CN1124041C - 对解码视频图象的量化误差进行补偿的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种对编码的视频信号进行解码的方法，包括有以下步骤：处理编码的视频信号，导出一组对应于当前帧数据的量化的离散余弦变换系数；将该组系数转换成一组离散余弦变换系数；检测该当前帧数据的复杂度；在一预设区域内过滤该组离散余弦变换系数的高频分量；将该组过滤的离散余弦变换系数转换成一组逆离散余弦变换系数数据；根据该组逆离散余弦变换数据和先前帧数据，通过使用运动补偿产生当前帧数据；及提供该数据作为解码的视频信号。

Description

对解码视频图象的量化误差 进行补偿的方法及装置

本发明涉及一种通过使用自适应滤波器对解码视频图象的量化误差进行补偿的方法及装置；且更具体地，涉及一种可根据当前帧数据的复杂度自适应地过滤高频分量的方法及装置。

在诸如视频电话、电视会议及高清晰度电视系统的数字电视系统中，由于视频帧信号中一视频行信号包括有一序列称为象素值的数字数据，因此需要大量的数字数据来定义各视频帧信号。然而，由于常规传输信道的可用频率带宽是有限的，为了通过其发送大量的数字数据，不可避免地要通过使用各种数据压缩技术来压或减少数据量，特别在例如视频电话和电视会议系统的低位率视频信号编码器中。

因为在单一帧的某些象素中及在那些相邻的帧间总是存在一定的相关性或冗余，所以可对视频信号进行正常地压缩而不会严重地影响其完整性。在各种视频压缩技术中，将时间及空间压缩技术与统计编码技术组合在一起的所谓的混合编码技术是已知最有效的。

大部分混合编码技术采用自适应帧间/帧内模式编码，正交变换，变换系数量化，和可变长编码(VLC)。自适应帧间/帧内模式编码是一由当前帧的脉码调制(PCM)数据或由差分脉码调制(DPCM)数据，例如根据它们的方差，自适应地选择用于作随后的正交变换的视频信号的过程。帧间模式编码也称之为预测法，是基于减小相邻帧的冗余这一观念，它是一确定一目标在当前帧与它的一或二个相邻帧之间的运动，按照该目标的运动流而预测当前帧，和生成一代表此当前帧与它的预测间的差的差分信号的过程。这一编码方法在例如Staffan Exicssn的“用于混合预测/变换编码的固定和自适应预测器”(IEEE-Transactions on Communicatians，COM-33，No.12，(1985年12月))和Ninomiya和Ohtsuka的“电视图象的运动补偿帧间编码方案”(IEEETransactions on Communications，COM-30，No.1，(1982年1月))中有所披露，该二文在此被引用作为参考。

正交变换利用如当前帧的PCM数据和运动补偿的DPCM数据这样的图象数据间的空间相关性减少或去除它们间的空间冗余，它被用来将一数字图象数据的块变换成一组变换系数。这一技术在Chen和Pratt的“场景自适应编码器”(IEEE Transactions on Communications，COM-32，No.3，(1984年3月))中被介绍。通过以量化和VLC来处理这种变换系数数据，要被传送的数据量能得到有效的压缩。

具体说，在如离散余弦变换(DCT)等的正交变换中，图象数据被分成相等大小的数据块，例如8×8象素的数据块，每一个数据块被由空间域变换成频域。块的DC系数反映数据块中的平均象素密度。通常，帧内模式输入视频信号中的象素具有由0至255范围内的值，而得到此帧内块DC变换系数的由0至2040(可以11比特表示)的动态范围，和对任一帧内块AC变换系数的约-1000至1000的最大动态范围。在帧间模式输入视频信号的象素值为-255至255的情况中，对任意AC或DC变换系数的最大动态范围约为-2000至2000。

然后将由正交变换得到的正交变换系数加以量化。在进行量化时，显然一较小的量化器步长会带来一较大量的要求较大数量的用来表示它的代码位的数据，而一较大量化器步长的结果则是较少量的需较少的用来表示它的代码位的数据。而较大数量的代码位能比较少量的代码位更精确地表现一图象。因而在数据量或加在传送通道上的负担与被传送图象的质量之间要有一个折衷。

有各种量化步长控制方案。在这些方案中，量化器步长控制常常意指对进行帧间块AC和DC以及帧内块AC系数的量化中所用的步长的控制。这样的量化器步长控制按当前存储在缓冲存储器中的数据量和输入视频信号的复杂性来确定。在帧间块AC和DC，以及帧内块DC系数的情况下，以相对小的固定步长例如16或8进行量化，如MPEG-2标准中所揭示的；而在帧内块AC系数的情况下，较高频率的量化器步长要大于较低频率的量化器步长。

分块效应是一种数据块的边缘在接收端成为可见的现象。这种分块效应的发生是由于一帧按数据块单元进行编码的事实；而且在量化器步长较大，亦即数据块经受较粗糙的量化时可能更为严重。因而，在帧内块AC系数中，由于较高频率的量化器步长大于较低频率的量化器步长，一给定块与它的相邻块的亮度差成为更加明显，由此导致更严重的分块效应和降低图象质量。即使在以运动补偿帧预测帧间模式编码的情况中，虽然分块效应可能没有这样明显，它仍然可被看到。

因此，本发明的主要目的在于提供一种用于通过使用自适应滤波器对量化误差进行补偿的改进的方法。

根据本发明，提供有一种用于通过对编码的视频信号进行解码而产生一解码的视频信号的方法，其中解码的视频信号包括一先前帧和一当前帧并在逐宏块的基础上被处理，各帧的帧数据包括有象素值，该方法包括有以下步骤：(a)对编码的视频信号进行解码，从而导出一组对应于当前帧数据的量化的离散余弦变换系数；(b)根据当前帧的量化参数将该组量化的离散余弦变换系数转换成一组离散余弦变换系数；(c)根据在该当前帧数据之前被解码的先前帧数据，检测该当前帧数据的复杂度；(d)根据该组离散余弦变换系数和当前帧数据的复杂度，在一预设区域内过滤该组离散余弦变换系数的高频分量，从而产生一组过滤的离散余弦变换系数；(e)将该组过滤的离散余弦变换系数转换成一组逆离散余弦变换系数数据；(f)根据该组逆离散余弦变换数据和先前帧数据，通过使用运动补偿，产生当前帧数据；及(g)提供该当前帧数据作为解码的视频信号。

通过以下结合附图对优选实施例的描述，本发明的以上及其它目的和特征将变得显然，附图中：

图1为根据本发明的具有一自适应滤波器的解码器的方框图；

图2为图1中所示的自适应滤波器的详细视图；

图3说明了根据先前帧的复杂度，被设至“0”的离散余弦变换系数的频率分量。

参见图1，示出了根据本发明的一优选实施例的具有一自适应滤波器的解码器100的方框图。

如图1中所示，一编码的位流被从一相应的常规编码器(未示出)提供给解码器100，具体地，被提供给缓冲器110。缓冲器110接收该编码的位流并在逐宏块的基础上以一固定速率将其提供给一多路分解器(DEMUX)120，在其中该编码的位流被多路分解以产生例如帧间/帧内模式信号和量化步长的解码信息信号，和编码的图象数据即一组可变长度编码的变换系数和运动矢量。该帧间/帧内模式信号经线路L10被提供给一逆量化器(IQ)140和一加法器，及该量化步长经线路L20被提供给该逆量化器140，且该组可变长度编码的变换系数和运动矢量经线路L30被提供给可变长度解码器(VLD)130。

可变长度解码器130对该组可变长度编码的变换系数和运动矢量进行解码，并将一组量化的离散余弦变换系数经线路L40提供给逆量化器140，将运动矢量经线路L50提供给运动补偿器170。包括在编码的位流中的各宏块的该组量化的离散余弦变换系数包括一DC系数和例如63个AC系数。

在逆量化器140，该组量化的离散余弦变换系数被转换成一组离散余弦变换系数，且响应于来自多路分解器120的线路L10上的帧间/帧内模式信号及线路L20上的量化步长，计算一量化参数。该量化参数和该组离散余弦变换系数分别经线路L60和线路L70被提供给一自适应滤波器150。

自逆量化器140经线路L60和L70分别将量化参数和该组离散余弦变换系数提供给自适应滤波器150，该自适应滤波器150通过使用先前帧的各对应于先前帧内的各宏块的量化参数，计算一当前帧的复杂度；并选择地将高频分量设至“0”，从而提供一组自适应过滤的离散余弦变换系数给一逆离散余弦变换器(IDCT)160。参照图2和图3对自适应滤波器的操作进行进一步的描述。

在逆离散余弦变换器160，该组自适应过滤的离散余弦变换系数被转换成一组自适应过滤的逆离散余弦变换数据，并被提供给加法器180。

同时，运动补偿器170根据经线路L50来自可变长度解码器130的运动矢量，经线路L80从存储在帧存储器190中的先前帧数据中抽取相应的象素数据，并将抽取的象素数据作为一组运动补偿的图象数据提供给加法器180。

在加法器180，响应于线路L10上的帧间/帧内模式信号，来自逆离散余弦变换器160的该组自适应过滤的逆离散余弦变换数据被加至，或不被加至来自运动补偿器170的该组运动补偿的图象数据，从而产生一自适应过滤的图象数据。在帧间模式的情况下，该组逆离散余弦变换数据被加至该组运动补偿的图象数据；而在帧内模式的情况下，该组逆离散余弦变换数据通过加法器180而提供给帧存储器190而不进行加法运算。该自适应过滤的图象数据被存储在帧存储器中作为先前帧数据，经线路L90被提供给数-模转换器200。

该数-模转换器200将该自适应过滤的图象数据转换成一模拟信号，从而提供其作为一解码的视频信号给一显示单元(未示出)。

下面将详细描述自适应滤波器150的操作。

参见图2，示出了对图1中所示的自适应滤波器150的详细方框图。从逆量化器经线路L60提供当前帧内所有宏块的量化参数给一平均量化参数计算器152，该平均量化参数计算器152通过对当前帧内各宏块的量化参数进行平均而计算该当前帧的平均量化参数。该当前帧的平均量化参数被存储在平均量化参数计算器152中，从而被用于下一帧的过滤控制，并且该先前帧的一平均量化参数被抽取以提供给过滤控制器154，从而被用于当前帧的过滤控制，其中根据先前帧内各宏块的量化参数，以与当前帧的平均量化参数相似的方式，计算并存储该先前帧的平均量化参数。

具体地，如果当前帧的大小为M×N象素而当前帧内各宏块的大小为L×L象素，当前帧内宏块数为(M/L)×(N/L)，L、M和N分别为一正整数。由于各宏块具有一量化参数，在对当前帧进行解码后的量化参数数变为(M/L)×(N/L)。例如，如果当前帧的大小为352×288而当前帧内各宏块的大小为16×16，则当前帧内的宏块数为(352/16)×(288/16)＝22×18＝396且量化参数数也为396。根据本发明，当前帧内所有宏块的量化参数被平均，从而在确定下一帧的复杂度时使用。

一计算的平均量化参数与视频图象的信息量相关；如果被解码的视频比较复杂，该平均量化参数变得较大；否则该平均量化参数变得较小。

平均量化参数计算器152将计算的先前帧的平均量化参数提供给过滤控制器154。该过滤控制器154生成一过滤控制信号，该信号用于确定离散余弦变换系数的频率分量被设置至“0”。

该过滤控制信号是通过以下公式(1)被计算的：

C＝1                      如果AQP≤16

 ＝1+ROUND{(AQP-16)/5}    如果AQP＞16

                        公式(1)

在公式(1)中，C为过滤控制信号，AQP为平均量化参数，及ROUND是一将其运算量化整到最接近的整数的运算指令。由于常规编码器的量化参数范围从1至31，过滤控制信号C的范围为从1至4。例如，如果平均量化参数为28，C变为3，如下所示：

C＝1+ROUND{28-16)/5}

 ＝1+ROUND(12/5)

 ＝1+ROUND(2.4)

 ＝3

一频率选择器156被提供有来自过滤控制器154的计算的过滤控制信号及经线路L70来自逆量化器140的该组离散余弦变换系数。如果过滤控制信号C为1，该频率选择器156旁通该组离散余弦变换系数而不进行过滤；而如果过滤控制信号C大于1，则频率选择器156将该组离散余弦变换系数的高频分量设为“0”。

也就是说，频率选择器156响应于来自过滤控制器154的过滤控制信号，将频率分量选择为设置成“0”。参见图3，示出了当N为8时，响应于过滤控制信号，频率分量待被设置成“0”的区域的示例性图。如图3所示，响应于过滤控制信号。位于虚线以下的离散余弦变换系数被设置成“0”。

最后，频率选择器156将一组自适应过滤的离散余弦变换系数提供给逆离散余弦变换器160，其中该组系数的高频分量根据当前帧的复杂度被设为“0”。该当前帧的复杂度是从先前帧内各宏块的量化参数计算出的。

根据本发明，该当前帧的复杂度是通过对先前帧内各宏块的量化参数进行平均而被确定的；如果当前帧根据平均量化参数是复杂的，则对人的视觉特性不敏感的视频图象的高频分量被过滤，由于量化误差而导致的图象质量的降低被显著地减小。

尽管只相对某一优选实施例对本发明进行了描述，但脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围仍可做出其它的改型和变化。

Claims (12)

1、一种用于通过对编码的视频信号进行解码而产生一解码的视频信号的方法，其中解码的视频信号包括一先前帧和一当前帧并在逐宏块的基础上被处理，该方法包括有以下步骤：

(a)通过使用可变长度解码技术处理编码的视频信号，从而导出一组对应于当前帧数据的量化的离散余弦变换系数；

(b)根据当前帧的量化参数将该组量化的离散余弦变换系数转换成一组离散余弦变换系数，其中当前帧的量化系数对应于当前帧中的宏块；

(c)根据在该当前帧数据之前被解码的先前帧数据，检测该当前帧数据的复杂度；

(d)根据该组离散余弦变换系数和当前帧数据的复杂度，在一预设区域内过滤该组离散余弦变换系数的高频分量，从而产生一组过滤的离散余弦变换系数；

(e)将该组过滤的离散余弦变换系数转换成一组逆离散余弦变换系数数据；

(f)根据该组逆离散余弦变换数据和先前帧数据，通过使用运动补偿，产生当前帧数据；及

(g)提供该当前帧数据作为解码的视频信号，

其中步骤(c)包括以下步骤：

(c1)对与当前帧之前被处理的先前帧内多个宏块相对应的该先前帧的量化参数进行平均；及

(c2)提供先前帧的平均量化参数作为当前帧数据的复杂度。

2、根据权利要求1的方法，其中步骤(d)包括以下步骤：

(d1)根据当前帧数据的复杂度产生一过滤控制信号；及

(d2)响应于过滤控制信号，对预设区域内的该组离散余弦变换系数的高频分量进行过滤，以生成该组过滤的离散余弦变换系数。

3、根据权利要求1的方法，其中该预设区域内的该组离散余弦变换系数的高频分量被设成为一数字值“0”。

4、根据权利要求3的方法，其中该过滤控制信号具有两个以上的逻辑电平以自适应过滤该组离散余弦变换数的高频分量。

5、根据权利要求4的方法，其中过滤控制信号被确定为：

   C＝1                          如果AQP≤16

    ＝1+ROUND{(AQP-16)/5}        如果AQP＞16

其中C为过滤控制信号，AQP表示先前帧的平均量化参数，及ROUND是一将其运算量化整到最接近的整数的运算指令。

6、根据权利要求5的方法，其中该预设区域响应过滤控制信号而被改变，预设区域的宽度随着过滤控制信号的增大而变大。

7、一种用于对一编码的视频信号进行解码而产生一解码的视频信号的装置，其中该解码的视频信号包括一先前帧和一当前帧，并在逐宏块的基础上被处理，各帧的帧数据包含象素值，该装置包括有：

装置，用于存储在当前帧之前被解码的先前帧数据；

装置，用于通过使用可变长度解码技术处理编码的视频信号，从而导出一组量化的离散余弦变换系数；

装置，用于根据当前帧的量化参数将该组量化的离散余弦变换系数转换成一组离散余弦变换系数，其中当前帧的量化系数对应于当前帧中的宏块；

装置，用于根据该组离散余弦变换系数和当前帧数据，在一预设区域内过滤该组离散余弦变换系数的高频分量，从而产生一组过滤的离散余弦变换系数；

装置，用于将该组过滤的离散余弦变换系数转换成一组逆离散余弦变换系数数据；

装置，用于根据该组逆离散余弦变换数据和先前帧数据，通过使用运动补偿，产生当前帧数据；及

装置，用于提供该当前帧数据作为新的先前帧数据给存储装置并提供该当前帧数据作为解码的视频信号，

其中过滤装置包括：

装置，用于根据对应于先前帧内宏块的该先前帧的量化参数，检测当前帧数据的复杂度；

装置，用于响应于当前帧数据的复杂度，产生一过滤控制信号；及

装置，用于响应过滤控制信号，过滤预设区域内该组离散余弦变换系数的高频分量，以产生该组过滤的离散余弦变换系数。

8、根据权利要求7的装置，其中检测装置包括：

装置，用于平均对应于在当前帧之前的处理的先前帧内的宏块的先前帧的量化参数；

存储装置，用于存储该先前帧的平均量化参数；及

装置，用于提供该先前帧的平均量化参数作为当前帧数据的复杂度。

9、根据权利要求8的装置，其中该预设区域内该组离散余弦变换系数的高频分量被设成为数字值“0”。

10、根据权利要求9的装置，其中该过滤控制信号具有两个以上的逻辑电平，以自适应地过滤该组离散余弦变换系数的高频分量。

11、根据权利要求10的装置，其中该过滤控制信号被确定为

         C＝1                       如果AQP≤16

          ＝1+ROUND{(AQP-16)/5}     如果AQP＞16

其中C为过滤控制信号，AQP表示先前帧的平均量化参数，及ROUND是一将其运算量化整到最接近的整数的运算指令。

12、根据权利要求11的装置，其中该预设区域响应过滤控制信号而被改变，预设区域的宽度随着过滤控制信号的增大而变大。