CN1186940C - 改进的数字视频和图像的级联压缩方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种降低在采用级联压缩方案的系统中的量化误差的系统和方法。确定由级联压缩方案引入的期望量化误差后，对两个或更多个可用于第二或较后级的试验量化器的期望量化误差进行比较。根据比较结果，从中选择一个量化器用于第二或较后级压缩，以降低这种级联压缩方案引起的量化误差和/或将它减到最小。

Description

改进的数字视频和图像的级联压缩方法和系统
                      发明领域
本发明属视频/图像压缩技术领域，具体地说，发明涉及降低由于数字视频和图像的级联压缩而引起的量化误差的系统和方法。
                      发明背景
电视电话、数字电视、电信会议和信息高速公路只是数字信息时代涌现的少数几个例子。数字图像和视频处理的发展促进了数字信息时代的来临。特别是数字图像压缩方法在这种发展中起了关键性的作用。图像压缩降低了表示数字图像所需的数据量。例如，可以对彩色、灰度或黑白图像进行压缩，然后通过解压缩得到原始图象的精确表示。
压缩通常在存储或发送数据前进行。这使大量信息可以用一种经济的方式存储和/或迅速传送。如所周知，图像压缩通常是一个双向过程，涉及压缩和解压缩。这些过程可能不是对称的，即对于采用给定类型的压缩算法来说一个过程所用的时间和/或计算能力可能不同于另一个过程。
通常有两类图像压缩：有损的和无损的。在有损压缩中，经解压缩的图像只是与原始图象类似而不是完全相同。这是因为原始数据中至少有一部分已经改变或抛弃了。有损压缩技术包括二次采样、差分脉码调制(DPCM)和离散余弦变换(DCT)系数量化。相反，无损压缩保持了原始图象的所有数据，即本质上是一个完全可逆的编码过程。无损压缩技术包括可变长度编码(VLC)和游程长度编码(RLC)。
压缩比通常定义为需压缩的数据内容与压缩后得到的数据之比。有损压缩方法可以提供100∶1以上的压缩比。无损压缩方法通常只能达到3∶1左右的压缩比。通常，随着有损压缩比的增大，图像恶化程度也增大。
可以用单级压缩或多级压缩来达到给定的压缩比。一个图像或视频源在输入的源信号受到串联方式的多级压缩时就受到了级联压缩。例如，在级联压缩中，首先以某个压缩比压缩源信号(图像或视频)，然后再使经压缩的数据受到一个第二或较后级压缩，以便达到一个较大的压缩比。实际上，对于高效率的存储或带宽受限制的传输来说，可能需要较大的压缩。
联合摄影专家组(JPEG)和运动图象专家组(MPEG)标准是非常广泛采用的分别对图像和视频进行压缩的方案。JPEG标准用于对逼真的现实世界的彩色或灰度图像进行压缩。虽然JPEG标准包括无损和有损模式，但是它通常用于有损模式，以便达到较大的压缩比。通常，一个图像利用离散余弦变换(DCT)变换到频率域。所得到的其中值较小的频率分量被舍弃掉，而只留下值较大的分量。这些值较大的分量然后用差分脉码调制(DPCM)和霍夫曼码编码。JPEG压缩的可调节性使得对于一个特定的应用要求可以考虑可变压缩比和细调算法。
MPEG标准结合帧间编码技术采用DCT和霍夫曼编码方法，可以得到较大的压缩比。MPEG-1和MPEG-2通常分别用于低清晰度图象序列和高清晰度序列。MPEG-4所针对的是对象和场景的声-像统一而不是帧。MPEG-7有助于声-像内容的定位。
上述压缩技术采用DCT变换再对DCT系数进行量化和可变长度编码，以达到数据压缩。量化DCT系数使得这些压缩技术成为有损的。如上所述，有损压缩方案是解压缩后的数据不是原始数据的严格拷贝的一种压缩方案。例如，在JPEG或MPEG压缩方案中，在级联压缩的每级压缩实质上都是有损的。此外，进行多级压缩还引入了附加的损耗。
为了例示这附加的损耗，来看一下图1所示的两种有损压缩情况(a)和(b)。在情况(a)中，源数据10由压缩系统11以压缩比20∶1进行压缩。在情况(b)中，源数据10首先受到第一级的10∶1压缩再受到第二级的2∶1压缩的级联压缩系统12的压缩。在情况(b)中，第二压缩级没有接入原始的源数据10，而只是得到第一压缩级输出的经压缩的信号。情况(a)和(b)达到了同样的20∶1压缩。然而，由于级联压缩，情况(b)引入的均方误差(MSE)将总是大于或等于情况(a)。这附加的误差部分是由于在第二或较后压缩级中量化值的选择。
某些传统的级联压缩系统对于各相继的压缩阶段采用一组无退化的量化因子。利用诸如q值＝K*(3**n)的数值关系来选择这组量化因子。如果在第一阶段使用其中一个量化器，然后在随后的阶段可以使用任何其他量化器。然而，这些系统没有提供任何怎样选择随后阶段中的量化器以使级联量化误差减到最小的见识。
                       发明概要
本发明的一个目的是揭示以上讨论的传统级联压缩系统的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种计算给定的一对量化器的级联压缩引入的误差的方法。
本发明的又一个目的是提供一种通过适当的选择量化器将级联压缩引入的损耗减到最小的方法。
一个优选实施例涉及降低在JPEG和MPEG压缩方案的构架内引入的量化误差。
本发明的一个方面涉及一种用于级联压缩系统的方法，这种方法包括下列步骤：确定一个由级联压缩系统的第二或较后级引入的期望量化误差；以及对用于第二或较后级的至少两个量化器的期望量化误差进行比较。这种方法还包括按照比较结果选择其中一个量化器，使得级联压缩系统的期望量化误差减到最小。
在本发明的一个优选实施例中，用一个概率分布函数来确定期望量化误差。
本发明的另一个方面涉及一种执行上述方法的存储媒体和设备。
在下面的详细说明中将对本发明的这些及其他一些实施例和情况进行举例说明。
                    附图简要说明
参考以下结合附图对优选实施例的详细说明可以很好地理解本发明的特色和优点。在这些附图中：
图1为一个非级联压缩系统和一个级联压缩系统的示意图；
图2为示出在一个级联压缩系统中的两个量化器的量化情况的示意图；
图3为示出在一个级联压缩系统中的量化误差的示意图；
图4为按照本发明实现的一个典型计算机系统的方框图。
                  优选实施例详细说明
级联压缩引入的附加MSE可以结合图2所示予以说明。图2(a)示出了步长为Q1的均匀量化器的一些重建点和判决边界。这些重建点用黑点表示，而判决边界用短垂线表示。第n个重建点位于Qn 1(未示出)，Qn 1两侧的判决边界位于Dn 1和D(n-1) 1(未示出)。判决边界大致处在两个相继的重建点的中间。对于一个步长为Q1的均匀量化器来说，重建点处在Q1的倍数处。一个输入信号源的任何落在两个判决边界之间的值都量化为处在两个判决边界中间的重建点。
量化器Q1用于级联压缩的第一级(a)，而量化器Q2用于压缩的第二级(b)。对于一个单级压缩来说，例如使用的是量化器Q2。在这个实施例中，量化器Q2的步长如同所示大于量化器Q1的步长。要指出的是，较大的量化步长可以达到较大的压缩比，然而以引入较多的损耗为代价。可取的是，诸如在MPEG的I帧和JPEG压缩方案中使用的那些也是均匀量化器。然而，也可以使用其他步长和不均匀量化器。
在图2中，x表示需量化的输入源信号的值。如果x落在[Q0 2，D0 2)的范围内，用单级量化器(在这种情况下只用级(1))，这个值将量化为Q0 2。要指出的是，符号“[”表示在范围内包括这个值，而符号“)”表示在这个范围内不包括这个值。在两级量化器((a)和(b))的情况下，如果x落在[0，D0 1)的范围内第一级量化器的输出就为Q0 1，而如果它落在[D0 1，D0 2)的范围内就为Q1 1。级(a)的输出然后通过第二量化级(b)，将Q0 1量化为Q0 2，而将Q1 1量化为Q1 2。因此，用级联压缩，在[0，D0 1)的范围内的x值将量化为Q0 2，而在[D0 1，D0 2)的范围内的x值将量化为Q1 2。因此，与单级量化器相比，采用级联压缩将使在范围[D0 1，D0 2)内的x值受到不正确的量化，因而具有较大的均方误差。类似，可以注意到，任何在[D1 1，D1 2)的范围内的x值用两级量化器将不正确地量化为一个Q2 2的值，而单级量化器会将这些值量化为Q1 2。这个附加误差是级联压缩的直接结果。
为了减小和/或消除这个附加误差，首先必须确定在给定的量化器Q1和Q2时会受到不正确量化的x的值的范围。关于这一点，考虑Q2量化器在Dn 2处的特定判决边界。对于这个判决边界，量化器Q1的两个最接近的判决边界，一个是比Dn 2大的(Dm 1)，一个是比Dn 2小的(Dm-1 1)，它们的位置如和3(b)所示。就例示来说，考虑以下情况：情况1(图3(a))：Qm 1＜Dn 2而x∈[Dn 2，Dm 1)
单级Q2量化器会将x量化为Qn 2。在两级量化器(Q1和Q2)中，Q1会将x量化为Qm 1，而后面的Q2量化器会将x量化为Qn+1 2，从而引入附加量化误差。情况2(图3(b))：Qm 1≥Dn 2而x∈[Dm-1 1，Dn 2)
单级Q2量化器会将x量化为Qn 2。在两级量化器(Q1和Q2)中，Q1量化器会将x量化为Q1 m，而后面的Q2量化器会将它量化为Q(n+1) 2，从而引入附加量化误差。
为了确定x的值会受到不正确量化的所有范围，必须对于Q2的所有判决边界重复这个计算。然而，例如在如在JPEG压缩中所用的均匀量化器的情况下，对于Q2的所有判决边界只需要在0到LCM(Q1，Q2)的范围内执行上述计算。LCM(Q1，Q2)是两个数Q1和Q2的最小公倍数。这个计算得到的结果可以用来得到x的值处在范围[0，LCM(Q1，Q2]外因而会受到不正确量化的范围。如可以看到的那样，这个计算在均匀量化器的情况下简单得多。
对于在一个环境内的一些像素值的每个组合来说，黑和白的像素的概率分布可能是不同的。例如，在一个全部是白的环境中，对一个白的像素编码的概率将比对一个黑的像素编码的概率大得多。给定输入源信号(x)的概率分布f(x)，就可以如下计算出用量化器Q1和Q2级联量化引入的期望量化误差：
E(Q1，Q2)＝∫f(x)对于x∈ξ
符号ξ表示含有如以上确定的x的值会受到不正确量化的所有区域的集合。
以上式进行的量化误差的计算用来选择级联压缩的第二级中的适当的量化器。例如，如果第一级用量化器Q1，而假定有两个可能的量化器Q2和Q2′可以用于第二级，于是就可以对于这两个量化器计算出量化误差。这两个可能的量化器是试验量化器。按量化误差值最小来决定选择量化器Q2和Q2′中哪一个最为合适。
如果预计量化器Q2提供r的比特率(较大的速率，较小的压缩)而量化误差为E(Q2)+E(Q1，Q2)，而量化器Q2′预计提供r′的比特率而量化误差为E(Q2′)+E(Q1，Q2′)，于是可以用比特率与量化误差之比来作为选择量化器的度量。在这里，E(Q2)和E(Q2′)是量化器固有量化误差，与级联量化所引起的附加误差无关。
当然，可以用以上讨论的Q2或Q2′之外的量化器作为出发点。部分根据所需的总压缩比来选择量化器。在选择初始量化器中也可以采用试算法。可以如上所述那样计算出若干个量化器的量化误差，按此选择最适当的量化器。
如上所述，本发明的一个实施例涉及采用JPEG和MPEG压缩方案的应用。这两个压缩方案将输入源数据在空间上划分为一系列邻接的大小为8×8的块，每个块经DCT变换后得出64个DCT系数。接着对这些DCT系数进行量化。对DC系数进行的是差分编码。对剩下的63个AC系数通过规定零系数的游程长度再对随后的非零系数值编码的方式编码。
在JPEG的情况下，量化表的登录项确定了用于不同的DCT系数的量化。对于不同的区域(例如，亮度和色度)可以采用不同的量化表，但是对于一个区域来说量化表是固定的。为了在对一个已经受到JPEG压缩的数据再压缩中应用本发明的量化器选择方法，必需知道每个DCT系数的概率分布f(x)。经验发现，AC DCT系数的分布遵从Laplacian分布。要指出的是，与Laplacian分布关联的参数对于不同的DCT系数是不同的。这参数可以予以估计，或者根据可用的压缩数据得出一个不同的分布，诸如Rayleigh或Gaussian分布之类。
可以理解，对于DCT编码图像和MPEG误差项都可以用Laplacian分布。MPEG压缩方案用DCT对误差项和图象信息编码。误差项是根据MPEG运动补偿算法得到的。一个误差项是通过从一个在序列的另一个帧面上的块减去一个图像块后对差进行DCT得到的。这使得帧面在图像只有少量改变的情况下可以用较少的比特编码。
此外，对于MPEG的情况，一个优选实施例所针对的是MPEG格式中的I(帧内编码)帧。I帧只包括不参考其他帧面的帧内编码块。这些帧可以用作序列中的随机接入点。也可以使用诸如P(预测编码)帧和B(双向内插)帧之类的其他MPEG帧类型。
例如，对于MPEG视频中的每个(I)帧来说，量化值取决于量化标尺(quantizer_scale)和量化表。对于色度和亮度可以用不同的量化表。量化表对于每个帧是固定的，但是量化标尺对于每个宏块是可以改变的。在一个实施例中，用以上论述的量化器选择法来选择每个MPEG帧宏块的量化标尺。然而，要指出的是，对于每个DCT系数来说不能改变量化标尺。这个值对于整个宏块是固定的。由于人类视觉系统对低频系数的量化误差比较敏感，因此更可取的是将量化标尺选择成使所选择的低频系数的平均量化误差减到最小。
图4示出了一个可以实现本发明的视频/图像处理系统20。例如，系统20可以表示一个电视机，一个机顶盒，一个台式、膝上或掌上型计算机，一个个人数字助理(PDA)，一个诸如盒式磁带录像机(VCR)、数字录像机(DVR)、TiVO设备之类的视频/图像存储装置，以及这些及其他设备的一些部分或组合。系统20包括一个或多个视频/图像源22，一个或多个输入-输出设备24，一个处理器25，以及一个存储器26。视频/图像源22可以表示例如一个电视接收机，一个VCR，或者其他视频/图像存储装置。源22也可以表示一个或多个通过例如一个诸如互联网、广域网、城域网、局域网、陆地广播系统、有线电视网、卫星网、无线网或电话网以及这些及其他类型的网络的一些部分或组合从服务器接收视频/图像的网络连接。
输入-输出设备24、处理器25和存储器26通过通信媒体27通信。通信媒体27可以表示例如一个总线，一个通信网，一个或多个电路、电路卡或其他设备的内部连接，以及这些及其他通信媒体的一些部分和组合。从源22输入的视频/图像按照存储在存储器26内的由处理器25执行的一个或多个软件程序处理，产生输出视频/图像，提供给一个诸如电视显示器、计算机监视器之类的显示装置28。
在一个优选实施例中，计算级联压缩的期望量化误差和选择适当的量化器由系统20执行的计算机可读代码实现。这代码可以是存储在存储器26内的，或者从一个诸如CD-ROM或软盘之类的存储媒体读取/下载。在其他实施例中，可以用硬件电路来代替软件指令或者与软件指令结合，实现发明。
可以理解，如图4所示的系统20的具体配置只是作为一个例子。熟悉该技术的人员可以认识到，本发明可以用多种可供选择的系统配置来实现。
虽然以上就一些具体实施例对本发明进行了说明，但是可以理解，这并不是说本发明就局限于在这里所揭示的这些实施例。例如，本发明不局限于任何具体的压缩方案、帧类型或概率分布。相反，本发明覆盖了包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种结构和变型。本发明不局限于任何具体的压缩方案、帧类型或概率分布。相反，本发明覆盖了包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种结构和变型。

Claims (11)

1.一种用于一个级联压缩系统的方法，所述方法包括下列步骤：
a)确定由所述级联压缩系统的一个第一级量化器引入的第一比特率和第一期望量化误差；
b)确定由所述级联压缩系统的一个第二级量化器引入的第二比特率和第二期望量化误差，其中所述第一期望量化误差和所述第二期望量化误差的一个用一个概率分布函数来确定；
c)将第一比特率对第一期望量化误差的第一比率与第二比特率对第二期望量化误差的第二比率进行比较；以及
d)按照第一比率与第二比率的比较结果从所述第一级量化器和第二级量化器中选择一个量化器使用在所述级联压缩系统中。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述概率分布函数是一个Laplacian分布。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一期望量化误差包括由所述第一级量化器产生的固有量化误差E(Q2)和与级联量化产生的其它误差有关的量化误差E(Q1，Q2)的和，并且
所述第二期望量化误差包括由所述第二级量化器产生的固有量化误差E(Q21)和与级联量化产生的其它误差有关的量化误差E(Q1，Q21)的和。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述概率分布函数按照需压缩的输入数据确定。
5.按照权利要求1所述的方法，还包括按照所述级联压缩系统的所需压缩比从所述第一级量化器和第二级量化器中选择一个量化器使用在所述级联压缩系统中的步骤。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述级联压缩系统至少包括JPEG兼容系统和MPEG兼容系统之一。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述确定一个期望的量化误差的步骤包括确定一输入数据的值将由所述级联压缩系统不正确量化的范围的集合。
8.一种级联压缩设备，所述设备包括：
a)一个存储可执行代码的存储器；以及
b)一个执行存储在所述存储器内的代码的处理器，所述处理器用来：(i)确定由所述级联压缩设备的一个第一级量化器引入的第一比特率和第一期望量化误差和由所述级联压缩设备的一个第二级量化器引入的第二比特率和第二期望量化误差，其中所述第一期望量化误差和所述第二期望量化误差的一个用一个概率分布函数来确定，(ii)将第一比特率对第一期望量化误差的第一比率与第二比特率对第二期望量化误差的第二比率进行比较，以及(iii)按照所述第一比率和所述第二比率的所述比较结果从所述第一级量化器和第二级量化器中选择一个量化器使用在所述级联压缩设备中。
9.按照权利要求8所述的设备，其中所述概率分布函数是一个Laplacian分布。
10.按照权利要求8所述的设备，其中所述级联压缩设备至少包括JPEG兼容系统和MPEG兼容系统之一。
11.一种级联压缩系统，所述级联压缩系统包括：
a)用于确定由所述级联压缩系统的第一级量化器引入的第一比特率和第一期望量化误差的装置；
b)确定由所述级联压缩系统的第二级量化器引入的第二比特率和第二期望量化误差的装置，其中使用概率分布函数定义所述第一期望量化误差和所述第二期望量化误差中的一个；
c)用于将第一比特率对第一期望量化误差的第一比率与第二比特率对第二期望量化误差的第二比率进行比较的装置；以及
d)从所述第一级量化器和所述第二级量化器中选择一个量化器以减小所述期望量化误差的装置。
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