CN101193285A - 影像压缩编码及解码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及影像压缩编码及解码的装置和方法。本发明中用宏块为基础处理数字影像信号，在每个宏块上选定种子像素，构成种子像素和其周边像素的差影像，按特定的比例将输入影像辅助样品构成种子影像，上述种子影像和差影像分别进行离散余弦变换及量子化并压缩，将压缩的影像数据无损失编码，并对影像进行压缩编码。将上述种子影像及差影像的编码数据分别解码，解压缩后，在最后步骤，经过将两个影像相加得到解码的影像，对影像进行解码。本发明，只利用图像内部的信息进行压缩，可消除影像内部空间的重复性，所以能够有效提高压缩效率。

Description

影像压缩编码及解码的方法和装置

技术领域

本发明涉及影像的压缩编码及解码的方法和装置。

背景技术

MPEG或H.26x系列的动态影像编码等的大部分动态影像压缩标准在移动补偿技法和变换上基本采用压缩的方式。在这样的移动补偿基本编码中，必须对各分块的移动向量信息进行编码并传送，根据如何将移动向量编码的方式，压缩效率也有很大差异。

在一般的影像编码过程中，影像信号经过DCT(离散余弦变换)处理，将变换系数量子化，执行无损失编码的同时，将已量子化的DCT系数逆量子化及逆DCT变换，将复原的影像存储在存储器中，利用在存储器中被存储的影像及图像影像，生成移动向量，对移动向量进行可变长度编码，和上述编码影像信息一起构成比特信息流。影像的解码方法按上述编码过程的逆顺序进行。

图1是普通的数字动态影像编码器的构成框图。

图1所示的动态影像编码器的构成包括：将输入的数字影像信号进行DCT(discrete cosine transform离散余弦变换)处理的DCT部110；将上述DCT变换系数量子化的量子化部120；将从上述量子化部中输出的量子化数据逆量子化的逆量子化部130；将从上述逆量子化部130中输出的数据逆DCT变换的逆DCT部140；存储从上述逆DCT部140输出的复原影像的图像存储器150；利用输入的现有图像的影像数据和上述图像存储器150中存储的以前图像的影像数据生成移动向量的移动判断部160；将上述已量子化数据和移动向量进行无损失编码并输出的无损失编码部170。

如以上图1中所述构成的压缩编码器的编码过程如下。

DCT部110对以8*8像素块单位数据影像信号执行DCT变换，量子化部(Quantization：Q)120对从上述DCT部接收到的DCT系数执行量子化，由于表现为几个代表值，所以能够高效压缩。

逆量子化部(Inverse Quantization：IQ)130对从上述量子化部120中输出的量子化数据进行逆量子化，在逆DCT(Inverse DCT：IDCT)部140中，对从上述逆量子化部130中逆量子化数据执行逆离散余弦变换。图像存储器150以帧单位的形式对逆DCT部已变换的影像数据进行存储。

移动判断部(Motion Estimation：ME)160利用输入的现在的影像数据和在图像存储器150中存储的以前的图像影像数据计算每一宏块的移动向量。无损失编码部170接收从上述量子化部120中输出的被量子化的数据和上述移动向量(MV)并对其进行无损失编码后输出。

众所周知，在MPEG是利用时间的重复性来压缩动态影像的代表性算法。在MPEG的B帧或P帧中，由于利用宏块的移动向量，所以能够有效消除此前帧在时间上的重复性。但是，只利用MPEG的I帧或类似于JPEG的帧内部信息进行压缩的情况下，则无法利用时间的重复性。此时，利用DCT按频率分解，输入数据影像信号，可排除视觉上的感觉不灵敏信号的频率区域数据，从而能够提高压缩的大部分效率。但是，利用DCT的信息压缩，在实际影像中无法排除大部分数据量所占据空间的重复性，所以存在无法提高效率的局限。前面所提到的MPEG情况下，只利用内部信息的I帧与P帧和B帧相比，信息量明显减少。

由此，只利用图像的内部信息进行压缩的情况下，排除了影像内部的空间上的重复性，就要求有能够提高压缩效率的方法。

发明内容

本发明正是为解决上述现有技术上的问题而提出的，目的是提供一种能够提高影像压缩编码器的编码效率的影像压缩编码和解码方法及其装置。

本发明的另一个目的是利用影像压缩编码中影像空间信息的重复性进行压缩，以此提供能够提高压缩编码的效率的一种影像压缩编码和解码方法及其装置。

本发明还有一个目的是在影像压缩编码时，只利用图像内部的信息进行压缩，排除了影像内部空间的重复性，以此提供能够提高压缩效率的一种影像压缩编码和解码方法及其装置。

本发明还有一个目的是以块单位为基础进行影像压缩编码时，在大的宏块内部选定种子像素，以上述选定的种子像素为中心，求得在其周边相邻的像素差的差影像，以及按特定比例辅助样品的种子影像。由于对上述种子影像及差影像分别变换编码，所以能够最大限度地排除影像内部空间的重复性，以此提供一种能够完成高效压缩的影像压缩编码方法及其装置。

本发明还有一个目的是以块单位为基础进行影像解码时，对在编码步骤提供的压缩编码的种子影像和差影像分别解码及逆变换，在最后步骤，利用上述已解码的两种影像进行相加，从而恢复原来的影像的方法进行影像解码，以此提供一种压缩影像解码方法及其装置。

为了实现上述目的，本发明的影像压缩编码方法，其特征在于包括以下几个步骤：将影像数据按块单位划分，在各块内部选择一定位置的像素作为种子像素的种子像素选定步骤；以上述选定的种子像素为中心，求得与周边相邻的像素差，以此差构成差影像的同时，将上述影像数据按一定比例子取样，将子取样的影像作为种子影像的构成差影像及种子影像的步骤；将上述差影像及种子影像数据分别执行压缩编码后，将压缩编码的两种数据相加，作为最终的压缩编码数据输出的编码步骤。

另外，为了实现上述目的，本发明的影像解码方法，其特征在于包括以下几个步骤：将影像数据取样求得种子影像，以块单位划分影像数据，对每个块上以选定的种子像素为基准，求得与其周边相邻的像素间差构成的差影像数据，接收分别压缩编码的种子影像数据及差影像编码数据步骤；对上述压缩编码的种子影像数据和压缩编码的差影像数据分别解码，进行解压缩，得到原来的种子影像数据和差影像数据，将得到的种子影像数据和差影像数据相加，求得解码影像的步骤。

另外，为了实现上述目的，本发明的影像压缩编码装置，其特征在于包括以下几个部分：在以块单位为基础，进行影像数据压缩编码的装置中，在影像宏块内，以被选定的种子像素和与其周边相邻的像素间的差构成差影像的差影像生成装置；按一定比例将影像数据子取样，构成种子影像的种子影像生成装置；对上述差影像按照DCT化，量子化，无损失编码的过程进行操作的差影像压缩编码装置；对上述种子影像按照DCT化，量子化，无损失编码的过程进行操作的种子影像压缩编码装置；将上述最终编码的差影像及种子影像相加输出的输出装置。

另外，为了实现上述目的，本发明的影像解码装置，其特征在于包括以下几个部分：在以块单位为基础进行的压缩影像数据解码装置中，对在影像宏块内，以被选定的种子像素和与其周边相邻的像素间的差构成的压缩编码的差影像，按解码、逆量子化、逆DCT化过程的顺序进行操作，将以种子像素为基础的差影像解码及复原的差影像复原装置；按一定比例将影像数据子取样，对已构成的压缩编码的种子影像，按解码、按逆量子化、逆DCT化过程的顺序进行操作的，将种子影像解码及复原的种子影像复原装置；将上述最终的复原差影像及种子影像相加，恢复源影像的输出装置。

另外，本发明的特征还有以宏块为单位划分上述影像数据，在各宏块中央位置选择一个像素作为种子像素。

另外，本发明的特征还在于，以上述种子像素为中心求得与其左右相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准横列，求得以上述基准横列为基准，上下邻接的同列位置的像素间的差，构成差影像。

另外，本发明的特征还在于，以上述种子像素为中心，求得与其上下相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准纵列，求得以上述基准纵列为基准，左右邻接的同列位置的像素间的差，构成差影像。

另外，本发明中的上述差影像按阶段结构组成。

另外，本发明的特征还在于，以宏块为单位划分上述种子影像数据，选择种子像素并以此种子像素为中心，求得与其相邻的像素间的差的过程多次反复，所以上述差影像以阶段结构组成。

另外，本发明的特征还在于上述种子影像包括上述被选定的种子像素在内，经子取样构成。

如上所述构成的本发明的影像压缩编码和解码方法及其装置，在大的宏块内以种子像素为中心，算出与之相邻像素间的差，得到差影像，此差影像排除了2层空间上的重复性，使得压缩效率提高。

另外，如上所述构成的本发明影像压缩编码及解码方法及其装置，能够生成可变步骤的差影像，所以压缩效率能够进上步提高。这就意味着能够调整数据的比特率。

另外，如上所述构成的本发明影像压缩编码和解码方法及其装置，由于可以生成各步骤的差影像，凭借压缩，能够减少生成影像的劣化。

另外，如上所述构成的本发明影像压缩编码和解码方法及其装置，也可适用于动态影像的压缩。即，在MPEG等的内部，只利用信息压缩的I帧的情况下，也可以提高压缩的效率。

本发明的影像编码，尤其是由于将影像的内部空间最大限度地排除，所以能够提高压缩效率。另外，由于能够生成可变步骤的差影像，即，可按阶段生成差影像，所以，能够提高压缩效率，自由适应随着需要调节的不同比特率系统环境。尤其是，适用于影像压缩的情况下，在MPEG等中，只利用图像内部的信息进行压缩的类似于I图像的情况下，具有提高压缩效率的效果。

附图说明

图1是现有的数字动态影像编码器的框图；

图2是本发明的压缩编码及解码方法流程图；

图3是本发明中种子像素和种子影像构成的示例图；

图4是本发明中基准横列构成示意图；

图5是本发明横列间像素差值构成示意图；

图6是本发明的影像压缩编码及解码装置的框图；

附图中主要部分的符号说明

610：影像编码部           620：影像解码部

611：差影像生成部         612，616：DCT部

613，617：量子化部        614，618：无损失编码部

615：种子影像生成部       619：加法部

621，625：无损失解码部    622，626：逆量子化部

623，627：逆DCT部         624：复原的差影像

628：复原的种子影像       629：加法部

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的实施例进行说明。

首先，图2展示的是本发明的影像压缩编码及解码方法。

如图所示，步骤S211是种子像素选定及种子影像构成的步骤。将数字影像数据以块为单位划分，在各块内选择种子像素。如以宏块为单位进行划分处理时，在每个宏块的内部进行像素的选定。即，位于宏块的中央的像素被定义为种子像素。在适当的宏块上选择某一个位置上的像素作为种子像素并不受限制。在种子像素的选择上，本发明适用的系统特征可根据通信或适用环境的不同有所差异。但是一般情况下，选择宏块中央位置的像素作为种子像素较为理想。其理由是不仅对此位置的种子像素进行事先预定的两面编码和解码时比较方便，而且，位于中央位置的像素被看成是适当宏块中最能代表宏块中的信息。图3展示的是源影像(Source image)300和宏块310以及位于宏块中央位置的被选定的种子像素311，通过子取样得到的种子影像320。

将影像数据按一定的取样比例子取样，得到取样的影像，将此子取样影像320定义为种子影像。种子影像320的构成可以包括种子像素，也可以不包括。这要由子取样的方法来决定。但一般情况下，对于适当的影像数据，包括种子像素的种子影像320的构成可包含更为丰富的信息，在此方面是有益的。

图2中，下一个步骤S212是构成差影像的步骤。这里，以种子像素311为中心，求得与其周边像素的差，构成差影像，以各个宏块为单位进行处理。图4和图5表示差影像的构成。即，以种子像素为基准，反复向左右两侧相邻的像素求得差值的过程，构成包括种子像素在内的基准横列，以上述基准横列为基准，求得向上下两侧相邻的像素差值的过程反复，生成差影像。

首先，参照图4，图4表示的是求得种子像素P(0，0)和向左右两侧相邻的像素间差值的方法。以种子像素P(0，0)为基准，求得像素P(-2，0)与像素P(-1，0)间的差值，像素P(-1，0)与像素P(0，0)间的差值，像素P(0，0)与像素P(1，0)间的差值，像素P(1，0)与像素P(2，0)间的差值。举例来说，在上述各像素上形成相对应输入影像128，120，134，140，120的差影像8，-14，0，6，-20。经过此过程形成包括种子像素P(0，0)在内的基准横列。

下面，参照图5，图5表示的是求得基准横列与上下两侧相邻的像素间差值的方法。求得的横列差值，即求得位于同一横列的像素间差值。举例来说即求得横列上像素P(-2，0)与其上方的像素P(-2，1)间的差值，像素P(-1，0)与像素P(-1，1)间的差值，像素P(0，0)与像素P(0，1)间的差值，像素P(1，0)与像素P(1，1)间的差值，像素P(2，0)与像素P(2，1)间的差值，以同样的方法，求得像素P(-2，1)与像素P(-2，2)间的差值，像素P(-1，1)与像素P(-1，2)间的差值，像素P(0，1)与像素P(0，2)间的差值，像素P(1，1)与像素P(1，2)间的差值，像素P(2，1)与像素P(2，2)间的差值，用同样的方法求得剩下的所有的横列与其相邻像素间的差值。以此构成差影像。

这样一来，在一个图像中可具备一个种子影像和多个阶段的差影像。即，能够将上述子取样的种子影像再次当成输入影像，其理由是反复经过如上的一系列过程，能够生成阶段构造的影像。换句话说，将上述种子影像当成源影像按一定块单位划分，在上述被划分的每个块中选择种子像素，以选定的种子像素为基准，按前面图4和图5中所说明的同等方法，求得相邻像素间的差值。此过程反复N次就会得到N阶段的差影像结构。由于能够制成这样的可变结构的差影像，所以压缩的效率更高，同时也意味着能够调整影像数据的比特率。即，分层结构的差影像中，根据哪一层的差影像被压缩编码及输出，来选择(调整)其比特率。另外，由于能够制成多阶段的差影像，能够最大限度地减少影像信息的损失，所以由压缩导致的影像的劣化也能够减少。

在图4和图5表示的是求得包括种子像素在内的基准横列的相邻像素间差值，以及相邻的基准横列的位于同一纵列的像素间的差值的方法。但是与此相反，此方法也可适用于以种子像素P(0，0)为基准，求得向上下两个方向相邻的像素P(0，2)，P(0，1)，P(0，0) P(0，-1)，P(0，-2)间的差值，将此当成基准纵列(Seed Column)，求得基准纵列左右两侧的相邻的纵列间的差值。当然，在求得此纵列差时，也相应求得两侧横列的位于同列的像素差值。

如前面所述，以种子像素为基准构成基准横列，求得基准横列相邻像素间差值，还是以种子像素为基准构成基准纵列，求得基准纵列相邻像素间的差值，要根据影像编码和解码器所适用的设备，通信和媒体的环境做最佳的选择。

再次参照图2，下面的步骤S213为将种子影像和差影像压缩编码步骤。即，如上所述，源影像数据经子取样，将得到的种子影像进行离散余弦变换(DCT)及DCT系数量子化后，再次对其进行可变长度的编码等无损失编码，对种子影像执行压缩编码的同时，对上述差影像数据进行离散余弦变换及DCT系数量子化后，再次对其进行可变长度的编码等无损失编码的差影像编码。最后将被压缩编码的种子影像和差影像相加输出，所以能够输出最大限度地消除重复空间的影像压缩信号。

即，根据本发明的影像压缩编码方法，DCT的输入影像为差影像，所以排除了空间内部的重复性，所以能够提高压缩效率。

在图2中，这样的压缩编码影像数据的解码方法由执行种子影像及差影像解码步骤(S311)，种子影像及差影像压缩复原步骤(S312)，构成及输出经解码的影像的步骤(S313)构成。

首先，在种子影像和差影像的解码步骤(S311)，对上述被编码的种子影像进行无损失解码，另外，也对上述差影像进行无损失解码，在接下来的步骤(S312)，分别对上述解码的差影像和种子影像逆量子化及逆DCT变换，进行解压缩。这样一来，在最后步骤(S313)，将复原的种子影像和差影像相加，即能够得到复原的影像的构成。

图6是本发明中影像压缩编码和解码装置的实施例的构成示意图。参照图6，本发明的影像压缩编码及解码装置由影像编码部610和影像解码部620组成。

影像编码部610的构成包括：求出输入的源影像的差影像的差影像生成部611；对从上述差影像生成部611中生成的差影像执行离散余弦变换的第一DCT部612；将从上述第一DCT部输出的DCT系数量子化的第一量子化部613；对在上述第一量子化部613的量子化数据进行无损失编码的第一无损失编码部614；对上述源影像求出种子影像的种子影像生成部615；对从上述种子影像生成部615中生成的种子影像执行离散余弦变换的第二DCT部616；对从上述第二DCT部输出的DCT系数进行量子化的第二量子化部617；对上述第二量子化部617的量子化数据进行无损失编码的第二无损失编码部618；以及将第一无损失编码部614和第二无损失编码部618的输出相加，最后输出压缩编码影像数据的加法部619。

上述影像解码部620的构成包括：对输入的压缩编码数据中的差影像数据进行无损失解码的第一无损失解码部621；将从上述第一无损失解码部621中输出的数据进行逆量子化的第一逆量子化部622；将从上述第一逆量子化部中输出的数据逆离散余弦变换，输出差影像624的第一逆DCT部623；对从上述输入的压缩编码数据中的种子影像数据进行无损失解码的第二无损失解码部625；将从上述第二无损失解码部625中输出的数据进行逆量子化的第二逆量子化部626；对从上述第二逆量子化部626中输出的数据进行逆离散余弦变换，输出种子影像628的第二逆DCT部627；将上述差影像624及种子影像628相加，最后输出解码影像的加法部629。

在如此构成的本发明的影像编码及解码装置的影像压缩编码及解码过程中，与前面所说明的影像及编码及解码方法组成相同，对此考察说明如下。

差影像生成部611接收输入的源影像数据，在每个宏块中都以种子像素为基准，如上述图4和图5所示，构成差影像。前面已经说明过，此差影像能够按阶段构造生成。另外，在差影像中由于排除了空间上的重复性，所以经过以后的压缩编码过程的时候，其压缩效率比现有的压缩方法有明显的提高。在上述差影像生成部611中，被生成的差影像数据输入第一DCT部612，进行离散余弦变换。另外，从第一DCT部612中输出的DCT系数在第一量子化部613中量子化，被量子化的数据在第一无损失编码部614中进行无损失编码，提供给加法部619。这里的无损失编码，举例来说有运转周期编码(RUN Length Coding)，可变长度编码(Variable Length Coding)等。

种子影像生成部615接收输入的源影像数据，以特定的比例对其进行子取样，如图3所示，构成种子影像。在上述种子影像生成部615中生成的种子影像数据，输入到第二DCT部616进行离散余弦变换，另外，从第二DCT部616中输出的DCT系数在第二量子化部617中进行量子化，将量子化数据在第二无损失编码部618中进行无损失编码后，提供给加法部619。这里无损失编码，举例来说，有运转周期编码(RUN Length Coding)，可变长度编码(Variable Length Coding)等。

加法部619将上述压缩编码的差影像和种子影像数据相加，最后输出压缩编码数据。

第一无损失解码部621对输入的压缩编码数据中的差影像数据进行无损失解码。第一逆量子化部622对上述第一无损失解码部621的输出数据进行逆量子化，第一逆DCT部623对从第一逆量子化部622中输出的数据进行逆离散余弦变换，所以，将原来的差影像复原，输出复原后的差影像624。第二无损失解码部625对输入的压缩编码数据中的种子影像数据进行无损失解码。第二逆量子化部626对从上述第二无损失解码部625输出的数据进行逆量子化，第二逆DCT部627对从第二逆量子化部626中输出的数据进行逆离散余弦变换，所以，将原来的种子影像复原，输出复原后的种子影像628。加法部629将上述复原的差影像624和种子影像628相加，最后输出解码的影像。

Claims (13)

1.一种影像压缩编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

将影像数据按块单位划分，在各块内部选择一定位置的像素作为种子像素的种子像素选定步骤；

以上述选定的种子像素为中心，求得与周边相邻的像素差，以此差构成差影像的同时，将上述影像数据按规定比例进行子取样，将子取样的影像作为种子影像的构成差影像及种子影像的步骤；

将上述差影像及种子影像数据分别执行压缩编码后，将压缩编码的两种数据相加，作为最终的压缩编码数据输出的编码步骤。

2.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

以宏块为单位划分上述影像数据，在各宏块中央位置选择一个像素作为种子像素。

3.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

在上述构成差影像及种子影像的步骤，以上述种子像素为中心求得与其左右相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准横列，求得以上述基准横列为基准，同列位置中上下邻接的像素间的差，构成差影像。

4.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

在上述构成差影像及种子影像的步骤，以上述种子像素为中心，求得与其上下相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准纵列，求得以上述基准纵列为基准，同列位置中左右邻接的像素间的差，构成差影像。

5.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

上述差影像按阶段结构组成。

6.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

以块为单位划分上述种子影像，分别在每个块中选择种子像素，并多次反复进行以此种子像素为中心，求得与其相邻的像素间的差的过程，而使上述差影像以阶段结构组成。

7.如权利要求1所述的影像压缩编码方法，其特征在于，

上述种子影像包括上述被选定的种子像素在内，经子取样构成。

8.一种影像解码方法，其特征在于，包括以下步骤：

将影像数据取样求得种子影像，以块单位划分影像数据，对每个块上以选定的种子像素为基准，求得与其周边相邻的像素间差，构成的差影像数据，接收分别压缩编码的种子影像数据及差影像编码数据的步骤；

将上述压缩编码的种子影像数据和压缩编码的差影像数据分别解码，进行解压缩，得到原来的种子影像数据和差影像数据，将得到的种子影像数据和差影像数据相加，求得解码影像的步骤。

9.一种影像压缩编码装置，在以块单位为基础进行影像数据压缩编码的装置中，其特征在于，包括：

在影像宏块内，以被选定的种子像素和与其周边相邻的像素间的差，构成差影像的差影像生成装置；

按一定比例对影像数据进行子取样，构成种子影像的种子影像生成装置；

对上述差影像进行离散余弦变换及量子化，进行无损失编码的差影像压缩编码装置；

对上述种子影像进行离散余弦变换及量子化，进行无损失编码的种子影像压缩编码装置；

将上述最终编码的差影像及种子影像相加输出的输出装置。

10.如权利要求9所述的影像压缩编码装置，其特征在于，

上述差影像生成装置，以上述种子像素为中心求得与其左右相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准横列，求得以上述基准横列为基准，同列位置中上下邻接的像素间的差，构成差影像。

11.如权利要求9所述的影像压缩编码装置，其特征在于，

上述差影像生成装置，以上述种子像素为中心求得与其上下相邻像素间的差，构成包括种子像素在内的基准纵列，求得以上述基准纵列为基准，同列位置中左右邻接的像素间的差，构成差影像。

12.如权利要求9所述的影像压缩编码装置，其特征在于，

上述差影像生成装置，以宏块为单位划分上述种子影像，分别在每个块中选择种子像素，并多次反复以该种子像素为中心，求得与其相邻的像素间的差的过程，上述差影像以阶段结构组成。

13.一种以块单位为基础进行压缩影像数据解码的装置，其特征在于，包括：

在影像块内，以被选定的种子像素和与其周边相邻的像素间的差，构成的压缩编码的差影像，对其按解码、逆量子化、逆DCT化过程的顺序进行操作，对以种子像素为基础的差影像，进行解码及复原的差影像复原装置；

按一定比例将影像数据子取样，对已构成的压缩编码的种子影像，按解码、按逆量子化、逆DCT化过程的顺序，对种子影像进行解码及复原的种子影像复原装置；

将上述最终的复原差影像及种子影像相加，恢复源影像的输出装置。

Images