CN1148068C - 视频和图象数据压缩的简化小波零树编解码方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频和图象数据压缩的简化零树编解码方法和电路。本发明对小波变换系数的零树编/解码方法进行简化，并且根据简化的零树编/解码方法设计出相应的简化零树编/解码电路，包括量化、主控过程和从属过程，其中零树编码执行一次量化，由单一的主控过程和从属过程完成零树编码。它不仅满足视频数据压缩和图象数据压缩技术要求和具备很高压缩效率，而且不需要高性能或较多资源的集成电路。

Description

视频和图象数据压缩的简化小波零树编解码方法和电路

所属领域：

本发明涉及视频和图象数据压缩的变换方法和电路。

背景技术：

在视频和图象数据压缩中，为提高压缩效率通常使用数学变换技术，目前所采用的数学变换包括离散余弦变换和小波变换。图象经小波变换后，其小波变换系数主要有两个特点：第一个特点是能量主要集中在最低频子带，其余区域大部分的能量集中在与图象的亮度突变边缘对应的子带系数处，而且一般相应的高层系数比低层系数的绝对值大。第二个特点是不同层间存在自相似性，即同一类子带通常具有相似性。这种层间的自相似，一方面反映在对应于边缘的各层大系数的位置间的相似；另一方面，也反映在小系数的层间关系上，与一个小系数相应的低层的系数一般也比较小。为了充分利用上面两个特点，1993年，S.M.Shapiro提出了小波系数的嵌入式零树编码方法，这是一种高效的编码方法，而且生成的码流具有嵌入式的性质，可以随时截断，以达到所需的压缩比。据查新统计，至今已经设计出嵌入式零树编码电路的只有欧洲的IMEC研究中心。(参见国际会议论文IEEE 1999 Custom Integrated CircuitConference.’A scalable architecture for MPEG-4 embedded zero treecoding’，San Diego US，May，p5.1.1)。

S.M.Shapiro所提出的小波变换系数的嵌入式零树编码方法中，所谓“零树编码”是把小波变换系数组织成树的结构，如图2所示。根据相似性，除了低频子带外其余子带之中的某给定位置的系数通常和相同方向上较低层的相应位置的系数有一定的相似性；高层子带的系数叫做父结点，紧接着的低层子带的相应位置的4个系数叫做子结点；对于一个给定的父结点的所有同一方向上的低层子带的相应所有系数叫做后代结点；同理相同方向上的所有较高层子带的系数叫做祖先结点。图2所示HH3，HH2和HH1中用线连起来的小波系数彼此之间就是一种父结点，子结点和后代结点的关系，所有这些结点形成了一种树的结构。通过这种树形结构，所有的小波变换系数被组织成一棵棵的小波变换系数树，小波变换后同一方向上的子带不同层间的相似性也体现在小波变换系数的树形结构之中。零树编码是利用树形结构寻找和表示小绝对值的小波变换系数的相似性，来提高压缩效率的。

另外嵌入式编码方法的重要思想是逐次量化逼近，即通过逐渐降低小波变换系数的量化阈值，由几个编码过程来逐渐完成量化和编码。一般可控制量化阈值使逐次量化等价于将小波变换系数的值按照某一比特位来输出，称为位平面量化。在每一个位平面量化编码的过程中，如图3所示，如果一个小波变换系数的绝对值大于当前的量化阈值被称为大系数，否则称为小系数。逐次量化逼近是嵌入式零树编码算法获得嵌入式码流的原因，但是逐次量化逼近有一个很大的缺点，就是需要较多的运算时间，因为需要多次扫描整帧图象；量化级数越多，扫描次数也越多，所需时间就越长。

就电路设计而言，嵌入式零树编码电路有一个较大的缺点。由于采用逐次量化方法，而且每次量化的结果都对后续量化施加影响，因此难以实现简捷、快速的处理，对于视频数据压缩时间要求非常严格，因此嵌入式零树编码对视频压缩集成电路的性能要求较高。为使普通性能的集成电路也可以完成零树编码，本发明提出了一种简化的零树编码算法，它采用一次量化，因而降低了运算时间和对集成电路的性能要求，同时保持零树编码的方法，并对大系数的字长编码，从而仍然保持较高的压缩性能。

本发明所设计简化的零树编/解码算法对零树的判别设计了一种从低层向高层，以一级树结构的扫描与判别方案，可以经过一次扫描完成零树判别。因此根据这种编/解码算法所完成的简化零树编/解码电路是一个对集成电路性能要求较低，并可实时地完成任意常用尺寸的一帧或一块图象数据的简化零树编码、而且需要相对很少的集成电路资源的电路，并且灵活的结构设计。

发明内容：

本发明的目的是设计对小波变换的零树编/解码方法进行简化，并且根据简化的零树编/解码方法设计出一个满足视频数据压缩和图象数据压缩技术要求的、可以很好地与小波变换相配合、具备高压缩效率而且不需要很高性能或很多资源的简化零树编/解码电路。

本发明的内容与技术方案如下：

本发明设计了一种视频和图象数据压缩小波变换简化零树编码方法。包括量化、主控过程和从属过程，其中零树编码执行一次量化，由单一的主控过程和从属过程完成零树编码。

在目前的嵌入式零树编码方法中规定，对于大系数而言，如果为正值则输出符号POS，如果为负值，则输出符号NEG。所谓“零树”就是指在每一个位平面量化的过程中，如果某个小波变换系数w和它的所有后代结点全是小系数，这时w被称为零树结点；如果该结点w不是另外一个零树结点的后代，那么w就成为零树根，并且在嵌入式零树编码中用符号ZTR表示，而且对于零树根的所有后代结点不需要再进行任何处理和表示；如果某个小波变换系数本身是小系数，但是具有一些大系数的后代结点，它被称为孤立零点，由符号IZ表示。每一次位平面量化编码的过程可分为两个过程：主控过程和从属过程。其中主控过程按照规定的次序扫描所有的小波变换系数，并根据系数本身的绝对值大小及后代结点的绝对值大小及其关系分别输出ZTR、IZ、POS、NEG符号或无符号输出，所有输出符号可以通过算术编码器进行进一步压缩编码。如果输出ZTR符号，则它的所有后代结点不需要再进行输出；如果输出POS或NEG符号，则该系数的值被置为0，同时将该系数绝对值减去当前阈值后放入大系数队列表中。其中从属过程依次输出大系数队列表中所有系数绝对值在下一个位平面上的比特值。嵌入式零树解码方法同样可以分为一个个位平面解码过程，每一个位平面的解码过程依然包括主控过程和从属过程，主控过程是按照嵌入式零树编码后输出的ZTR、IZ、POS、NEG四个符号顺序恢复所有零树结构，从属过程则恢复大系数在此位平面的比特值。当所有位平面解码过程执行完毕，就恢复出所有绝对值大于量化阈值的小波变换系数。若再经过相应的小波逆变换，就可观看恢复后的原始图象。

本发明的简化零树编码算法去除了逐次量化，改用一次量化的方法。一次量化虽然使图象质量有所降低，但提高了零树编码算法的在视频压缩技术中的实用性。一次量化只产生单一的主控过程和从属过程，主控过程仍然执行零树结构的查找和编码，而从属过程不再只是将大系数的比特值简单地送出，还要有效地表示大绝对值系数。简化零树编码算法保留了零树编码算法中零树结构这一核心概念，使得算法保持了很高的压缩性能，同时消耗时间较多的主控过程只做一次，大大降低了运算复杂度，使得该算法可以较容易地实时实现视频图象压缩编码，同时保证对集成电路的较低要求。

对应本发明上述提出的简化零树编码方法设计了的相应的简化零树编码电路。它采用一级零树查找和标注电路，以及相应的外部存储器控制电路和数据接口电路。其中一级零树查找和标注电路以一级零树判别方法扫描量化标记，从低层向高层判断零树结构。执行一次量化的大绝对值小波变换系数与量化阈值差值的有效字长进行编码。

简化零树编码主控过程进行一级零树的判别。首先利用比较器电路对每一个小波变换系数的绝对值与阈值T进行比较：如果小于阈值T，则是小系数，比较器输出0；否则是大系数，进一步如果此小波变换系数为正数，则比较器输出2，表示POS符号；若此小波变换系数为负数，则比较器输出3，表示NEG符号。进一步的判别利用另一个比较器电路：如果某一个小波变换系数的比较器输出值为0，而且它的所有后代结点的比较器输出值也都为0，同时它的父结点或者任一兄弟结点的比较器输出值不为0，那么此小波变换系数是一个零树根，下面将它在前面的比较器输出值由0改写成1，表示ZTR符号，而它的所有后代结点的比较器输出值改写成4，表示不需输出；否则，如果某一个小波变换系数的比较器输出值为0，而它的后代结点的比较器输出值不都为0，那么此小波变换系数是一个孤立零点，即输出0值代表IZ符号。主控过程完成。从属过程将小波变换系数的绝对值与阈值T差值的有效位编码输出。

本发明的视频和图象数据压缩的简化小波零树编码电路，采用量化模块、编码主控过程模块和编码从属过程模块，以及相应的控制外部存储器读写的信号、地址发生器；量化模块采用比较器对每一个小波变换系数的绝对值与阈值T进行比较，如果小于阈值T，比较器输出0，对应孤立零点符号；否则比较器输出1，将此输出作为编码符号的高比特位，此输出与小波变换系数本身的正负号做逻辑与运算，其结果作为编码符号的低比特位，此两比特组成编码符号，即正的大系数产生2，对应正符号，负的大系数产生3，对应负符号；另外，当比较器输出为1时，小波变换系数的绝对值大于T，使两者通过减法器相减，将差值输出；编码从属过程模块执行差值的有效位和位长编码，利用运算器编码差值的有效位长，与差值的有效比特位组合在一起输出。

编码主控过程模块采用一级零树判别，从低层到高层扫描、递推编码零树结构；利用编码主控过程模块的比较器判别存储在各寄存器中的量化模块的比较器输出值，对于位于第一、二层的一级零树数据，如果全是0，则构成零树，二层的数值改为1，对应零树根符号，一层的数值改成4，表示不需编码；对于更高层的一级零树数据，如果低层的数据全是1，而高层的数据是0，则构成零树，高层的数值改成1，低层的数值改成4；否则，若不能构成零树，高层的小系数是一个孤立零点，量化模块的比较器的输出0值不变；依此类推从低层到高层编码，扫描、编码到最高层后，主控过程完成。

对于彩色图象或彩色视频，可以对彩色图象的R、G、B分量图象或Y、U、V分量图象通过简化零树编码电路分时、分别一一执行简化的零树编码。

本发明的优点与积极效果在于：本发明实现了一种满足视频数据压缩和图象数据压缩技术要求的，使用集成电路资源相对较少，能够集成到一片价格低廉的集成电路之中的简化的零树编码电路。此电路可以实时地完成任意常用尺寸的一帧或一块图象数据的简化的零树编、解码。其优点在于：

1.成本低廉，它对集成电路资源和性能的要求相对很低，并且不需要专门的电路结构和片内存储器，因而能够集成到一片价格低廉的集成电路之中。

2.可靠性好，由于结构简单、紧凑，具有良好的实用性和可靠性。

3.通用性强，可以完成任意常用类型、尺寸的一帧或一块图象数据的多层二维双正交小波变换的简化的零树编、解码。

说明书附图说明：

图1：二维小波变换频带示意图

图2：四层小波变换频带分布图

图3：零树编码流程图

图4：小波变换系数量化电路框图

图5：零树结构判定电路框图

图6：大绝对值系数处理电路框图

具体实施方式：

本发明用于实时完成任意常用尺寸的一帧或一块图象数据的小波变换。下面结合实施例进行进一步地说明。

以四层小波变换为例。如图2所示，第一层小波变换完成后，对低频子带LxLy再做第二层小波变换，然后再对第二层小波变换的低频子带做第三层小波变换，最后对第三层小波变换的低频子带再做第四层小波变换。仅对低频子带区域进行多层小波变换的原因在于，一是因为低频子带区域含有大部分的大绝对值小波变换系数，且低频子带区域较大，有可能将较大值进一步集中；二是因为高频子带区域，大绝对值小波变换系数不多，对其进行小波变换，不会有显著效果。

四层简化的零树编码方法的具体步骤是：

1)量化。根据码率控制的要求定出量化阈值，对小波变换系数进行量化。为了灵活地控制编码质量，不同子带可以使用不同的量化阈值。如果任何系数的绝对值大于量化阈值，即认为该系数为大系数，根据符号情况分别输出POS或NEG，同时将该系数绝对值减去量化阈值后的差放入大系数队列表中。

2)主控过程，采用一级零树判别方法：所谓“一级树结构”指的是一个父结点和它的四个子结点，而不包括更低层的后代结点。对于位于第一、二层的一级树数据，如果全是0，则构成零树；对于更高层的一级树数据，如果低层的数据全是1，而高层的数据是0，则构成零树。即对除低频子带之外的所有小系数进行扫描，根据该结点的祖先和后代结点的大小状况输出IZ、ZTR或无输出。

3)从属过程。所有大系数队列表中的小波变换系数绝对值差按照它们所属的不同子带分为不同的集合，同一集合内的系数编码时是先输出系数的有效比特位数，然后再输出具体的比特值。

相应的零树解码的具体步骤是：

1)主控过程，根据输入的POS、NEG、IZ或ZTR恢复一级零树结构中。当开始输入符号时，如果输入是POS、NEG或IZ则直接写入存储器地址；如果输入是ZTR则是零树结构，需要改写其父结点数值，即将此数据相应的存储器地址写入ZTR，并将其所有后代节点相应的存储器地址也写入ZTR。当后续输入POS、NEG、IZ或ZTR，首先需要查看此数据相应的存储器地址是否已有ZTR符号，如果没有ZTR符号，采取上述操作；否则，依次移到下一个存储器地址查看，直到没有ZTR符号，再写入新符号。

2)从属过程，恢复低频子带和大系数数据：首先，根据输入的大系数队列表中的小波变换系数绝对值与相应的量化阈值的差依次恢复低频子带中的对应大系数的小波变换系数；根据主控过程恢复的零树结构，在所有大系数POS或NEG位置上，依次恢复相应的小波变换系数。

简化零树编码电路工作步骤如下：

1.小波变换系数的量化。如图4所示，从外部存储器R501中读小波变换系数，送到运算器A503，A503对小波变换系数取绝对值，然后输出到比较器C504，C504将小波变换系数的绝对值与阈值T比较，如果小于T则输出0，否则输出1，并且将此输出作为最低比特位输出：此输出接下来再与小波变换系数的符号位做与运算，其结果作为高一比特位输出，此两比特一起输出到外部存储器R502的最低两比特位置。这样一来，正的大绝对值小波变换系数产生的低两比特输出数值是2，负的大绝对值小波变换系数产生低两比特输出数值为3，而小绝对值小波变换系数产生输出数值为0。当最低比特位输出为1时，则意味着小波变换系数的绝对值大于T，那么就将两者相减，并且将其差值输出到外部存储器R502的高比特位置。输出数值在外部存储器R502中的地址与其小波变换系数在外部存储器R501中的地址相同。此过程的R501和R502的数据读、写操作由信号、地址发生器U505管理。

2.零树结构的判定。如图5所示，由外部存储器R502中读取最低两比特位数据。寄存器R601、R602、R603、R604和R605分别延迟一棵树上不同位置的数据，使其在比较器C606中并行比对、判断是否构成零树。判断准则是：对于第一、二层的数据，如果低两位比特全是0，则构成零树；而对于第二、三和四层的数据，如果低层的低两位比特数据等于1，而高层的低两位比特数据是0，则构成零树。如果构成零树，则将对应低层的数据输出数值4到外部存储器R501的相同地址，而高层的数据在外部存储器R502中改写低两位比特为1；否则不构成零树，低层的数据输出原数值到外部存储器R501的相同地址。对于第四层的低频子带不参加零树处理，仍按原量化数值输出到外部存储器R501的相同地址。外部存储器R501和R502的数据读、写操作由信号、地址发生器U607管理。

3.发送经过零树编码的数据。当零树符号数据是4时不需发送，只需发送0(IZ)、1(ZTR)、2(POS)和3(NEG)等两比特符号。对于对应于2和3的大绝对值的小波变换系数与阈值T的差值送入运算器A701。A701为避免输出一连串的0数据，使用两个比特表示差值的有效字长，与差值的有效比特位组合在一起输出到外部存储器R502，见图6，此过程外部存储器R501和R502的数据读、写操作由信号、地址发生器U702管理。

4.由外部存储器R502顺序读取差值的码字，送出零树编码电路。

简化零树解码电路工作步骤如下：

首先恢复零树结构：

1.首先对要写入数据的外部存储器清零。这是因为零树解码操作依赖于外部存储器中的数值。

2.最先输入的数据是对应第四层的低频子带量化后低两位比特数据符号。由于此块中没有零树根ZTR，因此它的数值只有0、2和3。此块操作只需要按正确的地址写入外部存储器。

3.其次输入的数据是对应第四层的次高频与高频子带的低两位比特数据符号，由此开始恢复零树结构。具体操作可以进一步归纳成以下几步：

(1)在读取输入低两位比特数据的同时查看外部存储器中当前地址的数值。如果当前地址的数值是1，则不做任何操作，再读取外部存储器中下一个地址的数值。

(2)如果外部存储器中当前地址的数值不是1，而输入数据是0、2和3时，将输出数据写入外部存储器当前地址。

(3)如果外部存储器中当前地址的数值不是1，而输入数据是1时，将1不仅写入外部存储器当前地址，而且写入所有后代结点的地址。

4.后续输入的数据是第三、二和一层的次高频与高频子带低两位比特数据。它们的操作与上述第四层的次高频与高频子带数据的零树结构恢复操作相同。

零树结构恢复后，恢复大系数的数值的步骤如下：

1.读取外部存储器中的数据，如果为0，依次读取下一个地址中的数据。

2.如果为1，则改写为0。

3.如果为2，则读后续输入的编码数据，与量化阈值T相加后写入当前地址。

4.如果为3，则读后续输入的编码数据，与量化阈值T相加后改为2进制补码，写入当前地址。

在视频数据压缩和图象数据压缩技术中，小波变换一般做三到五层，不再进行更高层小波变换的原因是，当大绝对值小波变换系数集中到一定程度，再对其进行小波变换，一般不会再有显著效果。小波变换增加一次或减少一次，会对压缩效率产生一些量的改变，但不会对集成电路产生本质上不同的要求。因此，本发明的实施例虽然具体针对四层小波变换的情况来加以说明，它也可以应用于通常的三到五层二维双正交小波变换的简化零树编码。

Claims (7)

1、一种视频和图象数据压缩的简化小波零树编码方法，包括量化、主控过程和从属过程，其中主控过程按照规定的次序扫描所有的小波变换系数，并根据系数本身的绝对值大小及后代结点的绝对值大小及其关系分别输出各种符号，所有输出符号通过算术编码器进行进一步压缩编码；从属过程依次输出大系数队列表中所有系数绝对值在下一个位平面上的比特值，其特征在于：零树编码执行一次量化，由单一的主控过程和从属过程完成零树编码；主控过程采用一级零树判别方法，即对于位于第一、二层的一级树数据，如果全是0，则构成零树；对于更高层的一级树数据，如果低层的数据全是1，而高层的数据是0，则构成零树；从属过程利用比较器电路对每一个小波变换系数的绝对值与阈值T进行比较，将小波变换系数的绝对值与阈值T差值的有效位编码输出。

2、根据权利要求1所述的视频和图象数据压缩的简化小波零树编码方法，其特征在于：主控过程采用一级零树判别方法，利用比较器电路，即如果某一个小波变换系数的比较器输出值为0，而且它的所有后代结点的比较器输出值也都为0，同时它的父结点或者任一兄弟结点的比较器输出值不为0，那么此小波变换系数是一个零树根，下面将它在前面的比较器输出值由0改写成1，表示零树根符号，而它的所有后代结点的比较器输出值改写成4，表示不需输出；否则，如果某一个小波变换系数的比较器输出值为0，而它的后代结点的比较器输出值不都为0，那么此小波变换系数是一个孤立零点，即输出0值，表示孤立零点符号，主控过程完成。

3、根据权利要求1或2所述的视频和图象数据压缩的简化小波零树编码方法，其特征在于：主控过程利用比较器电路对每一个小波变换系数的绝对值与阈值T进行比较，如果小于阈值T，则是小系数，比较器输出0，否则是大系数；进一步如果此小波变换系数为正数，则比较器输出2，表示正符号；若此小波变换系数为负数，则比较器输出3，表示负符号。

4、一种视频和图象数据压缩的简化小波零树解码方法，包括主控过程和从属过程，主控过程按照嵌入式零树编码后输出的四个符号0，1，正，负顺序恢复所有零树结构，从属过程则恢复大系数在此位平面的比特值；当所有位平面解码过程执行完毕，就恢复出所有绝对值大于量化阈值的小波变换系数；再经过相应的小波逆变换，可以得到恢复后的原始图象，其特征在于：主控过程恢复一级零树结构，从属过程恢复大绝对值小波变换系数；根据输入符号的0、1、2和3数值和对应小波变换大系数的数值，执行对应简化的零树编码的压缩数据的解压缩操作。

5、根据权利要求4所述的视频和图象数据压缩的简化小波零树解码方法，其特征在于：在简化零树解码之前对存储器清零；一级零树结构的恢复将零树结构符号写入存储器时对已经写入的零树结构符号不处理，而对大绝对值小波变换系数的恢复是将输入的大绝对值系数与量化阈值的差值与量化阈值相加，并且将符号为负的大绝对值小波变换系数改为二进制补码写入相应存储器地址。

6、一种视频和图象数据压缩的简化小波零树编码电路，采用量化模块、编码主控过程模块和编码从属过程模块，以及相应的控制外部存储器读写的信号、地址发生器；其特征在于：量化模块采用比较器对每一个小波变换系数的绝对值与阈值T进行比较，如果小于阈值T，比较器输出0，对应孤立零点符号；否则比较器输出1，将此输出作为编码符号的高比特位，此输出与小波变换系数本身的正负号做逻辑与运算，其结果作为编码符号的低比特位，此两比特组成编码符号，即正的大系数产生2，对应正符号，负的大系数产生3，对应负符号；另外，当比较器输出为1时，小波变换系数的绝对值大于T，使两者通过减法器相减，将差值输出；编码从属过程模块执行差值的有效位和位长编码，利用运算器编码差值的有效位长，与差值的有效比特位组合在一起输出。

7、根据权利要求6所述的视频和图象数据压缩的简化小波零树编码电路，其特征在于：编码主控过程模块采用一级零树判别，从低层到高层扫描、递推编码零树结构；利用编码主控过程模块的比较器判别存储在各寄存器中的量化模块的比较器输出值，对于位于第一、二层的一级零树数据，如果全是0，则构成零树，二层的数值改为1，对应零树根符号，一层的数值改成4，表示不需编码；对于更高层的一级零树数据，如果低层的数据全是1，而高层的数据是0，则构成零树，高层的数值改成1，低层的数值改成4；否则，若不能构成零树，高层的小系数是一个孤立零点，量化模块的比较器的输出0值不变；依此类推从低层到高层编码，扫描、编码到最高层后，主控过程完成。

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