CN1172401A - 应用自适应量化技术的视频信号编码器 - Google Patents

Abstract

视频信号编码器,多帧视频信号编码,各帧包括对象象素块数据和背景象素块数据,包括:对象素块数据进行变换编码以提供一组变换系数的变换编码器;控制信号产生器,如给其输入一帧的对象象素块数据,就产生第一控制信号,如给其输入一帧的背景象素块数据,就产生第二控制信号;响应第一控制信号或第二控制信号产生修改量化参数的量化参数控制装置;利用该修改量化参数对一组变换系数进行量化从而提供一组量化变换系数的量化装置。

Description

应用自适应量化技术的视频信号编码器

本发明涉及视频信号编码器；尤其涉及能够自适应地量化一帧视频信号所包含的对象和背景数据的视频信号编码器。

在诸如可视电话、电话会议这样的数字化电视系统或高清晰度电视系统内，可以以数字形式传送视频信号。当以数字形式表示包括一系列图象“帧”的视频信号时，将出现大量数字数据：对于每一行图象，用一系列称为“象素”的数字数据元素来定义一图象帧。但是，由于普通传输信道的可用频率带宽是有限的，所以为了利用普通传输信道传送大量数字数据，就必须利用各种数据压缩技术来压缩或减少数据量，在例如可视电话和电视会议系统这样的低位速率视频信号编码器内更是要这样做。

参看图1，该图表示编码一帧视频信号的普通视频信号编码器130。视频信号的当前帧逐块地输入给减法器50、运动补偿(MC)单元40和量化参数选定单元90，每一块具有多个数据元素，例如16×16个象素。编码器130消除或减小块数据内的象素之间的空间冗余和/或当前帧与其先前帧之间的时间冗余，以便把当前帧压缩成更加易于传输的尺寸，其中通常采用变换编码技术来减小空间冗余。最常用的变换编码方法之一是离散余弦变换(DCT)方法。在例如IEEE“通信会刊”，COM-32，3期225-232页(1984年3月)的chen和Pratt的论文“场景自适应编码器”中描述了这一方法。

在帧间模式中，MC单元40得用基于存储在存储器30内的先前帧的普通运动估算和补偿技术来提取当前帧各个块数据的预测块数据，然后把该预测块数据传送给减法器50，该减法器50产生当前帧的块数据与其相应的预测块数据之间的差块数据。该差块数据然后传送给包括DCT单元11和量化单元12的压缩器10，在压缩器10内对其进行变换编码及量化，产生一组量化变换系数。

该组量化变换系数然后传送给例如利用行程长度编码和霍夫曼编码技术产生编码数据的统计编码单元70，以便通过缓冲器80传送给将其进行发送的发射器(未示出)。与此同时，该组量化变换系数还传送给包括逆量化单元和逆DCT单元(未示出)的解压缩器20，在该解压缩器20内被恢复为重构的差块数据。

该重构的差块数据然后传送给加法器60，在该加法器60内与来自MC单元40的预测块数据相加，以便产生当前帧的重构的块数据。这样一来，当前帧的全部重构的块数据就被存储在存储器30内，由此形成重构的当前帧，该重构的当前帧再传送给MC单元40，以便在提供多个预测块数据来处理后续帧时被使用。在帧内模式中，当前帧的各个块数据直接传送给DCT单元11，并在DCT单元11内被进行变换编码。

现在转到量化参数选定单元90的和量化单元12的细节，在普通量化器内，量化步长利用所谓量化参数(QP)和量化矩阵来确定。量化参数选定单元90根据例如缓冲器80的占用程度和当前帧的方差或复杂性为例如16×16个象素的每个块选定QP并将其传送给发射器和量化单元12。

在其内的存储器(未示出)内存有帧间模式和帧内模式量化矩阵的量化单元12从量化参数选定单元90接收量化参数QP。然后设置是量化矩阵的元素的基本量化器步长，以使一个基本量化器步长相应于一组变换系数中的一个变换系数。量化单元12利用量化矩阵和QP产生该组量化变换系数作为其输出。

QP与偏码数据的位速率和在产生该编码数据时采用的量化的粗/细直接相关。就是说，较小的QP必然伴有较大量的编码数据，表示该较大量的编码数据就需要较多的代码位，而较大的QP导致较少量的编码数据，表示该较少量的编码数据就需要较少的代码位。较多的代码位可以比较少的代码位更准确地表示视频信号。因此，为了在预定的目标位速率的条件下获得最好的图象质量，恰当地选择QP是很关键的。

低位速率编译码器(编码器/译码器)系统的视频信号编码方案之一采用所谓的面向对象的分析-综合编码技术(参看例如MPEG-4V ideo Verification Model V ersion 2.0(MP EG-4视频验证模型版本2.0)，国际标准化组织ISO/IEC JCT1/SC29/WG11 N1206，1996年3月)，这种编码技术把一帧的视频信号分成被区分所注意的区的掩散图象区分的一背景区和/或多个前景或对象区。在这种系统中，对象可以比背景更如重要，换句话说，对象可以比背景包含更关键的数据。因此，在这种情况下，需要根据输入数据属于背景还是属于对象的不同自适应地量化该输入数据。

因此，本发明的主要目的是提供能够自适应地量化一帧视频信号所包含的对象和背景数据、以便由此改善传输效率并同时增强待送的视频信号的图象质量的视频信号编码器。

根据本发明，提供了供视频信号编码系统使用的编码器，该编码器编码多帧视频信号以提供编码视频信号，各个帧包括具有一个或多个对象象素的对象象素块数据和没有对象象素的背景象素块数据，该编码器包括：控制信号产生器，如果给其输入一帧的对象象素块数据，就产生篇一控制信号，如果给其输入一帧的背景象素块数据，就产生第二控制信号；对象素块数据进行变换编码以便提供一组变换系数的变换编码器，该象素块数据是利用对象象素块数据或背景象素块数据来获得的；响应输入给其的第一控制信号或第二控制信号产生修改量化参数的量化参数控制器；以及利用修改量化参数对一组变换系数进行量化、从而提供一组量化变换系数的量化器。

参看以下结合附图给出的对较佳实施例的描述将清楚本发明的上述及其它目的和特点，其中：

图1表示普通视频信号编码器的方框图；

图2表示本发明的视频信号编码系统的简要方框图；

图3表示图2编码器的详细方框图；

图4表示图3所示的量化参数控制电路的详细方框图。

参看图2，该图表示本发明较佳实施例的视频信号编码系统200的简要方框图。该编码系统200包括轮廓编码器205、轮廓译码器210、掩蔽电路220、背景低通滤波器230、编码器250以及多路复用器(MUX)270。

视频信号的当前帧的该当前帧的轮廓信号分别输入给背景低通滤波器230和轮廓编码器205。该轮廓信号包括表示组成该当前帧内的对象的轮廓的轮廓象素的位置的轮廓数据和具有使该对象区别于该当前帧内的背景的信息的对象提取数据，该当前帧内的对象和背景象素分别例如用“1”和“0”来表示。轮廓编码器205利用普通轮廓编码技术，例如链式编码技术或多边形逼近技术编码轮廓数据，由此通过导线L20把对象提取数据和编码轮廓数据提供给MUX270。与此同时，编码轮廓数据与对象提取数据一道从轮廓编码器205传送至轮廓译码器210。

编码轮廓数据在轮廓译码器210处被变换为译码轮廓数据，后者再与对象提取数据一道传送给掩蔽电路220。

在掩蔽电路220内，根据译码轮廓数据把当前帧内的对象的轮廓重构的为再现轮廓，此外，还根据该重构的轮廓和对象提取数据产生掩蔽信号，其时用例如“1”来表示位于被利用重构的轮廓重新定义的对象内的象素，用例如“0”来表示相应于被重新定义的背景的其余象素。掩蔽电路220通过导线L23把使被重新定义的对象象素区别于当前帧内所包含的被重新定义的背景象素的掩蔽信息提供给编码器250和背景低通滤波器230。

此后，在掩散信息的基础上，背景低通滤波器230从输入给其的当前帧内提取对象象素数据和背景象素数据，然后滤波背景象素数据，消除其内所包含的高频分量，由此产生滤波背景象素数据，背景低通滤波器230然后组合滤波背景象素数据和对象象素数据，由此通过导线L22把具有滤波背景象素数据和对象象素数据的修改当前帧提供给编码器250。应当指出，可以用比在编码当前帧的未滤波背景象素数据时所需的数据位少的数据位来编码和传送修改当前帧的滤波背景象素数据。

编码器250根据来自掩蔽电路220的掩蔽信息编码来自背景低通滤波器230的对象象素数据和滤波背景象素数据，以便由此向MUX270提供编码当前帧。MUX270顺序地把来自轮廓编码器205的对象提取数据和编码轮廓数据以及来自编码器250的编码当前帧传送给发射器(未示出)以便对它们进行发送。通过与编码当前帧一道发送对象提取数据和编码轮廓数据，就能够在接收端分离对象和背景。

根据本发明的另一较佳实施例，当前帧可以直接输入给编码器250，不必在背景低通滤波器230处对相应背景信号进行低通滤波。

参看图3，该图表示图2所示编码器250的详细方框图。该编码器250包括块形成电路301、控制信号产生器303、减法器305、变换电路310、量化器320、量化参数控制电路300、统计编码器330、MUX335、缓冲器340以及预测电路325。预测电路325具有逆量化器350、递交换电路360、加法器370、帧存储器380和运动补偿电路390。

导线L22上的修改当前帧和导线L23上的掩蔽信息输入给块形成电路301，而量化参数控制电路300直接接收导线L22上的修改当前帧。在块形成电路301内，修改当前帧和掩蔽信息被分成同样大小(例如16×16个象素)的多个象素块数据。修改当前帧的各个象素块数据(以后称为“象素块数据”)及其相应的表示象素块数据的掩蔽数据的掩蔽信息块数据(以后称为“掩蔽块数据”)分别在导线L33和L30上进行传送。根据导线L33上的象素块数据内的每一象素是属于被重构的轮廓重新定义的对象，还是属于被重构的轮廓重新定义的背景的不同，用例如1或0来表示掩蔽块数据的相应象素。

在来自块形成电路301的在导线L30上的各个掩蔽块数据的基础上，控制信号产生器303确定导线L33上的象素块数据是相应于对象象素块数据还是相应于背景象素块数据，对象象素块数据表示包含一个或多个对象象素的象素块数据，而背景象象素块数据表示不包含对象象素的象素块数据。根据本发明的另一较佳实施例，对象象素块数据表示只包含对象象素的象素块数据，而背景象素块数据表示包含一个或多个背景象素的象素块数据。在此还应当指出，背景象素块数据可以是滤波背景象素块数据或是未滤波背景象素块数据。

具体来说，控制信号产生器303首先检测被包括在掩蔽块数据内的零。然后，如果在掩蔽块数据内没有检测到1，就认为导线L33上的象素块数据是背景象素块数据，否则就认为是对象象素块数据。如果象素块数据被认为是对象象素块数据，控制信号产生器303就在导线L31上产生第一控制信号，而如果象素块数据被认为是背景象素块数据，控制信号产生器303就在导线L31上产生第二控制信号。

量化参数控制电路300对经导线L31向其输入的第一控制信号或第二控制信号作出响应，根据经导线L22来自背景低通滤波器230的修改当前帧的数据产生修改量化参数，从而通过导线L32把该修改量化参数提供给量化器320和MUX335。在预测电路325的运动补偿电路390内，利用普通运动估算和补偿技术产生预测象素块数据和象素块数据的运动矢量，在存储在帧存储器380内的先前帧所包括的预定搜索区内搜索象素块数据的最类似块数据，并把其作为预测象素块数据提供给减法器305。表示象素块数据和该象素块数据的最类似块数据之间的位移的运动矢量通过导线L35传送给MUX335。

在减法器305内，通过从象素块数据减去预测象素块数据来获得差象素块数据或运动补偿象素块数据。该差象素块数据然后被提供给变换电路310。变换电路310利用例如DCT技术把差象素块数据变换为一组变换系数，并还把该组变换系数提供给量化器320。如本领域所众所周知的，通常相对于8×8个象素的块执行变换。量化器320的利用量化参数控制电路300通过导线L32提供的修改量化参数来量化该组变换系数，从而产生一组量化变换系数。

该组量化变换系数然后被提供给统计编码器330，统计编码器330利用例如行程长度编码和VLC(变长编码)产生统计扁码图象数据。统计编码图象数据通过导线L34提供给MUX335。在MUX335内，导线L32上的修改量化参数、导线L34上的统计编码图象数据和导线L35上的运动矢量被多路复用并被传送给缓中器340。在本发明的另一最佳实施例中，导线L35上的运动矢量首先被传送给统计编码器330、在该统计编码器330内被进行统计编码，然后统计编码运动矢量被传送给MUX335。

缓冲器340起暂存多路复用数据的作用，并把存储的多路复用数据提供给图2所示的MUX270。缓冲器340还通过导线L36把表示其占用程度的状态数据提供给量化参数控制电路300。量化参数控制电路300用该状态数据来控制或调整修改量化参数，以避免缓冲器340的上溢或下溢。

与此同时，该组量化变换系数还被提供给预测电路325。该预测电路325产生重构的当前帧，该重构的当前帧将被作为后续帧的先前帧。首先，在预测电路325内，逆量化器350对该组量化变换系数执行逆量化，从而把一组逆量化变换系数提供给逆变换电路360。然后，逆变换电路360对该组逆量化变换系数执行逆变换，从而把重构的差象素块数据提供给加法器370。

传送给加法器370的重构的差象素块数据与来自运动补偿电路390的预测象素块数据相加、然后被重构来提供重构的象素数据。该重构的象素块数据然后存储在帧存储器380内。

这样一来，当前帧的全部重构的象素块数据都被存储在帧存器380内，从而形成一一重构的当前帧，该重构的当前帧再被传送给运动补偿电路390，将在提供处理后续帧所用的象素块数据时被使用。在帧内模式中，当前帧的每一象素块数据被直接提供给变换电路310并在该电路内被进行变换编码。

如本领域所众所周知的，在帧内模式编码的情况下，修改当前帧的象素块数据的运动补偿处理不在运动补偿电路390内进行，象素块数据直接输入给变换电路310来代替运动补偿象素块数据；逆变换电路360的输出直接输入给帧存储器380。

现在转到量化参数控制电路300的细节，图4给出了本发明较佳实施例的该电路的详细方框图。量化参数控制电路300包括量化参数确定电路401和量化参数修改电路402。量化参数确定电路401利用基于修改当前帧的数据，例如在导线L22上的修改当前帧的方差或复杂性和缓冲器340通过导线L36供给其输入的状态数据的普通量化参数确定方法确定量化参数(QP)。然后QP被传送给量化参数修改电路402。

然后，量化参数修改电路402修改Qp，从而通过导线L32把修改量化参数(Qp’)提供给量化器320和MUX335。具体来说，对控制信号产生器303经导线L31提供的第一控制信号作出响应，量化参数修改电路402通过将Qp乘以K来对Qp进行修改，其中K是其值是大于0而小于1、例如0.5的一预定数，从而把修改量化参数Qp’提供给量化器320。对经导线L31提供的第二控制信号作出响应，量化参数修改电路402通过将Qp的值乘以L来对Qp进行修改，其中L是其值是大于1、例如1.5的一预定数，从而把修改量化参数Qp’提供给量化器320。

返回图3，量化器320接收在导线L32上的修改量化参数Qp’，然后利用其内的量化矩阵(未示出)和Qp’来产生一组量化变换系数作为其输出。因此，根据本发明，能够提供根据象素块数据是属于一帧视频信号的对象还是属于该帧视频信号的背景的不同而自适应地量化在该帧内的该象素块的一组变换系数的视频信号编码器，对象的数据比背景的数据更细地量化，从而在有限的目标位速率的条件下提供增强的图象质量。

虽然仅对于某些最佳实施例描述了本发明，但不违背所附权利要求描述的本发明的精神和不超出其范围可以作出其它改进和变动。

Claims (16)

1、供视频信号编码系统使用的编码器，该编码器编码多帧视频信号以提供编码视频信号，各个帧包括对象象素块数据和背景象素块数据，该编码器包括：

控制信号产生装置，如果给其输入一帧的对象象素块数据，就产生第一控制信号，如果给其输入该帧的背景象素块数据，就产主第二控制信号；

对象素块数据进行变换编码以便提供一组变换系数的变换编码装置，该象素块数据是利用对象象素块数据或背景象素块数据来获得的；

响应输入给其的第一控制信号或第二控制信号产生修改的量化参数的量化参数控制装置；以及

利用修改的量化参数对该组变换系数进行量化、从而提供一组量化变换系数的量化装置。

2、如权利要求1的编码器，其中的对象象素块数据包括一个或多个对象象素，而背景象素块数据不包括对象象素。

3、如权利要求1的编码器，其中的背景象素块数据是滤波的背景象素块数据或未滤波的背景象素块数据。

4、如权利要求3的编码器，其中的修改的量化参数是根据该帧的数据来获得的。

5、如权利要求1的编码器，其中的每一帧被分成多个同样大小的M×N个象素的块，M和N分别是预定的正整数。

6、如权利要求5的编码器，该编码器还包括：

对该组量化变换系数进行统计编码来产生统计编码的图象数据的装置；以及

暂存待传送的统计编码的图象数据并提供表示其占用程度的状态数据的装置。

7、如权利要求6的编码器，其中的量化参数控制装置利用该状态数据来产生修改的量化参数。

8、如权利要求7的编码器，其中的量化参数控制装置包括：

根据该帧的数据产生量化参数的量化参数确定装置；以及

在量化参数的基础上，响应第一控制信号或第二控制信号提供修改的量化参数的量化参数修改装置。

9、如权利要求8的编码器，其中，如果该控制信号产生装置产生了第一控制信号，就将量化参数乘以预定数K来获得修改的量化参数，K是大于零小于1的预定值，如果控制信号产生装置产生了第二控制信号，就将量化参数乘以预定数L来获得修改的量化参数，L是大于1的预定值。

10、如权利要求1的编码器，其中所述帧包括当前帧和后续帧，该编码器还包括利用后续帧的每一象素块数据和相应于当前帧的每一象素块数据的一组量化变换系数来产生后续帧的每一象素块数据的各个预测象素块数据的预测装置。

11、如权利要求10的编码器，该编码器还包括从后续帧的相应象素块数据减去所述每一预测象素块数据来提供差象素块数据、从而产生待传送给该变换编码装置的多组差象素块数据作为后续帧的多组象素块数据的装置。

12、如权利要求10的编码器，其中的预测装置包括：

逆量化当前帧的象素块数据的多组量化变换系数以便由此产生多组逆量化变换系数的装置；

逆变换编码多组逆量化变换系数以便由此提供当前帧的多组重构的差象素块数据的装置；

将所述每一预测象素块数据与相应的重构的差象索块数据相加来提供重构的象素块数据、从而产生当前帧的多组重构的象素块数据的装置；

存储多组重构的象素块数据的装置；以及

利用来自所述存储装置的被存储的当前帧的重构的象素块数据和后续帧的相应的象素块数据进行运动补偿、以便由此产生将用于编码后续帧的所述每一象素块数据的所述每一预测象素块数据的装置。

13、如权利要求1的编码器，其中的变换编码装置是离散余弦变换编码装置。

14、如权利要求1的编码器，其中的对象象素块数据只包括对象象素，而背景象素块数据包括一个或多个背景象素。

15、如权利要求5的编码器，其中M和N都是16。

16、如权利要求4的编码器，其中帧的数据是该帧的方差。

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