CN1221289A - 运动图像编码和解码装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种进行运动图像的高效率编码的运动图像编码装置,包括:主编码装置(6～9,13～18),对于所输入的运动图像,以帧或者字段单位来交替进行图像内独立编码或者图像间预测编码,输出所得到的主代码串;副编码装置(1～3),在上述主编码装置执行的图像间预测编码的帧或字段中,对预定帧或字段进行图像内独立编码,输出所得到的副代码串;代码串复用装置(4、10、11),在上述预定帧或字段的主代码串的邻接部中插入上述预定帧或字段的副代码串,来得到所复用的代码串。

Description

运动图像编码和解码装置及其方法
本发明涉及为了有效地传输、存储、显示图像而用更少的编码量使图像信息成为数字信号的高效率编码，特别是涉及一边进行运动图像的图像预测编码一边进行频道切换和随机存取。
下面对现有技术中的在图像间预测编码中的频道切换和随机存取作出说明。
在运动图像的高效率编码中，当进行图像间预测时，能够以大幅度减少的代码量来进行编码。但是，图像间预测编码在其他帧或者字段(以下都用帧来代表)的已解码图像没有时，不能进行解码，因此，为了适应于多频道广播中的频道切换和存储媒体中的随机存取，而周期地设定在图像内独立进行编码的帧。由此，能够以独立帧的间隔来实现频道切换和随机存取。由于独立帧具有图像间预测帧的3倍～10倍的代码量，则当频繁进行设定时，功能性增大，而引起编码效率的降低。因此，一般使通常的15帧(0.5秒)为1帧的程度。
在图7中表示了上述那样的图像间预测编码装置的已知实例。
来自图像输入端子5的图像信号在减法器6中与由开关13所提供的图像间预测信号相减，成为预测残留误差而提供给DCT 7。
DCT 7以8×8象素单位进行离散余弦变换(DCT)的变换处理，把所得到的系数提供给量化器8。量化器8以预定的步宽来量化系数，把成为固定长度的代码的系数提供给可变长编码器9和逆量化器18。
可变长编码器9以被成为曲折扫描的顺序把2维的8×8个系数排列变换为1维的，用赫夫曼代码来对系数进行编码来作为0的连续数和0之外的系数的值。这样，成为代码串的图像间预测残留误差在代码串缓冲器10中成为一定的传输率，而由代码输出端子12所输出。
另一方面，在逆量化器18和逆DCT 17中进行DCT 7和量化器8的逆处理，来再生图像间预测残留误差。所得到的重放图像间预测残留误差由加法器16与图像间预测信号相加，而成为重放图像，并提供给图像存储器15。存储在图像存储器15中的重放图像被提供给图像间预测器14。
图像间预测器14形成图像间预测信号而提供给开关13。在图像间预测的形成中，大多需要进行运动补偿处理。
开关13保持与输入信号的同步，用成为独立的帧来选择0帧，提供给减法器6和加法器16。在此情况下，不进行图像间预测，而成为帧内独立处理。用图像间预测帧来选择预测信号，提供给减法器6和加法器16，由此来进行图像间预测编码。独立帧对帧同步进行计数，一次设定为10～20帧。独立或预测的信息未图示，但在代码串的首部中被复用。
下面对与图7的运动补偿图像编码装置相对应的解码装置进行说明。图8表示了其构成。其中，逆量化器18、逆DCT 17、加法器16、图像存储器15、图像间预测器14、开关13的动作与图7的编码装置相同。
来自代码输入端子21的代码经过代码串缓冲器23，预测残留误差的代码串在可变长解码器24中恢复为固定长度的代码。作为固定长度代码而得到的系数在逆量化器18、逆DCT 17中成为重放图像间预测残留误差，在加法器16中，从图像输出端子25所输出，同时提供给图像存储器15。图像间预测器14从存储在图像存储器15中的图像来形成图像间预测信号，而提供给开关13。开关13通过由可变长解码器24所提供的图像类型信息来用独立帧选择0值，用图像间预测帧来选择图像间预测信号，提供给加法器16。
下面介绍现有技术中另一编码装置和解码装置的例子。
另一方面，当仅在低频成分中保留帧内独立编码时，与图像间预测帧相比较，代码量不怎么多。在这样的独立帧的情况下，即使提高频率，效率的降低也较少。此措施在由与本申请同一申请人所提出的日本专利公开公报特开平5-122686号「运动图像预测编码装置及其解码装置」中所公开了。在此情况下，由于独立帧作为低频成分的图像被重放，则在频道切换和随机存取的情况下，初始图像分辨率较低，但逐渐地接近于通常的图像。
具体的构成在图7、图8中仅有提供给开关13的信号不同。所谓用独立帧进行选择是指仅抑制预测信号的低频成分的信号。由于在低频成分中不进行图像间预测，结果，仅低频成分独立地进行编码。
现有的运动图像编码装置因独立帧的代码量较多，则难于在保持编码效率的同时提高独立帧的频度，则难以处理频道切换、随机存取、高速图像检索等。
仅对低频成分独立编码的方法，虽然其功能的改善是可能的，但是，在解码装置中需要除去低频滤波器等，而不能得到与没有其的通常的解码装置的兼容性。而且，在误码产生的情况下，错误持续到下一个独立帧到来为止。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供运动图像编码装置、解码装置，运动图像编码方法、解码方法以及运动图像编码记录媒体，通过周期性地进行图像内编码的图像间预测编码，来得到主代码串，对与之不同的一部分的帧进行图像内独立编码，把所得到的较少代码量的副代码串与主代码串进行复用，由此，在解码装置中仅通过代码串的控制就能改善频道切换和随机存取的反应速度、高速图像检索画质、误码对策。
本发明的运动图像编码装置，在运动图像的高效率编码中，得到相对于所输入的运动图像进行图像内独立编码或者图像间预测编码的主代码串，对用主代码串进行图像间预测编码的预定帧进行图像内独立编码，把所得到的副代码串插入主代码串的预定帧的邻接部。
上述运动图像编码装置，图像间预测编码用帧单位交替进行单方向图像间预测和双方向图像间预测两者的图像间预测，用单方向预测进行的帧来得到副代码串。
上述运动图像编码装置，主代码串用的图像内独立编码方法与副代码串用的图像内独立编码方法是相同的，仅参数不同。
另一方面，本发明的运动图像解码装置，在由上述编码装置所得到的代码串的解码中，从代码串的首部检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)，在不进行连续图像的解码时，所输入的任一个代码串引导到解码处理，在进行连续图像的解码时，放弃副代码串，来进行解码。
运动图像解码装置，在由上述编码装置所得到的代码串的解码中，检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)和传输误码存在的部分，在副代码串存在的帧中误码产生的部分，把主代码串替换为副代码串，来进行解码。
在本发明中，通过周期性地进行图像内编码的通常的图像间预测编码，来得到主代码串，对与之不同的一部分的帧进行图像内独立编码，把所得到的较少代码量的副代码串与主代码串进行复用，由此，主编码部与通常的编码装置相同，副编码是与主编码的图像内编码相同的方法，因此，解码装置除代码串的控制外与通常的解码装置相同。编码效率在使主编码方法与通常的相同时，总代码量仅增加了副代码串部分，即使降低主编码的独立帧频度，也能通过副代码串保持功能，因此，在此情况下的总代码量是同等的或者更少。
另一方面，在解码中，在连续重放中仅把主代码串用于解码的画质等与通常的相等。在频道切换和随机存取、高速图像检索的情况下，使用副代码串，因此，可存取的帧大量存在，而使反应速度改善。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：
图1表示本发明的运动图像编码装置的一个实施例的构成例的图；
图2表示本发明的运动图像编码装置的一个实施例中的量化的例子的图；
图3表示本发明的运动图像解码装置的第一实施例的构成例的图；
图4表示本发明的运动图像解码装置的第二实施例的构成例的图；
图5表示代码串中的帧类型的样子的图；
图6表示帧单位中的代码量的样子的图；
图7表示现有的运动图像编码装置的构成例；
图8表示现有的运动图像解码装置的构成例。
下面说明运动图像编码装置的实施例。
下面对本发明的实施例的运动图像编码装置进行说明。图1表示其构成，对与图的现有例子相同的构成部分使用相同的标号。
在图1中，与图7相比较，追加了作为副编码的DCT 1、量化器2、可变长编码器3、代码串缓冲器4和代码串开关11。在实施例中，与现有例子不同之处是副编码处理和两种代码串的复用处理，主编码处理与现有例子相同。
由图像输入端子5所输入的图像信号被引导到减法器6和DCT 1中。在此，作为主编码处理的减法器6、DCT 7、量化器8、可变长编码器9、代码串缓冲器10、逆量化器18、逆DCT 17、图像存储器15、图像间预测器14进行与现有例子相同的动作。开关13功能相同，但进行稍稍不同的动作。
在减法器6中，由图像间预测器14所提供的图像间预测信号被进行相减运算，成为预测残留误差而提供给DCT 7。
DCT 7以8×8象素单位进行离散余弦变换(DCT)的变换处理，把所得到的系数提供给量化器8。量化器8以预定步宽来量化系数，把成为固定长度的代码提供给可变长编码器9和逆量化器18。
可变长编码器9以被称为曲折扫描的顺序把把2维的8×8个系数排列变换为1维的，用赫夫曼代码来对系数进行编码来作为0的连续数和0之外的系数的值。这样，成为代码串的图像间预测残留误差作为主代码串被存储在代码串缓冲器10中。
另一方面，在逆量化器18和逆DCT 17中进行DCT 7和量化器8的逆处理，来重放图像间预测残留误差。
所得到的重放图像间预测残留误差由加法器16与图像间预测信号相加，而成为重放图像，并提供给图像存储器15。存储在图像存储器15中的重放图像被提供给图像间预测器14。
图像间预测器14形成图像间预测信号而提供给开关13。在图像间预测的形成中可以进行运动补偿处理。开关13保持与输入信号的同步，用独立帧来选择0帧，提供给减法器6和加法器16。在此情况下，不进行图像间预测，而成为帧内独立处理。用图像间预测帧来选择预测信号，提供给减法器6和加法器16，由此来进行图像间预测编码。主编码中的独立帧的周期与现有例子不同，使30～120帧为1帧。
作为副编码的DCT 1、量化器2、可变长编码器3、代码串缓冲器4的动作基本与DCT 7、量化器8、可变长编码器9、代码串缓冲器10相同，输入图像信号在帧内独立进行编码，代码串被存储在代码串缓冲器4中。这样，处理内容方法是共同的，但量化器2的参数与主编码处理大大不同。
具体地说，如图2那样，量化步幅基本上是较粗的，在每个系数的加权中，偏离DC成分(图中左上端)的系数相当大。从某种程度上(图中用“-”表示的系数)极端地加大了量化步幅，量化结果总计为0。其在可变长编码中即使从DC到十几个程度中断扫描也能实现。
由此，副编码的重放图像为低分辨率的，但是，发生代码量为主编码的独立帧的一成左右。这样得到的代码串作为副代码串存储在代码串缓冲器4中。
主代码串和副代码串通过代码串开关11进行切换，在主编码串的图像间预测帧的邻接部中周期性地插入其帧的副代码串。具有副代码串的帧多于现有例子的独立帧的比例，使4～12帧为1帧。除此之外的帧在编码后丢弃代码串，或者，在图1的DCT 1之前设置开关，不进行编码本身。
在作为图像间预测帧而存在P帧(单方向预测)和B帧(双方向预测)的情况下，仅把P帧作为对象。B帧不作为图像间预测的参照帧使用，这是因为从其连续的解码不能实现。开关14的输出记录保存在记录媒体中。
在图5中表示了代码串的形成方法。
在图5中，I是独立帧的主代码串，P是单方向预测帧的主代码串，B是双方向预测帧的主代码串，i是副代码串。图中表示定时，代码串的长度(代码量)在帧中不同。副代码串和主代码串对应的位置关系随副代码串插入的目的而不同，可以使用于频道切换的副代码串位于主代码串之后，使解决误码措施的副代码串位于主代码串之前。
在频道切换等的情况下，在副代码串的解码后连续地对下一个帧的主代码串进行解码。另一方面，在解决误码措施的情况下，在对主代码串进行解码的同时仅在错误时使用副代码串，因此，为了保持副代码串，可以是事先进来的一方。
在对解决误码措施进行特化的情况下，没有帧单位，如果为薄片(帧内错误波及的封闭范围)，在解码装置中保存副代码串的缓冲器容量较小。
下面在图6中表示帧单位下的代码量的样子。
具有副代码串的帧其代码量比通常的P帧增加了，但是，如果与I帧相比较，代码量略少。可以把速率(编码效率)与现有例子进行比较。
作为每种图像类型的平均代码量，如果使主代码串的I帧为600 Kbit、使P帧为200 Kbit，使B帧为100 Kbit，使i帧为100 Kbit，则现有例子在图中的情况下，M(P帧间隔)=2,N(I帧间隔)=8，代码速率为6.0Mb/s。与此相对，实施例在图中的情况下，M=2,N=16,n(i帧间隔)=4，为5.8Mb/s。主代码串速率为5.24M/s，副代码串速率为0.56Mb/s。
作为现有例子，当假定在MPEG等中一般使用的M=3,N=15时，为4.8Mb/s，与此相对应的实施例为：M=3,N=60,n=6,4.65Mb/s。
在此情况下，独立帧周期从0.5秒缩短为0.2秒。
下面说明运动图像解码装置的第一实施例。
下面参照附图来对与图1的运动图像编码装置相对应的第一实施例的运动图像解码装置进行说明。
图3表示其构成。与图8的现有例子相同的构成部分使用相同的标号。在图2中，与图8进行比较而追加了类型检出器26、代码串控制器27和代码串开关22。在实施例中，与现有例子不同之点是追加了代码串的控制系统，其他的构成相同。
从代码输入端子21进来的代码被提供给代码串开关22和类型检出器26。代码串开关22根据由代码串控制器27所提供的控制信号而以帧单位切换代码串。经过代码串缓冲器23所提供的图像间预测残留误差的代码串在可变长解码器24中恢复为固定长度的代码，所得到的8×8的系数在逆量化器18、逆DCT 17中成为重放图像间预测残留误差，在加法器16中与图像间预测信号相加，而成为重放图像。
这样得到的重放图像信号从图像输出端子25输出，同时，提供给图像存储器15。图像存储器15保持1帧的图像，提供给图像间预测器14。在图像间预测器14中制成图像间预测信号，经过开关13提供给加法器16。独立帧由开关13选择0值，而不进行任何加法运算。
另一方面，类型检出器26判断是主代码串还是副代码串，以及是独立帧(I和i)还是图像间预测帧(P和B)。根据该信息而在代码串控制器27中，以通常的定时，符合规定的代码串进入，在进行连续解码动作的情况下，当副代码串进来时，打开代码串开关22，而丢弃代码串。
在进行频道切换和随机存取、高速图像检索的情况下，在切换之后，进来的代码串被分断，通常连续信号可以出来。在此情况下，等待主或副代码串的独立帧进来，从该帧开始进行解码。
在频道切换和随机存取的情况下，在上述独立帧进来之后，符合规定的代码串连续进入，因此，接着成为上述那样的通常解码状态。
在高速图像检索的情况下，在独立帧解码之后，代码串被再次分断，因此，等待下一个独立帧进来。
在高速检索中，可以仅重放主代码串的独立帧(I)，或者仅重放副代码串的独立帧(i)，前者使运动的平滑度变差，但画质变得良好，而后者使分辨率降低，但成为运动平滑的检索图像。它们与现有例子的情况进行比较而表示在图5中。
下面说明运动图像解码装置的第二实施例。
下面参照附图来对与图1的运动图像编码装置相对应的第二实施例的运动图像解码装置进行说明。
图4表示其构成。与图3的相同的构成部分使用相同的标号。在图4中，与图3进行比较而追加了误码检出器41，其输出所供给的代码串控制器42的动作不同。第二实施例与第一实施例的不同之处是代码串的控制方法，其他构成相同。
类型检出器26判断代码串是主代码串还是副代码串，以及是独立帧(I和i)还是图像间预测帧(P和B)。
误码检出器41检出在传输路径中产生的误码，输出其是图像的哪部分的信息。根据这些信息，在代码串控制器42中，当没有误码时，打开代码串开关22而丢弃进来的副代码串。当在主代码串中具有误码，而副代码串存在的情况下，废弃误码存在的薄片的主代码串，选择副代码串来取代其。
由于主和副不是同时进来，代码串开关22需要其差分的缓冲器。在没有副代码串的帧中存在误码的情况下，首先进行通常的解码，在副代码串进来的时刻，进行该薄片的替换。在此情况下，当进行运动补偿时，就需要跟踪其在其他位置上进行替换。
以下说明运动图像编码记录媒体的实施例。
在图5中作为实施例的代码串构成表示了在本发明的记录媒体中所记录的代码串区域的模式的一个实施例。
在图5中，I是独立帧区域的主代码串区域，P是单方向预测帧区域的主代码串区域，B是双方向预测帧区域的主代码串区域，I表示副代码串区域。
图5表示了记录顺序，代码串的长度(代码量)在帧中是不同的。
本发明的记录媒体是能够记录进行运动图像的高效率编码处理的主代码串和副代码串的可以由重放装置读取的运动图像编码记录媒体，对于所输入的运动图像，由下列部分构成：主代码串区域，记录对于所输入的运动图像以帧或者字段单位来交替形成的图像内独立编码或者图像间预测编码；副代码串区域，记录在上述主编码装置中图像间预测编码进行的帧或字段中对预定帧或字段进行图像内独立编码而形成的上述副代码串，上述副代码串区域形成被插入到上述预定帧或字段的主代码串的邻接部中而复用的代码串区域。
当由重放装置重放本发明的记录媒体时，由于大量存在能够使用除主代码串区域的独立帧之外而频繁存在的副代码串区域来进行存取的帧，而能够改善反应速度等。在高速图像检索的情况下，得到平滑运动的检索图像。
在本发明中，即使降低主编码的独立帧频度，也能够通过副代码串来保持功能，因此，此情况下的总代码量相等或略少，而改善了编码效率。
在解码中，在频道切换和随机存取时，由于使用除主代码串的独立帧之外而频繁存在的副代码串，则能够存取的帧大量存在，而能够改善反应速度。在高速图像检索的情况下，得到平滑运动的检索图像。
通过周期性地进行图像内编码的图像间预测编码，来得到主代码串，对与之不同的一部分的帧进行图像内独立编码，把所得到的较少代码量的副代码串与主代码串进行复用，主编码装置与通常的编码装置相同，副编码与主编码的图像内编码相同，因此，解码装置除代码串的控制之外与通常的相同，则兼容性、装置化变得容易。

Claims (9)

1．一种进行运动图像的高效率编码的运动图像编码装置，其特征在于，包括：
主编码装置，对于所输入的运动图像，以帧或者字段为单位来交替进行图像内独立编码或者图像间预测编码，输出所得到的主代码串；
副编码装置，在上述主编码装置执行的图像间预测编码的帧或字段中，对预定帧或字段进行图像内独立编码，输出所得到的副代码串；
代码串复用装置，在上述预定帧或字段的主代码串的邻接部中插入上述预定帧或字段的副代码串，来得到所复用的代码串。
2．根据权利要求1所述的运动图像编码装置，其特征在于，
上述主编码装置的运动图像编码装置用帧或字段单位交替进行单方向图像间预测和双方向图像间预测两者的图像间预测；
由上述副编码装置得到副代码串的预定帧或字段是用上述主编码装置进行单方向预测的帧或字段。
3．根据权利要求1所述的运动图像编码装置，其特征在于，
上述副编码装置的编码方法与上述主编码装置的图像内独立编码方法相同，仅编码参数不同。
4．一种进行运动图像的高效率解码的运动图像解码装置，其特征在于，包括：
类型检出装置，从代码串的首部检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)，输出代码串的类型信息；
代码串控制装置，根据上述代码串的类型信息，在不进行连续图像的解码时，所输入的任一个代码串引导到解码处理，在进行连续图像的解码时，放弃副代码串，仅对主代码串进行解码；
解码装置，对由上述代码串控制装置所提供的代码串，进行图像内解码或图像间预测解码，输出所得到的重放图像。
5．一种进行运动图像的高效率解码的运动图像解码装置，其特征在于，包括：
类型检出装置，从代码串的首部检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)，输出代码串的类型信息；
误码检出装置，检出所输入的代码串的传输误码存在的部分，输出错误信息；
代码串控制装置，根据上述类型信息和错误信息，在副代码串存在的帧中，误码产生的部分，把主代码串替换为副代码串；
解码装置，对由上述代码串控制装置所提供的代码串，进行图像内解码或图像间预测解码，输出所得到的重放图像。
6．一种进行运动图像的高效率编码的运动图像编码方法，其特征在于，包括：
主编码步骤，对于所输入的运动图像，以帧或者字段为单位来交替进行图像内独立编码或者图像间预测编码，输出所得到的主代码串；
副编码步骤，在上述主编码步骤中图像间预测编码进行的帧或字段中，对预定帧或字段进行图像内独立编码，输出所得到的副代码串；
代码串复用步骤，在上述预定帧或字段的主代码串的邻接部中插入上述预定帧或字段的副代码串，来得到所复用的代码串。
7．一种进行运动图像的高效率解码的运动图像解码方法，其特征在于，包括：
类型检出步骤，从代码串的首部检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)，输出代码串的类型信息；
代码串控制步骤，根据上述代码串的类型信息，在不进行连续图像的解码时，所输入的任一个代码串引导到解码处理，在进行连续图像的解码时，放弃副代码串，仅对主代码串进行解码；
解码步骤，对由上述代码串控制步骤所提供的代码串，进行图像内解码或图像间预测解码，输出所得到的重放图像。
8．一种进行运动图像的高效率解码的运动图像解码方法，其特征在于，包括：
类型检出步骤，从代码串的首部检出所输入的代码串的类型(主代码串/副代码串)，输出代码串的类型信息；
误码检出步骤，检出所输入的代码串的传输误码存在的部分，输出错误信息；
代码串控制步骤，根据上述类型信息和错误信息，在副代码串存在的帧中，误码产生的部分，把主代码串替换为副代码串；
解码步骤，对由上述代码串控制步骤所提供的代码串，进行图像内解码或图像间预测解码，输出所得到的重放图像。
9．一种运动图像编码记录媒体，能够用记录进行了运动图像的高效率编码处理的主代码串和副代码串的重放装置读取，其特征在于，包括：
主代码串区域，记录对于所输入的运动图像以帧或者字段单位来交替形成的图像内独立编码或者图像间预测编码；
副代码串区域，记录在上述主编码装置中图像间预测编码进行的帧或字段中对预定帧或字段进行图像内独立编码而形成的上述副代码串，
上述副代码串区域形成被插入到上述预定帧或字段的主代码串的邻接部中而复用的代码串区域。
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