CN1134089A - 利用改进的块分割编码法的视频信号编码方法和设备 - Google Patents

Abstract

编码一帧分为多个含K×L个像素的块的视频信号的方法，包括：根据各像素强度值把一块内的像素分成亮组和暗组；确定一含K×L个二值像素的比特平面；把该比特平面分成N个各含M个二值像素的亚块；对N个亚块分别确定N个主值，提供以N个主值为其N个像素值的修改比特平面，提供由N个亚块组成的复原比特平面，各亚块含有M个对应N个主值之一的二值像素；确定该块的样本均值和偏差；确定表明亮和暗组像素的代表性强度值的二重建值；结合该二重建值和修改比特平面。

Description

利用改进的块分割编码法的视频信号 编码方法和设备

本发明涉及一种视频信号编码设备，较具体地说，涉及利用一种改进的块分割编码(BTC)法的视频信号编码的方法和设备。

在诸如高清晰度电视和可视电话系统等各种电子设备中，视频信号可以用数字形式来发送。当把包含有一系列视频“帧”的视频信号用数字形式来表示时，将出现大量的数字数据：一个视频帧中的一个行就要由一系列叫做“像素”的数字数据单元来确定。然而，因为普通发送频道中可利用的频率带宽是有限的，所以为了通过固定的频道来发送这大量的数字数据，通常需要利用某种视频信号编码方法来压缩数字数据。

BTC法是这种视频信号压缩技术中的一种，它能够在保持图像质量的同时大为减少数字数据的量。

为了用BTC法来编码一个视频信号，把一帧视频信号分割成多个大小为K×K的互不重叠的块，其中K是一个正整数。参见图1A，那里示出了一个典型的块，它可以用作BTC法中的一个单元。图1A所示的块含有16个像素，它们分别用符号f1至f16表示。

一个块内的N(＝K²)个像素被进一步分成两组(一个亮组和一个暗组)，然后块内每一个像素的强度值都被转换成两个重建值中的一个值，这两个重建值分别表示亮组中的和暗组中的像素的代表性强度值。在图1B中，A和B是两个重建值，A代表暗组的重建值，B代表亮组的重建值。结果，这个块就可以用两个重建值和一个图形来表示，这个图形指出了该块中各个像素具有两个重建值中的哪一个值。这个图形用一个比特平面来表示，也就是用如图1C所示的一个二值图形块来表示。

两个重建值是根据分别表征该块的亮度和对比度的一个样本均值和一个样本偏差来确定的。图1A所示块中的像素的强度值的样本均值f_M和样本偏差f_V可以由下式计算： $f_M=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i$                式1 $f_v=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(f_i^2-f_M^2)}$                式2其中，N代表该块中的像素数；i代表从1到N中的一个整数；f_i是图1A中用同一符号示出的像素的强度值。

确定两个重建值要使得图1B所示的二灰阶块的样本均值和样本偏差分别和图1A所示的原始块的样本均值和样本偏差相同。为了做到这一点，可以用如下等式来确定这两个重建值A和B： $A=f_M-f_V\sqrt{\frac{L}{N-L}}$ $B=f_M+f_V\sqrt{\frac{N-L}{L}}$             式3其中，L代表其强度值大于或等于样本均值f_M的像素的数目。

再参见图1B，其中强度值小于f_M的像素用A表示，而其他像素则用B表示，另一方面，在图1C所示的比特平面中，强度值小于f_M的像素用0表示，而其他的像素用1表示。

编码器中所确定的这两个重建值和比特平面被发送给一个对应的解码器，在解码器中，比特平面指明了该块中各个像素是属于亮组的还是属于暗组的，而两个重建值则分别代表了两个组中的重建像素值。

因此，通过用两个重建值和一个比特平面来代表视频信号中的一个块，要在一个频道上发送的数据量就能够大为减少。

在对应的解码器中，比特平面和两个重建值被解码成重建视频信号中的一个块。由于只用两个重建值来表示原始视频信号中多达K×K个不同的像素强度值，所以原始的和重建的视频信号之间可能会有不可忽略的差异。不过，因为在整个BTC处理中两个块的样本均值和样本偏差保持相同，所以两个块的亮度、对比度和最明显可见的特征也同样保持相同。在一个块内不出现很大的灰度变化的情形中，较小的变化被保留下来。这和人类视觉系统的响应是很一致的，在视觉系统的响应中，大的变化倾向于掩盖它们邻近处的较小的变化。因此，尽管在BTC处理中比特量有很大的减少，但重建的视频信号还可以是原始信号的良好近似。

同时，如果不对含在比特平面内的各个二值像素作进一步处理而进行发送，则表示这个比特平面需要多达K×K比特。因此，对一帧视频信号编码时所用的比特数。等于该帧的像素数加上对各个块的重建值进行编码时所用的比特数。结果虽然因使用了普通的BTC法而减少了比特数，但在发送比特平面时还是要使用大量的比特。因为在上述的普通BTC方案中不对比特平面作进一步处理以进行数据压缩，所以通过对含在比特平面内的二值像素进行处理将能够做到在对视频信号编码时更进一步减少比特数目。

因此，本发明的一个主要目的是提供一种用于利用BTC法进行视频信号编码的编码器的方法和设备；以减少用来表示比特平面的比特数目。

根据本发明，提供了一种用来对视频信号编码以给出一个编码视频信号的设备，其中，该视频信号包括许多个帧，每一帧分成多个互不重叠的块，每个块都含有K×L个像素，K和L为正整数，上述设备包括：

用来根据各像素的强度值把含在每个块内的K×L个像素分成一个亮组和一个暗组的装置；

用来对上述每个块确定一个含有K×L个二值像素的比特平面的装置，其中每个二值像素表明其在上述各个块中相应的像素是属于亮组的还是属于暗组的；

用来对上述每个块把比特平面分成N个各自含有M个二值像素的亚块的装置，其中M和N为正整数；

用来对上述每个块确定N个主值，这N个主值分别代表N个亚块中出现较多的二值像素的值，从而提供一个以这N个主值作为其N个二值像素值的修改比特平面的装置；

用来对上述每个块根据修改比特平面提供一个复原比特平面的装置，其中的复原比特平面由N个亚块组成，每个亚块含有M个二值像素，上述M个二值像素的值对应于N个主值中的一个值；

用来确定含在上述每个块内的K×L个像素的样本均值和样本偏差的装置；

用来对上述每个块根据复原比特平面、样本均值和样本偏差来确定两个重建值的装置，其中两个重建值分别指明含在亮组和暗组内的像素的代表性强度值；以及，

用来对上述每个块结合这两个重建值和修改比特平面，由此提供编码视频信号的装置。

本发明的上述的和其他的目的及特点将通过下面结合附图对优选实施例的说明而变得清楚，在附图中，

图1A至1C示例性地画出了用于普通BTC法中的视频信号的一个块，其相应的二灰阶块，以及其比特平面；

图2A至2B示出用于根据本发明的改进BTC法中的视频信号的一个块和其相应的比特平面；

图3A至3C给出用来说明利用三角形亚块和修改比特平面的本发明的比特平面编码方法的一些图；以及

图4给出本发明的一种编码装置的方框图。

参见图2A，那里示出了一个示例性的块，它是在根据本发明的一种改进BTC法中的一个编码单元。为了利用改进BTC法对一个视频信号编码，首先把该视频信号中的一个帧分成一些互不重叠的大小为K×L个像素的块，其中K和L为正整数。图2A所示的块区含有6×4个像素，每个像素用f1至f24中的一个符号表示。

该6×4像素的块经过处理后给出一个如图2B所示那样的比特平面。具体地说，利用一个阈值把该块中的6×4个像素进一步分成两组(一个亮组和一个暗组)。然后形成比特平面，该比特平面中的24个二值像素分别指明了块中对应的像素是属于亮组的还是属于暗组的。也就是说，其值大于阈值的像素(即含在亮组内的像素)对应于比特平面中值为1的二值像素，而其值小于阈值的像素(即含在暗组内的像素)对应于比特平面中值为0的二值像素。通常，采用该块的样本均值f_M作为阈值，这将产生与普通BTC法中相同的比特平面，其中图2A所示块的样本均值f_M可以这样计算： $f_M=\frac{1}{24}\underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i$       式4

和普通BTC法不同的是，在本发明中该比特平面还经过处理以给出一个更简单的比特平面，它使要发送的数据被进一步压缩。为此，首先把图2B所示比特平面中的6×4个二值像素分成一些例如三角形的亚块，如图3A所示，其中每个亚块都含有3个相邻的像素。例如，对应于图2A所示的像素f1、f2和f7，就是含在图3A所示的亚块71内的三个二值像素。

然后，对含在每个亚块内的二值像素确定一个主值，其中该主值是根据上述每个亚块内的二值像素的值中是0多还是1多来确定取二进制值0还是1的。例如，对于亚块71来说，由于含在其中的3个二值像素中有2个为0，所以主值取0。只要对一个亚块计数0和1的数目，就容易确定该亚块的主值。从图2B所示的比特平面所导出的主值在图3B中给出，其中一个亚块中的所有二值像素值都已用该亚块的主值来取代。

因此，根据本发明，使用了一个主值来代表一个修改比特平面中的每一个亚块，由此减少了在发送该比特图数据时的比特数或带宽大小。通过用一个主值来代表3个二值像素，图2B所示的比特平面便可转换成图3C所示的修改比特平面，其中的二值像素91和92分别对应着亚块71和72。注意这里用修改比特平面的8个二值像素来代表原始比特平面的24个二值像素，从而大为减少了对比特平面编码时所用的比特数。

在利用改进BTC法对视频信号的块编码时，两个重建值也是根据修改比特平面的像素数据而不是根据原始比特平面数据来确定的。具体地说，两个重建值A和B是通过把图3B中的0和1分别转换成A和B来确定的，由此形成一个二灰阶块，同时该二灰阶块的样本均值和样本偏差分别和图2A所示原始块的样本均值和样本偏差相同。

这两个重建值和修改比特平面一起被发送给解码器，以重建出视频信号。在解码器中，首先从修改比特平面复原出一个含有6×4个二值像素的比特平面。该复原比特图将与图3B所示的比特平面相同。然后，各二值像素值用它们相应的重建值来置换，以形成一个二灰阶块。用上述方法给出的各个二灰阶块被结合起来，就形成了重建图像信号的一个帧。

在这个特定的例子中，采用了6×4的块和各含有3个二值像素的三角形亚块。然而，也可以采用各种块大小和各种亚块形状来代替。为了容易地确定主值，最好采用含有奇数个二值像素的亚块。

参见图4，那里示出了一个本发明的编码装置的方框图，该装置包括一个比特平面发生器100、一个亚块区划分器200、一个主值选择器300、一个比特平面复原模块400、和一个重建值计算器500。

输入视频信号被输送给比特平面发生器100，在那里视频信号的一个帧被分成多个大小为K×L个像素的块，其中K和L为正整数，例如分别等于6和4，并且每个块被经过处理，结果给出一个含有K×L个二值像素的比特平面。

具体地说，含在该块中的K×L个像素被分成一个亮组和一个暗组。其后，在比特平面发生器100中确定出一个含有K×L个二值像素的比特平面，每个二值像素的值表明了其在块中相应的像素是属于亮组的还是属于暗组的。

该比特平面被传送给亚块划分器200，在那里比特平面被划分成多个具有预定形状的亚块。然后，比特平面的各个亚块被依次地提供给主值选择器300。

在主值选择器300中，选出每一个亚块的主值，然后含在比特平面中的各个亚块的主值被提供在线路310上，以发送给一个对应于本发明编码装置的解码装置。

这些主值也被提供给比特平面复原模块400，在那里通过在含于一个亚块内的所有二值像素中填入一个同样的值，即主值，来恢复出一个含有K×L个二值像素的比特平面。该复原比特平面与图3B中所示的比特平面相同。

该复原比特平面和输入信号被输送给重建值计算器500。在改进BTC法中，两个重建值是在假定视频信号是根据复原比特平面来重建的情形下确定的，而实际上该复原比特平面不同于根据普通BTC法所确定的原始比特图。因此，如上所述，重建值是根据复原比特平面来确定的。具体地说，首先确定原始视频信号中一个块所含的K×L个像素的样本均值和样本偏差。然后，这样来确定两个重建值A和B，使得从复原比特平面所得到二灰阶块的样本均值和样本偏差和视频信号的原始块的样本均值和样本偏差相同。

在重建值计算器500中导出的两个重建值被提供在线路510上，该线路连接到该编码装置的后面部分，例如一个用来发送重建值的发送机(未示出)上。

由主值选择器300所提供的修改比特平面和由重建值计算器500所提供的两个重建值可以结合在一起，并馈送给发送机，以向解码装置发送。

尽管本发明仅仅对一些优选实施例进行了说明，但在不偏离下述权利要求所给出的本发明的精神和范畴的情形下，可以做出各种其他的修改和变化。

Claims (10)

1.一种用来对视频信号编码以提供一个编码视频信号的设备，其中的视频信号含有多个帧，每一帧都被分成多个互不重叠的块，每个块都含有K×L个像素，K和L为正整数，上述设备包括：

用来根据各像素的强度值把含在每个块内的K×L个像素分成一个亮组和一个暗组的装置；

用来对上述每个块确定一个含有K×L个二值像素的比特平面的装置，每个二值像素表明其在上述每个块区中相应的像素是属于亮组的还是属于暗组的；

用来对上述每个块把其比特平面分成N个各自含有M个二值像素的亚块的装置，其中M和N为正整数；

用来对上述每个块确定N个主值，这N个主值分别代表N个亚块中出现较多的二值像素的值，从而提供一个以这N个主值作为其N个二值像素值的修改比特平面的装置；

用来对上述每个块根据修改比特平面提供一个复原比特平面的装置，其中的复原比特平面由N个亚块组成，每个亚块含有M个二值像素，上述M个二值像素的值对应于N个主值中的一个值；

用来确定含在上述每个块内的K×L个像素的样本均值和样本偏差的装置；

用来对上述每个块根据复原比特平面、样本均值和样本偏差来确定两个重建值的装置，其中每个重建值分别指明含在亮组和暗组内的像素的代表性强度值；以及

用来对上述每个块结合这两个重建值和修改比特平面，由此提供编码视频信号的装置。

2.根据权利要求1的设备，其中M是一个奇数。

3.根据权利要求1的设备，其中M×N等同于K×L。

4.根据权利要求1的设备，其中K、L、M分别为6、4、3。

5.根据权利要求1的设备，其中两个重建值的确定使得当把复原比特平面中的二值像素的值0和1分别转换成两个重建值以形成一个二灰阶块时，该二灰阶块的样本均值和样本偏差分别与上述每一块的样本均值和样本偏差相同。

6.一种用来对视频信号编码以提供一个编码视频信号的方法，其中的视频信号含有多个帧，每一帧都被分成多个互不重叠的块，每个块都含有K×L个像素，K和L为正整数，该方法包括以下步骤：

(a)根据各像素的强度值把含在一个块内的K×L个像素分成一个亮组和一个暗组；

(b)确定一个含有K×L个二值像素的比特平面，每个二值像素表明该块中的相应像素是属于亮组的还是属于暗组的；

(c)把比特平面分成N个各自含有M个二值像素的亚块，其中M和N为正整数；

(d)确定N个主值，N个主值分别代表N个亚块区中出现较多的二值像素的值，并且提供一个以这N个主值作为其N个二值像素值的修改比特平面；

(e)根据修改比特平面提供一个复原比特平面，该复原比特平面由N个各自含有M个二值像素的亚块组成，上述M个二值像素的值对应于N个主值中的一个值；

(f)确定含在该块内的K×L个像素的样本均值和样本偏差；

(g)根据复原比特平面、样本均值、和样本偏差确定两个重建值，其中每个重建值分别表明含在亮组和暗组内的像素的代表性强度值；

(h)结合这两个重建值和修改比特平面，由此提供编码视频信号的一个块；以及

(i)对视频信号的下一个块重复步骤(a)至(h)。

7.根据权利要求6的方法，其中M为一个奇数。

8.根据权利要求6的方法，其中M×N等同于K×L。

9.根据权利要求6的方法，其中K、L、M分别为6、4、3。

10.根据权利要求6的方法，其中两个重建值的确定使得当把复原比特平面中的二值像素的值0和1分别转换成两个重建值以形成一个二灰阶块时，该二灰阶块的样本均值和样本偏差分别与上述各块的样本均值和样本偏差相同。

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