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Die
Erfindung betrifft die Darstellung von Digitalbildern, insbesondere
die Darstellung von Digitalbildern, die in einem komprimierten Format
vorliegen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Darstellung
von Digitalbildern in mehreren Ebenen mit gleichen, ähnlichen
oder verwandten Dateneigenschaften oder Datenwerten. Die Erfindung
betrifft insbesondere auch die Optimierung einer Ebene eines Digitalbildes
mit Blick auf eine ausgewählte
Kompressionstechnik und die Speicherung von Korrekturdaten für die optimierte
Ebene in einer anderen Ebene des Bildes. Die Erfindung betrifft
zudem die Rekonstruktion der Darstellung eines Digitalbildes durch
Auswählen
von Daten aus einer optimierten Ebene der Darstellung des Digitalbildes
und einer Additivebene, die Additivdaten sowohl aus der optimierten
Ebene wie auch der Korrekturebene enthält.
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Die
effiziente Übertragung,
der effiziente Austausch und die effiziente Speicherung von Bilddaten
stellen eine Kernfrage in verteilten Systemen dar. Die Hauptschwierigkeit
besteht darin, effektive Wege für
eine merkliche Verringerung der großen zu übertragenden und/oder zu verarbeitenden
Informationsmengen zu erhalten, wobei man stets im Stande sein muss,
das Bild mit hoher Wiedergabetreue zu rekonstruieren. Der herkömmliche
Lösungsansatz
für dieses
Problem besteht in der Verringerung der Datenmenge durch Anwenden einer
Kompression. Verschiedene Kompressionstechniken (so beispielsweise
LZW, JPEG, JBIG und Wavelets) wurden im Lauf der Jahre entwickelt,
um verschiedene Arten von Daten, die in Digitaldokumenten häufig vorkommen,
effektiv zu verarbeiten. Binäre
Kompressionsschemen wie LZW sind beispielsweise sehr effektiv bei
der Verarbeitung von Text und strichförmiger Information, wohingegen
JPEG erfolgreich eingesetzt wird, um natürliche Fotografien zu verschlüsseln. Gleichwohl
sind diese Algorithmen derart konzipiert, dass sie nur bei einer
bestimmten Bildklasse (sei sie nun textartig oder bildartig) gute
Ergebnisse liefern, wobei kein Algorithmus alle Arten von Bildklassen
ausreichend gut verarbeiten kann.
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Ein
Lösungsansatz
zum Erreichen eines hohen Kompressionsverhältnisses besteht darin, das
zugrundeliegende Dokument in Bildklassen zu teilen und die jeweils
am besten geeignete Kompressionstechnik auf jede Klasse separat
anzuwenden. Textinformation und strichförmige Information werden dann
unter Verwendung eines Lösungsansatzes
komprimiert, der auf die Beibehaltung der Detailstruktur (Randinformation)
abstellt, wo hingegen Bilder und Übergänge unter
Verwendung eines Lösungsansatzes
komprimiert werden, der nach Erhaltung von Farbtiefe und Glätte strebt.
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Die
Dokumentbilddarstellung (Document Image Representation DIR) ist
eine Art der Beschreibung von Digitaldokumenten, die auf diesem
Konzept basiert. Entsprechend dem DIR-Spezifikationsentwurf (Version
1.1 vom 26. August 1996) wird das aktuelle DIR-Modell durch drei verschiedene (logische)
Ebenen dargestellt, siehe 1, nämlich eine
obere Ebenen Up, die auch als Vordergrundebene bezeichnet wird und
typischerweise Daten enthält,
bei denen hohe Anforderungen an Details gestellt werden, so beispielsweise
bei Text und strichförmigen
Darstellungen; eine rein binäre
Auswahl- oder Maskenebene Sp, die das Austauschen von Information
zwischen der oberen und einer unteren Ebene bewerkstelligt; und
eine untere Ebene Lp, die auch als Hintergrundebene bezeichnet wird
und für
Farbabstufungen beispielsweise bei Bildern und Übergängen zuständig ist. Man beachte, dass
die Inhalte der Ebenen in 1 nur zu
Illustrationszwecken angegeben sind. Man könnte beispielsweise dasselbe
Bild gemäß 1 (farbiger
Text von einem Bild umgeben) auch derart darstellen, dass man den
(schwarzen) Text in die Auswahlebene verlegt und die obere Ebene
durchweg mit der Farbe des Textes ausfüllt. Weitere Abwandlungen sind
ebenfalls möglich.
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Das
in DIR eingebettete Bilderzeugungsmodell wird auch als Selektivmodell
bezeichnet, da der Inhalt der oberen Ebene auf einer Pixel-für-Pixel-Basis
zur Überschreibung
des Inhaltes der unteren Ebene verwendet wird, wann immer die Auswahlebene „wahr" anzeigt. Mit anderen
Worten, die Daten der oberen Ebene werden durch die binäre Auswahlebene „geschüttet", um die Daten der
darunter liegenden unteren Ebene zu ersetzen. Man beachte, dass
schlussendlich jedes rekonstruierte Pixel Information entweder aus
der oberen oder der unteren Ebene enthält. Dies bedeutet, dass diejenige
Information, die in der jeweils anderen Ebene (das heißt der nicht
von der Maske ausgewählten
Ebene) vorhanden ist, als irrelevant betrachtet und vernachlässigt wird.
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Adobe
Systems Inc. erwägt
derzeit die Integration eines neuen Maskierbildoperators (masked
image operator) als Erweiterung für Postscript Level III und
PDF, wodurch eine DIR-Rekonstruktion aus einer logischen Mehrebenendarstellung
möglich
würde.
Der neue Operator kann den Hintergrund „herausmaskieren", wodurch ein Objekt
des Vordergrundes sichtbar bleibt, ohne dass hierfür ein Clipping-Path
vorhanden sein müsste.
Das resultierende Bild kann dann (beispielsweise durch Überschreiben) über einen
anderen Hintergrund „gelegt" werden. Damit weist
der Maskierbildoperator dieselbe Eigen schaft wie das in der DIR-Spezifikation
eingebettete Bilderzeugungsmodell auf. Beiden ist die Vorstellung
des „Schüttens" des Vordergrundes durch
eine Maske und des Überschreibens
der darunter liegenden Daten gemeinsam.
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Üblicherweise
werden sowohl beim DIR-Verfahren wie auch beim Adobe-Verfahren die
oberen und unteren Ebenen gewöhnlich
unter Verwendung verschiedener Kompressionsschemen komprimiert.
Die DIR-Spezifikation empfiehlt beispielsweise die Verwendung der
nachfolgenden Algorithmen (siehe Seite 8 der DIR-Spezifikation):
Fiala-Green (verwandt mit LZW) für
Text und strichförmige
Darstellungen (obere Ebene), CCITT group 3/4 für die Binärmaske (Auswahlebene) und JPEG
für Farbbilder
und Übergänge (untere
Ebene). Bei Verwendung des Selektivmodells ist man daher genötigt, das
gewählte
Kompressionsschema durchweg beizubehalten, was verhindert, dass
man eine geeignete Kombination aus beiden einsetzt. Auch für den Fall, dass
man eine Entscheidung dahingehend trifft, wie man die Informationen
zwischen den Ebenen aufteilt, würde
eine derartige Entscheidung notwendigerweise zu einem Verlust an
Bildqualität
oder alternativ zu einer vergleichbaren Verschlechterung bei der
Kompression führen.
So würde
beispielsweise eine rein strichförmige Darstellung
keine gute Randfestlegung aufweisen, wenn sie mittels JPEG verarbeitet
ist, solange nicht die Anforderungen an die Kompression stark gelockert
werden. Analog würde
die LZW-Kompression keine guten Kompressionsergebnisse liefern,
wenn sie bei verrauschten Fotografien angewandt wird.
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Die
Druckschrift US-A-5,778,092 beschreibt eine Technik zum Komprimieren
einer Farb- oder
Grauskalenfarbpixelkarte durch Zerlegen derselben in drei Ebenen,
nämlich
eine Vordergrundebene, eine Hintergrundebene und eine binäre Auswahlebene.
Die Vordergrundebene enthält
Information betreffend Objekte, so beispielsweise Text, die Hintergrundebene
enthält
Information für
den Hintergrund der Seite, und die Auswahlebene wählt entweder
die Vordergrund- oder die Hintergrundebene während der Dekompression aus.
Jede der Ebenen wird unter Verwendung einer Kompressionstechnik
komprimiert, die für
den jeweiligen Datentyp optimal ist.
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Die
Druckschrift US-A-5,742,704 beschreibt eine Bildkodiervorrichtung,
die eine Kodierung abhängig vom
Bildtyp vornimmt. Dies erfolgt durch Extrahieren eines Pixelblocks
aus einem Bildsignal und anschließendes Bewerten auf Grundlage
von Größen wie
beispielsweise Variantenhistogramm oder dynamischer Bereichsinformation,
ob der Block fotoartig oder textartig ist. Es wird dann eine jeweils
andere Kodierung an den fotoartigen beziehungsweise textartigen
Pixelblöcken
vorgenommen.
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Die
Druckschrift US-A-5,392,362 offenbart eine Bildkodiervorrichtung,
die ein Bildsignal in verschiedene Bereiche unterteilt und Entscheidungen
hinsichtlich verschiedener Kodierverfahren für diese verschiedenen Bereiche
trifft. Das Bild wird in einen Schriftzeichenabschnitt und einen
Hintergrundabschnitt getrennt, wobei diese beiden Bereiche unterschiedlich
kodiert werden.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat man erkannt, dass
das durchgehende Vorziehen einer der Ebenen die Flexibilität eines
Darstellungsmodells einschränkt.
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Entsprechend
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer
Bildkompressionsvorrichtung und eines Verfahrens der Bildkompression
und Darstellung, bei der die Menge der Details, die in jeder Bildebene
von mehreren ein Bild darstellenden Bildebenen enthalten ist, variiert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Optimierung
wenigstens einer der mehreren Bildebenen für die Kompression mittels einer
ausgewählten
Kompressionstechnik durch Variieren einer Menge von Bilddetails,
die in jeder der Bildebenen enthalten sind.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bestimmung
einer Menge von Bilddetails in jeder der Bildebenen basierend auf
wenigstens der Superauflösung,
einer Feinrandpositionierung von Pixeln einer ausgewählten Bildebene
oder einer Mittelungsfarbe der ausgewählten Bildebene.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Bilddekompressionsvorrichtung und eines Verfahrens zur Bilddekompression,
bei denen eine Rekonstruktion eines Bildes aus mehreren Bildebenen
erfolgt, darunter einer oberen Ebene und einer unteren Ebene gemäß Erzeugung
aus einer Bildinformation, die sowohl in der oberen Ebene wie auch
in einer anderen Ebene von den mehreren Bildebenen enthalten ist.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch die Erfindung gemäß Niederlegung
in den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Die
DIR-Spezifikation stellt eine Art des Beschreibens von Digitaldokumenten
bereit, bei der textartige (strichförmige) Information von Bildern
mit kontinuierlichen Tönen
getrennt wird und verschiedene Kompressionen auf jede Komponente
angewendet werden, um so die jeweils spezifischen Eigenschaften
vorteilhaft zu nutzen. Das in DIR eingebettete Bilderzeugungsmodell
(Selektivmodell) weist jedoch Beschränkungen dahingehend auf, dass
die Information stets nach Klassen getrennt und dann einem von zwei
Kanälen,
niemals jedoch beiden zugeordnet wird.
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Die
vorliegende Erfindung verbessert die bestehende DIR-Darstellung
und verfeinert diese weiter, um die vorgenannten Beschränkungen
zu beseitigen. Insbesondere stellt es ein Ersetzen des Selektivbilderzeugungsmodells
durch ein Additivbilderzeugungsmodell bereit, wodurch Flexibilität dahingehend
geboten wird, dass Information aus beiden Kanälen kombiniert werden kann,
um die verfügbaren
Kompressionsressourcen optimal nutzen zu können. Darüber hinaus bietet es eine optionale
Erweiterung der Auswahlebene über
das Binäre
hinausgehend an. Diese Abwandlungen legen ein neues und flexibleres
Verfahren zur Darstellung von Digitaldokumenten fest, durch das
im Vergleich zu den bestehenden Verfahren wesentliche Verbesserungen sowohl
betreffend die Qualität
wie auch die Kompressionsergebnisse erreicht werden. Diese Verbesserungen sind
in den nachstehend erläuterten
als Fallstudien aufgemachten Beispielen dargelegt.
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Ein
weitergehendes Verständnis
der vorliegenden Erfindung und der vielen damit einhergehenden Vorteile
ergibt sich bei Betrachtung der nachfolgenden Detailbeschreibung
in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung, die sich wie folgt
zusammensetzt.
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1 ist
ein Diagramm, das eine obere Ebene, eine Auswahlebene und eine untere
Ebene eines Dokumentbilddarstellungsmodells zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das den Auswahlprozess zwischen einer oberen Ebene
und einer unteren Ebene bei einer Selektivmodellrekonstruktion zeigt.
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1 ist
ein Diagramm, das eine obere Ebene, eine Auswahlebene und eine untere
Ebene eines Dokumentbilddarstellungsmodells zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das den Auswahlprozess zwischen einer oberen Ebene
und einer unteren Ebene bei einer Selektivmodellrekonstruktion zeigt.
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3a ist
ein Diagramm, das die Auswahl zwischen einer Additivebene und einer
unteren Ebene bei der Additivmodellrekonstruktion entsprechend der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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3b ist
ein Diagramm, das die Auswahl zwischen einer Additivebene und einer
unteren Ebene zeigt, wobei jede entsprechend einem Erfassungssignal
modifiziert ist, und zwar entsprechend einem alternativen Ausführungsbeispiel
der Additivmodellrekonstruktion der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Fliesenmuster, das der Darstellung des Vorganges der Additivmodellrekonstruktion entsprechend
der vorliegenden Erfindung dient.
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5a zeigt die drei Ebenen bei einer Selektivmodellrekonstruktion,
wobei sämtliche
Bildinformation ausschließlich
in einer unteren Ebene enthalten ist.
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5b zeigt die drei Ebenen bei der Selektivmodellrekonstruktion,
wobei eine einzelne Farbe (rot) in einer oberen Ebene enthalten
ist, während
sämtliche
andere Information in der unteren Ebene enthalten ist.
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5c zeigt die drei Ebenen bei der Selektivmodellrekonstruktion,
wobei eine einzelne Farbe (grün) in
der oberen Ebene enthalten ist, während sämtliche zusätzliche Information in der
unteren Ebene enthalten ist.
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5d zeigt die drei Ebenen des Selektivmodells,
wobei die obere Ebene eine verrauschte Hintergrundfarbe enthält, während die
untere Ebene Information betreffend die Vordergrundfarbe enthält.
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5e zeigt die drei Ebenen der Selektivmodelldarstellung,
wobei die obere Ebene die Vordergrundfarben enthält, während die untere Ebene die
verrauschte Hintergrundfarbe enthält.
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5f zeigt die drei Ebenen der Selektivmodelldarstellung,
wobei die untere Ebene sämtliche
in dem Bild enthaltene Information enthält.
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6a zeigt den ersten Schritt eines Trennens
von Ebenen entsprechend dem Additivmodell der vorliegenden Erfindung.
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6b zeigt den zweiten Schritt eines Farbersetzens
in einer oberen Ebene entsprechend dem Additivmodell der vorliegenden
Erfindung.
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6c zeigt den letzten Schritt eines Einbettens
von Fehlern aus einer Farbersetzung der oberen Ebene in eine untere
Ebene entsprechend dem Additivmodell der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
die Luminanz der Selektivmodelldarstellung entsprechend der Alternative
2b von 2.
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8 zeigt
eine Mittelungsluminanz entsprechend dem Additivmodell der vorliegenden
Erfindung.
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9 zeigt
ein Ausgangsbild.
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10a zeigt eine auf dem Selektivmodell basierende
obere Ebene für
das Ausgangsbild von 9.
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10b zeigt eine Auswahlebene für das Selektivmodell entsprechend
der oberen Ebene von 10a und dem Ausgangsbild von 9.
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10c zeigt eine auf dem Selektivmodell basierende
untere Ebene für
das Ausgangsbild von 9.
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11a zeigt eine auf dem Additivmodell basierende
obere Ebene für
das Ausgangsbild von 9 entsprechend der vorliegenden
Erfindung.
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11b zeigt eine Auswahlebene für das Additivmodell entsprechend
der oberen Ebene von 11a und dem Ausgangsbild von 9 entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
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11c zeigt eine auf dem Additivmodell basierende
untere Ebene für
das Ausgangsbild von 9 entsprechend der vorliegenden
Erfindung.
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In
der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder korrespondierende
Teile. Insbesondere in 2 ist das bestehende DIR-Modell
auf Basis eines Selektivbilderzeugungsmodells dargestellt. Bei diesem
Modell wird ein Ausgangsbild 20 aus der DIR-Darstellung
(den drei vorstehend beschriebenen Ebenen, umfassend eine obere,
eine untere und eine binäre
Auswahlebene) unter Verwendung einer einfachen Multiplexrechenoperation
rekonstruiert. Der binäre
Auswahlwert 22, der aus der Auswahlebene abgeleitet ist,
wird auf einer Pixel-für-Pixel-Basis
zur Wahl von Daten entweder aus einer oberen Ebene 10 oder
aus einer unteren Ebene 12 verwendet. Man beachte, dass
eine beliebige Information, die in der jeweils anderen Ebene (diejenige,
die von der Maske nicht ausgewählt
worden ist) vorhanden ist, vernachlässigt und als irrelevant behandelt
wird.
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Wie
bereits erläutert
worden ist, besteht das Problem bei diesem Modell darin, dass für jedes
einzelne Pixel eine Entscheidung dahingehend getroffen werden muss,
dass entweder die obere oder die untere Ebene ausgewählt wird.
Die DIR-Spezifikation weist keine Empfehlung dahingehend auf, wie
diese Entscheidung zu treffen ist, sodass man zumindest theoretisch
dabei absolut frei ist. Gleichwohl gibt die DIR-Spezifikation eine Empfehlung
dahingehend, dass bestimmte standardblockbasierte Kompressionstechniken
für einige
der Ebenen (beispielsweise die Verwendung von JPEG zur Komprimierung
der unteren Ebene) verwendet werden sollen. Dies impliziert indirekt,
dass die Pixel in einem Block vermöge der Kompression abhängig von
ihrer Klassifizierung miteinander verknüpft werden.
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Immer
dann, wenn nicht alle Pixel innerhalb eines Blockes als zum gleichen
Typ gehörig
klassifiziert werden, tritt ein Problem auf. Das augenscheinlichste
Beispiel, das einem hierzu einfällt,
betrifft denjenigen Fall, in dem ein beliebiger (verrauschter) Text
auf einem Bild angeordnet ist. Ein Block von Pixeln, die an der Grenze
des Textes befindlich sind, enthält
unter Umständen
einen Teil des Textes wie auch einen Teil des Bildes. Bei theoretischer
Betrachtungsweise kann der Textteil vom Bild „abgehoben" werden, um in einer oberen Ebene verschlüsselt zu
werden, wohingegen der Rest in der unteren Ebene verbleibt und mittels
JPEG verschlüsselt
wird. Da jedoch die Pixel innerhalb eines Blockes vermöge der Kompression
voneinander abhängig sind,
können
die hochgehobenen Textteile dazu führen, dass die Qualität oder das
Kompressionsverhältnis
der in der Nähe
befindlichen Nichttextbereiche beeinträchtigt werden.
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Darüber hinaus
empfiehlt die aktuelle DIR-Spezifikation die Verwendung einer LZW-Variante zum Zwecke
der Komprimierung der oberen Ebene. Bei dieser Technik wird binären Gegebenheit
mit wenigen Farben der Vorzug gegeben, um hohe Kompressionsverhältnisse
zu erhalten. Werden bestimmte Pixel innerhalb eines Blockes als
strichförmig
klassifiziert und weisen alle verschiedene Farben (möglicherweise
aufgrund von Rauschschwankungen) auf, so kann das entsprechende
Kompressionsleistungsvermögen
merklich schlechter werden (was nachstehend anhand eines Beispieles
dargelegt wird).
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In
diesem Fall gerät
man in einen grundlegenden Konflikt, der sich aus der Nichtflexibilität des Selektivmodells
ergibt. Entweder begrenzt man die Anzahl der Pixel, die als strichförmig klassifiziert
sind (um der Kompression Rechnung zu tragen), oder man weist ihnen
zwangsweise die gleiche Farbe beziehungsweise die gleichen Farben
zu. Eine Begrenzung der Anzahl der strichförmigen Pixel kann zu einer
Verschlechterung der Qualität
führen,
da die anderen strichförmigen
Pixel (diejenigen, die aufgrund der Begrenzung nicht derart klassifiziert
sind) dem JPEG-Verfahren unterworfen werden und daher Randdetails
verlieren können.
Wird dagegen auf ähnliche
Weise die Farbe beziehungsweise werden die Farben erzwungen, so
tritt ein unmittelbarer Darstellungsfehler auf. Dieser Fehler pflanzt
sich bis zum Endergebnis fort, da ein Pixel in der oberen Ebene die
untere Ebene überschreibt,
ohne dass man die Möglichkeit
hätte,
in einer späteren
Phase hieran eine Korrektur vorzunehmen. Daher weist das bestehende
DIR-Modell nicht die Fähigkeit
auf, gewünschte
Anpassungen (beispielsweise aufgrund von kompressionsbezogenen Randbedingungen)
bei der Klassifizierungsweise von Pixeln vorzunehmen.
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Als
Alternative betrachte man nun das neue Additivbilderzeugungsmodell
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das in 3a dargestellt ist. Dieses Modell
weist bei der Rekonstruktion einen Vorteil dahingehend auf, dass
die Information aus einer oberen Ebene 32 zunächst (das
heißt
vor dem Treffen der Auswahl) zum Inhalt einer unteren Ebene 36 hinzugefügt beziehungsweise
addiert wird. Man beachte, dass die Einführung eines Addierers 38 einen
signifikanten Unterschied im Vergleich zum Selektivmodell darstellt.
Der Addierer 38 kombiniert Daten aus den beiden Kanälen (obere
Ebene 32 und untere Ebene 36), wodurch ein Mechanismus zur
Korrektur von Darstellungsfehlern bereitsteht, die sich aus Klassifizierungsanpassungen,
siehe oben, ergeben.
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Der
Addierer kann auf verschiedene Weisen implementiert sein. So kann
der Addierer beispielsweise verwendet werden, um zum Zeitpunkt der
Auswahl Pixel aus der oberen und der unteren Ebene zu kombinieren.
Alternativ kann der Addierer eingesetzt werden, um die obere und
die untere Ebene zur Erzeugung eines Additivbildes zu kombinieren,
woraufhin ein Auswähler
Pixel sowohl aus der oberen Ebene (bei diesem Ausführungsbeispiel)
und der Additivebene auswählt.
Einem Fachmann auf dem einschlägigen
Gebiet erschließt sich,
dass andere Ausgestaltungen zu denselben Endergebnissen führen (beispielsweise
Auswahlvorgänge basierend
auf Blöcken
oder Clustern).
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Das
Additivbilderzeugungsmodell kann die Ergebnisse merklich verbessern.
Ist beispielsweise die Art der verwendeten Kompression der oberen
Ebene vorgegeben, so kann die Vordergrundfarbe zwangsweise aus einer
begrenzten Anzahl von Farben zusammengesetzt werden (eine Entscheidung,
die sehr wahrscheinlich die Kompression wesentlich verbessert),
und dies sogar bei „nicht
ganz nahe liegenden" Farben,
wobei dies dann über
den Hintergrundkanal (in diesem Beispiel die untere Ebene) ausgeglichen
wird. Dies erfolgt durch Berechnen der individuellen Pixelfehler,
die sich aus einer derartigen Entscheidung ergeben, und durch anschließendes Abziehen
dieses Fehlers vom Hintergrundwert. Darüber hinaus kann man ebenfalls
individuell (das heißt
auf Pixel-für-Pixel-Basis)
Einfluss dahingehend ausüben,
welcher Anteil des Modellierfehlers sich in jedem der Kanäle fortpflanzt.
Dies ermöglicht
eine wechselseitige Optimierung sowohl der Kompression wie auch
der Qualität.
Dieser Vorteil geht einzig auf Kosten des Hinzufügens eines einzelnen Addierers
(der entweder in Form einer Software oder in Form einer Hardware
implementiert werden kann).
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Das
Additivmodell kann natürlich
auch derart erweitert werden, dass eine größere Auflösung für Randdetails bereitsteht.
Die gegenwärtige
Praxis weist dahin, dass die Bereitstellung einer Auswahlebene bei
höheren
Auflösungen
wünschenswert
ist, wann immer die Eingabeauflösung
unterhalb von 600 dpi liegt. In diesem Bereich wurden typische Techniken
zur Verbesserung der Auflösung
(Resolution Enhancement Techniques Ret) erfolgreich eingesetzt,
um ein Antialiasing (Glätten/Smoothing)
von Text und strichförmigen
Darstellungen zum Zwecke einer Verbesserung des Erscheinungsbildes
hiervon vorzunehmen.
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Alternativ
kann auch eine nichtbinäre
Auswahlebene eingesetzt werden. Ist mehr als ein Bit vorhanden,
so wird die Auswahlebene auf natürliche
Weise derart erweitert, dass sie zu einem α-Kanal zum Mischen (oder Versetzen/Blending)
von Information zwischen der oberen und der unteren Ebene wird.
Man strebt selbstverständlich
danach, die Anzahl der Bits, die der Auswahlebene zugewiesen sind,
zu begrenzen, um eine bessere Kompression zu erreichen. Gleichwohl
sind in manchen Situationen zusätzliche
Bits in der Auswahlebene von Vorteil.
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Das
alternative Ausführungsbeispiel
(Erweiterung) ist in 3b dargestellt. Ein Detektor
erfasst einen Wert, der aus einer Multibitauswahlebene gelesen wird
und dann zur Manipulation (siehe hierzu Verstärker/Mischer 39a und 39b)
von Werten verwendet wird, die aus der oberen Ebene 33 und
der unteren Ebene 37 vor Erzeugung einer Additivebene (über den
Addierer 40) gelesen werden.
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Bei
dieser Erweiterung werden die zusätzlichen Bits in der Auswahlebene
als Gewichtungen verwendet, die die Mischanteile bezüglich der
beiden Kanäle
variieren. Eine nützliche
Anwendung eines derartigen nichtbinären Auswählers stellen die Superauflösung beziehungsweise
Hochauflösung
und die Feinrandpositionierung dar. Je näher der Rand ist, desto mehr
Gewicht wird dem Vordergrund im Vergleich zum Hintergrund zugewiesen.
Diese Technik kann die Notwendigkeit der Bereitstellung von Rets
(als Schritt nach der Verarbeitung) zum Zwecke einer Verbesserung
des Erscheinungsbildes von Text und strichförmigen Darstellungen beseitigen.
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Zur
Darstellung der Vorteile des neuen Lösungsansatzes betrachte man
nun das in 4 gezeigte Beispielmuster. Man
gehe davon aus, dass das Eingabebild aus einer Seite besteht, die
vollständig
mit dem gezeigten regelmäßigen Muster
bedeckt ist (der Grund, weswegen dieses Beispiel ausgewählt ist,
ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung). Das Muster basiert
auf einer grundlegenden Vierquadrantenzelle, deren konstituierendes
Element innerhalb des Zentraldunkelrahmens von 4 eingeschlossen
ist. Diese Zelle wird dann fliesenartig über der Seite verteilt, um
so das vollständige
Muster zu erzeugen.
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Dieses
Beispiel zeigt, wie in 9 dargestellt ist, dass die
neue Technik in einigen Fällen
signifikant bessere Gesamtergebnisse mit Blick auf die Flexibilität des Modells,
die Wiedergabetreue der Darstellung und das Grundlinienkompressionsverhältnis vorweisen
kann. Das Beispiel ist zugegebenermaßen genau zu diesem Zweck konstruiert
und stellt im globalen Sinne nicht das Nonplusultra dar. Gleichwohl
wird in diesem Abschnitt gezeigt werden, dass die Unterschiede wesentlich
oder zumindest ausreichend sein können, um den Einsatz der neuen
Technik zu rechtfertigen.
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Man
gehe ohne Beschränkung
der Allgemeinheit davon aus, dass bei gegebener Eingabeauflösung die
Fliesengröße gleich
8 × 8
Pixel ist. Hierdurch ist eine Beziehung zwischen der gewählten Zellengröße und der
Standard-JPEG-Blockgröße zum Zwecke
der Berechnung der Kompressionsleistung bestimmt (andernfalls kann
die Zellengröße derart
betrachtet werden, dass sie mit dem in Rede stehenden lokalen Bereich
bezüglich
der gegebenen Betrachtungsbedingungen und Eingabeauflösung in
Beziehung steht). Es ergibt sich, dass sich jeder Quadrant aus insgesamt
4 × 4
= 16 Pixeln zusammensetzt, wobei zwei der Quadranten, nämlich der
rote und der gründe,
kollektiv als „Vordergrundfarben" 42 bezeichnet
werden (was nicht mit den Bezeichnungen der Ebenen gemäß nachstehender
Beschreibung in Beziehung steht). Man gehe des Weiteren davon aus,
dass der Vordergrund ein wenig verrauscht ist (was beispielsweise
immer dann der Fall ist, wenn Bilder gescannt sind), weshalb sämtliche
Pixel in jedem der Vordergrundquadranten sehr nahe beieinander liegende
Farbwerte aufweisen, die jedoch nicht notwendigerweise alle gleich
sind. Auf ähnliche
Weise werden die beiden verbleibenden Quadranten (die grau dargestellt
sind) als „Hintergrundfarbe" 44 bezeichnet
und enthalten Teile eines anderen Bildes mit kontinuierlichen Tönen (contone
image), die gegebenenfalls ebenfalls verrauscht sind.
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Die
Hauptidee besteht nun darin, eine vergleichsweise „saubere" zweifarbige Vordergrundtextur über dem
verrauschten Hintergrundbild vorzusehen, und zwar ähnlich demjenigen
Fall, in dem ein Farbtext oder eine Strichdarstellung auf einem
Bild gescannt werden. Dieses Beispiel ist in dem Sinne extrem, dass
jede Bildzelle ein Mischung aus Vordergrund und Hintergrund mit
zwei Farben enthält,
was eine Situation darstellt, die nicht sehr häufig auftritt. In der Praxis
variiert die Anzahl derartiger gemischter Zellen stark, was von
der Komplexität
der Seite und der Segmentierung der Details abhängt. Gleichwohl kann dieses
Beispiel einen nützlichen
Einblick verschaffen.
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Bei
einer Pixelgröße von 4 × 4 sind
die Quadranten im Allgemeinen ausreichend groß, sodass man sie wahrnehmen
kann (bei einer in der Praxis gängigen
Auflösung
von 300 bis 600 dpi). Man beachte, dass drei im Wesentlichen verschiedene
Farbbereiche in 4 zusammen vorhanden sind (das
Beispiel funktioniert, solange die Anzahl der wahrnehmbaren Vordergrundfarben
größer als
1 ist). Das in Rede stehende Muster wurde unter Verwendung von Adobe
Fotoshop zum Zwecke der Berechnung der Kompressionsergebnisse erzeugt.
Das Verfahren zur Erzeugung des Musters bestand daraus, einen Pixelbereich
von 8 × 8
mit zwei deckenden rot/grünen
Vordergrundfarben zu fül len,
wobei zwei Hintergrundfarbenquadranten als transparente Schicht
belassen wurden. Dieser Bereich wurde anschließend fliesenartig bedeckt,
um ein Bild derselben Größe als Ausgangsbild
zu füllen,
und es wurde durchweg (das heißt
für sämtliche
Pixel) ein unabhängiges
willkürliches
Gauß'sches Rauschen hinzugefügt. Schließlich wurde
das Bildmuster (beispielsweise unter Verwendung einer Maskenoperation)
auf ein gegebenes Hintergrundmuster (ein gescanntes Bild von „Lenna", siehe 9)
gleicher Größe derart übertragen,
dass die Hintergrunddaten durch die „Löcher" in der Maske gelangten.
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5a bis 5f zeigen
einige der möglichen
Darstellungsarten dieses Fliesenbildes entsprechend einer DIR-Darstellung,
die mit der aktuellen Spezifikation (auf Basis des bestehenden Selektivmodells)
kompatibel ist. Man betrachte beispielsweise den Fall 5b). Hier ist die rote Quadranteninformation
derart klassifiziert, dass sie in der oberen Ebene liegt, während die
drei anderen Quadranten in der unteren Ebene verbleiben. Die gelben
Quadrate geben Bereiche relevanter Information hinsichtlich des
Inhaltes sowohl der unteren wie auch der oberen Ebene an. Da nicht
von Belang ist, was dort enthalten ist, besteht die beste Nutzung
dieses Raumes darin, ihn mit Werten zu füllen, die die entsprechende
Kompression möglichst
groß machen
(so kann man beispielsweise in Fall 5b die
obere Ebene durchweg mit rot ausfüllen, da dies zweifelsohne
zum höchsten
Kompressionsverhältnis
führt).
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Die
in 5a bis 5f gezeigten
Beispiele sind nicht sinnvoll. Der Auswahlwert ist überall entweder
auf „wahr" oder „falsch" gesetzt, wodurch
die Auswahlebene (einzeln) sämtliche
Bildinformation enthalten muss. Ist das Bild gegebenenfalls kompliziert
(wie es beispielsweise bei dem in Rede stehenden Fliesenmuster der Fall
ist), so ist man nicht im Stande, eine effektive und artefaktfreie
Kompression desselben vorzunehmen.
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Der
in 5b gezeigte Fall ist ähnlich 5c (eine einfache Farbe in der oberen Ebene).
Mit Blick auf die Kompression kann jedoch nach wie vor ein Unterschied
vorliegen. Auch wenn beide eine obere Ebene konstanten Wertes (gute
Kompression) gemeinsam aufweisen, kann die untere Ebene (JPEG) immer
noch eine andere Kompression aufweisen. Offensichtlich besteht der
bevorzugte Fall darin, die eine Farbe „rot" oder „grün", die am nächsten an „grau" ist, als Teil des Hintergrundes herauszugreifen.
Sind jedoch beide signifikant von „grau" verschieden, sodass ein starker Rand
in den Grenzgebieten entsteht, so führen beide Fälle zu signifikanten
starken Ringbildungsartefakten (ringing artefacts) (JPEG), wenn
nicht die Anforderungen an die Kompression stark gesenkt werden.
Die Fälle 5b und 5c haben
ebenfalls einen unerwünschten
qualitativen Nachteil ge meinsam. Sie sind beide nicht symmetrisch
dahingehend, dass sie rote und grüne Farben ungleich behandeln.
Die Farbe, die in der oberen Ebene (LZW) ist, weist normalerweise
eine einheitliche Dichte und scharte Kanten auf, wohingegen die
andere (JPEG) mit Blick auf Dichte und Kanten eine „Ringbildung" aufweist.
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Der
in 5e gezeigte Fall kann zu einer
besseren Gesamtkompression als bei 5a und 5b mit Blick auf eine Kombination der oberen
und der unteren Ebene führen.
Gleichwohl weist dieser Fall eine kompliziertere Auswahlstruktur
(Schachbrettmuster) auf, die mit Blick auf die Kompression nicht
derart effektiv sein kann (Fax Group 4 CCITT verlustfrei). Sind
sowohl rot wie auch grün
ausreichend dunkel, sodass sie echten Vordergrund darstellen, so
ist die bevorzugte Darstellung diejenige von Fall 5e,
da die Auswahlebene in diesem Fall die Binärmaske darstellt.
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Schließlich ist
Fall 5d wie 5e,
außer
dass die Rolle der Vordergrund- und der Hintergrundebene vertauscht
ist. Für
eine gegebene Auswahl eines Paares von Kompressionen (das heißt LZW und
JPEG), die den bereitstehenden Ebenen zugewiesen sind, kann einer
der beiden Fälle
bedeutend schlechter ausfallen. Ähnliche
Situationen der „Rollenumkehrung" bestehen auch für die Fälle 5b und 5c,
sind jedoch nicht gezeigt.
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Der
Hauptzweck der Diskussion anhand 5a bis 5f besteht darin nachzuweisen, dass das
Fliesenmuster von 4 derart ausreichend kompliziert
ist, dass keine einfache „artefaktfreie" Darstellung unter
Verwendung des Selektivmodells gefunden werden kann (ohne dass die
Kompression aufgegeben werden müsste).
Unabhängig
davon, wie die Daten verteilt werden, weist immer wenigstens eine
Ebene von der oberen und unteren Ebene alternative Schachbrettmuster
auf, die keine gute Kompression aufweisen (was zu geringen LZW-Lauflängen oder
JPEG-Kantenringbildungen führt).
Dies gilt sogar für
jeden dreifarbigen Fall, in dem mehr als eine „Vordergrundfarbe" vorhanden ist.
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Es
wird nunmehr demonstriert, wie das neue Additivbilderzeugungsmodell
gemäß der vorliegenden Erfindung
die Ergebnisse merklich verbessern kann. Man betrachte den bevorzugten
Fall, der in 5e dargestellt ist. Hierbei
stellt die untere Ebene kein Problem dar, wohingegen die obere Ebene
mit wenigstens zwei Farben (rot/grün) schachbrettartig bedeckt
ist. Zur Ermöglichung
einer besseren Kompression werde davon ausgegangen, dass eine Ersetzung
der beiden Farben durch nur eine einzige Farbe versucht wird. Man
kann jede der beiden Farben herausgreifen, oder man kann das Mittel
beziehungsweise den Durchschnitt aus beiden bilden. Dies verbessert
mit Sicherheit die Kompression der oberen Ebene, führt jedoch
auch zu einem merklichen Darstellungsfehler (eine einzige Farbe
anstatt der gemusterten zwei). Beim Selektivmodell pflanzt sich
der Fehler fort, was zu nichtannehmbaren Ergebnissen führt (die
einzige Option besteht darin, die untere Ebene mit niedriger Kompression
zu verwenden). Mit dem Additivmodell kann jedoch eine Rückkopplung
des Fehlers stattfinden, um die untere Ebene einzustellen. Zum Zeitpunkt
der Rekonstruktion werden die Informationen aus den beiden Ebenen
miteinander kombiniert (addiert), um das Ausgangsbild wiederherzustellen.
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Zur
Darstellung dieser Technik betrachte man die drei Schritte, die
in 6a bis 6c gezeigt
sind. Beim ersten Schritt, siehe 6a,
wird das eingegebene Bild in drei Ebenen (dem Konzept nach ähnlich 5e) getrennt. Ein Unterschied besteht
dahingehend, dass die Information der unteren Ebene (aufgrund der
Additivität)
verwendet wird und daher derart gewählt werden muss, dass sie einen
nutzbaren Wert ergibt (üblicherweise
die gemittelte Hintergrundfarbe).
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Anschließend werden
in Schritt 2, siehe 6b, Rot
und Grün
durch eine einzige Farbe (den gemittelten Vordergrund) ersetzt,
die am besten beide Farben darstellt (in 6b und 6c dunkelgrau dargestellt). Die Differenz
zwischen diesen Mitteln und jeder der beiden Farben wird anschließend, siehe 6c, in Schritt 3 zur unteren
Ebene addiert. Das dargestellte Farbkodierschema besteht darin,
dass die Inverse von Rot Zyan und die Inverse von Grün Magenta
ist. Man beachte, dass für
den Fall, dass sowohl „rote" wie auch „grüne" Farben als Vordergrund
identifiziert sind, diese im Allgemeinen einem merklichen Kontrast
aufweisen und (mit Blick auf die Luminanz) näher beieinander als beim Hintergrund
liegen. Die drei Ebenen werden anschließend wie zuvor komprimiert.
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Eine
eindimensionale nur auf der Luminanz basierende Darstellung des
vorgenannten Verfahrens ist in 7 dargestellt.
Man stelle sich vor, man betrachte eine Luminanzprojektion gemäß 6a. Es gibt ein (geringfügig variierendes)
Hintergrundniveau in der unteren Ebene und ein abwechselnd rot/grünes Schachbrettmuster
in der oberen Ebene. Der Inhalt der Auswahlebene ist nicht gezeigt.
Unter Zuhilfenahme der neuen Technik werden sowohl die rote wie
auch die grüne
Luminanz durch das gemittelte Luminanzniveau ersetzt, und das Hintergrundniveau
wird durch die Differenz bei der Luminanz ausgeglichen. Man beachte,
dass diese beiden Darstellungen vor der Kompression fehlerfrei,
das heißt
verlustfrei, sind.
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Der
Hauptvorteil des neuen Schemas ergibt sich aus 8.
Wird beispielsweise der oberen Ebene die LZW-Kompression zugewiesen,
so ergibt die vorgeschlagene Technik merklich bessere Kompressionsergebnisse
(wobei die obere Ebene durchweg konstant bleibt). Die untere Ebene,
die mittels JPEG komprimiert ist, wird sich demgegenüber qualitativ
als Ergebnis des Luminanzausgleichs ein wenig verschlechtern. Sind die
beiden Vordergrundfarben jedoch mit Blick auf die Luminanz nahe
beieinander, so ist die Größenänderung bei
der Luminanz gemäß 8 viel
kleiner als diejenige gemäß 7,
was zu einer sehr viel höheren
Qualität bei
gegebener Kompression oder umgekehrt führt.
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Man
beachte, dass die sich ergebenden Ringbildungsartefakte bei JPEG
im Vergleich zum herkömmlichen
Lösungsansatz
(Selektivmodell) merklich weniger sind. Wie bereits erläutert worden
ist, kann der vorliegende Lösungsansatz ähnliche
Kompressionsergebnisse (das heißt
eine konstante obere Ebene) nur dadurch erreichen, dass eine einzelne
Vordergrundfarbe (vorzugsweise die dunkelste) in der oberen Ebene
herausgegriffen wird und dass (ein asymmetrisches) Alternieren zwischen
der anderen Vordergrundfarbe und dem Hintergrund in der unteren
Ebene (siehe 7) stattfindet. Derartige Schemen
führen
unnötigerweise
zu einer größeren Verschlechterung
bei der Bildqualität
(wahrnehmbare Ringbildungsartefakte) bei gleichem Kompressionsniveau
oder umgekehrt.
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Eine
letzte Bemerkung bezüglich
der Wahl der Vordergrundfarbe ist angebracht. Es sind insbesondere dann
Randbedingungen vorhanden, wenn die interne Bitgenauigkeit begrenzt
ist (beispielsweise auf 8 Bit pro Komponente). Beim vorhergehenden
Beispiel erfolgte die Wahl derart, dass die gemittelte Vordergrundfarbe in
der oberen Ebene befindlich ist. Während diese besondere Wahl
visuell sehr sinnvoll ist, weist sie einen Nachteil dahingehend
auf, dass einige Vordergrundfarben heller werden, wohingegen andere
dunkler werden.
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Im
Ergebnis wird der Fehler im Allgemeinen merklich. Wird der Fehler
größenmäßig zu hoch
und ist der Hintergrund bereits sehr hell, so besteht das Risiko,
dass das Ergebnis einen Overflow (8-Bit-Bereich) erzeugen könnte, wenn
ein Fehlerausgleich stattfindet. In unserem Beispiel war aufgrund
der Tatsache, dass der Fehler konstruktiv klein gewählt war
(nur fünf
Einheiten bei der Luminanz (L*)), das Bild nicht derart hell, dass der
Bereich verlassen worden wäre.
Eine mögliche
Lösung
dieses Problems (ohne Zuweisung von mehr Bits) besteht darin, die
Fehlergröße (durch
Verringerung des Vordergrundni veaus) derart zu begrenzen, dass sie passend
wird. Dies ist ein weiteres Beispiel für die größere Flexibilität des vorgeschlagenen
Lösungsansatzes, wobei
hierbei ein Teil der Kompression zugunsten einer festen Darstellungswortgröße eingesetzt
wird.
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Ergebnisse
der Simulation
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Das
in 4 beschriebene Beispiel wurde unter Verwendung
von Adobe Photoshop simuliert. Das Muster wurde mit dem Hintergrundbild „Lenna", wie oben beschrieben,
erstellt und kombiniert. Das resultierende Ausgangsbild (9)
wurde zur Erzeugung der nachfolgenden Simulationsergebnisse verwendet.
Einige der zugrundeliegenden Annahmen und Bemerkungen lauten folgendermaßen.
- (1) Die Vordergrundfarben sind gemäß L*A*B
eingegeben, wobei galt: „rot" = (40, 20, 0) und „grün" = (50, –20, 0).
- (2) Die Bildgröße liegt
bei 512 × 512.
Die aufgeführten
Dateigrößen sind
genähert
(Beispielsweise können Header
(Kopfbereiche), Tabellen und Markierungen enthalten sein, wobei
jedoch der Gesamteffekt sehr klein ist).
- (3) Die untere Ebene wurde unter Verwendung des eingebauten
JPEGs komprimiert, wobei das Qualitätsniveau auf „mittel" eingestellt war
(Niveau 3).
- (4) Es wurde der standardmäßig eingebaute
PhotoshopTM-JPEG-Algorithmus verwendet,
der – zumindest nach
Erkenntnis des Erfinders – die
Farbdaten zunächst
nach YCC umwandelt und anschließend
ein 4:2:2-Subsampling-Schema einsetzt.
- (5) Die Auswahlebene und die oberen Ebene wurden unter Verwendung
der standardmäßig eingebauten mit
TIFF einhergehenden LZW-Kompression komprimiert.
- (6) Um einen ausgewogenen Vergleich ziehen zu können, wurden
sonst vernachlässigte
Daten durch künstliche
(gemittelte) Daten ersetzt, um gute Kompressionsergebnisse zu erhalten
(siehe die folgenden spezifischen Erklärungen).
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10a bis 10c zeigen
die aktuelle DIR-Darstellung entsprechend dem Selektivbilderzeugungsmodell. 10a zeigt die obere Ebene, die sich aus abwechselnden
(verrauschten) Streifen von Rot und Grün zusammensetzt. Hierbei wurden
Daten, die vorlie gen, wenn die Auswahlebene falsch ist (das heißt, wo diese vernachlässigt wird),
mit der gemittelten Farbe der vier umgebenden 4 × 4 Quadranten direkt darüber, darunter, zur
Rechten und zur Linken des zugehörigen
Quadranten gefüllt.
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10b zeigt die Binärmaske, bei der Schwarz gleich „0" oder „falsch" ist. 10c zeigt die untere Ebene. Erneut ist ein praxisgerechtes
Verfahren zum Ausfüllen
der fehlenden Daten (die in die obere Ebene „gehoben" wurden) die Mittelung.
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In
diesem Fall erfolgt ein Subsampling der ursprünglichen (sauberen) Version
des Bildes „Lenna" auf Grundlage des
Faktors 8 in jeder Richtung, woraufhin eine Rückexpansion auf die volle Größe (jedes
Mal unter Verwendung einer bikubischen Mittelung) erfolgte. Die
auf diese Weise erzeugten, eine niedere Auflösung aufweisenden Daten wurden
anschließend
zur Ersetzung des rot/grünen
Schachbrettmusters in der unteren Ebene vor dem Einsatz der JPEG-Kompression
verwendet. Man beachte, dass dieses Verfahren des Ersetzens von
Daten zur Verbesserung der Kompression der Grund für die wahrnehmbaren
Randartefakte ist. Wann immer der Bildinhalt vergleichsweise flach
ist, ist die vorgenannte Mittelungsoperation vom Hintergrund nicht
unterscheidbar. An den Rändern
jedoch bewirkt die Mittelung tendenziell ein wechselseitiges Mischen
der Farben, weshalb sie stärker
wahrnehmbar wird.
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11a bis 11c zeigen,
wie dasselbe Bild unter Verwendung des vorgeschlagenen Additivbilderzeugungsmodells
aussehen würde.
Wie zuvor zeigt 9 das Ausgangsbild als Bezugsgröße. Man
beachte, dass die Auswahlebene (11b)
ebenfalls identisch mit derjenigen von 10b ist.
Zur Demonstration des großen
Vorteils des Additivmodells wurde die Anzahl der Vordergrundfarben
derart gewählt,
dass diese genau gleich einer Farbe ist, und zwar in dem Bewusstsein,
dass dies zu einer sehr guten LZW-Kompression führt. Zur Auswahl dieser einen
Farbe wurden die roten und grünen
Pixel des Vordergrundes zusammen gemittelt, um eine einzige schwarze
Farbe, siehe 11a, zu bilden. Diese einzelne
Farbe wurde anschließend
zum Füllen
der kompletten Vordergrundebene (obere Ebene) verwendet.
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Man
beachte, dass im Gegensatz zum Fall des Selektivmodells kein Rauschen
in der oberen Ebene als Ergebnis des vorbeschriebenen Verfahrens
auftritt. Diese Vorgehensweise führt
jedoch zu einem Fehler bei der Darstellung. Der Fehler muss durch
Anpassen der Hintergrundebene (untere Ebene), wie vorstehend beschrieben,
korrigiert werden. Für
jedes Pixel im Vordergrund wurde der Fehler dadurch berechnet, dass
die (dreidimensionale) Differenz zwischen dem aktuellen Pixelwert
und dem mit der Vordergrundfarbe gefüllten berechnet und diese vom
Hintergrund abgezogen wurde. Man beachte, dass diese Anpassung lediglich
einen Übergang
dahingehend darstellt, dass Daten zwischen der oberen und der unteren
Ebene hin und hergeschoben werden. Dieser Übergang ist verlustfrei in
dem Sinne, dass die angepassten Ebenen dasselbe Ausgangsbild ohne
Fehler repräsentieren,
und zwar genau derart, wie es vor der Anpassung der Fall war. Gleichwohl ermöglicht die
Umwandlung eine erheblich bessere Kompression (wie die nachfolgenden
Simulationsergebnisse nachweisen).
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Die
hinzugefügte
Flexibilität
des Additivmodells versetzt einen in die Lage, eine Auswahl dahingehend zu
treffen, wie eine Feinabstimmung der Daten zwischen der oberen und
der unteren Ebene erfolgen soll, um so die Gesamtkompression so
stark wie möglich
zu machen.
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Die
resultierende untere Ebene ist in 11c angegeben.
Das Ergebnis kann folgendermaßen
beschrieben werden. Die rote Vordergrundfarbe ist dunkler als die
grüne (L*-Wert von 40 gegenüber 50).
Dort, wo sich die roten Vordergrundpixel befanden, erscheinen die
fehlerangepassten Pixel geringfügig
dunkler und stärker
rot. Dies rührt
von der Tatsache her, dass die gemittelte Vordergrundfarbe heller
(L*-Wert von ungefähr 45)
und nahe am neutralen ist. Daher macht der Fehler den Hintergrund
stärker
rot und geringfügig
dunkler. Auf ähnliche
Weise wird dort, wo die grünen
Pixel waren, der fehlerangepasste Hintergrund heller und stärker grün. Da das
Bild fast durchweg eine vergleichsweise große rote Komponente aufweist,
kann man dies derart interpretieren, dass ein wenig Rot weggenommen
wird (wodurch es ein wenig mehr grünlich-gelb wirkt).
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Tabelle
1 fasst die resultierenden Dateigrößen, Qualitäten und Kompressionsverhältnisse
zusammen. In diesem Beispiel ist die vorgeschlagene Additivtechnik
der bestehenden Selektivvorgehensweise (mit Blick auf die Größe) bei
weitem überlegen,
und zwar sowohl mit Blick auf die Gesamtkompression wie auch mit
Blick auf Qualität
und Genauigkeit der Rekonstruktion.
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Zusätzlich zu
einem Ausführungsbeispiel,
das aus speziell konzipierten integrierten Schaltungen oder anderen
elektronischen Bauelementen besteht, kann die vorliegende Erfindung
bequem unter Verwendung eines herkömmlichen Allzweck- oder Spezialzweckcomputers
oder Mikroprozessors mit einer Programmierung entsprechend der technischen
Lehre der vorliegenden Offenbarung implementiert werden, was für einen
Fachmann auf dem einschlägigen
Gebiet einsichtig ist.
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Eine
entsprechende Softwarekodierung kann von Programmierern auf Grundlage
der technischen Lehre der vorliegenden Offenbarung einfach erstellt
werden, was sich einem Fachmann auf dem Gebiet der Programmierung
erschließt.
Die Erfindung kann auch durch Bereitstellung anwendungsspezifischer
integrierter Schaltungen oder durch die wechselseitige Verbindung
eines geeigneten Netzwerkes aus herkömmlichen Komponentenschaltungen
implementiert sein, was sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet
ebenfalls erschließt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Computerprogrammerzeugnis, das
ein Speichermedium beziehungsweise Speichermedien mit Instruktionen,
die darauf beziehungsweise darin gespeichert sind, darstellt, wobei
die Instruktionen zum Programmieren eines Computers zum Zwecke der
Durchführung
irgendeines Vorganges der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können.
Das Speichermedium kann unter anderem eine beliebigen Art von Platte
umfassen, darunter Floppydisks, optische Platten, DVDs, CD-ROMs, Microdrives
und magnetooptische Platten, ROMs, RAMs, EPROMs, EEPROMs, DRAMs,
VRAMs, Flash-Speicher, magnetische oder optische Karten, Nanosysteme (darunter
molekulare Speicher-ICs) oder eine beliebige Art von Medien oder
Vorrichtungen, die zur Speicherung von weiteren Instruktionen und/oder
Daten geeignet sind.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst – gespeichert
auf einem beliebigen computerlesbaren Medium (beziehungsweise Medien) – Software
zur Steuerung sowohl der Hardware des Allzweck-/Spezialzweckcomputers
oder Mikroprozessors als auch zur Befähigung des Computers oder Mikroprozessors,
mit einem menschlichen Nutzer oder einem anderen Mechanismus zu
interagieren, und zwar unter Verwendung der Ergebnisse der vorliegenden
Erfindung. Zu dieser Software zählen
unter anderem Vorrichtungstreiber, Betriebssysteme und Nutzeranwendungen.
Schließlich
zählt zu
diesen computerlesbaren Medien des Weiteren Software zum Durchführen wenigstens
einer Additivmodelldarstellung und Rekonstruktion.
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Enthalten
in der Programmierung (Software) des Allzweck-/Spezialzweckcomputers
oder Mikroprozessors sind Softwaremodule zur Implementierung der
technischen Lehre der vorliegenden Erfindung, darunter unter anderem
das Trennen der Ebenen eines Ausgangsbildes, das Mitteln wenigstens
einer Farbe von den Vordergrund- und Hintergrundfarben, das Ersetzen
von Farben und das Ausgleichen eines Fehlers, der durch eine Farbersetzung
in einer Ebene erzeugt worden ist, durch Überführen des Fehlers in eine zweite
Ebene, das Speichern, das Mitteilen von Ergebnissen und das Rekonstruieren
eines Bildes entsprechend den Vorgehensweisen der vorliegenden Erfindung.
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Entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren des Weiteren den
Schritt des Beibehaltens einer Auswahlebene, die identifiziert,
ob ein beliebiges spezielles Pixel der oberen Ebene oder eine Kombination
des speziellen Pixels und eines angepassten Pixels der unteren Ebene
korrespondierende Pixel in dem Bild darstellen.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Komprimierens
der Auswahlebene. Vorteilhafterweise umfasst der Schritt des Ersetzens
das Auswählen
einer Farbe der oberen Ebene und das Ersetzen beliebiger nichtausgewählter Farben
in der oberen Ebene durch die ausgewählte Farbe. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die ausgewählte
Farbe eine Mittelung der in der oberen Ebene enthaltenen Farben.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Anpassens eines
Niveaus einer Farbe in der oberen Ebene an ein Niveau derart, dass
der Schritt des Anpassens der unteren Ebene mit Blick auf die Anzahl
von Bits, die zur Darstellung des unteren Niveaus gebraucht werden,
keinen Overflow verursacht.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren des Weiteren die Schritte des Bestimmens einer
Mittelungsfarbe einer Anzahl von Farben in der oberen Ebene von
den mehreren Ebenen, das Ersetzen jeder Farbe in der oberen Ebene
durch eine Mittelungsfarbe und das Anpassen einer unteren Ebene
an Stellen korrespondierend einer entsprechenden ersetzten Farbe
der oberen Ebene durch einen Fehlerwert derart, dass eine Addition der
unteren und oberen Ebenen an einer Stelle korrespondierend einer
entsprechenden Farbe gleich der entsprechenden Farbe ist.
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Entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
enthält
der Schritt des Trennens einen Schritt des Anpassens der Menge von
Details des Bildes, die in den Pixeln in jeder Ebene enthalten sind,
auf Basis eines vorbestimmten Faktors korrespondierender Pixel in
dem Bild.
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Entsprechend
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
des Verfahrens umfasst der Schritt des Anpassens einer Detailmenge
das Anpassen einer Detailmenge des in den Pixeln der oberen Ebene
enthaltenen Bildes basierend auf dem Farbgrad in den korrespondierenden
Pixeln, die zur Hintergrundfarbe des Bildes passen. Vorzugsweise
umfasst der Schritt des Anpassens einer Detailmenge das Anpassen
einer Detailmenge des in den Pixeln der oberen Ebene enthaltenen
Bildes auf Basis einer Menge von Feinrandpositionen in den korrespondierenden
Pixeln und das Beibehalten einer Multibitauswahlebene.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Beibehaltens
einer Multibitauswahlebene, die eine Detailmenge des in jeder der
mehreren Auswahlebenen beibehaltenen Bildes identifiziert.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung wird jedes korrespondierende Kompressionsverfahren
derart ausgewählt,
dass es zu den Bildeigenschaften, die in jeder Ebene enthalten sind,
passt. Vorzugsweise ist das korrespondierende Kompressionsverfahren
für die
Auswahlebene ein verlustfreies Kompressionsverfahren.
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Vorteilhafterweise
umfasst bei der Vorrichtung die ausgewählte Farbe eine Farbe von den
ausgewählten
Farben, die sich in der unteren Ebene befinden, und eine Mittelungsfarbe
von den Farben, die sich in der oberen Ebene befinden. Vorzugsweise
umfasst die ausgewählte
Farbe eine Farbe, die berechnet ist, um das beste Kompressionsergebnis
der oberen Ebene bereitzustellen.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Anpassungsvorrichtung,
die derart konfiguriert ist, dass sie das Gesamtfarbniveau der oberen
Ebene derart angepasst, dass die Fehlervorrichtung keinen Overflow
bei einer Anzahl von Bits erfährt,
die der Speicherung der Pixel der unteren Ebene und des Fehlers
dienen.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Auswahlvorrichtung, die
derart konfiguriert ist, dass sie eine Auswahlmaske erzeugt, die
identifiziert, wie jedes Pixel des komprimierten Bildes zwischen den
oberen und unteren Ebenen gespeichert ist.