Compresión y expansión de datos de una señal de información digital.

Aparato de compresión de datos para someter a compresión de datos una señal de información digital,

comprendiendo el aparato de compresión de datos

- medios (1) de entrada para recibir la señal de información digital,

- medios (156) de determinación de señal de probabilidad para determinar una señal de probabilidad apartir de la señal de información digital,

- medios (10) de codificación por entropía para codificar por entropía la señal de información digital enrespuesta a dicha señal de probabilidad de modo que se obtiene una señal de información digital sometidaa compresión de datos, y

- medios (14) de salida para suministrar la señal de información digital 15 sometida a compresión de datos,en el que los medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para determinar un nuevovalor de dicha señal de probabilidad a partir de la señal de información digital y al menos un valordeterminado previamente de dicha señal de probabilidad, y caracterizado porque los medios dedeterminación de señal de probabilidad están adaptados para realizar el siguiente cálculo:donde las estimaciones de probabilidad Pk+1(1) y Pk(1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bkes el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 ≤ i ≤ m/2 y m esun número entero >1.

Compresión y expansión de datos de una señal de información digital.

La invención se refiere a un aparato de compresión de datos para someter a compresión de datos una señal de información digital. El aparato de compresión de datos comprende

- medios de entrada para recibir la señal de información digital,

- medios de determinación de señal de probabilidad para determinar una señal de probabilidad a partir de la señal de información digital,

- medios de codificación por entropía para codificar por entropía la señal de información digital en respuesta a dicha señal de probabilidad de modo que se obtiene una señal de información digital sometida a compresión de datos, y

- medios de salida para suministrar la señal de información digital sometida a compresión de datos.

La invención se refiere además a un método de compresión de datos, un transmisor que comprende el aparato de compresión de datos, un aparato de grabación que comprende el aparato de compresión de datos, un soporte de grabación que tiene la señal de información digital sometida a compresión de datos grabada en el mismo en una pista de dicho soporte de grabación, a un aparato de expansión de datos para someter a expansión de datos una señal de información digital sometida a compresión de datos, a un método de expansión de datos, un receptor que comprende el aparato de expansión de datos y a un aparato de reproducción que comprende el aparato de expansión de datos.

En la técnica se conocen bien la compresión de datos en una señal de información digital. Se hace referencia a este respecto al documento WO98/16014. El documento describe un aparato de compresión de datos para someter a compresión de datos una señal de audio. La señal de audio está en forma de una señal de flujo de bits. El aparato comprende un codificador aritmético y una unidad de determinación de probabilidad. La unidad de determinación de probabilidad determina un valor de probabilidad que indica la probabilidad de que un bit en la señal de flujo de bits recibida tenga un valor lógico predeterminado, tal como ‘1’. El codificador aritmético codifica la señal de flujo de bits en una señal de flujo de bits sometida a compresión de datos en respuesta a valores de probabilidad p suministrados a su entrada. Otro ejemplo de un codificador aritmético se describe en “A New Fast Approximate Arithmetic Coder” por Abbie Barbir, System Theor y , 1996, Proceedings of the 28th Southesteam Symposium on

Baton Rouge, LA, USA, IEEE, XP010158627.

La codificación aritmética es una técnica bien conocida para codificar por entropía. Para una introducción a la codificación aritmética, el lector puede consultar por ejemplo [Moff98, Penn93, Witt87, Lang84]. Cuando se facilita un símbolo de entrada e información de probabilidad asociada, el codificador aritmético puede comprimir el símbolo de entrada muy cerca del límite inferior teórico, conocido como entropía. Se han realizado muchas investigaciones sobre la implementación eficaz de la codificación aritmética, intentando encontrar el mejor equilibrio entre la complejidad de la implementación y la eficacia de compresión (es decir cómo de cerca está la eficacia al límite teórico) . Se facilitó una solución de baja complejidad particularmente eficaz en [Vleu00, Vleu99].

45 La información de probabilidad mencionada anteriormente se obtiene a partir del modelo. Basándose en ciertas suposiciones sobre los símbolos de entrada que van a comprimirse, el modelo deriva las distribuciones de probabilidad de los símbolos y proporciona la información de probabilidad junto con el símbolo al codificador aritmético (y decodificador) . Por ejemplo, se facilitan modelos para el caso de compresión de señal de audio binaria en [Vleu98b, Vleu98a, Vleu01].

Un modelo popular para datos binarios generales, usado por ejemplo en [Dutt95, Moff98] es estimar la probabilidad como

donde P (0) es la probabilidad de que el siguiente bit sea un cero, C (0) es el número de bits cero que se han observado, C (1) es el número de bits uno que se han observado, y L es una constante para proporcionar una estimación inicial cuando aún no se han observado datos; normalmente L = 0, 5 o L = 1. La estimación de (1) asume implícitamente que la secuencia de bits que va a comprimirse es estacionaria. En la práctica, sin embargo, la estadística cambiará dependiendo de la posición en la secuencia de bits. Por tanto, a menudo se aplica un cambio de escala a los recuentos de bits C (0) y C (1) [Dutt95]. Por ejemplo, cuando o bien C (0) o bien C (1) o bien C (0) + C (1) alcanza un cierto valor, tanto C (0) como C (1) pueden simplemente dividirse entre dos. Mediante la elección particular del valor que provoca el cambio de escala puede realizarse un compromiso entre una adaptación más rápida y más lenta para cambiar la estadística y la precisión de la estimación de probabilidad. Finalmente, una implementación práctica de la codificación aritmética a menudo usa múltiples contextos (véase por ejemplo [Dutt95]) ; las probabilidades se determinan entonces por separado para cada contexto diferente usando diferentes contadores C (0) y C (1) para cada contexto y usando estos recuentos según (1) para obtener una P (0) separada para cada contexto.

Por tanto, tal como se aclara a partir de (1) , obtener la probabilidad estimada requiere una división. Esto aumenta significativamente la complejidad de la implementación de la codificación aritmética, en particular en hardware. De hecho, se han realizado muchas investigaciones sobre implementaciones libres de multiplicación de la codificación aritmética (véase por ejemplo [Vleu00]) y la complejidad de una división es incluso mucho mayor que la complejidad de una multiplicación. Por tanto, eliminar esta división es esencial para obtener una implementación eficaz.

Una solución conocida para eliminar la división es integrar la estimación de probabilidad y el motor de codificación aritmética, tal como se hace para el codificador Q [Penn88, Dutt95]. Sin embargo, la desventaja de este enfoque es que sólo puede usarse un conjunto limitado de probabilidades (para limitar el tamaño de las tablas de consulta necesarias para implementar el modelo) , lo que afecta a la eficacia de compresión de la implementación de codificación aritmética. Además, hace que el modelo sea inflexible. En otra solución conocida, que usa los recuentos de símbolos (de modo que el modelo aún es flexible) pero aún aproxima las probabilidades, se describe en [Riss89, Mohi87]. Sin embargo, la aproximación de probabilidades reduce la eficacia del método de compresión.

La invención tiene como objetivo proporcionar un aparato de compresión/expansión de datos para someter a compresión/expansión de datos una señal de información digital que tiene una implementación eficaz.

El aparato de compresión de datos según la invención caracterizado porque los medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para determinar un nuevo valor P de la señal de probabilidad a partir de la señal de información digital y al menos un valor determinado previamente de la señal de probabilidad en el que determinar la señal de probabilidad comprende realizar el siguiente cálculo:

donde las estimaciones de probabilidad Pk+1 (1) y Pk (1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bk es el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 : i : m/2 y m es un número entero > 1.

Usando al menos un valor determinado previamente p de la señal de probabilidad para determinar un nuevo valor P puede eliminarse una división compleja. Una división compleja es una división entre una variable o una división entre una constante que tiene un valor f 2m, siendo m un número entero > 0. La idea básica es calcular la estimación de probabilidad mediante una operación de filtro de “promedio de ejecución” en lugar de contando las frecuencias de símbolo. Este cálculo puede implementarse usando sencillas operaciones de desplazamiento y adición y está por tanto libre de divisiones complejas. El método para determinar el valor de probabilidad P según la invención puede combinarse fácilmente con muchas implementaciones de codificación aritmética y se ajusta particularmente bien a la solución previa para codificación aritmética libre de multiplicación [Vleu00].... [Seguir leyendo]

1. Aparato de compresión de datos para someter a compresión de datos una señal de información digital, comprendiendo el aparato de compresión de datos

- medios (1) de entrada para recibir la señal de información digital,

- medios (156) de determinación de señal de probabilidad para determinar una señal de probabilidad a partir de la señal de información digital,

- medios (10) de codificación por entropía para codificar por entropía la señal de información digital en respuesta a dicha señal de probabilidad de modo que se obtiene una señal de información digital sometida a compresión de datos, y

- medios (14) de salida para suministrar la señal de información digital sometida a compresión de datos,

en el que los medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para determinar un nuevo valor de dicha señal de probabilidad a partir de la señal de información digital y al menos un valor determinado previamente de dicha señal de probabilidad, y caracterizado porque los medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para realizar el siguiente cálculo:

donde las estimaciones de probabilidad Pk+1 (1) y Pk (1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bk es el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 : i : m/2 y m es un número entero > 1.

2. Transmisor para transmitir una señal de información digital por medio de un medio de transmisión, que comprende el aparato de compresión de datos según la reivindicación 1, comprendiendo el transmisor además

- medios de transmisión para aplicar la señal de información digital sometida a compresión de datos al medio de transmisión.

3. Aparato de grabación para grabar una señal de información digital en un soporte de grabación, que comprende el aparato de compresión de datos según la reivindicación 1, comprendiendo el aparato de grabación además

- medios de escritura para escribir la señal sometida a compresión de datos en una pista en el soporte de grabación.

4. Aparato de grabación según la reivindicación 3, en el que el soporte de grabación es un soporte de grabación óptico o magnético.

5. Transmisor según la reivindicación 2, comprendiendo el transmisor además medios de codificación por corrección de errores y/o medios de codificación por canal, para codificar por corrección de errores y/o codificar por canal la señal de información digital sometida a compresión de datos antes de aplicar la señal de información digital sometida a compresión de datos al medio de transmisión.

6. Aparato de grabación según la reivindicación 3, que comprende además medios de codificación por corrección de errores y/o medios de codificación por canal, para codificar por corrección de errores y/o codificar por canal la señal de información digital sometida a compresión de datos antes de escribir la señal de información digital sometida a compresión de datos en el soporte de grabación.

7. Método para someter a compresión de datos una señal de información digital, comprendiendo el método las etapas de:

- recibir la señal de información digital,

- determinar una señal de probabilidad a partir de la señal de información digital,

- codificar por entropía la señal de información digital en respuesta a dicha señal de probabilidad de modo que se obtiene una señal de información digital sometida a compresión de datos, y

- suministrar la señal de información digital sometida a compresión de datos,

en el que la etapa de determinar la probabilidad está adaptada para determinar un nuevo valor de dicha señal de probabilidad a partir de la señal de información digital y al menos un valor determinado previamente de dicha señal de probabilidad; y caracterizado porque determinar la señal de probabilidad comprende realizar el siguiente cálculo:

donde las estimaciones de probabilidad Pk+1 (1) y Pk (1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bk es el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 : i : m/2 y m es un número entero > 1.

8. Soporte de grabación que tiene una señal de información digital sometida a compresión de datos grabada en el mismo en una pista de dicho soporte de grabación, obteniéndose la señal de información digital sometida a compresión de datos mediante el método según la reivindicación 7.

9. Aparato de expansión de datos para someter a expansión de datos una señal de información digital sometida a compresión de datos de modo que se obtiene una réplica de una señal de información digital original, comprendiendo el aparato de expansión de datos

- medios (50) de entrada para recibir la señal de información digital sometida a compresión de datos,

- medios (172) de decodificación por entropía para decodificar por entropía la señal de información digital sometida a compresión de datos en respuesta a una señal de probabilidad de modo que se obtiene dicha réplica,

- medios (180) de determinación de señal de probabilidad para generar dicha señal de probabilidad a partir de dicha réplica,

- medios (64) de salida para suministrar la réplica,

en el que dichos medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para determinar un nuevo valor de dicha señal de probabilidad a partir de la réplica y al menos un valor determinado previamente de dicha señal de probabilidad; y caracterizado porque los medios de determinación de señal de probabilidad están adaptados para realizar el siguiente cálculo:

donde las estimaciones de probabilidad Pk+1 (1) y Pk (1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bk es el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 : i : m/2 y m es un número entero > 1.

10. Receptor para recibir una señal de información digital por medio de un medio de transmisión, que comprende el aparato de expansión de datos según la reivindicación 9, comprendiendo el receptor además

- medios de recepción para recuperar la señal sometida a compresión de datos a partir del medio de transmisión.

11. Aparato de reproducción para reproducir una señal de información digital a partir de un soporte de grabación, que comprende el aparato de expansión de datos según la reivindicación 9, comprendiendo el aparato de reproducción además

- medios de lectura para leer la señal sometida a compresión de datos a partir de una pista en el soporte de grabación.

12. Receptor según la reivindicación 10, comprendiendo el receptor además medios de decodificación por canal y/o medios de corrección de errores, para decodificar por canal y/o corregir errores de la señal recuperada a partir del medio de transmisión de modo que se obtiene dicha señal sometida a compresión de datos

13. Aparato de reproducción según la reivindicación 11, que comprende además medios de decodificación por

canal y/o medios de corrección de errores, para decodificar por canal y/o corregir la señal leída a partir del soporte de grabación de modo que se obtiene dicha señal sometida a compresión de datos.

14. Método de expansión de datos para someter a expansión de datos una señal de información digital sometida a compresión de datos de modo que se obtiene una réplica de una señal de información digital original, comprendiendo el método de expansión de datos las etapas de:

- recibir la señal de información digital sometida a compresión de datos,

- decodificar por entropía la señal de información digital sometida a compresión de datos en respuesta a una señal de probabilidad de modo que se obtiene dicha réplica,

- generar dicha señal de probabilidad a partir de dicha réplica,

- suministrar la réplica,

en el que dicha etapa de determinación de señal de probabilidad está adaptada para determinar un nuevo valor de dicha señal de probabilidad a partir de la réplica y al menos un valor determinado previamente de dicha señal de probabilidad; y caracterizado porque dicha etapa de determinación de señal probabilidad comprende realizar el siguiente cálculo:

donde las estimaciones de probabilidad Pk+1 (1) y Pk (1) son números enteros sin signo en el rango 0...2m y bk es el bit de entrada más nuevo con un valor de 0 ó 1, e i es un número entero en el rango 0 : i : m/2 y m es un número entero > 1.