CN1086071A - 自适应dpcm编码器 - Google Patents

Abstract

本自适应DPCM编码器用来采集视频信号。 该编码器包括：至少两个量化器用来量化，分别具有 不同的量化曲线；采样值与预测值之间的差值为预测 误差；一个缓冲存贮器用来缓冲量化值及可能已编码 的预测值；至少两个预测器(5和6)根据不同的标准 来产生预测值；一个可变字长编码器(8)和一个用来 完成精密量化的控制电路(9)，该控制电路依据缓冲 存贮器(7)的占用级，当前量化器(1，2，3，4)和当前预 测器(5，6)来启动预定的量化器(1，2，3，4)和预定的 预测器(5，6)。

Description

本发明涉及一种用于视频信号采集的自适应DPCM编码器。该编码器包括至少两个配以不同量化特性曲线的量化器;由视频信号的采样值和预测值之差所决定的预测误差;还有一套缓冲存储器来缓冲量化值及可能的编码预测值。

DE-OS    38    34    476中的量化特性曲线依赖于编码器中缓冲存储器的占用级来控制。原来经离散余弦变换的视频信号在乘法器中乘以不同的比例因子，然后被量化。

本发明的目的是提供一个自适应的DPCM编码器，它以最小位速率给出DPCM信号，从而明显地提高图像质量。

根据本发明，为达到一目的，此编码器包括：至少两个预测器来提供相应于不同标准的预测值，一个可变字长编码器和一个控制电路，它根据缓冲存储器的占用级，当前量化器和预测器而启动预定量化器和预定预测器。

在此自适应编码器中，每个采样值都与预测值有个差值，这个差值被称做预测误差，此误差被量化随后进行编码。编码器同时还包括一个缓冲存储器，它可以写入任何已量化的但尚未被编码的数值，但是编码器也可以设置在这种存储器之前，这样就可以写入已编码的数据。无论哪种情况，此存储器都是用来缓冲所存储已量化的和可能已编码的字。因为可变字长编码器产生的字长不同，进而引起输出时位速率的波动，因此需要缓冲器。但是，传输信道的位速率是恒定的。于是，从编码器所获得的波动的位速率与传输信道恒定位速率之间就需要这种适配。

预测值可以由不同的方法获得，一个视频信号有不同的相关性，可以适用于不同的预测方法。根据图象内容，总会有一种或另一种方法更适用。也就是说，它可以产生一个更接近当前采样值的预测值。

并且，不同量化器间在量化的精确程度上也有所不同。

根据缓冲存储器的占用级、当前量化器和当前预测器，控制电路在量化器与预测器之间切换。对于缓冲存储器、当前量化器和当前预测器的每一个状态，根据存储器的占用级决定下一个要启动的量化器和预测器。控制电路不断地对占用级进行监测，并可根据占用级一个量化器和预测器切换到另一个量化器和/或另一个预测器。

这点是极有好处的，因为缓冲存贮器的占用级是被启动的预测器所产生的预测值的量度标准。如果这些数值接近实际的话，预测误差就会很小，这样可变字长编码器产生的字长就会很小。因而缓冲存贮器的占用级就会相对很小以至不断减少。然而，如果预测值不理想的话，也就是说如果视频信号的采样值与相关的预测值之间差异很大的话，编码器的字长就会相对较长，这样存储器的占用级就会增加。同时，控制电路可以在不同的量化器之间进行切换，例如，用一个好的预测器就可以得到精确的量化，因为预测误差很小，可变字长编码器也都产生短字。

该自适应DPCM编码器可以使编码方式自适应视频信号和传输信道的位速率。根据本发明的编码器仅需很少的器件。

在本发明的一个实施例中，这些各自启动的量化器的输出值被直接写入缓冲存储器，可变字长编码器也被设于存储器之前。这些量化器的输入值总是有相同的字长。这些值不断地被写入存储器。它们可以从存贮器上读出并且由可变字长编码器进行编码。根据这些数值的大小可变字长编码器产生不同长度的字。如果值小的话，即如果预测误差小的话，编码器产生的字长就短，在传输信道内传输所需的时间就短。这样编码器就可以以更快的速度从存储器中读取新的数值。这些数值的读取速度可能比量化器新的输出写入缓冲存贮器的速度还快。这样存储器占用级就减小了。相反，如果预测误差较大，以至编码器产生的字长较长的话，此占用级就会提高。该量化器和其后编码器之间的缓冲存储器装置是一个简单的装置，只需要对其占用级进行测定。

根据本发明的DPCM编码器的一个进一步的实施例是第一个预测器的预测值是先于当前采样值的采样数值，第二个预测器的预测值是比当前采样值提前一整幅视频图象周期长度的采样数值。

一个视频信号可能有两种相关性可以用于相关的预测值。在一个视频信号的象素行中，连续的象素和数字图象信号中连续的采样值有相似的数值。这特别适用于具有相同亮度和色度值的大块图象。然而，连续图象的内容通常是很相似的。这意味着一幅图象的采样值在给定位置与前一幅图象在同一象素上有很相似的采样值。如果是这样的话，比这个象素提前一整幅视频图象的当前采样值在提供较小的预测误差方面更有优势。

因此，本自适应DPCM编码器优势在于具有至少两个预测器以分别适应有关上述方法。缓冲器的占用级用来量度被启动的预测器产生的预测值。

本发明进一步的实施例在于存贮器的占用级有第一阈值和第二阈值（更大一点的阈值），这样占用级未超过阈值，只超过前一阈值或超过两个阈值这三种情况被控制电路作为判断上述缓冲存储器的当前占用级的标准。

不必要对缓冲存储器的占用级进行连续测定，对于一个相对简单的装置，测定当前占用级和两个阈值的关系就足够了。例如，如果选定第一个，即较小的阈值，在这种情况下它大约是存储器容量的三分之一;第二个，即较大的阈值，可能是容量的四分之三，分别检查存储器当前的占用级是否超过了这两个阈值，以便于控制电路依据这些信息掌握大概的占用级，并相应地启动量化器或预测器。

在本发明的另一个实施例中，编码器可以包含四个不同精密程度的量化器。第一个具有最精密的量化作用，第二个的量化作用相对粗略，第三个的又粗略于第二个，第四个量化器的量化作用最粗略。

以后将描述控制电路根据已启动的量化器、预测器和缓冲存储器的占用级是否已超过了一个或两个阈值在量化器和/或预测器之间切换的更好的标准。已启动的量化器、预测器和存贮器的占用级决定了哪一个量化器和预测器被启动将更好。当在预测器间切换时，在三项依据的构象和存储器占用级比例被确定的情况下，另一预测器即可被启动。如果占用级有减小的趋势，则新启动的预测器要比前一个好。如果占用级有增加的趋势，则前一个预测器更合适，那么这一个预测器将被再启动。一般来说，当缓冲存储器的占用级减小或低于第一个阈值，特别是较低的哪个阈值时，就会启动较精密的量化器，而与哪一预测器正在工作无关。

通过下文中对这些实施例的描述，将说明本发明的这些和另外的特性。

在图中

图1是一自适应DPCM编码器的方框图。

图2是图1图中的DPCM编码器操作原理的图象

图1方框图中所示的自适应DPCM编码器包括：四个量化器1，2，3和4;量化器1，它有最精密的量化功能;量化器2，其量化功能稍粗略于第1量化器;量化器3，其量化器粗略于量化器2;量化器4，其量化功能最为粗略。

此编码器还包括两个预测器5和6，它们依照不同的预测方法工作。第一个预测器5，提供当前采样值的前一个采样值做为预测值。第二个预测器6提供先于当前值一整幅视频图像的采样值作为预测值。

图1中所示的电路装置接收数字视频信号作为输入，在图中此信号以PCM表示，并作为第一输入端加入加法器10。加法器10的输出信号加于四个量化器1，2，3和4。借助一个开关11，它们的输出可以相互切换。这个切换后的输出信号被加于另一加法器12的第一输入端，其输出信号加于预测器5和6。这两个预测器间输出信号的切换可以借助另一个开关13实现。这个切换信号加于加法器10反向的第二输入端和加法器12的同向第二输入端。

这个由加法器10，量化器1至4，加法器12和预测器5、6组成的回路中，形成了当前采样值和选定的预测器的预测值之间的差值，这个差值可由量化器1至4中之一来完成量化。

这个被量化的信号也是预测误差的信号，以先入先出（FIFO）存储形式存于缓冲存储器中，该缓冲存贮器之前有一可变字长编码器，依据量化的预测误差的发生频率来对其进行编码，然后在输出端提供熵码DPCM信号。

缓冲存贮器7的占用级由控制电路9监测，以它的两个阈值为参考，可以通过控制开关11和13在不同的量化器和预测器之间切换。这由响应缓冲存储器的当前占用级完成，而占用级参考两个阈值进行检测。

缓冲存贮器7的占用级在不断变化，并且被下述情况所制约：在输入端，由量化器1-4提供的字写入存贮器7总是有相同的字长，并且总被不断读入，但是在输出端，这些字由编码器8中从存贮器7中以不同的时间间隔读出。这是由于编码器8形成不同长度的DPCM字，也就是说，根据读入数值的大小产生不同长度的字。如果读入的数值相对来说较小，就形成较短的字，就可以适应具有一定传输能力，即给定最大位速率的连续传输信道。然而，如果读入的数值相对较大，就产生一较长的DPCM字，这样，信道只能容纳很少的字，就可能更慢地从存贮器7中读数。存贮器7的占用级的波动是由编码器8中两个读入过程的不同等待时间而产生的。

在图1所示的实施例中，存贮器7位于可变字长编码器8之前。其实也可以将缓冲存贮器7置于可变字长编码器8之后，这样，编码器8的输入端就可接受量化器1-4提供的字在这种情况下，由可变字长编码器8产生的不同字长的字就又以恒定的位速率输入缓冲存贮器7中，与图1中的装置所示相似，导致了缓冲存贮器7的占用级的波动，用以进行控制，其原理与图1中所示的实施例相同。

控制电路可以根据缓冲存储器的占用级，即根据其是否超过一个或两个阈值，并根据已启动的预测器和当前的量化器，来在四个量化器1-4和/或预测器5和6之间完成切换。

这个过程将参考图2中以图表作更详细的说明。

在图2中，与图1中的电路装置相一致，缓冲存贮器7以一矩形表示。图2中的图表显示了缓冲存贮器的四级占用级。占用级E表示存贮器的空状态，第一阀值在图2中示为L1，这个阈值大约为存贮器容量的三分之一，第二阈值在图2中示为L2，大约为存贮器容量的四分之三。在图2中，存贮器在F级被完全占满。

图2中还用一平行六面体来表示根据占用级、启动的量化器和预测器，控制电路所表现的不同的判决策略。

平行六面体的底部显示四个量化器Q1、Q2、Q3和Q4，与图1中的量化器1至4对应。图2中平行六面体底部显示第一预测器P5（与图1中的预测器5对应）已被启动，这个预测器提供先于当前采样值的采样值作为预测值。

图2中平行六面体的顶部代表的是第二预测器P6已被启动（与图1中的预测器对应），这个预测器提供的先于当前采样值一幅图象长度的采样值作为预测值。

图2中平行六面体的顶部显示的只是第二预测器P6与第一量化器Q1的结合。第二预测器P6只存在与四个量化器中具有最精密量化功能的第一量化器Q1结合时才会被启动。原因在于：当转向第二预测器，即使用针对前一视频图象的预测方法时，只有可以同时转接一个精密量化器时，该预测器才会很灵敏。从理论上讲，量化器Q1、Q2和Q3只是用来防止在图象内容转换造成两种预测方法的切换时，缓冲存贮器的溢出。

图2的箭头连线显示四个量化器和两个预测器之间的五种可能的连接方式。这些连线上标有缓冲存贮器的占用级和两个阈值L1和L2的判决依据。

例如，如果第一量化器Q1和第一预测器P5被启动，只要缓冲存贮器中的占用级低于阈值L1，它们就将继续工作，如果超过了L1但仍低于L2，控制电路就将转接量化器Q2，预测器P5继续工作。但是，如果在量化器Q1仍被启动时，占用级就已超过阈值L2，量化作用最粗略的量化器Q4就将直接被启动。

如果第二量化器Q2被启动时，这总是发生在与第一预测器P5相连时，则若占用级降至第一阈值L1以下时，第一量化器将再次启动。这是因为缓存器的占用级有降低的趋势，因而可对视频图象进行更细的量化，而不至于使存贮器有溢出的危险。然而，若第二量化器被启动而占用级已超过第一阈值时，则量化器Q3将被启动。如果第二阈值也被超过，则量化器Q4将被启动。

第三量化器Q3工作时，如果占用级超过了第一阈值L1而未低于第二阈值L2时，它将继续工作。如果量化器Q3工作时占用级降至第一阈值以下，就会切换到另一种预测方法，第二预测器P6将被启动。这是与第一量化器Q1的启动结合在一起的。如果经过这样的切换后，占用级仍低于阈值L1，转向其它预测方法的决定就将是正确的。这样量化器Q1就和第二预测器P6一起维持启动状态。但是，如果超过了第一阈值，启用预测器P6的第二预测方法就不合适，这样就会再次切换到第一预测方法，即启动预测P5，这是与量化器Q2的启动相结合的。

然而，在量化器Q3和第一预测器P5启动时，如果第二阈值仍被超过，最粗略的量化器Q4就将被启动，这应与第一预测器P5的启动有结合。

当启用量化器Q4而采用最粗略的量化方式时，仍有可能超过第二阈值，但是在这种情况下也只可能使量化器Q4继续启动。然而，如果占用级再次降至第二阈值以下时，量化器Q3将被再次启动。

在这种判决策略中，只要缓冲存贮器的占用级允许，就总要尽量切换到一个较精密的量化器。而且，如果第一预测器提供的值相对而言不理想，并且量化功能次等粗略的量化器Q3被启动的话，就有可能转接根据前一帧图象进行预测的预测器。这个第二预测方法是否合适是由转接后缓冲存贮器的占用级决定的。如果合适的话，它就将维持启动，相反的话，就将转回第一预测方法。

图1所示的本自适应DPCM编码器可以实现量化器的最佳选择，即尽可能选用精密量化器及当采用图2中切换策略时与此精密量化器相应的预测方式。

Claims (10)

1、一种用于视频信号采样值的自适应DPCM编码器，该编码器包括：至少两个量化器(1，2，3，4)进行量化，分别具有不同的量化特性曲线；视频信号的采样值与预测值之间的差值所产生的预测误差；和一个缓冲存贮器(7)，用来缓冲量化值和可能已编码的预测值；其特征在于：编码器配有至少两个预测器(5，6)，以提供根据不同标准产生的预测值，一个可变字长编码器(8)和一个控制电路(9)用于根据存贮器的占用级、当前量化器(1，2，3，4)和预测器(5，6)启动预定的量化器(1，2，3，4)和预定的预测器(5，6)。

2、根据权利要求1中所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：被启动量化器（1，2，3，4）相应的输出值被直接写入缓冲存贮器（7），在此存贮器之前有可变字长编码器（8）。

3、根据权利要求1或2中所述的自适应的DPCM编码器，其特征在于：第一预测器（5）的预测值是先于当前采样值的采样值，第二预测器（6）的预测值是先于当前值一整幅视频图象的采样值。

4、根据任一权利要求1-3所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：缓冲存贮器（7）的占用级有第一阈值（L1）和较大的第二阈值（L2），控制电路（9）根据占用级未超过阈值，超过第一阈值和超过两个阈值（L1，L2）为标准判定缓冲存贮器（7）的当前占用级。

5、根据任一权利要求1-4所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：该编码器包括有四个量化器（1，2，3，4），第一量化器（1）有最精密的量化功能，第二量化器（2）的量化功能稍粗略，第三量化器（3）的量化功能粗略于第二量化器，而第四量化器（4）的量化功能最为粗略。

6、根据任一权利要求3，4和5所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：当第一量化器（1）和第一预测器（5）启动时，如果占用级低于第一阈值L1，控制电路（9）就会维持该量化器及该预测器的启动;当占用级超过第一阈值（L1）且低于第二阈值（L2）时，控制电路（9）就启动第二量化器（2）和第一量预测器（5）;当占用级超过第二阈值L2）时，就会启动第四量化器（4）和第一预测器（5）。

7、根据任一权利要求3-6所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：在第二量化器（2）和第一预测器（5）启动时，当占用级低于第一阈值（L1）时，控制电路（9）就会启动第一量化器（1）和第一预测器（5）;当占用级超过第一阈值（L1）且低于第二阈值（L2）时，启动第三量化器（3）和第一预测器（5）;当占用级超过第二阈值L2）时，则启动第四量化器（4）和第一预测器（5）。

8、根据任一权利要求3-7所述的自适应DPCM的编码器，其特征在于：在第三量化器（3）和第一预测（5）启动时，若占用级超过第一阈值（L1），且低于第二阈值（L2），控制电路（9）就会维持该量化器（3）和该预测器（5）的启动;若占用级低于第一阈值（L1），控制电路（9）就会启动第一量化器（1）和第二预测器（6）;若占用级超过第二阈值（L2），就会启动第四量化器（4）和第一预测器（5）。

9、根据任一权利要求3-8所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：在第四量化器（4）和第一预测器（5）启动时，若占用级超过第二阈值（L2），控制电路（9）就会维持该第四量化器（4）和第一预测器（5）的启动，当占用级降至第二阈值（L2）以下时，控制电路（9）会启动第三量化器（3）和第一预测器（5）。

10、根据任一权利要求3-9所述的自适应DPCM编码器，其特征在于：在第一量化器（1）和第二预测器（6）启动时，若占用级降至第一阈值（L1）以下，控制电路（9）会维持第一量化器（1）和第二预测器（6）的启动，若占用级超过第一阈值（L1），则控制电路会启动第二量化器（2）和第一预测器（5）。

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