CN1369081A - 采有弱波变换和象限树编码压缩电信图象数据的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及图象数据的处理,特别应用于在移动通信系统中压缩和传送的静止图象的编码和译码。本发明的目的是通过一个图象处理程序来实现,该程序基于弱波变换(202)、递次近似量化(204、208)和象限树编码(206)。象限树编码最好由编码具有二个符号的有效信息的步骤组成。该解决办法不要求大的数据处理或存储能力。对一给定的与已有的解决办法可比较的比特率,它仍提供高的图象质量。按照本发明的解决办法也满足质量和分辨力的渐进性要求。

Description

采用弱波变换和象限树编码压缩电信图象数据的方法和系统
本发明一般涉及图象数据的处理，特别应用于压缩的静止图象数据的编码和译码。本发明的一个应用是移动通信系统中的图象数据的存储和传送。
数字图象往往包括大量数据，它们应被有效地压缩，以适合它们在不同图象应用中的用途。这些应用包括存储，其从数字相机中几个图象到图象档案库中的许许多多个图象不等。应用也包括图象传送，其涉及移动通信和无线通信以及Internet(因特网)。因此，若干种压缩技术已被提出，以满足这些应用。压缩技术的效率主要取决于它所在的应用。对于移动通信系统，压缩技术应考虑移动电话的低存储能力和有限的传输通道能力。
图1示出一个典型的图象压缩和传送系统的方块图100。数字化输入图象数据Y经由一个传递函数102首先被变换为W(Y)。这可以采用一个从空间域到空间频率域的变换的形式，在空间域中，图象用象素值(例如亮度和色度)表示。一般在进行这样一个变换之后，图象数据现在被表示为在变换域中的系数，例如离散余弦变换(DCT-Discrete Cosine Transform)的系数。然后在变换域中的系数被量化为确定的电平g(N)，104。经量化的数据被进一步编码，106。在这个阶段，图象数据呈被压缩形式。这个被压缩数据可以被用于存储，因此通道110应连接到设备的存储磁盘以保存图象。被压缩的数据可以被用于传送，那么通道110可以是用于移动通信或无线通信的通道，或者是用于因特网传送的通道。在系统的延伸(接收)部分，信号e(g)从通道被接收，并在译码器120中被译码，然后被反量化122和反变换124，以便得到结果图象数据 Y。
上述步骤构成了在图象压缩和解压缩中所使用的codec的基本部分。术语codec是给具有编码和译码图象数据能力的图象编码的系统或装置所起的名字。codce可以根据它们呈现的功能度和它们提供的性能来评价。例如，在移动电信环境中，如果codec提供下列性能，该codec是比较好的：
-对于一给定的可利用数据传送速率，具有最高可能的图象数量；
-数量的渐进性。这就是说，在编码和译码期间，图象的数量可以通过增加在它的表示法中所使用的每个象素的比特数来逐渐增加。
-分辨力的渐进性。这就是说，图象的空间分辨力在编码和译码期间可以逐渐提高；
-实现不太复杂；
-能迅速恢复传送期间可能发生的错误。
有普遍采用现有技术的图象压缩方法。使用最广泛的是由国际标准化组织(ISO)颁布的标准JPEG(Joint Photographic Expert Group-公共图象专家组)。JPEG图象压缩标准包含四部分。最知名和最普遍使用的是第一部分，称为JPEG基线(baseline)。除了当以低比特率应用时它的贫乏的性能外，这个压缩系统不能提供上述功能度。为了克服JPEG基线的缺点，已提出了几种解决方法。这些方法的简略描述给出如下。
早已知道使用一种所谓嵌入离散余弦变换(Embedded DiscreteCosine Transform)的解决方法。在这种方法中，图象经由一个应用于8×8象素块的离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)被变换。量化以递次方式被执行，其被嵌入到编码部分中。编码采用基于算术编码的一种结构被执行，这使得在存储和在计算中它的复杂性增大。此外，这个方法是基于块的，因此在低比特率它导致要求使用柱状处理滤波器(post processing filter)的块状人工制品。因此对移动通信，它不是一种优选的解决方法。这个方法的详情可见[1]。
也早已知道使用一种所谓弱波格状编码量化(Wavelet TrellisCoded Quantization)。这个算法由四个阶段组成：图象数据的弱波变换，被变换数据带的分类和比特分配，通过数据的计算统计所获得的分类。根据分类，变换系数的量化以格状方式被执行。格状量化源于一种称为格状调制的技术，其可以使用在某个比特率下受电平之间转换的制约所允许的量化电平数目的两倍。随后，被量化的系数通过基于算术编码器的结构在比特平面上被编码。这个解决方法对移动应用非常复杂，无法在低比特率下提供高性能。这个方法的详细说明可见[2]。
另一种现有技术的解决方法是所谓多阈值弱波编码(Multi-Tbreshold Wavelet Coding)。在这个方法中，弱波变换被应用于图象数据。对被变换数据的每个带，量化被递次和独立地执行，因此得名为多阈值。然后编码采用基于算术编码的结构被执行，其使得复杂性增加，因而对移动通信，它的使用不是优选的。这个方法的详细说明可见[3]。
还有一种已有解决方法是所谓基于象限树的平均信息量编码(Quad-tree bastd Entropy Coding)。在这种方法中，图象数据被弱波变换，然后在变换域中的系数被划分成2n×2n象素的块。每个块然后通过将它划分成四个象限而被编码。每个象限通过将它划分成四个象限再次被编码，如此等等直到不能再划分为止，以便构成一个象限树，因而称之为象限树(quadtree)。在第一层上，需要得到块的最大系数的比特数目被发出，然后对每个象限，块的最大系数和象限的最大系数之差被确定。这种方法的优点是它要求较少的计算，并且平均信息量编码的复杂性较低。然而，这种解决方法存在的问题是该算法不能提供如前面所说的数量和分辨力的渐进性，这对移动应用是重要的特性。这种方法的详细说明可见[4]。
再有一种已有的解决方法是压缩的基于象限树的子带图象(Compact Quadtree Based Subband Image)编码方案。这种已有的图象压缩方法在文件[5]中被描述。该方法使用的弱波变换，然后量化被嵌入到编码中。对于每个量化电平，一种基于象限树的方法被用于编码该带。在带中的有效图象(系数高于量化电平的区域)被通过一种象限树方法来编码，象限树法使用三种符号表示它的节点：
-“×”相应于具有在以往量化阈值中被编码的至少一个系数的象限树块，
-“1”相应于至少一个有效系数被与那个块中非有效系数混合的象限树块，以及
-“0”相应于整个块是非有效的象限树块。
符号中的一个是从数据隐含地获得的，因为在一个区域中有效系数的存在意味着认为正在进来的比特平面的整个区域有效。因此，这种方法隐含地假设在带中的数据是高度相关的。然而，实际并非如此，因为还原(即变换)去相关数据。此外，这个方案在错误存在时工作很差，因为与一个特定样本有关的错误决定将使整个区域畸变。在这种情况下，该错误也将从一个比特平面传递到另一个，因为有关当前比特平面的信息是从上一个平面获得的。
因而本发明的一个目的旨在提供压缩图象的一种方法和一个系统，以便以低的计算复杂性和小的存储器需求来保存高的图象数量。本发明的另一个目的是为了解决所引用的已有解决方法的问题，并满足上面所讨论的图象处理的要求。
本发明的目的通过一个图象处理程序来实现，该程序基于弱波变换、递次近似量化和象限树编码。象限树编码最好由在具有二个符号的象限树块内的有效系数的编码步骤组成。
本发明较之以往的方法具有重要的优点。该解决办法不要求大的数据处理或存储器容量。其次，与以往的解决办法相比较，它提供一给定比特率的高图象数量。按照本发明的解决办法也提供数量和分辨力的渐进性。
因为所发明的方法不执行任何分类或速率分配，所以它把量化过程嵌入到编码部分，并允许子带跳过。编码以简单的象限树形式被执行，算术编码并不要求。这些优点成为移动通信的新的解决办法的想法。
按照本发明的方法的特征在于，它包括下述步骤：
a)变换输入图象数据为子带，
b)采用递次近似量化编码被变换图象数据以产生一个比特流，递次近似被嵌入到编码过程中，以及
c)采用基于象限树的方法编码具有有效信息的比特流，并包括符号和精细信息在比特流中。
本发明也应用于一种将比特流加工成图象数据的方法，其中，比特流由有效信息、符号和精细信息组成，其特征在于该方法包含如下步骤：
-采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息并从比特流中检索符号和精细信息，
-提供被译码数据的一个反递次近似量化，以及
-提供一个反变换，以便产生来自被译码和被反量化的比特流的图象数据。
本发明还应用于一个处理图象数据的系统，其特征在于它包括：
a)用于变换输入图象数据为不同子带的装置，
b)用于采用递次近似量化编码被变换图象数据以产生一个比特流的装置，递次近似被嵌入到编码过程中，以及
c)用于采用基于象限树的方法编码有效信息为比特流并包括符号和精细信息到比特流的装置。
本发明也应用于一个将比特流处理为图象数据的系统，其中比特流由有效信息、符号和精细信息组成，其特征在于它包括：
-用于采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息并从比特流中检索符号和精细信息的装置，
-用于提供被译码数据的一个反递次近似量化的装置，以及
-用于提供一个反变换以便产生来自被译码和被反量化的比特流的图象数据的装置。
本发明还应用于一个图象处理系统，其特征在于：为处理和传送图象数据，它包括：
-用于变换输入图象数据的不同子带的装置，
-用于采用递次近似量化编码被变换图象数据以产生一个比特流的装置，递次近似被嵌入到编码过程中，
-用于采用基于象限树的方法编码有效信息为比特流并包括符号和精细信息到比特流的装置，
-用于采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息并从比特流中检索符号和精细信息的装置，
-用于提供被译码数据的一个反递次近似量化的装置，以及
-用于提供一个反变换以便产生图象数据的装置。
本发明的优选实施例已在相关的权利要求中给出。
术语“电信系统”在本文中系指传送信息的任何系统。术语“移动通信系统”在本文中一般指当一个移动站(MS)的用户进入系统服务区时能在该移动站和系统的固定部分之间进行无线通信连接的任何电信系统。典型的移动通信系统是公共地面移动网络(PLMN-Public Land Mobile Network)。在提出这个专利申请时所使用的大多数移动通信系统属于这类系统的第二代，一个众所周知的例子是GSM系统(Global System for Mobile telecommunications-全球移动通信系统)。同样，本发明应用于下一代或第三代移动通信系统。一个称之为UMTS(Universal Mobile Telecommunications System-通用移动通信系统)的系统，它当前正在标准化，被当作一个例子。然而，应当指出，尽管电信是本发明的一个合适应用，但本发明不是总是限制于电信环境。
下面，按照附图更详细描述本发明：
图1示出一个已知的图象传送系统，
图2示出用于按照本发明处理图象的系统，
图3示出图象数据的弱波还原，
图4a、4b、4c和4d示出分别在量化电平0、1、2和3上的一个系数的量化，以及
图5示出一个电信设备和它至一个电信系统的连接。
图1在上面已有技术的描述中已解释过。下面，首先参照图2简单描述本发明，然后参照图2-4进行详述。最后参照图5描述按照本发明的一个电信设备。
图2示出按照本发明处理图象的一个系统的示例性实施例。为了图象数据的变换，方块202，一个离散弱波变换被应用于图象。有关执行弱波变换的详情可参见[6]。然后采用递次近似量化方法204执行量化系数至确定的电平Q(W)。系数被变换成电平以减少被编码的符号数目。量化电平在如图3所示的每个量化步骤上变得越来越小。存储器方块208被用于存储前面量化步骤的结果。每个量化周期的输出通过发送有关对于量化电平来说系数有效的二进制符号信息被立即编码206。代表对于量化电平来说系数有效的二进制符号序列被送至传送通道，210。从通道210接收的信号E则在接收机的译码器上被译码，220。信号还被反量化，222，以及反变换，224，以便得到结果图象数据 Y。存储器方块228被用于把上一个所接收的数据添加到下一个量化步骤的图象数据中。应当指出，这个方法允许当编码开始时立即进行译码，也就是说在译码可以开始之前不需要等待整个比特流被接收。这意味着在编码过程结束之前可以开始译码。这个特性当传送大图象时可能是优点。编码器开始编码并发送比特到译码器，其不必等待开始译码。换句话说，编码器和译码器工作实质上是平行的，因此减少在编码、传送和译码图象中的延迟。
图3示出在采用一个二极弱波变换变换成弱波域之后图象数据的一个表示法。每级包含一个高-高带HH、低-高带LH、高-低带HL和低-低带LL。可以知道，LH带包含与水平边缘有关的信息，HL带适合检测垂直边缘，布HH带包含在对角线方向的大多数属性。LL带实质上是原始图象的粗略版本。它被进一步送到下一级还原。应当指出，本发明不限于这种还原方法，而且，许多其它还原方案可以交替地被使用。
图3示出图象如何可以在二级弱波还原中在变换域被扫描。然而，该方法可以被延伸到任意级数，直到典型的图象块大小。典型的图象块大小通常大于或等于16×16象素，但块大小也可以较小一点。在弱波域中，系数被递次量化，以减少它们幅度的数量级。这被嵌入到编码方案中。实际上这意味着高于量化电平的系数在小于量化电平的系数之前被发送。当企图在某个比特率下提供最好的图象数量时或当试图提供图象数量的渐进性时，这是十分重要的，因为当比特流在某个点处被截断时，这确保在那个点处的最高系数已被发送到接收机，即减小畸变的最重要信息比首先发送的其它系数多。因此最小的错误被获得。按照可利用的比特数量，对较细的量化步骤，量化过程被递次执行。对于第一步，一个很粗糙量化的弱波系数Q1被获得。一个量化步骤仅识别变换系数的值wi是高于还是低于变换系数最大绝对值Cmax的一半：
Figure A0081134600111
因此这个步骤等效于记录相当于一给定量化值来说是有效的系数。如果系数是有效的，例如大于或等于该量化步骤，那么它的符号也被确定和传送，并且，该系数用它与量化值之差的绝对值来替代。
在译码器中相应的重建规则如下：
Figure A0081134600121
接着开始第二个量化步骤。在该步骤中，上面的过程被应用于采用量化器Q2的还不是有效的系数，量化器Q2是上一个量化器的一半。这个过程可以采用如所希望/如与可利用比特数目相适应那样多的量化步骤被重复。因为量化电平变得越来越细，所以必须精炼以前标记为有效的系数。这种精炼是通过传送有关相对于新量化步骤大小来说的系数的信息来进行。‘1’/‘0’意味着系数大于/小于添加步骤大小，因此，它的值的增加/减小，按照量化步骤大小之一半被执行。对每个量化电平，这个过程被重复。这是实现递次近似量化(Successive Approximation Quantitation)的优选方法。
有效信息以象限树方式被传送，这是与前面描述的已有解决办法不同的形式。对于在每个电平上的弱波系数，在本算法中最高的象限是带本身(LL、LH、HL或HH)。相对于量化电平采用2个符号以象限树法，带被编码：
-“1”表示这个象限至少具有一个有效系数，以及
-“0”表示这个象限不是有效的。
如果象限是有效的，那么它进一步划分为4个象限，每个象限如上所述被编码。这个过程被重复直到不允许再分为止。也就是说达到1象素象限。用这种方法，没有相关被施加到象限的象素上并可以使用赫夫门(Huffman)编码来编码有效信息，其随后可以被发送到传送通道210。这种方法允许整个区域或一个带被编码，如果非有效，用一个符号，因而术语子带跳过被使用来描述所发明方法的特性。
图4a、4b、4c和4d作为例子示出在四个电平上量化系数75的过程。图4a示出具有一个量化值＝0的量化电平0。因此系数75被量化为值0。图4b示出具有二个量化值0和60的量化电平1。因此系数75被量化为值60。图4c进一步示出具有四个量化值0、30、50、70的量化电平2。因此系数75现在被量化为70。图4d最后示出具有8个量化值0、15、25、35、45、55、65和75的量化电平3。因此系数75被量化为值75。
图5示出根据本发明的一个电信设备例如一个移动站的方块图。图5也示出它与蜂窝通信系统的连接。电信设备包含一个从基站接收射频信号的天线501。所接收的RF信号经由转换开关502被加到RF接收机511，在接收机中RF信号被放大并被转换为数字信号。随后信号在方块512中被检波和解调。解调器类型取决于电信系统的射频接口。它可能包括一个QAM解调器，或者一个RAKE混合器(combiner)。译码和去交错在方块513中被执行。这之后，信号根据信号类型(语音/图象/数据)被处理。如果所接收的数据是图象数据，则信号处理方块执行由图2中的方块220-228所描述的功能。所接收和重建的图象数据 Y可以在显示器上被显示，或者图象可以被连接到一个独立的设备例如视频监视器。图象数据也可以被存储在存储器504中。控制单元503根据在存储器504中存储的程序控制接收机方块。
在数据的发送中，控制单元503根据信号类型控制信号处理方块533。如果输入信号是图象数据，则信号处理方块533根据本发明的方法，就象图2中方块202-208那样处理数据。方块521进一步执行信号的编码和交错。脉冲串在方块522中由被编码数据形成。脉冲串在方块523中进一步被调制和放大。RF信号经由转换开关502送到天线501供发射。处理和发送方块也由控制单元503控制。
图5还示出蜂窝通信系统的几个部分，其被用于图象数据比特流的传送。RF信号的发射和接收是由基站551和天线550进行。基站具有进一步至射频网络控制器552和移动交换中心(msc)553的数据传送连接。MSC也被连接到其它射频网络控制器，连接到本地位置寄存器(HLR-Home Location Register)554和连接到公共交换式电话网络(PSTN-Public Switched Telephone Natwork)。
在电信设备中信息的处理发生在以微处理器形式的信号处理单元中和以存储器电路形式的存储器中。根据移动站和固定网络部件的术语，这类装置被如此称呼。为了把一个已知的电信设备转换为按照本发明的电信设备，必须将一组机器可读指令存储在存储装置中，以便指令信号处理器执行上面所述的操作。在存储装置中编写和存储这样的指令涉及已知的技术，当与本专利申请的内容相结合时，其是在本专业人士的能力范围之内。
正如上所述，本发明具有几个优越的特性，从而使得它对移动通信应用变得十分理想：
-所要求的算术计算数量与已有的方法相比要小，因为大多数编码仅要求进行比较，
-不需要分类和速率分配，
-对存储容量的要求低，
-功率信噪比(PSNR-Power Signal-to-Noise Ratio)与具有如在文件[5]中所述的类似计算复杂性的已有解决办法相比改善0.1-0.5dB，这已经被论证。
以上，按照本发明的解决办法的一个实施例已被描述。按照本发明的原理自然可以在权利要求所规定范围的框架内被修改，例如修改实现的细节和使用的范围。
引用文件：[1]ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N610[2]ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N632[3]ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N665[4]ISO/IEC JTC1 SC29/WG1 N638[5]SPIE Vol.3021，“A region of Internet(ROI)Based WaveletCompression Scheme for Medical Images”，Shin et al.，Departmant of Computer Science，Texas A & MUniversity.[6]Wavelets and Signal Processing Olivier Rioul andMartin Vetterli，IEEE Signal Processing Magazine；October.1991，PP.14-36.

Claims (20)

1.一种处理图象数据的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
a)变换输入图象数据为子带(202)，
b)采用递次近似量化，编码被变换图象数据以产生一个比特流，递次近似被嵌入到编码过程(204，208)中，以及：
c)采用基于象限树的方法，编码具有有效信息的比特流，并包括符号和精细信息在比特流中(206)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于阶段a)采用弱波变换来执行。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于阶段c)包括编码具有实质上二个符号的有效信息的步骤。
4.按照权利要求1-3中任意一项的方法，其特征在于它包括通过传送单一的预定符号的跳过子带的步骤。
5.按照权利要求1-4中任意一项的方法，其特征在于它包括在传送通道(210)中传送被编码的比特流。
6.将比特流处理成图象数据的方法，而比特流包含有效信息、符号和精细信息，其特征在于该方法包括下列步骤：
-采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息并从比特流中检索符号和精细信息(220)，
-提供被译码数据的一个反递次近似量化(222，228)，以及
-提供一个反变换以便产生来自被译码和被反量化的比特流的图象数据(224)。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于有效信息从实质上二个符号中被译码。
8.按照权利要求6或7的方法，其特征在于一个预定的单一符号被解释为被跳过的子带。
9.按照权利要求6-8中的任意一项的方法，其特征在于被编码的比特流从传送通道(210)中被接收。
10.一个处理图象数据的系统，其特征在于，它包括：
a)用于变换输入图象数据为不同子带的装置(202)，
b)用于采用递次近似量化编码被变换图象数据以产生一个比特流的装置(204，208)，递次近似被嵌入到编码过程，以及
c)用于采用基于象限树的方法编码有效信号到比特流并包括符号和粗细信息到比特流的装置(206)。
11.按照权利要求10的系统，其特征在于用于采用基于象限树的方法编码有效信息为比特流的装置(206)包括用于编码具有实质上二个符号的有效信息的装置。
12.按照权利要求10或11的系统，其特征在于系统包括用于编码具有单一的预定符号的一个被跳过的子带的装置。
13.按照权利要求10-12中任意一项的系统，其特征在于，它是用于处理在数据传送通道中被传送的图象信息的电信设备(500)的一部分，并且该电信设备还包括用于发送被编码比特流到数据传送通道的装置(521，522，523，502，501)。
14.一个用于将比特流处理为图象数据的系统，其中，比特流包括有效信息、符号和精细信息，其特征在于，它包括：
-用于采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息，并从比特流中检索符号和精细信息的装置(220)，
-用于提供被译码数据的一个反递次近似量化的装置(222，228)，以及
-用于提供一个反变换以便产生来自被译码和被反量化的比特流的图象数据的装置(224)。
15.按照权利要求14的系统，其特征在于用于采用基于象限树的方法从比特流中译码有效信息的装置(220)包括用于从实质上二个符号中译码有效信息的装置。
16.按照权利要求14或15的系统，其特征在于，系统包括用于将一预定单一符号解释为被跳过的子带的装置。
17.按照权利要求14-16中的任意一项的系统，其特征在于，它是用于处理从数据传送通道所接收的图象信息的电信设备(500)的一部分，并且该电信设备还包括用于从数据传送通道接收被编码比特流的装置(501，502，511，512，513)。
18.一个图角处理系统，其特征在于，用于处理和传送图象数据，它包括：
-用于变换输入图象数据为不同子带的装置(202)，
-用于采用递次近似量化编码被变换图象数据以产生一个比特流的装置(204，208)，递次近似被嵌入到编码过程中，
-用于采用基于象限树的方法编码有效信息至比特流并包括符号和精细信息至比特流的装置(206)，
-用于采用基于象限树的方法从比特流译码有效信息并从比特流中检索符号和精细信息的装置(220)，
-用于提供被译码数据的一个反递次近似量化的装置(222，228)，以及
-用于提供一个反变换以产生图象数据的装置(224)。
19.按照权利要求18的图象处理系统，其特征在于：用于采用基于象限树的方法编码有效比特流的装置(206)包括用实质上二个符号编码有效信息的装置。
20.按照权利要求18或19的图象处理系统，其特征在于，该图象处理系统是电信系统的一部分并包括用于传送在传送通道中的被编码比特流的装置(501-533)。
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