專利名稱：用于差分脈碼調(diào)制的子集平均中值預(yù)測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于差分脈碼調(diào)制(differential pulse code modulation,DPCM)的子集平均中值(subset averaged median,SAM)預(yù)測器，尤其涉及一種在使用差分脈碼調(diào)制編碼器的諸如圖像和聲音等的編碼信息的傳播中，消除(isolate)差錯和使差錯最小化的SAM預(yù)測器。


圖1是描述按照本發(fā)明的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)的方框圖。如圖所述，該DPCM系統(tǒng)包括具有量化器和線性或中值型(median-type)預(yù)測器的編碼器，和具有線性或中值型預(yù)測器的解碼器。
在圖1中，X(n)是原始輸入信號，E(n)是實(shí)際輸入信號。Er(n)表示從發(fā)送通道上收到的預(yù)測差錯信號，而Xr(n)表示基于Er(n)的恢復(fù)信號。
這種先前的線性預(yù)測器和中值型預(yù)測器分別如下操作。線性預(yù)測器LIN(X)=0.5X1+0.25(X2+X3)第一中值型預(yù)測器MED1(X)=med(X1,X2,X3,X4)第二中值型預(yù)測器MED2(X)=med(X1,X3,X4)有限脈沖響應(yīng)混合中值型預(yù)測器(Finite impulse response hybrid median-type predictor,FMH)FMH(X)=med(X1,X2,X4,l,r),其中，l=X1+X3-X2，而r=med(X1,X2,X3,X4)。
與差分脈碼調(diào)制(DPCM)有關(guān)的，用于預(yù)測的輸入值的映射(map)關(guān)系如下[方程2]{X1,X2,X3,X4}={X(m,n-1),X(m-1,n-1),X(m-1,n),X(m-1,n+1)}圖2也示出了映射輸入值的二維坐標(biāo)。大多數(shù)用于預(yù)測X(m,n)的預(yù)測器僅僅使用與X(m,n)有強(qiáng)相關(guān)性的數(shù)據(jù)，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)離X(m,n)越遠(yuǎn)，該數(shù)據(jù)與X(m,n)的相關(guān)性越小，因此該數(shù)據(jù)對信號的壓縮不起大的作用。
上述現(xiàn)有技術(shù)的DPCM系統(tǒng)采用線性預(yù)測器來對諸如圖像和聲音的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。近來，出現(xiàn)并使用了一種具有非線性特征的中值型預(yù)測器。
下面將描述采用線性預(yù)測器和中值型預(yù)測器12的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)。
使預(yù)測差錯方差最小的技術(shù)與壓縮信號后恢復(fù)壓縮信號時(shí)保證信號質(zhì)量的技術(shù)有關(guān)。應(yīng)用非線性中值型預(yù)測器的系統(tǒng)能防止恢復(fù)信號的傳播在接受器處有傳送差錯，從而可使傳送差錯能被消除。
在DPCM系統(tǒng)中，當(dāng)接收器所采用的預(yù)測器與恢復(fù)原始信號的發(fā)送器使用的預(yù)測器相同時(shí)，如果產(chǎn)生了傳送差錯，則E(n)值不等于Er(n)值，并且原始信號不能再被恢復(fù)。由于DPCM系統(tǒng)是一個(gè)遞歸系統(tǒng)，在E(n)不等于Er(n)的情況下，恢復(fù)后的差錯影響要被恢復(fù)的下一信號。如果恢復(fù)的差錯以這種方式影響要被恢復(fù)的下一信號，該差錯也將被傳送。這種現(xiàn)象就叫差錯傳播現(xiàn)象。
有些系統(tǒng)采用一種預(yù)測器，該預(yù)測器保持穩(wěn)定或周期地復(fù)位接收/發(fā)送信號，以便減弱由恢復(fù)信號處的傳送噪聲產(chǎn)生的傳送影響。
然而，適應(yīng)于線性預(yù)測器的DPCM系統(tǒng)并不能消除傳送線中的傳送差錯所產(chǎn)生的傳送噪聲，并簡單地企圖通過減小預(yù)測差錯方差來提高圖像或聲音質(zhì)量。
在線性濾波器情況下，理論上檢查和證實(shí)線性濾波器穩(wěn)定性的技術(shù)已經(jīng)得到證明。這樣一種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是濾波器的設(shè)計(jì)簡單。如果一個(gè)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)(pole)在一單位周期中，則該濾波器是穩(wěn)定的，但缺點(diǎn)是不能消除傳送噪聲。
需要使預(yù)測差錯方差最小化和使傳送噪聲產(chǎn)生的差錯傳送衰減的技術(shù)。已經(jīng)提出了一些技術(shù)，其中，只傳送噪聲，直到某個(gè)段為止，在該段之后停止傳播噪聲。然而，這些技術(shù)也有缺點(diǎn)，即，在發(fā)送器和接收器之間沒有準(zhǔn)確的同步而使差錯傳播變得嚴(yán)重。
使用中值型預(yù)測器的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)是為了消除傳送噪聲，或使與輸入信號特征無關(guān)的預(yù)測差錯方差最小化。然而，這種方法并不能完全消除傳送噪聲，因此，非消除傳送噪聲賦予傳播差錯直到接收器處變成恢復(fù)信號或干原始信號的恢復(fù)。
此外，輸入信號特征一般并不保持相同，該中值型預(yù)測器缺少穩(wěn)定性，即，該預(yù)測器的特性可根據(jù)輸入信號而改變。
結(jié)果，由于在傳送線中產(chǎn)生的傳送錯誤，包含現(xiàn)有技術(shù)的線性預(yù)測器的DPCM系統(tǒng)并不能消除傳送噪聲。能夠消除傳送噪聲的含有現(xiàn)有技術(shù)的中值型預(yù)測器的DPCM系統(tǒng)，并不能設(shè)計(jì)成根據(jù)輸入信號特征使預(yù)測差錯方差最小化。而且，當(dāng)傳送噪聲沒有被消除時(shí)，該差錯可在接收器處之傳播給恢復(fù)信號且干擾原始信號的恢復(fù)。
本發(fā)明是為了解決前面所述的問題而設(shè)計(jì)的。本發(fā)明的一個(gè)目的提供一種用于差分脈碼調(diào)制的子集平均中值(SAM)預(yù)測器，該差分脈碼調(diào)制能夠根據(jù)輸入信號特征使預(yù)測差錯方差最小化并同時(shí)消除傳送噪聲，同時(shí)該SAM預(yù)測器能能夠帶來這種情況，即，當(dāng)傳送噪聲沒有被消除時(shí)使差錯傳播得以衰減。
通過參照以下詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明白。
圖l是描述根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的差分脈碼調(diào)制(DPCM)的方框圖。
圖2是二維映射輸入的坐標(biāo)。
圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)的方框圖。
圖4是表示使用中值型預(yù)測器時(shí)的差錯傳播結(jié)果的實(shí)施例的圖。
本發(fā)明中，公開了一種用于差分脈碼調(diào)制的子集平均中值(SAM)預(yù)測器，該差分脈碼調(diào)制不僅根據(jù)輸入信號特征使預(yù)測差錯方差最小化，而且也消除了傳送噪聲。而且該SAM預(yù)測器在傳送噪聲音沒有被消除時(shí)在迅即的時(shí)間內(nèi)減弱差錯傳播。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)的方框圖。如圖所示，該系統(tǒng)包括帶具有根據(jù)本發(fā)明最新設(shè)計(jì)的SAM預(yù)測器的編碼器和具有相同結(jié)構(gòu)的SAM預(yù)測器的解碼器。
在圖3中，X(n)是位于預(yù)測器窗中位置的輸入矢量，而E(n)是DPCM系統(tǒng)所產(chǎn)生的預(yù)測差錯信號。Er(n)是從傳送通道接收的預(yù)測差錯信號，而Xr(n)。該SAM預(yù)測器的輸出如下[方程3]SAM(X)=Σi=1paiFi(X)]]>其中ai是系數(shù)，X是在預(yù)測器窗中的一輸入向量，F(xiàn)i()是一ith中值子濾波器(median subfilter)的特征方程，而P是中值子濾波器的數(shù)量。當(dāng)該SAM預(yù)測器的范圍是N時(shí)，輸入向量Xn的數(shù)量是N，其中1≤P≤2N-1。
當(dāng)p=2N-1時(shí)，該SAM預(yù)測器包括各種可能的中值子濾波器。該SAM預(yù)測器歸入全子集(full-subset)平均中值濾波器。當(dāng)N=4時(shí)，該全子集平均中值濾波器如下輸出[方程4]F-SAM(X)=Σi=18aiXi+a5median(X1,X2,X3)+a6median(X1,X2,X4)]]>+a7median(X1,X3,X4)+a8median(X2,X3,X4)按照該方程4操作的全子集平均中值濾波器包括現(xiàn)有技術(shù)的線性預(yù)測器
魯棒SAM濾波器(robust-SAM filter)是另外一種SAM預(yù)測器，它不包括一階子濾波器。當(dāng)N=4時(shí)，該魯棒SAM濾波器如下算出[方程5]R-SAM(X)=a1med(X1,X2,X3)+a2med(X1,X2,X4)+a3med(X1,X3,X4)+a4med(X2,X3,X4)前面所述的SAM預(yù)測器包括一個(gè)選擇濾波器。含有一階濾波器的預(yù)測器對于使預(yù)測差錯方差最小化是最有效果的，而不包括一階濾波器的預(yù)測器能夠消除傳送差錯噪聲。根據(jù)輸入信號，正解地應(yīng)用系數(shù)ai，有可能設(shè)計(jì)消除傳送差錯又能使預(yù)測差錯方差最小化的預(yù)測器。
在發(fā)生傳送差錯的情況下，當(dāng)忽略量化器時(shí)，消除差錯的條件通過方程6的一階來表示。假設(shè)該傳送差錯發(fā)生在n0位置，則預(yù)測差錯信號E(n0)值不同于Er(n0)值。從而恢復(fù)信號Xr(n0)不同于X(n0)。為了能在n0位置限定差錯而不使其傳播，下列方程6應(yīng)該被滿足[方程6]X(n0+k)=Xr(n0+k),k=1,…,N按照上述公式，當(dāng)條件滿足時(shí)，該差錯不再傳播而被消除。本發(fā)明中公開的預(yù)測器去除了一階中值濾波器(a median filter with a first order)以便能滿足這個(gè)條件，從而消除傳送差錯。
該SAM預(yù)測器能使系數(shù)最小化，ai低于均方差(MSE)標(biāo)準(zhǔn)。該預(yù)測器差錯方差J(a)如下計(jì)算[方程7]J(a)=E[(X(m,n)-Σi=1paiFi(X))2],]]>其中a=[a1,a2,…,ap]T,E[]是期望值操作符。從而用于最小化J(a)的系數(shù)a如下[方程8]aapt=φ,其中是滿足E[F(X)FT(x)]的p×p階相關(guān)矩陣，F(xiàn)(X)是[F1(X),F2(X),…,Fp(X)]T，及Fi()是ith中值子濾波器。可以用E[SF(X)]替代，并且是Pth階的互相關(guān)向量的一種形式，其中S是所需信號。
前面所提到的子集平均中值(SAM)濾波器的穩(wěn)定條件通過下列步驟給出。在圖3所示的系統(tǒng)中，由于在傳送過程中Xr(n)有一差錯，在預(yù)測器窗中恢復(fù)的Xr(n)通過下列方程9給出Xr(n)=Σi=1paiFi(Xr)+Er(n)]]>在n小于0時(shí)假定Er(n)=0，且Er(n)的最大值是Me，則可得到下列方程10[方程10]|Xr(n)|≤|Σi=1pai||Fi(x)|+Me]]>從上列方程可得到方程11[方程11]limn→∞|Xr(n)|≤Me1-Σi-1pai]]>方程11應(yīng)滿足條件Σi=1pai|<r]]>。使用魯棒SAM預(yù)測器的一階差分脈碼調(diào)制器在方程12條件下能穩(wěn)定。Σi=1p|ai|<1]]>結(jié)果，如果設(shè)計(jì)子集平均中值預(yù)測器在方程12的條件下使預(yù)測差錯方差最小化，可得到穩(wěn)定的預(yù)測器。如上所設(shè)計(jì)的預(yù)測器能去除傳送差錯。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)該設(shè)計(jì)足以滿足方程12的條件的魯棒SAM預(yù)測器。這樣，如上所述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能消除傳送差錯或最小化傳播影響和預(yù)測差錯方差，從而在兩個(gè)預(yù)測器間提供高質(zhì)量的信號。
也就是說，該預(yù)測差錯方差J(a)在Σi=1p|ai|<1,]]>r≤1時(shí)最優(yōu)的。特別地，如果在使用中值預(yù)測器中沒有消除噪聲，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬來發(fā)現(xiàn)不能恢復(fù)原始信號。然而本發(fā)明的SAM預(yù)測器能消除差錯也能恢復(fù)差錯傳播中的原始信號。
圖4顯示了在使用中值預(yù)測器時(shí)差錯傳播影響的實(shí)施例。圖4的A顯示了使用SAM預(yù)測器的DPCM信號，而圖4的B顯示了使用按照本發(fā)明的SAM預(yù)測器的DPCM的信號。
在圖4的A和B中，X(n)是輸入值的階梯前沿，而E(n)是脈沖狀差錯信號。Er(n)是由于減小了脈沖間隔而發(fā)生傳送差錯時(shí)收到的差錯信號，而Xr(n)是恢復(fù)信號。在本發(fā)明中公開的DPCM系統(tǒng)不僅能夠消除傳送差錯，也能復(fù)原差錯傳播時(shí)的原始信號。
盡管本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，其特別的實(shí)施例已通過圖中的例子和詳細(xì)描述表示出。然而，應(yīng)該知道的是，本發(fā)明并不限于公開的特定形式，相反，本發(fā)明可以在所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)作各種修改、等效和替換。
本發(fā)明通過把一種子集平均中值(SAM)預(yù)測器應(yīng)用于差分脈碼調(diào)制系統(tǒng)，提供了一種穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用以壓縮聲音或圖像。而且，通過引入SAM預(yù)測器的操作方程來消除差錯和使預(yù)測差錯方差最小化，實(shí)際應(yīng)用于系統(tǒng)的所有可能的方法都包括在本發(fā)明中。根據(jù)本發(fā)明的SAM預(yù)測器能消除差錯和在差錯傳播中恢復(fù)原始信號。
權(quán)利要求
1．在一種包括預(yù)測器的差分脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)中，用于差分脈碼調(diào)制的子集平均中值(SAM)預(yù)測器通過
來操作，其中X是預(yù)測器窗中涉及的輸入向量，P是中值子濾波器的數(shù)目，ai是可選擇的系數(shù)，而Fi()是ith中值子濾波器的特征方程。
2．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，其范圍是N，其中1≤P≤2N-1。
3．如權(quán)利要求2所述的子集平均中值預(yù)測器，在p=2N-1時(shí)包括各種可能的子濾波器。
4．如權(quán)利要求3所述的子集平均中值預(yù)測器，其中，包括各種可能的中值子濾波器的所述子集平均中值預(yù)測器的特征方程如下所示F-SAM(X)=Σi=18aiXi+a5median(X1,X2,X3)+a6median(X1,X2,X4)]]>+a7median(X1,X3,X4)+a8median(X2,X3,X4)
5．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，通過調(diào)整ai的值來消除傳送差錯，從而排除了第一階方程。
6．如權(quán)利要求5所述的子集平均中值預(yù)測器，其中排除所述的第一階方程的所述的子集平均中值預(yù)測器的特征方程如下R-SAM(X)=a1med(X1,X2,X3)+a2med(X1,X2,X4)+a3med(X1,X3,X4)+a4med(X2,X3,X4)
7．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，規(guī)定ai滿足E[F(X)FT(X)][a1,a2,…,ap]T=E[SF(X)]，以便使基于中值平方方差標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測差錯方差最小化，其中E[]是期望值操作符，F(xiàn)(x)即[F1(X),F2(X),…,FP(X)]T，而S是所需信號。
8．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，規(guī)定ai滿足Σi=1p|ai|<1]]>以穩(wěn)定所述范圍為N范圍的子集中值預(yù)測器。
9．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，規(guī)定aI要使期望差錯方差最小化，且同時(shí)滿足Σi=1p|ai|<r,]]>r≤1，以便使所述子集平平均中值預(yù)測器最優(yōu)。
10．如權(quán)利要求9所述的子集平均中值預(yù)測器，其中所述的預(yù)測差錯方差J(a)表示為E[(X(m,n)-Σi=1paiFi(X))2],]]>其中E()是期望值操作符，X(m,n)是m和n位置的輸入值向量，而Fi()是ith中值子濾波器的特征方程。
11．如權(quán)利要求1所述的子集平均中值預(yù)測器，規(guī)定ai使預(yù)測差錯方差最小化，以滿足Σi=1p|ai|<r,]]>r≤1，且排除了第一階以便最優(yōu)化。
12．如權(quán)利要求11所述的子集平均中值預(yù)測器，其中所述的預(yù)測差錯方差J(a)由E[(X(m,n)-Σi=1paiFi(X))2]]]>給出，其中E[]是期望值操作符，X(m,n)是m和n位置的輸入值向量，而Fi()是ith中值子濾波器的特征方程。
全文摘要
一種子集平均中值(SAM)預(yù)測器，在編碼諸如圖像和聲音的信息過程中合并于一差分脈碼調(diào)制編碼器，以消除差錯并使差錯傳播最小化。SAM預(yù)測器按照SAM(X)＝
文檔編號H04B14/06GK1238603SQ9910220
公開日1999年12月15日 申請日期1999年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月20日
發(fā)明者姜東熙 申請人:三星電子株式會社