CN1048477A - 信号处理系统 - Google Patents

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Abstract

带有一个具有非线性特性曲线的量化器的数字 信号的信号处理系统。如果一数字信号是以不同方 法分段编码的，例如帧间和帧内编码，依据译码可以 得到分段不同的信号质量用于实际信号，一个其特性 曲线由一线性部分和其后的逐渐上升部分构成的量 化器，其线性部分在特性图中的移动与相应的前面信 号部分有关，并且通过应用虚拟中间存储器，使译码 信号质量一致以及搜索模式变为可能。

Description

本发明涉及一个数字信号的信号处理系统。
随着数字储存媒介的应用，例如，运动图象存在CD（小型磁盘）或数字式磁带录相机上，也需要提供一些诸如“向前搜索”或“向后搜索”这种可能的工作模式，尽管这些模式会引起图象质量的下降。因为在这种情形下，前面的图象或前面的一些图象的信息可能丢失，信息应该储存在某些间隔上，而勿需前一图象的信息，例如，对每一完整幀的信息，就能译码。而后，就可以在搜索模式下直接恢复这些幀。
在正常运行情况下，图象只能以所储存的并以全幀编码的（这对应于“幀内编码”）图象间的一种编码储存，这种编码对当前图象相对于以前图象的变化进行编码（这对应于“幀间编码”）。为了获得相同的主观图象质量，在幀内和幀间编码图象中，幀内编码图象较幀间编码图象必须储存更多的数据。
为了相对于瞬时固定的读或写数据率的储存媒介平衡编码数字信号瞬时变化的数据率，通常在编码器或译码器中使用缓冲存储器。例如，用数据量化器可以实现编码器中的数据化简。缓冲存储器的层级（负载状态）可以通过控制对应的量化特性曲线来调整。
由下列的出版物（称为视频会议传输和图象电话的编码方法）可知量化特性曲线与缓冲存储器的层级或线性依赖关系，并且随着场景的变化或两图象n-1和n之间的图象内容的明显变化，在记录中对图象n+1的编码会被遗漏，图象n是双数据率幀内编码的（要不就是幀间编码），在重新生成时被表示为第n+1幀，并且前面的第n幀图象由其前的第n-1幀图象的重复所代替。这种不连续性被眼睛的瞬时掩蔽功能所隐瞒。所以，数据率大体上不随场景变化而变化。
-  CCITT  Study  Group  XV，Document  NO.446，1988，“Description  of  Reference  Model7”（RM7）
（国际电报电话咨询委员会第十五研究组，文件号NO.446，1988，参考模型7的说明）
-  CCITT  Study  Geoup  XV，Temporary  DocumentNO.10.March  1989“Reference  Model  8  and  Acfion  Points”（RM8）
（国际电报电话咨询委员会第十五研究组，临时文件号10.1989年3月参考模型8和作用点）
RM8-Codec（Codec即编码器和译码器）和以前的模型（RM1至RM7）的缺点是主观感觉的图象质量在幀间和幀内编码图象之间变化，直接存取只限于跟着场景变化的图象，所以，特别是如果不存在场景化，则设有搜索模式是可能的。
本发明的目标是提出一个数字信号的信号处理系统，例如一个Codec，它提供一个随场景变化的主观上一致的图象质量并提出了利用数字储存媒介的可能的工作模式（像“向前搜索”或“向后搜索”）。
这一任务由本专利权利要求1给出的特点解决了。
本发明的进一步的优点的发展在其次的权利要求中说明。
应用籍以把编码视频信号数字地储存在一媒介上的编码方法，可能把幀内编码图象插到周期间隔的不仅随场景变化的幀间编码图象序列上。然而眼睛的瞬时掩蔽功能在此不能利用，除非场景变化是直接展示出。
一种可能的解决方法是利用一个非常大的缓冲存储器，它能处理由幀内图象编码产生的增加的数据率。
然而，缓冲存储器的大小直接影响最小译码延时，即，译码器缓冲存储器必须至少与编码器的缓冲存储器一样大。当正常的复制操作开始时，例如，接通一个器件以后或搜索以后，译码器的缓冲存储器当图象在该译码器的输出端上可以见到以前就被一定量的数据首先填充。这样，缓冲存储器越大，译码延时也就越大。
对1.15兆比特/秒的数据率，允许周期幀内图象合理编码的缓冲存储器的大小的量级为300千比特。
此外，利用简单的扩大缓冲存储器的方法，人们还不能控制在幀间和幀内编码图象间的数据率分配。
对这些问题的一个解决办法是提出一个特殊的利用虚拟缓冲存储器原理的缓冲存储控制。量化步长与编码器中的实际缓冲存储器层级（负载状态）的依赖关系被部分地抵消了。
虚拟缓冲存储器代表编码的但设有传送的数据量。实际上，虚拟缓冲存储器的层级控制量化器的步长。
在下面，“宏块”（macro-block）是指这样的块，例如，由4个排成方形的8×8DCT亮度块和两个伴随的8×8DCT色度块（U和V）组成。因此，色度具有亮度一半的水平和垂直分辨力。
DCT的意义是：离散余弦变换
本发明一个具体实例由图表示如下。这些图是：
图1：本发明型编码器的方块电路图
图2：量化器的步长和缓冲存储器的层级之间的一已知函数关系
图3：量化器的步长和缓冲存储器层级之间的本发明型的函数关系
图4：确定图3中所给函数的第一个参数的函数关系
图5：确定图3中所给函数的第二个参数的函数关系
图6：低缓冲存储器层级与按图3变更参数的函数关系
图7：增加以后的缓冲存储器层级与按图6变更参数之间的函数关系
图8：进一步增加缓冲存储器的层级与按图7变更的参数之间的函数关系
图9：编码器输入和编码器输出数据之间的瞬时比较。
图1表示一个编码器，其输入视频信号馈至电路10，该电路在幀间和幀内编码间转换;输入信号也馈给块比较器172，它检查所估值的图象元素块与相应的原来的图象元素块的符合程度。电路10的第一个输出信号在电路111中被离散余弦变换，在电路121中被扫描，在电路131中被加权，在电路14中被量化，第一个输出信号在电路132中被反加权，在电路122中被反扫描，在电路112中被反余弦变换，在电路19中与滤波电路171的第一个输出信号一起在从电路10来的开关信号控制下重新构成图象元素块。从电路19来的图象元素块暂时储存在图象存储器18中并在适当时刻馈给块比较器172。块比较器172中计算运动矢量，该矢量在电路152中以可变字长被编码。
按照所求出的运动矢量在块比较器172的输出端所形成的可采用的图象信号馈到滤波电路171。信号滤波后，如果合适就被送到电路10和19。
量化器14的第一个输出信号同时被送到电路151，在此它们（即离散余弦变换系数及其地址）以可变字长被编码并被送到带有实际缓冲存储器的视频多路器16，同样，电路152的输出信号也馈给电路16。而后，电路16的第一输出信号被传送或被储存。电路16还收到如下输入信号：电路10的由幀内/幀间确定的输出信号;电路171的滤波器由通/断确定的第二输出信号和从指定了相应量化器步长的量化器14来的第二输出信号;以便同时相应对电路151来的数据编码。量化器14定是受控的，其第一部分受电路16的第二输出信号控制。电路16，量化器14和电路151形成一个调整环路。
图2示出的是量化器步长21依赖于电路16中的缓冲存储器的层级22的线性函数关系。量化器的步长21在Qmin和Qmax之间。层级22处在O和Fmax之间。
在图3至图8中量化器步长21，Qmax，Qmin和Fmax与图2中具有相同的意义。
图3示出量化器步长31与虚拟缓冲存储器的层级32的一个函数关系，它由方程Q＝Qmin+C1×F表示的线性部分33和由方程Q＝C2×F×F+C3×F+C4表示的非线性部分组成。该函数的线性部分33和非线性部分34的连结点35的坐标为（Fc，Qc）。C1至C4是常数，它们可以由编码器改变。虚拟缓冲存储器可以认为是含在电路16内。
假定，每个宏块（macro-block）或幀的一确定的比特数Bx从虚拟缓冲存储器传至存储媒介。对幀内编码图象Bx的值为Bi，对幀间编码图象其值为Ba。例如，Bi可以与每宏块或幀的平均比特率Ba比特乘以Ni相应。例如，Bi可以这样选择使幀内和幀间编码图象间产生一主观平衡图象质量。
例如，以1.15兆比特/秒的纯视频比特率记录，幀重复率为25H2，系数Ni＝3时，幀内编码图象需要138千比特。利用假定的每宏块的传送数据率Bi，不论幀内图象编码期间的虚拟缓冲存储器的层级还是量化器的步长实质上都不增加。
对比特率Ba，它允许是小于Ba的一个值。Ba定义为：
Ba＝（Nfr×Ba-Bi）/（Nfr-1）
其中，Nfr为在幀间编码图象中幀内编码图象的周期。
例如，要记录的纯视频比特率为1.15兆比特/秒，幀重复率为25H2，Nfr＝30并且138千比特用于一幀内编码图象时，平均46千比特用于每个图象并且约42.8千比特用于幀间编码图象。例如，虚拟缓冲存储器Fmax的大小为92比特。这样，利用给定的数值，实际缓冲存储器的大小至少为Fphmax＝Fmax+138千比特-46千比特＝184千比特
在量化器14、电路151和电路16内的缓冲存储器之间的调整环路如下计算是方便的，在Nfr-1幀间编码图象以后缓冲存储器的层级32是这样低以至对下一个幀内编码图象的数据可以存放在虚拟缓冲存储器内。
量化器步长31函数关系的线性部分33使这样的优点成为可能，即缓冲存储器可以达到某一层级而勿需显著改变量化器步长，因而也不显著影响图象质量。然而，逐渐增长部分34使缓冲存储器免于溢出。基本上，特性曲线的非线性部分34形成一平方函数。
例如，最小量化器步长Qmin为4/2048，而最大量化步长为64/2048。
利用虚拟缓冲存储器，该编码器可以方便地对幀内和幀间编码图象利用同样的特性曲线，由此可以获得好的图象质量。
量化器步长33和34的函数关系可以方便地被调整到相应图象成分的特性上，其中常数C1至C4被改变，同时连接点35也移动。对于当时的图象为了确定C1至C4的值，对K-KX幀可测量平均缓冲存储器层级Fa，K-KX和平均量化器步长Qa，K-KX。
这样，为了达到图象质量的进一步改进，对幀内以及幀间模式的最佳特性曲线可以方便地建立起来。
在幀内模式下KX＝Nfr;否则KX＝1或KX＝2，如果上一幅图象K-1是以幀内模式编码的话。
利用图4，由以同样模式编码的前一幅图象K-KX的平均缓冲存储器层级Fa，K-KX确定图象K的连结点35的坐标（Fc，K，Qc）。因此，Qc值仍然保持是常数。
图5示出了对当前图象K的量化器步长31的附加偏移Qo，K与前一图象K-KX的平均量化器步长Qa，K-KX的函数关系56。
如果一个图象（由于前一图象的特性）可以大致用一个改善图象质量的小的量化器步长Qa，K编码的，那么量化器步长函数33和34的改进目标就是要在不显著改变量化器步长Q的情形下允许缓冲存储器层级F一个更大的变化。
然而，如果虚拟缓冲存储器层级Fa仍然显著地爬升，量化器步长Q也必定上升。这可以由缩短函数的线性部分33很方便地做到。
图6示出一个本编码器所达到的量化器步长函数。
与图6对比，图7示出了一个由于平均缓冲存储器层级Fa，K-KX增大而缩短线性部分73的变化了的函数。
如果，根据图象的特性，由于在整个的图象中的精细的图象细节（做为例子），缓冲存储器层级已相当高的话，那么额外地把偏移量Qo加到量化器步长Qc上和量化器最小步长Qmin上。如果对一个图象缓冲存储器层级F已相当高于是量化相当粗，那么，非常精细的量化在本图象中是不允许的。
图8示出的是据图7对量化器步长Qc或Qmin带有一附加偏移Qo的函数曲线。显然，由于偏移Qo该函数仍保留了非线性并且限制了在该图象中量化器步长Q的变化。
因为实际缓冲存储器的所允许的层级Fphmax大于虚拟缓冲存储器的所容许的层级Fmax，一方面，保证实际缓冲存储器不易于由于数据率的突然的快速增加造成的溢出，另一方面量化器步长Q随着虚拟缓冲层级很快向上调整到Fmax的区域，因而避免了图象质量中明显可见的跳动。而且，非可预测的数据率大的增长只随景象的变化而出现，这里它更容易为观察者所容忍。（眼睛的掩蔽功能）
最大缓冲存储器的延时Tmax由Tmax＝Fphmax/R得到。对Fphmax＝184千比特，R＝1.15兆比特/秒，最大缓冲存储器延时Tmax＝0.16秒。这对应于幀重复率为25H2时4个图象的时间。
图9示出的是在编码器输入端的图象数据和电路16中的缓冲存储器的输入端上的编码数据之间的近似的瞬时关系的一个实例。
幀内编码图象用i标注，幀间编码图象用d标注。在i图象和d图象之间的数据率分配必须是这样：正如在时间起始时一样，在Nfr个图象以后，两个i幀再一次相对。

Claims (10)

1、数字信号，具体地说是数字地储存在和/或将要储存在一储存媒介中的视频信号和/或音频信号的信号处理系统，其特征是，数字信号由多个连续的序列组成，其每一个都从帧内编码信号部分开始，跟其后的是大量的帧间编码信号部分，帧内编码信号部分的相互瞬时间隔实质上与信号的内容，(例如场景的变化)无关；其特征还有：其中包含利用自适应调整特性曲线的量化。
2、按照权利要求1的系统，其特征是，量化调整特性曲线（33和34）（下文称之为调整特性曲线）对量化器的每一信号部分都设计成是非线性的，利用一中间的存储器（在16中）的层级（F）（负载状态）可以调整量化器的步长（Q）。
3、按照权利要求1或2的系统，其特征是，调整特性曲线（33和34）由实质上是线性的部分（33）和接着逐渐上升的部分（34）组成。
4、按照权利要求1，2或3的系统，其特性为，中间存储器（在16中）含有一个储存量较实际中间存储器小的虚拟中间存储器（在16中）。
5、按照权利要求4的系统，其特征是，在前一个信号部分或前几个信号部分，平均数据率低时，由调整特性曲线确定的最小量化器步长（Qmin）对当前信号部分保持相同，并且调整特性曲线（33和34）的线性部分（33）和逐渐上升部分（34）之间的连结点（35）（其坐标（Fc，Qc）），以大体上相等的量化步长（Qc），随着数据率的增加，从虚拟中间存储器（16中）的高层级移动到低层级（Fc）（图3中向左移）。
6、按照权利要求4或5的系统，其特征是，当在以前的信号部分或以前的几个信号部分中利用高数据率时，调整特性曲线（33和34）的线性部分（33）与对逐渐上升部分（34）的连结点（35）随着数据率的增加向大体上平行于当前信号部分的更高的量化器步长（Q）的方向移动（图3中是向上移动）。
7、按照权利要求2至6中的一个或多个的系统，其特征是，对幀内和幀间编码信号组成各自不同的调整特性曲线（33和34）。
8、按照权利要求2至7中的一个或多个的系统，其特征是，更大的数据量从幀内编码的信号部分的虚拟中间存储器（16中）读出，不同于幀间编码的数据部分，幀间编码对应于一个信号部分的平均数据量乘以一个常数。
9、按照前述权利要求1至8的一个或几个权利要求的系统的编码电路，它有个第一电路对第一信号部分做幀内编码，对第二信号部分做幀间编码;它有个下流量化器，按照调整特性曲线（33和34）该量化器的步长（Q）受一个中间存储器的层级（负载状态）（F）控制，该层级是在一个前信号部分或前几个信号部分期间求出的;它还有一个下流第二电路，该电路把这特别的量化器的步长（Q）编码并把它加到中间存储器的信号内容上。
10、按着前述权利要求1至8中的一个或几个权利要求的系统的译码器电路，它可以用正常的和/或更高的速度把编码电路的储存的输出信号译码;它还能在第一电路中从编码器电路的储存的输出信号对量化器步长（Q）译码，并利用该量化器步长（Q）在第二电路中对编码前的原始信号相应做幀间或幀内译码，在以更高的速度译码期间，只有幀内编码的信号分量以相应的量化器步长（Q）被译码。
CN 90103307 1989-06-30 1990-06-29 信号处理系统 Pending CN1048477A (zh)

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