常规的以小波为基础的图象压缩系统采用对图象的两维正向小波 变换以便将图象变换成多个分波段。每一个这样的分波段都是原始图 象经过带通滤波并降低了分辨率的变型。这允许各分波段适合于用各 种方法进行压缩。重建原始图象时则要求所有这些分波段必须首先进 行去压缩，然后再利用逆向离散小波变换(IDWT)将这些分波段变换 回原始图象。
虽然本发明并不依赖于提升(下面将详细说明)，但它的实用性 将因提升而大大提高。本发明还利用平铺以允许随机及/或多分辨率访 问。
平铺在美国专利5,710,835(此后称为′835)有详细说明，它被合 并于此供参考。下面所说明的发明基本上与′835中所说明的系统是不 同的，因为′835系统是为了减少实施提升/平铺操作中所需的硬件而设 计的。相反，本发明是为了增加处理速度而设计的。在它的操作中， 本发明是平行地执行许多动作的，这实际上增加了所需硬件部件的数 量(这与′835中追求减少硬件部件的目标是直接相对立的)。′835专 利平铺有可能重叠的画面小块的图象，以便使重建时随机访问变得容 易。这也是为了减少处理用硬件的数量和降低所需的处理速度而做 的。如下面所述，本发明以最小的重叠画面来平铺每个分波段而不考 虑随机访问的问题。这是为了增加处理硬件的数量以便增加净处理速 度而做的。

因此，本发明的一个目的是提供一种处理信号的结构和方法，它 包括：通过向信号施加一次或多次正向离散小波变换(FDWT)而把 信号转换成各个分波段，如在ISO/IEC 15 444-1中所说明的Mallat 分解那样；将所得到的分波段划分成重叠的分波段子集；通过向重叠 的分波段子集施加一次或多次逆向离散小波变换(IDWT)以便将重叠 的分波段子集逆变换成信号子集；以及将所得到的信号子集进行组合 而重新产生信号。IDWT是并行地加到所有的分波段子集的。逆变换 操作包括对分波段子集实施提升以尽量减少在相邻重叠的分波段子集 之间所需的重叠。实施划分是为了尽量减少在相邻重叠的各分波段子 集之间的重叠。本发明还可以包括丢弃多余的样本值，它们是由于相 邻重叠的分波段子集之间的重叠而产生的。
因此，本发明包括利用逆向离散小波变换(IDWT)的图象压缩方 法，包括：将一组正向离散小波变换(FDWT)系数划分成两个或更 多个重叠的分波段子集；利用提升同时为每个子集实施IDWT(从而 使相邻的分波段子集之间的重叠成为最小)；重新组合分波段子集； 以及丢弃多余的作为相邻分波段子集之间的重叠的结果而产生的多余 的样本值。
本发明的一个优点在于加速了分波段数据的逆向离散小波变换 (IDWT)。这是通过将输入到IDWT的数据以特定的和重叠最小的 方式划分而完成的，以允许多个IDWT操作能够并行地在这些划分上 实施。本发明的另一个优点在于可以减少在多维IDWT中用于存储中 间值所需的存储单元的数量。本发明允许减少这种存储单元是因为这 些单元的所需长度是和进行逆变换的每个子集的长度成正比的。因 此，通过减小子集的长度，所需的存储单元的长度也可相应地减少。

从本发明的优选实施例的详细说明并结合附图可更好地理解上述 的和其它的目的、方面和优点，在这些图中：
图1是说明将一组分波段子集的数据分解为两个分部的原理图；
图2是说明预测滤波器的实施以产生高通分波段的原理图；
图3是说明更新滤波器的实施以产生低通分波段的原理图；
图4是说明作为ISO/IEC 15 444-1中的Legall 5-3整数滤波器对 的提升实施的栅格结构的原理图；
图5是说明作为ISO/IEC 15 444-1中的Debauchies 9-7滤波器对 的提升实施的栅格结构的原理图；
图6是说明作为ISO/IEC 15 444-1中的CRF 13-7滤波器对的提 升实施的栅格结构的原理图；
图7是说明对于Legall 5-3滤波器对的逆向离散小波变换的提升实 施的原理图；
图8是说明对于Legall 5-3滤波器对的逆向离散小波变换的提升 实施所作的一系列计算的表；
图9是说明分解提升实施的原理图；
图10是说明本发明一个实施例的流程图；
图11是为实现前面附图中所提出的本发明的计算机系统的透视 图。

本发明包括用来加快分波段数据的逆向离散小波变换(IDWT)的 系统和方法。这是通过将输入到IDWT操作的数据以特定的和最小重 叠的方式进行划分而完成的，从而允许对这些划分的多个IDWT操作 可以平行地实现。这种划分方案特别适合于利用“提升”技术实现的 IDWT方案。
对于设计和实现小波变换滤波器，提升是一种不同的途径。对于 给定的滤波器对，对于提升实现方案所得到的变换数据与利用褶积的 常规实现方案是完全相同的。
提升有下列好处。对存储器的需求下降了大约一半，这导致对于 多维的正向和逆向DWT明显地节约存储器。此外，提升简化了硬件的 实现方案而且图象边界在提升下更容易处理。另外，对任何给定的分 波段，输出数据是以光栅(raster)的次序产生的。但是，来自所有分 波段的数据是以交替方式产生的。提升对于得到和实现完美的重构滤 波器对是一种方便的手段。一旦内插滤波器选定后(即高通滤波器)， 低通滤波器可以方便地利用代数来构建。
提升包括三个基本步骤。首先图象被分割成奇数和偶数象素两个 序列。这是“懒”小波变换。第二，提升通过从偶数序列中的邻近的 象素的插补来预测奇数序列的象素，并发送这个预测序列和实际奇数 序列之间的差。第三，提升通过将偶数象素附加到从上面预测的奇数 序列得到的插补版本中而更新偶数象素的序列。这消除了混淆和其它 由2X分样(decimation)所引起的有害影响，这种2X分样是为了获 得偶数象素的序列而使用的。提升也发送已更新了的偶数序列。
如将所示，提升导致信号流图的简化的栅格结构。这允许在硬件 和软件中非常直接了当的实施。任一种利用经典的傅利叶变换而设计 的小波滤波器对可以被分解成这样的一对或多对预测-更新的步骤。 提升还可以用来设计利用傅利叶技术不易于设计出来的滤波器对。
下面来探讨如在ISO/IEC 15444-1中说明的Legall 5-3滤波器对 和Debauchies 9-7滤波器对的提升实现方案。
通过对在下面一节中说明的提升栅格的探讨可以发现，高通和低 通输出确实是输入样本的正确数值的函数。通过写出作为输入象素的 函数的这些栅格在每一级上的和值，可以看出，提升在代数上和相应 的滤波器对的褶积实现方案是等同的。
图1-4表明Legall 5-3滤波器对的实施步骤，此处高通滤波器＝ (-1/2，1，-1/2)。图1表示提升在何处将输入分割成偶数和奇数 序列。图2表明奇数序列的预测和从实际序列中减去预测的奇数序列。 图3表明通过对偶数序列的更新来减少混淆。图4表示前面三个步骤 (如图1-3)的组合导致一个易于实现的栅格结构。
通过图4中的从底向上的操作，可以看出提升结构确实实现了上 面所说的低通和高通滤波器。
Debauchies 9-7滤波器对(到小数点后4位)包括：高通滤波器＝ 〔0.0456，0.0288，0.2956，-0.5575，0.2956，0.0288，-0.0456〕和低 通滤波器＝〔0.0267，-0.0169，-0.0782，0.2669，0.6029，0.2669， -0.0782，-0.0169，0.0267〕。相应的提升系数为P1＝-1.586134342， μ1＝-0.05298011854；P2＝0.8829110762，μ2＝0.443568522。图1-4 所示的对Debauchies 9-7滤波器的处理导致如图5所示的栅格结构。
提升的优点可以从9-7滤波器对的栅格结构中看出。首先，提升 只需要4个不同的系数值，而不是原来的滤波器对所需要的9个值。 如果乘法是用查找表来完成的，这可以是一个显著的节省。其次，存 储器的要求是沿着对角线之一的5个存储单元，而不是常规的FIR褶 积结构所要求的9个。
在这些栅格结构(例如图4和5)的左和右边缘，可以使用对称的 边缘延伸以避免引入不需要的瞬变扰动和高频(不然的话它将降低压 缩效率)。幸运的是，提升结构容易调节到容纳这样的边缘延伸。更 具体说，在栅格的每个加法器中，当左侧的输入缺失时就让右侧的输 入增加两次。这是很容易实现的，即只要将刚刚在加法器前面的右侧 输入左移一次即可。与此相同，当右侧输入缺失时，左侧输入就增加 两次。
提升结构的操作序列相对来说是直接了当的。每当输入一个奇数 元素时，处理就往下进行并转向左边，沿着输入下面的第一对角线进 行一系列的左侧加法操作。这部分地完成了对一次高通和一次低通输 出的处理。每当输入一个偶数元素时，处理就往下进行并沿着所连接 的对角线往左，进行一系列的右侧加法操作。每个偶数输入完成了对 一次高通和一次低通的处理。
如果系数能正好用整数来表示，如5-3的例子中那样，那么最后 的离散变换是完全可逆的且不会导致任何损失。此外，如果整数是较 小的值，那么变换可以用移位和加法运算来实现，而不必用乘法。但 是，像上面所讨论的9-7例子，系数是无理数因而不能用整数来表示。 因此，9-7滤波决不能够完全没有损失。如果需要真正的没有损失的 压缩，这些系数可以用整数来近似，导致在去相关效率中的少量损失。 其它的整数滤波器(例如在图6中实现的ISO/IEC 15 444-1的13-7 滤波器对)可以给出比5-3滤波器对更好的总体性能，而且比无理的 9-7滤波器对更易于实现。
现在参考图7-8，这里说明了逆向Legall整数5-3离散变换的 硬件实现。这种实现需要三个存储单元，分别称作单元“A”，“B” 和“C”。这些单元可以包括用于垂直滤波的行存储器。
更具体说，图7表示作为栅格结构的10个单元行的逆向离散小波 变换。这个栅格的每一列相当于一个单独的存储单元(它可以是单独 一个字或一个行存储器)而列中的每一节点相当于在处理完成时该存 储单元的不同状态。对于这个滤波器对，如图7所示，只需要三个单 元A、B、和C。
一个给定的存储单元只有在两个条件满足后才能被重写。首先， 该单元必须已经完全被处理并送往输出。其次，该单元不能被要求做 任何将来的处理。在图7中在靠近栅格的左上角的乘-2与将H0输入 反映为L0输入有相同的效果，从而完成了所需的在左侧方面的对称边 缘延伸。与此相似，在图7中在栅格的右下角乘2具有与将H3和L4 输入反映为H4输入相同的效果，因此完成了所需的在右侧的对称边缘 延伸。
如图8所示每个LN导致两个“左侧”操作。每个HN导致一次存 储操作和两次“右侧”操作，产生X2N-1和X2N输出，如图8所示。X2N 输出只是这些右侧操作中之一的移位(除以4)。这些操作对不同的N 值是相似的，只是存储单元A、B、和C是循环置换的。一般说来，每 个LN或HN输入需要从两个或三个存储单元读入的数据，而所得到的 计算值则写入两个或三个存储单元中。有需要时可插入流水线寄存 器。所有在图8中给定行上所示的运算可以平行实施。注意，对每个 HN，在括号〔.〕中所示的运算对所有计算都是共同的。这些运算可以 做一次然后扇出，并且这是流水线寄存器的优越之处。
为了完成对称的边缘延伸，对L0和H0的运算是不同的，且两种运 算要被相加在H4之后。对于〔L1、H1、L2、H2、L3、H3〕的运算序列 表明了重复运算的模式。对水平滤波，处理如图8所示。但是，对于 垂直滤波，每一LN或HN包括一行而不是一个象素。因此，对于每个 LN或HN行，处理要在行中的每一单元上进行而同时保留相同的配置。
作为一个例子，对于H2行，读出行H2的第一单元、行存储A的 第一单元、以及行存储B的第一单元，然后实施所指明的计算。所得 结果则写到存储器C的第一单元、输出行X3的第一单元、输出行X4 的第一单元、和行存储B的第一单元。
读出行H2的下一单元、行存储器A的下一单元、以及行存储器B 的下一单元，再实施同样的指定的计算。然后把结果写入行存储器C 的下一单元、X3中输出的下一单元、输出行X4的下一单元、和行存储 器B的下一单元。这一序列被重复直到输入行H2的所有单元都被处理 过。
当读出下一个输入行(L3)时，为L3配置所示的运算被执行：数 据从行L3、行存储器B、和行存储器A及C的相应单元中读出。重复 这一步骤到行L3的所有单元都被处理。
本发明能够最容易地理解的是考虑一个被分解成一对“低通”和 “高通”分波段的信号，这些分波段是由褶积或FDWT的提升实现方 案所产生的。原始信号可以通过应用IDWT而重建，它包括对每一分 波段的2∶1上采样，然后是对带有有限范围的离散小波的每个上采样分 波段的褶积，然后把两个所得的信号相加在一起以便完整地重建原始 信号。在实践中，提升将非常有效地合并这些重建步骤。
如果每个分波段分成左半部分和右半部分，如图9所示，则在划 分边界，对左半部分的提升操作的每一阶段和右半部分的一个样本会 重叠。反过来，对右半部分的提升操作的每个阶段和左半部分的一个 样本会重叠。因此，左半部分可以这样来等值地重建：首先将每个分 波段(L2和H2)的右半部分的最左边低通和高通样本附加到每个分波 段的左半部分上，如图9所示，然后实现提升操作。右半部分可以这 样来等值地重建：首先将每个分波段(H1)的左半部分的最右边高通 样本以相似的方式附加到每个分波段的右半部分上，然后实现提升操 作。然后将所得的左半和右半的重建结合在一起以形成完整的重建信 号。这个重建信号和对完整的分波段施加提升操作所产生的信号是一 致的。
图9所示的方法的优点是多个提升操作可以平行地进行，但每个 操作只处理比以前数量少得多的样本。这样，如果每个栅格结构被分 成两半，那么提升操作的数量就减半因而总的处理时间也减半，类似 地，如结构一分为三，提升操作的时间也减少成为原来的三分之一， 并依此类推。
虽然本发明是参照图象处理而说明的，但它同样可以用于任何形 式的使用离散小波变换的信号处理。例如，本发明可以方便地用于与 音频、视频等相关的信号。如图10中的流程图的形式所示，本发明这 样来处理这些信号：首先通过采用正向离散小波变换(FDWT)处理 信号以便把信号转换成分波段100，然后对信号进行压缩、存储、发送 等等。当信号要恢复到原来状态时，分波段被划分(102)成分波段子 集。重叠的分波段子集通过采用至少一次逆向离散小波变换(IDWT) 而平行地进行逆变换(104)成为信号子集，信号子集被组合(106) 以再现信号。
在优选实施例中，IDWT平行地加到所有的分波段子集。逆变换 可包括提升以尽量减少邻近的分波段子集之间的重叠。类似地，要进 行划分以尽量减少相邻的重叠分波段子集之间的重叠。本发明还丢弃 由于相邻分波段子集之间的重叠而产生的多余的样本值。这种变换将 分波段分成高通分波段组和低通分波段组。如果FDWT是多级的，则 IDWT同时加到多级FDWT的每一级。
在一个优选形式中，本发明利用逆向离散小波变换来压缩图象， 为此，先是将正向离散小波变换的一个系数集合划分成两个或更多个 重叠的分波段子集，然后同时对每个子集进行逆向变换(使用提升以 尽量减少相邻分波段子集之间的重叠)，再重新组合分波段子集，最 后丢弃同相邻分波段子集之间的重叠而引起的多余样本值。
如果该划分是一个多级FWDT，则对该多级FDWT的每一级同时 施加IDWT。更具体说，如果该划分是二级FDWT，则IDWT同时加 到两级FDWT的每一级。这样，例如，划分可能是一种Mallat两维 FDWT。如在本技术中熟知的，Mallat变换包括在两个可分开的维的 每一个中对前面的这样的两维FDWT的低频分波段递归地施加一个两 维的FDWT。
原始的分波段可以用这种方式以所需要的次数进行分割以便允许 按所需的次数平行地进行多次的提升操作。必须进行处理的样本总数 只是稍微增加，其增加量等于在每一提升阶段重叠样本的总数。在图9 所示的Legall 5-3滤波器对的特定情况下，增加的数量仅是每一分割 3个样本。这种方法在正向变换时并不需要对处理作任何修改，它只是 不止一次地使用某些变换过的系数。
虽然本发明的总体方法已在上面说明，但本发明可以在任何数量 的不同类型的系统中实施而且以任何数量的不同方法来执行，就像本 领域的普通技术人员所知道的那样。例如，参考图11，那里说明了一 种实现本发明的计算机系统110。虽然计算机系统110是为了说明优选 实施例的目的而显示的，但本发明并不局限于所示的计算机系统110， 而是可以用于任何电子处理系统上。计算机系统110包括以微处理器 为基础的单元112，用于接收及处理软件程序并执行其它处理功能。显 示器114在电气上连接到以微处理器为基础的单元112上，用于通过 例如图形用户接口来显示与软件相关联的与用户有关的信息。键盘116 也连接到以微处理器为基础的单元112上以允许用户将信息输入到软 件中。作为利用键盘116用于输入的一种替代，可以使用鼠标118来 移动显示器114上的选择器120并用来选择被选择器120覆盖的选项， 这在本技术中是熟知的。
一个光盘只读存储器(CD-ROM)22连接到以微处理器为基础 的单元112，用以接收软件程序并用于经过光盘124而提供一种向以微 处理器为基础的单元112输入软件程序和其它信息的装置，它一般还 包括软件程序。按照本发明，这个软件程序可以包括这里所说明的图 象评价程序，以及利用它的输出的程序(例如自动图象数据库分类程 序)。此外，软盘126可以包含软件程序，并插入以微处理器为基础 的单元112以便输入软件程序。再进一步，如在本技术中熟知的，以 微处理器为基础的单元112可以被编程以用来在内部存储软件程序。 以微处理器为基础的单元112还可以有一个网络连接装置127，(例如 电话线)以便连接到外部网络，如局域网或因特网。这样，程序就可 以存储在远程的服务器中，并在需要时从那里访问或下载。打印机128 连接到以微处理器为基础的单元112，用于打印计算机系统110输出的 硬拷贝。
图象也可以经由个人计算机卡(PC卡)130而显在显示器114上， 这种卡就如以前所知的，是PCMCIA卡(根据个人计算机存储卡国际 协会的规范)，它包括以电子方式实现在卡130上的数字化图象。PC 卡130最终要插入到以微处理器为基础的单元112中以允许在显示器 114上显示可见图象。图象也可以经过光盘124、软盘126和网络连接 装置127输入。任何存储在PC卡130、软盘126或光盘124中的、或 通过网络连接装置127输入的图象可以从各种来源得到，这些来源例 如是数字相机(未示出)或扫描器(未示出)。系统将自动地实施上 面讨论的方法并输出解压缩的图象系统显示器114、打印机128或送回 网络127。
本方法可以用于多级变换，因为在每一附加的变换级上都会发生 相似的系数重叠。本方法也可用于两维小波变换的一个维或两个维 中。
虽然本发明是用一个单独的优选实施例说明的，但熟悉本技术的 人们会理解本发明可以在所附权利要求的精神和范围内进行修改和改 变。