KR20030090621A

KR20030090621A - 혼돈계를 이용한 영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한방법 및 장치

Info

Publication number: KR20030090621A
Application number: KR10-2003-7009203A
Authority: KR
Inventors: 케빈 쇼트
Original assignee: 유니버서티 오브 뉴 햄프셔
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-11-28
Also published as: US7110547B2; JP2004527159A; JP4064240B2; CA2434206A1; EP1350219A4; EP1350219A1; US20030169940A1; US20070053517A1; WO2002065386A1

Abstract

영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한 시스템이 제공된다. 기본파형들의 라이브러리(2)가 선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계(10)에 적용함으로써 생성된다. 각 기본파형은 초기화코드와 1 대 1 대응한다. 선택된 기본파형들의 가중된 합이 영상의 각 슬라이스의 근사화를 위해 사용된다. 그 후 기본파형들은 버려지고 가중계수들 및 대응하는 초기화코드들만이 압축된 영상파일에 저장된다. 압축된 영상파일이 플레이백(playback)을 위해 압축복원되는 경우, 저장된 초기화코드들은 벗겨내어지고 유사한 혼돈계에 적용되어 기본파형들이 재생성되고, 이 기본파형들은 저장된 가중계수들에 따라 재결합되어 원본영상슬라이스의 근사물을 생성한다.

Description

혼돈계를 이용한 영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for the compression and decompression of image files using a chaotic system}

일반적으로, 혼돈계는, 주기성이 없고 그것의 최종상태는 계의 정확한 초기상태에 너무 민감하게 의존하여 그것의 시간의존경로는 결정론적임에도 불구하고 사실상 장기간예측불가능한 동적인 계이다.

혼돈통신에 대한 하나의 접근법인, 쇼트(short)등의보안디지털혼돈통신을 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Secure Digital Chaotic Communication)란 명칭의 미국특허출원번호 제09/430,910호(쇼트특허 I)는, 송신기/부호화기에 의해 제어되는 혼돈계와 수신기/복호화기에 의해 제어되는 동일한 혼돈계를 기술한다. 통신은 초기화 및 송신이라는 두 단계로 나누어진다. 초기화단계는 일련의 제어(control)들을 사용하여 송신기/부호화기 및 수신기/복호화기에서의 동일한 혼돈계들을 동일한 주기적인 상태로 몰고간다. 이것은 디지털초기화코드를 각각의 혼돈계에 반복적으로 보내며, 그것들의 각각을 알려진 주기궤도(periodic orbit)에 이르게 하고 다른 불안정한 주기궤도를 안정화시킴으로써 달성된다. 필요한 초기화코드는 16비트 미만의 정보를 담고 있다. 그 후 송신단계는 유사한 일련의 제어들을 사용하여 주기궤도들의 궤적들을, 0과 1로 표시되며 디지털메시지의 평이한 표현에 대응하는 공간의 영역들로 나아가게 한다.

쇼트 등의압축된 혼돈음악합성을 위한 방법 및 장치(Method and apparatus for Compressed Chaotic Music Synthesis)란 명칭의 미국특허공보 제6,137,046호(쇼트특허 II)는, 이러한 초기화단계를 사용하여 알려진 주기궤도들을 생성하여 혼돈계들에 대해 안정화한 다음 이 궤도들을 전통적인 음색(note)들을 근사화하는 소리로 변환함을 기재하고 있다. 디지털초기화코드를 혼돈계에 보냄으로써, 풍부한 고조파구조(harmonic structure)를 가지며 음악적인 소리를 내는 주기적 파형이 생성될 수 있다. 음악응용들에 필요한 1차원의 주기적 파형은 시간에 대한 주기궤도의 x, y, 또는 z성분(또는 그것들의 조합)을 관련된 혼돈계로서 취함으로써 얻어진다. 주기적 파형은 소리의 아날로그판(version)을 나타내며, 그 파형의 진폭을, 예컨대 오디오표준 PCM16을 사용하여, 시간에 대해 샘플링함으로써, 디지털판의 소리를 생성할 수 있다. 주기적 파형들의 고조파구조들은 충분히 가변되어 다양한 악기들처럼 소리를 낸다.

쇼트의오디오파일들의 압축 및 압축복원을 위한 방법 및 장치(Method andApparatus for the Compression And Decompression of Audio Files)란 명칭의 미국특허출원 제09/597,101호(쇼트특허 III)는, 선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용하여 혼돈계에 관련된 기본파형들의 라이브러리를 만드는 것을 기술한다. 각 초기화코드는 특정 기본파형과 1 대 1 대응으로 되어, 기본파형을 표현하기 위해 대응하는 초기화코드를 사용할 수 있게 한다. 그 경우 기본파형들은 오디오파일의 구역(section)을 근사화하는데 사용된다.

오디오파일의 구역에 가장 긴밀하게 관련된 기본파형들이 선택되고, 선택된 기본파형들의 가중된 합은 오디오파일의 구역을 근사화하는데 사용된다. 일단 오디오파일의 구역을 지정된 정도의 정확도로 근사화하는 가중된 합이 산출되면, 기본파형들은 버려지고 가중계수들, 대응하는 초기화코드들 및 특정 주파수정보만이 압축된 오디오파일에 저장된다. 압축된 오디오파일은 다른 구현의존적인 정보, 예컨대, 샘플링율, 형식(format) 등을 정의하는 헤더정보를 담고 있을 수도 있다. 압축된 오디오파일이 플레이백(playback)을 위해 압축복원되는 경우, 초기화코드들은 분리되어 기본파형들을 재생성하는데 사용되며, 오디오파일의 원래의 구역의 근사물을 재생하기 위해 기본파형들은 가중계수들에 따라 압축된 오디오파일에 재결합된다.

본 발명은 영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한 시스템이다. 영상파일들은 다수의 상업적으로 입수가능한 형식들 중의 어느 하나, 예컨대 그레이스케일형식, "yuv"형식, "rgb"형식으로 존재하거나, 일반적으로 사용되는 다수의 다른 형식들 중의 어느 하나로 존재할 수 있다. 그레이스케일형식에서, 그레이레벨은 유일한 변수이고, 영상파일 내의 각 영상은, 백색에서부터 흑색까지 정해진 고정된 수의 가능한 그레이음영들의 스케일에서의 어둠(darkness)의 정도인 그레이레벨에 관한 정보를 각 위치가 지니고 있는 2차원매트릭스를 나타낸다. "rgb"형식에서, 2차원매트릭스 내의 모든 위치는 칼라스케일에서의 세기의 정도인 적색레벨, 녹색레벨 및 청색레벨에 관한 정보를 지니고 있다. "yuv"형식에서는, 차원들 중의 하나는 그레이스케일레벨이고, 나머지 2개의 차원은 칼라레벨들을 나타낸다.

오디오파일들로 생성된 시계열(time series)데이터로부터 영상파일들을 분할하는 주요 특징은 영상파일 내의 데이터가 불연속의 "슬라이스들"에 들어간다는 것이고, 슬라이스라는 용어는 아날로그화면상의 단일의 수직 또는 수평주사선 또는 디지털영상에서의 단일 수직 또는 수평선의 화소들을 나타낸다. 예를 들어, 디지털영상이 1280×10240 화소들로 이루어진다면, 1024개 화소들의 1280개 행들, 또는 슬라이스들이 존재한다. 따라서, 최대슬라이스길이는 영상응용에 외부에서 부과되고, 압축은 최대길이의 슬라이스 또는 그것의 임의의 부분에 대해 행해질 수 있다.

영상파일압축의 제1단계는 영상을 먼저 최대길이의 슬라이스들 또는 그것의 소망의 임의 부분으로 분할하는 것이다. 이 처리는, 가장 단순하게는, 2차원화소매트릭스가 매트릭스의 각 위치에 단일 엔트리(entry; 그레이스케일레벨)를 가지는 그레이스케일형식으로 묘사하는 것이다. 예를 들어, "rgb"형식에서, 3개의 별개의 2차원화소매트릭스들로 데이터를 묘사하는 것이 최선이다. 각각의 2차원매트릭스는 단일 색에 대한 칼라레벨을 담고 있다. 매트릭스들 중의 하나로부터 슬라이스를 형성하는 것은 단순히 단일 행 또는 열을 한꺼번에 추출하는 것이다. 각 슬라이스상의 데이터는 그레이스케일형식에서는 슬라이스 상의 각 위치의 그레이레벨; "rgb"형식에서는 슬라이스 상의 각 위치의 적색레벨, 녹색레벨 또는 청색레벨; 또는 "yuv"형식에서는 그레이레벨, 제1색레벨, 또는 제2색레벨이다.

슬라이스데이터는 오디오파일의 시계열데이터와는 하나의 중요한 점에서 다르다. 오디오파일데이터는 단기간스케일들에 대해서는 거의 주기적인 경향이 있고 영(0) 주위에서 진동한다. 칼라레벨인 슬라이스데이터는 종종 장시간범위(extended span)의 화소들에 대해 감소하거나 증가하는 일정한 경향을 보여준다. 이것은 진동을 반드시 나타낼 필요가 없고 혼돈파형들의 단기간의 주기적인 구조를 반드시 가질 필요가 없다. 이 문제의 해법은 슬라이스데이터를 취하여 데이터로부터 경향을 제거하여 경향제거된 영상슬라이스를 생성함으로써 달성될 수 있다. 슬라이스를 가로지르는 데이터의 경향에 불연속성이 존재하는 경우에는, 그 슬라이스를 작은 수의 더 짧은 슬라이스들로 쪼개어 짧은 슬라이스들로부터 경향을 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 경향선(trend line)은 스플라인곡선에 의해 데이터 또는 이 데이터의 대규모 경향들 중의 임의의 다른 단순한 기능적 근사물(approximation)로 대체될 수 있다. 다른 실시예에서, 슬라이스 상의 데이터는 1차원적으로 수집된 순서있는 데이터점들로 간주되고, 최적합(best-fit)최소제곱회귀선이 데이터를 맞추기 위해 계산된다. 이 최적합최소제곱회귀선은 경항선이고, 일단 이것이 데이터로부터 뺄셈된다면, 영상슬라이스로부터 경향선을 뺄셈하여 형성된 나머지차이, 또는 경향제거된 영상슬라이스는 자연스레 진동한다. 경향선을 기술하는 경향선정보는 저장된다. 그러면 경향제거된 영상슬라이스는 아래에서 설명되며 쇼트특허 III에서 설명된 것과 유사한 절차의 결과로 혼돈파형들로의 압축에 적합하다.

요컨대, 선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용함으로써 혼돈계에 관련된 기본파형들의 라이브러리가 생성된다. 16비트 초기화코드들로 생성될 수 있는 기본파형들은, 둘 또는 세 개의 고조파들만을 담고 있는 관련된 주파수스펙트럼을 갖는 몇 개의 사인파들의 합을 닮은 단순한 경우들에서부터 중요한 고조파들의 수가 100보다 더 큰 극히 복잡한 파형들까지의 범위에 있다. 중요하게는, 초기화코드들은 기본파형들이 단순한지 아니면 복잡한지에 무관하게 16비트이다. 반면, 선형 접근법에서, 파형에서의 고조파들의 수에 비례하도록 파형을 생성하는데 필요한 비트수는 예측될 수 있다. 파형들에 존재하는 고조파들의 수는 구조의 복잡성에 직접 결부되고, 파형에 많은 고조파들이 존재한다면 파형에는 더 미세한 구조가 존재한다는 것은 일반적으로 진실이다. 이는 경향제거된 영상슬라이스들에 종종 존재하는 급속한 변동을 맞추는 것을 가능하게 하고, 게다가, 경향제거된 영상슬라이스의 임의의 예리한 에지들의 스펙트럼내용(spectral content)이 예리한 에지를 재생 또는 재현하기 위해 높은 수의 고조파들을 요구하므로, 혼돈파형들이 높은 고조파내용을 가진다는 사실은, 그것들이 영상재생에 자연스럽게 적합하게 된다는 것을 의미한다. 동일한 중요성으로, 각 초기화코드는 특정 기본파형과 1대1 대응으로 있어, 기본파형을 표현하기 위해 대응하는 초기화코드를 사용할 수 있게 한다. 그래서 라이브러리로부터 선택된 기본파형들은 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하는데 사용된다.

경향제거된 영상슬라이스에 가장 긴밀하게 관련된 기본파형들이 선택되며,모든 선택된 기본파형들과 경향제거된 영상슬라이스는 적당한 주파수범위로 변환된다. 그 후, 선택된 기본파형들의 가중된 합이 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하는데 사용된다. 일단 경향제거된 영상슬라이스를 지정된 정도의 정확도로 근사화하는 가중된 합이 생성된다면, 기본파형들은 버려질 수 있다. 대응하는 초기화코드들; 가중계수들; 경향선정보 및 나중에 설명되는 특정 위상 및 주파수정보만이 압축된 영상파일에 저장된다. 일단 영상파일의 모든 슬라이스들로부터의 경향제거된 영상슬라이스들이 압축완료되면, 처리는 영상파일의 다음 영상으로 진행할 수 있다. 압축된 영상파일은 다른 구현의존적인 정보, 예컨대, 종횡비들, 경향선명세사항(예컨대, 기울기 및 절편)형식 등을 정의하는 헤더정보를 담을 수도 있다. 압축된 영상파일이 플레이백을 위해 압축해재되는 경우, 초기화코드들은 벗겨내어져 기본파형들을 재생성하는데 사용되어, 기본파형들은 적당한 주파수범위로 변환되며 압축된 영상파일 내의 가중계수들에 따라 재결합되어 경향제거된 영상슬라이스가 생성된다. 그 후 경향선정보는 압축된 영상파일로부터 읽혀지고 그 후 원래의 슬라이스를 가로지르는 경향은 재생성되어 경향제거된 영상슬라이스에 부가된다. 이는 원래의 영상슬라이스의 근사물을 재생 또는 재현한다.

압축된 영상파일은 원격위치에 있는 압축복원용의 동일한 혼돈계로 전송되거나 나중의 전송을 위해 저장될 수 있다. 실무상, 원격위치는 혼돈계의 압축부분을 필요로 하지 않고 영상파일의 플레이백이 소망되는 전부라면 혼돈계의 압축복원부분을 사용하기만 한다.

더 나은 정도의 압축이 종종 가능하고 요망된다. 기본파형들의 적절한 가중된 합을 구한 후에, 가중된 합은 검사될 수 있고 지정된 문턱보다 전체 근사물에 적게 기여하는 임의의 파형들은 제거될 수 있다. 이러한 파형들이 확인되는 경우, 대응하는 초기화코드들은 압축된 영상파일들로부터 제거될 수 있다. 또한, 압축은 영상의 시퀀스들에 대해 행해질 수 있기 때문에, 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들을 검사하여, 시퀀스의 영상에서 영상으로의 변경들에 관해 예측가능한 패턴이 존재하는 지를 판단하는 것이 가능하다. 그러한 패턴들이 검출된다면, 압축된 영상파일의 추가 압축은 후속하는 영상들에 대한 변경들의 패턴에 관한 필수 초기화코드 및 정보만을 저장함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 목적은 인터넷을 통해 배포하기 위해 압축된 영상파일들을 만드는 것이다. 50 대 1보다 큰 압축비들이 가능하고, 이는 크게 개선된 다운로드속도로 인터넷을 통해 영상파일들을 전송할 수 있게 한다. 사람의 눈이 밝은/어두운 레벨들의 변화에 극히 민감하기 때문에, 그레이스케일 영상들의 압축은, 영상압축에 대한 가장 의심스러운 응용이다. 결과적으로, 그레이스케일 영상파일들의 표준압축에서, 데이터는 압축되지 않거나, 2:1의 비율로 압축되거나 영상이 크게 버려질 수 있는 구현형태로 더 높은 레벨로 압축된다. 혼돈압축기법을 사용하면, 8비트 그레이스케일 영상들을 거의 10:1로 압축하는 것이 가능하였고, 이는 16비트 그레이스케일 영상들에 대해 바꾸어 말하면 거의 20:1이다.

본 발명의 다른 목적은 암호화되는 압축된 영상파일들을 만드는 것이다. 예를 들면, 본 발명으로 압축된 영상파일들은 쇼트특허 I에 따라 자연스럽게 암호화된다. 압축된 영상파일을 적당히 압축할 수 있게 하기 위해서는, 적당한 혼돈압축복원기를 가지는 것이 필요하다. 이러한 압축복원기는 자유롭게 또는 등록된 사용자들의 그룹에 배포될 수 있고, 따라서 압축된 영상파일들의 배포 및 재생을 얼마간 제어할 수 있게 된다. 압축된 영상파일들의 사용을 더 많이 제어하는 것은, 보안혼돈배포채널의 제2의 층(layer)을, 쇼트특허 I에 설명된 기술을 사용하여, 사용자에게 전송하기 전에 압축된 영상파일들의 디지털비트들에 통합함으로써 달성될 수 있다. 등록사용자들에게만 유일한 혼돈복호화기들이 주어질 수 있으므로, 압축된 영상파일들 둘레에 "보안레퍼(security wrapper)"를 위치시키는 것이 가능할 것이고, 그래서 등록사용자만이 그것에 접근할 수 있게 될 것이다. 보안레퍼를 구조화하여 영화파일이 요금 지불 후 주어진 횟수만 재생될 수 있게 하는 것도 가능할 것이다.

본 발명은 대체로 영상파일들을 혼돈계(chaotic system)를 이용하여 효율적으로 압축 및 압축복원하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용하여 생성된 기본파형들로 영상파일을 근사화하고 나아가 초기화코드들을 처리하여 압축된 영상파일들을 생성하는 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상파일들을 위한 압축 및 압축복원시스템의 블록도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상파일들을 위한 압축시스템에서의 적인단계들을 전반적으로 보여주는 흐름도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기본파형들의 라이브러리를 만드는 것을 매우 상세히 보여주는 흐름도,

도 4는 주어진 미분방정식들 및 매개변수들로부터 얻어지는 이중스크롤발진기의 선도(plot),

도 5는 이중스크롤발진기 둘레의 12개의 루프들을 위한 함수 r(x)의 선도,

도 6은 5비트 초기화코드 (01011)로부터 얻어지는 이중스크롤발진기의 주기궤도의 선도,

도 7은 그레이스케일 영상파일,

도 8은 도 7에 보여진 그레이스케일영상파일의 단일 슬라이스의 데이터의 선도,

도 9는 도 8에 보여진 슬라이스의 경향제거 후의 선도,

도 10은 도 8에 보여진 슬라이스의 혼돈파형들을 이용한 제1근사화의 선도,

도 11은 도 7에 보여진 그레이스케일 영상의 모든 슬라이스들의 혼돈파형들을 이용한 선도.

영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한 새로운 시스템이 제공된다. 영상파일이 다수의 공통형식들 중의 어느 하나로 존재할 수 있다. 영상파일로부터의 영상은, 아날로그화면상의 단일 주사선 또는 디지털영상의 화소들의 단일 선인 "슬라이스들"로 압축복원된다. 슬라이스의 최대길이는 영상의 크기에 의해 외부에서 부과되나, 더 짧은 슬라이스가 선택되어도 좋다. 슬라이스 상의 데이터는 각 위치의 그레이레벨 또는 각 위치의 칼라레벨이다.

그 후 슬라이스상의 데이터는 1차원적으로 수집된 순서있는 데이터점들로 간주되고, 슬라이스들은 단순한 경향제거단계에 의해 혼돈파형들로 압축하기에 적합하게 될 수 있다. 경향선이 계산되고 경향선을 기술하는 경항선정보는 저장된다.그 후 경향선은 슬라이스로부터 제거되어 경향제거된 영상슬라이스가 생성된다. 일 실시예에서, 경향제거단계는, 최적합제곱회귀선을 계산하여 데이터를 맞추는 단계를 포함한다. 이 최적합제곱회귀선은 경향선이고, 일단 이것이 데이터로부터 뺄셈된다면, 나머지데이터, 또는 경향제거된 영상슬라이스는 자연스레 진동한다. 경향제거된 영상슬라이스는 기본파형들에 의한 근사화에 적합하다. 또한, 더 복합한 일반 경향들이 전체 경향선을 근사화하기 위해 스플라인함수들 또는 다른 단순한 함수들을 사용하여 제거될 수 있다.

기본파형들의 라이브러리는 선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용함으로써 생성된다. 각 초기화코드는 다른 불안정한 주기궤도를 혼돈계에 대해 생성하고 안정화한다. 필요한 기본파형들은 주기궤도들의 x, y, 또는 z성분(또는 그것들의 조합)을 시간의 대해 취함으로써 얻어질 수 있다. 16비트 초기화코드들로 생성될 수 있는 기본파형들은 단순한 것에서 복잡한 것까지의 범위에 있고, 각 기본파형은 초기화코드와 1 대 1 대응한다.

라이브러리에서 압축복원하려는 경향제거된 영상슬라이스에 가장 긴밀하게 관련된 기본파형들이 선택되고 모든 선택된 기본파형들과 경향제거된 영상슬라이스는 적당한 주파수범위로 변환된다. 그 후, 선택된 기본파형들의 가중된 합이 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하는데 사용된다. 일단 그러한 가중된 합이 경향제거된 영상슬라이스를 지정된 정도의 정확도로 근사화하기 위해 생성된다면, 기본파형들은 버려질 수 있고 대응하는 초기화코드들, 가중계수들, 경향선정보 및 특정 위상 및 주파수정보만이 압축된 영상파일에 저장된다. 일단 영상의 모든 슬라이스들이 압축완료되었다면, 처리는 영상파일의 다음 영상으로 진행한다. 압축된 영상파일이 플레이백을 위해 압축복원되는 경우, 저장된 초기화코드들은 벗겨내어져 기본파형들의 재생성에 사용되고, 기본파형들은 저장된 가중계수들에 따라 적당한 주파수범위로 변환되어 재결합되어 경향제거된 영상슬라이스가 생성된다. 그 후 경향선정보는 경향선의 재생성에 사용되고 경향선은 경향제거된 영상슬라이스에 추가되어 원래의 영상슬라이스의 근사물이 생성된다.

기본파형들의 적절한 가중된 합을 찾은 후에 임의의 기본파형들이 제거될 수 있다면, 더 나은 정도의 압축이 달성될 수 있다. 또한, 압축은 영상의 시퀀스들에 대해 행해질 수 있기 때문에, 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들을 조사하여 시퀀스의 영상에서부터 영상으로의 변경들에 대해 예측가능한 패턴이 존재하는 지를 판단할 수 있다. 이러한 패턴들이 검출된다면, 압축된 영상파일의 더 이상의 압축은, 후속하는 영상들에 대한 변경들의 패턴들에 관한 필수 초기화코드들 및 정보만을 저장함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 전술한 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면들에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

본 발명의 실시예의 블록도가 도 1에 들어있다. 영상파일들의 압축 및 압축복원을 위한 시스템(1)은 다수의 공통형식들 중의 어느 하나로 저장된 영상파일(2)과, 영상파일로부터의 영상을 "슬라이스들", 즉 아날로그화면상의 단일 주사선들 또는 디지털영상에서의 화소들의 단일 행들로 분할하기 위한 영상분할기(4)를 포함한다. 슬라이스의 최대길이는 영상의 크기에 의해 외부에서 부과되나 최대길이를 포함하는 다수의 더 짧은 슬라이스들이 선택되어도 좋다.

그 후 영상의 슬라이스는 슬라이스데이터경향제거기(6)에 의해 처리되며, 이 제거기에서는 경향선이 계산되고 경향선을 기술하는 경향선정보는 저장기기(20)에 저장된다. 경향선은 슬라이스데이터로부터 뺄셈되고 나머지차이 또는 경향제거된 영상슬라이스가 유지된다.

압축제어기(8)는 선택된 디지털초기화코드들을 선택된 혼돈계(10)에 인가한다. 각 초기화코드는 라이브러리(12)에 저장된 기본파형을 대응하는 초기화코드와 함께 생성한다. 압축하려는 영상슬라이스로부터의 경향제거된 영상슬라이스는 파형비교기(14)에서 분석되며, 파형비교기(14)는 압축하려는 경향제거된 영상슬라이스에 가장 긴밀하게 관련된 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들을 라이브러리(12)에서 선택하고 모든 선택된 기본파형들과 경향제거된 영상슬라이스를 적당한 주파수범위로 변환한다. 그러면 파형가중기(waveform weighter; 18)는 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하기 위해 선택된 기본파형들의 가중된 합을 생성하며 가중된 합을 생성하는데 필요한 가중계수들을 발생한다. 그 후 기본파형들은 버려지고 대응하는 초기화코드들, 특정 위상 및 주파수정보 및 가중계수들은 저장기기(20)에 저장된다. 저장된 경향선정보, 초기화코드들, 위상 및 주파수정보 그리고 가중계수들은 압축된 영상파일을 구성한다.

압축복원 및 플레이백을 위해, 압축된 영상파일은 원격의 압축복원제어기(22)로 전송되며, 이 압축복원제어기는 저장된 초기화코드들을 벗겨내어 그것들을 압축 시에 사용된 혼돈계(10)와 동일한 혼돈계(24)에 인가한다. 각 초기화코드는 기본파형을 생성하고 이 기본파형은 파형결합기(26)에 보내진다. 또한 압축복원제어기는 압축된 영상파일들로부터의 저장된 위상 및 주파수정보와 가중계수들을 파형결합기(26)로 보낸다. 기본파형들은 적당한 주파수범위로 변환되고 가중계수들에 따라 파형결합기(26)에서 결합되어 원래의 경향제거된 영상슬라이스을 재생한다. 그 후 경향제거된 영상슬라이스는 슬라이스데이터복원기(28)에 의해 처리되며, 이 슬라이스데이터복원기 내에서 경향선은 경향제거된 영상슬라이스에 더해져서 원래의 영상슬라이스의 근사물이 생성된다.

영상파일들의 압축을 위한 본 발명의 바람직한 실시예의 전체적인 흐름도가 도 2에 보여진다. 처리는 다수의 공통형식들 중의 어느 하나로 있는 영상파일(30) 내에서 개시된다. 영상파일로부터의 영상은 단계 32에서 "슬라이스들", 즉 아날로그화면상의 단일 수직 또는 수평주사선 또는 디지털영상에서의 화소들의 단일 수직 또는 수평선으로 분할된다. 슬라이스의 최대길이는 영상의 크기에 의해 외부에서 부과되나 최대길이를 포함하는 다수의 더 짧은 슬라이스들이 사용되어도 좋다. 슬라이스상의 데이터는 그레이스케일형식의 각 위치에 있는 그레이레벨 또는 임의의 다른 형식의 각 위치에 있는 칼라레벨이다.

단계 34에서, 영상슬라이스 상의 데이터는 1차원적으로 수집된 순서있는 데이터점들로 간주된다. 그레이레벨이거나 칼라레벨인 슬라이스데이터는 종종 장시간의 기간(extended span)에 걸쳐 증가하거나 감소하는 일정한 경향을 보여준다. 이것은 반드시 진동을 나타내는 것은 아니고 단기간의 주기적 구조의 혼돈파형들을반드시 가지는 것도 아니다. 이 문제에 대한 해법은 슬라이스데이터를 취하여 이 데이터로부터 경향선을 제거하여 경향제거된 영상슬라이스를 생성함으로써 달성된다. 슬라이스를 가로지르는 데이터의 경향에 불연속성이 존재하는 경우들에는, 슬라이스를 작은 수의 더 짧은 슬라이스들로 쪼개어 각각의 짧은 슬라이스로부터 경향을 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 경향선은 데이터에 맞는 스플라인곡선 또는 데이터의 대규모경향들의 임의의 다른 단순한 기능적 근사에 의해 대체될 수 있다. 다른 실시예에서, 슬라이스 상의 데이터는 1차원적으로 수집된 순서있는 데이터점들로 간주되며, 최적합최소제곱회귀선이 데이터를 맞추기 위해 계산된다. 이 최적합최소제곱회귀선은 경향선이고, 일단 이것이 데이터로부터 뺄셈된다면, 나머지차이, 또는 영상슬라이스로부터 경향선을 뺄셈하여 형성된 경향제거된 영상슬라이스는 자연스레 진동한다. 경향선을 기술하는 경향선정보는 단계 35에서 압축된 영상파일의 부분으로서 저장된다. 그래서 경향제거된 영상슬라이스는 혼돈파형들로의 압축에 적합하다.

본 발명은 디지털초기화코드들을 사용하여 혼돈계를 주기궤도들로 이끌고 다른 불안정한 궤도들을 안정화시킨다. 각 주기궤도는 기본파형들을 생성하고, 기본파형들의 세트는 기본파형들의 주기에 대해 서서히 변하는 것들부터 급속한 변화를 나타내는 것들까지의 범위에 있다. 넓은 범위의 가변성은 파형들이 1 또는 2에서부터 100개를 넘는 고조파들의 경우까지의 갯수의 고조파들을 담고있다는 점에 기인한다. 결과적으로, 영상의 교묘한 명암넣기(subtle shading)의 급속한 변화는 혼돈파형들에 의해 재생될 수도 있는 경우에도, 혼돈파형들이 높은 고조파내용을 가지기 때문에, 급격한 전이들이 쉽사리 재생된다.

따라서, 처리는 단계 36으로 계속되며 이 단계에서 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들의 라이브러리는 아래에서 상세히 설명되는 것처럼 컴파일된다. 이 라이브러리는 특정 혼돈계에 대한 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들의 모두를 담고있다. 더욱이, 파형들에 대한 키참조정보가 카탈로그파일에 효과적으로 저장될 수 있다. 라이브러리 내의 정보는 주어진 실시예의 경우 정적(static)일 수 있다. 대부분의 응용들에서, 카탈로그파일은 모든 관련된 정보를 담고있고 보유될 수 있는 반면 파형들은 저장공간을 절약하기 위해 버려질 수 있다.

도 3은 바람직한 실시예를 위한 기본파형들 및 대응하는 초기화코드들의 라이브러리의 작성을 매우 상세히 보여주는 흐름도이다. 제1단계(60)는 주기궤도들로 이끌려는 혼돈계를 선택하여 기본파형들을 생성하는 것이다. 바람직한 실시예에서, 혼돈계는 다음의 미분방정식들로 기술되는 이중스크롤발진기[S. Hayes, C. Grebogi, and E. Ott, Communicating with Chaos, Phys. Rev. Lett. 70, 3031 (1993)]이다.

C1v_c1= G(v_c2- v_c1) - g(v_c1)

C2v_c2= G(v_c1- v_c2) + i_L

Li_L= -v_c2

여기서

g(v) = m₁v, -Bp≤v≤Bp 인 경우

m₀(v + Bp) - m₁Bp, v≤ -Bp 인 경우

m₀(v - Bp) + m₁Bp, v≥Bp 인 경우

매개변수들인 C1=1/9, C2=1, L=1/7, G=0.7, m₀=-0.5, m₁=-0.8, 및 Bp=1을 이용한 수치시물레이션으로 얻어진 어트렉터(attractor)는 2개의 로브(lobe)들을 가지며 이 로드들의 각각은 도 4에 보인 것처럼 불안정한 고정점을 둘러싼다.

이 발진기 동역학의 혼돈적인 성질 때문에, 발진기의 루프들 각각의 주위의 궤적들에 영향을 미치는 작은 혼란들을 주의깊게 선택함으로써 초기조건들에 의존도가 민감한 이점을 얻을 수 있다. 이 능력은 초기화코드의 사용을 통해 혼돈계를 기본파형을 생성하는데 사용되는 주기궤도로 이끌 수 있게 한다.

혼돈적인 발진기를 제어하는 다수의 수단들이 있다. 바람직한 실시예에서, 푸앵카레표면의 구역은 어트렉터를 반평면들(half planes)로 가로지름으로써 각 로브에 대해 정의된다. i_L=±GF, ｜v_c1｜≤F이고 여기서 F = Bp(m₀-m₁)/(G+m₀). 궤적이 이러한 구역들 중의 하나를 가로지를 때 대응하는 비트가 저장될 수 있다. 그 후, 각 구역 상의 임의의 점을 취하여 그 점을 통과하는 궤적들에 대한 추정(future)심볼시퀀스를 반환하는 함수 r(x)가 정의된다. l₁, l₂, l₃, ...가 어트렉터에 머무르는 로브들을 나타내며(그래서 l_i가 0이나 1이며) 주어진 점(x₀)의 추정전개(future evolution)가 어트렉터 주위의 얼마간의 수(N)의 루프들에 대해 x₀→l₁, l₂, l₃, ..., l_N이 되도록 한다면, 함수 r(x)는 x₀를 관련된 이진소수(binary fraction)로맵핑하도록 선택되며, 그래서 r(x₀) = 0.l₁l₂l₃l_N이 되며 이것은 이진수(밑 2)를 나타낸다. 그 후, r(x)가 횡단면상의 모든 점에 대해 계산되는 경우, 횡단면 상의 임의의 점의 추정전개는 N회의 반복으로 알려진다. 결과적인 함수는 도 5에 보이며 여기서 r(x)는 어트렉터 주위의 12개 루프들에 대해 계산되어 있다.

궤적의 제어는 혼돈계의 초기화를 위해 그리고 메시지의 전송을 위해서도 실상 사용될 수 있다. 궤적의 제어는 궤적이 구역들 중의 하나, 여기서는 x₀를 통과할 때 시작된다. r(x₀)의 값은 N개 루프들에 대해 현재의 궤적이 뒤따르는 추정심볼시퀀스가 생기게 한다. 메시지 전송의 경우, 메시지시퀀스의 N번째 위치의 다른 심볼이 소망된다면, r(x)는 소망의 심볼시퀀스를 생성할 구역상의 최근접점을 위해 탐색될 수 있다. 궤적은 이 새로운 점에 대해 혼란될 수 있고, 표면과의 다음 조우(encounter)를 계속한다. 이 절차는 바라는 대로 많은 횟수 반복될 수 있다.

바람직한 실시예에서 r(x)의 계산은 횡단면들의 각각을 2001개의 구획들("빈들(bins)")로 나누고 로브들 주위의 12개 루프들까지에 대해 구획(partition) 내의 중심점의 추정전개를 계산함으로써 이산적으로 행해졌다. 일 예로서, 궤적에 대한 혼란의 효과가 어트렉터 주위의 5개 루프들 뒤에서만 분명하게 되도록 제어들이 적용되었다. r(x)의 기록 외에도, 빈들의 중심점들에 대한 좌표들 뿐 아니라 이러한 점들에서의 제어들에 관련한 명령들을 담고있는 매트릭스(X)가 만들어졌다. 이러한 명령들은 단순히 제어를 적용할 필요가 있는 경우 계를 어느 정도 혼란시킬지를 나타낸다. 예를 들어, 횡단면을 갖는 궤적의 교차부분에서, r(x₀)는 궤적이 시퀀스10001을 따라가고 시퀀스 10000이 소망의 것이라면, 탐색은 이 시퀀스를 제공할 x₀에 가장 근접한 빈에 대해 행해지고, 이 정보는 M에 놓여진다. (최근접 빈이 유일하지 않다면, 어떤 빈을 취할 지에 대해, 예컨대, 루프의 중앙으로부터 가장 먼 빈을 취할지에 대해 동의되어야 한다.) 혼란 후의 새로운 개시점은 x₀에 의해 뒤따르는 시퀀스로부터 기껏해야 마지막 비트만큼 다른 추정전개시퀀스를 가지기 때문에, 2개의 선택사양들만인제어(control)또는비제어(no control)만이 각 교차부분에서 고려될 필요가 있다. 바람직한 실시예의 아날로그하드웨어구현 시에, 혼란들은 전압변동들 또는 전류서지들을 이용하여 가해진다. 바람직한 실시예의 소프트웨어구현 시에, 제어혼란이 요구되는 경우 정보가 M으로부터 읽혀질 수 있도록 제어매트릭스(M)는 혼돈동역학을 컴퓨팅한 소프트웨어와 함께 저장될 수 있다.

추가의 개선예는 마이크로제어들의 사용에 관계한다. 소프트웨어의 바람직한 실시예의 경우, 혼돈계의 궤적이 횡단면을 통과할 때마다, 시뮬레이션이 1회의 단계로 백업되고, 시간 및 공간의 역할들은 룬게-쿠타솔버(Runge-Kutta solver)에서 뒤바뀌어 궤적은 어떠한 보간 없이 횡단면 상에 정확히 통합될 수 있다. 그 후, 비제어가 적용되는 각 교차부분에서, 궤적은 리셋되어 그것이 속한 빈이 무엇이던지 간에 그 중심점에서 시작한다. 이 리셋팅처리는 마이크로제어들의 이용으로 간주된다. 이것은 어떠한 반올림오차 누적이라도 제거하고 초기조건들에 대한 민감한 의존도의 효과를 최소화한다. 이것은 또한 혼돈어트렉터의 동역학이 여전히 전위상(full phase)공간을 방문함에도 불구하고 전체 혼돈어트렉터의 유한부집합(finite subset)에 대해 혼돈어트렉터의 동역학을 제약하는 효과를 가진다. 이러한 제약은 처음부터 더 큰 정확성으로 r(x) 및 M을 계산함으로써 완화될 수 있다.

도 3에도 보인 것처럼, 초기화코드들 및 기본파형들의 라이브러리를 작성하는 다음 단계 62는 혼돈계에 초기화코드를 부과하는 것이다. 초기화코드는 혼돈계를 주기궤도로 이끌고 다른 불안정한 주기궤도를 안정화시킨다. 더 상세하게는, 혼돈계는 이것에 반복코드(repeating code)를 보냄으로써 주기궤도로 이끌어진다. 다른 반복코드들은 다른 주기궤도들에 이르게 한다. 큰 종류의(large class) 반복코드들의 경우, 도달된 주기궤도는 (주기궤도에 이르게 하는 시간은 초기상태의 가변적으로 의존할 수 있음에도 불구하고) 반복되는 코드세그먼트에만 의존하고 혼돈계의 초기상태에는 의존하지 않는다. 결과적으로, 혼돈계를 알려진 주기궤도로 이끄는 초기화코드를 보내는 것이 가능하다. 소프트웨어 실시예의 경우, 고정된 초기조건을 선택할 수도 있고, 이는 더 많은 초기화코드들 사용할 수 있게 하는 효과를 가진다.

이러한 특수한 반복코드들은 모든 초기상태들에 대해 유일한 주기궤도들에 이르게 하여, 반복코드와 주기궤도 사이에 1 대 1관계가 있게 한다. 그러나, 일부 반복코드들의 경우, 주기궤도들 자체는 혼돈계의 초기상태가 변함에 따라 변한다. 결과적으로, 반복코드들은 2개의 부류들, 즉 초기화코드들 및 비초기화코드들로 나누어질 수 있다. 각 주기궤도의 길이는 반복코드의 길이의 정수배이다. 이것은, 횡단면상의 현재 위치 및 반복코드에서의 현재 위치 둘 다가 얼마간의 이전 시간에서와 동일한 경우에만 주기성이 얻어질 수 있으므로, 당연하다. 혼돈계가 소망의 주기궤도 위에 있는 것을 보장하기 위해서는, 궤도의 주기가 초기화코드의 최소의 반복세그먼트의 길이와 정확히 같으면 족하다.

초기화코드들의 수는 초기화코드에 사용된 비트수와 비교되었고, 초기화코드들의 수는 지수적으로 증가한다고 여겨진다. 이것은 선택하려는 주기궤도들이 많이 있기 때문에 약속된 결과이다. 일 예로, 압축된 초기화코드 01011은 바람직한 실시예의 이중스크롤발진기에 대해 반복되었다. 도 4의 혼돈동역학은 도 6에 보인 주기궤도로 이끌어지고, 이 주기궤도는 제어코드에 의해 안정화된다.

도 3에서 추가로 보인 것처럼, 라이브러리 작성에서의 다음 단계 64는 시간에 대해 주기궤도의 x, y, 또는 z성분(또는 그것들의 조합)을 취함으로써 기본파형, 즉 1차원 주기파형을 각 주기궤도에 대해 생성하는 것이다. 파형의 진폭을, 예컨대 오디오표준 PCM 16을 이용하여, 시간에 대해 샘플링함으로써, 디지털판을 생성할 수 있다. 이러한 기본파형들은 매우 복잡할 수 있고 강한 고조파구조를 가질 수 있다. 기본파형들은 일부 초기화코드들에 대해 100개보다 많은 강한 고조파들을 가질 수 있고, 압축기술의 성능에 기여하는 중요요소는 100개의 강한 고조파들을 갖는 복잡한 기본파형들이 수 개의 고조파들만을 가진 단순한 기본파형들과 초기화코드에서의 비트수가 동일하게 생성될 수 있다는 것이다. 이것은, 복잡한 기본파형들이 단순한 기본파형들만큼 쉽게 생성될 수 있으므로, 이 계에 압축 잠재성이 본래 갖추어짐을 암시한다. 이것은 동적인 계의 비선형적인 혼돈적 성질 때문에만 가능하다.

혼돈계는 전체가 소프트웨어로 구현될 수 있다. 이러한 구현에서의 혼돈계는 혼돈동역학을 다스리는 미분방정식들의 집합, 예컨대 위에서 설명된 이중스크롤방정식들에 의해 정의된다. 이 소프트웨어는 미분방정식들의 전개를 흉내내는 알고리즘, 예컨대, 4차 룬게-쿠타알고리즘을 이용한다.

혼돈계는 하드웨어로도 구현될 수 있다. 이 혼돈계도 여전히 미분방정식들의 집합으로 정의되나, 이 경우에는 이러한 미분방정식들은 동일한 혼돈동역학을 생성할 전기회로를 개발하는데 사용된다. 미분방정식을 등가회로로 변환하기 위한 절차는 널리 알려져 있고 아날로그전자기기들, 마이크로제어기들, 내장형 CPU들, 디지털신호처리(DSP)칩들, 또는 필드프로그래머블게이트어레이들(FPGA), 뿐 아니라 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 다른 기기들을 적당한 피드백으로 구성하여 달성될 수 있다. 제어정보는 메모리기기에 저장되고, 제어들은 회로에 작은 전류서지를 포함시키거나 전압을 증가시킴으로써 행해진다.

도2의 흐름도로 돌아가서, 단계 38에서, 압축하려는 경향제거된 영상슬라이스가 선택되고 라이브러리의 기본파형들과 비교된다. 비교는 경향제거된 영상슬라이스로부터 키참조정보를 추출하고 이것을 카탈로그파일의 정보와 비교함으로써 달성된다. 선택된 규준들(criteria)에 기초하여 경향제거된 영상슬라이스에 가장 유사한 기본파형들이 선택되고 경향제거된 영상슬라이스의 근사물을 만들기 위해 사용된다.

제로크로싱들의 수들의 비교; 주파수스펙트럼에서의 고조파의 수 및 상대파워(relative power); 각 기본파형 상의 투영; 및 위상공간에서의 기하학적 비교를포함하여, 기본파형들을 경향제거된 영상슬라이스와 비교하는데 채용될 수 있는 접근법들이 있다. 선택된 기법은 고려되는 특정 응용에 의존하나, 바람직한 실시예에서는, 가장 강한 고조파들의 (정규화 또는 표준화된) 진폭들을 기술하는 벡터에 기본파형정보를 캡슐화하는 것이 효과적이었다.

라이브러리 내에 각 기본파형에 대한 (정규화된) 스펙트럼피크들의 정보를 담고있는 비교기매트릭스가 작성된다. 그 후, 경향제거된 영상슬라이스에 대해, 경향제거된 영상슬라이스의 스펙트럼 및 기본파형들의 스펙트럼 간에 비교가 행해진다. 캡슐화된 형태에서, 가장 부합되는 기본파형은, 단순히, 경향제거된 영상슬라이스벡터 및 스펙트럼피크들의 기본파형벡터들 간의 내적(inner product)들을 구함으로써 발견될 수 있다. 가장 부합되는 기본파형이 그 밖의 가깝게 부합되는 것들과 제1기저함수에 의해 맞게 되지 않았던 스펙트럼의 부분들에 가깝게 부합되는 기본파형들과 함께 제1기저(basis)함수로서 선택된다. 다른 응용들에서, 기저함수들로서 유지하기 위한 기본파형들을 선택하는 접근법들이 다양하게 있을 수 있으나, 일반적인 접근법은 경향제거된 영상슬라이스를 기본파형들의 라이브러리에 투영하는 것이다. 끝으로, 일부 응용들에서는 기본파형들의 라이브러리를 유지하는 것이 불필요하거나 요망되지 않고, 이러한 경우들에서는 기본파형들은 대응하는 초기화코드들을 혼돈계에 적용함으로써 필요한 대로 재작성된다.

적절한 기본파형들이 선택된 후, 경향제거된 영상슬라이스의 근사화는 개시될 수 있다. 단계 40에서, 선택된 기본파형들 및 경향제거된 영상슬라이스의 모두는 경향제거된 영상슬라이스의 범위나 고정된 기준범위인 적당한 주파수범위로 변환되고, 거기서 비교가 행해질 수 있다. 예를 들어, 그것들은 고정주파수범위 내에 있도록 리샘플링될 수 있다. 이것은 표준리샘플링기법들을 통해 달성될 수 있다. 전형적으로, 리샘플링은 신호들의 더 나은 분해능을 얻기 위해 행해지고(즉, 업샘플링), 그래서 처리 시에 정보의 손실은 없다.

일단 경향제거된 영상슬라이스와 모든 기본파형들이 적당한 주파수범위 내에 있게 되면, 단계 42에서, 근사화가 가능하다. 필요한 요소는 기본파형들을 경향제거된 영상슬라이스의 파형들과 적절히 정렬하는 것(즉 위상조절)과, 적당한 증폭계수 또는 가중계수를 결정하는 것(즉, 진폭 조절)이다. 이것을 행하는 데는 다수의 방도가 있지만, 일반적인 접근법은 선택된 기본파형들의 가중된 합에 관계된다. 가중계수들은 일부의 오차규준 또는 비용함수를 최소화함으로써 발견되고, 전형적으로는 경향제거된 영상슬라이스 샘플에 적합한 최소제곱에 등가인 것이 관계가 있다. 바람직한 실시예에서 사용된 특히 바람직한 접근법은 기본파형들의 모두를 취하고 그것들을 복소화된 한 쌍의 복소켤레파형들로 쪼개는 것이다. 이것은 기본파형 f₁을 취하며, 이 기본파형의 고속퓨리에변환을 계산하여 그것을 F₁이라 한 다음, 주파수영역에서의 변환물(F₁)을 양의 주파수성분(F_1pos) 및 음의 주파수성분(F_1neg)로 쪼갬으로써 달성될 수 있다. 그 후 양 및 음의 주파수성분들은 역퓨리에변환을 사용하여 시간영역으로 역변환되어, 시간영역에서 가변하는 한 쌍의 복소켤레파형들(f_1pos, f_1neg)이 얻어지고 여기서 f_1pos= (f_1neg)^*이다. 파형들을 쪼개어 복소화하는 주된 이점은 복소켤레파형들이 임의의 복소켤레쌍의 가중계수들과 함께더해질 때 그 결과는 시간영역에서의 실수(real)파형이고 그래서 α와 α^*가 계수들이라면, αf_1pos+ α^*f_1neg는 실수함수이고 계수들이 1이라면 원래의 함수(f₁)가 재생된다(제로를 평균으로 가지도록 조절됨). 게다가, α와 α^*를 적당히 선택함으로써, 파형의 위상은 자동 조절될 수 있어, 기본적인 효과가 파형의 고조파들의 위상시프트를 포함함에도 불구하고, 일 실시예에서 효과적이었다.

실제로, 위상 및 진폭조절은, 기본파형들로부터 유도된 복소화된 쌍들의 복소켤레파형들을 이용하여 경향제거된 영상슬라이스에 최소제곱들을 맞춤(fit)으로써 간단히 기본파형들의 모두에 대하여 한꺼번에 달성될 수 있다. 최소제곱맞춤으로부터의 가중함수들은 관련된 파형들에 의해 곱해지고 합산되어 경향제거된 영상슬라이스의 근사물을 형성한다. 그 후 이 근사물은 단계 42에서 충분히 양호하게 맞추어졌는지를 판단하기 위해 검사될 수 있고, 추가의 개량이 필요하다면 처리는 44로 반복될 수 있다.

비교의 다음 단계인 단계 46은, 근사물을 검사하고 사용된 기본파형들의 일부가 양호한 맞춤을 달성하는데 불필요한지를 결정하는 것을 수반한다. 불필요한 기본파형들은 압축을 개선하기 위해 제거될 수 있다. 불필요한 기본파형들을 제거한 후, 남아있는 기본파형들을 위한 초기화코드들, 가중계수들, 및 위상 및 주파수정보는 단계 48에서 압축된 영상파일의 부분으로서 저장될 수 있다.

단계 50에서, 영상들의 시퀀스는 검사될 수 있고, 사용된 파형들 및 제어코드들이 일부 일치하는 경우 또는 전체 경향이 시퀀스의 영상들 간에 확인될 수 있는 경우, 시퀀스변경정보를 필요하다고 여겨지는 임의의 정정비트들과 함께 캡슐화하는 정보와 함께 제1영상이 통상의 압축된 형식으로 저장되는 때에 추가 압축이 이루어진다. 끝으로, 저장된 경향선정보, 저장된 초기화코드들, 저장된 위상 및 주파수정보 그리고 저장된 가중계수들을 포함하는 압축된 영상파일(52)이 생성된다. 압축된 영상파일은 디지털파일들에 대해 이용가능한 모든 저장 및 전송수단들을 사용하여 저장되고 전송될 수 있다.

압축된 영상파일들의 압축복원을 위한 본 발명의 바람직한 실시예는 영상파일을 압축하기 위해 취해진 단계들을 역으로 행하는 것을 포함한다. 저장된 초기화코드들은 벗겨내어져 기본파형들을 재생성하는데 사용되어, 경향제거된 영상슬라이스를 재생하기 위해 적당한 주파수영역으로 변환되고 저장된 가중계수들에 따라 결합된다. 그 후 경향선정보는 경향선을 재생성하는데 사용되고 경향선은 경향제거된 영상슬라이스에 더해져 원본영상슬라이스의 근사물이 생성된다.

이제 본 발명의 다른 바람직한 실시예가 더 상세히 설명될 것이지만, 등가의 결과들을 생성하는 많은 변형예들이 있다. 도 7은 150×1024 화소들로 구성되며 산꼭대기들 및 구름들의 그레이스케일영상인 영상파일을 보여준다. 도 8은 단일 슬라이스로부터의 데이터를 보여주며, 이 도면에서 가로축은 화소번호에 대응하고 세로축은 그레이스케일레벨을 나타낸다. 도 9는 경향제거 후의 슬라이스를 보여주고, 도 10은 혼돈파형들을 이용한 슬라이스의 근사화를 보여준다. 슬라이스들의 모두가 혼돈파형들로 표현되었고 경향선들이 다시 더해진 경우, 재생된 영상은 도 11에서보여진다. 일반적으로, 경향제거된 영상슬라이스의 길이는 조절가능한 매개변수이고 일부 구현예들에서는 단일 영상파일의 압축 중에 가변할 수도 있다.

처리의 제1단계는 경향제거된 영상슬라이스를 분석하여 경향제거된 영상슬라이스의 주파수내용물을 판단하는 것이다. 이것은 슬라이스의 고속퓨리에변환("FFT")을 계산한 다음 복소퓨리에계수들의 크기들을 취함으로써 행해진다. 그 후 계수들의 스펙트럼은 피크들이 탐색되고, 피크들은 추가로 고조파그룹들로 조직화된다. 제1반복 시에, 최대신호파워에 관련된 고조파그룹이 추출된다. 이것은 최대스펙트럼피크의 주파수를 결정한 다음 최대스펙트럼피크의 정수배들인 임의의 피크들을 추출함으로써 행해진다. 이러한 피크들은 벡터, V_peaks에 저장되어 제1고조파그룹을 제공한다. (실제로는, 고조파그룹의 기초 또는 기본(root)주파수가 종종 최대피크가 아니므로, 고조파그룹의 추가 세분(refinement)이 필요하다. 오히려, 기본주파수는 최대주파수의 정수형 분수배(integer subharmonic)이고, 그래서, F_max가 최대파워의 주파수라면, 기본주파수에 기초한 피크들의 고조파그룹들인 F_max/2, F_max/3 등이 추출될 수 있고, 그러면 검토하려는 제1고조파그룹은 피크들의 최대파워를 포착하게 하는 것이 될 수 있다.) 제1고조파그룹을 포함한 벡터는 이 실시예에서 길이 64의 것으로 취해지고, 다른 구현예들이 다른 길이들을 설정할 수 있지만, 기본파형들의 복잡성을 포착하기 위해 많은 수의 고조파들을 허용하는 것이 필요하다. 비교의 다음 단계의 목표는 당해 경향제거된 영상슬라이스에 유사한 고조파구조를 갖는 기본파형들을 찾는 것이다.

이 처리의 제2단계는 기본파형들의 라이브러리에서 유사한 스펙트럼특성들을 나타내는 기본파형들을 찾는 것이다. 이 처리는 라이브러리가 미리 만들어지고 라이브러리에서의 각 기본파형이 그것의 고조파구조를 판단하기 위해 이미 분석되었기 때문에 더욱 간단하다. 결과적으로, 라이브러리의 각 파형에 대해, 고조파피크들의 벡터가 추출되었고, 이러한 벡터들은 p_i라 하였고 여기서 i는 모든 파형들에 대해 가변하고 64개의 피크들이 다시 취해졌다고 가정된다. 이러한 벡터들은 먼저 단위길이를 갖도록 정규화된 다음 64개의 열들을 가지고 존재하는 파형들(일 실시예에서 대략 26,000정도까지임)만큼 많은 행들을 갖는 매트릭스 M 내에 놓여진다. 어떤 파형이 M 내의 어떤 행에 관계되는 지의 관계를 유지하기 위해, M 내의 각 행에 관계된 제어코드들을 담고있는 인덱스테이블이 구축된다. 그 후, 음악벡터 V_peaks에 가장 부합하는 것을 착기 위해, 매트릭스곱 X_projection= M V_peaks가 계산되고 X_projection에서 최대값이 찾아질 수 있다. 그 후 인덱스테이블로부터 대응하는 초기화코드를 추출하고, 소망의 기본파형을 발생하거나, 기본파형들이 디지털적으로 저장되어있다면 바로 그것을 기본파형들의 라이브러리로부터 로드할 수 있다. 많은 경우들에서, 몇 개의 기본파형들의 가중된 합이 적절한 부합(match)을 생성하기 위해 필요하므로, 경향제거된 영상슬라이스에 가장 부합하는 것을 하나 이상 선택하는 것이 가치가 있고, 이것들은 X_projection에서의 가장 큰 값들을 선택하고 인덱스테이블로 지시된 관련 기본파형들을 취함으로써 얻어질 수 있다.

이 처리의 제3단계는 기본파형들의 주기 및 위상의 조절을 필요로 한다. 기본파형들이 주기적이므로, 조절처리는 기본파형들에 어떠한 오차도 도입하지 않고 완료될 수 있다. 이는 전적으로 주파수영역에서 행해질 수 있고, 그래서 변환물들은 신호처리에서 알려진 표준기법들을 사용하여 기본파형들의 FFT로 만들어진다. 기본파형들은 기본파형들의 기본주파수들이 경향제거된 영상슬라이스의 기본주파수들에 부합하도록 조절될 수 있다. 이렇게 하기 위해, 기본파형의 FFT는 경향제거된 영상슬라이스의 FFT의 길이에 대응하는 길이까지 영들로 채워진다. 그 후 기본파형의 기본주파수의 복소진폭은 경향제거된 영상슬라이스의 기본주파수까지 시프트되고, 기본파형의 기본주파수의 남아있는 고조파들은 경향제거된 영상슬라이스의 기본주파수의 대응하는 배수들까지 시프트된다(비워진 위치들은 영들로 채워진다). 시프트 후에, 역FFT가 계산된다면, 기본파형들은 경향제거된 영상슬라이스와 동일한 기본주파수를 가질 수 있지만, 기본파형들의 위상은 경향제거된 영상슬라이스의 위상과 일치 또는 부합하지 않는다. 그래서, 역FFT를 계산하기 전에, 혼돈파형들의 위상은 기본파형의 위상이 경향제거된 영상슬라이스의 위상과 일치하도록 조절된다.

위상조절은 FFT에서의 복소퓨리에진폭들을 e^iθ형태의 적합한 위상인자로 곱함으로써 달성될 수 있고, 여기서 θ는 경향제거된 영상슬라이스의 최대피크에 대응하는 피크에 대해 보정위상을 생성하도록 선택된 것이고, 다른 스펙트럼피크들의 위상들은 기본파형의 전체 위상시스트를 이루기 위해 조절된다. 위상인자로 곱하는것에 의해 신호의 전체 스펙트럼이 변하지 않는 다는 점에 유의하자. 이 기술의 다른 실시예들은 위상 조절에 약간 다른 접근법들을 사용하며, 예컨대, 필터링을 통한 위상 조절이 사용되거나, 위상조절은, 경향제거된 영상슬라이스 및 기본파형들 간의 차이를 최소화하도록 설계된 최소화원리에 의해, 또는 기본파형들 및 경향제거된 영상슬라이스 사이의 상호상관을 계산함으로써 계산될 수 있다. 모든 접근법들은 대략 등가인 결과들을 제공한다.

처리의 제4단계는 경향제거된 영상슬라이스에 가장 부합하는 것을 생성하는 기본파형들을 위한 가중계수들을 계산하는 것이다. 이 계산은 최소제곱규준을 사용하여 행해져 경향제거된 영상슬라이스 및 맞춤된 기본파형들(의 합) 사이의 잔류오차를 최소화한다. 기본파형들의 제1그룹이 경향제거된 영상슬라이스에 충분히 가깝게 부합하는 것을 생성하지 않는 경우에는, 처리는 소망의 표현에 도달할 때까지 반복된다. 압축된 혼돈판(chaotic version)이, 경향제거된 영상슬라이스의 데이터점들의 각각에 관한 8비트 또는 16비트 진폭정보가 아니라, 몇몇 기본파형들에 대한 초기화코드들, 가중계수들, 위상 및 주파수 그리고 경향선들에 관한 정보만을 필요로 한다는 점에서 압축이 이루어진다.

Claims

압축하려는 영상파일을 선택하고 그것을 슬라이스들로 분할하는 단계;

각 슬라이스에 대해 경향선을 찾고 경향선을 기술하는 경향선정보를 계산하는 단계;

각 슬라이스에 대해 각 슬라이스로부터 그것의 경향선을 뺄셈함으로써 경향제거된 영상슬라이스를 계산하고, 경향선을 기술하는 경향선정보를 저장하는 단계;

혼돈계를 선택하는 단계;

선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용하여 각 초기화코드가 주기궤도를 생성하고 다른 불안정한 주기궤도를 안정화하도록 하는 단계;

기본파형이 기본파형을 위한 초기화코드와 1 대 1 대응이 되도록 하는 기본파형을 각 주기궤도에 대해 생성하는 단계;

각각의 경향제거된 영상슬라이스와 함께 사용하려는 기본파형들을 선택하고 이 기본파형들에 대응하는 초기화코드들을 저장하는 단계;

경향제거된 영상슬라이스 및 선택된 기본파형들을 적당한 주파수범위로 변환하고 이 변환을 기술하는 주파수정보를 저장하는 단계;

선택된 기본파형들의 가중된 합을 만들기 위한 가중계수들을 계산하여 각각의 경향제거된 영상슬라이스를 근사화화고 가중계수들을 저장하는 단계; 및

각각의 경향제거된 영상슬라이스에 대한 저장된 경향전정보, 저장된 초기화코드들, 저장된 주파수정보 및 저장된 가중계수들을 결합하여 압축된 영상파일을구성하는 단계를 포함하는 영상파일압축방법.
제1항에 있어서, 선택된 기본파형들의 가중된 합으로부터, 영상파일을 충분히 잘 근사화하는데 필요하다고 생각되지 않는 임의의 선택된 기본파형들을 제거하는 단계, 및 대응하는 저장된 초기화코드들을 제거하는 단계를 더 포함하는 영상파일압축방법.
제1항에 있어서, 압축된 영상파일의 구역들에 대해 경향들을 확인하는 단계, 및 압축된 영상파일의 구역들을 위한 저장된 가중계수들을 적합한 함수에 의해 대체하는 단계를 더 포함하는 영상파일압축방법.
일련의 영상파일들을 압축하는 방법에 있어서, 청구항 1의 영상파일압축방법을 각각의 영상파일에 대해 반복하는 단계 및 각각의 압축된 영상파일을 위한 저장된 가중계수들을 적합한 함수에 의해 대체하는 단계를 포함하는 방법.
영상파일들을 압축하는 시스템에 있어서,

압축하려는 영상파일을 선택하고 그것을 슬라이스들로 분할하는 수단;

각 슬라이스에 대해 경향선을 찾고 경향선을 기술하는 경향선정보를 계산하는 수단;

각 슬라이스에 대해 각 슬라이스로부터 그것의 경향선을 뺄셈하여 경향제거된 영상슬라이스를 계산하고 경항선을 기술하는 경향선정보를 저장하는 수단;

혼돈계를 선택하는 수단;

선택된 디지털초기화코드들을 상기 혼돈계에 적용하여 각 초기화코드가 주기궤도를 생성하게 하고 다른 불안정한 주기궤도를 안정화시키도록 하는 수단;

각 주기궤도에 대해 기본파형을 생성하여 기본파형들이 주기궤도를 위한 초기화코드와 1 대 1 대응하도록 하는 수단;

각각의 경향제거된 영상슬라이스와 함께 사용하려는 기본파형들을 선택하고 그것들에 대응하는 초기화코드들을 저장하는 수단;

경향제거된 영상슬라이스 및 선택된 기본파형들을 적당한 주파수범위로 변환하고 이 변환을 기술하는 주파수정보를 저장하는 수단;

선택된 기본파형들의 가중된 합을 만들기 위한 가중계수들을 계산하여 각각의 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하고 가중계수들을 저장하는 수단; 및

각각의 경향제거된 영상슬라이스에 대한 저장된 경향선정보, 저장된 초기화코드들, 저장된 주파수정보 및 저장된 가중계수들을 결합하여 압축된 영상파일을 구성하는 수단을 포함하는 영상파일들을 압축하는 시스템.
제5항에 있어서, 선택된 기본파형들의 가중된 합으로부터, 영상파일을 충분히 잘 근사화하는데 필요하다고 생각되지 않는 임의의 선택된 기본파형들을 제거하는 수단, 및 대응하는 저장된 초기화코드들을 제거하는 수단을 더 포함하는 영상파일들을 압축하는 시스템.
제5항에 있어서, 압축된 영상파일의 구역들에 대해 경향들을 확인하는 수단, 및 압축된 영상파일의 구역들을 위한 저장된 가중계수들을 적합한 함수에 의해 대체하는 수단을 더 포함하는 영상파일들을 압축하는 시스템.
영상파일을 압축하는 시스템에 있어서,

혼돈계;

선택된 디지털초기화코드들을 혼돈계에 적용하여 주기궤도들에 이르게 하고 각 주기궤도에 대해 이 주기궤도의 초기화코드와 1 대 1 대응하는 기본파형을 생성하는 압축제어기;

압축하려는 영상을 슬라이스들로 분할하는 영상분할기;

각 슬라이스로부터 그것의 경향선을 뺄셈하여 각 슬라이스에 대해 경향제거된 영상슬라이스를 계산하고 경향선정보를 저장하는 슬라이스데이터경향제거기;

사용하려는 기본파형들을 각각의 경향제거된 영상슬라이스와 함께 선택하고 그것들에 대응하는 초기화코드들을 저장하는 파형비교기;

(i) 경향제거된 영상슬라이스 및 선택된 기본파형들을 적당한 주파수범위로 변환하여 이 변환을 기술하는 주파수정보를 저장하고 (ii) 선택된 기본파형들의 가중된 합을 만들기 위한 가중계수들을 계산하여 각각의 경향제거된 영상슬라이스를 근사화하고 가중계수들을 저장하는 파형가중기; 및

각각의 경향제거된 영상슬라이스에 대한 저장된 경향선정보, 저장된 초기화코드들, 저장된 주파수정보 및 저장된 가중계수들을 결합하여 압축된 영상파일을 구성하는 저장기기를 포함하는 영상파일 압축시스템.
청구항 1의 방법에 따라 생성된 압축된 영상파일을 압축복원하는 방법에 있어서,

압축된 영상파일을 선택하는 단계;

압축된 영상파일로부터 저장된 초기화코드들을 벗겨내며 저장된 초기화코드들을 압축된 영상파일을 생성하는데 사용된 혼돈계와 실질적으로 동일한 혼돈계에 적용하여 대응하는 기본파형들을 생성하는 단계;

압축된 영상파일로부터 저장된 주파수정보를 벗겨내며 저장된 주파수정보를 사용하여 기본파형을 적당한 주파수범위로 변환하는 단계;

저장된 가중계수들에 따라 기본파형들을 결합하여 경향제거된 영상슬라이스를 생성하는 단계;

압축된 영상파일로부터 경향선정보를 벗겨내고 경향선정보를 사용하여 경향제거된 영상슬라이스에 더하기 위한 경향선을 재생성하여 원본영상슬라이스의 근사물을 생성하는 단계를 포함하는 영상파일 압축복원방법.
청구항 1의 방법에 따라 생성된 압축된 영상파일을 압축복원하는 시스템에 있어서,

압축된 영상파일을 선택하는 수단;

압축된 영상파일로부터 저장된 초기화코드들을 벗겨내며 저장된 초기화코드들을 압축된 영상파일을 생성하는데 사용된 혼돈계와 실질적으로 동일한 혼돈계에 적용하여 대응하는 기본파형들을 생성하는 수단;

압축된 영상파일로부터 저장된 주파수정보를 벗겨내며 저장된 주파수정보를 사용하여 기본파형을 적당한 주파수범위로 변환하는 수단; 및

저장된 가중계수들에 따라 기본파형들을 결합하여 경향제거된 영상슬라이스를 생성하는 수단을 포함하는 영상파일 압축복원방법.