DE19746611A1 - Verfahren zur Verbesserung der Konturcodierung von Bildsequenzen sowie Anwendung - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Konturcodierung von Bildsequenzen sowie AnwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der
Konturcodierung von Bildsequenzen sowie eine Anwendung.
Im MPEG-4 Verification Model Version 8.0 (VMB.0), ISO/IEC
JTC1/SC29/WG11, MPEG97/N1796 wird ein kontextbasierender
arithmetischer Codieralgorithmus (context based arithmetic
encoding CAE) zur binären Konturcodierung von I
(Intraframe) -, P (einseitig bewegungskompensiert
prädizierten)- und B (bidirektional interpolierten)-
Bildanteilen (VOP video object plane) benutzt.
Fig. 1 zeigt als Beispiel für eine Bildsequenz bestehend
aus I-, P- und B-VOPs eine GOF (group of frames)-Struktur im
MPEG-1 Standard. Die ausschließlich nach der Intraframe-Technik
codierten Bildanteile sind mit I bezeichnet, die
einseitig bewegungskompensiert prädizierten Bildanteile mit
P und die dazwischenliegenden jeweils bidirektional
interpolierten Bildanteile mit B. Das Beispiel nach Fig. 1
zeigt vier P-Bildanteile pro GOF und jeweils zwei
B-Bildanteile zwischen I- und/oder P-Bildanteilen. Die Länge
des GOF ist nicht fest vorgegeben, sondern jeweils durch die
Anzahl der verschiedenen Bildtypen bestimmt. Ein
wesentliches Merkmal des CAE-Algorithmus ist es, daß bei der
"inter" Konturcodierung (INTER CAE Shape Coding) eines
aktuellen B-VOP stets ein zeitlich nachfolgender VOP als
Referenzwert (backward reference VOP) herangezogen wird und
zwar sowohl für die binäre Konturreferenz als auch für die
Konturmode-Referenz (Shape Mode Reference). Da jedoch B-VOPs
zufälliger Kontur manchmal nur auf Bildinhalte eines
zeitlich davorliegenden VOPs als Referenz (Forward Reference
VOP) zugreifen, muß mit dem gegenwärtigen CAE-Algorithmus
die binäre Kontur dieses B-VOPs in gleicher Weise wie ein
I-VOP codiert werden. Dies führt zu einer beträchtlichen
Degradation der Codiereffizienz bei solchen B-VOPs.
Mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1 läßt sich die
Codiereffizienz insbesondere für die Konturcodierung bei
bidirektional interpolierten Bildanteilen (B-VOPs)
verbessern. Das Verfahren nach der Erfindung liefert eine
zeitadaptive Konturcodierung für B-VOPs. Während einer
kontextbasierten Konturcodierung kann ein B-VOP entweder auf
einen zeitlich davorliegenden I-VOP bzw. P-VOP (forward
reference VOP) oder auf einen zeitlich folgenden (backward
reference VOP) I-VOP bzw. P-VOP als Referenzwert für die
Konturcodierung zugreifen.
Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich außerdem
dadurch aus, daß keine Syntaxänderungen notwendig sind und
somit eine Verwendung bei bestehenden Standards, z. B. dem
MPEG-4-Standard, auf einfache Weise möglich ist.
Bei der Erfindung werden unterschiedlich codierte
Bildanteile einer Bildsequenz, wie auch in Fig. 1
dargestellt, verwendet. Dabei sind I-VOPs Bildanteile, die
ausschließlich nach der Intraframe-Technik codiert sind.
P-VOPs sind Bildanteile, die einseitig bewegungskompensiert
prädiziert sind und B-VOPs sind bidirektional interpolierte
Bildanteile. Nach der Erfindung kann ein B-VOP entweder auf
einen zeitlich davorliegenden VOP oder einen zeitlich
darauffolgenden VOP während einer CAE-Kontur-Codierung als
Referenzwert zugreifen, der nach der Intraframe-Technik
codiert ist oder einseitig bidirektional prädiziert ist.
Welcher VOP als Referenzwert selektiert wird, richtet sich
nach den folgenden Auswahlkriterien:
- - wenn bei einem aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteil B-VOP entweder ein zeitlich davorliegender (forward) I- bzw. P-VOP oder ein zeitlich darauffolgender (backward) I- bzw. P-VOP fehlt, wird der verfügbare (forward/backward) I- bzw. P-VOP als Referenzwert für die binäre Konturcodierung und den Konturmode nach dem CAE-Kontur-Codierverfahren gewählt;
- - wenn sowohl ein "forward"- und ein "backward"-VOP als Referenzwert verfügbar sind, wird jener VOP (I-VOP oder P-VOP) als binärer Konturreferenzwert und Konturmode-Referenzwert ausgewählt, der den kleineren zeitlichen Abstand zum jeweils aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteil B-VOP aufweist;
- - wenn der aktuelle B-VOP den gleichen zeitlichen Abstand sowohl zum "forward" als auch zum "backward" Referenz-VOP hat, wird stets einer dieser beiden VOPs als Referenzwert ausgewählt und zwar vorzugsweise der zeitlich darauffolgende (backward VOP).
Angenommen, es liegt eine Bildsequenz mit zufälliger Kontur
vor mit BO als erstem und B7 als letztem Bildanteil, z. B.
B0 B1 I2 B3 B4 P5 B6 B7.
Entsprechend den zuvor angegebenen Auswahlkriterien werden
B0 und B1 auf I2 (intra) als Referenz VOP zugreifen, da ein
"forward" Referenz VOP nicht existiert. B3 greift auf I2 zu,
da er den kleineren zeitlichen Abstand zu I2 als zu P5 hat.
B4 nimmt P5 (prädiziert) als Referenz VOP, da er zeitlich
gesehen der nächstliegende I- oder P-VOP ist. B6 und B7
haben P5 ebenfalls als Referenz VOP, da ein "backward" VOP
nicht verfügbar ist.
Im Vergleich zum bisher gebräuchlichen CAE-Algorithmus weist
das erfindungsgemäße zeitadaptive Konturcodierverfahren eine
effizientere binäre Konturcodierung bei B-VOPs auf, da die
INTER CAE-Konturcodierung sogar dann erlaubt ist, wenn ein
"backward" Referenz VOP nicht verfügbar ist. Außerdem
existiert normalerweise eine größere Korelation zwischen
zwei VOPs mit einem kleineren zeitlichen Abstand, so daß die
Auswahl eines Referenz VOP mit einem kleineren zeitlichen
Abstand zum aktuellen B-VOP die Konturcodiereffizienz
beträchtlich verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren stützt sich vollständig auf
den MPEG-4 CAE-Algorithmus. Die VOP-Zeitinstanz ist in der
VOP Layer durch "modulo time base" und "VOP time increment"
beschrieben (vgl. auch die diesbezügliche Beschreibung in
der P 197 35 607.9) und es wird durch "VOP coded" angezeigt,
ob ein VOP verfügbar ist oder nicht. Eine Syntaxänderung
gegenüber dem MPEG-4 Standard ist deswegen nicht notwendig.
Hierdurch wird der MPEG-4 Konturdecodierprozeß entsprechend
den zuvor aufgezeigten Auswahlkriterien bei der Selektion
des Referenz VOP für einen aktuellen B-VOP modifiziert.
Wie sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die
Codiereffizienz auswirkt, wird nachfolgend anhand von
Simulationen mit Testbildsequenzen dargestellt. Es wurde die
MoMuSys-Software VM8-971016 verwendet. Die wichtigsten
Codierparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet. Dabei gibt Qp
die Quantisierungsstufenhöhe als konstante Größe an, d. h.
ohne Ratenanpassung. M gibt die Wiederholfolge der I- und
P-VOPs an. Für M = 3 ist jeder dritte Bildanteil einer
Bildsequenz ein I-VOP oder P-VOP, dazwischen liegen B-VOPs.
In Tabelle 2 sind fünf Testbildsequenzen (Video Objects) für
die durchgeführten Simulationen dargestellt. Jede Sequenz
hat 100 codierte Frames. Nur der erste Frame ist
intraframecodiert (I-VOP). Mit M = 3 wird die Sequenz als
I B* B P B* B P B* B P B* B P
in Displayordnung dargestellt. Bei der Konturcodierung
werden die mit Stern markierten B-VOPs abweichend vom VMB.0
CAE-Algorithmus codiert, da sie auf die "forward" Referenz
VOPs als Referenzwert zugreifen, während die übrigen B-VOPs
wie beim VM-Algorithmus codiert werden. Deshalb ist es
erwähnenswert, daß die nachfolgend aufgezeigten
Verbesserungen auf den mit Stern markierten B-VOPs basieren.
Die experementellen Resultate in den Fällen von verlustloser
(lossless) und von verlustbehafteter (lossy) Konturcodierung
mit beispielsweise 10% Rekonstruktionsverlust sind in den
Tabellen 3 und 4 dargestellt. Dabei zeigt Tabelle 3 den
"Lossless"-Fall und Tabelle 4 den "Lossy"-Fall. In der
ersten Spalte sind jeweils die Bildsequenzen aufgeführt. Die
beiden folgenden Spalten bezeichnen jeweils den
Rauschabstand (peak signal to noise ratio PSNR) für eine
Codierung nach VM8 und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
(NEW).
In der letzten Spalte ist jeweils die Verbesserung der
Strukturcodierung nach der Erfindung in Prozent aufgeführt.
Bei Nutzung des elfindungsgemäßen Verfahrens kann eine
Bitraten-Reduktion von bis zu 10% in der Konturcodierung
erreicht werden. Bei der "Lossy"-Konturcodierung erhöht das
erfindungsgemäße Verfahren nicht nur die
Konturcodierungseffizienz, sondern auch leicht die
Bewegungs- und Texturcodierungseffizienz. Dies rührt von der
Tatsache her, daß in Tabelle 4 die Gesamtbitreduktion
einschließlich Kontur-, Bewegungs- und Texturcodierung
größer ist als die Bitreduktion in der Konturcodierung
allein.
Wie zuvor erwähnt, kommt die Verbesserung aufgrund der mit
Stern markierten B-VOPs zustande. Deshalb gestattet die
Betrachtung nur der mit Stern markierten B-VOPs bei der
binären Konturcodierung eine weitere Bitratenreduktion bis
zu etwa 30%.
Claims (5)
1. Verfahren zur Verbesserung der Konturcodierung von
Bildsequenzen mit nach der Intraframe-Technik codierten
Bildanteilen (I-VOP), prädizierten Bildanteilen (P-VOP) und
mit bidirektional interpolierten Bildanteilen (B-VOP) mit
folgendem Schritt:
- - für die bidirektional interpolierten Bildanteile (B-VOP) werden zur Konturcodierung als Referenzwert jeweils jene nach der Intraframe-Technik (I-VOP) codierten Bildanteile oder prädizierten Bildanteile (P-VOP) herangezogen, die den kleineren zeitlichen Abstand zum jeweils aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteil (B-VOP) aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- - wenn ein zeitlich vor einem aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteil (B-VOP) gelegener nach der Intraframe-Technik codierter (I-VOP) oder prädizierter Bildanteil (P-VOP) fehlt, wird der zeitlich auf den bidirektional interpolierten Bildanteil (B-VOP) folgende nach der Intraframe-Technik codierten (I-VOP) oder prädizierte Bildanteil (P-VOP) als Referenzwert für die Konturcodierung des bidirektional interpolierten Bildanteils (B-VOP) herangezogen,
- - wenn ein zeitlich nach einem aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteil (B-VOP) gelegener nach der Intraframe-Technik codierter (I-VOP) oder prädizierter Bildanteil (P-VOP) fehlt, wird der zeitlich vor dem bidirektional interpolierten Bildanteil (B-VOP) liegende nach der Intraframe-Technik codierte (I-VOP) oder prädizierte Bildanteil (P-VOP) als Referenzwert für die Konturcodierung des bidirektional interpolierten Bildanteils (B-VOP) herangezogen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden
Schritt:
- - wenn ein aktueller bidirektional interpolierter Bildanteil (B-VOP) sowohl von einem zeitlich davorliegenden oder zeitlich darauffolgenden nach der Intraframe-Technik codierten Bildanteil (I-VOP) oder prädizierten Bildanteil (P-VOP) den gleichen zeitlichen Abstand hat, wird stets einer dieser beiden Bildanteile als Referenzwert für die Konturcodierung des aktuellen bidirektional interpolierten Bildanteils herangezogen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
stets der zeitlich auf einen aktuellen bidirektional
interpolierten Bildanteil (B-VOP) folgende nach der
Intraframe-Technik codierten Bildanteil (I-VOP) oder
prädizierte Bildanteil (P-VOP) als Referenzwert für die
Konturcodierung des aktuellen bidirektional interpolierten
Bildanteils herangezogen wird.
5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4
bei der Decodierung von MPEG-4 konturcodierten Bildanteilen.
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