CN1158051A - 用于近似视频信号中-目标轮廓图象的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对目标轮廓进行近似的方法，将该轮廓分成多个初始轮廓段并由连接各段的两个端点的一初始直线段来近似各初始轮廓段；确定表示所述各初始轮廓段与重构后的轮廓段之间的差的一重构误差；在初始轮廓段上生成二次轮廓段并通过连接其两端点的二次直线段来近似各二次轮廓段；生成表示所述各初始轮廓段与二次直线段之间的差的一近似误差；比较两误差，通过重构后的轮廓段或二次直线段来近似所述各初始轮廓段。

Description

用于近似视频信号中一目标轮廓图象的方法及装置

本发明涉及一种对视频信号中一目标轮廓进行编码的方法及装置，且更具体地，涉及一种通过使用基于多边形近似及变换技术的自适应编码方案可减少轮廓的近似误差的方法及装置。

在诸如电视电话、电视会议及高清晰度电视系统等数字电视系统中，由于视频信号中的一个视频行信号包括一序列称作象素值的数字数据，因此需要大量的数字数据来定义各视频帧信号。然而，由于一条传统的传输信道可资利用的频带宽度是有限的，为了通过它来传输可观数量的数字数据，不可避免地要通过采用各种数据压缩技术来压缩或减少数据量，尤其是在诸如电视电话及电视会议系统等低比特率视频信号编码器的情况中。

用于编码低比特率编码系统的视频信号的方法之一便是所谓面向目标的分析综合编码技术，其中一输入视频图象被分成若干个目标，且通过不同的编码信道处理用于定义各目标运动、轮廓及象素数据的三组参数。

在处理一个目标的轮廓图象中，轮廓信息对于目标形状的分析与综合是重要的。一种表示轮廓信息的经典的编码方法是链式编码方法。然而，该链式编码方法需要大量用于表示的比特，尽管该方法不会造成轮廓信息中的任何丢失。

因此，为克服此缺点，建议有几种编码轮廓信息的方法，例如，多边形近似和B样条函数近似。多边形近似中的一个缺陷是轮廓表示的光洁度不够，另一方面，B样条函数近似能更精确地表示轮廓，然而，它需要高阶多项式以减少近似误差，从而导致视频编码器整体计算复杂度的提高。

被介绍的改善上述近似方法中与轮廓的光洁度表示及增加的计算复杂度相关的问题的一种技术是采用离散正弦变换的轮廓近似技术。

在题为“用于表示一目标轮廓的轮廓近似装置”，中国专利申请号为95104784.1的一共有未决申请中公开一种采用基于多边形近似及DST的轮廓近似技术的装置，在该装置中，通过使用通过线段拟合轮廓的多边形近似来确定多个顶点并近似该目标轮廓，且选择各线段上的N个取样点并序列地计算位于各线段上的N个取样点中的每一个处的近似误差，以获得各线段的一组近似误差。然后，通过对各组近似误差执行一维DST运算而产生数组DST系数，即使通过采用基于DST的轮廓近似可能修正了表示的光洁度及计算的复杂度并且降低了传输数据量，但为了有效地实现具有例如64kb/s传输信道宽度的低比特率编码系统，仍期望能进一步减少传输数据量。

因此，本发明的主要目的是提供一种用于近似视频信号中一目标轮廓的改进的方法和装置，其通过根据轮廓段而适当地选择近似方法而能进一步降低近似误差。

根据本发明，提供有一种用于近似数字视频信号中表示的目标轮廓的方法，该方法包括有以下步骤：

(a)将轮廓分成多个初始的轮廓段并通过连接所述各初始轮廓段的两端点的一初始直线段来近似各初始轮廓段；

(b)为所述各初始轮廓段计算一组表示所述各初始段和与其相应的初始直线段之间差的误差；

(c)对该组误差进行编码以提供一组编码后的误差；

(d)对该组编码后的误差进行解码以生成一组重构的误差；

(e)根据该组重构的误差生成一重构的轮廓段；

(f)确定表示所述各初始轮廓段与重构的轮廓段之间的差的重构误差；

(g)生成一个或多个在初始轮廓段上的二次轮廓段并通过连接所述各二次轮廓段的两个端点的二次直线段来近似各二次轮廓段；

(h)发现一表示所述各初始轮廓段与二次直线段之间的差的一近似误差；及

(i)通过根据重构误差和近似误差来使用重构轮廓段或二次直线段来近似所述各初始轮廓段。

通过以下结合附图对优选实施例的描述，本发明的以上及其它目的和特征将变得显然，附图中：

图1A示出了用于近似目标轮廓的本发明装置的概略性方框图；

图1B说明了图1A中所示的第一误差计算单元的详细方框图；

图2A至2D给出了多边形近似过程；

图3A及3B提供了各表示连接两顶点的一直线段和与其相应的轮廓段之间的误差的示例性图；

图4A及4B表示了根据本发明的一优选实施例的一重构及多边形近似误差的概略性视图；及

图5A及5B描述了用于估算一轮廓段的重构及多边形近似误差的本发明另一优选实施例。

参照图1A，示出了根据本发明的用于对视频信号中所表示的一目标轮廓进行编码的创造性的装置50的概略性方框图。

视频信号中目标的轮廓图象数据被输入第一多边形近似单元52，该轮廓图象数据表示构成目标轮廓的轮廓象素的位置信息。

在第一多边形近似单元52，根据预定阈值TH1通过使用普通的多边形近似技术确定该轮廓上的多个初始顶点。通过执行多边形近似，该轮廓被分成多个初始轮廓段。各初始轮廓段表示由沿着该轮廓的两个相邻的初始顶点及位于该两顶点之间的轮廓象素构成且通过一连接该两相邻初始顶点的一初始直线段被近似。第一多边形近似单元52序列地为初始轮廓段提供初始轮廓段数据经线L10给一取样及误差检测单元54、第一误差计算单元60及第二多边形近似单元62，并提供初始的顶点数据经线L20给第一多路复用器72，该初始轮廓段数据表示构成一初始轮廓段的轮廓象素及初始顶点的位置信息，及该初始顶点数据表示包括在该初始轮廓段内的初始顶点的位置信息。

参照图2A至2D，说明了对示例性轮廓10的第一多边形近似过程。

当轮廓10为开环时，选择两个端点，例如A和B作为起始的起始顶点。另一方面，如果待被近似的轮廓为闭环，在轮廓上的两个最远点被选为起始的初始顶点。然后，确定在轮廓10上的距直线段AB的最远点，例如C。如果点C距直线段AB的距离Dmax大于一预定阈值TH1，该点C被选为一初始顶点。该过程被重复至沿该轮廓10的连接两相邻初始顶点的各直线段的Dmax变成等于或小于预定阈值TH1。

作为上述过程的结果，如图2D所示的那样产生初始顶点，例如A至G，初始轮廓段，例如曲线AD至曲线EB，及初始直线段，例如AD至EB。

初始顶点的数量根据预定阈值TH1而定，如从图2A至2D中所看到，当预定阈值TH1变小时，用初始直线段对轮廓10的近似将变得与轮廓10更加相似，但却降低了编码效率，因此阈值TH1根据待被发送的数据量的情况而被确定。

返回参照图1A，响应于初始轮廓段的初始轮廓段数据，取样及误差检测单元54以预定的方式在连接初始轮廓段的顶点的一初始直线段上取N个取样点；并计算各取样点上的误差，从而提供该初始轮廓段的一组误差给变换单元56，N是一正整数，其中在本发明的一优选实施例中，该初始直线段上的取样点相互间是等距离的。

而且该误差表示一取样点到由该初始轮廓段与垂直于来自该取样点的该初始直线段的一直线所形成的相交点的位移，该误差包括该取样点与该相交点之间的一距离及一表示该相交点相对该初始直线段的相对位置的符号。

参照图3A或3B，示出了一表示初始直线段AD或CF与其相应的初始轮廓段之间的误差的示例性图，其中初始直线段AD上的取样点S1或初始直线段CF上的取样点S1′与其相应的初始轮廓段上的相交点的位移，例如d1或d1′分别表示在取样点S1或S1′处的误差；且取样点S1至S8处的位移d1至d8和取样点S1′至S8′处的d1′至d8′分别为初始直线段AD和CF的一组误差的元素。

返回参照图1A，变换单元56通过采用预定的变换方法，例如离散正弦变换(DST)或离散余弦变换(DCT)对来自取样及误差检测单元54的该组误差执行一维变换运算，从而为各组误差产生变换系数并提供这些变换系数给量化单元58。

量化单元58量化来自变换单元56的该组变换系数并提供一组量化后的变换系数给第一误差计算单元60和一开关68。

参照图1B，说明图1A中所示的第一误差计算单元60的详细方框图。第一误差计算单元60包括一逆量化单元60-1、一逆变换单元60-2、一轮廓重构单元60-3和一重构误差计算单元60-4。在逆量化单元60-1，来自量化单元58的该组量化后的变换系数被逆量化以提供一组重构的变换系数。然后该组重构的变换系数在逆变换单元60-2被逆变换成一组重构的误差。响应于线L10的初始轮廓数据及来自逆变换单元60-2的该组重构的误差，轮廓重构单元60-3生成一重构的轮廓段，例如图4A所示的段44，其中段40表示初始轮廓段CF及由数字44表示的重构的轮廓段CF由序列地连接初始顶点C，通过使用重构的误差所得到的重构的相交点T1至T8和初始顶点F的直线段所形成。最后，在重构误差计算单元60-4，确定线L10上提供的初始轮廓段与来自轮廓重构单元60-3的重构轮廓段之间的重构误差并根据误差方案估算表示确定的重构误差量的重构误差值，该误差估算方案将在后对照图4A至5B进行描述，该重构误差值被馈送给一比较器66。

同时，在图1A中所示的第二多边形近似单元62，根据一预定阈值TH2对与第一多边形近似单元52相同的方式对线L10上提供的初始轮廓段进行第二次多边形近似，从而如果有，确定该初始轮廓段上的一个或多个二次顶点，其中预定阈值TH2小于预定阈值TH1且该初始轮廓段通过二次直线段而被近似，各二次直线段连接沿着该初始轮廓段的两相邻二次顶点。例如，如果如图4B所示在初始轮廓段40上确定二次顶点C′，初始轮廓段40通过连接初始顶点C和二次顶点C′的二次直线段与连接二次顶点C′与初始顶点F的二次直线段被近似。第二多边形近似单元62提供表示二次顶点的位置信息的二次顶点数据和初始轮廓段数据给第二误差计算单元64。该二次顶点数据还被提供给第一多路复用器72。

第二误差单元64以与重构误差计算单元60-4相同的方式确定初始轮廓段与二次直线段之间的一多边形近似误差，从而提供表示多边形近似误差量的多边形近似值给比较器66。

参照图4A至5B，说明了分别在重构误差计算单元60-4和第二误差计算单元64中确定重构误差和多边形近似误差时所采用的误差确定方案。

在本发明的优选实施例中，将由初始轮廓段及重构轮廓段所包围的区域和由初始轮廓段及二次直线段所限定的区域确定为重构误差及多边形近似误差；且其误差值分别由这些区域的面积表示。例如，初始轮廓段40的重构误差值为图4A中所示的由轮廓段40与重构的轮廓段44所包围的阴影区域的面积，同样，轮廓段40的多边形近似误差值为图4B中所示的由轮廓段40与二次直线段CC′和C′F所限定的阴影区域的面积。在本发明的另一个优选实施例中，这些误差值由代替阴影区域面积的驻留在阴影区域内的象素数来表示。

参照图5A及5B，示出了根据本发明的第三优选实施例的的一误差确定方案。在该第三误差检测方案中，在初始直线段CF上确定M个，例如8个取样点。然后，在各取样点拉出垂直于初始直线段的一直线，例如M1至M8；并在初始轮廓段40、重构轮廓段44及二次直线段CC’和C’F上确定相交点，各相交点表示各垂直线与这些轮廓段和二次直线段中的一条相交的点。以上述的方式，在初始轮廓段40上确定相交点C1至C8；在重构轮廓段44上确定相交点T1至TB；在二次直线段CC′和C′F上确定相交点P1至P8。通过各垂直线相对于轮廓段40和重构的轮廓段44的相交点间的距离来定义重构误差。换句话说，通过对如图5A所示的轮廓段40及重构轮廓段44上的相交点Ci和Ti间的距离ETi求和来得到重构误差值，其中i＝1至8。同样，通过对初始轮廓段40上的相交点C1至C8与二次直线段CC′和C′F上的各相交点p1至p8间的距离Ep1至Ep8求和来得到多边形近似误差值。然而，应当注意到，可采用不同的方式估算该误差值，例如通过对均方距离求和，只要该方式表示一系统反映误差量的度量。

返回参照图1A，比较器66对来自重构误差计算单元60-4的重构误差值与来自第二误差计算单元64的多边形近似误差值进行比较并根据比较结果提供第一或第二控制信号给开关68及第一多路复用器72。也就是说，如果重构误差值小于多边形近似误差值，比较器66生成第一控制信号，反之，比较器66生成第二控制信号。

响应于第一控制信号，开关68将来自量化单元58的该组量化后的变换系数传送给-VLC(可变长度编码)单元70，其中该组量化后的变换系数被VLC编码以提供初始轮廓段，例如图4B中所示的轮廓段40的VLC码数据给第二多路复用器76。

如果提供给开关68的是第二控制信号，开关68切断自量化单元58到VLC单元70的路径。

第一多路复用器72根据比较器66的输出信号，为各初始轮廓段，例如图4B中所示的轮廓段40提供来自第二多边形近似单元的二次顶点数据或来自第一多边形近似单元52的初始顶点数据给顶点编码器74；如果比较器66的输出为第一控制信号，只有初始顶点数据被选择并提供给顶点编码器74；否则，初始顶点数据和二次顶点数据被多路复用并提供给顶点编码器74，其中多路复用后的顶点数据具有对应于该轮廓段上这些顶点之一的顺序。例如，图4B中所示的初始轮廓段CF的顶点的位置信息以其上出现的顶点C、C′及F的顺序被多路复用。

在顶点编码器74，通过采用例如算术编码技术对用于初始轮廓段，例如图2D中所示的AD至EB的多路复用后的顶点数据进行编码，然后将编码后的顶点数据提供给第二多路复用器76并在其中与来自VLC单元70的VLC编码后的数据一起被进行多路复用以提供编码后的轮廓数据。该编码后的轮廓数据被发送给一发射机(未示出)以被发射。

本发明阈值TH1及TH2的选取取决于编码器的性能。也就是说，如果阈值TH2太小于阈值TH1，对于几乎所有的初始轮廓段来说，多边形近似误差将小于重构误差，因此，将在多路复用器72选取二次顶点数据并进行编码，而不管可能通过以减少的待被发送的比特数进行变换而已被有利地近似的轮廓的形状。结果，待被发送的数据量增加以表示大量的二次顶点。同样，如果TH1和TH2之间的差不明显，待被发送的数据量增加以表示几乎所有组的量化后的变换系数及初始顶点数据，即使该轮廓的某些部分可能已由二次顶点有效地表示。因此，可以以这样的方法确定阈值TH1和TH2，即由两种编码方案生成的编码后的比特数满足该系统所要求的目的传输比特率。

尽管已结合具体实施例对本发明进行了描述，但对于熟悉本领域的技术人员而言，显然可以不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围而能作出各种变化和改型。

Claims (20)

1、一种用于对数字视频信号中表示的一目标的轮廓进行近似的方法，包括有以下步骤：

(a)将该轮廓分成多个初始轮廓段并由连接所述各初始轮廓段的两个端点的一初始直线段来近似各初始轮廓段；

(b)计算用于所述各初始轮廓段的一组误差，该组误差表示所述各初始轮廓段和与其对应的初始直线段之间的差；

(c)对该组误差进行编码以提供一组编码后的误差；

(d)对该组编码后的误差进行解码以生成一组重构后的误差；

(e)根据该组重构后的误差生成一重构后的轮廓段；

(f)确定表示所述各初始轮廓段与该重构后的轮廓段之间的差的一重构误差；

(g)在初始轮廓段上生成一个或多个二次轮廓段并通过连接所述二次轮廓段的两端点的二次直线段来近似各二次轮廓段；

(h)生成表示所述各初始轮廓段与二次直线段之间的差的一近似误差；及

(i)根据重构误差及近似误差，通过重构后的轮廓段或二次直线段来近似所述各初始轮廓段。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(b)包括有以下步骤：

(b1)在该初始直线段上取N个取样点，N为一止整数；及

(b2)确定这些取样点处的该组误差，各误差表示自一取样点到一相交点的位移，该相交点是通过所述各初始轮廓段与在该取样点垂直于该初始直线段的一直线相交形成的。

3、根据权利要求2所述的方法，其中所述N个取样点是等距离地位于该初始直线段上的。

4、根据权利要求2所述的方法，其中所述位移是由该取样点与该相交点之间的一距离和表示该相交点相对于该初始直线段的一相对位置的符号表示的。

5、根据权利要求1所述的方法，其中所述编码步骤(c)是通过采用一变换及一量化技术实现，而所述解码步骤(d)是通过采用一逆变换和一逆量化技术实现的。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述重构误差是通过由所述各初始轮廓段和重构的轮廓段所包围的一个或多个区域的面积被定义的，而所述近似误差是通过由所述各初始轮廓段和二次直线段所包围的一个或多个区域的面积被定义的。

7、根据权利要求1所述的方法，其中所述重构误差是通过由所述各初始轮廓段与重构的轮廓段所包围的一个或多个区域中象素的数目被定义的，而所述近似误差是通过由所述各初始轮廓段和二次直线段包围的一个或多个区域中驻留的象素的数目被定义的。

8、根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(f)包括有以下步骤：

(f1)在所述各初始轮廓段上取K个取样点，K为一正整数；

(f2)在各取样点拉一条垂直于初始直线段的直线

(f3)确定各取样点的由该直线与所述各初始轮廓段形成的一相交点与由该直线与该重构后的轮廓段形成的一相交点间的距离；及

(f4)根据这些取样点的这些距离获得该重构后的误差，

及所述步骤(h)包括有以下步骤：

(h1)执行所述步骤(f1)和(f2)；

(h2)确定各取样点的由该直线与所述初始轮廓段形成的一相交点和由该直线与二次直线段中的一条形成的一相交点间的距离；及

(h3)根据在步骤(h2)中形成的距离确定该近似误差。

9、根据权利要求8所述的方法，其中所述重构误差是通过在步骤(f3)中确定的距离的和被定义的，而所述近似误差是通过在步骤(h2)中确定的距离的和被定义的。

10、根据权利要求1所述的方法，其中所述划分步骤(a)和所述生成步骤(g)是根据一通过分别使用阈值TH1和TH2的多边形近似而被实现的，该阈值TH1大于阈值TH2，所述各初始轮廓段上的任一点与该初始直线段间距离小于阈值TH1，而各二次轮廓段上的任一点和与其相应的一二次直线段间的距离小于阈值TH2。

11、一种用于对数字视频信号中表示的一目标轮廓进行编码的装置，该轮廓具有在其上的轮廓象素，该装置包括：

用于通过使用阈值TH1对该轮廓进行多边形近似的装置，其中该轮廓被分成多个初始轮廓段且各初始轮廓段是通过连接所述各初始轮廓段的两端点的一初始直线段被近似的，该初始直线段与所述各初始轮廓段上驻留的任一轮廓象素之间的距离不大于阈值TH1；

用于为所述各初始轮廓段计算一组误差的装置，该组误差表示所述各初始轮廓段与该初始直线段之间的差；

用于对该组误差进行编码以提供一组编码后的误差的装置；

用于对该组编码后的误差进行解码以生成一组重构后的误差的装置；

用于根据重构后的误差提供一重构后的轮廓段的装置；

用于确定一重构误差的装置，该重构误差表示所述各初始轮廓段与该重构后的轮廓段之间的差；

用于根据阈值TH2对所述各初始轮廓段进行多边形近似的装置，其中所述各初始轮廓段被分成一个或多个二次轮廓段且各二次轮廓段通过连接所述各二次轮廓段的两个端点的二次直线段而被近似，二次直线段与位于所述各二次轮廓段上的任一轮廓象素间的距离不大于阈值TH2，

用于确定表示所述各初始轮廓段与二次直线段之间的差的一近似误差的装置；

用于根据该重构误差及近似误差，选择重构或近似数据作为所选择的数据的装置，其中该重构数据包括该组编码后的误差及所述各初始轮廓段的端点的位置信息，及该近似数据包括二次直线段的端点的位置信息；及

用于对所选择的数据进行编码的装置。

12、根据权利要求11所述的装置，其中所述选择装置包括：

用于比较该重构误差与近似误差的装置；及

用于如果该重构误差小于近似误差，选择该重构数据作为所选择的数据，反之则选择近似数据作为所选择的数据的装置。

13、根据权利要求11所述的装置，其中所述计算装置包括：

用于在该初始直线段上取N个取样点的装置，N-正整数；及

用于确定这些取样点上的一组误差的装置，各误差表示从一取样点到一相交点的位移，该相交点是通过所述各初始轮廓段与在该取样点的一垂直于该初始直线段的直线而形成的。

14、根据权利要求13所述的装置，其中所述取样点是等距离地位于该初始直线段上的。

15、根据权利要求13所述的装置，其中所述位移是通过该取样点与该相交点之间的一距离及表示该相交点相对于该初始直线段的相对位置的一符号而被表示的。

16、根据权利要求11所述的装置，其中所述编码装置包括：

用于对该组误差进行变换以提供一组变换系数的装置；及

用于对该组变换系数进行量化以提供该组编码后的误差的装置；

及所述解码装置包括：

用于对该组编码后的误差进行逆量化以提供一组重构后的变换系数的装置；及

用于对该组重构后的变换系数进行逆变换以生成该组重构后的误差的装置。

17、根据权利要求16所述的装置，其中所述组误差是通过一离散正弦变换技术而被变换的。

18、根据权利要求11所述的装置，其中所述重构误差是通过由所述各初始轮廓段与重构后的轮廓段包围的一个或多个区域的面积而被定义的，而所述近似误差是通过由所述各初始轮廓面与二次直线段包围的一个或多个区域的面积而被定义的。

19、根据权利要求11所述的装置，其中所述用于确定重构误差的装置包括：

用于在所述各初始轮廓段上取K个第一取样点的装置，K为一正整数；

用于在各第一取样点拉一条垂直于初始直线段的直线的装置；

用于为各第一取样点确定由该垂直直线与所述各初始轮廓段形成的一相交点与由该垂直直线与重构后的轮廓形成的一相交点之间的第一距离的装置；及

用于根据这些第一取样点的第一距离获得该重构误差的装置；

及所述用于确定该近似误差的装置包括：

用于在所述各初始轮廓段上取K个第二取样点的装置；

用于在各第二取样点拉一条垂直于初始直线段的直线的装置；

用于为各第二取样点计算由该垂直直线与所述各初始轮廓段形成的一相交点与由该垂直直线与第二直线段中的一条形成的一相交点间的第二距离的装置；及

用于根据这些第二取样点的第二距离确定该近似误差的装置。

20、根据权利要求19所述的装置，其中所述重构误差是由第一距离的和所定义的，而所述近似误差是由第二距离的和所定义的。

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