CN1146229C - 视频信号压缩系统的量化电路 - Google Patents

Abstract

在一压缩系统中包括一个量化器(14)，用于按照量化值矩阵量化系数矩阵，并响应用于提供量化比例因子(26)的速率缓冲器(24)的占用来修改量化矩阵，通过结合使用限制施加于量化矩阵的量化比例因子的最小值的装置(28)可在没有图像质量明显损失的情况下显著节省通道容量。

Description

视频信号压缩系 统的量化电路

本发明涉及用于处理用在视频信号压缩过程中的量化控制信号的电路。

可将传送已经用MPEG(运动图像专家组)编码的压缩视频信号的数字数据传输系统或MPEG类压缩系统设计为，无论何时只要通道未被已压缩的视频信号全占满在同一通道中仍运载数据。这种系统的类型可以是按照信号统计，在一公共通道上时分多路复用多个不相关的压缩信号，或者它们可以是时分多路复用来自单个信号的相关压缩高优先级和低优先级数据的高-低优先级类型。

前述两种类型的系统均依赖于相应压缩信号的某种形式的速率控制，以确保对于包括在带宽有限通道上的所有压缩分量至少存在一些信号容量。然而，通常将在视频压缩装置中实现的速率控制系统设计为，即使在利用额外的位产生很少或不产生主观改进时对编码视频仍使用尽可能多的位。典型地，设计速率控制算法限制为压缩视频信号分配的最大数据速率。这一技术总是为辅助信号保留一些最小数据空间。该方法的缺点是将会使编码困难的复杂视频图像的再现视频质量下降。

本发明的目的是在一种MPEG或MPEG类的压缩系统中，通过包括限制MPEG量化比例因子(或在非MPEG系统中其等价物)最小值而不是直接限制压缩视频信号位率的电路和/或软件代码，克服前述缺点。

图1是包括实施本发明的量化控制的视频信号压缩系统的方框图。

图2是可作为图1系统中量化器实施的示范量化装置的方框图。

图3和4是实施本发明的可选择的量化比例因子限制装置的方框图。

图5和6分别示出了未包括和包括有量化比例因子限制电路的图1所列举类型压缩装置的速率缓冲器占用的测量结果。

图7是可作为图1系统中量化器实施的可选示范量化装置的方框图。

本发明将在MPEG或MPEG类压缩系统的环境下描述，但是如所说明的，它可以应用于包括由量化系数划分编码信息的量化器的任何视频压缩系统。也就是给定码字的量化结果与量化系数成反比的系统。对于其中给定码字的量化结果正比于量化系数的系统，换言之即限制量化系数以产生限值码字的系统，可装备相应的类似装置。

参见图1，用虚线圈住的单元10至26包含用于以MPEG类格式产生压缩视频信号类型的一种典型运动补偿预测编码器。所示出的有三条并行处理路径，它们各处理亮度和两个色度视频分量。运动补偿装置20对亮度信号操作以产生运动矢量，这些运动矢量用在三条处理路径中。公共控制器21与相应处理电路通信，并引导编码器的总操作。运动补偿预测编码器的操作是众所周知的在此不作详细描述。只要说明单元12至20和26执行信号压缩、单元22按照所需协议例如MPEG类安排被压缩信号分量、和单元24将来自格式器22的数据脉冲变换为恒定速率数据就足够了。单元24、26和14共同操作以确保既不会有太多也不会有太少的编码数据，从而防止各接收机的速率缓冲器上溢或下溢。

速率缓冲器24(或视频缓冲检验器VBV，如以MPEG标准所描述的)提供缓冲器占用测量值和/或缓冲器占用变化速率测量值到量化器比例因子发生器26。量化器比例因子发生器26产生比例因子QS，这些比例因子随后用在量化器14中修改量化矩阵中的值。这种修改有助于调节压缩码字的发生速率。

量化比例因子发生器对于视频信号压缩领域的技术人员来讲是公知的。它们以多种形式出现并按照各种算法操作。在美国专利5,426,463；5,144,424；5,089,888；5,072,295；和4,897,855中可找到有代表性的装置和算法。

假定施加到量化器14的数据作为例如系数c_i的8×8矩阵C[v][u]出现，并假定量化器执行下列形式的量化操作：

$Q\left(C\right)=\frac{16C\[v\]\[u\]}{W\[w\]\[v\]\[u\]\×\mathrm{QS}}-\frac{k}{2}---\left(1\right)$

其中Q(C)是已被量化的矩阵，C[v][u]是系数矩阵，[v][u]是矩阵系数，W[w]是w个量化矩阵之一，QS是来自单元28的比例因子，k是系数的符号。从Q(C)的方程可以看出值Q(C)的大小与量化比例因子QS的值成反比。因此如果希望减少编码数据量，应限制QS的所有值出现在某一最小值以上。置于量化比例因子发生器26与量化器14之间的限制装置28执行该功能。单元28让发生在预定最小值以上的所有量化比例因子通过，另外也让最小值通过。如可从图5和6所看出的加入限制单元28显著改变了编码数据量。

精明的设计者将会认识到量化比例因子本身必须限制为大于零的值以防被零除。本发明中的限制器是有选择地工作并在预防被零除所需的固有限制以外执行附加限制。例如，MPEG2标准具有两种工作模式，带有两个对应的可选择的所允许量化比例因子组合。在这些模式中的第一种模式(种类1)下，较小量化比例因子被赋予值1，2，3，4，5，…，并当量化因子变得较大时该序列变成非线性的。在第二种模式(种类0)下较小量化比例因子被赋予值2，4，6，8，10，12…等。本发明的限制器将被有选择地在第一和第二模式下调整以将量化比例因子限制为大于所赋最小值的数值，也就是在第一和第二模式下分别至少大于1和2。

要提醒读者的是，本发明中提供的限制器执行一种可选择功能。当希望为辅助数据开创多余通道空间时，使限制器工作。另外也可调整它执行单一功能。

图5是表示在按照恒定位率CBR算法压缩一个典型的视频信号的情况下可用于传输其它信息的通道容量的百分比。数据是从以每秒60场编码1920×1080隔行扫描序列的Grand Alliance样板编码器获取的。图5示出了被调整产生三种不同恒定位率14Mbps、17Mbps和18Mbps的压缩装置的可获得容量。

对于调整到产生18Mbps的压缩装置在相同条件组下采取图6中的数据。然而，在这种情况下，QS的最小值被限定为数值10，8和1。亦即，将类似于单元28的单元插入产生图5结果的装置。在QS的最小值限定为一的情况下，该电路中的限制器有效执行单一功能，图6中的底部曲线看上去与图5中的相同。两组压缩数据之间在再现图像质量上没有明显差别。然而，很显然含有量化比例因子限制器释放相当大的通道容量。

参照图2说明一种量化过程举例。在图2中方框33表明从DCT单元13(图1)输出的系数数据的一个块或矩阵。各个系数C[v][u]或c_i(对应于例如离散余弦变换系数)以预定次序排列。标明为30的方框表明量化值qi的矩阵W[v][u]。确定这些量化值以便对方框33中系数提供较大和较小量化，它们对图像再现分别具有较小和较大重要性。因此当系数c1，c2，...c8等施加到量化器31时，同时访问和施加量化值q1，q2，…q8等以执行量化。但是值qi经一个变比电路32间接地施加到量化器31。用单元34提供的量化比例因子QS改变各个量化值的比例。

当系数块33施加到量化器31时，来自单元34的量化比例因子施加到变比电路32以产生耦合到量化器31的量化值QS(qi)或(QS)W[w][v][u]。量化器31可以是这样的形式，即量化由上述方程(1)表示出或者按照如下函数的各个系数：

Q(C)＝(16C[v][u]+8)//(2*(QS)W[w][v][u])；    C[v][u]＞0       (2)

Q(C)＝(16C[v][u]-8)//(2*(QS)W[w][v][u])；    C[v][u]＜0       (3)

Q(C)＝0                                      C[v][u]＝0       (4)

其中Q(C)是已量化系数矩阵，(QS)W[w][v][u]表示变比的量化矩阵，而∥指出四舍五入为最接近的整数的整数除法。

单元34让设定极限以上的来自量化比例因子发生器26(图1)的所有量化比例因子通过，对于较小的量化比例因子值提供极限值作为量化比例因子。该极限值被限制为表示有效量化比例因子的数值。方框34中的实线曲线表示出该函数。包括的虚线表明单元34是可编程的以允许使用不同极限值。例如，如果正在压缩具有大的平坦场区和急剧的特性变换的计算机产生的图像，可使极限值相对小以确保正确再现急剧的特性变换。另一方面，如果正在压缩明显运动的非常忙的图像，可使极限值较大。极限值也可是不同的，这取决于正执行的压缩类型，例如帧内或I-帧压缩或P或B-帧预测压缩。分别用于I，P和B帧压缩的极限值L_I，L_P，L_B的相对大小往往遵循L_I＜L_P＜L_B的排序。业已发现在范围6至12内的MPEG量化比例因子的代表极限值对非限定的比例因子提供改进的性能。根据正被压缩的源材料，其它极限值可提供更令人满意的性能。对于分别在前述MPEG类型1和类型2模式下的比例因子值来说任何大于1和2的极限值将形成对量化比例因子的限定。

在MPEG系统中，对应于量化比例因子的数据以压缩数据的宏块传输。量化比例因子不是直接发送的，而是以标注为““量化器比例代码””的编码形式发送。对于MPEG系统，可设置单元34为包括将被限定的量化比例因子代码转换为“量化器比例代码”值的装置。这种装置可以仅仅是一个只读存储器，由限定的量化比例因子寻址并在相应地址单元用适当“量化器比例代码”值编程。

图3示出用于限制量化比例因子的示范装置。它包括一个用比较器42调节的多路复用器44，根据比较器42是否呈现第一或第二状态分别让极限值或来自单元26的量化比例因子通过。由来自源40的算子提供的极限值被耦合到多路复用器44的一个输入端和比较器的一个输入端。来自单元26的量化比例因子耦合到多路复用器44的第二输入端和比较器42的第二输入端。对于小于和大于极限值的量化比例因子分别设置比较器呈现第一和第二输出状态。

图4示出用于限定量化比例因子的可选装置。在该实施例中，限制装置由存储器中的多个列表组成。来自单元26的量化比例因子耦合到存储器的地址输入端口。此外，由例如一个算子提供的表选择值耦合到地址输入端口。存储器输出端口提供限定的量化比例因子。

不同的表对应于不同的极限值。除了具有等于或小于极限值的地址值的地址单元外，在相应地址单元用其相应地址值对每个表编程。这些地址单元中的每一个用极限值编程。每个存储单元也可用适当的相应“量化器比例代码”编程，其可同时提供有量化比例因子，包括在压缩数据的相应宏块中。在一种替换配置中，该装置可包括一个单一的读/写存储器表而不是在存储器中包含多个列表，该读/写存储器表由例如系统控制器21在压缩序列起始处用适当地址值编程。

最后，如果系统控制器具有足够的计算容量，可在控制器中以软件执行限制功能，利用一种简单例程来比较和输出极限值或量化比例因子。

图7示出一种可选择的量化比例因子限制装置。在图7中，以与图2中单元相同标号指定的单元是类似的并执行相同功能。在这一实施例中，“量化器比例代码”发生器38耦合到速率缓冲器24，并在正常操作过程中产生例如MPEG-2、“量化器比例代码”值。这些值施加到限制器37，限制器37被调整为将“量化器比例代码”值限定于某个最小值，该最小值被限制为有效“量化器比例代码”值。为包括在已压缩的视频信号中已限定的“量化器比例代码”码字被耦合到格式器22，它们也施加到代码转换器36。可以是只读存储器的代码转换器36将“量化器比例代码”值转换为它们的对应量化比例因子值QS，施加于加权电路32。由于施加到转换器36的“量化器比例代码”值被限定，自转换器36输出的QS值也将被限定。

限制器37可采取图3和4所示的形式，或者用软件执行该功能。应认识到极限值是用户可选择的，或者它们可作为所处理视频数据量的函数而系统地更新。

Claims (12)

1、一种视频信号压缩装置，其特征在于包括一个量化器(14)和一个耦合用于接收所述量化器提供的数据的速率缓冲器(24)，并且还包括：产生装置(26)，用于响应所述速率缓冲器的占用水平，产生量化比例因子，以控制所述量化器，以及限制装置(28)，用于将施加到所述量化器的相应量化比例因子的值限制于预定数值范围，该预定数据范围不同于由用于产生量化比例因子的所述装置提供的量化比例因子值的范围。

2、如权利要求1所述的视频信号压缩装置，其特征在于还包括：

一待压缩视频信号的源；

第一压缩电路，用于提供部分压缩的所述视频信号；

第二压缩电路，用于完成被部分压缩视频信号的压缩；

所述量化器耦合在所述第一和第二压缩电路之间，用于量化所述部分压缩的视频信号，所述量化器包括用于接收量化比例因子的输入端口；

所述产生装置根据由所述第二压缩电路提供的被压缩数据的速率产生量化比例因子；以及

所述限制装置响应所述量化比例因子，限制施加到所述量化器输入端口的量化比例因子的最小值。

3、如权利要求2所述的视频信号压缩装置，其特征在于：所述第二压缩电路包括一个速率缓冲器，所述用于产生量化比例因子的产生装置响应所述速率缓冲器的相对满度。

4、如权利要求2所述的视频信号压缩装置，其特征在于：用于产生量化比例因子的装置和用于限制最小值量化比例因子的电路被归入同一电路中。

5、如权利要求2所述的视频信号压缩装置，其特征在于：视频信号压缩装置按MPEG协议提供压缩的视频信号，所述限制最小值量化比例因子的电路将相应量化比例因子限制于大于2的数值。

6、如权利要求5所述的视频信号压缩装置，其还特征在于：响应所述限制值和被限制的所述量化比例因子之一提供包括在已压缩视频信号中的受限制的相应量化器比例代码的电路。

7、如权利要求2所述的视频信号压缩装置，其特征还在于：用于提供包括在已压缩的所述视频信号中相应于受限制的所述量化比例因子的“量化器比例代码”值的电路。

8、如权利要求1所述的视频信号压缩装置，其还特征在于：响应所述限制值用于提供包括在已压缩的视频信号中的被限制的相应“量化器比例代码”的电路。

9、如权利要求1所述的视频信号压缩装置，其还特征在于：响应被限制的所述量化比例因子用于提供包括在已压缩的视频信号中的被限制的相应“量化器比例代码”的电路。

10、如权利要求1所述的视频信号压缩装置，其特征在于：响应所述速率缓冲器的占用水平产生量化比例因子的所述装置包含：

耦合到所述速率缓冲器用于产生“量化器比例代码”的“量化器比例代码”发生器；

耦合到所述“量化器比例代码”发生器用于将所述“量化器比例代码”的值限制于大于由所述“量化器比例代码”发生器提供的最小值的数值的“量化器比例代码”限制器；以及

耦合到所述“量化器比例代码”限制器的“量化器比例代码”至量化比例因子的转换器。

11、一种在视频信号压缩装置中用于降低代表所述视频信号的已压缩数据的平均量的方法，该视频信号压缩装置包括量化器和响应由所述量化器提供的已压缩的视频信号用于产生量化比例因子以控制所述量化器的电路，，该方法包含下列步骤：

将施加到所述量化器的所述量化比例因子的最小值限制为大于由用于产生量化比例因子的所述电路提供的最小值的数值。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于：压缩是按照MPEG协议进行的，并还包括：提供相应于被限制的所述量化比例因子的“量化器比例代码”；以及将所述“量化器比例代码”包括在所述已压缩的视频信号中。

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