(57)【要約】ライス符号化データ圧縮モジュールは、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュールと、正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するエンコーダと、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュールと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットをメモリに記憶させるメモリインターフェースとからなることを特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、
メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、
受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュールと、
正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するエンコーダと、
圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュールと、
フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースと
からなることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項２】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、該モジュールは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）に組み込まれていることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項３】
請求項２記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、FPGAに組み込まれているモジュールは、FPGAにおける符号化回路の一部分のみからなることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項４】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとは、同一のメモリインターフェースであることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項５】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、データ管理モジュールは、受信されたセンサデータからパケットフォーマッティングを取り除き、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを再適用するよう構成されていることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項６】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとの少なくとも一方は、スペースデータシステムのコンサルタティブコミッティ（CCSDS）の仕様インターフェースであることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項７】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットは、CCSDS仕様フォーマットのパケットであることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項８】
データ収集システムにおいて、
センサと、
センサデータを記憶するメモリと、
通信リンクと、
ライス圧縮モジュールであって、
メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、
受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュールと、
正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するエンコーダと、
圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュールと、
フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースと
からなることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項９】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、センサは、画像センサであることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１０】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、該システムは、サテライトのイブを構成していることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１１】
請求項１記載のデータ収集システムにおいて、通信リンクは無線周波数送信機を備えていることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１２】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、ライス圧縮モジュールは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）に組み込まれていることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１３】
請求項１２記載のデータ収集システムにおいて、FPGAに組み込まれているモジュールは、FPGAにおける符号化回路の一部分のみからなることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１４】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットをメモリに記憶させるメモリインターフェースとは、同一のメモリインターフェースであることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１５】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、データ管理モジュールは、受信されたセンサデータからパケットフォーマッティングを取り除き、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを再適用するよう構成されていることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１６】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとの少なくとも一方は、スペースデータシステムのコンサルタティブコミッティ（CCSDS）の仕様インターフェースであることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１７】
請求項８記載のデータ収集システムにおいて、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットは、CCSDS仕様フォーマットのパケットであることを特徴とするデータ収集システム。
【請求項１８】
データ収集システムにおいてデータを処理する方法において、
メモリからセンサデータを受信するステップと、
受信されたセンサデータを正規化するステップと、
正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するステップと、
圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するステップと、
フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるステップと
からなることを特徴とするデータ処理方法。
【請求項１９】
請求項１８記載のデータ処理方法において、該方法は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）において実行されることを特徴とするデータ処理方法。
【請求項２０】
請求項１８記載のデータ処理方法において、データ収集システムは、画像化サテライトの一部を構成していることを特徴とするデータ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルデータの圧縮に関し、より詳細には、デジタルデータをライス（Rice）無損失圧縮技術を用いて圧縮するモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ圧縮は、種々の電子システム又はコンピュータ化システムによって処理する必要があるデータ量を低減するために、多様な環境で使用されている。データ信号を圧縮することにより、データを表すために使用されるシンボル列のサイズが低減され、その結果、システムに対する要求を低下させることができる。種々のシステムステージ、例えば、処理、記憶、及び通信等のステージにおいて、種々のアプリケーションにおいてより少ないデータを処理することができるようにすることにより、より効果的な動作を行うことができる。
【０００３】
音響及び画像等のデータは、圧縮が適用できるものとして知られている。DVDディスクは、圧縮された音響及び画像を記録するが、記憶された音響及び画像を圧縮しない状態で一般的な１つの映画全体を記録することができない可能性がある。デジタル圧縮技術は、放送及びハイデフィニッションテレビジョンに使用され、各チャンネルについての空中又はケーブルを介して送信されるデータの量を低減する。これにより、各チャンネル送信に使用される帯域幅を低減することができ、その結果、送信可能なチャンネル数を壮大させることができる。
【０００４】
圧縮は、消費者用の製品だけでなく、同様に記録及び送信が行われる商用アプリケーションにおいても使用されている。商用アプリケーションでは、低損失、すなわち、圧縮されたデータが再生された場合に圧縮前のデータと実際に等しくなるようにすることができる圧縮方法を用い、これにより、サテライト画像又はテキストデータ等のコンテンツクリティカル（鮮明）データが、元のデータが実際に再生されるかのように伸張されることを確実にする。実際の再生では、DVDディスク等の多数の消費者用アプリケーションにとって鮮明さが足りず、これは、ディスクが、より大きい圧縮のために細部を再生するための能力を犠牲にする、損失のある圧縮を使用してビデオ及びオーディオを記録するからである。
【０００５】
ライス圧縮アルゴリズムは、ある種のデータを低損失で圧縮するに適した低損失圧縮アルゴリズムの一例である。これは、ロバートライス（Robert Rice）氏によって部分的に開発され、ゴロム（Golomb）符号化の特殊ケースである。ゴロム符号化は、データの所望の分配に関して最適化可能な係数の一部に基づいて、同一シンボルの単一表現及び２値表現の組み合わせで構成される。これらの係数を２累乗に制限することによって、ライス符号化は符号化処理を大幅に単純かし、その結果、電子化システム又はコンピュータ化システムにおいて、符号化システムをより効果的に用いることができる。
【０００６】
この符号化処理は、ビデオ画像等のタイプのデータの要素から要素への変化が極めて小さい場合に、高い符号化効果を呈することができる。このように変化が小さいが高頻度で生じる変化を、元のデータのシンバルサイズに対比して小さいコードシンボルを用いて符号化することによって、低損失のデータ圧縮を実現することができる。ライス圧縮アルゴリズムは画像データの圧縮に特に適しているため、このアルゴリズムは、画像データのサテライト通信、画像データコンピュータ化圧縮用のJPEG-LS(Joint Photographic Experts Group-Lossless Standard)アルゴリズム等の、低損失画像圧縮が必要である多様の環境において用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ソフトウエアに符号化可能なアルゴリズムを備えて画像圧縮をコンピュータ上で実行できるようにすることが有効であるが、汎用のコンピュータは、高速性、停電力消費、及び物理的に低サイズである、サテライト通信又は高性能アプリケーション等のシステム用に最適なソリューションであるとは言えない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一実施例において、ライス符号化データ圧縮モジュールを備え、該モジュールはフィールドプログラマブルゲートアレイに組み込まれている。このモジュールは、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュールと、正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するエンコーダ（符号器）と、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュールと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施例では、ライス符号化データ圧縮モジュールを提供する。このモジュールは、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュールと、正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成するエンコーダと、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュールと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとを備えている。
【００１０】
ライス符号化は、低損失データ圧縮方法であり、１つのデータ要素から次の要素へのシンボル値の変化が比較的小さいものからフルスケールの符号化可能な値まで変化するような画像データ等のデータ圧縮に使用することが好適である。これは、比較的小さい異なる値が符号化に殆どの場合に必要であって、フルスケールの符号化は殆ど必要とされないからである。
【００１１】
例えば、図１に示したライス符号化方法を考えると、１０進数２２（参照番号１０１）ライス符号化により符号化する。１０進数２２の２進表現は１０１１０（参照番号１０２）である。この例において、データの分配を変化させるために最適化された係数ｍは、ｍ＝４となることが既にわかっている。２２の４による除算は、１０１１０を右方向に２ビットだけ単にシフトすることによって実現することができる。この２ビットは、値ｍに関して選択された２の累乗に対応するビット数値である。除算の結果は１０１であり、これは、５の２進表現である（参照番号１０３）。残りは２であり、これは、残りビット１０によって表される（参照番号１０５）除算の単一表現は２進残と連結され、ライス符号化表現の値となる（参照符号１０５）。
【００１２】
この例においては、２進数１０１１０がより長いライス符号化シンボル０００００１１０に符号化されたが、符号化されたシンボルが比較的大きい値であるために、シンボルが長くなったのである。同様な方法及び係数ｍを５ビットの２進数である値０００１、０００１０、０００１１を符号化するために使用した場合、ライス符号化シンボルはそれぞれ１０１、１１０、１１１となる。これらのライス符号化シンボルは、５ビットよりも短く、データのネット圧縮が得られる。
【００１３】
これらの例は、ライス符号化が、ある所望の値を有することが殆どであるデータであって値の変動が極めて少ないデータを符号化するための効果的な圧縮方法であることを示している。種々の例では、０に近似する正の値の幾何学的分散を有するデータ、又は、０に近似する性の値の幾何学的分散にマッピングすることができる正又は負の幾つかの所望の値を有するデータを含んでいる。画像符号化における推定誤差は、例えば、ほぼゼロの正又は負の値の両側（２つの側）の幾何学的分散を一般に形成し、以前のピクセル値がそれに続くピクセル値の推定値の強力な指示子となる。これは、ライス符号化が、記憶、送信、分配用のデータの無損失で効果的な圧縮方法であることを示している。
【００１４】
図２は、本発明の一実施例のライス圧縮フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）モジュールを示している。該モジュール２０１は、FPGAに組み込まれており、圧縮前データメモリインターフェース２０２、圧縮後データメモリインターフェース２０３を備えている。圧縮前データメモリインターフェースは、圧縮前管理モジュール２０４に接続されており、該モジュール２０４は、圧縮前データメモリインターフェース２０２を介して受信したデータにおけるセンサデータからパケットヘッダを取り除くよう動作する。センサデータは圧縮前プロセッサ２０６に送られて正規化され、それにより、ライス符号化に効果的となるように、データの幾何学的分布の中心が定められまた分散が定められる。そして、データは、エントロピー符号器２０７で符号化され、該符号器は、本発明のこの実施例では、各ピクセルの値とその直後のピクセルの値との間の差を符号化する。ライス符号化されて圧縮されたデータは、圧縮後管理モジュール２０５において、圧縮前管理モジュール２０４において分離されたパケットヘッダデータを彩度組み合わされ、ライス圧縮されたデータのパケットとなる。この圧縮されたデータは、その後、圧縮後データメモリインターフェース２０３を介してメモリに送られて記憶される。
【００１５】
本発明の別の実施例においては、圧縮前データメモリインターフェース２０２及び圧縮後データメモリインターフェース２０３はより一般的なデータ受信機及びデータ送信機に置き換えられ、これにより、ライス圧縮モジュールは、メモリデータ以外のデータで動作するシステムに組み込むことができる。例えば、センサデータがデータセンサから既知のフォーマットで提供された場合、データ受信機２０２は、到来するセンサデータを受け取って該モジュールでライス圧縮処理を行い、データ送信機２０３は、ライス圧縮されたセンサデータを送信する。圧縮前データ管理モジュール２０４及び圧縮後データ管理モジュール２０５は、さらに、提供されたフォーマットのデータからセンサデータを分離し、ライス符号化圧縮されたデータをセンサデータ圧縮後に所望のファーマットに再度フォーマット化するよう構成されている。このような変形により、図２の実施例を多様な環境で動作させることができ、また、多様なデータ列及びフォーマットで動作させることができる。
【００１６】
図３は、本発明の一実施例を実施する方法を示すフロー図である。ステップ３０１において、メモリからセンサデータがデータパケットの形態で受信される。パケットプロトコルのデータは、ステップ３０２において、センサデータから分離され、ステップ３０３において、センサデータが正規化される。ステップ３０４において、ライス圧縮アルゴリズムが正規化されたセンサデータに適用され、ステップ３０５において、プロトコルデータがライス圧縮されたセンサデータに組み合わされる。これにより、フォーマット化され圧縮されたセンサデータのパケットが生成され、ステップ３０６において、メモリに記憶される。
【００１７】
FPGAに組み込まれたライス符号化モジュールが、高速、低消費電力及び小サイズが求められるサテライト通信又は他の高機能アプリケーション等のアプリケーションにおいて如何にして使用されるかについて、本発明の実施例を図面を参照して説明した。本明細書では特定の実施例を示して説明したが、当業者であれば、示された特定の実施例を変更して、同一の目的を達成することができるようにするが可能であることは明らかであろう。本出願は、このような任意の変更変形を含むものである。また、特許請求の範囲の記載事項及びその均等の範囲によってのみ本発明は規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例の、ライス符号化方法を示す図である。
【図２】本発明の一実施例の、ライス圧縮FPGAモジュールのブロック図である。
【図３】本発明の一実施例の方法を示すフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月7日(2007.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライス符号化データ圧縮モジュール（２００）において、
メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェース（２０２）と、
受信されたセンサデータを正規化するデータ正規化モジュール（２０６）と、
正規化されたデータにライス圧縮アルゴリズムを適用して、圧縮されたセンサデータを生成する符号器（２０７）と、
圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを適用して、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを生成するデータ管理モジュール（２０５）と、
フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェース（２０３）と
からなることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項２】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、該モジュールは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）（２０１）に組み込まれていることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項３】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、メモリからセンサデータを受信するメモリインターフェースと、フォーマット化され圧縮されたセンサデータパケットを、メモリに記憶させるメモリインターフェースとは、同一のメモリインターフェースであることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【請求項４】
請求項１記載のライス符号化データ圧縮モジュールにおいて、データ管理モジュールは、受信されたセンサデータからパケットフォーマッティングを取り除き、圧縮されたセンサデータにパケットフォーマッティングを再適用するよう構成されていることを特徴とするライス符号化データ圧縮モジュール。
【国際調査報告】
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