CN1145363C - 静画和动画编码的量化矩阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静画和动画的编码器和解码器。编码器有存储包含多个有预定值量化元的缺省矩阵的存储器。还设有在若干帧之后产生一特定量化矩阵的产生器。按Z字形读出特定量化矩阵并在Z字形中段的一选定位置处结束读出。在特定量化矩阵前部分量化元读出之后加一末端码。在紧靠选定位置之后按同样Z字形读出缺省量化矩阵中的量化元，并产生缺省量化矩阵的后部分。合成特定量化矩阵前部分和缺省量化矩阵后部分形成合成的量化矩阵。

Description

静画和动画编码的量化矩阵
本申请系CN98800434.8的分案申请，该申请题为“静画和动画编码的量化矩阵”，其申请日为1998.2.5，其优先权日及在先申请号分别为：1997.2.8 JP61647/97、1997.7.11 JP186437/97。
技术领域
本发明特别实用于高度压缩的静画和动画编码。它适用于在标准电话线路上进行视频会议以及其它需要高度压缩的应用。
背景技术
在大多数压缩算法中，预期在解码的图像中会有某些形式的损耗。为取得良好结果的典型的压缩方法是通过量化信号将这种损耗引入变换域而不是象素域。这种变换例如分离的余弦变换DCT、子波变换以及部分波段的分析滤波器。在根据压缩算法进行的变换中，将图形转换至变换域并将一种量化型式运用于系数以减少信息量。变换具有将能量集中在少量系数中的效果并能将噪音引入这些系数中而又不致影响重显图像能觉察到的视感质量。
人们都知道，对人类视觉感受系统的某些形态以不同的系数进行不同的量化加权可以改进感受到的视觉质量。在诸如ISO/IECJTC1/SC29/WG11 IS-13818-2(MPEG2)之类的编码标准中，DCT系数的量化是用量化矩阵进行加权的。但编码器通常可以选用一缺省矩阵向解码器发送量化矩阵的新数值。它是在位流头中这样发送信号的。
按照MPEG-2视频标准发送量化矩阵的有关现有技术为，若要用设置成“1”的特定量化矩阵的位信号，就发送每个为8位的64个固定值。
较高频带位置中的矩阵值实际上是不使用的，特别是对于采用大的量化阶的很低位率编码的情形或是对于具有很单调的结构或有良好运动补偿的输入区块的情形就更是如此。
而且还在以上现有技术中发现，对于在不同应用中所用的任何量化矩阵来说，量化矩阵的第一个值总是设置成八，而不管是低位率编码还是高位率编码。
发明内容
本发明要解决的一个问题是需将信息量作为量化矩阵部分的信息发送量。在通常的情况下需要全部每个为8位的64个系数。这表示总共为512位。若是三段彩色信息需要三个不同的量化矩阵，整个位数将会是此数的三倍。这表示对于以低位率传送来说开销太多。如果矩阵在传送中间被改变会造成太长的建立时间或者传送中的等待时间会使矩阵在传送中间就被改变。
要解决的第二个问题是人类视觉系统的空间掩蔽问题。平坦区的噪音比有纹理区中的噪音更易觉察到。因而将同一矩阵作为全局的优化矩阵应用于整个区域而不对局部区域的活动量进行局部调节并非好的解决办法。
第三个要解决的是从直流的可变量化矩阵值中节约位数的问题。量化短阵中的第一值，在高位率和平坦区内被减小了，而在低位率和有纹理区内则被增大。
为了解决上述问题以使传送数据减少，按照本发明的一种用于进行静画和动画量化矩阵编码的编码方法，包括：
保持一缺省的量化矩阵，它包含多个具有预定值的量化元；
产生一特定的量化矩阵，它包含多个具有选定值的量化元；
按一预定的Z字形读出所述的特定量化矩阵；
在按预定的Z字形读出的同时在一选定的位置处结束特定量化矩阵的读出，并产生一特定量化矩阵的前部分；
在所述特定量化矩阵的前部分的量化元之后加一末端码；
从紧靠所述选定位置之后的一位置处按照所述预定的Z字形读出所述缺省的量化矩阵，并产生一缺省量化矩阵的后部分；以及
合成所述特定量化矩阵的前部分和所述缺省量化矩阵的后部分形成一合成的量化矩阵。
按照本发明，一种用于对静画和动画量化矩阵进行解码的解码方法，包括：
保持一缺省量化矩阵，它包含多个具有预定值的量化元；
接收若干量化元和一末端码；
按一预定的Z字形对所述接收的量化元进行定位以形成一前部分，并在检测到所述的末端码后结束对所接收的量化元的定位；
按照所述预定的Z字形从紧靠所述前部分之后的一位置处读出所述缺省量化矩阵，并形成带有来自缺省量化矩阵的量化元的一后部分；以及
合成所述特定量化矩阵的前部分和所述缺省矩阵的后部分形成一合成的量化矩阵。
按照本发明一种用于对静画和动画量化矩阵进行编码的编码器，包括：
一保持件，它保持一包含有预定值的多个量化元的缺省量化矩阵；
一产生件，它产生一包含有选定值的多个量化元的特定量化矩阵；
一读出件，它按一预定的Z字形读出所述的特定量化矩阵；
一结束件，它在按预定的Z字形读出的同时，在一选定位置处结束特定量化矩阵的读出，并产生一特定矩阵的前部分；
一添加件，它在所述特定量化矩阵前部分的量化元之后加一末端码；
一读出件，它按所述预定的Z字形从紧靠所述选定位置之后的一位置处读出所述缺省量化矩阵，并产生一缺省量化矩阵的后部分；以及
一合成件，它合成所述特定量化矩阵的前部分和所述缺省量化矩阵的后部分形成一合成的量化矩阵。
按照本发明，一种用于对静画和动画的量化矩阵进行解码的解码器，包括：
一保持件，它保持一包含有预定值的多个量化元的缺省量化矩阵；
一接收件，它接收若干量化元和一末端码；
一定位件，它按一预定的Z字形对所述接收的量化元进行定位形成一前部分，并在检测到所述末端码之后就结束对所接收的量化元的定位；
一读出件，它按所述预定的Z字形从紧靠所述前部分之后的一位置处读出所述缺省量化矩阵，并形成带有来自缺省量化矩阵的量化元的一后部分；以及
一合成件，它合成所述特定量化矩阵的前部分和所述缺省量化矩阵的后部分形成一合成的量化矩阵。
还有一些问题是用以下的方法解决的。
缺省矩阵被设计成使可变的加权数能由编码器进行更新修改。以这种方法对图像的内容进行不同程度调节的矩阵此后称为截短量化矩阵。
这种截短量化矩阵可以通过根据编码位率、编码图像的复杂度以及其它方式作出判定。往往通常集中在直流和前几位交流系数上需有少量的非零值，尤其在低位率编码中更是如此。而且对这些非零值进行不同的编码，并且将使用每一值低于8位的数值对该不同数值编码。
量化加权是按照区块的活动量进行度量的。
量化加权是按照区块的量化步长进行度量的。
本发明从既节约位数又适用于各个区块当中提供了一种提高量化矩阵使用效率的方法。
量化矩阵是根据不同编码的位率以及其它方式进行判定的，所用的方法是：只对量化矩阵中首先的少量值设置成有一定加权的非零值，其它的则截短为零不予编码和传送。
这一截短的矩阵与非零值的数目一起进到编码和传送用Z字形或其它方式扫描，或用专用的符号终结。
由于留下的系数的数目能够反映区块的活动量，所以通过校核在量化之后留下的系数数目能对加权的量度进行调节。若在量化后只留下直流系数，则因它是平坦区，直流的加权量度应小于或等于8，不然若是留下大量交流系数，就可加大直流的加权量度(例如为量化阶数的两倍)。对直流系数的加权量度可以进行同样的调节。
附图说明
图1A示出一例缺省量化矩阵图。
图1B示出一例特定的量化矩阵图。
图2A示出本发明一截短的量化矩阵图。
图2B示出另一例特定的量化矩阵图。
图3示出本发明一例合成的量化矩阵图。
图4为本发明的编码器的方框图。
图5为本发明的解码器的方框图。
图6为表示对截短的量化矩阵进行编码的方法之一的方框图。
图7示出只对直流值进行量度的一例对截短的量化矩阵进行量度的图。
图8为表示对一截短的量化矩阵中的直流系数进行量度过程的流程图。
图9为用于对所量度的截短量化矩阵进行解码的解码器的方框图。
具体实施方式
当前实施例被分成两部分。实施例的第一部分描述截短的量化矩阵。实施例的第二部分描述适合的量化步长量度的操作。尽管实施例描述对一单独部分的操作，两种方法都能独立地应用于实现所要的结果。
图1A示出一例亮度帧内部(Y内部)编码的缺省矩阵，图1B则示出一例更粗略地量化高频系数的特定量化矩阵。
图2A为由本发明提出的一例截短的量化矩阵。此实施例的关键在于量化矩阵中要传送的数值的数目可以不超过64。这尤其是对于首先只需有2或3数值的很低位率的编码特别有用。
图4示出本发明利用静画和动画量化矩阵的一编码器。该编码器包括一DCT转换器32、一量化器34以及一可变长度编码部件49。设置一QP发生器36用于在例如提供每一大区块之后产生量化参数。量化参数能在每一大区块之后利用预定的公式计算出来，也可从一查阅表中选出。获得量化参数后就应用于量化器，而且还用于解码器，这将在以后结合图5进行说明。
在图4中，编码器还有一特定的QM发生器38用于产生按一矩阵格式对准的特定的量化元。矩阵中的特定量化元是产生在由多个层次组成的各个视频对象层(VOL)之后。矩阵QM中的特量化元的示例在图1B和图2B中示出。在用少量数据发送视频数据的情况下(诸如当位率低，或当图象简单时)，使用了图1B中所示的特定量化元，其中在高频区使用了大量的如200这样的量化元。特定的量化元可以通过计算或是通过利用合适的查阅表得到。设置一选择器37用于选择在计算中所用的参数，或是从查阅表中选择矩阵中合适的量化元。选择器37可以由使用者手动操作，也可按照图像的类型(实体图或图解的图)或是图像的质量自动操作。
将矩阵QM中的特定量化元用于一截短器40。截短器40经图2A中虚线所示从直流成分至高频成分的Z字形扫描器48控制，按Z字形格式读出矩阵QM中的特定量化元。当截短器40读出预定数目的矩阵的特定量化元时，就结束了从方块38的矩阵QM中进一步进行Z字形的读出。此后，由一末端码加法器将一诸如零的末端码加到特定量化元的预定数目的末端。预定数目是由受使用者手动操纵或受与图像类型或质量相关的自动操纵的设定部件39决定的。按照图2A中所示的一例，预定数目为十三。这样，在结束Z字形读出之前将会有十三个特定量化元要读出。这读出的量化元，由于它们是在矩阵QM中Z字形读出特定量化元的前部分当中，因而就称为前部分中的量化元。前部分中的量化元被送至一合成的QM发生器44，并将同样的量化元加上末端码送至图5中所示的一解码器。将跟随有末端码的一系列这些前部分中的量化元称为简化的数据QMt。
设置一缺省QM发生器46用于存储按如图1A中所示矩阵对准的缺省量化元。这些缺省量化元也是受Z字形扫描器48的控制按Z字形读出的。
设置一合成的QM发生器44用于产生矩阵形式的合成量化元。在合成的QM发生器44中，将从截短器40中得到的前部分中的特定量化元和来自缺省的QM发生器46的后部分(前部分以外的部分)中的缺省量化元进行合成。这样，合成的QM发生器44就用前部分中的特定量化元与后部分中的缺省量化元合成矩阵的合成量化元。
图3示出一例矩阵的合成量化元，其中前部分F填入特定的量化元，而后部分L则填入缺省量化值。
在量化器34中，矩阵格式的DCT系数COF是用来自合成的QM发生器44的矩阵的合成量化元和来自QP发生器36的量化参数QP进行量化的。然后，量化器34按矩阵格式产生量化的DCT系数COF′。系数COFij和COF′ij(i和j包括在1和8之间的正整数)有以下的关系。
这里，QMij表示从合成的QM发生器44中产生的矩阵的量化元，QP表示从QP发生器36中产生的一量化参数。然后还在可变长度编码部件49中对量化的DCT系数COF′编码，并从部件49中输出压缩的视频数据VD送往图5中所示的解码器。
图5示出本发明使用静画和动画量化矩阵的一解码器。解码器包括一可变长度解码器部件50、一逆向量化器52、一逆向DCT转换器62、一末端码解码器56、一合成的QM发生器54，一缺省的QM发生器58以及一Z字形扫描器60。
缺省发生器58存储一如图1A中所示那样的缺省量化矩阵。要注意到在缺省QM发生器58中储存的缺省量化矩阵与图4中所示缺省QM发生器46中存入的同属一个。合成的QM发生器54和Z字形扫描器60与图4中所示的合成的QM发生器44和Z字形扫描器48基本上分别相同。
由图4的编码器发送的视频数据VD被送至可变长度解码部件50。与此类似，量化参数QP被送至逆向量化器52，而简化数据QMt则被送至末端码解码器56。
如上所述，简化的数据QMt包括矩阵中前部分的特定量化元。特定量化元被Z字形扫描器60进行Z字形扫描并存入合成的QM发生器54的前部分。然后，当末端码检测器56检测到末端码时，就结束由末端码检测器56对特定量化元的提供，并在合成的QM发生器54的后部分中对来自缺省QM发生器58的缺省量化元进行Z字形扫描。
因此，在图5的合成QM发生器54中产生的合成的量化矩阵就和图4的合成QM发生器44中产生的合成的量化矩阵相同。由于能用简化的数据QMt再现合成的量化矩阵，因而就可以使得用较少数据由编码器向解码器传送的高质量图像得到再现。
图6示出对截短的量化矩阵编码和传送的方法之一。
这里，单元1是在单元2中经核查不同的编码位率、不同的编码图像尺寸等等所确定的截短的量化矩阵。单元1中的X1、X2、X3、...是用于在与X1、X2、X3、...相同的位置中量化8×8 DCT系数的区块的那些非零量化矩阵值。单元1中有零值的量化矩阵的其它部分是指将要使用的量化矩阵的缺省值。在编码器中，将对8×8区块的DCT系数的同一部分设置成零。
单元3是将单元1中的非零值扫描进一组数据中，在该组的第一部分上集中有较大的数值。这里所示的是作为一例的Z字形扫描。
单元4表示任选的部件，它通过减去相邻的数值对扫描的数据编码以获得如图6中所示ΔX1、ΔX2、...较小的差值，或许还接着用霍夫曼(Huffman)编码或其它熵编码的方法进行编码。
与此同时，还对非零量化矩阵值的数目进行编码并和那些非零值一起传送给解码器。对这种信息的编码有各种方法。最简单的方法用固定的8位对该数目编码。另一种方法是用一可变长度的表对该数目编码，这种表设计成能用较少的位数去处理大多数常见情况。
另一种方法是，不是在对上一次的非零值xN或上一次的差值ΔxN(N＝1、2、3、...)编码之后对如图6中所示的非零量化矩阵值的数目进行编码和发送，而是用一专用符号插入位流中表示非零量化矩阵的终结。这种符号可以是一数值，它不用在诸如零或负值的非零数值编码中。
图7为以S作为只对直流加权的比例因子的截短量化矩阵。这一比例因子根据个别区块的活动量进行调节。通过校核在量化之后留下的交流系数的数目能够取得活动量的信息。x1、x2、x3、...、X9是要用于量化8×8 DCT系数区块的截短量化矩阵中的非零值，而S则按比例增/降第一值的调节直流系数量化器的权数。
图8显示对量化矩阵中的第一值进行量度过程的有关细节。
单元5首先通过应用截短的量化矩阵，接着通过在那个区块的那个时间所需的量化阶对每一8×8区块进行量化。单元6校核在上述量化之后留下的交流系数的数目送往单元7决定图7中的权数S哪一个是提升或降低量度的。若是在单元5中进行的量化之后留下较多的交流系数，这时就是单元8中所示的可以按比例增加权数S；否则就是单元9中所示的按比例降低。单元10量度权数S以调节量化矩阵中的第一值，而单元11则用区块A的新的调节值对直流系数进行再量化并向解码器输出全部直流和交流系数。
可以选出与现有量化阶有关的一些数值或是一固定数值进行按比例增加和降低。
接着可以用类似方式调节其它交流系数的量化矩阵值。
图9中示出一适合量化步长量度和截短量化短阵的解码器。
在图9中，向解码器输入解码的位流。单元12将对截短量化矩阵解码，而单元13则将对每一区块的量化阶解码。单元14将对每一区块的全部直流和交流系数解码。单元15将校核非零的交流系数的数目，并可通过从单元15中获取的信息以及遵循与编码器中相同的准则在单元16中确定比例因子。每一区块的全部直流和交流系数均能通过解码量度量化矩阵和解码量度矩阵在单元17中进行逆转量化。最后将全部反量化系数送往一反DCT变换单元去重建图像画面。
下面是用于量化和反量化的公式：量化的：
直流内：Level＝|COF|∥(QM/2)
交流内：Level＝|COF|×8/(QP/QM)
相互间：Level＝[|COF|-(QP×QM)/32]×8/(QP×QM)反量化的：
直流内：|COF′|＝Level×QM/2
其它：|COF′|＝0
若Level＝0
|COF′|＝(2×Level+1)×(QP×QM/16)，
若Leve≠0，则(QP×QM/16)为奇数
|COF′|＝(2×Level+1)×(QP×QM/16)-1，
若Leve≠0，则(QP×QM/16)为偶数
其中：
COF为要进行量化的变换系数。
LEVEL为变换系数量化形式的绝对值。
COF′为重建的变换系数。
QP为现有区块的量化步长。
QM为与要进行量化的系数相对应的量化矩阵的值。
QM的缺省值为16。
本发明使量化矩阵按照编码位率、编码尺寸以及人类的视觉系统进行适应性的改变，使得能够通过截短和量度量化矩阵以及对矩阵的数值进行不同的编码节省大量数位。因而它将提高编码效率，特别是提高很低位率编码的编码效率。
对本发明所作的这样的说明，显然将会同样可能以许多方式进行改变。对这样的一些改变并不能视为超脱了本发明的基本精神和范围，而且所有这种对专业技术人员来说都是显而易见的改进是被视为包括在附后的权利要求范围以内。

Claims (3)

1.一种传送方法，用于传送通过对图像编码所得到的编码图像，所述传送方法包括如下步骤：
传送通过对量化系数编码所得的编码量化系数，所述量化系数是利用完整量化矩阵通过对所述图像的系数量化而得到的；
传送编码的量化矩阵，所述量化矩阵是通过截短并编码所述完整矩阵而得到的，该完整矩阵具有多个量化元。
2.如权利要求1所述的传送方法，其中，所述编码的量化矩阵具有按通过截短并编码所述完整量化矩阵中所含量化元得到的位的次序对准的位，还具有编码一末端码所得到的位。
3.如权利要求2所述的传送方法，其中，所述末端码是“0”值。
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