CN113395521A - 图像编码和解码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了图像编码和解码方法及装置，该方法包括：源设备对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据基本层信息和图像得到增强层信息；获取控制层信息；分别对控制层信息、基本层信息和增强层信息进行编码和调制得到多个符号集合；将多个符号集合映射至资源上发送。目的设备对信号进行解映射得到控制层信息的第一符号集合、基本层信息的第二符号集合以及增强层信息的第三符号集合；对第一符号集合进行解调制和解码得到控制层信息；根据控制层信息分别对第二符号集合和第三符号集合进行解调制和信道解码得到基本层信息和增强层信息；根据基本层信息和增强层信息得到图像。实施本申请能够保障传输过程中的鲁棒性并提升总体压缩效率和性能。

Description

图像编码和解码方法及装置
技术领域
本申请实施例涉及多媒体通信技术，尤其涉及一种图像编码和解码方法及装置。
背景技术
随着信息技术的发展，人们提出随时随地享受诸如语音、数据、图像、视频等综合业务及不同种类多媒体业务的更高要求，因此多媒体通信己成为人们关注的焦点。视频是多媒体数据的重要组成部分，它具有确切、实时、直观、具体、生动等一系列的优点，给用户带来视听上的体验。未来几年，无线视频服务将会有更为广阔的发展前景，而无线视频的编码与传输技术也成为当前多媒体通信领域的研究热点。由于无线信道带宽有限，视频数据需要高效压缩，然而，视频编码采用的预测编码和变长编码等技术在高效压缩的同时也使得码流对信道的误码率的要求非常高。由于无线信道存在各种噪声干扰，因此如何在无线信道上传输高品质视频是一项极具挑战的课题。编码是其中的关键问题之一。编码主要分为信源编码和信道编码：信源编码的主要指标是编码效率；信道编码的主要目标是提高信息传送的可靠性。
相关技术中，采用基于信源和信道联合编码的数字视频通信系统，可以实现自适应信道编码的软传输，但是其信源编码的压缩效率低，进而导致总体传输效率低。
发明内容
本申请实施例提供一种图像编码和解码方法及装置，以保障传输过程中的鲁棒性并提升总体压缩效率和性能。
第一方面，本申请实施例提供一种图像编码方法，包括：对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；将所述多个符号集合映射至资源上发送出去。
本申请对信源进行编码处理后得到的基本层信息，将原始信源与该基本层信息之间的残差信息作为增强层信息，再结合处理过程中产生的以及来自高层的控制层信息，分别采用独立的、且各不相同的编码/解码算法和调制/解调方式，其中基本层信息包含了图像的轮廓或粗略信息，基于该信息恢复的图像，用户可以从中获得原始图像传达的大体意思，而且基本层信息具有极低的数据量，相比原始信源的比特率降低几百甚至上千倍，可以采用较低码率的编码/解码算法和低阶的调制/解调方式来完成后续处理，保障传输过程中的鲁棒性。增强层信息无法单独恢复出可以识别的图像，其要在基本层信息的基础上，用于增强基本层的视觉效果，可以根据增强层信息中各子增强层信息的重要性，采用相较于基本层信息更高码率的编码/解码算法和更高阶的调制/解调方式来完成后续处理。而控制层信息包括高层的控制信息，及基本层信息和增强层信息在处理过程中涉及的控制信息，基于其重要性，也可以采用较低码率的编码/解码算法和低阶的调制/解调方式来完成后续处理，保障传输过程中的鲁棒性。这种分层的处理方式，可以得到稀疏性更强的待压缩信息比特流，有利于提升总体压缩效率和性能。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息，包括：对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；计算所述图像和所述恢复图像的残差得到残差信息；对所述残差信息进行分块、变换和量化处理得到所述增强层信息。
在一种可能的实现方式中，所述分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合，包括：对所述控制层信息采用第一编码算法进行信道编码，并采用第一调制方式进行调制得到第一符号集合；对所述基本层信息采用第二编码算法进行信道编码，并采用第二调制方式进行调制得到第二符号集合；对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，所述至少一种编码算法不包括所述第一编码算法和所述第二编码算法，所述至少一种调制方式不包括所述第一调制方式和所述第二调制方式。
在一种可能的实现方式中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度；所述对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，包括：对所述N个子增强层信息分别采用所述至少一种编码算法中的一种编码算法进行信道编码得到N个比特流，对所述子增强层信息采用的编码算法与所述子增强层信息的重要性相关；对所述N个比特流进行拼接、交织或加扰得到M个调制对象；对所述M个调制对象分别采用所述至少一种调制方式中的一种调制方式进行调制得到M个符号集合，对所述调制对象采用的调制方式与所述调制对象的重要性相关；对所述M个符号集合进行拼接得到所述第三符号集合。
在一种可能的实现方式中，所述将所述多个符号集合映射至资源上发送出去，包括：用第一帧发送所述多个符号集合，所述第一帧包括：导频、帧头、所述基本层信息的控制信息、所述基本层信息、所述增强层信息的控制信息和所述增强层信息；其中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述增强层信息的控制信息包括分别对应于所述N个子增强层信息的N个子控制层信息。
第二方面，本申请实施例提供一种图像解码方式，包括：接收资源上承载的信号，并对所述信号进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。
在一种可能的实现方式中，所述对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，包括：对所述第一符号集合采用第一解调方式进行解调制，并采用第一解码算法进行信道解码得到所述控制层信。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息，包括：根据所述控制层信息对所述第二符号集合采用第二解调方式进行解调制，并采用第二解码算法进行信道解码得到所述基本层信息；根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，所述至少一种解调方式不包括所述第一解调方式和所述第二解调方式，所述至少一种解码算法不包括所述第一解码算法和所述第二解码算法。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，包括：根据所述控制层信息对所述第三符号集合进行拆分得到M个符号集合；对所述M个符号集合分别采用所述至少一种解调方式中的一种解调方式进行解调得到M个解调对象，对所述符号集合采用的解调方式与所述符号集合的重要性相关；对所述M个解调对象进行解扰、解交织或拆分得到N个比特流；对所述N个比特流分别采用所述至少一种解码算法中的一种解码算法进行解码得到N个子增强层信息，对所述比特流采用的解码算法与所述比特流的重要性相关，所述增强层信息包括所述N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像，包括：对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；对所述增强层信息进行信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息；根据所述恢复图像和所述残差信息得到所述图像。
第三方面，本申请实施例提供一种编码装置，包括：处理模块，用于对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；发送模块，用于将所述多个符号集合映射至资源上发送出去。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；计算所述图像和所述恢复图像的残差得到残差信息；对所述残差信息进行分块、变换和量化处理得到所述增强层信息。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于对所述控制层信息采用第一编码算法进行信道编码，并采用第一调制方式进行调制得到第一符号集合；对所述基本层信息采用第二编码算法进行信道编码，并采用第二调制方式进行调制得到第二符号集合；对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，所述至少一种编码算法不包括所述第一编码算法和所述第二编码算法，所述至少一种调制方式不包括所述第一调制方式和所述第二调制方式。
在一种可能的实现方式中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度；所述处理模块，具体用于对所述N个子增强层信息分别采用所述至少一种编码算法中的一种编码算法进行信道编码得到N个比特流，对所述子增强层信息采用的编码算法与所述子增强层信息的重要性相关；对所述N个比特流进行拼接、交织或加扰得到M个调制对象；对所述M个调制对象分别采用所述至少一种调制方式中的一种调制方式进行调制得到M个符号集合，对所述调制对象采用的调制方式与所述调制对象的重要性相关；对所述M个符号集合进行拼接得到所述第三符号集合。
在一种可能的实现方式中，所述发送模块，具体用于用第一帧发送所述多个符号集合，所述第一帧包括：导频、帧头、所述基本层信息的控制信息、所述基本层信息、所述增强层信息的控制信息和所述增强层信息；其中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述增强层信息的控制信息包括分别对应于所述N个子增强层信息的N个子控制层信息。
第四方面，本申请实施例提供一种解码装置，包括：接收模块，用于接收资源上承载的信号；处理模块，用于对所述信号进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于对所述第一符号集合采用第一解调方式进行解调制，并采用第一解码算法进行信道解码得到所述控制层信。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于根据所述控制层信息对所述第二符号集合采用第二解调方式进行解调制，并采用第二解码算法进行信道解码得到所述基本层信息；根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，所述至少一种解调方式不包括所述第一解调方式和所述第二解调方式，所述至少一种解码算法不包括所述第一解码算法和所述第二解码算法。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于根据所述控制层信息对所述第三符号集合进行拆分得到M个符号集合；对所述M个符号集合分别采用所述至少一种解调方式中的一种解调方式进行解调得到M个解调对象，对所述符号集合采用的解调方式与所述符号集合的重要性相关；对所述M个解调对象进行解扰、解交织或拆分得到N个比特流；对所述N个比特流分别采用所述至少一种解码算法中的一种解码算法进行解码得到N个子增强层信息，对所述比特流采用的解码算法与所述比特流的重要性相关，所述增强层信息包括所述N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块，具体用于对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；对所述增强层信息进行信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息；根据所述恢复图像和所述残差信息得到所述图像。
第五方面，本申请实施例提供一种编码装置，用于执行上述第一方面或第一方面任意可能的实现方式，具体细节可参见上述第一方面或第一方面任意可能的实现方式，此处不再赘述。
第六方面，本申请实施例提供一种解码装置，用于执行上述第二方面或第二方面任意可能的实现方式，具体细节可参见上述第二方面或第二方面任意可能的实现方式，此处不再赘述。
第七方面，本申请实施例提供一种编码装置，所述装置包括处理电路和与所述处理电路内部连接通信的输出接口，所述处理电路用于对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；将所述多个符号集合映射至资源上生成第一帧；所述输出接口用于发送所述第一帧。
第八方面，本申请实施例提供一种解码装置，所述装置包括处理电路和与所述处理电路内部连接通信的输入接口，所述输入接口用于接收第一帧；所述处理电路用于对所述第一帧进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。
第九方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序包括用于执行上述第一方面或第一方面任意可能的实现方式的指令。
第十方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序包括用于执行上述第二方面或第二方面任意可能的实现方式的指令。
第十一方面，本申请实施例提供一种计算机程序，所述计算机程序包括用于执行上述第一方面或第一方面任意可能的实现方式的指令。
第十二方面，本申请实施例提供一种计算机程序，所述计算机程序包括用于执行上述第二方面或第二方面任意可能的实现方式的指令。
第十三方面，本申请实施例提供一种通信系统，所述通信系统包括上述第三方面或第五方面或第七方面所提供的编码装置，和，上述第四方面或第六方面或第八方面所提供的解码装置。
附图说明
图1A是用于实现本申请实施例的视频编码及解码系统10实例的框图；
图1B是用于实现本申请实施例的视频译码系统40实例的框图；
图2是用于实现本申请实施例的编码器20实例结构的框图；
图3是用于实现本申请实施例的解码器30实例结构的框图；
图4是用于实现本申请实施例的视频译码设备400实例的框图；
图5是用于实现本申请实施例的另一种编码装置或解码装置实例的框图；
图6是用于实现本申请的一种图像编码和解码方法的流程示意图；
图7是16×16图像的一个像素分布图；
图8是变换系数的一个示意图；
图9是量化后的变换系数的一个示意图；
图10是系数读取顺序的一个示意图；
图11是比特平面的一个示意图；
图12是用于实现本申请的一种图像编码和解码方法的流程示意图；
图13是本申请的一种数据流分层示意图；
图14为本申请实施例中的编码装置的一种示意性框图；
图15为本申请实施例中的解码装置的一种示意性框图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。以下描述中，参考形成本公开一部分并以说明之方式示出本申请实施例的具体方面或可使用本申请实施例的具体方面的附图。应理解，本申请实施例可在其它方面中使用，并可包括附图中未描绘的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本申请的范围由所附权利要求书界定。例如，应理解，结合所描述方法的揭示内容可以同样适用于用于执行所述方法的对应设备或系统，且反之亦然。例如，如果描述一个或多个具体方法步骤，则对应的设备可以包含如功能单元等一个或多个单元，来执行所描述的一个或多个方法步骤(例如，一个单元执行一个或多个步骤，或多个单元，其中每个都执行多个步骤中的一个或多个)，即使附图中未明确描述或说明这种一个或多个单元。另一方面，例如，如果基于如功能单元等一个或多个单元描述具体装置，则对应的方法可以包含一个步骤来执行一个或多个单元的功能性(例如，一个步骤执行一个或多个单元的功能性，或多个步骤，其中每个执行多个单元中一个或多个单元的功能性)，即使附图中未明确描述或说明这种一个或多个步骤。进一步，应理解的是，除非另外明确提出，本申请中所描述的各示例性实施例和/或方面的特征可以相互组合。
本申请实施例所涉及的技术方案不仅可以应用于现有的视频编码标准中(如H.264、HEVC等标准)，还可以应用于未来的视频编码标准中(如H.266标准)，甚至未来的蜂窝、WIFI等通信标准。本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。下面先对本申请实施例在可能的涉及的一些概念进行简单介绍。
视频编码通常是指处理形成视频或视频序列的图片序列。在视频编码领域，术语“图片(picture)”、“帧(frame)”或“图像(image)”可以用作同义词。本申请中使用的视频编码表示视频编码或视频解码。视频编码在源侧执行，通常包括处理(例如，通过压缩)原始视频图片以减少表示该视频图片所需的数据量，从而更高效地存储和/或传输。视频解码在目的地侧执行，通常包括相对于编码器作逆处理，以重构视频图片。实施例涉及的视频图片“编码”应理解为涉及视频序列的“编码”或“解码”。编码部分和解码部分的组合也称为编解码(编码和解码)。
视频序列包括一系列图像(picture)，图像被进一步划分为切片(slice)，切片再被划分为块(block)。视频编码以块为单位进行编码处理，在一些新的视频编码标准中，块的概念被进一步扩展。例如，在H.264标准中有宏块(macroblock，MB)，宏块可进一步划分成多个可用于预测编码的预测块(partition)。在高性能视频编码(high efficiency videocoding，HEVC)标准中，采用编码单元(coding unit，CU)，预测单元(prediction unit，PU)和变换单元(transform unit，TU)等基本概念，从功能上划分了多种块单元，并采用全新的基于树结构进行描述。例如CU可以按照四叉树进行划分为更小的CU，而更小的CU还可以继续划分，从而形成一种四叉树结构，CU是对编码图像进行划分和编码的基本单元。对于PU和TU也有类似的树结构，PU可以对应预测块，是预测编码的基本单元。对CU按照划分模式进一步划分成多个PU。TU可以对应变换块，是对预测残差进行变换的基本单元。然而，无论CU，PU还是TU，本质上都属于块(或称图像块)的概念。
为了便于描述和理解，可将当前编码图像中待编码的图像块称为当前块，例如在编码中，指当前正在编码的块；在解码中，指当前正在解码的块。将参考图像中用于对当前块进行预测的已解码的图像块称为参考块，即参考块是为当前块提供参考信号的块，其中，参考信号表示图像块内的像素值。可将参考图像中为当前块提供预测信号的块为预测块，其中，预测信号表示预测块内的像素值或者采样值或者采样信号。例如，在遍历多个参考块以后，找到了最佳参考块，此最佳参考块将为当前块提供预测，此块称为预测块。
无损视频编码情况下，可以重构原始视频图片，即经重构视频图片具有与原始视频图片相同的质量(假设存储或传输期间没有传输损耗或其它数据丢失)。在有损视频编码情况下，通过例如量化执行进一步压缩，来减少表示视频图片所需的数据量，而解码器侧无法完全重构视频图片，即经重构视频图片的质量相比原始视频图片的质量较低或较差。
H.261的几个视频编码标准属于“有损混合型视频编解码”(即，将样本域中的空间和时间预测与变换域中用于应用量化的2D变换编码结合)。视频序列的每个图片通常分割成不重叠的块集合，通常在块层级上进行编码。换句话说，编码器侧通常在块(视频块)层级处理亦即编码视频，例如，通过空间(图片内)预测和时间(图片间)预测来产生预测块，从当前块(当前处理或待处理的块)减去预测块以获取残差块，在变换域变换残差块并量化残差块，以减少待传输(压缩)的数据量，而解码器侧将相对于编码器的逆处理部分应用于经编码或经压缩块，以重构用于表示的当前块。另外，编码器复制解码器处理循环，使得编码器和解码器生成相同的预测(例如帧内预测和帧间预测)和/或重构，用于处理亦即编码后续块。
下面描述本申请实施例所应用的系统架构。参见图1A，图1A示例性地给出了本申请实施例所应用的视频编码及解码系统10的示意性框图。如图1A所示，视频编码及解码系统10可包括源设备12和目的设备14，源设备12产生经编码视频数据，因此，源设备12可被称为视频编码装置。目的设备14可对由源设备12所产生的经编码的视频数据进行解码，因此，目的设备14可被称为视频解码装置。源设备12、目的设备14或两个的各种实施方案可包含一或多个处理器以及耦合到所述一或多个处理器的存储器。所述存储器可包含但不限于RAM、ROM、EEPROM、快闪存储器或可用于以可由计算机存取的指令或数据结构的形式存储所要的程序代码的任何其它媒体，如本申请所描述。源设备12和目的设备14可以包括各种装置，包含桌上型计算机、移动计算装置、笔记型(例如，膝上型)计算机、平板计算机、机顶盒、例如所谓的“智能”电话等电话手持机、电视机、相机、显示装置、数字媒体播放器、视频游戏控制台、车载计算机、无线通信设备或其类似者。
虽然图1A将源设备12和目的设备14绘示为单独的设备，但设备实施例也可以同时包括源设备12和目的设备14或同时包括两者的功能性，即源设备12或对应的功能性以及目的设备14或对应的功能性。在此类实施例中，可以使用相同硬件和/或软件，或使用单独的硬件和/或软件，或其任何组合来实施源设备12或对应的功能性以及目的设备14或对应的功能性。
源设备12和目的设备14之间可通过链路13进行通信连接，目的设备14可经由链路13从源设备12接收经编码视频数据。链路13可包括能够将经编码视频数据从源设备12移动到目的设备14的一或多个媒体或装置。在一个实例中，链路13可包括使得源设备12能够实时将经编码视频数据直接发射到目的设备14的一或多个通信媒体。在此实例中，源设备12可根据通信标准(例如无线通信协议)来调制经编码视频数据，且可将经调制的视频数据发射到目的设备14。所述一或多个通信媒体可包含无线和/或有线通信媒体，例如射频(RF)频谱或一或多个物理传输线。所述一或多个通信媒体可形成基于分组的网络的一部分，基于分组的网络例如为局域网、广域网或全球网络(例如，因特网)。所述一或多个通信媒体可包含路由器、交换器、基站或促进从源设备12到目的设备14的通信的其它设备。
源设备12包括编码器20，另外可选地，源设备12还可以包括图片源16、图片预处理器18、以及通信接口22。具体实现形态中，所述编码器20、图片源16、图片预处理器18、以及通信接口22可能是源设备12中的硬件部件，也可能是源设备12中的软件程序。
分别描述如下：
图片源16，可以包括或可以为任何类别的图片捕获设备，用于例如捕获现实世界图片，和/或任何类别的图片或评论(对于屏幕内容编码，屏幕上的一些文字也认为是待编码的图片或图像的一部分)生成设备，例如，用于生成计算机动画图片的计算机图形处理器，或用于获取和/或提供现实世界图片、计算机动画图片(例如，屏幕内容、虚拟现实(virtual reality，VR)图片)的任何类别设备，和/或其任何组合(例如，实景(augmentedreality，AR)图片)。图片源16可以为用于捕获图片的相机或者用于存储图片的存储器，图片源16还可以包括存储先前捕获或产生的图片和/或获取或接收图片的任何类别的(内部或外部)接口。当图片源16为相机时，图片源16可例如为本地的或集成在源设备中的集成相机；当图片源16为存储器时，图片源16可为本地的或例如集成在源设备中的集成存储器。当所述图片源16包括接口时，接口可例如为从外部视频源接收图片的外部接口，外部视频源例如为外部图片捕获设备，例如相机、外部存储器或外部图片生成设备，外部图片生成设备例如为外部计算机图形处理器、计算机或服务器。接口可以为根据任何专有或标准化接口协议的任何类别的接口，例如有线或无线接口、光接口。
其中，图片可以视为像素点(picture element)的二维阵列或矩阵。阵列中的像素点也可以称为采样点。阵列或图片在水平和垂直方向(或轴线)上的采样点数目定义图片的尺寸和/或分辨率。为了表示颜色，通常采用三个颜色分量，即图片可以表示为或包含三个采样阵列。例如在RBG格式或颜色空间中，图片包括对应的红色、绿色及蓝色采样阵列。但是，在视频编码中，每个像素通常以亮度/色度格式或颜色空间表示，例如对于YUV格式的图片，包括Y指示的亮度分量(有时也可以用L指示)以及U和V指示的两个色度分量。亮度(luma)分量Y表示亮度或灰度水平强度(例如，在灰度等级图片中两者相同)，而两个色度(chroma)分量U和V表示色度或颜色信息分量。相应地，YUV格式的图片包括亮度采样值(Y)的亮度采样阵列，和色度值(U和V)的两个色度采样阵列。RGB格式的图片可以转换或变换为YUV格式，反之亦然，该过程也称为色彩变换或转换。如果图片是黑白的，该图片可以只包括亮度采样阵列。本申请实施例中，由图片源16传输至图片处理器的图片也可称为原始图片数据17。
图片预处理器18，用于接收原始图片数据17并对原始图片数据17执行预处理，以获取经预处理的图片19或经预处理的图片数据19。例如，图片预处理器18执行的预处理可以包括整修、色彩格式转换(例如，从RGB格式转换为YUV格式)、调色或去噪。
编码器20(或称视频编码器20)，用于接收经预处理的图片数据19，采用相关预测模式(如本申请各个实施例中的预测模式)对经预处理的图片数据19进行处理，从而提供经编码图片数据21(下文将进一步基于图2或图4或图5描述编码器20的结构细节)。
通信接口22，可用于接收经编码图片数据21，并可通过链路13将经编码图片数据21传输至目的设备14或任何其它设备(如存储器)，以用于存储或直接重构，所述其它设备可为任何用于解码或存储的设备。通信接口22可例如用于将经编码图片数据21封装成合适的格式，例如数据包，以在链路13上传输。
目的设备14包括解码器30，另外可选地，目的设备14还可以包括通信接口28、图片后处理器32和显示设备34。分别描述如下：
通信接口28，可用于从源设备12或任何其它源接收经编码图片数据21，所述任何其它源例如为存储设备，存储设备例如为经编码图片数据存储设备。通信接口28可以用于藉由源设备12和目的设备14之间的链路13或藉由任何类别的网络传输或接收经编码图片数据21，链路13例如为直接有线或无线连接，任何类别的网络例如为有线或无线网络或其任何组合，或任何类别的私网和公网，或其任何组合。通信接口28可以例如用于解封装通信接口22所传输的数据包以获取经编码图片数据21。
通信接口28和通信接口22都可以配置为单向通信接口或者双向通信接口，以及可以用于例如发送和接收消息来建立连接、确认和交换任何其它与通信链路和/或例如经编码图片数据传输的数据传输有关的信息。
解码器30(或称为解码器30)，用于接收经编码图片数据21并提供经解码图片数据31或经解码图片31(下文将进一步基于图3或图4或图5描述解码器30的结构细节)。
图片后处理器32，用于对经解码图片数据31(也称为经重构图片数据)执行后处理，以获得经后处理图片数据33。图片后处理器32执行的后处理可以包括：色彩格式转换(例如，从YUV格式转换为RGB格式)、调色、整修或重采样，或任何其它处理，还可用于将将经后处理图片数据33传输至显示设备34。
显示设备34，用于接收经后处理图片数据33以向例如用户或观看者显示图片。显示设备34可以为或可以包括任何类别的用于呈现经重构图片的显示器，例如，集成的或外部的显示器或监视器。例如，显示器可以包括液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示器、等离子显示器、投影仪、微LED显示器、硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)、数字光处理器(digitallight processor，DLP)或任何类别的其它显示器。
虽然，图1A将源设备12和目的设备14绘示为单独的设备，但设备实施例也可以同时包括源设备12和目的设备14或同时包括两者的功能性，即源设备12或对应的功能性以及目的设备14或对应的功能性。在此类实施例中，可以使用相同硬件和/或软件，或使用单独的硬件和/或软件，或其任何组合来实施源设备12或对应的功能性以及目的设备14或对应的功能性。
本领域技术人员基于描述明显可知，不同单元的功能性或图1A所示的源设备12和/或目的设备14的功能性的存在和(准确)划分在可能的根据实际设备和应用有所不同。源设备12和目的设备14可以包括各种设备中的任一个，包含任何类别的手持或静止设备，例如，笔记本或膝上型计算机、移动电话、智能手机、平板或平板计算机、摄像机、台式计算机、机顶盒、电视机、相机、车载设备、显示设备、数字媒体播放器、视频游戏控制台、视频流式传输设备(例如内容服务服务器或内容分发服务器)、广播接收器设备、广播发射器设备等，并可以不使用或使用任何类别的操作系统。
编码器20和解码器30都可以实施为各种合适电路中的任一个，例如，一个或多个微处理器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、离散逻辑、硬件或其任何组合。如果部分地以软件实施所述技术，则设备可将软件的指令存储于合适的非暂时性计算机可读存储介质中，且可使用一或多个处理器以硬件执行指令从而执行本公开的技术。前述内容(包含硬件、软件、硬件与软件的组合等)中的任一者可视为一或多个处理器。
在一些情况下，图1A中所示视频编码及解码系统10仅为示例，本申请的技术可以适用于不必包含编码和解码设备之间的任何数据通信的视频编码设置(例如，视频编码或视频解码)。在其它实例中，数据可从本地存储器检索、在网络上流式传输等。视频编码设备可以对数据进行编码并且将数据存储到存储器，和/或视频解码设备可以从存储器检索数据并且对数据进行解码。在一些实例中，由并不彼此通信而是仅编码数据到存储器和/或从存储器检索数据且解码数据的设备执行编码和解码。
参见图1B，图1B是根据一示例性实施例的包含图2的编码器20和/或图3的解码器30的视频译码系统40的实例的说明图。视频译码系统40可以实现本申请实施例的各种技术的组合。在所说明的实施方式中，视频译码系统40可以包含成像设备41、编码器20、解码器30(和/或藉由处理单元46的逻辑电路47实施的视频编/解码器)、天线42、一个或多个处理器43、一个或多个存储器44和/或显示设备45。
如图1B所示，成像设备41、天线42、处理单元46、逻辑电路47、编码器20、解码器30、处理器43、存储器44和/或显示设备45能够互相通信。如所论述，虽然用编码器20和解码器30绘示视频译码系统40，但在不同实例中，视频译码系统40可以只包含编码器20或只包含解码器30。
在一些实例中，天线42可以用于传输或接收视频数据的经编码比特流。另外，在一些实例中，显示设备45可以用于呈现视频数据。在一些实例中，逻辑电路47可以通过处理单元46实施。处理单元46可以包含专用集成电路(application-specific integratedcircuit，ASIC)逻辑、图形处理器、通用处理器等。视频译码系统40也可以包含可选的处理器43，该可选处理器43类似地可以包含专用集成电路(application-specific integratedcircuit，ASIC)逻辑、图形处理器、通用处理器等。在一些实例中，逻辑电路47可以通过硬件实施，如视频编码专用硬件等，处理器43可以通过通用软件、操作系统等实施。另外，存储器44可以是任何类型的存储器，例如易失性存储器(例如，静态随机存取存储器(StaticRandom Access Memory，SRAM)、动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等)或非易失性存储器(例如，闪存等)等。在非限制性实例中，存储器44可以由超速缓存内存实施。在一些实例中，逻辑电路47可以访问存储器44(例如用于实施图像缓冲器)。在其它实例中，逻辑电路47和/或处理单元46可以包含存储器(例如，缓存等)用于实施图像缓冲器等。
在一些实例中，通过逻辑电路实施的编码器20可以包含(例如，通过处理单元46或存储器44实施的)图像缓冲器和(例如，通过处理单元46实施的)图形处理单元。图形处理单元可以通信耦合至图像缓冲器。图形处理单元可以包含通过逻辑电路47实施的编码器20，以实施参照图2和/或本申请中所描述的任何其它编码器系统或子系统所论述的各种模块。逻辑电路可以用于执行本申请所论述的各种操作。
在一些实例中，解码器30可以以类似方式通过逻辑电路47实施，以实施参照图3的解码器30和/或本申请中所描述的任何其它解码器系统或子系统所论述的各种模块。在一些实例中，逻辑电路实施的解码器30可以包含(通过处理单元2820或存储器44实施的)图像缓冲器和(例如，通过处理单元46实施的)图形处理单元。图形处理单元可以通信耦合至图像缓冲器。图形处理单元可以包含通过逻辑电路47实施的解码器30，以实施参照图3和/或本申请中所描述的任何其它解码器系统或子系统所论述的各种模块。
在一些实例中，天线42可以用于接收视频数据的经编码比特流。如所论述，经编码比特流可以包含本申请所论述的与编码视频帧相关的数据、指示符、索引值、模式选择数据等，例如与编码分割相关的数据(例如，变换系数或经量化变换系数，(如所论述的)可选指示符，和/或定义编码分割的数据)。视频译码系统40还可包含耦合至天线42并用于解码经编码比特流的解码器30。显示设备45用于呈现视频帧。
应理解，本申请实施例中对于参考编码器20所描述的实例，解码器30可以用于执行相反过程。关于信令语法元素，解码器30可以用于接收并解析这种语法元素，相应地解码相关视频数据。在一些例子中，编码器20可以将语法元素熵编码成经编码视频比特流。在此类实例中，解码器30可以解析这种语法元素，并相应地解码相关视频数据。
需要说明的是，本申请实施例描述的图像编码和解码方法主要用于信源和信道的联合编解码过程，此过程中编码器20和解码器30均存在，本申请实施例中的编码器20和解码器30可以是例如H.263、H.264、HEVV、MPEG-2、MPEG-4、VP8、VP9等视频标准协议或者下一代视频标准协议(如H.266等)对应的编/解码器。
参见图2，图2示出用于实现本申请实施例的编码器20的实例的示意性/概念性框图。在图2的实例中，编码器20包括残差计算单元204、变换处理单元206、量化单元208、逆量化单元210、逆变换处理单元212、重构单元214、缓冲器216、环路滤波器单元220、经解码图片缓冲器(decoded picture buffer，DPB)230、预测处理单元260和熵编码单元270。预测处理单元260可以包含帧间预测单元244、帧内预测单元254和模式选择单元262。帧间预测单元244可以包含运动估计单元和运动补偿单元(未图示)。图2所示的编码器20也可以称为混合型视频编码器或根据混合型视频编解码器的视频编码器。
例如，残差计算单元204、变换处理单元206、量化单元208、预测处理单元260和熵编码单元270形成编码器20的前向信号路径，而例如逆量化单元210、逆变换处理单元212、重构单元214、缓冲器216、环路滤波器220、经解码图片缓冲器(decoded picture buffer，DPB)230、预测处理单元260形成编码器的后向信号路径，其中编码器的后向信号路径对应于解码器的信号路径(参见图3中的解码器30)。
编码器20通过例如输入202，接收图片201或图片201的图像块203，例如，形成视频或视频序列的图片序列中的图片。图像块203也可以称为当前图片块或待编码图片块，图片201可以称为当前图片或待编码图片(尤其是在视频编码中将当前图片与其它图片区分开时，其它图片例如同一视频序列亦即也包括当前图片的视频序列中的先前经编码和/或经解码图片)。
编码器20的实施例可以包括分割单元(图2中未绘示)，用于将图片201分割成多个例如图像块203的块，通常分割成多个不重叠的块。分割单元可以用于对视频序列中所有图片使用相同的块大小以及定义块大小的对应栅格，或用于在图片或子集或图片群组之间更改块大小，并将每个图片分割成对应的块。
在一个实例中，编码器20的预测处理单元260可以用于执行上述分割技术的任何组合。
如图片201，图像块203也是或可以视为具有采样值的采样点的二维阵列或矩阵，虽然其尺寸比图片201小。换句话说，图像块203可以包括，例如，一个采样阵列(例如黑白图片201情况下的亮度阵列)或三个采样阵列(例如，彩色图片情况下的一个亮度阵列和两个色度阵列)或依据所应用的色彩格式的任何其它数目和/或类别的阵列。图像块203的水平和垂直方向(或轴线)上采样点的数目定义图像块203的尺寸。
如图2所示的编码器20用于逐块编码图片201，例如，对每个图像块203执行编码和预测。
残差计算单元204用于基于图片图像块203和预测块265(下文提供预测块265的其它细节)计算残差块205，例如，通过逐样本(逐像素)将图片图像块203的样本值减去预测块265的样本值，以在样本域中获取残差块205。
变换处理单元206用于在残差块205的样本值上应用例如离散余弦变换(discretecosine transform，DCT)或离散正弦变换(discrete sine transform，DST)的变换，以在变换域中获取变换系数207。变换系数207也可以称为变换残差系数，并在变换域中表示残差块205。
变换处理单元206可以用于应用DCT/DST的整数近似值，例如为HEVC/H.265指定的变换。与正交DCT变换相比，这种整数近似值通常由某一因子按比例缩放。为了维持经正变换和逆变换处理的残差块的范数，应用额外比例缩放因子作为变换过程的一部分。比例缩放因子通常是基于某些约束条件选择的，例如，比例缩放因子是用于移位运算的2的幂、变换系数的位深度、准确性和实施成本之间的权衡等。例如，在解码器30侧通过例如逆变换处理单元212为逆变换(以及在编码器20侧通过例如逆变换处理单元212为对应逆变换)指定具体比例缩放因子，以及相应地，可以在编码器20侧通过变换处理单元206为正变换指定对应比例缩放因子。
量化单元208用于例如通过应用标量量化或向量量化来量化变换系数207，以获取经量化变换系数209。经量化变换系数209也可以称为经量化残差系数209。量化过程可以减少与部分或全部变换系数207有关的位深度。例如，可在量化期间将n位变换系数向下舍入到m位变换系数，其中n大于m。可通过调整量化参数(quantization parameter，QP)修改量化程度。例如，对于标量量化，可以应用不同的标度来实现较细或较粗的量化。较小量化步长对应较细量化，而较大量化步长对应较粗量化。可以通过量化参数(quantizationparameter，QP)指示合适的量化步长。例如，量化参数可以为合适的量化步长的预定义集合的索引。例如，较小的量化参数可以对应精细量化(较小量化步长)，较大量化参数可以对应粗糙量化(较大量化步长)，反之亦然。量化可以包含除以量化步长以及例如通过逆量化210执行的对应的量化或逆量化，或者可以包含乘以量化步长。根据例如HEVC的一些标准的实施例可以使用量化参数来确定量化步长。一般而言，可以基于量化参数使用包含除法的等式的定点近似来计算量化步长。可以引入额外比例缩放因子来进行量化和反量化，以恢复可能由于在用于量化步长和量化参数的等式的定点近似中使用的标度而修改的残差块的范数。在一个实例实施方式中，可以合并逆变换和反量化的标度。或者，可以使用自定义量化表并在例如比特流中将其从编码器通过信号发送到解码器。量化是有损操作，其中量化步长越大，损耗越大。
逆量化单元210用于在经量化系数上应用量化单元208的逆量化，以获取经反量化系数211，例如，基于或使用与量化单元208相同的量化步长，应用量化单元208应用的量化方案的逆量化方案。经反量化系数211也可以称为经反量化残差系数211，对应于变换系数207，虽然由于量化造成的损耗通常与变换系数不相同。
逆变换处理单元212用于应用变换处理单元206应用的变换的逆变换，例如，逆离散余弦变换(discrete cosine transform，DCT)或逆离散正弦变换(discrete sinetransform，DST)，以在样本域中获取逆变换块213。逆变换块213也可以称为逆变换经反量化块213或逆变换残差块213。
重构单元214(例如，求和器214)用于将逆变换块213(即经重构残差块213)添加至预测块265，以在样本域中获取经重构块215，例如，将经重构残差块213的样本值与预测块265的样本值相加。
可选地，例如线缓冲器216的缓冲器单元216(或简称“缓冲器”216)用于缓冲或存储经重构块215和对应的样本值，用于例如帧内预测。在其它的实施例中，编码器可以用于使用存储在缓冲器单元216中的未经滤波的经重构块和/或对应的样本值来进行任何类别的估计和/或预测，例如帧内预测。
例如，编码器20的实施例可以经配置以使得缓冲器单元216不只用于存储用于帧内预测254的经重构块215，也用于环路滤波器单元220(在图2中未示出)，和/或，例如使得缓冲器单元216和经解码图片缓冲器单元230形成一个缓冲器。其它实施例可以用于将经滤波块221和/或来自经解码图片缓冲器230的块或样本(图2中均未示出)用作帧内预测254的输入或基础。
环路滤波器单元220(或简称“环路滤波器”220)用于对经重构块215进行滤波以获取经滤波块221，从而顺利进行像素转变或提高视频质量。环路滤波器单元220旨在表示一个或多个环路滤波器，例如去块滤波器、样本自适应偏移(sample-adaptive offset，SAO)滤波器或其它滤波器，例如双边滤波器、自适应环路滤波器(adaptive loop filter，ALF)，或锐化或平滑滤波器，或协同滤波器。尽管环路滤波器单元220在图2中示出为环内滤波器，但在其它配置中，环路滤波器单元220可实施为环后滤波器。经滤波块221也可以称为经滤波的经重构块221。经解码图片缓冲器230可以在环路滤波器单元220对经重构编码块执行滤波操作之后存储经重构编码块。
编码器20(对应地，环路滤波器单元220)的实施例可以用于输出环路滤波器参数(例如，样本自适应偏移信息)，例如，直接输出或由熵编码单元270或任何其它熵编码单元熵编码后输出，例如使得解码器30可以接收并应用相同的环路滤波器参数用于解码。
经解码图片缓冲器(decoded picture buffer，DPB)230可以为存储参考图片数据供编码器20编码视频数据之用的参考图片存储器。DPB 230可由多种存储器设备中的任一个形成，例如动态随机存储器(dynamic random access memory，DRAM)(包含同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、磁阻式RAM(magnetoresistive RAM，MRAM)、电阻式RAM(resistive RAM，RRAM))或其它类型的存储器设备。可以由同一存储器设备或单独的存储器设备提供DPB 230和缓冲器216。在某一实例中，经解码图片缓冲器(decoded picturebuffer，DPB)230用于存储经滤波块221。经解码图片缓冲器230可以进一步用于存储同一当前图片或例如先前经重构图片的不同图片的其它先前的经滤波块，例如先前经重构和经滤波块221，以及可以提供完整的先前经重构亦即经解码图片(和对应参考块和样本)和/或部分经重构当前图片(和对应参考块和样本)，例如用于帧间预测。在某一实例中，如果经重构块215无需环内滤波而得以重构，则经解码图片缓冲器(decoded picture buffer，DPB)230用于存储经重构块215。
预测处理单元260，也称为块预测处理单元260，用于接收或获取图像块203(当前图片201的当前图像块203)和经重构图片数据，例如来自缓冲器216的同一(当前)图片的参考样本和/或来自经解码图片缓冲器230的一个或多个先前经解码图片的参考图片数据231，以及用于处理这类数据进行预测，即提供可以为经帧间预测块245或经帧内预测块255的预测块265。
模式选择单元262可以用于选择预测模式(例如帧内或帧间预测模式)和/或对应的用作预测块265的预测块245或255，以计算残差块205和重构经重构块215。
模式选择单元262的实施例可以用于选择预测模式(例如，从预测处理单元260所支持的那些预测模式中选择)，所述预测模式提供最佳匹配或者说最小残差(最小残差意味着传输或存储中更好的压缩)，或提供最小信令开销(最小信令开销意味着传输或存储中更好的压缩)，或同时考虑或平衡以上两者。模式选择单元262可以用于基于码率失真优化(rate distortion optimization，RDO)确定预测模式，即选择提供最小码率失真优化的预测模式，或选择相关码率失真至少满足预测模式选择标准的预测模式。
下文将详细解释编码器20的实例(例如，通过预测处理单元260)执行的预测处理和(例如，通过模式选择单元262)执行的模式选择。
如上文所述，编码器20用于从(预先确定的)预测模式集合中确定或选择最好或最优的预测模式。预测模式集合可以包括例如帧内预测模式和/或帧间预测模式。
帧内预测模式集合可以包括35种不同的帧内预测模式，例如，如DC(或均值)模式和平面模式的非方向性模式，或如H.265中定义的方向性模式，或者可以包括67种不同的帧内预测模式，例如，如DC(或均值)模式和平面模式的非方向性模式，或如正在发展中的H.266中定义的方向性模式。
在可能的实现中，帧间预测模式集合取决于可用参考图片(即，例如前述存储在DBP230中的至少部分经解码图片)和其它帧间预测参数，例如取决于是否使用整个参考图片或只使用参考图片的一部分，例如围绕当前块的区域的搜索窗区域，来搜索最佳匹配参考块，和/或例如取决于是否应用如半像素和/或四分之一像素内插的像素内插，帧间预测模式集合例如可包括先进运动矢量(Advanced Motion Vector Prediction，AMVP)模式和融合(merge)模式。具体实施中，帧间预测模式集合可包括本申请实施例改进的基于控制点的AMVP模式，以及，改进的基于控制点的merge模式。在一个实例中，帧内预测单元254可以用于执行下文描述的帧间预测技术的任意组合。
除了以上预测模式，本申请实施例也可以应用跳过模式和/或直接模式。
预测处理单元260可以进一步用于将图像块203分割成较小的块分区或子块，例如，通过迭代使用四叉树(quad-tree，QT)分割、二进制树(binary-tree，BT)分割或三叉树(triple-tree，TT)分割，或其任何组合，以及用于例如为块分区或子块中的每一个执行预测，其中模式选择包括选择分割的图像块203的树结构和选择应用于块分区或子块中的每一个的预测模式。
帧间预测单元244可以包含运动估计(motion estimation，ME)单元(图2中未示出)和运动补偿(motion compensation，MC)单元(图2中未示出)。运动估计单元用于接收或获取图片图像块203(当前图片201的当前图片图像块203)和经解码图片231，或至少一个或多个先前经重构块，例如，一个或多个其它/不同先前经解码图片231的经重构块，来进行运动估计。例如，视频序列可以包括当前图片和先前经解码图片31，或换句话说，当前图片和先前经解码图片31可以是形成视频序列的图片序列的一部分，或者形成该图片序列。
例如，编码器20可以用于从多个其它图片中的同一或不同图片的多个参考块中选择参考块，并向运动估计单元(图2中未示出)提供参考图片和/或提供参考块的位置(X、Y坐标)与当前块的位置之间的偏移(空间偏移)作为帧间预测参数。该偏移也称为运动向量(motion vector，MV)。
运动补偿单元用于获取帧间预测参数，并基于或使用帧间预测参数执行帧间预测来获取帧间预测块245。由运动补偿单元(图2中未示出)执行的运动补偿可以包含基于通过运动估计(可能执行对子像素精确度的内插)确定的运动/块向量取出或生成预测块。内插滤波可从已知像素样本产生额外像素样本，从而潜在地增加可用于编码图片块的候选预测块的数目。一旦接收到用于当前图片块的PU的运动向量，运动补偿单元246可以在一个参考图片列表中定位运动向量指向的预测块。运动补偿单元246还可以生成与块和视频条带相关联的语法元素，以供解码器30在解码视频条带的图片块时使用。
具体的，上述帧间预测单元244可向熵编码单元270传输语法元素，所述语法元素包括帧间预测参数(例如遍历多个帧间预测模式后选择用于当前块预测的帧间预测模式的指示信息)。在可能的应用场景中，如果帧间预测模式只有一种，那么也可以不在语法元素中携带帧间预测参数，此时解码端30可直接使用默认的预测模式进行解码。可以理解的，帧间预测单元244可以用于执行帧间预测技术的任意组合。
帧内预测单元254用于获取，例如接收同一图片的图片块203(当前图片块)和一个或多个先前经重构块，例如经重构相相邻块，以进行帧内估计。例如，编码器20可以用于从多个(预定)帧内预测模式中选择帧内预测模式。
编码器20的实施例可以用于基于优化标准选择帧内预测模式，例如基于最小残差(例如，提供最类似于当前图片块203的预测块255的帧内预测模式)或最小码率失真。
帧内预测单元254进一步用于基于如所选择的帧内预测模式的帧内预测参数确定帧内预测块255。在任何情况下，在选择用于块的帧内预测模式之后，帧内预测单元254还用于向熵编码单元270提供帧内预测参数，即提供指示所选择的用于块的帧内预测模式的信息。在一个实例中，帧内预测单元254可以用于执行帧内预测技术的任意组合。
具体的，上述帧内预测单元254可向熵编码单元270传输语法元素，所述语法元素包括帧内预测参数(例如遍历多个帧内预测模式后选择用于当前块预测的帧内预测模式的指示信息)。在可能的应用场景中，如果帧内预测模式只有一种，那么也可以不在语法元素中携带帧内预测参数，此时解码端30可直接使用默认的预测模式进行解码。
熵编码单元270用于将熵编码算法或方案(例如，可变长度编码(variable lengthcoding，VLC)方案、上下文自适应VLC(context adaptive VLC，CAVLC)方案、算术编码方案、上下文自适应二进制算术编码(context adaptive binary arithmetic coding，CABAC)、基于语法的上下文自适应二进制算术编码(syntax-based context-adaptive binaryarithmetic coding，SBAC)、概率区间分割熵(probability interval partitioningentropy，PIPE)编码或其它熵编码方法或技术)应用于经量化残差系数209、帧间预测参数、帧内预测参数和/或环路滤波器参数中的单个或所有上(或不应用)，以获取可以通过输出272以例如经编码比特流21的形式输出的经编码图片数据21。可以将经编码比特流传输到视频解码器30，或将其存档稍后由视频解码器30传输或检索。熵编码单元270还可用于熵编码正被编码的当前视频条带的其它语法元素。
视频编码器20的其它结构变型可用于编码视频流。例如，基于非变换的编码器20可以在没有针对某些块或帧的变换处理单元206的情况下直接量化残差信号。在另一实施方式中，编码器20可具有组合成单个单元的量化单元208和逆量化单元210。
具体的，在本申请实施例中，编码器20可用于实现后文实施例中描述的图像编码方法。
应当理解的是，视频编码器20的其它的结构变化可用于编码视频流。例如，对于某些图像块或者图像帧，视频编码器20可以直接地量化残差信号而不需要经变换处理单元206处理，相应地也不需要经逆变换处理单元212处理；或者，对于某些图像块或者图像帧，视频编码器20没有产生残差数据，相应地不需要经变换处理单元206、量化单元208、逆量化单元210和逆变换处理单元212处理；或者，视频编码器20可以将经重构图像块作为参考块直接地进行存储而不需要经滤波器220处理；或者，视频编码器20中量化单元208和逆量化单元210可以合并在一起。环路滤波器220是可选的，以及针对无损压缩编码的情况下，变换处理单元206、量化单元208、逆量化单元210和逆变换处理单元212是可选的。应当理解的是，根据不同的应用场景，帧间预测单元244和帧内预测单元254可以是被选择性的启用。
参见图3，图3示出用于实现本申请实施例的解码器30的实例的示意性/概念性框图。视频解码器30用于接收例如由编码器20编码的经编码图片数据(例如，经编码比特流)21，以获取经解码图片231。在解码过程期间，视频解码器30从视频编码器20接收视频数据，例如表示经编码视频条带的图片块的经编码视频比特流及相关联的语法元素。
在图3的实例中，解码器30包括熵解码单元304、逆量化单元310、逆变换处理单元312、重构单元314(例如求和器314)、缓冲器316、环路滤波器320、经解码图片缓冲器330以及预测处理单元360。预测处理单元360可以包含帧间预测单元344、帧内预测单元354和模式选择单元362。在一些实例中，视频解码器30可执行大体上与参照图2的视频编码器20描述的编码遍次互逆的解码遍次。
熵解码单元304用于对经编码图片数据21执行熵解码，以获取例如经量化系数309和/或经解码的编码参数(图3中未示出)，例如，帧间预测、帧内预测参数、环路滤波器参数和/或其它语法元素中(经解码)的任意一个或全部。熵解码单元304进一步用于将帧间预测参数、帧内预测参数和/或其它语法元素转发至预测处理单元360。视频解码器30可接收视频条带层级和/或视频块层级的语法元素。
逆量化单元310功能上可与逆量化单元110相同，逆变换处理单元312功能上可与逆变换处理单元212相同，重构单元314功能上可与重构单元214相同，缓冲器316功能上可与缓冲器216相同，环路滤波器320功能上可与环路滤波器220相同，经解码图片缓冲器330功能上可与经解码图片缓冲器230相同。
预测处理单元360可以包括帧间预测单元344和帧内预测单元354，其中帧间预测单元344功能上可以类似于帧间预测单元244，帧内预测单元354功能上可以类似于帧内预测单元254。预测处理单元360通常用于执行块预测和/或从经编码数据21获取预测块365，以及从例如熵解码单元304(显式地或隐式地)接收或获取预测相关参数和/或关于所选择的预测模式的信息。
当视频条带经编码为经帧内编码(I)条带时，预测处理单元360的帧内预测单元354用于基于信号表示的帧内预测模式及来自当前帧或图片的先前经解码块的数据来产生用于当前视频条带的图片块的预测块365。当视频帧经编码为经帧间编码(即B或P)条带时，预测处理单元360的帧间预测单元344(例如，运动补偿单元)用于基于运动向量及从熵解码单元304接收的其它语法元素生成用于当前视频条带的视频块的预测块365。对于帧间预测，可从一个参考图片列表内的一个参考图片中产生预测块。视频解码器30可基于存储于DPB 330中的参考图片，使用默认建构技术来建构参考帧列表：列表0和列表1。
预测处理单元360用于通过解析运动向量和其它语法元素，确定用于当前视频条带的视频块的预测信息，并使用预测信息产生用于正经解码的当前视频块的预测块。在本申请的一实例中，预测处理单元360使用接收到的一些语法元素确定用于编码视频条带的视频块的预测模式(例如，帧内或帧间预测)、帧间预测条带类型(例如，B条带、P条带或GPB条带)、用于条带的参考图片列表中的一个或多个的建构信息、用于条带的每个经帧间编码视频块的运动向量、条带的每个经帧间编码视频块的帧间预测状态以及其它信息，以解码当前视频条带的视频块。在本公开的另一实例中，视频解码器30从比特流接收的语法元素包含接收自适应参数集(adaptive parameter set，APS)、序列参数集(sequenceparameter set，SPS)、图片参数集(picture parameter set，PPS)或条带标头中的一个或多个中的语法元素。
逆量化单元310可用于逆量化(即，反量化)在比特流中提供且由熵解码单元304解码的经量化变换系数。逆量化过程可包含使用由视频编码器20针对视频条带中的每一视频块所计算的量化参数来确定应该应用的量化程度并同样确定应该应用的逆量化程度。
逆变换处理单元312用于将逆变换(例如，逆DCT、逆整数变换或概念上类似的逆变换过程)应用于变换系数，以便在像素域中产生残差块。
重构单元314(例如，求和器314)用于将逆变换块313(即经重构残差块313)添加到预测块365，以在样本域中获取经重构块315，例如通过将经重构残差块313的样本值与预测块365的样本值相加。
环路滤波器单元320(在编码循环期间或在编码循环之后)用于对经重构块315进行滤波以获取经滤波块321，从而顺利进行像素转变或提高视频质量。在一个实例中，环路滤波器单元320可以用于执行下文描述的滤波技术的任意组合。环路滤波器单元320旨在表示一个或多个环路滤波器，例如去块滤波器、样本自适应偏移(sample-adaptive offset，SAO)滤波器或其它滤波器，例如双边滤波器、自适应环路滤波器(adaptive loop filter，ALF)，或锐化或平滑滤波器，或协同滤波器。尽管环路滤波器单元320在图3中示出为环内滤波器，但在其它配置中，环路滤波器单元320可实施为环后滤波器。
随后将给定帧或图片中的经解码视频块321存储在存储用于后续运动补偿的参考图片的经解码图片缓冲器330中。
解码器30用于例如，藉由输出332输出经解码图片31，以向用户呈现或供用户查看。
视频解码器30的其它变型可用于对压缩的比特流进行解码。例如，解码器30可以在没有环路滤波器单元320的情况下生成输出视频流。例如，基于非变换的解码器30可以在没有针对某些块或帧的逆变换处理单元312的情况下直接逆量化残差信号。在另一实施方式中，视频解码器30可以具有组合成单个单元的逆量化单元310和逆变换处理单元312。
具体的，在本申请实施例中，解码器30用于实现后文实施例中描述的图像解码方法。
应当理解的是，视频解码器30的其它结构变化可用于解码经编码视频位流。例如，视频解码器30可以不经滤波器320处理而生成输出视频流；或者，对于某些图像块或者图像帧，视频解码器30的熵解码单元304没有解码出经量化的系数，相应地不需要经逆量化单元310和逆变换处理单元312处理。环路滤波器320是可选的；以及针对无损压缩的情况下，逆量化单元310和逆变换处理单元312是可选的。应当理解的是，根据不同的应用场景，帧间预测单元和帧内预测单元可以是被选择性的启用。
应当理解的是，本申请的编码器20和解码器30中，针对某个环节的处理结果可以经过进一步处理后，输出到下一个环节，例如，在插值滤波、运动矢量推导或环路滤波等环节之后，对相应环节的处理结果进一步进行Clip或移位shift等操作。
参见图4，图4是本申请实施例提供的视频译码设备400(例如视频编码设备400或视频解码设备400)的结构示意图。视频译码设备400适于实施本申请所描述的实施例。在一个实施例中，视频译码设备400可以是视频解码器(例如图1A的解码器30)或视频编码器(例如图1A的编码器20)。在另一个实施例中，视频译码设备400可以是上述图1A的解码器30或图1A的编码器20中的一个或多个组件。
视频译码设备400包括：用于接收数据的入口端口410和接收单元(Rx)420，用于处理数据的处理器、逻辑单元或中央处理器(CPU)430，用于传输数据的发射器单元(Tx)440和出口端口450，以及，用于存储数据的存储器460。视频译码设备400还可以包括与入口端口410、接收器单元420、发射器单元440和出口端口450耦合的光电转换组件和电光(EO)组件，用于光信号或电信号的出口或入口。
处理器430通过硬件和软件实现。处理器430可以实现为一个或多个CPU芯片、核(例如，多核处理器)、FPGA、ASIC和DSP。处理器430与入口端口410、接收器单元420、发射器单元440、出口端口450和存储器460通信。处理器430包括译码模块470(例如编码模块470或解码模块470)。编码/解码模块470实现本申请中所公开的实施例，以实现本申请实施例所提供的色度块预测方法。例如，编码/解码模块470实现、处理或提供各种编码操作。因此，通过编码/解码模块470为视频译码设备400的功能提供了实质性的改进，并影响了视频译码设备400到不同状态的转换。或者，以存储在存储器460中并由处理器430执行的指令来实现编码/解码模块470。
存储器460包括一个或多个磁盘、磁带机和固态硬盘，可以用作溢出数据存储设备，用于在选择性地执行这些程序时存储程序，并存储在程序执行过程中读取的指令和数据。存储器460可以是易失性和/或非易失性的，可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、随机存取存储器(ternary content-addressable memory，TCAM)和/或静态随机存取存储器(SRAM)。
参见图5，图5是根据一示例性实施例的可用作图1A中的源设备12和目的设备14中的任一个或两个的装置500的简化框图。装置500可以实现本申请的技术。换言之，图5为本申请实施例的编码设备或解码设备(简称为译码设备500)的一种实现方式的示意性框图。其中，译码设备500可以包括处理器510、存储器530和总线系统550。其中，处理器和存储器通过总线系统相连，该存储器用于存储指令，该处理器用于执行该存储器存储的指令。译码设备的存储器存储程序代码，且处理器可以调用存储器中存储的程序代码执行本申请描述的各种视频编码或解码方法。为避免重复，这里不再详细描述。
在本申请实施例中，该处理器510可以是中央处理单元(Central ProcessingUnit，简称为“CPU”)，该处理器510还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
该存储器530可以包括只读存储器(ROM)设备或者随机存取存储器(RAM)设备。任何其他适宜类型的存储设备也可以用作存储器530。存储器530可以包括由处理器510使用总线550访问的代码和数据531。存储器530可以进一步包括操作系统533和应用程序535，该应用程序535包括允许处理器510执行本申请描述的视频编码或解码方法的至少一个程序。例如，应用程序535可以包括应用1至N，其进一步包括执行在本申请描述的视频编码或解码方法的视频编码或解码应用(简称视频译码应用)。
该总线系统550除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图中将各种总线都标为总线系统550。
可选的，译码设备500还可以包括一个或多个输出设备，诸如显示器570。在一个示例中，显示器570可以是触感显示器，其将显示器与可操作地感测触摸输入的触感单元合并。显示器570可以经由总线550连接到处理器510。
基于上述实施例的描述，本申请提供了一种图像编码和解码方法。图6是用于实现本申请的一种图像编码和解码方法的流程示意图。该过程600可由源设备12和目的设备14执行。过程600描述为一系列的步骤或操作，应当理解的是，过程600可以以各种顺序执行和/或同时发生，不限于图6所示的执行顺序。如图6所示，该方法包括：
步骤601、源设备对图像进行压缩编码得到基本层信息。
源设备对图像进行较高压缩率的信源编码，既可以采用H.26x、JPEG或JPEG2000等编码算法，也可以采用图像空间降采样、视频降帧(即时域降采样)等方法。具体编码过程可参考上述关于编码器的描述，此处不再赘述。
得到的基本层信息的特点包括：(1)包含了图像的轮廓或粗略信息，基于该信息恢复的图像，用户可以从中获得原始图像传达的大体意思；(2)具有极低的数据量，相比原始图像的比特率降低几百甚至上千倍，有利于采用较低码率和低阶调制来完成后续处理，保障传输过程中的鲁棒性。
需要说明的是，本申请处理的信源不仅局限于图像，还可能包括视频、语音、指令等其他信息，对此不作具体限定。
步骤602、源设备根据基本层信息和图像得到增强层信息。
源设备对基本层信息进行解码得到恢复图像，计算图像和恢复图像的残差得到残差信息，对残差信息进行分块、变换和量化处理得到增强层信息。分块的大小可采用8×8、16×16、32×32等尺寸。变换可以采用DCT、DWT等方式。量化可以使用均匀或非均匀的量化表。分块、变换和量化均可参考上述实施例关于图像块、变换处理单元、量化单元等部分的描述，此处不再赘述。经上述处理后，每个变换系数将会得到固定位数的量化比特流，这些比特流通过比特平面分层技术可分为重要性由高到低的多个比特平面，例如，高位比特平面的重要性较高，而低位比特平面的重要性较低。此时一个比特平面可以作为一个子增强层信息，也可以多个比特平面作为一个子增强层信息。示例性的，以下以一个具体实施例对比特平面的获取方法进行描述。
图7示出了一个16×16图像的像素分布，如图7所示，每个小方格对应一个像素，该图像被分成4个8×8的块，黑色粗实线表示块的分界线。对各个块中的像素值偏置-128，再进行DCT变换得到如图8所示的变换系数，该操作可以降低图像左上角的直流系数的幅度，进而降低转换后二进制比特的长度。由于图8中的变换系数全是实数，需要较长的二进制比特才能准确表示，这不利于压缩，因此在转化为二进制之前需要进行量化。假设量化步长为5，可以得到量化后的变换系数＝四舍五入(变换系数/量化步长5)，如图9所示。最后将量化后的变换系数转化为二进制比特流，假设每个变换系数由8位比特表示，第1位为符号位(0表示正数，1表示负数)，后面7位为数字位。以左上角的块为例，将该块中的系数按照Zigzag的顺序读取为一个向量，读取顺序如图10中的箭头所示。读取后得到该块中的变换系数对应的二进制比特流如图11所示，其中，每一列对应一个比特平面，共有8个比特平面(编号1-8)。
与基本层信息不同的是，增强层信息主要是通过对量化后的变换系数进行二进制转换，将得到的比特流拆分成多个比特平面来实现分层的，增强层信息无法单独恢复出可以识别的图像，其要在基本层信息的基础上，用于增强基本层的视觉效果。通过优化增强层的编码码率、调制阶数等参数，可以实现更加平滑的信道自适应效果。
步骤603、源设备获取控制层信息。
控制层信息包括高层发送的语音信息、指令信息等，还包括基本层信息和增强层信息在处理过程中涉及的控制信息，例如基本层信息的长度、增强层信息的分块大小、各子增强层信息的长度及编码前0/1比特概率分布、编码码率、调制阶数、比特流和符号的拼接规则指示、资源映射规则指示等。
步骤604、源设备分别对控制层信息、基本层信息和增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合。
源设备对控制层信息采用第一编码算法进行信道编码，并采用第一调制方式进行调制得到第一符号集合。对基本层信息采用第二编码算法进行信道编码，并采用第二调制方式进行调制得到第二符号集合。
本申请中，源设备可以对控制层信息和基本层信息分别采用独立的、且不同级别的编码算法和调制方式进行编码和调制，基于控制层信息和基本层信息的重要性，对控制层信息和基本层信息可以采用低码率的编码算法和低阶的调制方式(例如1/2Rate、BPSK等)。需要说明的是，上述第一编码算法和第二编码算法可以是相同的算法，也可以是不同的算法，第一调制方式和第二调制方式可以是相同的调制方式，也可以是不同的调制方式，本申请对此均不做具体限定。
源设备对增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，至少一种编码算法不包括第一编码算法和第二编码算法，至少一种调制方式不包括第一调制方式和第二调制方式。即对N个子增强层信息分别采用至少一种编码算法中的一种编码算法进行信道编码得到N个比特流，对子增强层信息采用的编码算法与子增强层信息的重要性相关，然后对N个比特流进行拼接、交织或加扰得到M个调制对象，再对M个调制对象分别采用至少一种调制方式中的一种调制方式进行调制得到M个符号集合，对调制对象采用的调制方式与调制对象的重要性相关，最后对M个符号集合进行拼接得到第三符号集合。需要说明的是，至少一种编码算法也可以包括第一编码算法和/或第二编码算法，至少一种调制方式也可以包括第一调制方式和/或第二调制方式，对此不做具体限定。
源设备对增强层信息包括的N个子增强层信息分别采用独立的、且不同级别的编码算法和调制方式进行编码和调制，其中，高位比特平面对应的子增强层信息采用中等码率的编码算法和中等阶的调制方式(例如3/4Rate、16QAM等)，低位比特平面对应的子增强层信息采用高码率的编码算法和高阶的调制方式(例如7/8Rate、64QAM等)。将N个子增强层信息分别编码后得到的比特流进行拼接、交织和加扰，再分别映射到M个不同星座图(M≥1)得到M个调制对象。交织可以使得信号抗信道突发错误的能力得到增强，加扰可以使得0/1比特的分布更加均匀，确保发送信号的瞬时功率的稳定性。
步骤605、源设备将多个符号集合映射至资源上发送给目的设备。
源设备将编码和调制后得到的多个符号集合(包括上述第一符号集合、第二符号集合和第三符号集合)拼接起来，并依照特定规则映射到时域、频域或者空域(多天线系统)资源上发送出去，以进一步提升传输的可靠性。表1示出了多个符号集合的一个帧格式，如表1所示，该帧中包括导频、帧头、基本层信息的控制信息(控制层信息0)、基本层信息、增强层信息的控制信息和增强层信息；其中，增强层信息包括N个子增强层信息(1-N)，增强层信息的控制信息包括分别对应于N个子增强层信息的N个子控制层信息(1-N)。
表1
Figure BDA0002411288510000211
步骤606、目的设备对接收的信号进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合。
目的设备将接收到的信号进行同步，信道估计以及均衡处理之后，通过解映射得到控制层信息、基本层信息和增强层信息分别对应的符号集合。
步骤607、目的设备对第一符号集合进行解调制和信道解码得到控制层信息。
目的设备对控制层信息对应的第一符号集合采用第一解调方式进行解调制，并采用第一解码算法进行信道解码得到控制层信。该控制层信息包括高层控制信息，及基本层信息和增强层信息的控制信息。
步骤608、目的设备根据控制层信息分别对第二符号集合和第三符号集合进行解调制和信道解码得到基本层信息和增强层信息。
目的设备根据控制层信息对第二符号集合采用第二解调方式进行解调制，并采用第二解码算法进行信道解码得到基本层信息，对第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到增强层信息，至少一种解调方式不包括第一解调方式和第二解调方式，至少一种解码算法不包括第一解码算法和第二解码算法。
目标设备可以对控制层信息、基本层信息和增强层信息分别采用独立的、且不同级别的解调方式和解码算法进行解调和解码。目标设备为源设备的逆向处理，因此目标设备对控制层信息、基本层信息和增强层信息采用的解调方式和解码算法与源设备所采用的的调制方式和编码算法是相对应的。例如，上述第一编码算法和上述第一解码算法对应，上述第二编码算法和上述第二解码算法对应，上述第一调制方式和上述第一解调方式对应，上述第二调制方式和上述第二解调方式对应。
针对增强层信息，目的设备根据控制层信息对第三符号集合进行拆分得到M个符号集合，然后对M个符号集合分别采用至少一种解调方式中的一种解调方式进行解调得到M个解调对象，对符号集合采用的解调方式与符号集合的重要性相关，再对M个解调对象进行解扰、解交织或拆分得到N个比特流，最后对N个比特流分别采用至少一种解码算法中的一种解码算法进行解码得到N个子增强层信息，对比特流采用的解码算法与比特流的重要性相关，增强层信息包括N个子增强层信息，N个子增强层信息依重要性划分等级，重要性是指对应的子增强层信息对图像的影响程度。
步骤609、目的设备根据基本层信息和增强层信息得到图像。
目的设备对基本层信息进行解码得到恢复图像，对增强层信息进行信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息，最后根据恢复图像和残差信息得到图像。目的设备可以通过符号拆分、解调等到校验位比特对应的软信息，然后通过置信传输方法(以控制层信息中的编码前0/1比特概率分布作为初始迭代值)进行信道解码得到原始比特流的0/1比特概率，接着根据此概率做变换系数重建、逆变换恢复出原始残差信息，将残差信息和恢复图像合并得到原始的图像。
图像编码和解码的过程中，源设备首先将对信源根据重要性、用途进行信息分层，这里信源不仅局限于图像/视频，还可能包含语音、指令等其他信息，该分层操作主要包含两级，首先通过高压缩率的信源编码得到基本层和残差信息，然后对残差信息进行进一步分层处理得到若干个子增强层信息，最终产生一个基本层信息、若干个子增强层信息以及一个控制层信息。不同层的信息比特具有不同的重要性，将会进行不同的编码和调制处理，主要包含信道编码、比特流拼接、交织、加扰、调制、符号序列拼接等操作。最后将不同层得到的符号映射到指定资源块上发送出去。
目的设备对接收到的信号进行同步，信道估计与均衡处理。然后通过解资源映射得到基本层信息、增强层信息和控制层信息。基本层信息和控制层信息直接通过解调、信道解码等操作得到。增强层信息则通过符号拆分，解调得到软信息，然后通过置信传输方法进行信道解码得到0/1比特的概率，并根据此概率做信息合并恢复出残差信息。最后将基本层信息和残差信息进行合并得到原始信源。
结合源设备和目的设备，以及二者之间的信道，图12是用于实现本申请的一种图像编码和解码方法的流程示意图。如图12所示，源设备中的编码器对图像/视频进行高压缩率压缩得到基本层信息和残差信息，对基本层信息进行信道编码、低阶调制(例如Pi/2-BPSK调制)。根据控制层信息对残差信息进行残差帧分块、变换、量化，再根据重要性分层得到N个子增强层信息，分别对N个子增强层信息进行信道编码，经过比特流拼接、交织和加扰后分别进行调制，然后进行符号集合拼接。对控制层信息同样进行信道编码、低阶调制(例如Pi/2-BPSK调制)。最后把调制后的符号映射到资源上。
目的设备中的解码器对接收到的信号进行解映射，对基本层信息和控制层信息对应的符号分别进行解调和解码得到基本层信息和控制层信息。对增强层信息对应的符号先进行拆分并分别进行解调，将比特流解扰、解交织和拆分后分别进行解码，经过信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息，将解压缩后的基本层信息和残差信息合并后得到图像。
本申请对信源进行编码处理后得到的基本层信息，将原始信源与该基本层信息之间的残差信息作为增强层信息，再结合处理过程中产生的以及来自高层的控制层信息，分别采用独立的、且各不相同的编码/解码算法和调制/解调方式，其中基本层信息包含了图像的轮廓或粗略信息，基于该信息恢复的图像，用户可以从中获得原始图像传达的大体意思，而且基本层信息具有极低的数据量，相比原始信源的比特率降低几百甚至上千倍，可以采用较低码率的编码/解码算法和低阶的调制/解调方式来完成后续处理，保障传输过程中的鲁棒性。增强层信息无法单独恢复出可以识别的图像，其要在基本层信息的基础上，用于增强基本层的视觉效果，可以根据增强层信息中各子增强层信息的重要性，采用相较于基本层信息更高码率的编码/解码算法和更高阶的调制/解调方式来完成后续处理。而控制层信息包括高层的控制信息，及基本层信息和增强层信息在处理过程中涉及的控制信息，基于其重要性，也可以采用较低码率的编码/解码算法和低阶的调制/解调方式来完成后续处理，保障传输过程中的鲁棒性。这种分层的处理方式，可以得到稀疏性更强的待压缩信息比特流，有利于提升总体压缩效率和性能。
图13是本申请的一种数据流分层示意图，如图13所示，源设备首先采用H.264编码器，使用较大的量化步长，例如，量化参数QP＝44，对应量化步长104，将原始视频(例如1080P，60帧/秒)压缩562倍，得到基本层信息。然后源设备将基本层信息解码，并与原始视频求残差，得到残差信息。残差信息进一步分割为若干个8×8的块，各块依次做DCT变换得到频域变换系数，从左上角到右下角依次对应低频到高频的系数，其能量一般集中在较低频的部分，因此可以直接丢弃部分能量较小的高频系数。之后源设备将保留的变换系数x经过量化操作得到量化系数xquant＝round(x/Qstep)，其中Qstep为选择的量化步长，xquant为整数。将量化系数xquant转化为二进制比特可得到宽度为L的比特序列(L的取值由xquant的最大取值范围决定)，对比特序列从高位到低位可拆分为N个比特层，依次对应到N个增强层。为了控制整体信源压缩率，可以分别通过调整基本层信息和增强层信息的比特流长度实现：(1)基本层调控手段：通过信源编码器量化阶数、空间分辨率、时间分辨率等来进行调节，其量化阶数越高、空间/时间分辨率越低，则比特流长度越短，压缩率越高。(2)增强层调控手段：通过量化步长Qstep、频域丢弃的高频系数个数比例以及后续联合编码码率来进行调节，其量化步长越大、频域丢弃的高频系数个数比例越高、后续联合编码码率越高，则比特流长度越短，压缩率越高。
目的设备对变换系数的重建可采用硬重建和软重建两种方法：
(1)硬重建：目的设备将直接对信道解码得到的原始比特序列的0/1比特概率进行硬判决，即p(0)>0.5时判决为0，p(0)<0.5时判决为1，然后利用判决出的比特序列计算出重建的变换系数取值。
(2)软重建：目的设备根据译码得到的概率，计算各变换系数如下：
Figure BDA0002411288510000241
其中，I表示变换系数二进制量化的位数，第1位为符号位，后面为数字位，pi(b)表示第i个比特为b(b＝0,1)的概率。相比硬重建方法，软重建方法对信道的适应能力更强，可以更加平滑地反映信道噪声产生的影响。
以上介绍了本申请实施例的图像编码和解码方法，以下介绍本申请实施例的装置，本申请实施例的装置包括应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，应理解，所述应用于发送端的编码装置即为上述方法中的源设备，其具有上述方法中发送端的任意功能，所述应用于接收端的解码装置即为上述方法中的目的设备，其具有上述方法中接收端的任意功能。
如图14所示，应用于发送端的编码装置，包括：处理模块1401和发送模块1402。其中，处理模块1401，用于对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；发送模块1402，用于将所述多个符号集合映射至资源上发送出去。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1401，具体用于对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；计算所述图像和所述恢复图像的残差得到残差信息；对所述残差信息进行分块、变换和量化处理得到所述增强层信息。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1401，具体用于对所述控制层信息采用第一编码算法进行信道编码，并采用第一调制方式进行调制得到第一符号集合；对所述基本层信息采用第二编码算法进行信道编码，并采用第二调制方式进行调制得到第二符号集合；对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，所述至少一种编码算法不包括所述第一编码算法和所述第二编码算法，所述至少一种调制方式不包括所述第一调制方式和所述第二调制方式。
在一种可能的实现方式中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度；所述处理模块1401，具体用于对所述N个子增强层信息分别采用所述至少一种编码算法中的一种编码算法进行信道编码得到N个比特流，对所述子增强层信息采用的编码算法与所述子增强层信息的重要性相关；对所述N个比特流进行拼接、交织或加扰得到M个调制对象；对所述M个调制对象分别采用所述至少一种调制方式中的一种调制方式进行调制得到M个符号集合，对所述调制对象采用的调制方式与所述调制对象的重要性相关；对所述M个符号集合进行拼接得到所述第三符号集合。
在一种可能的实现方式中，所述发送模块1402，具体用于用第一帧发送所述多个符号集合，所述第一帧包括：导频、帧头、所述基本层信息的控制信息、所述基本层信息、所述增强层信息的控制信息和所述增强层信息；其中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述增强层信息的控制信息包括分别对应于所述N个子增强层信息的N个子控制层信息。
本申请实施例提供的应用于发送端的编码装置即为上述方法中的源设备，其具有上述方法中发送端的任意功能，具体细节可参见上述方法，此处不再赘述。
如图15所示，应用于接收端的解码装置，包括：接收模块1501和处理模块1502，其中，接收模块1501，用于接收资源上承载的信号；处理模块1502，用于对所述信号进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1502，具体用于对所述第一符号集合采用第一解调方式进行解调制，并采用第一解码算法进行信道解码得到所述控制层信。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1502，具体用于根据所述控制层信息对所述第二符号集合采用第二解调方式进行解调制，并采用第二解码算法进行信道解码得到所述基本层信息；根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，所述至少一种解调方式不包括所述第一解调方式和所述第二解调方式，所述至少一种解码算法不包括所述第一解码算法和所述第二解码算法。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1502，具体用于根据所述控制层信息对所述第三符号集合进行拆分得到M个符号集合；对所述M个符号集合分别采用所述至少一种解调方式中的一种解调方式进行解调得到M个解调对象，对所述符号集合采用的解调方式与所述符号集合的重要性相关；对所述M个解调对象进行解扰、解交织或拆分得到N个比特流；对所述N个比特流分别采用所述至少一种解码算法中的一种解码算法进行解码得到N个子增强层信息，对所述比特流采用的解码算法与所述比特流的重要性相关，所述增强层信息包括所述N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块1502，具体用于对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；对所述增强层信息进行信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息；根据所述恢复图像和所述残差信息得到所述图像。
本申请实施例提供的应用于接收端的解码装置即为上述方法中的目的设备，其具有上述方法中接收端的任意功能，具体细节可参见上述方法，此处不再赘述。
以上介绍了本申请实施例的应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，以下介绍所述应用于发送端的编码装置和所述应用于接收端的解码装置可能的产品形态。应理解，但凡具备上述图14所述的应用于发送端的编码装置的特征的任何形态的产品，和但凡具备上述图15所述应用于接收端的解码装置的特征的任何形态的产品，都落入本申请的保护范围。还应理解，以下介绍仅为举例，不限制本申请实施例的应用于发送端的编码装置的产品形态和应用于接收端的解码装置的产品形态仅限于此。
作为一种可能的产品形态，本申请实施例所述的应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，可以由一般性的总线体系结构来实现。
所述应用于发送端的编码装置，包括处理器和与所述处理器内部连接通信的收发器；所述处理器用于对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；将所述多个符号集合映射至资源上生成第一帧；所述收发器用于发送所述第一帧。可选地，所述应用于发送端的编码装置还可以包括存储器，所述存储器用于存储处理器执行的指令。
所述应用于接收端的解码装置，包括处理器和与所述处理器内部连接通信的收发器；所述收发器用于接收第一帧；所述处理器用于对所述第一帧进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。可选地，所述应用于接收端的解码装置还可以包括存储器，所述存储器用于存储处理器执行的指令。
作为一种可能的产品形态，本申请实施例所述的应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，可以由通用处理器来实现。
实现所述应用于发送端的编码装置的通用处理器包括处理电路和与所述处理电路内部连接通信的输出接口；所述处理电路用于对图像进行压缩编码得到基本层信息；根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；将所述多个符号集合映射至资源上生成第一帧；所述输出接口用于发送所述第一帧。可选地，该通用处理器还可以包括存储介质，所述存储介质用于存储处理电路执行的指令。
实现所述应用于接收端的解码装置的通用处理器包括处理电路和与所述处理电路内部连接通信的输入接口，所述输入接口用于接收第一帧；所述处理电路用于对所述第一帧进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。可选地，该通用处理器还可以包括存储介质，所述存储介质用于存储处理电路执行的指令。
作为一种可能的产品形态，本申请实施例所述的应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，还可以使用下述来实现：一个或多个FPGA(现场可编程门阵列)、PLD(可编程逻辑器件)、控制器、状态机、门逻辑、分立硬件部件、任何其它适合的电路、或者能够执行本申请通篇所描述的各种功能的电路的任意组合。
应理解，上述各种产品形态的应用于发送端的编码装置和应用于接收端的解码装置，分别具有上述方法实施例中发送端和接收端的任意功能，此处不再赘述。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤和单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参见前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种图像编码方法，其特征在于，包括：
对图像进行压缩编码得到基本层信息；
根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息；
获取控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；
分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合；
将所述多个符号集合映射至资源上发送出去。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述基本层信息和所述图像得到增强层信息，包括：
对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；
计算所述图像和所述恢复图像的残差得到残差信息；
对所述残差信息进行分块、变换和量化处理得到所述增强层信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分别对所述控制层信息、所述基本层信息和所述增强层信息进行信道编码和调制得到多个符号集合，包括：
对所述控制层信息采用第一编码算法进行信道编码，并采用第一调制方式进行调制得到第一符号集合；
对所述基本层信息采用第二编码算法进行信道编码，并采用第二调制方式进行调制得到第二符号集合；
对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，所述至少一种编码算法不包括所述第一编码算法和所述第二编码算法，所述至少一种调制方式不包括所述第一调制方式和所述第二调制方式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度；
所述对所述增强层信息采用至少一种编码算法进行信道编码，并采用至少一种调制方式进行调制得到第三符号集合，包括：
对所述N个子增强层信息分别采用所述至少一种编码算法中的一种编码算法进行信道编码得到N个比特流，对所述子增强层信息采用的编码算法与所述子增强层信息的重要性相关；
对所述N个比特流进行拼接、交织或加扰得到M个调制对象；
对所述M个调制对象分别采用所述至少一种调制方式中的一种调制方式进行调制得到M个符号集合，对所述调制对象采用的调制方式与所述调制对象的重要性相关；
对所述M个符号集合进行拼接得到所述第三符号集合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述多个符号集合映射至资源上发送出去，包括：
用第一帧发送所述多个符号集合，所述第一帧包括：导频、帧头、所述基本层信息的控制信息、所述基本层信息、所述增强层信息的控制信息和所述增强层信息；其中，所述增强层信息包括N个子增强层信息，所述增强层信息的控制信息包括分别对应于所述N个子增强层信息的N个子控制层信息。
6.一种图像解码方法，其特征在于，包括：
接收资源上承载的信号，并对所述信号进行解映射得到控制层信息对应的第一符号集合、基本层信息对应的第二符号集合以及增强层信息对应的第三符号集合；
对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，所述控制层信息包括高层控制信息，及所述基本层信息和所述增强层信息的控制信息；
根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息；
根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述第一符号集合进行解调制和信道解码得到所述控制层信息，包括：
对所述第一符号集合采用第一解调方式进行解调制，并采用第一解码算法进行信道解码得到所述控制层信。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述控制层信息分别对所述第二符号集合和所述第三符号集合进行解调制和信道解码得到所述基本层信息和所述增强层信息，包括：
根据所述控制层信息对所述第二符号集合采用第二解调方式进行解调制，并采用第二解码算法进行信道解码得到所述基本层信息；
根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，所述至少一种解调方式不包括所述第一解调方式和所述第二解调方式，所述至少一种解码算法不包括所述第一解码算法和所述第二解码算法。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述控制层信息对所述第三符号集合采用至少一种解调方式进行解调制，并采用至少一种解码算法进行信道解码得到所述增强层信息，包括：
根据所述控制层信息对所述第三符号集合进行拆分得到M个符号集合；
对所述M个符号集合分别采用所述至少一种解调方式中的一种解调方式进行解调得到M个解调对象，对所述符号集合采用的解调方式与所述符号集合的重要性相关；
对所述M个解调对象进行解扰、解交织或拆分得到N个比特流；
对所述N个比特流分别采用所述至少一种解码算法中的一种解码算法进行解码得到N个子增强层信息，对所述比特流采用的解码算法与所述比特流的重要性相关，所述增强层信息包括所述N个子增强层信息，所述N个子增强层信息依重要性划分等级，所述重要性是指对应的子增强层信息对所述图像的影响程度。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述基本层信息和所述增强层信息得到图像，包括：
对所述基本层信息进行解码得到恢复图像；
对所述增强层信息进行信息合并、解量化、逆变换和分块合并处理得到残差信息；
根据所述恢复图像和所述残差信息得到所述图像。
11.一种编码装置，其特征在于，包括用于执行权1-5中任一项方法的单元。
12.一种解码装置，其特征在于，包括用于执行权6-10中任一项方法的单元。
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