EP1428392A2 - Procede et dispositif pour la compression de donnees devant etre transmises avec un debit constant - Google Patents

Procede et dispositif pour la compression de donnees devant etre transmises avec un debit constant

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EP1428392A2
EP1428392A2 EP02798008A EP02798008A EP1428392A2 EP 1428392 A2 EP1428392 A2 EP 1428392A2 EP 02798008 A EP02798008 A EP 02798008A EP 02798008 A EP02798008 A EP 02798008A EP 1428392 A2 EP1428392 A2 EP 1428392A2
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EP
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block
data
index
memory
parameter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02798008A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Yves Bobichon
Frédéric Falzon
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Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for compressing data, in particular images, to be transmitted with a constant bit rate.
  • It relates more particularly, but not exclusively, to such a device which is intended for transmitting image data from a satellite.
  • an earth observation satellite comprises a plurality of sensors continuously transmitting images of terrestrial areas.
  • the number of sensors and the resolution of an image are such that the data to be transmitted exceeds the capacities of the transmission channel. It is therefore necessary to use a process for compressing the image data which does not degrade their visual quality.
  • DCT discrete cosine transform
  • TO wavelet transform
  • the compressor output rate is a function of the entropy of the input signal.
  • entropy * • we mean the amount of information contained in the input signal.
  • the entropy of an urban landscape is, for example, greater than the entropy of a uniform landscape. Since the sensors scan constantly changing landscapes, the entropy of the input signal varies and so does the output bit rate. However, this variation is not conducive to optimal use of the transmission channel from satellite to earth. For this optimization, it is preferable that the flow rate is constant. It is therefore necessary to minimize the output fluctuations by means of flow regulation.
  • FIG. 1 represents a known compression device comprising a regulation.
  • images acquired on board a terrestrial satellite are processed by blocks of lines, each block comprising for example eight lines.
  • the blocks are represented by elongated rectangles identified by the indices n + 1, n + 2, n + 3, ....
  • the current block, of index n first undergoes a transformation 12 which is a transformation of the orthogonal or bi-orthogonal type performing a decorrelation of the data and which provides a set T (n) of transformed coefficients.
  • These coefficients are quantified using a block 14 using a quantization step Q (n) which is a function, in particular, of the desired bit rate and of the entropy of the data T (n).
  • each coefficient produced by the transformation 12 is coded on a certain number of bits and the quantifier aims to reduce this number of bits so as to satisfy the output rate constraint as explained below.
  • the quantization step Q (n) is made to depend on a regulation operation 16.
  • the quantized data are transmitted to the input of a regulation memory, or buffer memory 18, via of an encoder 20.
  • This encoder 20 performs a so-called entropy or variable length encoding, for example of Huffman encoding, which assigns the smallest number of bits to the data values which appear most often and the largest number of bits to the values that appear less often.
  • the data thus compressed are transmitted with a constant rate Rc.
  • the block 16 has a setpoint input 22 on which the flow rate Rc imposed on the data output from the memory 18 is applied.
  • This block 16 outputs the value of the quantization step Q (n) applied to the 'control input 14 ] _ of the quantization block 14.
  • the block 16 comprises a servo element 26 receiving, on an input 22, the reference flow Rc as well as, on an input 26 ⁇ , a data representing the flow produced by the encoder 20.
  • This flow of output from encoder 20 is denoted P (n).
  • P (n) is not the bit rate produced by the line block with index n but the most recent measurable value of the bit rate produced by the coder at the time of allocation of the line block with index n.
  • the output rate of the encoder 20 is also applied to the input of an error correcting element 28 which has another input receiving the output of the servo element 26.
  • the error-correcting element 28 takes account of the bit rate allocated by the servo 26 and the product bit rate P (n) by the preceding line blocks and returns on its output the bit rate Rc '(n) allocated to the block of current lines.
  • the output of element 28 is applied to the input 30 ⁇ of a calculation element 30 of the quantization step Q (n).
  • the calculation element 30 also includes an input 30 2 receiving the output data T (n) from the transformation element 12.
  • the class 30 the element 'modules (values absolute) of the coefficients T (n) in decreasing order of values, the highest modulus coefficients thus having the lowest ranks and the zero coefficients occupying the last ranks. This classification is represented on the diagram of figure la.
  • the calculation element 30 divides by a fixed parameter ⁇ , the flow rate Rc '(n) applied to its input 30 ⁇ .
  • the parameter ⁇ is a fixed parameter ⁇ , the flow rate Rc '(n) applied to its input 30 ⁇ .
  • M The closest integer to this quotient is denoted M and constitutes a row on the abscissa of FIG. To this rank corresponds one of the coefficients T (n) via the curve of the ordered coefficients and it is this coefficient which serves as the basis for determining the quantization step applied to the input 14 1 of block 14.
  • This method of calculating the quantification step is based on a study carried out by Stéphane MALLAT and Frédéric FALZON, described in the Article entitled “Analysis of low bit rate image transform coding", and published in “IEEE transactions on signal processing, vol. 6, n ° 4, pp 1027-1041 "of April 1998.
  • this study shows that the quantization step thus determined from the rank coefficient M provides the lowest distortion after quantification of the coefficients T (n).
  • This compression and flow regulation device allows very precise and inexpensive regulation in calculation time.
  • the allocation model used in this known method of regulation was obtained by issuing a regularity hypothesis on the signals to be compressed. It follows that signals which do not belong to the class of those satisfying this hypothesis are naturally not treated with the same precision. This concerns constant or slightly variable signals, that is to say, carrying little information. Knowing that, in the images, the variability (areas of high regularity mixed with areas of low regularity) of the landscape is generally important it would be necessary, in all rigor, that the allocation model adapts to this variability so that 1 the compressed image does not suffer from a quality deficit in certain areas.
  • the inventors propose to make variable the parameter ⁇ of the allocation rule used for determining the quantification step.
  • the digital data compression method in which the output data rate is constant comprises, according to the invention, for each block of lines to be processed, a servo which takes account of the measured speed for at least the previous block and preferably the flow measured for a plurality of successive blocks preceding this current block.
  • the invention is based on the observation that the parameter ⁇ varies little between two -blocks of adjacent lines and, thus, the value of ⁇ of the preceding block, or of a series of preceding blocks, constitutes a good estimator of the current value of ⁇ .
  • ⁇ is varied as a function of the values of ⁇ measured on the blocks of lines already coded.
  • the invention thus relates, in general, to a method for the compression and transmission of digital data, in particular of images, at constant bit rate comprising the following steps: - separation of the input data into data blocks, transformation of each block by an orthogonal or bi-orthogonal transformation, quantification of the coefficients obtained by the transformation, - entropy coding of the quantized coefficients, temporary saving of the data resulting from coding in a buffer memory, evacuation of a determined number of bits from the memory for each block of digital data, and - adjustment, by slaving, of the quantization step to obtain, after coding, a number of bits close to the number of bits evacuated by the memory for each block of data, this slaving being carried out on the basis of a measurement of the bit rate produced by the entropy coding, which is characterized in that the slaving takes account of the bit rate of measured data for at least the previous block.
  • the slaving takes account of the flow measured for a plurality of successive blocks preceding the current block.
  • the coefficients obtained after the orthogonal or bi-orthogonal transformation are, in a preferred embodiment, ordered by decreasing modules and the quantization step is obtained from the modulus of the coefficient whose rank is equal to the nearest integer of the relationship between the targeted flow rate and a parameter ⁇ e (m), this parameter ⁇ e (m) being estimated for each block as a function of the parameter ⁇ m (n) measured for at least one preceding block.
  • the parameter ⁇ e (n) it is advantageous for the parameter ⁇ e (n) to be estimated from the values ⁇ m (m) measured for a plurality b of previous data blocks, this parameter ⁇ e (n) being calculated by the following formula:
  • ⁇ m (n) is the value of ⁇ measured for the block of index n
  • r is the regulation delay (r ⁇ 1)
  • ⁇ (i) is a weighting coefficient such that: b-1
  • the values ⁇ m (n) are calculated from the following relation:
  • Rc '(n) being the number of bytes allocated by the servo to the block of index n and NINT the nearest whole-rounding function.
  • the flow Rc '(n) allocated to the block of index n can be calculated as a function of the last measurable level in the buffer memory.
  • the flow rate Rc '(n) can be determined by the following formula:
  • Rc is the number of bytes of memory that must be cleared for each block
  • N 0 is the setpoint level and the initial level of the buffer memory
  • T is a time constant
  • r is a strictly positive integer corresponding to a regulation delay.
  • the constant T is for example between 1 and 10.
  • the number b and / or the values ⁇ (i) are for example fixed from one block to another.
  • the number b and / or the values ⁇ (i) are variable from one block to another as a function of statistical properties calculated on known values of ⁇ m.
  • the number b and / or the coefficients ⁇ (i) can vary according to the correlation coefficient between known values of ⁇ m.
  • the digital data are image data, and each block of data corresponds to an entire image or to a determined number of lines of this image, for example 8. This method can be applied to the transmission of images of terrestrial areas acquired continuously by sensors on board an earth observation satellite.
  • FIG. 1 and FIG. 1a represent respectively a known device for compressing digital data and a diagram which illustrates how, in such a device, the quantization step Q (n) is calculated from the ordered coefficients T (n) and from the flow rate Rc '(n) allocated to the current block
  • FIG. 2 is a diagram of a device according to the invention
  • FIG. 3 is a flow diagram illustrating the operation of the servo device shown in FIG. 2.
  • the device represented in FIG. 2 comprises, like that of FIG. 1, a compression member 40 comprising a decorrelator 12 which is, in known manner, a member for orthogonal or bi-orthogonal transformation, such as a cosine transform or a wavelet transform.
  • This member 40 also has a quantizer 14 connected to the output of the decorrelator 12 and a variable rate coder 20.
  • a regulation buffer memory 18 is provided. This device differs from that represented in FIG. 1, mainly by the realization of regulation 50.
  • the decorrelator 12 receives the data to be compressed which is supplied by an optical image sensor (not shown), performing an acquisition of images read line by line and, in the device, the data is processed by blocks of lines, each block comprising, in this example, eight lines.
  • the variable rate coder 20 fills the buffer memory 18 and it is the output 18 ⁇ of the memory 18 which is connected to a transmission channel whose rate must be constant. This constant flow is noted Rc. In other words, for each block of lines the coder 20 must deliver a bit rate Rc equal to that debited by the memory 18.
  • the quantization step Q (n) is, for each block of lines of index n, chosen by the function of regulation 50 to obtain a rate Rc at the output of the encoder 20.
  • regulation does not make it possible to obtain that at each block of lines, the memory 18 is loaded with a number of bytes strictly equal to Rc.
  • the memory 18 makes it possible to absorb the variations in flow rate at the output of the compression member 40.
  • the output rate of the member 40 is as close as possible to the target Rc. It is recalled here that on board a satellite the sizes of all the components must be minimized.
  • This regulation 50 consists of a function (or element) for calculating the quantization step 56 similar to that presented in FIG. 1a and of a function (or element) of servo-control 54 which is the subject of the invention.
  • This control element 54 has an input 54 ] _ to which the setpoint Rc is applied and an input 54 2 receiving from the output of the member 40, the value P (n) of the flow produced by the encoder 20 for each block of lines n.
  • the servo element 54 calculates the rank M which is applied to the input 56 ⁇ of the element 56 for calculating the quantization step Q.
  • the calculation of the step is performed, as in FIG. la, as a function of the data T (n) obtained at the output of the decorrelator 12.
  • the output of the quantization step calculation element 56 is connected to the control input 14 ] _ of the quantizer 14.
  • the regulation is based on a model making it possible to predict the step Q (n) as a function of the flow allocated by the servo module, this model involving the fixed parameter ⁇ .
  • this model making it possible to predict the step Q (n) as a function of the flow allocated by the servo module, this model involving the fixed parameter ⁇ .
  • Rc '(n) allocated to the current line block is calculated so as to correct a posteriori the prediction error observed on the previously compressed line blocks.
  • prediction error The difference between the number of bytes allocated to a block of lines and the number of bytes actually produced by this same block of lines.
  • the servo element the inputs of which are Rc and P (n), therefore provides a measure of the variations in the filling rate of the buffer memory (at each block of lines, the memory is filled with P (n) bytes and empties of Rc bytes) which results from this prediction error and allocates a rate Rc '(n) to each block of lines so as to maintain the content of the buffer memory at a level as close as possible to a fixed level NQ , that is to say so that the filling rate varies as little as possible.
  • the control element calculates for each block of lines of index n a rank M (n) which is the closest integer of the
  • Element 56 calculates the quantization step Q (n) which is equal to the modulus of the coefficient having this rank M (n) in the sequence of the ordered coefficients T (n).
  • the present invention departs from the device known by the fact that, instead of correcting a prediction error, the value of the parameter ⁇ is dynamically evaluated for each block of lines of index n.
  • the enslavement according to the invention is based on the observation that the prediction error observed is the consequence of an error on the value of the parameter ⁇ used to determine the quantization step.
  • ⁇ e (n) is the a priori estimate of ⁇ for the current line block
  • ... ⁇ m (n) is the value of ⁇ measured for the block of lines of index n
  • r is the regulation delay (r ⁇ 1)
  • - b is the number of line blocks taken into account in the estimation of ⁇ e (n). This number b can be fixed or variable from one block of lines to another depending on statistical properties (correlation coefficient for example) calculated on the known values of ⁇ m.
  • the values ⁇ (i) can be fixed or variable from one block of lines to another depending on statistical properties (correlation coefficient for example) calculated on the known values of ⁇ m.
  • the coefficient ⁇ m (n) has the value: INCORPORATE
  • P (n) is the bit rate produced at the output of the coder 20 by the block of lines of index n, the multiplying coefficient 8 taking account of the fact that the value of ⁇ is generally expressed in number of bits per coefficient and the throughput produced in bytes per block of lines.
  • M (n) is the rank of the coefficient which makes it possible to obtain the quantization step Q (n) in the set of ordered coefficients T (n) provided by the transformation element 12 for the block of lines of index n .
  • This rank M (n) is obtained by the following relation: INCORPORATE
  • INCORPORATE ⁇ e (n) is the estimate of ⁇ provided by equation (1) above and Rc '(n) is the bit rate allocated to the block of lines of index n.
  • the flow Rc '(n) is calculated as a function of the last level known in memory 18 by the formula:
  • - Nb (n) is the level in the memory 18 after the coding of the block of lines of index n, - Rc is the target bit rate,
  • - T is a time constant determining the time to return to equilibrium of the level in the memory after a disturbance, this constant is for example between 1 and 10.
  • - r is a positive integer corresponding to a delay in regulation, with r ⁇ l.
  • the memory Since at each processing of block of lines of index n, the memory is filled with P (n) bytes and is emptied of Rc bytes, the level Nb (n) of this memory after writing the block na for value :
  • Nb (ri) Nb (n -l) + P (n) - Rc (6)
  • Nb (ri) Nb (n-1) + - Rc (7)
  • variable set is the level Nb of the buffer memory
  • setpoint is the level N 0
  • the input i.e. the disturbance
  • FIG. 3 (which forms an integral part of the present description) illustrates the operations to be carried out in order to achieve the control of the block of lines of index n with the method according to the invention.
  • the regulation of the flow rate carried out with the process according to the invention is extremely precise.
  • the invention allows a significant increase in the quality of the image. Indeed, the value of ⁇ being closer to the optimal value, it follows that one obtains a quantization step which provides the lowest distortions. In addition, the regulation is of better quality and the reduction in the variations in bit rates leads to a possibility of reducing the size of the memory 18. In addition, it is not necessary to know beforehand the parameter ⁇ since it is calculated automatically. In other words, the development costs of this device are lower than for the previously known device.

Abstract

L'invention concerne un procédé pour la compression et la transmission de données numériques a débit constant comprenant les étapes suivantes: séparation des données d'entrée en blocs de données; transformation (12) de chaque bloc par une transformation orthogonale; quantification (14) des coefficients obtenus par la transformation; codage entropique (20) des coefficients quantifies; sauvegarde temporaire des données codées dans une mémoire tampon (18); évacuation d'un nombre déterminé de bits de la mémoire pour chaque bloc; et réglage, par asservissement (50) a partir d'une mesure du débit produit par le codage, du pas de quantification pour obtenir, après codage, un nombre de bits proche du nombre de bits évacués par la mémoire pour chaque bloc. L'asservissement (54) tient compte du débit de données mesurées pour au moins le bloc précédent.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA COMPRESSION DE DONNEES DEVANT ETRE TRANSMISES AVEC UN DEBIT CONSTANT
L ' invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la compression de données, notamment d'images, devant être transmises avec un débit constant.
Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un tel dispositif qui est destiné à transmettre des données d'images à partir d'un satellite.
On sait qu'un satellite d'observation de la terre comporte une pluralité de capteurs transmettant en continu des images de zones terrestres. En général, le nombre de capteurs et la résolution d'une image sont tels que les données à transmettre dépassent les capacités du canal de transmission. Il est donc nécessaire de faire appel à un procédé de compression des données d'images qui ne dégrade pas leur qualité visuelle.
Pour cette compression, on utilise, par exemple, une transformée en cosinus discrète (DCT) ou une transformée en ondelettes (TO) ; de façon générale, on peut faire appel à une transformation orthogonale ou bi-orthogonale qui vise à décorréler au mieux les signaux d'entrée.
Mais le débit de sortie du compresseur est fonction de l'entropie du signal d'entrée. Par "entropie" *• on entend la quantité d'informations contenues dans le signal d'entrée. L'entropie d'un paysage urbain est, par exemple, supérieure à l'entropie d'un paysage uniforme. Etant donné que les capteurs balaient des paysages qui varient constamment, l'entropie du signal d'entrée varie et il en est donc de même du débit de sortie. Mais cette variation n'est pas favorable à une utilisation optimale du canal de transmission du satellite vers la terre. Pour cette optimisation, il est préférable que le débit soit constant. Il faut donc minimiser les fluctuations en sortie grâce à une régulation de débit. La figure 1 représente un dispositif connu de compression comportant une régulation.
Dans ce dispositif connu, des images acquises à bord d'un satellite terrestre sont traitées par blocs de lignes, chaque bloc comprenant par exemple huit lignes. Sur la figure 1, les blocs sont représentés par des rectangles allongés repérés par les indices n+1, n+2, n+3, .... Le bloc courant, d'indice n, subit tout d'abord une transformation 12 qui est une transformation du type orthogonal ou bi-orthogonal effectuant une décorrélation des données et qui fournit un ensemble T(n) de coefficients transformés. Ces coefficients sont quantifiés grâce à un bloc 14 utilisant un pas de quantification Q(n) qui est fonction, notamment, du débit désiré et de l'entropie des données T(n) . De façon plus précise, chaque coefficient produit par la transformation 12 est codé sur un certain nombre de bits et le quantificateur a pour but de réduire ce nombre de bits de façon à satisfaire la contrainte de débit de sortie comme expliqué plus loin. Pour satisfaire ladite contrainte de débit on fait dépendre le pas de quantification Q (n) d'une opération de régulation 16. Les données quantifiées sont transmises à l'entrée d'une mémoire de régulation, ou mémoire tampon 18, par l'intermédiaire d'un codeur 20. Ce codeur 20 effectue un codage dit entropique ou à longueur variable, par exemple de Huffman, qui affecte le plus petit nombre de bits aux valeurs des données qui apparaissent le plus souvent et le plus grand nombre de bits aux valeurs qui apparaissent le moins souvent. A la sortie de la mémoire 18, les données ainsi comprimées sont transmises avec un débit constant Rc.
Pour effectuer la régulation, le bloc 16 comporte une entrée 22 de consigne sur laquelle on applique le débit Rc imposé aux données en sortie de la mémoire 18. Ce bloc 16 fournit en sortie la valeur du pas de quantification Q(n) appliquée sur l'entrée de commande 14]_ du bloc 14 de quantification. Pour atteindre ce résultat, le bloc 16 comporte un élément d'asservissement 26 recevant, sur une entrée 22, le débit de consigne Rc ainsi que, sur une entrée 26^, une donnée représentant le débit produit par le codeur 20. Ce débit de sortie du codeur 20 est noté P(n). P (n) n'est pas le débit produit par le bloc de ligne d' indice n mais la plus récente valeur mesurable du débit produit par le codeur au moment de l'allocation du bloc de ligne d'indice n. En effet, au moment du calcul de Q(n) (c'est-à-dire de l'allocation de débit du bloc n) , le bloc n n'est pas encore codé, donc P(n) n'est pas encore connu. C'est donc avec un retard r, appelé retard de régulation, que l'on prend en compte l'état de la mémoire tampon 18. Le retard r est au minimum égal à un bloc de lignes.
Le débit de sortie du codeur 20 est également appliqué à l'entrée d'un élément correcteur d'erreurs 28 qui comporte une autre entrée recevant la sortie de l'élément 26 d'asservissement.
L'élément 28 correcteur d'erreurs tient compte, du débit alloué par l'asservissement 26 et du débit produit P (n) , par les blocs de lignes précédents et renvoie sur sa sortie le débit Rc ' (n) alloué au bloc de lignes courant . La sortie de l'élément 28 est appliquée à l'entrée 30^ d'un élément de calcul 30 du pas de quantification Q (n) . L'élément de calcul 30 comporte également une entrée 302 recevant les données T(n) de sortie de l'élément 12 de transformation. Pour réaliser le calcul du pas de ' quantification, l'élément 30 classe les ' modules (valeurs absolues) des coefficients T(n) par ordre de valeurs décroissantes, les coefficients de modules les plus élevés ayant ainsi les rangs les plus faibles et les coefficients nuls occupant les derniers rangs. Ce classement est représenté sur le diagramme de la figure la.
L'élément de calcul 30 divise par un paramètre fixe β, le débit Rc' (n) appliqué sur son entrée 30^. Le paramètre β
(exprimé en bits par coefficient) est proche de 5,5 dans le cas d'une transformée en cosinus et proche de 6,5 dans le cas d'une transformée en ondelettes.
Le plus proche entier de ce quotient est noté M et constitue un rang en abscisses de la figure la. A ce rang correspond un des coefficients T (n) par 1 ' intermédiaire de la courbe des coefficients ordonnés et c'est ce coefficient qui sert de base à la détermination du pas de quantification appliqué sur 1 ' entrée 141 du bloc 14.
Cette méthode de calcul du pas de quantification est fondée sur une étude effectuée par Stéphane MALLAT et Frédéric FALZON, décrite dans l'Article intitulé "Analysis of low bit rate image transform coding", et publié dans "IEEE transactions on signal processing, vol. 6, n°4, pp 1027-1041" de avril 1998. En bref, cette étude montre que le pas de quantification ainsi déterminé à partir du coefficient de rang M fournit la distorsion la plus faible après quantification des coefficients T(n) .
Ce dispositif de compression et de régulation de débit permet une régulation très précise et peu onéreuse en temps de calcul. Le modèle d'allocation utilisé dans cette méthode connue de régulation a été obtenu en émettant une hypothèse de régularité sur les signaux à comprimer. Il s'en suit que les signaux n'appartenant pas à la classe de ceux satisfaisant à cette hypothèse ne sont naturellement pas traités avec la même précision. Ceci concerne les signaux constants ou faiblement variables, c'est-à-dire porteurs de peu d'information. Sachant que, dans les images, la variabilité (zones de grande régularité mêlées à des zones de faible régularité) du paysage est généralement importante il faudrait, en toute rigueur, que le modèle d'allocation s'adapte à cette variabilité de sorte que 1 ' image comprimée ne souffre pas de déficit de qualité dans certaines zones.
Partant de cette constatation, les inventeurs proposent de rendre variable le paramètre β de la règle d'allocation utilisée pour la détermination du pas de quantification.
Ainsi, le procédé de compression de données numériques dans lequel le débit des données de sortie est constant, comprend, selon l'invention, pour chaque bloc de lignes à traiter, un asservissement qui tient compte du débit mesuré pour au moins le bloc précédent et, de préférence, du débit mesuré pour une pluralité de blocs successifs précédant ce bloc courant .
L'invention est basée sur l'observation que le paramètre β varie peu entre deu -blocs de lignes adjacents et, qu'ainsi, la valeur de β du bloc précédent, ou d'une suite de blocs précédents, constitue un bon estimateur de la valeur courante de β.
Ainsi, par rapport à la technique connue, on fait varier β en fonction des valeurs de β mesurées sur les blocs de lignes déjà codés.
L'invention concerne ainsi, de façon générale, un procédé pour la compression et la transmission de données numériques, notamment d' images, à débit constant comprenant les étapes suivantes : - séparation des données d'entrée en blocs de données, transformation de chaque bloc par une transformation orthogonale ou bi-orthogonale, quantification des coefficients obtenus par la transformation, - codage entropique des coefficients quantifiés, sauvegarde temporaire des données résultant du codage dans une mémoire tampon, évacuation d'un nombre déterminé de bits de la mémoire pour chaque bloc de données numériques, et - réglage, par asservissement, du pas de quantification pour obtenir, après codage, un nombre de bits proche du nombre de bits évacués par la mémoire pour chaque bloc de données, cet asservissement étant effectué à partir d'une mesure du débit produit par le codage entropique, qui est caractérisé en ce que l'asservissement tient compte du débit de données mesurées pour au moins le bloc précédent .
De préférence, 1 ' asservissement tient compte du débit mesuré pour une pluralité de blocs successifs précédant le bloc courant .
Pour l'asservissement, les coefficients obtenus après la transformation orthogonale ou bi-orthogonale sont, dans une réalisation préférée, ordonnés par modules décroissants et le pas de quantification est obtenu à partir du module du coefficient dont le rang est égal au plus proche entier du rapport entre le débit visé et un paramètre βe (m) , ce paramètre βe (m) étant estimé pour chaque bloc en fonction du paramètre βm(n) mesuré pour au moins un bloc précédent. Dans ce cas, il est avantageux que le paramètre βe (n) soit estimé d' après les valeurs βm (m) mesurées pour une pluralité b de blocs de données précédents, ce paramètre βe (n) étant calculé par la formule suivante :
b-1 βe(n)= ∑ α(i)βm(n-r-i) , i=0 formule dans laquelle
- βe (n) est 1 ' estimation du paramètre β pour le bloc de données courant, βm(n) est la valeur de β mesurée pour le bloc d' indice n, r est le retard de régulation ( r ≥ 1 ) , α(i) est un coefficient de pondération tel que : b-1
∑ α(i)=l. i=0
Dans une réalisation, les valeurs βm (n) sont calculées à partir de la relation suivante :
INCORPORER 8P(n) β,„ = M(n)
formule dans laquelle P(n) est le nombre d'octets obtenus après codage entropique du bloc de données d'indice n, et M(n) est le rang du coefficient dont est déduit le pas de quantification dans l'ensemble des coefficients ordonnés fournis par la transformation orthogonale ou bi-orthogonale et cela pour le bloc d'indice n, ce rang M(n) étant obtenu par la relation suivante : INCORPORER
Rc' (n) étant le nombre d'octets alloué par l'asservissement au bloc d'indice n et NINT la fonction d'arrondi au plus proche entier.
Le débit Rc' (n) alloué au bloc d'indice n peut être calculé en fonction du dernier niveau mesurable dans la mémoire tampon. Dans ce cas, le débit Rc' (n) peut être déterminé par la formule suivante :
INCORPORER iM(_> .l M°-ιyn-r> , Nb(n) étant le niveau de la mémoire tampon après codage du bloc de données d'indice n,
Rc est le nombre d'octets de la mémoire qui doit être évacué pour chaque bloc,
N0 est le niveau de consigne et le niveau initial de la mémoire tampon,
T est une constante de temps , et r est un nombre entier strictement positif correspondant à un retard de régulation.
La constante T est par exemple comprise entre 1 et 10. Le nombre b et/ou les valeurs α(i) sont par exemple fixes d'un bloc à un autre.
En variante, le nombre b et/ou les valeurs α(i) sont variables d'un bloc à un autre en fonction de propriétés statistiques calculées sur des valeurs de βm connues. Dans ce cas, le nombre b et/ou les coefficients α(i) peuvent varier en fonction du coefficient de corrélation entre valeurs de βm connues . Dans une réalisation, les données numériques sont des données d' images , et chaque bloc de données correspond à une image entière ou à un nombre déterminé de lignes de cette image, par exemple 8. Ce procédé peut s ' appliquer à la transmission d'images de zones terrestres acquises de façon continue par des capteurs à bord d'un satellite d'observation de la terre.
D ' autres caractéristiques et avantages de 1 ' invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels : la figure 1 et la figure la, déjà décrites, représentent respectivement un dispositif connu de compression de données numériques et un diagramme qui illustre comment, dans un tel dispositif, on calcule le pas de quantification Q(n) à partir des coefficients ordonnés T (n) et du débit Rc' (n) alloué au bloc courant, la figure 2 est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention, et la figure 3 est un organigramme illustrant le fonctionnement du dispositif d'asservissement représenté sur la figure 2.
Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend, comme celui de la figure 1, un organe de compression 40 comportant un décorrélateur 12 qui est, de façon en soi connue, un organe de transformation orthogonale ou bi-orthogonale, telle qu'une transformée cosinus ou une transformée à ondelettes. Cet organe 40 présente aussi un quantificateur 14 relié à la sortie du décorrélateur 12 et un codeur à débit variable 20.
Comme également connu par le dispositif de la figure 1, on prévoit une mémoire tampon de régulation 18. Ce dispositif se distingue de celui représenté sur la figure 1, principalement par la réalisation de la régulation 50.
Dans cet exemple, comme dans celui indiqué ci-dessus en relation avec la figure 1, le décorrélateur 12 reçoit les données à comprimer qui sont fournies par un capteur d'images optiques (non montré), effectuant une acquisition d'images lues ligne par ligne et, dans le dispositif, les données sont traitées par blocs de lignes, chaque bloc comprenant, dans cet exemple, huit lignes. Le codeur 20 à débit variable remplit la mémoire tampon 18 et c'est la sortie 18^ de la mémoire 18 qui est reliée à un canal de transmission dont le débit doit être constant. Ce débit constant est noté Rc. Autrement dit, pour chaque bloc de lignes le codeur 20 doit délivrer un débit Rc égal à celui débité par la mémoire 18. Le pas de quantification Q (n) est, pour chaque bloc de lignes d'indice n, choisi par la fonction de régulation 50 pour obtenir un débit Rc à la sortie du codeur 20. Cependant, en pratique, la régulation ne permet pas d'obtenir qu'à chaque bloc de lignes, la mémoire 18 soit chargée d'un nombre d'octets strictement égal à Rc. La mémoire 18 permet d'absorber les variations de débit en sortie de l'organe de compression 40.
Toutefois, pour minimiser la taille de la mémoire 18, il est préférable que le débit en sortie de l'organe 40, soit aussi proche que possible de la cible Rc. On rappelle ici qu'à bord d'un satellite les tailles de tous les composants doivent être minimisées .
Dans ces conditions, il est important que la qualité de la régulation 50 soit optimisée. Cette régulation 50 est constituée d'une fonction (ou élément) de calcul du pas de quantification 56 semblable à celle présentée figure la et d'une fonction (ou élément) d'asservissement 54 objet de l'invention. Cet élément d'asservissement 54 comporte une entrée 54]_ sur laquelle est appliqué la consigne Rc et une entrée 542 recevant de la sortie de l'organe 40, la valeur P (n) du débit produit par le codeur 20 pour chaque bloc de lignes n.
A partir du débit produit P (n) et de la consigne Rc l'élément d'asservissement 54 calcule le rang M qui est appliquée sur l'entrée 56^ de l'élément 56 de calcul du pas de quantification Q. Le calcul du pas est effectué, comme sur la figure la, en fonction des données T(n) obtenues à la sortie du décorrélateur 12.
La sortie de l'élément 56 de calcul du pas de quantification est connectée à l'entrée de commande 14]_ du quantificateur 14.
Afin de bien comprendre le rôle de l'élément 56 de détermination du pas de quantification Q, on rappelle que, dans le dispositif connu, représenté sur la figure 1, la régulation est basée sur un modèle permettant de prédire le pas Q(n) en fonction du débit alloué par le module d'asservissement, ce modèle faisant intervenir le paramètre fixe β. Pour tenir compte des erreurs de prédiction, dans ce dispositif connu, le débit
Rc' (n) alloué au bloc de lignes courant est calculé de façon à corriger a posteriori l'erreur de prédiction constatée sur les blocs de lignes précédemment comprimés. On appelle "erreur de prédiction" la différence entre le nombre d'octets alloués à un bloc de lignes et le nombre d'octets réellement produits par ce même bloc de lignes. L'élément d'asservissement, dont les entrées sont Rc et P (n) , fournit donc une mesure des variations du taux de remplissage de la mémoire tampon (à chaque bloc de lignes, la mémoire se remplit de P (n) octets et se vide de Rc octets) qui résulte de cette erreur de prédiction et alloue un débit Rc' (n) à chaque bloc de lignes de façon à maintenir le contenu de la mémoire tampon à un niveau aussi proche que possible d'un niveau fixe NQ, c'est-à-dire de façon que le taux de remplissage varie le moins possible. A partir de ce débit Rc' (n) , l'élément d'asservissement calcule pour chaque bloc de lignes d'indice n un rang M(n) qui est le plus proche entier du
Rcf(n) rapport — INCORPORER, soit :
Rc n)
M (ri) = NINT] INCORPORER. β
On rappelle que NINT est la fonction d'arrondi à l'entier le plus proche. L'élément 56 calcule alors le pas de quantification Q (n) qui est égal au module du coefficient ayant ce rang M(n) dans la suite des coefficients ordonnés T(n) .
La présente invention s'écarte du dispositif connu par le fait, qu'au lieu de corriger une erreur de prédiction, on évalue dynamiquement la valeur du paramètre β pour chaque bloc de lignes d'indice n. Autrement dit, l'asservissement conforme à l'invention repose sur la constatation que l'erreur de prédiction observée est la conséquence d'une erreur sur la valeur du paramètre β utilisée pour déterminer le pas de quantification.
On part donc de 1 'hypothèse qu' il existe une valeur idéale (notée βm(n)), à déterminer, du paramètre β pour laquelle le bloc de lignes courant d'indice n fournit exactement le débit Rc ' (n) désiré . L ' asservissement conforme à 1 ' invention permet de fournir pour chaque bloc de lignes une estimation a priori (notée βe (n) ) de cette valeur βm(n) . βe(n) est calculé à partir des valeurs βm(n) mesurées pour un nombre b de blocs de lignes précédents. A cet effet, on utilise, dans l'exemple une équation linéaire de la forme :
INCORPORER βe(n)= ∑1α(i)βm(n-r-i) (1) i=0
Dans cette équation :
- βe (n) est 1 ' estimation a priori de β pour le bloc de lignes courant, .. . βm(n) est la valeur de β mesurée pour le bloc de lignes d'indice n, r est le retard de régulation ( r ≥ 1 ) ,
- b est le nombre de blocs de lignes pris en compte dans l'estimation de βe (n) . Ce nombre b peut-être fixe où variable d'un bloc de lignes à l'autre en fonction de propriétés statistiques (coefficient de corrélation par exemple) calculées sur les valeurs de βm connues.
- α(i) est un coefficient de pondération tel que :
b-1 ∑ α(i)=l. i=0
Comme pour le coefficient b, les valeurs α(i) peuvent être fixes ou variables d'un bloc de lignes à l'autre en fonction de propriétés statistiques (coefficient de corrélation par exemple) calculées sur les valeurs de βm connues.
Le coefficient βm(n) a pour valeur : INCORPORER
Dans cette formule, P(n) est le débit produit en sortie du codeur 20 par le bloc de lignes d'indice n, le coefficient multiplicateur 8 tenant compte du fait que la valeur de β s ' exprime généralement en nombre de bits par coefficient et le débit produit en octets par bloc de lignes. M(n) est le rang du coefficient qui permet d'obtenir le pas de quantification Q (n) dans 1 ' ensemble des coefficients T (n) ordonnés fourni par l'élément de transformation 12 pour le bloc de lignes d'indice n. Ce rang M(n) est obtenu par la relation suivante : INCORPORER
Dans cette relation, INCORPORERβe (n) est l'estimation de β fournie par l'équation (1) ci-dessus et Rc' (n) est le débit alloué au bloc de lignes d'indice n.
Le débit Rc' (n) est calculé en fonction du dernier niveau connu dans la mémoire 18 par la formule :
INCORPORER
OÙ :
- Nb(n) est le niveau dans la mémoire 18 après le codage du bloc de lignes d'indice n, - Rc est le débit cible,
- No est le niveau initial de la mémoire (c'est aussi le niveau de consigne qu'il faut maintenir dans cette mémoire) ,
- T est une constante de temps déterminant le temps de retour à 1 ' équilibre du niveau dans la mémoire après une perturbation, cette constante est par exemple comprise entre 1 et 10. - r est un nombre entier positif correspondant à un retard de régulation, avec r ≥ l .
D'après les formules (2) et (3), on peut écrire : INCORPORER βmψ)
Etant donné qu'à chaque traitement de bloc de lignes d'indice n, la mémoire se remplit de P(n) octets et se vide de Rc octets, le niveau Nb(n) de cette mémoire après l'écriture du bloc n a pour valeur :
Nb(ri) = Nb(n -l) + P(n) - Rc (6)
On obtient ainsi, en tenant compte des relations
(3), (4) et (5) :
INCORPORER
Nb(ri) = Nb(n-1)+ - Rc (7)
Il s ' agit là de 1 ' équation de 1 ' asservissement . Dans cet asservissement :
- la grandeur réglée est le niveau Nb de la mémoire tampon, - la consigne est le niveau N0,
- l'entrée (c'est-à-dire la perturbation) est βm, et
- la grandeur de réglage est βe.
Le schéma de la figure 3 (qui fait partie intégrante de la présente description) illustre les opérations à effectuer pour réaliser l'asservissement du bloc de lignes d'indice n avec le procédé selon l'invention. La régulation du débit réalisée avec le procédé conforme à 1 ' invention est extrêmement précise .
Par rapport au procédé connu, dans lequel le coefficient β est constant, 1 ' invention permet un accroissement sensible de la qualité de l'image. En effet, la valeur de β étant plus proche de la valeur optimale, il en résulte que l'on obtient un pas de quantification qui fournit les distorsions les plus faibles. En outre, la régulation est de meilleure qualité et la réduction des variations des débits entraîne une possibilité de réduire la taille de la mémoire 18. De plus, il n'est pas nécessaire de connaître au préalable le paramètre β puisque celui-ci est calculé automatiquement. Autrement dit, les coûts de développement de ce dispositif sont moins importants que pour le dispositif antérieurement connu.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la compression et la transmission de données numériques, notamment d'images, à débit constant comprenant les étapes suivantes : séparation des données d'entrée en blocs de données, - transformation (12) de chaque bloc par une transformation orthogonale 'ou bi-orthogonale, quantification (14) des coefficients obtenus par la transformation, codage entropique (20) des coefficients quantifiés, - sauvegarde temporaire des données résultant du codage dans une mémoire tampon (18) , évacuation d'un nombre déterminé de bits de la mémoire pour chaque bloc de données numériques, et réglage, par asservissement (50) , du pas de quantification pour obtenir, après codage, un nombre de bits proche du nombre de bits évacués par la mémoire pour chaque bloc de données, cet asservissement étant effectué à partir d'une mesure du débit produit par le codage entropique (20) , caractérisé en ce que l'asservissement (54) tient compte du débit de données mesurées pour au moins le bloc précédent .
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 ' asservissement tient compte du débit mesuré pour une pluralité de blocs successifs précédant le bloc courant.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que pour l'asservissement, les coefficients obtenus après la transformation orthogonale ou bi-orthogonale sont ordonnés par modules décroissants et le pas de quantification est obtenu à partir du module du coefficient dont le rang est égal au plus proche entier du rapport entre le débit visé et un paramètre βe (m) , ce paramètre βe (m) étant estimé pour chaque bloc en fonction du paramètre βm(n) mesuré pour au moins un bloc précédent .
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le paramètre βe (n) est estimé d'après les valeurs βm(m) mesurées pour une pluralité b de blocs de données précédents, ce paramètre βe (n) étant calculé par la formule suivante :
b-1 βe(n)= ∑ (i)βm(n-r-i) , i = 0 formule dans laquelle
- βe (n) est 1 ' estimation du paramètre β pour le bloc de données courant, βm(n) est la valeur de β mesurée pour le bloc d' indice n, r est le retard de régulation ( r ≥ 1 ) ,
- α(i) est un coefficient de pondération tel que : b-l
J α(i)=l. i=o
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les valeurs βm(n) sont calculées à partir de la relation suivante :
INCORPORER 8P(n) β,„ = M(n)
formule dans laquelle P (n) est le nombre d'octets obtenus après codage entropique du bloc de données d'indice n, et M(n) est le rang du coefficient dont est déduit le pas de quantification dans l'ensemble des coefficients ordonnés fournis par la transformation orthogonale ou bi-orthogonale et cela pour le bloc d'indice n, ce rang M(n) étant obtenu par la relation suivante :
INCORPORER SRc'(n) M(ri) = NINT
AM RC (n) étant le nombre d'octets alloué par l'asservissement au bloc d'indice n et NINT la fonction d'arrondi au plus proche entier.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le débit Rc' (n) alloué au bloc d'indice n est calculé en fonction du dernier niveau mesurable dans la mémoire tampon.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le débit Rc' (n) est déterminé par la formule suivante :
INCORPORER
Nb(n) étant le niveau de la mémoire tampon après codage du bloc de données d'indice n, Rc est le nombre d'octets de la mémoire qui doit être évacué pour chaque bloc,
N0 est le niveau de consigne et le niveau initial de la mémoire tampon,
T est une constante de temps , et r est un ' nombre entier strictement positif correspondant à un retard de régulation.-
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la constante T est comprise entre 1 et 10.
9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le nombre b et/ou les valeurs α(i) sont fixes d'un bloc à un autre.
10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le nombre b et/ou les valeurs α(i) sont variables d'un bloc à un autre en fonction de propriétés statistiques calculées sur des valeurs de βm connues.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre b et/ou les coefficients α(i) varient en fonction du coefficient de corrélation entre valeurs de βm connues .
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les données numériques étant des données d'images, chaque bloc de données correspond à une image entière ou à un nombre déterminé de lignes de cette image, par exemple 8.
13. Application du procédé selon la revendication 12 à la transmission d'images de zones terrestres acquises de façon continue par des capteurs à bord d'un satellite d'observation de la terre.
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