数字影像数据的压缩/解压缩方法 本发明有关一种数字影像数据的压缩/解压缩方法。
针对数字影像数据的压缩，习知的可变长度霍夫曼(Huffman)编码方法的主要缺失，系于编码之前需先对所有的编码分类(class)建立完整的一概率表(probability table)。针对即时(real-time)高速的数据压缩需求，此一缺失显己构成严重的瓶劲，此因霍夫曼概率表需适时的更新之故。美国专利号4,916,544披露一个有条件的编码方式，其系考虑被编码像素的值以及两个邻近像素之值，才指定一个可变长度码给被编码像素。于此4,916,544专利中，实质上具相同出现机率的影像值被合并成一编码类(class)。尤其当影像抓取速度很高时，习知的影像压缩/解压缩方法都不足以应付。
针对此，本发明提供一种利用莱斯(Rice)编码的数据压缩/解压缩方法。
本发明提供的一种数字影像数据的压缩/解压缩方法，此数字影像包含一目前像素，其值为X，及两个与其邻接的像素，其值分别为A、B，Δ为A、B间之差值，此方法包含一压缩步骤，其包含：
根据A、B值产生目前像素地一预测值P；
计算P及X间的差值e；
以一第一准则，将e值映射成一预测误差值e′；
产生一参数k，其为Δ的一函数；
根据参数k值对目前像素的预测误差值e进行莱斯编码，而获得一编码值；
如所得编码值位元数超过一预定长度，则以一替代码取代该编码值，替代码由一预定型态码其后跟随X值所构成。
本发明的目的、特征及优点将参考附图，结合实施例进行详细描述。
附图简要说明：
图1揭示被压缩像素与邻近像素的关系；
图2揭示本发明方法中的压缩流程；
图3揭示本发明方法中的解压缩流程；
图4揭示执行本发明解压缩流程的一硬件实施例；
图5揭示图4中解码单元之一细部设计。
如图1所示，设目前待压缩像素40之值为X，而同一列前一像素44之值为A，同一行中前一像素42之值为B。于下述，以八个二进位码来代表像素值，亦即每个像素值介于0与255之间。
1、压缩
图2的流程中主要包含四个程序，即预测2、差值映射(mapping)4，莱斯编码6、及统计图末尾舍入(Hstogram Tail Truncation)12。
(a)预测
由于自然影像(natural image)之特征，一个影像内相邻像素间之相关性(correlation)都应很高，除了影像边缘区域之外。因此，一般而言，目前待压缩像素的值X可以藉相邻像素值加以预测。
为了简化硬件的设计，本发明采用公式P＝(A+B)/2以产生目前像素的预测值P。经由公式e＝X-P之计算，预测值与真正值X之差值e即可获得。此值由图2的方框2输出。
举例而言，当A＝130，B＝146，X＝144时，预测值P＝138，而差值e＝X-P＝6。
(b)差值e的映射
差值e的可能范围为[-P，255-P]。当极端情形(P＝0，X＝255)或(P＝255，X＝0)发生时，差值可能介于[-255，255]间，此范围之值需要九位元代表。
下述映射程序之目的即执行对差值e的一对一映射，使映射的结果e′只需八位元代表。值得注意的是，此一映射程序只是一选择(optional)性程序，缺少此一程序并不影响发明的其他步骤。
当P≤128，上述步骤将差值e的可能[-P，-P+1，-P+2，...-1，0，1，...，P，P+1，P+2，...，255-P]值分别映射成[0，+1，-1，+2，-2，...+P，-P，P+1，P+2，...255-P]的误差预测值e′。
而当P≥128，差值e的可能值[-P，-P+1，-P+2...-1，0，1...，P，P+1，P+2，...，255-P]被分别映射成[0，+1，-1，+2，-2，...255-P，-(255-P)，-(255-P)-1，...-P]的误差预测值e′。值得注意的是，经过此一映射程序，仍能达到小e值映射小e′值的要求。
当P＝138，e＝6时，此e值被映射成e′＝2×e-1＝11，此值于图2中的方框四输出。
(c)莱斯编码(表1)
由于小差值发生的机率一定高于大差值发生的机率，因此吾人亦采用统计的概念进行编码，以便节省编码的大小。本发明采用下述的莱斯编码法。
莱斯编码法包含下列步骤，藉参数k对整数n进行编码：(1)先计算「(n/2k)」值，并将所得以单进(Unary)码表示，其中「」代表整数运算，亦即「(n/2k)」个“1”，然后再加上一个位元的“0”作为分隔码，此分隔码分隔单进码及下述的二进位码；(2)计算(n mod 2k)，mod为余数运算，然后所得值以k位元二进位码方式输出；(3)将(1)(2)所得码组合即形成莱斯码。
举例而言，当n＝4，k＝2，「(n/2k)」＝「(4/4)」＝1，此时单进码为“1”；(n mod 2k)＝(4 mod 4)＝0，其二位元二进位码为“00”。此二码组合后(须先加一个分隔码“0”)，得到其莱斯码为“1000”，其中右边向左数第三个“0”即为分隔码。表1列示有n＝0～8时，而参数k＝0～3时，其分别对应的莱斯码。
表1Ricen＝0n＝1n＝2n＝3n＝4n＝5n＝6n＝7n＝8k＝0 0 10 110111011110111110111111011111110111111110k＝1 00 01 100 101 1100 1101 11100 11101 1111001k＝2 000 001 010 011 1000 1001 1010 1011 11000k＝3 0000 0001 00100011 0100 0101 0110 0111 10000
由表1可知，采用小参数k值来编码小整数值n较有利。相反地，采用大参数k值来编码大整数值较有利。因此，如何选择一个适宜参数k值就成为一个关键的问题。因对所有邻近像素值A，B言，清楚定义e′是小或大是有困难的，因此可能有许多准则可选择k值。但为了硬件的单纯，最好选择一个单纯的法则选择k值。
对自然影像而言，邻接的影像都呈现高度相关，除了边缘部分之外，因此，只于影像边缘区的像素会产生大的e′值。而边缘区的存在与否可由邻接点值A，B获知。本发明所采用的一法则系取k＝α(Δ)，其中α为依下述准则的运算子，Δ| A-B |。
k＝1，ifΔ＜＝2
k＝2，if 2＜Δ＜＝4
k＝3，if 4＜Δ＜＝8
k＝4，if 8＜Δ
例如，A＝130，B＝146，则Δ＝16，因而取k＝4。当以参数k＝4来对e′＝11编码时，「(n/2k)」＝「(11/16)」＝0，亦即单进码的数目为零；(n mod 2k)＝(11 mod 16)＝11，其4位元二进位码为1011。因此，e′＝11时，目前像素X的莱斯码为01011。
(d)统计图末尾舍入：
通常，得到长的莱斯码的机率很小。但一旦发生，会使得压缩比变差，且为了对付这些长莱斯码，硬件的设计也变复杂。流程图中的方框10及12可预防此问题的发生。当所得的莱斯码的长度大于16位元时，前述的编码方式即停止，而目前像素码即以一个24位元的码代替。此24位元码包含16位元的前导“1”值，然后跟随8位元的像素值。16位元的前导“1”作为一个前置(prefix)指标，以告知：后面8位元值即为目前像素的真正值。
例如，当邻近像素的A，B值分别为140，且目前像素位在边缘区且其值X＝10(二进位码＝00001010)时，P＝140Δ＝0，k＝1，e＝130，而e′＝245，以k＝1对e′＝245编码时，其莱斯码为122个“1”加上“0”加上“1”(二进位码)。但其长度大于16个位元，故以111111111111111100001010取代。
(e)电路
基于前述末尾舍入法则，可使得电路的设计变得非常单纯。上述关于压缩程序可以用一些简单的缓冲器(buffer)，及算术、逻辑运算子，如+，-，X，/，及比较运算来完成。对熟习此项技术人士而言，此一硬件线路的设计是多样化而具许多选择。
2、解压缩
如图3所示，本发明的解压缩方法包含四大程序：即统计图末尾舍入的回复22，莱斯码解码24，预测误差的映射34以及目前像素值的产生36。
(a)统计图末尾舍入的回复
首先，先确定被解压缩的码是否有前置值，其为16个前导“1”位元。如有，则于方框26中直接将后面的8位元值作为目前像素值。否则，此一码送至方框24作莱斯解码，以求得预测误差。
例如，如码值111111111111111100001010须作解压缩，吾人可用几个“与”门就可测得16个“1”值的存在。因此，直接将00001010作为像素值即可。
(b)莱斯码解码
于方框24中，利用前述莱斯编码法叙述中有关的相同准则，吾人先利用邻接像素值之差产生k参数值。依所获得之k值，可变长度莱斯码被解码后即可得到目前像素的预测误差e′。
例如，假如邻接像素的解码完成后分别得到像素值A＝130，B＝146。利用压缩时所用的准则，即Δ＝| A-B |，k＝α(Δ)，则k＝4。对莱斯码01011进行莱斯解码，其过程为：2k＝16，且无单进码，故「(n/16)」＝0，所以n＜16，1011＝11(十进位)，由(n mod 16)＝11，得n＝11。亦即经由解码，得到其预测误差e′＝11。
(c)预测误差e′，的映射：
获得预测误差e′后，采用反向映射即可得到目前像素值与预测值之差e。其详细的步骤如以下的程序：
{if(p＜128)
if(e′≤2*p)if(e′is odd)e=[e′2]+1]]>else e=-e′2]]>else e＝e′-pelse
if(e′≤2*p)if(e′is odd)e=[e′2]+1]]>else e=-e′2]]>
else e＝-e′-p }
(d)目前像素值的产生
目前像素的预测值由公式P＝(A+B)/2得到，此相同于压缩时所用的公式。最后，将预测值加上差值e，即可得到目前像素值，即X＝p+e。
(e)电路
本发明所采用的解压缩电路，如图4所示。其分别进行：(1)将像素码数据由目前行缓冲器(buffer)64送至莱斯解码器68进行解码，或送至统计图末尾舍入滤波器(filter)70，供取得八位元的像素原始值；(2)解码器68输出e′值至另一解码单元74以产生目前像素X值；(3)统计图末尾舍入滤波器70或解码单元74的输出被写入至写缓冲器(Write buffer)76；(4)写缓冲器的值送至输出缓冲器80。
当系统是采用32位元的总线时，缓冲器读-写运作最有效率的方式亦为32位元传输方式。输入缓冲器72接收并暂时储存被压缩影像数据，而输出缓冲器80暂时贮存并输出已解压缩的影像值至外围设备装置。每当它收到的数据超过32位元，则64位元长的写缓冲器76将32位元内容送至输出缓冲器80。
目前行缓冲器64及上一行缓冲器62皆为64元宽。有两个指标，目前行缓冲器指标66及上一行缓冲器指标64供分别指示其内有效内容值之长度。目前行缓冲器64内贮存待解压缩之码。当目前行缓冲器指标值小于32时，会从输入缓冲器72将一个32位元数据送给目前行缓冲器64。
由于统计图末尾舍入之安排，本发明最长的编码为24位元，每当一个32位元传输完毕时，在目前行缓冲器64内存在至少一待解压缩码等待被解压缩。上一行缓冲器62贮存邻近像素数据供解压缩之用。每当解码完成乙次，上行缓冲器指标值60减少8(位元)。同样地，当上一行缓冲器指标值小于32时，会从输出缓冲器80将一个32位元数据送给上一行缓冲器62。
PK单元67供产生参数k及预测值p，其由上一行缓冲器62及最后位元组缓冲器78分别取得邻接像素值A、B。
依据参数k值，莱斯解码器68将由目前行缓冲器64送来之码予以解码，解码的方式系检测第一个“0”位元，以检测尾随其后的k位元二进位码，经过运算及判断后，输出预测误差e′至解码单元74。
根据e′、P值，解码单元74算出差值e，以及利用公式X＝p+e，计算出X值，然后将其送至写缓冲器76以及最后位元组缓冲器78。
图5揭露一个解码单元74的实施例。其中，MUX代表多工器，ADD代表一个加法器，SUB代表一个减法器。图5中信号的意义分别为：ME＝e′ ， MEB＝ e′＝(255-e′)ME05＝e’/2 ， ME05B＝ e′/2＝(255-ME05)P2＝P*2 ， P2B＝(255-P2)ME_ODD ＝1 当e’为奇数，
＝0 当e’为偶数，P_GE_128＝1 当p＞＝128，
＝0 当p＜128