使用前饋量化估計器的數據壓縮的製作方法

2023-05-20 23:46:36

專利名稱：使用前饋量化估計器的數據壓縮的製作方法
技術領域：
本發明涉及適用於通過一條通信信道進行傳輸，或在磁帶記錄機或其它記錄介質上進行記錄和重放的自適應編碼和數位訊號的實時壓縮。更具體地說，本發明涉及一種用於估計一個可變量化參數的前饋技術，以便當記錄時，使數據壓縮的量能被存儲在記錄介質所分配的空間上。
總的說來，數據壓縮的目的是要通過一條傳輸信道，利用儘可能少的信息轉移量把數字信息從一個地方傳送到另一個地方。換句話說，其目的是要消除對不必要信息的傳輸。視頻圖象，就其本性而言，含有大量的多餘信息，因此它們是數據壓縮的良好的選擇物。一個圖象的簡明數字表示必須在時間和空間意義上存在著很多同樣的多餘信息。利用在發射機中從圖象數據中刪除多餘信息部分，在一條通信信道或記錄在存貯介質上傳送數據的量就可以被大量地減少。然後，該圖象在接收機中再現，如果是記錄的，在記錄機重放裝置中靠重新引入多餘信息再現。(這裡所說的「圖象數據」指用於顯示圖象的數據)。
籠統地說，有兩種數據壓縮無損耗壓縮和有損耗壓縮。無損耗壓縮正象其名稱所意味的，允許原始數據在沒有任何信息損耗的壓縮之後被精確地再現。有損耗數據壓縮是一種不可逆的處理，它把一些失真引入到了被壓縮了的數據中，以致於原始數據不能被精確地再現。為了獲得大的圖象壓縮因數，需要使用這裡典型描述的有損耗壓縮方法。只要再現圖象中產生的失真量及失真類型不明顯，有損耗壓縮就可以成為一個可接受的。例如，在專業的視頻工業中，信/噪比(S/N)典型值為57dB或更甚，其圖象壓縮絕不能從原始圖象中鑑別出來，即，對於視頻顯示的觀看者來說，值得注意的是，大於2或3dB的信號損傷是令人不愉快的。
與數字視頻磁帶錄象機結合使用的圖象壓縮有幾個獨特要求，它包括在任何所使用的壓縮方法中的附加約束。通常的約束是由磁帶錄象機使用的格式而引起的，以及由與其說是立即發送到不如說是稍後使用而存貯數據所引起的。例如，一種磁帶錄象機必須容許對所記錄的信息進行編輯。實際上，這意味著被存貯的一場數據佔據了磁帶上整數的磁跡數，或在磁帶預定位置或磁跡上佔據視頻數據規定的信息塊，例如一個電視場。這就加強了一場數據或一個數據塊長度恆定的約束。在任何壓縮方案中，這種表面簡單的約束是置於嚴格的設計需求之下的。因為多數統計圖象具有不均勻的概率密度函數，對於具有變化信息內容的數位訊號，明顯的解決辦法是允許編碼數據速率逐幀或逐場地根據暫時的圖象內容進行變化。但是由於編輯的需要，編碼數據速率必須固定而非可變。
對於電視廣播用的磁帶錄象機必須允許畫面以比正常記錄/重放走帶速度高的速度(穿梭畫面)被再現。以非常高的重放速度(一般稱穿梭方式中的畫面)，各磁跡中僅有一小部分的數據被恢復。這就需要被壓縮記錄的數據存貯在小的完整的信息包中，從中可使畫面的一個部分被恢復。對於一個錄象機的編輯特性，也安置了壓縮方法的附加約束。在編輯方式中，被記錄的信息由新的信息所代替，它要求所代替信息的最小單元(在電視信號中這是一個單場)在被記錄的數據格式中分配有一個固定的位置。這就允許用具有任何相等大小的視頻信號單元代替任何一個視頻信號單元。為了保持記錄中的最大效率和把記錄超出播出時間的間隙減至最小，最好使用一種記錄格式，它相對於原始的未壓縮信息有一個固定的短周期。利用給磁帶上被恢復數據流提供一個規定和要求的結構，就簡化了數據去格式化程序的設計。由於某種圖形可以認為是一致的，如錯誤和無用，所以規定的結構「智能地」允許數據去格式。
至此，各種數字視頻壓縮的研究目前已經集中在對用作優選的自適應編碼載色體的二維離散餘弦變換上(DCT)，這是由於它的能量壓縮特性和以數字電路實現相對容易(見「離散餘弦變換」，IEEE Transaction on Computers，Vol.C-23，pp.90-93，Jan.1974.)為了完成一個視頻圖象的變換，圖象首先要分成象素塊(例如16×16或8×8)，然後餘弦變換成一組變換係數，各係數表示一個基於二維餘弦更換函數的梯狀加權參數(即，一個係數)。在被餘弦變換的範疇中，幅度係數被集中在許多上邊頻是零值的較低頻率項。如果這些係數被近似地量化為整數值，然後霍夫曼(Huffman)編碼，那麼對於表示圖象的所需要的比特數就能大大地減少。使這種方案有效工作的關鍵因素是量化處理。如果量化太細，由霍夫曼編碼器產生的數據將超出信道(或錄相機)的數據速率，而量化太粗又導致不可接受的失真/噪聲。對所需數據速率確定一個適合的量化參數的一種技術是簡單地監測一個輸出緩衝存儲器，並利用反饋電路調整量化電平以維持緩衝存儲器中數據的均衡。這種方法在「Scene Adaptive Coder」由Chen等人同版在IEEE Transactions on Communications，Vol.Com.32，No.3(March 1984)一文中被描述。它同時也在美國專利4，302，775號中被描述。因此，利用緩衝充實的方法對記錄的效率，精確的編輯的畫面穿梭在小信息量上，不能給予它們自己精確地速率控制。過去使用的比特分配方法，如果有一個由要被減少數據定義的不同圖象相對寬的範圍，就不能產生所描述的圖象質量。
在一些實例中，如上邊直接所描述的，一個閾值電平被用於變換數據係數。也就是說，所有低於某一閾值的值都被認為是零。這種閾值也常常被認為是量化，作為術語在這裡應用的「量化」或量化參數意指包括利用一個閾值電平值，一個換算因數或其它數字處理參數。
人們總是需要改變量化參數以使壓縮視頻圖象上產生的明顯失真增加最少，而仍然具有所需的輸出數據速率。當數據速率變化時，可以變為最佳值的參數也變，它是圖象信息內容的一個函數。由於信息內容的變化，對不同的數據源和程度很少的不同圖象，通過不同的策略進行最佳量化。在很多電視應用中，重新處理的圖象質量是重要的，所以失真問題特別尖銳。對這種應用的大多數，多重壓縮的產生也是必要的，即多重壓縮/擴張周期可以產生沒有明顯的圖象退化。
本發明總的發明目的是要提供一個可實時操作和適用於在磁帶錄象機或其它記錄介質上記錄和重放的數據壓縮電路方案。
本發明另一個發明目的是要提供一個用於估計一個可變量化參數，使用前饋技術自適應圖象編碼的裝置和方法。
本發明進一步的一個發明目的是為標定編碼壓縮數據提供一個估計量化參數Q的反覆處理，以便使原始輸入數據能夠被存貯在一個比其它未進行數據壓縮處理在記錄介質上(磁性的、光的或電的)更小的固定空間。
本發明涉及一種將一個數字輸入信號的數據速率Din減小到小於一個輸出數據信道數據速率Dout的數據壓縮技術。這種數據壓縮技術利用所變換數據的前饋去估計一個或多個用於對該數據編碼的量化參數Q。最合乎需要的是，要被量化的非常相同的數據使用估計要用於它的量化參數值。估計處理最好是反覆具有更新試用值Qt的多個項目，它是通過各個估計得到的，並對隨後的估計用作為新的試用值Qt+1。初始試用值Qi由數據前饋技術選擇，它保證這個值是在所需的最終量化參數範圍內。因此，估計處理覆蓋了提供最終量化參數的範圍，它保證當被量化的數據被編碼時，輸出數據速率與所需的輸出速率緊密地匹配。
進行量化的數據的前饋，使得量化參數的計算接近最佳值。在下述的最佳實施例中，這個數據在串行通過為在一個信息信道中傳輸的編碼器前被量化。在這個連接中，量化參數的估計值在實時中被確定，即基本上是在原始數據被產生的時刻。由於它以實時速度運動，所以通過一個以非實時速度運轉的計算機它也能夠被實現。
進一步，關於一個相應於一個視頻圖象的數據源，一個空間域(時基)信號，例如4，2，2亮度和色度以預定的數據信息塊(如4×8象素)變換成為一個空間頻域信號，即一組表示離散頻率係數的一系列離散數值。
上述概念體現在方法和裝置中。本發明包括著其它特徵和優點，它們將通過下面進一步詳細描述的最佳實施例變的明顯。
為了更好的理解本發明以及其它目的和進一步的特性，參照下面結合附圖的描述，其中

圖1是一個本發明的一個實施例的簡化方框原理圖。
圖2是圖1所述發明實施例的一個較詳細的電原理方框圖。
圖3是圖2中示出的比特計數器的一個較詳細的電原理方框圖，圖4是圖2所述發明實施例的詳細定時圖。
本發明所描述的最佳實施例是特別為提供以這種方式進行數據壓縮而設計的，即被編碼的數據是在格式化的單元中，每個單元與作為典型的磁帶格式化中為這個數字數據分配的空間具有相同的長度。在這種連接中，視頻錄象帶上的格式被設計為允許一個圖象小部分地恢復。本發明最佳實施例易於以這種格式進行數據記錄，允許一場圖象能夠識別再現部分，因此可使畫面以穿梭形式出現。換句話說，所要記錄的比特數通過記錄磁帶上格式化的空間，與所需的數是相同的。
圖1的用途是要簡化本發明一個最佳實施例功能運行的整體理解，其整體參照參考標號11。圖1這部分描述的各單元的具體細節在圖2等中示出。
參照圖1，輸入數字視頻信號1表示要壓縮的圖象數據，經過一條數據信道(或在一個錄象設備中被記錄並重放)傳輸，然後去壓縮並作為數位訊號2被輸出。在這個具體實施例中，視頻信號1和2是CCIR601標準格式，即亮度數據和色度數據的兩部分。這個信號是一個空間(時間)域的信號，它將在壓縮處理期間被轉換成一個空間的頻域信號。
信息塊重排器10接收亮度數據和色度數據，並分配它進入預定的數據塊(在4×8象素矩陣中)，而且重新安排視頻各場中的數據塊。這種數據重排能夠基於一維或二維而完成。它基本上是幫助更平均地分配典型的視頻圖象的信息內容，提高數據壓縮處理的特性。如果在一個視頻場內統計的數據有很大差別，這將是特別重要的。通過一個二維離散餘弦變換(DCT)電路15，重新排布的視頻數據接著被變換為一個空間頻域信號。DCT以重排模式變換各數據塊成為一個代表變換數據係數的等效數據塊，也就是說，頻率項的比例係數。所變換數據的係數在延遲單元20中延時被定義為8個數據集長的量，(各「數據集」是23個數據塊);8個數據集等於8條視頻水平線的有效部分。在垂直消隱期後，在新的一場數據的開始，最初的數據塊進入延遲單元20，並經前饋通路18旁路到比特計數器流水線25。靠把一個新的視頻場的最初的幾個數據塊加到量化估計器9，使得為那一場中剩餘的數據塊建立一個初始試用量化參數Qt。這樣有助於確定量化參數Qf的最終值。
比特計數器流水線25進行確定量化參數Q的反覆處理。對於最初的數據集，估計器9反覆地選擇試用量化參數Qt，確定由編碼單元45可能產生的比特數，並把那個時間周期的計算比特數與期望比特數(3600)進行比較。無論有什麼不同，對於Qt的一個新的估計值都根據一個平分算法而被選出。在量化估計器9下一步完成同樣的功能，僅僅是再一次使用一個更新的量化參數Qt。這個處理繼續進行(在最佳實施例中是4次)，直到產生最終的量化參數Qf。這裡，開關17把延遲器20的輸出連接到估計器9，它起動對各數據集的量化參數估計的反覆處理;因此，代替了隨意使用的Q值，初始試用量化參數Qt被用作初始量化參數。使用這種初始試用量化參數的直接結果是用估計器9中反覆步驟最少的數加速收斂處理。最終量化參數產生於通路37，編碼器45用它量化有關的數據集。各被量化的數據集被編碼並送到一個信道格式化器46，在那裡被加上一個同步字、錯誤校正、一個初始檢驗和及各編碼數據集的值Qf的對數。
發送的數據被接收(或在一個錄象機上重放)，並加到一個去格式化器50，它把數據分離送入被壓縮數據通路和量化參數Qf通路。解碼器55譯出這些數據，並利用各數據集的Qf值擴張被量化過的數據，使其返回到它們的「原始」電平。由於在解碼器55輸出端的信號表示的代表被變換數據的字數，因此反變換裝置60恢復由DCT單元15進行的DCT處理。而且，去信息塊重排器65把數據塊以相同於在12a和12b原始出現的格式重新安排。
應該注意的是，在估計器中的級數取決於許多因素，例如，估計算法，源平均信息量的範圍，以及所允許的失真度。在本發明一個特有的執行過程中，估計器9有4個級。如果沒有確定初始試用量化參數指出哪一個去幫助確定量化參數量終值Qf，那麼估計器9可能需要幾個較長的級去得到為最佳操作所需要的精確值。反之，如果輸入的數據源沒有垂直消隱期，初始前饋通路18及相關連的延遲單元20就可能不被使用，則在初始估計處理期間就沒有數據損耗。無論如何，其基本處理仍是提供概率密度函數，其函數的特徵是具有適度的高自相關函數的馬爾可夫處理(Markov)。
參照圖2，它更加詳細地表述了圖1中電路的編碼部分，其中一小部分元件編有同樣的標號。亮度圖象塊數據經上面提到的8比特總線12加到DCT電路15，更具體地說是加到了其中的DCT單元14。色度圖象塊數據經8比特總線13加到DCT電路15中一個類似的DCT單元16。DCT單元14，16由13.5MHz時鐘鎖定，其中DCT單元14完成亮度或Y分量的4×8象素塊的一個二維離散餘弦變換，而DCT單元16同步地完成相關聯的色度分量R-Y，B-Y一對4×4象素塊的一個二維離散餘弦變換。當一個亮度數據塊寫入DCT單元14時，相應的R-Y，B-Y兩個色度數據4×4塊與相關聯的4×8亮度塊同步地寫入DCT單元16。DCT單元14和16用一個湯普森(Thompson)集成電路模塊TV3200來完成。典型的變換設備和操作在前面提及的「離散餘弦變換」一文中作了描述。
可取的是，由DCT電路15施加的離散餘弦變換係數，為了使它們能被記錄在磁帶上而被安排在數據流中。因此，經圖1中信息塊重排器10施加到DCT單元14，16的視頻數據總是被光柵掃描一個視頻場，相應地，這些數值是以全場光柵掃描時間次序。信息塊重排器10按照圖象中實際的塊重新安排數據的時間次序，而且進一步靠以不同於圖象塊原始順序次序選擇信息塊，擾亂這些數據。重新安排數據塊是可取的，在這個次序中它包括了一個數據集，它們以分配長度的數據同步信息塊被編碼或記錄在磁帶或記錄介質上。
為此目的，被變換的亮度數據和色度數據R-Y，B-Y兩個分量經總線12a，12b就加到隨機存取存儲器(RAM)亮度和色度各自的轉換棧中，這裡描述為一個整體RAM19，接著，它被耦合到多路復用器21。RAM19有兩個棧，以寫入和讀出更替，這就允許數據被寫入一個存儲器，而此後以在同樣順序中加上變換數據係數數據流的順序有選擇地從其它棧中讀出，其中數據已經編碼，它作為分配長度的數據同步信息塊被記錄在磁帶上。RAM19的加載和讀出，是利用在一對總線48上的係數寫址(WR ADDR)和係數讀址(RD ADDR)信號，復用器21是在經總線49的係數復用信號(COEFF MUX)的控制之下，這個信號指揮復用的亮度和色度係數進入編序的數據流。
變換數據係數經總線13被施加，如一個12比特字的串行總線，從DCT電路15至N級延遲器20的一個輸入端，以及至擴展到一個電子開關17輸入的前饋總線18。N級延遲器可以由一個串行移位寄存器或一個RAM組成。從DCT電路15來的數據流包括一個用於各塊中各象素的變換係數。也就是說，在DCT單元14，16的數據流中有相同數量的係數，作為施加給該單元的亮度和色度數據塊中的取樣值。N級延遲器20提供一個等於一個完整的數據集通過流水線25延遲所需總延遲的延遲時間，其中一個數據集對應於有效圖象一條水平線時鐘周期的號數，也就是說，N級延遲器20的延遲，在確定一個最終量化參數值期間，對應於由比特計數器流水線25各級估計反覆完成的數，下面還將進一步詳細描述。在這裡由例子所描述的執行過程中，藉助實例，由四級完成估計處理的四次反覆。
根據本發明，在各垂直消隱期間，具有用於前饋變換數據係數的裝置，由此一個粗的、被用於該場的剩餘部分的最終量化參數值Qfc被估計。對於一個初始試用估計的初始確定可取的是，它以由這一場中選出的數據為基礎，例如，在圖1信息塊重排器中以討論過的方式重新安排數據。為此目的，在隨既跟著的垂直消隱期，(例如如在N級延遲器20的輸出端所見到的垂直消隱期間)，一場變換數據係數的最初數據集被送入N級延遲器20，以便有選擇地延遲，同時還經前饋總線18及開關裝置17旁路繞過N級延遲器20。前饋技術可以得到要確定的量化參數，它可最佳地量化DCT電路15提供的變換的數據。經重排器10得出所給的重排數據，目前的前饋方案應用了一個加給量化參數估計器9的最初數據集的一個任意的「粗量化參數」，因此，反覆的參數值在先通過的第一數據集中經過估計器9被細化。「粗試用量化參數」(Qtc)在流水線25的各級中被計算，並且「粗的最終量化參數」(Qfc)在首先通過的被前饋的第一數據集的末端被提供。前面所描述的「初始試用量化參數」Qt與這個粗的最終量化參數Qfc值相同，它不僅用作經過估計器9二次通過的第一數據集的初始量化值，還用於在整場有效視頻圖象間隔期間所有隨後的數據集。由於前饋電路方案提供了通過四次反覆被細化的量化參數，所以在有效視頻圖象間隔期間提供的數據集僅需要在各級使用的「試用量化參數」Qt經估計器9中一次通過，而得到上述的最佳「最終量化參數」Qf。
如上邊所描述的，在第一數據集經量化參數估計器9前饋後，從N級延遲器20中讀出同一第一數據集，並第二次經流水線25通過，以獲得用於第一數據集的「最終量化參數」Qf。有效視頻圖象間隔的所有數據集僅需一次經流水線25通過，以獲得各最終的量化參數。如所述的，開關17可以由延遲系統垂直同步信號(Vsync)的上升沿使動。前饋通路18的操作和N級延遲器20在下面參照圖2-4進一步描述。
在前饋通路18或延遲器20中的變換數據係數經12比特總線22加給由比特計數流水線25和參數計算器40構成的量化參數估計器。量化參數估計器得到提供壓縮度的最終量化參數，當數據被加到霍夫曼編碼器45時，它就提供適當數量的比特去填充在要記錄於磁帶上的各數據塊中所分配的空間。也就是說，23塊的數據集的每一個都有以用於各數據集的數據同步塊空間的形式把它們分配在磁帶上一個相同的空間。作為例子，各數據集分配3600比特或450位元組作為記錄在磁帶上的一個數據塊。這3600比特構成了記錄在磁帶上的數據塊的信息部分，其它空間分配為同步字、內務操作等。
量化參數估計器9包括兩條並行數據通路。一條通路是延遲線路徑，在該路徑上更換的數據係數經串行延遲線通過，而且最後在編碼器45中被編碼。另一條通路包括比特計數器24、30等，及參數計算器40，它們一起構成了用於產生和細化試用量化參數的裝置，以提供最終量化參數，當離散餘弦變換係數被壓縮和編碼時，該最終量化參數將提供用於在磁帶上記錄各數據塊所分配的比特數。
為此目的，變換的數據係數從開關裝置17經總線22，作為12比特取樣加給第一「比特計數」延遲器23，以及經12比特總線26至第一比特記數器電路24。「計算」延遲器27與比特計數延遲器23連接。比特計數延遲器23提供一個與比特計數器24在一個數據集中計算比特所花時間相當的時延。計算延遲器27提供一個與參數計算器40完成計算所花時間相當的時延，該計算確定是否獲得的試用量化參數提供了對於允許在磁帶所分配的空間中記錄隨後編碼數據的所需的壓縮。例如，在延遲通路中的各比特計數和計算延遲器有一個有效視頻圖象的一條水平線延遲，加上幾個時鐘周期。延遲器23和27以及比特計數器電路24包括比特計數器流水線25的第一級。第二延遲級也包括一個比特計數延遲器28，一個計算延遲器29，和一個第二比特計數器30，該第二比特計數器經總線31耦合以接收來自第一級計算延遲器27的數據流。第二級被連接到在圖2中虛線38框出的接著的第三和第四相同的級(以N級表示，但未示出)，其中的四級在本發明的執行過程和描述中加以使用，但它僅作為例子。N級的輸出經總線32加給編碼器45。編碼器45的輸出加給一個記錄格式化電路46，該電路經一個相關聯的磁帶錄象機(未示出)提供適當的格式化的、壓縮的和已編碼的數據以記錄在磁帶上。此外，這個數據也可以加至適合的傳輸裝置或其它類型的記錄裝置及介質上。
參數計算器40接收經總線33從第一級比特計數器24來的一個比特計數信號，以及經總線34從第二級比特計數器30來的一個比特計數信號。隨後，參數計算器40把經下面要描述的時序計算得到的試用參數經總線35加到比特計數器24、經總線36加到比特計數器30上。參數計算器40還同樣的被連接到隨後的第三，第四等級上。經比特計數流水線25的多級，參數計算器40提供最終量化參數完成的所需最終細化，經總線37施加最終量化參數Qf給編碼器45。
一個定時信號發生器58分別在線路51和52提供具有系統水平和垂直同步的信號(Hsync，Vsync)的，以識別數據的水平與垂直，時間與空間的位置。其結果，發生器58提供各種定時信號和時鐘，用於數據壓縮裝置各部分的使能和同步動作。因此，發生器58經總線48把係數WR ADDR和係數RD ADDR信號提供給RAM19，並且經總線49把COEFF MUX信號提供給多路復用器21。此外，發生器58經線路53、54分別把與定時信號H FLAG和V FLAG相關的Hsync和Vsync加至參數計算器40，以便將參數計算器40和經流水線25的數據的推移同步而讀出比特計數並進行寫操作。發生器58還分別在總線56和57上產生一個係數時鐘(COEFF CLK)信號和在一個數據集中的最後係數(LAST COEFF)信號，它們是用於N級中的比特計數電路24，30等的，這些在圖3中將進一步描述。
實際上，各自延遲級的比特計數延遲器和計算延遲器都是一個預定長度的組合延遲器，但是為了描述的清楚，在這裡已經分別地概念化了。如上所述，比特計數延遲器經比特計數器24補償由比特計數處理引起的延遲，並把計數加給參數計算器40。在完成確定比特數太大或太小以及為各估計處理級的連續的量化參數值的計算時計算由參數計算器40導致的延時器的延遲補償。
圖4描述了量化參數估計器9的定時圖。圖4A描述了在一場視頻圖象期間兩個不同時間的變換係數的連續數據集波形;該圖的左半部分描述的是有效視頻圖象間隔期間的波形，右半部分描述的是在垂直消隱期間的波形。由於數據集由在各級中的各比特計數和計算延遲延遲了1H，所以這些數據集被交替地標明相位A(φA)和相位B(φB)。在垂直消隱期的最後，H FLAG信號和V FLAG信號(分別在圖4F和4G)經定時發生器58從Hsync和Vsync信號中產生。參數計算器40讀出H Flag信號並在適當的比特計數器(圖4D)中加載量化參數。流水線25的比特計數器對信息編碼和計數的總的比特數進行偽編碼，以便在量化之後的數據集(圖4B)使用由參數計算器40提供的試用量化參數Qt。然後，參數計算器40經各自的比特計數總線(圖4C)讀出施加的比特計數，並完成計算，以確定是否由編碼器出現的比特數在壓縮中使用的試用量化參數Qt太大或太小。如果比特數不正確，計算器40就算出一個前邊試用量化參數(圖4E)的細化值，並經過各自的試用參數總線(圖4D)加到下一個比特計數級。隨後的比特計數和試用參數細化值經延遲通路和與參數計算器40合作的比特計數流水線25的N級比特計數器被接續。在比特計數器運行和參數計算器40正在確定試用量化參數的期間，經總線22施加的數據係數正在經延遲通路通過。在比特計數和計算處理的最後，連續的延遲數據集經總線32被加給編碼器45，它們與經總線37上的參數計算器40進饋的其各自的最終量化參數同步。
此外，最終量化參數Qf被加給記錄格式化電路46，以log2表示。格式化插入到加給記錄器和傳輸裝置格式化數據流中的各數據集中有關的同步塊中。因此參數Qf本身很有效地被存貯在記錄介質中。
為了更全面地描述量化參數估計器9的操作，象前面所說的，開關17隻是優先於第一數據集進入延遲器20被轉換到前饋總線18，以提供延遲的旁路通路。值得注意的是，直到上述場所有圖象數據經下遊流水線通過之後，開關17才將延遲器20旁路。第一數據集直接加給流水線25的第一級，特別是加給比特計數器24。這時，參數計算器40經總線35將上述一個隨意的粗量化參數加給比特計數器24。粗量化參數被保持存貯在計算器40的存儲器中，並且為1/2 log232或2.5。比特計數器24計數使用粗量化參數產生的比特，並把這個計數值經總線33加至記算器40，以確定是否有太少或太多的比特。計算器40經總線36提供一個粗試用量化參數Qtc給第二級的比特計數器30，同時它還經總線31接收數據係數。這些比特被重新計數，另一粗試用量化參數被計算，並隨之經四級處理，直到用於前饋的第一數據集的粗的最終量化參數Qfc被算出。開關17被轉換到在其輸出端包括相同的第一數據集的N級延遲器20。這樣，第一數據集再次被加給比特計數流水線25，對應於在第一數據集第一通過的結尾提供的粗的最終量化參數Qtc，初始的試用量化參數Qt被加給比特計數器24，以及第二次通過四級的第一數據集。這樣，經參數計算器40進行八次細化之後，就得到了最終量化參數。初始試用量化參數Qt被存貯在計算器40中，並在隨後用作整場視頻圖象有效視頻間隔各數據集的第一參數。
在這描述的實施例中，參數計算器40可以是一個數位訊號處理的微處理器，例如可以是由德克薩斯儀器公司(Texas Instruments，Inc.)製造的TMS32020類的微處理器。為了提供試用量化參數，計算器把換算因數的log2提供給在比特計數器24和30中的換算和捨入處理，總之對應於在一個數據集中變換係數的偽量化。這樣，量化參數估計器9執行了一個與變換數據係數數值的換算值的倒數的乘法，然後捨入該結果至最接近的整數值。然後根據經圖1描述的電路的解碼器部分恢復的信息，該數據值乘以2Qf，其中Qf是對應於最終量化參數Qf的數，它先前由記錄格式化電路46插入在各數據集中。
用於前饋估計的隨意的粗量化參數的選擇取決於用於提供試用參數計算所使用的算法。任何執行過程的最佳算法應是一種需要從最少的重複獲得一組量化參數，這些參數可以在編碼之後提供正確的比特數。在此描述的具體實施例中，這種算法是一個平分法，它只控制量化換算因子參數。這個算法不能使用錯誤的量，而僅僅使用符號和零測試。其結果是穩定的數值。對於一個單一的量化和壓縮模式，一個線性的內插器就可以等同其工作。
在這個平分法中，量化等級是在對數概念上被平等地分開，即連續的量化換算因子等級是一個固定的比率。這樣在計算中就使用了量化換算因子的對數值，例如由參數計算器40進行。這樣用加法代替乘法、用除以二代替平方根就簡化了這種算法在微處理器中的實現。反對數是簡單的，其實現是在編程的存儲器中查一個表，例如查比特計數器的查尋表81。此外平均的分開允許在整個量化值範圍上的恆定的信噪比等級。
粗的量化參數被估計為中心值，也就是說，在換算因子值範圍內的幾何平均。一個給定重複的間隔長度是(Qmax-Qmin)/(2N)其中，Qmax是最大換算因子值的對數值，Qmin是最小換算因子值的對數值，以及N是重複數，也就是級數。(它可假設為1、2……)如果參數計算器40確定出在量化後由編碼數據中產生的比特數的誤差是正(比特太多)，那麼下一個估計就是先前的值加上目前的間隔大小。如果誤差是負(比特太少)，那麼下一個估計就是先前的值減去目前的間隔大小。當然，如果沒有誤差，所確定的估計就是正確的量化參數。
下面表示的是在這裡使用用於確定一個量化換算因子值的平分算法的應用。用於確定下一個量化試用值的基本公式是log Vct＝log Vpt+ (logSpi)/2 ·符號(比特錯誤);
其中Vct是目前的試用值，Vpt是先前的試用值Spi是先前的間隔大小，以及
這個對數的底可以是任何方便的值，例如2。一個合適的底可以把計算最大限度地計算精確。下面表示量化參數Q的值的範圍，所示的是第一試用值;
Qt的第一試用值= (logz32)/2 =2.5=32的幾何平均值。
初始間隔長度＝2.5
第二試用值＝先前試用值－ (logz(先前間隔))/2 ，或＝(2.5- 2.5/2 ＝1.25)
在第二比特計算之後，Q的結果範圍是比特太多 ( )/ (計數的比特-需要的比特)的符號如下所示是正。對於大Q值的平分被完成。
由於所有確定的一場的數據都經同樣的數據流水線25通過，所以對於隨後的數據後邊也具有延遲通路，在垂直消隱期間並沒有簡單地運用的數據。換句話說，當相同場中連續的數據經流水線25僅通過一次時，前饋處理中使用的初始數據集的取樣經流水線通過兩次。因此，象所討論的那樣，它是在垂直消隱期慫恿的第一數據集第一次通過期間獲得的值，被用於該整場的每個隨後數據集的初始試用量化參數。然而，如果需要的話，前一場的數據集的估計參數可以用作隨後一場數據集估計參數的初始試用值。
要記住，不是總能夠產生一組導致精確的所需比特數的參數。對此，其原因之一是量化參數本身是被量化的。因此，為了避免產生比在磁帶格式預定空間能存貯的更多的編碼比特的問題，編碼後的所需比特數在參數計算器40中稍微減去些，以便誤差傾向于格式的比特太少的方向。這種傾向可以是-1%量級。
圖3作為一個例子，更詳細地示出比特計數器流水線25的比特計數的實現方式，其中相同的部分在圖中編有相同的標號。比特計數器除了它們不產生霍夫曼編碼字之外以霍夫曼編碼器45實現。在圖3中，變換數據係數經12比特總線22加給數字乘法/加法器80，用經總線35、36由圖2中參數計算器40提供的試用量化參數反對數的倒數乘以這個數據係數。試用量化參數首先加至一個對數換算因子查尋表(LUT)81，接著經12比特總線把一個乘法項加給乘法器/加法器80。由於參數計算器40以量化參數的對數加以處理，則對數換算因子查尋表81提供用於乘法器/加法器80的算術換算項。乘法器用經查尋表81得到的值表示來自參數計算器40的試用量化參數來量化經總線22提供的數據係數。在乘法器/加法器81中的加法器提供對換算了的值的最接近於整數的捨入。
結果的換算和捨入後的數據係數經10比特總線加給一個霍夫曼碼字長度查詢表82，以確定各數據集編碼值可能佔用的比特數，其數據集的值是經總線35，36施加的量化參數值給出的。因此，霍夫曼碼字長度查詢表82提供兩個輸出。第一輸出是加給多路復用器84A輸入端的一個霍夫曼碼字長度信號，第二輸出加給零掃描寬度計數器83的一個零幅度信號(ZERO AMP)。零掃描寬度計數器83被接到一個掃描寬度碼字長度查詢表85，它的輸出加至多路復用器84的B輸入端。由霍夫曼查詢表82的零幅度輸出還加給一個狀態機構和係數計數器86，接著，它提供一個選擇A/B(SELECT A/B)信號和一個零輸出(ZERO OUTPUT)信號給多路復用器84，以及把一個塊結束信號(EOB)加給查詢表85。多路復用器84由從狀態機構86產生的SELECT A/B和ZERO OUTPUT信號的控制，把由選入的霍夫曼碼字長度信號和掃描寬度碼字長度信號構成的多路輸出信號加給累加器87。累加器87的輸出經鎖存器88鎖存，該鎖存器88把比特計數信號加給圖2中的參數計算器40，例如由圖2中第一第二延遲級的總線33、34。
圖2中描述的系統定時發生器58以係數速率，例如27MHz提供係數時鐘(COEFF CLK)信號給零點掃描寬度計數器83、狀態機構和係數計數器86，並經線路56到累加器87，以便同步圖3所述比特計數器各部分的操作。最後係數(LAST COEFF)信號由定時發生器89經線路57加給鎖存器88，並用於在一個完整的數據集累加的末端的鎖存比特計數信號。
在運行中，狀態機構和係數計數器86有兩個主要狀態。第一個狀態是當來自霍夫曼查詢表82的零點幅度信號是零時的狀態，也就是說，它是處於零點掃描狀態，而第二個狀態是當該信號不為零，且霍夫曼編碼器不是處於零點掃描狀態時的狀態。
對於第一個主要狀態，在兩種情況下零點掃描狀態可以結束，第一種情況是當一個非零值結束掃描時，第二種情況是當在查詢表82中碼的最後的係數被遇見時。在第一種情況中，狀態機構接收零，並迫使乘法器84輸出零至累加器87。當非零值結束掃描時，對於零掃描寬度加上相應於結束掃描的值的碼字長度的碼字長度，經乘法器84加給累加器。在第二種情況中，編碼的最後係數是數據集中的第23項，即一個數據集的塊尾(EOB)係數。當遇到碼的最後係數時，如果它比實際掃描寬度碼字短，就使用EOB碼字。另外，零點掃描寬度碼字經由掃描寬度碼字長度查詢表85，響應線路92上的EOB信號，而加給累加器87。
回顧第二個主要狀態，由於這些項非零，對應的霍夫曼碼字被加給多路復用器84，該多路復用器84選擇輸入端A為輸出信號。在一個數據集的結尾這個信號在累加器87中被累加，如果量化參數被應用，且如果該數據流是使用表的霍夫曼編碼，累加器將包括比特碼流所需的總比特數。這個結果經由鎖存器88鎖存和保持幾個時鐘周期，以便允許參數計算器40(圖2)方便地訪問這些壓縮數據。對於鎖存的數據則立即由量化參數估計器9開始一個新的數據集的計數。
儘管本發明在這裡通過一個特殊的實施例進行了描述，但是要知道，它可以由各種變化的結構和部分實現。為了說明，有幾種變化的平均算法在這裡被使用。更具體的說，對於用於確定Q的算法，獲得在連續產生的相同圖象壓縮中的相同值是需要的。在那種方式下，圖象質量在第一個產生的壓縮之外沒有退化。確定Q值有幾種算法，對於事先沒有被壓縮的圖象Q值將以少數的重複而結束。有極少數的算法是數值迅速地發散和收斂，這是在圖象事先已被壓縮的情況下。平分算法的優點是數值穩定。為達到穩定而花費掉了效率，也就是說，它需要許多重複去收斂。
因此，一種替換是要用一種快速收斂去接近正確值的方法，然後利用平分法去得到最後結果。總之，第一個方法應該利用量值和誤差的符號去確定下一個試用值。這種替換是在假設對下一個值在速率誤差和目前值比率之間有固定關係的情況下。它可在一個簡單的表查詢中實現。當速率誤差比預定的值少時，使用平分法去獲得最終值。
還有一些本發明打算的替代的編碼方法。也就是說，任何使用與數據平均信息量(在量化級後)在長度上成正比的碼的編碼數據方法都可用來代替霍夫曼碼。儘管霍夫曼碼有相對簡單而實現的優點，但還有一些可以被利用的其它的編碼方法，如坦斯特爾(Tunstall)編碼，算術(arithmetic)編碼，萊姆玻-齊伍(Lemple-Ziv)編碼，等。
同樣的，本發明打算替代在垂直消隱期間應用的前饋接法。如果在一場視頻圖象內的數據統計在數據集間差別很大，那麼第一數據集的估計值可以不必是一個對於該場隨後數據集平分的良好的起始值。因此，本發明打算使用比這裡示出的四級具有更多級的比特計數流水線，其中各數據集的量化參數值被獨立地計算。
應當理解，這裡表示的用於提供變換數據係數的離散餘弦變換，是許多可以用於變換單值概率函數典型地為圖象或用於一組有效編碼的不相關非單值概率函數(uniform probablity mass function)的變換方法之一。因此，一些其它可以在這裡使用的變換是哈得瑪德(Hadamard)，斯蘭特(Slant)，哈特利(Hartely)，等。
儘管本發明在這裡以一個實時的系統被描述，但它同樣可以用於一個非實時系統，例如它可以用於計算機系統，在那裡如單畫面這樣的圖象可以被壓縮。
對於計算量化參數值有許多可能被使用的算法。對於任何具體實現過程的最佳算法是用最少的重複去獲得一組量化參數，該參數在編碼後能提供正確的比特數。在本發明的一個實現過程中，使用了控制量化級參數大小的平分方法。這種算法沒有利用誤差的量值，而僅僅使用了符號和零的測試。其結果是它數值穩定。
在平分法中，量化級以對數概念對等地分開，即連續的量化級是以一個固定的比率。因此，量化級大小的對數被計算。這樣在微處理器中用加法代替乘法、用除2代替平方根而簡化了算術的實現過程。反對數隻以在可編程存儲器中的一個查詢表來簡單地實現。此外，均勻的分割在整個量化值範圍上獲得了恆定的信噪比級。
第一試用量化器級大小的估計被選擇作為對數中量化級大小範圍中的中心值。一個給定的間隔長度為(Qmax-Qmin)/2expN，其中Qmax是最大量化器級大小的對數;Qmin是最小量化器級大小的對數;N是重複數，它取值1，2，……。
在由參數計算器21確定的量化之後，如果由編碼數據導致的錯誤比特數是正的(比特太多)，下一個估算值就是先前的值加上該間隔。如果誤差是負的(比特太少)，下一個估算值就是先前的值減去目前間隔的大小。當然，如果沒有誤差，該確定的估計值就是正確的量化參數。
如前所述，有兩條先行通路。應記住，在一場期間使用的初始量化參數是根據使用前述的先行通路18進行計算的。最好是，對於一個粗估計的初始確定其從一場中選擇出的數據，可根據諸如在前面提及的共同的尚未批准的專利申請中所描述的途徑編碼。
要記住，不是總能產生一組導致所需精確比特數的參數。其原因之一是量化參數本身被量化了。為了避免產生比在磁帶格式空間所能存貯的更多的編碼比特的問題，編碼後的所需比特數在參數估計器中被稍微減少一些，以便誤差基於對于格式比特太少的方向。這個偏差可以具有-0.1%的量級。
儘管本發明已經結合最佳實施例以及它的具體實現過程進行了描述，但是本領域的普通技術人員將懂得在不離開本發明精神基礎上能夠進行各種改變和改進。因此，將由權利要求書及其等價物限定申請給予的範圍。
權利要求
1.一種製備數字視頻信號的方法，具有用於編碼輸出信號傳輸的數據速率Din，所說的編碼輸出信號在一條具有一個數據速率容量Dout的信道上被發送，其速率少於數據速率Din，所說方法包括步驟(a)將所說的視頻信號，變換成為在預定變換係數組中格式化的一個空間頻域的數位訊號；(b)根據量化參數Qf，量化所說的預定的變換係數組成為整數值，以產生量化係數；(c)對所說的量化係數編碼，以減少所說具有數據速率Dout的輸出信號；(d)在步驟(b)前為各預定變換係數組選擇量化參數Qf，被選的所說量化參數Qf產生一個具有對應於所需數據速率Dout編碼比特數的編碼輸出信號，並前饋各被選量化參數Qf給所說的量化級。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於所說的選擇步驟進一步包括(e)在所說的變換步驟之後，延遲所說的變換係數一個第一預定周期時間;(f)在延遲所說變換係數時，如果試用量化參數Qt被用於量化參數Qf，則選擇一個試用量化參數Qt並計數在所說的第一預定時間周期期間由所說編碼級可能產生的比特數;(g)確定在所計數的編碼比特數與對應於數據速率Dout的比特數之間的差;(h)如果所說的差是零，把在所說的步驟(b)中的試用量化量參數Qt用作為所說的量化參數Qf;(i)如果所說的差大於零，為所說試用量化參數Qt計算出一個最新值，以減少所說的誤差，並重複步驟(e)-(i)N次，N＞1。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於所說的變換步驟(a)進一步包括利用離散餘弦變換變換所說的視頻信號。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於在所說數字視頻信號各場的開始包括步驟為(j)在所說的第一延遲步驟之前，對所說的變換係數組延遲等於(N)(所說第一預定時間周期)一個第二預定時間周期的時間，同時也對同一組變換係數執行步驟(e)-(i)N次;(k)對於與所說數字視頻信號的一個特定場相關的所有隨後的試用量化參數Qt，把在(j)中第N次選擇步驟中選出的量化參數Qt作為第一選擇級的試用量化參數Qt。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於所說的編碼步驟(c)進一步包括使用可變長度碼對所說的量化係數進行編碼，以產生一個具有所需數據速率的輸出信號。
6.根據權利要求5方法，其特徵在於所說的各步驟是實時完成的。
7.根據權利要求6的方法，其特徵在於進一步包括步驟為(k)接著所說的編碼步驟(c)，把所說的編碼輸出信號格式化成所說信道的格式;(l)用所說的格式化編碼輸出信號交替(interleaving)具有與所說量化參數Qf有關的各編碼量化係數組的所說量化參數Qf。
8.壓縮一個確定的視頻圖象數據信號的裝置包括a)用於變換所說的視頻信號成為在預定變換係數組中格式化的一個空間頻域信號的裝置;b)至少用一個所說的預定變換係數組，去估計用於量化所說變換係數的一個數字處理參數值的裝置;c)用於其後把所說的估計值加給所說的變換係數的裝置。
9.根據權利要求8的裝置，其特徵在於所說的用於施加估計值的裝置適合於把同樣的值加給為確定所說估計值所使用的所說數據的同樣部分。
10.根據權利要求9的裝置，其特徵在於提供所說估計值的所述裝置也適於實時工作。
11.一種製備數位訊號的方法，具有用於編碼輸出信號傳輸的數據速率Din，所說的編碼輸出信號在一條具有一個數據速率容量Dout的信道上被發送，其速率少於數據速率Din，所說的方法包括步驟(a)變換所說的數位訊號成為在預定變換係數組中格式化的一個空間頻域的數位訊號;(b)根據量化參數Qf，量化所說的預定的變換係數組成為整數值，以產生量化係數;(c)對所說的量化係數編碼，以產生所說具有數據速率Dout的輸出信號;(d)在步驟(b)前為各預定變換係數組選擇量化參數Qf，被選的所說量化參數Qf產生一個具有對應於所需數據速率Dout編碼比特數的編碼輸出信號，並前饋各被選量化參數Qf給所說的量化級。
12.一個視頻數據壓縮系統，其中用串行的數據限定所連續的有效和無效顯示的出現率，其組合為a)用於顯示所說數據的裝置;b)用於限定一個有效出現率的取樣數據的裝置;c)在確定一個無效出現率數據延遲期間使用所說取樣數據的裝置，以便為加給限定所說有效出現率數據的一個數字處理參數計算一個初始試用值。
13.根據權利要求12的視頻數據壓縮系統，其特徵在於所說的裝置用於提取定義在一個緊跟著所說無效出現率的一個有效出現率的取樣數據。
14.一個用於限定連續的有效和無效圖象顯示出現率圖象數據的壓縮系統，其組合為a)用於所說數據經一個信道連續通過的裝置;b)在確定一個無效顯示出現率的所說數據部分在所說信道中期間，用於前饋限定一個有效顯示出現率的所說數據部分的裝置;c)用所說的數據部分估計一個數據處理參數值，以便把它加給限定一個有效顯示出現率的數據的裝置。
15.根據權利要求14的壓縮系統，其特徵在於所說的前饋所說數據部分的裝置包括在經限定一個無效顯示出現率的數據部分的信道中通過期間，用於延遲所說數據的裝置，以及在所說的時間期間對緊跟著所說無效顯示出現率後的限定有效顯示出現率的數據取樣的裝置。
16.一種處理數據的方法，其步驟是用所說的數據計算多個加給所說數據的數字處理參數的連續估計值，以從較早的估計值的計算值中去估計的各所說值被用作初始試用值。
全文摘要
一種圖象數據壓縮技術，它利用數據前饋去估計一個或多個用於這些數據的量化參數。用通過被用於隨後估計的試用值的各估計所找到的值，量化處理估計被重複多次。初始試用值通過一個數據前饋技術被選定，它保證其值是在所需的最終量比參數值的範圍內。
文檔編號H04N7/30GK1058689SQ9110520
公開日1992年2月12日 申請日期1991年7月31日 優先權日1990年7月31日
發明者雪梨·D·米勒, 彼得·斯米特, 查爾斯·H·科爾曼 申請人:安佩克斯公司