CN1178519C - 信号处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一个信号处理装置包括一个检验电路(EXAM)、可调滤波器(FIL)和信号处理器(PRC)。信号处理器(PRC)可以是例如一个视频编码器,用于根据MPEG标准编码一个图像序列。检验电路(EXAM)检验将要处理的信号(S),以便获得一个失真指示(IND),表明如果该信号(S)被利用该处理器(PRC)所处理(PRC[S])的话将被引入的失真程度(DIST)。可调滤波器(FIL)根据该失真指示(IND)预先处理(FIL)该信号(S),以便获得一个预先处理的信号(SF)。该信号处理器(PRC)处理该滤波的信号(SF)。随后,信号处理装置以预作用的方式滤波将要处理的信号,以便抵消可能由处理该信号引入的失真。因此获得一个满意的信号质量。例如在编码应用中该滤波器降低包含在一系列图像中的细节。这使得将要被编码的该系列图像具有充分的精度而不引入如果该图像不被滤波的话可能引入的块效应。而且,由于该滤波器被预作用调整,其滤波的图像系列比该滤波器反向调整有更均匀的图像。因此,从一个图像到另一图像的情况下将有相当小的变化,其有助于一个总体满意的图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术,例如根据运动图像专家组(MPEG)定义标准的图像序列编码。
背景技术
专利文献JP-A-09,009,260描述了一个动态图像编码装置。其伴随有英文摘要的文字引证。对于AD变换的图像数据来说,在可变低通空间滤波器中按照二维数据块单元做低频分量的滤波,在压缩器13中执行高频编码处理,暂时存储在一个FIFO存储器中,FIFO存储器中的压缩数据存储量由FIFO监控装置监视。FIFO存储信息是来自压缩器的用于每一数据块单元的监视数据和数据块动态信息,该信息输入到一个频带控制器,针对每一数据块设置截止频率,并且从频带控制器输出到可变低通空间滤波器。
发明内容
本发明的一个目的是提供实现更好质量的信号处理。
本发明采取下列几个方面。信号的处理可以引起失真。例如,编码一个图像序列就是可以引起失真的一种信号处理形式。为了不超过获得编码数据量的一个确定的界限,可能需要以一个相当低的精度编码某些图像。如果一个图像是以相当低精度编码,则图像可能在感觉上失真,即在解码端出现图像中的数据块效果。
有可能通过在处理之前的信号滤波来抵消由处理一个信号引起的失真。然而,如果一个信号被滤波,也会在感觉上有失真,某些信号分量被衰减甚至被删除。因此,如果一个信号在处理之前被滤波,在效果上是在由滤波引起的失真和由处理引起的失真之间做折衷。例如,如果一个图像被滤波,则因此获得的滤波图像包括的细节比原始图像少。结果是,滤波的图像能够以比原始图像更高的精度编码,同时从获得的编码数据量的角度看将存在某些限制。然而,滤波图像具有的清晰度比原始图像低。因此,在编码之前滤波一个图像必需保证在编码精度和图象清晰度之间的一个折衷,因为两者都影响图像的总质量。
在背景技术中,在图像编码之前滤波图像数据的空间低通滤波器被作为在FIFO输出缓存器包含的编码数据量的一个函数而受到调整。因此,最初不防止产生相当大量的编码数据。如果真的产生了相当大量的编码数据,则将要编码的图像数据将在一个相当大的程度上被失真。这是因为图像数据或者必须在相当大程度上滤波、或者必须以相当低的精度编码,或者二者兼顾,以免使获得的编码数据量超过一个界限。因此,将要编码的图像数据将具有一个相当差的质量,或者因为清晰度低,或者因为其中的某些数据块效果,或因为这二者。
根据本发明,提供一种编码视频数据的方法,包括以下步骤:第一编码步骤,用于编码所述视频数据,以便获得一个复杂性指示,用来表明将要被编码视频数据的困难程度;预处理步骤,用于根据该复杂性指示预处理该视频数据,以便获得预处理的视频数据;和第二编码步骤,用于编码该预处理的视频数据。
根据本发明还提供一种用于编码视频数据的视频编码装置,包括:第一装置,用于编码该视频数据,以便获得一个复杂性指示,用来表明将要被编码视频数据的困难程度;用于根据该复杂性指示预处理该视频数据,以便获得预处理的视频数据的装置;和第二装置,用于编码该预处理的视频数据。
因此,在本发明中该可调滤波器以一个前向作用方式调整,而在背景技术中的空间低通滤波器是以反向作用方式调整。因此,在本发明中在由处理所引起的失真和由滤波所引起的失真之间做出的折衷没有实质延迟,而在背景技术中其中固有地存在这种折衷的某些延迟。因此,本发明实现在上述的两个类型的失真之间的一个更好的折衷。结果是,本发明实现一个更好的质量。
例如,本发明可以应用于一个图像序列的编码。假设该检验电路检查一个将要是编码的图像或其一部分。由此,能够表明,如果该图像被如此编码是否将获得相当大量的编码数据。如上所说明,这可能引起随后将要被编码的一个或者多个图像的失真。由于本发明使得该图像将根据此指示而被滤波,所以能够防止该图像的编码实际上产生大量的编码数据。因此,这将有助于一个或者多个随后图像的质量改进。因此在实施中,本发明实现在检查的图像和一个或者多个随后图像之间的质量互易。因此,本发明实现一个满意的和一致的图像质量。
本发明以及可以选择用于实现本发明优点的附加特征将从以下参照附图的描述而显见。
附图说明
图1是示出如权利要求1中要求的本发明基本特征的构思图。
图2是说明一个视频编码器的实例的方框图;
图3是示出根据本发明的一个视频编码装置的方框图;
图4是针对图3所示视频编码装置的第一滤波器控制特性的一个曲线图。
图5是针对图3所示视频编码装置的第二滤波器控制特性的一个曲线图。
具体实施方式
首先说明参考标记的使用。在整个附图中类似机构由同一个字母代码表示。在单个附图中示出多个类似机构的情况下,就把数字加到该字母代码上,以使类似的机构能彼此相区别。如果类似机构的数量是一个变化参数,则数字将在圆括号之间。在描述和权利要求中,如果可以的话,则可以省略参考标号中的任意数字。
图1中以实线示出本发明的基本特征。一个信号处理装置包括一个检验电路EXAM、预处理器FIL和信号处理器PRC。检验电路EXAM检验将要处理的信号S以便获得一个失真指示IND。该失真指示IND表明,如果利用该处理器PRC处理(PRC[S])该信号S的话,失真DIST将被引入。预处理器FIL根据失真指示IND处理该信号S,以便获得一个预先处理信号SF。信号处理器PRC处理该预处理的信号SF。
图1中所示的特征可以应用于例如一个图像序列的编码。在这样一个应用中,信号S是表示将被编码的图像序列的一个数据流。该信号处理器PRC是一个视频编码器,它可以在相当大的程度上使一个或者多个图像失真。这将被更详细地说明如下。
图2是说明一个视频编码器的实例的方框图。视频编码器提供一个MPEG数据流OUT,具有响应表示图像序列IN的一个图像数据流的确定的比特率R。该图像数据流IN可以通过例如把一个模拟视频信号变换成一个数字视频信号而获得。该视频编码器包括下列功能块:输入缓冲器IBUF、减法器SUB、存储器MEM、运动估算机和补偿器MEC、离散余弦变换器DCT、反相离散余弦变换器IDCT、量化器Q、反相量化器IQ、加法器ADD、可变长度编码器VLC、输出缓存器OBUF和控制器CON。
图2中所示的视频编码器以下列方式编码大多数的图像。输入缓冲器IBUF暂存将要编码的图像。事实上,将要编码的图像细分为16乘16像素的宏数据块。假设存储器MEM包括预先编码图像的一个解码方案,以下称为在先图像。针对将要被编码图像中的每一宏数据块,运动估计和补偿器MEC在前面图像中搜索一个类似的16乘16宏数据块。这个运动估计和补偿器MEC把它已经发现的该类似宏数据块提供到减法器SUB。减法器SUB通过从将要编码的宏数据块减掉由运动估算和补偿器MEC提供的该类似宏数据块而提供一个差的宏数据块。该离散余弦变换器DCT把该差的宏数据块变换成一个频率系数的数据块。
量化器Q通过正比于一个量化参数QP的值划分每一频率系数,并且把划分的结果修整为最近的整数。因此,量化器Q提供量化频率系数的一个数据块。反相量化器IQ和反相离散余弦变换器ICDT根据量化频率系数的数据块提供本差的宏数据块的一个解码方案。加法器ADD把该运动估计和补偿器MEC已经发现的、在前面图像中的类似的宏数据块相加到该差的宏数据块的解码方案。因此,该加法器ADD提供了正在编码的宏数据块的一个解码方案,其解码方案存储在该存储器MEM中。因此,一旦以此图像中的所有的宏数据块已经被编码,则该存储器MEM将包括当前正被编码图像的解码方案。因此,当一个图像被编码时,以此方式实现在该存储器MEM中包含前述图像的一个解码方案。
可变长度编码器VLC把量化频率系数的数据块变换成一系列可变长度编码。量化频率系数的数据块通常包括具有零值的若干频率系数,该零数目随着量化参数QP具有更高的值而更高。结果是,如果量化参数QP具有高值,则该可变长度编码的系列包括相当少的比特,反之亦然。该可变长度编码被暂存在该输出缓存器OBUF中。输出缓存器OBUF以比特率R输出属于已经编码的宏数据块的可变长度编码。
控制器CON根据下列准则控制量化参数QP。包含在输出缓存器OBUF中的编码数据量称为输出缓存器充满度应该是在一个最小和最高水位之间。这意味着,如果该输出缓存器OBUF较满,则量化参数QP将通常具有较高的值。如果该输出缓存器OBUF较空,则量化参数QP将通常具有较低的值。
更详细地,该控制器CON计算用于将要被编码图像或其一部分的编码数据的目标量。该编码数据的目标量取决于输出缓存器充满度F。即,如果该输出缓存器OBUF是较满的,则该目标将较低,反之亦然。控制器CON根据编码数据的目标量和最近编码经验计算用于量化参数QP的值。这些最近编码经验包括:在近来编码图像部分中包括的数据量和应用在该部分的编码中的量化参数QP的值。假设近来图像的编码部分包括相当大量的编码数据。控制器CON从此推断,该量化参数QP应该具有比最近值稍低的值,以便防止超过编码数据的目标量。
如果该图像或该图像的一部分以具有相当高值的量化参数QP编码,则图2所示的视频编码器可能使图像失真到相当大的程度。如果该量化参数QP具有相当高的值,则量化频率系数的差值量可能具有相当低的值。而且,在实践中的许多频率系数将被取整为零值。结果是,在一解码端,图像将在相当大程度上失真。例如,包括相当多细节的目标或其一些部分将利用相当大的、均匀的数据块表示。这个现象以下称作数据块效果。
块效应可能出现在例如当图像中的序列存在景物改变时。一般而言,一新景物的第一图像将在较大程度上不同于前面景物的图像。因此,如果编码该新景物的第一图像,频率系数的许多数据块将包括具有实质值的许多频率系数。如果这些数据块以具有标称值的量化参数QP量化,则获得相当大量的编码数据。为了防止此情况,控制器CON将给出一高值的量化参数QP。如上解释,这可以引起块效应。
图3所示根据本发明的一视频编码装置的实例。该视频编码装置重获图1中所示的特征。其响应表示一图像序列的图像数据数据流PDS,提供一个MPEG数据流数据流MDS。该视频编码装置包括一伪视频编码器PENC、滤波器控制器FCON、延迟电路DEL、可调滤波器FIL和视频编码器ENC。该视频编码器ENC和伪视频编码器PENC类似于以上图2中讨论的视频编码器。然而,该伪视频编码器中包括的控制器CON不以参照图2描述的方式控制该量化参数QP。这将被更详细地说明如下。
图3中所示的视频编码装置以下列方式操作。该伪视频编码器PENC编码一图像,以便得出真实地表明将要编码图像困难程度的一复杂性指示CI。滤波器控制器FCON根据该复杂性指示CI控制该可调滤波器FIL。延迟电路DEL补偿该伪视频编码器PENC编码该图像花费的时间以及该滤波控制器FCON控制该可调滤波器FIL花费的时间。可调滤波器FIL以由复杂性指示CI确定的一截止频率FC滤波将要被编码的图像。视频编码器ENC编码该滤波的图像。
该伪视频编码器PENC可以有各种方式提供复杂性指示CI。例如,该伪视频编码器可以利用具有一确定的定值的量化参数QP编码该图像。如果这编码数据的量相当大,则就说明该图像难于编码,反之亦然。因此,通过编码该图像获得的编码数据的量可以构成该复杂性指示CI。该伪视频编码器PENC还可以利用根据在编码器ENC中建立的编码数据的目标量控制的量化参数QP编码该图像。如果该量化参数QP被给出一相当高值以便满足该目标,则能够说该图像难于编码,反之亦然。因此,量化参数QP可以构成该复杂性指示C1。还有可能使用量化参数QP与编码数据量的乘积获得的值作为复杂性指示。在这种情况下,与该伪视频编码器PENC建立用于量化参数QP的一个值的方式没关系。
事实上,复杂性指示C1是一个失真指示。如果复杂性指示C1具有高值,则意味着随后可能出现的图像难于编码。视频编码器ENC可以给出相当高值的量化参数QP,以便防止产生一个相当大量的编码数据。在这种情况下,如以上解释那样,在解码端可能出现图像中的块效应。该视频编码器ENC还可以给该量化参数QP一个充分低的值,以便防止这种块效应。然而在这种情况下,如以上解释那样,将产生相当大量的编码数据,影响随后一个或多个图像的质量。因此,如果复杂性指示CI具有高值,该编码器ENC如此地编码该图像的话,则或是图像本身失真,或是随后图像的一个或者多个失真,或这二者都失真。
图4示出可以由滤波控制器FCON应用的一个滤波器控制特性。图4是一个曲线图,具有表示复杂性指示C1的水平轴和表示该可调的滤波器FIL的截止频率PC的垂直轴。该曲线图示出,如果复杂性指示C1低于门限值Cth,则截止频率具有相当高值,其实质上不作为该复杂性指示C1的函数变化。因此,如果一个图像相当容易编码,则其只被滤波到相对小的程度,并因此实质上保存图像的细节。然而,如果复杂性指示CI高于该门限值,则截止频率随着复杂性指示C1增值而减小。因此,如果图像相当难于编码,其将根据该图像编码的困难程度而被滤波到一个程度。即,如果图像相当难于编码,其将根据该图像编码的困难程度而在一个程度上删除该图像的细节。这使得该视频编码器ENC以具有充分低值的量化参数QP编码如此滤波的图像,以便防止图像本身中的块效应,而同时获得的编码数据量充分地低,以便实现随后图像的满意质量。
图5示出另一滤波器控制特性,其可以与图4所示的控制特性配合选择地应用。图5的曲线图具有表示图像数目的一个水平轴和表示截止频率FC的垂直轴。如以上描述,图像数目N表示已经建立复杂性指示C1的图像。假定该图像的复杂性指示C1具有相当的高值,则意味着随后可能出现的图像难于编码。结果是,当图像数目N被滤波时,空间滤波器FIL具有相当低的截止频率FClow。结果是,图5示出随后具有编号N+1、N+2、N+3的图像同样以随着图像数目增加而逐渐增加的截止频率滤波。
当出现景物改变时,图5中所示的滤波器控制特性有益。假设图像数目N是新景物的第一图像。由于新景物的第一图像是以相当低截止频率FClow滤波,所以许多细节将被删除。即,在解码端,新景物的第一图像将具有相当低的分辩率。由于该截止频率FC随新景物中的图像数目逐渐地增加,所以该清晰度将随着后面的图像逐渐地变好。该清晰度的渐进匹配人视觉的属性。人趋向于首先注意新目标的基本形状和颜色,并且只是后来注意新目标的细节。因此,在景物改变的情况下,图5中所示的滤波器控制特性将只在一个相对小的程度上影响感觉的清晰度。更重要的是,这控制特性使得将要编码的新景物的第一图像具有的量化参数QP充分地高,以便避免块效应,而不产生相当大量的编码数据。因此,图5中所示的控制特性有助于一个满意的总质量。
以上示出的附图以及描述不是对本发明的限制。显然,在所附权利要求书的范围之内有很多的可选方案。在这方面,做出下列总结说法。
有通过各种单元实现具体构成扩展函数或功能元件的很多方法。在这方面,附图是完全的图式,每一个只表示本发明的一个可能的实施例。因此,虽然一个图示出作为不同框的不同功能元件,但是这决不意味排除某些功能元件或所有的功能元件可能作为单一实际单元实现的可能性。
虽然图3中所示的视频编码装置使用一个伪视频编码器PENC来提供复杂指示形式的一个失真指示CI,但是可以用其它电路提供一个失真指示。例如,可以使用建立在被编码图像和一个在先图像的对应像素之间的绝对差值和的电路。如果绝对差值的和高,则该图像难于编码,因此该图像本身可能失真或随后的一个或者多个图像可能失真,或两者都失真。因此,绝对差值的和是一个失真指示。
虽然在图3中示出该视频编码装置中该可调滤波器FIL滤波图像并且以逐个图像为基础控制,但是还可以滤波图像的各部分并且以图像部分为基础作调整。
相对于图5示出的可调滤波器FIL,还注意下列内容。原则上可以使用任意类型的滤波器。例如可调滤波器FIL可以是一个空间滤波器或一个水平滤波器。即,可以是一个二维滤波或一维滤波器。该可调滤波器FIL可以作为例如一个均值滤波器、高斯滤波器或中值滤波器实现。
该可调滤波器FIL还可以实现作为一个小波域滤波。该小波域滤波器能够以一个用于JPEG压缩图像的数据块分解算法为基准。在这种情况下,该滤波器执行边缘检测和平滑滤波,以便保存该小波域中的检测边缘。该边缘检测能够以在图3示出的伪视频编码器PENC中确定的一个阈值为基准。因此,该阈值应用到将要编码的当前图像的复杂性。
通过只滤波其中可能出现块效应的那些图像区域,该小波域滤波器抵消块效应。因此,一个小波域滤波器减小一个图像的清晰度的程度要小于一个低通滤波器的减小程度。因为小波域滤波器最好是逐图像应用,即逐场应用的,所以能够用JPEG算法进一步抵消块效应。这样一个算法提供了一个满意的数据块分解性能并且相当简单。
在以上讨论中,术语″滤波器″很清楚不局限于由一个确定的频率响应为特征的信号处理。术语″滤波器″应该被广义地解释,以便包括将减小否则由处理器引入的失真的各种类型的预处理。
权利要求中的任意参考标记不应该被解释为对权利要求的限制。
Claims (9)
1.一种编码视频数据的方法,包括以下步骤:
第一编码步骤,用于编码所述视频数据,以便获得一个复杂性指示,用来表明将要被编码视频数据的困难程度;
预处理步骤,用于根据该复杂性指示预处理该视频数据,以便获得预处理的视频数据;和
第二编码步骤,用于编码该预处理的视频数据。
2.权利要求1的视频编码方法,其特征在于该复杂性指示是量化参数与该第一编码步骤产生的编码数据量的乘积。
3.权利要求1的视频编码方法,其特征在于第一编码步骤利用具有定值的量化参数编码该图像数据并且其中该复杂性指示是该第一编码步骤产生的编码数据量。
4.权利要求1的视频编码方法,其特征在于第一编码步骤利用根据编码数据的目标量控制的量化参数编码该图像数据并且其中该复杂性指示是该量化参数。
5.权利要求1的视频编码方法,其特征在于该预处理步骤包括一个基于滤波器的可调滤波子步骤,该滤波器的滤波特性根据该复杂性指示调整。
6.权利要求5的视频编码方法,其中该滤波子步骤是这样的以便当该复杂性指示低于一个门限值时该滤波器的截止频率基本恒定,而当该复杂性指示高于该门限值时该滤波器的截止频率随着该复杂指示的增加而减小。
7.一种用于编码视频数据的视频编码装置,包括:
第一装置,用于编码该视频数据,以便获得一个复杂性指示,用来表明将要被编码视频数据的困难程度;
用于根据该复杂性指示预处理该视频数据,以便获得预处理的视频数据的装置;和
第二装置,用于编码该预处理的视频数据。
8.权利要求7的视频编码装置,其特征在于该预处理装置包括一个可调滤波器,其滤波特性根据该复杂性指示调整。
9.权利要求8的视频编码装置,其中该可调滤波器是这样的以便当该复杂性指示低于一个门限值时滤波器的截止频率基本恒定,而当该复杂性指示高于该门限值时该滤波器的截止频率随着该复杂指示的增加而减小。
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