DE3828908C2 - Verfahren zur digitalen Bildübertragung - Google Patents
Verfahren zur digitalen BildübertragungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur digi
talen Bildübertragung unter Ausnutzung der Übereinstimmung
von Elementen im Bildrahmen für die Codierung und Decodie
rung.
Bildübertragungssysteme zum Videoconferencing und zur Vi
deotelephonie erfordern die Übermittlung von Bildinformation
mit geringer Bitrate, die typischerweise bei 64 kbits/s
liegt. Die über derartige Systeme übertragene Bildinformation
muß eine akzeptable Auflösung von Bilddetails sowie eine ak
zeptable Frequenz bei der Aktualisierung und Aufbereitung,
dem sogenannten Updating beim Empfänger ermöglichen. Aus die
sem Grund können zu übertragende Bilder so dargestellt wer
den, daß sie zur Codierung als Aufeinanderfolge von Bildüber
tragungsrahmen, die jeweils aus 288 Zeilen von 360 Pixeln
oder Pels (picture elements = Bildelementen) aufgebaut sind,
mit einer Rate von zehn Rahmen pro Sekunde geeignet sind.
Wenn die Helligkeit (Leuchtdichte) und Farbe jedes dieser
Pixel überhaupt genau wiedergegeben werden sollen und
wiederherstellbar sein sollen, würde eine volle Codierung der
Aufeinanderfolge von Bildrahmen die Notwendigkeit einer
Datenrate von 10 Mbit/s oder mehr bedingen. Es ist klar, daß
nur ein sehr geringer Bruchteil dieser Daten über einen Kanal
mit 64 kbit/s übertragen werden könnte.
Die Reduktion der Datenrate kann durch Ausnutzung von
räumlicher oder örtlicher Redundanz innerhalb der individuel
len Rahmen und zeitlicher Redundanz zwischen aufeinanderfol
genden Rahmen erzielt werden. Eine Art der vorteilhaften Nut
zung der zeitlichen Redundanz besteht darin, jeden laufenden
Rahmen in Blöcken von 8 × 8 Pixeln zu zerlegen und bezüglich
jedes derartigen Blockes in einem Bereich des darauffolgenden
Rahmens in einem "Suchfenster" von beispielsweise ± 7 auf dem
unter Prüfung stehenden Block zentrierten Pixeln nach einem
ähnlichen Block zu suchen, um irgendeine Bewegung der Bilde
lemente zwischen den Rahmen zu identifizieren. Dann kann ein
Bewegungsvektor, der jeden Block auf den ähnlichen Block im
darauffolgenden Rahmen abbildet (Mapping Vektor), mit jedem
Block assoziiert werden, d. h. jedem Block zugeordnet werden.
Diesem Schema folgend ist es möglich, den darauffolgenden
Rahmen durch Translation von Blöcken vom augenblicklichen
Rahmen entsprechend den assoziierten oder verknüpften Bewe
gungsvektoren zu rekonstruieren.
Diese gattungsgemäße Technik
ist beispielsweise von S. Kappagantula und K.R. Rao in IEEE
Transactions on Communications, Volume Com-33, Nr. 9, Septem
ber 1985, Seiten 1011 bis 1015 beschrieben worden.
Bei einer existierenden Strategie zur Wiederherstellung
(d. h. zur Fehlerbehebung) von Bildinformation für den Fall,
daß eine Fehlerübertragungsrate einen vorgegebenen Schwell
wert überschritten hat, besteht die Wiederherstellung typi
scherweise darin, daß die Decodiereinrichtung die Codierein
richtung durch Setzen eines Kennzeichens dazu veranlaßt, die
Übertragung mit dem ersten neuen, im Intramode codierten Rah
men wieder zu beginnen. Die Decodiereinrichtung hält den
letzten fehlerfreien Rahmen, bis der neue Rahmen empfangen
und decodiert worden ist. Damit jedoch mit dieser Wiederher
stellungsstrategie eine subjektiv akzeptable Bildqualität
verarbeitet werden kann, muß die Fehlerbitrate des Kanals ge
ring sein.
Ist beispielsweise aufgrund von Einschränkungen bezüglich
des Datenkanals die Datenrate gering, so weist diese existie
rende Fehlerbehebungsstrategie insofern Nachteile auf, daß
ein einziger im Intramode codierter Rahmen oder Übertragungs
block im Vergleich zu im Intermode codierten Rahmen subjektiv
schlecht ist. In Kombination mit einer niedrigen Rahmenrate
bedingt dies eine schlechte Sequenzrekonstruktion während der
Fehlerbehebung bzw. -handhabung.
In der EP 0 154 125 A2 wird dagegen ein spezielles Inter
polationsverfahren angegeben, mit dem zwei übertragene Fern
sehbilder oder Rahmen, die zwischengespeichert werden, in
stationäre Anteile, bewegte Anteile und bewegungsbedingt
sichtbar werdenden und überdeckten Hintergrund zerlegt wer
den, und dann diese vierfach differenzierte Segmentinforma
tion zur Einstellung der Filterkoeffizienten eines bewegungs
adaptiven Filters verwendet wird, das ein nicht übertragenes
Bild durch Interpolation erzeugt.
In Proceedings of the IEEE, Bd. 73, Nr. 4, April 1985,
Seiten 523 bis 548 ist eine Intra-Frame Prädiktionscodierung
beschrieben. Dieses Verfahren ist auf einen einzelnen Prädik
tions-Bezugsrahmen festgelegt. Der übertragene Rahmen (pel)
wird mit Bezugnahme auf Information codiert, die aus mehreren
vorhergehenden Frames (pels) derart codiert wird, daß die co
dierte Differenz dazu verwendet wird, einen Prädiktions-Be
zugsrahmen am Sender zu erzeugen. Dabei liegt die resultie
rende Differenzinformation bezüglich dieses einzigen Prädik
tions-Bezugsrahmens vor, und es werden sämtliche vorhergehen
den Rahmen oder pels als isolierte Einheiten ignoriert. Dabei
erfolgt die Prädiktion sowohl auf der Sender- als auch auf
der Empfängerseite auf der Grundlage rekonstruierter Abtast
werte.
Im Gegensatz zum aufgezeigten Stand der Technik mit Prä
diktions-Codierung und Interpolationstechnik betrifft die Er
findung ein Codier/Decodier-Verfahren, in dem die Überein
stimmung von Elementen in Bildrahmen für die Codierung sowie
auch die Decodierung ohne Prädiktion und ohne Interpolation
direkt ausgenutzt werden. Bei diesem Stand der Technik gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird stets der vorher
gehende Rahmen zum gegenwärtigen Rahmen in Beziehung gesetzt
und der bestabgestimmte Teilblock als Anzeige für eine Bewe
gung von Rahmen zu Rahmen herangezogen und auch für die Co
dierung der Information benutzt. Wie jedoch dargelegt wurde,
ergeben sich bei solchen Systemen Schwierigkeiten bei der
Fehlerbehebung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge
mäßes Verfahren anzugeben, mit dem diese Schwierigkeiten ver
meidbar sind und das eine zufriedenstellende Codierung und
Decodierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentan
spruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Un
teranspruch definiert.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur digitalen Codierung
von Bildelementbewegungen in Videosignalen zwischen Übertra
gungsrahmen angegeben, bei dem diese Bewegung mit Bezug auf
einen oder mehrere von mehreren vorhergehenden Rahmen
(Frames) erfolgt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bewegung von Bild
elementen zwischen Übertragungsrahmen so aufbereitet, daß sie
in codierten Signalen zur Übertragung unter Bezug auf einen
oder mehrere mehrerer vorhergehender Rahmen dargestellt wird,
so daß, wenn sich die Bildinformation innerhalb des Zeitin
tervalls, das durch die mehreren Rahmen dargestellt wird,
wiederholt, diese Information nicht wieder, d. h. wiederholt,
codiert zu werden braucht.
Die erfindungsgemäße Codierung und Decodierung nutzt eine
"ausgeweitete Suche", wobei beispielsweise als vorbestimmte
Anzahl acht vorhergehende Rahmen auf eine Übereinstimmung von
Elementen in den Bildrahmen untersucht werden, wobei dann be
züglich einem oder auch mehreren dieser vorhergehenden Rahmen
gefundene Übereinstimmungen für die Codierung zur Übertragung
ausgenutzt werden. Hierdurch wird eine effektivere und auch
vollständigere Codierung möglich. Darüber hinaus werden eben
falls am Empfänger die Rahmen dieser vorbestimmten Anzahl
vorhergehender Bildinformation gespeichert und es erfolgt
eine Decodierung bezüglich ausgewählter Rahmen, wobei das
Auswahlkriterium für einen oder mehrere solcher ausgewählter
Rahmen die bereits gefundene Übereinstimmung im Codierer ist.
Ein spezielles Element wird z. B. aus dem vierten vorhergehen
den Rahmen decodiert, wenn im Codierer gefunden wurde, daß
ein Element im gerade vorliegenden Rahmen bereits vier Rahmen
zuvor vorgelegen hat. Auf diese Weise ist es möglich, Bewe
gung sowohl auf der Codierer- als auch auf der Decodierersei
te bei Haltung der Datenrate innerhalb akzeptierbarer Grenzen
effektiv vollständig zu codieren und zu decodieren.
Darüber hinaus ermöglicht das Codier- und Decodierverfah
ren der Erfindung, daß auch die Fehlerbehebung bei einem Rah
menübertragungsverlust gegenüber dem Stand der Technik deut
lich verbessert ist. So ist, wie weiter unten ausgeführt, im
gattungsgemäßen Stand der Technik bisher von der Decodierein
richtung der letzte fehlerfreie Rahmen so lange gehalten wor
den, bis ein neuer im Intramode codierter Rahmen empfangen
und decodiert worden war. Erfindungsgemäß wird für eine Feh
lerbehebung anders vorgegangen, indem die Codiereinrichtung
abhängig davon, welche der vorhergehenden Rahmen im Speicher
der Decodiereinrichtung erfolgreich gespeichert wurden, ihren
Codiervorgang, d. h. den Rahmenelementenvergleich usw. aus
führt. Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren der Codierung und Decodierung mit Speicherung je
weils einer vorbestimmten Anzahl von vorhergehenden Rahmen in
der Codiereinrichtung und Decodiereinrichtung, so daß die Co
diereinrichtung für die Fehlerbehebung eine Auswahl in den in
einem Speicher der Decodiereinrichtung gespeicherten Rahmen
treffen kann und einen neuen ("frischen") Rahmen unter Bezug
auf einen oder mehrere dieser Rahmen codieren kann. Hier
durch wird das Fehlerbehebungsverfahren im Vergleich zum
bekannten, oben aufgezeigten Verfahren deutlich verbessert
und kann auch höhere Fehlerbitraten im Kanal bewältigen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der bei
liegenden Figur, die die Funktionsweise des erfindungs
gemäßen Systems schematisch darstellt, näher erläutert.
Vorhandene Auslegungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
von Codier/Decodier-Anord
nungen (Codex) erzielen Codiereinsparungen
durch Codieren der Unterschiede zwischen
aufeinanderfolgenden Rahmen von Bildin
formation, und darüber hinaus wird das Differenzsignal
weiterhin reduziert, indem jede mögliche Bewegung von
Bildelementen, die zwischen aufeinanderfolgenden Rahmen
erfaßt wird, durch sogenannte "side
information" in Form von Bewegungsvektoren dargestellt
oder wiedergegeben wird. Jeder Rahmen ist
in Teilblöcke von beispielsweise 8 × 8 Pixel oder Pels
aufgeteilt, und es wird eine Suche nach dem bestpassend
sten oder abgestimmten Teilblock im vorhergehenden
Rahmen innerhalb eines Suchfensters von beispielsweise
22 × 22 Pixeln oder Pels durchgeführt. Der am besten
passende Teilblock liefert dann eine Anzeige jeglicher
Bewegung von Rahmen zu Rahmen.
In der Erfindung wird die Suche
nach dem bestpassendsten oder abgestimmten Teilblock
in jedem von acht vorhergehenden Rahmen, die in einem
Speicher 1 festgehalten bzw. gespeichert werden, durch
geführt. Diese ausgeweitete Suche ergibt zweierlei
Vorteile. Zunächst kann jedes Bildinformationselement
im gerade vorliegenden Rahmen, welches eine Wiederholung
eines Elements irgendeines der vorhergehenden acht
Rahmen darstellt, effektiver codiert werden. Beispiels
weise kann ein Element im gerade vorliegenden Rahmen
bereits vier Rahmen zuvor vorgelegen haben, jedoch
nicht in irgendeinem der dazwischenliegenden Rahmen.
Somit kann dieses Element einfacher im Decodier
prozeß aus dem vierten zurückliegenden Rahmen wiedergewonnen werden,
als daß es erforderlich ist, dieses Element wiederum
zu codieren. Der zweite Vorteil liegt darin, daß Bewe
gungen eines Bruchteil s eines Pels oder Pixels eben
falls effizienter codiert werden können, denn, wenn
eine Bewegung mit einer Geschwindigkeit von einem
halben Pel oder Pixel pro Rahmen vorliegt, so wird
die Bildinformation des gerade vorliegenden Rahmens
zwei Rahmen zuvor oder zurück vorgelegen haben, selbst
wenn sie sich nicht im unmittelbar vorhergehenden
Rahmen befand. Auf diese Weise kann zuvor nicht zugreif
bare Bildinformation
codiert werden und dazu verwendet werden, das Bild
beim Decodieren zu erweitern und zu verbessern, oder
die Codierung mit völliger Decodierbarkeit kann
effizienter ausgeführt werden, um die Datenrate inner
halb akzeptierbarer Grenzen zu halten.
Die Bewegungsvektorinformation in der vorliegen
den Anordnung ist insofern dreidimensional, als daß sie
Horizontal-Vertikal- und zeitliche Komponenten auf
weist, und zwar wegen der Hinzufügung von drei Bit
(Dreibitwort) als gültige Zeitwertinformation, (die
einen von acht Rahmen anzeigt). Aus diesem Grund kann
die Informationsmenge, die zu übertragen ist, signifi
kant reduziert werden, wenn eine gute Anpassung oder
Übereinstimmung für einen Block von Pels oder Pixeln
in irgendeinem der acht vorhergehenden Rahmen gefun
den werden kann. Die verwendete Suchstrategie besteht
in einer logarithmischen (3-stufigen oder 3-Schritt-)
Suche in jedem der acht Rahmen, gefolgt von einer Ent
scheidung bezüglich der besten Anpassung oder Ab
stimmung von jedem Rahmen. Das Korrelationskriterium
für die Teilblockabstimmung (Subblock-Matching) ist
der mittlere Absolutfehler (MAE = Mean Absolute Error).
Zur Wiederherstellung bzw. Fehlerbehebung am Emp
fänger setzt die Decodiereinrichtung der Codierein
richtung ein Kennzeichen (Flag), um anzuzeigen, welcher
Rahmen verlorengegangen ist, und die Codiereinrichtung
bestimmt daraufhin, welchen der vorhergehenden Rahmen,
die in einem Speicher 2 festgehalten, d. h. gespeichert
werden, falls überhaupt geeignete Rahmen vorhanden sind,
sie zur Wiederherstellung bzw. Fehlerbehebung verwenden
kann. Die Anzahl von vorhergehenden Rahmen, die ver
wendet werden können, hängt von der Schleifenverzögerung
ab, die wiederum selbst von der Übertragungsweg- oder
Pfadverzögerung und den Verzögerungen der Codiereinrich
tungs- und Decodiereinrichtungshardware und -software
abhängt. Je größer die Schleifenverzögerung, um so
größer ist die Anzahl von Rahmen, die am Decodierer
verlorengehen werden.
Die Wiederherstellung nach Fehlern in der Über
tragung kann unter Bezugnahme auf den zuletzt empfange
nen ungestörten Rahmen der acht Rahmen ausgeführt werden.
Mit dem beschrie
benen Verfahren können quantitative Signal/Rausch-Gewinne
(-Verstärkungen) erzielt werden und insbesondere für
Mund- und Armbewegungen subjektive Verbesserungen
gewonnen werden.
Claims (2)
1. Verfahren zur digitalen Bildübertragung unter Ausnutzung
der Übereinstimmung von Elementen in Bildrahmen für die Co
dierung und Decodierung,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Codierung zu übertragender Bildinformation eines
Rahmens Elemente dieses Rahmens mit Elementen jedes einer
vorbestimmten Anzahl vorhergehender aufeinanderfolgender,
hierzu gespeicherter Rahmen verglichen wird und daß bezüglich
einem oder mehreren dieser vorhergehenden Rahmen gefundene
Übereinstimmungen für die Codierung zur Übertragung aus ge
nutzt werden, und daß die derart codierte übertragene Bildin
formation in bezug auf einen oder mehrere, abhängig von der
gefundenen Übereinstimmung ausgewählte Rahmen dieser vorbe
stimmten Anzahl, hierzu auch am Empfänger gespeicherter Rah
men decodiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Rahmenübertragungsverlust bei der Codierung im
Speicher des Empfängers fehlende Rahmen für den Rahmenele
mentvergleich nicht berücksichtigt werden.
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