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CN1723623B - 用于处理数字数据值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理数字数据值的方法，其中，借助于预测器方法从各个当前数字数据值以及从各个预测值中建立差值，并且在该预测器方法之后的RICE方法中从这些差值中产生压缩值。为了相对迅速地进行这种方法，借助于一种描述数字数据值预期的时间变化的信号模型而获得相应的预测值。

Description

用于处理数字数据值的方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理数字数据值的方法，其中，借助于一种预测器方法从各个当前数字数据值以及从各个预测值中建立差值，并且在该预测器方法之后的RICE方法中从这些差值中产生压缩值。
背景技术
对于专业人员来说，这样一种方法例如由在可按http://www.monkeysaudio.com/theory.html(于2002年11月13日调用)调用的因特网网址公开。在该网址中解释了如何为了压缩目的而可以借助于预测器方法以及随后的RICE方法对数字音频数据进行压缩。为了计算在预测器方法中所需的预测值，分别采用紧靠在当前音频数据值之前的音频数据值。
此外，在对工业设备的调节和控制中，通常将运行过程(例如制造和转换过程)的测量值按照数字形式进行采集，并且作为输出信息提供给后续的处理。后续的处理例如可以是过程参数的再调节。在此，经常必须将所采集的测量值按照数字数据值或者数字测量值的形式在不同的技术设备之间进行传送，或者为了随后的处理进行存储。为了减小用于数字测量数据传送所需的数据量，与由文献WO 01/91081公开的液位调节相结合，将数字测量数据在传送之前借助于数字数据压缩进行压缩。按照这种方式可以减小在数据传送中所需的带宽。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于压缩数字数据值的相对迅速的方法。
按照本发明，上述技术问题是通过本文开始部分提到类型的方法这样来解决，即，借助于一种描述数字数据值预期的时间变化的信号模型而获得相应的预测值。
利用本发明相对于现有技术所实现的主要优点在于，借助于所提出的方法以较高的速度显著减小了对于从数字数据值中所确定的压缩值的存储空间需求。因此，可以按照该方式将数字数据值没有损失地实时、即紧接在其采集之后进行压缩。尽可能迅速而可靠地确定用于预测器方法的预测值是如下实现的，即，在进行预测器方法时在适合于描述数字数据值的时间变化的信号模型的基础上确定该预测值。通过使用这种信号模型，预测值可用于建立差值，而不需根据先前的数据值进行相应计算并且因此没有时间上的延迟。
相对于未压缩的数据值可以减小存储器中的空间需求。存储空间需求的减小在所提出的方法中是利用对数字数据值的处理中最小的计算能力来实现的，因为仅仅需要简单的计算操作，例如加、减以及位操作。这点使得所给出的方法也可以在借助于适当的处理器仅仅以有限规模提供计算能力的技术设备中用于处理数字数据值。不提供给其它功能的、对压缩的计算能力的需求被最小化了。
按照本发明的方法的压缩使得在此仅仅消除不包含信息的数据。因此，可以在解压缩时再次完全地、即没有损失地产生数字测量数据。
按照本发明的方法一种实施方式，在带有恒定周期及其相应谐波的正弦函数或余弦函数、衰减e函数或者带有衰减e函数作为包络的正弦函数的基础上，确定所述信号模型。按照这种方式可以按照有利方式特别迅速地确定相应的预测值，因为不必进行其它计算。
从本文开始部分提到类型的方法出发，上述技术问题的另一种解决方案在于，按照本发明，从周期信号中获得数字数据值，并且作为相应当前数字数据值所属的相应预测值至少使用在当前数字数据值的前一个周期所采集的数字数据值。通过将分别在当前数据值前一个周期中采集的数据值用于预测值，可以有利地将所需的计算能力保持为很小。不必进行附加的计算操作，从而可以快速实施该方法。
为了改善相应预测值的精度，除了恰好在相应当前数字数据值的前一个周期所采集的数字数据值之外，还可以将其它在相应当前数字数据值之前的整数倍周期中采集的数字数据值用于形成相应的预测值。这些数据值可以通过简单的数学函数、例如求平均和/或加权而相互结合，从而可以将为此所需的计算能力保持为很小。
在按照本发明方法的一种优选的扩展中，在所述RICE方法中，将一个通过将借助于RICE预测值预测的当前差值的数据宽度减去该差值的实际数据宽度而确定的溢出，与一个可以预定的边界值进行比较，并且，如果该溢出超过了该边界值则将该差值按照预定的最大数据宽度作为压缩值输出。这种扩展的显著优点在于，对于就其数据宽度强烈波动的连续差值来说，仅仅在可以有效使用RICE方法、即在很小溢出的条件下才使用该方法。在高溢出的情况下，将相应的压缩值按照最大的预定数据宽度输出。
此外，在本发明方法的一种优选的扩展中，将所述压缩值通过数据传送段传送，并随后利用RICE解码方法从压缩值中再次得到该差值，并且从该差值和相应的预测值中通过按照反向的预测器方法相加而确定数字数据值。在此，通过数据传输段传送压缩的测量值既包括有线的传送方法，又包括无线的传送方法、例如无线电传送。按照该扩展，可以优选地在远离压缩位置的地方对被压缩的值进行解压缩。例如，可以将压缩值从工业设施的现场设备通过数据总线传送到中央计算机，该中央计算机在对压缩值解压缩之后对数字数据值进行分析。
为了简化压缩值的随后处理或者为了传送附加信息，本发明的一个优选的实施方式可以为所述压缩值设置头数据。
按照本发明的方法的另一个优选的实施方式，数字数据值由现场设备的输入测量参数构成。在此，现场设备可以例如理解为通常在工业(例如能量技术、化学或石油)设施中使用的保护和/或控制技术设备。与其中为了压缩数字数据值有近乎于任意长时间可供使用的音频技术相比，在现场设备中由于有限的计算和存储能力必须特别迅速地进行压缩。因此，按照本发明的方法可以在此特别有利地得到使用。
此外，也可以优选地将能量技术设施中的保护和/或控制技术设备作为现场设备。
附图说明
下面根据实施方式对本发明作进一步的说明。图中：
图1表示用于解释对数字数据值进行压缩的方法的示意图，
图2表示用于解释对压缩的数字数据值进行解压缩的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了一个用于解释对利用没有示出的现场设备所采集的数字数据值进行压缩的方法示意图。
因为在示出的实施方式中数字数据值应该根据现场设备的(模拟)输入测量参数构成，下面将其称为数字测量数据。
借助于测量装置1对按照通常的方式转换成数字测量数据的测量值进行采集。为了对该数字测量数据进行处理，首先执行一种预测器方法。该预测器方法是用于对数字测量数据进行压缩的处理过程的一部分。在此，借助于预测器装置2确定用于该数字测量数据的预测值。
借助于预测器方法，通过从数字测量数据和适当的预测值中经过相减形成差值，首先降低了表示数字测量数据所需的数据宽度(比特数目)。在此，所使用的预测值应该尽可能地接近实际的数字测量数据，使得在建立差值时形成尽可能小的差值来作为结果。然后，利用就所需的数据宽度而言比数字测量数据明显更小的差值进行继续处理。
为了形成用于预测器方法的预测值，可以使用一种信号模型，该信号模型例如以正弦函数或余弦函数及其相应谐波、衰减e函数或者带有衰减e函数作为包络的正弦函数为基础。它们分别是计算技术上可以利用很小花费表示和处理的以及部分周期性的函数。在建立用于确定预测值的信号模型时，考察在当前待压缩数字测量数据之前采集的在前数字测量数据。为了形成该信号模型，合适的是使用该在前数字测量数据的特有的特性，如幅度、周期长度和衰减特性。这些特性可以利用简单的计算操作进行计算，尽管如此还可以相对可靠地确定预测值。
在最简单的情况下，也可以将恰好一个此前采集周期的在前数字测量数据不加改变地作为预测值。如果所采集的测量值具有周期特性以及因此数字测量数据也具有周期特性，例如在能量技术设备中经常出现的情况，则尤其可以采取最后描述的、其中参考一个在前采集周期的措施。在首次利用预测器方法对数字测量数据进行处理时，必须为第一预测值提供一个起始值。
按照图1，将测量装置1的数字测量数据和由预测器装置2相应确定的预测值传送(10)以及(20)到减法装置3上，在其上将预测值从各个所属的数字测量数据中减掉。作为相减的结果形成差值，该差值然后被送至用于执行RICE方法的装置4。
通过这种公知的RICE方法，专业人员可以从文献中获得其细节(例如参考http://www.monkeysaudio.com/theory.html，于2002年11月13日调用)，减小了作为预测器方法的结果所形成的差值的数据宽度，从而最后产生并输出(40)被压缩的值。
为了传送和存储该差值，可以分别使用同一数据宽度。该数据宽度必须至少对应于差值的最大可能数据宽度。不过，因为通常在前后差值中所需的数据宽度不是常数，而可能从一个差值波动至下一个差值，因此在以最大的数据宽度传送以及存储差值时浪费了一个不能忽视的存储空间。这点在下面的例子中得到进一步的解释：要按照数字表示传送三个差值，即11010110、1101和10110。在使用恒定的数据宽度进行传送时，必须使用所出现的差值的最大数据宽度，在此即为8(第一个差值的数据宽度)。因此，三个差值按照110101100000110100010110的形式传送。为了传送较小的差值(1101，10110)而在最大数据宽度中添加的零不必要地浪费了存储空间，因为没有传送附加的信息。
借助于RICE方法提供了一种算法上的方法，该方法将由预测器方法产生的差值，按照适当的方式、即按照优化存储空间的方式编码为压缩值。RICE方法的基本思路是，按照分别与差值匹配的数据宽度对差值进行压缩。为了分离由依次从差值中获得的压缩值以及编码可能在过小的数据宽度中不能表示的信息，引入了所谓的RICE码。这点将在下面进行解释。
对于RICE方法，对后面的各个差值的预期数据宽度需要RICE预测值。然后，将借助于RICE方法产生的压缩值一般按照利用RICE预测值预测的数据宽度进行存储。如果按照先前的预测器方法所产生的差值的数据宽度大于利用RICE预测值所预测的数据宽度，则在RICE码中编码了溢出(不能再在所预测的数据宽度中表示的最高值比特)。RICE码包括多个直接由该溢出产生的二进制值0和最后一个二进制值1。在获得一个压缩值的条件下，直接将RICE码和一个在考虑预测数据宽度的条件下从相应差值中产生的结果值相互结合。
对于数据宽度的RICE预测值由确定数目的在前数字测量数据的数据宽度值产生，其中，必要时根据至当前估计的RICE预测值的时间距离对该在前数字测量数据进行不同的加权。
在相应差值的实际数据宽度过大地偏离利用RICE预测值预测的数据宽度时，RICE方法无效。出于这个原因，RICE方法仅仅在预测的和实际的数据宽度之间到达一个确定的差别之前使用。如果在该方法中超过了该边界值，则使用最大的数据宽度来代替RICE预测值。利用RICE码的一个在正常情况下(没有超过边界值)不出现的特殊值来标记超过了边界值。
为了进一步解释压缩方法，下面参考三个依次跟随的差值，它们例如可以表示为第一二进制值(11001110110)、第二二进制值(10110)以及第三二进制值(1101111)的数字顺序。对于数据宽度的RICE预测值由对应二进制值的各个在前差值的数据宽度给出。相应二进制值的实际数据宽度与预测的RICE预测值之间的边界值或者最大允许的差值是4，其中最大可传送的数据宽度为16。在这些假设的条件下，如果将第一二进制值按其实际的数据宽度传送的话，则产生在表1中表示的关系。
表1
为第二二进制值(10110)确定压缩值
  值   说明
  数据宽度的RICE预测值   11   第一二进制值11001110110的实际数据宽度
  实际数据宽度   5   第二二进制值10110的实际数据宽度
  溢出
  RICE码   二进制1   无溢出，以1结束
  结果值   二进制00000010110   按照根据RICE预测值预测的数据宽度的第二二进制值
  压缩值   二进制100000010110   按照预测的数据宽度的RICE码+值
对于第三二进制值(1101111)的代码
  值   说明
  数据宽度的RICE预测值   5   第二二进制值10110的实际数据宽度
  实际数据宽度   7   第三二进制值1101111的实际数据宽度
  溢出  二进制11，十进制3   2位，二进制11，十进制3
  RICE码  二进制0001   由按照十进制表示的溢出给出零的数目，以1结束
  结果值  二进制01111   没有两个最高位的第三二进制值
  压缩值  二进制00101111   RICE码+结果值
即，作为第二和第三二进制值的位序列产生10000001011000101111。为了比较可以提及，在不使用RICE方法的条件下利用出现的最大数据宽度(11，第一二进制值的数据宽度)对于第二和第三二进制值产生0000001011000001101111作为位序列，即22位而不是通过使用RICE方法所产生的20位。
图2示出了用于解释解压缩的示意图。在此，结合图2解释的方法按照相反的方式运行。将压缩值送至RICE装置20(100)。作为借助于RICE装置20实施的RICE解码方法的结果重新得到差值，该差值在加法装置21中与用于预测器方法的、借助预测器装置22产生的预测值进行合并(200)以及(300)，使得最后又输出数字测量数据(400)。在解压缩时(参考图2)预测值的起始值必须要么与用于压缩的预测值(参考图1)固定地一致，要么随同压缩值一同传送。
为了在工业设备、特别是能量技术设备中为实际应用优化对于压缩值的处理，可以为压缩值设置头数据。该头数据例如可以包括关于差值的数据宽度、差值的数量、用于预测器方法的相应预测值的类型和参数以及用于数据宽度(RICE编码方法)的相应RICE预测值的类型和参数的信息。此外，还可以包含关于用于预测器方法的预测值和/或RICE预测值的起始值的信息。
借助于结合图1描述的方法进行的压缩，可以实时地直接在采集数字测量值之后进行。对于所压缩的值的解压缩则可以优选地对于其它应用就在该应用之前进行，其中(解压缩的)数字测量数据可以例如用在为了显示或者仿真的应用中。

Claims (9)

1.一种用于处理数字数据值的方法，其中，借助于预测器方法从各个当前数字数据值以及从各个预测值中建立差值，并且在该预测器方法之后的RICE方法中从这些差值中产生压缩值，其中，借助于一种描述该数字数据值预期的时间变化的信号模型而获得相应的预测值，
其特征在于，在所述RICE方法中，将一个通过将借助于RICE预测值预测的当前差值的数据宽度减去该差值的实际数据宽度而确定的溢出，与一个可以预定的边界值进行比较，并且，如果该溢出超过了该边界值则将该差值按照预定的最大数据宽度作为压缩值输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在带有恒定周期及其相应谐波的正弦函数或余弦函数、衰减e函数或者带有衰减e函数作为包络的正弦函数的基础上，确定所述信号模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述压缩值通过数据传送段传送，并随后利用RICE解码方法从该压缩值中再次得到该差值，并且从该差值和相应的预测值中通过按照反向的预测器方法相加而确定数字数据值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩值具有头数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字数据值由电能传送系统中的保护和/或控制技术的现场设备的输入参数形成。
6.一种用于处理数字数据值的方法，其中，借助于预测器方法从各个当前数字数据值以及从各个预测值中建立差值，并且在该预测器方法之后的RICE方法中从这些差值中产生压缩值，其中，从周期信号中获得数字数据值，并且作为相应当前数字数据值所属的相应预测值至少使用在当前数字数据值的前一个周期所采集的数字数据值，
其特征在于，在所述RICE方法中，将一个通过将借助于RICE预测值预测的当前差值的数据宽度减去该差值的实际数据宽度而确定的溢出，与一个可以预定的边界值进行比较，并且，如果该溢出超过了该边界值则将该差值按照预定的最大数据宽度作为压缩值输出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述压缩值通过数据传送段传送，并随后利用RICE解码方法从该压缩值中再次得到该差值，并且从该差值和相应的预测值中通过按照反向的预测器方法相加而确定数字数据值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压缩值具有头数据。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数字数据值由电能传送系统中的保护和/或控制技术的现场设备的输入参数形成。
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