CN1106599A - 图象编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的图象编码方法的步骤是：根据输入 图象的空域复杂性产生各宏块的复杂性规范值，通过 对输入图象进行离散余弦变换、对其值在-1至+1范 围内的离散余弦变换系数进行计数产生零系数和，按 照零系数和产生各宏块的零系数规范值，按照零系数 和及预定压缩比产生各宏块的非定常权，以及将复杂 性规范值、零系数规范值和非定常权相加得到比例因 子。每个宏块的离散余弦变换系数的量化步长由这 个宏块的比例因子控制。

Description

本发明与图象编码的方法及装置有关。具体地说，本发明可提出的图象编码方法及装置是通过根据复杂性求得比例因子质量化图象、从而以恒定的位速率对具有不同复杂性的图象进行编码的。

由于近来在计算机、半导体制造和数字信号处理这些技术领域所取得的各种进展，存储和通信技术有了很大发展。再要进一步发展就必需改善在记录介质上有效存储图象信息的方法和提高在诸如数字式盒带录象机、高清晰电视设备、数字式摄象机、电视电话之类的数字式图象设备中所处理的复现图象的质量的方法。与模拟形式相比，数字图象信号的数据量要大得多。因此必需压缩图象数据才能有效地利用记录介质和通信信道。图象信号压缩方法包括离散余弦变换（DCT）法和可变字长编码（VLC）法。

图1为例示常用的图象信号编码装置结构的方框图。在图1中，DCT单元11收到一个大小一定（如8×8）的空域输入图象块后，在频域产生64个离散余弦系数。量化器12以预定的量化步长对这些从DCT单元11输出的离散余弦系数进行量化。然后，VLC单元13产生可变字长的编码数据，为量较小的数据（即其信息值较低）分配较少的位，为量较大的数据（即其信息值较高）分配较多的位，从而大大减少了编码所需的位数。由于从VLC单元13输出的数据的字长不是恒定的，因此缓冲器14暂存这数据，以便能输出位速率不变的编码数据。

在这种原有技术中，DCT单元11将一个输入图象划分为一些8×8的图象块，再对各细分的图象块进行独立处理。量化器12以按照缓冲器14的状态和当时输入图象的复杂性得到的量化步长量化DCT系数。因此，如果相邻的宏块的量化步长之间差别较大，则沿边界相邻块之间就失去了相关性，从而产生了所谓“块式效应”的现象。

此外，在以一个恒定的量化步长对各宏块进行量化时，由于即使是在同一个帧内每个块的复杂性也不相同，因此在帧内误差不均匀，从而造成不自然现象，降些了有些部分的图象质量。所以，防止出现不自然现象极为重要的是应该确定适当的量化步长。

另一方面，由于在可变字长编码中所产生的代码长度是可变的，因此在执行一些诸如高速搜索之类的特殊复现功能时，复现相当困难。所以，位量必需控制成恒定的。而且，量化单元的量化步长由作为确定位速率的重要参数的比例因子确定，而量化步长则决定了压缩比，并影到帧的分辨力。

然而如图1所示，当用一个缓冲器来保证位量恒定时，量化步长由缓冲器的充满速率决定，因此一个单位区域（或宏块）的位分配情况要适应帧复杂性可能会有困难。

此外，美国专利No.5，253，075揭示了一种图象信号编码/解码系统，这种系统在检测了一个DCT变换块的复杂性后，按照与邻近一些DCT变换块的关系，对量化器的量化步长进行自适应控制，从而减轻了块或效应现象。在这种装置中，图象的复杂性根据频域信息检测，用来控制量化步长。然而，这种原有技术的图象编码解码系统却不能提供以恒定位速率对一个单位块（或宏块）编码的措施。

因此，本发明的一个目的是提供一种图象编码方法，通过确定比例因子，使码图象数据具有恒定的位速率，适应为每个由一个数量的单位块组成的子块所检测到的复杂性。

本发明的另一个目的是提供一种图象编码方法，可以控制每个宏块的量化步长，适应在相应宏块的空域和频域中所检测的复杂性。

本发明的第三个目的是提供一种为每个宏块确定一个适应所检测到的复杂性的比例因子的图象编码装置。

为了达到前两个目的，本发明提供的通过将一个输入图象划分为一些由一定数量的单位块组成的子块、以按照比例因子确定的量化步长量化所划分的图象信号、然后进行编码的图象编码方法包括下列各步：

根据输入信号在空域的复杂性产生各子块的复杂性规范值;

通过对输入图象执行离散余弦变换运算、对其值在预定范围内的离散余弦变换系数进行计数，产生一个零系数和;

根据零系数和产生各子块的零系数规范值;

根据零系数和及预定压缩比产生各子块的非定常权;以及

将复杂性规范值、零系数规范值和非定常权相加，产生比例因子。

为了达到第三个目的，本发明提供的图象编码装置包括：

一个离散余弦变换单元，对于一个划分为一些由预定数量的单位块组成的子块的输入图象，该变换单元将作为时域数据的子块变换成作为频域数据的离散余弦变换系数;

一个量化单元，该量化单元以按照比例因子所确定的预定量化步长对离散余弦变换系数进行量化;

一个可变字长编码单元，该编码单元将缠量化的系数编码成可变字长的代码;

一个复杂性计算单元，该计算单元按照每个子块的输入图象的象元值计算出复杂性;

一个复杂性规范单元，该规范单元对各子块的复杂性进行规范化;

一个零系数计数单元，该计数单元对每个子块在离散余弦变换单元变换得到的离散余弦变换系数中其值在预定范围内的零系数进行计数;

一个零系数规范单元，该规范单元对各子块的零系数进行规范化;

一个权计算单元，该计算单元按照零系数和预定压缩比计算出非定常权;以及

一个比例因子产生器，该产生器将复杂性规范值、零系数规范值和非定常权相加，从而产生比例因子，提供给量化单元。

上述本发明的目的和优点通过以下结合附图对一个优选实施例所作的详细说明就会更加清楚。在这些附图中：

图1为常见的图象编装置的方框图;

图2A至2C示出了按CCIR601格式的输入图象的情况;

图3A和3B示出了图2A所示Y信号的分块情况;

图4为按照本发明提出的图象编码方法用来确定比例因子的流程图;以及

图5为本发明提出的图象编码装置的一个实施例的方框图。

图2a至2c示出了CCIR601推荐的4：2：2图象格式，而图3A和3B则示出了Y图象的分块情况。每个图象都由Y信号（图2A所示）、Cr信号（图2B所示）和Cb信号（图2c所示）组成，各信号划分为相应的一些宏块。在各宏块中，Y信号由四个8×8象元块信号组成，而Cr和Cb信号则都由两个8×8象元块信号组成。图3A示出了一帧Y信号，而图3B示出了Y信号的一个具有16×16象元的宏块。

图4为按照本发明提出的图象编码方法用来确定比例因子的流程图。这种根据输入图象确定比例因子的方法下面将结合图2A至2C及图3A和3B详细加以说明。在按本发明提出的方法进行的以下一些计算中：Pix（k，l）为一个象元值，其中k和l为0至7的整数;N为单位块数（在本实施例中N＝4）;MB为宏块数（在本实施例中MB＝30×45）;i为0至MB-1的整数;而j为0至N-1的整数。

作为第一阶段，考虑输入的4：2：2格式的图象（步410），为了按照空域的复杂性求得各宏块的复杂性规范值，首先对在一个宏块中的每个8×8的块（以下称为单位块）求出图象平均复杂性（步421）。

复杂性是按亮度信号Y用图象的象元值计算的。单位块平均复杂性A_yb（j）可以表示为

$A_{\mathrm{y\; b}}\mathrm{［\; j\; ］\; =}\frac{\underset{\mathrm{k\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{1\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{p\; i\; x\; (\; k\; ,\; l\; )}}{\mathrm{64}}$

平均复杂性A_yt（i）等于宏块中各单位块平均复杂性之和除以单位块数（步422），即

$A_{\mathrm{y\; t}}\mathrm{［\; i\; ］\; =}\underset{\mathrm{j\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{N\; -\; 1}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{\mathrm{y\; b}}\mathrm{［\; j\; ］}}{N}$

此时，根据宏块中各单位块的单位块平均复杂性与实际象元值的差可以求得相应的单位块均方值    （j）（步424），即

${\sigma }^2{}_{\mathrm{B\; T}}\mathrm{［\; j\; ］\; =}\frac{\underset{\mathrm{k\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{1\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; A}}_{\mathrm{y\; b}}\mathrm{［\; j\; ］-\; p\; i\; x\; (\; k\; ,\; l\; )}{}^2}{\mathrm{64}}$

对于每个宏块的四个Y单位块（j从0至3），将各单位块均方值中那个最小的均方值加1，就得到了这个宏块的最小均方值（i）（步424），即

σ² _BTmin[i]＝MIN（σ² _BT[j]）+1

这里，加1是为了使最小均方值不至为零。

每个宏块根据该宏块的最小均方值和该宏块的平均复杂性进行规范化后，得到该宏块的复杂性规范值Nor_ACT（i）（步425），即

${\mathrm{N\; o\; r}}_{\mathrm{A\; C\; T}}\mathrm{［\; i\; ］\; =}\frac{{\mathrm{a\; o}}^2{}_{\mathrm{B\; T\; m\; i\; n}}{\mathrm{［\; i\; ］\; +\; A}}_{\mathrm{y\; t}}\mathrm{［\; i\; ］}}{{\sigma }^2{}_{\mathrm{B\; T\; m\; i\; n}}{\mathrm{［\; i\; ］+\; a\; A}}_{\mathrm{y\; t}}\mathrm{［\; i\; ］}}$

其中，α为规范化常数。

作为第二阶段，为了在图象信号的频域求得各宏块的零系数规范值和非定常权，首先对输入的4：2：2格式图象进行离散余弦变换运算，得到系数Pix_coeff（u，v）（步431），即

${\mathrm{P\; i\; x}}_{\mathrm{c\; o\; e\; f\; f\; (\; u\; ,\; v\; )}}=\frac{1}{4}\mathrm{C\; (\; u\; )\; C\; (\; v\; )}\underset{\mathrm{k\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{l\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{P\; i\; x\; (\; k\; ,\; l\; )cos}\frac{\mathrm{\pi \; u\; (\; 2\; k\; +\; 1\; )}}{\mathrm{16}}\cos \frac{\mathrm{\pi v\; (2l\; +\; 1\; )}}{\mathrm{16}}$

其中：u和v为0至7的整数;C（u）和C（v）在u，v为零时等于1/2，否则等于1。

在每个宏块中，对所有的Y块（即单位块）的值大于等于-1而小于等于1的离散余弦变换系数进行计数，从而得到每个宏块的零系数和Z（i）（步432），即

$\mathrm{z\; ［\; i\; ］\; =}\underset{\mathrm{j\; =\; 0}}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{k\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{l\; =\; 0}}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{z\; e\; r\; o}}_{\mathrm{c\; o\; e\; f\; f\; ［\; j\; ］\; ［\; k\; ］\; ［\; l\; ］}}$

将各宏块的零系数和加在一起，得到全部宏块的总零系数和Zr（步433），即

$\mathrm{z\; r\; =}\underset{\mathrm{i\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{M\; B\; -\; 1}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{z\; ［\; i\; ］}$

总零系数和除以宏块数后就得到宏块平均零系数和A_ZERO（步434），即

A_ZERO＝ (Zr)/(MB)

通过分别将宏块平均零系数和与各宏块的零系数和之差平方，得到相应宏块的零系数均方值δ² _ZERO（i）（步435），即

δ² _ZERO（i）＝（A_ZERO-Z（i））²

按各块的零系数均方值和零系数和进行规范化，从而得到相应各块的零系数规范值Nor_ZERO（i）（步436），即

${\mathrm{N\; o\; r}}_{\mathrm{Z\; E\; R\; O}}\mathrm{［\; i\; ］\; =}\frac{{\mathrm{\alpha \; z\; ［\; i\; ］\; +\; \sigma }}^2{}_{\mathrm{Z\; E\; R\; O}}\mathrm{［\; i\; ］}}{{\mathrm{z\; ［\; i\; ］\; +\; \alpha \; \sigma }}^2{}_{\mathrm{Z\; E\; R\; O}}\mathrm{［\; i\; ］}}$

其中，α为规范化常数。

比例因子是随图象的复杂性改变的，而量化步长则由这个比例因子决定。由于可以按照得到的零系数改变量化步长和按照压缩比控制比例因子，因此比例因子的非定常权W可以表示为

$\mathrm{W\; =}\frac{A_{\mathrm{Z\; E\; R\; O}}\mathrm{-\; \beta \; R}}{\gamma }$

其中：β和γ为权常数，而R表示已经预定的压缩比。

因此，可以按照宏块的平均零系数和及压缩比得到各宏块的非定常权W（步440）。

这样，以宏块为单位的比例因子SF（i）可以通过将复杂性规范值、零系数规范值和非定常权相加来确定（步450），即

SF（i）＝Nor_ACT（i）+Nor_ZERO（i）+W

量化步长由比例因子决定，用来按量化器中的量化矩阵对DCT系数进行量化。

也就是说，如果宏块平均零系数和越大和压缩比越小，则非定常权越大。如果非定常权增大，则比例因子增大，从而量化间隔就减小。

图5为本发明图象编码装置的一个实施例的方框图。除了与原有技术部件相同的离散余弦变换（DCT）单元51、量化器58和可变字长编码（VLC）单元59外，该装置还包括一些用来根据输入图象产生比例因子的器件。在该装置中，DCT单元51对于划分为Y、Cr和Cb信号的各宏块的输入图象，执行将作为空域数据的宏块数据离散余弦变换成作为频域数据的DCT系数的功能。量化器58以预定的量化步长对DCT单元51输出的这些DCT系数进行量化。VLC单元59按照信息量产生具有可变字长的编码数据，这大大减少了用来编码的总位数。

下面将结合图5说明本发明增加的这些器件。

复杂性计算器52按照输入图象的象元值计算出复杂性。复杂性规范单元53对各宏块的复杂性进行规范化处理。

零系数计数器54对DCT单元51输出的DCT系数中那些值大于等于-1而小于等于1的零系数进行计数。零系数规范单元55对各宏块的零系数进行规范化处理。

权值计算器56根据在零系数计数单元54中所计的零系数以及压缩比计算出每个宏块的非定常权。加法器57将复杂性规范值、零系数规范值以及非定常权相加，得到比例因子，输出给量化器58。

DCT系数的量化步长是根据比例因子和量化矩阵确定的。对于所有的输入图象来说，这些量化矩阵按照活动程度、彩色分量特性、分辨力以及应用目的是有区别的，因此要产生一个合适的量化矩阵。这个量化矩阵是考虑到与人类视觉特点有关的各种心理和视觉经验以及DCT系数的特性加以确定的。

量化器58按照所确定的量化步长对图象信号的DCT系数进行量化。量化结果送至VLC单元59，从而产生一个具有所需位速率的压缩位流。

虽然，在本发明的以上这个实施例中所进行的编码使得各宏块具有恒定的位速率，但这种编码也可以使一个比宏块大的块具有恒定的位速率。

如上所述，本发明按照输入图象在空域的复杂性和在频域的复杂性（导致产生零系数）计算出比例因子，从而控制量化器的量化步长，这使得即使对于一帧由具有不同复杂性的一些图象所组成的图象也能以恒定的位速率进行编码，并且不会降低图象的质量。

Claims (11)

1、一种将一个输入图象划分为一些由预定数量的单位块组成的子块、以按照比例因子确定的量化步长对所划分的图象信号进行量化、然后加以编码的图象编码方法，其特征是所述图象编码方法包括下列各步：

根据输入图象在空域的复杂性，产生各子块的复杂性规范值；

通过对输入图象执行离散余弦变换和对其值在一个预定范围内的那些离散余弦变换系数进行计数，产生零系数和；

按照零系数和产生各子块的零系数规范值；

按照零系数和及预定压缩比产生各子块的非定常权；以及

将复杂性规范值、零系数规范值及非定常权相加，从而产生比例因子。

2、一种按权利要求1提出的图象编码方法，其特征是其中所述产生复杂性规范值这步是对亮度信号执行的。

3、一种按权利要求1提出的图象编码方法，其特征是其中所述预定范围从-1至+1。

4、一种按权利要求3提出的图象编码方法，其特征是其中在所述产生零系数和这步中，值大于等于-1而小于等于+1的那些离散余弦变换系数是亮度信号的离散余弦变换系数。

5、一种按权利要求1提出的图象编码方法，其特征是其中所述子块是一个宏块。

6、一种按权利要求5提出的图象编码方法，其中所述产生复杂性规范值这步包括下列各步：

产生在一个宏块内的各单位块的平均复杂性;

根据各单位块的平均复杂性产生该宏块的平均复杂性;

产生一个单位块的平均复杂性与实际象元值的差，从而产生一个单位块的均方值;

将一个宏块的各单位块的均方值中的最小值加1，从而产生该宏块的最小均方值;以及

按照各宏块的最小均方值和平均复杂性对各宏块进行规范化，从而产生各宏块的复杂性规范值。

7、一种按权利要求5提出的图象编码方法，其特征是其中所述产生零系数规范值这步包括下列各步：

将各宏块的零系数和全部加在一起，从而产生一个总零系数和;

按照总零系数和产生一个宏块平均零系数和;

按照宏块平均零系数和与宏块的零系数和之差产生宏块的零系数均方值;以及

按照宏块的零系数均方值及零系数和进行规范化，从而产生各宏块的零系数规范值。

8、一种按权利要求5提出的图象编码方法，其特征是其中所述产生非定常权这步包括下列各步：

将所有的零系数和加在一起，从而产生一个总零系数和;

按照总零系数和产生一个宏块平均零系数和;以及

按照宏块平均零系数和及一个预定的压缩比产生各宏块的非定常权。

9、一种图象编码装置，其特征是所述图象编码装置包括：

一个离散余弦变换单元，对于一个划分为一些由预定数量的单位块组成的子块的输入图象，该变换单元对作为空域数据的子块执行离散余弦变换的功能，从而产生作为频域数据的离散余弦变换系数;

一个量化单元，该量化单元以按照比例因子确定的预定量化步长对离散余弦变换系数进行量化;

一个可变字长编码单元，该编码单元将经量化的系数编成可变字长的代码;

一个复杂性计算单元，该计算单元按照每个子块输入图象的象元值计算出一个复杂性;

一个复杂性规范单元，该规范单元对各子块的复杂性进行规范化;

一个零系数计数单元，该计数单元对从所述离散余弦变换单元输入的每个单元的离散余弦变换系数中其值在一个预定范围内的零系数进行计数;

一个零系数规范单元，该规范单元对各子块的零系数进行规范化;

一个权计算单元，该计算单元按照零系数和预定压缩比计算出一个非定常权;以及

一个比例因子产生器，该产生器通过将复杂性规范值、零系数规范值和非定常权相加，产生比例因子，提供给所述量化单元。

10、一种按权利要求9提出的图象编码装置，其特征是其中所述子块是一个宏块单元。

11、一种按权利要求9提出的图象编码装置，其特征是其中所述预定范围为从-1至+1。

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