CN1253003C - 在传输信道中传输数字图像数据的处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在一个传输信道中传输数字数据，特别是图象数据的处理装置，其中有：一个压缩这些数据的压缩器，是由一个去相关器、一个量化器和一个编码器组成，一个调节器(R)，将来自去相关器的数据作为输入，且具有一个参考基准，并为量化器提供一个量化参量。

Description

在传输信道中传输数字图像数据的处理装置和方法

技术领域

本发明涉及的是一个传感器和一个传输机构之间的数据压缩装置。本发明特别地应用于远程观测卫星，所述卫星采集图象数据，然后通过无线电传输信道将采集到的数据传向地面站，而所述传输信道的特征之一是仅能用不变的流量传输信息。

背景技术

一般说来，传感器所采集的信息的容量大于传输信道能够传输的信息的容量，这在观测卫星上所装的传感器的数量和分辩率提高的情况下更为突出。因此，对于传感器所采集的同样的信息容量，就必须求助于能够降低传输信息量的一些数据压缩方法。

然而，因为压缩方法的内在的性质，压缩器的输出流量直接和输入信号的熵成正比，而在通常情况，传输信息的量随时间而变化，因为输入信号的特征随时间而变化。

为了优化传输信道的使用，就要调节流量减小压缩装置的输出流量的起伏。

在传输信道要求不变流量的情况下，这种调节就变得非常重要。

图1用非常示意的形式示出本发明的在后文描述的一个信号处理装置的结构。这种结构呈处理链方式，沿着处理链有多个单元。

用1标出的单元为一传感器，例如可以是装在观测卫星上的光学摄象机或红外摄象机。

单元2为一压缩器。

单元3表示一个流量调节器。

单元4为一大容量存储器，用作传输单元5的前存储器(antémemoire)(或超高速缓冲存储器)。实际上，在观测卫星的情况下，不是在任何时候都能使用传输信道的，特别是卫星和地面站间的视见性是有时间限制的，因此，在传输信道的不能使用时期，就必须将数据存储起来。

根据传输信道的可使用性数据流可以通过或不可以通过大容量存储器4。

图2示意性地示出调节器的第一种实施方案。

将一个缓冲存储器B₁(英文为buffer)插在压缩器C₁和大容量存储器M₁之间，一个调节器R₁可以检测何时缓冲存储器B₁装满，并中断采集。

为了遵循传输信道的流量不变的限制，将不重要的数据在缓冲存储器B₁是空的时候转输。

这样，由于传输不重要的数据，传输信道的流量没有得到优化。因此，这种方案不能满足要求。

第二种方案是法国2707070号专利所提示的，这专利的标题为“可变位速率压缩图象处理系统(Dispositif de traitement d′image àcompression àdébit variable)”，专利权人为国家空间研究中心(Center National d′Etudes spatiales(CNES))。图3示出这个装置。

和前面的方案一样，在压缩器C₂和大容量存储器M₂之间插入一个缓冲存储器B₂。调节器R₂知道缓冲存储器B₂的填充水平(niveau de implissage)L_B和包含在压缩前的数据中的信息量的估计E，或者更确地说，后者是将这些数据的复杂性按照图象各行表示成有限差值的绝对值的和。根据这两个参量和一个调节法则f，调节器R₂从会式t＝f(E，L_B)确定压缩比t。

根据这个方案，当由佑计器E所测得的信息量在某一个时期大时(填充水平L_B也就大)，压缩比t就增之，从而避免缓冲存储器B₂饱和。

这种方案有许多缺陷：

实际的由佑计E所提供的压缩比的予计质量在图象中并非是常量，且这个质量的变化可以很大，由此还可导致质量的调节也很大，这个量是用一个能够经验地修正予计错误的装置(在这个工艺方案中称为倾斜校正(correction de biais)来补偿。若不使用这种装置，则缓冲存储器就应很大，这就使实施的复杂性和造价增加，特别是对于星载的系统。

这种方案用予计直通网(réseau de droite de prédiction)的方式利用大量的参量(Par)，参量数量和输入数据被编码所用的比特数成正比。这些直通中的每个都是用一个方程的两个参量来表征的。所有这些参量都是用经验的方法确定的，就是说，要根据量化的步长进行很大数量的流量和复杂性的测量，并在获得的点云上面最终实现线性回归。这种方法的实施是相当艰巨的，可能不准确，特别必须限制获得的直通的数目，这些都限制了调节的可能的量化步长数。

最后，按照实用的观点，在输入数据的流量大的情况下，上述的方法是难于实施的。实际上，在调节电路中所实施的计算，特别是关于量化步长的计算是不能用ASIC电路计算的，实施上面的计算需要使用微处理器。因为具有时钟频率的微处理器较ASIC电路的频率限制更强，就更限制了这种调节的实施。

本发明的目的在于从技术上解决这些缺陷。

附图说明

图1示意性地示出传统应用在本发明的背景下的一个图象压缩装置；

图2示意性地示出调节器的第一种实施方案；

图3示意性地示出调节器的第二种实施方案；

图4示出根据本发明的装置。

发明内容

为此，本发明的第一个目的在于一个用来在传输信道中传输数字数据，特别是图象数据的处理装置，其中有：

一个数据压缩器，它是由一个去相关器、一个量化器和一个编码器组成，

一个调节器：向量化器提供至少一个量化参量。

这个装置的特征在于所述所述调节器接收来自所述所述去相关器的去相关数据(I_D)和参考基准(I_C)，并且所述量化参量是由式PQ＝α·|I_D(β·I_C)|确定的量化步长，其中α和β是正参量。

这个装置还可拥有一个存储器，安装在压缩器的输出处。

本发明还有一个目的在于一种将数字数据(特别是图像数据)在传输信道中传输的处理方法，所述方法包括顺序步骤如下：

将所述数据去相关；

根据由式PQ＝α·|I_D(β·R_C)|确定的量化步长，计算一个量化参量，其中α和β是正参量，I_C是参考基准，I_D是去相关数据；

根据所述量化参量，将所述去相关数据(I_D)量化；以及

在前面步骤中对量化数据进行编码。

所述方法还可以实施最后的一步：将数据存储在存储器中。

根据本发明的一种特殊的实施方式，所述量化参量还具有来自这个存储器的测量信息。

还有，根据不同的专门的实施方法，所述参考基准可以是流量基准，也可是质量基准。

在后面与附图有关的多种可能实施方式的描述中将进一步清楚地研究本发明的其它特征。

具体实施方式

根据本发明的装置所使用的压缩器C是通常称为转换编码型的。传统的将这种压缩器分解成三个模块：一个去相关模块(C_D)、一个量化模块(C_Q)和一个编码模块(C_C)。

可以将去相关摸块C_D的作用看成是将数据格式化，为的是这些数据能由量化模块C_Q最为有效地进行处理，在按照JPEG(Jointphotographie Expert Group)建议的压缩器的情况，数据去相关的进行是通过一个离散的余弦变换(或DCT，英语为Discret CosineTransform)。

亦可使用别的数学变换，特别是子波变换，会具有较好的性能。

量化模块C_Q的作用是压缩要传输的信息，同时将去相关信号量化，在将描述信号的字母压缩操作之后，编码模块C_C将量化后的值编码，赋予一个码的长度是可变的，它是不同字母符号出现概率的函数。编码方法的一个例子是称为Huffman编码，见于A·Huffman的题为“A method for the construction of minimun redundancycodes”，发表在1952年的“Proceedings of the institute of Electronicsand Radio Engineers。”

2)去相关数据I_D

由去相关器(C_D)发出的去相关数据(或系数)I_D都逐区处理。

实际上，实施根据本发明的装置的系统是一个观测卫星，输入的数据构成有几千个象素的宽度的一个图象，而理论上长度是无限的，因为传感器在不停地采集数据，因此将来自传感器的数据流分成区，并在每个这样的区中进行调节。

将去相关数据I_D分成区的分法是决定于去相关的方法，这样，在去相关器C_D是建立在子波变换的情况下，则分成的区最好为图像带。在去相关器实施的变换是余弦变换，则分成的区最好为闭塞线(lignes de blocs)。

现在指出，在质量调节的情况下，本发明同样可以应用于可以存储整个信息的那些小图象的情况，在这种情况下，可以看作图象是只具有一个区，后面的全部处理都是在这个区内进行。

3)存储器M

在所述调节器R实施压缩器C的行为的模型，受调系统输出的流量有较微的变化。

在观察系统是装载到卫星上的情况下，传输信道的流量不变，在具有积分功能的存储器M中将这种轻微变化的流量变成不变的流量。

强调指出，在将本发明用于在信道上没有这种限制的系统时，这样的存储器是可以任意选择的。而且，根据本发明的调节的质量使得压缩器C输出的流量变化较现有技术的方案相比要小得多，例如根据计算所在的图象区的性质，根据本发明的方案与在法国2707070号专利所介绍的方案间两种变化之比可以大于100。

还有，即使在这种存储器M是必不可少的情况下，为使装置输出的变化为零，就可以使它更缩小，因为输入的流量的变化很小，这个缩小可以是非常重要的，特别对于是装载到卫星上的系统。还可根据所用模型预言的质量，对于一个固定输出的流量，初步用理论方法计算这种存储器的最大容量。

4)流量的调节：

根据本发明的装置既可用于调节流量，亦可用于调节质量。在第一种情况下，参考信息I_C是参考流量，后面记作R_C。

调节器R的目的是根据参考流量R_C。和来自去相关器C_D的信息I_D为量化器C_Q提供一个量化参量PQ。可以对于每个系数区计算这个量化参量。

对于每个来自去相关器C_D的系数区I_D，调节器可以根据系数绝对值按幅度下降的顺序进行排队，例知，可将这些系数存在一个表I_D[i]内，并在其中进行排队，i从1变到区的基数，区的基数是区所包含的系数个数。

还有另一种方法，其好处是缩短计算时间，因此就使本发明的应用得以改善。这种方法是不需排队，而去计算系数模量的直方图，并用后面所讲的算法计算和期望的流量相关的量化步长。这具有很大的好处，是不需要计算机，并可移植到ASIC中去。

4.1)开环流量调节

根据本发明的一种特别的使用，量化参量PQ是用下式确定的量化步长：

                PQ＝α·|I_D(β·R_C)|

其中α和β是两个参量，它们的取值范围最好为α∈[1；2]和 $\mathrm{\β}\∈\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{10};& \frac{1}{3}\end{array}\right]\end{array}$

|I_D(β·R_C)|是根据角标β·R_C排队的系数的模。

实际的实施例是将排队的系数的模存储在一个一维表中，表的元素和角标β·R_C对应。

正如前面已经指出的，另外一种做法是建立系数I_D min≤I_D≤I_D max的模的直方图H，且和流量R_C相关的PQ是从变得等于[RC·β]，即等于β·R_C的积的整数部分，开始获得的。

参量α和β的值决定于去相关器C_D所实施的去相关方法，最好根据下表选择这些值：

然而需要指出，这些值仅仅是本发明的特殊实施条件下的数据，尽管是理想的。还要明白，可将本发明扩展到别类型的去相关方法中去。对于每种新的去相关方法，都要确定新的一对参量α·β，其最佳值可以通过实验方法确定。

4.2)闭环流量调节

根据本发明的另一种实施方式，调节器R还接收来自存储器M的其它测量的信息I_M。这种信息能够根据存储器M的填充率来修改所述模。这样，当存储器太满时，则可改变量化参量PQ，提高压缩比；反之，当存储器太空时，则可减小压缩比。

更确切地说，这些信息I_M可以测量存储器M的填充率和标称比率(例如50％)之间的差值。根据一种特殊的实施方式，量化参量PQ是用下式确定的量化步长： $\mathrm{PQ}=\mathrm{\α}\·\left|I_D\right[\mathrm{\β}\·(R_C+\frac{I_M}{k\·Z})\left]\right|,$ 其中α和β是两个参量，取值范围最好在下面的范围：α∈[1；2]及 $\mathrm{\β}\∈\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{10};& \frac{1}{3}\end{array}\right],$ 参量k的阻尼因数，Z是系数区的基数。和前面的方法相同，参量α和β的值决定于去相关器C_D所实施的去相关方法，最好根据下表选择：

阻尼因数k也是用实验的方法确定，传统上，可将k取在区间[1，6]。

和在开路情况下的调节一样，为考虑ASIC移植，计算PQ的一种更有效方法是构建系数I_D min≤I_D≤I_D max的模的直方图H，且与流量R_C。相关的PQ是自 变得等于[R_C·β]时开始获得的。

5)质量调节

如前面所说，根据本发明的装置变可用来进行质量调节。在此情况下，参考信息I_C就是参考质量，后面记作Q_C，而调节器R的目的在于为每个系数区提供可以实现这个参考质量的量化参量PQ。

根据一种特别的实施，量化步长PQ是用类似于流量调节中给出的式子来确定的一个量化步长：PQ＝α·|I_D(β·R_O)|，其中α和β是两个参量，最好在下面的范围内：α∈[1；2]和 $\mathrm{\β}\∈\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{10};& \frac{1}{3}\end{array}\right].$ 在这个方程中，R₀是为得到参考质量Q_C所要达到的流量。

根据参考质量Q_C，应用下面等式

$\mathrm{\ξ}-{10.\log }_{10}\left(\underset{k=[\mathrm{\β}\·\mathrm{Ro}+1]}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I_D\left(k\right)\right|}^2\right)=Q_C$

得到流量R₀的值，其中ξ决定于参考质量的性质。

例如，若参考质量Q_C。是信噪比的尖峰信号(或PSNR，英文为Peak to signal to Noise Ratio)，则ξ就用下式给出

$\mathrm{\ξ}=10{\mathrm{Log}}_{10}\frac{{Z(2^A-1)}^2}{X}$

若Q_C是信噪比(或SNR，英文为signal to Noise Ratio)，就可用下式求出ξ：

$\mathrm{\ξ}={10\mathrm{Log}}_{10}\frac{V}{x}$ 或 $\mathrm{\ξ}={10\mathrm{Log}}_{10}\frac{E}{x}$

其中V是图象或图象的处理区的方差，而E是其能量，A是对输入数据编码所用的比特数，Z是图象区或处理的图象的基数，最后，x是一个参量，最好为 $\frac{1}{2}\≤x\≤3.$

包括L行和C列，从而有Z＝L×c个点的图象I的能量E可以由公式 $E=\frac{1}{Z}\underset{i=0}{\overset{C-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}I{(i,j)}^2$ 来定义，其中I(i，j)表示坐标为i，j的点的值。

用同样方法，可以用式：

$V=\frac{Z}{1-Z}{I}^2+\frac{1}{Z-1}\underset{i=0}{\overset{C-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{I(i,j)}^2$ 确定图象I的方差V，其中I是图象的平均值。

参量α、β和x的值决定于去相关器C_D所用的去相关方法。最好根据下表选取这些值：

Claims (22)

1.一种用于在传输信道中传输数字图像数据的处理装置，其中有一数据的压缩器，它是由一个去相关器、一个量化器、和一个编码器组成，装置中还有一个调节器，向所述量化器提供至少一个量化参量(PQ)，所述装置的特征在于所述调节器接收来自所述去相关器的去相关数据(I_D)和参考基准(I_C)，并且所述量化参量是由式PQ＝α·|I_D(β·I_C)|确定的量化步长，其中α和β是正参量。

2.根据权利要求1的装置，还具有一个存储器，它在所述压缩器的输出处。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于安装所述存储器以便输出测量信息(I_M)，并且安装所述调节器以便接收由所述存储器输出的所述测量信息(I_M)作为输入，并且以便于作为所述测量信息(I_M)的函数确定所述参考基准(I_C)。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于所述参考基准(I_C)是参考流量(R_C)。

5.根据权利要求1的装置，其特征在于将所述去相关数据组织成区，并且所述调节器在每个区中事先根据去相关数据的绝对值下降的顺序将所述去相关数据排队。

6.根据权利要求5的装置，其特征在于安装所述调节器以便提供用于每个所述区的量化步长。

7.根据权利要求3的装置，其特征在于所述参考基准(Ic)是参考流量(R_C)，安装所述调节器以便在组织成区的去相关数据的每个区中，事先根据去相关数据的绝对值下降的顺序将所述去相关数据排队，以提供用于每个所述区的量化步长，该量化步长是用式 $\mathrm{PQ}=\mathrm{\α}\·\left|I_D\right[\mathrm{\β}\·(R_C+\frac{I_M}{k\·Z})\left]\right|$ 确定的，其中参量α、β和k都是正的参量，Z是所述每个区的所述去相关数据(I_D)的集合的基数，且所述测量信息(I_M)是所述存储器(M)的填充水平和标称水平间的差。

8.根据权利要求4的装置，其特征在于安装所述调节器以便从所述去相关数据(I_D)建立直方图(H)以确定由式

定义的所述量化步长的R_C·β乘法的整数部分。

9.根据权利要求1的装置，其特征在于所述参考基准(I_C)是由将要获得的流量(R₀)定义的参考基准质量。

10.根据权利要求1的装置，其特征在于所述去相关器进行一个离散余弦变换，并且其特征还在于α值为2，而β值为

11.根据权利要求1的装置，其特征在于所述去相关器实施一个子波变换，并且其特征在于α为1且β为

12.一种将数字数据，特别是图像数据，在传输信道中传输的处理方法，所述方法包括顺序步骤如下：

将所述数据去相关；

根据由式PQ＝α·|I_D(β·I_C)|确定的量化步长，计算一个量化参量，其中α和β是正参量，I_C是参考基准，I_D是去相关数据；

根据所述量化参量，将所述去相关数据(I_D)量化；以及

在前面步骤中对量化数据进行编码。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于还包括将在编码步骤中输出的数据存储在存储器中的步骤。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于从所述存储器输出测量信息(I_M)，并且作为所述测量信息(I_M)函数确定所述参考基准(I_C)。

15.根据权利要求13的方法，其特征在于所述参考基准(I_C)是一个参考流量(R_C)。

16.根据权利要求12的方法，其特征在于将所述去相关数据组织成区，在每个区中所述计算步骤包括，事先根据去相关数据的绝对值下降的顺序排队所述去相关数据的步骤。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于在所述计算步骤期间为每个所述区提供量化步长。

18.根据权利要求14的方法，其特征在于所述参考基准(I_C)是参考流量(R_C)，将所述去相关数据组织成区，每个所述区中的所述计算步骤包括事先根据去相关数据的绝对值下降顺序将所述去相关数据排队的步骤，每个所述区的量化步长在所述计算步骤期间提供，由式 $\mathrm{PQ}=\mathrm{\α}\·\left|I_D\right[\mathrm{\β}\·(R_C+\frac{I_M}{k\·Z})\left]\right|$ 确定，其中参量α、β和k都是正的参量，Z是所述每个区的所述去相关数据(I_D)的集合的基数，且所述测量信息(I_M)是所述存储器的填充水平和标称水平间的差。

19.根据权利要求15的方法，其特征在于在所述计算步骤期间从所述去相关数据(I_D)建立直方图(H)以便确定由式

定义的所述量化步长的R_C·β乘法的整数部分。

20.根据权利要求12的方法，其特征在于所述参考基准(I_C)是由将要获得的流量(R₀)定义的参考基准质量。

21.根据权利要求12的方法，其特征在于所述去相关步骤实施一个离散余弦变换，特征还在于α值为2，β值为

22.根据权利要求12的方法，其特征在于在所述去相关步骤实施一个子波变换，特征还在于α值为1，而β值为

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