CN101647284B - 为空域图像编码和解码中的块的元素选择扫描路径的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

国际图像或视频编码标准使用混合编码，其中图像被分成像素块，在像素块上使用预测编码、变换编码和熵编码。变换编码是有效的，这是因为预测误差采样在频域中是相关的。然而，当预测质量变得越来越好时，空域编码比转换编码更有效。根据该方法，首先确定第一非零幅值位于当前块中的哪个角落。基于在该块中相关的零运行长度值，选择预定扫描路径，即，使用基于上下文的自适应扫描模式。

Description

为空域图像编码和解码中的块的元素选择扫描路径的方法和装置
技术领域
本发明涉及为空域图像编码和解码中的块的元素选择扫描路径的方法和装置。
背景技术
诸如JPEG、MPEG-1/2/4和H.261/H.263/H.264的国际图像或视频编码标准使用混合编码，其中图像被分成多个像素块，在其上应用预测编码、变换编码以及熵编码。
通常，变换编码是有效的，这是因为预测误差采样是相关的，并且在该变换或频域中信号能量在系数块的部分区域中集中。因此，在频域可以容易地去除冗余。然而，如在2006年4月的Proceedings of Picture Coding Symposium中M.Narroschke的“Extending H.264/AVC by an adaptive coding of the prediction error”中所披露的，当预测质量变得越来越好时，在很多情况下，变换编码不再有效，这是因为预测误差采样仅边缘相关联，并且在频域中信号能量不集中。M.Narroschke提出了空域或时域视频编码，其中预测误差采样(也称作“残留”)直接被量化并熵编码，而没有前面的转换至频域。他进一步提出了使用率失真优化(RDO)策略，用于自适应选择是否使用空域残留编码(residue coding)或变换编码。
图3示出了对应的“梯度”采样块、(量化的)采样的结果块、以及扫描路径。尽管要求其他边信息来指示哪种编码类型用于当前块，但是整个编码性能增益是显著的。据报道，Y_PSNR增益与H.264/AVC高规格、特别是CIF/QCIF格式相比可以被提高0.4dB，以及对于SD/HD视频序列可以提高0.2dB。还报道，一旦集合1/8像素运动补偿，对于CIF/QCIF分辨率将有另外的0.5dB增益。该技术也被提议给VCEG标准工作组，如M.Narroschke，H.G.Musmannd的“Adaptive prediction error coding in spatial andfrequency domain for H.264/AVC”，ITU-T，问题6/SG16，文件VCEG-AB06，2006年1月泰国曼谷。时域中的编码量化采样也在H.Schiller的“Prediction signal controlled scans for improved motioncompensated video coding”，ELECTRONIC S LETTERS，1993年3月4日，Vol.29，No.5中公开。
在上述公开中，空域中的量化采样的扫描根据相同空间位置处的预测图像(即，重建参考帧)中的梯度的幅值来执行。
M.Narroschke，H.G.Musmannd的“ Adaptive prediction errorcoding in spatial and frequency domain with a fixed scan in the spatialdo
发明内容
一方面，自适应空域扫描易受到传输误差的影响。因为扫描顺序取决于预测图像，如果先前数据被丢失或破坏，则结果误差将传播到将被解码的当前块，并且将在后续图像或帧中被进一步传播或扩大。这种类型的误差传播比其他类型的误差传播更糟糕，从而其在视频编码中是不能接受的。
另一方面，在Narroschke/Musmann文章中披露的固定扫描事实上是逐行扫描，其不依赖于前面的数据，因此不存在误差传播问题。但是这样简单的空域中的固定扫描在一定程度上减少了频域处理上的性能改进。
用于熵编码的最优扫描路径应能够满意地从具有最大绝对值的采样通过减少绝对值采样扫描至具有最小绝对值的采样，从而在扫描路径的开始处聚集较多非零采样，而在扫描路径的尾部布置较多零。这就允许减少为零编码所需的编码位的数量，也有利于基于上下文的熵编码。
空域中的最佳扫描模式随着情形的不同而变化。逐行扫描是一种选择以及逐列扫描是另一种选择，以及折线扫描是第三种选择。然而，从图像统计的观点，这些扫描模式中的特定一个并不优于其他模式。
本发明所要解决的问题是提供一种扫描处理，其提高了编码效率，却没有引入误差传播问题。该问题是通过在权利要求1和3中披露的方法来解决的。使用这些方法的装置在权利要求2和4中披露。
本发明涉及改进的用于空域剩余图像或视频编码的扫描处理。为每个块自适应地选择固定扫描路径模式，以实现更好的熵编码性能而不参考先前数据，从而防止误差传播。即，使用基于上下文的自适应扫描模式。
当对于特定原始图像内容，空域视频编码优于频域视频编码时，在空域中，通常在当前块的外边(即，靠近边界)中分布较多非零量化预测误差值(较多量化预测误差值具有较大绝对值)，和/或它们聚集在当前块的角落中。基于这样的空域中的预测误差值的统计属性，本发明使用对当前块的角落中的量化预测误差进行扫描和编码的第一步，以及使用选择对应于第一步的结果的适当扫描模式用于扫描和编码其他的非零量化预测误差值的第二步。通常，在给定的当前块中，后者的采样扫描路径基于初始的扫描和编码结果。该基于上下文的自适应扫描的成本是增加的复杂性。然而，多种最可能的扫描模式可以被计算或预确定或预定用于选择，并且当与视频编码中的其他处理步骤相比时，这种增加的复杂性几乎是可以忽略的。
理论上，本发明的方法适于为空域图像编码中的块的元素选择扫描路径，所述方法包括以下步骤：
-为当前块确定，从所述块中的预定角落元素开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，所述块包括多少零幅值的角落元素，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，形成运行-级别值对，其中“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；
-基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的其他元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定一个。
理论上，本发明设备适于为空域图像编码器中的块的元素选择扫描路径，所述装置包括：
-装置，适于为当前块确定，接收到的扫描选择信息(SCSI)中第一运行-级别对待“运行”值，其中，在编码器侧，从相应块中的预定角落元素开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，确定所述块包括多少零幅值的角落元素，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，形成运行-级别值对，其中“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；所述装置还适于基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的其他元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定一个。
本发明的有利的其他实施例在各个从属权利要求中披露。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1自适应空域/频域视频编码器的框图；
图2自适应空域/频域视频编码器的框图；
图3用于空域预测误差值的已知示例性扫描路径；
图4量化之前和之后，示例性空域预测误差值；
图5量化之前和之后，其他示例性空域预测误差值；
图6示例性图像内容；
图7步骤1：形成第一(运行、级别)对的发明的扫描顺序；
图8用于步骤1(折线扫描)中运行＝0的扫描顺序；
图9用于步骤1中运行＝1的扫描顺序；
图10用于步骤1中运行＝2的扫描顺序；
图11用于步骤1中运行＝3的扫描顺序；
图12用于第一(运行，级别)对的运行＞3的扫描顺序。
具体实施方式
图1示出了类似于上述公开中的编码器框图。编码器视频输入信号EIS逐块提供给减法器S和运动评估器步骤或阶段ME。在减法器中，从信号EIS中减掉一块运动补偿预测信号MCPS。减法器输出信号通过时域量化器QTD以及反向时域量化器IQTD，以及通过时域-频域转换器T、频域量化器QFD、反向频域量化器IQFD、以及从频域至时域的反向转换器IT。
反向转换器IT的输出或反向时域量化器IQTD的输出通过开关SW1和加法器A至运动补偿预测器步骤或阶段MCP，其输出预测像素块至减法器S的减法输入端、至加法器A的第二输入端、以及至运动评估器ME的第二输入端。运动评估器ME计算用于当前像素或将被编码的系数块的运动信息，并且使用该运动信息来控制运动补偿预测器MCP。运动信息编码器步骤或阶段MIENC对这些运动信息进行熵编码并提供编码的运动编码器输出信号EMOS。
频域量化器QFD的输出或时域量化器QTD的输出经过开关SW2至视频信号熵编码器步骤或阶段VEENC，其输出相应编码视频编码器输出信号EVOS。在编码器VEENC中，执行下面描述的发明的扫描处理。相应的扫描选择信息SCSI也被提供。
在空域块编码处理中，转换和反向转换被省略，以及量化预测误差值被扫描并被熵编码。扫描的步骤可以被认为是熵编码处理的一部分。信号EVOS、SCSI和EMOS可以被组合成位流，其可以被发送至相应的解码器，或被存储或记录在存储介质上。
在图2中，解码器输出信号DIS，例如上述的位流，被提供至视频信号熵解码器步骤或阶段VEDEC和运动信息解码器步骤或阶段MIDEC。在VEDEC中，视频信息被熵解码，以及输出信号被提供给相应的反向时域量化器IQTD，并经过相应的反向频域量化器IQFD和相应的反向转换器IT。反向频域-时域转换器IT的输出或反向时域量化器IQTD的输出通过开关SW3至加法器A2，其输出相应的解码的解码器输出信号DOS。开关SW3被所接收的扫描选择信息SCSI控制。编码运动信息在运动信息解码器步骤或阶段MIDEC中被熵解码，并且被提供至运动补偿预测器步骤或阶段MCPRED。MCPRED也接收解码器输出信号DOS。预测块在加法器A2被加至开关SW3的输出信号。
图4示出了示例性块空域预测误差值，左侧为量化之前，后侧是量化之后。图5示出了用于其他示例性预测误差值的相应图像。
在描述发明的扫描处理之前，解释本发明的一些统计结果和基本理论。试验表明当空域视频编码被选择而不是选择频域视频编码时，空域中的预测误差通常具有下面特征：
a)具有较大绝对值的预测误差通常靠近块的边界，并且聚集在块的角落中。
b)仅有几个，例如小于4，预测误差值具有显著大于块的大部分其他预测误差值的绝对值。
换句话说，预测误差值能量不仅在其位置上集中，而且在其值上也集中。在这些特定情况下，空域视频编码由于广泛使用的频域视频编码，因为预测误差值的能量已经集中在空域。如果使用转换至频率，则能量将在频域块中分散，其特征不适于最佳熵编码。
这些特定情况通常发生在复杂边缘或发生在一些图像分量中的复杂移动物体中，其基于块的内部或之间的预测不能提供对当前块的所有像素的完美预测，而是提供对整个块的平均值的完美预测。
例如，在图6中所描述的块中，黑色区域表示出现的物体的角落，其不能被很好预测，而所有其他像素可以被完美预测。因此，在该角落，与块的其他预测采样位置的大部分相比包括更多的预测误差值，因此空域视频编码是优选的。在自然图像或视频中，大的预测误差值通常发生在角落或边界上，这是因为物体的大小大于编码块的大小。
根据本发明，在第一步或阶段，时域块的角落中的矩阵元素被扫描以确定在哪个角落中预测误差值是聚集的，以及相关信息被编码。基于该第一步骤的结果，空域视频编码自适应地选择适当扫描顺序以对其他预测误差值进行熵编码。
下面示出了用于对包括至少一个非零量化预测误差值的块进行编码的具体实施例。
步骤1：
在当前块的角落中的量化预测误差值中，如图7所示，扫描采样形成(运行，级别)对。值“运行”表示非零幅值采样值“级别”之前的零幅值采样值的数量(在块的角落位置，在左上角开始顺时针)，类似已有视频编码标准中的行程编码。
在该步骤仅考虑第一(运行，级别)对，即，如果图7中四个位置“0”、“1”、“2”和“3”中多于一个位置具有非零量化采样，然后除了第一非零采样之外的采样被留到步骤2中进行编码。例如，在步骤1中，图3中的情况形成(运行，级别)对(2，3)，图4中的情况形成(运行，级别)对(1，-2)，以及图5中的情况形成(运行，级别)对(3，3)。
假设在四个角落中的所有四个量化采样都是零，则直接至步骤2。
步骤2：
根据步骤1的结果，自适应地选择用于剩余量化采样的扫描模式。为了选择，例如仅定义了5个固定扫描表。
如果在步骤1中“运行”等于0，其表示图7中的(角落)位置0(左上角)具有非零量化预测误差，则在图8中定义用于剩余量化误差的扫描路径(从当前块中的位置“1”至位置“15”)。
如果在步骤1中“运行”等于“1”，其表示图7中的角落位置“1”(右上角)具有非零量化预测误差，则在图9中定义用于其他量化误差的扫描路径(从当前块中的位置“2”至位置“15”)。
图4中的情况将由于第一“运行”等于“1”而使用该扫描路径。因此，图4的所有(运行，级别)对是(1，-2)，(0，-1)，其将产生非常少数量的运行值并因此更少位将被编码。
如果步骤1中“运行”等于“2”，其表示图7中的角落位置“2”(右下角)具有非零量化预测误差，则在图10中定义用于其他量化误差的扫描路径(从当前块的位置“3”至位置“15”)。
图3中的情况由于其第一“运行”等于“2”而使用该扫描路径。因此，图3的所有(运行，级别)对是(2，3)，(1，1)，(3，-1)，其将产生非常少数量的运行值，并因此更少位将被编码。
如果步骤1中“运行”等于“3”，其表示图7中的角落位置“3”(左下角)具有非零量化预测误差，则在图11中定义用于其他量化误差的扫描路径(从当前块的位置“4”至位置“15”)。
图5中的情况由于其第一“运行”等于“3”而使用该扫描路径。因此，图5的所有(运行，级别)对是(3，3)，(1，2)，(1，-1)，其将产生非常少数量的运行值，并因此更少位将被编码。
所选择的预定扫描路径可以包括表示关于由“运行”值代表的角落的折线扫描的部分。
如果所有四个角落位置“0”，“1”，“2”和“3”都具有零幅值，则类似于图12中定义扫描路径，即，在扫描四个块角落之后，扫描路径在块的中间区域中继续，即，选择不同于其他预定扫描路径的扫描路径。
当本发明的解码器接收用于当前块的系列(运行，级别)对时，其首先解码第一(运行，级别)对，然后根据第一“运行”值的值，选择解码器预定扫描路径表组中相应的一个。在解码器已经完成对所有接收的用于当前块的(运行，级别)对的解码之后，其基于所选择的扫描路径表将级别值分配给正确的块位置。
图7中的扫描路径表是来自统计试验结果的示例。在实践中，固定扫描路径表可以被预先定义在用于编码器和解码器的视频编码标准中。
在第一步骤中，运行＝0也可以被分配给块中的其他角落，而不是将运行＝0分配给块的左上角。在第一步骤中，角落运行值可以逆时针方向增加，而不是顺时针增加“角落”运行值。
通过使用多于实施例中所描述的两个步骤，自适应处理可以被扩展。因此第二步骤(和可能的更多步骤)再次基于在初始选择的扫描路径的开始中的运行和/或级别值，为后面的扫描路径部分定义从预定扫描路径组中选择哪个。

Claims (14)

1.一种用于为空域图像编码中的块的元素选择扫描路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-确定在当前块中，从所述块中的预定角落元素(CE0)开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，所述块包括多少零幅值的角落元素(CE0，CE1，CE2，CE3)，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，就形成运行-级别值对，其中所述“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及所述“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；
-基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的其他元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定的一个。
2.一种用于为空域图像解码器中的块的元素选择扫描路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-为当前块确定在所接收的扫描选择信息(SCSI)中的第一运行-级别值对的所述“运行值”，其中在编码器侧，从对应块中的预定角落元素(CE0)开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，确定所述块包括多少零幅值的角落元素(CE0，CE1，CE2，CE3)，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，形成运行-级别值对，其中所述“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及所述“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；
-基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的其他元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定的一个。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所有四个角落元素都具有零幅值的情况下，选择不同于与所述四个块角落相关的扫描路径的扫描路径。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中一旦选择了预定扫描路径，就形成用于所述当前块的相应的其他运行-级别值对。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述当前块中的所述元素的值是用于预测所述当前块的量化剩余值。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述选择的预定扫描路径包括表示关于由所述“运行”值表示的所述角落的折线扫描的部分。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中分别在编码/编码器或解码/解码器中，自适应地在用于所述当前块的空域处理和频域处理之间切换，其中在频域处理的情况下不使用所述自适应扫描路径选择。
8.一种用于为空域图像编码中的块的元素选择扫描路径的设备，所述设备包括：
-装置(VEENC)，适于确定在当前块中，从所述块中的预定角落元素(CE0)开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，所述块包括多少零幅值的角落元素(CE0，CE1，CE2，CE3)，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，形成运行-级别值对，其中所述“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及所述“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；所述装置(VEENC)还适于基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的其他元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定的一个。
9.一种用于为空域图像解码器中的块的元素选择扫描路径的设备，所述设备包括：
-装置(VEDEC)，适于为当前块确定在所接收的扫描选择信息(SCSI)中的第一运行-级别值对的所述“运行值”，其中在编码器侧，从对应块中的预定角落元素(CE0)开始，当顺时钟方向处理或者作为替换逆时钟方向处理时，确定所述块包括多少零幅值的角落元素(CE0，CE1，CE2，CE3)，以及一旦确定具有非零幅值的第一角落元素，形成运行-级别值对，其中所述“运行”值对应于在所述当前块中的在前零幅值角落元素的数量，以及所述“级别”值对应于所述第一非零幅值角落元素的幅值；
所述装置(VEDEC)还进一步适于基于所述“运行”值，从用于所述当前块中的剩余元素的预定不同扫描路径组中为所述当前块选择特定的一个。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中在所有四个角落元素都具有零幅值的情况下，选择不同于与所述四个块角落相关的扫描路径的扫描路径。
11.根据权利要求8或9所述的设备，其中一旦选择了预定扫描路径，就形成用于所述当前块的相应的其他运行-级别值对。
12.根据权利要求8或9所述的设备，其中在所述当前块中的所述元素的值是用于预测所述当前块的量化剩余值。
13.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述选择的预定扫描路径包括表示关于由所述“运行”值表示的所述角落的折线扫描的部分。
14.根据权利要求8或9所述的设备，其中分别在编码/编码器或解码/解码器中，自适应地在用于所述当前块的空域处理和频域处理之间切换，其中在频域处理的情况下不使用所述自适应扫描路径选择。
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