CN1191719C - 图象处理系统中的存储器有效压缩装置和量化器 - Google Patents

Abstract

图象处理器(20)产生DPCM预测误差去被量化。如果预测误差值是正的，该值不被改变的传送到一量化器。如果预测误差值是负的，一偏差值被加到预测误差值中去产生在量化器工作极限以内的一个正数。有偏预测误差值是量化了的。由于量化器(28)接收到的所有数值都是正的并且在当前量化器的极限以内，量化器(28)使用的量化表格不需要包含用于负预测误差数值的量化数值。这就减小为预测误差数值的二分之一，双精度量化分辨率。

Description

图象处理系统中的存储器有效压缩装置和量化器

本发明涉及数字视频处理器。特别是本发明涉及到图象压缩方法和装置用于减少数字视频处理器的存储器要求。

有效的使用存储器在图象处理器的设计和操作中是重要的。例如，象电视系统这样的用户产品可能使用包括MPEG-2信号处理的图象处理器。MPEG(运动图象专家组)信号压缩标准(ISO/IEC 13181-2，1994年5月10日)是广泛地接受了图象处理标准，它特别吸引人的是用于卫星的，有线的和陆地上使用在其它形式图象处理中处理高分辨率电视(HDTV)的广播系统中。使用高分辨率显示器的产品可能需要96兆比特或更多的存储器在显示之前临时存储MPEG译码画面。MPEG处理器需要这些画面用于运动估计和补偿去重建精确的画面用于显示。

从MPEG重建图象的系统译码图象元素(象素或象元)使用典型的微分脉冲编码调制(DPCM)。对于DPCM，处理器生成一预测值，该预测值预测下一个象素值。求和网络把预测值从实际象素值中减去得到一个差值，用这个差值表示当前象素值以及去预测下一个象素值。像已知的预测值一样，这个差值通常是小于原来的象素值或者预测值，所以处理这个差值而不是处理原来的象素值降低系统的带宽需求。预测误差可能有一正的或负的数值。Ang等人著文“视频压缩获得大的增益”，刊登在1991年10月的“IEEE频谱”上，总的描述了使用DPCM处理的MPEG译码器和解码器。

存储器有效图象处理器使用较少的存储器通过解码(解压缩)在显示前的成块数据存储图象画面。在特定领域中，降低每象素的比特数目去存储图象画面否则影响图象的质量如果该象素不能被精确地重建它们原来的比特大小。人工因素可能出现，特别在图象的平滑区域。存储器减少的图象处理器应该精确地量化和解量化MPEG编码信号尽可能有效和经济。众所周知可以利用人类光学生理学处理光度和色度数据差异.最佳压缩定律对每种类型的数据说明在数据中的能量以及人类的眼睛能看见什么，被描述在Acampora等人的美国专利No.4,575,749中。Acampora的专利公开了幅度压缩可降低传输之前在电视信号中的噪声。

本发明认为合乎需要的提供有效数据减少系统使用的硬件和软件，这将节省存储器和减小处理器的物理尺寸大小，与此同时最小的人工因素被引进重建数据。

根据本发明的原理，图象处理器产生DPCM预测误差数值去被量化。在量化之前，处理器确定是否预测误差是正的或是负的。如果预测误差值是正的，该值被改变送到量化器。如果预测误差值是负的，一偏差值被加到预测误差数值上去产生一个在量化器范围之内的正数。有偏的和无偏的预测误差数值送到量化器。因为通过量化器接收的所有数值是正的并在量化器的极限之内，量化器使用的量化表格不需要包括用于负预测误差值的量化数值。这个降低了预测误差值两倍和双精度量化分辨率。

                   附图简述

图1是包括根据本发明的系统的象素块处理器方框图。

图2示出图1系统压缩部分的细节。

图3表示一个包数据格式适合用于根据本发明的系统。

图4示出图1系统解压缩部分的细节。

图5A示出图2中量化转换部分的细节。

图5B是真值表用于图5A选择块。

图6A示出了有关量化表格重建电平的预测误差值正负性质。

图6B是根据本发明的4比特量化/解量化表格。

图6C是根据本发明的5比特量化/解量化表格。

图7是量化/解量化表格的和使用根据本发明表格处理数据的设计流图。

图8是使用本发明的MPEG兼容电视系统的方框图。

在本发明的实施例中，电视接收机包括一MPEG译码器。数据压缩网络量化一译码和解压缩的MPEG信号在存储在帧存储器之前表示成8×8图象块，和当需要用于图象显示时重建图象块。显示装置显示从帧存储器得到的图象信息。

通过数据减少网络保持数据的完整性，网络扫描一象素块并确定图象象素数值的范围。网络在实际范围和预定范围的集合之间运行最佳拟合。使用所选择的预定范围，网络存取一量化表格包括从预定范围的正数域导出的量化电平。量化表格具有有效范围去量化上面描述的DPCM数值。对此例，上面描述的偏差值是所选择的预定范围。因为所选择的预定范围通常是少于最大可能象素值用于系统(256是8比特)，和因为量化表格(和对应的解量化表格)只包含正值，双精度量化分辨率。如果最小预测范围是适用于一给定的象素块有可能增加量化分辨率32倍。

在图1中，一译码器，例如一MPEG译码器(未示出)，把一块MPEG译码象素数据提供到压缩器12的输入端10。压缩器12包括一预测器18，量化器20，和组合器22。预测器18使用众所周知的原理和可能具有的类型，例如在A.Jain的书“数字图象处理基础”中描述的，Prentice-Hall公司出版，第484页(1989)。

量化器把一减小的象素块提供给存储器14。当一显示处理器(未示出)去访问在存储器中的一减小的数据块时显示一幅图象，解压缩器16重建原来的数据块。解压缩器16包括预测器24和量化器26去从存储器14重新得到减小的数据并去重建减小的数据块。量化器20和解量化器26是根据本发明的原理安排的，将被描述。预测器24和预测器18相类似。

压缩器12的输入10接收来自MPEG译码器的一象素块，将在有关图8的描述中讨论。该象素块是在空间域，例如，包含一8×8象素块。输入10把象素块数据送到组合器22的非可逆输入和量化器20。预测器18把象素预测数据送到组合器22的可逆输入和量化器20。组合器22组合它的来自可逆的和非可逆输入的信号并把差值提供给量化器20。量化器20把量化了的象素值输出到预测器18和把量化了的象素差值输出到存储器14用于存储。

图2比较详细地示出量化器20。相同的参考数目表示在图1和2的共用单元。特别是，量化器20包括预测误差处理器27，量化转换器28，编码控制器29，最小-最大-范围处理器(MMRP)30，第1象素处理器31，和多路转换器32。输入10把成块象素数据提供到MMRP30，它扫描该象素块和确定最小象素值，最大象素值和范围。MMRP把实际范围定义为最小范围从最大范围值减去加1(1)。MMRP30从预定范围的集合选择预测范围作为实际范围的函数，并对于实际范围交换所选择的预定范围用于在网络内使用的子序列。MMRP30压缩该最小，最大和预测范围块参数值和把它们传送到多路转换器32。

最小象素值和范围也是被传送到第1象素处理器31，和范围被传送到预测误差处理器27，下面将讨论。预测误差处理器27接收来自组合器22的预测误差数据和具有所选择预定范围负偏差值。量化处理器28接收来自预测误差处理器27的有偏和无偏预测误差值。这些值是被量化了的并被送到多路转换器32。量化处理器28也把量化了的预测误差值送到预测器18，预测器18用于去计算预测数据。多路转换器32把块参数和量化了的数据送到存储器14，在定时和控制下的情况将在后面讨论。块参数表示附加数据，它被存储在存储器14中的与量化象素块有关的参数域内。该参数域和量化数据一起形成一个包，它把所有信息合在一起需要通过解量化器36去访问合适的解量化表格并去重建象素块。编码控制器29检查块参数和压缩数据变换用于单个象素块，将被讨论。，

第1象素处理器31接收来自输入10的象素块，并认为是一预定的参考象素值。从MMRP30接收的成块最小象素值促使参考象素的压缩独立于其它成决象素。该压缩的参考象素用有效比特表示用于解量化器26以无损耗或接近无损耗的方式去重建它的原始数值。第1象素处理器31把压缩的参考象素值作为块参数送到多路转换器32，它把块参数，包括参考象素值，和量化了的数据送到存储器14。在象素解压缩期间解量化器26使用参考象素作为预测数值用于量化了的块参数。因为在解压缩期间预测网络使用的第1个值(参考象素值)是独立的，一给定的象素块可能被解压缩而没有来自其它象素块的信息。这个值也是精确的，它消除了来自重建数据中传播的预测误差。

使用象素块最小值压缩的参考象素作为预测用于导出的压缩数值。把最小值从参考值中减去并且差值被2除。该结果以小于1比特存储在存储器14中对于成块象素值范围的二进制表示是必要的。因为该范围定义了存储压缩参考象素值使用的比特数目，当使用成块象素值作为预测器用于在象素块中的其它值时，在任意两个成块象素值之间的差值，如参考和最小象素值，将落入范围的域中。范围的域是从零到范围值减1(1)。压缩了的参考值使用小于1比特去表示范围是必要的因为差值被2除，这就减少了用1比特的二进制表示所需要的比特数目。

量化器20和解量化器26分别存取量化和解量化表格它对每一快都是最佳的。量化和解量化表格包括基于象素块的一个近似范围的数值。该范围是在用于块的最大和最小象素值之间的差值。最小-最大-范围量化器30接收一输入数据块并扫描它去确定最小象素值和最大象素值。然后量化器20从最大的当中减去最小的再加1(最大-最小+1)去计算用于象素块的范围。

量化器20把计算的范围与预定范围的集合比较，至少其中的一个大于或等于所计算的范围，选择预定的范围，并访问从所选择的预定范围中导出的量化表格。通过最佳拟合分析所选择的预定范围指明预定范围是集合中的最小值它是大于或等于实际计算的范围。被制定的量化和解量化表格包括在所选择的预定范围域内的数值，因此包括整个实际范围的值。量化器20使用DPCM处理和产生差值，它们是预测误差。这些预测误差是在实际范围的域中如果供给预测器18的象素值来自相同的象素块作为象素对此预测器18当前正在产生一预测数值。压缩器12跟随和保持这个参数。实际范围常常是有效地少于256(8比特象素值的最大值)，并且从这个范围导出的表格电平比从256导出的电平产生较好的分辨率，因为所选择的预定范围通常是在数值上接近实际范围。因此，系统精确度和有效性通过制定的表格电平增加到范围。

为了重建输入的成块数据，解量化器26必须知道被使用的预定范围量化器20去存取当量化象素块时所使用的量化表格。范围和其它象素块的表示被存储在存储器中的带有量化象素块的参数域内。通过存储在存储器中的块参数表示与量化了的象素块一起，解压缩器16可能存取真的解量化表格和有效地和精确地重建象素块。例如，包括在参数域中的其他象素参数可能是最小象素块值或参考象素块值。图3表示参数域和压缩数据的一个可能的结构。参数域包括那些包含在图3中虚线方框之内的块参数。在这个实施例中，参数域被安排作为包含压缩数据有效负载的数据包头标示。

为了使帧存储器的简化最大而不使所显示的图象明显减小，用在参数域中的块参数表示的附加信息被存储在存储器14中。用于存储参数域的每一比特减少了存储器的可用性用于存储量化象素。因此，为存储两个块参数，它们叫做范围和最小值的，所需要的比特数目在多数情况下对每个参数被从8比特减到3比特。这个过程工作如下。

实际范围与预定范围的集合比较去确定最佳拟合。该预定范围变成为表示该范围使用的数值用于象素块然后被处理。预定范围大于实际范围以保证在象素块之内的所有象素值被表示。预定范围的集合包括7个值，它们是16，32，64，96，128，192和256。因为集合对量化器20和解量化器26两个都是可用的，预定范围可能在参数域中用一个标示值表示。因为只有7个预定范围要表示所以标示值只需要3比特二进制表示。

系统是以相似的方法处理最小象素值。对于7个预定范围中的5个，系统访问8个最小象素值的预定的集合唯一到所选择的预定范围。量化器20把实际最小象素值与预定的集合比较并选择最大的预定最小值，它是小于或等于实际最小值。然后预定最小值变成表示最小象素所使用的值用于被处理的象素块。集合对量化器20和解量化器26两者都是有效的，所以预定最小可能在参数域用一标示符号值表示。这个标示符号也需要3比特二进制表示，因为只有8个预定最小象素值要表示。

用于7个范围中的5个的8个预定最小象素值的集合是由下面方程式(1)定义的。该方程式提供一常数线性步骤用于每一个从零开始的范围最小。

Q_min(Rs，I)＝INT{i((256-Rs)/7)}；    0＜＝i＜＝7    (1)

在这个方程式中i是在附加参数域用3比特表示的标示符号值。INT{f(x)}是表明只有结果数值的整数部分被使用。方程式(1)中所提供的5个范围是32，64，96。128和192。在中括号内的表达式f(x)表示任意表达式，比如在方程式(1)中的1，在其上进行函数INT运算。对于预定范围16，使用原来的8比特最小值。对于预定范围256，没有存储最小值因为对256来说一个8比特字最小值是零。

下面的方程式(2)是从集合中选择预定最小象素值用实际最小象素块值代替该集合。MAXi{f(x)}表明满足在中括号内条件的i的最大值被用于生成Qmin。

Q_min＝MAX_i{Q_min(Rs，i)| Q_min(Rs，i)＜＝X_min；0＜＝i＜＝7}    (2)

当重建量化象素块时方程式(2)可以选择一预定范围，它不足以对覆盖实际象素块值，因为预定最小数值是少于实际最小数值的。例如，如果在一给定的象素块中最小象素数值是100和最大象素数值是140，那么所选择的预定范围是64。从方程式(1)得到所选择的预定最小象素数值是82。把所选择的最小值加到所选择范围中的结果是146，它是大于实际最大象素值的。因此，所有象素块的数值将用所选择的预定值表示。然而，如果最大象素块值是160，所选择的预定数值将保持相同但不完全表示象素块的范围。在这种情况下，选择96为下一个较高的预定范围和一新选择的预定最小值是91。91与预定范围96之和是187，这个值大于实际最小象素块值160。因此，从这个范围内所选择的量化和解量化表格将提供电平用于在该象素块中的所有象素。量化器28执行上面描述的分析以确定是否预定范围和最小象素值的第一选择是有效的。如果不是，量化器28选择下一个较大的预定范围并选择一新的最小象素值。

正如较早陈述的，如果预测网络从在相同块内的象素值中导出它的预测值，那么在实际象素值和预测象素值之间的差值(E)将在下面的界限内：

           -Range＜E＜Range，  这里     (3)

           Range＝X_max-X_min+1           (4)

在方程式(3)中，E是预测误差。在方程式(4)中，Xmax和Xmin分别是最大和最小块象素值。因此，块中象素数据的范围定义了量化和解量化表格将接收的数据，并且用于那些表格的界限必须提供特定的块。如果范围是小于字大小尺寸(对于一个8比特字是256)的最大值，那么量化和解量化表格的分辨率必须增加。

本发明原理使用的量化和解量化表格有只对象素块范围设计的双倍表格分辨率。分辨率是双精度的因为表格只需要复盖从零到正的范围值的数值而不是在负和正范围之间的数值。图6B和6C分别表示3比特和4比特表格，对于预定范围64。在量化前，预测误差处理器27(图2)确定来自组合器的预测误差是否是正的或负的。如果值是正的它不被改变地送到量化转换器28。如果值是负的，预测误差处理器27在数值被送到量化转换器28之前把范围加到负的预测误差值中。因为一负的预测误差值是在负范围数值域内，把正的范围值加上负的预测误差值就的得到一偏差误差值。这个偏差误差值是正的(大于零)和是小于正的范围值。量化转换器28接收有偏和无偏预测误差值和用一适合正的预定范围的域的量化表格量化它们。量化了的误差值被送到多路转换器32然后在系统控制器(未示出)的控制下存储在存储器14中。

因为使用本发明原理的量化表格只量化从零到范围-1的数值而不是从负的范围值到正的范围值，表格的分辨率是双倍的。例如，如果象素值的预定范围对于一给定的块是64，并且如果在表格中量化/解量化电平是14，不使用本发明原理的表格将有一在每层电平((64×2)/14)之间的平均步长9.2(舍入到接近十分之一)。对于相同的预定范围，通过将在14层电平(64/14)之间的步长减小为4.6(也舍入)，根据本发明原理设计的相同表格使得分辨率加倍。

与在一典型的4比特表格(24)中最大的16个可能的电平比较，图6B所示的表格有14个可能的量化电平。可能电平数目的减少是因为只包含3比特的两个符号(000和001)。3比特码字符号被放在14层表格中以至它们被经常地访问，在带宽方面产生有效减少和在数据分辨率方面减轻存储器需求负担。在有N层电平(例如14层)的量化中，有一关联的占优势的M比特(例如4比特)输出符号的每一电平，至少1层电平(例如电平1和13)是与频繁出现的输入数值有关的和与有少于M比特(例如3比特)的码字符号唯一对应的。

当数据重新获得用于解压缩时解压缩网络必须表明3比特和4比特符号。这是通过保留3比特符号的比特模式做到的。例如，图6B中只有3比特短符号有模式“000”和“001”。所有短符号的3比特被保留以至无论何时任何一个比特模式出现在预定比特位置上，网络识别该3比特符号并当解量化和重建8比特数据值时不处理4比特。对所有4比特模式任意选择3比特模式将会出现两次。这些事件中只有一件将表示在表格中的量化电平，因为网络只能识别1个电平用于没有其它信息3比特符号。任意3比特模式可以用在4比特表格的情况中，而且只有3比特符号可以有保留模式。

对于一个给定的系统使用在其中的表格，设计者决定比较有效的使用一个3比特符号而不是在一占优势的4比特表格中的2，然后量化和解量化表格可以用15或少一点的电平设计。

在量化期间只要使与频繁出现的输入数据值有关的符号的可能性达到最佳，一个或多个3比特符号被定位。因此，一个特定系统必须预先。

赋值只要统计地表明在什么地方放置短的3比特符号。为了用3比特符号表示的电平分辨率要调整到使3比特符号的使用最佳。在图6B中，3比特符号被放在大约零的位置上，在那里对这个系统，一旦偏差位于表格的外面，预测误差最有可能出现。也就是，具有小的绝对值的负输入预测误差值将被偏置并输入到量化表格中作为一个与表格的范围有关的大数。标示电平1是用于输入数值的电平在带有加入偏差的零预测误差的负边。在解量化和重建中，偏差值被适当的电平13重建数值替换。把两个短的符号(“000”和“001”)放在电平零的任何一边与在电平零处放置一个短符号相比，保持对称和减少了带宽与存储器需求。电平1和电平13每一个都有3(对电平1从4到1)的分辨率，由于表格电平的放置和电平分辨率对统计事件是最佳的。再者，依赖所包含的压缩网络的类型，3比特符号电平的放置依赖量化和解量化收到的数据数值的统计出现。统计上的最佳位置可能在系统差值的类型之间变化不影响短码字符号的实现。

图4是图1中解量化器的方框图。在系统微处理器的控制下，多路分解器34接收一个包含在标头中参数范围的数据包，和在包的有效负载中的量化数据。多路分解器34把最小象素值标示和预定范围标示送到最小-最大-范围译码器(MMRD)38。多路分解器34把压缩的第1象素值发送到第1象素译码器37，它也接收预定的重建范围和来自MMRD38的最小象素数值。第1象素译码器37使用这3个数值重建参考象素和把它发送到预测器24。在解量化中，多路分解器34把量化了的数值送到解量化转换器36，它解量化误差值并把它们送到加法器39。加法器39把预测数值加到解量化误差值中并把该结果送到预测误差处理器35，它把该结果与重建最大象素块值比较。在量化之前如果误差数值是有偏的，该结果将大于重建最大象素值。如果不是，该结果将是小于或等于重建最大象素值。如果预测误差处理器35决定误差值是有偏差的，预定范围值被从该结果中减去，因此要校正在过程的量化方面产生的偏差。象素误差处理器35和第1象素处理器37把在正确排序中包括参考象素的重建数据送到一输出网络(例如，一显示器处理器，未示出)。

对解量化器26可用的数值是量化了的和/或译码了的数值。重建的量化了的最小象素值必须是小于或等于实际最小象素值，和重建的量化了的最大象素值和重建的量化了的范围必须是大于或等于它们的实际数值。MMRP30保证这些需求会合一起处理，如前所述。

下面的方程式(5)到(12)表示一有偏误差值将是大于重建的量化最大块象素值，因此在重建期间允许有偏数据的适当识别和校正。方程式(6)到(11)被给定去帮助理解方程式(12)的推导。在该方程式中，Qmin是量化了的最小块象素值，和Qmax是量化了的最大块象素值。X是来自一给定象素块的任意象素值，和P是X的预测象素值。E是误差值，或在X和P之间的实际差值；E可以是一正的或负的数。Q(E)是E的量化了的数值，是E和量化噪声Nq相加的结果；Nq可以是一正的或负的数。Xr是X的重建象素值，Rq是最佳预定范围。考虑下面的关系。

         Q_max＝Q_min+Rq-1                  (5)

         E＝X-P                            (6)

         Q(E)＝E+N_q                       (7)

         Q_min＜＝X＜＝Q_min                (8)

对E的任意正数，存在下面的关系，

         X_r＝Q(E)+P＝E+N_q+P＝X-P+N_q+P  (9)

         X_r＝X+N_q                        (10)

方程式(9)表示解压缩器16的数值用于重建任意象素值。方程式(10)把方程式(9)简化到对压缩器12可用的数。对E的任意负数，下面的关系存在。

      X_r＝Q(E+R_q)+P＝E+R_q+N_q+P＝X-P+R_q+N_q+P    (11)

      X_r＝X+R_q+N_q                              (12)

方程式(11)表示解压缩器16的数值用于重建任意象素值。方程式(12)把方程式(11)简化到对压缩器12可用的数值。为了简化讨论，让在方程式(12)中的Nq等于零。因为X必须是大于或等于Qmin(方程式(8))，给定方程式(5)的关系它定义了Qmax，把预定范围加到任意象素值导致一数值大于Qmax至少1。

如果Nq不是零，本发明的实现必须考虑方程式(10)和方程式(12)的结果。如果Nq是正的，方程式(10)的结果可能是大于Qmax，并且预测误差处理器35可能错误地识别一有偏的预测误差。同样地，如果Nq是负的，方程式(12)的结果可能是小于Qmax，并且预测误差处理器35可能错误地识别一无偏的预测误差。

图5A表示由于量化噪声量化转换器怎么样保证它的输出将不被译错。量化器80提供3个输出值用于量化的每一个象素值。这3个数值是最好的重建电平用于量化表格的决定点(I)，是在适当电平(I+1，I-1)的任意一边的重建电平。当在量化表格中的第1或最末电平是最好的时侯，只有下一个较大的或较小的量化电平被提供最好的电平。然后组合器84计算重建象素值(方程式(10)或方程式(12))用于最好的重建值并把该结果通过组合器86与Qmax比较。如果预测误差是有偏的(S2是负的)和来自组合器86的结果是小于Qmax(S1是负的)，有可能在重建预测误差处理器35中将错误地确定解量化预测误差值不是有偏的。为了防止这个问题，与下一个用于预测误差的较大重建电平相对应的代码字被送到多路转换器32。如果该预测误差不是有偏的(S2是正的)并且来自组合器86的结果是大于Qmax(S1是正的)，有可能在重建预测误差处理器35中将错误地确定解量化预测误差值是有偏的。为了防止这个问题，与下一个用于预测误差的较小重建电平相对应的代码字被送到多路转换器32。图5B描述一真值表格表示量化器80的输出可用作为量化转换器28的输出，通过与信号±S1和±S2对应的单元82选择。

当确定是否量化预测误差是有偏差的时候，图6A帮助解释为什么选择下一个较大或较小重建电平校正当量化噪声使重建电平给出一个错误的结果时出现的问题。“I”表示表格的标示值。小于或等于决定点I但大于决定点I-1的任意预测误差值被量化然后重建数值R。如同所见到的分别在图6B和图6C中的3比特和4比特量化表格，输入到表格并在任意决定点I内的预测误差值可能都大于，等于，或小于预测误差重建电平值R。例如，在图6C中，标示电平7接受从36到28的输入值包括作为通过决定点数值36定义的和标示电平6的决定点数值27。在这个范围内任意输入数值被解量化到32的重建电平数值。如果输入数值是34，那么量化误差是-2；如果输入数值是32，那么量化误差是0；和如果输入数值是29，那么量化误差是3。如较早陈述的，这些误差被定义为量化噪声。负的量化噪声数值与在图6A中的-E对应。正的量化噪声数值与在图6A中的+E对应。如果预测误差重建电平是不等于实际预测误差，该差值是量化噪声它将是正的或负的。如果量化器转换器28确定在重建量化噪声上将引起是否该预测误差是有偏的一错误分析，选择在量化噪声极性另一边的电平校正这个问题。继续上面的例子，如果重建电平值32引起-E＝-2并可能引起错误的分析，I+1重建电平值被选择，它有等于++E的量化噪声数值，它保证偏差被正确识别和处理。由于量化噪声可能引起校正的偏差噪声是不正确的，选择量化噪声的数值具有一相反的标记将不影响Qmax和重建象素数值之间的关系。

由于Nq的绝对值通常是不大于1的，量化器80将正常地选择最佳量化电平。当量化器80选择下一个较大或较小的电平时，该选择将把误差加进重建象素中。然而，误差是最小的，通过选择最接近的电平它将校正在具有分辨率的表格中的问题，它是大于已知的DPCM量化表格的。通常，这个校正不引起在所显示图象质量方面的显著退化。

量化分辨率常常是以大于2的因数增加的，它从有偏的负预测误差中出现。预定范围的选择也导致增加量呼分辨率。例如，如果对于一给定的象素块所选择的预测范围是16，然后一个4比特16级电平的表格(来示出)将精确地量化预测误差数值。对于8比特象素值分辨率通过16的因数从接受用于256范围输入数值的一量化表格来的增加到接受用于16(256/16)范围输入数值的一量化表格中去。由于只需要在量化/解量化表格中的正的数值用于同样的正的范围数值，分辨率通过另一个2的因数增加到整个32的因数。这个过程可能被用来计算在用于量化和解量化表格中分辨率的增加，表格是从任意预定范围数值导出的。

图7是一个流程图，表示根据本发明原理的一量化表格的和处理具有量化表格数据的设计。在步骤100中，已知N层量化表格被设计它将接受正和负两个输入数值。对此例，输入数值是DPCM预测误差值，因此正和负输入值是关于零对称的。在步骤102中，表格的中点，在某种情况下为零，被确定。在步骤104中分配所有N层电平从中点到最大预测误差值。所得到的量化表格有双倍开始表格的分辨率。每一个量化电平的分辨率可能要根据输入数值的统计事件被调整。

在步骤106中，小于中点的输入数值要加上一偏差值。对于DPCM预测误差值该偏差值可能是一有关数据块的范围。在步骤108和110中有偏和无偏输入值被压缩具有高分辨率量化表格。当它被量化时步骤112输出所有压缩数据。步骤114解压缩该压缩了的数据具有产生解压缩输出值的高分辨率表格。步骤118把用于每个输出值的结果与一个阈值比较。这个值可能是用于有关数据块的最大输入数据值。如果该结果是大于阈值的，那么解压缩输出值包含偏差，该偏差值在步骤120中是被减的，并且重建值是输出到在步骤122中的一输出网络。如果在步骤118中结果不大于阈值，解压缩输出数值就不包括偏差，并且该结果是重建值，它是被输出到在步骤122中一输出网络。

再回到图1，存储器14存储量化了的数据象素块预测范围直到它们不再需要用于象素重建和显示。在数据存在于存储器14的时间期间，用一子序列显示器处理器经过解压缩器16在使用普通数据总线的微处理器控制下它们可能被访问和译码。压缩器12和解压缩器16存在于普通集成电路中并呈现相似的设计和结构以简化该集成电路。存储器14有利地存在于外部集成电路，因此所允许的存储器14的大小尺寸选择作为需要去适合一特定系统的信号处理需求。这个导致了生产费用的节省，例如，在减少费用的情况下用户电视接收机使用一降低分辨率的显示器需要少的帧存储器用于MPEG解码器。还有，通过其它系统成分节省的存储范围是特别有用的，它增加了总体系统能力。

图8举例说明在电视接收机中的部分实际数字信号处理系统，包括前面描述的根据本发明的装置。图8中的数字电视接收机系统被简化了以致不担负过多的细节描绘。例如，首先没有示出的是在第一个输出FIFO输入和输出与各种各样单元有关的缓存器，读/写控制，时钟生成网络，和控制信号用于连接外部存储器，它可能具有扩展数据输出类型(EDO)，同步类型(SDRAM)，随机存取存储器总线DRAM(RDRAM)，或任何其它类型的RAM。

图1和图8中的共用单元有相同的标示符。在信号处理器72中的单元与在SGS-Thomson微电子公司商用的STi 3500A MPEG-2/CCIR 600视频译码器集成电路中发现的单元相对应。

简言之，图8的系统包括连接到内部控制总线46的微处理器40，总线接口单元42和控制器44。在这个例子中，微处理器40把外部设置到包含MPEG译码器72的集成电路中。192比特宽的内部存储器总线是一用于数据来去压缩器12的导线管，相似于解压缩器16和50，和外部帧存储器14。单元12，16和50接收经过控制器44同启动控制信号一起来自微处理器40的压缩和解压缩因数控制信号。还包括的是本地存储器控制单元52，它接收‘请求’输入和提供‘知识’输出及存储器‘地址’输出，‘读启动’和‘写启动’输出。存储器控制单元52生成实时地址和控制信号用于控制存储器14。存储器控制单元52也提供输出时钟信号‘时钟输出’与来自本地时钟生成器(未示出)的输入时钟信号‘时钟输入’相对应。微处理器40把存储器14分开到比特缓存器14，视频帧存储部分和帧存储缓存器用于DPCM解码，显示处理和屏幕显示位图。

显示器处理器54包括垂直和水平重采样滤波器作为需要去把一解码图象格式转换成一预定的共用格式用于通过一个图象再生显示装置56显示。例如，系统可以接收和译码图象序列与像525线隔行扫描，1125线隔行扫描或720线逐行扫描的格式对应。一电视接收机将很可能使用一个共用显示格式用于所有接收机格式。

外部接口网络58传送在MPEG译码器和外部微处理器40之间的控制和结构信息，除了用于通过MPEG译码器处理的输入压缩视频数据之外。MPEG译码器系统类似一用于微处理40的协处理器。例如，微处理40发布一译码命令给MPEG译码器用于每帧图象解码。译码器确定有关标头信息，然后微处理器40读它。

带着这个信息，微处理器40发出用于构成译码器的数据，例如，对于帧图象类型，量化矩阵，等等，然后译码器发出适当的译码命令。用于上述SGS-Thomso STi 3500A集成电路器件的技术说明材料提供涉及到MPEG译码器操作的这种方式的附加信息。

微处理器40把模式控制数据，通过接收机生产者的程控传送到存储器控制器52用于控制多路转换器32(图20)和多路分解器36(图5)，并当需要的时候用于建立用于单元12，16，和50的压缩/解压缩因数。在各种各样的数字数据处理方案的环境中公开的系统可以使用所有规范和所有层次的MPEG说明书，例如可能与地面广播，有线的和卫星的传输系统有关。

图8也描述了部分数字视频信号处理器72，比如可以在电视接收机系统中找到用于处理输入高分辨率视频信号。信号处理器72可以包括在一集成电路中，它包括供给接收和处理标准分辨率的视频信号经过一模拟通道(未示出)。信号处理器72包括一由块60，62，64，66，68，和70组成的常规MPEG译码器，例如包括帧存储器14。Ang等人“视频压缩获得大增益”，“IEEE频谱”，1991年10月，描述了MPEG编码器和译码器的操作。

信号处理器72接收来自前面输入处理器(未示出)的MPEG编码数据的控制数据流，例如，一输送译码器，在输入信号解调后它把数据包分开。在这个例子中，所接收到的输入数据流表示高分辨率图象尺寸(1920×1088象素)，如在Grand Alliance说明书中详细说明的用于美国高分辨率地面电视广播系统。输入数据流是以有效负载数据流的形式表示一序列图象，它已经使用MPEG压缩标准压缩。这些图象周期性地被压缩和编码作为帧内和帧间信息。帧内信息包括I-帧连接帧。一般，帧间信息包括表示在调整图象画面之间的图象差的预测运动编码残余信息。帧间运动编码包括表示正在处理的当前块和一在重建图象前的块之间偏移的生成运动矢量。运动矢量表示在当前块和以前的块之间的最佳匹配，它被编码和传输。还有，在每一运动补偿8×8块和前面重建块之间的差值(剩余)是离散余玄变换(DCT)，在传输之前被量化和可变长度编码(VLC)。各种各样的出版物，包括上面提到的Ang等人的，较详细地描述了运动补偿编码过程。

在进行可变长度译码之前通过可变长度译码器(VLD)62，缓存器60接受输入压缩象素数据块。在主电平，主规范MPEG数据流情况下缓存器60展示1.75兆比特的存储能力。逆量化器64和逆离散余玄变换器(IDCT)66解压缩译码压缩数据从可变长度译码器(VLD)62。来自IDCT66的输出数据被连接到加法器68的一个输入端。

来自缓存器60的信号控制逆量化器64的量化步骤大小尺寸以保证平滑数据流。VLD62把译码运动矢量提供给运动补偿单元70，下面要讨论。VLD62也产生一个帧间/帧内模式选择控制信号作为已知的(为了简化未示出)。通过单元62，64和66执行的操作是反对应于设置在一发射机的译码器操作。

通过把来自带有单元70的输出提供的预测图象数据的单元66的剩余图象数据的求和，加法器68提供一基于视频帧存储器14内容的重建象素。当信号处理器72处理完象素块的整个帧时，帧存储器14存储该结果的重建图象。在帧间模式下从VLD获得的运动矢量提供来自单元70的预测块的位置。

由于在数据存储在存储器14之前使用了块压缩器12，包括加法器68，存储器14和运动补偿单元70在内的图象重建过程有效地展示了简化的存储器需求。帧存储器14的大小尺寸可以减少到百分之五十(50％)，例如，当使用50％的压缩因数的时侯。单元50执行单元12的逆功能，并且相似于上面描述的解压缩器16。解压缩器50重建图象块，所以运动补偿器70可以运行，像上面描述的。与本发明的原理一致构成压缩器12和解压缩器16和50。图1，2，4和和5A表示出单元12，16和50的细节。

Claims (18)

1.一种用于量化象素块数据的方法，所述象素块数据对于象素块极限数值的包围范围内的、并指示一个零预测误差的一个中间点具有正和负极性数值，所述方法包括下面的步骤：

(a)对于所说的中间点标明正极性的象素值；

(b)对于所说的中间点标明负极性的象素值；

(c)把预定量化级电平编码的公共集合分配给所述被标明的正和负极性的象素值，从而定义量化表，从而在量化表的N级电平之一上给单个像素值指定预定的量化；

(d)把偏差数值加到负极性象素值中去产生相对于中间点的正极性有偏差的输入数值；

(e)根据量化表量化该像素值；以及

(f)把所述量化的有偏和无偏数据输出到一输出网络。

2.权利要求1的方法，进一步包括：

把偏差数值加到量化数据数值中去产生检测数值；

把每个检测数值与阈值比较；

大于所述阈值的检测数值标明为有偏数据数值；和

从标示的有偏数据数值中减去所述偏差值以便获得译码数据。

3.权利要求1的方法，包括步骤：扫描一象素块以确定包括象素块极限值的最大和最小数值。

4.权利要求1的方法，其中所说的象素值是表示预测象素值和当前象素值之间差值的象素误差值。

5.权利要求4的方法，其中

所说的象素值是表示下面中的一个的象素误差值：

(a)预测象素值和当前象素值之间的亮度差值，和

(b)预测象素值和当前象素值之间的色度差值。

6.权利要求1的方法，包括步骤：

产生包括表示预测象素值和当前象素值之间差值的象素误差值的象素值。

7.权利要求1的方法，其中，所说的偏差值包括象素块极限值的包含范围。

8.权利要求2的方法，其中所说的阈值是最大象素块值。

9.权利要求1的方法，其中所说的象素块值表示DPCM值。

10.权利要求1的方法，其中，象素块数据具有涉及表示压缩像素数据的图像的正极性和负极性象素，所述方法包括步骤：

(a)译码表示压缩象素数据的图像，以便产生表示象素块中象素误差值的量化值；

(b)通过所述象素块中前面已译码的相邻象素值来确定所说的象素误差值的预测值；

(c)基于所述量化值和所述预测值的和，确定所述象素误差值的预量化极性，以便检测所述偏差值；和

(d)利用所述确定的极性译码所说的量化值。

11.权利要求10的方法，其中所说的预量化极性是通过比较该和数与预定最大象素块极限值来确定的。

12.权利要求10的方法，其中在译码所说的量化数值中，把预测象素值加到量化象素误差值上。

13.权利要求10的方法，其中所说的象素误差值表示下面其中之一，(a)在预测象素值和当前象素值之间的亮度差值，和(b)在预测象素值和当前象素值之间的色度差值。

14.权利要求10的方法，其中如果所述预量化极性被确定为负，则包括从所说的和数中减去所述偏差值的步骤。

15.权利要求10的方法，其中译码量化数值的步骤包括步骤：

产生预测象素值，和

把表示预测象素值和非预测象素值之间差值的误差量化值相加。

16.权利要求10的方法，其中

相对于在所包含的象素块极限值范围内的中间点，所说的象素误差值有下面之一，

(a)一正极性值，和

(b)一负极性值。

17.一个用于处理表示象素数据的图像的装置，包括：

第一处理器(18)，用于处理所述表示象素数据的图象，以便产生DPCM预测误差值；

第二处理器(27)，用于把偏差值加到负预测误差值中，以便产生正的有偏预测误差值；和

量化器(28)，用于量化所述正的有偏预测误差值和无偏预测误差值以便产生量化数据，其中所述量化器以N级量化量化数据。

18.根据权利要求17的用于处理表示象素数据的图像的装置，进一步包括：

解量化器，用于解量化所说的量化数值，以便重建所述正的有偏预测误差值和无偏预测误差值；。

第三处理器，用于识别所说的正的有偏预测误差值并把所述偏差值从所述正的有偏预测误差值中减去，从而根据门限值和量化值与预测值的和值的比较结果，产生所述负的预测误差值；和

第四处理器，用于处理所说的正的和负的预测误差值，从而产生表示象素数据的重建图象。