Digitale Bildcodierung: Repräsentation, Kompression und Übertragung von Bildsignalen

ISBN-13: 9783642793608 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 487 str.

Jens Ohm

Opis

Bildcodierungsverfahren wie JPEG und MPEG gehoren zu den Voraussetzungen digitaler Kommunikation. Grundlagen und Anwendungen digitaler Bildkommunikation werden hier auf neuestem Stand beschrieben. Besonderes Gewicht in dieser Veroffentlichung wurde auf die Ubertragung von Bildsequenzen (Bewegtbilder) und auf den MPEG-Standard gelegt. Das Buch ist fur den Praktiker in der Fernsehtechnik, Kommunikationstechnik und Datenverarbeitung eine wertvolle Arbeitshilfe, fur den Studenten ist es die ideale Begleitliteratur zur Vorlesung."

Spis treści

A: Grundlagen und Algorithmen.- 1 Einleitung.- 1.1 Digitale Bildformate.- 1.1.1 Was ist ein digitales Bildsignal ?.- 1.1.2 Darstellung von Farbsignalen.- 1.1.3 Zeilensprung- und progressive Abtastung.- 1.1.4 Datenraten digitaler Bildformate.- 1.2 Begriffe, Prinzipien und Entwicklungstendenzen der Bildcodierung.- 2 Grundlagen der mehrdimensionalen Signalverarbeitung.- 2.1 Abtastung von Bild- und Videosignalen.- 2.1.1 Projektion einer räumlichen Szene in die Bildebene.- 2.1.2 Zweidimensionale Abtastung der Bildebene.- 2.1.3 Zeitliche Abtastung einer Bildsequenz.- 2.2 Vektor- und Matrizenalgebra.- 2.3 Zwei- und mehrdimensionale lineare Filter.- 2.3.1 Eigenschaften zwei- und mehrdimensionaler Systeme.- 2.3.2 Beispiele von 2D-FIR- und IIR-Systemen.- 2.3.3 Zwei- und mehrdimensionale z-Transformation.- 2.3.4 Übertragungsfunktionen mehrdimensionaler Systeme.- 2.3.5 Filterung örtlich begrenzter Bildsignale als Matrizenoperation.- 2.4 Zwei- und mehrdimensionale lineare Transformationen.- 2.4.1 Diskrete Fouriertransformation.- 2.4.2 Orthogonale Transformationen als Matrizenoperation.- 2.4.3 In der Bildcodierung gebräuchliche Transformationen.- 2.4.4 Blockweise Durchführung von Transformationen.- 2.4.5 Schnelle Transformationsalgorithmen.- 2.5 Dezimation und Interpolation, Pyramidendarstellung.- 2.5.1 Grundlagen von Dezimation und Interpolation.- 2.5.2 Zwischenwertinterpolation in Bildsignalen.- 2.5.3 Dezimation und Interpolation als Matrizenoperation.- 2.5.4 Pyramidendarstellung von Bildsignalen.- 2.6 Frequenzanalyse mit Filterbänken.- 2.6.1 Teilbandanalyse- und -synthesesysteme.- 2.6.2 Eigenschaften von Teilbandfiltern.- 2.6.3 Lineare Transformationen und Teilbandzerlegung.- 2.6.4 Wavelet-Transformation.- 2.6.5 Eigenschaften von 2D-Filterbänken.- 2.7 Nichtlineare Methoden der Bildverarbeitung.- 2.7.1 Nichtlineare Filter.- 2.7.3 Künstliche neuronale Netze.- 2.7.4 Morphologische Methoden.- 3 Statistische Methoden zur Analyse.- 3.1 Verteilungsdichtefunktionen.- 3.2 Statistische Parameter erster und zweiter Ordnung.- 3.3 Modell-Verteilungsdichten.- 3.4 Statistische Merkmale höherer Ordnung.- 3.5 Statistische Tests.- 4 Modelle.- 4.1 Statistische Bildmodelle.- 4.1.1 Das autoregressive Modell.- 4.1.2 Markov Random Fields.- 4.2 Inhaltsorientierte Bildmodelle.- 4.2.1 Texturmodelle.- 4.2.2 Kantenmodelle.- 4.2.3 Objektmodelle und Szenenmodelle.- 4.3 Bewegungsmodelle.- 4.3.1 Räumliche und projizierte Bewegung.- 4.3.2 Bewegungsvektorfelder.- 4.3.3 Modellierung von Diskontinuitäten des Bewegungsvektorfeldes.- 5 Optimierungsverfahren.- 5.1 Optimierung linearer Prädiktoren.- 5.2 Optimale lineare Transformationen.- 5.3 “Least Squares”-Optimierung.- 5.4 “Maximum a posteriori”-Optimierung.- 5.5 Matching.- 5.6 Clusterbildung und Clusteroptimierung.- 5.7 Relaxationsalgorithmen.- 6 Inhaltsbezogene Analyse von Bildsignalen.- 6.1 Segmentierung.- 6.1.1 Bildpunktorientierte Verfahren.- 6.1.2 Regionenorientierte Verfahren.- 6.1.3 Statistische Methoden.- 6.2 Bewegungsschätzung.- 6.2.1 Unsicherheiten bei der Bewegungsschätzung.- 6.2.2 Bewegungsschätzverfahren nach dem Differenzprinzip.- 6.2.3 Matching-Verfahren.- 6.2.4 Schätzung globaler und nicht-translatorischer Bewegungsparameter.- 6.2.5 Inhaltsorientierte Bewegungsschätzung.- 6.2.6 Multiframe-Bewegungsschätzung.- 7 Physiologische und psychovisuelle Grundlagen des Sehens.- 7.1 Physiologie des Gesichtssinns.- 7.2 Helligkeits-, Frequenzgangs- und Richtungsempfindlichkeit.- 7.3 Farbensehen.- B : Quantisierung und Codierung.- 8 Quantisierung.- 8.1 Quantisierung.- 8.1.1 Quantisierung mit gleichförmiger Stufenhöhe.- 8.1.2 Ungleichförmige Quantisierung.- 8.1.3 Adaptive Quantisierung.- 8.2 Verzerrungsmaße.- 9 Codierungstheorie.- 9.1 Statistische Grundlagen der Informationstheorie.- 9.2 Rate-Distortion-Funktion.- 9.2.1 R(D) für wertkontinuierliche und wertdiskrete Quellen.- 9.2.2 R(D) für unkorrelierte Signale.- 9.2.3 R(D) für korrelierte Gaußprozesse.- 9.2.4 R(D) für mehrdimensionale Signale.- 10 Methoden der Quantisierung und Codierung.- 10.1 Entropiecodierung.- 10.1.1 Huffmancodierung.- 10.1.2 Arithmetische Codierung.- 10.1.3 Adaptive Entropiecodierung.- 10.1.4 Übertragung mit fester Bitrate.- 10.2 Lauflängencodierung.- 10.2.1 Modellierung zweipegeliger Signale.- 10.2.2 Realisierung der Lauflängencodierung.- 10.2.3 Lauflängencodierung von Bitebenen.- 10.3 Vektorquantisierung.- 10.3.1 Grundlagen der Vektorquantisierung.- 10.3.2 Vektorquantisierung mit gleichförmigen Codebüchern.- 10.3.3 Vektorquantisierung mit ungleichförmigen Codebüchern.- 10.3.4 Spezielle Codebuchstrukturen.- 10.3.5 Vektorquantisierung mit Entropieminimierung.- 10.4 Gleitende Blockcodes.- 10.4.1 Trelliscodierung.- 10.4.2 Treecodierung.- C: Bildcodierverfahren.- 11 Vektorquantisierung von Bildsignalen.- 11.1 Blockseparate VQ im Ortsbereich.- 11.2 Blockübergreifende VQ.- 11.3 Geometrische Anpassung an den Bildinhalt.- 12 Prädiktive Codierung.- 12.1 Funktionsweise von DPCM-Systemen.- 12.1.1 Lineare Verfahren zur örtlichen Prädiktion.- 12.1.2 Nichtlineare Prädiktionsverfahren.- 12.1.3 Dreidimensionale Prädiktion.- 12.1.4 Weitere Anwendungen von DPCM.- 12.2 Codierung des Prädiktionsfehlersignals.- 12.2.1 DPCM mit skalarer Quantisierung.- 12.2.2 Rückkopplung des Quantisierungsfehlers.- 12.2.3 DPCM mit Vektorquantisierung.- 12.2.4 DPCM mit Entscheidungsverzögerung.- 12.3 Fortpflanzung von Übertragungsfehlern.- 13 Frequenzbereichscodierung.- 13.1 Transformationscodierung.- 13.1.1 Dekorrelierende Wirkung einer Transformation.- 13.1.2 Effizienz von Transformationen.- 13.1.3 Statistik von Transformationskoeffizienten.- 13.2 Teilbandcodierung.- 13.2.1 Blockeffekte und Interpolation.- 13.2.2 Ungleichförmige Frequenzzerlegung in kaskadierten Teilbandsystemen.- 13.2.3 Statistik von Teilbandkoeffizienten.- 13.3 Inhaltsangepaßte Frequenzzerlegung.- 13.3.1 Inhaltsorientierte Transformationen.- 13.3.2 Inhaltsorientierte Teilbandzerlegung.- 13.4 Prinzipien der spektralen Quantisierung und Codierung.- 13.4.1 Codiergewinn und spektrale Bitzuordnung.- 13.4.2 Skalare Quantisierung der Spektralkoeffizienten.- 13.4.3 Codierung der Quantisiererinformation.- 13.4.4 Vektorquantisierung.- 13.4.5 Psychovisuelle Gewichtung bei der Quantisierung.- 13.4.6 Bitrate und Codiergewinn bei ungleichförmiger Frequenzbandbreite und ungleichförmiger Quantisierung.- 13.5 Vergleich verschiedener Frequenzcodierverfahren.- 13.6 Fehlerresistente Übertragung von Frequenzkomponenten.- 14 Fraktale Codierung.- 14.1 Iterierte Funktionensysteme.- 14.1.1 Prinzipien fraktaler Transformationen.- 14.1.2 Collage-Theorem.- 14.1.3 Fraktale Decodierung.- 14.2 Fraktale Blockcodierung.- 14.2.1 Arbeitsweise des fraktalen Blockcodierers.- 14.2.2 Codierung der Transformationsparameter.- 14.3 Weitere Perspektiven des fraktalen Codierprinzips.- 15 Hybride Codierung von Bildsequenzen.- 15.1 Bildsequenzcodierung ohne Bewegungskompensation.- 15.2 Hybridcodierung mit Bewegungskompensation.- 15.2.1 Auswirkung der Bewegungskompensation auf das zweidimensionale Prädiktionsfehlersignal.- 15.2.2 Quantisierungsfehlerrückkopplung und Fehlerfortpflanzung.- 15.2.3 Codierung des bewegungskompensierten Prädiktionsfehlersignals.- 15.3 Bewegungskompensierte Interpolation.- 15.3.1 Codierung des bidirektionalen Pradiktionsfehlersignals.- 15.3.2 Interpolation von Zwischenbildern.- 15.4 Berücksichtigung unterschiedlicher Bildformate.- 15.4.1 Hybridcodierung von Zeilensprungsignalen.- 15.4.2 Skalierbarkeit hybrid codierter Signale.- 16 Dreidimensionale Frequenzcodierung.- 16.1 3D-Frequenzcodierung ohne Bewegungskompensation.- 16.2 3D-Blocktransformationen mit Bewegungskompensation.- 16.2.1 3D-Transformationen mit globaler Bewegungskompensation.- 16.2.2 3D-Transformationen mit ortsvarianter Bewegungskompensation.- 16.3 Bewegungskompensierte 3D-Teilbandverfahren.- 16.3.1 Bewegungskompensierte “Haar”-Filter.- 16.3.2 Teilbandfilter höherer Ordnung.- 16.3. 3 Kaskadenstrukturen.- 16.3.4 Schätzung von Bewegungsparametern.- 16.4 Codierung der 3D-Spektralinformation.- 16.5 Vor- und Nachteile der 3D-Frequenzcodierung.- 16.5.1 3D-Frequenzcodierung und Hybridcodierung : ein Vergleich.- 16.5.2 Kurzzeit-Spektralanalyse und Interpolation von Videosignalen.- 17 Inhaltsorientierte, objektorientierte und semantische Codierung.- 17.1 Von der statistischen zur inhaltsorientierten Codierung.- 17.2 Objektorientierte Codierung.- 17.3 Räumlich-modellbasierte und semantische Codierung.- 18 Codierung von Adaptions- und Inhaltsparametern.- 18.1 Codierung von Adaptionsparametern.- 18.2 Codierung von Bewegungsparametern.- 18.2.1 Codierung des örtlichen Bewegungsvektorfeldes.- 18.2.2 Codierung des zeitlichen Bewegungsverlaufes.- 18.3 Codierung von Konturen und Formen.- 18.3.1 Konturcodierung.- 18.3.2 Formcodierung.- D : Anwendungen, Übertragungsmedien und Standardisierung.- 19 Anwendungen.- 19.1 Evolution von Anwendungen, Übertragungsmedien und Standards.- 19.2 Herkömmliche Anwendungen - von der Analog- zur Digitaltechnik.- 19.3 Zukünftige Anwendungen - multimedial, mobil und interaktiv.- 19.3.1 Multimedia und Hypermedia.- 19.3.2 Mobile Videokommunikation.- 19.3.3 Hohe Bildqualität und räumliche Darstellung.- 19.3.4 Interaktion.- 19.4 Anforderungen an die Bildübertragungstechnik.- 20 Übertragungs- und Speichermedien.- 20.1 Codierung und Übertragung.- 20.1.1 Eigenschaften von Übertragungskanälen.- 20.1.2 Interaktion von Codierer und Netzwerk.- 201.3 Hierarchische Codierung.- 20.2 Leitungsgebundene Übertragung.- 20.2.1 Synchrone Netze.- 20.2.2 Asynchrone Netze.- 20.2.3 Analoge Übertragungsnetze.- 20.3 Funkübertragung.- 20.3.1 Fernsehfunk zur TV- und HDTV-Übertragung.- 20.3.2 Sprachmobilfunknetze.- 20.3.3 Zukünftige Mobilfunknetze.- 20.4 Speicherung.- 21 Standardisierung.- 21.1 Entwicklung standardisierter Verfahren.- 21.1 Offene und kompatible Standards.- 21.2 Aspekte der kompatiblen Codierung.- 21.2 Standards zur Einzelbild- und Bildsequenzcodierung.- 21.2.1 Standards zur Einzelbildcodierung.- 21.2.2 Standards zur Bildsequenz-Codierung.- 21.3 Zukiinftige Standards.- A Nomenklatur.- B Abkürzungen.- Bibliographie.

O autorze

Jens-Rainer Ohm, geb. am 7. Mai 1956 in Berlin. Studium der Elektrotechnik an der TU Berlin. 1985-95 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fernmeldetechnik der TU Berlin; 1990 Promotion bei Prof. Dr.-Ing P. Noll; ab 1992 Lehrbeauftragter; 1997 Habilitation und Privatdozent. 1996-2000 Projektkoordinator am Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin. Seit 2000 Univ.-Prof. und Inhaber des Lehrstuhls für Nachrichtentechnik an der RWTH Aachen.