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CN1240090A - 数字图像信号处理器的数据高效量化表 - Google Patents

数字图像信号处理器的数据高效量化表 Download PDF

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Abstract

所接收的经MPEG编码和压缩的图像信号经解压缩后送至显示器。在将运动补偿所需的帧存入存储器(14)前，通过量化(20)DPCM预测误差值(18)对像素块重新进行压缩以降低对带宽和帧存储器的要求。固定长度的量化和解量化表(图2)具有N层(例如为15层)，每层具有一个对应的占优势的M比特(例如为4比特)的输出码元，除了所述N层中的至少一层(例如层7)由一个具有少于M比特(例如为3比特)的唯一短码元限定。可以将M比特中的一个比特保留为符号比特。每当使用一个短码元表示一个数据值时，就缩减和/或节约了带宽和存储器留作他用，例如将开销数据插入固定长度数据流。对于诸如图像数据之类的大数据序列，存储器和带宽的缩减就非常明显。

Description

数字图像信号处理器的数据高效量化表
本发明与压缩/解压缩网络有关。具体地说，本发明涉及修改压缩/解压缩表的特性以改善数据吞吐量和存储器效率。
码字的分辨率对于精确重构编码数据来说是十分重要的。固定长度量化查找表使压缩网络可以用最少的处理高效地对数据进行量化和解量化。利用较多比特表示输出码字的量化表具有比利用较少比特表示输出码字的量化表更高的分辨率。然而，较多的比特需要较多的存储器来存储量化后的数据，需要较大的带宽来传输这样的数据。量化表是有损耗的，对于某个量化层来说，量化表将一些值差不多的输入数据点压缩为一个输出值。在重构期间，同一个解量化值表示所有处于量化表相应层的分辨率内的数据点。数据的差异取决于用来压缩和解压缩数据的量化表的分辨率。已知的固定长度量化表呈现为层数由用来表示输出码字的比特的个数确定，在一个表内所有码字都用同样数目的比特表示。例如，一个3比特输出码字表具有8(23)层，而4比特表具有16(24)层。表(或者说每个层)的平均分辨率为表的范围除以表内的层数。
在量化表中，输出的量化数据用多比特字(码元)表示。可以理解，对于某些类型的数据，如果量化表为至少一个量化层的码元分配比每个码元的优势比特数少的比特，就能显著地降低对带宽和存储器的要求。按照本发明的原理，压缩和解压缩表具有N层，分别与具有优势的M比特的各码元对应，但至少有一层接收已知经常出现的值的压缩为具有少于M比特的码元。
在本说明的附图中：
图1示出了一个现有技术的4比特量化表；
图2示出了一个按本发明原理构成的4比特量化表；
图3示出了可以采用本发明的一种压缩/解压缩网络的方框图；以及
图4示出了设计符合本发明原理的量化表的一种可能方法的流程图。
在一个示例性的实施例中，15个量化表层的每一层分别与一个相应的4比特输出码元对应，但与经常出现的输入数据对应的层7使用一个3比特码元。每当使用一个短码元时，就可节约带宽和存储器，留作他用。对于诸如图像数据那样的庞大的数据序列来说，这样的节约带宽和存储器就颇为可观。本发明还与解量化表有关。
上述这种量化表是一种混合双长度表。根据用来表示码字的比特数，可以选择多个表层以将带宽减小到满足要求。除了双长度表，混合表也可以是一个N长度表，N为具有短码字的层的数目。此外，短码字的比特数可以从2改变到大于2，如果必要的话。这要求有一个更为复杂的状态机来跟踪比特节约量。
通常，固定长度表产生固定和已知的比特率/带宽节约量，每个数据值压缩为同样数目的比特。可变长度表产生尽可能小的比特率和尽可能大的带宽节约量。对于量化表来说，无论是固定长度表还是可变长度表都会引起一定量的数据损耗和误差。在要求带宽减小量固定或已知的情况下，混合表使压缩系统可以在减小的带宽内保持较高的分辨率。这种情况的一个例子是将开销信息插入数据长度/速率/带宽限定或已知的数据流。
图1示出了一个在该技术领域所知的固定长度有耗量化表。这个表的范围是128(从-63至64)，将输入值(例如7比特值)缩减为4比特输出码元。每个码元表示量化数据值。量化表的参数包括量化层标号与对应的判决点、重构层和量化输出码字码元。判决点确定量化界限，将输入值标识为相应输出码元(0000，……，1110)。小于或等于一个判决点值而大于上一个判决点值的各输入值都归于同一层，在压缩期间表示为相应码元，而在解压缩后表示为相应重构层。例如，层标号0具有判决点-50，它包括从-50至-64的输入值，用码元0000表示，将重构为值-57。因为在这个例子中码元长度为4比特，所以这个表有16(24)层。然而，在表(图1和图2所示的)表示差分脉冲编码调制(DPCM)预测误差值时，表的层数通常为奇数(15)，以保持预测误差值的固有对称。DPCM处理将在稍后说明。
每个量化层的平均分辨率为8.5(即128的范围除以15层)，但任何一层实际分辨率由于各个压缩/解压缩网络的其他不同因素的影响可能大于或小于这个平均分辨率。对于在表范围内的任何给定输入值，按照判决点分类，输入值小于或等于这个判决点而大于上个判决点。判决点的标号于是就标明了用来表示数据值的4比特码元。解量化时，这个4比特码元确定了一个导致得出重构值的标号。重构值等于或近似等于原来的输入数据值。
图2示出了一个实现本发明原理的表。这个表的范围是128(从-64至63)，将7比特的输入值缩减为14个4比特输出码元之一或一个3比特输出码元(层7)。该表具有15个可能的量化层，而不是典型的4比特表中最多有16个可能的层。可能的层数的减小(从最多为2n层)与图1和图2的表中所隐含的DPCM无关，而是因为其中一个码元(000)只有3比特。表内层数减少一层使得表的最高分辨率对于每层来说平均降低6.3％左右。在范围为128的情况下，16层的表具有每层为8.0的平均分辨率，而15层的表具有每层近似为8.5的平均分辨率(即128的范围除以15层)。一个3比特表就只有8个可能的层。用一个15层表代替一个8层的3比特表附加了7层，表示每层的分辨率平均提高了87.5％。如果将3比特码元(在本例中为000)置于15层表内，使得它经常受到访问，那么就可以显著地降低对带宽和存储器的要求，其优越性超过了在数据分辨率上的损失。因此，按照本发明在一个具有N层(例如15层)的量化表中，每一层具有一个对应的输出码元，极大多数是M比特(例如4比特)，然而至少有一层(例如层7)与经常出现的值对应的，相应的输出码元少于M比特(例如为3比特)。
一个解压缩网络在将数据检索出来进行解压缩时必需识别3比特和4比特码元。通过保留3比特码元的比特模式就有利于解决这个问题。例如，在图2中只有3比特码元具有比特模式“000”。所有码元的前三个比特保留成都不会出现“000”的比特模式，使得网络在解量化和重构8比特数据值时可以识别出3比特码元而不作4比特码元处理。对于码元的所有4比特模式，任何所选的3比特模式将出现两次。出现这个3比特码元将仅表示表中的一个量化层，因为网络在没有其他信息的情况下只能将3比特码元识别为一个层。在4比特表的情况下可以使用任何3比特模式，只有3比特码元可以具有这个保留的模式。
对于采用这种表的给定系统，如果设计者确定在4比特占优势的表中使用两个3比特码元比使用一个更为有效，那么可以将量化和解量化表设计成具有14或更少的层。在16个可能的码元内，任何位置上的任何2比特模式，例如为“00”将只出现四次。将不具有短码元比特模式12层指配成4比特输出码元。用2比特模式标识的两个3比特码元再用另一个比特来表示这两个3比特码元之间的差别，从而唯一地标识了两个不同的层。这与具有两个唯一的3比特模式、每个在16个可能的码元内出现两次是相同的。因此，对于这种安排，原本是16层的成为14层。
3比特码元配置成最佳化地量化期间经常出现的输入数据值对应。因此，必需事先对具体系统进行鉴定，统计地确定3比特码元的位置。如果需要的话，系统除了压缩/解压缩网络以外还可配备其他措施，以便进行精确的统计测量。例如，图2的表处理通常由预测网络得出的差分脉冲编码调制(DPCM)预测误差值。这种预测网络是众所周知的。在采用DPCM的压缩网络内，有一个预测网络利用前几个数据值预测下一个数据值。可以确定出实际值与预测值之差，这个差就是预测误差。预测误差的绝对值通常在数值上小于实际值或预测值，因此可以用较少的比特精确表示。
DPCM预测误差值通常对称地出现在零误差周围，统计地呈近似钟形曲线分布。各误差值出现的频率可以在设计这个表以前通过得出将输入系统的所有预测误差值的分布来度量。有了这个信息，就可将3比特码元置于使用可能性最大之处，从而大大降低对带宽和存储器的要求，同时保持了处理效率。可以将需用3比特码元表示的层的分辨率调整成可最佳地利用这些3比特码元。在图2中，3比特码元设置在这个系统预测误差最可能出现的零附近。这个特定的层(层7)的分辨率为6(从3至-2)，因为这个表层位置是对统计出现率最佳化的。同样，根据所涉及的压缩网络的类型，3比特码元的位置取决于量化和解量化表接收的数据值的统计出现率。这个统计最佳位置对于不同类型的系统可以有所不同，这并不影响短码字码元的实施效果。
可以将各码元设计成能利用诸如由预测误差值表示的DPCM输入数据之类的输入数据的对称性。图2的表是根据DPCM处理得出的，输入值将对称地出现在零的左右。因此，码元中的一个比特可以保留为符号比特。层0至6的各码元的最右边的那个比特(最低有效比特)为“0”，而层8至14的各码元的这个比特为“1”。这样，网络在重构时只需要对4比特码元中的三个比特解码，从而可以用一个比较简单的电路将正确的符号加到重构的数据值上。
图3例示了一个可以使用应用本发明的量化和解量化表的可能系统。压缩网络12接收输入网络(未示出)加到它的输入端上的输入数据。输入数据送至量化器20和合并器22。量化器20将必要的数据送至预测器18。预测器18产生需量化的值的预测值。合并器22接收预测值，从与预测值对应的原数入值中减去预测值。所得到的差为预测误差值，送至量化器20，用按本发明原理设计的量化表进行量化。经压缩的数据输出码元从量化器20送至帧存储器14。
在输出网络(未示出)需要数据时，解压缩网络16从帧存储器接收经压缩的数据。解量化器26利用按本发明原理设计的解量化表对经压缩的预测误差值进行解量化。预测误差值送至与预测器12类似的预测器24，产生预测值。预测值回送给解量化器26，与经解压缩的预测误差值相加，从而得到相应重构的原输入值或很接近这个值。重构的值就送至输出网络。
输入网络可以是一个可与MPEG兼容的电视接收机中的信号处理器，它接收按MPEG格式编码和压缩的伴音和图像信号。接收机对所接收的信号进行解码和解压缩后，将8比特图像像元(像素)构成的8×8块加到输入端10上。相应的输出网络可以是一个可与标准的或高分辨率的显示器兼容的显示处理器。显示处理器需要随机访问一个给定图像帧内的各像素块以得出运动补偿信息。帧存储器14存储这些图像帧，在需要时提供给显示处理器。
图4例示了设计供图3所示网络使用的量化和解量化表的方法。为了成功地设计一个表并不一定要完全遵循每一步骤的次序。例如，步骤46可以在步骤44前执行，而步骤48可以在任何时候执行。在步骤40，确定表的层数。这取决于每个码元的比特数、表所接收的数据类型、网络对数据的处理类型和其他所用系统的特定变量。在步骤42，对数据和系统进行统计分析，确定各输入数据值的出现频率，加以分类。在步骤44，为将接收经常出现的数据的表层指定短码元。在步骤46，为其他层指定标准长度码元。在步骤48，将各码元中的一个比特保留为符号比特，可以用较简单的为数据保存和加上正确符号的电路独立处理。最后，在步骤50，规定每层的分辨率。可以对这些层进行调整，使得某些层具有比其他一些层更高的分辨率。这也是根据数据和所用系统的统计分析确定的。
不应将上述量化网络与为熟悉本技术领域的人员所周知的Huffman编码混淆在一起。Huffman编码是一种无损统计熵编码，所用的码字既有短于也有长于平均输出码字长度的。此外，输入采用Huffman编码的的编码器的每个数据值都有一个在编码器输出端上产生的唯一码元。在一个具有固定比特率的压缩系统中采用Huffman编码是不可能的，因为Huffman编码是熵编码。Huffman编码并不为提供固定比特率提供必要的控制。
上述本发明的方法有利于降低对存储器和带宽的要求，即使是每一层的出现频率接近相等，因为这种方法和装置是用于有损系统的。按照本发明原理得出的码元表示了由与量化层相应的判决点确定的输入数据范围。解压缩后通常不是精确地复现原数据。此外，如果用Huffman编码代替上述方法，硬件将比较复杂，而码元长度将比平均/优势码元长度长，因为每个码字必需都具有一个唯一模式，以将各码字分开。也就是说，如果一个4比特码字为“0101”，那么具有更多比特的码字的开始四个比特不可以是“0101”，否则解码器就会错误地识别这个比特模式。在采用本发明的量化表中，只有短码元具有N比特的唯一比特模式。较长的比特模式可以在开始的N比特后重复。与Huffman编码相比，这只需要一个简单得多的网络。

Claims (18)

1.一种限定压缩/解压缩网络内的压缩/解压缩表的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)提供一个具有预定层数N的压缩/解压缩表，每个所述层分别
   与具有占优势的M比特的各自码元对应；
(b)对所述表的各输入值的统计出现率进行分析；以及
(c)规定一个具有少于M比特的唯一模式的码元，以产生一个短
   码元，所述短码元表示所述层中一个接收速率为所要求的输
   入数据的层。
2.权利要求1的方法，其中：
短码元的数目明显少于其他M比特码元的数目。
3.权利要求1的方法，所述方法还包括下列步骤：
(d)保留所述M比特码元的比特模式中的一个符号比特；以及
(e)规定所述表内每一层的分辨率，使得有些量化层具有比另一
   些量化层高的分辨率。
4.权利要求1的方法，其中：
所述短码元用在所述码元的起始比特序列中的一个预定比特模式表示。
5.权利要求1的方法，其中：
所述短码元比所述M比特码元少一个比特。
6.一种压缩/解压缩装置，所述装置包括：
一个接收数据和格式化所述数据的输入网络(12)；
一个包括一个压缩表、将所述数据压缩成压缩数据的压缩网络(20)；以及
一个存储所述压缩数据的存储器；
其中，所述压缩表包括一些分别表示N个量化层的M比特码元，除了所述N层中的至少一层由一个具有少于M比特的唯一短码元限定，所述N个层中的所述这层接收速率为所要求的输入数据。
7.权利要求6的装置，所述装置还包括：
一个包括一个解压缩表、用来接收所述压缩数据和产生重构数据的解压缩网络(26)；以及
一个接收所述重构数据的输出网络，
其中，所述解压缩表包括一些M比特的码元和至少一个少于M比特的短码元。
8.权利要求6的装置，其中：
每个所述码元的比特的预定比特模式与一个量化层标号和重构层值对应。
9.权利要求6的装置，其中：
所述短码元由所述码元的起始比特序列中的一个唯一预定比特模式表示。
10.一种处理MPEG编码图像表示数据的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)对所述数据进行解压缩，产生解压缩数据；
(b)对所述解压缩数据进行重新压缩，产生重压缩数据；以及
(c)存储所述重压缩数据；
其中，所述重新压缩步骤利用一个具有N层的压缩表，所述N层的每一层都具有一个对应的占优势的M比特的输出码元，除了所述N层中的至少一层由一个具有少于M比特的唯一短码元限定，所述N层中的所述这层接收速率为所要求的输入数据。
11.权利要求10的方法，其中：
短码元的数目明显少于其他M比特码元的数目。
12.权利要求10的方法，其中：
所述输入数据值表示差分值。
13.权利要求10的方法，其中：
所述输入数据值表示DPCM预测误差值。
14.权利要求10的方法，其中：
所述输入数据表示像素块。
15.权利要求10的方法，其中：
所述重新压缩步骤是一个量化步骤，而所述压缩表是一个固定长度量化表。
16.权利要求10的方法，其中：
所述短码元用在所述码元的起始比特序列中的一个预定比特模式表示。
17.权利要求10的方法，其中：
所述短码元比所述M比特码元少一个比特。
18.权利要求10的方法，所述方法还包括下列步骤：
(d)对所述重压缩数据进行解压缩，产生重构数据；以及
(e)将所述重构数据输出给一个输出网络，
其中，所述重构数据基本上以与所述重新压缩步骤相反的方式产生的。
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