCT) wird nicht für jeden zu codierenden Wert (xi) codiert, sondern es werden Transformationsergebnisse vorab berechnet und in Look-Up-Tabellen gespeichert. Die Look-Up-Tabellen werden über jeweils gleichwertige Bits der zu codierenden Werte (xi) indiziert. Hierbei werden mindestens zwei direkt nebeneinander angeordnete Bits (xij, xij+1) zu einer Gruppe zusammengefaßt, und diese Gruppe bildet dann jeweils die Adresse für die Look-Up-Tabelle.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR BILDKODIERUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem eine Codie¬ rungstransformation von binär dargestellten Werten mit Hilfe eines Rechners durchgeführt wird. Solche Verfahren erlangen erhebliche Bedeutung im Rahmen von beispielsweise Datenkom- pressionsverfahren für Bildtelephonie, Videokonferenzen und digitalem Fernsehen. Die Bedeutung dieser Verfahren erklärt sich aus dem Bedürfnis hoher Rechenleistungen, um Bildsequen¬ zen in Echtzeit zu verarbeiten. Bei blockbasierten Transfor¬ mationsverfahren bildet die Codierungstransformation, bei- spielsweise die sogenannte Diskrete Cosinus Transformation
(DCT) , einen zeitintensiven Prozeß, so daß nur Sequenzen mit geringer Bildfrequenz und reduzierter Auflösung bei bisher bekannten Verfahren übertragen werden können.
Zur Beschleunigung der Durchführung der Codierungstransforma¬ tion, beispielsweise der DCT ist es bekannt, die Berechnung der Codierungstransformation durch Tabellenzugriffe auf soge¬ nannte Look-Up-Tabellen zu ersetzen [1] .
Anstatt eine vorgebbare Anzahl N zu codierender Werte, die jeweils binär mit einer vorgebbaren Bittiefe B dargestellt werden, synchron der Codierungstransformation zu unterwerfen, wird die Codierungstransformation bitweise ausgeführt. Bei diesem bekannten Verfahren werden also jeweils N Bit, jeweils 1 Bit gleicher Wertigkeit der N zu codierenden Werte, begin¬ nend mit den niederwertigsten Bit bis hin zu den höchstwerti¬ gen Bit, transformiert. Nach einer Anzahl von Zyklen, die der Bittiefe entspricht, ist die (eindimensionale) Codie¬ rungstransformation für alle N zu codierenden Werte ermit- telt . Da bei jedem Schritt nur 2N Bit an Eingabedaten anfal¬ len, können diese vorab berechnet und aus den Look-Up- Tabellen entnommen werden. Eine Codierungstransformation für eine Bildzeile der Länge N und der vorgebbaren Bittiefe B be¬ nötigt dabei N Zugriffe auf die Look-Up-Tabellen, ebenso vie¬ le Schiebeoperationen (Shifts) und Additionen. Die Look-Up- Tabellen weisen jeweils 2N Einträge auf. Für N Ausgabewerte der Codierungstransformation sind ebenso N unterschiedliche Look-Up-Tabellen erforderlich.
Das Verfahren weist vor allem den Nachteil auf, daß jeweils nur 1 Bit der zu codierenden N Werte transformiert, also aus den Look-Up-Tabellen ausgelesen werden. Somit sind B Zyklen für die Durchführung der Codierungstransformation erforder¬ lich. Dies führt zu einer gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich zeitaufwendigeren und rechenintensiveren Durchführung der Codierungstransformation. Weiterhin ist durch die gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöhte Anzahl von Schiebeoperationen und Additionen eine größere Verlustleistung bei der Durchführung des Verfahrens durch ei¬ nen Rechner die Folge.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde ein Verfahren zur Codierungstransformation anzugeben, welches gegenüber dem bekannten Verfahren schneller durchführbar ist.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Hierbei wird die Transformation nicht jeweils nur für ein Bit der N-Eingabewerte durchgeführt, sondern es werden mindestens 2 Bit jedes der N zu codierenden Werte zu jeweils einer Adressierungsgruppe zusammengestellt, durch die jeweils ein¬ deutig ein Tabellenplatz in mindestens einer Look-Up-Tabelle adressiert wird. Für den Fall, daß jeweils zwei Bit der je¬ weils zu codierenden Werte die Look-Up-Tabellen indizieren, wird durch diese Vorgehensweise die Geschwindigkeit, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann, verdoppelt. Eine Zu¬ sammenfassung von drei Bit der zu codierenden Werte führt entsprechend zu einer Verdreifachung der Geschwindigkeit der Durchführung des Verfahrens. Ein weiterer Vorteil des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens ist in der Verringerung benötigter Verlustleistung durch eine Verringerung der Anzahl benötigter Zyklen und damit auch der Verringerung benötigter Operationen zu sehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel beschreibende Figuren werden im wei¬ teren näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Ablaufdiagramm, in dem die einzelnen Verfah¬ rensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar¬ gestellt sind;
Figuren 2 a und 2 b zwei Skizzen, in denen jeweils die Bildung der Adresse für den gesuchten Tabellenplatz für das Transformationsergebnis in der jeweiligen Look-Up-Tabelle, die sich aus den binär dargestell¬ ten zu codierenden Werten ergeben, beschrieben sind;
Figur 3 ein Blockdiagramm, in dem unterschiedliche Trans¬ formationen, für die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, dargestellt sind;
Figur 4 eine Skizze eines Rechners, mit dem die Transforma¬ tion durchgeführt wird.
Anhand der Figuren 1 bis 4 wird die Erfindung weiter erläu¬ tert.
In den Figuren 2 a und 2 b sind zu codierende Werte x-j_ (-H dargestellt, wobei mit einem ersten Index i jeweils der zu codierende Wert eindeutig gekennzeichnet wird, wobei der er¬ ste Index i eine natürliche Zahl zwischen 1 und einer die An¬ zahl zu codierender Werte N ist. Ein zweiter Index j kenn¬ zeichnet innerhalb jedes zu codierenden Wertes x^ die einzel- nen Bit, mit denen der Zahlenwert des zu codierenden Wertes Xj beschrieben wird. Der mindestens eine zu codierende Wert ist in binärer Form dargestellt. Der zweite Index j ist eine natürliche Zahl zwischen 1 und der Anzahl von Bit B, die zur Darstellung des jeweiligen Wertes benötigt werden. Die Anzahl von Bit werden im weiteren als eine Bittiefe B bezeichnet.
Das jeweils niederwertigste Bit wird mit x-j_^B^ für den zu co¬ dierenden Wert x-£ bezeichnet . Demnach wird das höchstwertige Bit mit X-L'-1' bezeichnet.
Bei dem in [1] beschriebenen Verfahren wird, anstatt die ein¬ zelnen zu codierenden Werte synchron der Codierungstransfor¬ mation zu unterwerfen, die Transformation bitweise ausgeführt (vgl . Figur 2a) .
In Figur 3 sind unterschiedliche Transformationen darge¬ stellt, die jeweils die Codierungstransformation realisieren können 301.
Unter einer Codierungstransformation im Rahmen dieser Erfin- düng wird beispielsweise eine diskrete Cosinus-Transformation 302, eine Wavelet-Transformation 303 oder auch eine S- Transformation 304 verstanden. Weitere Codierungstransforma¬ tionen sind dem Fachmann geläufig ( Diskrete Sinus Transfor¬ mation, ...) (vgl. Figur 3) .
Bei dem in [1] beschriebenen Verfahren wird die Codie¬ rungstransformation bitweise ausgeführt . Es werden alle Bit X]_ (J ) , χ2 (J ) , -.., XJJ^^ / beginnend mit den niederwertigsten Bit mit dem zweiten Index j, der den Wert B aufweist, bis zu dem höchstwertigen Bit mit dem Wert 1 des zweiten Index j. Dieses Verfahren wird zyklisch so lange durchgeführt, bis al¬ le Bit des mindestens einen zu codierenden Werts transfor¬ miert sind. Somit ist nach B Zyklen eine (eindimensionale) Codierungstransformation für alle N zu codierenden Werte be- stimmt.
Typische Werte für die Anzahl zu codierender Wert sind N = 8 oder N = 16, für die Bittiefe B = 8 bis B = 12. Andere Werte können jedoch ohne Einschränkung in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Bei jedem Transformationsschritt fallen bei diesem Verfahren 2N Bit an Eingabedaten an. Die Ergebnisse der Codie¬ rungstransformation für diese Eingabedaten werden vorab er- mittelt und in Look-Up-Tabellen in einem Speicher eines Rech¬ ner, der zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, ge¬ speichert.
Aus diesen Look-Up-Tabellen, die jeweils durch die Eingabe- werte indiziert werden ADR, werden die Ergebnisse der Trans¬ formation durch den Rechner ausgelesen, womit die Transforma¬ tion nicht jeweils komplett durchgeführt werden muß. Durch die Vorabberechnung der Ergebnisse der Codierungstranformati¬ on wird eine erhebliche Zeiteinsparung erreicht.
Für das Beispiel einer Diskreten Cosinus Transformation für eine Bildzeile der Länge 8 und einer Bittiefe B=8 werden da¬ bei 8 Zugriffe auf die Look-Up-Tabellen, 8 Schiebeoperationen (Shifts) und 8 Additionen benötigt. Die Look-Up-Tabellen wei- sen in diesem Fall jeweils 28=256 Einträge auf.
Für N Ausgabewerte der Diskreten Cosinus Transformation sind jeweils N verschiedene Look-Up-Tabellen erforderlich.
Erfindungsgemäß wird eine Vervielfachung der Geschwindigkeit, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann, erreicht, in¬ dem man jeweils mindestens 2 Bit aus jedem zu codierenden Wert zu einer zu codierienden Bit-Gruppe eingeteilt (vgl. Fi¬ gur 2 b) . Eine Adresse ADR für den gesuchten Tabellenplatz in der jeweiligen Look-Up-Tabelle wird nunmehr angegeben nicht mehr durch jeweils nur 1 Bit der zu codierenden Werte, son- dern durch mindestens 2 gruppierte, direkt nebeneinanderlie¬ gende Bit der zu codierenden Werte. Demnach wird die jeweili¬ ge Look-Up-Tabelle durch mindestens 2 Bit von jedem zu codie¬ renden Wert indiziert. Hierbei sind die mindestens zwei Bit in den zu codierenden Werten von gleicher Wertigkeit .
Es werden 2N Eingabewerte für jeden Verfahrensschritt und Lo¬ ok-Up-Tabellen mit 22N Einträgen von Transformationsergebnis¬ sen verwendet. Damit ergibt sich für das oben angenommene Beispiel einer diskreten Cosinustransformation für eine Bild- zeile der Länge 8 und einer Bittiefe B=8 eine Größe der Look- Up-Tabellen von 216 = 65536 Einträgen.
Weist jeder Eintrag 8 bis 12 Bit auf, ist für die 8 Look-Up- Tabellen ein Speichervolumen von rund 500 bis 800 KByte er- forderlich.
Eine weitere Beschleunigung erhält man erfindungsgemäß durch Gruppieren von mehr als 2 direkt aneinander positionierten Bits in den zu codierenden Werten.
Bei dem erfinsungsgemäßen Verfahren werden N Look-Up-Tabellen mit Transformationsergebnissen für die jeweiligen Eingabewer¬ te vorab ermittelt und gespeichert 101 (vgl. Figur 1) .
Der jeweilige Eingabewert ergibt sich aus mindestens zwei di¬ rekt aufeinanderfolgenden Bits x^J) , x^'D"1"1' eines codieren¬ den Wertes x 102.
Der Inhalt des Tabellenplatzes, der jeweils durch den Einga- bewert indiziert wird, wird in einem weiteren Schritt ausge¬ lesen 103. Diese Vorgehensweise wird solange wiederholt, bis alle Bit des mindestens einen zu codierenden Werts transformiert sind 104.
Sind alle Bit transformiert, ist auch der gesamte zu codie¬ rende Wert transformiert und das Verfahren ist für diese zu codierenden Werte, also den mindestens einen zu codierenden Wert, beendet 105.
Sind jedoch noch nicht alle Bit des mindestens einen zu co¬ dierenden Werts transformiert, wird eine Codierungstransfor¬ mation der nächsten Bit-Gruppe des mindestens einen zu codie¬ renden Werts transformiert 106.
Dies erfolgt auf die im vorigen beschriebene Weise 101, 102, 103.
In Figur 4 ist ein Rechner R dargestellt, mit dem das erfin¬ dungsgemäße Verfahren notwendigerweise durchgeführt wird.
Die zu codierenden Werte XJL werden dem Rechner R zugeführt ZW. Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden transformierte Wert TW ermittelt, die abgespeichert werden. Für die transformierten Werte TW wird eine Weiterverarbeitung vorgesehen WV.
Die Weiterverarbeitung WV kann beispielsweise im Rahmen der Datenkompressionsverfahren für Bildtelephonie, Videokonferenz und digitales Fernsehen darin liegen, daß die transformierten Werte, die eine bestimmte Information, beispielsweise Bildin¬ formation darstellen, zu dem jeweiligen Kommunikationspartner übertragen werden, und diesem nach Decodierung in einem Rech¬ ner am Bildschirm in Form eines rekonstruierten Bildes darge¬ stellt werden. Im Rahmen dieses Dokuments wurden folgende Veröffentlichungen zitiert :
[1] V. Bhaskaran und K. Konstantinides, Image and Video Compression Standards, Hewlett Packard Laboratories, Kluwer Academic Publishers, Boston, S. 228 bis 235.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Codierungstransformation von mindestens ei- nem, binär dargestellten Wert durch einen Rechner, mit fol¬ genden Schritten: a) ein Eingabewert ergibt sich aus jeweils mindestens zwei direkt aufeinanderfolgenden Bits des mindestens einen Werts, b) die Codierungstransformation für den Eingabewert wird durchgeführt, indem der Eingabewert eine Adresse eineε Tabel¬ lenplatzes innerhalb einer Look-Up-Tabelle angibt, an der ein Transformationsergebnis für den Eingabewert gespeichert ist, und der Inhalt der Look-Up-Tabelle an der Adresse ausgelesen wird, und c) bei dem die Schritte a) und b) für alle Bits des minde¬ stens einen Werts durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Codierungstransformation durch eine Diskrete Co- sinus Transformation realisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Codierungstransformation durch eine Wavelet Transformation realisiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Codierungstransformation durch eine S-
Transformation realisiert wird.
PCT/DE1997/000124 1996-02-02 1997-01-23 Verfahren zur bildcodierung WO1997028517A1 (de)

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WO2005001771A1 (en) * 2003-06-30 2005-01-06 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method of encoding a signal into a bit stream

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HANG WANG ET AL: "EFFICIENT IMAGE CODING METHOD BASED ON ADAPTIVE GABOR DISCRETE COSINE TRANSFORMS", JOURNAL OF ELECTRONIC IMAGING, vol. 2, no. 1, 1 January 1993 (1993-01-01), pages 38 - 43, XP000355270 *

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