TW401704B - Data efficient quantization table for a digital video signal processor - Google Patents

Description

^01704 A7 B7 五、發明説明（ 本發明之發明領域係有關於壓縮/解壓縮網路。尤其是 本發明與修改恩縮/解壓縮表的特徵以簡化數據通量及記 憶體效率有關。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印掣 τι: Γ 餐-- - · » (請先閱讀背面4Γ-注意事項再本頁) -訂 涑 對於準確架構編碼數據而言，編碼字元的解析度相當重 要。固疋長度的量化查對表容許壓縮網路有效地使用最小 處理方式量化及解量化數據。使用較多位元表示輸出編碼 字元的量化表格比只使用較少的位元表示輸出編碼字元的 表格具有更好的解析度。但是，較多的位元需要較多的記 隐體以在量化後儲存數據，且需要較大的頻寬以傳送該數 據對於给疋的量化準位而言，當經由量化表壓縮多個約 略A有相同値的輸入數據點成爲—輸出値時，量化表將會 產生耗損在重建期間，相同的解量化値表示在表中特定 準位的解析度内所有數據點的相同解量化値。數據差異端 視用於壓縮及解壓縮該數據的量化表之解析度而定。已知 固定長度的量化表巾存在？個料表示輸出編碼字元之位 :數目所指定的準位，且由給定表中相同位元數目表示所 有的編3碼字m具有3位元輸出編碼字元的表有8個 準位（2 )，而4位元表有16個準位（24)。表的平均解析度， 且各位凡的—般性由表的欄數除表中準位數目。 ，量二表中’由多個位元字元或符號表示輸出量化數據 。在又中認爲對於某些類型的數據而言，對於至少一旦化 準位使用符號小友鱼元數的量化表可使得5 ，需要的記憶5^-很多據本發明的原理，除了應用 少於Μ位兀的符號在已知的一般速ϋ脑， ‘、^ ------------------ 早下，壓縮至少一接收値 本紙張尺度適财闕家鮮（CNS ) A4“（ 21QX29·^^--_____ 401704 A7 B7 五、發明説明（2 的準位外，壓縮及解壓縮表具有與主M位元之對應位元有關 的N準位。 圖式之簡單説明 圖1示習知技術中的4位元量化表。 •圖2示本發明中的4位元量化表。 圖3示可使用本發明之壓縮/解壓縮網路的方塊圖。 圖4的流程圖定義依據本發明之原理設計一表的一種可能 之方法。 在一代表性的實施例中，15個量化表中的各表均與4位元 輸出編碼字元符號相關，只有第7準位與發生輸入數據的頻 率有關。在此例子中，使用一3位元符號β每次使用的短符 號時，對於其他的使用者保留頻寬及記憶體。對於大的數 據序列，如在視訊數據中的數據序列，可相當地減少記憶 體及頻寬。本發明也與一解量化表有關。 上述型式的量化表爲一混合雙長度表。依據用於表示编 碼字元之位元數目，選擇多個表的準位以產生所使用的頻 寬減少量。不使用雙長度表，混合表爲一Ν長度表，Ν爲具 有短編碼字元之準位數目。而且，如果需要的話，在短符 號中的位元數目可爲二或超過二。此工作需要要有一種更 複雜的狀態機器以追蹤所節省的位元數。 一般，存在固定長度表以產生一固定且已知的位元速率 /頻寬節省，而量化各數據値使具有相同的位元數目。存 在改變長度表以產生最大位元速率，且產生達到的最小頻 寬節省。例如量化表而言，固定長度及改變長度表均產生 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） II _ 裝—— --- 請先聞讀背面之注意事項^寫本頁 *γβ 泉 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 五 401704 A7 B7 發明説明（ 經濟部中央標準局負工消費合作社印掣 某谷許量化系統以在減少的頻寬内維持較高的解析度 。此狀態之一例予爲將超過的資料插入定義或已知數據大 小/速率/頻寬的數據串中β 圖1顯示在習知技術中固定長度耗損量化表。此表有128 個欄位（-6 4至6 3包含在内）及減少的輸入値，例如7位元値 ，至4位元輸出表。各符號表示解量化的數據値。量化表參 數包含量化準位索引，其有關於決定表，重建準位及量化 的輸出編碼字元符號。決定點設定量化邊界，且辨識相關 輸入符號（0000.··· 1110)的輸入値。輸入表等於決定點値 ，但是大於進入該準位中的前一決定之數値，且在壓縮期 間由相關的符號所表示，當解壓縮時可由重建準位表示。 例如，準位索引〇的決定點爲_5〇，其包含從-5〇至_64之間 的輸入値，且由符號〇〇〇〇加以表示，且可由一値_57加以重 建。因爲在此例子中符號長度爲4位元，因此對於該表具有 16個（24)可能的準位。但是，當該表（圖1及圖2)表示不同 脈波编碼調變（DPCM)預測誤差時，一般該表具有奇數個準 位（15)以維持在預測誤差上的對稱性。此將於下文中加 説明DPCM的處理。 各量化準位的平均解析度爲85(如128攔除15個準位） 但是任何—準位可依據其他一個人壓縮/解壓縮網路唯—1 其他因素而比該平均解析度高或低。對於在該表欄内任何 给定輸入値而言，對應決定點分類輸入値，其中輸入値小 於或等於決定點，但是大於前一決定點。然後決定點的 引辨識用於表示數據値的4位元符號。當解壓縮時，4位 以 的 索 元 請 先 閲-' 讀 背 面 之·· 注 意 事- 項 再 裝 訂 泉 本紙張尺度適财關家翻M CNS ) 210X297 公釐） 五 ^01704 、發明説明（4 ) 符號辨識導致重建値的帝引。舌士伙 數據値。 U引。重建寺於或約等於原始輸入 圖2設計配置本發明原理之—値。該值具有128個搁 -64至63包含在内），且減少7位元輸人値成爲位元料 =符號或-3位元輸出符號（準位7)。在—代表性的彳位元^ I’與最大的!6個可能準位相比較，該表具有“個可能的 化準位。與圖1及2〈表中包含的DpcM處理無關位 ::號（_)之-只包含3個位元，所以可能準位的數目減 你矣+ i 内 數目減1可對於各準位 從表中的最大解析度平均減少約6.3。/。。對於128欄而言， -16個準位表具有每—位準之平均解析度爲8 q，以及 個準位表具有每-位準之大約平均解析度狀5(例如128搁 除15準位）。-3位凡的表將只有8個可能的準位。使用1 位表而非8準位表，3位元表中加入7個準位，且對於各準位 解析度平均增加87.5%。如果將3位元的符號（在此例子中 例如爲_)配置在15個準位表中，因此可經常存取。然後 頻寬及記憶體需求的減少變得相當有意義，此比數據解析 度中的耗損還要重要。然後，依據本發明，在具有N個準位 的量化表中（如15個準位），各準位包含主要爲M位元（如 位疋）的相_出符號，至少—準位（如準位7)與經常發生 數値及少於Μ位元（如3位元;)的對應符號有關。 &爲了解壓縮取出數據時，解壓縮網路必需辨識3位元及 4位元符號。此操作可經由反轉3位元符號的位元圖樣而加 以簡化。例如，在圖2中，只有3位元符號有圖樣"〇〇〇"。所 有符號的前3位元被保留下來，使得只要,,〇〇〇"位元圖樣在 項 訂

A 4 的 本紙張尺度適用中國國家g^CNS) Α4^：2ι〇χ297&幻 401704

這些位元中出現時，網路辨識3位元符號，且當解量化及重 建8位元數據値時該網路不處理第4位元。對於所有的符號 义4位元圖樣而言，任何選擇的3位元圖樣將會發現兩次， 此係因爲網路只能辨識3位元符號的一準位，而不需要其他 資訊。在4位元表中可使用任何3位元圖樣，且只有3位元符 號具有保留圖樣。 對於該表所使用的系統由設計者決定，更有效的方法是 在一主要的4位元表中使用兩個3位元符號，而非一個3位元 符號，然後可應用丨4或更少的或設計量化及解量化表。在 任何位兀位置中任何兩位元圖樣，如，，〇 〇 „在〗6個可能的符 號中將只發生4次。將4位元輸出符號指定予沒有短符號位 元圖樣的12準位。使用雙位元圖樣辨識3位元符號使得一位 元可在3位元符號之間辨識，該3位元符號可唯一辨識兩不 同的準位。此與具有唯一 3位元圖樣者相同，在16個可能的 付號内，各位元付號將出現兩次。因此，此配置中可使用 1 6個準位中的14個準位。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 疋位3位元符號因此可在量化期間可將與經常發生之輸入 數據値的符號改變達到最適化。因此，需要事先計算特定 的系統，而可在統計上經辨識將3位元符號配置在某處。如 果需要準確地進行統計量測的話，系統中的壓縮/解壓縮 網路數目可多於一個。例如，在圖2中的表處理基本上從一 預測網路中得到的差分脈波編碼調變（DpCM)預測誤差。在 使用DPCM的壓縮網路中，預測網路使用前一數據値以預測 下一解壓縮値。決定實際値及預測値之間的差，此差値即 本纸張尺度關t S ®家標準（CNS )八4驗（210X297^7 «01704 A7 B7 五、發明説明（6 ) 爲預測5吳差。預測S吳差的絕對値—般在數値上少於實際或 預測値，且因此可準確地應用較少的位元數加以表示。 一般在0誤差附近對稱地產生DPCM預測誤差値，且統計 上較常在接近0誤差約一铃形曲線附近發生。在經由得到所 有預測誤差値的分佈設計該表之前，可量測產生誤差値的 頻率，其中該預測誤差値將輸入該系統。應用此資訊，將3 位元的付號置於最有可能使用的地方，因此可使得頻寬及 s己憶體需求達到最小，而維持處理效率。由3位元符號表示 之準位的解析度可加以調整，而使得3位元符號可得到最好 的使用。於圖2中’該3位元符號被置於大約〇處（zer〇)，其 爲此系統最可能發生預測誤差之處。因爲以統計上之發生 最佳化該表格位準之位置，特殊位準（位準7 )具有解析度爲 6 ’自3至-2。而且，依據所包含之量化網路的型式，3位元 符號的定位依據量化及解量化接收的數據値發生的統計狀 態決定。此統計上的定位可介於系統的不同型式之間，而 不會受到短编碼字元符號配置的影響。 可設計該符號，使其具有輸入數據對稱的優點，如由預. 測誤差値表示之D P C Μ輸入數據。圖2中的表係依據D P C Μ 處理加以製作，其中對稱〇値產生輸入値。因此，可保留單 位元符號作爲符號位元》在準位〇至6中的最右（最大有效位 元）爲，而在準位8至14的位元符號爲"1"。然後當重建 時’網路需要解碼4位元符號中的3個位元，且一較不複雜 的電路可將正確的信號指定予重建的數據値。 圖3示一達到建立的系統，其中使用本發明的量化及解量 化表。量化網路12接收輸入數據作爲來自輸入網路（圖中沒 有顯示）的輸入10。輸入數據送至量化器20及結合器22中。 需要的輸入値通過量化器2 0至預測器1 8中，此預測器對於 __ - 9 - 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) a4規格（210Χ297公釐） •1—I. ： 裝— (請先閲讀背面之注意事項寫本頁) 訂 -冬 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 401704 A7 _______B7__ 五、發明説明（7 ) 將量化的値產生一預測値。結合器22接收預測値，且從原 始與預測値相關的輸入値中將此値減掉。由量化器2〇接收 爲預測誤差値的差，而該量化器使用本發明設計的量化表 量化預測誤差値。來自量化器2〇的壓縮數據輸出符號送至 記憶體1 4。 當輸出網路（圖中沒有顯示）中不需要數據時，解壓縮網路 16接收來自畫面·|己憶體14的壓縮數據，且解量化器使用％ 依據本發明的原理設計的解量化表，解量化壓縮的預測誤 差値。預測誤差値送至預測器24中，此預測器24與預測器 1 2位置，且產生一預測値。預測値送回解量化器2 6，且加 入解壓縮預測誤差値，導致對應的重建原始輸入値，或一 近似値。重建値再送至輸出網路。 輸入網路可爲一 MPEG相容電視接收機的信號處理器，其 接收以MPEG格式編碼及解碼的聲訊及視訊信 収解壓縮所接收的信號，並提供—8X8方塊的 圖像元素（像素）予輸入10。對應的輸出網路可爲_與標準 或高解析度顯示器相容的處理器。顯示處理器需要随機存 取一给定影像畫面内的像素方塊以得到移動補償資訊。書 面”己憶體14儲存影像畫面，直到設計處理器需要爲止 圖4示設計-量化及解量化表以使用在上述❹的網路中 的方法。在設計表格予沒有必要完全依據圖中的各個步驟 進行〇例如，步驟46可在步驟44之前執行，而步驟心可在 任何時間中進行。在步驟40中，必需決定表中的準位數目 。此視各符號之數目，表所接收的數據型式，將處 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公瘦） ΙΊ- ^ 1¾衣-- 一' (請先閱讀背面之注意事項再'^寫本頁) 、*τ 旅 經濟部中央標準局員工消费合作社印掣 A7 B7 五、發明説明（8 ) ' ~ 據之網路的型式，及對於使用系統之其他特定變數而定。 在步驟42中，應用統計方法分析數據及系統以在將發生輸 入數據値之處決定且歸類頻率。在步驟44中，將接收產生 數據的頻率之表格準位指定予短符號。在步驟46中指定正 常長度予其他的準位^在步驟48中，保留一位元符號作爲 符號位元’其符號位元可由較不複雜的電路分開處理以節 省處理量’且將正確的符號加入數據中。此候，在步驟5〇 中，足義各準位的解析度。可調整該準位使得某些準位具 有比其他需要更精細的準位解析度係感測數據及使用系统 的統計分析結果。 上述的量化網路不應與Huffman編碼混淆，此已爲熟習 本技術者所熟知。Huffman編碼爲一無耗損統計焓 (entropy)編碼’且编碼字元長度小於或大於平均輸出數據 長度。而且’各輸入使用Huffman编碼的编碼器之輸入使 用在編碼器之輸出處產生的唯一符號。因爲Huffman編碼 爲一給编碼，所以在一具有固定位元速率的壓縮系統中不 可能使用Huffman編碼。Huffman编碼不對固定位元速率 提供需要的控制。 本發明的方法可簡化記憶體且減少頻寬，甚至當各準位 發生的頻率約略相等時也一樣，此係因爲該方法及裝置使 用在一耗損系統中。本發明中所使用的符號表示由與量化 準位相關之決定點所決定之輸入數據的範圍。基本上在解 壓縮時並沒有完全複製原始數據。而且，使用Huffman編 碼而非上述説明的編碼將導致固定結構更複雜，且符號長 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公瘦） 7*"： ： 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再'^寫本頁，> -訂 401704 A7 ______B7 五、發明説明（9 ) 度比平均/主符號長度還要長，此係因爲編碼字元必需具有 唯一的圖樣以在不同的編碼字元之間加以分別。即如果4位 元碼爲"0 1 0 1 ”，具有較多位元的编碼字元在前4個位元中不 可以有"0101"，否則解碼器將誤解位元圖樣。在本發明的 量化表中，對於N位元而言，只有短符號具有唯—的位元圖 樣。在前N位元之後，較長的位元圖樣必需重複。此 Huffman編碼比較，網路的複雜度已大大地減少。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 專利申請案 文申請專利範圍修正本(89年3月） ------ 申請專利範圍 1 —種在一壓縮/解壓縮網路内定義一壓縮/解壓縮表的方 法’該方法包含下列步驟： (a) 提供一具有預定準位數目N的壓縮/解壓縮表各準位 與主要之Μ位元中的對應符號相關； (b) 分析至該表之輸入值的統計發生率；以及 (c) 定義一符號，此符號具有唯一長度小於M位元的圖 樣，因此可產生一短符號，該短符號表示在所需要速 率下接收輸入數據之準位中的一準位。 2如申請專利範圍第1項之方法，其中； 短符號的數目遠比其他M位元符號的數目還要少。 3如申請專利範圍第1項之方法，更包含： (d) 在該Μ位元符號（symb〇1)的位元圖樣中保留一記號 (s i g η)位元；以及 (e) 疋義該表内各準位的解析度，使得某些量化準位的解 析度比其他量化準位的解析度還要高。 4如申請專利範園第1項之方法，其中 在該符號的初始位元序列中由預定的位元圖樣表示該 短符號。 5如申請專利範圍第1項之方法，其中 該短符號比該Μ位元符號少一位元。 6 —種用於壓縮/解壓縮數據的裝置，該裝置包含： 一輸入網路，用於接收數據及將該數據格式化； 一壓縮網路，該網路包含一壓縮表，以壓縮該數據成 為壓縮數據；以及 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2了〇)<297公着）- — 一Τ---τ---ί-装------^訂—-----線 (請先閩讀背面之注意事項再填寫本ν=0 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印策 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 用於儲存該壓縮數據的記憶體；其中 除了由一比Μ位元還小的唯一短符號所定義的該N準位 中至少—準位外，該壓縮表包含表示Ν個量化準位的Μ位 元符號’該Ν準位中之一準位依據所需要的速率接收輸入 數據。 7如申請專利範圍第6項之裝置，更包含： %壓縮網路，此網路包含一解壓縮表，以接收該壓 縮數據且產生重建數據；以及 一輸出網路，用於接收該重建數據；其中 該解壓縮表包含Μ位元符號，及少於Μ位元的至少一短 符號。 8如申請專利範圍第6項之裝置，其中 各該符號的位元中一預定的位元圖樣與一量化準位索 引及重建準位值有關。 9如申請專利範圍第6項之裝置，其中 在該符號的初始位元序列中由唯一且預定的位元圖樣 表示該短符號。 10—種用於處理MPEG編碼影像表示數據的方法，此方法包 含下列步驟： (a) 解壓縮該數據以產生解壓縮數據； (b) 再壓縮該解壓縮數據以產生再壓縮數據；以及 (c) 儲存該再壓縮數據；其中 由一具有N準位的壓縮表簡化該再壓縮步驟，除了由具有 小於Μ位元的唯一短符號所定義的N準位中至少—準位 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） • · - ----J---;----ί I 裝------：訂 I,----線 {請先聞讀背面之注$項再填寫本頁〕 經濟部中央揉率局貝工消费合作社印製 經 中 央 棣 準 局 貝 工 消 費 合 杜 印 4〇17〇4 申請專利範圍 ::茨N個準位具有主要為M位元的相關輸出符 孩N準位中的一準位依據所需要的速率接收數據。， 11如申請專利範園第10项之方法，其中·· 短符號的數目極少於其他M位元符號的數目。 12如申請專利範圍第10項之方法，其中： 該輸入數據值表示差值。 13如申請專利範圓第1〇項之方法，其中： 遠輸入數據值表示D P C Μ預測誤差值。 14如申請專利範圍第10項之方法，其中： 该輸入數據表示像素方塊。 15如申請專利範圍第10項之方法，其中： 該再壓縮步驟為一量化步驟，且該壓縮表為一固定長 度的量化表。 16如申請專利範圍第丨〇項之方法，其中： 在該符號的初始位元序列中由預定的位元圖樣表示該 短符號。 17如申請專利範圍第10項之方法，其中： 該短符號比該Μ位元符號少一位元。 1S如申請專利範圍第1〇項之方法，更包含： (d) 解壓縮該再壓縮數據以產生重建數據；以及 (e) 輸出該重建數據予一輸出網路；其中 以實際上與再壓縮步驟相反的方式產生該重建數據。 而 裝 訂 你浪从適用中國國家標準（CNS )从胁（2獻297公4 ) 401704 、 量化輸出 準位索引決定點準位重建 編碼符號 0123456789 0 12 3 4 1Α 1Α 11 11 ix -50-39-29-20-13-7-238142130405163 -57-45-34-25-17-10-^0 53^^¾^ n 11【υ1Χ η^n-i 11【H'J 11 ^ ο 11 1 ^ o lx 11 .11 1 ^ ο IX^^oollll''o o V-H 1 1^^α^ο ο ο o l· 1 ϊ-Η 圖1習知技術 量化輸出 準位索引決定點—準位重建 編碼符號 ο ο ο ο ο ο ο 1111111 lwl^lslolol^lol IX 11 ο ^ 11 1 ο 11 11 ο ο 1 11 111100^^^001111 -57-45-34-25-17-104052Ρ25344557 -50-39-29-20-13-7-23 8142130405163 0 12 3 4 012345678911111