專利名稱：數(shù)字數(shù)據(jù)壓縮器,特別是圖象壓縮器流量或質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地是一個傳感器和一個傳輸機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)壓縮裝置。本發(fā)明特別地應(yīng)用于遠程觀測衛(wèi)星，述及的衛(wèi)星采集圖象數(shù)據(jù)，然后通過無線電傳輸信道將采集到的數(shù)據(jù)傳向地面站，而述及的傳輸信道的特征之一是僅能用不變的流量傳輸信息。
一般說來，傳感器所采集的信息的容量大于傳輸信道能夠傳輸?shù)男畔⒌娜萘浚@在觀測衛(wèi)星上所裝的傳感器的數(shù)量和分辯率提高的情況下更為突出。因此，對于傳感器所采集的同樣的信息容量，就必須求助于能夠降低傳輸信息量的一些數(shù)據(jù)壓縮方法。
然而，因為壓縮方法的內(nèi)在的性質(zhì)，壓縮器的輸出流量直接和輸入信號的熵成正比，而在通常情況，傳輸信息的量隨時間而變化，因為輸入信號的特征隨時間而變化。
為了優(yōu)化傳輸信道的使用，就要調(diào)節(jié)流量減小壓縮裝置的輸出流量的起伏。
在傳輸信道要求不變流量的情況下，這種調(diào)節(jié)就變得非常重要。


圖1用非常示意的形式示出本發(fā)明的在后文描述的一個信號處理裝置的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)呈處理鏈方式，沿著處理鏈有多個單元。
用1標出的單元為一傳感器，例如可以是裝在觀測衛(wèi)星上的光學攝象機或紅外攝象機。
單元2為一壓縮器。
單元3表示一個流量調(diào)節(jié)器。
單元4為一大容量存儲器，用作傳輸單元5的前存儲器(antémemoire)(或超高速緩沖存儲器)。實際上，在觀測衛(wèi)星的情況下，不是在任何時候都能使用傳輸信道的，特別是衛(wèi)星和地面站間的視見性是有時間限制的，因此，在傳輸信道的不能使用時期，就必須將數(shù)據(jù)存儲起來。
根據(jù)傳輸信道的可使用性數(shù)據(jù)流可以通過或不可以通過大容量存儲器4。
圖2示意性地示出調(diào)節(jié)器的第一種實施方案。
將一個緩沖存儲器B1(英文為buffer)插在壓縮器C1和大容量存儲器M1之間，一個調(diào)節(jié)器R1可以檢測何時緩沖存儲器B1裝滿，并中斷采集。
為了遵循傳輸信道的流量不變的限制，將不重要的數(shù)據(jù)在存儲器B1是空的時候傳輸。
這樣，由于傳輸不重要的數(shù)據(jù)，傳輸信道的流量沒有得到優(yōu)化。因此，這種方案不能滿足要求。
第二種方案是法國2 707 070號專利所提示的，這專利的標題為“可變位速率壓縮圖象處理系統(tǒng)(Dispositif de traitement d’image àcompression àdébit variable)”，專利權(quán)人為國家空間研究中心(Center National d’
Spatiales(CNES))。圖3示出這個裝置。
和前面的方案一樣，在壓縮器C2和大容量存儲器M2之間插入一個緩沖存儲器B2。調(diào)節(jié)器R2知道緩沖存儲器B2的填充水平(niveau deimplissage)LB和包含在壓縮前的數(shù)據(jù)中的信息量的估計E，或者更準確地說，后者是將這些數(shù)據(jù)的復(fù)雜性按照圖象各行表示成有限差值的絕對值的和。根據(jù)這兩個參量和一個調(diào)節(jié)法則f，調(diào)節(jié)器R2從公式t＝f(E，LB)確定壓縮比t。
根據(jù)這個方案，當由估計器E所測得的信息量在某一個時期大時(填充水平LB也就大)，壓縮比t就增大，從而避免緩沖存儲器B2飽和。
這種方案有許多缺陷
·實際的由估計E所提供的壓縮比的予計質(zhì)量在圖象中并非是常量，且這個質(zhì)量的變化可以很大，由此還可導(dǎo)致質(zhì)量的調(diào)節(jié)也很大，這個量是用一個能夠經(jīng)驗地修正予計錯誤的裝置(在這個工藝方案中稱為傾斜校正(correction de biais)來補償。若不使用這種裝置，則緩沖存儲器就應(yīng)很大，這就使實施的復(fù)雜性和造價增加，特別是對于星載的系統(tǒng)。
·這種方案用予計直通網(wǎng)(réseau de droite de prédiction)的方式利用大量的參量(Par)，參量數(shù)量和輸入數(shù)據(jù)被編碼所用的比特數(shù)成正比。這些直通中的每個都是用一個方程的兩個參量來表征的。所有這些參量都是用經(jīng)驗的方法確定的，就是說，要根據(jù)量化的步長進行很大數(shù)量的流量和復(fù)雜性的測量，并在獲得的點云上面最終實現(xiàn)線性回歸。這種方法的實施是相當艱巨的，可能不準確，特別必須限制獲得的直通的數(shù)目，這些都限制了調(diào)節(jié)的可能的量化步長數(shù)。
·最后，按照實用的觀點，在輸入數(shù)據(jù)的流量大的情況下，上述的方法是難于實施的。實際上，在調(diào)節(jié)電路中所實施的計算，特別是關(guān)于量化步長的計算是不能用ASIC電路計算的，實施上面的計算需要使用微處理器。因為具有時鐘頻率的微處理器較ASIC電路的頻率限制更強，就更限制了這種調(diào)節(jié)的實施。
本發(fā)明的目的在于從技術(shù)上解決這些缺陷。
為此，本發(fā)明的第一個目的在于一個用來在傳輸信道中傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，特別是圖象數(shù)據(jù)的處理裝置，其中有
一個數(shù)據(jù)壓縮器，它是由一個去相關(guān)器、一個量化器和一個編碼器組成，
一個調(diào)節(jié)器向量化器提供至少一個量化參量。
這個裝置的特征在于述及的調(diào)節(jié)器將來自去相關(guān)器的去相關(guān)的數(shù)據(jù)用作輸入，并特征還在于有一個參考(cousigne)
這個裝置還可擁有一個存儲器，安裝在壓縮器的輸出處。
本發(fā)明還有一個目的在于一種用來在傳輸信道中傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，特別是圖象數(shù)據(jù)的處理方法，其中的步驟順序如下
將數(shù)據(jù)去相關(guān)，
根據(jù)一個參考和去相關(guān)數(shù)據(jù)計算量化參量，
根據(jù)這個量化參量將這些去相關(guān)數(shù)據(jù)量化。
在前面一個步驟中將量化后的數(shù)據(jù)編碼。
述及的方法還可以實施最后的一步將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。
根據(jù)本發(fā)明的一種特殊的實施方式，述及的量化參量還具有來自這個存儲裝置的測量信息。
還有，根據(jù)不同的專門的實施方法，述及的參考基準可以是流量基準，也可是質(zhì)量基準。
在后面與附圖有關(guān)的多種可能實施方式的描述中將進一步清楚地研究本發(fā)明的其它特征。
圖1示意性地示出傳統(tǒng)應(yīng)用在本發(fā)明的背景下的一個圖象壓縮裝置。
圖2和圖3示出現(xiàn)有技術(shù)狀況下的方案。
至于圖4，則示出根據(jù)本發(fā)明的裝置。
1)壓縮器(C)
根據(jù)本發(fā)明的裝置所使用的壓縮器C是通常稱為轉(zhuǎn)換編碼型的。傳統(tǒng)的將這種壓縮器分解成三個模塊一個去相關(guān)模塊(CD)、一個量化模塊(CQ)和一個編碼模塊(CC)。
可以將去相關(guān)模塊CD的作用看成是將數(shù)據(jù)格式化，為的是這些數(shù)據(jù)能由量化模塊CQ最為有效地進行處理，在按照JPEG(Jointphotographie Expert Group)建議的壓縮器的情況，數(shù)據(jù)去相關(guān)的進行是通過一個離散的余弦變換(或DCT，英語為Discret CosineTransform)。
亦可使用別的數(shù)學變換，特別是子波變換，會具有較好的性能。
量化模塊CQ的作用是壓縮要傳輸?shù)男畔ⅲ瑫r將去相關(guān)信號量化，在將描述信號的字母壓縮操作之后，編碼模塊CC將量化后的值編碼，賦予一個碼的長度是可變的，它是不同字母符號出現(xiàn)概率的函數(shù)。編碼方法的一個例子是稱為Huffman編碼，見于A·Huffman的題為“A method for the construction of minimun redundancy codes”，發(fā)表在1952年的“Proceedings of the institute of Electronics and RadioEngineers?！?br> 2)去相關(guān)數(shù)據(jù)ID
由去相關(guān)器(CD)發(fā)出的去相關(guān)數(shù)據(jù)(或系數(shù))ID都逐區(qū)處理。實際上，實施根據(jù)本發(fā)明的裝置的系統(tǒng)是一個觀測衛(wèi)星，輸入的數(shù)據(jù)構(gòu)成有幾千個象素的寬度的一個圖象，而理論上長度是無限的，因為傳感器在不停地采集數(shù)據(jù)，因此將來自傳感器的數(shù)據(jù)流分成區(qū)，并在每個這樣的區(qū)中進行調(diào)節(jié)。
將去相關(guān)數(shù)據(jù)ID分成區(qū)的分法是決定于去相關(guān)的方法，這樣，在去相關(guān)器CD是建立在子波變換的情況下，則分成的區(qū)最好為圖象帶。在去相關(guān)器實施的變換是余弦變換，則分成的區(qū)最好為閉塞線(Iignesde blocs)。
現(xiàn)在指出，在質(zhì)量調(diào)節(jié)的情況下，本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于可以存儲整個信息的那些小圖象的情況，在這種情況下，可以看作圖象是只具有一個區(qū)，后面的全部處理都是在這個區(qū)內(nèi)進行。
3)存儲器M
在述及的調(diào)節(jié)器R實施壓縮器C的行為的模型，受調(diào)系統(tǒng)輸出的流量有較微的變化。
在觀察系統(tǒng)是裝載到衛(wèi)星上的情況下，傳輸信道的流量不變，在具有積分功能的存儲器M中將這種輕微變化的流量變成不變的流量。
強調(diào)指出，在將本發(fā)明用于在信道上沒有這種限制的系統(tǒng)時，這樣的存儲器是可以任意選擇的。而且，根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)的質(zhì)量使得壓縮器C輸出的流量變化較現(xiàn)有技術(shù)的方案相比要小得多，例如根據(jù)計算所在的圖象區(qū)的性質(zhì)，根據(jù)本發(fā)明的方案與在法國2 707 070號專利所介紹的方案間兩種變化之比可以大于100。
還有，即使在這種存儲器M是必不可少的情況下，為使裝置輸出的變化為零，就可以使它更縮小，因為輸入的流量的變化很小，這個縮小可以是非常重要的，特別對于是裝載到衛(wèi)星上的系統(tǒng)。
還可根據(jù)所用模型預(yù)言的質(zhì)量，對于一個固定輸出的流量，初步用理論方法計算這種存儲器的最大容量。
4)流量的調(diào)節(jié)
根據(jù)本發(fā)明的裝置既可用于調(diào)節(jié)流量，亦可用于調(diào)節(jié)質(zhì)量。在第一種情況下，參考信息IC是參考流量，后面記作RC。
調(diào)節(jié)器R的目的是根據(jù)參考流量RC和來自去相關(guān)器CD的信息ID為量化器CD提供一個量化參量PQ?？梢詫τ诿總€系數(shù)區(qū)計算這個量化參量。
對于每個來自去相關(guān)器CD的系數(shù)區(qū)ID，調(diào)節(jié)器可以根據(jù)系數(shù)絕對值按幅度下降的順序進行排隊，例如，可將這些系數(shù)存在一個表ID[i]內(nèi)，并在其中進行排隊，i從1變到區(qū)的基數(shù)，區(qū)的基數(shù)是區(qū)所包含的系數(shù)個數(shù)。
還有另一種方法，其好處是縮短計算時間，因此就使本發(fā)明的應(yīng)用得以改善。這種方法是不需排隊，而去計算系數(shù)模量的直方圖，并用后面所講的算法計算和期望的流量相關(guān)的量化步長。這具有很大的好處，是不需要計算機，并可移植到ASIC中去。
4.1)開環(huán)流量調(diào)節(jié)
根據(jù)本發(fā)明的一種特別的使用，量化參量PQ是用下式確定的量化步長
PQ＝α·|ID(β·RC)|其中α和β是兩個參量，它們的取值范圍最好為α∈[1；2]和
|ID(β·RC)|是根據(jù)角標β·RC排隊的系數(shù)的模。
實際的實施例是將排隊的系數(shù)的模存儲在一個一維表中，表的元素和角標β·RC對應(yīng)。
正如前面已經(jīng)指出的，另外一種做法是建立系數(shù)
的模的直方圖H，且和流量RC相關(guān)的PQ是從
變得等于[RC·β]，即等于β·RC的積的整數(shù)部分，開始獲得的。
參量α和β的值決定于去相關(guān)器CD所實施的去相關(guān)方法，最好根據(jù)下表選擇這些值
然而需要指出，這些值僅僅是本發(fā)明的特殊實施條件下的數(shù)據(jù)，盡管是理想的。還要明白，可將本發(fā)明擴展到別類型的去相關(guān)方法中去。對于每種新的去相關(guān)方法，都要確定新的一對參量α·β，其最佳值可以通過實驗方法確定。
4.2)閉環(huán)流量調(diào)節(jié)
根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，調(diào)節(jié)器R還接收來自存儲器M的其它測量的信息IM。這種信息能夠根據(jù)存儲器M的填充率來修改述及的模。這樣，當存儲器太滿時，則可改變量化參量PQ，提高壓縮比；反之，當存儲器太空時，則可減小壓縮比。
更確切地說，這些信息IM可以測量存儲器M的填充率和標稱比率(例如50％)之間的差值。根據(jù)一種特殊的實施方式，量化參量PQ是用下式確定的量化步長
，其中α和β是兩個參量，取值范圍最好在下面的范圍α∈[1；2]及
，參量k的阻尼因數(shù)，Z是系數(shù)區(qū)的基數(shù)。和前面的方法相同，參量α和β的值決定于去相關(guān)器CD所實施的去相關(guān)方法，最好根據(jù)下表選擇
阻尼因數(shù)k也是用實驗的方法確定，傳統(tǒng)上，可將k取在區(qū)間[1，6]。
和在開路情況下的調(diào)節(jié)一樣，為考慮ASIC移植，計算PQ的一種更有效方法是構(gòu)建系數(shù)
的模的直方圖H，且與流量RC相關(guān)的PQ是自
變得等于[RC·β]時開始獲得的。
5)質(zhì)量調(diào)節(jié)
如前面所說，根據(jù)本發(fā)明的裝置變可用來進行質(zhì)量調(diào)節(jié)。在此情況下，參考信息IC就是參考質(zhì)量，后面記作QC，而調(diào)節(jié)器R的目的在于為每個系數(shù)區(qū)提供可以實現(xiàn)這個參考質(zhì)量的量化參量PQ。
根據(jù)一種特別的實施，量化步長PQ是用類似于流量調(diào)節(jié)中給出的式子來確定的一個量化步長PQ＝α·|ID(β·RO)|，其中α和β是兩個參量，最好在下面的范圍內(nèi)α∈[1；2]和
。在這個方程中，RO是為得到參考質(zhì)量QC所要達到的流量。
根據(jù)參考質(zhì)量QC，應(yīng)用下面等式得到流量R0的值，其中ξ決定于參考質(zhì)量的性質(zhì)。
例如，若參考質(zhì)量QC是信噪比的尖峰信號(或PSNR，英文為Peakto signal to Noise Ratio)，則ξ就用下式給出
若QC是信噪比(或SNR，英文為signal to Noise Ratio)，就可用下式求出ξ或
其中V是圖象或圖象的處理區(qū)的方差，而E是其能量，A是對輸入數(shù)據(jù)編碼所用的比特數(shù)，Z是圖象區(qū)或處理的圖象的基數(shù)，最后，x是一個參量，最好為
包括L行和C列，從而有Z＝L×C個點的圖象I的能量E可以由公式
來定義，其中I(i，j)表示坐標為i，j的點的值。
用同樣方法，可以用式確定圖象I的方差V，其中I是圖象的平均值。
參量α、β和x的值決定于去相關(guān)器CD所用的去相關(guān)方法。最好根據(jù)下表選取這些值
權(quán)利要求
1.一種用于在傳輸信道中傳輸數(shù)字圖象數(shù)據(jù)的處理裝置，其中有一數(shù)據(jù)的壓縮器(C)，它是由一個去相關(guān)器(CD)、一個量化器(CQ)、和一個編碼器(CC)組成，裝置中還有一個調(diào)節(jié)器(R)，向述及的量化器(CQ)提供至少一個量化參量(PQ)，這裝置的特征在于述及的調(diào)節(jié)裝置將來自述及的去相關(guān)器(CD)的去相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入，并還有一個參考基準(IC)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還具有一個存儲器(M)，它在述及的壓縮器(C)的輸出處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其特征在于述及的調(diào)節(jié)器(R)還將有來自述及的存儲器(M)的測量信息(IM)作為輸入。
4.根據(jù)前面的任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)都組織成區(qū)，還在于在這每個區(qū)內(nèi)，述及的調(diào)節(jié)器(R)事先根據(jù)去相關(guān)數(shù)據(jù)的絕對值下降的順序?qū)⑹黾暗娜ハ嚓P(guān)數(shù)據(jù)(ID)排隊。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于述及的參考基準(IC)是參考流量(RC)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5組合的裝置，其特征在于對于每個述及的區(qū)至少有一個述及的量化參量(PQ)是用式PQ＝α·|ID(β·RC)|確定的量化步長，參量α和β都是正的參量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項再結(jié)合權(quán)利要求5的裝置，其特征在于一個直方圖(H)是由述及的調(diào)節(jié)器(R)根據(jù)述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)構(gòu)成的，特征還在于至少一個述及的量化參量(PQ)是一個用式
確定的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、4和5相組合的裝置，其特征在于對于每個述及的區(qū)，至少一個述及的量化參量(PQ)是由式
確定的量化步長，α、β、k都是正參量，Z是在述及的區(qū)上的述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)的集合的基數(shù)，而述及的測量信息(IM)則是存儲器M的填充水平和一個標稱水平的差。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一項的裝置，其特征在于述及的去相關(guān)裝置進行一個離散余弦變換，特征還在于α大體上為2，而β值大體上為
10.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項的裝置，其特征在于述及的去相關(guān)器實施一個子波變換，特征在于α大體上為1且β大體上為
11.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的裝置，其特征在于述及的參考基準(IC)是一個參考質(zhì)量(QC)。
12.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的裝置，其特征在于對于每個述及的區(qū)，至少一個述及的量化參量(PQ)是用式PQ＝α·|ID(β·RO)|確定的量化步長，其中RO是為得到述及的參考質(zhì)量(QC)而要達到的流量，而α和β都是正參量。
13.一種將數(shù)字數(shù)據(jù)，特別是圖象數(shù)據(jù)在傳輸信道中傳輸?shù)奶幚矸椒?，其步驟順序如下
將述及的數(shù)據(jù)去相關(guān)，
根據(jù)一個參考基準和述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)計算一個量化參量，
根據(jù)述及的量化參量，將述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)量化。
在前面的那個步驟中對量化了的數(shù)據(jù)編碼。
14.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的方法，其中還有一個步驟，是將在編碼步驟中輸出的數(shù)據(jù)存儲在存儲器(M)中。
15.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于述及的量化參量(PQ)的計算還決定于來自存儲器(M)的測量信息(IM)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項的方法，其特征在于述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)都組成區(qū)，特征還在于在每個區(qū)中，述及的計算步驟中有一個預(yù)先步驟，是將述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)按照其絕對值的下降的順序進行排隊。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項的方法，其特征在于述及的基準(IC)是一個參考流量(RC)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16和17相結(jié)合的方法，其特征在于對于每個述及的區(qū)，述及的量化參量(PQ)是用式PQ＝α·|ID(β·RC)|確定的一個量化步長，其中α和β都是正參量。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項再和權(quán)利要求16相結(jié)合的方法，其特征在于是由述及的調(diào)節(jié)裝置(R)根據(jù)述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)來構(gòu)建一個直方圖(H)，特征還在于述及的量化參量(PQ)是用式
確定的一個量化步長。
20.根據(jù)權(quán)利要求15、16和17各項相結(jié)合的方法，其特征在于對于每個述及的區(qū)，述及的量化參量(PQ)是用式
所確定的一個量化步長，其中α、β、和k都是正參量，Z是述及的每個區(qū)的述及的去相關(guān)數(shù)據(jù)(ID)的集合的基數(shù)，且述及的測量信息(IM)是述及的存儲器(M)的填充水平和標稱水平間的差。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項的方法，其特征在于述及的去相關(guān)步驟中實施一個離散余弦變換，特征還在于α大體上為2，β大體上為
22.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項的方法，其特征在于在述及的去相關(guān)步驟中實施一個子波變換，特征還在于α大體上等于1，而β大體上等于
23.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項的方法，其特征在于述及的基準(IC)是一個參考質(zhì)量(QC)。
24.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于對于每個述及的區(qū)，述及的量化參量(PQ)是用表達式 PQ＝α|ID(β·RO)|確定的量化步長，其中RO是為獲得述及的參考質(zhì)量(QC)而要達到的流量，α和β都是正參量。
全文摘要
一種用于在一個傳輸信道中傳輸數(shù)字數(shù)據(jù),特別是圖象數(shù)據(jù)的處理裝置,其中有:一個壓縮這些數(shù)據(jù)的壓縮器,是由一個去相關(guān)器、一個量化器和一個編碼器組成,一個調(diào)節(jié)器(R),將來自去相關(guān)器的數(shù)據(jù)作為輸入,且具有一個參考基準,并為量化器提供一個量化參量。
文檔編號H04N7/26GK1268004SQ0010407
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月18日
發(fā)明者弗雷德里克·發(fā)爾曾 申請人:阿爾卡塔爾公司