專利名稱：數(shù)字信息信號的數(shù)據(jù)壓縮和擴(kuò)展的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于數(shù)據(jù)壓縮數(shù)字信息信號的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備。該數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備包括-輸入裝置，用于接收數(shù)字信息信號，-概率信號確定裝置，用于從數(shù)字信息信號確定概率信號，-熵編碼裝置，用來響應(yīng)于所述概率信號熵編碼數(shù)字信息信號，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，以及-輸出裝置，用于提供數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號。
本發(fā)明還涉及數(shù)據(jù)壓縮方法；包括數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的發(fā)射機(jī)；包括數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的記錄設(shè)備；記錄載體，其上有數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號記錄在所述記錄載體的軌道中；用于對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備；數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法；包括數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的接收機(jī)；和包括數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的的重現(xiàn)設(shè)備。
數(shù)字信息信號的數(shù)據(jù)壓縮在本技術(shù)領(lǐng)域是熟知的。在這方面可參考WO 98/16014。該文件描述用于數(shù)據(jù)壓縮音頻信號的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備。音頻信號具有比特流信號的形式。該設(shè)備包括算術(shù)編碼器和概率確定單元。概率確定單元確定概率值，該概率值表示在接收的比特流信號中的比特具有諸如‘1’那樣的預(yù)定的邏輯值的概率。算術(shù)編碼器根據(jù)提供到它的輸入端的概率值p，把比特流信號編碼成數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號。
算術(shù)編碼是熟知的用于熵編碼的技術(shù)。為了了解算術(shù)編碼，讀者例如可以參考[Moff98，Penn93，Witt87，Lang84]。當(dāng)給定輸入符號和相關(guān)的概率信息時，算術(shù)編碼器可非常接近于理論下限(被稱為熵)地壓縮輸入符號。對于算術(shù)編碼的有效的實施方案已進(jìn)行許多研究，試圖找到在實施方案的復(fù)雜性與壓縮效率之間的最好的平衡(即，效率有多接近于理論極限)。一個特別有效的低復(fù)雜性的解決方案在[Vleu00，Vleu99]中給出。
上述的概率信息可從特定模型得出。根據(jù)有關(guān)要被壓縮的輸入符號的特定假設(shè)，該模型得出符號的概率分布并把概率信息連同符號一起提供到算術(shù)編碼器(和譯碼器)。例如，用于二進(jìn)制音頻信號壓縮的模型在[Vleu98b，Vleu98a，Vleu01]中給出。
例如在[Dutt95，Moff98]中使用的、用于一般二進(jìn)制數(shù)據(jù)的流行的模型是這樣估計概率的P(0)=C(0)+ΔC(0)+C(1)+2Δ,---(1)]]>其中P(0)是下一個比特是0的概率，C(0)是已經(jīng)觀測到的0比特的數(shù)目，C(1)是已經(jīng)觀測到的1比特的數(shù)目，以及Δ是一個常數(shù)，它在沒有觀測到數(shù)據(jù)時提供初始估值；典型地Δ＝0.5或Δ＝1。(1)的估值隱含地假設(shè)，要被壓縮的比特序列是穩(wěn)定的。然而，實際上，統(tǒng)計值將根據(jù)比特序列中的位置而改變，所以，常常對于比特計數(shù)值C(0)和C(1)施行縮放[Dutt95]。例如，當(dāng)C(0)或C(1)或C(0)+C(1)達(dá)到一定的數(shù)值時，C(0)和C(1)被簡單地除以2。通過具體選擇觸發(fā)縮放的數(shù)值，可以在較快地或較慢地適配到改變的統(tǒng)計和概率估值的精確性之間作出折衷。最后，算術(shù)編碼的實際的實施方案常常使用多個范圍(context)(例如，見[Dutt95])；然后，通過使用用于每個范圍的不同的計數(shù)值C(0)和C(1)和通過按照(1)式使用這些計數(shù)值，以對于每個范圍得出分別的P(0)，從而可以對于每個不同的范圍分別地確定概率。
因此，正如從(1)式看到的，為了得到估計的概率需要除法。這大大地增加算術(shù)編碼的實施方案的復(fù)雜性，特別是硬件。事實上，對于算術(shù)編碼的無乘法的實施方案已經(jīng)進(jìn)行了許多研究(例如，見[Vleu00])，而除法的復(fù)雜性甚至比起乘法的復(fù)雜性高得多。所以，消除這個除法對于得到有效地實施方案是重要的。
消除除法的已知的解決方案是把概率估計與算術(shù)編碼引擎集成在一起，如對于Q編碼器所作的一樣[Penn88，Dutt95]。然而，這個方法的缺點(diǎn)是，僅僅有限的一組概率可被使用(限制實施該方法所需要的查找表的規(guī)模)，這影響算術(shù)編碼實現(xiàn)方案的壓縮效率。而且，它使得模型不靈活。在[Riss89，Mohi87]中公開了另一個已知的解決方案，它使用符號計數(shù)(因此，模型仍舊是靈活的)但仍舊對概率進(jìn)行近似。然而，概率近似減低了所述壓縮方法的效率。
本發(fā)明的目的是提供具有有效的實施方案的、用于數(shù)據(jù)壓縮/擴(kuò)展數(shù)字信息信號的數(shù)據(jù)壓縮/擴(kuò)展設(shè)備。
按照本發(fā)明的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的特征在于，概率信號確定裝置適合于從數(shù)字信息信號和概率信號的至少一個以前確定的值來確定概率信號的新的值P。
通過使用概率信號的至少一個以前確定的值p來確定新的值P，可以消除復(fù)雜的除法。復(fù)雜的除法是除以變量的除法或是除以具有≠2m的值的常數(shù)的除法(m是大于0的整數(shù))?；靖拍钍峭ㄟ^“運(yùn)行平均”濾波運(yùn)算而不是通過計算符號頻率來計算概率估值。這個計算可以通過使用簡單的移位和加法運(yùn)算而被實施，因此它沒有復(fù)雜的除法。按照本發(fā)明確定概率值P的方法可以容易地與許多算術(shù)編碼實施方案相組合并且特別適合于我們以前的無乘法算術(shù)編碼的解決方案[Vleu00]。當(dāng)這兩個解決方案被組合時，就得到?jīng)]有乘法和除法的、有效的自適應(yīng)算術(shù)編碼方案。
按照本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是不像WO 98/16014中所公開的那樣需要預(yù)測濾波器。
參照以下的


中所描述的實施例將明白并進(jìn)一步闡述本發(fā)明的這些和其他方面，其中圖1顯示數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的第一實施例，圖2顯示數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的第一實施例，圖3顯示數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的第二實施例，圖4顯示數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的第二實施例，圖5顯示數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的第三實施例，圖6顯示數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的第三實施例，圖7顯示在用于把數(shù)據(jù)壓縮信號記錄在記錄載體上的記錄設(shè)備中包含的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備，圖8顯示在用于通過傳輸媒體發(fā)送數(shù)據(jù)壓縮信號的發(fā)送設(shè)備中包含的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備，圖9顯示在用于重現(xiàn)來自記錄載體的數(shù)據(jù)壓縮信號的重現(xiàn)設(shè)備中包含的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備，圖10顯示在用于接收來自傳輸媒體的數(shù)據(jù)壓縮信號的接收設(shè)備中包含的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備，
圖11顯示還配備有糾錯編碼器和信道編碼器的記錄設(shè)備的另一個實施例，以及圖12顯示還配備有信道譯碼器和糾錯單元的重現(xiàn)設(shè)備的另一個實施例。
圖1顯示數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的實施例，該設(shè)備包括用于接收數(shù)字信息信號的輸入端1。數(shù)字信息信號可以是可通過算術(shù)編碼被壓縮的任何數(shù)字信號，諸如數(shù)字視頻信號或數(shù)字音頻信號。數(shù)字信息信號優(yōu)選地是以比特流信號的形式。輸入端子1被耦合到包括算術(shù)編碼器的數(shù)據(jù)壓縮單元10的第一輸入端8。數(shù)據(jù)壓縮單元10的輸出端12被耦合到輸出端子14。另外，數(shù)字信息信號也是概率確定單元156的一個輸入。輸入端子1被耦合到概率確定單元156的第一輸入端16。算術(shù)編碼器10響應(yīng)于被提供到它的輸入端192的概率值P把比特流信號編碼成數(shù)據(jù)壓縮信號。概率確定單元156的輸出端被耦合到概率確定單元156的第二輸入端18。概率確定單元156確定一個概率值，該概率值表示由變換器單元4提供的比特流信號中的比特具有諸如“1”的預(yù)定的邏輯值的概率。這個概率值在圖1上表示為P，它被提供到算術(shù)編碼器10，以便能夠數(shù)據(jù)壓縮算術(shù)編碼器10中的比特流信號。概率確定單元156從數(shù)字信息信號和以前確定的概率值確定新的概率值。算術(shù)編碼器10可以按照逐幀的原則數(shù)據(jù)壓縮比特流信號。
圖1的設(shè)備工作如下。在本實施方案中具有比特流信號的形式的數(shù)字信息信號被提供到概率確定單元156。在其中，確定比特流信號中相應(yīng)的比特(例如是“1”比特)的概率。下文中描述按照本發(fā)明的各實施方案。這樣得到的數(shù)字輸入信號中各個值的概率以后作為概率信號P被提供到算術(shù)編碼器10。數(shù)據(jù)壓縮的信號由算術(shù)編碼器10提供到輸出端子14，以便經(jīng)由傳輸媒體TRM或記錄載體進(jìn)行傳輸。
現(xiàn)在我們描述在概率確定單元中執(zhí)行的計算。本例描述二進(jìn)制情形，以后將討論擴(kuò)展到較大的字母表的情形。而且，假設(shè)被提供到算術(shù)編碼引擎的概率值是在0，…，2n的線性范圍中的整數(shù)。這樣的整數(shù)概率值被我們的無乘法的算術(shù)編碼引擎實施方案使用[Vleu99，Vleu00]。例如，對于n＝6，概率1由64表示，以及概率1/2由32表示。當(dāng)需要用于不同的算術(shù)編碼實施方案時，處在區(qū)間
中的“真實”概率是通過將從算術(shù)編碼引擎實施方案中的概率得出的整數(shù)除以2n(或者，在實際的使用整數(shù)的算術(shù)編碼實施方案中，除法可以通過右移n位而簡單地執(zhí)行)而得到的。
確定概率的方法是計算運(yùn)行平均，即，存儲以前的2n比特和把它們的數(shù)值簡單相加。運(yùn)行平均可在接收到每個新的比特時只通過單次減法和加法而被更新從和值中減去最老的比特的數(shù)值，以及把最新的比特的數(shù)值加到和值中。這個方法的缺點(diǎn)是它可能需要存儲許多以前的比特(和對于更大的字母表的甚至更多的信息)。所以正如以下解釋的，按照本發(fā)明，實施不需要存儲所接收的比特的遞歸計算。所述計算也提供快速地把精度更換為適配速度的附加靈活性。
遞歸概率計算的一般形式是Pk+1(1)＝c0·Pk(1)+c1·Pk-1(1)+c2·Pk-2(1)+…+cu·Pk-u(1)+d0·bk+d1·bk-1+d2·bk-2+…+dv·bk-v， (2)其中c0…u和d0…υ是常數(shù)(實數(shù))，以及整數(shù)u和υ確定考慮多少過去的輸入b或輸出P(1)。公式(2)通常產(chǎn)生實數(shù)(浮點(diǎn)數(shù))。為了降低實施方案復(fù)雜性，經(jīng)常優(yōu)選地用整數(shù)(定點(diǎn)數(shù))來計算。在這種情形下，假設(shè)概率范圍不是從0到1，而是取為從0到2m的整數(shù)值，其中實數(shù)概率值被線性放大2m倍。
為了計算概率估計，優(yōu)選實施例是以下的遞歸計算 其中如將在下文中所解釋的那樣，Pk+1(1)和Pk(1)是在0…2m范圍中的無符號整數(shù)，以及bk是具有0或1的數(shù)值的最新的輸入比特，以及i(0≤i≤m/2)是確定概率估計的適配速度的整數(shù)。( 產(chǎn)生不大于x的最大整數(shù)，即，如果x不是整數(shù)，它把x向下舍入最接近的整數(shù)值)。概率估計Pk+1(1)被算術(shù)編碼器使用來壓縮比特bk+1，以及被算術(shù)譯碼器使用來譯碼這個比特。初始值P0(1)(它被使用來壓縮第一比特b0)可以通過乘以2m而被設(shè)置成相應(yīng)于在
中的任何想要的概率值；例如，1/2的概率相應(yīng)于初始化為P0(1)＝2m-1。 的計算實際上是通過把Pk(1)的數(shù)值右移i個位置執(zhí)行的，即不用實際的除法。bk與2m-i的乘法當(dāng)然是通過把它的數(shù)值左移m-i個位置執(zhí)行的。由于(3)式只使用加法和減法(以及某些移位)，它比起(1)式具有低得多的實施復(fù)雜性，而(1)式需要除法(除法的復(fù)雜性比起相加或相減和移位的復(fù)雜性高得多)。
在0…2n(n＜m)范圍中的、P(1)的較低精度的估計值可以通過把Pk+1(1)向右移m-n個位置而得到。典型的數(shù)值例如是m＝12和n＝8。當(dāng)然，代替通過簡單的右移而得到的截斷，P(1)的數(shù)值也可以通過Pk+1(1)/2m-n的舍入或“部分舍入”(它在[Vleu99，Vleu00]中被介紹)而得到。這個更加精確的計算可大大地提高對于小的n值的精度(例如，n＜5)。
在上述的實施例中，估計的概率值的適配速度由整數(shù)i(0≤i≤m/2)確定。i的數(shù)值越大，適配速度越慢。
典型地，i隨觀測到的比特的數(shù)目或b的輸入概率改變的速度而改變。例如，初始地，當(dāng)還沒有接收到許多數(shù)據(jù)時，可以使用較高的適配速度來得到快速學(xué)習(xí)的性能，以及后來當(dāng)接收到更多的數(shù)據(jù)時，減小適配速度來得到較高精度的估計。
為了跟蹤改變的統(tǒng)計特性，也可以監(jiān)視所估計的概率值，以及當(dāng)看來似乎是穩(wěn)定時提高精度，和當(dāng)看來似乎將改變時提高適配速度。為了測量改變或穩(wěn)定度，可以計算一定數(shù)目的比特的估計的方差，或可以例如根據(jù)對于一定數(shù)目的比特的最高的和最低的估計的概率值之間的差值的大小作出判定。
因此m的數(shù)值不單取決于需要的概率估計的精度(即取決于n)，而且也取決于所要求的最小適配速度(對于i的最大值)，因為最小適配速度由i≤m-2的要求確定。
在多個范圍(context)的情形下(例如，見[Dutt95])，每個范圍使用它自己的獨(dú)立的概率估計器。因此，精度和適配速度對于每個范圍也是不同的(即，每個范圍可以具有它自己的m和/或i的數(shù)值；見以上的段落)。
與編碼引擎的界面是基于概率估計的最高出現(xiàn)精度(即，在所有的范圍上m的最大值)。如果某些概率值具有較低的精度，則它們需要被擴(kuò)展到較高的精度。這種擴(kuò)展可以簡單地通過左移所估計的概率值而被實施。例如，如果估值的精度是6比特而機(jī)器接受8比特，則所估計的概率值可以簡單地向左移兩位(這意味著，把兩個0比特附著到估值上)。
在非二進(jìn)制情形下，當(dāng)有N＞2個不同的符號時，對于N-1或全部N個符號分開地估計概率(在后者的情形下，最可能的符號的概率被調(diào)節(jié)，以使得總的概率等于1)。該估計仍舊使用(3)式，但現(xiàn)在當(dāng)出現(xiàn)的符號不等于對其進(jìn)行概率估計的符號時使用數(shù)值b＝0，以及當(dāng)出現(xiàn)的符號等于對其進(jìn)行概率估計的符號時使用數(shù)值b＝1。例如，當(dāng)有4個符號時(以及估計四個概率)，數(shù)值b＝0被使用于它們中的三個符號，以及b＝1被使用于實際出現(xiàn)的符號。對于N-1或全部N個符號的所估計的概率必須由概率確定單元(156)確定。在這種情形下，概率信號的新的值包括對于N-1或全部N個符號的所估計的概率值。如果僅僅對于N-1個符號估計概率值，對于第N個符號的概率是隱含地已知的，并且可以從N-1個所估計的概率值計算出來。
圖2顯示用于譯碼在輸入端子50處接收的數(shù)據(jù)壓縮的信號的相應(yīng)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備。圖2的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備包括熵譯碼器172，它經(jīng)由輸入端174接收數(shù)據(jù)壓縮的信號。在本例中，熵譯碼器172具有算術(shù)譯碼器的形式，該算術(shù)譯碼器在被提供到輸入端176的概率信號P的影響下對于數(shù)據(jù)壓縮的信號實行算術(shù)譯碼步驟，以便生成被提供到輸出端178的原始數(shù)字信息信號的復(fù)制。該復(fù)制被提供到數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的輸出端子64。
另外，存在有概率提供單元180，用于把概率信號P提供到算術(shù)譯碼器172。概率信號P可以以不同的方式得到，取決于概率信號在編碼器中是如何得出的。所公開的實施例以自適應(yīng)方式從輸出信號得出概率信號P。
另外，圖1的設(shè)備可生成描述在公式中被使用來確定概率信號P的常數(shù)的參數(shù)。這樣的參數(shù)被包括在附帶(side)信息中，以及被發(fā)送到概率提供單元180，以使得能夠在圖2的設(shè)備中重新生成概率信號P。
在圖1的實施例中使用的熵編碼器適于使用概率信號編碼比特流信號，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的信號。一個這樣的熵編碼器是上述的算術(shù)編碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵編碼器是熟知的有限狀態(tài)編碼器。在圖2的實施例中使用的熵譯碼器適于使用概率信號譯碼數(shù)據(jù)壓縮的信號，以便得到數(shù)字信息信號的復(fù)制。一個這樣的熵譯碼器是上述的算術(shù)譯碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵譯碼器是熟知的有限狀態(tài)譯碼器。
數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的第二實施例顯示于圖3中。在圖3的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備中，比特流信號被加到無損編碼器的輸入端8，該編碼器具有諸如算術(shù)編碼器154的熵編碼器的形式。而且，比特流信號也是預(yù)測濾波器單元152的輸入。預(yù)測濾波器單元152的輸出端被耦合到概率確定單元156的輸入端。算術(shù)編碼器154響應(yīng)于被提供到它的輸入端192的概率值p把比特流信號編碼成數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號。概率確定單元156確定一個概率值，該概率值表示由變換器單元4提供的比特流信號中的比特具有諸如“1”的預(yù)定的邏輯值的概率。在圖10上表示為p的此概率值被提供到算術(shù)編碼器154，以使得能夠在算術(shù)編碼器154中數(shù)據(jù)壓縮比特流信號。確定單元156從預(yù)測濾波器152的輸出信號和概率信號的一個以前確定的值確定這個概率值。算術(shù)編碼器154可以按逐幀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮該比特流信號。
圖3的設(shè)備工作如下。預(yù)測濾波器152對于比特流信號實行預(yù)測濾波，以便得到多比特輸出信號。多比特輸出信號具有例如在+3和-3的范圍內(nèi)的多個電平。而且，對于在多比特輸出信號的數(shù)值范圍內(nèi)多個子間隔中的每個子間隔，確定在比特流信號中相應(yīng)的比特例如是“1”比特的概率是多少。當(dāng)多比特輸出信號處在這樣的一個范圍內(nèi)時，通過計數(shù)在特定的時間間隔期間在比特流信號中出現(xiàn)“0”和“1”的數(shù)目，可以實現(xiàn)這一點(diǎn)。而且，按照上面給出的公式之一，考慮至少一個以前確定的概率信號的值。對于多比特輸出信號中的各個數(shù)值的、這樣得到的概率隨后作為概率信號p被提供到算術(shù)編碼器154。數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號由算術(shù)編碼器154提供到輸出線158，以便經(jīng)由傳輸媒體TRM或記錄載體進(jìn)行傳輸。
圖4顯示用于譯碼由圖3的壓縮設(shè)備生成的數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號的相應(yīng)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備。圖4的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備包括熵譯碼器172，它經(jīng)由輸入端174接收數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號。在本例中，熵譯碼器172具有算術(shù)譯碼器的形式，該算術(shù)譯碼器在被提供到輸入端176的概率信號p的影響下對于數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號實行算術(shù)譯碼步驟，以便生成被提供到輸出端178的原始比特流信號的復(fù)制。該復(fù)制被提供到再變換器單元60的輸入端58。
另外，存在有概率提供單元180，用于把概率信號p提供到算術(shù)譯碼器172。概率信號p可以以不同的方式得到，取決于該概率信號在編碼器中是如何得出的。一個方法是以自適應(yīng)方式從預(yù)測濾波器181的輸出信號和以前確定的一個概率信號值得出概率信號p。在本實施例中，預(yù)測濾波器181等效于編碼器中的預(yù)測濾波器152，并且概率提供單元180等效于圖3的編碼器中的概率確定單元156。正如下文中將解釋的那樣，生成概率信號的另一個方法是通過使用經(jīng)由傳輸媒體TRM接收的附帶信息。
附帶信息可以由圖3的設(shè)備生成，以便傳輸?shù)綀D4的設(shè)備。這樣的附帶信息可包括按照逐幀的基礎(chǔ)被確定的、濾波器152的濾波器系數(shù)，所述濾波器系數(shù)被發(fā)送到被包括在單元180中的相應(yīng)的預(yù)測濾波器。
另外，圖3的設(shè)備可生成各參數(shù)，所述參數(shù)描述預(yù)測濾波器152的多比特輸出信號到概率信號p的變換。這樣的參數(shù)也被包括在附帶信息中，并被發(fā)送到概率提供單元180和濾波器181，以使得能夠在圖4的設(shè)備中根據(jù)由預(yù)測濾波器181提供的多比特輸出信號重新生成概率信號p。
在圖3的實施例中使用的熵編碼器適于使用概率信號編碼比特流信號，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號。一個這樣的熵編碼器是上述的算術(shù)編碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵編碼器是熟知的有限狀態(tài)編碼器。在圖4的實施例中使用的熵譯碼器適于使用概率信號譯碼數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號，以便得到比特流信號的復(fù)制。一個這樣的熵譯碼器是上述的算術(shù)譯碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵譯碼器是熟知的有限狀態(tài)譯碼器。
數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的第三實施例顯示于圖5中。在圖5的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備中，比特流信號被提供到信號組合單元42的輸入端44，并經(jīng)由預(yù)測濾波器181和量化器Q被提供到信號組合單元42的輸入端40。在當(dāng)前的實施例中的量化器Q把來自預(yù)測濾波器的多比特輸出信號變換成二進(jìn)制信號。所述設(shè)備還配備有數(shù)據(jù)壓縮單元150’，它包括熵編碼器154和概率確定單元156。在本例中，熵編碼器154具有算術(shù)編碼器的形式，用于響應(yīng)于被提供到它的輸入端192的概率值p把剩余比特流信號編碼成數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號。概率確定單元156確定一個概率值，該概率值表示由組合單元42提供的剩余比特流信號中的比特具有諸如“1”的預(yù)定的邏輯值的概率。在圖5上表示為p的此概率值被提供到算術(shù)編碼器154，以使得能夠在算術(shù)編碼器154中數(shù)據(jù)壓縮剩余比特流信號。確定單元156從預(yù)測濾波器181的輸出信號確定這個概率值。當(dāng)在壓縮單元150中使用一個算術(shù)編碼器時，概率確定單元156可以從剩余比特流信號本身得出所述概率值。然而，在圖5的實施例中，概率確定單元156從由預(yù)測濾波器181生成的輸出信號和概率信號的一個以前確定的值得出所述概率值。這具有一個優(yōu)點(diǎn)，因為可以用算術(shù)編碼器154得出較高的壓縮比。算術(shù)編碼器154可以以幀為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮剩余比特流信號。
圖5的設(shè)備工作如下。預(yù)測濾波器181對于比特流信號實行預(yù)測濾波，以便得到多比特輸出信號。多比特輸出信號具有例如在+3和-3的范圍內(nèi)的多個電平。量化器Q接收多比特輸出信號并從這個輸出信號生成比特流信號，例如，如果多比特輸出信號具有正數(shù)值，則該比特被分配以“1”邏輯值，以及如果多比特輸出信號具有負(fù)數(shù)值，則該比特被分配以“0”邏輯值。而且，對于多比特輸出信號的數(shù)值范圍中多個子間隔中的每個子間隔，確定在剩余信號中相應(yīng)的比特例如是“1”比特的概率是多少。當(dāng)多比特輸出信號處在這樣的一個范圍內(nèi)時，通過計數(shù)在特定的時間間隔期間在剩余比特流信號中出現(xiàn)“1”和“0”的數(shù)目，可以實現(xiàn)這一點(diǎn)。而且，為了確定概率信號的新的值，按照以上給出的公式，考慮一個以前確定的概率值。對于在多比特輸出信號中的各個數(shù)值的、這樣得到的概率以后作為概率信號p被提供到算術(shù)編碼器154。數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號由算術(shù)編碼器154提供到輸出線158，以便經(jīng)由傳輸媒體TRM進(jìn)行傳輸。
圖6顯示用于譯碼按照圖5的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備生成的、數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號的相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。圖6的數(shù)據(jù)處理設(shè)備包括熵譯碼器172，它經(jīng)由輸入端174接收數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號。在本例中，熵譯碼器172具有算術(shù)譯碼器的形式，該算術(shù)譯碼器在被提供到輸入端176的概率信號p的影響下對于數(shù)據(jù)壓縮的比特流信號實行算術(shù)譯碼步驟，以便生成被提供到輸出端178的原始剩余比特流信號的復(fù)制。該復(fù)制被提供到信號組合單元88的輸入端86。信號組合單元88還經(jīng)由輸入端101接收比特流信號的預(yù)測的版本，以及在它的輸出端76處生成原始比特流信號的復(fù)制。輸出端76經(jīng)由預(yù)測濾波器181和量化器Q被耦合到信號組合單元88的輸入端101。預(yù)測濾波器74’和量化器Q的作用可以等同于圖5的預(yù)測濾波器10’和量化器Q的作用，也就是說，預(yù)測濾波器181從經(jīng)由它的輸入端72接收的輸入信號得出它的濾波器系數(shù)。在另一個實施例中，正如下面將解釋的，預(yù)測濾波器181從圖5的編碼器設(shè)備經(jīng)由傳輸媒體TRM接收的附帶信息接收濾波器系數(shù)。
另外，存在有概率生成單元180，用于把概率信號p提供到算術(shù)譯碼器172。概率信號p可以以不同的方式得到。一個方法是以與圖5的概率確定單元156從預(yù)測濾波器152確定當(dāng)時的概率信號p的相同的方式從預(yù)測濾波器181的輸出信號得出概率信號p。在這樣的情形下，圖6的提供單元180可以等同于圖5的確定單元156，并且提供單元180具有被耦合到預(yù)測濾波器181的輸出端的輸入端。正如此后將解釋的，生成概率信號p的另一個方法是通過使用經(jīng)由傳輸媒體TRM接收的附帶信息。
附帶信息可以由圖5的設(shè)備生成，以便傳輸?shù)綀D6的設(shè)備。這樣的附帶信息可包括以逐幀的基礎(chǔ)被確定的、濾波器152的濾波器系數(shù)，所述濾波器系數(shù)被發(fā)送到濾波器181，用于設(shè)置濾波器181的正確的濾波器特性。另外，圖5的設(shè)備可生成各參數(shù)，所述參數(shù)描述從預(yù)測濾波器152的多比特輸出信號到概率信號p的變換。這樣的參數(shù)也被包括在附帶信息中，并被發(fā)送到概率確定單元180，以使得能夠在圖6的設(shè)備中重新生成概率信號p。
在圖5的實施例中使用的熵編碼器適于使用概率信號來編碼剩余比特流信號，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號。一個這樣的熵編碼器是上述的算術(shù)編碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵編碼器是熟知的有限狀態(tài)編碼器。在圖20的實施例中使用的熵譯碼器適于使用概率信號來譯碼數(shù)據(jù)壓縮的剩余比特流信號，以便得到剩余比特流信號的復(fù)制。一個這樣的熵譯碼器是上述的算術(shù)譯碼器。作為例子，一個其他類型的這樣的熵譯碼器是熟知的有限狀態(tài)譯碼器。
圖7顯示包括圖1、3或5顯示的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的記錄設(shè)備的實施例。該記錄設(shè)備還包括寫入單元30，用于把數(shù)據(jù)壓縮的信號寫入到記錄載體32上的軌道中。在本例中，記錄載體32是磁記錄載體，這樣，寫入單元30包括至少一個磁頭34，用于把數(shù)據(jù)壓縮的信號寫入到記錄載體32中。然而，記錄載體可以是諸如CD盤或DVD盤的光記錄載體。
圖8顯示包括圖1、3或5顯示的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備的發(fā)射機(jī)的實施例，用于經(jīng)由傳輸媒體TRM發(fā)送數(shù)字信息信號。該發(fā)射機(jī)還包括發(fā)送單元36，用于把數(shù)據(jù)壓縮的信號加到傳輸媒體TRM。發(fā)送單元36可包括天線38。
經(jīng)由諸如射頻鏈路或記錄載體那樣的傳輸媒體的傳輸，通常需要對于要被發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮的信號實行糾錯編碼和信道編碼。圖11顯示用于圖7的記錄裝置的、對于數(shù)據(jù)壓縮的信號實行的這樣的信號處理步驟。圖11的記錄裝置因此包括在本技術(shù)領(lǐng)域熟知的糾錯編碼器80和同樣在本技術(shù)領(lǐng)域熟知的信道編碼器82。
圖9顯示在重現(xiàn)設(shè)備中包含的、圖2、4或6的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備。該重現(xiàn)設(shè)備還包括讀出單元52，用于從記錄載體32上的軌道中讀出數(shù)據(jù)壓縮的信號。在本例中，記錄載體32是磁記錄載體，這樣，讀出單元52包括至少一個磁頭54，用于從記錄載體32中讀出數(shù)據(jù)壓縮的信號。然而，記錄載體可以是諸如CD盤或DVD盤的光記錄載體，這樣，讀出單元是光讀出單元。
圖10顯示包括圖2、4或6顯示的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備的、用于經(jīng)由傳輸媒體TRM接收數(shù)字信息信號的接收機(jī)的實施例。該接收機(jī)還包括接收單元56，用于從傳輸媒體TRM接收數(shù)據(jù)壓縮的信號。接收單元56可以包括天線57。
正如以上解釋的，經(jīng)由諸如射頻鏈路或記錄載體那樣的傳輸媒體的傳輸，通常需要對于要被發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮的信號實行糾錯編碼和信道編碼，這樣，在接收后可以實行相應(yīng)的信道譯碼和糾錯。圖8顯示用于圖9的重現(xiàn)裝置的、對于由接收裝置56接收的接收信號實行的信道譯碼和糾錯的信號處理步驟。圖12的重現(xiàn)裝置因此包括在本技術(shù)領(lǐng)域熟知的信道譯碼器90和同樣在本技術(shù)領(lǐng)域熟知的糾錯單元92，以便獲得數(shù)據(jù)壓縮的信號的復(fù)制品。
所給出的實施例適于處理比特流信號。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明也可以在用于n電平信息信號的數(shù)據(jù)壓縮/擴(kuò)展的設(shè)備中使用。預(yù)測濾波器于是對于n電平的信息信號實行預(yù)測，以便得到多值輸出信號。量化器適于量化該多值輸出信號，以便得到n電平量化的信息信號。信號組合單元(如果存在的話)適于組合n電平信息信號和n電平量化的信號，以便得到n電平剩余信息信號。該組合可被實施為相加或相減在相應(yīng)的輸入端接收的兩個n電平的信息信號。概率確定單元生成一個概率值，該概率值表示剩余信息信號的數(shù)值具有諸如“+2”的預(yù)定的數(shù)值的概率。這個概率被提供到算術(shù)編碼器，以使得能夠在算術(shù)編碼器中數(shù)據(jù)壓縮可以是剩余信號的n電平信息信號。在本實施例中，概率信號的數(shù)值包含對于n電平信息信號的n個可能值中的每個可能值的數(shù)值。具有256電平的n電平信息信號可以由8比特信息信號代表。
雖然已參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)看到，這些不是限制性的例子。因此，各種修正對于本領(lǐng)域技術(shù)人員可能是明顯的，而不背離如權(quán)利要求書規(guī)定的本發(fā)明的范圍。當(dāng)數(shù)字信息信號以數(shù)字形式提供時，諸如以44.1kHz采樣以及例如樣本以16比特表示時，所述設(shè)備可包括變換裝置，用來例如以64×44.1kHz的頻率過采樣該數(shù)字音頻信號，以便得出1比特的比特流信號。
還應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明也應(yīng)用到一個實施例，其中如由變換器4提供的比特流信號經(jīng)過附加信號處理步驟，導(dǎo)致經(jīng)處理的1比特的比特流信號提供到熵編碼器10和概率確定單元156。這樣的附加信號處理步驟可包括把以1比特的比特流形式的、立體聲音頻信號的左手和右手信號分量合并成經(jīng)處理的1比特的比特流信號。
而且，本發(fā)明在于每個新穎的特性或各特性的組合。
相關(guān)文獻(xiàn)列表[Dutt95]D.L.Duttweiler and C.Chamzas，”Probabilityestimation in arithmetic and adaptive-Huffman entropy coders(在算術(shù)的和自適應(yīng)Huffman熵編碼器中的概率估計)”，IEEE Trans.ImageProcessing，Vol.4，pp.237-246，Mar.1995.G.G.Langdon，Jr.，“An introduction to arithmaticcoding(算術(shù)編碼入門)”，IBM J.Res.Develop.，Vol.28，pp，135-149，Mar.1984.A.Moffat，R.M.Neal，and I.H.Witten，“arithmeticcoding revisited(回顧算術(shù)編碼)”，ACM Trans.InformationSystems，Vol.16，pp，256-294，July 1998.K.M.A.Mohiuddin and J.J.Rissanen，Multiplication-free multi-alphabet arithmetic code(無乘法多字母算術(shù)編碼)，1987.U.S.Patent 4,652,856.W.B.Pennebaker，J.L.Mitchell，G.G.Langdon，Jr.，and R.B.Arps，“An overview of the basic Principles of the Q-Coder adaptive binary arithmetic coder(Q編碼器自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼器的基本原理綜述)”，IBM J.Res.Develop.，Vol.32，pp，717-726，Nov.1988.W.B.Pennebaker and J.L.Mitchell，JPEG Still ImageData Compression Standard(JPEG靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)).NewYork，NYVan Nostrand Reinhold，1993.J.J.Rissanen and K.M.Mohiuddin“A multiplication-free multi-alphabet arithmetic code(無乘法多字母算術(shù)代碼)”，IEEE Trans.Commun.，Vol.37，pp.93-98，F(xiàn)eb.1989.R.J.ven der Vleuten and F.Bruekers，”Losslesscompression of binary audio signals(二進(jìn)制音頻信號的無損壓縮)”，in Data Compression Conference(DCC’98)，(Snow-bird，UT).p.579，Mar.30-Apr.1，1998.R.J.ven der Vleuten and A.A.M.L.Bruekers，”Modeling binary audio signals for Losslesscompression(對于無損壓縮的二進(jìn)制音頻信號建模)”，in NineteenthSymp.Inform.Theory in the Benelux，(Veldhoven，TheNetherlands)，pp.135-142，May 28-29，1998.R.J.ven der Vleuten，”New methods formultiplication-free arithmetic coding(用于無乘法算術(shù)編碼的新方法)”，in Data Compression Conference(DCC’98)，(Snow-bird，UT).p.579，Mar.30-Apr.1，1998.R.J.ven der Vleuten，arithmetic encoding anddecoding of an information signal(信息信號的算術(shù)編碼和譯碼)，2000.U.S.Patent 6,144,320.R.J.ven der Vleuten A.A.M.L.Bruekers，andA.W.J.Oomen，Data processing of a bitstream signal(比特流信號的數(shù)據(jù)處理)，2001.U.S.Patent 6,289,306 B1.I.H.Witten，R.M.Neal，and J.G.Cleary，“arithmeticcoding for data compression(用于數(shù)據(jù)壓縮的算術(shù)編碼)”，ACMVol.30，pp.520-540，June 1987.
權(quán)利要求
1.用于對數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備，該數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備包括-用于接收數(shù)字信息信號的輸入裝置，-用于從數(shù)字信息信號確定概率信號的概率信號確定裝置，-一種熵編碼裝置，用于響應(yīng)于所述概率信號對數(shù)字信息信號進(jìn)行熵編碼，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，以及-用于提供數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號的輸出裝置，其特征在于，概率信號確定裝置適于從數(shù)字信息信號和所述概率信號的至少一個以前確定的值確定所述概率信號的一個新的值。
2.如權(quán)利要求1中要求的設(shè)備，其特征在于，所述概率信號確定裝置適于執(zhí)行以下計算 其中Pk+1(1)和Pk(1)是在0...2m范圍中的無符號整數(shù)，bk是具有0或1的數(shù)值的最新的輸入比特，i是在0≤i≤m/2的范圍內(nèi)的整數(shù)而m是大于1的整數(shù)。
3.用于經(jīng)由傳輸媒體發(fā)送數(shù)字信息信號的發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)包括如權(quán)利要求1到2的任一項中要求的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備，其中該發(fā)射機(jī)還包括-用于把數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號加到傳輸媒體的發(fā)送裝置。
4.用于把數(shù)字信息信號記錄在記錄載體上的記錄設(shè)備，該記錄設(shè)備包括如權(quán)利要求1到2的任一項中要求的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備，其中該記錄設(shè)備還包括-用于把數(shù)據(jù)壓縮的信號寫入到記錄載體上的軌道中的寫入裝置。
5.如權(quán)利要求4中要求的記錄設(shè)備，其中所述記錄載體是光或磁記錄載體。
6.如權(quán)利要求3中要求的發(fā)射機(jī)，其中該發(fā)射機(jī)還包括糾錯編碼裝置和/或信道編碼裝置，用于在把數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號加到傳輸媒體之前對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行糾錯編碼和/或信道編碼。
7.如權(quán)利要求4中要求的記錄設(shè)備，該記錄設(shè)備還包括糾錯編碼裝置和/或信道編碼裝置，用于在把數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號寫入到記錄載體上之前對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行糾錯編碼和/或信道編碼。
8.用于對數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的方法，該方法包括以下步驟-接收數(shù)字信息信號，-從數(shù)字信息信號確定概率信號，-響應(yīng)于所述概率信號對數(shù)字信息信號進(jìn)行熵編碼，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，以及-提供數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，其特征在于，概率確定步驟適合于從數(shù)字信息信號和所述概率信號的至少一個以前確定的值確定所述概率信號的一個新的值。
9.一種記錄載體，在所述記錄載體的軌道中記錄有數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，所述數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號是通過按照權(quán)利要求8的方法得到的。
10.一種數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備，用于對數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展，以便得到原始數(shù)字信息信號的復(fù)制，該數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備包括-用于接收數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號的輸入裝置，-一種熵譯碼裝置，用于響應(yīng)于概率信號對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行熵譯碼，以便得到所述復(fù)制，-用于從所述復(fù)制生成所述概率信號的概率信號確定裝置，-用于提供復(fù)制的輸出裝置，其特征在于，所述概率信號確定裝置適于從復(fù)制和所述概率信號的至少一個以前確定的值確定所述概率信號的一個新的值。
11.如權(quán)利要求10中要求的設(shè)備，其特征在于，所述概率信號確定裝置適于執(zhí)行以下計算 其中Pk+1(1)和Pk(1)是在0...2m范圍中的無符號整數(shù)，bk是具有0或1的數(shù)值的最新的輸入比特，i是在0≤i≤m/2的范圍內(nèi)的整數(shù)而m是大于1的整數(shù)。
12.用于經(jīng)由傳輸媒體接收數(shù)字信息信號的接收機(jī)，該接收機(jī)包括如權(quán)利要求10到11的任一項中要求的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備，其中該接收機(jī)還包括-用于從傳輸媒體獲取數(shù)據(jù)壓縮的信號的接收裝置。
13.用于從記錄載體重現(xiàn)數(shù)字信息信號的重現(xiàn)設(shè)備，該重現(xiàn)設(shè)備包括如權(quán)利要求10到11的任一項中要求的數(shù)據(jù)擴(kuò)展設(shè)備，其中該重現(xiàn)設(shè)備還包括-用于從記錄載體上的軌道中讀出數(shù)據(jù)壓縮的信號的讀出裝置。
14.如權(quán)利要求12中要求的接收機(jī)，其中該接收機(jī)還包括信道譯碼裝置和/或糾錯裝置，用于對從傳輸媒體獲取的信號進(jìn)行信道譯碼和/或糾錯，以便得到所述數(shù)據(jù)壓縮的信號。
15.如權(quán)利要求13中要求的重現(xiàn)設(shè)備，該重現(xiàn)設(shè)備還包括信道譯碼裝置和/或糾錯裝置，用于對從記錄載體讀出的信號進(jìn)行信道譯碼和/或糾正，以便得到所述數(shù)據(jù)壓縮的信號。
16.用于對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展以便得到原始數(shù)字信息信號的復(fù)制的數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法，該數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法包括以下步驟-接收數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，-響應(yīng)于概率信號對數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號進(jìn)行熵譯碼，以便得到所述復(fù)制，-從所述復(fù)制生成所述概率信號，-提供復(fù)制，其特征在于，所述概率信號確定步驟適于從復(fù)制和所述概率信號的至少一個以前確定的值確定所述概率信號的一個新的值。
全文摘要
公開了用于對數(shù)字信息信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備。該數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備包括輸入裝置(1)，用于接收數(shù)字信息信號；概率信號確定裝置(156)，用于從數(shù)字信息信號確定概率信號；熵編碼裝置(10)，用于響應(yīng)于所述概率信號對數(shù)字信息信號進(jìn)行熵編碼，以便得到數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號；以及輸出裝置(14)，用于提供數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信息信號，以便發(fā)送或記錄在記錄載體上。概率信號確定裝置適于從數(shù)字信息信號和所述概率信號的至少一個以前確定的值確定所述概率信號的一個新的值。所公開的設(shè)備的實施方案沒有復(fù)雜的除法運(yùn)算。
文檔編號G11B20/10GK1615590SQ02827434
公開日2005年5月11日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月23日
發(fā)明者R·J·范德維勒坦 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司