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Die
Erfindung betrifft einen digitalen Videoprozessor. Genauer gesagt
betrifft die Erfindung ein Bildkompressionsverfahren und eine Vorrichtung
zur Verminderung der Speichererfordernisse eines digitalen Videoprozessors.
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Die
wirksame Verwendung von Speicherung ist bei der Entwicklung und
bei dem Betrieb von Bildprozessoren wichtig. Beispielsweise können Verbraucherprodukte
wie Fernsehsysteme Bildprozessoren verwenden, die eine MPEG-2-Signalverarbeitung
einschließen.
Die MPEG-(Motion Picture Experts Group)-Signal-Kompressions-Norm
(ISO/IEC 13181-2, 10. Mai 1994) ist eine verbreitet angenommene
Bildverarbeitungs-Norm, die insbesondere für die Verwendung bei Satelliten-,
Kabel- und terrestrischen Rundfunksystemen attraktiv ist, die hochauflösende Fernseh-(HDTV)-Verarbeitung
neben anderen Arten von Bildverarbeitung verwenden. Produkte, die hochauflösende Anzeigen
verwenden, können
96 Mbits oder mehr an Speicherung erfordern, um zeitweilig gemäß MPEG kodierte
Vollbilder vor der Anzeige zu speichern. Ein MPEG-Prozessor benötigt diese
Vollbilder für
die Bewegungsbewertung und die Kompensation, um genaue Bilder für die Anzeige
zu rekonstruieren.
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Systeme,
die Bilder aus nach MPEG dekodierten Bildelementen (Pixel oder Pels)
rekonstruieren, verwenden differentielle Impuls-Code-Modulation
(DPCM). Für
DPCM erzeugt ein Prozessor einen Vorhersagewert, der den nächsten Pixelwert
vorhersagt. Ein Summierungsnetzwerk subtrahiert die Vorhersage von
dem aktuellen Pixelwert, was zu einer Differenz führt, die
zur Darstellung des gegenwärtigen
Pixelwertes als auch dazu dient, den nächsten Pixelwert vorherzusagen.
Diese Differenz, bekannt als Vorhersagefehler, ist im allgemeinen
kleiner als die ursprünglichen
Pixel- oder Vorhersagewerte, so dass die Verarbeitung der Differenz
an statt der ursprünglichen
Pixelwerte Bandbreite-Erfordernisse des
Systems vermindert. Der Vorhersagefehler kann einen positiven oder
negativen Wert haben. Ang et al. „Video Compression Makes Big
Gains", IEEE-Spectrum,
Oktober 1991, beschreibt allgemein einen MPEG-Kodierer und -Dekodierer,
der DPCM-Verarbeitung verwendet.
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Speicher-wirksame
Bildprozessoren verwenden weniger Speicherung, um Vollbilder durch
Neukodierung (Rekompression) der Blockdaten vor der Speicherung
zu speichern. In dem räumlichen
Bereich beeinträchtigt
die Verminderung der Zahl von Bits pro Pixel, die zur Speicherung
von Vollbildern verwendet wird, die Bildqualität, wenn die Pixel nicht genau
auf ihre ursprüngliche
Bitgröße rekonstruiert werden
können.
Artefakte können
insbesondere in ruhigen Bereichen des Bildes auftreten. Bildprozessoren
mit Speicherverminderung sollten das gemäß MPEG dekodierte Signal genau
und so wirksam und wirtschaftlich wie möglich quantisieren und dequantisieren.
Es ist bekannt, die menschliche optische Physiologie durch unterschiedliche
Verarbeitung von Luminanz- und
Chrominanzdaten auszunutzen. Die Optimierung von Kompressionsgesetzen
für jede
Art von Daten, um die Energie in den Daten zu begründen, wie
auch das, was das menschliche Auge sehen kann, ist im US-Patent
4,575,749, Acampora et al., beschrieben. Das Acampora-Patent offenbart
Amplitudenkompression, um Rauschen in Fernsehsignalen vor der Übertragung
zu vermindern.
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Die
Erfinder haben den Wunsch nach Schaffung eines wirksamen Datenverminderungssystems erkannt,
das minimale Hardware und Software verwendet, das Speicherung einspart
und die physikalische Größe des Prozessors
vermindert, wäh rend
in die rekonstruierten Daten eingeführte Artefakte minimiert werden.
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Gemäß den Prinzipien
der Erfindung, die in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 17 dargelegt sind, erzeugt ein Bildprozessor zu quantisierende DPCM-Vorhersage-Fehlerwerte. Vor
der Quantisierung bestimmt der Prozessor, ob der Vorhersagefehler
positiv oder negativ ist. Wenn der Vorhersage-Fehlerwert positiv
ist, gelangt der Wert unverändert
zu einem Quantisierer. Wenn der Vorhersage-Fehlerwert negativ ist, wird dem Vorhersage-Fehlerwert
ein Vorspannungswert hinzugefügt,
um eine positive Zahl in dem Umfang des Quantisierers zu erzeugen.
Vorgespannte und nicht vorgespannte Vorhersage-Fehlerwerte verlaufen
zu dem Quantisierer. Da alle von dem Quantisierer empfangenen Werte positiv
sind und innerhalb der gegenwärtigen
Quantisierer-Grenzen liegen, braucht die von dem Quantisierer verwendete
Quantisierungs-Tabelle keine Quantisierungswerte für negative
Vorhersage-Fehlerwerte zu enthalten. Dies vermindert den Umfang der
Vorhersage-Fehlerwerte um einen Faktor 2 und verdoppelt die Quantisierungs-Auflösung. Weitere Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild eines Pixelblock-Prozessors,
der ein erfindungsgemäßes System
enthält;
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2 Einzelheiten
des Kompressionsteils des Systems von 1;
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3 ein
paketisiertes Datenformat, das für die
Verwendung in einem erfindungsgemäßen System geeignet ist;
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4 Einzelheiten
des Dekompressionsteils des Systems von 1;
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5A Einzelheiten
des Quantisierungs-Abbildungsteils
von 2;
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5B eine
Wahrzeits-Tabelle für
den Auswahlblock von 5A;
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6A die
positiven und negativen Eigenschaften von Vorhersage-Fehlerwerten über Rekonstruktionsstufen
der Quantisierungs-Tabelle;
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6B eine
4-Bit-Quantisierungs/Dequantisierungs-Tabelle gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6C eine
5-Bit-Quantisierungs/Dequantisierungs-Tabelle gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ein
Flussdiagramm des Aufbaus einer Quantisierungs/Dequantisierungs-Tabelle und der Verarbeitung
von Daten unter Verwendung der Tabelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 ein
Blockschaltbild eines mit MPEG kompatiblen Fernsehsystems, das die
vorliegende Erfindung verwendet.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
ein Fernsehempfänger
einen MPEG-Dekodierer. Ein Daten-Kompressions-Netzwerk
quantisiert ein dekodiertes und dekomprimiertes MPEG-Signal, das
8 × 8
Bildblöcke
enthält,
vor der Speicherung in einem Vollbildspeicher und rekonstruiert
die Bildblöcke,
wenn sie für
eine Bildanzeige benötigt werden.
Eine Anzeigevorrichtung zeigt die von dem Vollbildspeicher abgeleiteten
Bildinformationen an.
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Um
die Datenintegrität
in dem ganzen Datenverminderungs-Netzwerk aufrecht zu erhalten,
tastet das Netzwerk einen Pixelblock ab und bestimmt den Bereich
von Bildpixelwerten. Das Netzwerk führt eine beste Anpassung zwischen
dem aktuellen Bereich und einer Gruppe von vorbestimmten Bereichen
aus. Unter Verwendung des ausgewählten
vorbestimmten Bereiches nimmt das Netzwerk Zugriff zu einer Quantisierungs-Tabelle,
die Quantisierungs-Stufen enthält,
die von der positiven Domäne
des vorbestimmten Bereichs abgeleitet sind. Die Quantisierungs-Tabelle
hat einen ausreichenden Umfang, um DPCM-Werte – wie zuvor beschrieben – zu quantisieren.
Für dieses
Beispiel ist der oben beschriebene Vorspannungswert der ausgewählte vorbestimmte Bereich.
Da der ausgewählte
vorbestimmte Bereich im allgemeinen kleiner als der größtmögliche Pixelwert
für das
System ist (256 für
acht Bits), und da die Quantisierungs-Tabelle (und die entsprechende
Dequantisierungs-Tabelle) nur positive Werte enthalten, wird die
Quantisierungs-Auflösung
verdoppelt. Es ist möglich,
die Quantisierungs-Auflösung
um einen Faktor von 32 zu erhöhen,
wenn der kleinste vorbestimmte Bereich für einen gegebenen Pixelblock
adäquat
ist.
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In 1 liefert
ein Dekodierer, z. B. ein MPEG-Dekodierer
(nicht dargestellt) einen Block von gemäß MPEG dekodierten Pixeldaten
an den Eingang 10 eines Kompressors 12. Der Kompressor 12 enthält einen
Prediktor 18, einen Quantisierer 20 und einen
Kombinierer 22. Der Prediktor 18 verwendet allgemein
bekannte Prinzipien und kann vom dem Typ sein, der in Jain, A.,
Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice-Hall, Inc., Seite
484 (1989), zum Beispiel beschrieben ist.
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Der
Quantisierer 20 liefert einen datenverminderten Pixelblock
an den Speicher 14. Wenn ein Anzeigeprozessor (nicht dargestellt)
Zugriff zu dem verminderten Datenblock im Speicher 14 nimmt,
um ein Bild anzuzeigen, rekonstruiert der Dekompressor 16 den
ursprünglichen
Datenblock. Der Dekompressor 16 enthält einen Prediktor 24 und
einen Dequantisierer 26, um verminderte Daten aus dem Speicher 14 wiederzugewinnen
und den verminderten Datenblock zu rekonstruieren. Der Quantisierer 20 und
der Dequantisierer 26 sind gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung angeordnet, was noch erläutert wird. Der Prediktor 24 gleicht
dem Prediktor 18.
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Der
Eingang 10 des Kompressors 12 empfängt einen
Pixelblock von einem MPEG-Dekodierer, was in Verbindung mit 8 noch
erläutert
wird. Der Pixelblock befindet sich im räumlichen Bereich und umfasst
zum Beispiel einen 8 × 8-Block von Bildpixeln.
Der Eingang 10 führt
die Pixelblockdaten einem nicht invertierenden Eingang der Kombinationsschaltung 22 und
dem Quantisierer 20 zu. Der Prediktor 18 führt Pixel-Vorhersagedaten
einem invertierenden Eingang der Kombinationsschaltung 22 und
dem Quantisierer 20 zu. Die Kombinationsschaltung 22 kombiniert
ihre Signale von dem invertierenden und nicht invertierenden Eingang
und führt
die Differenz dem Quantisierer 20 zu. Der Quantisierer 20 gibt quantisierte
Pixelwerte an den Prediktor 18 und quantisierte Pixel-Differenzwerte
an den Speicher 14 zur Speicherung aus.
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2 veranschaulicht
den Quantisierer 20 in größeren Einzelheiten. Gleiche
Bezugsziffern bezeichnen gleiche Elemente in den 1 und 2. Genauer
gesagt enthält
der Quantisierer 20 einen Vorhersagefehler-Prozessor 27,
einen Quantisierungs-Mapper 28, eine Kodierungs-Steuereinheit 29, einen
Min–Max-Bereichs-Prozessor
(MMRP) 30, einen ersten Pixelprozessor 31 und
einen Multiplexer 32. Der Eingang 10 führt Blockpixeldaten
dem MMRP 30 zu, der den Pixelblock abtastet und den minimalen Pixelwert,
den maximalen Pixelwert und den Bereich bestimmt. MMRP 30 definiert
den aktuellen Bereich als den minimalen Wert, subtrahiert von dem
maximalen Wert plus eins (1). MMRP 30 wählt einen vorbestimmten Bereich
aus einer Gruppe von vorbestimmten Bereichen als Funktion des aktuellen
Bereichs aus und wechselt den ausgewählten vorbestimmten Bereich
gegen den aktuellen Bereich für
die nachfolgende Verwendung innerhalb des Netzwerks aus. MMRP 30 komprimiert
die minimalen, maximalen und vorbestimmten Bereichs-Block-Parameterwerte
und führt
sie dem Multiplexer 32 zu.
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Der
minimale Pixelwert und der Bereich werden auch dem ersten Pixelprozessor 31 zugeführt, und
der Bereich wird dem Vorhersagefehler-Prozessor 27 zugeführt, was
noch erläutert
wird. Der Vorhersagefehler-Prozessor 27 empfängt Vorhersage-Fehlerdaten
von der Kombinationsschaltung 22 und spannt negative Werte
mit dem ausgewählten
vorbestimmten Bereich vor. Der Quantisierer-Prozessor 28 empfängt vorgespannte
und nicht vorgespannte Vorhersagefehler-Werte von dem Vorhersagefehler-Prozessor 27.
Diese Werte werden quantisiert und dem Multiplexer 32 zugeführt. Der
Quantisierer-Prozessor 28 führt auch
quantisierte Vorhersagefehler-Werte dem Prediktor 18 zu,
die der Prediktor 18 zur Berechnung der Vorhersagedaten
verwendet. Der Multiplexer 32 führt die Block-Parameter und
die quantisierten Daten dem Speicher 14 unter Timing und
Steuerung zu, was noch später
erläutert
wird. Die Block-Parameter stellen zusätzliche Daten dar, die im Speicher 14 innerhalb
eines Parameter-Feldes gespeichert werden, das dem quantisierten
Pixelblock zugeordnet ist. Das Parameter-Feld und die quantisierten
Daten bilden zusammen ein Paket, das alle Informationen konsolidiert,
die von dem Dequantisierer-Prozessor 36 benötigt werden,
um Zugriff zu geeigneten Dequentisierungs-Tabellen zu nehmen und
den Pixelblock zu rekonstruieren. Die Kodier-Steuereinheit 29 überwacht
den Transfer der Block-Parameter und der komprimierten Daten ebenso
wie die Auswahl von Quantisierungs-Tabellen für individuelle Pixelblöcke, was
noch beschrieben wird.
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Der
erste Pixelprozessor 31 empfängt den Pixelblock von dem
Eingang 10 und identifiziert einen vorbestimmten Referenz-Pixelwert.
Der minimale, von dem MMRP 30 empfangene Block-Pixelwert
erleichtert die Kompression des Referenz-Pixels unabhängig von
anderen Blockpixeln. Das komprimierte Referenz-Pixel wird mit ausreichend
Bits für
den Dequantisierer 26 dargestellt, um seinen ursprünglichen Wert
in einer verlustlosen oder nahezu verlustlosen Weise zu rekonstruieren.
Der erste Pixelprozessor 31 führt den kompri mierten Referenz-Pixelwert
als Block-Parameter dem Multiplexer 32 zu, der Block-Parameter,
einschließlich
des Referenz-Pixelwertes und der quantisierten Daten dem Speicher 14 zuführt. Der
Dequantisierer 26 verwendet das Referenz-Pixel als Vorhersagewert
für die
quantisierten Blockpixel während
der Pixel-Dekompression. Da der erste in dem Vorhersage-Netzwerk
während
der Dekompression verwendete Wert (der Referenz-Pixelwert) unabhängig ist,
kann ein gegebener Pixelblock ohne Informationen von anderen Pixelblöcken dekomprimiert
werden. Dieser Wert ist auch genau, was eine Ausbreitung des Vorhersagefehlers
von den rekonstruierten Daten beseitigt.
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Das
Referenz-Pixel wird unter Verwendung des Pixelblock-Minimum-Wertes
als Prediktor für
die Ableitung des komprimierten Wertes verwendet. Der Minimum-Wert
wird von dem Referenzwert subtrahiert und die Differenz durch zwei
geteilt. Das Ergebnis wird im Speicher 14 mit einem Bit
weniger gespeichert als für
eine binäre
Darstellung des Bereichs der Pixelwerte des Blocks notwendig ist.
Der Bereich definiert die Zahl von Bits, die zur Speicherung des komprimierten
Referenz-Pixelwertes verwendet wird, weil bei Verwendung von Block-Pixelwerten
als Prediktoren für
andere Werte in dem Pixelblock die Differenz zwischen allen Zwei-Block-Pixelwerten,
wie den Referenz- und Minimum-Pixelwerten
in die Domäne des
Bereichs fällt.
Die Domäne
des Bereichs erstreckt sich von null bis zu dem Bereichswert minus eins
(1). Der komprimierte Referenz-Wert verwendet ein Bit weniger als
notwendig zur Darstellung des Bereichs, weil die Differenz durch
zwei geteilt wird, was die Zahl von Bits vermindert, die für eine binäre Darstellung
durch ein Bit erforderlich ist.
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Der
Quantisierer 20 und der Dequantisierer 26 nehmen
jeweils Zugriff zu Quantisierungs- und Dequantisierungs-Tabellen, die für jedem
Block optimiert werden. Die Quantisierungs- und Dequentisierungs-Tabellen
enthalten Werte, die auf einem annähernden Bereich des Pixelblocks
beruhen. Der Bereich ist die Differenz zwischen den maximalen und minimalen
Pixelwerten für
einen Block. Der Min–Max-Bereichs-Quantisierer 30 empfängt einen Eingangs-Datenblock
und tastet ihn ab, um den Minimum-Pixelwert und den Maximum-Pixelwert
zu bestimmen. Der Quantisierer 20 subtrahiert dann das Minimum
von dem Maximum und fügt
eins hinzu (max – min
+ 1), um den Bereich für
den Pixelblock zu berechnen.
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Der
Quantisierer 20 vergleicht den berechneten Bereich mit
einer Gruppe von vorbestimmten Bereichen, von denen wenigstens einer
größer als oder
gleich dem berechneten Bereich ist, wählt einen vorbestimmten Bereich
aus und nimmt Zugriff zu Quantisierungs-Tabellen, die von dem ausgewählten vorbestimmten
Bereich abgeleitet werden. Der vorbestimmte Bereich wird durch eine
am besten angepasste Analyse ausgewählt, die den vorbestimmten Bereich
identifiziert, der der kleinste Wert der Gruppe ist, der größer oder
gleich dem aktuellen berechneten Bereich ist. Die Quantisierungs-
und Dequantisierungs-Tabellen sind kundenspezifisch, um Werte innerhalb
der Domäne
des ausgewählten
vorbestimmten Bereichs einzubeziehen und enthalten daher Werte des
gesamten aktuellen Bereichs. Der Quantisierer 20 verwendet
DPCM-Verarbeitung und erzeugt unterschiedliche Werte, die Vorhersagefehler
sind. Diese Vorhersagefehler liegen in der Domäne des aktuellen Bereichs,
wenn Pixelwerte, die dem Prediktor 18 zugeführt werden,
von demselben Pixelblock kommen wie die Pixel, für die der Prediktor 18 gegenwärtig einen
Vorhersagewert erzeugt. Der Kompressor 12 folgt diesem
Parameter und hält
diesen aufrecht. Der aktuelle Bereich ist oft beträchtlich
kleiner als 256 (dem maximalen Wert eines 8-Bit-Pixelwertes), und
die von diesem Bereich abgeleiteten Tabellenstufen erzeugen eine
bessere Auflösung
als die von 256 abgeleiteten Tabellenstufen, weil der ausgewählte vorbestimmte
Bereich in seinem Wert allgemein dicht bei dem aktuellen Bereich
liegt. Daher nimmt die Systemgenauigkeit und Wirksamkeit durch Anpassung
der Tabellenstufen an den Bereich zu.
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Um
Eingangs-Blockdaten zu rekonstruieren, muss der Dequentisierer 26 wissen,
welcher vorbestimmte Bereichs-Quantisierer 20 verwendet
wird, um Zugriff zu der Quantisierungs-Tabelle zu nehmen, die bei
der Quantisierung des Pixelblocks verwendet wird. Darstellungen
des Bereichs und anderer Pixelblock-Parameter werden im Speicher 14 innerhalb
eines Parameter-Feldes mit dem quantisierten Pixelblock gespeichert.
Durch Speichern einer Block-Parameter-Darstellung im Speicher 14 zusammen
mit dem quantisierten Pixelblock kann der Dekompressor 16 Zugriff
zu der geeigneten Dequantisierungs-Tabelle nehmen und den Pixelblock
wirksam und genau rekonstruieren. Andere in dem Parameter-Feld enthaltene Pixelblock-Parameter
können zum
Beispiel der minimale Pixelblock-Wert oder ein Referenz-Pixelblock-Wert sein. 3 veranschaulicht
eine mögliche
Konfiguration eines Parameter-Feldes und komprimierte Daten. Das
Parameter-Feld besteht aus jenen Block-Parametern, die in dem gestrichelten
Kasten in 3 enthalten sind. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ist ein Parameter-Feld als Header eines Datenpakets angeordnet,
das komprimierte Nutzdaten enthält.
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Um
die Verminderung des Vollbildspeichers ohne beträchtliche Verschlechterung des
angezeigten Bildes zu maximieren, werden die zusätzlichen Informationen, die
durch die Block-Parameter in dem Parameter-Feld dargestellt werden,
im Speicher 14 gespeichert. Jedes verwendete Bit zur Speicherung des
Parameter-Feldes vermindert die Verfügbarkeit des Speichers zum
Speichern quantisierter Pixel. Daher wird die Zahl von Bits, die
zur Speicherung von zwei Block-Parametern,
nämlich
dem Bereichs- und Minimum-Wert, von 8 Bits auf 3 Bits für jeden
Parameter in den meisten Fällen
vermindert. Dieser Prozess arbeitet wie folgt.
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Der
aktuelle Bereich wird mit einer Gruppe von vorbestimmten Bereichen
verglichen, um eine beste Anpassung zu bestimmen. Der vorbestimmte Bereich
erhält
den Wert, der verwendet wird, um den Bereich für den Pixelblock darzustellen,
der dann verarbeitet wird. Der vorbestimmte Bereich ist größer als der
aktuelle Bereich, um zu gewährleisten,
dass alle Pixelwerte innerhalb des Blocks dargestellt werden. Die
Gruppe von vorbestimmten Bereichen enthält sieben Werte, nämlich 16,
32, 64, 96, 128, 192 und 256. Da die Gruppe für beide Quantisierer 20 und 26 verfügbar ist,
kann der vorbestimmte Bereich in dem Parameter-Feld durch einen Index-Wert dargestellt werden.
Der Index erfordert nur drei Bits für eine binäre Darstellung, weil es nur
sieben vorbestimmte Bereiche für
die Darstellung gibt.
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Das
System handhabt den minimalen Pixelwert in gleicher Weise. Für fünf der sieben
vorbestimmten Bereiche nimmt das System Zugriff zu einer vorbestimmten
Gruppe von acht minimalen Pixelwerten, die für den ausgewählten vorbestimmten
Bereich eindeutig sind. Der Quantisierer 20 ver gleiche
den aktuellen Minimum-Pixelwert mit der vorbestimmten Gruppe und
wählt den
größten vorbestimmten
Minimum-Wert aus, der kleiner als oder gleich dem aktuellen Minimum-Wert
ist. Das vorbestimmte Minimum wird dann der Wert, der zur Darstellung
des minimalen Pixels für
den verarbeiteten Pixelblock verwendet wird. Die Gruppe ist sowohl
für den
Quantisierer 20 als auch für den Dequentisierer 26 verfügbar, so
dass das vorbestimmte Minimum in dem Parameter-Feld durch einen
Index-Symbolwert dargestellt werden kann. Dieses Index-Symbol erfordert
auch drei Bits für
eine binäre
Darstellung, weil es für
die Darstellung nur acht vorbestimmte Minimum-Pixelwerte gibt.
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Die
Gruppe von acht vorbestimmten Minimum-Pixelwerten für fünf der sieben
Bereiche wird durch die nachfolgende Gleichung (1) definiert. Die Gleichung
sieht einen konstanten linearen Schritt für jedes Bereichs-Minimum beginnend
mit null vor. Qmin(Rs,
i) = INT{i((256 – Rs)/7)};
0 <= i <= 7 (1)
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In
dieser Gleichung ist i der Index-Symbolwert, der durch drei Bits
in dem zusätzlichen
Parameter-Feld dargestellt wird. INT{f(x)} zeigt an, dass nur der
ganzzahlige Teil des resultierenden Wertes verwendet wird. Die fünf Bereiche,
auf die die Gleichung (1) zutrifft, sind 32, 64, 96, 128 und 192.
Der Ausdruck f(x) in den Klammern stellt jeden Ausdruck dar, wie
den in der Gleichung (1), auf den die Funktion INT einwirkt. Für den vorbestimmten
Bereich von 16 wird der ursprüngliche
8-Bit-Minimum-Wert verwendet. Für
den vorbestimmten Bereich von 256 wird kein Minimum-Wert gespeichert,
weil der Minimum-Wert für
256 null (0) für
ein 8-Bit-Wort ist.
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Die
nachfolgende Gleichung (2) wählt
den vorbestimmten minimalen Pixelwert aus der Gruppe aus, die für den aktuellen
Minimum-Pixelblock-Wert ersetzt wird. MAXi{f(x)}
gibt an, dass der maximale Wert von i, der die Bedingung innerhalb
der Klammern erfüllt
und zur Erzeugung von Qmin verwendet werden soll. QminMAXi{Qmin(Rs,
i)|Qmin(Rs, i) <=
Xmin; 0 <= i <= 7} (2)
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Die
Gleichung (2) kann einen vorbestimmten Bereich auswählen, der
nicht ausreicht, um die aktuellen Pixelblockwerte abzudecken, wenn
der quantisierte Pixelblock rekonstruiert wird, weil vorbestimmte
Minimum-Werte kleiner als der aktuelle Minimum-Wert sind. Wenn zum
Beispiel in einem gegebenen Pixelblock der minimale Pixelwert 100
und der maximale Pixelwert 140 ist, dann ist der ausgewählten vorbestimmte
Bereich 64. Der ausgewählte
vorbestimmte Minimum-Pixelwert, der sich aus der Gleichung (1) ergibt,
ist 82. Das Ergebnis der Addition des ausgewählten Minimums zu dem ausgewählten Bereich
ist 146, was größer ist
als der aktuelle maximale Pixelwert. Daher werden alle Werte des
Pixelblocks durch die ausgewählten
vorbestimmten Werte dargestellt. Wenn jedoch der maximale Pixelblock-Wert
statt dessen 160 ist, bleiben die ausgewählten vorbestimmten Werte gleich,
stellen aber nicht vollständig
die Domäne
des Pixelblocks dar. In diesem Fall wird der nächst höhere vorbestimmte Bereich von
96 ausgewählt,
und ein neuer ausgewählter vorbestimmter
Minimum-Wert ist 91. Die Summierung von 91 und dem vorbestimmten
Bereich von 96 ist 187, was größer ist
als der aktuelle Maximum-Pixelblockwert von 160. Daher liefern die
Quantisierungs- und Dequantisierungs-Tabellen, die von diesem Bereich ausgewählt werden,
Stufen für
alle Pixel in dem Block. Der Quantisierer 28 führt die oben
beschriebene Analyse durch, um zu bestimmen, ob die erste Wahl von
einem vorbestimmten Bereich und von Minimum-Pixelwerten gültig ist. Falls dies nicht der
Fall ist, wählt
der Quantisierer 28 den nächst größeren vorbestimmten Bereich
aus und wählt
einen neuen Minimum-Pixelwert aus.
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Wenn,
wie zuvor festgestellt wurde, das Vorhersage-Netzwerk seine vorhergesagten Werte
aus Pixelwerten innerhalb desselben Blocks auswählt, dann liegt die Differenz
(E) zwischen einem aktuellen Pixelwert und dem vorhergesagten Pixelwert
innerhalb der folgenden Grenzen: –Bereich < E < Bereich (3),worin Bereich = Xmax – Xmin +
1 (4)
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In
der Gleichung (3) ist E der Vorhersagefehler. In der Gleichung (4)
sind Xmax und Xmin die Maximum- bzw. Minimum-Block-Pixelwerte. Daher
definiert der Bereich von Pixeldaten aus dem Block die Werte, die
Quantisierung- und Dequantisierungs-Tabellen empfangen, und die
Grenzen, für
die Tabellen für
den besonderen Block vorgesehen werden müssen. Wenn der Bereich kleiner
als der Maximum-Wert der Wortgröße (256
für ein
8-Bit-Wort) ist, dann kann die Auflösung der Quantisierungs- und
Dequantisierungs-Tabellen erhöht
werden.
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Die
Quantisierungs- und Dequantisierungs-Tabellen, die die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung verwenden, haben die doppelte Auflösung von
Tabellen, die nur für
den Bereich des Pixelblocks bemessen sind. Die Auflösung ist
doppelt, weil die Tabellen nur die Werte von null bis zu dem posititen Bereichswert
abdecken müssen
und nicht alle anderen Werte zwischen dem negativen und positiven
Bereich. 6B und 6C zeigen
3-Bit- bzw. 4-Bit-Tabellen für
den vorbestimmten Bereich von 64. Vor der Quantisierung bestimmt
der Vorhersagefehler-Prozessor 27 (2), ob der
Vorhersagefehler von der Kombinationsschaltung 22 positiv
oder negativ ist. Wenn der Wert positiv ist, verläuft er unverändert zum
Quantisierungs-Mapper 28. Wenn der Wert negativ ist, addiert
der Vorhersagefehler-Prozessor 27 den Bereich zu dem negativen
Vorhersage-Fehlerwert, bevor der Wert dem Quantisierungs-Mapper 28 zugeführt wird.
Da ein negativer Vorhersagefehler-Wert innerhalb der Domäne des negativen
Bereichswertes ist, führt
die Hinzufügung
des positiven Bereichswertes zu dem negativen Vorhersagefehler-Wert zu einem vorgespannten
Fehlerwert. Dieser vorgespannte Fehlerwert ist positiv (größer als
null) und ist kleiner als der positive Bereichswert. Der Quantisierungs-Mapper 28 empfängt sowohl
die vorgespannten als auch die nicht vorgespannten Vorhersage-Fehlerwerte
und quantisiert sie mit einer Quantisierungs-Tabelle, die an die
Domäne
des positiven vorbestimmten Bereichs angepasst ist. Quantisierte
Fehlerwerte werdem dem Multiplexer 32 zugeführt und
dann im Speicher 14 unter der Steuerung einer System-Steuereinheit
(nicht dargestellt) zugeführt.
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Da
eine die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendende Quantisierungs-Tabelle
nur Werte von null bis zu dem Bereich –1 anstelle von dem negativen
Bereichswert zu dem positiven Bereichswert quantisiert, wird die
Auflösung
der Tabelle verdoppelt. Wenn zum Beispiel der vorherbestimmte Bereich
von Pixelwerten für
einen gegebenen Block 64 ist, und wenn es 14 Quantisierungs/Dequantisierungs-Stufen in einer Tabelle
gibt, haben Tabellen, die nicht die Prinzipien der Erfindung verwenden, eine
Durchschnitts-Schrittgröße von 9,2
(aufgerundet auf die nächsten
zehn) zwischen jeder Stufe ((64 × 2)/14). Dieselben gemäß den Prin zipien
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Tabellen haben eine doppelte
Durchschnitts-Auflösung
durch Vermindern der Schrittgröße auf 4,6
(ebenfalls abgerundet) zwischen den 14 Stufen (64/14) für denselben
vorbestimmten Bereich.
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Die
in 6B dargestellte Tabelle hat 14 mögliche Quantisierungs-Stufen,
verglichen mit einem Maximum von 16 möglichen Stufen in einer typischen
4-Bit-Tabelle (24). Die Zahl von möglichen
Stufen ist vermindert, weil zwei der Symbole (000 und 001) nur drei
Bits enthalten. Die 3-Bit-Code-Wort-Symbole
werden innerhalb der 14-Stufen-Tabelle so platziert, dass auf sie
häufig
Zugriff genommen werden kann, was eine beträchtliche Verminderung an Bandbreite
und Speichererfordernissen bringt, die den Verlust in der Datenauflösung an Gewicht übertrifft.
In einer Quantisierungs-Tabelle mit N Stufen (z. B. 14 Stufen),
in der jede Stufe ein zugeordnetes Ausgangssymbol von überwiegend
M Bits hat (z. B. 4 Bits), ist wenigstens eine Stufe (z. B. die Stufen
1 und 13) häufig
auftretenden Eingangswerten und einem entsprechenden eindeutigen
Code-Wort-Symbol zugeordnet, das weniger als M Bits hat (z. B. 3
Bits).
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Ein
Dekompressions-Netzwerk muss die 3-Bit- und 4-Bit-Symbole identifizieren,
wenn die Daten für
die Dekompression wiedergewonnen werden. Dies wird durch Reservieren
des Bit-Schemas des 3-Bit-Symbols erleichtert. Zum Beispiel haben
in 6B nur die 3-Bit kurzen Symbole die Schemata „000" und „001". Die drei Bits aller
kurzen Symbole werden so reserviert, dass immer beim Auftreten eines
der Bit-Schemata
in vorbestimmten Bit-Positionen das Netzwerk das 3-Bit-Symbol identifiziert
und nicht ein viertes Bit verarbeitet, wenn der 8-Bit-Datenwert
dequantisiert und rekonstruiert wird. Für alle Vier-Bit-Schemata kommt
jedes ge wählte 3-Bit-Schema
zweimal vor. Nur eines dieser Vorkommen stellt eine Quantisierungs-Stufe
in einer Tabelle dar, weil das Netzwerk nur eine Stufe für das 3-Bit-Symbol
ohne andere Informationen erkennen kann. Jedes 3-Bit-Schema kann
im Fall einer 4-Bit-Tabelle verwendet werden, und nur das 3-Bit-Symbol kann das
reservierte Schema haben.
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Wenn
ein Entwickler bei einem gegebenen System, in dem die Tabellen verwendet
werden, bestimmt, dass es wirksamer ist, ein 3-Bit-Symbol anstelle
von zwei in einer überwiegend
4-Bit-Tabelle zu verwenden, dann können die Quantisierungs- und Dequantisierungs-Tabellen
mit 15 oder weniger Stufen bemessen werden.
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Die
ein oder mehr 3-Bit-Symbole werden so positioniert, dass die Chancen
der Symbole, häufig auftretenden
Eingangsdaten-Werten während
der Quantisierung zugeordnet zu werden, optimiert werden. Daher
muss ein bestimmtes System im voraus so bewertet werden, dass statistisch
identifiziert wird, wo die kurzen 3-Bit-Symbole platziert werden.
Die Auflösung
der Stufe(n), die durch 3-Bit-Symbole dargestellt werden sollen,
kann so eingestellt werden, dass die Verwendung der 3-Bit-Symbole
optimiert wird. In 6B werden die 3-Bit-Symbole
um null herum platziert, wo das Auftreten des Vorhersagefehlers
für dieses
System am wahrscheinlichsten ist, wenn das Vorspannen einmal aus
der Tabelle herausgefallen ist. Dies bedeutet, dass negative Eingangs-Vorhersage-Fehlerwerte
mit einem kleinen absoluten Wert vorgespannt werden und in die Quantisierungs-Tabelle
als eine große
Zahl relativ zu der Domäne
der Tabelle eingegeben werden. Die Index-Stufe 1 ist die Stufe für Eingangswerte
auf der positiven Seite des Vorhersagefehlers null. Die Index-Stufe
13 ist die Stufe für
Eingangswerte auf der negativen Seite des Vorhersagefehlers null
mit hinzugefügter
Vorspannung. Bei Dequantisierung und Rekonstruktion wird der Vorspannungswert
aus geeigneten Rekonstruktionswerten der Stufe 13 entfernt. Die
Platzierung von zwei kurzen Symbolen („000" und „001") auf beiden Seiten der Stufe null hält die Symmetrie
aufrecht und vermindert Bandbreiten- und Speichererfordernisse im
Vergleich zum Platzieren eines kurzen Symbols bei der Stufe null.
Die Stufe 1 und die Stufe 13 haben jeweils eine Auflösung von
3 (von 4 bis 1 für
die Stufe 1), weil die Platzierung der Tabellen-Stufe und die Stufen-Auflösung für statistisches
Auftreten optimiert werden. Wiederum hängt je nach Typ des verwendeten
Kompressions-Netzwerks die Platzierung der 3-Bit-Symbole von dem statistischen Auftreten
von Datenwerten ab, die die Quantisierungs- und Dequantisierungs-Tabellen empfangen.
Die statistisch optimale Platzierung kann bei verschiedenen System-Typen
schwanken, ohne dass die Verwendung von kurzen Code-Wort-Symbolen
beeinträchtigt
wird.
-
4 ist
ein Blockschaltbild des Dequantisierers 26 von 1.
Unter Steuerung eines System-Mikroprozessors empfängt der
Demultiplexer 34 ein Datenpaket, das ein Parameter-Feld
in einem Header und quantisierte Daten in einem Nutzdatenabschnitt
des Pakets enthält.
Der Demultiplexer 34 sendet den minimalen Pixelwert-Index
und den vorbestimmten Bereichs-Index an den Min–Max-Bereichs-Dekodierer (MMRD) 38.
Der Demultiplexer 34 führt
den komprimierten ersten Pixelwert dem ersten Pixel-Dekodierer 37 zu,
der auch die vorbestimmten rekonstruierten Bereichs- und Minimum-Pixelwerte vom MMRD 38 empfängt. Der
erste Pixel-Dekodierer 37 verwendet diese drei Werte, um
das Bezugs-Pixel zu rekonstruieren und führt es dem Prediktor 24 zu. Bei
Dequantisierung führt
der Demultiplexer 34 die quantisierten Wer te dem Dequantisierer-Mapper 36 zu,
der die Vorhersage-Fehlerwerte
dequantisiert und sie der Addierschaltung 39 zuleitet.
Die Addierschaltung 39 addiert den vorhergesagten Wert
zu dem dequentisierten Fehlerwert und führt das Ergebnis dem Vorhersagefehler-Prozessor 35 zu,
der das Ergebnis mit dem rekonstruierten Maximum-Pixelblock-Wert
vergleicht. Wenn der Fehlerwert vor der Quantisierung vorgespannt
wurde, ist das Ergebnis größer als
der rekonstruierte maximale Pixelwert. Ist dies nicht der Fall,
ist das Ergebnis kleiner als oder gleich dem rekonstruierten Maximum-Pixelwert. Wenn
der Vorhersagefehler-Prozessor 35 bestimmt, dass der Fehlerwert
vorgespannt war, wird der vorbestimmte Bereichswert von dem Ergebnis
subtrahiert, wodurch die auf der Quantisierungsseite des Prozesses
eingeführte
Vorspannung korrigiert wird. Der Pixelfehler-Prozessor 35 und
der erste Pixel-Prozessor 37 führen die rekonstruierten Daten
einschließlich des
Bezugs-Pixels in richtiger Reihenfolge einem Ausgangs-Netzwerk zu
(z. B. einem nicht dargestellten Anzeige-Prozessor).
-
Die
für den
Dequantisierer 26 verfügbaren Werte
sind quantisierte und/oder kodierte Werte. Der rekonstruierte quantisierte
Minimum-Pixelwert muss kleiner als oder gleich dem aktuellen Minimum-Pixelwert
sein, und der rekonstruierte quantisierte Maximum-Pixelwert und
der rekonstruierte quantisierte Bereichswert müssen größer als oder gleich ihren aktuellen
Werten sein. MMRP 30 gewährleistet, dass diese Erfordernisse
erfüllt
werden, wie zuvor erläutert wurde.
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Die
folgenden Gleichungen (5) bis (12) veranschaulichen, dass ein vorgespannter
Fehlerwert größer als
der rekonstruierte quantisierte Maximum-Block-Pixelwert ist, wodurch
eine richtige Identifizierung und Korrektur von vor gespannten Daten während der
Rekonstruktion erlaubt wird. Die Gleichungen (6) bis (11) sollen
helfen, die Ableitung von Gleichung (12) zu verstehen. In den Gleichungen
ist Qmin der quantisierte Minimum-Block-Pixelwert, und Qmax ist
der quantisierte Maximum-Block-Pixelwert. X ist irgendein Pixelwert
aus einem gegebenen Pixelblock, und P ist der vorhergesagte Pixelwert
von X. E ist der Fehlerwert oder die aktuelle Differenz zwischen
X und P; E kann eine positive oder negative Zahl sein. Q(E) ist
der quantisierte Wert von E, und er ist das Ergebnis der Addition
von E und dem Quantisierungs-Rauschen Nq; Nq kann eine positive
oder negative Zahl sein. Xr ist der rekonstruierte Pixelwert von
X, und Rq ist der am besten angepasste vorbestimmte Bereich. Es
seien die folgenden Beziehungen betrachtet Qmax = Qmin + Rq – 1 (5) E = X – P (6) Q(E) = E + Nq (7) Qmin <= X <=
Qmax (8)
-
Für irgendeinen
positiven Wert von E existieren die folgenden Beziehungen Xr = Q(E) + P = E + Nq +
P = X – P
+ Nq + P (9) Xr = X + Nq (10)
-
Gleichung
(9) stellt die Werte dar, die der Dekompressor 16 verwendet,
um irgendeinen Pixelwert zu rekonstruieren. Die Gleichung (10) vereinfacht
die Gleichung (9) auf Werte, die für den Kompressor 12 verfügbar sind.
Für irgendeinen
negativen Wert von E existiert das Folgende Xr = Q(E + Rq) + P = E + Rq + Nq + P = X – P + Rq +
Nq + P (11) Xr = X + Rq + Nq (12)
-
Die
Gleichung (11) stellt die Werte dar, die der Dekompressor 16 verwendet,
um irgendeinen Pixelwert zu rekonstruieren. Die Gleichung (12) vereinfacht
die Gleichung (11) auf Werte, die für den Kompressor 12 verfügbar sind.
Um die Diskussion zu vereinfachen, sei Nq in der Gleichung (12)
gleich null. Da X größer als
oder gleich Qmin sein muss (Gleichung 8), und die Beziehung von
Gleichung (5) gegeben ist, die Qmax definiert, führt das Addieren des vorbestimmten
Bereichs zu irgendeinem Pixelwert zu einem Wert, der um wenigstens
eins größer als Qmax
ist.
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Die
Ausführung
der vorliegenden Erfindung muss die Ergebnisse von Gleichung (10)
und Gleichung (12) berücksichtigen,
wenn Nq nicht null ist. Wenn Nq positiv ist, kann das Ergebnis von
Gleichung (10) größer als
Qmax sein, und der Vorhersagefehler-Prozessor 35 kann einen
vorgespannten Vorhersagefehler falsch identifizieren. Wenn Nq negativ
ist, kann in gleicher Weise das Ergebnis von Gleichung (12) kleiner
sein als Qmax, und der Vorhersagefehler-Prozessor 35 kann
einen nicht vorgespannten Vorhersagefehler falsch identifizieren.
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5A veranschaulicht,
wie der Quantisierer-Mapper 28 sicherstellt, dass sein
Ausgang aufgrund von Quantisierungs-Rauschen nicht falsch interpretiert
wird. Der Quantisierer 80 liefert drei Ausgangswerte für jeden
quantisierten Pixelwert. Die drei Werte sind die beste Rekonstruktions-Stufe
für den
Entscheidungspunkt (I) der Quantisierungs-Tabelle und die Rekonstruktions-Stufe
auf beiden Seiten der richtigen Stufe (I + 1, I – 1). Wenn die erste oder letzte
Stufe in einer Quantisierungs-Tabelle die beste ist, wird nur die
nächst
größere oder
kleinere Quantisierungs-Stufe
mit der besten Stufe vorgesehen. Dann berechnet die Kombinationsschaltung 84 den
rekonstruierten Pixelwert (Gleichung (10) oder Gleichung (12)) für den besten
Rekonstruktionswert und vergleicht das Ergebnis mit Qmax durch die Kombinationsschaltung 86.
Wenn der Vorhersagefehler vorgespannt war (S2 ist negativ) und das
Ergebnis von der Kombinationsschaltung 86 kleiner als Qmax
ist (S1 ist negativ), dann ist es möglich, dass bei Rekonstruktion
der Vorhersagefehler-Prozessor 35 falsch bestimmt, dass
der dequantisierte Vorhersagefehler-Wert nicht vorgespannt war.
Um dieses Problem zu verhindern, wird das Code-Wort, das der nächst größeren Rekonstruktions-Stufe
für den
Vorhersagefehler entspricht, dem Multiplexer 32 zugeführt. Wenn
der Vorhersagefehler nicht vorgespannt war (S2 ist positiv) und
das Ergebnis von der Kombinationsschaltung 86 größer ist
als Qmax (S1 ist positiv), dann ist es möglich, dass bei Rekonstruktion
der Vorhersagefehler-Prozessor 35 falsch bestimmt, dass
der dequantisierte Vorhersagefehler-Wert vorgespannt war. Um dieses
Problem zu verhindern, wird das Code-Wort, das der nächst kleineren
Rekonstruktions-Stufe für
den Vorhersagefehler entspricht, dem Multiplexer 32 zugeführt. 5B zeigt eine
Wahrheits-Tabelle, die die Ausgänge
des Quantisierers 80 veranschaulicht, die am Ausgang des Quantisierungs-Mappers 28 verfügbar sind,
wie von der Einheit 82 als Reaktion auf die Signale ±S1 und ±S2 ausgewählt.
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6A unterstützt die
Erklärung,
warum die Auswahl des nächst
größeren oder
kleineren Rekonstruktionspegels das Problem korrigiert, das auftritt, wenn
Quantisierungs-Rauschen
bewirkt, dass die rekonstruierte Stufe ein fal sches Ergebnis ergibt,
wenn bestimmt wird, ob der quantisierte Vorhersagefehler vorgespannt
ist. „I" bezieht sich auf
den Index-Wert der Tabellen. Jeder Vorhersagefehler-Wert, der kleiner
als oder gleich dem Entscheidungspunkt I, aber größer als
der Entscheidungspunkt I – 1
ist, wird quantisiert und dann zum Wert R rekonstruiert. Wie man
aus den 3- und 4-Bit-Quantisierungs-Tabellen in 6B bzw. 6C sieht,
können
Vorhersagefehler-Werte, die in die Tabelle und innerhalb irgendeines
Entscheidungspunktes I eingegeben werden, beide größer als
oder gleich oder kleiner als der Vorhersagefehler-Rekonstruktions-Stufen-Wert
R sein. Zum Beispiel akzeptiert in 6 die
Index-Stufe 7 Eingangswerte von 36 bis 28 einschließlich, wie durch
den Entscheidungspunkt-Wert 36 für
die Stufe 7 und den Entscheidungspunkt-Wert 27 der Stufe 6 definiert.
Jeder Eingangswert innerhalb dieses Bereiches wird auf den Rekonstruktions-Stufen-Wert von 32
dequentisiert. Wenn der Eingangswert 34 ist, dann ist der Quantisierungsfehler –2; wenn
der Eingangswert 32 ist, dann ist der Quantisierungsfehler null;
und wenn der Eingangswert 29 ist, dann ist der Quantisierungsfehler
3. Wie früher
festgestellt wurde, werden diese Fehler als Quantisierungs-Rauschen definiert.
Ein negativer Quantisierungs-Rauschwert entspricht –E in 6A.
Ein positiver Quantisierungs-Rauschwert entspricht +E in 6A.
Wenn die Vorhersagefehler-Rekonstruktions-Stufe nicht gleich dem
aktuellen Vorhersagefehler ist, ist die Differenz das Quantisierungs-Rauschen,
das positiv oder negativ ist. Wenn der Quantisierer-Mapper 28 bestimmt,
dass bei Rekonstruktion Quantisierungs-Rauschen eine falsche Analyse
bewirkt, ob der Vorhersagefehler vorgespannt ist, korrigiert die
Wahl der Stufe auf der anderen Seite der Polarität des Quantisierungs-Rauschens
das Problem. Wenn bei Fortsetzung des obigen Beispiels der Rekonstruktions- Stufen-Wert 32 bewirkt,
dass –E
= –2 ist
und eine falsche Analyse bewirkt, wird der I + 1-Rekonstruktions-Stufen-Wert
gewählt,
der einen Quantisierungs-Rauschwert hat, der gleich ++E ist, was
gewährleistet,
dass die Vorspannung richtig erkannt und verarbeitet wird. Da es
das Quantisierungs-Rauschen ist, das bewirken kann, dass die Analyse
der Vorspannungs-Korrektur falsch ist, beeinflusst die Wahl eines
Wertes von Quantisierungs-Rauschen mit einem entgegengesetzten Vorzeichen
nicht die Beziehung zwischen Qmax und dem rekonstruierten Pixelwert.
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Da
der absolute Wert von Nq im allgemeinen nicht groß ist, wählt der
Quantisierer 80 normalerweise die beste Quantisierungs-Stufe.
Wenn der Quantisierer 80 die nächst größere oder kleinere Stufe wählt, induziert
die Wahl einen zusätzlichen
Fehler in das rekonstruierte Pixel. Dieser Fehler wird jedoch durch
Auswahl der am nächsten
liegenden Stufe minimiert, die das Problem in einer Tabelle mit
einer Auflösung,
die viel besser als die bekannten DPCM-Quantisierungs-Tabellen ist, korrigiert.
Im allgemeinen bewirkt diese Korrektur keine merkliche Verschlechterung
der Qualität
des angezeigten Bildes.
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Die
Quantisierungs-Auflösung
wird oft durch mehr als den Faktor zwei erhöht, was von der Vorspannung
von negativen Vorhersagefehlern herrührt. Die Auswahl eines vorbestimmten
Bereichs führt auch
zu einer erhöhten
Quantisierungs-Auflösung.
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Wenn
zum Beispiel für
einen gegebenen Pixelblock der ausgewählte vorbestimmte Bereich 16 ist,
dann quantisiert eine 4-Bit, 16-Stufen-Tabelle (nicht dargestellt)
genau die Vorhersagefehler-Werte. Für 8-Bit-Pixelwerte nimmt die
Auflösung
um einen Faktor von 16 aus einer Quantisierungs- Tabelle zu, die Eingangswerte für den Bereich
von 256 akzeptiert gegenüber
einer Quantisierungs-Tabelle, die Eingangswerte für den Bereich
von 16 (256/16) akzeptiert. Da nur positive Werte in der Quantisierungs/Dequentisierungs-Tabelle für denselben
positiven Bereichswert benötigt
werden, nimmt die Auflösung
um einen weiteren Faktor von 2 auf einen Gesamt-Faktor von 32 zu.
Dieser Prozess kann dazu verwendet werden, die Erhöhung der
Auflösung
für die
Quantisierungs/Dequantisierungs-Tabelle zu berechnen, die von irgendeinem
der vorbestimmten Bereichswerte abgeleitet wird.
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7 ist
ein Flussdiagramm, das den Aufbau einer Quantisierungs-Tabelle und
von Verarbeitungsdaten veranschaulicht, wobei die Quantisierungs-Tabelle
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung entspricht. Beim Schritt 100 wird
eine bekannte Quantisierungs-Tabelle mit N Stufen aufgebaut, die sowohl
positive als auch negative Eingangswerte akzeptiert. Bei diesem
Beispiel sind die Eingangswerte DPCM Vorhersagefehler-Werte, und
die positiven und negativen Eingangswerte sind daher symmetrisch
zu null. Beim Schritt 102 wird der Mittenpunkt der Tabelle
bestimmt, in diesem Fall null. Alle N Stufen werden beim Schritt 104 von
dem Mittenpunkt dem Maximum-Vorhersagefehler-Wert zugeordnet. Die
resultierende Quantisierungs-Tabelle hat die doppelte Auflösung der
Anfangs-Tabelle. Die Auflösung
jedes Quantisierungs-Pegels kann gemäß dem statistischen Auftreten
der Eingangswerte eingestellt werden.
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Beim
Schritt 106 werden Eingangswerte, die kleiner als der Mittenpunkt-Wert
sind, einem Vorspannungswert hinzugefügt. Für DPDM-Vorhersagefehler-Werte
kann der Vorspannungswert der Bereich eines zugeordneten Datenblocks
sein. Bei den Schritten 108 und 110 werden die
vorgespannten und nicht vorgespannten Eingangswerte mit der eine hohe
Auflösung
aufweisenden Quantisierungs-Tabelle komprimiert. Der Schritt 112 gibt
alle komprimierten Daten aus, wenn sie quantisiert sind. Schritt 114 dekomprimiert
die komprimierten Daten mit der die hohe Auflösung aufweisenden Tabelle,
um dekomprimierte Ausgangswerte zu erzeugen. Der Schritt 116 fügt allen
dekomprimierten Ausgangswerten den Vorspannungswert hinzu. Schritt 118 vergleicht
das Ergebnis für
jeden Ausgangswert mit einem Schwellenwert. Dieser Wert kann der
Maximum-Eingangsdaten-Wert für
den zugeordneten Datenblock sein. Wenn das Ergebnis größer als
der Schwellenwert ist, dann enthält
der dekomprimierte Ausgangswert eine Vorspannung, und der Vorspannungswert
wird im Schritt 120 subtrahiert, und der rekonstruierte
Wert wird beim Schritt 122 an ein Ausgangs-Netzwerk ausgegeben.
Wenn im Schritt 118 das Ergebnis nicht größer als
der Schwellenwert ist, dann enthält
der dekomprimierte Ausgangswert keine Vorspannung, und das Ergebnis
ist der rekonstruierte Wert, der im Schritt 122 an das
Ausgangs-Netzwerk ausgegeben wird.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 speichert der Speicher 14 den
quantisierten Pixelblock und das Parameterfeld, bis sie nicht länger für die Pixel-Rekonstruktion
und -Anzeige benötigt
werden. Während
der Zeit, in der die Daten im Speicher 14 bleiben, kann
auf sie Zugriff genommen werden, und sie können durch einen nachfolgenden
Anzeige-Prozessor über den
Dekompressor 16 unter der Steuerung eines Mikroprozessors
und Verwendung von einem gemeinsamen Datenbus dekodiert werden.
Der Kompressor 12 und der Dekompressor 16 befinden sich
in einer gemeinsamen integrierten Schaltung und sind gleich in Bemessung
und Aufbau, um die integrierte Schaltung zu vereinfachen. Der Speicher 14 befindet
sich vorteilhafterweise außerhalb
der integrierten Schaltung, wodurch erlaubt wird, dass die Größe des Speichers 14 so
ausgewählt
wird, wie es nötig
ist, um die Signalverarbeitungs-Erfordernisse eines bestimmten Systems
zu erfüllen.
Dies führt
zur Einsparung der Herstellungskosten, z. B. im Fall eines preiswerten
Verbraucher-Fernsehempfängers unter
Verwendung einer Anzeige mit verminderter Auflösung, die weniger Vollbildspeicherung
für den MPEG-Dekodierer
erfordert. Auch ist der eingesparte Speicherbereich üblicherweise
für andere
System-Komponenten verwendbar, was die Fähigkeiten des Gesamtsystems
erhöht.
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8 zeigt
Teile eines praktischen digitalen Signalverarbeitungssystems in
einem Fernsehempfänger,
der eine oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung enthält. Das
digitale Fernsehempfängersystem
von 8 ist vereinfacht, um die Zeichnung nicht mit übermäßigen Einzelheiten
zu belasten. Zum Beispiel sind Erst-ein-erst-Aus-FIFO-Eingangs- und -Ausgangspuffer,
die verschiedenen Elementen zugeordnet sind, Lese/Schreib-Steuerung, Taktgenerator-Netzwerke
und Steuersignale zum Anschließen
an externe Speicher, die vom erweiterten Daten-Aus-Typ (EDO), vom
synchronen Typ (SDRAM), vom Rambus-DRAM-Typ (RDRAM) oder irgendeinem
anderen Typ von RAM sein können, nicht
dargestellt.
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Gemeinsame
Elemente in 1 und 8 haben
dieselben Bezugsziffern. Elemente im Signalprozessor 72 mit
Ausnahme der Einheit 70 entsprechen Elementen, die man
in der integrierten Video-Dekodierer-Schaltung STi 3500A MPEG-2-CCIR
600 findet, die im Handel von SGS-Thomson Microelectronics erhältlich ist.
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Kurz
gesagt enthält
das System von 8 einen Mikroprozessor 40,
eine Bus-Schnittstellen-Einheit 42 und eine Steuerschaltung 44,
die mit einem internen Steuerbus 46 verbunden ist. Bei
diesem Beispiel befindet sich der Mikroprozessor 40 außerhalb
der integrierten Schaltung, die den MPEG-Dekodierer 72 enthält. Ein
192 Bit umfassender interner Speicherbus 48 ist eine Zuleitung
für Daten
zu und von dem Kompressor 12, gleichen Dekompressoren 16 und 50 und
einem externen Vollbildspeicher 14. Die Einheiten 12, 16 und 50 empfangen
Kompressions- und Dekompressions-Faktor-Steuersignale von dem Mikroprozessor 40 über die
Steuerschaltung 44 zusammen mit Auslöse-Steuersignalen. Auch enthalten
ist eine lokale Speicher-Steuereinheit 52, die Anforderungs-Eingänge empfängt und
Bestätigungs-Ausgänge sowie
Speicher-Adressen-Ausgänge,
Lese-Auslöse-
und Schreib-Auslöse-Ausgänge erzeugt.
Die Speicher-Steuereinheit 52 erzeugt Echtzeit-Adressen- und
Steuersignale zur Steuerung des Speichers 14. Die Speicher-Steuereinheit 52 liefert
auch Ausgangs-Taktsignale Clock Out als Reaktion auf Eingangs-Taktsignale
Clock In von einem lokalen Taktgenerator (nicht dargestellt). Der
Mikroprozessor 40 unterteilt den Speicher 14 in
Bit-Puffer, Video-Vollbildspeicher-Abschnitte und Vollbildspeicher-Puffer für MPEG-Dekodierung
und Anzeigeverarbeitung sowie On-Screen-Anzeige-Maps.
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Der
Anzeigeprozessor 54 enthält horizontale und vertikale
Wieder-Abtastfilter, die benötigt
werden, um ein dekomprimiertes Bildformat in ein vorbestimmtes allgemeines
Format für
die Anzeige durch eine bilderzeugende Anzeigevorrichtung 56 umzuwandeln.
Das System kann zum Beispiel Bildsequenzen empfangen und dekodieren,
die Formaten wie 525 Zeilen mit Zeilensprung, 1125 Zeilen mit Zeilensprung
oder 720 Zeilen mit progressiver Abtastung entsprechen. Ein Fernsehempfänger wird
wahrscheinlich ein gemeinsames Anzeige-Format für alle Empfänger-Formate verwenden.
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Externe
Schnittstellen-Netzwerke 58 übermitteln Steuer- und Konfigurations-Informationen zwischen
dem MPEG-Dekodierer
und dem externen Mikroprozessor 40 zusätzlich zu komprimierten Eingangs-Videodaten
für die
Verarbeitung durch den MPEG-Dekodierer. Das MPEG-Dekodierersystem
ist einem Koprozessor-Prozessor für den Mikroprozessor 40 ähnlich.
Zum Beispiel gibt der Mikroprozessor 40 einen Dekodierbefehl
an den MPEG-Dekodierer für
jedes zu dekodierende Vollbild aus. Der Dekodierer lokalisiert die
zugehörige
Header-Information, die der Mikroprozessor 40 dann liest.
Mit dieser Information gibt der Mikroprozessor 40 Daten
zur Konfigurierung des Dekodierers aus, z. B. in Bezug auf Vollbild-Typ,
Quantisierungs-Matrizen usw., worauf der Dekodierer geeignete Dekodierbefehle
ausgibt. Technisches Spezifikationsmaterial für die oben bezeichnete integrierte
Schaltung SGS-Thomson STi 3500A liefert zusätzliche Informationen hinsichtlich der
Art der Operation des MPEG-Dekodierers.
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Der
Mikroprozessor 40 übermittelt
Betriebsart-Steuerdaten,
die von dem Hersteller des Empfängers
programmiert sind, an die Speicher-Steuerschaltung 52 zur
Steuerung der Operation des Multiplexers 32 (2)
und des Demultiplexers 36 (5),
und zur Erstellung der Kompressions/Dekompressions-Faktoren für die Einheiten 12, 16 und 50,
wie sie benötigt
werden. Das offenbarte System kann mit allen Profilen und allen
Stufen der MPEG-Spezifikation in Verbindung mit verschiedenen digitalen
Datenverarbeitungs-Schemata
verwendet werden, die zum Beispiel terrestrischen Rundfunk-, Kabel-
und Satelliten-Übertragungssystemen zugeordnet
sind.
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8 zeigt
auch einen Teil eines digitalen Videosignal-Prozessors 72 wie
man ihn in einem Fernsehempfänger
zur Erzeugung eines hochauflösenden
Video-Eingangssignals findet. Der Signalprozessor 72 kann
in einer integrierten Schaltung enthalten sein, die verschiedene
Vorkehrungen zum Empfang und zur Verarbeitung von Videosignalen
mit Norm-Auflösung über einen
analogen Kanal (nicht dargestellt) enthält. Der Signalprozessor 72 enthält einen
konventionellen MPEG-Dekodierer, der durch die Blöcke 60, 62, 64, 66, 68 und 70 einschließlich des
Vollbildspeichers 14 gebildet wird. Zum Beispiel beschreiben
Ang et al. „Video
Compression Makes Big Gains",
IEEE Spectrum, Oktober 1991, die Arbeitsweise eines MPEG-Kodierers
und -Dekodierers.
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Der
Signalprozessor 72 empfängt
einen gesteuerten Datenstrom von gemäß MPEG kodierten Daten von
einem vorangehenden Eingangs-Prozessor (nicht dargestellt), z. B.
einem Transport-Dekodierer, der Datenpakete nach Demodulation des
Eingangssignals trennt. In diesem Beispiel stellt der empfangene
Eingangs-Datenstrom Bildmaterial mit hoher Auflösung (1920 × 1088 Pixel) dar, wie er in
der Grand Alliance-Spezifikation
für das
terrestrische Fernseh-Rundfunksystem mit hoher Auflösung für die Vereinigten
Staaten spezifiziert ist. Der Eingangs-Datenstrom befindet sich
in der Form eines geschichteten Datenstroms, der eine Sequenz von Bildern
darstellt, die unter Verwendung der MPEG-Kompressions-Norm komprimiert worden sind.
Periodisch werden diese Bilder komprimiert und als Intra-Vollbild-
und Inter-Vollbild-Information kodiert. Die Intra-Vollbild-Information umfasst
I-Vollbild-Anker-Vollbilder. Allgemein umfasst die Inter-Vollbild-Information
vorhersagende, bewegungskodierte Restinformationen, die die Bilddifferenz
zwischen benachbarten Vollbildern darstellen. Die Inter-Vollbild-Bewegungskodierung
beinhaltet die Erzeugung von Bewegungs-Vektoren, die den Offset zwischen
einem gegenwärtigen
gerade verarbeiteten Block und einem Block in einem zuvor rekonstruierten
Bild darstellen. Der Bewegungs-Vektor,
der die beste Anpassung zwischen gegenwärtigem und vorherigem Block
darstellt, wird kodiert und übertragen. Auch
die Differenz (Rest) zwischen jedem bewegungskompensierten 8 × 8-Block
und dem früher
rekonstruierten Block wird einer diskreten Cosinus-Transformation
(DCT) unterworfen, quantisiert und einer variablen Längenkodierung
(VLC) unterworfen, bevor die Übertragung
erfolgt. Verschiedene Veröffentlichungen,
einschließlich
Ang, et al., beschreiben bewegungskompensierte Kodierprozesse in
größeren Einzelheiten.
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Der
Puffer 60 akzeptiert die komprimierten Eingangs-Pixel-Datenblöcke vor
der variablen Längen-Dekodierung
durch den variablen Längen-Dekodierer
(VLD) 62. Der Puffer 60 weist eine Speicherkapazität von 1,75
Mbits im Falle eines Haupt-Stufen-, Haupt-Profil-MPEG-Datenstroms
auf. Ein inverser Quantisierer 64 und ein inverser diskreter
Cosinus-Wandler (IDCT) 66 dekomprimiert dekodierte komprimierte
Daten vom VLD 62. Ausgangsdaten von dem IDCT 66 werden
einem Eingang der Addierschaltung 68 zugeführt.
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Ein
Signal vom Puffer 60 steuert die Quantisierungs-Schrittgröße des inversen
Quantisierers 64, um einen glatten Datenfluss sicherzustellen.
Der VLD 62 erzeugt dekodierte Bewegungs-Vektoren für die Bewegungs-Kompensations-Einheit 70,
was noch erläutert
wird. Der VLD 62 erzeugt auch – wie bekannt – ein Inter/Intra-Vollbild-Betriebsarten-Auswahl-Steuersignal
(der Einfachheit halber nicht dargestellt). Die von den Einheiten 62, 64 und 66 ausgeführten Operationen
sind invers zu den entsprechenden Operationen eines bei einem Sender
befindlichen Kodierers.
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Durch
Summieren der restlichen Bilddaten von der Einheit 66 mit
vorhergesagten Bilddaten, die von dem Ausgang der Einheit 70 geliefert
werden, erzeugt die Addierschaltung 68 ein rekonstruiertes
Pixel auf der Basis des Inhalts des Video-Vollbildspeichers 14.
Wenn der Signalprozessor 72 ein vollständiges Vollbild aus Pixelblöcken verarbeitet
hat, speichert der Vollbildspeicher 14 das resultierende
rekonstruierte Bild. Bei der Inter-Vollbild-Betriebsart liefern Bewegungs-Vektoren,
die von dem VLD 62 erhalten werden, den Ort der vorhergesagten
Blöcke
aus der Einheit 70.
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Der
Bild-Rekonstruktions-Prozess, an dem die Addierschaltung 68,
der Speicher 14 und die Bewegungs-Kompensations-Einheit 70 beteiligt
sind, weist vorteilhafte, beträchtlich
verminderte Speichererfordernisse aufgrund der Verwendung des Block-Kompressors 12 vor
der Datenspeicherung in dem Vollbildspeicher 14 auf. Die
Größe des Vollbildspeichers 14 kann
bis hinauf zu 50% vermindert werden, zum Beispiel wenn ein Kompressions-Faktor von
50% verwendet wird. Die Einheit 50 führt die inverse Funktion der
Einheit 12 aus und ist gleich dem oben beschriebenen Dekompressor 16.
Der Dekompressor 50 rekonstruiert den Bildblock, so dass
der Bewegungskompensator 70 wie oben beschrieben funktionieren
kann. Der Kompressor 12 und die Dekompressoren 16 und 50 sind
gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung aufgebaut. 1, 2, 4 und 5A aufgebaut. 1, 2, 4 und 5A veranschaulichen
Einzelheiten innerhalb der Einheiten 12, 16 und 50.