CN1058689A

CN1058689A - 使用前馈量化估计器的数据压缩

Info

Publication number: CN1058689A
Application number: CN91105204A
Authority: CN
Inventors: 悉尼·D·米勒; 彼得·斯米特; 查尔斯·H·科尔曼
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1992-02-12
Also published as: KR100218650B1; US5146324A; EP0469648A3; DE69131533T2; EP0469648A2; JPH04234282A; EP0469648B1; DE69131533D1; KR920003674A

Abstract

一种图象数据压缩技术，它利用数据前馈去估计一个或多个用于这些数据的量化参数。用通过被用于随后估计的试用值的各估计所找到的值，量化处理估计被重复多次。初始试用值通过一个数据前馈技术被选定，它保证其值是在所需的最终量比参数值的范围内。

Description

本发明涉及适用于通过一条通信信道进行传输，或在磁带记录机或其它记录介质上进行记录和重放的自适应编码和数字信号的实时压缩。更具体地说，本发明涉及一种用于估计一个可变量化参数的前馈技术，以便当记录时，使数据压缩的量能被存储在记录介质所分配的空间上。

总的说来，数据压缩的目的是要通过一条传输信道，利用尽可能少的信息转移量把数字信息从一个地方传送到另一个地方。换句话说，其目的是要消除对不必要信息的传输。视频图象，就其本性而言，含有大量的多余信息，因此它们是数据压缩的良好的选择物。一个图象的简明数字表示必须在时间和空间意义上存在着很多同样的多余信息。利用在发射机中从图象数据中删除多余信息部分，在一条通信信道或记录在存贮介质上传送数据的量就可以被大量地减少。然后，该图象在接收机中再现，如果是记录的，在记录机重放装置中靠重新引入多余信息再现。（这里所说的“图象数据”指用于显示图象的数据）。

笼统地说，有两种数据压缩：无损耗压缩和有损耗压缩。无损耗压缩正象其名称所意味的，允许原始数据在没有任何信息损耗的压缩之后被精确地再现。有损耗数据压缩是一种不可逆的处理，它把一些失真引入到了被压缩了的数据中，以致于原始数据不能被精确地再现。为了获得大的图象压缩因数，需要使用这里典型描述的有损耗压缩方法。只要再现图象中产生的失真量及失真类型不明显，有损耗压缩就可以成为一个可接受的。例如，在专业的视频工业中，信/噪比（S/N）典型值为57dB或更甚，其图象压缩绝不能从原始图象中鉴别出来，即，对于视频显示的观看者来说，值得注意的是，大于2或3dB的信号损伤是令人不愉快的。

与数字视频磁带录象机结合使用的图象压缩有几个独特要求，它包括在任何所使用的压缩方法中的附加约束。通常的约束是由磁带录象机使用的格式而引起的，以及由与其说是立即发送到不如说是稍后使用而存贮数据所引起的。例如，一种磁带录象机必须容许对所记录的信息进行编辑。实际上，这意味着被存贮的一场数据占据了磁带上整数的磁迹数，或在磁带预定位置或磁迹上占据视频数据规定的信息块，例如一个电视场。这就加强了一场数据或一个数据块长度恒定的约束。在任何压缩方案中，这种表面简单的约束是置于严格的设计需求之下的。因为多数统计图象具有不均匀的概率密度函数，对于具有变化信息内容的数字信号，明显的解决办法是允许编码数据速率逐帧或逐场地根据暂时的图象内容进行变化。但是由于编辑的需要，编码数据速率必须固定而非可变。

对于电视广播用的磁带录象机必须允许画面以比正常记录/重放走带速度高的速度（穿梭画面）被再现。以非常高的重放速度（一般称穿梭方式中的画面），各磁迹中仅有一小部分的数据被恢复。这就需要被压缩记录的数据存贮在小的完整的信息包中，从中可使画面的一个部分被恢复。对于一个录象机的编辑特性，也安置了压缩方法的附加约束。在编辑方式中，被记录的信息由新的信息所代替，它要求所代替信息的最小单元（在电视信号中这是一个单场）在被记录的数据格式中分配有一个固定的位置。这就允许用具有任何相等大小的视频信号单元代替任何一个视频信号单元。为了保持记录中的最大效率和把记录超出播出时间的间隙减至最小，最好使用一种记录格式，它相对于原始的未压缩信息有一个固定的短周期。利用给磁带上被恢复数据流提供一个规定和要求的结构，就简化了数据去格式化程序的设计。由于某种图形可以认为是一致的，如错误和无用，所以规定的结构“智能地”允许数据去格式。

至此，各种数字视频压缩的研究目前已经集中在对用作优选的自适应编码载色体的二维离散余弦变换上（DCT），这是由于它的能量压缩特性和以数字电路实现相对容易（见“离散余弦变换”，IEEE Transaction on Computers，Vol.C-23，pp.90-93，Jan.1974.）为了完成一个视频图象的变换，图象首先要分成象素块（例如16×16或8×8），然后余弦变换成一组变换系数，各系数表示一个基于二维余弦更换函数的梯状加权参数（即，一个系数）。在被余弦变换的范畴中，幅度系数被集中在许多上边频是零值的较低频率项。如果这些系数被近似地量化为整数值，然后霍夫曼（Huffman）编码，那么对于表示图象的所需要的比特数就能大大地减少。使这种方案有效工作的关键因素是量化处理。如果量化太细，由霍夫曼编码器产生的数据将超出信道（或录相机）的数据速率，而量化太粗又导致不可接受的失真/噪声。对所需数据速率确定一个适合的量化参数的一种技术是简单地监测一个输出缓冲存储器，并利用反馈电路调整量化电平以维持缓冲存储器中数据的均衡。这种方法在“Scene Adaptive Coder”由Chen等人同版在IEEE Transactions on Communications，Vol.Com.32，No.3（March 1984）一文中被描述。它同时也在美国专利4，302，775号中被描述。因此，利用缓冲充实的方法对记录的效率，精确的编辑的画面穿梭在小信息量上，不能给予它们自己精确地速率控制。过去使用的比特分配方法，如果有一个由要被减少数据定义的不同图象相对宽的范围，就不能产生所描述的图象质量。

在一些实例中，如上边直接所描述的，一个阈值电平被用于变换数据系数。也就是说，所有低于某一阈值的值都被认为是零。这种阈值也常常被认为是量化，作为术语在这里应用的“量化”或量化参数意指包括利用一个阈值电平值，一个换算因数或其它数字处理参数。

人们总是需要改变量化参数以使压缩视频图象上产生的明显失真增加最少，而仍然具有所需的输出数据速率。当数据速率变化时，可以变为最佳值的参数也变，它是图象信息内容的一个函数。由于信息内容的变化，对不同的数据源和程度很少的不同图象，通过不同的策略进行最佳量化。在很多电视应用中，重新处理的图象质量是重要的，所以失真问题特别尖锐。对这种应用的大多数，多重压缩的产生也是必要的，即多重压缩/扩张周期可以产生没有明显的图象退化。

本发明总的发明目的是要提供一个可实时操作和适用于在磁带录象机或其它记录介质上记录和重放的数据压缩电路方案。

本发明另一个发明目的是要提供一个用于估计一个可变量化参数，使用前馈技术自适应图象编码的装置和方法。

本发明进一步的一个发明目的是为标定编码压缩数据提供一个估计量化参数Q的反复处理，以便使原始输入数据能够被存贮在一个比其它未进行数据压缩处理在记录介质上（磁性的、光的或电的）更小的固定空间。

本发明涉及一种将一个数字输入信号的数据速率Din减小到小于一个输出数据信道数据速率Dout的数据压缩技术。这种数据压缩技术利用所变换数据的前馈去估计一个或多个用于对该数据编码的量化参数Q。最合乎需要的是，要被量化的非常相同的数据使用估计要用于它的量化参数值。估计处理最好是反复具有更新试用值Q_t的多个项目，它是通过各个估计得到的，并对随后的估计用作为新的试用值Q_t+1。初始试用值Q_i由数据前馈技术选择，它保证这个值是在所需的最终量化参数范围内。因此，估计处理覆盖了提供最终量化参数的范围，它保证当被量化的数据被编码时，输出数据速率与所需的输出速率紧密地匹配。

进行量化的数据的前馈，使得量化参数的计算接近最佳值。在下述的最佳实施例中，这个数据在串行通过为在一个信息信道中传输的编码器前被量化。在这个连接中，量化参数的估计值在实时中被确定，即基本上是在原始数据被产生的时刻。由于它以实时速度运动，所以通过一个以非实时速度运转的计算机它也能够被实现。

进一步，关于一个相应于一个视频图象的数据源，一个空间域（时基）信号，例如4，2，2亮度和色度以预定的数据信息块（如4×8象素）变换成为一个空间频域信号，即一组表示离散频率系数的一系列离散数值。

上述概念体现在方法和装置中。本发明包括着其它特征和优点，它们将通过下面进一步详细描述的最佳实施例变的明显。

为了更好的理解本发明以及其它目的和进一步的特性，参照下面结合附图的描述，其中：

图1是一个本发明的一个实施例的简化方框原理图。

图2是图1所述发明实施例的一个较详细的电原理方框图。

图3是图2中示出的比特计数器的一个较详细的电原理方框图，

图4是图2所述发明实施例的详细定时图。

本发明所描述的最佳实施例是特别为提供以这种方式进行数据压缩而设计的，即被编码的数据是在格式化的单元中，每个单元与作为典型的磁带格式化中为这个数字数据分配的空间具有相同的长度。在这种连接中，视频录象带上的格式被设计为允许一个图象小部分地恢复。本发明最佳实施例易于以这种格式进行数据记录，允许一场图象能够识别再现部分，因此可使画面以穿梭形式出现。换句话说，所要记录的比特数通过记录磁带上格式化的空间，与所需的数是相同的。

图1的用途是要简化本发明一个最佳实施例功能运行的整体理解，其整体参照参考标号11。图1这部分描述的各单元的具体细节在图2等中示出。

参照图1，输入数字视频信号1表示要压缩的图象数据，经过一条数据信道（或在一个录象设备中被记录并重放）传输，然后去压缩并作为数字信号2被输出。在这个具体实施例中，视频信号1和2是CCIR601标准格式，即亮度数据和色度数据的两部分。这个信号是一个空间（时间）域的信号，它将在压缩处理期间被转换成一个空间的频域信号。

信息块重排器10接收亮度数据和色度数据，并分配它进入预定的数据块（在4×8象素矩阵中），而且重新安排视频各场中的数据块。这种数据重排能够基于一维或二维而完成。它基本上是帮助更平均地分配典型的视频图象的信息内容，提高数据压缩处理的特性。如果在一个视频场内统计的数据有很大差别，这将是特别重要的。通过一个二维离散余弦变换（DCT）电路15，重新排布的视频数据接着被变换为一个空间频域信号。DCT以重排模式变换各数据块成为一个代表变换数据系数的等效数据块，也就是说，频率项的比例系数。所变换数据的系数在延迟单元20中延时被定义为8个数据集长的量，（各“数据集”是23个数据块）;8个数据集等于8条视频水平线的有效部分。在垂直消隐期后，在新的一场数据的开始，最初的数据块进入延迟单元20，并经前馈通路18旁路到比特计数器流水线25。靠把一个新的视频场的最初的几个数据块加到量化估计器9，使得为那一场中剩余的数据块建立一个初始试用量化参数Q_t。这样有助于确定量化参数Q_f的最终值。

比特计数器流水线25进行确定量化参数Q的反复处理。对于最初的数据集，估计器9反复地选择试用量化参数Q_t，确定由编码单元45可能产生的比特数，并把那个时间周期的计算比特数与期望比特数（3600）进行比较。无论有什么不同，对于Q_t的一个新的估计值都根据一个平分算法而被选出。在量化估计器9下一步完成同样的功能，仅仅是再一次使用一个更新的量化参数Q_t。这个处理继续进行（在最佳实施例中是4次），直到产生最终的量化参数Q_f。这里，开关17把延迟器20的输出连接到估计器9，它起动对各数据集的量化参数估计的反复处理;因此，代替了随意使用的Q值，初始试用量化参数Q_t被用作初始量化参数。使用这种初始试用量化参数的直接结果是用估计器9中反复步骤最少的数加速收敛处理。最终量化参数产生于通路37，编码器45用它量化有关的数据集。各被量化的数据集被编码并送到一个信道格式化器46，在那里被加上一个同步字、错误校正、一个初始检验和及各编码数据集的值Q_f的对数。

发送的数据被接收（或在一个录象机上重放），并加到一个去格式化器50，它把数据分离送入被压缩数据通路和量化参数Q_f通路。译码器55译出这些数据，并利用各数据集的Q_f值扩张被量化过的数据，使其返回到它们的“原始”电平。由于在译码器55输出端的信号表示的代表被变换数据的字数，因此反变换装置60恢复由DCT单元15进行的DCT处理。而且，去信息块重排器65把数据块以相同于在12a和12b原始出现的格式重新安排。

应该注意的是，在估计器中的级数取决于许多因素，例如，估计算法，源平均信息量的范围，以及所允许的失真度。在本发明一个特有的执行过程中，估计器9有4个级。如果没有确定初始试用量化参数指出哪一个去帮助确定量化参数量终值Q_f，那么估计器9可能需要几个较长的级去得到为最佳操作所需要的精确值。反之，如果输入的数据源没有垂直消隐期，初始前馈通路18及相关连的延迟单元20就可能不被使用，则在初始估计处理期间就没有数据损耗。无论如何，其基本处理仍是提供概率密度函数，其函数的特征是具有适度的高自相关函数的马尔可夫处理（Markov）。

参照图2，它更加详细地表述了图1中电路的编码部分，其中一小部分元件编有同样的标号。亮度图象块数据经上面提到的8比特总线12加到DCT电路15，更具体地说是加到了其中的DCT单元14。色度图象块数据经8比特总线13加到DCT电路15中一个类似的DCT单元16。DCT单元14，16由13.5MHz时钟锁定，其中DCT单元14完成亮度或Y分量的4×8象素块的一个二维离散余弦变换，而DCT单元16同步地完成相关联的色度分量R-Y，B-Y一对4×4象素块的一个二维离散余弦变换。当一个亮度数据块写入DCT单元14时，相应的R-Y，B-Y两个色度数据4×4块与相关联的4×8亮度块同步地写入DCT单元16。DCT单元14和16用一个汤普森（Thompson）集成电路模块TV3200来完成。典型的变换设备和操作在前面提及的“离散余弦变换”一文中作了描述。

可取的是，由DCT电路15施加的离散余弦变换系数，为了使它们能被记录在磁带上而被安排在数据流中。因此，经图1中信息块重排器10施加到DCT单元14，16的视频数据总是被光栅扫描一个视频场，相应地，这些数值是以全场光栅扫描时间次序。信息块重排器10按照图象中实际的块重新安排数据的时间次序，而且进一步靠以不同于图象块原始顺序次序选择信息块，扰乱这些数据。重新安排数据块是可取的，在这个次序中它包括了一个数据集，它们以分配长度的数据同步信息块被编码或记录在磁带或记录介质上。

为此目的，被变换的亮度数据和色度数据R-Y，B-Y两个分量经总线12a，12b就加到随机存取存储器（RAM）亮度和色度各自的转换栈中，这里描述为一个整体RAM19，接着，它被耦合到多路复用器21。RAM19有两个栈，以写入和读出更替，这就允许数据被写入一个存储器，而此后以在同样顺序中加上变换数据系数数据流的顺序有选择地从其它栈中读出，其中数据已经编码，它作为分配长度的数据同步信息块被记录在磁带上。RAM19的加载和读出，是利用在一对总线48上的系数写址（WR ADDR）和系数读址（RD ADDR）信号，复用器21是在经总线49的系数复用信号（COEFF MUX）的控制之下，这个信号指挥复用的亮度和色度系数进入编序的数据流。

变换数据系数经总线13被施加，如一个12比特字的串行总线，从DCT电路15至N级延迟器20的一个输入端，以及至扩展到一个电子开关17输入的前馈总线18。N级延迟器可以由一个串行移位寄存器或一个RAM组成。从DCT电路15来的数据流包括一个用于各块中各象素的变换系数。也就是说，在DCT单元14，16的数据流中有相同数量的系数，作为施加给该单元的亮度和色度数据块中的取样值。N级延迟器20提供一个等于一个完整的数据集通过流水线25延迟所需总延迟的延迟时间，其中一个数据集对应于有效图象一条水平线时钟周期的号数，也就是说，N级延迟器20的延迟，在确定一个最终量化参数值期间，对应于由比特计数器流水线25各级估计反复完成的数，下面还将进一步详细描述。在这里由例子所描述的执行过程中，借助实例，由四级完成估计处理的四次反复。

根据本发明，在各垂直消隐期间，具有用于前馈变换数据系数的装置，由此一个粗的、被用于该场的剩余部分的最终量化参数值Q_fc被估计。对于一个初始试用估计的初始确定可取的是，它以由这一场中选出的数据为基础，例如，在图1信息块重排器中以讨论过的方式重新安排数据。为此目的，在随既跟着的垂直消隐期，（例如如在N级延迟器20的输出端所见到的垂直消隐期间），一场变换数据系数的最初数据集被送入N级延迟器20，以便有选择地延迟，同时还经前馈总线18及开关装置17旁路绕过N级延迟器20。前馈技术可以得到要确定的量化参数，它可最佳地量化DCT电路15提供的变换的数据。经重排器10得出所给的重排数据，目前的前馈方案应用了一个加给量化参数估计器9的最初数据集的一个任意的“粗量化参数”，因此，反复的参数值在先通过的第一数据集中经过估计器9被细化。“粗试用量化参数”（Q_tc）在流水线25的各级中被计算，并且“粗的最终量化参数”（Q_fc）在首先通过的被前馈的第一数据集的末端被提供。前面所描述的“初始试用量化参数”Q_t与这个粗的最终量化参数Q_fc值相同，它不仅用作经过估计器9二次通过的第一数据集的初始量化值，还用于在整场有效视频图象间隔期间所有随后的数据集。由于前馈电路方案提供了通过四次反复被细化的量化参数，所以在有效视频图象间隔期间提供的数据集仅需要在各级使用的“试用量化参数”Q_t经估计器9中一次通过，而得到上述的最佳“最终量化参数”Q_f。

如上边所描述的，在第一数据集经量化参数估计器9前馈后，从N级延迟器20中读出同一第一数据集，并第二次经流水线25通过，以获得用于第一数据集的“最终量化参数”Q_f。有效视频图象间隔的所有数据集仅需一次经流水线25通过，以获得各最终的量化参数。如所述的，开关17可以由延迟系统垂直同步信号（Vsync）的上升沿使动。前馈通路18的操作和N级延迟器20在下面参照图2-4进一步描述。

在前馈通路18或延迟器20中的变换数据系数经12比特总线22加给由比特计数流水线25和参数计算器40构成的量化参数估计器。量化参数估计器得到提供压缩度的最终量化参数，当数据被加到霍夫曼编码器45时，它就提供适当数量的比特去填充在要记录于磁带上的各数据块中所分配的空间。也就是说，23块的数据集的每一个都有以用于各数据集的数据同步块空间的形式把它们分配在磁带上一个相同的空间。作为例子，各数据集分配3600比特或450字节作为记录在磁带上的一个数据块。这3600比特构成了记录在磁带上的数据块的信息部分，其它空间分配为同步字、内务操作等。

量化参数估计器9包括两条并行数据通路。一条通路是延迟线路径，在该路径上更换的数据系数经串行延迟线通过，而且最后在编码器45中被编码。另一条通路包括比特计数器24、30等，及参数计算器40，它们一起构成了用于产生和细化试用量化参数的装置，以提供最终量化参数，当离散余弦变换系数被压缩和编码时，该最终量化参数将提供用于在磁带上记录各数据块所分配的比特数。

为此目的，变换的数据系数从开关装置17经总线22，作为12比特取样加给第一“比特计数”延迟器23，以及经12比特总线26至第一比特记数器电路24。“计算”延迟器27与比特计数延迟器23连接。比特计数延迟器23提供一个与比特计数器24在一个数据集中计算比特所花时间相当的时延。计算延迟器27提供一个与参数计算器40完成计算所花时间相当的时延，该计算确定是否获得的试用量化参数提供了对于允许在磁带所分配的空间中记录随后编码数据的所需的压缩。例如，在延迟通路中的各比特计数和计算延迟器有一个有效视频图象的一条水平线延迟，加上几个时钟周期。延迟器23和27以及比特计数器电路24包括比特计数器流水线25的第一级。第二延迟级也包括一个比特计数延迟器28，一个计算延迟器29，和一个第二比特计数器30，该第二比特计数器经总线31耦合以接收来自第一级计算延迟器27的数据流。第二级被连接到在图2中虚线38框出的接着的第三和第四相同的级（以N级表示，但未示出），其中的四级在本发明的执行过程和描述中加以使用，但它仅作为例子。N级的输出经总线32加给编码器45。编码器45的输出加给一个记录格式化电路46，该电路经一个相关联的磁带录象机（未示出）提供适当的格式化的、压缩的和已编码的数据以记录在磁带上。此外，这个数据也可以加至适合的传输装置或其它类型的记录装置及介质上。

参数计算器40接收经总线33从第一级比特计数器24来的一个比特计数信号，以及经总线34从第二级比特计数器30来的一个比特计数信号。随后，参数计算器40把经下面要描述的时序计算得到的试用参数经总线35加到比特计数器24、经总线36加到比特计数器30上。参数计算器40还同样的被连接到随后的第三，第四等级上。经比特计数流水线25的多级，参数计算器40提供最终量化参数完成的所需最终细化，经总线37施加最终量化参数Q_f给编码器45。

一个定时信号发生器58分别在线路51和52提供具有系统水平和垂直同步的信号（Hsync，Vsync）的，以识别数据的水平与垂直，时间与空间的位置。其结果，发生器58提供各种定时信号和时钟，用于数据压缩装置各部分的使能和同步动作。因此，发生器58经总线48把系数WR ADDR和系数RD ADDR信号提供给RAM19，并且经总线49把COEFF MUX信号提供给多路复用器21。此外，发生器58经线路53、54分别把与定时信号H FLAG和V FLAG相关的Hsync和Vsync加至参数计算器40，以便将参数计算器40和经流水线25的数据的推移同步而读出比特计数并进行写操作。发生器58还分别在总线56和57上产生一个系数时钟（COEFF CLK）信号和在一个数据集中的最后系数（LAST COEFF）信号，它们是用于N级中的比特计数电路24，30等的，这些在图3中将进一步描述。

实际上，各自延迟级的比特计数延迟器和计算延迟器都是一个预定长度的组合延迟器，但是为了描述的清楚，在这里已经分别地概念化了。如上所述，比特计数延迟器经比特计数器24补偿由比特计数处理引起的延迟，并把计数加给参数计算器40。在完成确定比特数太大或太小以及为各估计处理级的连续的量化参数值的计算时计算由参数计算器40导致的延时器的延迟补偿。

图4描述了量化参数估计器9的定时图。图4A描述了在一场视频图象期间两个不同时间的变换系数的连续数据集波形;该图的左半部分描述的是有效视频图象间隔期间的波形，右半部分描述的是在垂直消隐期间的波形。由于数据集由在各级中的各比特计数和计算延迟延迟了1H，所以这些数据集被交替地标明相位A（φA）和相位B（φB）。在垂直消隐期的最后，H FLAG信号和V FLAG信号（分别在图4F和4G）经定时发生器58从Hsync和Vsync信号中产生。参数计算器40读出H Flag信号并在适当的比特计数器（图4D）中加载量化参数。流水线25的比特计数器对信息编码和计数的总的比特数进行伪编码，以便在量化之后的数据集（图4B）使用由参数计算器40提供的试用量化参数Q_t。然后，参数计算器40经各自的比特计数总线（图4C）读出施加的比特计数，并完成计算，以确定是否由编码器出现的比特数在压缩中使用的试用量化参数Q_t太大或太小。如果比特数不正确，计算器40就算出一个前边试用量化参数（图4E）的细化值，并经过各自的试用参数总线（图4D）加到下一个比特计数级。随后的比特计数和试用参数细化值经延迟通路和与参数计算器40合作的比特计数流水线25的N级比特计数器被接续。在比特计数器运行和参数计算器40正在确定试用量化参数的期间，经总线22施加的数据系数正在经延迟通路通过。在比特计数和计算处理的最后，连续的延迟数据集经总线32被加给编码器45，它们与经总线37上的参数计算器40进馈的其各自的最终量化参数同步。

此外，最终量化参数Q_f被加给记录格式化电路46，以log₂表示。格式化插入到加给记录器和传输装置格式化数据流中的各数据集中有关的同步块中。因此参数Q_f本身很有效地被存贮在记录介质中。

为了更全面地描述量化参数估计器9的操作，象前面所说的，开关17只是优先于第一数据集进入延迟器20被转换到前馈总线18，以提供延迟的旁路通路。值得注意的是，直到上述场所有图象数据经下游流水线通过之后，开关17才将延迟器20旁路。第一数据集直接加给流水线25的第一级，特别是加给比特计数器24。这时，参数计算器40经总线35将上述一个随意的粗量化参数加给比特计数器24。粗量化参数被保持存贮在计算器40的存储器中，并且为1/2 log₂32或2.5。比特计数器24计数使用粗量化参数产生的比特，并把这个计数值经总线33加至记算器40，以确定是否有太少或太多的比特。计算器40经总线36提供一个粗试用量化参数Q_tc给第二级的比特计数器30，同时它还经总线31接收数据系数。这些比特被重新计数，另一粗试用量化参数被计算，并随之经四级处理，直到用于前馈的第一数据集的粗的最终量化参数Q_fc被算出。开关17被转换到在其输出端包括相同的第一数据集的N级延迟器20。这样，第一数据集再次被加给比特计数流水线25，对应于在第一数据集第一通过的结尾提供的粗的最终量化参数Q_tc，初始的试用量化参数Q_t被加给比特计数器24，以及第二次通过四级的第一数据集。这样，经参数计算器40进行八次细化之后，就得到了最终量化参数。初始试用量化参数Q_t被存贮在计算器40中，并在随后用作整场视频图象有效视频间隔各数据集的第一参数。

在这描述的实施例中，参数计算器40可以是一个数字信号处理的微处理器，例如可以是由德克萨斯仪器公司（Texas Instruments，Inc.）制造的TMS32020类的微处理器。为了提供试用量化参数，计算器把换算因数的log₂提供给在比特计数器24和30中的换算和舍入处理，总之对应于在一个数据集中变换系数的伪量化。这样，量化参数估计器9执行了一个与变换数据系数数值的换算值的倒数的乘法，然后舍入该结果至最接近的整数值。然后根据经图1描述的电路的译码器部分恢复的信息，该数据值乘以2^Qf，其中Q_f是对应于最终量化参数Q_f的数，它先前由记录格式化电路46插入在各数据集中。

用于前馈估计的随意的粗量化参数的选择取决于用于提供试用参数计算所使用的算法。任何执行过程的最佳算法应是一种需要从最少的重复获得一组量化参数，这些参数可以在编码之后提供正确的比特数。在此描述的具体实施例中，这种算法是一个平分法，它只控制量化换算因子参数。这个算法不能使用错误的量，而仅仅使用符号和零测试。其结果是稳定的数值。对于一个单一的量化和压缩模式，一个线性的内插器就可以等同其工作。

在这个平分法中，量化等级是在对数概念上被平等地分开，即连续的量化换算因子等级是一个固定的比率。这样在计算中就使用了量化换算因子的对数值，例如由参数计算器40进行。这样用加法代替乘法、用除以二代替平方根就简化了这种算法在微处理器中的实现。反对数是简单的，其实现是在编程的存储器中查一个表，例如查比特计数器的查寻表81。此外平均的分开允许在整个量化值范围上的恒定的信噪比等级。

粗的量化参数被估计为中心值，也就是说，在换算因子值范围内的几何平均。一个给定重复的间隔长度是

(Q_max-Q_min)/(2^N)

其中，Qmax是最大换算因子值的对数值，

Qmin是最小换算因子值的对数值，以及

N是重复数，也就是级数。（它可假设为1、2……）

如果参数计算器40确定出在量化后由编码数据中产生的比特数的误差是正（比特太多），那么下一个估计就是先前的值加上目前的间隔大小。如果误差是负（比特太少），那么下一个估计就是先前的值减去目前的间隔大小。当然，如果没有误差，所确定的估计就是正确的量化参数。

下面表示的是在这里使用用于确定一个量化换算因子值的平分算法的应用。用于确定下一个量化试用值的基本公式是：

log Vct＝log Vpt+ (logSpi)/2 ·符号（比特错误）;

其中：Vct是目前的试用值，

Vpt是先前的试用值

Spi是先前的间隔大小，以及

这个对数的底可以是任何方便的值，例如2。一个合适的底可以把计算最大限度地计算精确。下面表示量化参数Q的值的范围，所示的是第一试用值;

Q_t的第一试用值= (log_z32)/2 =2.5=32的几何平均值。

初始间隔长度＝2.5

第二试用值＝先前试用值－ (log_z(先前间隔）)/2 ，

或＝（2.5- 2.5/2 ＝1.25）

在第二比特计算之后，Q的结果范围是比特太多 ( )/() （计数的比特-需要的比特）的符号如下所示是正。对于大Q值的平分被完成。

由于所有确定的一场的数据都经同样的数据流水线25通过，所以对于随后的数据后边也具有延迟通路，在垂直消隐期间并没有简单地运用的数据。换句话说，当相同场中连续的数据经流水线25仅通过一次时，前馈处理中使用的初始数据集的取样经流水线通过两次。因此，象所讨论的那样，它是在垂直消隐期怂恿的第一数据集第一次通过期间获得的值，被用于该整场的每个随后数据集的初始试用量化参数。然而，如果需要的话，前一场的数据集的估计参数可以用作随后一场数据集估计参数的初始试用值。

要记住，不是总能够产生一组导致精确的所需比特数的参数。对此，其原因之一是量化参数本身是被量化的。因此，为了避免产生比在磁带格式预定空间能存贮的更多的编码比特的问题，编码后的所需比特数在参数计算器40中稍微减去些，以便误差倾向于格式的比特太少的方向。这种倾向可以是-1%量级。

图3作为一个例子，更详细地示出比特计数器流水线25的比特计数的实现方式，其中相同的部分在图中编有相同的标号。比特计数器除了它们不产生霍夫曼编码字之外以霍夫曼编码器45实现。在图3中，变换数据系数经12比特总线22加给数字乘法/加法器80，用经总线35、36由图2中参数计算器40提供的试用量化参数反对数的倒数乘以这个数据系数。试用量化参数首先加至一个对数换算因子查寻表（LUT）81，接着经12比特总线把一个乘法项加给乘法器/加法器80。由于参数计算器40以量化参数的对数加以处理，则对数换算因子查寻表81提供用于乘法器/加法器80的算术换算项。乘法器用经查寻表81得到的值表示来自参数计算器40的试用量化参数来量化经总线22提供的数据系数。在乘法器/加法器81中的加法器提供对换算了的值的最接近于整数的舍入。

结果的换算和舍入后的数据系数经10比特总线加给一个霍夫曼码字长度查询表82，以确定各数据集编码值可能占用的比特数，其数据集的值是经总线35，36施加的量化参数值给出的。因此，霍夫曼码字长度查询表82提供两个输出。第一输出是加给多路复用器84A输入端的一个霍夫曼码字长度信号，第二输出加给零扫描宽度计数器83的一个零幅度信号（ZERO AMP）。零扫描宽度计数器83被接到一个扫描宽度码字长度查询表85，它的输出加至多路复用器84的B输入端。由霍夫曼查询表82的零幅度输出还加给一个状态机构和系数计数器86，接着，它提供一个选择A/B（SELECT A/B）信号和一个零输出（ZERO OUTPUT）信号给多路复用器84，以及把一个块结束信号（EOB）加给查询表85。多路复用器84由从状态机构86产生的SELECT A/B和ZERO OUTPUT信号的控制，把由选入的霍夫曼码字长度信号和扫描宽度码字长度信号构成的多路输出信号加给累加器87。累加器87的输出经锁存器88锁存，该锁存器88把比特计数信号加给图2中的参数计算器40，例如由图2中第一第二延迟级的总线33、34。

图2中描述的系统定时发生器58以系数速率，例如27MHz提供系数时钟（COEFF CLK）信号给零点扫描宽度计数器83、状态机构和系数计数器86，并经线路56到累加器87，以便同步图3所述比特计数器各部分的操作。最后系数（LAST COEFF）信号由定时发生器89经线路57加给锁存器88，并用于在一个完整的数据集累加的末端的锁存比特计数信号。

在运行中，状态机构和系数计数器86有两个主要状态。第一个状态是当来自霍夫曼查询表82的零点幅度信号是零时的状态，也就是说，它是处于零点扫描状态，而第二个状态是当该信号不为零，且霍夫曼编码器不是处于零点扫描状态时的状态。

对于第一个主要状态，在两种情况下零点扫描状态可以结束，第一种情况是当一个非零值结束扫描时，第二种情况是当在查询表82中码的最后的系数被遇见时。在第一种情况中，状态机构接收零，并迫使乘法器84输出零至累加器87。当非零值结束扫描时，对于零扫描宽度加上相应于结束扫描的值的码字长度的码字长度，经乘法器84加给累加器。在第二种情况中，编码的最后系数是数据集中的第23项，即一个数据集的块尾（EOB）系数。当遇到码的最后系数时，如果它比实际扫描宽度码字短，就使用EOB码字。另外，零点扫描宽度码字经由扫描宽度码字长度查询表85，响应线路92上的EOB信号，而加给累加器87。

回顾第二个主要状态，由于这些项非零，对应的霍夫曼码字被加给多路复用器84，该多路复用器84选择输入端A为输出信号。在一个数据集的结尾这个信号在累加器87中被累加，如果量化参数被应用，且如果该数据流是使用表的霍夫曼编码，累加器将包括比特码流所需的总比特数。这个结果经由锁存器88锁存和保持几个时钟周期，以便允许参数计算器40（图2）方便地访问这些压缩数据。对于锁存的数据则立即由量化参数估计器9开始一个新的数据集的计数。

尽管本发明在这里通过一个特殊的实施例进行了描述，但是要知道，它可以由各种变化的结构和部分实现。为了说明，有几种变化的平均算法在这里被使用。更具体的说，对于用于确定Q的算法，获得在连续产生的相同图象压缩中的相同值是需要的。在那种方式下，图象质量在第一个产生的压缩之外没有退化。确定Q值有几种算法，对于事先没有被压缩的图象Q值将以少数的重复而结束。有极少数的算法是数值迅速地发散和收敛，这是在图象事先已被压缩的情况下。平分算法的优点是数值稳定。为达到稳定而花费掉了效率，也就是说，它需要许多重复去收敛。

因此，一种替换是要用一种快速收敛去接近正确值的方法，然后利用平分法去得到最后结果。总之，第一个方法应该利用量值和误差的符号去确定下一个试用值。这种替换是在假设对下一个值在速率误差和目前值比率之间有固定关系的情况下。它可在一个简单的表查询中实现。当速率误差比预定的值少时，使用平分法去获得最终值。

还有一些本发明打算的替代的编码方法。也就是说，任何使用与数据平均信息量（在量化级后）在长度上成正比的码的编码数据方法都可用来代替霍夫曼码。尽管霍夫曼码有相对简单而实现的优点，但还有一些可以被利用的其它的编码方法，如坦斯特尔（Tunstall）编码，算术（arithmetic）编码，莱姆玻-齐伍（Lemple-Ziv）编码，等。

同样的，本发明打算替代在垂直消隐期间应用的前馈接法。如果在一场视频图象内的数据统计在数据集间差别很大，那么第一数据集的估计值可以不必是一个对于该场随后数据集平分的良好的起始值。因此，本发明打算使用比这里示出的四级具有更多级的比特计数流水线，其中各数据集的量化参数值被独立地计算。

应当理解，这里表示的用于提供变换数据系数的离散余弦变换，是许多可以用于变换单值概率函数典型地为图象或用于一组有效编码的不相关非单值概率函数（uniform probablity mass function）的变换方法之一。因此，一些其它可以在这里使用的变换是哈得玛德（Hadamard），斯兰特（Slant），哈特利（Hartely），等。

尽管本发明在这里以一个实时的系统被描述，但它同样可以用于一个非实时系统，例如它可以用于计算机系统，在那里如单画面这样的图象可以被压缩。

对于计算量化参数值有许多可能被使用的算法。对于任何具体实现过程的最佳算法是用最少的重复去获得一组量化参数，该参数在编码后能提供正确的比特数。在本发明的一个实现过程中，使用了控制量化级参数大小的平分方法。这种算法没有利用误差的量值，而仅仅使用了符号和零的测试。其结果是它数值稳定。

在平分法中，量化级以对数概念对等地分开，即连续的量化级是以一个固定的比率。因此，量化级大小的对数被计算。这样在微处理器中用加法代替乘法、用除2代替平方根而简化了算术的实现过程。反对数只以在可编程存储器中的一个查询表来简单地实现。此外，均匀的分割在整个量化值范围上获得了恒定的信噪比级。

第一试用量化器级大小的估计被选择作为对数中量化级大小范围中的中心值。一个给定的间隔长度为（Qmax-Qmin）/2expN，其中Qmax是最大量化器级大小的对数;Qmin是最小量化器级大小的对数;N是重复数，它取值1，2，……。

在由参数计算器21确定的量化之后，如果由编码数据导致的错误比特数是正的（比特太多），下一个估算值就是先前的值加上该间隔。如果误差是负的（比特太少），下一个估算值就是先前的值减去目前间隔的大小。当然，如果没有误差，该确定的估计值就是正确的量化参数。

如前所述，有两条先行通路。应记住，在一场期间使用的初始量化参数是根据使用前述的先行通路18进行计算的。最好是，对于一个粗估计的初始确定其从一场中选择出的数据，可根据诸如在前面提及的共同的尚未批准的专利申请中所描述的途径编码。

要记住，不是总能产生一组导致所需精确比特数的参数。其原因之一是量化参数本身被量化了。为了避免产生比在磁带格式空间所能存贮的更多的编码比特的问题，编码后的所需比特数在参数估计器中被稍微减少一些，以便误差基于对于格式比特太少的方向。这个偏差可以具有-0.1%的量级。

尽管本发明已经结合最佳实施例以及它的具体实现过程进行了描述，但是本领域的普通技术人员将懂得在不离开本发明精神基础上能够进行各种改变和改进。因此，将由权利要求书及其等价物限定申请给予的范围。

Claims

1、一种制备数字视频信号的方法，具有用于编码输出信号传输的数据速率Din，所说的编码输出信号在一条具有一个数据速率容量Dout的信道上被发送，其速率少于数据速率Din，所说方法包括步骤：

(a)将所说的视频信号，变换成为在预定变换系数组中格式化的一个空间频域的数字信号；

(b)根据量化参数Q_f，量化所说的预定的变换系数组成为整数值，以产生量化系数；

(c)对所说的量化系数编码，以减少所说具有数据速率Dout的输出信号；

(d)在步骤(b)前为各预定变换系数组选择量化参数Q_f，被选的所说量化参数Q_f产生一个具有对应于所需数据速率Dout编码比特数的编码输出信号，并前馈各被选量化参数Q_f给所说的量化级。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于所说的选择步骤进一步包括：

（e）在所说的变换步骤之后，延迟所说的变换系数一个第一预定周期时间;

（f）在延迟所说变换系数时，如果试用量化参数Q_t被用于量化参数Q_f，则选择一个试用量化参数Q_t并计数在所说的第一预定时间周期期间由所说编码级可能产生的比特数;

（g）确定在所计数的编码比特数与对应于数据速率Dout的比特数之间的差;

（h）如果所说的差是零，把在所说的步骤（b）中的试用量化量参数Q_t用作为所说的量化参数Q_f;

（i）如果所说的差大于零，为所说试用量化参数Q_t计算出一个最新值，以减少所说的误差，并重复步骤（e）-（i）N次，N＞1。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于所说的变换步骤（a）进一步包括利用离散余弦变换变换所说的视频信号。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于在所说数字视频信号各场的开始包括步骤为：

（j）在所说的第一延迟步骤之前，对所说的变换系数组延迟等于（N）（所说第一预定时间周期）一个第二预定时间周期的时间，同时也对同一组变换系数执行步骤（e）-（i）N次;

（k）对于与所说数字视频信号的一个特定场相关的所有随后的试用量化参数Q_t，把在（j）中第N次选择步骤中选出的量化参数Q_t作为第一选择级的试用量化参数Q_t。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于所说的编码步骤（c）进一步包括使用可变长度码对所说的量化系数进行编码，以产生一个具有所需数据速率的输出信号。

6、根据权利要求5方法，其特征在于所说的各步骤是实时完成的。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于进一步包括步骤为：

（k）接着所说的编码步骤（c），把所说的编码输出信号格式化成所说信道的格式;

（l）用所说的格式化编码输出信号交替（interleaving）具有与所说量化参数Q_f有关的各编码量化系数组的所说量化参数Q_f。

8、压缩一个确定的视频图象数据信号的装置包括：

a）用于变换所说的视频信号成为在预定变换系数组中格式化的一个空间频域信号的装置;

b）至少用一个所说的预定变换系数组，去估计用于量化所说变换系数的一个数字处理参数值的装置;

c）用于其后把所说的估计值加给所说的变换系数的装置。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于所说的用于施加估计值的装置适合于把同样的值加给为确定所说估计值所使用的所说数据的同样部分。

10、根据权利要求9的装置，其特征在于提供所说估计值的所述装置也适于实时工作。

11、一种制备数字信号的方法，具有用于编码输出信号传输的数据速率Din，所说的编码输出信号在一条具有一个数据速率容量Dout的信道上被发送，其速率少于数据速率Din，所说的方法包括步骤：

（a）变换所说的数字信号成为在预定变换系数组中格式化的一个空间频域的数字信号;

（b）根据量化参数Q_f，量化所说的预定的变换系数组成为整数值，以产生量化系数;

（c）对所说的量化系数编码，以产生所说具有数据速率Dout的输出信号;

（d）在步骤（b）前为各预定变换系数组选择量化参数Q_f，被选的所说量化参数Q_f产生一个具有对应于所需数据速率Dout编码比特数的编码输出信号，并前馈各被选量化参数Q_f给所说的量化级。

12、一个视频数据压缩系统，其中用串行的数据限定所连续的有效和无效显示的出现率，其组合为：

a）用于显示所说数据的装置;

b）用于限定一个有效出现率的取样数据的装置;

c）在确定一个无效出现率数据延迟期间使用所说取样数据的装置，以便为加给限定所说有效出现率数据的一个数字处理参数计算一个初始试用值。

13、根据权利要求12的视频数据压缩系统，其特征在于所说的装置用于提取定义在一个紧跟着所说无效出现率的一个有效出现率的取样数据。

14、一个用于限定连续的有效和无效图象显示出现率图象数据的压缩系统，其组合为：

a）用于所说数据经一个信道连续通过的装置;

b）在确定一个无效显示出现率的所说数据部分在所说信道中期间，用于前馈限定一个有效显示出现率的所说数据部分的装置;

c）用所说的数据部分估计一个数据处理参数值，以便把它加给限定一个有效显示出现率的数据的装置。

15、根据权利要求14的压缩系统，其特征在于所说的前馈所说数据部分的装置包括在经限定一个无效显示出现率的数据部分的信道中通过期间，用于延迟所说数据的装置，以及在所说的时间期间对紧跟着所说无效显示出现率后的限定有效显示出现率的数据取样的装置。

16、一种处理数据的方法，其步骤是：用所说的数据计算多个加给所说数据的数字处理参数的连续估计值，以从较早的估计值的计算值中去估计的各所说值被用作初始试用值。