Digitale Bildcodierung

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.