CN101778278A - 图像编码器和图像编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种图像编码器和图像压缩方法。图像编码器包括：块设置单元，构造成对外部输入图像信号进行彩色再抽样，并且将该图像信号设置在多个块的单元中；多个离散余弦变换(DCT)单元，构造成对分成多个块的图像信号进行DCT；多个量化单元，构造成量化多个DCT单元的输出；增量调制单元，构造成对多个量化单元的输出进行差值脉冲代码调制(DPCM)；多个霍夫曼编码单元，构造成利用霍夫曼编码方法对增量调制单元的输出进行编码；以及代码连接单元，构造成将从多个霍夫曼编码单元输出的信号重构为固定比特单元并且输出被压缩的图像信号。由于对图像进行并行编码，因此可以提高编码速度。

Description

图像编码器和图像编码方法
本申请要求于2008年12月30日提交的韩国专利申请No.10-2008-0137536的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种图像编码器，且更具体地，涉及图像编码器和用于图像压缩的图像编码方法。
背景技术
通常，联合图像专家组(JPEG)是关于静止图像的一种压缩标准，由此将原始图像以如下次序压缩成JPEG图像。
原始图像被彩色再抽样(chromatically subsampled)、经历离散余弦变换(DCT)、并且被量化(quantize)。量化的信号被霍夫曼编码(Huffman coding)，从而转换成JPEG压缩图像。
近来，随着经历JPEG压缩的图像尺寸的增大，需要更高速的JPEG编码器。为解决这个问题，在相关技术中，包含了两个JPEG编码器，并采用一种并行处理方法，该方法利用第一编码器压缩第一帧并利用第二编码器压缩第二帧。
然而，如果包含两个JPEG编码器，芯片的面积增大并且功耗增大。特别地，用于量化和霍夫曼编码的表格存储器是冗余的，而表格存储器对面积和功耗有重要影响，其影响大于逻辑电路。
此外，为了JPEG压缩，存储器应存储两个或多个图像。然而，如果图像的尺寸大，不能存储所有的这些图像，并由此可能需要外部存储器。外部存储器的使用导致整个系统的成本提高。
此外，由于基本JPEG编码器的速度不高，因此数据存储在存储器中并随后从存储器取出用于压缩。就是说，不会进行即时压缩(on-the-fly compression)。在这种方法中，由于芯片总线(on-chipbus)的带宽用于压缩而损失，导致整个系统的退化，因此使用者必须花费相当大量的时间来等待最终的压缩图像。
在相关技术中，作为提高JPEG编码速度的另一个方法是，采用了提高JPEG编码器的工作频率的方法。例如，如果具有100MHz工作频率的JPEG编码器在200MHz下工作，其速度加倍。
然而，如果JPEG编码器的工作频率提高，那么整个系统的工作频率和JPEG编码器的工作频率可能彼此不相等。如果在系统中使用提高工作频率的JPEG编码器，那么应该增加用于异步数据传输的逻辑电路。由于难以测试这样的逻辑电路，因此发生故障的可能性增大。
此外，如果JPEG编码器的工作频率提高，需要做出很多工作来支持(backend)芯片的制造。因此，增加了研发周期。
发明内容
因此，本发明涉及一种图像解码器和一种图像解码方法，其基本上消除了由于相关技术的局限和缺点而导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种图像解码器和图像解码方法，其能够提高图像压缩速度。
本发明的另一个目的是提供一种图像解码器和图像解码方法，其能够以高速压缩图像，而不改变工作频率。
本发明的其他优点、目的和特征一部分将在下文中阐述，一部分对于本领域的普通技术人员而言通过下文的分析将变得显而易见或者可以从本发明的实践中获知。通过所撰写的说明书及其权利要求以及附图中具体指出的结构，可以认识到和获得本发明的目的和其他优点。
为实现这些目的和其他优点，并且根据如本文中具体化且广义描述的本发明的目标，一种图像编码器包括：块设置单元(blockarrangement unit)，构造成对外部输入图像信号进行彩色再抽样，并且将该图像信号设置在多个块的单元中；多个离散余弦变换(DCT)单元，构造成对分成多个块的图像信号进行DCT；多个量化单元(quantization unit)，构造成量化多个DCT单元的输出；增量调制单元(delta modulation unit)，构造成对多个量化单元的输出进行差值脉冲代码调制(DPCM)；多个霍夫曼编码单元，构造成利用霍夫曼编码方法对增量调制单元的输出进行编码；以及代码连接单元，构造成将从多个霍夫曼编码单元输出的信号重构为固定比特单元(constant bit unit)并且输出被压缩的图像信号。
增量调制单元可以获得多个量化单元的输出的相同颜色空间之间的DC电平的差值，并进行DPCM。
增量调制单元可以将多个量化单元的输出的块中的任一个块与其他的块相比较，确定这些块的输入次序，并进行DPCM。
增量调制单元可以进一步包括用于划分多个量化单元的输出的块并在固定单元中插入复位标记器(reset marker)的电路，并且通过该复位标记器确定块是否经历DPCM。
代码连接单元可以将多个霍夫曼编码单元的输出分成与在用于存储被压缩的图像信号的外部存储器中使用的数据相同的比特单元，从而进行重构(reconstruction)。
代码连接单元可以进一步包括用于将多个霍夫曼编码单元的输出分成固定块单元并插入复位标记器的电路。
图像编码器可以进一步包括暂时存储器(temporary memory)，并且该暂时存储器可存储多个霍夫曼编码单元的输出并进而将该输出提供给代码连接单元。
暂时存储器可以包括用于存储最后数据的有效比特大小的寄存器，并且当多个霍夫曼编码单元的输出代码被代码连接单元连接时，将最后数据的有效比特大小提供给代码连接单元。
被压缩的图像信号可以是联合图像专家组(JPEG)编码的图像信号。
在本发明的另一方面中，一种图像编码方法包括：对外部输入图像信号进行彩色再抽样并且将该图像信号设置在多个块的单元中，对分成多个块的图像信号进行离散余弦变换(DCT)，量化DCT信号，对量化的信号进行差值脉冲代码调制(DPCM)，对DPCM信号进行霍夫曼编码，将霍夫曼编码的信号重构为固定比特单元并且输出被压缩的图像信号。
可以通过获得量化的信号的相同颜色空间之间的DC电平的差值来进行DPCM。
可以在将量化的信号的块中的任一个块与其他的块相比较并确定这些块的输入次序之后来进行DPCM。
该方法可以进一步包括：当多个量化的信号经历DPCM和霍夫曼编码的信号被重构为固定比特单元时，将多个量化的信号和霍夫曼编码的信号分成块单元并且插入复位标记器。
霍夫曼编码的信号可以分成与在用于存储被压缩的图像信号的外部存储器中使用的数据相同的比特单元，从而重构。
被压缩的图像信号可以是联合图像专家组(JPEG)编码的图像信号。
根据本发明，由于利用并行处理方法对图像编码，与利用多个编码器的相关结构相比，可以减小电路的面积并降低制造成本和功耗。
根据本发明，由于利用即时方法(on-the-fly method)对由另一个图像处理装置提供的数据进行直接处理和编码，因此可以减小存储器的带宽并使系统资源浪费最小化。
此外，根据本发明，由于图像编码器的工作频率等于系统的工作频率，可以容易地进行电路制造工艺的支持工作，以便缩短芯片的制造周期，并且可以容易地进行检查，以便最小化芯片制造中的传输差错。
根据本发明，由于DCT单元和量化单元(其为并行处理单元)的数量被优化为适于任何系统，所以可以根据情况灵活地设计高性能编码器或便宜的编码器。
此外，如果本发明的图像编码方法应用于软件，可以通过有效地利用在现代计算系统中常用的多核处理器在短的时间周期中完成图像编码，优于现有的算法。
可以理解的是，本发明的上述总体描述和以下的具体描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括用来提供对本发明的进一步理解，并结合于此而构成本申请的一部分，本发明的示例性实施例连同描述都用来解释本发明的原理。在附图中：
图1是示出了根据本发明的图像编码器的方块图；
图2是示出了通过图1的块设置单元10得到的图像信号RAW IMG的块设置的简图；
图3是解释图1的增量调制单元40的复位标记器功能的简图；以及
图4是示出了根据本发明的图像编码器的一部分的方块图，其中进一步包括了暂时存储器70。
具体实施方式
本发明披露了一种图像编码器和图像编码方法，其通过对图像并行进行离散余弦变换(DCT)、量化和霍夫曼编码而能够提高图像压缩速度。
详细地，参照图1，根据本发明的图像编码器包括块设置单元10、多个DCT单元20、多个量化单元30、增量调制单元40、多个霍夫曼编码单元50以及代码连接单元60。
块设置单元10将图像信号RAW_IMG彩色再抽样并且设置在多个块的单元中。
所包含的多个DCT单元20和多个量化单元30的数量对应于由块设置单元10所设置的图像信号块的数量。多个DCT单元20对分成多个块的图像信号进行DCT，并且多个量化单元30量化多个DCT单元20的输出。
多个DCT单元20对利用图2所示结构的图像信号进行DCT。
参照图2，如果图像信号RAW_IMG分成8×8像素块，那么8×8像素块通过DCT转换成频域数据。此时，位于所转换数据的最左边上端位置处的像素称作DC电平(DC level)。
DC电平是对应于块信息的最低频域的信息，并且通常具有最多的图像信息。因此，仅留下了DC周边部分，而其余部分均在由箭头指示的方向上设置为0，以便进行图像压缩。
参照图1，增量调制单元40对多个DCT单元20的输出进行差值脉冲代码调制(DPCM)。由于图像的值是平均连续的，图2中所示的块的DC电平的值是基本类似的。
为了利用这样的特性来压缩，使用DPCM。DPCM是仅存储当前值与先前值之间的差值、而不存储当前值的技术。
增量调制单元40获得了相同颜色空间之间的DC电平的差值。在JPEC压缩中，采用了三通道Y、Cb和Cr的颜色空间。在Y块中，DPCM在Y块之间进行，而在Cb块中，DPCM在Cb块之间进行。
特别地，由于一种颜色的若干块(例如若干Y块)可同时输入，增量调制单元40决定哪个块首先输入并且获得DPCM的值。
在JPEG压缩中，根据输入格式改变Y、Cb和Cr块的输入次序。然而，由于在4:1:1或4:2:0格式中使用的六块次序是“Y0->Y1->Y2->Y3->Cb->Cr”，因此六块中的一个块仅与其他五个块比较。
如果包含N个DCT单元20和量化单元30，那么增量调制单元40包含6*N比较器，以便获得DPCM值。利用这样的比较器，能够同时获得所有块的DPCM值。
此外，增量调制单元40包含复位(RST)标记器功能，用于决定是否进行每个块的DPCM。
就是说，由于所有块的DC电平通过DPCM来连接，因此对于在传输期间的JPEG代码流中产生的错误，JPEG压缩图像是弱的(weak)。
这是因为所有的块均通过DPCM连接，从而如果在一个块中产生了错误，所有随后的块都被破坏。
关于解决这个问题的一个方法是，使用复位标记器。使用者可以在固定的块间隔处插入复位标记器。由于在前块和后续块(其中插入有复位标记器)之间的DPCM关系被消除，当在JPEG代码流中途产生错误时，可以利用复位标记器而在中途恢复图像。
参照图3，就是说，复位标记器RST0和RST1可被插入至四个块MCU0至MCU3的单元中的多个块中，并且利用复位标记器RST0和RST1可以使其中产生错误的块被恢复。
由于根据本发明的图像编码器利用并行处理方法，若干块同时输入至增量调制单元40。
因此，尽管这些块同时输入，但任何给定的块均可以或可以不进行DPCM。
因此，增量调制单元40包含用于确定某个块是否进行DPCM同时对输入块的数量进行计数的电路。
此外，由于插入复位标记器(即使当最终编码的代码输出时)，因此用于对块的数量进行计数和插入复位标记器的电路优选地包含在以下将描述的代码连接单元60中。
参照图1，多个霍夫曼编码单元50所包含的数量与由块设置单元10设置的图像信号块的数量对应，并且利用霍夫曼编码方法对增量调制单元40的输出进行编码。由于霍夫曼编码是可变长度编码，代码的长度是大约1比特(bit)或2比特。
代码连接单元60将从多个霍夫曼编码单元50输出的信号重构为固定比特单元，并且输出被压缩的图像信号COMP IMG。
就是说，被压缩的图像存储在外部存储器中。由于在外部存储器中使用的数据具有固定比特的单元，例如，8比特、16比特和32比特，因此代码连接单元60将多个霍夫曼编码单元50的输出分成固定比特单元，例如8比特单元，从而进行重构。
例如，如果存在代码A“0100110”、代码B“01010”、代码C“1101110110”，代码连接单元60将所有三个代码连接，将代码分成8比特(或16比特或32比特)，并且当向外输出代码A、B和C时输出划分后的比特。
就是说，代码A、B和C经历过程“0100110010101101110110->0100110010101101 110110->0x4C 0xAD 0xD8”。此时，由于最后一部分仅有6比特，假设剩余2比特均是0。
在本发明的并行图像编码方法中，由于霍夫曼编码结果是同步输出的，根据本发明的图像编码器可进一步包括多个如图4所示的多个暂时存储器70，以便利用存储霍夫曼编码结果并进而读取并连接霍夫曼编码结果的方法。
就是说，参照图4，多个霍夫曼编码单元50的输出通过代码连接单元60而存储在多个暂时存储器70中，并且从多个霍夫曼编码单元50输出的数据的大小等于多个暂时存储器70的比特大小。
如果数据大小是8比特，则一个暂时存储器70的比特大小也是8比特。
然而，由于多个霍夫曼编码单元50的输出不总是8比特单元，因此每个暂时存储器70包含一个用于存储最后数据的有效比特大小的寄存器，并且当代码被最终连接时将有效比特大小提供给代码连接单元60。
在根据本发明的图像编码器中，由于通过增量调制单元40和代码连接单元60补充了其中不能并行处理的部分，因此可以利用并行处理来压缩图像并且提高图像编码速度。
对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围内可以对本发明作各种修改及变型。因此，本发明意在涵盖在所附权利要求及其等同替换的范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (9)

1.一种图像编码器，包括：
块设置单元，构造成对外部输入图像信号进行彩色再抽样，并且将所述图像信号设置在多个块的单元中；
多个离散余弦变换(DCT)单元，构造成对分成所述多个块的所述图像信号进行DCT；
多个量化单元，构造成量化所述多个DCT单元的输出；
增量调制单元，构造成对所述多个量化单元的输出进行差值脉冲代码调制(DPCM)；
多个霍夫曼编码单元，构造成利用霍夫曼编码方法对所述增量调制单元的输出进行编码；以及
代码连接单元，构造成将从所述多个霍夫曼编码单元输出的信号重构为固定比特单元并且输出被压缩的图像信号。
2.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述增量调制单元获得所述多个量化单元的输出的相同颜色空间之间的DC电平的差值，并进行所述DPCM。
3.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述增量调制单元将所述多个量化单元的输出的块中的任一个块与其他的块相比较，确定这些块的输入次序，并进行所述DPCM。
4.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述增量调制单元进一步包括用于划分所述多个量化单元的输出的块并在固定单元中插入复位标记器的电路，并且通过所述复位标记器确定所述块是否经历所述DPCM。
5.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述代码连接单元将所述多个霍夫曼编码单元的输出分成与在用于存储所述被压缩的图像信号的外部存储器中使用的数据相同的比特单元，从而进行重构。
6.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述代码连接单元进一步包括用于将所述多个霍夫曼编码单元的输出分成固定块单元并插入复位标记器的电路。
7.根据权利要求1所述的图像编码器，进一步包括暂时存储器，其中，所述暂时存储器存储所述多个霍夫曼编码单元的输出并进而将所述输出提供给所述代码连接单元。
8.根据权利要求7所述的图像编码器，其中，所述暂时存储器包括用于存储最后数据的有效比特大小的寄存器，并且当所述多个霍夫曼编码单元的输出代码被所述代码连接单元连接时，将所述最后数据的有效比特大小提供给所述代码连接单元。
9.根据权利要求1所述的图像编码器，其中，所述被压缩的图像信号是联合图像专家组(JPEG)编码的图像信号。
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