WO2003063504A1 - Kodierung von bildfolgen mit einer vielzahl von bildblöcken und referenzbildern - Google Patents

Kodierung von bildfolgen mit einer vielzahl von bildblöcken und referenzbildern Download PDF

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WO2003063504A1
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coded
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Gero BÄSE
Dimitrios Kontopodis
Jürgen PANDEL
Thomas Stockhammer
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for coding a sequence of digitized images with a plurality of image blocks and a corresponding decoding method.
  • the invention further relates to corresponding coding and decoding devices.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for coding a sequence of digitized images, which uses a large number of intra and inter-coding modes and several reference images and ensures reliable reconstruction of the digitized images in error-prone networks.
  • a sequence of digitized pictures is coded with a plurality of picture blocks, the picture blocks of part of the pictures being coded in a first intra-coding mode depending on predetermined criteria. Furthermore, the picture blocks of a part of the pictures are coded in a second intra-coding mode or in an inter-coding mode, wherein in the inter-coding mode a motion estimation is carried out for the picture blocks with respect to reference picture blocks from previously coded reference pictures of the sequence.
  • a motion estimation is carried out for the picture blocks with respect to reference picture blocks from previously coded reference pictures of the sequence.
  • the coding in the first intra-coding mode is carried out at regular time intervals.
  • the coding can be repeated in the first intra-coding mode at random time intervals.
  • the coding is carried out in the second intra-coding mode or in the inter-coding mode for reasons of coding efficiency. Intra-coding on the basis of coding efficiency reasons is particularly suitable if an object in the picture sequence only appears temporarily in some pictures.
  • the coding mode to be used for coding the picture blocks is selected from a set of coding modes before carrying out a second coding process.
  • An optimal coding mode can thus be determined.
  • rate distortion criteria is already well known from the prior art and is described, for example, in documents [3] and [4].
  • the rate distortion criteria are determined as a function of an expected error rate in the transmission of the coded images.
  • the distortion of the pixel values of the images is calculated to determine these criteria.
  • the distortion of the pixel values preferably comprises the sum of the quadratic differences between the pixel values before coding and the corresponding decoded pixel values. Since the distortion during coding is usually not known, in a particularly preferred embodiment it is possible to estimate the distortion.
  • the invention relates to a corresponding method for decoding a sequence of digitized images, the method being designed in such a way that a sequence of digitized images encoded with the coding method according to the invention is decoded.
  • error concealment is used in the decoding process.
  • the invention also relates to a combined method for coding and decoding digitized images, the coding and decoding methods described above being combined in this method.
  • the invention relates to a device for coding a sequence of digitized images, the device being designed such that the coding method according to the invention described above can be carried out.
  • the invention comprises a corresponding device for decoding digitized images, the device being designed such that .5 the decoding method described above can be carried out.
  • the invention also relates to a combined device for encoding and decoding digitized pictures, which comprises the devices mentioned above for encoding and decoding digitized pictures.
  • Fig. 1 shows the detail from a sequence of decoded
  • FIG. 2 shows a section corresponding to FIG. 1 from a sequence of decoded images, the images having previously been encoded using the method according to the invention.
  • the image sequence shown in FIG. 1 was encoded with the encoder described in document [1], this encoder performing intra-updates in an intra-coding mode at regular intervals in order to avoid error propagation 5 in the event of an incorrect transmission of the image sequence in the decoder.
  • the intra-updates correspond to the codings in a first intra-coding mode according to the terminology of the claims.
  • the image sequence is transmitted using the Internet test patterns described in document [2].
  • the image sequence is transmitted in data packets, a data packet consisting of two lines of image blocks.
  • picture blocks are so-called macro picture blocks, the different
  • the coding method with which the picture sequence shown in FIG. 1 was coded further comprises a second intra-coding mode and an inter-coding mode in the sense of the terminology of the claims.
  • the inter-coding mode a motion estimation is carried out with respect to a maximum of five reference picture blocks.
  • the section of the picture sequence shows pictures no. 9 to no. 12 of this sequence. To better display the image se
  • the coding method according to the invention restricts the reference pictures in such a way that only those reference picture blocks are used for the inter-coding that were not subjected to an intra-update after the coding of the reference picture.
  • the results of the method according to the invention are shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows the same picture sequence as FIG. 1 with the difference that the coding method according to the invention was used.
  • the rate distortion criteria can be represented mathematically as follows:
  • the number of motion vectors is limited by removing combinations from the set consisting of inter-coding modes Mp and reference images R, in which reference is made to image areas that are later to be used for an intra-update, for example for reasons of error robustness. be subjected. So you get one
  • k 1, ..., K is the number of an image block
  • ' f is the vector ⁇ fi, ...., f ⁇
  • the variable fj_ being the number which, for the i-th image block, indicates the number of the reference image for which the last intra-update 5 was carried out;
  • s minfi (v (m, r), f, k) is an operation which determines the number of the reference image for the image block k as a function of v (m, r) and f, which is the last allowed reference image due to the reference image limitation L0 ,
  • the last permitted reference image is greater than the number of the reference image r, it is a combination (m, r) whose reference image L5 lies within the set of reference images limited by the method according to the invention. If the last permitted reference image is smaller than the reference image r, the corresponding combination (m, r) is discarded.
  • the rate distortion criteria can in turn be formulated mathematically as a minimization problem of a Lagrangian cost function:
  • o ⁇ k argmin (D (O) + AM R (O)), (3) o ⁇ O
  • R (o) describes the number of bits to encode the picture block in coding mode o
  • D (o) represents the distortion for this coding mode.
  • the distortion results as the sum of the quadratic differences between the original picture block and the picture block obtained after decoding. If the intra-update is carried out on the basis of an error-optimized channel-adaptive coding described below, the distortion results as the expected value of the distortion at the decoder.
  • the vector f is updated for all entries f ⁇ for which the error robustness flag e ⁇ is set to 1. This avoids a reference image limitation for those intra-codings that were carried out for coding efficiency reasons and thus the appearance and disappearance of objects can be carried out efficiently by means of the coding with the aid of several reference images.
  • a channel-adaptive reference image selection is carried out on the basis of rate distortion criteria. It is necessary to estimate the distortion D (o) on the decoder. Possibilities for estimating this distortion are known, for example, from documents [5], [6] and [7].
  • One way of determining the distortion is to include the random channel behavior C when estimating the distortion.
  • the channel behavior C after the transmission of an image n is given by the binary sequence ⁇ 0, l ⁇ P (n) , where p (n) is the number of transmitted packets that are necessary to transmit the images 1 to n , A 0 m of the sequence denotes a correctly received packet, whereas a 1 indicates a packet that has been lost.
  • the random variable that describes the binary sequence up to image n is called Cp (n) .
  • the pixel distortion on the decoder depends on the pixel value reconstructed on the decoder, which is referred to as E ⁇ and which is unknown to the encoder performing the coding.
  • the distortion is estimated as the sum of the expected values of the square pixel distortions dj_ (o) of all macroblocks i, it being assumed that the channel behavior c p ( n ) is known to the encoder.
  • dj_ (o) for the macroblock i:
  • E c _ represents the expected value of the quadratic difference between the original pixel value and the reconstructed pixel value averaged over the channel Cp (n __ ) .
  • the expected value dj_ (o) can be estimated and the expected distortion Dj_ (o) can be calculated in a next step.
  • the reconstruction of the pixel values depends on the channel behavior Cp ( nl ) (t) and the concealment in the decoder.
  • the encoder can estimate how strong the distortion will be in the decoder.

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Abstract

In einem Codierverfahren wird eine Folge von digitalisierten Bildern mit einer Vielzahl von Bildblöcken codiert, wobei die Bildblöcke eines Teils der Bilder in Abhängigkeit von vorgegebenen Kriterien in einem ersten Intra-Codiermodus codiert werden. Ferner werden die Bildblöcke eines Teils der Bilder in einem zweiten Intra-Codiermodus oder in einem Inter-Codiermodus codiert, wobei im Inter-Codiermodus für die Bildblöcke eine Bewegungsschätzung in Bezug auf Referenzbildblöcke von zuvor codierten Referenzbildern der Folge durchgeführt wird. Bei der Durchführung der Bewegungsschätzung werden nur Referenzbildblöcke verwendet, die nach der Codierung des Referenzbildes nicht in einem ersten Intra-Codiermodus codiert wurden.

Description

KODIERUNG VON BILDFOLGEN MIT EINER VIELZAHL VON BILDBLOCKEN UND REFERENZBILDERN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Codierung einer Folge von digitalisierten Bildern mit einer Vielzahl von Bildblöcken sowie ein entsprechendes Decodierverfahren. Ferner betrifft die Erfindung entsprechende Codier- und Decodiervor- richtungen.
Aktuelle Videocodierstandards (siehe beispielsweise Dokument [1]) ermöglichen die Codierung von Bildersequenzen, wobei die für eine Bewegungsschätzung verwendeten Makrobildblöcke durch Intra-Codierungen aktualisiert werden. Hierdurch werden Fehlerfortpflanzungen bei Übertragungsfehlern in der Bildersequenz vermieden. Die Aktualisierungen mittels IntraCodierungen können in regelmäßigen Abständen oder basierend auf vorgegebenen Kriterien vorgenommen werden. Ferner können bei aktuellen Videocodierverfahren Inter-Codierungen eingesetzt werden, welche sich auf mehrere zuvor codierte Referenzbilder zurückbeziehen. Es gibt jedoch keine Mechanismen, die eine effiziente Videocodierung mit Inter-Codierungen und Intra-Aktualisierungen über fehleranfällige Netze ermögli- chen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Codierung einer Folge von digitalisierten Bildern bereitzustellen, welches eine Vielzahl von Intra- und Inter-Codiermodi sowie mehrere Referenzbilder verwendet und eine zuverlässige Rekonstruktion der digitalisierten Bilder in fehleranfälligen Netzen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Pa- tentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. In dem erfindungsgemäßen Codierverfahren wird eine Folge von digitalisierten Bildern mit einer Vielzahl von Bildblöcken codiert, wobei die Bildblöcke eines Teils der Bilder in Abhängigkeit von vorgegebenen Kriterien in einem ersten Intra- Codiermodus codiert werden. Ferner werden die Bildblöcke eines Teils der Bilder in einem zweiten Intra-Codiermodus oder in einem Inter-Codiermodus codiert, wobei im Inter- Codiermodus für die Bildblöcke eine BewegungsSchätzung in Bezug auf Referenzbildblöcke von zuvor codierten Referenzbil- dern der Folge durchgeführt wird. Bei der Durchführung der Bewegungsschätzung werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Referenzbildblöcke verwendet, die nach der Codierung des Referenzbildes nicht in einem ersten Intra-Codiermodus codiert wurden. Hierdurch wird vermieden, dass sich bei der In- ter-Codierung auf Referenzbildbereiche bezogen wird, die nachfolgend zumindest teilweise einer Intra-Codierung unterzogen werden. Insbesondere wenn die Codierung im ersten Intra-Codiermodus aus Fehlerrobustheitsgründen zur Vermeidung von Fehlerfortpflanzungen bei fehlerhaften Übertragungen durchgeführt wird, ist hierdurch sichergestellt, dass sich nicht auf Bildbereiche bezogen wird, die fehlerhaft übertragen wurden. Es wird somit eine effiziente und zugleich fehlerrobuste Codierung in fehleranfälligen Netzen gewährleistet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Codierung im ersten Intra-Codiermodus in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt. Alternativ kann die Codierung im ersten Intra- Codiermodus in zufälligen zeitlichen Abständen wiederholt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Codierung in dem zweiten Intra-Codiermodus oder in dem Inter-Codiermodus aus Codiereffizienzgründen durchgeführt. Eine Intra-Codierung aufgrund von Codiereffizienzgründen kommt dabei insbesondere in Betracht, wenn ein Objekt in der Bilderfolge nur temporär in einigen Bildern auftaucht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für alle in einem ersten Codiervorgang in einem Intra- Codiermodus codierten Bildblöcke vor der Durchführung eines zweiten Codiervorgangs der für die Codierung der Bildblöcke zu verwendende Codiermodus aus einer Menge von Codiermodi ausgewählt. Es kann somit ein optimaler Codiermodus bestimmt werden. Zur Bestimmung des optimalen Codiermodus können insbesondere Rate-Distortion-Kriterien (= Raten-Verzerrungs-Kriterien) festgelegt werden, wobei die Auswahl des zweiten Intra- Codiermodus oder des Inter-Codiermodus in Abhängigkeit von den Rate-Distortion-Kriterien getroffen wird. Die Verwendung von Rate-Distortion-Kriterien ist bereits hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den Dokumenten [3] und [4] beschrieben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Rate-Distortion-Kriterien in Abhängigkeit von einer zu erwar- tenden Fehlerrate bei der Übertragung der codierten Bilder bestimmt. Insbesondere wird hierbei zur Bestimmung dieser Kriterien die Verzerrung der Pixel-Werte der Bilder berechnet. Vorzugsweise umfasst die Verzerrung der Pixel-Werte die Summe der quadratischen Differenzen zwischen den Pixel-Werten vor der Codierung und den entsprechenden decodierten Pixel- Werten. Da die Verzerrung bei der Codierung üblicherweise nicht bekannt ist, besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, eine Abschätzung der Verzerrung vorzunehmen.
Neben dem oben beschriebenen Codierverfahren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Decodierung einer Folge von digitalisierten Bildern, wobei das Verfahren derart ausgestaltet ist, dass eine mit dem erfindungsgemäßen Codier- verfahren codierte Folge von digitalisierten Bildern decodiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform des Deco- dierverfahrens wird bei der Decodierung eine Fehlerverschleierung verwendet .
Die Erfindung betrifft neben den oben genannten Codier- und 5 Decodierverfahren auch ein kombiniertes Verfahren zur Codierung und Decodierung von digitalisierten Bildern, wobei in diesem Verfahren die oben beschriebenen Codier- und Decodierverfahren kombiniert sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Codierung einer Folge von digitali- .0 sierten Bildern, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das oben beschriebene erfindungsgemäße Codierverfahren durchführbar ist. Ferner umfasst die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Decodierung von digitalisierten Bildern, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass .5 das oben beschriebene Decodierverfahren durchführbar ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine kombinierte Vorrichtung zur Codierung und Decodierung von digitalisierten Bildern, welche die im Vorangegangenen genannten Vorrichtun- Ϊ0 gen zur Codierung und Decodierung von digitalisierten Bildern umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
>5
Es zeigen
Fig. 1 den Ausschnitt aus einer Sequenz von decodierten
Bildern, wobei die Bilder zuvor mit einem Verfahren 30 gemäß dem Stand der Technik codiert wurden; und
Fig. 2 einen der Figur 1 entsprechenden Ausschnitt aus einer Sequenz von decodierten Bildern, wobei die Bilder zuvor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren co- 5 diert wurden. Die in Figur 1 dargestellte Bildersequenz wurde mit dem in Dokument [1] beschriebenen Encoder codiert, wobei dieser Encoder in regelmäßigen Abständen Intra-Aktualisierungen in einem Intra-Codiermodus durchführt, um eine Fehlerfortpflanzung 5 im Falle einer fehlerhaften Übertragung der Bildersequenz im Decoder zu vermeiden. Die Intra-Aktualisierungen entsprechen den Codierungen in einem ersten Intra-Codiermodus entsprechend der Terminologie der Ansprüche.
.0 Die Übertragung der Bildersequenz erfolgt über die Internet- Testmuster, die im Dokument [2] beschrieben sind. Die Bildersequenz wird hierbei in Datenpaketen übertragen, wobei ein Datenpaket aus zwei Zeilen von Bildblöcken besteht. Bildblöcke sind im folgenden sog. Makrobildblöcke, deren Verschie-
-5 bung bei der Inter-Codierung mittels Bewegungsvektoren bestimmt wird. Das Codierverfahren, mit dem die in Figur 1 dargestellte Bildersequenz codiert wurde, umfasst ferner einen zweiten Intra-Codiermodus und einen Inter-Codiermodus im Sinne der Terminologie der Ansprüche. In dem Inter-Codiermodus 0 wird eine Bewegungsschätzung in Bezug auf maximal fünf Referenzbildblöcke durchgeführt.
Der Ausschnitt der Bildersequenz zeigt die Bilder Nr. 9 bis Nr. 12 dieser Sequenz. Zur besseren Darstellung der Bilderse-
.5 quenz wurde ferner eine einfache Fehlerverschleierung mittels Grauwerten verwendet. Bei der Übertragung der Bildersequenz ging im ersten Bild der Sequenz ein Paket verloren. Dieser Übertragungsfehler ist noch im Bild Nr. 9 der Sequenz zu sehen, wie durch den horizontalen Streifen im Bild Nr. 9 der
30 Figur 1 ersichtlich ist. In Bild Nr. 10 wird eine IntraAktualisierung eines Teils der Bildblöcke durchgeführt, so dass ein Teil des fehlerhaften Bildbereichs in Bild Nr. 10 verschwunden ist. In Bild Nr. 11 wurde eine Inter-Codierung mit Hilfe von Referenzbildern durchgeführt, wobei die Refe- 5 renzbilder zeitlich vor Bild Nr. 10 liegen und somit nicht die Intra-Aktualisierung enthalten. Deshalb erscheint ein großer Teil des fehlerhaften Bereichs wieder in Bild Nr. 11. Das gleiche Phänomen tritt in Bild Nr. 12 auf. Durch dieses Phänomen wird nicht nur objektiv die Verzerrung im Bild erhöht, sondern der Effekt im Bild wird auch subjektiv als sehr störend empfunden. 5
Die oben beschriebenen Bildstörungen sind darauf zurückzuführen, dass bei der für die Sequenz der Figur 1 verwendeten Codierung eine erste Intra-Codierung mit einer Inter-Codierung verknüpft wird, die mehrfache Referenzbilder verwendet. Man .0 könnte das Auftreten dieser Störungen vermeiden, indem nicht auf mehrfache Referenzbilder bei fehlerhaften Übertragungen zurückgegriffen wird, dies würde jedoch die Leistungsfähigkeit der Komprimierung erheblich senken.
.5 Um die oben beschriebenen Störungen weitestgehend zu vermeiden, wird mit dem erfindungsgemäßen Codierverfahren eine Beschränkung der Referenzbilder dahingehend vorgenommen, dass bei der Inter-Codierung nur noch solche Referenzbildblöcke verwendet werden, die nach der Codierung des Referenzbildes iO keiner Intra-Aktualisierung unterzogen wurden. Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Figur 2 dargestellt. Die Figur 2 zeigt die gleiche Bildersequenz wie die Figur 1 mit dem Unterschied, dass das erfindungsgemäße Codierverfahren verwendet wurde. Man sieht, dass die ■ Bildstörungen in den
Ϊ5 Bildern Nr. 11 und Nr. 12 verschwunden sind. Dies liegt daran, dass bei der Inter-Codierung keine Referenzbilder herangezogen werden, die fehlerhaft zum Decoder übertragen werden. Die Bitratenzunahme, die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt, ist relativ moderat und liegt bei lediglich 5
50 %.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail beschrieben. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden für jeden Makroblock-
55 Codiermodus m aus der Menge von möglichen Inter-Codier-Modi Mp und für jedes Referenzbild r aus der Menge der zugänglichen Referenzbilder R optimale Bewegungsvektoren v(m, r) aus der Menge der Bewegungsvektoren V(m) für die Bewegungskompensation ausgewählt. Die Auswahl erfolgt nach Rate-Distortion- Kriterien. Mathematisch lassen sich die Rate-Distortion- Kriterien wie folgt darstellen:
v(m, r) = arg min(DBrD(m, r, v) + λ» onRnotior TL, T, v)) ( D eV(m)
wobei DTPD(ΠI, r, v) die Verzerrung nach der Bewegungskompensation ist und Rmotion (m' r ' v) die Anzahl der Bits beinhal¬ tet, die für die Codierung des jeweiligen Bewegungsvektors notwendig sind. Bei der Funktion ((D^p^m, r, v) +λmotionRmotion (m, r, v) ) handelt es sich um eine sog. Lagran- ge-Kostenfunktion, die den Lagrange-Multiplikator λmotion beinhaltet. Diese Funktion wird minimiert, wodurch optimale Bewegungsvektoren hinsichtlich der Verzerrung und des Speicherbe- darfs für den Bewegungsvektor ermittelt werden. Als erstes Ergebnis erhält man somit für jedes Referenzbild r und jeden Macroblock-Codiermodus m optimierte Bewegungsvektoren v(m, r) .
In einem nächsten Schritt wird die Anzahl der Bewegungsvektoren beschränkt, indem Kombinationen aus der Menge bestehend aus Inter-Codier-Modi Mp und Referenzbilder R entfernt werden, bei denen von Bildbereichen referenziert wird, die später einer Intra-Aktualisierung, beispielsweise aus Fehlerro- bustheitsgründen, unterzogen werden. Somit erhält man eine
Menge Op von möglichen Werten m und r für die Bewegungsvektoren, die- wie folgt lautet:
Figure imgf000009_0001
Wobei
k = 1, ..., K die Nummer eines Bildblocks ist,' f der Vektor {fi, ...., f^} ist, wobei die Variable fj_ die Zahl ist, die für den i-ten Bildblock die Nummer des Referenzbildes angibt, für das die letzte Intra-Aktualisierung 5 durchgeführt wurde;
sminfi (v(m, r) , f, k) eine Operation ist, die für den Bildblock k in Abhängigkeit von v(m,r) und f die Nummer des Referenzbildes ermittelt, das aufgrund der Referenzbildbeschränkung L0 das zuletzt erlaubte Referenzbild ist.
Ergibt sich, dass die Nummer des letzten erlaubten Referenzbildes größer als die Nummer des Referenzbildes r ist, handelt es sich um eine Kombination (m, r) , deren Referenzbild L5 innerhalb der Menge der durch das erfindungsgemäße Verfahren beschränkten Referenzbilder liegt. Sollte das letzte erlaubte Referenzbild kleiner als das Referenzbild r sein, wird die entsprechende Kombination (m, r) verworfen.
20 Die sich aus dem vorhergehenden Schritt ergebende beschränkte Menge Op von Referenzbildern und Inter-Codiermodi m wird mit einer Menge von im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Intra-Codiermodi Mj kombiniert und aus der Vereinigungsmenge 0 = {Mj, Op} wird wiederum mittels von Rate-Distortion-
25 Kriterien der optimierte Codiermodus 0(k) für jeden Makroblock k ermittelt. Falls dieser Macroblock gezwungenermaßen intra-codiert wird, zum Beispiel durch reguläre oder zufällige Intra-Aktualisierungen, dann wird die Menge der 0 beschränkt auf ausschließlich Intra-Modi, also 0 = Mj . Natür-
30 lieh könnte man in diesem Fall die Bestimmung von Op auch weglassen. Mathematisch lassen sich das Rate-Distortion- Kriterien wiederum als Minimierungsproblem einer Lagrange- Kostenfunktion formulieren:
o{k)= argmin (D(O) + AM R(O)) , (3) o≡O
35 wobei R(o) die Anzahl der Bits beschreibt, um den Bildblock im Codiermodus o zu codieren, und D(o) die Verzerrung für diesen Codiermodus repräsentiert.
Falls in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine regelmäßige o- der zufällige Intra-Aktualisierung stattfindet, ergibt sich die Verzerrung als die Summe der quadratischen Differenzen zwischen dem ursprünglichen Bildblock und dem nach Decodierung erhaltenen Bildblock. Sollte die Intra-Aktualisierung auf der Basis einer weiter unten beschriebenen fehleroptimierten kanaladaptiven Codierung durchgeführt werden, ergibt sich die Verzerrung als der Erwartungswert der Verzerrung am Decoder .
In einem nächsten Schritt muss noch herausgefunden werden, ob ein intra-codierter Bildblock aufgrund von Fehlerrobustheits- gründen zur Vermeidung von Fehlerfortpflanzungen oder aus Codiereffizienzgründen intra-codiert wurde. Eine IntraCodierung aus Codiereffizienzgründen liegt insbesondere dann vor, wenn ein Objekt in der Bildersequenz nur temporär auftaucht. Bei einer Intra-codierung aufgrund von Codiereffizienzgründen ist eine Referenzbildbeschränkung unerwünscht. Um die Gründe für die Intra-Codierung zu ermitteln, wird nochmals eine Rate-Distortion-Optimierung gemäß Gleichung (3) durchgeführt, wobei aber nun immer die gesamte Menge 0 = {Mj, Op} und als Verzerrungsmaß die Summe der quadratischen Differenzen zwischen dem ursprünglichen Bildblock und dem nach Decodierung erhaltenen Bildblock verwendet werden. Das Resultat der Optimierung wird als ö(k) bezeichnet. Es wird anschlie- ßend ein Fehlerrobustheitsflag e^ gesetzt, wobei e^ = δ0(k)≠δ( ) und δßgdingung das Kronecker-Symbol ist, welches 1 ist, falls die Bedingung erfüllt ist und sonst den Wert 0 hat. Somit wurde die Intra-Codierung aus Fehlerrobustheitsgründen durchgeführt, wenn das Flag auf 1 gesetzt ist.
Wenn alle Bildblöcke eines Bildes verarbeitet worden sind, wird der Vektor f für alle Einträge f^ aktualisiert, für die das Fehlerrobustheitsflag e^ auf 1 gesetzt ist. Hierdurch wird eine Referenzbildbeschrankung für solche IntraCodierungen vermieden, die aus Codiereffizienzgrunden durchgeführt wurden und somit kann das Auftauchen und Verschwinden von Gegenstanden durch die Codierung mit Hilfe mehrerer Referenzbilder effizient durchgeführt werden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei der eine kanaladaptive Referenz- bild-Auswahl auf der Basis von Rate-Distortion-Kriterien vorgenommen wird. Es ist hierzu notwendig, die Verzerrung D(o) am Decoder abzuschätzen. Möglichkeiten zur Abschätzung dieser Verzerrung sind beispielsweise aus den Dokumenten [5], [6] und [7] bekannt. Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Verzer- rung ist die Einbeziehung des zufalligen Kanalverhaltens C bei der Abschätzung der Verzerrung. Das Kanalverhalten C nach der Übertragung eines Bildes n ist hierbei gegeben durch die binare Sequenz {0, l}P(n), wobei p(n) die Anzahl der übertragenen Pakete ist, die notwendig sind, um die Bilder 1 bis n zu übertragen. Eine 0 m der Sequenz bezeichnet hierbei ein korrekt empfangenes Paket, wohingegen eine 1 ein verloren gegangenes Paket indiziert. Die Zufallsvariable, welche die binare Sequenz bis zu Bild n beschreibt, wird als Cp(n) bezeichnet. Die Pixel- Verzerrung am Decoder hangt von dem am Decoder rekonstruierten Pixel-Wert ab, der als E^ bezeichnet wird und welcher dem die Codierung durchfuhrenden Encoder unbekannt ist. Die Pixelverzerrung hangt vom Kanalverhalten C und von dem ausgewählten Codiermodus o ab, d.h. ^ = ^ (Cp(n),o) . Die Verzer- rung wird als die Summe der Erwartungswerte der quadratischen Pixel-Verzerrungen dj_ (o) aller Makroblocks i abgeschätzt, wobei angenommen wird, dass dem Encoder das Kanalverhalten cp(n) bekannt. Für die Pixelverzerrung dj_ (o) für den Makroblock i ergibt sich:
dt ) = Ec p(p 0 ;« " f. {CP - ι ° > ( 4 ) wobei Ec _ den Erwartungswert der quadratischen Differenz des Original-Pixelwertes und des rekonstruierten Pixelwertes gemittelt über den Kanal Cp(n__) darstellt.
Zur Berechnung des Erwartungswertes kann folgende einfache Methode verwendet werden. Es wird angenommen, dass T Kopien der Zufallsvariable „Kanalverhalten* im Encoder zur Verfügung stehen. Diese Kopien werden als Cp(n) (t) bezeichnet, mit t = 1, ..., T. Ferner wird angenommen, dass alle Zufallsvariablen Cp(n) (t) identisch und statistisch unabhängig verteilt sind. Gemäß dem starken Gesetz für große Zahlen ergibt sich somit für T —> ∞ :
Figure imgf000013_0001
Mit dem Ausdruck auf der linken Seite kann somit der Erwartungswert dj_ (o) abgeschätzt werden und in einem nächsten Schritt die erwartete Verzerrung Dj_(o) berechnet werden. Die Rekonstruktion der Pixelwerte hängt vom Kanalverhalten Cp(n-l) (t) sowie der Verschleierung im Decoder ab. Durch die zuletzt genannte Formel kann im Encoder abgeschätzt werden, wie stark die Verzerrung im Decoder sein wird.
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Codierung einer Folge von digitalisierten Bildern mit einer Vielzahl von Bildblöcken, bei dem:
- die Bildblöcke eines Teils der Bilder in Abhängigkeit von vorgegebenen Kriterien in einem ersten Intra- Codiermodus codiert werden;
- die Bildblöcke eines Teils der Bilder in einem zweiten Intra-Codiermodus oder in einem Inter-Codiermodus codiert werden, wobei im Inter-Codiermodus für die Bildblöcke eine Bewegungsschätzung in Bezug auf Referenzbildblöcke von zuvor codierten Referenzbildern der Fol- ge durchgeführt wird;
- wobei bei der Durchführung der Bewegungsschätzung nur Referenzbildblöcke verwendet werden, die nach der Codierung des Referenzbildes nicht in einem ersten Intra- Codiermodus codiert wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebenen Kriterien zur Durchführung der Codierung im ersten Intra- Codiermodus Fehlerrobustheitskriterien betreffend eine fehlerhafte Übertragung von codierten Bildern sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Codierung im ersten Intra-Codiermodus in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Codierung im ersten Intra-Codiermodus in zufälligen zeitlichen Abständen durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Codierung in dem zweiten Intra-Codiermodus oder in dem Inter-Codiermodus aus Codiereffizienzgründen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für alle in einem ersten Codiervorgang in einem Intra- Codiermodus codierten Bildblöcke vor der Durchführung eines zweiten Codiervorgangs der für die Codierung der Bildblöcke zu verwendende Codiermodus aus einer Menge von Codiermodi ausgewählt wird.
L O
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Rate-Distortion- Kriterien bestimmt werden und die Auswahl des zweiten Intra-Codiermodus oder des Inter-Codiermodus in Abhängigkeit von den Rate-Distortion-Kriterien getroffen wird.
15
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rate-Distortion-Kriterien in Abhängigkeit von einer zu erwartenden Fehlerrate bei der Übertragung der codierten Bilder bestimmt werden. 0
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zur Bestimmung der Rate-Distortion-Kriterien die Verzerrung der Pixelwerte der Bilder berechnet wird.
5 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Verzerrung der Pixelwerte die Summe der quadratischen Differenzen zwischen den Pixelwerten vor der Codierung und den entsprechenden decodierten Pixelwerten umfasst.
0 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Verzerrung abgeschätzt wird.
12. Verfahren zur Decodierung einer Folge von digitalisierten Bildern, wobei das Verfahren derart ausgestaltet ist, 5 dass eine mit einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche codierte Folge von digitalisierten Bildern decodiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Fehler- verschlei-erung in den decodierten Bildern durchgeführt wird.
14. Verfahren zur Codierung und Decodierung von digitalisierten Bildern, umfassend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13.
15. Vorrichtung zur Codierung einer Folge von digitalisierten Bildern, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführbar ist.
16. Vorrichtung zur Decodierung von digitalisierten Bildern, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 durchführbar ist.
17. Vorrichtung zur Codierung und Decodierung von digitali- sierten Bildern, umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 14 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16.
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