专利名称：使用混合的亮度/色度码对图象数据进行压缩的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及实时压缩和解码数字图象信号以提供传送压缩的数字数据通过通讯讯道，或在磁带记录器上，或使用其它的记录介质记录或重放压缩的数据，更具体地说，本发明涉及组合解码，例如图象共同部分的亮度和色度分量的技术，使得带有较少的色度信息和较多的亮度信息的共同部分被传送，或者相反。
一般而言，数据压缩的目的是尽其可能使用最少的信量传送，把数字信息从一点经过传送讯道传送到另一点，换句话说，其目标是旨在去掉不必要的信息传送。视频图象，就其本身特性，含有大量冗余信息，因而适合数据压缩。图象的直接数字表示，无论在时间意义或是在空间意义上都必须含有同样的冗余度。在发射机中从图象数据去掉冗余的部分，通过通讯讯道发射的数据量或记录在存储介质的数据量能够明显地减少。在接收机中重新引入冗余或在记录情况时，在记录器重放电子线路中重新引入冗余，图象信号就能重新构成。应这样理解，在这里使用的术语“图象数据”是指定义在两维空间里显示的图象数据，数据进而可以采用由多个视频帧的组成的随时间变化的形式，每一帧都同时占有相等的空间，这样的信号可以是移动的景象，并可以从视频摄象机中得到。
图象压缩结合使用数字视频录象机时有几个单独的要求，它们强加给任何要使用的压缩方法一些限制。使用典型的带式录象机时就会出现附加的限制，这是由这一事实，即数据必须为以后使用而存起来，而不是立即传送，例如磁带录象机必须允许编辑记录的信息，在记录系统中数据在固定长度的同步记录块内格式化，其意义是指一场的存储数据在磁带上必须占据整数磁道，或占据确定的视频数据块，例如，电视的场，占据磁带上予定的位置或磁道。在系统中数据在交错的同步块形成格式化时，编辑要求较少的精确的限制，这是一场视频数据适当地放在对应视频一场的磁带空间内。这样看来，简单的限制就对任何压缩方案提出了严重的设计要求，因为大多数图象在统计上都是非静态的(这就是说，统计分布或组成是作为图象位置函数变化的)，对具有变化信息内容的压缩数字信号的明显解答就是允许解码后的数据比率根据图象的内容变化各帧或各场的时基，但是由于编辑的要求，解码数据比率应是固定的而不是可变的。这样在编辑模式，用新信息替代记录的信息要求是被替代信息的最小单元，例如在电视信号中的单独的一场。在记录的数据格式中分配给固定的数据块长度，这样允许视频信号的任何单元都可被任何具有相同尺寸单元的视频信号代替。
供电视广播使用的带式录象机必须允许画面在高于正常的记录/重放磁带传送速度下复制(Picture-in-Shuttle)，在使用Picture-in-Shuttle模式并且在非常高的速度下重放，仅仅每个磁道上的部分数据被恢复，这就要求压缩记录的数据被存储在小的完数的数据段上，在长度上显着地小于一个磁道，这样画面的绝大部分都能恢复并单独地甚至在较高的速度下解码。
因此，各种数字图象压缩研究集中使用两维空间离散余弦变换(DCT)作为最佳的编码工具，这是由于它在产生压缩图象时在宽的图象范围内具有低失真的最佳性能(见“离数余弦变换”IEE计算机会刊，卷C-23，90-93页，1974.1)。为了实现变换视频图象，首先把图象划分成相互邻接的象素块(例如16×16或8×8)，然后对每一块进行余弦变换为一组传输系数，每一传输系数表示为两维空间余弦变换函数的标量加权参数(即一系数)，在余弦变换定义域内，非零值幅度系数集中在低颜项，并具有许多较高频率是零值。由于变换的性质和与原始图象存在的对射，在变换的图象里一般存在着较大份频的相对小的值系数和减少了大幅度系数的出现，这样，如果系数被粗略地量化成整数值，那么Huffman编码，即用大量的二进制位表示图象的编码被极大地减少了。
更具体的是，量化因子是按如下应用到幅度系数，每一个幅度系数都被量化因子标量化并被取数到最接近的整数。在标量化和取整后的整数使用任何平均信息量编码技术，例如使用Huffman编码进行编码。由于系数幅度的分布在小值上有大的概率(当应用到图象上变换具有的性质)，短长度的编码指给较小的幅度来实现最短的整个信息长度。从这可以看到随着量化因子增加，形成信息长度将单调地减小，因此，量化因子增加造成了压缩的增加，由量化引起的误差是随着量化因子增加而增加，造成在解码图象中失真的增加。这样，如果量化过细，用Huffman编码器产生的数据将超过信道(或录象机)的数据率，但如果量化过粗，将造成不能接收的失真和噪音。
在一些实例中，可以使用简单地控制输出缓冲存储器是否满来简单地把数据控制在所需要的数据率内和使用反馈方案调整量化值与保持数据在缓冲器内的均衡。阀值电平应用到变换数据系数，这就是说，所有低于特定阀值的量被认为是零，这个阀值也经常被认为是量化。正如在这里所使用的，“量化”或量化因子的术语意指包括使用阀值电平值，标量因子或其它的数值处理参数。
变化量化参数在压缩的视频图象产生最小的可见失真而依然提供所希望的数据率是所希望的。参数能够变化是最有利的，例如，阀值-量化因子函数，作为图象信息内容的函数的参数进而随着数据率的变化而变化。由于信息内容由此变化了，不同的数据流和较小程度不同的图象通过不同的策略都被最佳地量化。失真问题在许多电视使用中是十分重要的，其中重新处理图象质量是重要的，在需要多次产生压缩的绝大多数应用中失真问题也是很严重的。这就是说，在没有明显降低的情况下产生了多次压缩/和恢复周期。
压缩数据过程的基本考虑是进行二进制位分配，这就是说，决定多少二进制位分配给块中的每一个系数，例如前面所说的余弦变换系数，对于编码来说，例如，视频的一场，基于信道的宽度，或存储编码数据的能力，给出一定数目的二进位，这样，视频的一场持续1/60秒和从扫描由720×244象素组成的象素阵列推导出来，这就是源数据率。压缩过程的目的就是减少这个数据率使它进入每秒具有选择的二进制数位容量的二进制位率讯道，就是使它进入规定的信道数据空间，这样，例如，当处理余弦变换系数时，当涉及到可变二进制位的部分时必须作出决定，即分配视频场的低频率系数，但也同样分配高频系数，最后，这里有适当的算法提供这样的二进制位分配，它按其组成的份额把适当的二进制位数分配给信号。相对少的二进制位数分配给能量小的信号，相对多的二进制位数分配给能量多的信号，这样减少图象的失真。这样的算法实例可以在Y.Hwang写的“相关高斯随机变量的块量化”的文章中找到，IEE通讯系统会刊，289-296页，1963，9。
表示图象的数据在某一特定的位置典型地使用多于一个分量的分量定义图象，例如，在彩色电视系统中的彩色图象由三个具有不同空间位置的分量组成，亮度分量和两个颜色不同的分量，在亮度分量中这倾向于更详细，而颜色不同分量倾向于定义低颜色对比。在自然产生景象的画面中这一般是对的，而另一方面，计算机产生的图象，例如由图形系统产生的图象能有强的细节和在色差分量中有更高的对比度。这样，在二进制位分配的过程中，如果分析多少二进制位分配给了亮度和色度是基于自然景象，按图形图象执行的压缩过程将一般地形成没有足够的二进制位分配给更复杂的色度。
实际的典型压缩是，亮度分量和色差分量的每一分量被指定了特定的二进制位，一般而言，在平均自然景象中，由于亮度比色度包含更多的信息，可得到每一象素的全部二进制位的大部分分配给亮度分量，而色度分量得到少部分。在这种情况下，如果具有较小二进制位定位的色度分量具有大的对比度和细节，这经常在前述的计算机产生图形中出现，那个分量的再现将是差的，造成整个图象的质量差。
压缩数据可变长度编码，例如执行的Huffman编码，要求压缩度能被调整，使得产生的编码数据恰好能添充确定的数据空间，以使它在讯道中使用。在彩色电视图象数据压缩的情况下，其中在编码前数据已被变换，例如，使用离散余弦变换处理(DTC)方法，压缩度可以选用量化因子来控制，该量化因子作用到在编码前变换图象频率项的幅度系数。
在数据格式内分离二进制位的量，这就是说，数据空间已经确定了电视信号亮度和色度分量，必须独立地确定每一个分量的量化因子。由于数据空间必须以这样的方式确定，在每一分量“最差的情况下”提供适当的性能，这种情况经常出现，一个分量失真了，因为它需要更多的数据空间，而另一个分量，由于小或是零，没有充分利用它的空间，在那个特定图象是必要的。通常情况是，当图象是低色章度，或者没有颜色，例如黑白颜色，如果全部或大部分色度数据空间使得亮度适当，那么整体性能较好，因为较大部分能量集中在彩色分量上。相反，如果一些亮度空间被彩色分量借去使用，最好使用具有大色度内容的计算机产生的图象。这样，由于没有足够的数据确定彩色分量，在色度内噪音的可视效果就更明显了。这就是说，不充分的数据空间分配在较粗略的量化过程中产生了色度分量的更多的压缩，这样，反过来，造成了失真的增加。
本发明提供的技术克服了前面讨论的现有技术的缺点，它对较大成分的信号分量分配较多的存储空间或信号宽度，最后，该技术组合了编码数据分量，这样，具有较大信息内容的分量在压缩过程中允许得到较多的二进制位，这就需要适当地组织数据格式，计算被使用的“加入”量化因子等于信号分量或者在信号分量之间有固定的关系。计算加入的量化因子，即使用闭环(反馈方法)也可以使用叠代开环(向前馈送方法)来实现，任何一种计算，考虑信息的内容或组成，要把图象同一部分的亮度分量和色度分量同时进行考虑。这就是说，加入量化器的值在一起(同时)考虑图象分量的信息内容时被定义为所达到的量化值。以这样的方式，在计算具有低色度组成的图象的共同部分时允许转换较多的亮度信息，或者相反。
要描述的本发明的最佳实施例专门设计为提供一对互补信号例如彩色电视信号的亮度和色度(由R-Y和B-Y分量组成的)分量信号对的数据压缩。数据以这样的方式进行压缩，编码的数据在格式化的单元内，例如，一场，每一单元都具有近似相同的长度，但不超过典型磁带格式化这样的数字数据所分配的空间。这就是说，被记录的二进制位的数目小于或等于录象器磁带格式化空间所充许的数目，或小于或等于在输送数据的系统中所选定的数据流空间。近而，它最好是，压缩的数据能被单独地记录在可解码的并且在长度上实质小于一磁道的数据段内。遵循这样的限制，记录磁带的格式化充许按编辑的目的重新转送图象的部分和确保了Picture-Shuttle的操作。
图1是结合本发明的组合给出的压缩/编码系统的方框图;
图2给出了图1的量化器/编码器电路的进一步细节的方框图;
图3给出了在重放时接收原始数据进行解码/恢复系统的方框图;
图4给出了图1系统修改的方框图，作为本发明办另外一个实施例。
在实现本发明时，原始的图象被数字化、转送和量化，然后被记录或送到传送讯道或类似的地方。在典型的环境下，仅以描述的方式为例，图象数据被分组成为数据的空间“图象块”，其中每一个图象块是由从图象的特定共同位置上选取的有选择的图象阵列形成的，和其中选取的大量图象块被装配成所定义的连续“数据组”，象素包含了对应图象和它的变化组成的亮度和色度分量。根据本发明，“接入的”量化因子为从共同位置推出的组合亮度和色度分量的一个或多个数据组或为一个或多个图象块被计算。
为了进一步示出对发明有用的环境，这里有两种在磁带上格式化的方法，在其上分组的量化因子一般取决于格式化方法保持固定下来，这些方法是块同步和隔行扫描同步。
同步是必需的，以决定恢复数据二进制位对予先决定的格式的关系，在误差校正编码施加到数据之前，数据必须分组成为特定长度的段。这很重要，在重放时，段必须是可识别的，致使可以施加误差校正。除了误差校正之外，在格式和数据之间还可以有其它的特殊关系，在视频的特定情况下，格式还可以包括来自图象里的数据的信息。
为了描述发明的目的，这里使用块同步结构和数据格式。在该系统中，在表示一电视行的一组数据的开始出现每一同步字，其中在通过磁带的一端出现许多电视行，在一头通过时同步信号出现多次的优点之一是，它防止了遗失同步字而造成整个头通过时的完全数据损失(即图象的52行)。这也就是说，如果同步丢了，或在瞬间没有找到，这将立即出现附加的同步字以允许恢复数据，以这样的方式，错误传播最大仅仅在长度上限制到单个的数据同步块。当块同步方法和与视频有关的固定的已知数据格式结合起来使用时，无论是否在记录过程中或在传送过程中，强加二进制位的固定份额到视频，每道可得的二进制位数和需要相对频繁出现的同步字造成了相对短的数据段。当压缩的图象数据被用来添充数据空间时，就希望每一组被压缩的数据大约具有相同的信息量，因为在压缩后，每一组数据被强迫添充相同的空间，这就是为什么混合(Shuffling)在格式的块同步结构中使用，这是因为混合在每一组数据中基本上提供了相同的图象信息量。
作为替换，如果使用前述的隔行同步结构，这里需要较小的相关同步到视频格式。唯一的要求是，对于整个一个视频场，分配一个空间供一个信息的视频场值。由于同步信号二进制位并没有安排在记录数据选定组的开始，并没有象目前在传统的数据通讯或传输系统中那样做，每一数据块硬行分配的数据块并不存在，因为这里没有这样的数据块，同步格式化和误差校正编码(ecc)结构能做得更独立于视频数据，独立于视频格式的带格式去掉了对每一视频数据单元分配固定的空间，例如行或块组的要求，那么唯一的限制是，每一场视频要添加到在带上一场值的空间内。
图1给出了包括本发明的示例压缩/编码系统的方框图。从模拟源来的原始图象数据用线10的(R)表示红、(G)表示绿、和(B)表示兰，它们根据众所周知的CCIR-601分量彩色电视标准转换成色差分量，更具体地说，仅以本示例的方法，图象数据被三个视频信号分量定义，即亮度分量(Y)，和两个互补的色度分量R-Y和B-Y。如前所述，每一个予选的图象块是由给定数目的图象象素所形成，在本例中，Y块可以由垂直4个象素而水平8个象素组成。如果图象数据是彩色信号，那么图象块以色度分量R-Y、B-Y和Y分量的形式包含着彩色信息，用每一个在此例中表示的彩色分量，分别叠加到由垂直4个象素和水平4个象素组成的图象块上。
在图1中使用一般通用的方式的矩阵电路实现把RGB数据信号转换成色差分量，以提供亮度(Y)和色度(B-Y、B-Y)分量信号，产生RGB信号的模拟源，例如，可以是视频摄象机。
亮度分量和色度分量R-Y和B-Y分量被送到相应的低通滤波器和模/数转换器，这里以滤波器/A/D电路14描述，通过线16进行低通滤波，及从模拟转换成数字数据格式，如在块14中的虚线所描述。在这点上，亮度分量被单独地滤波和通过滤波器/A/D电路14的单独部分进行转换。类似的，两个色度分量送到具有相同带宽的各自的滤波器，并且通过在电路14内的各自的A/D转换器进行转换，正如众所周知的CCIR601数字视频标准，色度分量按亮度分量的速率的一半进行采样，这里具有两个采样和保持电路的单一A/D转换器可以用来转换两个色度分量。
经过滤波器/A/D电路14，滤过波的和数字化的亮度和色度分量，经过各自的总线18送到块形成电路20，这里前述的图象块可以按规定或所希望的要求进行放置。这就是说，被传送的数据在传送前通常形成两维块，这必须不同于按时间顺序的原始图象的光栅扫描，如横跨方框的虚线所示，图象数据的亮度分量是和系统的块形成电路20内的色度分量分开进行处理，以提供单独的分开的亮度块流和色差图象数据。
仅按着示例的方式，对于形成4×8象素块的块形成电路20在一个简单实例中可以包括一对存储器，每一个存储器具有4行的存储容量。第一个存储器当接收时顺光栅扫描时，从图象的左上角开始，写视频数据，在图象的4行被扫描和存储后，开关被控制到存储器的输入/输出态，以这样的方式装有4行的第一个存储器被读出。然而，不是在第一个存储器内读出4行的整个长度，电路20读出对应块宽度的4个相应行的4个短段，这样，电路20按图象的行顺序写入数据和按块的时序读出数据。在修改中，电路20可以有能存储一场数据的存储器，在开关控制前整场的数据可以读入存储器。这样，对应每一块数据的短线段能以任何选择的方式从一场的数据中读出，这样在一场中任何地方的块都可以按序编码读出。
通过相应总线24把图象数据馈送到DCT电路22，以数据块的形式含有亮度和色差分量的图象数据进行适当的变换，例如成为离散的余弦变换(DCT)系数。这里的亮度和色度分量最好按在虚线延伸整个框内所表示的DCT电路22内分别地处理以加强变换过程的速度。
变换后的Y、R-Y和B-Y数据分别通过总线26馈送到多路转换器/格式化电路28进行有选择地多重操作和格式化，最后，与每一空间位置的亮度和色度相对应的变换系数匹配的数值被多重操作为单一的数据流。然而，这里应这样理解，当单个数据流形成时，亮度数据依然能从色度数据中区分出来，这样，在本例中，多重操作和格式化后的数据流在相应的色度数据块之间分布着亮度数据块。
格式化的变换系数通过总线30送到量化因子估算器32内，仅仅使用演示的方式，在总线30上提供的图象数据，其中接入的量化因子(Q)将被计算并提供给每一个32框内的数据组。这样典型Q因子估算器32是直馈式估算过程，该过程在1990.7.31日递交的系列号为No07/560，606的美国专利申请中描述过。该申请和本申请一样转让给同一受让人，并列在这里作为参考。在进一步的实例中，可以为图象数据的一个或多个图象块计算Q因子，这样，本发明的技术可以同样地应用到各种不同的数据格式，这也可以以特定的方式被普通专业人员所识别，在这里量化因子的计算对本发明来说并不是关键的，例如，可以单单测量要编码的数据的二进制位数对应已知固定的Q因子值，通过一个予先计算的查询表，来计算量化因子，该查询表包括了每个测量的二进制位所对应的Q值。
根据本发明，每一空间位置的亮度和色度变换因子都格式化在一起，如多路转换器/格式化电路28所示，这里对于这样组合亮度和色度分量的接入量化因子的计算自动地考虑了来自各分量信息内容的关系。这就是说，在决定接入量化因子中规定了二进制位空间的量，这就是说，数据同步块的长度或要被记录或传送的连续数据流的长度分配给组合的亮度和色度分量，而不是单独地分配给亮度或色度分量的任一个。这随后就是，量化因子估算器32必须知道进入的数据流的格式，也就是说，量化因子估算器必须计算它所估计的Q因子是基于在图象内从相同空间位置采样的亮度和色度的整个信息内容，这里的信息内容是来自于同一块。要做到这点，估算器需要知道要被编码的空间组的第一个系数是在进入数据格式的哪个位置，同样也得知道来自那个同一组的最后一个系数的位置。
依照本发明，对一个更复杂的信号分量的多个二进制位的自动定位是在编码过程中实现的，这就是说，如果一个信号更复杂，它的变换系数将有较高的数值，当这些较大的数值被接入的较大的Q因子除时，这将在Huffman编码过程中被编成更多的二进制位，因此，如前所述，较大的数值将指定较长的码字，这样更复杂的信号自动地分配给较多的二进制位，或更多的数据空间，或正好相反。
在这里要指出的是，这并不需要在多路转换器/格式化形成电路28内组合信号，但是由于它可以在组合亮度/色度数据率(在CCIR-601内，27兆采样/每秒)下运行量化因子估算器32和量化器/编码电路34(如下述)，这样做就更经济。近而，在组内格式化数据使得同一空间位置的亮度和色度在时间上紧靠在一起发生，这就减化了量化因子估算器32的设计并减少了量化器/编码电路34的存储要求。为一个或多个数据组或图象块计算接入量化因子，是基于多少个二进制位在数据压缩时产生，多少二进制位要添入数据同步块或数据流的所分配的长度内。
应该指出的是，在这一阶段，量化因子能被线性地或非线性地加权，这就是说，在超过要被量化的值的范围后，步的大小能被固定下来，或它们能这样变化，例如在零附近，步的大小要比其它步的大小大一些，当决定量化因子值时，显示图象空间位置的所有特性都将组合起来考虑。这样，以电视信号为例，由于亮度分量和两个色度分量在计算组合的图象数据的予选定的一块或多块的量化因子时，都一起进行考虑。该发明技术自动地将较多的二制位分配给组合信号中较复杂的分量信号，而将较少的二进制位分配给相对不太复杂的分量。当很好地和它编码的源相匹配时，任何平均信息量编码对低概率事件产生长编码，而对于高概率事件产生短编码，这样，载有较多信息的信号分量，由于有更特别的系数是较低的概率项，它们具有较大的幅度，这样就分给了较长的码字，如果分量含有较多的信息，由于它的系数在整个幅度上较大，因而分给较多的二进制位，这就要求较长的码字。
通过数据总线36，量化因子估算器32向量化器/编码器电路34提供了离散的余弦变换系数，和通过总线38向电路34提供了计算过的量化因子的值，通过使用量化因子换算到一个系数，舍入取最接近的整数，用平衡信息量编码器对结果值进行编码(例如Huffman编码器)，使数据“量化”。为了描述的目的，在这里使用的“量化”或“量化器”是意图表示Q因子除系数的过程和取舍结果值到最接近的整数，或更一般地说，是提供从系数和Q因子到平均信息编码值变换的过程。这样理解，虽然量化器/编码电路34是确立最终量化步的大小，当在系统复原部分，近似计算和取舍的值乘以Q因子时，才可以得到步的大小。
编码后的数据经过总线40馈送到适当的数据记录器42或送到选定的传送讯道44以利进一步的使用。如果由于量化因子估算方法的特性，例如使用前述的SH-071560，606的向前馈送估算方法，为记录和传送提供量化因子是必须的，以使信号能适当地再次转换成图象，它们包括在信号流内，在总线40或44内它们分别与压缩的和编码数据相关联。
本发明的一个特点包括施加予定的加权函数到单独传送的图象数据分量，它们定义了图象的单独特性，例如在选定的空间位置上的空间频率，例如为了把人眼对由于量化引起图象失真的灵敏度考虑进去。不同的加权函数可以施加到为每一个分量和系数的量化因子上，一般在选择加权函数时应用的两个基本规则是，在失真的效果能被眼睛看得出来之前，第1，较高的空间频率分量;第2，色差分量，两者都允许较大的失真。这样给定的二进制位率可以用不同的量化策略数来实现，例如，对每一个空间频率可以允许相同的量化误差，换言之，在高空间频率下允许增加量化误差和/或在色差信号下允许较大的量化误差。
在这里描述的特定例子，当应用它去压缩亮度和色度数据时，这就包括了把予定的加权因子加到量化值上。图2是图1的量化器/编码电路34的更详细的方框图，它进一步示出了这一特点，如图所示，量化因子和DCT数据分别通过总线38和36加到量化器/编码器34的量化器50。如前所述，术语“量化器”是在信号的压缩/恢复系统的记录部分里被用来表示进行近似计算和取舍的过程，通过总线54使用加权函数存储器52把加权函数加以选择地提供到量化器50，从存储器52的输出时间是由通过总线58的时基发生器56决定的，而时基发生器是响应通过线60、62来的系统时基所提供的水平(H)和垂直(V)同步脉冲，识别分量Y、B-Y、R-Y和索引(在传送块中的位置)是由时基发生器56在总线58上用二进制编码值提供的，这些二进制值作为地址送到包含在存储器52内的加权因子表内，它们然后结合从量化器估算器32来的量化器值共同决定施加到特定系数的量化器的值。这样，在变换块内的特定分量的空间频率和分量的加权因子，数据流内的变换分量的每一个的加权因子存储在存储器52中，并在适当的时刻在时基发生器56的决定下被选择地读出。这就是说，在分量类型，即亮度(Y)和R-Y或B-Y色度数据的变换块内的每一两维空间频率的加权因子在由H和V同步脉冲的激励下的适当时间从存储器52中读出，这样，适当的加权函数就加到了量化器50。这样的加权函数，例如，是由联合照象专家组(JPEG)推行的在基线压缩标准内定义的可见加权矩阵，该标准涉及例如编码和解码算法，及编码数据格式的技术描述。可见性加权是与人类观察者对在DCT块内的各种系数的幅度的误差的灵敏度成反比。由于压缩是在对应于那些未压缩图象的系数数值精度的损失下实现的，它是在允许那些最小的值得注意的较大的非精确性而获益的，可见性加权矩阵表示了DCT系数索引和量化值之间的近似关系。
进一步描述图2，一旦DCT数据被量化，它被加到图1量化器/编码电路34的编码器64，通过总线66，和在总线68上的Q因子一起被编码，虽然各种编码方案都可以使用，但在这里描述的安排中使用Huffman编码，如所示，通过总线68，对应的量化因子也通过了编码过程。
解码后DCT数据和所需要的数据的量化因子一块送到录象机(图1)，或数据和Q因子一起被转送到其它的使用装置，例如卫星，这是可以理解的，如果使用反馈计算Q因子的方法，如果不需要Picture-in-Shuttle，就不须转送Q因子值，但在系统的重放一侧能被计算。
图3的方框图示出了解码/恢复系统，它本身并不属于发明的部分但它在恢复过程中使用了先前压缩的和编码的模拟图象数据。这样，在图3里以通常惯用的完成方式加以描述，在压缩过程使用的编码数据和Q因子由例如，图1中的录象机42提供到解码器7-2，解码的数据和Q因子馈送到再现正常化电路74，正常化的包括Y、R-Y、B-Y分量的DCT系数的数据馈送到信号分离器76，信号分离器的由各自的Y、R-Y和B-Y系数组成的数据通过反变换DCT线路78被反变换，通过解锁电路80解锁的Y、R-Y和B-Y块信号分量的结果提供给光栅扫描，解锁电路包括的存储器在实质上执行和图1的块形成电路20内的存储器相反的功能，Y、R-Y和B-Y信号分量然后被转换回到模拟域，并通过D/A转换器和滤波器电路82进行滤波，从而恢复成在图1滤波器/A/D电路14的线16上的原始模拟信号分量。
根据本发明，在再现正常化电路74内再现解码数据值的过程是用在图1的换算和取舍(即量化)中使用的换算Q因子乘以解码的换算值，随着压缩的数据Q因子被恢复，通过记录器42的还原过程，如果Picture-in-Shuttle不是系统的要求，如果估算Q因子是一因果过程就不需要通过讯道传送Q因子。这就是说，如果Q因子的值在计算时仅使用编码误差的过去值，Q因子的值能在接收机使用的解码信息中产生。
图4描述发明的另一实施例，它和图1的系统结合予定在图象的共同位置的信号分量的相关成分组成，这样就允许按信号组成的份额予先分配适当的二进制位数到每一个信号分量，例如，如果一个信号分量相对另一个信号分量更复杂，一个指示速率或相关成份的百分数的相关组成索引就产生了并用来把含有压缩数据的数据流的较多的二进制位分配给更复杂的信号分量，和把较少的二进制位分配给较少复杂的信号分量，它们都是从在图象内共同位置导出的。
最后，图4的电路，例如从图1的总线24上取出的Y、R-Y和B-Y信号分量，并提供Y分量到亮度图象组成计算电路86，R-Y和B-Y分量到色度图象组成计算电路88，电路86、88决定各自信号分量的组成。这将在下面进一步讨论，和提供由此指示所产生的数字值到组成比较器电路90，相关复杂性索引被产生，例如，它可以是指示组成比率的数字值，它的索引通过总线92送到量化器50(图2)。索引用来进一步修改被使用去量化各自Y、R-Y、B-Y信号分量系数的量化值，以响应在图象内的共同位置的分量的相关组成，正如通过图4的电路所予先决定的。图4系统的总线92上的用相关组成索引修改Q因子是附加到前述的图2系统在总线54上用系数量化器加权来改Q因子。相关组成索引允许修改加到每一信号分量的量化值，以使适当的二进制位数份额来匹配检测出的分量的组成。
图象组成计算电路86、88是类似的，并包括加法器/累加器和计算图象域(不是变换域)组成的算法计算逻辑。组成比较器电路90包括，例如，包含大量查询表的只读存储器，这些表表示定义相关组成索引的对应的大量二进制数值，对信号分量而言，由于这里有无数个相关组成数值，图4电路一般推导出粗略的相关组成索引的表示，例如，使用量化过程，这就减少了在比较器电路90内所含的查询表的数目，估算在图象内的信号分量组成的算法的例子是在下面文章给出，“用于数字静物摄影摄象机的受DCT压缩算法控制的二进制位速率”，由M.Watanabe等著，摄影仪器工程师学会卷1244“图象处理算法和技术”，1990，第234-238页。这样的算法可以使用在图4的组成计算电路86和88内。
虽然本发明是结合最佳实施例描述的，并且对应示范性信号格式设施，可以估计，各种附加的修改和变更是予料中的，因而用下面的权利要求和等同物来限定保护范围。
权利要求
1.压缩在图象内共同位置的两个或多个有各自组成的信号分量的组合所形成的图象数据的方法，其中压缩的图象数据定义了由予先选定的数据二进制位的个数而形成的数据流，包括以下步骤使用从共同位置推导出来的组合的信号分量选取接入量化因子；和量化所说信号分量以响应所话的接入量化因子并按所说的予先选定的数据二进制位个数的比例分配给在压缩数据流内的每一个信号分量，使之与在共同位置的信号分量的相关组成相匹配。
2.权利要求1的方法包括在选择步骤之前，提供从图象内共同位置取出的组合信号分量的数据流。
3.权利要求2的方法，其中提供的步骤包括形成在所说图象内的共同位置取出的所说信号分量的每一个的所选取象素阵列的图象块;和所说选择的步骤包括为所说图象块的一个或多个选取接入量化因子，其中接入量化因子具有的值适合组合信号分量在压缩后成为予先选定的数据二进制位的个数的所说的数据流。
4.权利要求1的方法包括提供单独的数据流，其中每一个都是从所说共同位置的各自信号分量形成的;从所说的单独的信号分量流中产生单独的变换系数流;组合单独的变换系数流以提供组合的变换系数流;和选择的步骤包括，从所说的组合的变换系数流中选择所说接入量化因子以提供予先选定的数据二进制位的个数按照在共同位置时它们的组成比例到每一个信号分量。
5.权利要求4的方法，其中所说的信号分量分别定义了在所说的共同位置的图象的亮度和色度。
6.权利要求4的方法进一步包括了在压缩步骤时使用了指示观察者对分量误差灵敏度的加权函数来修改所说的接入量化因子。
7.权利要求1的方法包括在选择步骤前，检测从图象内共同位置取出的信号分量的相关组成;和和执行所说的选择接入量化因子的步骤，以响应检出的相关组成和在压缩过程中对每一个信号分量予先指定的所说的数据二进制位的比例。
8.压缩具有不同特性的和从图象内共同位置推导出来的两个或多个信号分量所形成的图象数据的装置，其中压缩的图象数据分配给予先选定量的数据流空间，包括组合处理过的从共同位置取出的各自的信号分量变成组合数据流形式的装置;和为组合数据流决定接入数字处理参数的装置，该装置按信号组成的比例给每一个信号分量分配数据流空间量;其中该处理参数在压缩期间提供给组合数据流。
9.权利要求8的装置包括变换信号分量的装置提供所说的处理过的各个信号分量的形式;和所说的组合装置包括了多路变换信号分量为组合的数据流。
10.权利要求8的装置，其中所说的接入数字处理参数是接入量化参数和所说的信号分量定义了在所说位置的图象的亮度和色度。
11.权利要求10的装置进一步包括存储一个或多个指示信号分量误差视频灵敏度的加权函数;和施加加权函数去相应地修改加入到所说组合数据流的接入量化参数的装置。
12.权利要求11的装置，其中存储装置包括为存储加权查询表的加权函数存储器，该加权表指示各个信号分量的误差的可视灵数度;和提供给所说的加权函数存储器，分量识别和识别信号分量和它们两维空间频率的索引信号的时基发生器。
13.权利要求8的装置包括检测从共同位置导出的信号分量的相关组成的装置;产生指示相关组成的相关组成索引的装置;修改接入数字处理参数以响应所说的相关组成索引的装置。
14.权利要求13的装置，其中所说的检测装置包括图象组成检测装置，以响应所说的各个信号分量的处理过的形式和检测它们的相关组成;和所说的产生装置包括了以查询表的形式表示所说的相关组成索引值的组成比较器装置。
15.压缩从图象内共同位置推导出来的具有变化的组成的一个或多个信号分量形成的图象数据的装置;其中压缩的图象数据分配给予先选定的数据流空间，包括提供各自的数据流的装置，其中每一个都是从所说的共同位置的各自的信号分量形成的;接收所说的各自的数据流以产生与所说的各自的数据流相对应的各数据流变换系数的装置;接收所说的各自的变换系数数据流以把多个变换系数数据流组合成一个组合的变换系数流的装置;用于组合的变换系数流的接入量化因子的装置;和施加所说的接入量化因子到组合的变换系数流以把所说的数据流空间量按它们组成的比例分配给每一个信号分量，也就是把压缩的图象数据放入所说的予选的数据流空间的装置。
16.权利要求15的装置包括耦合到所述的施加装置以施加加权值到接入量化因子的装置，该加权值按照各自信号的特性和按人类观察者对分量误差的灵数度随每一个变换系数变化。
17.权利要求15的装置，其中所说的信号分量由在图象内所说的共同位置的亮度和色度信号组成，所说的组合流是由余弦变换系数形成的。
18.权利要求15的装置包括予定从共同位置取出的信号分量的信号分量相关组成的装置;和在施加接入量化因子之前修改所说的接入量化因子以响应相关组成进行予分配所说数据流空间量到每一个信号分量的装置。
19.为从图象的共同位置导出的和具有不同组成的二个或多个信号选取量化因子的方法，其中在量化过程时施加量化因子以提供压缩的信号流限定到予选数据二进制位的个数，包括下面步骤提供各自的数据流，每一个分别表示从共同位置得到的各自的信号;组合各自的数据流成一个组合的信号数据流;和在组合的信号数据流的基础上选择接入量化因子，其中接入量化因子按与信号组成相匹配的数据二进制位的比例分配给每一个信号，而限定压缩的组合的信号数据进入所说的予选的数据二进制位的个数。
20.权利要求19的方法，其中各自的数据流包括各自信号的变换系数，其中载有较多信息的变换系数是较低的概率项，它们在幅度上较大并指定给较长的码字并由此收到所说的数据二进制位的较大的份额。
21.权利要求19的方法包括以下步骤在所说的共同位置决是信号的相关组成;响应决定步骤，产生指示相关组成的索引信号;和在选择步骤时，修改所述量化因子以响应索引信号。
全文摘要
本发明为具有亮度分量和两个色差(色度)分量的彩色图象系统提供了技术，该技术在压缩的数据流中为包含有较多信息内容或组成的信号分量分配较多的空间；这就是说，在编码组合的数据之前，该技术组合了表示图象共同部分的数据的编码分量以响应分量的实际要求，最后，量化因子的计算考虑了组合同一图象位置的亮度和色度分量两者信息内容，这样，低色度组成允许转送较多亮度信息，或者相反。该系统也提供了信号分量的预定相关组成，按它们测量的组成预先把空间量分配给在压缩数据流中的每一个信号分量。
文档编号H04N5/926GK1078841SQ9211535
公开日1993年11月24日 申请日期1992年12月19日 优先权日1991年12月20日
发明者C·H·科里曼, S·D·米勒, P·史密夫 申请人:安佩克斯系统公司