DE3784266T2

DE3784266T2 - Kompression von mehrstufigen signalen.

Info

Publication number: DE3784266T2
Application number: DE8787104078T
Authority: DE
Inventors: Langdon, Jr
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1986-04-29
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2007-03-21
Also published as: EP0245621A3; JPH0359610B2; EP0245621A2; EP0245621B1; DE3784266D1; JPS62261230A; US4749983A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kompression mehrstufiger Signale und behandelt die Verschlüsselung/Entschlüsselung sowie die Kompression/Dekompression von mehrstufigen Signalen, die von Quellen wie beispielsweise digitalisierten Graufstufenbildern kommen.
Bei der Datenkompression werden im allgemeinen Informationen verschlüsselt, um die Anzahl der Symbole zu reduzieren, die für die Identifizierung von Informationen notwendig ist. Dabei wird Speicherplatz und Zeit gespart, die für die Übertragung der Informationen erforderlich sind.
Bei einer Datenkompression, die ohne Datenverlust arbeitet, ist die Originalinformation der komprimierten Daten vollständig wiederherstellbar. Die vollständige Wiederherstellung ist vor allem bei Informationen wie beispielsweise medizinischen Röntgenbildern oder Satellitenaufnahmen wichtig, wo es schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, Bilder nachzumachen, da die ursprüngliche Auflösung des Bildes für spätere Analysen und/oder Verarbeitung benötigt wird.
Rissanen und Langdon beschreiben in "Compression of Black-White Images with Arithmetic Coding", IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-29, Nr. 6, Juni 1981 ein Verfahren zur Kompression von Schwarz/Weiß-Bildern ohne Datenverlust (z. B. Informationen, die aus zweistufigen Signalen bestehen). Das Verfahren teilt ein Kompressionssystem in eine Modellier- und eine Codiereinheit auf. In der Modelliereinheit wird ein Satz von statistischen Eigenschaften der Informationen als Ereignisse ausgewählt, für die relative Wahrscheinlichkeiten gesammelt werden. Die Informationen werden auf der Grundlage der relativen Wahrscheinlichkeiten verschlüsselt.
Um die Kompression zu verbessern, beschreiben Rissanen und Langdon weiterhin die Bedingung der Wahrscheinlichkeiten unter Verwendung der Kontexte vorheriger Ereignisse.
Das Bedingungsverfahren ist am besten anhand eines Kartenspiels zu veranschaulichen, bei dem der Kartensatz ohne Ersatz entfernt wird. Wenn die Karten im Satz entfernt werden, ändern sich die Odds entsprechend den Wahrscheinlichkeiten der Ereignisse, die in einem Zustand sind, der von den zuvor gezogenen Karten bestimmt wird.
Eine Bedingung läßt sich auch anhand der Modelliereinheit als endlichem Automaten beschreiben, für den die folgenden Gleichungen gelten:
x(t+1) = F(x(t),s(t+1))
z(t) = G(x(t))
s(t) ist das t-te Symbol in der Zeichenkette s=s(1)
s(2) . . . das zu modellieren und verschlüsseln ist;
x(t) ist ein Zwischenwert oder innere Zustand des endlichen Automaten;
z(t) ist einer der K-Kontexte oder eine der Bedingungsklassen, die durch die Zustände eines Satzes von vorherigen Ereignisse festgelegt werden.
Die Wahrscheinlichkeitsverteilung P(y/Z) bezüglich eines Symbols y bei jeder Klasse Z ergibt die bedingte Wahrscheinlichkeit, daß Symbol s(t+1) gleich y ist, vorausgesetzt, daß die zugeordnete Klasse z(t) Z ist.
Im oben beschriebenen Verfahren der Kompression von Schwärz/Weißen-Bildern ist die Zahl K der Kontexte z(t) gleich 2n, wobei n die Zahl der vorherigen Ereignisse ist, die zur Festlegung eines Kontexts ausgewählt wurden. Da jedes Signal zwei Werte hat, verfügt jeder Kontext über 2 Codierwahrscheinlichkeiten. Wenn jedes Symbol s(t) L-Werte hat, und wenn n vorherige Symbole ausgewählt werden, um jeden Kontext z(t) festzulegen, sind Ln-Kontexte vorhanden, wobei jeder Kontext eine Verteilung von L-Wahrscheinlichkeiten hat.
Todd und andere beschreiben in "Parameter Reduction and Context Selection for Compression of Gray-scale Images", IBM J. Res. Develop., Vol. 29, Nr. 2, M März 1985 ein Verfahren zur Kompression mehrstufiger Signale ohne Verlust. Das ausgewählte Ereignis ist ein Voraussagefehler, der als Differenz zwischen einem vorausgesagten Wert eines aktuellen Pels (Bildelements) und dem eigentlichen Wert definiert wird. Die Kompression wird durch die Verwendung unabhängiger Wahrscheinlichkeitsverteilungen verbessert, wobei jede Verteilung durch den Kontext einer Untergruppe von benachbarten Pels bedingt wird. Die Verbesserung wird deshalb erreicht, weil die meisten Bilder gewöhnlich aus Kontrasten zwischen "glatten Bereichen" und "Rändern" bestehen. Da die Wahrscheinlichkeit der Voraussage eines Pel-Werts in einem "glatten Bereich" anders ist als die Voraussage eines Pel-Werts bei einem "Rand", kann die Kompression verbessert werden, wenn die Wahrscheinlichkeiten durch benachbarte Pels bedingt werden.
Für ein Graufstufenbild mit L-stufigen Signalen liegen die Werte des Voraussagefehlers zwischen -L und +L. Wenn das zuvor erwähnte Verfahren zur Kompression von Schwarz/Weiß-Bildern richtig angewendet wird, wird die Anzahl der Wahrscheinlichkeiten, die gespeichert und/oder zur Entschlüsselungseinheit übermittelt werden muß, zu groß. Todd und andere beschreiben daher die Zusammenfassung von Voraussagefehlern in Bereiche oder Fehler-Buckets, wobei die Wahrscheinlichkeitsverteilungen durch Kontexte ausgewählter Untergruppen von benachbarten Pel-Fehler- Buckets bedingt werden.
Erfahrungswerte haben gezeigt, daß die Häufigkeit von Voraussagefehlern ungefähr einer in Fig. 5 gezeigten Verteilung nahe kommt. Da der größere Teil der meisten Bilder zumeist in den "glatten" Bereich fällt, kann davon ausgegangen werden, daß der Intensitätsunterschied zwischen einem Pel und seinen Nachbarn, d. h. der Voraussagefehler, gewöhnlich gering ist.
Im allgemeinen hängt die Effizienz eines Kompressionssystems von der Genauigkeit der relativen Wahrscheinlichkeiten ab, die die Ereignisse festlegen. Die Partitionierung der Voraussagefehler in Buckets beeinträchtigt natürlich die Genauigkeit der Wahrscheinlichkeitsverteilung und führt daher zu einer Verringerung der Kompressionsleistung. Um dies zu verhindern, ist nur eine geringe Anzahl von Voraussagefehlern in einen Bucket zu setzen, wenn die Häufigkeit der Voraussagefehler groß ist. Auf der anderen Seite wirkt sich dies bei wenigen vorhanden Voraussagefehlern kaum auf die Kompressionsleistung aus, selbst wenn mehrere Fehler in ein Bucket gesetzt werden. Durch die Partitionierung von Voraussagefehlern in vorbestimmte Buckets gleicher Größe gelingt es Todd und anderen nicht, die Verringerung der Kompressionsleistung aufgrund der Partitionierung zu beseitigen. Wenn die Bucket-Größen optimiert werden, führt das von Todd und anderen beschriebene Verfahren zu einem Geschwindigkeitsverlust, da ein erster Durchgang notwendig ist, um die Bucket-Bereiche festzulegen, bevor ein zweiter Durchgang zur Verschlüsselung der Daten durchgeführt werden kann.
Entsprechend des oben erwähnten Kompressionsverfahrens von Todd und anderen muß bei der Verschlüsselung eines Signals festgelegt werden, zu welchem Bucket ein Voraussagefehler gehört. Dies kann beispielsweise durch Lokalisierung einer Bucket-Zahl mit Hilfe eines Tabellenleseverfahrens in bezug auf den Fehlerwert vorgenommen werden. Die Bucket-Zahl wird in Verbindung mit dem entsprechenden Kontext verwendet, um ein entsprechendes Codewort oder einen Codierparameter auf der Grundlage der Wahrscheinlichkeitsverteilung zu lokalisieren. Bei Bildern mit beispielsweise 12-Bit-Pels wird beim Tabellenleseverfahren eine Tabelle mit 8 K Wörtern benötigt (12 Bits für die Größe des Voraussagefehlers und ein Vorzeichenbit). Bei einigen Datenkompressionsanwendungen (z. B. Satellitenaufnahmen) wird eine Übertragungszeit und/oder Antwortzeit benötigt, so daß in diesem Fall ein Tabellenleseverfahren hinderlich wäre. Es ist daher ein Verfahren zur Kompression mehrstufiger Daten erforderlich, bei dem die benötigten Schritte zur Codierung eines Signals ohne größeren Kompressionsverlust verringert werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Kompression zahlreicher mehrstufiger Signale vor, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
(a) das Voraussagen eines Wertes von einem aus der Mehrzahl von mehrstufigen Signalen;
(b) das Detektieren eines aktuellen Wertes des einen Signals;
(c) das Berechnen eines Voraussagefehlers, als Reaktion auf die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem vorausgesagten Wert;
(d) das Zuordnen des Voraussagefehlers zu einem von zahlreiche Bereichen durch Zusammenfassen des Vorzeichen: und der Anzahl signifikanter Stellen des Voraussagefehlerwertes, um einen Bucket-Wert zu erhalten;
(e) das Zuordnen eines Satzes von Codierparametern zu jedem Fehlerbereich; und
(f) das Verschlüsseln des Voraussagefehlers unter Verwendung der Codierparameter des Fehlerbereichs, dem der Voraussagefehler zugeordnet ist.
Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Vorrichtung zur Kompressionzahlreicher mehrstufiger Signale, zu der folgendes gehört:
(a) einen Prädiktor zum Voraussagen eines Wertes von einem der mehrstufigen Signale;
(b) einen Detektor zum Detektieren eines aktuellen Wertes des einen Signals;
(c) einen Komparator, der auf die Ausgänge des Prädiktors und des Detektors anspricht, um einen Voraussagefehler zu bestimmen;
(d) Mittel zum Zuordnen des Voraussagefehlers zu einem der zahlreichen vorbestimmten Fehlerbereiche durch Zusammenfassen des Vorzeichens und der Anzahl der signifikanten Stellen des Voraussagefehlerwertes, um einen Bucket-Wert zu erhalten;
(e) Mittel zum Zuordnen eines Satzes von Codierparametern zu jedem Fehlerbereich; und
(f) Mittel zum Verschlüsseln des Voraussagefehlers unter Verwendung der Codierparameter des Fehlerbereichs, dem der Voraussagefehler zugeordnet ist.
Die Vorrichtung erleichtert die Kompression mehrstufiger Signale, indem die Größe der Fehler-Buckets entsprechend der Häufigkeit der Voraussagefehler, die im Bucket enthalten sind, variiert, ohne daß zusätzliche Durchläufe erforderlich sind. Darüber hinaus ist das oben erwähnte Tabellenleseverfahren zur Lokalisierung eines Buckets nicht erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den Begleitzeichnungen dargestellt werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Kompressionssystems, das aus einer Modelliereinheit und einer Codiereinheit besteht;
Fig. 2 zeigt einen Teil des Bildes, das die zu komprimierende Information darstellt;
Fig. 3 zeigt die Struktur der Modelliereinheit eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4 zeigt die Struktur der Dekodiereinheit;
Fig. 5 stellt eine grobe Verteilung der Häufigkeit von Voraussagefehlern eines Bildes dar;
Fig. 6 (a) zeigt das Speichern von statistischen Daten für einen Null/Nicht-Null Voraussagefehler; und
Fig. 6 (b) zeigt das Speichern statistischer Daten für das Vorzeichen und den exponentiellen Teil ohne Vorzeichen der Voraussagefehler durch eine Deblockierung.

A. VERSCHLÜSSELUNG

Fig. 1 zeigt ein Datenkompressionssystem, auf das die Erfindung Bezug nimmt. Es besteht aus einer Modellierstruktureinheit 1 sowie einer Statistik- und Codiereinheit 2. Signale 3 von einer Informationsquelle (nicht sichtbar) wie beispielsweise einem digitalisierten Graufstufenbild werden zur Modellierstruktureinheit 1 geführt, in der sie zu einem oder mehreren Ereignissen 4 und einem Kontext 5 umgewandelt werden. Die Ereignisse 4 und der Kontext 5 werden danach zur Statistik- und Codiereinheit 2 geführt, in der das/die Ereignis(se) in die Code-Zeichenkette 6 umgewandelt wird (werden), und zwar auf der Grundlage der bedingten Wahrscheinlichkeit der/des Ereignisse(s) im gegebenen Kontext.
Fig. 2 zeigt einen Teil eines digitalisierten Graufstufenbildes, das durch das Kompressionssystem von Fig. 1 komprimiert wird, und von dem Signale erzeugt werden. Das Graustufenbild wird in L Reihen·M Spalten von Pels digitalisiert. Jedes Pel des Bildes wird zu einem Element eines zweidimensionalen (L·M) Feldes, in dem jedes Element ein n-Bit-Signal ist, das die Intensitätsstufe (Pel-Werte) eines digitalisierten Bildpunktes beschreibt. Wenn das Bild mit Beginn in der ersten Reihe von links nach rechts Reihe nach Reihe (Rasterabtastung) abgetastet wird, wird das zweidimensionale Feld in zeitsequentielle Signale umgewandelt. Wenn z(t) den Wert des gerade abgetasteten Pels z(i,j) 7 darstellt, ist z(t-1) der Wert des vorherigen Pels z(i,j-1) 8, während z(t-M) den Wert des Pels z(i-1,j) 9 unmittelbar über z(i,j) 7 darstellt.
In dem oben erwähnten Graustufen-Kompressionsverfahren von Todd und anderen wird dargelegt, daß die Datenkompression auch unter Verwendung von Voraussagefehlern als Codierereignisse durchgeführt werden kann. Des weiteren wird beschrieben, daß Voraussagefehler unter Verwendung einer der folgenden Prädiktoren erzeugt werden können:
P : e(t) = z(t) - z(t-1) - [z(t-M+1) - z(t-M-1)]/2
P&sub0; : e(t) = z(t);
Ph : e(t) = z(t) - z(t-1)
Pv : e(t) = z(t) - z(t-M), usw.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der horizontale Prädiktor gewählt. Ein Voraussagefehler wird folgendermaßen erzielt:
Voraussagefehler = Pel-Wert des neuen Pels - vorausgesagter Wert
= Pel-Wert des neuen Pels - Pel-Wert des vorherigen Pels. Fig. 3 zeigt die Struktur des Kompressionssystems. Das System besteht aus einem Modul 50 für die Erzeugung von Voraussagefehlern, einem Modul 51 für die Erzeugung von Ereignissen und eines Kontexts, einem Modul 52 für die Erzeugung von Kontextkomponenten sowie einer Codiereinheit 2, die ein Mittel für den Code selbst plus ein Statistikmittel 53 für das Speichern der Codierparameter (arithmetische Codierung) oder Codewörter umfaßt.
Das Modul 50 zur Erzeugung der Voraussagefehler besteht aus einem Register CPEL 10 mit dem aktuellen Pel-Wert und einem Register PPEL 11 mit dem vorherigen Pel-Wert. Da der vorausgesagte Wert eines horizontalen Prädiktors der vorherige Pel-Wert ist, stellt PPEL 11 eigentlich den vorausgesagten Pel-Wert dar. Die Inverter 12 und der Addierer 13 werden verwendet, um eine Differenz zwischen dem vorherigen Pel-Wert und dem aktuellen Pel-Wert zu erzeugen, wobei die Differenz in diesem Ausführungsbeispiel der Voraussagefehler ist.
Das Modul 51 partitioniert die Voraussagefehler von Modul 50 in die Ereignisse ZERO 20, SIGN 17, EXPONENT 28, MANTISSA 22, die verschlüsselt werden, sowie in die Kontexteingabe 30.
Das Modul 52 empfängt die Kontexteingabe 30 von Modul 51 und erzeugt die Kontextkomponenten VBUC 33 und HBUC 31, die zur Lokalisierung des entsprechenden Codierparameters oder Codeworts zur Codierung der Pels verwendet werden.
Das Verschlüsseln der Ereignisse ZERO 20, SIGN 17, EXPONENT 28 und MANTISSA 22 wird in der Codiereinheit 2 durchgeführt. Die Codiereinheit 2 besteht aus einem Mittel zum Speichern von Codewörtern oder Codierparametern für jedes Ereignis, je nach Kontextkomponente VBUC 33 und HBUC 31. Die Statistik- und Codiereinheit verfügt über ein Mittel zum Verschlüsseln der Ereignisse ZERO 20, SIGN 17, EXPONENT 28 und MANTISSA 22, wobei die entsprechenden Codierparameter oder Codewörter dafür verwendet werden. Jedes der Codiermittel kann verwendet werden, einschließlich adaptiver oder nicht-adaptiver arithmetischer Codierung oder eines Huffmann-Codeworts für jeden Ereigniswert im entsprechenden Kontext.
Die Funktionsweise des Kompressionssystems kann veranschaulicht werden, indem von einem Signal ausgegangen wird, das von der Informationsquelle 3 kommt. Das Signal wird zuerst im Register CPEL 10 gespeichert. Wenn das nächste sequentielle Signal ankommt, wird das vorherige Signal im Register PPEL 11 gespeichert. Das bedeutet, daß das Register CPEL 10 zu jedem Zeitpunkt t den aktuellen Pel-Wert z(t) enthält, während das Register PPEL 11 den Wert z(t-1) des vorherigen Pels enthält, das den vorausgesagten Pel-Wert darstellt.
Um den Voraussagefehler zu berechnen (z. B. die Differenz zwischen dem aktuellen Pel-Wert z(t) und dem vorherigen Pel-Wert z(t-1)), wird der Inhalt des Registers PPEL 11 zuerst von den Invertern 12 umgekehrt. Die Ausgabe der Inverter 12 geht zu einer Seite des Addierers 13, während die Ausgabe des Registers CPEL 10 zur anderen Seite geht. Der Addierer 13 addiert CPEL und das Einser-Komplement von PPEL. Der höherwertige Übertragausgang C/OUT 14 des Addierers 13 wird zum niedrigwertigen Übertrageingang 15 zurückgebracht, wodurch die folgende Einser-Komplementarithmetik gebildet wird:
CPEL - PPEL = Voraussagefehler
Der höherwertige Übertragausgang C/OUT 14 des Addierers 13 wird vom Inverter 16 umgekehrt, um das Vorzeichen des Voraussagefehlers SIGN 17 zu bilden.
Die n-Bit-Ausgabe des Addierers 13 wird von den Invertern 18 umgekehrt, wobei deren Ausgabe durch die UND-Gatter 19 in einer UND-Operation bearbeitet werden, um das Signal ZERO 20 zu bilden. ZERO 20 ist nur dann wahr, wenn die n-Ausgabebits des Addierers 13 alle 0 sind. ZERO 20 ist daher ein Signal, das eine Bedingung eines Null-Voraussagefehlers anzeigt.
Um die Ausgabe des Addierers 13 auf einen absoluten Wert umzuwandeln, wird jedes Bit der Ausgabe von Addierer 13 in einer exklusiven ODER-Operation mit SIGN 17 bearbeitet, wobei die EXKLUSIV-ODER-Gatter 21 verwendet werden. Wenn SIGN 17 negativ ist, kehren die EXKLUSIV-ODER-Gatter 21 jedes Bit der Addiererausgabe um. Wenn SIGN 17 jedoch positiv ist, geht die Addiererausgabe unverändert durch die EXKLUSIV-ODER-Gatter. Die n-Bit- Ausgabe MANTISSA 22 des EXKLUSIV-ODER-Gatters 21 ist daher der absolute Wert des Voraussagefehlers. Wenn dieser Wert mit der entsprechenden Größe verschoben wird, handelt es sich um eine skalierte Mantisse.
MANTISSA 22 wird zum Prioritätscodierer 23 geführt. Der Prioritätscodierer 23 wird in Langdon, "Computer Design", Computeach Press, San Jose California, 1982, SS. 489-491 beschrieben. Der Prioritätscodierer 23 umfaßt einen "führende 1" Detektorschaltkreis 24, der eine "1" in alle Position der führenden 1 und eine "0" in alle anderen Bitpositionen setzt, sowie einen Codierer 25, bei dem die Ausgabe des "führende 1" Detektorschaltkreises 24 in eine 4-Bit-Zahl 26 verschlüsselt wird.
Die Bits 1-3 der Ausgabe von Prioritätscodierer 23 bilden das Signal EXPONENT 28. Aus Tabelle 1 geht hervor, daß der EXPONENT 28 einen von acht möglichen Werten abhängig vom Wert des Voraussagefehlers hat: Tabelle 1 Partitioniertung von MANTISSA 22 Absoluter Fehler-GRUPPE wert Zu codierende 2n (Binär-)Bits der MANTISSA (mit x gekennzeichnet) findet keine Anwendung keine
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß der Prioritätscodierer verwendet wird, um einen Exponenten des Voraussagefehlers mit der Basis 2 festzulegen.
Tabelle 1 verdeutlicht ebenfalls, daß Voraussagefehler mit Exponentenwerten, die größer als 7 sind, in einem Bucket zusammengefaßt werden, der Voraussagefehler mit einem Exponentenwert von 7 enthält.
EXPONENT 28 wird mit dem Vorzeichenbit SIGN 17 verbunden, um eine Bucket-Zahl zu bilden, die als Kontextkomponente zur Bedingung der Codierwahrscheinlichkeiten verwendet wird. Die Addition eines Vorzeichens zu den acht möglichen Werten von EXPONENT 28 ergibt 17 Fehler-Buckets, z. B. -8, -7,...-1, 0, +1, .. +7, +8. Um diese Buckets später als Kontextkomponente verwenden zu können, wird eine 4-Bit-Bucketzahl benutzt. Um die Zahl der Buckets von 17 auf 16 herabzusetzen, werden die Buckets -8 und +8 zu einer einzelnen 4-Bit-Binärzahl 1000 zusammengefaßt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Bit 0 27 der Ausgabe 26 von Prioritätscodierer 28 mit dem Signal SIGN 17 beim ODER-Gatter 29 in einer ODER-Operation bearbeitet wird.
Wenn die Voraussagefehler als Kontextkompenten 31 und 33 verwendet werden, können sie folgendermaßen zusammengefaßt werden:
1. Buckets -7 bis +7, die jeweils durch ein Vorzeichenbit und drei Adreßbits dargestellt werden. (z. B. -7 ist binär 1111, 0 ist binär 0000, +7 ist 0111 usw.); und
2. ein spezieller Bucket 1000, der die Voraussagefehler enthält, die kleiner als -128 und größer als +128 sind.
Die Bucketzahl 30 wird verwendet, um die Kontextkomponenten für die bedingte Wahrscheinlichkeitsverteilung des Signals z(t) zu bilden. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Fehler-Buckets des vertikalen Pels 9 und des vorherigen Pels 8 als Kontextkomponenten verwendet. Die Bucketzahl 30 wird im Register HBUC 31 gespeichert. Die Ausgabe von HBUC 31 ist die Eingabe der Codiereinheit 2 als eine Kontextkomponente zur Codierung von z(t). Gleichzeitig wird der Inhalt von HBUC 31 in einem Schieberegisterspeicher 32 mit M-Elementen gespeichert. Die Ausgabe 33 des Schieberegisterspeichers 32, die der Fehler- Bucket des Pels senkrecht über dem aktuellen Pel ist, stellt eine weitere Kontextkomponente zur Codierung von z(t) dar.
Die Codiereinheit 2 empfängt die Beschreibung der Voraussagefehler als Werte der Ereignisse ZERO, SIGN, MANTISSA und EXPONENT. Die Verschlüsselung eines Voraussagefehlers in der Codiereinheit 2 wird auf der Grundlage von Codierparametern, die statistische Daten widerspiegeln, durchgeführt, wie dies für die Kontextkomponeten HBUC und VBUC festgelegt wurde.
Tabelle 2 verdeutlicht die Schritte der Codiereinheit 2. Bei der Verschlüsselung eines Voraussagefehlers eines Pels besteht der erste Schritt in der Prüfung von ZERO, um festzustellen, ob der Wert wahr ist (1.2). Wenn ZERO wahr ist (z. B. der Voraussagefehler für das Pel ist Null), wird ZERO=wahr als Ereignis 1 verschlüsselt (1.3) und das nächste Pel wird verarbeitet.
Wenn der Voraussagefehler nicht Null ist, wird ZERO=falsch als Ereignis 1 verschlüsselt. Das Vorzeichen des Voraussagefehlers SIGN, die Fehler-Bucketzahl EXPONENT (z. B. Positionierung des führenden "1" Bits) sowie der absolute Wert des Fehlers, der nach dem führenden "1" Bit kommt, [MANTISSA]EXPONENT-1 werden als Ereignisse 2, 3 bzw. 4 verschlüsselt (1.5 bis 1.9). (Ausnahme: wenn der EXPONENT gleich 1 ist, ist die MANTISSA gleich 0 und das Ereignis 4 wird nicht verschlüsselt (1.8)).

Tabelle 2

Codierschritte

1.1 Do until last pel
1.2 if (ZERO=true) then
1.3 encode (EVENT 1 = true)
1.4 else
1.5 encode (EVENT 1 = false)
1.6 encode (EVENT 2 = SIGN)
1.7 encode (EVENT 3 = EXPONENT)
1.8 if (EXPONENT ne 1) then
1.9 encode (EVENT 4 = [MANTISSA]EXPONENT-1)
1.10 endif
1.11 endif
1.12 enddo
Beim Verschlüsseln der Ereignisse werden die Komponenten HBUC und VBUC verwendet, um die statistischen Daten für den Kontext zu adressieren. Das Ereignis EXPONENT wird entsprechend dem in Fig. 6 (b) gezeigten Baum verschlüsselt, bei dem der Wert von EXPONENT in den Eintragungen einer 8-Versatz-Untertabelle entblockt wird. Das Verfahren der Entblockung eines Ereignisses wird von Langdon und anderen in dem Artikel "Deblocking Method For Use With An Adaptive Arithmetic Encoder/Decoder", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 23, Nr. 6, November 1980, S. 2528 beschrieben.
Die Ereignisse können unter Verwendung einer der gängigen Verschlüsselungsverfahren verschlüsselt werden. Als Beispiel wird hier ein Verschlüsselungsverfahren beschrieben, bei dem ein Voraussagefehler von -2 verschlüsselt wird. Die Verschlüsselung verwendet den Codierer, der in der US-Patentschrift Nr. 4,467,317 beschrieben wird, die Langdon und anderen am 21. August 1984 zugesprochen wurde. Das Patent trägt den Titel "High-speed Arithmetic Compression using Concurrent Value Updating". Weitere Beschreibungen zur binären arithmetischen Codierung finden sich in Langdon, "An introduction to Arithmetic Coding", IBM Journal of Research and Development, Vol 28, Nr. 2, SS. 135-149.
"0" ist dabei eine Bedingung keines Voraussagefehlers (Voraussagefehler=0) und "1" ist ein Voraussagefehler ungleich Null. Die Statistiktabelle für den Binärcode sieht dabei folgendermaßen aus: Tabelle 3 Statistiktabelle Binärereignisse Null/Nicht-Null Fehlertabelle mit Werten ungleich Null (Vorzeichen)
Das erste zu verschlüsselnde Ereignis ist eine Null/Nicht-Null- Bedingung. Bei einem Voraussagefehler von -2 ist das zu verschlüsselnde Ergebnis "ungleich Null" oder der Wert "1". Aus Tabelle 3 geht hervor, daß dieser Wert das MPS ist, so daß ein Versatz von 3 verwendet wird. Bezug nehmend auf Fig. 2 der oben erwähnten Patentschrift Nr. 4,467,317 und der dazugehörenden Beschreibung wird ein Binärwert von 0.0001 (2**-3) vom Register T abgezogen und 0.001 wird zum Register C hinzuaddiert.
Da der Voraussagefehler ungleich Null ist, muß als zweites Ereignis SIGN 17 verschlüsselt werden, das das Vorzeichen des Fehler-Buckets ist. Die statistischen Daten für das Vorzeichen sind wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist an der Speicherstelle 000 gespeichert. "1" soll ein negatives Vorzeichen sein. Aus Tabelle 3 geht hervor, daß ein K von 1 verschlüsselt werden muß. Somit wird 0.1 von Register T abgezogen und 0.1 zu C hinzuaddiert.
Das dritte zu verschlüsselende Ereignis ist die Bucket-Zahl für den Wert 2 des Voraussagefehlers. Laut Tabelle 1 ist die Darstellung für den Bucket 001, so daß das dritte Ereignis ein führendes Bit, das 0 ist, zu verschlüsseln hat. Aus Tabelle 3 geht hervor, daß die Tabellenadresse für das dritte Ereignis immer 001 ist. Die statistischen Daten ergeben, daß 0 wahrscheinlicher ist und einen K von 3 hat. Somit wird das Ergebnis O des dritten Ereignisses verschlüsselt, indem 0.001 von Register T abgezogen und 0.001 zu Register C hinzuaddiert wird.
Beim vierten Ereignis wird das zweite Bit der Darstellung von 001, das 0 ist, verschlüsselt. Laut Fig. 6 (b) und Tabelle 3 ist die Adresse für die Statistik in der Tabelle 010. Die Adresse wird ermittelt, indem die vorherige Adresse nach links verschoben und der Wert des vorherigen Ergebnisses addiert wird. (Wäre das dritte Ereignis 1 gewesen, hätte die Adresse des vierten Ereignisses 011 gelautet). Am Tabellenplatz 010 ist das MPS "1" und K ist 2. Da das Ergebnis 0 anstatt 1 ist, lautet der Ergebnistyp NICHT MPS. Somit wird das Ergebnis des vierten Ereignisses verschlüsselt, indem Register C K=2 Stellen nach links verschoben wird, während 1.0 Register T zugeordnet wird.
Beim fünften Ereignis wird das letzte Bit mit dem Wert 1 der 3- Bit Binärdarstellung 001 des Bucket-Wertes 2 verschlüsselt. Wenn die ersten beiden Bits der Darstellung 00 ist, lautet die Adresse des fünften Ereignisses 100. Aus Tabelle 3 geht hervor, daß der Wert 1 das MPS und K 2 ist. Das Ergebnis ist somit MPS und damit wird 0.01 von Register T abgezogen und 0.01 zu Register C hinzuaddiert. Der neue Wert des Registers T ist 0.110, und eine Normalisierungsverschiebung um ein Bit macht daraus 1.110. Register C muß ebenfalls um eine Bitposition nach links verschoben werden. Damit ist die Verschlüsselung des exponentiellen Teils des Voraussagefehlers abgeschlossen.
Da die Gleitkomma-Darstellung einen ganzen Wert beschreibt, bestimmt der Exponent die Anzahl der signifikanten, zu verschlüsselnden Mantissebits. An diesem Punkt muß das werthöchste 1-Bit der unskalierten Mantisse nicht verschlüsselt werden. In Verbindung mit dem Wert des EXPONENT 38 weiß die Ereignisauswahllogik, welche Bits als nächstes von MANTISSA 22 zu verschlüsseln sind. Um die Verschlüsselung des Fehlers somit abzuschließen, muß der Wert 0 verschlüsselt werden. Dies kann mit festen oder adaptiven statistischen Daten durchgeführt werden. Gesetzt der Fall, die statistischen Daten sind bei MPS auf 1 und bei K auf 1 festgelegt, dann wird der Mantissewert von 0 als LPS-Operation verschlüsselt, wobei Register C ein Bit nach links verschoben wird, während Register T auf 1.0 gesetzt wird. Wenn der Bucket-Wert 3 ist, werden die beiden Mantissen entsprechend dem fünften Ereignis wie bei einem Exponenten von 3 verschlüsselt. Der Fehlerbereich ist 4, 5, 6, 7.

B. Entschlüsselung

Fig. 4 zeigt die Hardware, wobei die Ausgabezeichenkette des oben beschriebenen Codierers wieder in die ursprüngliche Information zurückcodiert wird. Der Dekoder 34 empfängt die codierte Zeichenkette 35, die vertikale Kontextkomponente VBUCD 36 und die horizontale Kontextkomponente HBUCD 37. Die Entschlüsselung wird unter Verwendung der gleichen statistischen Daten oder Codierparameter wie bei der Verschlüsselung durchgeführt und von den Kontextkomponenten HBUCD 37 und VBUCD 36 bedingt. Tabelle 4 zeigt die vom Dekoder 34 ausgeführten Schritte. Unter Verwendung der entsprechenden statistischen Daten (bedingt von den Kontextkomponenten HBUCD 37 und VBUCD 36) entschlüsselt der Dekoder 34 zuerst das Ereignis 1 (2.2), das die Codierung des oben erwähnten ZERO ist. Das entschlüsselte Ergebnis wird in das Register ZEROD 38 gesetzt. Wenn der Voraussagefehler nicht Null ist (2.3), geht der Dekoder zur Entschlüsselung von Ereignis 2 (Codierung von SIGN) und Ereignis 3 (Codierung von EXPONENT) über (2.4 und 2.5). Das Ergebnis der Entschlüsselung von Ereignis 2 wird in das Register SIGND 39 gesetzt, während das Ergebnis der Entschlüsselung von Ereignis 3 in das Register EXPONENTD 40 kommt. Abhängig vom entschlüsselten Wert des Ereignisses 3 wählt der Dekoder 34 aus, wie viele zusätzliche Bits noch entschlüsselt werden müssen (2.7). Wenn die zusätzlichen Bits bitweise seriell verschlüsselt wurden, werden sie in der gleichen Reihenfolge entschlüsselt und in ein N-Bit-Register MANTISSAD 41 gesetzt.

Tabelle 4

Dekoder-Schritte

2.1 do until last pel
2.2 ZEROD = decode (EVENT 1)
2.3 if (ZERO = false) then
2.4 SIGND = decode (EVENT 2)
2.5 EXPONENTD = decode (EVENT 3)
2.6 if (EXPONENTD ne 1) then
2.7 MANTISSAD = decode (EVENT 4)
2.8 endif
2.9 endif
2.10 enddo
Der Inhalt der Register ZEROD 38, SIGND 39, EXPONENTD 40 und MANTISSAD 41 wird im kombinatorischen Schaltkreis 42 zusammengefaßt, um den Voraussagefehler zu bilden. Die logischen Schritte des kombinatorischen Schaltkreises 42 werden in Tabelle 5 beschrieben.

Tabelle 5

Logische Schritte im kombinatorischen Schaltkreis

3.0 Initialise prediction error to zero
3.1 If (ZERO = true), then
3.2 prediction error = 0
3.3 else
3.4 sign of prediction error = SIGND
3.5 if EXPONENTD = 1 then goto LAB1
3.6 if EXPONENTD = 8 goto LAB3
3.7 goto LAB2
3.8 endif
3.9 LAB1 if (SIGND = +) then
3.10 prediction error = +1
3.11 else
3.12 prediction error = -1
3.13 endif
3.14 LAB2 I = EXPONENTD -1
3.15 prediction error = 1
3.16 shift prediction error left I position
3.17 sign of prediction error = SIGND
3.18 LAB3 ORed MANTISSAD to prediction error
Wenn das Vorzeichen des Voraussagefehlers entsprechend Register SIGND 39 positiv ist, geht die Ausgabe 48 des kombinatorischen Schaltkreises 42 direkt durch die Logikeinheit 46 und wird durch den Addierer 44 zum Inhalt des Registers PPELD 43 hinzugezählt, um den Wert des gerade entschlüsselten Pels z(t) zu erhalten. Wenn das Vorzeichen entsprechend Register SIGND negativ ist, kehrt die Logikeinheit die Ausgabe 48 des kombinatorischen Schaltkreises 42 vor der Addition um. Dadurch wird eine Einser- Komplement-Subtraktion durchgeführt, wenn der Voraussagefehler negativ ist. Der höherwertige Übertragausgang C/OUT 54 des Addierers 45 wird zum niedrigwertigen Übertrageingang C/IN 47 zurückgeführt, um das "Endborg"-Signal zu verbreiten.
Die Ausgabe des Addierers 44 wird in Register PPELD 43 gespeichert, so daß das Register PPELD 43 den Pel-Wert des vorherigen Pels enthält.
Obgleich die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im einzelnen aufgezeigt und beschrieben wurde, können für Fachleute verständlich verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne dabei vom Gegenstand der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Kompression einer Mehrzahl von mehrstufigen Signalen, das die Schritte aufweist:

(a) Voraussagen eines Wertes von einem aus der Mehrzahl von Mehrstufigen Signalen;

(b) Detektieren eines aktuellen Wertes des einen Signals;

(c) Berechnen eines Voraussagefehlers, als Reaktion auf die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem vorausgesagten Wert;

(d) Zuordnen des Voraussagefehlers an einen aus einer Mehrzahl von Bereichen durch Vereinen des Vorzeichens und der Anzahl signifikanter Steilen des Voraussagefehlerwertes, um einen Kübel-Wert zu entwickeln;

(e) Zuordnen eines Satzes von Codeparametern an einen jeden solchen Fehlerbereich und

(f) Verschlüsseln des Voraussagefehlers unter Verwendung der Codeparameter des Fehlerbereichs, dem der Voraussagefehler zugeordnet Ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt zum Verschlüsseln des Absolutwertes des Voraussagefehlers mit seinem zugeordneten Fehlerbereich enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das die Schritte zum Zuordnen an einen Fehlerbereich, der dazu bestimmt ist, einem spezifischen Fehlerwert zu entsprechen, wobei Voraussagefehler eine entsprechende Anzahl signifikanter Stellen, bis zu einen vorbestimmten Wert, besitzen und zum Zuordnen aller Fehlerwerte, die eine Anzahl signifikanter Stellen besitzen, die größer als der vorbestimmte Wert ist, an einen separaten Fehlerbereich.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verschlüsseln des Voraussagefehlers umfaßt:

(i) Umwandeln des Voraussagefehlers in einen exponentiellen Teil und einen Mantissenteil;

(ii) statistisches Verschlüsseln des exponentiellen Teils unter Verwendung einer Untergruppe von Voraussagefehlern, die aus anderen aus der Mehrzahl von mehrstufigen Signalen berechnet wurden, als Zusammenhang, und

(iii) Vereinen des verschlüsselten exponentiellen Teils mit einer Verschlüsselung des Mantissenteils.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Umwandeln des Voraussagefehlers in einen exponentieilen Teil und einen Mantissenteil unter Verwendung der Basis zwei ausgeführt wird, jedoch unterlassen wird, wenn der Voraussagefehler Null ist, in welchem Fall er explizit so verschlüsselt wird.

6. Einrichtung zur Kompression einer Mehrzahl von mehrstufigen Signalen, die aufweist:

(a) eine Vorraussageeinheit zum Voraussagen eines Wertes von einem aus der Mehrzahl von Mehrstufigen Signalen;

(b) einen Detektor zum Detektieren eines aktuellen Wertes des einen Signals;

(c) einen Komparator, der auf die Differenz zwischen dem aktuellen Wert und dem vorausgesagten Wert anspricht, um einen Voraussagefehler zu bestimmen;

(d) Mittel zum Zuordnen des Voraussagefehlers an einen aus einer Mehrzahl von Bereichen durch vereinen des Vorzeichens und der Anzahl signifikanter Steilen des Voraussagefehlerwertes, um einen Kübel-Wert zu entwickeln;

(e) Mittel zum Zuordnen eines Satzes von Codeparametern an einen jeden solchen Fehlerbereich und

(f) Mittel zum Verschlüsseln des Voraussagefehlers unter Verwendung der Codeparameter des Fehlerbereichs, dem der Voraussagefehler zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, die weiters Mittel zum Bestimmen, ob der Voraussagefehler Null ist, Mittel, die auf einen Voraussagefehler von Null ansprechen, um eine Null zu Verschlüsseln, und Mittel aufweist, die auf einen Voraussagefehler ansprechen, der nicht Null ist, um:

(i) einen Hinweis auf das Vorzeichen des Voraussagefehlers zu erzeugen,

(ii) einen Hinweis auf die Position der Stelle zu erzeugen, welche die wichtigste Stelle des Absolutwertes des Voraussagefehlers, die ungleich null ist, angibt- und

(iii) einen Hinweis auf den Absolutwert der Stellen zu erzeugen, die der wichtigsten Stelle, die ungleich Null ist, folgen.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, die weiters einen Dekoder aufweist.