CN1123593A

CN1123593A - 图像信号的编码方法及其设备

Info

Publication number: CN1123593A
Application number: CN95190090A
Authority: CN
Inventors: T·Y·唐; 田原胜己
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1996-05-29
Also published as: KR960702247A; EP0699003A1; WO1995022228A1; EP0699003A4

Abstract

一种根据本发明的图像信号编码方法以低比特率改善了运动图像的质量。对每一个像素，压缩了其图像信号的动态范围，进行了正交变换。利用第一量化因子量化由正交变换所得到的系数数据。利用量化因子中小于第一量化因子的第二量化因子，量化利用第一量化因子量化的第一量化数据有非零值的系数数据。因此，使利用较小的量化因子、即第二量化因子量化在利用第一量化因子量化时已量化数据具有非零值的系数数据成为可能。结果是，可以改善运动图像的质量。

Description

图像信号的编码方法及其设备

技术领域

本发明涉及图像信号的编码方法和用于各种应用领域(例如，数字存储媒体、电视广播、通信网络)的图像信号编码设备，更详细地说，本发明可应用于用来处理数字化运动图像序列、以便以已压缩的形式传输或存储的图像信号编码方法及其设备。

背景技术

近年来，日益增多的尝试已指向提供数字语言、数字图像和用于信号质量更高的存储、传输和编辑的视频序列。最普通的应用之一是用来存储语言数据和音乐数据的数字小型磁盘。当前的尝试已指向数字图像信号。数字图像信号包括大量的数据，因此，为了减少在数据传输中所要传输的数据量，需要进行数据压缩。这样的尝试之一是由国际标准化组织(ISO)和国际电工技术委员会(IEC)，IEC被广泛地称为运动图像专家组(MPEG)联合开发的。运动图像专家组在编码活动图像信号中普遍使用的方法之一是离散余弦变换(DCT)。根据该变换系统，把图像分成8×8个像素的较小块，把每一个块中的像素数据变换到频域中。这样的离散余弦变换可使信息量小。

运动图像专家组采用一种量化方法，用来量化已变换块中的DCT系数，以便用一组具有可控大小的符号来表示。在这样的量化方法中，以常数“q”(在下文，称为“量化因子”)来除DCT系数。在这种方法中，把每一个DCT系数近似成最接近于该DCT系数(在下文，称为“已量化DCT系数)的整数。通过进行反操作，即以量化因子“q”乘以该已量化DCT系数，可能恢复到编码以前的DCT系数。

然而，如果为了提高量化中的编码效率而设定了很大的量化因子“q”，则使DCT系数的近似性变差，并在解码图像中出现某种可视噪声。这种噪声一般称为蚊子噪声。一般，大部分能量集中在低频系数上。另外，人对高频系数的感觉也不如对低频系数那样灵敏。

因此，当量化图像信号时，重点放在低频系数上，把较小的量化因子“q”发配给低频系数。然而，如果使用小的量化因子“q”对已量化DCT系数编码时，就需要较多的比特。

在要变换的图像是运动图像的情况下，一般图像信号的特点是，在顺序帧之间除了屏幕上的某些目标的运动之外，极少有变化。采用一般称为运动补偿的技术。根据这种运动补偿技术，用取自上一帧已编码图像的移动矢量来表示当前带有各块的图像。

这种运动补偿方案还减少了编码运动图像所需的比特数。然而，在某些情况下，块的移动在各移动块之间可能会形成某些可见的鲜明的边缘。一般，称之为块噪声。

运动图像专家组已把上述这两种方案(离散余弦变换和运动补偿)用于其运动图像序列编码标准MPEG1和MPEG2的相应方案中。

实际上，采用运动补偿编码、采用DCT/量化编码、或者，采用运动补偿和DCT/量化的组合编码，对于每一个块都是自适应判定的。

MPEG1和MPEG2还有用来控制在运动图像中分配给每一个块的比特数的比率控制机制。

在比率控制机制中，对每一个相当于四个DCT块(一个DCT块为16×16个像素)的宏块设定量化器中所用量化因子的大小。可以把量化器所产生的已量化DCT系数表示为由一系列零值、并在其后，跟随着一个非零值所组成的数据。游程长度编码对具有以同符号长群为特征的冗余输入的数据，可以实现显著的数据压缩，因此，当编码已量化DCT系数时，MPEG1和MPEG2使用游长编码。较小的量化因子将形成一组零值的较短游程，使较多的比特可用于编码已量化DCT系数。另外，因为具有较小能量的DCT系数对图像质量并无太大的影响，所以，用零来表示已量化DCT系数、以便提高编码效率是合乎理想的。然而，因为具有较大能量的DCT系数对图像质量有明显影响，所以，改善相应于能量较大DCT系数的非零系数、而不缩短已量化DCT系数中一组零值的游程的长度是合乎理想的。

发明的公开

鉴于前述情况，本发明的一个目的是，提供与传统相比能够显著改变视频序列图像质量的图像信号编码方法及其设备。

本发明的前述目的和其它目的，已通过提供包括下列步骤的、用来编码图像信号的一种图像信号编码方法加以实现，这些步骤是：对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对于每一个单元块已被压缩了动态范围的图像信号进行正交变换；以及量化系数数据，产生已量化的数据。

根据本发明，用来编码图像信号的图像信号编码方法还包括下列步骤：为了把图像信号变换成系数数据，对每一个单元块的图像信号进行正交变换；基于第一量化因子，量化系数数据，产生第一已量化数据；基于小于第一量化因子的第二量化因子量化系数数据，但只量化有关具有非零第一已量化数据的系数数据，产生第二已量化数据。

根据本发明，在用来解码已量化数据(该数据是对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对每一个单元块具有已压缩的动态范围的图像信号进行正交变换；以及，量化系数数据而产生的)的一种图像信号解码方法中，包括下列步骤：反量化该已量化的系数数据，产生系数数据；对每一个单元块，反正交变换其系数数据，产生已解码的图像；以及，对每一个像素，扩张其已解码图像信号的动态范围。

根据本发明，用来编码图像信号的图像信号编码设备包括：用来对每一个像素，压缩其图像信号动态范围的动态范围压缩装置；为了把图像信号变换成系数数据，用来对每一个单元块具有压缩了动态范围的图像信号进行正交变换的正交变换装置；以及，用来量化系数数据，产生已量化数据的量化装置。

根据本发明，用来编码图像信号的图像信号编码设备还包括：为了把图像信号变换成系数数据，用来对每一个单元块的图像信号进行正交变换的装置；基于第一量化因子，用来量化系数数据，产生第一已量化数据的第一量化装置；以及基于小于第一量化因子的第二量化因子量化系数数据，但是，实际上只量化有关具有非零第一已量化数据的系数数据，产生第二已量化数据的第二量化装置。

根据本发明，用来解码已量化数据(该数据是对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对于每一个单元块具有已压缩了动态范围的图像信号进行正交变换；以及，将系数数据进行量化而产生的)的一种图像信号解码设备，包括：用来产生系数数据的反量化装置；用来对每一个单元块，反正交变换其系数数据，产生已解码图像的反正交变换装置；以及，用来扩张其已解码图像信号动态范围的动态范围扩张装置。

根据本发明，在记录已编码图像数据的图像记录媒体中，用来产生已编码图像数据的步骤包括下列步骤：对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对于每一个单元块具有已压缩的动态范围的图像信号进行正交变换；以及，量化系数数据，产生已量化的数据。

根据本发明，在记录已编码图像数据的图像记录媒体中，用来产生已编码图像数据的步骤还包括下列步骤：为了把图像信号变换成系数数据，对每一个单元块的图像信号进行正交变换；基于第一量化因子，量化系数数据，产生第一已量化数据；以及基于小于第一量化因子的第二量化因子量化系数数据，但是，实际上只量化有关具有非零第一已量化数据的系数数据，产生第二已量化数据。

为了进行正交变换(例如，离散余弦变换)，对每一个像素，压缩其图像信号{A}的动态范围，因此可以进一步减少图像编码所需的比特数。而且，只把在正交变换所得到的系数数据中具有非零第一已量化数据的系数数据{Z}，基于那些小于第一量化因子q的第二量化因子q-1、q-2、……q-c……等加以量化，以使量化差最小化。因此，与传统的相比，可以进一步改善图像质量。

附图的简要说明

图1为示出利用动态范围压缩/扩张系统的编码和解码系统整体结构的框图；

图2为示出利用多级量化精确化电路的量化器实施例的框图；

图3为示出利用多级量化精确化电路的量化器另一实施例的框图；

图4为说明根据图3中多级量化精确化电路的量化过程的流程图；

图5为示出利用单级量化精确化电路的量化器实施例的框图；

图6为说明根据单级量化精确化电路的量化过程的流程图；以及

图7为示出解码电路结构的框图。

用来执行本发明的最佳方式

下面，利用附图详细描述本发明的实施例。

(1)改善图像质量的原理

通过降低源图像序列的难度和精确化编码器中所用的量化级，可以改善编码运动图像序列的图像质量。

运动图像序列的难度的定义为，在编码器中，在编码时利用固定组的参数表示运动图像序列所需的最少数据，或者，编码序列的长度。在这种情况下，难度较高的运动图像序列借助于比难度较低的运动图像序列要更长的编码序列来表示。

一般，非常鲜明的边缘和图像剪辑点构成具有高难度的序列。通过像素能级来观察这样的鲜明边缘和图像剪辑点，显然，鲜明的边缘和图像剪辑点是在相同帧内相邻像素之间、或者，在相邻帧间相应像素之间有着巨大的差别。

这样的序列难度通过减小图像序列在像素能级上的动态范围可以降低。根据本实施例，为了易于实现这种难度的降低，采用线性变换。采用线性变换能够降低在相邻像素之间像素能级之差，并使鲜明的边缘变得平缓。同时，通过反变换，可以恢复已经这样编码的图像。虽然在像素能级上恢复动态范围的条件是对图像的结构稍有损害，但是，这样的损害不会被人眼所察觉。因此，通过线性变换压缩图像信息是有效的。

如上所述，当减小运动图像序列的难度或缩短编码序列时，可以把减小难度或缩短序列这一部分分配给、或者，用于离散余弦变换(DCT)的系数精确化上。应该指出，DCT系数的这种精确化，例如可以通过减小对每一个宏块的量化因子，并且一点一点地提高编码比特数、以使非零的已量化系数精确化来实现。然而，与由于减小动态范围而降低源序列的难度时的步骤相比，编码的比特数增多了。

无论如何，当较精确的量化系数用于编码DCT系数时，得到质量较高的图像是可能的。

本实施例提出利用两种制式的编码系统。引入了在本申请书中称为多级量化精确化电路的制式，并且，将描述用来改善非零量化系数精度的方法。

这是一种减小量化因子、并且，精选非零的已量化系数，而不增大零值的已量化系数的游长的方法。

另外，还将提出一种对量化因子采用固定减小部分，以使这种精确化电路易于实现的量化精确化电路。在本申请书中，这种制式称为单级量化精确化电路。

(2)编码和解码系统的整体结构

下面，将参看图1，描述用来通过减小源运动图像序列动态范围而减小其难度的，动态范围压缩/扩张电路的编码和解码系统的概要。

首先，在编码中，动态范围压缩电路1顺序地、线性地压缩源运动图像序列中每一个像素的动态范围。在这个过程中，根据下列方程式压缩动态范围：

y＝ax (1)其中，“x”为源图像的像素值，“y”为要编码的像素值，“a”为常数(其中，a＜1)。其次，编码器电路20通过执行DCT、量化、和可变长度编码，把数据编码。把已压缩了动态范围的数据编码，与把源图像只是编码的情况相比，使比特数减少了，并使分配相应于所减少比特数的剩余比特成为可能。这样，可以使已量化系数更加精确化。

把来自编码器电路20的已编码数据输出，通过记录电路(未示出)记录到磁盘21上。通过再生电路(未示出)把磁盘21上记录的已编码数据读出，输出到解码器电路22上。可以把电视广播或通信网络用作传输线，代替磁盘21来传输已编码数据。

构成解码器电路22，如图7所示。把通过再生电路从磁盘21读出的已编码数据暂时存储在接收缓冲器41中。可变长度解码器电路42把从接收缓冲器读出的已编码读数进行可变长度解码。那时，还解码了编码时所用的量化因子。反量化器43基于已解码的量化因子，把已量化的DCT系数反量化，并将其送到反DCT电路44上。反DCT电路44对已反量化的DCT系数进行反DCT，输出已解码图像。实际上，解码器电路22包括例如相应于以预测方式编码的已编码数据的预测器结构，但是，为了简化起见，略去其描述。

解码器电路22以上述方法把已编码数据解码，将其送到动态范围扩张电路3上。动态范围扩张电路3通过扩张每一个像素的动态范围，恢复到它们的原始长度。然后，动态范围扩张电路3根据下列方程式扩张图像数据：

u = \frac{v}{a} - - - - - - - - - (2)

其中，“u”为已解码图像的像素值，“v”为图像的意图值，“a”为常数(其中，a＜1)。

(3)量化精确化电路

下面，将描述要引入的、以便改善非零已量化DCT系数精度的量化精确化电路。第一，描述多级量化精确化电路；第二，描述单级量化精确化电路。

(3-1)多级量化精确化

(3-1-1)多级量化精确化电路(No.1)

图2示出包括在编码器电路20中的多级量化精确化电路。多级量化精确化电路由离散余弦变换(DCT)电路4和量化电路等构成。首先，DCT电路4把输入数据变换成DCT系数，将其送到量化电路上。为了以量化因子q量化DCT系数，量化电路把DCT系数输入到量化器5q中，量化器5q出自n+1个量化器5q～5q-n，量化器5q具有最大的量化因子。把已量化的DCT系数送到非零位置识别电路6上。

那时，如下设定量化因子q。VLC电路10执行游长编码，把输入的已量化DCT系数变换成一个以零值长度和相继的非零值的配对来表示的数据；通过利用预定的变换表，对该数据进行可变长编码，产生用于传输的已编码数据；将该数据输出给传输缓冲器11。传输缓冲器11为传输一次，暂时存储已编码的数据，并以预定的定时将其输出。因此，把已量化、已游长编码、并已可变长编码的数据(从此刻起，该数据就相应于DCT系数量化以前的块)暂时存储到传输缓冲器11中。量化因子控制器12监视缓冲器11中所存储数据的存储量；为了使传输缓冲器11不上溢或下溢，控制从此刻起用于把DCT系数量化的量化器5q的量化因子q；同时，随着量化因子q，控制每一个量化器的量化因子。通过这样的量化因子控制，来实现上述比率控制机制。

非零位置识别电路6在已量化的DCT系数中识别不为零值的已量化系数的位置，并把位置信息送到n个掩蔽电路9q-1、9q-2、……9q-n上。基于从非零位置识别电路送来的位置信息，这n个掩蔽电路9q-1、9q-2、……9q-n把在DCT电路4输出的一组DCT系数{A}中的关于一组非零值{Z}的、原原本本的DCT系数；以及，关于其它DCT系数的、已分别改变为零的值(即，量化器5q已将其已量化DCT系数改变为零的那些DCT系数)送到相应的量化器5q-1、5q-2、……5q-n上。在下文，把输入值改变为零称为掩蔽。n个量化器5q-1、5q-2、……5q-n通过分别利用量化因子q-1、q-2、……q-n，又一次量化输入的DCT系数。在量化以后，在已量化的DCT系数中，具有零值的DCT系数为零，因此，重新量化实际上只是把那一组非零值的{Z}又量化了一次，使其精度改善。

把分别由量化器5q-1、5q-2、……5q-n量化的已量化DCT系数输入到相应的检查电路7q、7q-1、7q-2、……7q-n中。检查电路7q、7q-1、7q-2、……7q-n检查已精确化量化系数的质量。检查包括监视量化精确化电路所需增加的比特数，和检查已精确化量化的DCT系数的质量。

在精确化量化DCT系数的质量检查中，检查在实际DCT系数(在量化以前，从DCT电路4得到的DCT系数)与已量化DCT系数之间信噪比的增益，检查在实际DCT系数与已量化DCT系数之间的均方误差，或检查已量化DCT系数对实际DCT系数的偏离；然后，把得到的检查结果送到选择电路8上。而且，每一种检查电路的内部结构与VLC10相同，对每一个已量化DCT系数进行试探性的游长编码和可变长编码，把所得到的码长信息送到选择电路8上。选择电路8选择相应于所需求的质量的已量化DCT系数、和相应于已量化DCT系数的量化因子。比较从质量检查电路7q得到的码长、与从其它每一个检查电路得到的码长，如果符合于基于所需求的质量而选择的已量化DCT系数的码长增长超过了允许的最大码长增长，则输出该已量化DCT系数及其量化因子，该已量化DCT系数所符合的质量接近于在允许的最大码长增长的极限范围内所需求的质量。

在选择电路8中，可以选择在允许的最大码长增长的极限范围内、符合于最小量化因子的已量化DCT系数。在这种情况下，因为在通过比率控制机制，量化紧接着的DCT系数中，在设定量化因子q时出现了反馈，所以，在本实施例中，以不使质量变成有剩余的质量为基础来选择已量化的DCT系数。

VLC电路对于从选择电路8输出的已量化DCT系数进行游长编码和可变长编码，把得到的已编码的代码输出到传输缓冲器11上。VLC电路还编码相应于所选择已量化DCT系数的量化因子，作为一个已编码的代码。传输缓冲器11暂时存储该已编码的代码，以预定的定时将其输出。

另外，在上述实施例中，在量化器的前级提供了掩蔽电路。然后，可以在量化器之后提供掩蔽电路，掩蔽电路可以掩蔽相应于量化器5q把已量化的DCT系数改变成零值的位置上的已量化DCT系数。

在上述实施例中，把掩蔽电路提供给相应的量化器。然而，在单一掩蔽电路中执行了掩蔽以后，可以把DCT系数分配给每一个量化器。

在上述实施例中，根据每一个已量化的DCT系数比较实际的DCT系数，来检查质量。然而，把以某一量化因子量化的DCT系数、与以小一级的量化因子量化的DCT系数加以比较，当质量的改善已无差别时，即可选择该已量化DCT系数了。

根据这个实施例，电路的规模比下面将描述的多级量化精确化电路2要大，但是，通过对量化进行并行处理，改善了处理速度。

(3-1-2)多级量化精确化电路(No.2)

下面，将参看图3描述用来实现多级量化精确化处理的第二个实施例，图3中，与图2结构相同的部分标以同一参考号并省略其详述。

图3中，把来自DCT电路4的一组DCT系数{A}存储在存储器13中。存储控制器14控制存储器13的写和读。把从存储器13读出的DCT系数送到掩蔽电路9上。当量化器5利用原始量化因子q量化时，掩蔽电路9原原本本地输出送来的DCT系数；而当量化器5把除了由非零位置检出电路6所检出的一组非零值{Z}以外的其它DCT系数改变成零以后又一次量化时，掩蔽电路9输出零。

量化电路5基于由量化因子控制器17所设定的量化因子，量化DCT系数。把从量化器5输出的已量化DCT系数作上标记并且顺序地存储在存储器15中，同时，把同一块中的DCT系数反复地量化。存储控制器16控制存储器15的写和读。从存储器15读出的已量化DCT系数，通过VLC 10和传输缓冲器11输出。

类似于图2中的检查电路7q、7q-1、7q-2、……7q-n，检查电路7监视有关已量化的DCT系数和量化精确化所引起的码长增长的质量检查，与此同时，检查电路7还根据需要，向量化因子控制器17请求改变量化因子。而且，监视电路7向存储控制器14发送用来请求从存储器13重新读DCT系数的信号，并向存储控制器16请求从存储器15读已精确化量化的DCT系数。

类似于图2中的量化因子控制器12，由与传输缓冲器11合作的上述比率控制机制而组成的量化因子控制器17设定原始量化因子q。量化因子控制器17进而响应于来自检查电路7改变量化因子的请求，顺序地设定多个不同的量化因子。

图4示出在利用多级量化精确化电路(No.2)的编码电路20中的多级量化精确化过程。在这量，图中以虚线包围的那部分处理(步骤SP5～步骤SP8)是多级量化精确化电路中的特定处理。

首先，当量化过程开始时(步骤SP1)，比率控制机制产生原始的量化因子q(步骤SP2)，把从存储器13读出的DCT系数送到量化器5上。量化器5利用该原始量化因子q顺序地量化DCT系数(步骤SP3)。

当不选择量化精确化处理或者采用传统的量化处理时，直接进行到步骤SP4，VLC电路10把已量化的DCT系数和所产生的量化因子进行编码，作为编码数据用于传输。

相反地，当选择量化精确化处理时，非零位置识别电路6识别各组非零的已量化DCT系数的位置，把这些位置存储起来，开始在这些位置上量化DCT系数的精确化处理(步骤SP5)。

在步骤SP6中，从存储器13重新读出与步骤SP3中量化的DCT系数相同的DCT系数；掩蔽电路9利用非零位置识别电路6中所存储的位置信息，对于在零位置上的DCT系数进行掩蔽。量化器5利用低一级的量化因子q-1，重新量化被识别为非零值位置上的DCT系数。在下一步骤SP7中，检查电路7检查已由量化电路5精确化了的量化DCT系数的质量、并检查码长的增长，以便判断是否需要改善。

如果在步骤SP7中得到了肯定的结果(或者，在已精确化的量化DCT系数需要改善质量的情况下)，则进行到步骤SP8，增大系数x的值，并返回到步骤SP5。因此，参数x的值从“1”增大到“2”。

为了检查已量化DCT系数的质量，利用低一级的量化因子q-2把非零的已量化DCT系数位置上的DCT系数又一次量化。下面，根据需要，利用小一级的量化因子q-3、q-4、……q-n，重复进行量化。

虽然，重复地进行步骤SP5～SP8的处理，一直到在步骤SP7中得到否定的结果，或者，不需要改善已精确化的量化DCT系数的质量了。

如果在步骤SP7中得到了否定的结果，质量检查电路7就向存储控制器16发送指令，要它从存储器15里读取已精确化的DCT系数，从存储器15读出最后一个已量化DCT系数时，该多级量化精确化处理序列就结束了。如上所述，步骤SP7的检查包括：监视量化的精确化所需增大的比特数；检查已精确化量化的DCT系数的质量。已精确化量化DCT系数的检查基础是：在实际DCT系数与已精确化量化DCT系数之间信噪比的增益，在实际DCT系数与已精确化量化DCT系数之间的均方误差，或已精确化量化DCT系数对实际DCT系数的偏离。

另外，在上述实施例中，在量化器的前级提供了掩蔽电路。然而，可以在量化器之后提供掩蔽电路，在利用原始量化因子q量化时，可以把相应于零位置上的已量化DCT系数改变成零值。

在上述实施例中，为了检查质量，把实际的DCT系数与每一个已量化的DCT系数加以比较。然而，为了选择当质量改善已无差别时的已量化DCT系数，可以把以一个量化因子量化的DCT系数、与以顺序地低一级的量化因子量化的DCT系数加以比较。根据这个实施例，因为需要重复动作，所以，处理时间比上述多级量化精确化电路(No.1)的要长，但是，能够使电路的规模最小化。

如上所述，根据这样的量化精确化电路，把DCT系数为零的位置掩蔽掉，只把在非零DCT系数位置上的DCT系数，借助于这些较小的量化因子q-1、q-2、……、q-n，进行量化。因此，如果以较小的量化因子量化，零系数序列的长度不受影响。把零位置上的已量化系数掩蔽起来，是重要的。否则，就有这样的可能性：前面的某一零系数，由于量化因子的减小变成非零系数了。即，改善非零系数的精度而不影响零系数序列的长度是可能的。

在这里，当改善了其余非零已量化系数的精度时，用来表示这些非零系数所需的比特数就会相应增加。结果是，需要监视已精确化量化的DCT系数，还需要控制码长的增长，以便处在允许的最大码长值之下。这样，选择这样的量化因子是可能的，它给出最佳图像质量、而不需要把数量极多的码分配给一个块、并且，以更高的精度来对非零的已量化DCT系数进行编码。

根据上述结构，通过借助于线性变换来压缩图像数据的难度；借助于离散余弦变换来变换已压缩的数据；以及，当利用原始量化因子q量化系数数据时，借助于比原始量化因子q小的量化因子q-1、q-2、……q-n，来重新量化具有非零值已量化DCT系数的DCT系数，得到量化精度高和图像质量好的编码是可能的。

另外，在利用那些较小的。量化因子q-1、q-2、……q-n量化时，通过略掉(即，掩蔽掉)在利用量化因子q量化时为零的已量化DCT系数，进一步改善非零系数的精度而不影响零系数序列的长度是可能的。结果是，实现不易产生蚊子噪声和块噪声的编码操作是可能的。

而且，在利用那些较小的量化因子q-1、q-2、……q-n量化时，通过利用检查电路7q-1、7q-2、……7q-n和最佳精确化系数选择电路8，来计算码长和信噪比、并选择给出最佳图像质量的量化因子，改善图像质量而不增加数据量也是可能的。

(3-2)单级量化精确化

(3-2-1)单级量化精确化电路

接着，下面将描述为了使多级量化精确化电路易于达到，通过简化电路结构而得到的单级量化精确化电路。

图5示出包括在编码器电路20中的单级量化精确化电路。单级量化精确化电路由离散余弦变换(DCT)电路4和量化电路等构成。

单级量化精确化电路利用两个量化因子：用来略掉反复操作DCT系数精确化处理的一个原始量化因子q、以及具有较低量化因子的一个量化因子q-c。

在这种情况下，首先，把变换成DCT系数的数据组{A}送给量化器31q，利用由量化因子控制器34给出的原始量化因子q将其量化。类似于多级量化精确化的情况，比率控制机制设定原始的量化因子q。

接着，非零位置识别电路32识别在已量化的DCT系数中系数值非零的位置，将此位置送到掩蔽电路33上。这样，利用实际上较小的量化因子q-c，只把量化器31q-c量化的已量化DCT系数{A}中具有非零量化值的一组DCT系数{Z}({Z}∈{A})量化，并将其输出。符号“c”是给出大于“0”但小于“q”的固定减小值的常数。在帧内方式中，把“c”设定为“c1”；在帧间方式中，把“c”设定为“c2”。

(3-2-2)单级量化精确化处理

接着，图6示出在编码电路20中单级量化精确化处理的过程。图中以虚线所包围的那部分处理是单级量化精确化处理所特有的。

首先，当量化过程开始时(步骤SP10)，从比率控制机制所产生的原始量化因子q(步骤SP11)，把该原始量化因子q送到量化器31q上。量化器31q利用该原始量化因子q顺序地量化DCT系数(步骤SP12)。

当不选择量化精确化处理(即，当采用传统的量化处理器时)，处理从步骤SP12进行到步骤SP13，VLC电路10把已量化的DCT系数和所产生的量化因子编码，作为编码数据用于传输。

相反地，当选择量化精确化处理时，识别各组非零的已量化DCT系数的位置，把这些位置存储起来。

在下一个步骤SP15中，判断编码方式是帧间方式还是帧内方式，量化因子控制器34把量化器31q-c的量化因子的固定减小值“c”设定为适合于相应方式之值。在这方面，帧内编码方式用于只采用DCT和量化进行编码的块；而帧间编码方式用于采用运动压缩、以及DCT和量化进行编码的块。

在上述MPEG1和MPEG2中，利用I图像、P图像和B图像的编码是熟知的。I图像中的全部宏块为帧内编码。P图像包括一般帧内编码的宏块和前向预测编码的宏块。B图像包括一般帧内编码的宏块、前向预测编码的宏块、后向预测编码的宏块、和双向预测编码的宏块。

帧内方式相应于在I图像、P图像、和B图像中帧内编码的宏块；而帧间方式相应于其它宏块。

例如，当编码方式为帧间方式时，在步骤SP16时，选择量化因子q-c2；接着，利用量化因子q-c2更精确地编码非零的已量化DCT系数(步骤SP18)。

相反地，当编码方式为帧内方式时，在步骤SP17中，选择量化因子q-c1；接着，利用量化因子q-c1更精确地编码非零的已量化DCT系数(步骤SP18)。

如上所述，因为单级量化精确化电路执行时不带DCT系数精确化的反复操作，所以，其结构简单，缩短处理时间是可能的。

另外，在上述实施例中，在量化器之后提供了掩蔽电路。然而，可以在量化器的前级提供掩蔽电路，在利用原始量化因子q量化时，可以把相应于零位置上的已量化DCT系数改变成零。

根据上述结构，通过线性变换，接着，对它进行离散余弦变换，压缩了图像数据的难度。而且，在利用原始量化因子q量化系数数据时，具有非零值量化系数的DCT系数利用小于原始量化因子q的固定量化因子q-c又一次进行了量化，因此，实现量化精度高的编码和良好的图像质量是可能的。结果是，与传统情况相比，进一步减小蚊子噪声和块噪声是可能的。

还有，固定量化因子的值q-c是根据编码方式设定的，因此，实现适合于相应方式的编码是可能的。

(4)其它实施例

在上述各实施例中，利用线性变换来减小图像序列的像素级的动态范围。然而，本发明并不局限于此，而是可以利用非线性变换以便减小动态范围，并利用反交换以便恢复动态范围，得到更高的压缩比。

在上述各实施例中，对通过离散余弦变换(DCT)变换了的图像数据的DCT系数进行量化和精确化。然而，本发明并不局限于此，本发明可用于这种情况：对通过其它正交变换的图像数据的系数进行精确化和校正，结果是，达到与上述实施例同样的效果。

如上所述，根据本发明，对于每一个像素压缩了动态范围；进行了正交变换；当借助于第一量化因子量化通过正交变换得到的系数数据时，具有非零的第一量化数据值的系数数据利用小于第一量化因子的第二量化因子进行量化，因此，这种图像信号编码方法及其设备能够以类似于传统方法和设备的级比特率改善图像质量。

工业上的可应用性

根据本发明的图像信号编码方法和设备可用于用来制造记录着MPEG1或MPEG2位流的磁盘的磁盘制造设备上；或者，用于传输MPEG1、或MPEG2、或数字卫星广播的位流的电缆电视(CATV)的传输设备上。

根据本发明的图像信号编码方法和设备还可用于用来再生记录着MPEG1或MPEG2位流的磁盘的磁盘再生设备上；或者，用于传输MPEG1、或MPEG2、或数字卫星广播位流的CATV接收设备上。

根据本发明的图像记录媒体可用为记录着MPEG1或MPEG2位流的记录媒体。

参考号的说明1.动态范围压缩电路3.动态范围扩张电路4.离散余弦变换电路5，5q、5q-1、5q-2、……5q-n，31q、31q-c量化器6，32非零位置识别电路7，7q、7q-1、7q-2、……7q-n……检查电路8.选择电路9，9q-1、9q-2、……9q-n，33掩蔽电路10.VLC电路11.传输缓冲器12，17，34、量化因子控制器13，15、存储器14，16、存储控制器20、编码器电路21、磁盘22、解码器电路41、接收缓冲器42、可变长编码电路43、反量化器44、反DCT电路

Claims

1.一种用于编码图像信号的图像信号编码方法，其特征是包括下列步骤：

对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；

为了把图像信号变换成系数数据，对于每一个块已被压缩了动态范围的图像信号进行正交变换；以及

量化所述系数数据，产生已量化的数据。

2.根据权利要求1中所述的图像信号编码方法，其特征是其中所述量化步骤包括下列步骤：

利用第一量化因子量化所述系数数据，产生第一量化数据；以及

利用小于所述第一量化因子的第二量化因子量化系数数据，但是，实际上只量化所述的第一量化数据为非零值的系数数据，产生第二量化数据。

3.根据权利要求2中所述的图像信号编码方法，其特征是其中所述产生第二量化数据的步骤包括下列步骤：

利用多个小于所述第一量化因子的量化因子，并行地或重复地量化所述系数数据，产生多个已量化数据；以及

在所述的多个已量化数据中选择一个作为所述第二已量化数据。

4.根据权利要求3中所述的图像信号编码方法，其特征是其中所述选择至少是基于：所述多个已量化数据的质量中的一个以及相应于所述多个已量化数据的码长增大量。

5.根据权利要求2中所述的图像信号编码方法，其特征是其中根据编码方式来设定所述第二量化因子。

6.一种用来编码图像信号的图像信号编码方法，其特征是包括下列步骤：

为了把图像信号变换成系数数据，对每一个块的图像信号进行正交变换；

利用第一量化因子量化所述系数数据，产生第一已量化数据；以及

为了产生第二已量化数据，利用小于所述第一量化因子的第二量化因子量化系数数据，但只量化有关具有非零值的所述第一已量化数据的系数数据。

7.根据权利要求6中所述的图像信号编码方法，其特征是其中所述产生第二量化数据的步骤包括下列步骤：

在所述多个已量化数据中选择一个作为所述第二已量化数据。

8.根据权利要求7中所述的图像信号编码方法，其特征是其中所述选择至少是基于：所述多个已量化数据的质量中的一个；以及相应于所述多个已量化数据的码长增大量。

9.根据权利要求6中所述的图像信号编码方法，其特征是其中根据编码方法来设定所述第二量化因子。

10.一种用来对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对于已对每一个块压缩了动态范围的图像信号进行正交变换；以及，解码通过量化所述系数数据所产生的已量化数据的图像信号解码方法，其特征是包括下述步骤：

反量化所述已量化的数据，产生系数数据；

对于每一个块进行反正交变换其所述系数数据，产生已解码的图像；以及

对每一个像素，扩张其所述已解码图像信号的动态范围。

11.一种用来编码图像信号的图像信号编码设备，其特征是包括：

用来对每一个像素，压缩其图像信号动态范围的动态范围压缩装置；

为了把图像信号变换成系数数据，用来对于每一个块已压缩了动态范围的图像信号进行正交变换的正交变换装置；以及

用来量化所述系数数据，产生已量化数据的量化装置。

12.根据权利要求11中所述的图像信号编码设备，其特征是其中所述量化装置包括：

用来利用第一量化因子量化所述系数数据产生第一量化数据的第一量化装置；以及

用来利用小于所述第一量化因子的第二量化因子量化所述系数数据，但是，实际上只量化所述第一量化数据为非零值的系数数据，产生第二量化数据的第二量化装置。

13.根据权利要求12中所述的图像信号编码设备，其特征是其中所述第二量化装置包括：

用来利用多个小于所述第一量化因子的量化因子，并行地或重复地量化所述系数数据，产生多个已量化数据的装置；以及

用来在所述多个已量化数据中选择一个作为所述第二已量化数据的选择装置。

14.根据权利要求13中所述的图像信号编码设备，其特征是其中：

所述选择装置包括用来至少检查所述多个已量化数据之一的质量的检查装置；以及

所述选择装置基于所述检查装置的检查结果选择所述第二已量化数据。

15.根据权利要求12中所述的图像信号编码设备，其特征是其中根据编码方式来设定所述第二量化因子。

16.一种用来编码图像信号的图像信号编码设备，其特征是包括：

为了把图像信号变换成系数数据，用来对每一个块的图像信号进行正交变换的位置；

用来利用第一量化因子量化所述系数数据，产生第一已量化数据的第一量化装置；以及

为了产生第二已量化数据，用来利用小于所述第一量化因子的第二量化因子，量化所述系数数据，但只量化有关所述具有非零值的第一已量化数据的系数数据的第二量化装置。

17.根据权利要求16中所述的图像信号编码设备，其特征是其中所述第二量化装置包括：

18.根据权利要求17中所述的图像信号编码设备，其特征是其中：

19.根据权利要求16中所述的图像信号编码设备，其特征是其中根据编码方式来设定所述第二量化因子。

20.一种用来对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；为了把图像信号变换成系数数据，对于每一个块已压缩了动态范围的图像信号进行正交变换；以及，解码通过量化所述系数数据而产生的已量化数据的图像信号解码设备，其特征是包括：

用来反量化所述已量化的数据，产生系数数据的反量化装置；

对于每一个块反正交变换其所述系数数据，产生已解码图像的反正交变换装置；以及

对每一个像素，扩张其所述已解码图像信号动态范围的动态范围扩张装置。

21.一种记录着已编码图像数据的图像记录媒体，其特征是其中用来产生所述已编码图像数据的步骤包括下列步骤：

对每一个像素，压缩其图像信号的动态范围；

对于每一个块已压缩了动态范围的所述图像信号进行正交变换，把图像信号变换成系数数据；以及

量化所述系数数据，产生已量化的数据。

22.根据权利要求21中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中所述量化步骤包括下列步骤：

利用小于所述第一量化因子的第二量化因子量化所述系数数据，但是，实际上只量化所述第一量化系数为非零值的系数数据，产生第二量化数据。

23.根据权利要求22中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中所述产生第二量化数据的步骤包括下列步骤：

24.根据权利要求23中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中所述选择至少是基于：所述多个已量化数据的质量中的一个；以及相应于所述多个已量化数据的码长增大量。

25.根据权利要求22中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中根据编码方式来设定所述第二量化因子。

26.一种记录着已编码图像数据的图像信号记录媒体，其特征是其中用来产生所述已编码图像数据的步骤包括下列步骤：

为了产生第二已量化数据，利用小于所述第一量化因子的第二量化因子量化所述系数数据，但是，实际上只量化有关所述具有非零值的第一已量化数据的系数数据。

27.根据权利要求26中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中所述产生第二量化数据的步骤包括下列步骤：

28.根据权利要求27中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中所述选择至少是基于：所述多个已量化数据的质量中的一个，以及相应于所述多个已量化数据的码长增大量。

29.根据权利要求26中所述的图像信号记录媒体，其特征是其中根据编码方式来设定所述第二量化因子。