ES2615488T3

ES2615488T3 - Transformación y cuantificación de bloques mejorada para codificación de imagen y vídeo

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Publication number: ES2615488T3
Application number: ES02019057.5T
Authority: ES
Inventors: Henrique S. Malvar
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: EP1768418A2; CN1764277A; EP1750450B1; US20110116543A1; KR100839308B1; JP3964925B2; EP1750449B1; JP2007151131A; ES2628527T3; US8971405B2; KR100839310B1; JP4560028B2; US7881371B2; KR20060112256A; ES2628532T3; KR100839309B1; ES2628498T3; EP1750450A3; CN100463522C; CN1764278A

Abstract

Un procedimiento para decodificar información de vídeo o de imagen, que comprende: recibir un conjunto de coeficientes (226) de transformación cuantificados; descuantificar (228) los coeficientes de transformación cuantificados en coeficientes (232) de transformación descuantificados, en el que los coeficientes de transformación cuantificados están dispuestos lógicamente en un bloque, y en el que para cada uno de los coeficientes de transformación cuantificados la descuantificación incluye: basándose en una posición del coeficiente de transformación cuantificado en el bloque, seleccionar un grupo de entre diversos grupos de factores (230) de cambio de escala; dependiendo de un parámetro de cuantificación, seleccionar un factor de cambio de escala en el grupo seleccionado; y multiplicar el coeficiente de transformación cuantificado por el factor de cambio de escala seleccionado; y aplicar un procedimiento (234) de transformación inversa a los coeficientes de transformación descuantificados para reconstruir información a partir de los mismos, aplicando el procedimiento de transformación inversa cálculos de transformación inversa que tienen valores tales que cada operación de multiplicación entre uno de los valores y uno de los coeficientes de transformación descuantificados en los cálculos de transformación inversa puede realizarse mediante una operación de desplazamiento, en el que el procedimiento de transformación inversa es ortogonal.

Description

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DESCRIPCION

Transformacion y cuantificacion de bloques mejorada para codificacion de imagen y video Campo de la invencion

La invencion se refiere en general a la codificacion y decodificacion de senales de imagen y de video, y mas particularmente a una transformacion de bloques mejorada y transformacion inversa, junto con procedimientos de cuantificacion y descuantificacion, para codificar y decodificar senales de video de imagen.

Antecedentes de la invencion

La Transformada de Coseno Discreta (DCT) se usa comunmente en codificacion de transformacion de bloques de imagen y video (secuencias de imagenes), por ejemplo, JPEG y MPEG. Entre otras razones, esto es debido a que la DCT separa senales aleatorias (tales como las que corresponden a datos de imagen) en partes de frecuencia baja de importancia mayor y partes de frecuencia alta de importancia menor con respecto a la calidad visual de la imagen, facilitando por lo tanto la compresion.

A modo de ejemplo, H.26L es una tecnologia de codec de imagen y/o video que construye fotogramas usando bloques de pixeles de cuatro por cuatro. A diferencia de MPEG y JPEG, que usa bloques de ocho por ocho, H.26L obtiene compresion de calidad relativamente alta con bloques de pixeles de cuatro por cuatro usando informacion de prediction de otros bloques existentes en el mismo fotograma, (es decir, codificacion intra-fotograma), ademas de estimation y compensation de movimiento entre fotogramas, (es decir, codificacion inter-fotograma). En general, para conseguir prediccion intra-fotograma, un codificador H.26L indica al correspondiente decodificador H.26L cual otro bloque de pixeles anterior en el fotograma que se esta creando se esta usando como una base para la prediccion, junto con identificar cuales de los seis posibles predictores (formulas) usar al determinar los pixeles para el nuevo bloque (a partir de aquellos del bloque intra-fotograma anterior). Esto conduce a un error de prediccion, que se proporciona tambien al decodificador para corregir el nuevo bloque. La informacion de error de prediccion se codifica con la transformacion de bloques (DCT) y se envia codificada al decodificador, para recalcular la informacion de error, que incluye mediante una transformacion inversa, corregir el bloque predicho.

La codificacion o decodificacion de imagen y video toma una cantidad significativa de potencia de procesamiento. Como es conocido, un codificador tipicamente tiene mucha mas potencia de procesamiento que muchos de los decodificadores que conviertan los datos a imagenes, ya que los decodificadores se implementan tipicamente en dispositivos de consumo. Por ejemplo, la decodificacion de imagen y video puede tener lugar en decodificadores de salon de television, asistentes digitales personales (PDA), ordenadores personales de tamano de bolsillo y telefonos celulares mas avanzados.

Por lo tanto, cuando se consideran procedimientos de codificacion y decodificacion de imagen y video, mantener la decodificacion sencilla es importante, incluso si significa que la codificacion tiene que realizarse computacionalmente de manera mas compleja. Cualquier cosa que pueda simplificar la decodificacion es deseable, con la codificacion de que al hacer esto, los procedimientos de codificacion y decodificacion no impacten de manera adversa los niveles de compresion existentes, la calidad de imagen final y la cantidad de otros recursos necesarios en el decodificador en cualquier manera sustancial con relation a la tecnologia existente.

Sumario de la invencion

En resumen, la presente invencion proporciona un procedimiento, sistema y transformacion de bloques mejorados que simplifican significativamente la complejidad computacional para imagenes y video tanto en el codificador como en el decodificador. Al mismo tiempo, la compresion, la calidad de imagen / video y otros recursos unicamente se ven afectados de manera despreciable.

Mas particularmente, se proporciona una transformacion de bloques ortogonal y correspondiente transformacion inversa con nuevas aproximaciones de numeros enteros a la Transformada de Coseno Discreta (DCT), junto con otros cambios informaticos que reducen significativamente la complejidad computacional tanto en el codificador como en el decodificador. De hecho, en una implementation, en el codificador y decodificador, el numero de operaciones de transformacion, por coeficiente, se ha reducido a cuatro adiciones y un desplazamiento en aritmetica de 16 bits, (de cuatro adiciones y tres multiplicaciones en aritmetica de 32 bits requeridas con la transformacion especificada para H.26L). La presente invencion transforma correctamente la informacion de pixel (por ejemplo, datos de correction de errores) debido a la cuantificacion (cambio de escala y redondeo a un numero entero) durante la codificacion, y a la descuantificacion durante la decodificacion, mediante el uso de una de tres tablas seleccionadas basandose en cada position del coeficiente, tener valores de parametros que ya compensan factores de otras multiplicaciones de transformacion, excepto para el realizado mediante la operation de desplazamiento durante los procedimientos de transformacion y transformacion inversa.

Ademas, durante la decodificacion, en cada coeficiente cuantificado, el decodificador puede realizar una multiplication de dieciseis bits para descuantificar ese coeficiente cuantificado en un coeficiente de transformacion, en lugar de una multiplicacion de treinta y dos bits (como se requiere en H.26L). En muchos dispositivos, con

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imageries y video tlpicos, los beneficios de procesamiento de la presente invencion son por lo tanto significativos con relacion a H.26L, especialmente en el decodificador, unicamente con una perdida de calidad y/o compresion despreciable, si es que la hubiera.

Otros beneficios y ventajas seran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada cuando se toma en conjunto con los dibujos, en los que:

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama de bloques que representa un sistema informatico ejemplar en el que puede incorporarse la presente invencion;

la Figura 2 es un diagrama de bloques que representa componentes usados al codificar plxeles de datos de video o de imagen en video codificado, y decodificar el video codificado en informacion de pixel, incluyendo transformacion, cuantificacion y descuantificacion y transformation inversa de acuerdo con un aspecto de la presente invencion;

la Figura 3 es una representation de una estructura en mariposa que representa la matriz de transformacion mejorada de acuerdo con un aspecto de la presente invencion; y

la Figura 4 es una representacion de una estructura en mariposa que representa la matriz de transformacion inversa mejorada de acuerdo con un aspecto de la presente invencion.

Descripcion detallada

ENTORNO DE OPERACION EJEMPLAR

La Figura 1 ilustra un ejemplo de un entorno 120 informatico adecuado en el que puede implementarse la invencion, particularmente para decodificar datos de imagen y/o video. El entorno 120 de operation es unicamente un ejemplo de un entorno informatico adecuado y no se pretende sugerir ninguna limitation en cuanto al alcance de uso o funcionalidad de la invencion. Otros sistemas, entornos y/o configuraciones informaticas bien conocidas que pueden ser adecuadas para uso con la invencion incluyen, pero sin limitacion, ordenadores personales, ordenadores de servidor, dispositivos de mano o portatiles, sistemas multiprocesador, sistemas basado en microprocesador, electronica de consumo programable, PC de red, miniordenadores, ordenadores centrales, entornos informaticos distribuidos que incluyen cualquiera de los sistemas o dispositivos y similares. Por ejemplo, es probable que la imagen de codification y/o los datos de imagen de video a menudo se realicen en un ordenador con mas potencia de procesamiento que los ordenadores personales portatiles modernos, pero no hay razon para que la codificacion no pueda realizarse en el dispositivo ejemplar, o la decodificacion en una maquina mas potente.

La invencion puede describirse en el contexto general de instrucciones ejecutables por ordenador, tales como modulos de programa, ejecutados mediante uno o mas componentes u otros dispositivos. En general, los modulos de programa incluyen rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos y as! sucesivamente que realizan tareas particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. Tlpicamente la funcionalidad de los modulos de programa puede combinarse o distribuirse segun se desee en diversas realizaciones. El dispositivo 120 informatico tlpicamente incluye al menos alguna forma de medio legible por ordenador. Medio legible por ordenador puede ser cualquier medio disponible que pueda accederse por el dispositivo 120 informatico. A modo de ejemplo, y no como limitacion, el medio legible por ordenador puede comprender medio de almacenamiento informatico y medio de comunicacion. Medio de almacenamiento informatico incluye, medio extralble y no extralble volatil y no volatil implementado en cualquier procedimiento o tecnologla para almacenamiento de informacion tal como instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, modulos de programa u otros datos. Medio de almacenamiento informatico incluye, pero sin limitacion, RAM, ROM, EEPROM, memoria flash u otra tecnologla de memoria, CD-ROM, discos versatiles digitales (DVD) u otro almacenamiento optico, casetes magneticos, cinta magnetica, almacenamiento de disco magnetico u otros dispositivos de almacenamiento magnetico, o cualquier otro medio que pueda usarse para almacenar la informacion deseada y que pueda accederse por el dispositivo 120 informatico. Los medios de comunicacion tlpicamente incorporan instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, modulos de programa u otros datos en una senal de datos modulada tal como una onda portadora u otros mecanismos de transporte e incluyen cualquier medio de entrega de informacion. La expresion “senal de datos modulada” significa una senal que tiene una o mas de sus caracterlsticas establecidas o cambiadas de tal manera para codificar informacion en la senal. A modo de ejemplo, y no como limitacion, medio de comunicacion incluye medio cableado tal como una red cableada o conexion cableada directa, y medio inalambrico tal como medio acustico, RF, infrarrojos y otro. Las combinaciones de cualquiera de lo anterior deberlan incluirse tambien en el alcance de medio legible por ordenador.

La Figura 1 muestra componentes funcionales de un dispositivo 120 informatico portatil de este tipo, que incluye un procesador 122, una memoria 124, una pantalla 126, y un teclado 128 (que pueden ser un teclado flsico o virtual). La memoria 124 incluye en general tanto memoria volatil (por ejemplo, RAM) como memoria no volatil (por ejemplo, ROM, tarjetas PCMCIA, y as! sucesivamente). Un sistema 130 operativo esta residente en la memoria 124 y se ejecuta en el procesador 122, tal como el sistema operativo Windows® CE de Microsoft® Corporation, u otro sistema operativo.

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Uno o mas programas 132 de aplicacion se cargan en memoria 124 y se ejecutan en el sistema 130 operativo. Ejemplos de aplicaciones incluyen programas de correo electronico, programas de agenda, programas de PIM (gestion de informacion personal), programas de procesamiento de textos, programas de hojas de calculo, programas de explorador de internet y as! sucesivamente. El ordenador 120 personal portatil puede incluir tambien un gestor 134 de notificacion cargado en la memoria 124, que se ejecuta en el procesador 122. El gestor 134 de notificacion maneja solicitudes de notificacion, por ejemplo, desde los programas 132 de aplicacion.

El ordenador 120 personal portatil tiene una fuente 136 de alimentacion, que se implementa como una o mas baterlas. La fuente 136 de alimentacion puede incluir adicionalmente una fuente de alimentacion externa que reemplaza o recarga las baterlas integradas, tal como un adaptador de CA o una base de acoplamiento alimentada.

El ordenador 120 personal portatil ejemplar representado en la Figura 1 se muestra con tres tipos de mecanismos de notificacion externos: uno o mas diodos 140 de emision de luz (LED) y un generador 144 de audio. Estos dispositivos pueden estar directamente acoplados a la fuente 136 de alimentacion de modo que cuando se activan, pueden permanecer encendidos durante una duracion dictada por un mecanismo de notificacion incluso aunque el procesador 122 del ordenador personal portatil y otros componentes deban desconectarse para conservar potencia de baterla. El LED 140 permanece encendido preferentemente o de manera indefinida hasta que el usuario actua. Observese que las versiones modernas del generador 144 de audio usan demasiada potencia para las baterlas de los ordenadores personales portatiles de hoy en dla y por eso estan configurados para apagarse cuando el resto del sistema lo hace o a alguna duracion finita despues de la activacion.

CODIFICACION Y DECODIFICACION

Por medio de los antecedentes, la Transformada de Coseno Discreta (DCT) mapea un vector x de longitud N en un nuevo vector X de coeficientes de transformation mediante una transformation lineal X=H x, donde el elemento en la k-esima fila y la n-esima columna de H se define por

imagen1

C ~ -v/ z

para k = 0, 1, N-1, y n = 0, 1, N-1, con 0 ^ y c* = 1 para k > 1. La matriz de DCT es ortogonal, por lo

que su inversa equivale a su traspuesta, es decir x = H-1 X = HT X.

Una desventaja de la DCT es que las entradas H(k,n) son numeros irracionales, y por esto los datos de entrada de numeros enteros x(n) se mapearan a coeficientes de transformacion irracionales X(k). Como resultado, con ordenadores digitales, cuando las transformaciones directa e inversa se calculan en cascada, los datos de salida no son exactamente iguales a los datos de entrada. En otras palabras, si se calculan como X = H x, y u = redondear(HT X), entonces no se cumple que u(n) = x(n) para toda n. Sin embargo, introduciendo factores de escala apropiados a, g, por ejemplo, X = g H x y u = redondear(a HT X), entonces u(n) = G x(n), donde G es un numero entero, para casi

toda n, cuando a y g se eligen para que sean lo suficientemente grandes, pero esto no garantiza un resultado exacto.

En un codificador de video de movimiento compensado, por ejemplo, los datos de fotogramas decodificados pasados se usan como informacion de referencia para informacion de prediction que se usara para generar el fotograma actual. Por lo tanto, como parte de la codification, el codificador genera sus propios fotogramas decodificados, por los que el codificador necesita calcular transformadas inversas. Si se usa formula u = redondear(a HT X), entonces se usan diferentes formatos de punto flotante y estrategias de redondeo en diferentes procesadores que conducen a diferentes resultados. Como resultado, habra una desviacion entre los datos decodificados en el codificador frente a los decodificados por los decodificadores (que tienen diferentes procesadores), en la cual la imagen empeora cada vez mas por cada nuevo fotograma, puesto que el codificador esta basando en prediccion / informacion de movimiento en fotogramas de bloques que cada vez son menos y menos como los fotogramas de bloques que el decodificador esta produciendo.

Una solution al problema de desviacion de datos aproxima la matriz H por una matriz que contiene unicamente numeros enteros, en la cual se eliminan errores de redondeo. Si las filas de H son ortogonales y tienen la misma norma (suma de los cuadrados), entonces se deduce que u puede calcularse exactamente en aritmetica de numeros enteros para todos los enteros x. En otras palabras, cuando la transformacion directa se calcula por X = H x y la transformacion inversa por u = HT X, entonces resulta u = G x, donde G es un numero entero igual a la norma cuadrada de cualquiera de las filas en H.

Una manera para generar aproximaciones de numeros enteros a la DCT es usando la formula general:

Q(k,n) = redondear(a H(k,n))

donde a es un parametro de escala.

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En la norma de compresion de video H.26L, la imagen esta compuesta de bloques de cuatro pixeles por cuatro pixeles, en la cual N = 4 en la formula de DCT en H.26L. Esto da como resultado que la matriz de DCT equivalga a:

'1 1 1 1 "

c s -s -c

1-1-1 1

s -c c -s

donde ^ = >/2cos(^/8) y s± V2sen(;r/8) .

La matriz de transformacion en la version actual de H.26L se obtiene estableciendo a = 26, en la cual los valores calculan:

imagen2

13 13 13 13

17 7 -7 -17

13 -13 -13 13

7 -17 17 -7

Con un valor de parametro de cambio de escala de 26, las filas y columnas de Qo son ortogonales entre si (es decir, el producto interno de cualesquiera dos columnas es cero), y todas las filas y columnas tienen una norma igual a 676. De hecho, para valores en los que a < 50, unicamente a = 2 o a = 26 proporcionan matrices ortogonales con filas de igual norma. Sin embargo, la solucion para a = 2 no conduce a buena compresion, y los valores mayores para a no son atractivos debido al aumento en la complejidad computacional (por ejemplo, longitud de palabra) requeridos para calcular los resultados de la transformacion directa X = Qo x. Por lo tanto, se ha elegido hasta ahora a = 26 en H.26L.

La transformacion inversa se define por x’ = Q0 X, de modo que puede calcularse tambien con aritmetica de numeros enteros. A partir de la definicion anterior, x’ = 676 x, es decir los datos reconstruidos x’ son iguales a los datos originales x amplificados por una ganancia de numeros enteros de 676 (que es la norma de cualquiera de las filas en Q0).

De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona una matriz de transformacion de bloques que usa aproximaciones de numeros enteros que son ortogonales, aunque tienen diferentes valores que reducen significativamente la complejidad computacional cuando se codifica y decodifica. Mas particularmente, usando a = 2,5, se genera la siguiente matriz:

Q0 =redondear(26H)=

1111 2 1-1-2 1-1-1 1 1 -2 2 -1

Observese que las filas de Qd son ortogonales entre si, y, aunque sus normas son diferentes (las filas cero y dos tienen normas igual a cuatro, mientras que las filas uno y tres tienen normas iguales a diez), como se describe a continuacion esto se maneja en cuantificacion y descuantificacion de manera que no aumenta significativamente la complejidad computacional.

Volviendo a la Figura 2 de los dibujos, se muestra un codificador 200 de transformacion de bloques y decodificador 222 de transformacion de bloques, conectable mediante algun tipo de medio y/o dispositivos 220 intermedios. Como se entiende, un codificador 200 no es necesario que haga su salida directamente disponible al decodificador 222, y por lo tanto la linea etiquetada 220 en la Figura 2 puede representar virtualmente cualquier tipo de medio o dispositivos, tales como un cable de red, medio de transmision inalambrica, linea de telefono, dispositivo de almacenamiento, encaminador y/o virtualmente cualquier combination de los mismos.

En general, el codificador 200 opera transformando cada bloque de NxN datos 202 de pixeles de entrada (por ejemplo, representando information de correction de error) mediante unas transformaciones 204 bidimensionales que pueden separarse. Mas particularmente, en primer lugar las filas de datos de pixel en el bloque se transforman mediante un procedimiento 206 de transformacion de fila, y a continuacion los resultados de la transformacion de fila

Qd = redondear(2,5H) =

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(no representadas especlficamente en la Figura 2) se transforman mediante un procedimiento 208 de transformacion de columna en los coeficientes 210 de transformacion resultantes. En otras palabras, la DCT bidimensional esencialmente realiza una DCT unidimensional en cada fila de un bloque de plxeles, seguido por una DCT unidimensional en cada columna de los bloques de plxeles que se produjeron por las DCT unidimensionales en las filas. Las transformaciones de fila y columna pueden realizarse en orden inverso, con el mismo resultado obtenido.

En H.26L, la matriz de transformacion especificada da como resultado las siguientes formulas para calcular los coeficientes de transformacion:

A = 13a + 13b + 13c + 13d

B = 17a + 7b - 7c - 17d C = 13a - 13b - 13c + 13d

D = 7a - 17b + 17c - 7d

donde [abcd] representa en primer lugar una fila de valores de plxeles, y a continuacion, despues de la transformacion de fila, representa una columna de aquellos valores de datos transformados en fila, en un bloque de cuatro por cuatro. Sin embargo, en la practica, estas formulas pueden simplificarse, y la matriz de DCT tiene una estructura recursiva que reduce el numero de operaciones de multiplicacion y adicion requeridas. Sin embargo, la matriz anterior requiere al menos cuatro adiciones y tres multiplicaciones para calcular los coeficientes de transformacion para cada pixel. Ademas, puesto que cada pixel puede ser un valor de nueve bits con signo, cuando se multiplica por los factores de fila y columna (la ganancia equivale a la norma de 676) el calculo requiere aritmetica de 32 bits, en la que un unico calculo lleva tanto tiempo como los calculos de 16 bits. Aunque estas consideraciones no son normalmente tan significativas como durante la codificacion, con estos valores de matriz especificados de H.26L, las operaciones adicionales y aritmetica de 32-bits tambien tienen lugar durante la decodificacion, en el que el gasto es significativo.

En contraste a la matriz de H.26L especificada, usando la misma representacion de formula general, como se ha descrito anteriormente, la matriz de transformacion de bloques de la presente invencion es:

imagen3

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que proporciona las siguientes formulas para calcular los coeficientes de transformacion:

A = a + b + c + d

B=2a+ b- c - 2d

C = a - b - c + d

D = a - 2b + 2c - d

Parte de la razon de que esta formula / matriz funciona de manera mas optima es que en lugar de realizar multiplicaciones individuales en la etapa de transformacion, los factores de multiplicacion se manejan esencialmente en la fase de cuantificacion, simplemente cambiando los valores usados en el cambio de escala. Como resultado, la unica multiplicacion con estas formulas es por una potencia de dos, que en los procesadores se consigue mediante una unica operacion de desplazamiento a la izquierda, no una multiplicacion real. Con u, v, y y z usadas como variables auxiliares, y en la que “<< 1” significa desplazamiento a la izquierda un bit (equivalente a multiplicar por dos pero computacionalmente mas rapido, las formulas anteriores simplifican las siguientes formulas:

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u = a + d;

v = b + c;

y = b - c; z = a - d;

A = u + v;

C = u - v;

B = y + (z « 1) /

D = z - (y « 1) ;

Mediante la estructura en mariposa representada en la Figura 3, (en la que una llnea entre dos puntos indica una suma, y los numeros en las llneas (los -1, 2 y -2 indican un factor de multiplicacion) que hallan estos coeficientes de transformacion realmente requieren unicamente cuatro adiciones y un desplazamiento para cada pixel dado, proporcionando una mejora de rendimiento muy sustancial con relacion a los factores especificados en H.26L. Ademas, debido a los valores de coeficientes inferiores, todas las operaciones de transformacion pueden realizarse en aritmetica de 16 bits (con datos de plxeles de 9 bits). Mas particularmente, con la matriz de transformacion Qd anteriormente definida, despues de una transformacion bidimensional 2-D, la amplificacion de senal maxima es 36, en la cual los coeficientes de salida despues de la transformacion bidimensional abarcaran 6 bits mas que la entrada. Por lo tanto, para entrada de 9 bits, los coeficientes de salida tienen un rango dinamico de 15 bits, que significa que la transformacion directa bidimensional puede calcularse con aritmetica de 16 bits. Ademas, como se describe a continuacion, el aumento de rendimiento resultante de muchas menos operaciones, cada una de las cuales requiere unicamente aritmetica de 16 bits, se repite esencialmente durante las operaciones de decodificacion con la transformacion inversa, proporcionando un aumento significativo en rendimiento de decodificacion.

Una vez que se calculan los coeficientes 210 de transformacion, el bloque de los coeficientes 210 se cuantifica cambiando de escala los valores y redondeandolos a sus numeros enteros mas cercanos. Esto se representa en la Figura 2 por el procedimiento 212 de cuantificacion, que selecciona de entre los valores de cuantificacion a partir de los parametros 214 de cuantificacion para cambiar de escala los coeficientes 210 de transformacion en coeficientes 216 cuantificados. Como se ha descrito anteriormente, debido a que no existe una norma, sino tres en la matriz mejorada, tres tablas de cuantificacion Q0, Q1 y Q2 contienen estos valores, dependiendo de donde se posicione en el bloque el coeficiente transformado cuantificar.

La formula de cuantificacion para cambio de escala y redondeo es como sigue, que deberia calcularse con precision de 32 bits:

L = [K x A(QP,r) + fX] » 20

donde L es el coeficiente cuantificado, K es el coeficiente transformado, A(QP,r) es el factor de escala indexado por el parametro de cuantificacion QP y r, en el que r identifica que tabla (Q0, Q1 o Q2 usar), fX esta en el intervalo [00,5] x 220 (fX tiene el mismo signo que K), y >> 20 significa desplazamiento a la derecha veinte lugares (divido por 1.048.576), para cambiar de escala el numero hacia abajo. El procedimiento de cuantificacion por lo tanto introduce errores. Observese que aunque se usa aritmetica de 32 bits para cuantificacion, esto se requiere unicamente cuando se realiza codificacion, que no es tan significativo como cuando se realiza decodificacion (en el que la descuantificacion necesita unicamente precision de 16 bits, como se describe a continuacion).

El indice r por lo tanto selecciona cuales de las tres tablas de cuantificacion Q0, Q1 o Q2 usar para ajustar las tres normas diferentes, basandose en la posicion del coeficiente K en el bloque:

r=0 (usar Q0) si el coeficiente proviene de una de las posiciones {(0,0), (0,1), (1,0), (1,1)};

r=1 (usar Q1) si el coeficiente proviene de una de las posiciones {(0,2), (0,3), (1,2), (1,3), (2,0), (2,1), (3,0), (3,1)};

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r=2 (usar Q2) si el coeficiente proviene de una de las posiciones {(2, 2), (2,3), (3,2), (3,3)}.

Despues del desplazamiento a la derecha en 20 bits, cada resultado cuantificado L se ajusta a un numero entero de 16 bits.

En una implementacion ejemplar, el factor de cambio de escala A(QP, r) depende del parametro de cuantificacion QP y grupo de posicion de coeficiente r de acuerdo con las siguientes tablas:

A(QP=0..31, r=0) = {104858, 93418, 83226, 74146, 66056, 58849, 52429, 46709, 41613, 37073, 33028, 29425, 26214, 23354, 20806, 18536, 16514, 14712, 13107, 11677, 10403, 9268, 8257, 7356, 6554, 5839, 5202, 4634, 4129, 3678, 3277, 2919};

A(QP=0..31, r=1) = {66318, 59082, 52636, 46894, 41778, 37220, 33159, 29541, 26318, 23447, 20889, 18610, 16579, 14771, 13159, 11723, 10444, 9305, 8290, 7385, 6580, 5862, 5222, 4652, 4145, 3693, 3290, 2931, 2611, 2326, 2072, 1846};

A(QP=0..31, r=2) = (41943, 37367, 33290, 29658, 26422, 23540, 20972, 18684, 16645, 14829, 13211, 11770, 10486, 9342, 8323, 7415, 6606, 5885, 5243, 4671, 4161, 3707, 3303, 2942, 2621, 2335, 2081, 1854, 1651, 1471, 1311, 1168}.

Los valores particulares anteriores se disenaron para satisfacer la especificacion de diseno en H.26L de que los tamanos de etapa de cuantificacion deberlan doblarse por cada incremento de seis en el Indice de tabla. Para otras aplicaciones de codificacion de video o de imagen fija, pueden disenarse otras tablas de cuantificacion, en vista de los incrementos de fidelidad deseados. Observese que para almacenar las tablas de cuantificacion en el codificador, es necesario algun espacio de tabla adicional para almacenar tres tablas en lugar de una, pero esta cantidad de espacio adicional es unicamente 64 bytes, que es despreciable.

Volviendo a la Figura 2, que sigue al procedimiento de cuantificacion, los coeficientes 216 cuantificados se alimentan a un codificador 218 por entropla que, en general, reduce adicionalmente el numero de bits necesarios para codificar el bloque. Los codificadores por entropla (y decodificadores) son conocidos, y por lo tanto no se describen en el presente documento, ya que la presente invencion opera antes y esencialmente de manera independiente de la codificacion por entropla, y despues y esencialmente de manera independiente de la decodificacion por entropla.

Volviendo a una consideration de decodificacion en el decodificador 222 de transformation de bloques, en algun momento, independientemente de como se entreguen, los bits de salida codificados por entropla se alimentan como bits de entrada a un decodificador 224 por entropla. En general, tales decodificadores por entropla son conocidos, y por lo tanto entre otras posibles operaciones, es suficiente establecer que el codificador 224 por entropla reproduzca los coeficientes 226 cuantificados para un bloque dado. Observese que tlpicamente la codificacion y decodificacion no tienen perdidas, es decir, los coeficientes 216 cuantificados alimentados en el codificador 218 por entropla seran identicos a los coeficientes 226 cuantificados producidos por el decodificador 224 por entropla.

En general, el decodificador 222 de transformacion de bloques refleja la operation del codificador 200 de transformacion de bloques, aunque como se describe a continuation y de acuerdo con la presente invencion, se proporciona una matriz de transformacion inversa modificada que posibilita que se use aritmetica de 16 bits a traves de todo el procedimiento de decodificacion, simplificando enormemente en general la complejidad computacional del decodificador.

Una vez que los coeficientes 226 cuantificados se recuperan del decodificador 224 por entropla, cada coeficiente cuantificado L se convierte a un valor reconstruido (descuantificado) K' mediante un procedimiento 228 de descuantificacion implementando la formula:

K' = LxB(QP,r)

donde el factor de cambio de escala B depende del Indice QP usado cuando se codifica, y r determina los parametros de descuantificacion 230 seleccionando un parametro de una de las tablas D0, D1, o D2 (para ajustar las tres normas). Observese que r puede deducirse a partir de la posicion del coeficiente que se esta descuantificando en el bloque, como se ha descrito anteriormente con respecto a cuantificacion, aunque es factible enviar el valor r desde el codificador, que posiblemente reducirla la complejidad computacional en el decodificador pero requerirla que se enviaran al menos dos mas bits por coeficiente para identificar r.

De esta manera, el factor de cambio de escala B(QP, r) depende del Indice de parametro de cuantificacion para QP usado cuando se realiza codificacion, y el grupo de posicion de coeficiente r. En una implementacion ejemplar, esa dependencia se especifica de acuerdo con las siguientes tablas:

B(QP=0..31, r=0) = {80, 90, 101, 113, 127, 143, 160, 180, 202, 226, 254, 285, 320, 359, 403, 453, 508, 570, 640, 718, 806, 905, 1016, 1140, 1280, 1437, 1613, 1810, 2032, 2281, 2560, 2874};

5

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B(QP=0..31, r=1) = {101, 114, 127, 143, 161, 180, 202, 227, 255, 286, 321, 361, 405, 454, 510, 572, 643, 721, 810, 909, 1020, 1145, 1285, 1443, 1619, 1817, 2040, 2290, 2570, 2885, 3239, 3635};

B(QP=0..31, r=2) = {128, 144, 161, 181, 203, 228, 256, 287, 323, 362, 406, 456, 512, 575, 645, 724, 813, 912, 1024, 1149, 1290, 1448, 1625, 1825, 2048, 2299, 2580, 2896, 3252, 3650, 4095, 4596}.

Como con las tablas de codificacion, los valores particulares anteriores se disenaron para satisfacer la especificacion de diseno en H.26L de que los tamanos de la etapa de cuantificacion deberfan doblarse por cada incremento de seis en el fndice de tabla. Para otras aplicaciones de codificacion de video o de imagen fija, pueden disenarse otras tablas de cuantificacion, en vista de los incrementos de fidelidad deseados.

Como puede apreciarse, la formula de descuantificacion cambia de escala los coeficientes de vuelta a valores mayores, aunque cada uno de estos valores de cambio de escala es suficientemente bajo para asegurar que unicamente es necesaria aritmetica de 16 bits en el decodificador. Deberfa observarse que puesto que cada entrada en una tabla esta relacionada matematicamente (basandose en la norma) para corresponder a entradas de tabla de QP indexados en las otras dos tablas, es posible de manera alternativa tener unicamente una tabla de valores QP, con un ajuste matematico apropiado basandose en el valor r, en lugar de tener tres tablas. Sin embargo, las consultas en tablas pequenas son relativamente ineficaces, y el numero de bytes requeridos para almacenar tres tablas de treinta y dos entradas en dos bytes por entrada en lugar de una tabla de treinta y dos entradas a cuatro bits por entrada (requerida con la transformacion de H.26L especificada) son sesenta y cuatro bytes adicionales, que es insignificante en dispositivos informaticos modernos, considerando especialmente que los coeficientes de transformacion generados por descuantificacion se adaptan en dieciseis palabras de bits en lugar de palabras dobles de 32 bits, reduciendo de esta manera la cantidad total de memoria necesaria.

Tambien como se representa en la Figura 2, una vez que se han descuantificando los coeficientes 226 cuantificados mediante la formula y tablas anteriores, esta presente una matriz de cuatro por cuatro de coeficientes 232 de transformacion reconstruidos. A partir de estos coeficientes 232 de transformacion, los pfxeles reconstruidos se generan alimentandolos a un procedimiento 234 de transformacion inverso bidimensional que comprende los procedimientos 236 y 238 de transformacion inversa de columna y fila, respectivamente.

De acuerdo con la presente invencion, en lugar de usar la transformacion inversa Qi = Qdt, como se harfa normalmente, para permitir el calculo de descuantificacion de 16 bits y transformacion inversa, la presente invencion

ara uso:

1 1 1/2 ‘

1/2 -1 -1

-1/2 -1 1

-1 1 -1/2

Observese que las columnas de Qi son ortogonales entre si, pero sus normas son diferentes. Sin embargo, esto se manejo mediante el valor “r” usado al seleccionar el parametro de descuantificacion, como se ha descrito anteriormente. Ademas, observese que al generar Qi desde Qd, se realizo transposicion en Qd, con las columnas uno y tres multiplicadas por una mitad. De nuevo, sin embargo, los valores QP ya presentes en las tablas D0, D1 y D2 se han ajustado para esto con antelacion, eliminando la necesidad de compensar cualquier complejidad computacional adicional. Ademas, la unica “multiplicacion” que sera necesaria hacer cuando se calculan las transformaciones inversas con una matriz de este tipo es por una mitad, que realmente se realiza por una operacion de desplazamiento a la derecha altamente eficaz. Observese que la pequena cantidad de ruido introducido por tal division imprecisa no tiene esencialmente impacto en el rendimiento de tasa-distorsion.

Con Qi definida como anteriormente, su ganancia maxima equivale a cuatro. Por lo tanto, el procedimiento de transformacion inversa bidimensional unicamente expande el intervalo dinamico en cuatro bits, permitiendo el calculo en aritmetica de 16 bits.

El procedimiento 236 de transformacion inversa de columna y el procedimiento 238 de transformacion inversa de fila (que opera en el resultado del procedimiento de transformacion inversa de columna) representado en la Figura 2 generan los datos 240 de pixel de salida. Para este fin, usando la matriz de transformacion inversa anterior y denominado [A B C D] una fila o columna particular para que se transforme a la inversa, los correspondientes valores transformados inversos [a' b' c' d'] se calculan por:

imagen4

5

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u = A + C

v = A - C;

y = (B » 1) - D;

z = (D » 1) + B;

a' = u + z;

b' = v + y; c' = v - y;

d' = u - z;

donde u, v, y y z son variables auxiliares y >>1 significa desplazar un bit a la derecha (equivalente a multiplicar por una mitad). Similar a la codificacion, mediante la estructura en mariposa representada en la Figura 4, estas ecuaciones realmente reducen hasta cuatro operaciones de adicion y una operacion de desplazamiento por coeficiente, todas en aritmetica de 16 bits. Finalmente, el procedimiento de transformacion inversa 234 (Figura 2) cambia de escala los valores de plxeles reconstruidos por un factor de 2‘7 (realizado mediante una operacion de desplazamiento a la derecha de 7 bits).

Los valores de plxeles reconstruidos despues del desplazamiento de 7 bits tienen un intervalo de 9 bits, por lo que la transformacion inversa puede calcularse en aritmetica de 16 bits. Las tablas de descuantificacion D0, D1 y D2 establecidas anteriormente son de manera que las ecuaciones de descuantificacion no se desbordaran cuando se calculan en aritmetica de 16 bits. Las siguientes tablas resumen algunas de las ventajas computacionales cuando se usan la transformacion y la transformacion inversa de la presente invencion con relacion a aquellas especificadas en H.26L:

Transformacion: Operaciones por pixel, transformacion directa Cuantificacion Descuantificacion Operaciones por pixel, transformacion inversa

Especificada en H.26L: 4 adiciones, 3 multiplicaciones en aritmetica de 32 bits 1 multiplication en aritmetica de 32 bits 1 multiplicacion en aritmetica de 32 bits 4 adiciones, 3 multiplicaciones en aritmetica de 32 bits

Presente invencion: 4 adiciones, 1 desplazamiento, en aritmetica de 16 bits 1 multiplicacion en aritmetica de 32 bits 1 multiplicacion en aritmetica de 16 bits 4 adiciones, 1 desplazamiento, en aritmetica de 16 bits

Como puede apreciarse facilmente, tales ahorros son significativos, particularmente en procesadores de 16 bits. Por ejemplo, en la practica un procesador de PDA de 16 bits tlpico puede ver una mejora en la decodificacion de aproximadamente el doble de la velocidad con la presente invencion.

Ademas, la transformacion / transformacion inversa se ha probado con respecto a su impacto en calidad y compresion. Los resultados para ganancia de codificacion (normalmente definidos como un aumento en la relacion de senal a ruido) muestran que el uso de las transformaciones de la presente invencion con datos de prueba dan como resultado una perdida de unicamente alrededor de 0,01 dB con relacion a las transformaciones de H.26L, que es despreciable, y de hecho es probable que sea mucho menor que con la information de senal de video real, tal como errores de prediction de pixel. Ademas, el rendimiento global se probo con relacion a las transformaciones de H.26L especificadas a traves de cada uno de los treinta y dos parametros de cuantificacion, dando como resultado unicamente mas o menos medio por ciento de intervalo de diferencias, con una media muy cercana a cero, indicando de esta manera que la transformacion de la presente invencion rindio as! como la transformacion especificada en H.26L.

Como puede observarse a partir de la anterior description detallada, se proporcionan unas matrices de transformacion y transformacion inversa mejoradas para codificacion y decodificacion de imagen o video,

respectivamente, que reducen significativamente la complejidad computacional con respecto a otras transformaciones conocidas sin impactar de manera adversa la compresion o calidad. Las multiplicaciones de transformacion se eliminan aunque se obtienen resultados corregidos puesto que los valores de parametros de cuantificacion y descuantificacion compensan aquellos factores de multiplicacion, excepto para uno realizado por 5 una operacion de desplazamiento durante los procedimientos de transformacion y transformacion inversa. Debido a que los valores usados, las operaciones de transformacion durante las operaciones de codificacion, y descuantificacion y transformacion durante la decodificacion pueden realizarse en aritmetica de 16 bits (para datos de plxeles representados por nueve bits o menos).

Aunque la invencion es susceptible de diversas modificaciones y construcciones alternativas, se muestran ciertas 10 realizaciones ilustradas de la misma en los dibujos y se han descrito anteriormente en detalle. Deberla entenderse, sin embargo, que no hay intencion de limitar la invencion a las formas especlficas desveladas, sino por el contrario, la intencion es cubrir todas las modificaciones, construcciones alternativas y equivalentes que caen en el alcance de la invencion.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para decodificar informacion de video o de imagen, que comprende:

recibir un conjunto de coeficientes (226) de transformation cuantificados;

descuantificar (228) los coeficientes de transformacion cuantificados en coeficientes (232) de transformacion descuantificados, en el que los coeficientes de transformacion cuantificados estan dispuestos logicamente en un bloque, y en el que para cada uno de los coeficientes de transformacion cuantificados la descuantificacion incluye:

basandose en una position del coeficiente de transformacion cuantificado en el bloque,

seleccionar un grupo de entre diversos grupos de factores (230) de cambio de escala;

dependiendo de un parametro de cuantificacion, seleccionar un factor de cambio de escala en el grupo

seleccionado; y

multiplicar el coeficiente de transformacion cuantificado por el factor de cambio de escala seleccionado; y

aplicar un procedimiento (234) de transformacion inversa a los coeficientes de transformacion descuantificados para reconstruir informacion a partir de los mismos, aplicando el procedimiento de transformacion inversa calculos de transformacion inversa que tienen valores tales que cada operation de multiplication entre uno de los valores y uno de los coeficientes de transformacion descuantificados en los calculos de transformacion inversa puede realizarse mediante una operacion de desplazamiento, en el que el procedimiento de transformacion inversa es ortogonal.
2. El procedimiento de la reivindicacion 1 en el que son accesibles tres grupos de factores de cambio de escala.
3. El procedimiento de la reivindicacion 1 en el que los coeficientes de transformacion cuantificados y los valores de factor de cambio de escala posibilitan la descuantificacion en aritmetica de 16 bits.
4. El procedimiento de la reivindicacion 1 en el que la aplicacion de un procedimiento de transformacion inversa a los coeficientes de transformacion descuantificados se realiza en aritmetica de 16 bits.
5. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que el procedimiento de transformacion inversa corresponde a una transformacion bidimensional en la que los valores de calculo de transformacion inversa estan basados en la matriz de transformacion inversa:

1 1 11/2 1 1/2 -1 -1

1 -1/2 -1 1

1-11 -1/2

teniendo diversas columnas de la matriz de transformacion inversa diferentes normas, en el que la descuantificacion compensa al menos en parte las diferentes normas de las diversas columnas de la matriz de transformacion inversa.
6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende adicionalmente, antes de recibir el conjunto de coeficientes de transformacion cuantificados:

aplicar un procedimiento (204) de transformacion para introducir informacion y construir coeficientes (210) de transformacion a partir de los mismos, aplicando el procedimiento de transformacion calculos de transformacion que tienen valores tales que cada operacion de multiplicacion entre uno de los valores de calculo de transformacion y uno de los coeficientes de transformacion en los calculos de transformacion puede realizarse mediante una operacion de desplazamiento; y

cuantificar (212) los coeficientes de transformacion en los coeficientes (216) de transformacion cuantificados.
7. El procedimiento de la reivindicacion 6 en el que el procedimiento de transformacion corresponde a una transformacion bidimensional en la que los valores de calculo de transformacion estan basados en la matriz de transformacion:

1111 21-1-2 1-1-1 1 1-2 2-1

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teniendo diversas filas de la matriz de transformacion diferentes normas, en el que la cuantificacion y la descuantificacion compensan las diferentes normas de las diversas filas de la matriz de transformacion y las diferentes normas de las diversas columnas de la matriz de transformacion inversa.
8. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en el que instrucciones ejecutables por ordenador almacenadas en un medio legible por ordenador implementan el procedimiento.
9. Un sistema para proporcionar informacion de video o imagen, que comprende:

un codificador (200) de transformacion de bloques, que incluye:

1) un procedimiento (204) de transformacion que aplica una transformacion a informacion para construir coeficientes (210) de transformacion a partir de la misma, aplicando el procedimiento de transformacion calculos de transformacion que tienen valores tales que cada operacion de multiplicacion entre uno de los valores de calculo de transformacion y uno de los coeficientes de transformacion en los calculos de transformacion puede realizarse mediante una operacion de desplazamiento, en el que el procedimiento de transformacion es ortogonal; y

2) un procedimiento (212) de cuantificacion que cuantifica los coeficientes de transformacion en un conjunto de coeficientes (216) de transformacion de numeros enteros cuantificados;

un mecanismo que proporciona los coeficientes de transformacion de numeros enteros cuantificados desde el codificador de transformacion de bloques a un decodificador (222) de transformacion de bloques; y el decodificador de transformacion de bloques, que incluye:

1) un procedimiento (228) de descuantificacion que descuantifica los coeficientes (226) de transformacion de numeros enteros cuantificados en coeficientes (232) de transformacion descuantificados, en el que el procedimiento de descuantificacion cambia de escala los coeficientes de transformacion de numeros enteros cuantificados seleccionando, para cada uno de los coeficientes de transformacion de numeros enteros cuantificados, un factor de cambio de escala desde uno seleccionado de tres grupos de factores (230) de cambio de escala, seleccionandose el grupo seleccionado basandose en una posicion relativa del coeficiente de transformacion de numeros enteros cuantificados en relacion con otros coeficientes de transformacion de numeros enteros cuantificados; y

2) un procedimiento (234) de transformacion inversa que genera informacion reconstruida desde los coeficientes de transformacion descuantificados, aplicando el procedimiento de transformacion inversa calculos de transformacion inversa que tienen valores tales que cada operacion de multiplicacion entre uno de los valores de calculo de transformacion inversa y uno de los coeficientes de transformacion descuantificados en los calculos de transformacion inversa puede realizarse mediante una operacion de desplazamiento, en el que el procedimiento de transformacion inversa es ortogonal.
10. El sistema de la reivindicacion 9 en el que el procedimiento de transformacion corresponde a procedimientos de transformacion (206) de fila y transformacion (208) de columna bidimensionales.
11. El sistema de la reivindicacion 10 en el que los procedimientos de transformacion de fila y transformacion de columna y los valores de calculo de transformacion estan basados en la matriz de transformacion:

1111 21-1-2 1-1-1 1 1-2 2-1

teniendo diversas filas de la matriz de transformacion diferentes normas, en el que el procedimiento de cuantificacion compensa al menos en parte las diferentes normas de las diversas filas de la matriz de transformacion.
12. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 en el que el mecanismo que proporciona los coeficientes de transformacion de numeros enteros cuantificados incluye un codificador (218) por entropia en el codificador de transformacion de bloques, al menos un medio o dispositivo (220) de comunicacion que conecta logicamente el codificador de transformacion de bloques al decodificador de transformacion de bloques y un decodificador (224) por entropia en el decodificador de transformacion de bloques.
13. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 en el que el procedimiento de transformacion inversa corresponde a procedimientos de transformacion (236) inversa de columna y transformacion (238) inversa de fila bidimensionales.

5

10

15

20

25
14. El sistema de la reivindicacion 13 en el que los procedimientos de transformation inversa de columna y transformation inversa de fila y los valores de calculo de transformacion inversa estan basados en la matriz de transformacion inversa:

111 1 1/2 -1

1 -1/2 -1

1-11

1/2

-1

1

-1/2

teniendo diversas columnas de la matriz de transformacion inversa diferentes normas, en el que el procedimiento de descuantificacion compensa al menos en parte las diferentes normas de las diversas columnas de la matriz de transformacion inversa.
15. Un procedimiento para decodificar information de video o de imagen, que comprende: recibir un conjunto de coeficientes (226) de transformacion cuantificados;

descuantificar (228) los coeficientes de transformacion cuantificados en coeficientes (232) de transformacion descuantificados; y

aplicar un procedimiento (234) de transformacion inversa a los coeficientes de transformacion descuantificados, aplicando el procedimiento de transformacion inversa calculos de transformacion inversa a los coeficientes de transformacion descuantificados basandose en valores representados en la matriz:

1 1 11/2 1 1/2 -1 -1

1 -1/2 -1 1

1-11 -1/2

en el que los calculos de transformacion inversa incluyen diversas operaciones de multiplication, y en el que cada una de las diversas operaciones de multiplicacion puede realizarse mediante una operation de desplazamiento.
16. El procedimiento de la reivindicacion 15 en el que la descuantificacion comprende, seleccionar cada coeficiente de transformacion cuantificado, y para cada coeficiente de transformacion cuantificado seleccionado:

seleccionar un grupo de factores (230) de cambio de escala basandose en una position relativa logica del coeficiente de transformacion cuantificado con relation a coeficientes de transformacion cuantificados; buscar un factor de cambio de escala en el grupo que se selecciono; y

cambiar de escala el coeficiente de transformacion cuantificado en un coeficiente de transformacion descuantificado multiplicando el coeficiente de transformacion cuantificado por el factor de cambio de escala.
17. El procedimiento de la reivindicacion 15 en el que diversas columnas de la matriz tienen diferentes normas, y en el que la descuantificacion compensa al menos en parte las diferentes normas de las diversas columnas de la matriz.