DE19534943A1 - Vorrichtung zur Komprimierung unter Verwendung von eingebetteten Kleinwellen - Google Patents

Vorrichtung zur Komprimierung unter Verwendung von eingebetteten Kleinwellen

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DE19534943A1 DE19534943A DE19534943A DE19534943A1 DE 19534943 A1 DE19534943 A1 DE 19534943A1 DE 19534943 A DE19534943 A DE 19534943A DE 19534943 A DE19534943 A DE 19534943A DE 19534943 A1 DE19534943 A1 DE 19534943A1
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den technischen Bereich der Datenkom­ pressions- und -dekompressionssysteme; insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verlustfreien und verlustbehafte­ ten Codierung und Decodierung von Daten in Kompressions-/Dekompressionssystemen wie sie durch die unabhängigen Patentansprüche 1, 2, 4, 9, 12 und 16 umschrieben sind.
Die Datenkompression ist ein äußerst nützliches Werkzeug zum Speichern und Über­ tragen großer Datenmengen. Zum Beispiel wird die zur Übertragung eines Bildes, wie etwa eine Faksimileübertragung eines Dokuments, erforderliche Zeit stark reduziert, wenn eine Kompression verwendet wird, um die Anzahl der Bits, die erforderlich ist, um das Bild wiederherzustellen, verringert wird.
Viele verschiedene Datenkompressionstechniken existieren im Stand der Technik. Die Kompressionstechniken können in zwei größere Kategorien unterteilt werden, ver­ lustbehaftete Codierung und verlustlose Codierung. Die verlustbehaftete Codierung bezieht eine Codierung ein, die einen Verlust an Informationen ergibt, so daß es keine Garantie für eine perfekte Wiederherstellung der Originaldaten gibt. Das Ziel der verlustbehafteten Kompression ist, daß Änderungen der Originaldaten in einer solchen Weise vorgenommen werden, daß sie nicht zu beanstanden oder bemerkbar bzw. erfaßbar sind. Bei der verlustlosen Kompression werden sämtliche Informationen zurückbehalten und die Daten werden in einer Weise komprimiert, die die perfekte Wiederherstellung ermöglicht.
Bei der verlustlosen Kompression werden Eingabesymbole oder Intensitätsdaten in Ausgabecodewörter umgewandelt. Die Eingabe kann Bilddaten, Audiodaten, eindimen­ sionale Daten (z. B. sich räumlich oder zeitlich ändernde Daten), zweidimensionale Daten (z. B. Daten, die sich in zwei räumlichen Richtungen ändern (oder in eine räumli­ che und eine zeitliche Dimension ändern)) oder vieldimensionale/multispektrale Daten enthalten. Wenn die Kompression erfolgreich ist, werden die Codewörter in weniger Bits dargestellt als es die Anzahl von Bits für die uncodierten Eingabesymbole (oder Intensitätsdaten) erfordert. Verlustlose Codierungsverfahren enthalten Wörterbuchver­ fahren zur Codierung (z. B. Lempel-Ziv), Lauflängencodieren, aufzählendes Codieren und Entropiecodieren. Bei der verlustlosen Bildkompression wird die Kompression auf Vorhersagen oder Kontexte plus Codieren begründet. Der JBIG-Standard für Faksimile­ kompression und der DPCM (Differentialpuls-Codemodulation - eine Möglichkeit, bei dem JPEG-Standard) für Bilder mit kontinuierlichen Tönen sind Beispiele für die verlustlose Kompression von Bildern. Bei der verlustbehafteten Kompression werden Eingangssymboldaten oder -intensitätsdaten vor der Umsetzung zu Ausgangscodewörtern quantisiert. Die Quantisierung beabsichtigt, die relevanten Charakteristiken der Daten zu erhalten, während unwichtige Charakteristiken eliminiert werden. Vor der Quantisierung verwenden die verlustbehafteten Systeme häufig eine Transformation, um eine Energie­ kompaktierung zur Verfügung zu stellen. JPEG ist ein Beispiel für ein verlustbehaftetes Codierungsverfahren für Bilddaten.
Neuere Entwicklungen bei der Prozessierung von Bilddaten fahren darin fort, die Aufmerksamkeit auf eine Notwendigkeit für effiziente und genaue Arten von Datenkom­ pressionscodierung zu richten. Verschiedene Arten von Transformationssignalprozessie­ rung und/oder pyramidenartiger Signalprozessierung sind vorgeschlagen worden, die eine Mehrlösungs-Pyramidal-Prozessierung und eine Kleinwellen-Pyramidal-Prozessie­ rung umfassen. Auf diese Art wird auch als Unterbandprozessierung und als hierarchi­ sche Prozessierung Bezug genommen. Die Kleinwellen-Pyramidal-Prozessierung von Bilddaten ist eine spezifische Art der Mehrlösungs-Pyramidal-Prozessierung, die Quadra­ tur-Spiegelfilter (QMFs) verwenden kann, um eine Unterband-Zergliederung eines Originalbildes zu erzeugen. Es sei zur Kenntnis genommen, daß andere Arten von Nicht-QMF-Kleinwellen existieren. Zum Erhalt von mehr Informationen zur Kleinwel­ len-Prozessierung siehe Antonini, M., et al. "Image Coding Using Wavelet Transform", IEEE Transactions on Image Processing, Band 1, Nr. 2, April 1992, Shapiro, J. "An Embedded Hierachical Image Coder Using Zerotrees of Wavelet Coefficients", Proc. IEEE Data Compression Conference, Seiten 214-223, 1993.
Ein mit vielen Kleinwellen(wavelet)-Prozessierungen nach dem Stand der Technik verbundenes Problem ist, daß ein großer Speicher erforderlich ist, um sämtliche Daten zu speichern, während sie prozessiert bzw. bearbeitet werden. Mit anderen Worten, bei der Durchführung der Kleinwellen-Prozessierung müssen sämtliche Daten überprüft werden, bevor eine Codierung der Daten durchgeführt wird. In einem solchen Fall gibt es keine Datenausgabe, bis mindestens ein voller Durchlauf durch sämtliche Daten vorgenommen worden ist. Tatsächlich bezieht die Kleinwellen-Prozessierung typischer­ weise mehrere Durchläufe durch die Daten ein. Deshalb wird häufig ein großer Speicher benötigt. Es ist wünschenswert, die Kleinwellen-Prozessierung zu verwenden, während das Erfordernis nach einem großen Speicher vermieden werden sollte. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Kleinwellen-Prozessierung nur unter Verwendung eines einzigen Durchlaufs durch die Daten durchzuführen.
Viele Kleinwellen- oder Unterband-Transformationsumsetzungen erfordern Filter in einer bestimmten kanonischen Form. Zum Beispiel müssen Tief- und Hochpaßfilter die gleiche Länge haben, die Summe der Quadrate der Koeffizienten müssen Eins sein, der Hochpaßfilter muß die zeitliche und frequenzmäßige Umkehrung des Tiefpaßfilters sein usw. (siehe US-Patent Nr. 5,014,134, erteilt im Mai 1991 an Lawton et al.). Es ist wünschenswert, eine breitere Klasse von Filtern zu ermöglichen. Das heißt, es ist wünschenswert, Kleinwellen- oder Subband-Transformationsumsetzungen zur Verfügung zu stellen, die Tief- und Hochpaßfilter verwenden, die nicht die gleiche Länge haben, bei denen die Summe der Quadrate der Koeffizienten nicht Eins sein müssen, bei denen der Hochpaßfilter nicht die zeitliche und frequenzmäßige Umkehrung des Tiefpaßfilters sein muß, usw.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verlustlose und eine verlustbehaftete Kompression zur Verfügung, die eine Transformation verwendet, die eine gute Energiekompaktierung bzw. -verdichtung zur Verfügung stellt. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Modelieren von räumlich/frequenzmäßig verbundenen Bereichsdaten (Kleinwellen-Trans­ formationsbereich) zur Verfügung, um eine effiziente Kompression zu ermöglichen. Auch wird eine progressive Übertragung mit durch den Benutzer nach der Codierung auswählbarer Rate oder Verzerrung zur Verfügung gestellt.
Die obigen Aufgaben werden durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere gemäß den Patentansprüchen 1, 2, 4, 9, 12 und 16 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen der Vorrichtung bzw. Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. Verfahrensvarianten des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkma­ le zur Verfügung gestellt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Codierung und Decodierung von Daten wird beschrieben. Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen übertragener Signale in Reaktion bzw. Antwort auf Eingabedaten. Bei einer Ausführungsform werden transformierte Signale unter Verwendung einer umkehrbaren bzw. reversiblen Kleinwellen-Transformierung erzeugt. Die vorliegende Erfindung enthält auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Komprimieren der transformierten Signale in Daten, die eine verlustlos komprimierte Version der Eingabedaten darstellen. Gemäß einer Ausführungsform zerlegt die vorliegende Erfindung die Eingabedaten unter Verwendung eines umkehrbaren bzw. reversiblen Filters mit nicht minimierter Länge. Die Zerlegung kann unter Verwendung mehrerer bzw. multipler eindimensionaler Filter durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durch­ führung einer eingegrabenen bzw. vergrabenen Codierung der transformierten Signale. Die vergrabene bzw. eingebettete Codierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Ordnen der Reihen von Koeffizienten und die Durchführung eines bit-signifikanten Einbettens bzw. Vergrabens für die transformierten Signale.
Die vorliegende Erfindung enthält auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dekom­ primierung der verlustfrei komprimierten Version der Eingabedaten in transformierte Signale. Die vorliegende Erfindung stellt auch die verlustbehaftete Kompression von Eingabesignalen durch Abschneiden von verlustlos komprimierten Daten zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen der Eingangsdaten aus den transformierten Signalen in eine rekonstruierte Version der Eingangsdaten unter Verwendung einer inversen reversiblen Kleinwellen- Transformation.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele und ohne Einschränkungen in den Figuren der beigefügten Darstellung wiedergegeben, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche bzw. entsprechende Elemente beziehen, und in denen
Fig. 1A ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Codierungsabschnitts des Codierungssystems nach der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 1B ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des bit-signifikanten Ein­ bettens bzw. Vergrabens nach der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 2A ein Blockdiagramm eines Kleinwellen-Analyse-/-Synthesesystems ist.
Fig. 2B vorwärts gerichtete und rückwärts gerichtete Darstellungen von Trans­ formationssystemen zum Filtern mit nicht überlappten reversiblen Filtern minimaler Länge darstellt.
Fig. 3A-D Ergebnisse der Durchführung einer Zerlegung auf vier Niveaus bzw. in vier Stufen darstellt.
Fig. 4A ein Blockdiagramm einer Pyramidal-Transformation in vier Niveaus bzw. vier Stufen ist.
Fig. 4B ein Blockdiagramm einer zweidimensionalen Transformation in zwei Stufen bzw. auf zwei Niveaus ist.
Fig. 4C ein Blockdiagramm ist, das eindimensionale Filter darstellt, die eine Dekompression mit Mehrfachauflösung durchführen.
Fig. 4D ein Blockdiagramm eines Systems ist, das reversible Kleinwellen gemäß der Erfindung verwendet.
Fig. 4E Blockdiagramme von Verstärkungs- und Analysesystemen, die die rever­ siblen Kleinwellen gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden.
Fig. 5 eine Baumstruktur auf bzw. für Kleinwellen-Koeffizienten darstellt.
Fig. 6A und 6A (fortgesetzt) ein Flußdiagramm einer Ausführungsform der Einzellisten- Nullbaum-Modellierung zur Codierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 6B und 6B (fortgesetzt) ein Flußdiagramm einer Ausführungsform der Einzellisten- Nullbaum-Modellierung zur Codierung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines verringerten Flag-Speichers ist.
Fig. 6C ein Flußdiagramm einer Ausführungsform einer Einzellisten-Nullbaum- Modellierung zum Decodieren gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 6D ein Flußdiagramm einer Ausführungsform der Einzellisten-Nullbaum- Modellierung zum Decodieren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines verringerten Flag-Speichers ist.
Fig. 7A ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des horizontalen bzw. Hori­ zontmodellierens zum Decodieren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines verkleinerten bzw. verringerten Flag-Speichers ist.
Fig. 8A ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des B-Durchlaufs zur Codie­ rung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 8B ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des B-Durchlaufs zur Codie­ rung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines ver­ ringerten bzw. reduzierten Flag-Speichers ist.
Fig. 9A ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des B-Durchlaufs zum Deco­ dieren gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 9B ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des B-Durchlaufs zum Deco­ dieren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines ver­ ringerten bzw. reduzierten Flag-Speichers ist.
Fig. 10 eine Ausführungsform des Vorwärts-Kleinwellenfilters gemäß der vor­ liegenden Erfindung ist.
Fig. 11 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines umgekehrten Kleinwel­ lenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 12 ein Bild und Koeffizienten in einem Zeilenpuffer für eine Pyramidal- Zerlegung auf vier Niveaus bzw. in vier Stufen darstellt.
Fig. 13 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Kleinwellenfilterns unter Verwendung einer Filtersteuereinheit ist.
Fig. 14 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform einer Kleinwellenfil­ terung unter Verwendung einer Filtersteuereinheit ist.
Fig. 15 die Zuordnung von Speichergruppen bzw. Speicherbänken darstellt, um einen horizontalen und einen vertikalen Zugriff zu unterstützen.
Fig. 16 den Filterbetrieb für eine Zerlegung in zwei Niveaus bzw. zwei Stufen darstellt.
Fig. 17 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Kontextmodells gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 18 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorzeichen- bzw. Zei­ chen-/Größenordnungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 19 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Größenordnungs-Spei­ chereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 20 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Wertigkeits- bzw. Wich­ tigkeitseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 21 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Baum-Speichereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 22 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Koeffizientenverschiebung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 23 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der Wertigkeits­ bzw. Wichtigkeitseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist, unter Verwendung einer Ausrichtung bzw. einem Abgleich um bzw. auf 1,5.
Fig. 24 die dynamische Zuweisung vom Speicher mit codierten Daten für einen Durchlaufbetrieb darstellt.
Fig. 25A und B ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des Co­ dierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 26A und B ein Flußdiagramm der Decodierung nach einer Ausführungsform des Decodierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 27A und B ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Modellierung jedes Koeffizienten sowohl für das Codie­ rungs- als auch das Decodierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 28A und B Flußdiagramme einer alternativen Ausführungs­ form des Codierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 29A und B ein Flußdiagramm einer alternativen Ausfüh­ rungsform des Decodierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ist.
Fig. 30A und B ein Flußdiagramm einer alternativen Ausfüh­ rungsform des Verfahrens zur Modellierung jedes Koeffizienten in den Codierungs- und Decodierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ist.
Fig. 31 eine Ausführungsform des Multiplizierers bzw. Vervielfachers für das Frequenzband ist, das für die Koeffizientenzuordnung bzw. -ausrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompression und Dekompression wird hier nachfolgend beschrieben. In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vor­ liegenden Erfindung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten zum Ausdruck gebracht, wie etwa Arten von Codierereinrichtungen, Anzahlen von Bits, Namen von Signalen usw., um ein tiefgehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Jedoch wird es für den Fachmann klar werden, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten in die Tat umgesetzt werden kann. In anderen Beispielen werden wohlbekannte Konstruktionen und Vorrichtungen eher in Blockdiagrammform als in Einzelheiten gezeigt, um eine Verundeutlichung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Einige Abschnitte der detaillierten Beschreibung werden in Ausdrücken von Algorithmen und von symbolischen Darstellungen von Operationen auf Datenbits innerhalb eines Computerspeichers präsentiert. Diese algorithmischen Beschreibungen und Darstellungen sind die Mittel, die von den Fachleuten auf dem Gebiet der Datenverarbeitung ver­ wendet werden, um den Gegenstand ihrer Tätigkeit anderen Fachleuten am effektivsten zuzutragen. Ein Algorithmus wird hier und im allgemeinen als eine selbstkonsistente Folge von Schritten zu verstehen sein, die zu einem gewünschten Ergebnis führt. Die Schritte sind derartig, daß sie physikalische Manipulationen und physikalische Größen erfordern. Üblicherweise haben diese Größen die Form von elektrischen oder magneti­ schen Signalen, die geeignet sind, gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen und auf andere Weise manipuliert zu werden, obwohl dies nicht notwendig ist. Es hat sich zur Zeit prinzipiell aus Gründen der üblichen Verwendungen als günstig erwiesen, auf diese Signale als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Schriftzeichen, Ausdrücke, Nummern bzw. Zahlen oder dergleichen Bezug zu nehmen.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß all diese und ähnliche Ausdrücke mit den ange­ messenen physikalischen Größen in Verbindung zu sehen sind und nichts weiter als geeignete Oberbegriffe sind, die diesen Größen zugeordnet sind. Wenn es nicht beson­ ders anders ausgesagt wird, wie aus der nachfolgenden Erörterung klar wird, ist es bevorzugt, daß für die gesamte vorliegende Erfindung Erörterungen, die Ausdrücke, wie etwa "Prozessieren" oder "Berechnen" bzw. "Veranschlagen" oder "Kalkulieren" oder "Bestimmen" oder "Anzeigen" oder dergleichen, verwenden, sich auf Tätigkeiten oder Prozesse eines Computersystems oder ähnliche bzw. gleiche elektronische Computer­ einrichtungen beziehen, die Daten, die als physikalische (elektronische) Größen in­ nerhalb der Register und Speicher des Computersystems dargestellt werden, in andere ähnliche bzw. vergleichbar dargestellte Daten als physikalische Größen innerhalb des Speichers oder Registers des Computersystems oder anderer solcher Informationsspei­ cher, Übertragungs- oder Wiedergabeeinrichtungen manipulieren und übertragen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung der Operationen hierin. Die Vorrichtung kann für die erforderlichen Zwecke besonders aufgebaut sein oder sie kann einen Computer für allgemeine Zwecke umfassen, der selektiv aktiviert oder durch ein Computerprogramm, das in dem Computer gespeichert ist, rekonfiguriert werden. Die Algorithmen und Anzeigen, die hierin dargestellt wer­ den, sind nicht inhärent auf bestimmte Computer oder andere Vorrichtungen bezogen. Verschiedene Vorrichtungen für allgemeine Zwecke können mit diesen Programmen in Übereinstimmung mit den Lehren hierin verwendet werden, oder es kann sich als bevorzugt erweisen, spezialisiertere Vorrichtungen aufzubauen, um die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen. Die erforderliche Konstruktion für verschiedene dieser Vorrichtungen wird aus der nachfolgenden Beschreibung erscheinen. Zusätzlich wird die vorliegende Erfindung nicht unter Bezugnahme auf irgendeine bestimmte Programmiersprache beschrieben. Es wird zu bevorzugen sein, daß viele verschiedene Programmiersprachen verwendet werden können, um die Lehren der Erfindung in die Tat umzusetzen, wie sie hierin beschrieben wird.
Nachfolgend wird ein Überblick über die Erfindung gegeben. Die vorliegende Erfindung stellt ein Kompressions-/Dekompressionssystem zur Verfügung, das einen Codierungs­ abschnitt und einen Decodierungsabschnitt aufweist. Der Codierungs- bzw. Verschlüsse­ lungsabschnitt ist für die Codierung von Eingabe- bzw. Eingangsdaten verantwortlich, um komprimierte Daten zu erzeugen, während der Decodierungsabschnitt für die Decodierung zuvor codierter Daten zuständig ist, um eine rekonstruierte bzw. wieder aufgebaute Version der Originaleingabedaten zu erzeugen. Die Eingabedaten können verschiedene Datentypen aufweisen, wie etwa Bilddaten (stehende oder Videodaten), Audiodaten usw. In einer Ausführungsform sind die Daten digitale Signaldaten; jedoch sind analog digitalisierte Daten, Textformatdaten und andere Formate möglich. Die Quelle der Daten kann ein Speicher oder Kanal für den Codierungsabschnitt und/oder den Decodierungsabschnitt sein.
In der vorliegenden Erfindung können Elemente des Codierungsabschnittes und/oder des Decodierungsabschnittes in Hardware oder Software umgesetzt werden, so wie sie für ein Computersystem verwendet werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein verlust­ freies Kompressions-/Dekompressionssystem zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung kann auch konfiguriert werden, um eine verlustbehaftete Kompression/Dekompression durchzuführen.
Die Fig. 1A ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Codierungsabschnitts des Systems. Man beachte, daß der Decodierungsabschnitt des Systems in der umgekehrten Ordnung gleichermaßen mit dem Datenfluß operiert. Bezugnehmend auf Fig. 1 werden Eingabebilddaten 101 durch den Kleinwellen-Übertragungsblock 102 empfangen. Der Ausgang des Kleinwellen-Übertragungsblocks 102 wird zu einem Bit-Wichtungs-Einbet­ tungsblock 103 gekoppelt. In Antwort auf die Ausgabe von dem Kleinwellen-Über­ tragungsblock 102 erzeugt der Bit-Wichtungs-Einbettungsblock 103 mindestens einen Bitstrom, der durch einen Entropiecodierer 104 empfangen wird. In Antwort auf die Eingabe von der Bit-Wichtungs-Einbettung 103 erzeugt der Entropiecodierer 104 einen Codestrom 107.
In einer Ausführungsform weist eine Zeichen-Größenordnungs-Formatierungseinheit 109 ein frequenzbasierendes Kontextmodell 105 und ein verbundenes Raum-/Frequenz- Kontextmodell 106, wie in Fig. 1B gezeigt, auf. In einer Ausführungsform weist das verbundene Raum-/Frequenz-Kontextmodell 106 ein Horizontal-Kontextmodell auf. In einigen Ausführungsformen weist ein frequenzbasierender Kontextmodellblock 105 ein Nullbaum-Modell auf. In einer anderen Ausführungsform weist das frequenzbasierende Kontextmodell 105 ein Wichtungsbaummodell auf. Die Zeichen-Größenordnungseinheit 109, das frequenzbasierende Kontextmodell 105 und das verbundene Raum-/Fre­ quenz(JSF)-Kontextmodell 106 führen in der vorliegenden Erfindung eine Bit-Wich­ tungs-Einbettung durch. Die Eingabe der Zeichen-Größenordnungseinheit 109 wird zu dem Ausgang des Kleinwellen-Transformations-Codierungsblocks 102 gekoppelt. Der Ausgang der Zeichen-Größenordnungseinheit 109 wird zu einem Schalter 108 gekoppelt bzw. übertragen. Der Schalter 108 wird gekoppelt, um den Ausgang der Zeichen- Größenordnungseinheit 109 zu einem Eingang entweder eines frequenzbasierenden Modellierungsblocks 105 oder eines verbundenen Raum-/Frequenz-Modellierungsblocks 106 zur Verfügung zu stellen. Der Ausgang des frequenzbasierenden Codierungsblocks 105 und des Horizontal-Ordnungs-Codierungsblocks 106 werden zu dem Eingang des Entropiecodierers 104 gekoppelt. Der Entropiecodierer 104 erzeugt den Ausgangscode­ strom 107.
Zurückgehend auf Fig. 1A werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Bilddaten 101 empfangen und unter Verwendung reversibler Kleinwellen im Kleinwellen-Transforma­ tionsblock 102, wie später unten bestimmt wird, codiert transformiert, um eine Reihe von Koeffizienten zu erzeugen, die eine Mehrfachauflösungs-Zerlegung des Bildes darstellen. Diese Koeffizienten werden durch die Bit-Wichtungs-Einbettung 103 empfan­ gen.
Die Wichtungs-Einbettung 103 fordert an und konvertiert die Koeffizienten in ein Zeichen-Größenordnungsformat und basierend auf ihrer Wichtung (wie unten später beschrieben wird) werden die formatierten Koeffizienten einer Kombination von ver­ schiedenen Einbettungs-Modellierungsverfahren ausgesetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die formatierten Koeffizienten einem von zwei Einbettungs-Modellie­ rungsverfahren ausgesetzt (z. B. frequenzbasierendem Modellieren und JSF-Modellieren).
In einer Ausführungsform werden die formatierten Koeffizienten entweder einem frequenzbasierenden Modellieren oder einer verbundenen Raum-/Frequenz-Modellierung ausgesetzt. Wenn die eingegebenen Daten Bilddaten aufweisen, die mehrere Bitebenen haben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Bitebenen mit frequenzbasierender Modellierung codiert, während die verbleibenden Bitebenen mit JSF-Modellierung codiert werden. Die Entscheidung, welches Verfahren für welche Bitebenen verwendet wird, kann ein vom Benutzer bestimmter Parameter bzw. ein Benutzerparameter sein. In einer Ausführungsform werden die Bitebenen höherer Ordnung von Koeffizienten angefordert und codiert mit der frequenzbasierenden Model­ lierung nach der vorliegenden Erfindung. In dem frequenzbasierenden Kontext-Modell­ verfahren nach der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Vorhersage der Wichtung bzw. Wertigkeit der Koeffizientenbits auf die Pyramidal-Struktur der Klein- bzw. Unterwellen. Die Koeffizienten-Bitebenen niederer Ordnung werden geordnet und mit dem verbundenen Raum-/Frequenz-Kontextmodell nach der vorliegenden Erfindung codiert. Das JSF-Modellieren, z. B. das Horizontal-Modellieren, stellt gegenüber dem frequenzbasierenden Codieren von Bitebenen, die weniger im Hinblick auf die Frequenz­ bereich-Koeffizientverhältnisse korreliert sind, Vorteile zur Verfügung.
Das Ergebnis von Bit-Wichtungs-Einbettung sind Entscheidungen (oder Symbole), die durch den Entropiecodierer zu codieren sind. In einer Ausführungsform werden sämtli­ che Entscheidungen zu einem einzigen Codierer geleitet. In einer anderen Ausführungs­ form werden Entscheidungen durch Wichtung beschriftet bzw. bewertet, und Entschei­ dungen für jeden Wichtungspegel werden durch verschiedene (physikalische oder virtuelle) Mehrfachcodierer verarbeitet.
Die Bitströme, die aus dem frequenzbasierenden Kontext-Modellblock 105 und dem JSF- Kontext-Modellblock 106 resultieren, werden in der Ordnung ihrer Wichtung unter Verwendung des Entropiecodierers 104 codiert. In einer Ausführungsform weist der Entropiecodierer 104 einen Binär-Entropiecodierer auf. In einer Ausführungsform weist der Entropiecodierer 104 einen Q-Codierer, einen B-Codierer, der in dem US-Patent Nr. 5,272,478 definiert ist, oder einen Codierer, wie etwa in der US-Patentanmeldung mit der Serial-Nr. 08/016,035 beschrieben ist, betitelt mit "Method and Apparatus for Parallel Decoding and Encoding of Data", angemeldet am 10. Februar 1993, auf. Für mehr Informationen zu dem Q-Codierer, siehe Pennebaker, W.B., et al. "An Overview of the Basic Principles of the Q-coder Adaptive Binary Arithmetic", IBM Journal of Research and Development, Vol. 32, Seiten 717-26, 1988. In einer Ausführungsform erzeugt ein einzelner Codierer einen einzelnen Ausgangscodestrom. In einer anderen Ausführungsform erzeugen mehrere (physikalische oder virtuelle) Codierer mehrere (physikalische oder virtuelle) Datenströme.
Kleinwellenzerlegung
Die vorliegende Erfindung führt anfänglich eine Zerlegung eines Bildes (in der Form von Bilddaten) oder anderer Datensignale unter Verwendung reversibler Klein- bzw. Unterwellen durch. Gemaß der vorliegenden Erfindung weist eine reversible Klein- bzw. Nebenwellen-Transformation eine Umsetzung eines genauen Wiederherstellungssystems in ganzzahliger Arithmetik auf, so daß ein Signal mit ganzzahligen Koeffizienten verlustfrei zurückgewonnen werden kann. Unter Verwendung reversibler Kleinwellen ist die vorliegende Erfindung auch dazu in der Lage, eine verlustfreie Kompression mit endlicher Präzisionsarithmetik zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse, die durch Anwenden der reversiblen Kleinwellen-Transformation auf die Bilddaten erzeugt wer­ den, sind eine Reihe von Koeffizienten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die reversible Kleinwellen-Transformation unter Verwendung einer Ein­ stellung von Filtern in die Tat umgesetzt. Gemäß einer Ausführungsform sind die Filter ein Tiefpaßfilter mit zwei Gängen bzw. Abgriffen oder Transformatorstufen ("two-tap") und ein Hochpaßfilter mit sechs Abgriffen bzw. Abzweigen oder Transformierungs­ stufen. In einer Ausführungsform werden diese Filter nur unter Verwendung von Additions- und Subtraktionsoperationen (und verdrahteter Bitverschiebung) in die Tat umgesetzt. Auch erzeugt der Hochpaßfilter gemäß der vorliegenden Erfindung seinen Ausgang unter Verwendung der Ergebnisse des Hochpaßfilters. Die sich ergebenden Hochpaßkoeffizienten sind nur ein paar Bits größer als die Bildpunktauflösung und die Tiefpaßkoeffizienten sind die gleichen wie die Bildpunktauflösung. Weil nur die Tiefpaß­ koeffizienten wiederholt in einer pyramidalen Zerlegung gefiltert werden, wird die Auflösung nicht in mehrstufige bzw. mehrpegelige Zerlegungen erweitert.
Ein Kleinwellen-Transformationssystem wird durch ein Paar von FIR-Analysefiltern h₀(n), h₁(n) bestimmt und ein Paar von FIR-Synthesefiltern g₀(n), g₁(n) definiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind h₀ und g₀ die Tiefpaßfilter und h₁ und g₁ sind die Hochpaßfilter. Ein Blockdiagramm des Kleinwellensystems ist in Fig. 2A gezeigt. Bezugnehmend auf Fig. 2A werden für ein Eingangssignal x(n) die Analysefilter h₀ und h₁ angelegt und die Ausgänge werden um 2 verringert (kritisches Subabtasten), um die transformierten Signale y₀(n) und y₁(n) zu erzeugen, auf die hierin als Tiefpaß- bzw. Hochpaßkoeffizienten Bezug genommen wird. Die Analysefilter und ihre entsprechend verringerten oder unterabgetasteten Blöcke bilden den Analyseabschnitt des Kleinwellen- Transformationssystems. Der Codierer/Decodierer enthält sämtliche Verarbeitungslogik und -routinen bzw. -prozeduren, die in dem transformierten Bereich durchgeführt werden (z. B. Vorhersage, Quantisierung, Codierung etc.). Das in Fig. 2A gezeigte Kleinwellensystem enthält auch einen Syntheseabschnitt, indem die Transformations­ signale um 2 aufwärts abgetastet sind (z. B. wird nach jedem zweiten Ausdruck eine Null eingefügt) und anschließend durch die Synthesefilter g₀(n) und g₁(n) hindurchgeführt. Die Tiefpaßkoeffizienten y₀(n) werden durch den Tiefpaßsynthesefilter g₀ und das hochpaßgefilterte y₁(n) wird durch Hochpaßfilter g₁ hindurchgeführt. Der Ausgang der Filter g₀(n) und g₁(n) wird zur Erzeugung von (n) kombiniert.
Während in einigen Ausführungsformen Ab- und Aufwärtsabtastung durchgeführt werden, werden in anderen Ausführungsformen Filter verwendet, so daß Berechnungen, die wegen des Ab- und Aufwärtsabtastens unnötig sind, nicht durchgeführt werden.
Das Kleinwellensystem kann in Ausdrücken von Z-Transformationen beschrieben werden, wobei X(Z), (Z) die Eingangs- bzw. Ausgangssignale sind, wobei Y₀(Z), Y₁(Z) die Tiefpaß- und Hochpaß-Transformationssignale sind, H₀(Z), H₁(Z) die Hoch­ paß- und die Tiefpaßanalysefilter und schließlich G₀(Z), G₁(Z) die Tiefpaß- und die Hochpaßsynthesefilter sind. Falls keine Änderung oder Quantisierung in dem Trans­ formationsbereich vorkommt, ist der Ausgang (Z) gemäß Fig. 2 gegeben durch
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der zweite Ausdruck von (Z), auf den als "Faltungs"(aliasing)-Ausdruck Bezug genommen wird, gestrichen bzw. abgeschafft, weil die Synthesefilter als der Quadraturspiegel bzw. Quertransformationsspiegel der Analy­ sefilter definiert sind, nämlich
In den Ausdrücken der Filterkoeffizienten heißt dies
Deshalb lautet der Ausgang eines Quadraturspiegel- bzw. Quertransformationsfilterpaa­ res nach der Substitution bzw. Ersetzung:
Folglich wird bei einem Querspiegel- bzw. Quertransformationssystem nach der vor­ liegenden Erfindung der Ausgang nur in Ausdrücken der Analysefilter bestimmt. Die Kleinwellen-Transformation wird rekursiv auf das transformierte Signal angewendet, indem die durch die Filter erzeugten Ausgänge direkt oder indirekt als Eingänge in die Filter verwendet werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird nur die tiefpaß­ transformierte Komponente y₀(n) rekursiv bzw. wiederholbar transformiert, so daß das System pyramidal bzw. in Form einer Pyramide ist. Ein Beispiel eines solchen pyrami­ dalen Systems ist in Fig. 4A gezeigt.
Die Z-Transformation ist eine angemessene Notation, um die Operation in Form von Daten auf Hardware und/oder auf Software auszudrücken. Die Multiplikation mit Z-m modelliert bzw. stellt dar einen m Verzögerungszeitzyklus bzw. -zeitgeberzyklus in der Hardware und einen Zugriff auf die Anordnung des m-ten davorliegenden Elements in der Software. Derartige Umsetzungen von Hardware enthalten Speicher, Rohr- bzw. Leitungsstufen, Verschieber, Register usw.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Signale x(n) und (n) identisch bis zu einer multiplikativen Konstante und einem Verzögerungsausdruck, nämlich in Ausdrücken der Z-Transformation
(Z) = cZ-mX(Z).
Dies wird als ein genaues Wiederherstellungssystem bezeichnet. Folglich ist in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung die Kleinwellen-Transformation, die eingangs auf die Eingabedaten angewendet wird, genau wiederherstellbar.
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Hadamard-Trans­ formation verwendet, ein genaues Wiederherstellungssystem, welches in der normalisier­ ten Form die nachfolgende Darstellung in dem Z-Bereich aufweist:
Nach der Ersetzung lautet der Ausgang
(Z) = Z-1X(Z),
welche deutlicherweise eine genaue Wiederherstellung ist. Um mehr Informationen zu der Hadamard-Transformation zu erhalten, siehe Anil K. Jain, Fundamentals of Image Processing, Seite 155.
Auf eine reversible bzw. umkehrbare Version der Hadamard-Transformation wird hierin als die 5-Transformation Bezug genommen. Für mehr Informationen zu der 5-Trans­ formation siehe Said, A. und Pearlman, W. "Reversible Image Compression via Multi­ resolution Representation and Predictive Coding", Dept. of Electrical, Computer and Systems Engineering, Renssealaer Polytechnic Institute, Troy, NY 1993. Da die Hada­ mard-Transformation eine genaue Wiederherstellungstransformation ist, ist die nachfol­ gende unnormierte Version (die sich von der Hadamard-Transformation um konstante Faktoren unterscheidet) ebenfalls eine genaue Wiederherstellungstransformation:
Es seien die Proben der Eingangssignale als x₀, x₁ gegeben, wobei die S-Transformation eine reversible bzw. umkehrbare Implementation dieses Systems ist, als
Die Notation bedeutet abzurunden oder zu kürzen bzw. abzuschneiden, und darauf wird manchmal als "Boden- bzw. Grundfunktion" (floor function) Bezug genommen. Ähnlich bedeutet die Dach- bzw. Deckenfunktion (ceiling function)  , daß auf die nächste ganze Zahl aufgrundet wird.
Der Beweis, daß diese Implementation bzw. Umsetzung reversibel ist, folgt aus der Tatsache, daß die einzige Information, die bei der Annäherung verlorengeht, das letzte signifikante Bit von x(0)+x(1) ist. Aber da die letzten signifikanten Bits von x(0)+x(1) und x(0)-x(1) identisch sind, kann dies von dem Hochpaßausgang y₁(0) zurückgewonnen werden. Mit anderen Worten
Die S-Transformation ist eine nicht-überlappende Transformation, die reversible Filter mit minimaler Länge verwendet. Filter mit minimaler Länge weisen ein Paar von Filtern auf, wobei sämtliche Filter zwei Abgriffe bzw. Stufen aufweisen. Transformationen mit minimaler Länge stellen keine gute Energie-Kompaktierung zur Verfügung. Filter mit minimaler Länge setzen eine nicht-überlappende Transformation in die Tat um, weil die Länge der Filter gleich der Anzahl der Filter ist. Überlappende Transformationen verwenden zumindest einen Filter, der eine Länge aufweist, die größer ist als die Anzahl der Filter. Überlappende Transformationen, die längere Filter verwenden (nicht-minima­ ler Länge), können eine bessere Energie-Kompaktierung zur Verfügung stellen. Die vorliegende Erfindung stellt reversible Filter mit nicht-minimaler Länge zur Verfügung, die eine überlappende Transformation ermöglichen.
Ein anderes Beispiel eines genauen Wiederherstellungssystems weist die 2/6-(TS)- Transformation auf, die die Z-Bereich-Definition hat
Nach dieser Substitution lautet der Ausgang
(Z) =2Z-3X(Z),
die eine genaue bzw. exakte Wiederherstellungstransformation ist.
Die rationale, unormierte Version der TS-Transformation weist auf:
Wenn x(0), x(1) . . . x(5) sechs Proben der Signale sind, dann sind die ersten drei Tiefpaßkoeffizienten y₀(0), y₀(1), y₀(2) und der erste Hochpaßkoeffizient y₁(0) gegeben durch:
Jedoch ist die direkte Vorwärts-Umsetzung bzw. -Implementation der rationalen unnor­ mierten Version der TS-Transformation nicht umgekehrbar. Das folgende Beispiel zeigt, daß die Implementation lokal nicht umkehrbar ist. Eine längere Folge kann wie ein Beispiel für den allgemeinen Fall aufgebaut werden. Da -(x(0)+x(1))+(x(4)+x(5))≠ y₀(0)+y₀(2) ist, weil zum Berechnen von y₀(0) und y₀(2) gerundet wird, ist diese Trans­ formation unter Verwendung von lokalen Informationen nicht umkehrbar bzw. rever­ sibel.
Zum Beispiel, falls x(0)=1,x(1)=1,x(2)=3,x(3)=1,x(4)=1,x(5)=1, dann
und wenn x(0)=1,x(1)=2,x(2)=4,x(3)=1,x(4)=1,x(5)=1, dann
Da y₀(0), y₀(1), y₀(2) und y₀(0) die gleichen für die zwei verschiedenen Sätze von Eingängen x(0) . . . x(5) sind, ist die Transformation nicht reversibel, da bei gegebenen y₀(0), . . . y₁(0) nicht aus dieser lokalen Information bestimmt werden kann, welcher der zwei Sätze eingegeben worden ist. (Man registriere, daß bewiesen werden kann, daß die Transformation unter Verwendung allgemeiner Informationen von sämtlichen Koeffizien­ ten nicht reversibel ist.)
Man ziehe nun eine reversible TS-Transformation in Betracht, auf die hierin als eine RTS-Transformation Bezug genommen wird, die einen verschiedenen Hochpaßfilterbe­ trieb zur Verfügung stellt.
Falls x(0), x(1), x(2), x(3), x(4), x(5) sechs Proben des Signals sind, dann werden die ersten drei Tiefpaßkoeffizienten y₀(0), y₀(1), y₀(2) und der erste Hochpaßkoeffizient y₁(0) gegeben durch
Da
ist dann x(2)-x(3) vollständig bekannt. Mit
und x(2)-x(3) und x(2)-x(3), die oben bestimmt sind, können x(2) und x(3) zurückgewonnen werden, weil die letzten signifikanten Bits von x(0)+x(1) und x(0)-x(1) identisch sind.
Insbesondere sei
Eine Ausführungsform des Vorwärtsfilters für die RTS-Transformation wird in dem Anhang A als durch die Programmiersprache "C" umgesetzt gezeigt. Man nehme zur Kenntnis, daß mathematisch die Gleichung
und die Gleichung:
gleich sind, wenn sie mit einer unendlichen Präzisions-Arithmetik durchgeführt werden. Der Grund, daß zwei Gleichungen einen reversiblen Filter darstellen, wird klar, wenn sie physikalisch mit ganzzahliger Arithmetik umgesetzt werden. Beispielhafte Hardware- Umsetzungen des Tiefpaßfilters und des Hochpaßfilters werden in Verbindung mit den Fig. 10 und 11 beschrieben.
Man beachte, daß sowohl bei der S-Transformation als auch der RTS-Transformation der Tiefpaßfilter so umgesetzt ist, daß der Bereich des Eingangssignals x(n) der gleiche ist, wie das Ausgangssignal y₀(n). Wenn zum Beispiel das Signal ein 8-Bit-Bild ist, beträgt der Ausgang des Tiefpaßfilters ebenfalls 8 Bits. Für ein pyramidales System ist dies eine wichtige Eigenschaft, wo der Tiefpaßfilter sukzessive eingesetzt wird, weil in Systemen nach dem Stand der Technik der Bereich des Ausgangssignals größer ist als der des Eingangssignals, wodurch sukzessive Anwendungen des Filters schwierig gemacht werden. Zusätzlich hat der Tiefpaßfilter nur zwei Abgriffe bzw. Stufen, die aus ihm einen nicht-überlappenden Filter machen. Diese Eigenschaft ist für die Umsetzung in Hardware wichtig, wie später unten beschrieben wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Tiefpaßfilter und der Hochpaßfilter unter Bezugnahme auf die RTS-Transformation wie folgt definiert:
Folglich können die Ergebnisse von den Tiefpaßfiltern zweimal in dem Hochpaßfilter (in dem ersten und dem dritten Ausdruck bzw. Term) verwendet werden. Folglich ist es nur erforderlich, zwei andere Additionen durchzuführen, um das Ergebnis des Hochpaßfil­ ters zu erlangen.
Viele überlappende reversible Filter mit nicht-minimaler Länge können gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Derartige Vorwärts- und Invers-Darstellun­ gen von dem Transformationssystem zur Filterung mit nicht-überlappenden reversiblen Filtern minimaler Länge sind in Fig. 2B gezeigt. Zum Beispiel kann die folgende Klasse von Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Für eine ganze Zahl Lz gilt
und
und
Die Länge des Hochpaßfilters beträgt 2L. Wenn L ungerade ist, kann der Filter näher bei einem symmetrischen Filter sein. Wenn ai, b, ci und k ganze Zahlen bzw. Integer sind und k b ist, dann ist der Filter reversibel bzw. umkehrbar. Wenn ai, b, ci und k Potenzen von zwei sind (oder das negative oder das Komplement einer Potenz von zwei), dann kann die Implementation des Filters vereinfacht werden. Wenn k = b ist (ungeachtet des Wertes von ai und ci), dann ist der Bereich des Ausgangs des Hoch­ paßfilters y₁ minimiert. Für jedes ai, wenn es nur genau ein ci mit ai = -ci gibt, dann wird der Hochpaßfilter keine Reaktion bzw. Antwort auf einen konstanten Eingangswert bzw. Eingang haben. Wenn ai-ci wenn j-(L-1)=i ist, dann kann der Filter dichter bei einem symmetrischen Filter sein.
Eine andere zweckmäßige Eigenschaft ist
Dies bewirkt, daß der Hochpaßfilter keine Reaktion bzw. Antwort auf einen sich linear ändernden Eingang hat, wenn m=1 und sich der Eingang quadratisch ändert, wenn m=2 usw., wobei m die momentane Bedingung bzw. der momentane Zustand ist. Diese Eigenschaft ist der prinzipielle Grund, weshalb die RTS-Transformation eine bessere Energiekompaktierung hat als die S-Transformation.
Während die Filter die minimalen Zwangsbedingungen bzw. Nebenbedingungen für die Umkehrbarkeit für verschiedene Anwendungen erfüllen müssen, können Filter verwendet werden, die keine, einige oder sämtliche der anderen Eigenschaften erfüllen. Bei einigen Ausführungsformen wird einer der folgenden beispielhaften Hochpaßfilter verwendet. Die Filter sind in einer Notation aufgeführt, die nur die ganzzahligen Koeffizienten der rationalen Version des Filters aufführt, um eine Verundeutlichung der Erfindung zu vermeiden.
Auf den letzten Filter wird als den (zwei/zehn) TT-Filter Bezug genommen und er weist die Eigenschaft auf, daß er keine Reaktion bzw. Antwort auf eine kubisch anwachsende Funktion hat. Man bemerke, daß dieser Filter mit insgesamt sieben Additionen und Subtraktionen in die Tat umgesetzt werden kann, da 22= 16+2×3 und 3=2+1 ist.
Die strikten Umkehrbarkeitserfordernisse für Filter können unter Bemerkung des nachfolgenden entspannt werden. Hochpaßkoeffizienten werden in der gleichen Reihen­ folge codiert bzw. decodiert. Bildpunktwerte, die zuvor decodierten Hochpaßkoef­ fizienten entsprechen, sind genau bekannt, so daß sie in gegenwärtigen Hochpaßfilterun­ gen verwendet werden können. Zum Beispiel kann der folgende Filter verwendet werden, wenn eine Rasterreihe verwendet wird.
Die Verwendung eines einzelnen festen Hochpaßfilters ist nicht erforderlich. Adaptive Filter können verwendet werden oder multiple Filter können verwendet werden. Die Daten, die verwendet werden, um multiple Filter zu adaptieren oder auszuwählen, müssen auf Daten eingeschränkt werden, die in dem Decodierer vor einer bestimmten inversen Filterbetätigung verfügbar sind.
Eine Art, um multiple Filter zu verwenden, ist es, die Hochpaßkoeffizienten fortschrei­ tend zu verarbeiten. Abwechselnde Hochpaßfilterbetätigungen (y₁(0), y₁(2), y₁(4), . . . ) können zuerst mit einem reversiblen Filter, wie etwa dem RTS-Hochpaßfilter, prozes­ siert werden. Die verbleibende Prozessierung (y₁(1), y₁(3), y₁(5), . . . ) kann einen nicht­ reversiblen Filter von bis zu sechs Abgriffen bzw. Stufen verwenden, weil die genauen Werte der Eingänge zu diesem überlappenden Abschnitt des Filters bekannt sind. Zum Beispiel kann ein beliebiger der folgenden Filter verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Hochpaßfilter durch eine Vorhersage-/Inter­ polations-Operation ersetzt werden. Ein Vorhersager/Interpolator kann die Differenz zwischen einem Paar von Ausgängen vorhersagen, indem beliebige Daten, die in dem Decodierer vor einer besonderen Vorhersage-/Interpolations-Operation verfügbar sind, verwendet werden. Die vorhergesagte Differenz wird von der gegenwärtigen Differenz der Eingänge abgezogen und wird ausgegeben. Gemäß einer Ausführungsform werden Vorhersageverfahren nach dem Stand der Technik, die in DPCM bei progressivem Codieren oder Raumbereich-Codieren verwendet werden, benutzt.
Unter Verwendung der Hochpaß- und Tiefpaßfilter nach der vorliegenden Erfindung wird eine Zerlegung mit mehreren Lösungen durchgeführt. Die Anzahl der Pegel bzw. Niveaus der Zusammensetzung ist variabel und kann irgendeine Anzahl sein; jedoch entspricht gegenwärtig die Anzahl der Zerlegungspegel zwei bis fünf Pegeln.
Zum Beispiel wird der erste Pegel bzw. das erste Niveau der Zerlegung auf die feinsten Einzelheiten oder Auflösungen angesetzt, wenn die reversible Kleinwellen-Transforma­ tion rekursiv bzw. wiederholbar auf ein Bild angesetzt wird. Bei einem ersten Zerle­ gungsniveau wird das Bild in zwei Subbilder (z. B. Subbänder) zerlegt. Jedes Subband stellt ein Band räumlicher Frequenzen dar. Die ersten Niveau-Subbänder sind LL₀, LH₀, HL₀ und HH₀ benannt. Das Verfahren zur Zerlegung des Originalbildes bezieht Unter­ abtastung um bzw. durch zwei sowohl in horizontalen als auch in vertikalen Dimensio­ nen ein, so daß die ersten Pegel bzw. Niveau-Unterbänder LL₀, LH₀, HL₀ und HH₀ jeweils ein Viertel so viele Koeffizienten haben, wie der Eingang Bildpunkte (oder Koeffizienten) des Bildes hat, so wie in Fig. 3A gezeigt wird.
Das Unterband LL₀ enthält gleichzeitig horizontale Niederfrequenz- und vertikale Niederfrequenzinformationen. Üblicherweise wird in diesem Unterband ein großer Abschnitt der Bildenergie konzentriert. Das Unterband LH₀ enthält horizontale Nieder­ frequenz- und vertikale Hochfrequenzinformationen (beispielsweise horizontale Kanten­ informationen). Das Unterband HL₀ enthält horizontale Hochfrequenzinformationen und vertikale Niederfrequenzinformationen (beispielsweise Informationen von vertikalen Kanten). Das Unterband HH₀ enthält horizontale Hochfrequenzinformationen und vertikale Hochfrequenzinformationen (z. B. Informationen über Texturen oder diagonale Kanten).
Jede der nachfolgenden zweiten, dritten und vierten niedrigeren Zerlegungspegel bzw. -niveaus wird durch Zerlegen der niederfrequenten LL-Unterbänder des vorherigen Pegels bzw. Niveaus erzeugt. Dieses Unterband LL₀ des ersten Pegels bzw. Niveaus wird zerlegt, um die Unterbänder LL₁, LH₁, HL₁ und HH₁ des gemäßigten zweiten Detailpegels bzw. -niveaus zu erzeugen. Ähnlich wird das Unterband LL₁ zerlegt, um Grobdetailunterbänder LL₂, LH₂, HL₂ und HH₂ des zweiten Niveaus bzw. Pegels zu erzeugen. Auch wird das Unterband LL₂ zerlegt, um die gröberen Detailunterbände LL₃, LH₃, HL₃ und HH₃ des dritten Niveaus, wie in Fig. 3D gezeigt, zu erzeugen. Aufgrund des Unterabtastens um zwei ist jedes zweite Niveau- bzw. Pegelunterband ein Sechzehn­ tel der Größe des Originalbildes. Jede Probe bzw. Abtastung (z. B. "pel") stellt bei diesem Pegel bzw. Niveau eine mittlere Einzelheit bzw. ein mittleres oder gemäßigtes Detail in dem Originalbild an dem gleichen Ort dar. Ähnlich bzw. gleichermaßen ist jedes dritte Unterbandniveau bzw. Unterbandpegel 1/64 der Größe des Originalbildes. Jedes "pel" entspricht bei diesem Niveau bzw. Pegel einem relativ großen Detail in dem Originalbild an dem gleichen Ort. Auch ist jeder vierte Unterbandpegel bzw. jedes vierte Unterbandniveau bzw. -pegel 1/256 der Größe des Originalbildes.
Da die zerlegten Bilder wegen der Unterabtastung physikalisch kleiner sind als das Originalbild, kann der gleiche Speicher, der zur Speicherung der Originaldaten ver­ wendet wird, verwendet werden, um sämtliche der zerlegten Unterbänder zu speichern. Mit anderen Worten, das Originalbild und die zerlegten Unterbänder LL₀ und LL₁ werden ausrangiert und werden nicht in einer Zerlegung in drei Niveaus bzw. Pegel gespeichert.
Ein Eltern-Kind- bzw. Vorgänger-Nachkomme-Verhältnis existiert zwischen einer Unter­ bandkomponente, die ein Grobdetail darstellt, im Verhältnis zu einer entsprechenden Unterbandkomponente bei dem nächstfeineren Detailniveau bzw. Detailpegel.
Auch wenn nur vier Unterband-Zerlegungspegel gezeigt werden, können in Entspre­ chung mit den Erfordernissen eines bestimmten Systems zusätzliche Pegel entwickelt werden. Auch mit anderen Transformationen, wie etwa DCT oder linear beabstandeten Unterbändern, können unterschiedliche Eltern-Kind-Verhältnisse bestimmt werden.
Das Verfahren einer Zerlegung mit mehreren Auflösungen kann unter Verwendung eines Filtersystems durchgeführt werden, wie es etwa in Fig. 4A angedeutet ist. Ein Ein­ gabesignal, das ein eindimensionales Signal mit der Länge L darstellt, wird durch Filtereinheiten 401 und 402 tiefpaß- und hochpaßgefiltert, bevor sie durch zwei Durch­ gangseinheiten 403 und 405 unterabgetastet werden. Ein unterabgetastetes Ausgangs­ signal von der Einheit 403 wird durch die Einheiten 405 und 406 tiefpaß- und hoch­ paßgefiltert, bevor sie durch die Durchgangseinheiten 407 bzw. 408 unterabgetastet werden. Die Unterbandkomponenten L und H erscheinen an jeweiligen Ausgängen von Einheiten 407 und 408. Gleichermaßen werden die Ausgangssignale von der Einheit 405 durch die Einheiten 409 und 410 tiefpaß- und hochpaßgefiltert, bevor sie durch die Einheiten 411 bzw. 412 unterabgetastet werden. Die Unterbandkomponenten L und H erscheinen an jeweiligen Ausgängen von Einheiten 411 und 412. Wie oben beschrieben, sind in einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung, die bei Unterband- Zerlegung verwendet wird, digitale Quadraturspiegelfilter bzw. Quertransformations­ spiegelfilter, um die horizontalen und vertikalen Frequenzbänder in Niederfrequenz- und Hochfrequenzbänder aufzuteilen.
Die Fig. 4B stellt eine zweidimensionale zweipegelige Transformation dar. Die Fig. 4C stellt auch eine zweidimensionale, zweipegelige Transformation dar, die unter Ver­ wendung von eindimensionalen Filtern in die Tat umgesetzt ist, wie etwa den in den Fig. 10 und 11 gezeigten. Die eindimensionalen Filter werden an jeder anderen Stelle eingesetzt, um Berechnungen zu vermeiden, die durch Unterabtastung unnötig geworden sind. In einer Ausführungsform unterteilen eindimensionale Filter die Berechnung zwischen Tiefpaß- und Hochpaßberechnung.
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Kompression und Dekom­ pression zur Verfügung, indem überlappende reversible Filter mit nicht-minimaler Länge verwendet werden. Die Fig. 4D ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines solchen Systems. Bezugnehmend auf Fig. 4D wird eingangs eine hierarchische Dekom­ pression durchgeführt. Die Ergebnisse der hierarchischen Dekompression werden zu einem Komprimierer zur Kompression geleitet. Die durchgeführte Kompression kann eine Vektorquantisierung, eine Skalarquantisierung, eine Nullauf-Längenzählung, Huffman-Codierung usw. enthalten. Der Ausgang des Komprimierers komprimiert Daten, die eine komprimierte Version der Originaleingangsdaten darstellt. Ein Dekom­ primierer kann die Daten irgendwann in der Zukunft empfangen und die Daten dekom­ primieren. Die vorliegende Erfindung führt dann eine umgekehrte Zerlegung unter Verwendung überlappender reversibler Filter mit nicht-minimaler Länge durch, um eine wiederhergestellte Version der Originaldaten zu erzeugen.
Die reversiblen Kleinwellen- bzw. Unterwellenfilter nach der vorliegenden Erfindung können auch bei exemplarischen Analyse- und Verstärkungssystemen verwendet werden, wie etwa in Fig. 4E gezeigt. Bezugnehmend auf Fig. 4E wird hierarchische Zerlegung an Eingangsdaten unter Verwendung überlappender reversibler Kleinwellenfilter mit nicht-minimaler Länge durchgeführt. Die Analyseeinheit empfängt die durch die Filter erzeugten Koeffizienten und klassifiziert sie zu Entscheidungen, beispielsweise werden eher als die Koeffizienten vollständig zu codieren, nur relevante Informationen ex­ trahiert. Zum Beispiel können in einem Dokumentenarchivierungssystem Leerseiten nur unter Verwendung des gröbsten Tiefpaß-Unterbandes erkannt werden. Ein anderes Beispiel wäre es, nur Hochpaßinformationen von einem bestimmten Unterband zu verwenden, um zwischen Bild und Text und Bildern von natürlichen Landschaften, Motiven oder dergleichen zu unterscheiden. Die hierarchische Zerlegung kann zur Registrierung verschiedenster Bilder verwendet werden, so daß zuerst eine Grobregi­ strierung mit Grobunterbändern vorgenommen wird. Bei anderen Ausführungsformen unterliegen die Koeffizienten, gefolgt durch eine inverse Zerlegung, einer Verstärkung oder Filterung. Verschärfung, Kantenverstärkung, Rausch- bzw. Störsteuerung usw. können unter Verwendung einer hierarchischen Zerlegung durchgeführt werden. Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Kleinwellen-Transformation zur Verwendung in verbundenen Zeit-/Raum- und Frequenzbereichsanalyse- und Filterungs-Verstärkungs­ systemen dar.
Die Bit-Wichtungs- bzw. Wertigkeits-Einbettungscodierung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die als ein Ergebnis der Kleinwellenzerle­ gung erzeugten Koeffizienten entropie-codiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Koeffizienten anfänglich einer Einbettungscodierung unterzogen, in der die Koeffizienten in einer visuellen Wichtungsordnung geordnet werden oder, allgemeiner ausgedrückt, im Hinblick auf einige Fehlermaße bzw. Maßstäbe geordnet werden (z. B. Verzerrungsmetrik). Fehler- oder Verzerrungsmetriken enthalten Spitzenfehler und mittlere quadratische Fehler (MSE). Zusätzlich kann ein Ordnen durchgeführt werden, um der Bitsignifikanz bzw. Bitwichtungsraumanordnung, Relevanz für auf Daten basierendes Fragen und richtungsorientiert durchzuführen (vertikal, horizontal, diagonal usw.). Die vorliegende Erfindung verwendet Mehrfacheinbettungs-Codierungstechniken, in denen ein Abschnitt der Koeffizienten bei einem Wichtungspegel mit einer Codie­ rungstechnik codiert wird, während die verbleibenden Koeffizienten mit anderen Techni­ ken codiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind auf Frequenzen basierendes Modellieren und verbundenes Raum-/Frequenz-Modellieren zwei verschiedene Ein­ bettungscodierungssysteme, die verwendet werden, um die durch die Kleinwellen- Transformation nach der vorliegenden Erfindung erzeugten Koeffizienten zu codieren. Das frequenzbasierende Modellieren bezieht ein, daß eine Anzahl von Koeffizienten bei höheren Frequenzen, als wenn ein Koeffizient bei einer niedrigeren Frequenz codiert wird, vorhergesagt werden. Das verbundene Raum-/Frequenz-Modellieren nimmt einen Vorteil sowohl von den bekannten Frequenzbändern als auch den benachbarten Bild­ punkten (oder Daten). Auf eine Ausführungsform der verbundenen Raum-/Frequenz- Modellierung wird hierin als Horizontal- bzw. Horizontmodellierung Bezug genommen.
Die Daten werden eingangs in Zeichengrößenordnungsformate formatiert, was von dem Sortieren der Daten auf der Grundlage der Wichtung gefolgt ist. Nachdem die Daten im Hinblick auf die gegebene Wichtungsmetrik sortiert sind, werden die Daten codiert. Sowohl das auf Frequenzen basierende Codieren als auch das Horizontalcodieren können auf Bit-Signifikanzordnung basieren, aber verwenden unterschiedliche Verfahren zum Codieren der Ereignisse.
Ein digitales Signal x(n) sei angenommen, wobei jedes x(n) mit R-Bits für die Genau­ igkeit dargestellt wird, wobei dann die Einbettungscodierung nach der vorliegenden Erfindung das signifikanteste Bit (oder Bits) für jedes x(n) von dem Signal codiert, dann das nächstsignifikante Bit (oder Bits) codiert usw. Zum Beispiel könnte in dem Fall des visuell definierten Ordnens ein Bild, das in dem Zentrum eine bessere Qualität als entlang der Ecken und nahe der Kanten (wie beispielsweise einige medizinische Bilder) erfordert, einer solchen Codierung unterzogen werden, daß Bits niederer Ordnung der zentralen Bildpunkte vor den Bits höherer Ordnung der Umgebungsbildpunkte codiert werden.
Für ein eingebettetes System, das auf einer Bit-Signifikanzverzerrungsmessung basiert, werden binäre Werte der Daten nach den Größenordnungen geordnet. In dem Fall, wo die Werte nicht negative ganze Zahlen (integer) sind, so wie sie im Hinblick auf die Intensität von Bildpunkten auftreten, ist die Ordnung, die verwendet werden kann, die Bitebenen-Ordnung (z. B. von der signifikantesten zu der am wenigsten signifikanten Bitebene). In den Ausführungsformen, in denen komplementäre negative ganze Zahlen bzw. Integers von zweien ebenfalls erlaubt sind, ist die eingebettete Ordnung des Zeichenbits die gleiche wie das erste Bit, das nicht Null ist, des absoluten Wertes der ganzen Zahl. Deshalb wird das Zeichenbit nicht beachtet, bis ein Bit codiert wird, das nicht Null ist. Als ein Ergebnis werden die möglichen Werte für ein Ereignis in dem Bit-Signifikanz-Einbettungssystem nach der vorliegenden Erfindung ternär, bevor das Zeichenbit codiert wird. Die ternären Ereignisse sind "nicht signifikant", "positiv signi­ fikant" und "negativ signifikant". Zum Beispiel lautet die 16-Bit-Zahl -7 unter Ver­ wendung der Zeichengrößenordnungsnotation:
1000000000000111
Auf einer Bit-Ebenen-Grundlage werden die ersten zwölf Entscheidungen "nicht signifi­ kant" lauten. Das erste 1-Bit tritt bei der dreizehnten Entscheidung auf. Die dreizehnte Entscheidung wird "negativ signifikant" lauten. Nachdem das Zeichenbit codiert ist, werden die möglichen Ereignisse zu binären verringert, d. h. 0, 1. Die vierzehnte und die fünfzehnte Entscheidung lauten beide "1".
Bei einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird eine Liste verwendet, um sich über die Koeffizienten auf dem laufenden zu halten. In einer Ausführungsform unterscheidet ein Bit-Flag, auf das hierin als Gruppenflag Bezug genommen wird, das mit jedem Koeffizienten verbunden ist, Koeffizienten voneinander, deren Zeichenbit bis jetzt noch nicht mit den Koeffizienten mit den bereits codierten Zeichenbits codiert worden ist. In einer anderen Ausführungsform können zwei oder mehr Listen anstelle eines Flag-Bits verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform wird eine einzige Liste ohne ein Flag verwendet.
In einer anderen Ausführungsform werden keine Listen verwendet. Sämtliche Ent­ scheidungen für einen Koeffizienten werden erzeugt und durch die Signifikanz bzw. Wertigkeit benannt bzw. beschriftet, bevor irgendwelche Entscheidungen für den nächsten Koeffizienten erzeugt werden. Dies eliminiert das Erfordernis zum Speichern sämtlicher Koeffizienten in der Liste.
Das Codierungs- und Decodierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung
Die folgenden Flußdiagramme, die Fig. 25 bis 30, stellen Ausführungsformen des Codierungs- und Decodierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung dar.
Die Fig. 25 zeigt ein Flußdiagramm, das eine Codierungstransformation und ein Model­ lierverfahren nach der vorliegenden Erfindung darstellt. Bezugnehmend auf Fig. 25 beginnt die Codierungstransformation und das Modellierungsverfahren durch den Erhalt von Eingangsdaten (Verfahrensblock 2501). Nachdem Eingangsdaten erhalten worden sind, wendet die vorliegende Erfindung einen reversiblen Kleinwellenfilter an (Ver­ fahrensblock 2502).
Als nächstes bestimmt ein Test, wenn ein anderer Pegel der Zerlegung erwünscht ist (Verfahrensblock 2503). Wenn ein anderer Zerlegungspegel gewünscht wird, wird das Verfahren beim Verfahrensschritt 2504 fortgesetzt, wo der reversible Filter auf die LL- Koeffizienten angewendet wird, die aus der unmittelbar davor befindlichen Zerlegung resultieren und das Verfahren wird hinten beim Verfahrensschritt 2503 fortgesetzt. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung, jede Anzahl von Zerlegungspegeln bzw. -niveaus durchzuführen.
Wenn ein anderer Zerlegungspegel gewünscht wird, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2506 fortgesetzt, wo das Gruppenflag von jedem Koeffizienten für die A-Gruppe vorbereitet wird. Nach der Initialisierung bzw. Vorbereitung des Gruppen­ flags wird die Bitebene für den A-Durchgang, SA, auf die signifikanteste Bitebene (max) eingestellt bzw. gesetzt (Verfahrensblock 2507). Als nächstes wird die Bitebene für den B-Durchgang, SB, auf die nächstsignifikanteste Bitebene (max-1) eingestellt bzw. gesetzt (Verfahrens- bzw. Verarbeitungsblock 2508).
Anschließend bestimmt ein Test, ob die Bitebene für den A-Durchgang SA mittels einem frequenzbasierenden Modell codiert werden muß (Verfahrensblock 2509). Wenn die Bitebene SA mit dem frequenzbasierenden Modell zu codieren ist, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2510 fortgesetzt, wo jeder Koeffizient mit dem frequenzbasie­ renden Modell und dem Entropiecode modelliert wird. Andererseits wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2511 fortgesetzt, wenn jeder Koeffizient mit einem verbunde­ nen Raum-/Frequenz-Modell und einem Entropiecode modelliert wird, wenn die Bit­ ebene SA nicht mit dem frequenzbasierenden Modell zu codieren ist.
In jedem Fall wird das Verfahren danach bei dem Verfahrensblock 2512 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SA größer ist als oder gleich Null ist, wodurch angezeigt wird, ob es die letzte Bitebene ist. Wenn die Bitebene SA größer als oder gleich Null ist, zieht das Verfahren eine Schleife zurück zu dem Verfahrensblock 2509. Andererseits, wenn die Bitebene SA größer als oder gleich Null ist, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2513 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SB größer als oder gleich Null ist, so daß das Verfahren bestimmt, ob die Bitebene die letzte Bitebene ist, die einen B-Durchgang zu durchlaufen hat. Wenn die Bitebene SB größer als oder gleich Null ist, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2509 fortgesetzt. Jedoch wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2514 fortgesetzt, wo die codierten Daten entweder auf einen Kanal übertragen oder in einem Speicher gespeichert werden, wenn die Bitebene SB nicht größer als oder gleich Null ist. Nach dem Speichern oder Übertragen der codierten Daten endet das Codiertransformations- und Modellie­ rungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 26 stellt ein Decodiertransformations- und Modellierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung dar. Bezugnehmend auf Fig. 26 beginnt das Decodiertrans­ formations- und Modellierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung mit dem Wiederauffinden codierter Daten (Verfahrensblock 2601). Die codierten Daten können von einem Kanal oder Speicher oder einem anderen Übertragungssystem empfangen werden. Nach dem Wiederauffinden der codierten Daten wird ein Gruppenflag für jeden Koeffizienten zu der A-Gruppe initialisiert (Verfahrensblock 2602). Nachfolgend zu dieser Initialisierung wird die Bitebene für den A-Durchgang SA auf die signifikanteste Bitebene (max) (Verfahrensblock 2603) gesetzt und die Bitebene für den B-Durchgang SB wird auf die nächstsignifikante Bitebene (max-1) (Verfahrensblock 2604) gesetzt. Dann wird der Wert jedes Koeffizienten auf einen Anfangswert von Null eingestellt (Verfahrensblock 2605).
Nach dem Initialisieren des Wertes von jedem Koeffizienten auf Null, bestimmt ein Test, ob die Bitebene SA mit einem frequenzbasierenden Modell zu decodieren ist oder nicht (Verfahren 2606). Wenn die Bitebene SA mit einem frequenzbasierenden Modell zu decodieren ist, setzt das Verfahren beim Verfahrensblock 2607 fort, wo jeder Koeffi­ zient mit einem frequenzbasierenden Modell und einer Entropiedecodierung modelliert wird. Wenn die Bitebene SA nicht mit einem frequenzbasierenden Modell decodiert wird, wird das Verfahren beim Verfahrensschritt 2608 fortgesetzt, wo jeder Koeffizient mit einem verbundenen Raum-/Frequenz-Modell und Entropiedecodierung modelliert wird.
Nachdem jeder Koeffizient modelliert ist, setzt das Verfahren beim Verfahrensblock 2609 fort, wo die Bitebene SA bestimmt, ob es die letzte Bitebene ist, indem geprüft wird, ob sie größer als oder gleich Null ist. Wenn die Bitebene SA größer als oder gleich Null ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2606 fortgesetzt. Andererseits bestimmt ein Test, ob die B-Durchgangs-Bitebene SB größer als oder gleich Null ist, wenn die Bitebene SA nicht größer als oder gleich Null ist (Verfahrensblock 2610), wodurch angezeigt wird, daß es sich für einen B-Durchgang um die letzte Bitebene handelt. Falls dem so ist, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2606 für die weitere Decodierung fortgesetzt. Andererseits wird, falls die Bitebene für den B-Durch­ gang SB nicht größer als oder gleich Null ist, ein inverser reversibler Filter auf die Koeffizienten von dem gröbsten Pegel der Zerlegung angewendet (Verfahrensblock 2611). Ein Test bestimmt dann, ob sämtliche der Pegel invers gefiltert worden sind (Verfahrensblock 2612). Falls nicht, wird abermals der inverse reversible Filter auf die Koeffizienten auf dem gröbsten verbleibenden Pegel bzw. Niveau der Zusammensetzung angewendet (Verfahrensblock 2613). Danach wird das Verfahren hinten beim Verfah­ rensschritt 2612 fortgesetzt, um noch einmal zu prüfen, ob sämtliche der Pegel invers gefiltert worden sind.
Wenn sämtliche der Pegel invers gefiltert worden sind, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2612 fortgesetzt, wo eine Speicherung oder eine Übertragung von wiederhergestellten Daten auftritt.
Die Fig. 27 stellt eine Ausführungsform des Verfahrens zum Modellieren jedes Koeffi­ zienten dar. Das wiedergegebene Verfahren stellt das Modellierungsverfahren für entweder das frequenzbasierende bzw. JSF-Modullieren oder Codieren bzw. Decodieren dar. Das heißt, jeder der vier Blöcke (2507, 2508, 2607, 2608) kann mit dem Modellie­ rungsverfahren nach Fig. 27 in die Tat umgesetzt werden. Bezugnehmend auf Fig. 27 beginnt ein anfängliches Verfahren durch anfängliches Prüfen, ob die Modellierung in einem Durchgang durchgeführt wird (Verfahrensblock 2701). Falls die Modellierung nicht in einem Durchgang geschehen kann, bestimmt ein Test, ob die Bitebene SA größer ist als die Bitebene SB (Verfahrensblock 2702). Wenn dies nicht der Fall ist, dann geht das Verfahren zu dem Verfahrensblock 2703 über, wo ein Flag (do_A_flag) freigemacht wird, um anzuzeigen, daß ein A-Durchgang nicht durchgeführt wird. Wenn die Bitebene SA größer als die Bitebene SB ist, dann wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 2704 fortgesetzt, wo das Flag (do_A_flag) gesetzt wird, um anzuzeigen, daß ein A- Durchgang durchzuführen ist.
Nach einem der Verfahrensblöcke 2703 oder 2704 wird das Verfahren bei dem Ver­ fahrensblock 2705 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SB gleich der Bitebene SA ist. Wenn die Bitebenen gleich sind, macht die vorliegende Erfindung ein Flag (do_B_flag) frei, um das Auftreten eines B-Durchlaufs zu verhindern (Verfahrens­ block 2705) und das Verfahren wird danach bei dem Verfahrensblock 2707 fortgesetzt. Wenn die Bitebene SB gleich der Bitebene SA ist, ist das "do_B_flag"-Flag gesetzt, um anzuzeigen, daß ein B-Durchgang durchzuführen ist (Verfahrensblock 2706) und das Verfahren wird danach auch bei dem Verfahrensblock 2707 fortgesetzt.
Bei dem Verfahrensblock 2707 bestimmt ein Test, ob das Flag des A-Durchgangs gesetzt ist und die Nullbaum-Modellierung durchzuführen ist. Falls das Flag anzeigt, daß ein A-Durchgang aufzutreten hat und eine Nullbaum-Modellierung durchzuführen ist, wird ein "bestimmt/unbestimmt"-Flag auf den Zustand "unbestimmt" für jeden Koeffi­ zienten initialisiert (Verfahrensblock 2708), und das Verfahren wird bei dem Verfahrens­ block 2709 fortgesetzt. Wenn andererseits entweder das A-Durchgangsanzeigeflag oder die Nullbaum-Modellierungsanzeige nicht gesetzt sind, wird unmittelbar mit dem Verfahrensblock 2709 fortgesetzt. Bei dem Verfahrensblock 2709 ist der erste Koeffi­ zient auf die Variable C gesetzt.
Wenn der erste Koeffizient der Variablen C zugeordnet worden ist, bestimmt ein Test ob der B-Durchgangsanzeigeflag gesetzt ist (Verfahrensblock 2719). Wenn der B- Durchgangsanzeigeflag (do_B_flag) gesetzt ist, führt die vorliegende Erfindung einen B- Durchgang mit dem Koeffizienten C (Verfahrensblock 2710) durch und das Verfahren wird bei dem Verfahrensblock 2711 fortgesetzt. Andererseits wird, falls der B-Durch­ gangsflag nicht gesetzt ist, dann ein B-Durchgang nicht für C durchgeführt und das Verfahren wird unmittelbar beim Verfahrensblock 2711 fortgesetzt.
Ein Test bestimmt dann, ob der A-Durchgangsanzeigeflag (do_A_flag) gesetzt ist (Verfahrensblock 2711). Wenn der A-Durchgangsanzeigeflag gesetzt ist, dann wird mit dem Koeffizienten C ein A-Durchgang durchgeführt (Verfahrensblock 2717). Danach wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2713 fortgesetzt. Falls der A-Durchgangs­ anzeigeflag nicht gesetzt ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2713 fortgesetzt, ohne einen A-Durchgang mit Koeffizient C durchzuführen.
Beim Verfahrensblock 2713 bestimmt ein Test, ob der Koeffizient C der letzte Koeffi­ zient ist. Wenn der Koeffizient C nicht der letzte Koeffizient ist, dann wird das Ver­ fahren beim Verfahrensblock 2714 fortgesetzt, wo der nächste Koeffizient der Variablen C zugeordnet wird und das Verfahren beim Verfahrensblock 2719 fortgesetzt wird. Jedoch wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2715 fortgesetzt, wo ein Test be­ stimmt, wenn der B-Durchgangsflag (do_B_flag) gesetzt ist, falls der Koeffizient C der letzte Koeffizient ist. Wenn der B-Durchgangsflag gesetzt ist, wird die Bitebene SB gleich der Bitebene SB-1 gesetzt (Verfahrensblock 2716) und das Verfahren wird bei dem Verfahrensblock 2717 fortgesetzt. Falls der B-Durchgangsanzeigeflag nicht gesetzt ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2717 fortgesetzt. Bei dem Verfahrens­ block 2717 bestimmt ein Test, ob der A-Durchgangsflag gesetzt ist. Falls er gesetzt ist, dann ist die Bitebene SA gleich zu der Bitebene SA-1 gesetzt (Verfahrensblock 2718) und das Verfahren endet. Auch falls der A-Durchgangsflag nicht gesetzt ist, endet das Verfahren unmittelbar.
Bei einigen Ausführungsformen kann ohne die Verwendung eines Flag-Bits bestimmt werden, ob ein Koeffizient bei einer bestimmten Bitebene in der A-Gruppe oder der B- Gruppe ist. Dies spart ein Speicherbit pro Koeffizient, was für große Bilder wesentlich sein kann. Statt dessen wird eine Maske unter Verwendung von UND-Logik für einen Koeffizienten verglichen. Wenn das Ergebnis des UND Null ist, ist das Bit in der A- Gruppe; ansonsten ist es in der B-Gruppe. Ein Beispiel für diese Masken wird in der Tabelle 7 für acht Bitebenen gezeigt. Man beachte, daß diese Masken die Zweier- Komplemente von 2(Bitebene+1) sind (ohne das Zeichenbit).
Masken
Bitebene
Maske (binär)
7
00000000
6 10000000
5 11000000
4 11100000
3 11110000
2 11111000
1 11111100
0 11111110
Da den A-Durchgang bzw. B-Durchgang unabhängige Masken zugeordnet werden können (hierin MA und MB genannt), können so viele A-Durchgänge wie gewünscht, vor dem entsprechenden B-Durchgang durchgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform mit 17 Bitebenen werden drei A-Durchgänge durchgeführt, dann werden 14 gleichzeitige A-Durchgänge und B-Durchgänge durchgeführt und schließlich werden zwei B-Durch­ gänge durchgeführt. Da typischerweise A-Durchgangsentscheidungen effizienter codiert werden können als B-Durchgangsentscheidungen, können anfangs mehrfach durchgeführt A-Durchgänge die Qualität für eine verlustbehaftete Kompression verbessern.
Die Fig. 28 stellt eine Ausführungsform eines Codierers nach der vorliegenden Erfin­ dung dar, der einen verkleinerten bzw. verringerten Flagspeicher verwendet (wie später in der detaillierten Beschreibung erörtert wird). Bezugnehmend auf Fig. 28 beginnt das Codier-Transformations- und Modelierungsverfahren mit dem Erhalt der Eingangsdaten (Verfahrensblock 2801). Nach dem Erhalten der Eingangsdaten legt die vorliegende Erfindung einen umkehrbaren Kleinwellenfilter (Verfahrensblock 2802) an.
Als nächstes bestimmt ein Test, ob ein anderer Pegel der Zerlegung gewünscht ist (Verfahrensblock 2803). Falls ein anderer Zerlegungspegel gewünscht ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2804 fortgesetzt, wo der reversible bzw. umkehrbare Filter an die LL-Koeffizienten angelegt wird, die aus der unmittelbar vorherigen Zerle­ gung resultieren, und das Verfahren wird hinten beim Verfahrensschritt 2803 fortgesetzt. In dieser Weise ermöglicht es die vorliegende Erfindung, jede Anzahl von Zerlegungs­ pegeln durchzuführen.
Wenn ein anderer Zerlegungspegel nicht gewünscht ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2805 fortgesetzt, wo die Bitebene für den A-Durchgang SA auf die signifikanteste Bitebene (max) gesetzt wird. Als nächstes wird die Bitebene für den B- Durchgang SB auf die nächstsignifikanteste Bitebene (max-1) gesetzt (Verfahrensblock 2806).
Als nächstes wird die Maske MA auf -2 (Verfahrensblock 2807) gesetzt und die Maske MB wird auf -2 gesetzt (Verfahrensblock 2808). Dann bestimmt ein Test, ob die Bitebene für den A-Durchgang SA mit einem frequenzbasierenden Modell (Ver­ fahrensblock 2808) codiert werden soll. Falls die Bitebene SA mit dem frequenzbasie­ renden Modell zu codieren ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2809 fort­ gesetzt, wo ein Bit von jedem Koeffizienten mit dem frequenzbasierenden Modell und dem Entropiecode modelliert wird. Andererseits wird das Verfahren beim Verfahrens­ block 2810 fortgesetzt, wo ein Bit von jedem Koeffizienten mit einem verbundenen Raum-/Frequenz-Modell und Entropiecode modelliert wird, falls die Bitebene SA nicht mit dem frequenzbasierenden Modell zu codieren ist.
In jedem Fall wird das Verfahren danach beim Verfahrensblock 2811 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SA größer als oder gleich Null ist, wodurch angezeigt wird, ob es die letzte Bitebene ist. Falls die Bitebene SA größer als oder gleich Null ist, macht das Verfahren eine Schleife zurück zu dem Verfahrensblock 2808. Andererseits wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2812 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SB größer als oder gleich Null ist, falls die Bitebene SA nicht größer als oder gleich Null ist, so daß das Verfahren bestimmt, ob die Bitebene die letzte Bitebene ist, die einen B-Durchgang durchläuft. Falls die Bitebene SB größer als oder gleich Null ist, setzt das Verfahren beim Verfahrensblock 2808 fort. Falls jedoch die Bitebene SB nicht größer als oder gleich Null ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2813 fortgesetzt, wo codierte Daten entweder auf einen Kanal übertragen oder in einem Spei­ cher gespeichert werden. Nach dem Speichern oder Übertragen der codierten Daten endet das Codiertransformations- und Modellierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 29 stellt eine alternative Ausführungsform des Decodertransformations- und Modellierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung dar, wenn ein reduzierter Flagspeicher verwendet wird. Bezugnehmend auf Fig. 29 beginnt das Decodiertrans­ formations- und Modellierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung durch Wie­ derherstellen bzw. Wiederauffinden codierter Daten (Verfahrensblock 2901). Die codierten Daten können von einem Kanal oder Speicher oder anderen Übertragungs­ systemen empfangen werden. Sobald die codierten Daten empfangen werden, wird die Bitebene für den A-Durchgang SA auf die signifikanteste Bitebene (max) gesetzt (Ver­ fahrensblock 2903) und die Bitebene für den B-Durchgang SB wird auf die nächstsignifi­ kanteste Bitebene (max-1) gesetzt (Verfahrensblock 2904). Nach dem Initialisieren des Wertes von jedem Koeffizienten auf Null, wird der Wert von jedem Koeffizienten auf einen anfänglichen Wert von Null gesetzt (Verfahrensblock 2905). Dann wird die Maske MB auf -2 gesetzt (Verfahrensblock 2902) und die Maske MA wird auf -2 gesetzt (Verfahrensblock 2915).
Dann bestimmt ein Test, ob die Bitebene SA mit einem frequenzbasierenden Modell zu decodieren ist oder nicht (Verfahrensblock 2906). Falls die Bitebene SA mit einem frequenzbasierenden Modell zu decodieren ist, wird das Verfahren beim Verfahrens­ block 2907 fortgesetzt, wo ein Bit von jedem Koeffizienten mit einem frequenzbasie­ renden Modell und einer Entropiedecodierung modelliert wird. Falls die Bitebene SA nicht mit einem frequenzbasierenden Modell zu decodieren ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2908 fortgesetzt, wo ein Bit von jedem Koeffizienten mit einem verbundenen Raum-/Frequenz-Modell und einer Entropiedecodierung modelliert wird.
Nachdem jeder Koeffizient modelliert ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2909 fortgesetzt, wo die Bitebene SA bestimmt, ob es die letzte Bitebene ist, indem geprüft wird, ob sie größer als oder gleich Null ist. Ist die Bitebene SA größer als oder gleich Null, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2906 fortgesetzt. Andererseits, falls die Bitebene SA nicht größer als oder gleich Null ist, dann bestimmt ein Test, ob die B-Durchgangsbitebene SB größer als oder gleich Null ist (Verfahrensblock 2910), wobei angezeigt wird, daß es die letzte Bitebene für einen B-Durchgang ist. Falls dem so ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 2902 für die weitere Decodierung fortgesetzt. Falls andererseits die Bitebene für den B-Durchgang, SB, nicht größer als oder gleich Null ist, wird ein reverser reversibler Filter an die Koeffizienten von dem gröbsten Zerlegungspegel angesetzt (Verfahrensblock 2911). Ein Test bestimmt dann, ob sämtliche der Pegel umgekehrt bzw. invers gefiltert worden sind (Verfahrensblock 2912). Falls nicht, wird der inverse reversible Filter wieder auf die Koeffizienten auf dem verbleibenden gröbsten Verbindungsniveau bzw. Zerlegungsniveau angelegt (Ver­ fahrens- bzw. Verarbeitungsblock 2913). Danach wird das Verfahren hinten beim Verfahrensblock 2912 fortgesetzt, wo ein Test wiederum bestimmt, ob sämtliche der Pegel bzw. Niveaus invers gefiltert worden sind.
Sobald sämtliche der Niveaus bzw. Pegel invers gefiltert worden sind, wird das Ver­ fahren beim Verfahrensblock 2912 fortgesetzt, wo ein Speichern oder Übertragen von wiederhergestellten Daten auftritt.
Fig. 30 stellt eine Ausführungsform des Verfahrens zum Modellieren von jedem Koeffi­ zienten dar. Man bemerke, daß, wie bei Fig. 27, das Verfahren nach Fig. 30 verwendet werden kann, um die Modellierungsschritte nach den Fig. 28 und 29 in die Tat umzuset­ zen. Bezugnehmend auf Fig. 30 beginnt ein anfängliches Verfahren durch anfängliches Prüfen, ob ein A-Durchgang gewünscht ist und ob SA größer als oder gleich Null ist (Verfahrensblock 3001). Falls dem so ist, dann wird das Flag (do_A_flag) gesetzt (Verfahrensblock 3004), das anzeigt, daß ein A-Durchgang durchzuführen ist, und das Verfahren wird beim Verfahrensblock 3002 fortgesetzt. Ansonsten wird das do_A_flag- Flag freigemacht bzw. gelöscht (Verfahrensblock 3003).
Falls die Bitebene SA größer ist als die Bitebene SB, dann wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3004 fortgesetzt, wo ein Flag gesetzt wird, um anzudeuten, daß ein A- Durchgang aufzutreten hat. Falls die Bitebene SA nicht größer als die Bitebene SB ist, dann wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3003 fortgesetzt, wo das Flag, das einen A-Durchgang anzeigt, als klar auftretend angenommen wird.
Nach entweder dem Verfahrensblock 3003 oder 3004 wird das Verfahren beim Ver­ fahrensblock 3002 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Bitebene SB größer als oder gleich der Bitebene SA ist und ob ein B-Durchgang gewünscht wird. Falls die Bitebenen nicht gleich sind, löscht bzw. macht die vorliegende Erfindung ein Flag (do_B_flag) frei, um zu verhindern, daß ein B-Durchgang auftritt (Verfahrensblock 3005) und das Verfahren wird danach beim Verfahrensblock 3007 fortgesetzt. Falls die Bitebene SB gleich der Bitebene SA ist, wird das do_B_flag-Flag gesetzt, um anzuzeigen, daß ein B- Durchgang durchzuführen ist (Verfahrensblock 3006) und das Verfahren wird auch danach beim Verfahrensblock 3007 fortgesetzt.
Beim Verfahrensblock 3007 bestimmt ein Test, ob der A-Durchgangsflag gesetzt ist und die Nullbaum-Modellierung durchzuführen ist. Falls das Flag andeutet, daß ein A- Durchgang aufzutreten hat und eine Nullbaum-Modellierung durchzuführen ist, wird ein "bestimmt/unbestimmt"-Flag mit dem "unbestimmt"-Zustand für jeden Koeffizienten initialisiert, der Kinder bzw. Nachkommen (Verfahrensblock 3008) hat und das Ver­ fahren wird beim Verfahrensblock 3009 fortgesetzt. Andererseits wird, falls entweder der A-Durchgangsanzeigeflag oder die Nullbaum-Modellierungsanzeige nicht gesetzt sind, das Verfahren unmittelbar beim Verfahrensblock 3009 fortgesetzt. Beim Ver­ fahrensblock 3009 wird der erste Koeffizient auf die Variable C gesetzt.
Sobald der erste Koeffizient der Variablen C zugeordnet worden ist, bestimmt ein Test, ob der B-Durchgangsanzeigeflag gesetzt ist (Verfahrensblock 3019). Falls der B-Durch­ gangsanzeigeflag (do_B_flag) gesetzt ist, führt die vorliegende Erfindung einen B- Durchgang an dem Koeffizienten C (Verfahrensblock 3010) durch und das Verfahren wird beim Verfahrensblock 3011 fortgesetzt. Andererseits wird ein B-Durchgang nicht an C durchgeführt, falls der B-Durchgangsflag nicht gesetzt ist, und das Verfahren wird unmittelbar beim Verfahrensbloc 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019534943 00004 99880k 3011 fortgesetzt.
Der Test bestimmt dann, ob der A-Durchgangsanzeigeflag gesetzt worden ist (Ver­ fahrensblock 3011). Falls der A-Durchgangsanzeigeflag gesetzt worden ist, dann wird auf den Koeffizienten C ein A-Durchgang durchgeführt (Verfahrensblock 3017). Danach wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3013 fortgesetzt. Falls der A-Durchgangs­ anzeigeflag gesetzt ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3013 fortgesetzt, ohne einen A-Durchgang an dem Koeffizienten C durchzuführen.
Beim Verfahrensblock 3013 bestimmt ein Test, ob der Koeffizient C der letzte Koeffi­ zient ist. Fall der Koeffizient C nicht der letzte Koeffizient ist, dann wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3013 fortgesetzt, wo der nächste Koeffizient der Variablen C zugeordnet wird und das Verfahren wird beim Verfahrensblock 3019 fortgesetzt. Jedoch wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3015 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das B-Durchgangsflag (do_B_flag) gesetzt ist, falls der Koeffizient C der letzte Koeffi­ zient ist. Wenn der B-Durchgangsflag gesetzt ist, ist die Bitebene SB gleich der Bitebene SB-1 (Verfahrensblock 3016) und das Verfahren wird beim Verfahrensblock 3017 fortgesetzt. Falls der B-Durchgangsanzeigeflag nicht gesetzt ist, wird das Verfahren beim Verfahrensblock 3017 fortgesetzt. Beim Verfahrensblock 3017 bestimmt ein Test, ob der A-Durchgangsflag gesetzt ist. Falls er gesetzt ist, dann wird die Bitebene SA gleich der Bitebene SA-1 gesetzt (Verfahrensblock 3018) und das Verfahren endet. Auch falls der A-Durchgangsflag nicht gesetzt wird, endet dann das Verfahren unmittelbar.
Koeffizientenbäume
In einem Pyramidalsystem können Koeffizienten unter Verwendung einer Baumstruktur in Sätze gruppiert werden. Die Wurzel von jedem Baum ist ein reiner Tiefpaßkoeffi­ zient. Die Fig. 5 stellt die Baumstruktur eines reinen Tiefpaßkoeffizienten des trans­ formierten Bildes dar. Für ein zweidimensionales Signal, wie etwa ein Bild, hat die Wurzel des Baumes drei "Kinder" und der Rest der Knoten weist jeweils vier Kinder bzw. Nachkommen auf. Die Baumhierarchie ist nicht auf zweidimensionale Signale begrenzt. Zum Beispiel weist eine Wurzel für ein eindimensionales Signal einen Nach­ kommen und Nicht-Wurzel-Knoten auf, die jeweils zwei Nachkommen haben. Höhere Dimensionen folgen aus den eindimensionalen und zweidimensionalen Fällen.
Die Baumstruktur wird auch aus den Operationen der in den Fig. 4A bis 4C gezeigten Filter deutlich. Die Operation der Filterpaare mit Unterabtastung bewirkt die Inbezug­ setzung der zuvor beschriebenen Koeffizienten.
Bei der vorliegenden Erfindung bestimmt ein Kontextmodell, welches der mehreren Codierungsverfahren zu verwenden ist, um die Koeffizienten weiter zu codieren, nachdem die Koeffizienten im Zeichen-Größenordnungsformat angeordnet worden sind. Ein frequenzbasierendes Codierungsschema, wie etwa Nullbaum-Codierung, codiert die Signifikanzdaten, die mit einer gegebenen Unterbandzerlegung für eine spezifizierte Schwelle verbunden sind, effizient. Zusätzlich zur Verwendung von Symbolen, die die Signifikanz oder Insignifikanz von einzelnen isolierten Koeffizienten in der verbundenen Unterbandzerlegung anzeigen, werden die Eingänge von insignifikanten Eltern mit allen insignifikanten Nachkommen (jene mit Größenordnungen, die geringer als oder gleich der gegebenen Schwelle sind) zusammengruppiert und gemeinsam codiert. Auf diese Bäume wird manchmal als Nullbäume Bezug genommen. Diese insignifikanten Bäume werden mit einzelnen zugeordneten bzw. zweckmäßigen Symbolen codiert, die manch­ mal als Nullbaumwurzel bezeichnet werden. Wenn es da jedoch einen signifikanten Herabsteigenden gibt, wird der Eingang eines insignifikanten Koeffizienten unter Verwendung des Symbols für eine "isolierte bzw. getrennte Null" codiert. Folglich wird ein Baum mit vier Symbolen (positive Signifikanz, negative Signifikanz, isolierte Null oder Nullbaumwurzel) für Entscheidungen codiert, wobei das Zeichen für den Koeffi­ zienten bis dahin nicht codiert worden ist.
Das frequenzbasierende Codieren ist besonders zweckmäßig bei Kompressionssystemen, weil es das verbundene Codieren von insignifikanten Bäumen einer kleinen Anzahl von Eltern- bzw. Stammkoeffizienten ermöglicht, die Insignifikanz einer großen Anzahl von absteigenden bzw. abfallenden Koeffizienten vorherzusagen. Da die Eingänge in den Baum, der mit den absteigenden Koeffizienten verbunden ist, von der Wurzel vorherge­ sagt werden kann, sind keine zusätzlichen Symbole nötig, um ihre Insignifikanz zu codieren. Die Insignifikanz des gesamten Baumes kann bei sehr geringen Kosten codiert werden. Folglich bestehen die Bitebenen höherer Ordnung zumeist aus insignifikanten Koeffizienten, von denen viele weder Nullbaumwurzeln noch isolierte Nullen sind (d. h. sie sind Kinder bzw. Nachkommen in insignifikanten Bäumen, welche nicht codiert werden müssen).
Shapiro offenbart ein frequenzbasierendes Modell, das Nullbaum genannt wird, in dem US-Patent Nr. 5,321,776. Bei dem Verfahren von Shapiro werden zwei Listen, eine dominierende Liste und eine untergeordnete Liste, verwendet, um sämtliche der Koeffi­ zienten zu speichern. Für jeden Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel bzw. jedes Signifi­ kanzniveau werden zwei Durchgänge vorgenommen, ein dominanter Durchgang und ein untergeordneter Durchgang. Bei einer Ausführungsform ist das frequenzbasierende Modell nach der vorliegenden Erfindung ein Nullbaum.
In einer anderen Ausführungsform wird ein frequenzbasierendes Modell, ähnlich dem Nullbaum (wie durch Shapiro beschrieben), verwendet. Anstelle der Verwendung mehrerer Listen bzw. multipler Listen wird nur eine einzige Liste verwendet, wobei jedes der Listenelemente als ein Mitglied einer von zwei Gruppen markiert worden ist. Die Trennung von Koeffizienten in eine A-Gruppe und eine B-Gruppe ist äquivalent zu der Trennung, die Shapiro mit dominanten und untergeordneten Listen (jeweils) erzielt. Shapiro′s Verwendung von multiplen Listen ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Ordnung von Koeffizienten in untergeordnete Listen zu Lasten von größerer bzw. umfangreicher Software-/Hardware-Komplexität. Das Einzellisten-Nullbaum-Verfahren verwendet zwei Durchgänge, den A-Durchgang und den B-Durchgang, die äquivalent zu Shapiro′s dominantem Durchgang bzw. untergeordnetem Durchgang sind. Das Einzel­ listen-Nullbaum-Modell wird unten beschrieben.
Das Codierungssystem nach der vorliegenden Erfindung hält eine Liste der Koeffizienten in einer Zeichen-Größenordnungsform im Speicher aufrecht. Jedes Element in der Liste hat eine Einbit-Benennung bzw. -Beschriftung, die andeutet, ob das Element ein Mit­ glied der "A-Gruppe" oder der "B-Gruppe" ist. Bei dem Beginn einer Stufe werden jene Koeffizienten, die nicht bis jetzt als signifikant herausgefunden worden sind, als in die A-Gruppe gehörend benannt. Jene Koeffizienten, die zuvor als signifikant im Hinblick auf vorherige, größere Schwellen herausgefunden worden sind, werden als in die B- Gruppe gehörig benannt. Die Liste enthält die Koeffizienten in der Ordnung, in der sie für die Codierung verarbeitet werden. Bei dem Beginn der allerersten Stufe werden sämtliche Koeffizienten als Mitglieder der A-Gruppe benannt, da keine Koeffizienten als signifikant eingerichtet worden sind. Wenn Koeffizienten als signifikant oder insignifi­ kant bestimmt worden sind, werden die Benennungen für deren Eingänge von der ursprünglichen A-Gruppenbenennung zu der B-Gruppenbenennung gewechselt. Die Liste wird nachfolgend bei zunehmend feineren Schwellen verfeinert. Das heißt, mehrfache Durchgänge durch die Liste treten auf.
In einer Ausführungsform werden die binären Ereignisse, die den Koeffizienten der B- Gruppe entsprechen, binär arithmetisch unter einem Markov-Kontextmodell nullter Ordnung codiert. Die Vierer-Ereignisse (4-ary events), die den Koeffizienten der A- Gruppe entsprechen, werden ebenfalls unter einem Markov-Kontextmodell nullter Ordnung codiert.
Die Reihenfolge der Koeffizienten in der Liste gemäß der vorliegenden Erfindung bewahrt die Baumstruktur derart, daß kein Kind bzw. Nachkomme vor seinen Eltern modelliert werden kann. Folglich ist eine Ordnung, die die Baumstruktur bewahrt, fest eingerichtet und wird einheitlich bzw. konsistent verwendet. In einer Ausführungsform werden die Koeffizienten im Speicher in der Reihenfolge von dem ersten Speicherort verwendet. In einer anderen Ausführungsform kann eine verbundene Liste verwendet werden.
In einer Ausführungsform werden die Koeffizienten in einem Bit-Signifikanz- oder einem Bitebenen-Einbettungssystem codiert. Da die Koeffizienten von der signifikante­ sten Bitebene zu der am wenigsten signifikanten Bitebene codiert werden, muß die Anzahl der Bitebenen in den Daten bestimmt werden. Gemäß der vorliegenden Erfin­ dung wird dies ausgeführt, indem eine obere Grenze bzw. Schranke der Größenordnun­ gen der Koeffizientenwerte aus den Daten berechnet wird oder aus der Tiefe des Bildes und der Filterkoeffizienten erhalten wird. Zum Beispiel gibt es acht signifikante Bits oder acht Bitebenen, wenn die obere Schranke 149 beträgt.
Die Fig. 6A stellt eine Ausführungsform des Einzellisten-Nullbaum-Codierungsver­ fahrens nach der vorliegenden Erfindung dar. In einer Ausführungsform kann das Verfahren gemäß Fig. 6A auch bei dem Modellierungsverfahren nach Fig. 27 verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 6A beginnt das Verfahren mit dem Testen, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" (Verfahrensschritt 3221) gesetzt ist. Falls nicht, endet das Verfahren. Andererseits wird dann das Verfahren bei dem Verfahrensblock 3222 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob der "bestimmt/unbe­ stimmt"-Flag für den Koeffizienten C auf "unbestimmt" gesetzt ist, falls der Gruppen­ flag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" gesetzt ist. Falls das "bestimmt/ unbestimmt"-Flag für den Koeffizienten nicht auf "unbestimmt" gesetzt ist, endet das Verfahren. Falls jedoch der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für den Koeffizienten C auf "unbestimmt" gesetzt ist, wird das Verfahren bei dem Verfahrensblock 3203 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist.
Wenn das Bit SA des Koeffizienten C nicht Eins ist, wird das Verfahren bei dem Ver­ fahrensblock 3207 fortgesetzt. Andererseits wird das Verfahren bzw. die Verarbeitung beim Verfahrensblock 3204 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Zeichen des Koeffizienten C positiv ist, falls das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist. Wenn das Zeichen des Koeffizienten C nicht positiv ist, wird die Entscheidung bei "negativ si­ gnifikant" in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verfahrensblock 3205), und das Verfahren wird beim Verfahrensblock bzw. Verarbeitungsblock 3229 fortgesetzt. Wenn das Zeichen des Koeffizienten C positiv ist, wird die Entscheidung als "positiv signifikant" in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verarbeitungsblock 3206) und das Verfahren wird bei dem Verfahrens- bzw. Verarbeitungsblock 3229 fortgesetzt. Bei dem Verarbeitungs- bzw. Verfahrensblock 3229 wird der Gruppenflag für C auf die "B- Gruppe" gesetzt.
Bei dem Verarbeitungsblock 3207 bestimmt ein Test, ob das Bit SA für sämtliche absteigenden (Kinder bzw. Nachkommen) des Koeffizienten C Null ist. Wenn das Bit SA nicht Null ist, wird die Entscheidung als "insignifikant mit signifikanten Nachkommen" (01) in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verarbeitungsblock 3208) und das Verfahren endet. Andererseits wird, falls das Bit SA für sämtliche absteigenden (Kinder bzw. Nachkommen) des Koeffizienten C Null ist, die Entscheidung als "Nullbaumwur­ zel" (00) mit bzw. bei "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verarbeitungsblock 3209). Danach wird der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für sämtliche der Absteigenden des Koeffizienten C auf "bestimmt" gesetzt (Verarbeitungsblock 3221) und das Verfahren endet.
In einer anderen Ausführungsform kann der Terminierungstest für das Verfahren sein, ob ein bestimmtes gewünschtes Kompressionsverhältnis erreicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform werden die binären Ereignisse, die aus dem B-Durchlauf resultieren, unter dem Markov-Quellenkontextmodell nullter Ordnung entropiecodiert. Das 2-Bit-Alphabet (Größe 4), das aus dem A-Durchlauf resultiert, wird ebenfalls unter der Markov-Quelle nullter Ordnung durch einen 4er (Alphabet der Größe 4) Arithmetik­ codierer decodiert.
Die Fig. 6B und 6B (fortgesetzt) stellen eine alternative Ausführungsform des Einzel­ listen-Nullbaum-Codierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung dar, das einen reduzierten Flagspeicher verwendet. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren nach Fig. 6B als der A-Durchgang in dem Verfahren nach Fig. 30 verwendet werden. Bezugnehmend auf die Fig. 6B und 6B (fortgesetzt), beginnt das Verfahren, indem getestet wird, ob das Ergebnis einer UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ergibt (Verfahrensschritt 3201). Falls nicht, endet das Verfahren. Andererseits, falls das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist, wird die Verarbeitung bzw. das Verfahren bei dem Verfahrens- bzw. Verarbeitungs­ block 3202 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für die Eltern bzw. den Stamm des Koeffizienten C auf "unbestimmt" gesetzt ist, falls der Flag für die Eltern bzw. den Stamm der Koeffizienten auf "unbestimmt" gesetzt ist, endet das Verfahren. Falls jedoch der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für den Stamm des Koeffizienten C auf "unbestimmt" gesetzt ist, wird die Verarbeitung beim Verfahrens­ block 3203 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist.
Falls das Bit SA des Koeffizienten C nicht Eins ist, wird die Verarbeitung beim Ver­ fahrensblock 3207 fortgesetzt. Andererseits wird die Verarbeitung beim Verarbeitungs­ block 3204 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Zeichen des Koeffizienten C positiv ist, falls das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist. Wenn das Zeichen des Koeffi­ zienten C nicht positiv ist, wird die Entscheidung bei "negativ signifikant" in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verarbeitungsblock 3205) und das Verfahren endet. Falls das Zeichen des Koeffizienten C positiv ist, wird die Entscheidung als "positiv signifikant"in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert (Verarbeitungsblock 3206) und das Verfahren endet. In einer Ausführungsform wird ein 4er-Codierer verwendet und 4er-Entscheidungen werden in einem Kontext codiert. In einer anderen Ausführungsform wird ein binärer Codierer verwendet und drei Kontexte werden verwendet (z. B. sind die drei Kontexte das erste Bit der Entscheidung, das zweite Bit, wenn das erste Bit Null ist und das zweite Bit, wenn das erste Bit Eins ist).
Beim Verarbeitungsblock 3207 bestimmt ein Test, ob das Bit SA für sämtliche Absteigen­ den (Nachkommen) des Koeffizienten C Null ist. Falls das Bit SA nicht Null ist, wird die Entscheidung als "insignifikant mit signifikanten Nachkommen", "isolierte bzw. getrennte Null" (01) in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3208) codiert, und das Verfahren endet. Andererseits wird, wenn das Bit SA für sämtliche der Absteigenden (Nachkommen) des Koeffizienten C Null ist, die Entscheidung als "Null­ baumwurzel" (00) in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3209) codiert. Dann wird der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für den Koeffizienten C auf "bestimmt" (Verarbeitungsblock 3210) gesetzt. Danach wird der "bestimmt/unbe­ stimmt"-Flag für sämtliche der Absteigenden des Koeffizienten, welche umgekehrt bzw. folglich Absteigende aufweisen, auf "bestimmt" (Verarbeitungsblock 3211) gesetzt, und das Verfahren endet.
Decodierungsschritte
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Decodieren eng verknüpft bzw. im Schul­ terschluß mit der Codierung durchgeführt.
Die Fig. 6C stellt eine Ausführungsform des A-Durchgangsverfahrens für einen Null­ baum-Horizontal-Decodierungsprozeß dar und kann in Verbindung mit dem Verfahren nach Fig. 27 verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 6C beginnt das Verfahren, indem getestet wird, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" gesetzt ist (Verarbeitungsblock 3521). Falls nicht, endet das Verfahren. Jedoch wird, falls dem so ist, die Verarbeitung bei dem Verarbeitungsblock 3528 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für den Koeffizienten C auf "unbe­ stimmt" gesetzt ist. Falls nicht endet das Verfahren. Falls dem so ist, wird das Ver­ fahren beim Verarbeitungsblock 3502 fortgesetzt, wo die ternäre Entscheidung in einem A-Gruppen-Kontext(en) decodiert wird.
Dann bestimmt ein Test, ob die Entscheidung "positiv signifikant" ist (Verarbeitungs­ block 3503). Falls die Entscheidung "positiv signifikant" ist, wird das Zeichen des Koeffizienten C auf positiv gesetzt (Verarbeitungsblock 3505), die Größenordnung des Koeffizienten wird auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3507), der Gruppenflag für den Koeffizienten C wird auf die "B-Gruppe" (Verarbeitungsblock 3541) gesetzt und das Verfahren endet.
Falls die Entscheidung nicht "positiv signifikant" (Verfahrensblock 3503) ist, bestimmt ein Test, ob die Entscheidung "negativ signifikant" ist (Verarbeitungsblock 3504). Falls die Entscheidung nicht "negativ signifikant" ist, wird das Verfahren beim Verarbeitungs­ block 3509 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Entscheidung eine Nullbaumwurzel ist. Falls die Entscheidung keine Nullbaumwurzel ist, endet das Verfahren. Falls die Entscheidung eine Nullbaumwurzel ist, wird das "bestimmt/unbestimmt"-Flag für sämtliche Absteigenden des Koeffizienten C auf "unbestimmt" (Verarbeitungsblock 3531) gesetzt und das Verfahren endet.
Jedoch wird, falls der Test bzw. die Prüfung des Verarbeitungsblocks 3504 bestimmt, daß die Entscheidung "negativ signifikant" ist, anschließend das Zeichen des Koeffizien­ ten C auf negativ gesetzt (Verarbeitungsblock 3506), die Größenordnung des Koeffizien­ te auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3507), der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die B-Gruppe (Verarbeitungsblock 3541) gesetzt und das Verfahren endet.
Die Fig. 6D stellt eine alternative Ausführungsform des A-Durchgangsverfahrens für einen Nullbaum-Horizontal-Decodierungsprozeß unter Verwendung eines reduzierten Flagspeichers dar und kann in dem in Fig. 30 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 6D beginnt das Verfahren durch Testen, ob das Ergebnis einer UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist (Ver­ arbeitungsblock 3501). Falls nicht, endet dann der Prozeß. Falls jedoch das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist, wird die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3508 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob der "bestimmt/­ unbestimmt"-Flag für den Stamm von C "unbestimmt" lautet. Falls nicht, endet das Verfahren. Falls dem so ist, wird dann das Verfahren beim Verarbeitungsblock 3502 fortgesetzt, wo die ternäre Entscheidung in A-Gruppen-Kontext(en) decodiert wird.
Anschließend bestimmt ein Test, ob die Entscheidung "positiv signifikant" ist (Ver­ arbeitungsblock 3503). Falls die Entscheidung "positiv signifikant" ist, wird das Zeichen des Koeffizienten auf positiv gesetzt (Verarbeitungsblock 3505), die Größenordnung des Koeffizienten auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3507) und das Verfahren endet.
Falls die Entscheidung nicht "positiv signifikant" ist, bestimmt ein Test, ob sie "negativ signifikant" ist (Verarbeitungsblock 3504). Falls die Entscheidung nicht "negativ si­ gnifikant" ist, wird das Verfahren beim Verarbeitungsblock 3509 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob die Entscheidung eine Nullbaumwurzel ist. Falls die Entscheidung keine Nullbaumwurzel ist, endet das Verfahren. Falls die Entscheidung eine Nullbaum­ wurzel ist, wird der "bestimmt/unbestimmt"-Flag für den Koeffizienten C auf "be­ stimmt" gesetzt (Verarbeitungsblock 3510), die "bestimmt/unbestimmt"-Flags für sämtli­ che Absteigenden des Koeffizienten C, welche umgekehrt bzw. in Folge Absteigende aufweisen, auf "unbestimmt" gesetzt (Verarbeitungsblock 3511), und das Verfahren endet.
Jedoch wird dann, wenn der Test vom Verarbeitungsblock 3504 bestimmt, daß die Entscheidung "negativ signifikant" lautet, das Zeichen des Koeffizienten C auf negativ gesetzt (Verarbeitungsblock 3506), die Größenordnung des Koeffizienten C wird auf 2S A (Verarbeitungsblock 3507) gesetzt und das Verfahren endet.
Alternativen existieren gemäß der durch Shapiro vorgenommenen Auswahl, um 4er- Entscheidungen zu verwenden, um Bäume zu beschreiben. Größere Alphabete können verwendet werden, um die Charakteristiken eines vollkommenen Baumes ferner zu spezifizieren, wenn die Wurzel des Baumes codiert wird. In einer Ausführungsform werden die folgenden von 6er-Entscheidungen verwendet.
  • - insignifikant mit insignifikanten Nachkommen (Nullbaumwurzel)
  • - insignifikant mit zumindest einem signifikanten Nachkommen
  • - signifikant, positiv und sämtliche Nachkommen nicht negativ
  • - signifikant, positiv und zumindest ein Nachkomme ist negativ
  • - signifikant, negativ und sämtliche Nachkommen sind nicht positiv
  • - signifikant, negativ und zumindest ein Nachkomme ist positiv.
In dieser Ausführungsform wird Zeicheninformation zusätzlich zur Insignifikanz für einen gesamten Baum vorhergesagt. In anderen Ausführungsformen können Bäume mit anderen Zeichen Zwangs- bzw. Nebenbedingungen oder mit Größenordnungs-Zwangs­ bzw. Nebenbedingungen vorhergesagt werden. Alternativ könnten Vorhersager ins­ besondere bei der Darstellung von Texturen bzw. Strukturen oder bei der Darstellung von Mehr-Auflösungsmerkmalen zweckmäßig sein. Bei größeren Alphabeten kann die Verwendung von Markov-Kontexten höherer Ordnung (wie später beschrieben wird) zweckmäßig sein.
Listenbasierendemehrdurchgangs-verbundene Raum-/Frequenz-Einbettungsmodellierung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird frequenz-eingebettetes Codieren, wie etwa hierin offenbartes Horizont- bzw. Horizontal-Ordnungsmodellieren, zum Codieren von ternären Ereignissen, die den Koeffizienten in der A-Gruppe entsprechen, verwendet.
Beim Horizont- bzw. Horizontalcodieren sind sämtliche den Codierungsschritten vor­ ausgehende Initialisierungen identisch zu dem frequenzbasierenden System. In einer Ausführungsform wird binäres Entropiecodieren mit drei Kontexten durchgeführt, der "A-Gruppen-Größenordnung", dem "A-Gruppenzeichen" und der "B-Gruppe".
Die Fig. 7A ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des A-Durchgangs für ein Einzellisten-Horizontal-Codierverfahren nach der vorliegenden Erfindung. Dieses Verfahren kann in dem Verfahren nach Fig. 27 verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 7A beginnt das A-Durchgangsverfahren, indem getestet wird, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" (Verfahrensblock 3111) gesetzt ist. Falls nicht, endet das Verfahren. Falls der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A- Gruppe" gesetzt ist, wird die Verarbeitung bei dem Verarbeitungsblock 3102 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist. Falls das Bit SA des Koeffizienten C nicht Eins ist, wird die Entscheidung als insignifikant (0) in dem "A- Gruppen"-Kontext (Verarbeitungsblock 3103) codiert und das Verfahren endet. Falls das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist, dann wird die Verarbeitung beim Verarbeitungs­ block 3104 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Zeichen des Koeffizienten C positiv ist. Falls das Zeichen bzw. Vorzeichen des Koeffizienten C positiv ist, wird die Entscheidung als "positiv signifikant" (10) in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) kodiert (Verarbeitungsblock 3106) und das Verfahren wird beim Verarbeitungsblock 3117 fortgesetzt. Andererseits wird, falls das Zeichen bzw. Vorzeichen des Koeffizienten C nicht positiv ist, die Entscheidung als "negativ signifikant" (11) in dem/den "A-Grup­ pen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3105) codiert und das Verfahren wird beim Verarbeitungsblock 3117 fortgesetzt. Bei dem Verarbeitungsblock 3117 wird der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "B-Gruppe" gesetzt.
Die Fig. 7B ist ein Flußdiagramm einer alternativen Ausführungsform des A-Durch­ gangs für ein Einzellisten-Horizontal-Codierungsverfahren, das einen reduzierten Flagspeicher verwendet. Dieses Verfahren kann in dem Verfahren nach Fig. 30 ver­ wendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 7B beginnt der A-Durchlauf, indem getestet wird, ob das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ergibt (Verarbeitungsblock 3101). Falls nicht, endet dann das Verfahren. Falls das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist, wird die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3102 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist. Falls das Bit SA des Koeffizienten C nicht Eins ist, wird die Entscheidung als insignifikant (0) in dem "A-Gruppen"-Kontext (Verarbeitungs­ block 3103) codiert und das Verfahren endet. Falls das Bit SA des Koeffizienten C Eins ist, dann wird die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3104 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Zeichen bzw. Vorzeichen des Koeffizienten C positiv ist. Falls das Vorzeichen des Koeffizienten C positiv ist, wird die Entscheidung als "positiv signifi­ kant"(10) in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3106) codiert und das Verfahren endet. Andererseits wird, falls das Vorzeichen des Koeffizienten C nicht positiv ist, die Entscheidung als "negativ signifikant" (11) in dem/den "A-Gruppen"- Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3105) codiert und das Verfahren endet.
Decodierungsschritte
Die Fig. 7C stellt eine Ausführungsform des A-Durchgangsverfahrens für ein Einzel­ listen-Horizontal-Decodierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung dar und kann in dem Verfahren nach Fig. 27 verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 7C beginnt das Verfahren, indem getestet wird, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" gesetzt ist (Verarbeitungsblock 3411). Falls nicht, endet das Verfahren. Jedoch wird, falls der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "A-Gruppe" gesetzt ist, die Verarbeitung bei dem Verarbeitungsblock 3402 fortgesetzt, wo die ternäre Entscheidung in dem/den "A-Gruppen"-Kontext(en) codiert wird.
Anschließend bestimmt ein Test, ob die Entscheidung "positiv signifikant" ist (Ver­ arbeitungsblock 3403). Falls die Entscheidung "positiv signifikant" ist, wird das Vor­ zeichen des Koeffizienten C auf positiv gesetzt (Verarbeitungsblock 3405), die Größen­ ordnung des Koeffizienten auf 2S A gesetzt (Verarbeitungs- bzw. Verfahrensblock 3407), der Gruppenflag für den Koeffizienten C wird auf die "B-Gruppe" gesetzt (Verarbei­ tungsblock 3418), und das Verfahren endet.
Falls die Entscheidung nicht "positiv signifikant" lautet, bestimmt ein Test, ob sie "negativ signifikant" (Verarbeitungsblock 3404) ist. Falls die Entscheidung nicht "nega­ tiv signifikant" ist, endet das Verfahren. Jedoch wird dann, wenn die Entscheidung "negativ signifikant" ist, der Koeffizient C auf negativ (Verarbeitungsblock 3406) gesetzt, die Größenordnung von C auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3407), der Gruppenflag für den Koeffizienten C wird auf die "B-Gruppe" gesetzt (Verarbeitungs­ block 3418) und das Verfahren endet.
Die Fig. 7D stellt eine alternative Ausführungsform des A-Durchlaufverfahrens für ein Einzellisten-Horizontal-Decodierungsverfahren unter Verwendung eines reduzierten Flagspeichers dar und kann in dem Verfahren nach Fig. 30 verwendet werden. Be­ zugnehmend auf Fig. 7D beginnt das Verfahren, indem getestet wird, ob das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist (Verarbeitungsblock 3401). Falls nicht, endet das Verfahren. Jedoch wird, falls das Ergebnis der UND- Operation des Koeffizienten C mit der Maske MA Null ist, die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3402 fortgesetzt, wo die ternäre Entscheidung in dem/den A-Grup­ pen-Kontext(en) decodiert wird.
Anschließend bestimmt ein Test, ob die Entscheidung "positiv signifikant" ist (Ver­ arbeitungsblock 3403). Falls die Entscheidung "positiv signifikant" ist, wird das Zeichen bzw. Vorzeichen des Koeffizienten C auf positiv gesetzt (Verarbeitungsblock 3405), die Größenordnung des Koeffizienten wird auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3407) und das Verfahren endet.
Falls die Entscheidung nicht "positiv signifikant" ist, bestimmt ein Test, ob sie "negativ signifikant" (Verarbeitungsblock 3404) ist. Falls die Entscheidung nicht "negativ signifi­ kant" ist, endet das Verfahren. Jedoch wird, falls die Entscheidung "negativ signifikant" lautet, dann das Vorzeichen des Koeffizienten C auf negativ gesetzt (Verarbeitungsblock 3406), die Größenordnung von C wird auf 2S A gesetzt (Verarbeitungsblock 3407) und das Verfahren endet.
B-Durchlauf sowohl für Nullbaum als auch für Horizont
In einer Ausführungsform ist das B-Durchlaufverfahren sowohl für den Nullbaum als auch für den Horizont nach der vorliegenden Erfindung das gleiche. Ausführungsformen für den B-Durchlaufalgorithmus für das Codierverfahren und das Decodierverfahren sind in den Fig. 8A und 8B bzw. 9A und 9B gezeigt.
Die Fig. 8A stellt eine Ausführungsform eines B-Durchlaufverfahrens dar, das teilweise für Nullbaum und Einzellisten-Horizontal-Codierungsverfahren verwendet wird und in dem Verfahren nach Fig. 27 verwendet werden kann. Bezugnehmend auf die Fig. 8A prüft das Verfahren eingangs, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C gesetzt ist (Verfahrensblock 3311), falls nicht, endet das Verfahren. Andererseits wird, falls der Gruppenflag gesetzt ist, die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3302 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SB des Koeffizienten C "1" ist. Falls das Bit von SB des Koeffizienten C nicht "1" ist, dann wird die Entscheidung als "0" in dem/den "B- Gruppen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3303) codiert und das Verfahren endet. Falls das Bit SB des Koeffizienten C "1" ist, dann wird die Entscheidung als "1" in dem/den "B-Gruppen"-Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3304) codiert und das Verfahren endet.
Die Fig. 8B stellt eine alternative Ausführungsform des B-Durchgangsverfahrens dar, das teilweise für Nullbaum- und Einzellisten-Horizontal-Codierungsverfahren verwendet wird und einen reduzierten Flagspeicher verwendet und in dem Verfahren nach Fig. 30 verwendet werden kann. Bezugnehmend auf die Fig. 8B prüft das Verfahren anfangs, ob das Ergebnis einer UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MB nicht Null ist (Verarbeitungsblock 3301). Falls nicht, endet das Verfahren. Andererseits wird, wenn das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MB nicht Null ist, die Verarbeitung beim Verarbeitungsblock 3302 fortgesetzt, wo ein Test bestimmt, ob das Bit SB des Koeffizienten C "1" ist. Falls das Bit von SB des Koeffizien­ ten C nicht "1" ist, dann wird die Entscheidung als "0" in dem/den "B-Gruppen"-Kon­ text(en) (Verarbeitungsblock 3303) codiert und das Verfahren endet. Falls das Bit SB des Koeffizienten C "1" ist, dann wird die Entscheidung als "1" in dem/den "B-Gruppen"- Kontext(en) (Verarbeitungsblock 3304) codiert und das Verfahren endet.
Die Fig. 9A stellt eine Ausführungsform der B-Durchlaufdecodierung nach der vor­ liegenden Erfindung dar und kann in dem Verfahren nach Fig. 27 verwendet werden. Bezugnehmend auf die Fig. 9A bestimmt anfangs ein Test, ob der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "B-Gruppe" gesetzt ist (Verarbeitungsblock 3611). Falls nicht, endet das Verfahren. Jedoch werden, falls der Gruppenflag für den Koeffizienten C auf die "B-Gruppe" gesetzt ist, dann die Entscheidungen in dem/den "B-Gruppen"-Kon­ text(en) (Verarbeitungsblock 3602) decodiert. Ein Test entscheidet dann, ob die Ent­ scheidung eine "1" ist (Verarbeitungsblock 3603). Falls die Entscheidung keine "1" ist, endet das Verfahren. Falls die Entscheidung eine "1" ist, wird das Bit SB des Koeffizien­ ten C gesetzt (Verarbeitungsblock 3604) und das Verfahren endet.
Die Fig. 9B stellt eine alternative Ausführungsform der B-Durchlaufdecodierung nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines reduzierten Flagspeichers dar und kann in dem Verfahren nach Fig. 30 verwendet werden. Bezugnehmend auf Fig. 9B bestimmt ein Testanfang, ob das Ergebnis einer UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MB nicht Null ist (Verarbeitungsblock 3601). Falls das Ergebnis der UND- Operation des Koeffizienten C mit der Maske MB Null ist, endet das Verfahren. Jedoch werden, falls das Ergebnis der UND-Operation des Koeffizienten C mit der Maske MB nicht Null ist, die Entscheidungen in dem/den "B-Gruppen"-Kontext(en) (Verfahrens­ block 3602) decodiert. Ein Test entscheidet dann, ob die Entscheidung eine "1" ist (Verarbeitungsblock 3603). Falls die Entscheidung keine "1" ist, endet das Verfahren. Falls die Entscheidung eine "1" ist, wird das Bit SB des Koeffizienten C (Verarbeitungs­ block 3604) gesetzt und das Verfahren endet.
Unter Verwendung der Kombination des Nullbaum-Ordnungscodierens und des Horizon­ tal-Ordnungscodierens stellt die vorliegende Erfindung eine bitsignifikante Codierung der Koeffizienten, die durch reversible Kleinwellen erzeugt werden, zur Verfügung. Man beachte, daß die Verwendung sowohl der A-Gruppe als auch der B-Gruppe und der ternären und der binären Ereignisse, die den "A"- und "B"-Durchläufen jeweils entspre­ chen, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache wichtig ist, daß ein Schalter aus der Verwendung des Nullbaum-Ordnens zu dem Horizontal-Ordnen an dem Ende von jedem A-Durchlauf gemacht wird. Dies kompensiert die Ineffizienz bei der Vorhersage, die das Nullbaumordnen bei den Bits niederer Ordnung begleitet. Deshalb beginnt gemäß der vorliegenden Erfindung das System, indem die Bitdaten höherer Ordnung nullbaum-co­ diert werden und nach einer Anzahl von Durchläufen durch die Listen, d. h. nachdem eine Anzahl von Bitebenen codiert sind, schaltet der Codierer nach der vorliegenden Erfindung um, um den Rest der Daten unter Verwendung von Horizontal-Codieren zu codieren. Die Anzahl der Durchläufe kann statistisch ausgewählt werden oder kann angepaßt ausgewählt werden, indem die Durchführung bzw. Funktion des Nullbaum- Ordnungs-Codierungsblocks überwacht wird.
Alternativen zum Kontextmodell
In einer Ausführungsform werden fünf binäre Kontext-Überrahmen bzw. -Rahmen verwendet. Dies ist gering, falls dies mit anderen Systemen, wie etwa JBIG, verglichen wird, welches etwas mehr als 1024 Kontexte verwendet. Die Kompression kann unter Verwendung von mehr Kontext-Überrahmen bzw. -Rahmen verbessert werden. Ent­ scheidungen können anhand von räumlichen Anordnungen, Pegeln und/oder Bitstellun­ gen verarbeitet bzw. aufbereitet werden. Im allgemeinen können die vorher beschriebe­ nen Markov-Kontexte nullter Ordnung durch Markov-Kontexte höherer Ordnung ersetzt werden.
Einige Beispiele lauten wie folgt. Das signifikanteste (und deshalb am leichtesten vorhersagbare) Bit von jeder Mantisse (B-Gruppendaten in einigen Ausführungsformen) könnte einen von dem Rest der Bits verschiedenen Kontext verwenden. Die Signifikanz- /Nicht-Signifikanz-Entscheidung könnte auf der Grundlage der gleichen Entscheidung aufbereitet bzw. verarbeitet werden, wie sie für räumlich eng beieinanderliegende vorherige Koeffizienten bei dem gleichen Transformationspegel gemacht worden ist. Gleichermaßen können die Zeichen- bzw. Vorzeichenbits für die signifikanten Koeffi­ zienten auf den Zeichen von räumlich dicht davorliegenden Koeffizienten bei dem gleichen Pegel oder den Zeichen bzw. Vorzeichen des Koeffizienten des Stamms bzw. der Eltern verarbeitet bzw. aufbereitet werden.
Verbesserungen des Kontextmodells können insbesondere wichtig sein, wenn Bilder komprimiert werden, die eine räumliche oder eine Multi-Auflösungsstruktur aufweisen. Graustufenbilder von Linienzeichnungen oder Texte sind ein Beispiel für Bilder mit beiden dieser Arten von Strukturen. Verbesserungen sind auch für die Kompression von Daten wichtig, die bereits mit einem spezifizierten Spitzenfehler hätten komprimiert bzw. dekomprimiert werden sollen.
Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann in Hardware und/oder Software in die Tat umgesetzt werden. Eine Hardware-Umsetzung der vorliegenden Erfindung erfordert, Umsetzung der Kleinwellenfilter, des Speicher-/Datenflußmanagements, um Daten für die Filter zur Verfügung zu stellen, ein Kontextmodell, um die Einbettungscodierung nach der vor­ liegenden Erfindung zu steuern, das Speicher-/Datenflußmanagement, um die Daten für das Kontextmodell zur Verfügung zu stellen, und einen binären Entropiecodierer.
Klein- bzw. Unterwellenfilter
Eine Ausführungsform des Vorwärts-Kleinwellenfilters nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Der in Fig. 10 gezeigte Kleinwellenfilter bezieht ein bzw. beherbergt vier 16-Bit-Zweier-Komplement-Eingabebildelemente, die als x(2)-x(5) gezeigt sind.
Bezugnehmend auf Fig. 10 verwenden die Tiefpaßfilter mit zwei Abgriffen bzw. Stufen "1 1" einen 16-Bit-Addierer 1001. Die Ausgänge werden als S bzw. D bezeichnet. Der Ausgang des Addierers (S) ist auf 16 Bits unter Verwendung eines 1-Verschiebungs­ blocks 1003 auf 16 Bits verringert. Der 1-Verschiebungsblock 1003 führt eine Division­ durch-2-Funktion durch Verschieben seines 17-Bit-Einganges zu dem rechten einen Bit bzw. dem richtigen Bit durch.
Der Hochpaßfilter mit sechs Abgriffen bzw. Stufen "-1 -1 8 -8 1 1" erfordert die Berechnung von -S₀ + 4D₁ + S₂. Die Funktion S2-S₀ wird mit einem 16-Bit-Sub­ trahierer 1005 berechnet, der den Ausgang des 1-Verschiebungsblocks 1003 und das Y₀(0) empfängt. Der Ausdruck 4D₁ wird unter Verwendung des Subtrahierers 1002 und des 2-Verschiebungsblocks 1004 berechnet. Der Ausgang, der durch den 16-Bit-Sub­ trahierer 1002 erzeugt wird, wird auf die linken zwei Plätze verschoben, wodurch sein Ausgang effektiv mit vier multipliziert wird. Das Addieren des Ausgangs 4D₁ von dem 2-Verschiebungsblock 1004 zu dem Ausgang des Subtrahierers 1005 wird durch den 20- Bit-Addierer 1006 durchgeführt. Der Ausgang des Schlußaddierers ist unter Verwendung des 2-Verschiebungsblocks 1007 auf 18 Bits verringert. Der 2-Verschiebungsblock 1007 führt eine Division-durch-4-Funktion durch, indem sein 20-Bit-Eingang zu den rechten zwei Bits verschoben wird.
Folglich ist die gesamte erforderliche Berechnungshardware (Register für die zeitweise Speicherung von Ergebnissen nicht eingerechnet):
  • ⚫ @ 16-Bit-Addierer,
  • ⚫ @ 16-Bit-Subtrahierer,
  • ⚫ @ 19-Bit-Addierer.
Man beachte, daß das Verschieben durch die Verdrahtung vorgenommen wird, so daß keine Logik erforderlich ist.
In anderen Ausführungsformen können für Eingänge der Größe N, ein N-Bit-Addierer, zwei N-Bit-Subtrahierer und ein (N+3)-Bit-Addierer verwendet werden.
Wegen der extrem niedrigen Hardwarekosten für diese Addierer/Subtrahierer können parallele Umsetzungen für die Filter verwendet werden, falls dies gewünscht ist.
Man bemerke, daß alternativ anstelle des Subtrahierens von X(3) und X(2) X(4)-X(5) berechnet werden kann und aufrechterhalten werden kann, bis es später als X(2)-X(3) für die nächste Verschiebung oder Anwendung des Filters benötigt wird. Sowohl der Vorwärtsfilter (und der oben beschriebene inverse bzw. Rückwärtsfilter) können in einer Leitung angeordnet werden, um einen höheren Durchsatz zu erzielen.
Der inverse Wellen- bzw. Kleinwellenfilter wird in Fig. 11 dargestellt. Die Eingänge von Y₀(0) und Y₀(2) werden durch den Subtrahierer 1101 subtrahiert. Das Ergebnis der Subtraktion wird durch den Um-2-Verschiebungsblock 1102 um zwei Bits nach rechts verschoben. Dies dividiert den Ausgang des Subtrahierers effektiv durch vier. Eine Subtraktion wird zwischen dem Ausgang des Um-2-Verschiebungsblocks 1104 und des Y₁(0)-Eingang durchgeführt. Der Eingang Y₀(1) wird um ein Bit nach links durch den Um-1-Verschiebungsblock 1103 um ein Bit nach links verschoben, wodurch der Eingang mit 2 multipliziert wird. Nachdem Y₀(1) um eins verschoben ist (multipliziert mit 2), ist das LSB des verschobenen Wertes das LSB, das von dem Ausgang des Subtrahierers 1104 genommen ist, und wird mit dem 16-Bit-Ausgang von dem Um-1-Verschiebungs­ block 1103 kombiniert, um einen Eingang für den Addierer 1105 und den Subtrahierer 1106 zu bilden. Der andere Eingang für den Addierer 1105 und den Subtrahierer 1106 ist der Ausgang des Subtrahierers 1104. Die Ausgänge des Addierers 1105 und des Subtrahierers 1106 können nachfolgend abgeschnitten werden bzw. einer Abschneidung unterzogen werden.
Eine Auswahl von zwei Abschneide-Operationen kann verwendet werden. In beiden Fällen wird der 20-Bit-Wert um eins verschoben (durch 2 geteilt) zu einem 19-Bit-Wert. Für ein System, das nur eine verlustlose Kompression durchführt, können die 16 am wenigsten signifikanten Bits ausgegeben werden (die verbleibenden drei Bits können außer acht gelassen werden). In einem verlustbehafteten System (oder einem verlustbe­ hafteten/verlustlosen System) wird der 19-Bit-Wert auf Null gesetzt, falls er negativ ist, oder auf 2¹⁶-1 gesetzt, falls er größer als 2¹⁶-1 ist; ansonsten können die 16 am wenig­ sten signifikanten Bits ausgegeben werden.
Für Eingänge von N-Bits können ein N-Bit-Subtrahierer, ein (N+2)-Bit-Subtrahierer, ein (N+3)-Bit-Addierer und ein (N+3)-Bit-Subtrahierer verwendet werden und die Abschneide- bzw. Kürzungseinrichtung gibt N Bits aus.
Speicherverwendung
Im Hinblick auf das Speicher- und Datenflußmanagement für die Wellen- bzw. Klein­ wellenfilter nach der vorliegenden Erfindung für Bilder, wo ein vollständiger Rahmen in einen Speicher passen kann, ist das Speicher-/Datenflußmanagement keine schwierige Angelegenheit. Auch für viele Anwendungen ist es vernünftig, was für 1024 × 1024 medizinische 16-Bit-Bilder (z. B. mit einer Größe von 2 Megabytes), die einen voll­ ständigen Pufferrahmen erfordern, ist. Für größere Bilder (z. B. A4, 400 DPI 4-Farben­ bilder weisen eine Größe von etwa 50 Megabyte auf) ist die Durchführung der Kleinwel­ lentransformation mit einer begrenzten Menge an Linien-Pufferspeicher wünschenswert.
Man bemerke, daß ein vollständiger Rahmenpuffer nicht erforderlich ist, um die vor­ liegende Erfindung in ein System mit einem Durchlauf umzusetzen. Deshalb kann der erforderliche Speicher um einen Faktor 100 verringert werden (verglichen mit einem vollständen Rahmenpuffer für große Bilder). Das System mit einem Durchlauf gemäß der vorliegenden Erfindung wird später beschrieben.
Die in dem Filterspeicher gespeicherten Daten sind eine Reihe von Koeffizienten, die dem Einbettungscodieren und dem binären Entropiecodieren auszusetzen sind. Das Einbettungscodieren verwendet ein Kontextmodell, um die Verwendung von frequenzba­ sierender Codierung oder Horizontalcodierung zu koordinieren, und um Daten in einer zweckmäßigen bzw. angemessenen Ordnung zur Verfügung zu stellen. Das Kontextmo­ dell arbeitet in Verbindung mit einem Speicher-Managementschema. Für Systeme mit einem vollständigen Rahmenpuffer ist es nicht schwierig, Daten in der angemessenen Ordnung zur Verfügung zu stellen. Für Systeme ohne einen vollständigen Rahmenpuffer stellt das Datentransformations-Managementschema der Ausführungsform mit einem Durchlauf gemäß der vorliegenden Erfindung (unten beschrieben) dem Kontextmodell Koeffizienten zur Verfügung, so daß es das Kontextmodell nur erfordert, Koeffizienten für einen Baum zu puffern. Ein frequenzbasierendes Kontextmodell mit einem Durchlauf und ein verbundenes Raum-/Frequenz-Kontextmodell mit einem Durchlauf werden zu einer Zeit bzw. einem Zeitpunkt an einem Baum betrieben.
Die Ergebnisse der Einbettungsoperation gemaß der vorliegenden Erfindung ist zum Erzeugen von Bit-Strömen von dem frequenzbasierenden Modellierungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung und dem verbundenen Raum-/Frequenz-Modellie­ rungsmechanismus gemaß der vorliegenden Erfindung. Diese Bit-Ströme werden anschließend unter Verwendung eines binären Entropiecodierers codiert.
Für Systeme mit einem vollständigen Rahmenpuffer können beliebige binäre Entropieco­ dierer oder andere angemessene Codierer verwendet werden. Für Systeme ohne einen vollständigen Rahmenpuffer müssen entweder mehrfache unabhängige Codierer ver­ wendet werden oder der Codierer muß dazu in der Lage sein, mehrfache unabhängige Codierer zu simulieren. Auch wird ein Speicher oder ein Kanal-Management benötigt, um die Ausgänge von den unabhängigen Codierern zu verfolgen bzw. auf dem laufenden zu halten. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Daten, die zu handhaben bzw. zu managen sind, prioritiert sind (eingebettet). Falls während der Kompression oder Übertragung nicht ausreichend Raum bzw. Platz oder Bandbreite zur Verfügung steht, können weniger wichtige Daten auf dem Wege außer acht gelassen werden, um eine vernünftige verlustbehaftete Kompression zur Verfügung zu stellen.
System mit einem Durchlauf gemäß der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Transformation mit einem Durchlauf zur Ver­ fügung, die es ermöglicht, die Eingabedaten in das System, wie sie empfangen werden, vollständig zu prozessieren. In einem solchen System ist die Verarbeitung der Daten nicht von den Daten abhängig, die folgen. Der erforderliche Speicher, um ein Bild zu komprimieren, ist abhängig von der Länge des Bildes. Durch die Entfernung der Abhängigkeit stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Verfügung, das kom­ primierte Daten ausgeben kann, bevor sämtliche Daten verarbeitet worden sind.
A. Datenmanagement für die Transformation mit einem Durchlauf
Die Fig. 12 stellt einen Bereich eines Bildes dar, das in einer Rasterordnung durch eine Band- bzw. Frequenzbandmode bzw. -methode unter Verwendung der Lehren gemäß der vorliegenden Erfindung komprimiert. Man ziehe eine Zerlegung mit vier Pegeln in Betracht. Jeder Baum weist 2⁴ × 2⁴ = 16 × 16 = 256 Koeffizienten auf. Jedoch hängt jeder Baum von mehr als 256 Eingabebildelementen ab, da der Hochpaßfilter der Klein­ wellentransformation gemäß der vorliegenden Erfindung überlappt. Der "1 1"-Tiefpaßfil­ ter mit zwei Abgriffen bzw. Stufen (L) bewirkt keine Überlappung und die gesamte Überlappung stammt von dem Hochpaßfilter (H) mit sechs Abgriffen bzw. Stufen "-1 -1 8 -8 1 1". Die größte Überlappung tritt für die Kaskade von drei Anwendungen des Tiefpaßfilter, gefolgt durch eine Anwendung des Hochpaßfilters (LLLH), auf. Drei Anwendungen des Tiefpaßfilters (LLL) erfordern eine Unterstützung von 2³ = 8 Eingabebildelementen. Stütz- bzw. Unterstützungsbereiche mit einer Größe von 8×8 Bildelementen sind in Fig. 12 gezeigt. Wenn der Hochpaßfilter in diese Kaskade einbezogen wird, betragen die Unterstützungsbereiche (6 × 2³)×(6 × 2³) = 48 × 48 Bildelemente. Ein Unterstützungsbereich mit 48 × 48 Bildelementen, der aus sechsund­ dreißig 8×8 Blöcken besteht, ist in Fig. 12 gezeigt.
Man nehme an, daß die Koeffizienten des in Fig. 12 gezeigten Unterstützungsbereichs mit 48 × 48 Bildelementen gegenwärtig gerade verarbeitet werden. Der hell schattierte Abschnitt des Unterstützungsbereichs stellt Bildelemente dar, die bereits in vorangehen­ den Unterstützungsbereichen verwendet worden sind. Der hell schattierte Teil, der außerhalb des Unterstützungsbereiches ist, stellt Bildelemente dar, die bereits in vor­ angehenden Unterstützungsbereichen verwendet worden sind und in zukünftigen Unter­ stützungsbereichen benötigt werden. Der schwarze 16 × 16 Bereich ist der Teil des Unterstützungsbereichs, der Bildelemente enthält, die zuvor nicht verwendet worden sind. In ähnlicher Weise enthält der dunkel schattierte 16 × 16 Bereich Bildelemente, die zuvor nicht verwendet worden sind, welche jedoch in dem nächsten 48 × 48 Unterstüt­ zungsbereich verwendet werden. Eine 16 × 16 Transformation eines Baumpegels wird berechnet, wobei die vorherigen Ergebnisse von acht anderen 16 × 16 Transformationen mit drei Pegeln aus einem Puffer zurückgerufen werden und der vierte Pegel der Transformation wird auf die neun 16 × 16 Transformationen mit drei Pegeln angewen­ det. Die erforderliche Pufferung, um dies vorzunehmen, reicht aus, um die dreipegeli­ gen Transformationskoeffizienten für (2 × Breite des Bildes +32) × 16 Bildelemente zu speichern und reicht aus, um einen 16-Linien-Puffer (ein Band bzw. Frequenzband) von Bildelementen zu speichern.
Die Fig. 13 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Kleinwellenfilterungs­ einheit mit einem Durchlauf, die eine Filtersteuereinheit 1301, einen Speicher 1302 und einen Filter 1303 enthält. Der Filter 1303 weist den in Verbindung mit Fig. 10 be­ schriebenen Filter auf. Der Speicher 1302 bezieht sich auf den Speicher, der oben in Verbindung mit Fig. 12 beschrieben worden ist, und speichert entweder Bildelemente oder Koeffizienten. Die Filtersteuereinheit 1301 bestimmt den Datenfluß zwischen dem Speicher 1302 und dem Filter 1303. Die Operation der Filtersteuereinheit 1301 wird unten beschrieben.
Die Fig. 14 stellt eine alternative Kleinwellenfiltereinheit dar. Um einen Hochgeschwin­ digkeitsbetrieb zu erzielen, können Filter mehrfach verwendet werden. In einer Aus­ führungsform könnte die Speicherbandbreite wesentlich sein, da der Filter 1303 vier oder fünf Eingänge erfordert (beispielsweise inverser Filter, Vorwärtsfilter). Der Speicher könnte mehrfache Bildelemente/Koeffizienten pro Stelle bzw. Ort, mehrfache Bänke und/oder mehrfache Anschlüsse bzw. Ports aufweisen. Eine Speicherschnitt­ stelleneinheit 1401 verringert die Bandbreite des Speichers, die erforderlich ist, indem kleine Puffer für lokale Daten, die während der Verarbeitung benötigt werden, vor­ gesehen werden. Die Speicherschnittstelleneinheit 1401 stellt auch Multiplexen/Demulti­ plexen zwischen dem Eingang/Ausgang (I/O) des Speichers 1302 und den I/O des Filters 1303 zur Verfügung.
Zusätzlich zu der Speicherbandbreite, die für das Filtern erforderlich ist, kann zusätzli­ che Bandbreite für die Eingabe der Bildelemente in den Speicher 1302 und die Ausgabe der Koeffizienten zu dem Kontextmodell erforderlich sein. Wenn Bildelemente bzw. Bildpunkte in der Rasterordnung eingegeben werden, kann zusätzlicher Speicher für den Band- bzw. Frequenzbandpuffer erforderlich werden.
Falls ein Speicher mehrere bzw. Mehrfachelemente (Bildelemente oder Koeffizienten) pro Stelle bzw. Ort speichert, statt horizontale oder vertikale benachbarte Elemente in einer Reihe oder Spalte zu speichern, kann es die Menge an Speicherzugriffen und Pufferungen reduzieren, die erforderlich ist, wenn Elemente in einem NxN-Block die gleiche Stelle bzw. den gleichen Ort teilen, wenn N eine Potenz von 2 ist. Dies er­ möglicht die gleiche Angemessenheit für vertikale und für horizontale Zugriffe.
Mehrfache Bänke bzw. Speicherbänke können auch in die Tat umgesetzt werden, so daß sowohl horizontale als auch vertikale Zugriffe die gleichen Vorteile aus mehrfachen Bänken ziehen können, wie in Fig. 15 gezeigt wird. Für den Fall mit zwei Bänken kann ein Bank-Auswahl-Bit ausgebildet werden, das zur Verfügung gestellt wird, um eine der Bänke auszuwählen, und zwar in einer Ausführungsform durch eine Exklusiv-Oder- Operation der LSBs der horizontalen und der vertikalen Koordinaten. Für den Fall mit vier Bänken können die zwei Bank-Auswähl-Bits ausgebildet werden, indem (Modul 4 mit einem 2-Bit-Addierer) die zwei LSBs der horizontalen und vertikalen Koordinaten addiert werden.
Die Fig. 16 stellt die Filteroperation mit einem Durchlauf für eine Zerlegungsimplemen­ tation mit zwei Pegeln bzw. zwei Niveaus durch die Filtersteuereinheit 1301 (Fig. 13) dar. Man bemerke, daß zu Darstellungszwecken eine Beschreibung mit zwei Pegeln zuerst erörtert wird, um die allgemeine Technik gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen. In anderen Ausführungsformen werden dreipegelige, vierpegelige oder Zerlegungen mit höheren Pegeln verwendet. Eine zweipegelige Zerlegung weist 16 Koeffizienten pro Baum auf und erfordert eine Berechnung mit 16 Eingabebildelemen­ ten, die zuvor nicht verwendet worden sind. Das Filtern für einen Baum mit Koeffi­ zienten wird in 16 oder weniger Zeiteinheiten durchgeführt, um der Eingabe- und Ausgaberate zu entsprechen. Für dieses Beispiel werden zwei Filter in Parallelanordnung bzw. parallel betrieben verwendet, um den gewünschten Durchsatz von zwei Filter­ operationen pro Zeiteinheit zu erzielen. Für jede räumliche Stelle bzw. jeden räumlichen Ort, wo die führende Kante bzw. Flanke eines Filters angelegt wird, zeigt Fig. 16 eine Zahl, die die Zeit anzeigt, in der jede Filterbetätigung durchgeführt wird.
Da die Ordnung des Filterns durch die führende Kante des Filters bestimmt wird, erzeugt das Filtern nicht sämtliche der Koeffizienten eines Baumes, bevor einige bzw. beliebige der Koeffizienten des nächsten Baumes erzeugt sind. Die Filterung der Nach­ kommen des Baumes tritt vor dem Filtern der Stämme bzw. Eltern auf und das Tiefpaß­ filtern wird vor dem entsprechenden Hochpaßfiltern vorgenommen. Das Filtern betreibt eine A-Gruppe von Koeffizienten, die die gleiche Anzahl von Koeffizienten eines Typs aufweist, wie ein Baum.
Die Horizontal-Filterung mit dem Pegel 1 wird während einer Zeit 0 bis 7 durchgeführt und die Ergebnisse werden in einem temporären Puffer gespeichert. (Jede räumliche Stelle bzw. jeder räumliche Ort ergibt zwei Koeffizienten.) Während einer Zeit 2 bis 9 wird vertikales Filtern an den Daten in dem Puffer (unter Verwendung des zweiten Filters) und den Daten der vorherigen horizontalen Filter vom Speicher (zweifach pro räumlichem Ort bzw. Stelle) durchgeführt. Vertikales Filtern kann beginnen, sobald die zweite horizontale Filterungsoperation abgeschlossen ist. Die Koeffizienten HH, HL und LH sind fertig für die Ausgabe zu dem Kontextmodell (zu der angemessenen Zeit). Die Koeffizienten LL werden in dem nächsten Pegel bzw. auf dem nächsten Niveau ver­ wendet.
Mit nur zwei Filtern kann die Null-Horizontalfilterung mit Pegel 0 bis zur Zeit 8 nicht beginnen, wenn die Horizontalfilterung mit Pegel 1 nicht vollständig ist, was einen Filter verfügbar werden läßt. Die Horizontalfilterung mit Pegel 0 kann bis zur Zeit 10 nicht beendet werden, einem Zyklus nach dem die Vertikalfilterung mit Pegel 0 voll­ ständig ist, wobei sämtliche erhaltenen Daten bestätigt bzw. bewiesen werden. Während der Zeit 11 und 12 kann als nächstes die vertikale Filterung mit Pegel 1 auftreten.
Die Tabelle 1 unten faßt den Betrieb jeden Filters während jeder Zeiteinheit zusammen. Das Format der Eingänge lautet Pegelzahl, horizontal oder vertikal ("H" oder "V") und die räumliche Stelle bzw. Anordnung der führenden Kante. Die Eingänge der vertikalen Filteroperationen sind auch als Tiefpaß zu Hochpaß erkannt, mit einem Index "L" oder "H". Man bemerke, daß es erforderlich ist, einen Filter zuzuordnen, um horizontale Filterung durchzuführen, und den anderen, um vertikale Filterung durchzuführen, da beide Filter identisch sind.
Tabelle 1
Während die horizontale Filterung mit Pegel 1 wieder für die nächste Gruppe von Eingabebildelementen bei einer Zeit 11 beginnen kann, würde dies den Filter dazu veranlassen, schneller betätigt zu werden als dies Eingabe- und Ausgaberate. Statt dessen werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Filter außer Betrieb sein und die nächste Gruppe wird bei der Zeit 16 gestartet. Zyklen mit außer Betrieb gesetzten Filtern können für Speicherübertragungen verwendet werden. Anstelle an dem Ende des Filterns für jede Gruppe aufzutreten, können die Außer-Betrieb-Zyklen, falls gewünscht, unter den Filterzyklen verteilt werden.
Im Hinblick auf die Erläuterung zu dem Fall mit zwei Pegel wird der Fall mit drei Pegeln in Tabelle 2 gezeigt. Kettenschaltungen bzw. Kaskadierungen von zwei oder vier Zeiteinheiten werden verwendet, um die Informationen auf eine Seite zu übertragen, wodurch es leichter gemacht wird, zu lesen.
Tabelle 2
Die Tabelle 3 stellt den Fall mit vier Pegeln bzw. Niveaus dar. Da es nun 256 Zeitein­ heiten pro Gruppe von Koeffizienten gibt, wird zur Vereinfachung nur der Pegel bzw. das Niveau und die Filterungsrichtung gezeigt.
Tabelle 3
Der Ausgang des Filterungs- und Speicheruntersystems gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ist eine Reihe von Koeffizienten, die einer Bitsignifikanz-Einbettungskodierung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen werden.
B. Das Kontextmodell für das System mit einem Durchlauf
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit dem Bitwertigkeits- bzw. -signifikanz-Einbettungskontextmodell für das System mit einem Durchgang jeder Baum in vier Teilen verarbeitet.
Die Wurzel des Baumes, der LL-Koeffizient ist dem höchsten Pegel, wird durch Hori­ zontalordnungscodieren in einem Durchgang codiert. Die drei Unterbäume, die mit jeder der Wurzeln drei Nachkominen beginnen, die HH-, HL- und LH-Koeffizienten mit dem höchsten Pegel, werden sowohl mit der verbundenen Raum-/Frequenzmodelierung mit einem Durchgang als auch mit dem frequenzbasierenden Modelieren mit einem Durch­ gang verarbeitet. Die Koeffizienten werden so codiert, daß codierte Daten ausgegeben werden können, bevor das Bitsignifikanz-Einbettungskontextmodell mit sämtlichen Daten arbeitet.
Signifikanzbaum mit einem Durchgang
Das Nullbaum-Kontextmodell kann in dem System mit einem Durchlauf nicht verwendet werden. Der Nullbaum erfordert eine Liste (oder mehrere Listen), die jeden Koeffizien­ ten enthalten, und Nullbäume führen mehrere Durchläufe durch die Liste(n) durch. Ein alternatives frequenzbasierendes Modell, ein Signifikanzbaum mit einem Durchlauf, erfordert keine Listen, die sämtliche Koeffizienten enthalten. Ein anderer Unterschied zwischen einem Signifikanzbaum mit einem Durchlauf und einem Nullbaum ist, daß der Signifikanzbaum sämtliche Nachkommen bearbeitet, bevor ihre Eltern bzw. ihre Stämme verarbeitet werden, wenn Entscheidungen erzeugt werden, im Gegensatz zu dem Null­ baum, der die Eltern bzw. den Stamm zuerst verarbeitet.
Das Kontextmodell gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Form eines Blockdia­ gramms in Fig. 17 gezeigt. Das Kontextmodell 1700 enthält zwei Verarbeitungsein­ heiten, die Zeichen bzw. Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 (Fig. 1A) und die Signifikanzeinheit 1702. Das Kontextmodell 1700 verwendet auch zwei Speicher (mit Speichersteuerlogik), einen Größenordnungs-Speicher 1701 und einen Baumspeicher 1703. Jede dieser zwei Speichereinheiten kann mit multiplen Speicherbereichen in die Tat umgesetzt werden, um eine abwechselnde Verwendung während des Hochgeschwin­ digkeitsbetriebes zu ermöglichen (d. h. während Daten in den einen geschrieben werden, wird der andere gelesen oder freigemacht).
Der Größen- bzw. Größenordnungs-Speicher 1701 ordnet die Koeffizienten in dem Baum neu in einer Ordnung, die auf Signifikanz bzw. Wichtung basiert, sowie eine Ordnung, die auf ihren Größen bzw. Größenordnungen basiert. Dies wird ausgeführt, indem eine Schlange von jeder möglichen Größenordnung aufrechterhalten wird. Die Signifikanzeinheit 1702 empfängt Koeffizienten in der Ordnung der Signifikanz (z. B. der Größe bzw. Größenordnung) und erzeugt Entscheidungen für einen Codierer der den A- Durchlaufalgorithmus verwendet bzw. handhabt. Der Baumspeicher 1703 ist an die Signifikanz- bzw. Wertigkeitseinheit 1702 angeschlossen und beseitigt Nullbäume nach sämtlichen Nullen.
Die nachfolgende Erörterung nimmt an, daß die Koeffizienten 18 Bits aufweisen und daß die Eingangsdaten einer Zerlegung mit vier Pegeln bzw. Niveaus unterzogen worden sind.
Eine Ausführungsform der Zeichen- bzw. Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 ist in Fig. 18 dargestellt, und überträgt die Eingangskoeffizienten in ein Zeichen- bzw. Vorzeichen-/Größenordnungsformat. Die Zeichen- bzw. Vorzeichen-/Größenordnungs­ einheit 109 ist angeschlossen, um 18 Bits der Koeffizienten zu empfangen und enthält einen Inverter 1801, einen Multiplexer (MUX) 1802, einen Prioritätscodierer 1803 und eine Zähleinrichtung 1804. Die Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 gibt eine Wertigkeitsanzeige bzw. Signifikanzanzeige (z. B. einen 5-Bit-Wert), die Mantisse des Eingabekoeffizienten (z. B. 17 Bits), das Zeichen bzw. Vorzeichen des Eingangskoeffi­ zienten mit einem Bit und einen Index von der Zähleinrichtung 1804 (z. B. 7 Bits).
Die MUX 1802 ist angeschlossen, um 17 Bits von den Koeffizienten, die unmittelbar in die Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 eingegeben sind, und eine invertierte Version der 17 Bits von der Zweier-Komplementärwerteinrichtung 1801 zu empfangen. Basierend auf dem Zeichen- bzw. Vorzeichenbit (Koeffizientenbit 17), das an dem ausgewählten Eingang der MUX 1802 empfangen wird, gibt der positive der zwei seinen Ausgang als die Mantisse ein.
Die Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 verwendet einen Prioritätscodierer 1803, um das erste signifikante Bit bzw. Wertigkeitsbit von jedem Koeffizienten zu bestimmen. Auf der Grundlage des ersten signifikanten Bits von jedem Koeffizienten kann ein Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel mit dem Koeffizienten in Verbindung gebracht werden.
Die Zähleinrichtung 1804 wird verwendet, um einen Index mit dem gegenwärtigen Baumelement zu verbinden bzw. zu verknüpfen. Für eine Zerlegung mit vier Pegeln variiert der Index von 0 bis 84 (weil 1 + 4 + 16 + 64 = 85 die Anzahl der Elemente in einem Unterbaum ist). Die Eingangskoeffizienten sind in der Baumordnung, welche in diesem Beispiel so angenommen werden, daß die Eltern bzw. Stämme zuerst und die Kinder bzw. Nachkommen zuletzt sind. Die Koeffizienten sind für die geordneten Koeffizienten von unterschiedlichen Zerlegungspegeln bzw. -niveaus, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.
Pegel
Index der Koeffizienten
0
0
1 1, 22, 43, 64
2 2, 7, 12, 17, 23, 28, 33, 38, 44, 49, 54, 59, 65, 70, 75, 80
3 3 . . . 6, 8 . . . 11, 13 . . . 16, 18 . . . 21, 24 . . . 27, 29 . . . 32, 34 . . . 37, 39 . . . 42, 45 . . .48, 50 . . . 53, 55 . . . 58, 60 . . . 63, 66 . . .69, 71 . . . 74, 76 . . .79, 81 . . . 84
Die Fig. 19 ist eine Ausführungsform des Blockdiagramms des Größen- bzw. Größen­ ordnungsspeichers 1701. Eine Zähleinrichtung und ein Speicher sind miteinander für jeden möglichen Wertigkeits- bzw. Signifikanzpegel verbunden (ausgenommen nichts ist erforderlich für Null-Koeffizienten, die nicht codiert zu werden brauchen). Zum Beispiel sind die Zähleinrichtung 1916 und der Speicher 1936 mit dem Signifikanzpegel bzw. Wertigkeitspegel 17 verbunden. In einer Ausführungsform gibt es 16 Wertigkeits- bzw. Signifikanzpegel. Deshalb gibt es 17 Zähleinrichtungen und 17 angeschlossene Speicher.
In einer Ausführungsform muß jeder Speicher 85 Stellen bzw. Orte für jeden möglichen Koeffizienten in einem Unterbaum aufweisen (da jeder Unterbaum 85 Koeffizienten enthält), jedoch kann die Speichergröße auf eine Potenz von 2 angemessen aufgerundet werden, wie etwa 128. Jeder Speichereingang kann ein Zeichen- bzw. Vorzeichenbit, einen 7-Bit-Index und N-Größenordnungsbits aufweisen, wobei N der Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel ist. Falls die Verwendung einer fixen Speicherbreite gewünscht wird, können Eingänge für die Signifikanz bzw. Wertigkeit 16 und 0, 15 und 1 usw. kom­ biniert werden, so daß jedes Wort zwei Eingänge hat, die zusammen 32 Bits ergeben. Natürlich muß bei einer ungeraden Anzahl von Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegeln ein Wort nur einen Eingang enthalten, welches in diesem Beispiel der Pegel bzw. das Niveau 7 ist.
Zeichen- bzw. Vorzeichen-, Index- und Mantissenwerte, die von der Zeichen- bzw. Vorzeichen-/Größenordnungseinheit 109 empfangen worden sind, werden in den passen­ den bzw. angemessenen Speicher an der Adresse geschrieben, die durch die ange­ schlossene Zähleinrichtung des Speichers zur Verfügung gestellt wird. Die angeschlosse­ ne Zähleinrichtung wird dann inkrementiert bzw. erhöht, so daß der nächste Koeffizient bei diesem Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel an dem nächsten Ort bzw. der nächsten Stelle gespeichert werden kann.
Der Speicher wird von jedem der Speicher 1920-1926 in abnehmender Ordnung der Signifikanz bzw. Wertigkeit ausgelesen. Der Ausgang von jedem Koeffizienten enthält seinen Mantissen-, seinen Zeichen- bzw. Vorzeichen- und seinen Indexausgang. Wenn die Zähleinrichtung für den höchsten Pegel bzw. das höchste Niveau der Signifikanz bzw. der Wertigkeit nicht Null ist (z. B. Pegel 16), wird er verringert, und der Speicher wird bei dieser Adresse gelesen. Dies wird wiederholt, bis der Wert der Zähleinrichtung Null ist. Anschließend wird der nächste Wertigkeits- bzw. Signifikanzpegel (z. B. Pegel 15) in Betracht gezogen. Jeder Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel wird der Reihe nach in Betracht gezogen, bis sämtliche Zähler bzw. Zähleinrichtungen bis auf Null her­ abgesetzt worden sind und sämtliche Speicher geleert worden sind.
In einem Realzeitsystem kann es wünschenswert sein, zwei Bänke von Zähleinrichtungen und Speichern zu verwenden, so daß eine Bank für den Eingang verwendet wird, während die andere für den Ausgang verwendet wird.
Die Zähler adressieren ihre angeschlossenen Speicher so, daß ein LIFO (last in, first out, letzter rein, erster raus) in die Tat umgesetzt wird. Ein LIFO ist die zutreffende Ordnung, wenn Unterbäume in der Ordnung mit Stämmen bzw. Eltern zuerst eingege­ ben werden. Alternativ kann die Betätigung der Zähleinrichtungen, falls die Unterbäume zuerst mit den Nachkommen bzw. Kindern eingegeben werden, geändert werden, um ein FIFO (first in, first out, erster rein, erster raus) in die Tat umzusetzen.
Die Fig. 20 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Wertigkeits- bzw. Signifikanzeinheit 1702. Bezugnehmend auf Fig. 20 wird die Index-Zähleinrichtung 2001 verwendet, um durch jeden Koeffizienten in einem Unterbau mit Nachkommen zuerst hindurchzuschreiten. In einer Ausführungsform wird die Index-Zähleinrichtung 2001 mit 84 initialisiert und zählt herab bis Null. Der Signifikanz- bzw. Wertigkeitszähler 2004 beginnt bei einem maximalen Wertigkeitspegel (in dem Beispiel beispielsweise 16) und zählt jedesmal abwärts, wenn die Index-Zähleinrichtung 84 einen Zyklus vervollständigt (zu 84 zurückkehrt), so daß die Wertigkeits- bzw. Signifikanzzähleinrich­ tung 2004 die Bitebene verfolgt bzw. auf dem laufenden hält. Der Pegel eines bestimm­ ten Index wird durch eine Logik bestimmt (Index zu Pegel 2003), die die in der obigen Tabelle 4 gezeigte Funktion durchführt.
Die Größenordnungsspeichereinheit 1701 stellt einen Index, eine Größenordnung und ein Zeichen bzw. Vorzeichen des nächsten Koeffizienten in dem Speicher zur Verfügung, der von dem Signifikanzzähler 2004 freigegeben wird. Wenn der von dem Speicher eingegebene Index der gleiche ist, wie der von der Index-Zähleinrichtung 2001 ausgege­ bene Index, gibt die Äquivalenzlogik-2002-Ausgabeanzeige nicht Null an. Die Aus­ gangsanzeige nicht Null bedeutet, daß der Größenordnungsspeicher den nächsten Index zur Verfügung stellen sollte usw. für den nächsten Zyklus. Wenn keine Übereinstim­ mung auftritt, dann wird eine Anzeige keine Übereinstimmung zu einem Diskussions­ generator 2008 gesendet.
In einer Ausführungsform werden drei als Flag 0 (2005), Flag 1(2006) und Flag 2 (2007) gezeigte Flipflops verwendet, um die Nicht-Null-Daten zu verfolgen bzw. auf dem laufenden zu halten und werden Zerlegungspegeln bzw. -niveaus 0, 1 bzw. 2 zugeordnet. Man beachte, daß die Anzahl der erforderlichen Flipflops um eins niedriger ist als die Anzahl der Zerlegungspegel bzw. -niveaus. Die Flipflops 2005 bis 2007 werden anfangs freigemacht bzw. gelöscht. Wenn das Nicht-Null-Signal von der Äquiva­ lenzlogik 202 angegeben wird, dann werden sämtliche der Flipflops unter den Flipflops 2005 bis 2007 gesetzt, die einem Pegel zugeordnet sind, der niedriger ist als der gegen­ wärtige Pegel. Der Flipflop, der dem gegenwärtigen Pegel zugeordnet ist, wird freige­ macht bzw. gelöscht. Der Pegel wird durch die Index-zu-Pegel-Logik 2003 zur Ver­ fügung gestellt, die den Pegel in Antwort zu dem durch die Index-Zieleinrichtung 2001 zur Verfügung gestellten Index zur Verfügung stellt.
"Codierte" Flags werden gespeichert (in einigen Ausführungsformen ein Registerfeld), ein Bit für jeden Index. Wenn das Nicht-Null-Signal angegeben wird, wird das Bit, das mit dem gegenwärtigen Wert der Index-Zähleinrichtung in dem codierten Flagspeicher verknüpft ist, gesetzt. Andererseits wird, falls der Signifikanz- bzw. Wertigkeits-Zähl­ einrichtungswert der maximale Wert ist, das verknüpfte Bit gelöscht bzw. freigegeben. Ansonsten bleibt der Wert des Bits ungeändert. Das bereits codierte Ausgangssignal von dem codierten Speicher der Flags ist das gleiche, wie der neue Wert des Bits, das mit dem gegenwärtigen Index verknüpft ist. Man bemerke, daß in einer alternativen Aus­ führungsform die codierten Flags nicht verwendet werden und das bereits codierte Signal niemals benutzt wird.
In einer Ausführungsform bestimmt der Entscheidungsgenerator 2008, wann der gegen­ wärtige Pegel 3 ist und der vorherige Pegel es nicht war bzw. nicht war. In Antwort auf diese Bestimmung gibt der Entscheidungsgenerator 2008 den Start-Ausgang und der Startpegel-Ausgang ist der vorangehende Pegel. Wenn das Nicht-Null-Signal angegeben wird, gibt der Entscheidungsgenerator 2008 eine Entscheidung als "Signifikant" aus und gibt auch das Zeichen (00, 01) und die Mantisse aus. Andererseits wird, falls der bereits codierte Eingang angegeben wird, keine Entscheidung ausgegeben. Andererseits gibt, falls das Flag-Flipflop, das dem gegenwärtigen Pegel bzw. Niveau zugeordnet ist, gesetzt wird, der Entscheidungsgenerator 2008 die Entscheidung als "insignifikant mit signifikanten Nachkommen" (10) aus. Andererseits gibt der Entscheidungsgenerator 2008 die Entscheidung als "insignifikant und insignifikaten Nachkommen" (11) aus und gibt das insgesamt Null-Signal an.
Man bemerke, daß zur Umsetzung sowohl des frequenzbasierenden Modellierens als auch des horizontalen verbundenen Raum-/Frequenz-Modellierens mit einem Durchlauf die folgende Änderung in der Signifikanz- bzw. Wertigkeitseinheit 2000 gemacht wird. Die Signifikanz-Zähleinrichtung 2004 wird mit einer Schwelle verglichen und der insgesamt Null-Ausgang wird nur angegeben, wenn der Wert der Zählereinrichtung größer ist als die Schwelle.
In einer Ausführungsform ist die Signifikanz-Kategorie-Eingabe in den Baumspeicher 1703 (gezeigt in Fig. 21 und unten beschrieben) der Ausgang der Signifikanz-Zähl­ einrichtung 2004. In dieser Ausführungsform des Kontextmodells (z. B. Bit-Signifikanz- Einbettungseinheit) liegt die Anzahl der Bitebenen der Signifikanz-Kategorie zugrunde, und es gibt 17 verschiedene Signifikanz-Kategorien. Dies ist eine willkürliche bzw. beliebige Wahl. In einer anderen Ausführungsform können Bitebenen kombiniert werden, um weniger Signifikanz-Kategorien zu erzeugen. Auch kann Pegelinformation zu Bitebeneninformation hinzuaddiert werden, um mehr Signifikanz-Kategorien zu erzeugen. Mehr Signifikanz-Kategorien könnten eine bessere verlustbehaftete Kom­ pression zur Verfügung stellen, während weniger die Hardwarekomplexität verringern könnten.
Die Fig. 21 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Baumspeichereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf Fig. 21 weist der Speicher 2101 angemessenen Platz zum Speichern einer Entscheidung und einer Signifikanzanzeige für jede mögliche Entscheidung auf. In einer Ausführungsform für eine Pegel-Zerlegung mit 17 Signifikanzpegeln ist die Anzahl der Orte bzw. Stellen im Speicher 2101 gleich zu 85 × 17 = 1445.
Um auf den Speicher 2101 zuzugreifen, werden Adressen erzeugt. Die Zählereinrichtung 2102 ist anfangs Null. Wenn der Entscheidungsgenerator 2008 nicht den Insgesamt-Null- Eingang angibt, wird der Wert in der Zählereinrichtung 2102 verwendet, um den Speicher zu adressieren. Wenn der Entscheidungsgenerator 2008 den Starteingang angibt, wird der gegenwärtige Wert der Zählereinrichtung 2102 in einem der Register 2110-2112 gemäß dem Startpegel gespeichert, der als Auswählmechanismus tätig ist. Die Zählereinrichtung 2102 wird dann heraufgesetzt.
Wenn der Entscheidungsgenerator 2008 den Insgesamt-Null-Eingang angibt, ist der Wert in dem Register (z. B. 2110, 2111, 2112), der durch den Pegeleingang ausgewählt ist, verwendet, um den Speicher 2101 zu adressieren, und dieser Wert plus Eins wird in die Zählereinrichtung 2102 geladen. Dies bewirkt, daß die für die insignifikanten Nachkom­ men eines insignifikanten Elternteils bzw. Stammes verwendeten Speicherstellen bzw. -orte ignoriert werden.
Während der Speicherausgabe wird die Zählereinrichtung 2102 herabgesetzt, um die Adresse der Stelle, die ausgegeben werden soll, zur Verfügung zu stellen. Die Ausgabe (und Herabsetzung) wird angehalten, wenn die Zählereinrichtung 2102 Null erreicht. Der Ausgang von der Baumspeichereinheit 2100 wird durch einen Entropiecodierer empfangen, der die Entscheidung bei der spezifizierten Signifikanz bzw. Wertigkeit angemessen codiert.
Für einen Realzeitbetrieb können zwei Baumspeichereinheiten verwendet werden, so daß eine für die Eingabe verwendet wird, während die andere für die Ausgabe verwendet wird.
Ausrichtung bzw. Anordnung der Koeffizienten
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet das Nullbaum- Kontextmodell einen unnormierten 1 + Z-1 Tiefpaßfilter. Jedoch kann das Nullbaum- Kontextmodell mit normierten Filtern verwendet werden, wie etwa
Um normierte Filter zu verwenden, kann eine Ausrichtungs- bzw. Anordnungseinheit, wie etwa eine Anordnungseinheit 2200 gemäß Fig. 22, zwischen dem Vorwärts-Klein­ wellenfilter 1000 und dem Kontextmodell 105 verwendet werden, um die Energie zu kompensieren, die von dem unnormierten Filter gewonnen (oder alternativ verloren) worden ist, was die Kompression verbessert. Da die Ausrichtung bzw. Anordnung eine nicht-einheitliche Quantisierung der Verlustoperation ermöglicht, kann die Ausrichtung bzw. Anordnung die sichtbare bzw. visuelle Qualität von verlustbehafteten Bildwie­ derherstellungen verstärken. In dem eindimensionalen Fall würden Koeffizienten von jedem Pegel bzw. Niveau des Baumes unterschiedliche Ausrichtungen bzw. Anord­ nungen aufweisen (Divisoren = √, 2, 2 √, 4, Multiplikatoren = 2 √, 2, √, 1). In dem zweidimensionalen Fall würden die Divisoren 2, 4, 8, 16 sein und die Multiplikato­ ren würden 8, 4, 2, 1 sein.
Da die Ausrichtung bzw. Anordnung gerade für das Gruppieren gleicher bzw. ähnlicher binärer Entscheidungen für die Codierung ist, ist die Verwendung der genauen Normie­ rungswerte nicht kritisch. Die Ausrichtung bzw. Anordnung muß während der Decodie­ rung umgekehrt bzw. invertiert werden, so daß sowohl Multiplikation als auch Division erforderlich sind. Die Verwendung von Faktoren/Divisoren, die eine Potenz von Zwei sind, würde es ermöglichen, effiziente Hardware-Verschiebungen statt dessen durch­ zuführen. Wenn Koeffizienten mit einer Potenz von Zwei multipliziert werden, brauchen die weniger signifikanten addierten bzw. hinzugefügten Null-Bits nicht codiert zu werden.
Jedoch kann anstelle einer Einschränkung der Anordnungs- bzw. Ausrichtungsfaktoren/ Divisoren auf eine Potenz von Zwei eine Annäherung wie √ ≈ 1,5 oder √ ≈ 2 ÷ 1,5 mit dem folgenden Verfahren verwendet werden. Anstelle von Multiplikations-/ Divisions-Koeffizienten durch die Faktoren/Divisoren würden nur die "Signifikant"- Koeffizienten durch den Faktor/Divisor skaliert werden. Die (Vor-)Zeichen-/Größen­ ordnungseinheit kann, wie in Fig. 23 gezeigt, modifiziert werden, um einen "1,5"- Prioritätscodierer 2301 zu enthalten, der die Position entweder (1) des signifikantesten "1"-Bits, falls das nächst-signifikanteste Bit ebenfalls "1" ist, oder andererseits (2) dasjenige, das geringer ist als die Stelle bzw. Position des signifikantesten "1"-Bits zurückgibt. Eine Wahrheitstabelle für einen "1,5"-Prioritätscodierer für 3 Eingangsbits ist in der Tabelle 5, gezeigt.
Eingabe (binär)
Ausgabe
001
0
010 0
011 1
100 1
101 1
110 2
111 2
Abhängig von dem Niveau des Koeffizienten, der durch den gegenwärtigen Indexwert angezeigt wird, wählt ein Multiplexer 2302 die Signifikanz bzw. Wertigkeit entweder des Standard-Prioritätscodierers oder des "1,5"-Prioritätscodierers. Immer wenn die "1,5"-Ausrichtung bzw. -Anordnung verwendet wird, enthält die Mantisse N + 1 Bits, wobei N der signifikante Wert ist. Ansonsten enthält die Mantisse N Bits.
Eine Ausrichtungs- bzw. Anordnungseinheit 2200, die einen Multiplexer mit zwei Eingängen aufweist, der als eine Verschiebungseinrichtung in die Tat umgesetzt werden kann und richtet aus bzw. ordnet an um 1 oder 2. Wird dies mit der 1,5-Anordnung bzw. -ausrichtung, die durch die (Vor-)Zeichen-/Größenordnungseinheit zur Verfügung gestellt wird, kombiniert, so ermöglicht dies die Ausrichtung bzw. Anordnung von 1, 1,5, 2 oder 3, was eine gute Annäherung der gewünschten Multiplizierer für eindimen­ sionale Signale ist, da die Zahlen einfacher sind (z. B. Potenzen von Zwei). (Für zweidi­ mensionale Signale, wie Bilder, sind die Zahlen einfacher.) Während der Decodierung ist das N+2-te Bit der Mantisse (welches nicht codiert ist), das Komplement des n+1-ten Bits, wenn der "1,5"-Prioritätscodierer verwendet wird.
Die Koeffizientenanordnung bzw. -ausrichtung kann zum Abstimmen des Nullbaums und zur genaueren und nicht gleichmäßigen Quantisierung verwendet werden. Im Fall von Bildern (zweidimensionalen Signalen) richtet eine Ausführungsform der RTS-Trans­ formation die Koeffizienten durch Multiplizieren des Frequenzbandes mit den in Fig. 31 dargestellten Zahlen aus bzw. ordnet sie an. Das Multiplizieren dieser Zahlen resultiert in die RTS-Transformation, die eine sehr gute Annäherung an die genauen wiederherge­ stellten Kleinwellen der TS-Transformation ist.
Der Entropiecodierer muß das Anordnungs- bzw. Ausrichtungsverfahren in Betracht ziehen, um effizient zu sein.
Frequenzbasierendes Kontextmodell durch teilweise bzw. bruchstückhafte Bitebenen
Ein alternatives Verfahren des frequenzbasierenden Modellierens verwendet teilweise bzw. bruchstückhafte Bitebenen oder teilweise bzw. bruchstückhafte Signifikanz- bzw. Wertigkeitsbits. Eine Umsetzung von diesen ist die zweifache Verarbeitung jeder Bitebene, so daß die Durchläufe einen A1-Durchlauf, einen B1-Durchlauf, einen A0- Durchlauf und einen B0-Durchlauf enthalten. Man bemerke, daß die Namen der Durch­ läufe ausgewählt wurden, weil der A1-Durchlauf Koeffizienten behandelt bzw. handhabt, die mit "11" beginnen und der A0-Durchlauf jene handhabt bzw. behandelt, die mit "10" beginnen.
Während des A1-Durchlaufs für eine Bitebene S ist ein Koeffizient in der A-Gruppe nur signifikant, wenn sowohl Bits S als auch S-1 nicht Null sind. Während des A2-Durch­ laufs ist ein Koeffizient in der A-Gruppe signifikant, falls das Bit S nicht Null ist. Da die zwei signifikantesten Bits bekannt sind, brauchen der B1-Durchlauf und der B0- Durchlauf nur S-1 Bits zu verarbeiten (unter der Annahme, daß S=0 die am wenigsten signifikante Bitebene ist).
Da abwechselnde bruchstückhafte bzw. teilweise Bitebenen sich voneinander um einen Faktor 1,5 oder 2/1,5 unterscheiden, kann die Anordnung für unterschiedliche Pegel durch Gruppieren der gewünschten teilweisen Bitebenen für jeden Pegel erzielt werden.
Die teilweisen bzw. bruchstückhaften Bitebenen verursachen eine genauere Modellierung der Daten durch das Eltern- bzw. Stamm-/Nachkommen-Verhältnis, das durch das frequenzbasierende Kontextmodell verwendet wird. Mehr als zwei Durchläufe, beispiels­ weise vier oder acht Durchläufe könnten für eine noch genauere Modellierung verwendet werden. Zum Beispiel würde in dem Fall mit vier Durchläufen der A11-Durchlauf Koeffizienten behandeln bzw. handhaben, die mit "111" beginnen. Die anderen Durch­ läufe würden "110", "101" und "100" handhaben. Eine weniger genaue Modellierung könnte ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel könnte ein Durchlauf nur für jede andere Bitebene vorgenommen werden. In dem Fall der weniger genauen Modellierung werden mehr Bits durch die B-Gruppe codiert.
C. Codierer- und Speicher-/Kanalmanagement für ein System mit einem Durchlauf bzw. Durchgang
Das Speichermanagement für codierte Daten wird in dem System mit einem Durchlauf für Systeme, die sämtliche der Daten im Speicher abspeichern, und für Systeme vor­ gestellt, die die Daten in einem Kanal übertragen. In dem System mit einem Durchlauf müssen codierte Daten so gespeichert werden, daß sie in der eingebetteten Kausalart bzw. -mode zugegriffen werden können, so daß weniger signifikante bzw. wertige Daten mißachtet werden können, ohne signifikantere Daten zu verlieren. Da codierte Daten eine variable Länge aufweisen, kann eine Zuweisung dynamischen Speichers verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung verwendet das eingebet­ tete Codierungsschema 18 Bitebenen und überträgt 18 Signifikanz- bzw. Wertigkeits­ pegel auf die Daten. Der Codierer muß in einem System mit einem Durchlauf "kausal einbettend" sein. Die Decodierungsereignisse, die einer Bitebene entsprechen, erfordern keine Informationen von Bitebenen geringerer Ordnung. In dem Fall mit einem Durch­ lauf werden üblicherweise sämtliche der Bits eines Baumes codiert, bevor irgendwelche der Bits des nächsten Baumes codiert werden, so daß Bits unterschiedlicher Signifikanz bzw. Wertigkeit nicht getrennt werden. Für Codierer, die keinen inneren Zustand bzw. internen Zustand verwenden, wie Huffman-Codierer, ist dies kein Problem. Jedoch verwenden viele kompliziertere Komprimierer mit besserer Komprimierung interne bzw. innere Zustände.
Ein Weg, dieses Problem für diese Codierer zu lösen, ist es, 18 verschiedene Codierer, vielleicht 18 Q-Codiererchips, zu verwenden. Eine Technik, die die Verwendung von 9 Q-Codiererchips ermöglicht, ist in dem US-Patent Nr. 5,097,261 (Langdon, Jr.) be­ schrieben, betitelt mit "Data Compression for Recording on a Record Medium", erteilt am 17. März 1992. Eine bessere Art verwendet einen in einer Leitung bzw. in einer Reihe angeordneten Codierer, um verschiedene virtuelle Codes mit einem einzigen physikalischen Codierer in die Tat umzusetzen, so wie es in der US-Patentaumeldung mit der Serial No. 08/016,035, betitelt mit "Method and Apparatus for Parallel Deco­ ding and Encoding of Data", eingereicht am 10. Februar 1993, beschrieben wird. In einem solchen Codierer sind die mehrfachen bzw. multiplen Bitgeneratorzustände für jede Wahrscheinlichkeit jeweils einem Teil der Daten zugeordnet. Zum Beispiel könnte jeder von 18 Zuständen einer bestimmten Bitebene für 18 Bitdaten zugeordnet werden. Register in der Verschiebungseinrichtung in dem Codierer sind ebenfalls jedem Teil der Daten zugeordnet. In dem Codierer wird keine Verschachtelung durchgeführt; jede Art von Daten wird einfach bitgestapelt bzw. nach Bits abgelegt.
In Ausführungsformen entweder mit mehrfachen bzw. multiplen physikalischen Codie­ rern oder virtuellen Codierern wird Speicher jedem Teil der Daten zugeordnet. Wenn die Komprimierung vollständig ist, ist eine verknüpfte Liste, die den zugeordneten Speicher plus den Inhalt des zugeordneten Speichers beschreibt, das Ergebnis.
Falls der Speicher übergeht, bewirkt die Speicherzuordnungswegbestimmung, daß wichtigere Daten die weniger wichtigen Daten überschreiben. Zum Beispiel kann das am wenigsten signifikante Bit von numerischen Daten zuerst überschrieben werden. Die Information, die beschreibt, wie Speicher zugeordnet wird, muß zusätzlich zu den codierten Daten gespeichert werden.
Die Fig. 24 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Speicherzuordnungseinheit für drei Kategorien der Signifikanz bzw. Wertigkeit. Nur drei Kategorien werden beschrieben, um eine Verundeutlichung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden; typischerweise würde eine große Anzahl von Kategorien, wie etwa 8, 16 oder 18 verwendet werden. Ein Registerfeld (oder anderer Speicher) hält einen Zeiger für jede Signifikanz bzw. Wertigkeitskategorie und einen anderen Zeiger, um den nächsten freien Speicherplatz anzuzeigen. Der Speicher wird in Seiten fester Größe unterteilt.
Eingangs zeigt jeder Zeiger, der einer Signifikanz-Kategorie zugeordnet ist, auf den Beginn einer Seite des Speichers und der freie Zeiger deutet auf die nächste verfügbare Seite des Speichers. Die codierten Daten, die mit einer Signifikanz-Kategorie identifi­ ziert werden, werden an dem Speicherort gespeichert, der durch den entsprechenden Zeiger adressiert ist. Der Zeiger wird dann auf den nächsten Speicherplatz bzw. -ort erhöht bzw. inkrementiert.
Wenn der Zeiger das Maximum für die gegenwärtige Seite erreicht, wird die Adresse des Starts der nächsten freien Seite, die in dem freien Zeiger gespeichert ist, mit der gegenwärtigen Seite als Verbindung bzw. Verknüpfung gespeichert. In einer Ausfüh­ rungsform kann der Teil des codierten Datenspeichers oder eines getrennten Speichers oder Registerfeldes für diesen Zweck verwendet werden. Anschließend wird der gegen­ wartige Zeiger auf die nächste freie Seite gesetzt. Der freie Zeiger wird erhöht. Diese Schritte bewirken, daß eine neue Seite des Speichers einer bestimmten Signifikanz- bzw. Wertigkeits-Kategorie zugeordnet wird und stellt Verbindungen bzw. Verknüpfungen zu Seiten des Speichers zur Verfügung, die Daten für eine allgemeine Signifikanz-Kategorie enthalten, so daß die Ordnung der Zuteilung während des Decodierens bestimmt werden kann.
Wenn sämtliche Seiten in dem Speicher in Benutzung sind und mehr Daten vorhanden sind, die signifikanter sind als die wenig signifikanten Daten im Speicher, kann eine Neuzuordnung durchgeführt werden. Drei derartige Neuzuordnungstechniken werden beschrieben. In sämtlichen drei Fällen wird Speicher, der den weniger bzw. am wenig­ sten signifikanten Daten zugeordnet ist, signifikanteren Daten neu zugeordnet und keine weniger bzw. am wenigsten signifikanten Daten werden länger gespeichert.
Zuerst wird die erste gegenwärtig durch die am wenigsten signifikanten Daten ver­ wendete Seite einfach den mehr signifikanten Daten zugeordnet. Da die meisten typi­ schen Entropiecodierer interne Zustandsinformationen verwenden, wird sämtliche der weniger bzw. am wenigsten signifikanten Daten, die zuvor in dieser Seite gespeichert wurden, verloren.
Zweitens wird die gegenwärtig durch die am wenigsten signifikanten Daten verwendete Seite den signifikanteren Daten zugeordnet. Anders als bei dem vorherigen Fall wird der Zeiger auf das Ende der Seite gesetzt und signifikantere Daten werden in die Seite geschrieben, wobei der entsprechende Zeiger erniedrigt bzw. dekrementiert wird. Dies hat den Vorteil, daß die am wenigsten signifikanten Daten bei dem Beginn von der Seite bewahrt werden, wenn die signifikanteren Daten nicht die gesamte Seite erfordern.
Drittens kann anstelle der gegenwärtigen Seite der am wenigsten signifikanten Daten, die neu zugeordnet werden, irgendeine Seite mit am wenigsten signifikanten Daten neu zugeordnet werden. Dies erfordert, daß die codierten Daten für sämtliche Seiten un­ abhängig codiert werden, was die erzielte Komprimierung verringern kann. Es erfordert auch, daß die uncodierten Daten, die dem Beginn sämtlicher Seiten entsprechen, erkannt bzw. identifiziert werden. Da eine beliebige Seite am wenigsten signifikanter Daten außer Acht gelassen werden kann, ist eine größere Flexibilität bei der Quantisierung verfügbar.
Die dritte Alternative kann besonders vorteilhaft in einem System sein, das eine feste Komprimierungsrate über Bereiche des Bildes erzielt. Eine spezifizierte Anzahl von Speicherseiten kann einem Bereich des Bildes zugewiesen werden. Ob weniger signifi­ kante Daten zurückbehalten werden oder nicht, kann von der in einem bestimmten Bereich erzielten Komprimierung abhängen. Man beachte, daß der einem Bereich zugeordnete Speicher nicht vollständig in Benutzung genommen sein kann, falls ver­ lustlose Komprimierung weniger als die zugeordnete Speichermenge erfordert. Die Erzielung einer festen Kompressionsrate für einen Bereich des Bildes kann einen wahlfreien Zugriff zu den Bildbereichen unterstützen.
Wenn die Komprimierung vollständig ist, können die Daten übertragen werden, falls gewünscht zu einem Kanal oder einer Speichereinrichtung, in der Ordnung der Signifi­ kanz bzw. Wertigkeit. Die verschiedenen Verknüpfungen und Zeiger würden dann nicht mehr benötigt werden und eine Decodierung mit mehrfachen Durchläufen könnte durchgeführt werden. Alternativ können die Zeiger zu den Daten für jede Signifikanz für eine Decodierung mit einem Durchlauf aufrechterhalten werden.
In einigen Anwendungen können einige Signifikanz- bzw. Wertigkeits-Kategorien nicht mehr verwendet werden. Zum Beispiel könnte ein 16-Bit-Komprimierer für ein 12-Bit- Medizinalbild verwendet werden, so daß die Signifikanz-Kategorien, die zu Bitebenen 15 . . . 12 korrespondieren, ungenutzt sein würden. Bei Umsetzungen mit großen Seiten und vielen ungenutzten Signifikanz-Kategorien würde dies Speicher verschwenden (falls das System nicht im voraus wüßte, daß einige Kategorien unbenutzt sind), da der Speicher diesen nicht zugeordnet werden muß. Eine andere Lösung für diese Speicher­ verschwendung wäre es, einen kleinen Speicher (oder Register) zu verwenden, um eine Zahl bzw. Zählung für jede Signifikanz-Kategorie zu halten. Die Zahl bzw. Zählung würde die Anzahl von Entscheidungen "insignifikant, nicht signifikante Nachkommen" verfolgen bzw. auf dem laufenden halten, die auftreten, bevor irgendwelche anderen Entscheidungen vorkommen. Der Speicher, der zum Speichern dieser Zählungen bzw. dieser Zähler erforderlich ist, muß gegenüber dem durch unbenutzte Signifikanz-Katego­ rien verwendeten Speicher aufgerechnet ("traded off") werden.
Die Fähigkeit, Daten in jede Seite von beiden Enden einzuschreiben, kann verwendet werden, den insgesamt in dem System verfügbaren Speicherplatz besser auszunutzen. Wenn sämtliche Seiten zugewiesen sind, kann jede Seite, die ausreichend freien Platz an dem Ende zur Verfügung hat, für die Verwendung von dem Ende zugewiesen werden. Die Fähigkeit, beide Enden einer Seite zu verwenden, muß gegenüber den Kosten für die Verfolgung des Platzes, wo die zwei Arten von Daten aufeinandertreffen, abgewogen werden. Man bemerke, daß dies von dem Fall unterschiedlich ist, wo einer der Daten­ typen nicht signifikant war und einfach überschrieben werden konnte.
Verwendung eines Kanals
In einem System, in dem Daten in einem Kanal übertragen werden, anstelle in einem Speicher gespeichert zu werden, und Seiten fester Größe des Speichers verwendet werden kann (aber nur eine Seite pro Signifikanz-Kategorie erforderlich ist), wenn eine Seite des Speichers voll ist, diese in dem Kanal übertragen werden und der Speicherplatz kann, sobald die Daten übertragen sind, wieder verwendet werden. Bei einigen Anwen­ dungen kann die Seitengröße des Speichers die Größe des Datenpaketes sein, die in dem Kanal verwendet wird, oder ein Mehrfaches der Paketgröße. (Man bemerke, daß in einer Ausführungsform zwei Seiten pro Signifikanzpegel verwendet werden können, so daß Daten in eine geschrieben werden können, während die andere zur Ausgabe zu dem Kanal gelesen wird.)
In einigen Kommunikationssystemen, z. B. ATM (asynchroner Übertragungsmodus) (Asynchrounous Transfer Mode) können Prioritäten den Paketen zugeordnet werden. ATM weist zwei Prioritätspegel, eine Primäre und eine Sekundäre, auf. Sekundäre Pakete werden nur übertragen, wenn eine hinreichende Bandbreite zur Verfügung stellt. Eine Schwelle kann verwendet werden, um zu bestimmen, welche Signifikanz-Katego­ rien primär sind und welche sekundär sind. Ein anderes Verfahren wäre die Verwen­ dung einer Schwelle bei dem Codierer, um keine Signifikanz-Kategorien zu übertragen, die weniger signifikant waren als die Schwelle.
Verlustbehaftete Komprimierung mit begrenztem Spitzenfehler
In einigen Anwendungen ist keine perfekte (verlustfreie) Wiederherstellung erforderlich. Es kann wünschenswert sein, eine Komprimierung mit einem bestimmten maximalen Spitzenfehler zu erzielen. Der Spitzenfehler sei ±E. Dies kann erzielt werden, indem die komprimierten Daten abgeschnitten werden, so daß sämtliche weniger signifikanten Daten, die nicht benötigt werden, um die gewünschte Auflösung bzw. Genauigkeit zu erzielen, außer Acht gelassen werden.
Ein anderer Weg zur Erzielung der Komprimierung mit einem bestimmten maximalen Spitzenfehler ist es, durch einen Wert zu teilen (mit ganzzahliger Division), der geringer ist als oder gleich ist zu 2×E+1 für jedes Bildelement des zu komprimierenden Bildes. Während der Wiederherstellung wird jedes Bildelement in dem Bild verarbeitet mit:
Ausgabe-Bildelement = (2×E+1) × Eingabe-Bildel 04426 00070 552 001000280000000200012000285910431500040 0002019534943 00004 04307ement+E.
(Alternativ kann anstelle des Addierens von E während der Dekomprimierung eine Subtraktion während der Komprimierung vor der Division durch 2×E+1 auftreten.)
Ein anderer Weg, um die Komprimierung mit einem spezifizierten maximalen Spitzen­ fehler zu erzielen, ist es, die Division und die Multiplikation durch Verschiebungen zu ersetzen. Der Verschiebungsbetrag ist
Weil die Verschiebung ange­ nehm bzw. angemessen ist, kann eine bessere Fehlerspezifikation (die den Spitzenfehler ersetzt) Fehler der Form (2n < Fehler < -2n] sein.
Das Vorhergehende sollte nicht mit der Quanitisierung von Koeffizienten durchein­ andergebracht werden, die im Stand der Technik von verlustbehafteten Bildkomprimie­ rungen wohlbekannt ist. In vielen verlustbehafteten Komprimierungssystemen (z. B. JPEG) werden Transformationsbereichskoeffizienten einem maximalen Spitzenfehler zugeordnet, welcher den Spitzenfehler des Bildes nur indirekt steuert. Ein kritischer Unterschied ist, daß die vorliegende Erfindung die Quantisierung auf Bildelemente durchführt und verlustlose Komprimierung von Koeffizienten verwendet.
Die Transformationsbereichsquantisierung kann ebenfalls verwendet werden. Viele Koeffizienten haben eine Wirkung auf den Spitzenfehler, der sich durch mehrere Pegel bzw. Niveaus der Transformation hindurchzieht. Es ist leichter, den Effekt auf den Spitzenfehler für die Hochpaßkoeffizienten zu bestimmen, die keine Nachkommen haben.
Man ziehe ein eindimensionales Bild in Betracht, das mit einem maximalen Spitzenfehler von ±E zu codieren ist. Dies kann durch Quantisieren der Hochpaßkoeffizienten der feinsten Einzelheit zu ±2E erzielt werden. Für ein zweidimensionales Signal kann, da es zwei Anwendungen des Hochpaßfilters gibt, die Koeffizienten HH der feinsten Einzelheit zu ±4E quantisiert werden.
Eine Alternative, die Quantisierung des Eingabebildes zu verwenden, ist, die Entschei­ dungen zu dem Entropiecodierer zu steuern. Ein Beispiel lautet wie folgt. Für jeden Koeffizienten wird, falls die Einstellung des Koeffizienten auf Null nicht den Fehler in irgendeinem Bildelement durch den Koeffizienten beeinträchtigen würde, um den maximalen Fehler zu überschreiten, der Koeffizient auf Null gesetzt werden. In einigen Umsetzungen werden nur bestimmte Koeffizienten geprüft, vielleicht nur die AC- Koeffizienten, die keine Nachkommen haben. Die Koeffizienten können mit einer gierigen Strategie in Betracht gezogen werden, bei der einer zu einer Zeit bzw. einem Zeitpunkt in Betracht gezogen wird. Andere Schritte dagegen können kleinere Gruppen von Koeffizienten in Betracht ziehen und den größten möglichen Untersatz der Gruppe zu Null wählen.
Während viele Änderungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, wird bei einem Fachmann aus dem Stand der Technik kein Zweifel darüber auftreten, nachdem er die vorangehende Beschreibung gelesen hat, daß die bestimmte Ausführungsform, die durch Darstellungen gezeigt und beschrieben worden ist, in keiner Weise als einschränkend aufzufassen ist. Deshalb sind Bezugnahmen auf Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform nicht als dem Schutzbereich der Ansprüche ein­ schränkend beabsichtigt, welche nur die Merkmale wiedergeben, die als wesentlich für die Erfindung angesehen werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Codieren und Decodieren von Daten werden beschrieben. Die vorliegende Erfindung enthält ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen transformierter Signale in Antwort auf Eingabedaten. In einer Ausführungs­ form werden die transformierten Signale unter Verwendung einer reversiblen Wellen­ bzw. Kleinwellen-Transformation erzeugt. Die vorliegende Erfindung enthält auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Komprimieren der transformierten Signale in Daten, die eine verlustlos komprimierte Version der Eingabedaten darstellen. In einer Ausführungsform zerlegt die vorliegende Erfindung die Eingabedaten unter Verwendung eines reversiblen Filters nichtminimaler Länge. Die Zerlegung kann unter Verwendung mehrerer bzw. mehrfacher eindimensionaler Filter durchgeführt werden.

Claims (24)

1. Codierer zum Codieren von Eingabedaten zu einem kompri­ mierten Datenstrom, wobei der Entropiecoderier aufweist:
einen reversiblen bzw. umkehrbaren Kleinwellenfilter zum Transformieren der Eingabedaten in eine Mehrzahl von Koeffi­ zienten;
einen Einbettungscodierer der an die reversiblen Klein­ wellenfilter bzw. Filter angeschlossen ist, um Einbettungs­ codieren an der Mehrzahl der Koeffizienten durchzuführen, so daß ein Bitstrom erzeugt wird; und
einen Entropiecodierer, der an dem Einbettungscodierer angeschlossen ist bzw. angekoppelt ist, um Entropiecodierung für bzw. an dem Bitstrom durchzuführen, um codierte Daten zu erzeugen.
2. Codierer zum Codieren von Eingabedaten, der aufweist:
einen Transformierungscodierer, der angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um die Eingabedaten zu empfangen, und eine Reihe bzw. Serie von Koeffizienten zu erzeugen, wobei die Reihe bzw. Serie von Koeffizienten eine Zerlegung der Ein­ gabedaten darstellt; und
einen Einbettungscodierer, der angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um die Serie bzw. Reihe von Koeffizienten zu empfangen und eine Bit-Signifikanz- bzw. -Wertigkeits-Codie­ rung auf die Reihe von Koeffizienten anzuwenden, um codierte Daten zu erzeugen, wobei der Einbettungscodierer codierte Daten vor dem Empfang sämtlicher der Reihe bzw. Serie von Koeffizienten erzeugt.
3. Codierer nach Anspruch 2, in dem der Transformations­ codierer und der Einbettungscodierer betrieben werden, um codierte Daten von den Eingangsdaten in einem Durchlauf zu erzeugen.
4. Kleinwellen-Transformationsfilter zur Filterung von Eingabedatensignalen, der aufweist:
einen ersten Addierer zum Addieren eines ersten Proben­ bzw. Signalpaares der Eingabedatensignale, um ein erstes Ergebnis zu erzeugen;
eine erste Ausgangslogik, um einen ersten Tiefpaßkoeffi­ zienten auszugeben, der auf dem ersten Ergebnis basiert;
einen ersten Subtrahierer, der Eingaben eines Tiefpaßko­ effizienten und des ersten Tiefpaßkoeffizienten hat, so daß der Tiefpaßkoeffizient von dem ersten Tiefpaßkoeffizienten subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu erzeugen, wobei der Tiefpaßkoeffizient durch den ersten Subtrahierer als eine Rückführung (feed back) empfangen wird;
einen zweiten Subtrahierer, um ein zweites Paar von Proben bzw. Abtastungssignalen des Eingangsdatensignals von jedem anderen abzuziehen, um ein drittes Ergebnis zu erzeu­ gen;
einen zweiten Addierer, der angekoppelt bzw. angeschlos­ sen ist, um einen Eingang, der auf dem dritten Ergebnis und dem zweiten Ergebnis basiert, zu empfangen, um ein viertes Ergebnis zu erzeugen;
eine zweite Ausgangslogik, die angeschlossen bzw. ange­ koppelt ist, um einen zweiten Tiefpaßkoeffizienten zu erzeu­ gen, der auf dem vierten Ergebnis basiert, so daß der Filter den ersten und den zweiten Tiefpaßkoeffizienten ausgibt.
5. Filter nach Anspruch 4, in dem die erste Ausgangslogik bzw. Ausgabelogik eine Dividiereinrichtung aufweist.
6. Filter nach Anspruch 5, in dem die Divisionseinrichtung eine Bit-Verschiebeeinrichtung aufweist.
7. Filter nach Anspruch 4, in dem die zweite Ausgangs- bzw. Ausgabelogik eine Divisionseinrichtung aufweist.
8. Filter nach Anspruch 7, in dem die Divisionseinrichtung eine Bit-Verschiebungseinrichtung aufweist.
9. Kleinwellen-Transformationsfilter bzw. Wellen-Transfor­ mationsfilter zum Filtern eines Eingabedatensignals, der aufweist:
einen ersten Addierer zum Addieren eines ersten Proben­ bzw. Abtastsignalpaares des Eingabedatensignals, um ein er­ stes Ergebnis zu erzeugen;
einen ersten Multiplizierer, der angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um das erste Ergebnis zu empfangen, um das erste Ergebnis mit einem ersten Faktor zu vervielfachen bzw. zu multiplizieren zu einem zweiten Ergebnis, wobei das zweite Ergebnis als ein erster Tiefpaßkoeffizient ausgegeben wird;
einen ersten Subtrahierer, der angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um einen Tiefpaßkoeffizienten zu empfangen und von dem zweiten Ergebnis zu subtrahieren, um ein drittes Ergebnis zu erzeugen, wobei der Tiefpaßkoeffizient durch den ersten Subtrahierer als eine Rückkopplung bzw. Feedback emp­ fangen wird;
einen zweiten Subtrahierer, um ein zweites Paar von Proben bzw. Abtastsignalen des Eingabedatensignals vonein­ ander zu subtrahieren, um ein viertes Ergebnis zu erzeugen;
eine erste Divisionseinrichtung, die angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um das vierte Ergebnis zu empfangen, um das dritte Ergebnis durch einen zweiten Faktor zu dividieren, um ein fünftes Ergebnis zu erzeugen;
einen zweiten Addierer, der angeschlossen bzw. angekop­ pelt ist, um das dritte Ergebnis und das zweite Ergebnis zu empfangen und zu addieren;
eine zweite Divisionseinrichtung, die angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um das sechste Ergebnis zu empfangen und das sechste Ergebnis durch einen dritten Faktor zu dividie­ ren, um einen zweiten Tiefpaßkoeffizienten zu erzeugen, wobei der erste Tiefpaßkoeffizient und der dritte Tiefpaßkoeffi­ zient von dem Filter ausgegeben werden.
10. Filter nach Anspruch 9, in dem die Multipliziereinrich­ tung eine Verschiebungseinrichtung aufweist.
11. Filter nach Anspruch 9, in dem wenigstens eine der Divi­ sionseinrichtungen eine Verschiebungseinrichtung aufweist.
12. Wellen- bzw. Kleinwellen-Transformationsfilter zum Fil­ tern eines Eingangsdatensignals, der aufweist:
einen ersten Subtrahierer, um ein Paar von Tiefpaßkoef­ fizienten zu subtrahieren, um ein erstes Ergebnis zu erzeu­ gen;
einen zweiten Subtrahierer, um eine erste Eingabe, die auf dem ersten Ergebnis basiert, von einem Hochpaßkoeffizien­ ten zu subtrahieren, um ein zweites Ergebnis zu erzeugen;
einen ersten Addierer, um das zweite Ergebnis zu einer zweiten Eingabe, die auf einem Tiefpaßkoeffizienten basiert, zu addieren, um ein drittes Ergebnis zu erzeugen;
einen dritten Subtrahierer, um das zweite Ergebnis von der zweiten Eingabe, die auf dem Tiefpaßkoeffizienten ba­ siert, zu subtrahieren, um ein viertes Ergebnis zu erzeugen; wobei der Filter eine erste Probe bzw. Abtastsignal, das auf dem dritten Ergebnis und einem zweiten Ergebnis basiert, das auf dem vierten Ergebnis basiert, ausgibt.
13. Filter nach Anspruch 12, der ferner einen ersten Ab­ schneidemechanismus aufweist, der angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um das dritte Ergebnis zu empfangen und das dritte Ergebnis abzuschneiden, um die erste Probe bzw. das erste Abtastsignal zu erzeugen.
14. Filter nach Anspruch 12, der ferner eine Divisionsein­ richtung aufweist, die an das erste Ergebnis angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um das erste Ergebnis durch einen ersten Faktor zu dividieren, um den ersten Eingang bzw. Eingabe zu erzeugen.
15. Filter nach Anspruch 12, der ferner eine Multiplizier­ einrichtung aufweist, die an den Tiefpaßkoeffizienten ange­ koppelt bzw. angeschlossen ist, um den Tiefpaßkoeffizienten zu multiplizieren, um den zweiten Eingang bzw. Eingabe zu erzeugen.
16. Codierer zum Codieren einer Mehrzahl von Datensymbolen, der aufweist:
eine Formatierungseinheit, die angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um die Mehrzahl von Datensymbolen zu empfangen und die Mehrzahl von Datensymbolen in einen Satz von forma­ tierten Datensymbolen zu formatieren;
eine Signifikanz- bzw. Wertigkeitseinheit, die an die Formatierungseinheit angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um eine Mehrzahl von Entscheidungen in Antwort auf jedes der Mehrzahl der Datensymbole zu erzeugen;
eine Speichereinrichtung, die angekoppelt bzw. ange­ schlossen ist, um die Mehrzahl von Entscheidungen von der Signifikanz- bzw. Wertigkeitseinheit zum Speichern und Ausge­ ben zu empfangen.
17. Codierer nach Anspruch 16, in dem die Mehrzahl von Da­ tensymbolen eine Mehrzahl von Koeffizienten aufweist.
18. Codierer nach Anspruch 16, in dem die Formatierungsein­ heit eine (Vor-) Zeichen-/Größenordnungseinheit aufweist, um die Mehrzahl von Datensymbolen in den Satz von formatierten Datensymbolen umzusetzen, die in (Vor-)Zeichen-/Größenord­ nungsform formatiert sind.
19. Codierer nach Anspruch 18, in dem die (Vor-)Zeichen-/ Größenordnungseinheit aufweist:
eine Signifikanz- bzw. Wertigkeitsbestimmungseinrich­ tung, um eine Signifikanzanzeige für jedes Datensymbol auszu­ geben;
einen (Vor-)Zeichen- und Mantissengenerator, der ange­ koppelt bzw. angeschlossen ist, um jedes der Mehrzahl der Datensymbole zu empfangen und (Vor-)Zeichen und Mantissen für jedes der Mehrzahl von Datensymbolen zu erzeugen; und
eine Index-Zähleinrichtung zum Erzeugen eines Index für jedes der Mehrzahl von Datensymbolen.
20. Codierer nach Anspruch 19, in dem die Signifikanz- bzw. Wertigkeitsbestimmungseinrichtung einen Prioritätscodierer aufweist.
21. Codierer nach Anspruch 19, in dem die Signifikanz- bzw. Wertigkeitsbestimmungseinrichtung ein Paar von Prioritätsco­ dierern und eine Auswähleinrichtung aufweist, um zwischen Ausgängen von jedem des Paares von Prioritätscodierern auszu­ wählen, um die Signifikanz- bzw. Wertigkeitsanzeige auszu­ geben.
22. Codierer nach Anspruch 16, der ferner einen Größenord­ nungsspeicher aufweist, der angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um die Mehrzahl von formatierten Datensymbolen zur Spei­ cherung zu empfangen.
23. Codierer nach Anspruch 22, in dem jedes der Mehrzahl von formatierten Datensymbolen in dem Größenordnungsspeicher auf der Grundlage eines Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegels ge­ speichert wird.
24. Codierer nach Anspruch 22, in dem der Größenordnungs­ speicher eine Mehrzahl von Speicherbereichen aufweist, wobei jedes der Mehrzahl von Speicherbereichen Daten speichert für einen unterschiedlichen Signifikanz- bzw. Wertigkeitspegel, der Größenordnungsspeicher ferner eine Mehrzahl von Zähleinrichtungen bzw. Zählern aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Zählern bzw. Zähleinrichtungen mit einem der Mehrzahl der Speicherbereiche verbunden ist, um Adressen für die Speicherung der formatierten Datensymbole zur Verfügung zu stellen.
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