CN101835038A - 影像压缩方法及其相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种影像压缩方法及其相关装置。该影像压缩方法包含有：输入一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据；依据一量化表来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据；对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据；以及计算该压缩后影像数据所对应的一数据量，并依据该数据量来决定是否调整该量化表。

Description

影像压缩方法及其相关装置

技术领域

本发明是关于影像压缩技术，尤指一种影像压缩方法及相关装置，其可依据压缩后影像数据所对应的数据量来动态调整压缩比。

背景技术

日常生活中，人们常常将各式各样信息记录于影像中，而随着网际网络与电子产品的进步，传递这些影像信息变得非常普及与容易，但受限于数字数据传输上的一些限制，原始的影像往往需要通过压缩技术来保存，以增加其保存与传递上的方便性。因此，各种影像压缩技术便不断被研究人士或工程师所提出，例如从早期的MJPEG(Motion Joint Picture Experts Group)到最近的H.264等。基于所采用的算法，每种影像压缩技术分别有不同的适用范围以及优缺点。

举例来说，一种基于静态图像压缩技术JPEG(Joint Photographic Experts Group)所衍伸的影像压缩技术“动态JPEG”(motion JPEG，MJPEG)，由于其先天特性，因此所能提供的压缩比不是很大，故其常使用于一些原始影像数据流量不大或者是仅需要普通压缩品质的设备中。例如，数字相机中的录像功能或者是网络摄影机，由于这些器材所录制的影像画面分辨率通常不会太高，因此其原生数据(raw data)的数据流量也不至于太高，故通过MJPEG影像压缩技术即可产生令人满意的压缩效果。

然而，在某些应用上，上述的影像撷取设备往往需要将所产生的压缩后影像数据输出以进行同步传输，如利用网络摄影机进行视讯会议，而常见的数据传输界面却通常针对同步实时传输有相当的限制，如USB 2.0界面仅能提供24MB/s的同步传输频宽。因此，在同步传输频宽的限制下，若影像撷取设备所产生的压缩后影像数据的数据流量太大时，将造成接收端的影像品质劣化。于现有技术中，为解决这种同步传输频宽所带来的限制，通常通过调整影像压缩的压缩比以解决频宽限制的问题。然而，此种现有作法主要是通过检测数据传输界面的缓冲装置(buffer)的剩余容量来决定是否调整压缩比(如USB界面中的等时(Isochronous)USB FIFO)。

再者，在MJPEG的影像压缩过程中，每一帧(frame)对应的数据(帧中每个像素所对应的色彩分量数据)会先经过离散余弦转换(discrete cosine transform，DCT)，接着会被量化以及编码。在量化的过程中，通过将DCT转换所产生的系数除以一量化表中所对应的量化数值，可减少DCT转换所得的系数的精准度，其中由于原始数据中的高频成分会被移除，因此表示一图形所需的位数(数据量)可以大大的减少。换言之，量化表内所包含的内容将会实际影响MJPEG影像压缩的压缩比。

现有技术中，当等时USB FIFO容量已满时，会利用一量化因子(quantization factor)来调整量化表，使得原始影像数据中更多的成分被移除，进而提高压缩比以有效降低数据量。然而，现有技术这种依据缓冲装置的储存容量来判断是否调整压缩比的方式，由于因为缓冲装置的剩余容量并无法反映出后续的影像数据的状态，往往可能造成对于某些静态影像(本身数据量较小，不需要太高的压缩比来压缩)进行过度的压缩，如此一来，不但牺牲了影像品质，也降低了影像压缩的效率。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术所面临的问题，因此本发明采用一种动态调整压缩率的概念，其是依据影像串流中每一帧(frame)经压缩后影像数据的数据量大小与有限频宽之间的差量，来决定下一帧于压缩时所采用的压缩比。进一步来说，本发明依据压缩后影像数据的数据量的变动，动态地调整压缩时所采用的量化表，进而得到最好的压缩效果。如此一来，压缩比的选取可更有弹性，并且不会因此产生不必要的过度压缩。

为能实现上述概念，本发明于影像压缩方法与装置中增加了调整量化表与计算压缩后影像数据的数据量的程序，其中，每当压缩完成后产生对应于一帧的压缩后影像数据，后续动作会接着计算其数据量的大小，然后，依据该数据量的大小与有限频宽间的关系来判断是否需要调整压缩比。

依据本发明的一方面是提供一种影像压缩方法，该方法包含有：输入一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据；依据一量化表(quantization table)来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据；对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据；以及计算该压缩后影像数据所对应的一数据量，并依据该数据量来决定是否调整该量化表。

依据本发明的另一方面是提供一种影像压缩装置。该影像压缩装置包含有：一转换单元、一量化单元、一编码单元、一数据量计算单元以及一量化表更新单元。该转换单元是用以接收一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据。该量化单元耦接于该转换单元，并且用以依据一量化表来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据。该编码单元耦接于该量化单元，并用以对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据。该数据量计算单元耦接于该编码单元，且用以计算该压缩后影像数据所对应的一数据量。该量化表更新单元耦接于该数据量计算单元以及该量化单元，用以依据数据量计算单元所计算出的该数据量来决定是否更新该量化表。

通过上述影像压缩方法与装置，可对影像数据的压缩比进行动态调整以获取更佳的影像压缩品质。

附图说明

图1是本发明影像压缩方法的一实施例的流程图。

图2是本发明影像压缩方法中用以决定是否调整压缩比的一范例流程图。

图3是本发明中压缩后影像数据所对应的数据量与压缩比的关系的示意图。

图4是本发明影像压缩装置的一实施例的功能方块示意图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”是一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

以下的说明内容是以MJPEG压缩技术为基础作为说明。应当特别注意的是，对本发明所属技术领域的人而言，应能在阅读完以下说明内容之后，了解说明内容所描述的本发明技术所包含的核心精神，从而将本发明所提供的影像压缩方法与相关装置经过适当修改而应用于其它影像压缩技术中，因此沿用本发明精神而完成的设计，亦属本发明的范畴。

接着，以下内容将说明本发明的影像压缩方法与相关装置的运作细节。首先，请参考图1，其是本发明所提出的影像压缩方法的一实施例的流程图。步骤110～140清楚地展示了本发明影像压缩方法的每一步骤。于步骤110中，本发明的方法针对目前输入的一原始影像数据进行一特定转换(transform)操作以产生一转换后影像数据，以MJPEG影像压缩为例，该原始影像数据包含有对应于一帧中的每一像素的YUV影像信号，而该特定转换是离散余弦转换(discrete cosine transform，DCT)，但这些对应于MJPEG影像压缩的相关叙述皆非本发明的限制，只是希望将本发明的精神以一较为明确的方式表达，实际上，本发明并不以此为限。于步骤120中，会继续对该转换后影像数据进行量化处理，其是依据一量化表(quantization table)来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据，该转换后影像数据包含有离散余弦转换所产生的系数，而通过量化操作，这些系数被除以该量化表中的对应值，以产生该量化后影像数据。再者，于本实施例中，量化表是属于MJPEG规范所定义的内容，故在此不多作赘述。接着，步骤130中该量化后影像数据会被进行编码处理(例如熵编码)，以产生该压缩后影像数据。当该压缩后影像数据产生后，在步骤140中会进行本发明的核心操作，亦即针对该压缩后影像数据所对应的一数据量进行计算，并依据该数据量来决定是否调整该量化表。

由于本发明的影像压缩方法希望能将压缩后影像数据通过一数据传输界面来进行同步传送，因此该数据量会进一步被换算成每秒的数据流量来与数据传输界面的同步传输频宽进行比较已以得知两者的差量，举例来说，由于压缩后影像数据对应于一帧所包含的影像数据，故依据该帧所对应的压缩后数据量与该影像数据每秒所包含的帧数目(如：30帧/秒)即可推估其数据流量。将此一数据流量与数据传输界面的有限同步传输频宽(如USB 2.0界面中所支持的同步传输24MB/s)相比，即可决定是否调整该量化表。然而，于本发明的另一实施例中，亦可将数据传输界面的有限频宽，换算成每一帧的数据量，以得知有限的同步传输频宽可负担的平均帧的数据量(如24MB/s÷30帧/s＝0.8MB/帧)。上述两种方法是本发明实施上的变化，而依据压缩后影像数据的数据量来决定是否调整该量化表以进一步改变压缩比的相关流程则说明如下。

请参考图2，其是本发明方法中用以判断是否调整量化表的范例流程图。首先，于步骤210中，检查Vsync信号是否为致能(active)状态，如本发明相关领域技术人士所悉知，当Vsync信号被致能时，即代表接下来将会输入一张帧所对应的影像数据(由于其关于本发明影像压缩的一个流程，因此一影像数据是压缩后影像数据)，换言之，若发现Vsync信号被致能时，则调整量化表的判断程序将因此被启动。接着，在步骤220中，首先会重置先前数据量(对应于前一帧的压缩后影像数据)的计算结果。在重置数据量计算结果后，步骤230中开始计算此时一输入帧所对应的压缩后影像数据的数据量。于步骤240中，检查是否已将该输入帧所对应的压缩后影像数据完全输入，若是，则进入步骤250；若否，则返回步骤230以继续计算输入帧所对应的压缩后影像数据的数据量，直至对应该输入帧的所有压缩后影像数据接收完毕。紧接着，在步骤250中，开始判断该输入帧所对应的压缩后影像数据的数据量是否大于一第一预定临界值(举例来说，其可能是一个略低于频宽限制的安全界线，然而，第一预定临界值实际上可依设计需求来加以设定)，若数据量大于第一预定临界值，则代表目前于量化操作中所使用的量化表所能提供的压缩比仍无法将目前影像数据的数据流量限制于一定范围中，故此时需要重新调整量化表以提供更高的压缩比将目前影像数据的所产生的数据流量限制于理想范围(步骤255)，然而，若数据量不大于第一预定临界值，则进入步骤260以进一步检查该输入帧所对应的压缩后影像数据的数据量是否小于一第二预定临界值(第二预定临界值是小于第一预定临界值)，若步骤260的判断结果为是，则可代表目前影像数据的数据流量还远低于频宽限制，因此，执行步骤265来调降压缩比，以使得此时的压缩后影像数据可具有较高的影像品质；反之，则表示目前影像数据的数据流量已处于一定范围(介于第一预定临界值与第二预定临界值之间)，于本实施例中，便不对压缩比进行调整(亦即维持目前的量化表设定)。

应当注意的是，于其它实施例中，本发明亦可仅观察压缩后影像数据的数据量与单一预定临界值的关系来动态地微调量化表的设定(亦即动态调整量化因子来达到调整量化表的目的)，亦即，若压缩后影像数据的数据量高于此一预定临界值(例如上述的第一预定临界值或者第二预定临界值)时，则调高压缩比；若压缩后影像数据的数据量低于此一预定临界值时，则调降压缩比，亦可达到基于压缩后影像数据的数据量与数据传输频宽来调整压缩比以改善输出影像品质的目的。然而，图2所对应的实施例选用两个大小不同的预定临界值的原由主要在于希望通过两个预定临界值所形成的迟滞区间，减少量化表的调整次数，从而降低本发明装置与方法所需耗费的运算资源与效能。因此，两种不同预定临界值的设计方式皆源自于本发明精神概念的推广，亦皆属本发明的范畴。

再者，本发明的另一重要概念即是当量化表进行调整时，会考虑数据量与预定临界值间所对应的差量，以决定压缩比调整的幅度。因此，在此将说明该差量和压缩比大小间的关系。请参考图3。如图所示，当压缩后影像数据的数据量大于一第一预定临界值时，则压缩比会随着压缩后影像数据的数据量与该第一预定临界值间的差量而递增；相似地，当压缩后影像数据的数据量小于一第二预定临界值时，则压缩比会随着压缩后影像数据的数据量与该第二预定临界值间的差量递减。再者，当压缩后影像数据的数据量介于该第一预定临界与该第二预定临界间，则保持原来的压缩比。应当注意的是，图3所表示的差量与压缩比间的关系只是本发明的一种实施态样，换言之，当压缩后影像数据的数据量超过该第一预定临界值时，压缩比不一定是线性的单调递增，亦有可能以其它形式来增加，例如，当压缩后影像数据的数据量超过该第一预定临界值时，压缩比以一特定形式(如：非线性)增加，而当压缩后影像数据的数据量超过频宽限制所对应的数值(如：0.8MB/帧)时，则压缩比以另一种特定形式增加。根据设计上的考量，可通过量化表的量化因子的调整来选择性地控制压缩比以线性方式递增/递减或非线性方式递增/递减，然而，此处欲强调的是，本发明的主要精神在于调整压缩比的幅度可随着压缩后影像数据的数据量而有所不同，而并未针对调整的幅度及形式有所限制。

基于上述说明内容所介绍的影像压缩方法，本发明进一步提供一种采用上述影像压缩方法的相关影像压缩装置。请参考图4，其是依据本发明影像压缩装置的一实施例所绘制的功能方块示意图。本实施例中，影像压缩装置400包含有(但不限于)一转换单元410、一量化单元420、一编码单元430、一数据量计算单元440以及一量化表更新单元450。此外，影像压缩装置400是对应于本发明影像压缩方法所设计，因此其操作细节与原理皆实已揭露于上述说明内容，为求说明书的简要，故在此仅概念略描述每一元件的功能，影像压缩装置400的相关细节请参阅说明内容中关于本发明影像压缩方法的段落。

转换单元410是用以接收一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据，如前所述，转换单元410可以是一个DCT转换单元。量化单元420耦接于该转换单元，用以依据一量化表QT来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据。编码单元430耦接于量化单元420，用以对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据。数据量计算单元440耦接于编码单元430，用以计算该压缩后影像数据所对应的数据量。量化表更新单元450耦接于数据量计算单元440以及量化单元420，用以依据数据量计算单元440所计算出的数据量来决定是否更新量化单元420所使用的量化表QT。量化表更新单元450判断是否调整量化表QT的方法已说明于上述的内容与相对应的图2与图3，故不赘述于此。

总结来说，本发明的精神与概念在于依据压缩后影像数据的数据量的变动来对压缩比进行实时的调整，以获得品质与效率兼备的影像压缩效果。再者，通过适当的设计，本发明影像压缩装置可与一数据传输界面(例如USB2.0界面)结合来进行同步影像传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡根据本申请权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种影像压缩方法，包含有：

输入一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据；

依据一量化表来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据；

对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据；以及

计算该压缩后影像数据所对应的一数据量，并依据该数据量来决定是否调整该量化表。

2.根据权利要求1所述的影像压缩方法，其特征在于，依据该数据量来决定是否调整该量化表的步骤包含有：

依据一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中当该数据量大于该预定临界值时则调整该量化表。

3.根据权利要求2所述的影像压缩方法，其特征在于，当该数据量大于该预定临界值时则调整该量化表的步骤包含有：

依据该数据量与该预定临界值的差量来决定一第一量化因子；以及

利用该第一量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

4.根据权利要求2所述的影像压缩方法，其特征在于，依据该数据量来决定是否调整该量化表的步骤另包含有：

依据另一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中该另一预定临界值是小于该预定临界值，以及当该数据量小于该另一预定临界值时则调整该量化表。

5.根据权利要求4所述的影像压缩方法，其特征在于，当该数据量小于该另一预定临界值时则调整该量化表的步骤包含有：

依据该数据量与该另一预定临界值的差量来决定一第二量化因子；以及

利用该第二量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

6.根据权利要求4所述的影像压缩方法，其特征在于，当该数据量不大于该预定临界值以及不小于该另一预定临界值时，不调整该量化表。

7.根据权利要求1所述的影像压缩方法，其特征在于，依据该数据量来决定是否调整该量化表的步骤包含有：

依据一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中当该数据量小于该预定临界值时则调整该量化表。

8.根据权利要求7所述的影像压缩方法，其特征在于，当该数据量小于该预定临界值时则调整该量化表的步骤包含有：

依据该数据量与该预定临界值的差量来决定一量化因子；以及

利用该量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

9.根据权利要求1所述的影像压缩方法，其特征在于，该原始影像数据是对应一影像串流中的一帧的数据。

10.一种影像压缩装置，包含有：

一转换单元，用以接收一原始影像数据，并对该原始影像数据进行一特定转换操作以产生一转换后影像数据；

一量化单元，耦接于该转换单元，用以依据一量化表来对该转换后影像数据进行一量化操作，以产生一量化后影像数据；

一编码单元，耦接于该量化单元，用以对该量化后影像数据进行编码，以产生该压缩后影像数据；

一数据量计算单元，耦接于该编码单元，用以计算该压缩后影像数据所对应的一数据量；以及

一量化表更新单元，耦接于该数据量计算单元以及该量化单元，用以依据数据量计算单元所计算出的该数据量来决定是否更新该量化表。

11.根据权利要求10所述的影像压缩装置，其特征在于，该量化表更新单元依据一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中当该数据量大于该预定临界值时则该量化表更新单元决定调整该量化表。

12.根据权利要求11所述的影像压缩装置，其特征在于，当该数据量大于该预定临界值时则调整该量化表时，该量化表更新单元依据该数据量与该预定临界值的差量来决定一第一量化因子并且该量化表更新单元利用该第一量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

13.根据权利要求11所述的影像压缩装置，其特征在于，该量化表更新单元另依据另一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中该另一预定临界值是小于该预定临界值，以及当该数据量小于该另一预定临界值时则该量化表更新单元决定调整该量化表。

14.根据权利要求13所述的影像压缩装置，其特征在于，当该数据量小于该另一预定临界值时，该量化表更新单元依据该数据量与该另一预定临界值的差量来决定一第二量化因子并且该量化表更新单元利用该第二量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

15.根据权利要求13所述的影像压缩装置，其特征在于，当该数据量不大于该预定临界值以及不小于该另一预定临界值时，该量化表更新单元决定不调整该量化表。

16.根据权利要求10所述的影像压缩装置，其特征在于，该量化表更新单元依据一预定临界值来决定是否调整该量化表，其中当该数据量小于该预定临界值时则该量化表更新单元调整该量化表。

17.根据权利要求16所述的影像压缩装置，其特征在于，当该数据量小于该预定临界值时，则该量化表更新单元依据该数据量与该预定临界值的差量来决定一量化因子并且该量化表更新单元利用该量化因子来调整该量化表以更新该量化表。

18.根据权利要求10所述的影像压缩装置，其特征在于，该原始影像数据是对应一影像串流中的一帧的数据。

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