CN1319381C

CN1319381C - 一种用于压缩图像数据的方法及其装置

Info

Publication number: CN1319381C
Application number: CNB2004100452823A
Authority: CN
Inventors: 权成根
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: EP1484925A3; EP1484925A2; US20040247189A1; KR20040104831A; KR100584422B1; CN1574964A

Abstract

公开一种用于压缩图像数据的装置及方法。该装置及方法包括：块划分部分，用于把图像数据的每一帧划分为多个块；块确定部分，用于确定所划分的块的类型；以及压缩部分，用于根据已划分块的类型进行压缩。该块类型包括运动块、静态块和避免了帧间错误累积的更新块。

Description

一种用于压缩图像数据的方法及其装置

技术领域

本发明涉及图像数据的压缩。本发明特别涉及能高效地压缩图像数据的方法及装置。

背景技术

运动联合图像专家组(M-JPEG)是一种用于运动图像压缩的工业标准，是基于联合图像专家组(JPEG)格式的，这种格式用于压缩静态图像。M-JPEG广泛用于数字视频编辑中，并支持可变的压缩系数，也就是说，它能够自由地建立起压缩系数。在M-JPEG中，压缩包括运动图像的每一帧，再生成JPEG格式。

因为M-JPEG仅应用空间压缩方法来压缩图像数据，那么很容易访问到帧，因而可高效地执行数字视频编辑。支持实时压缩的M-JPEG硬件在市场上已经公开。因为M-JPEG压缩目标图像数据而与当前帧和前一帧的关系无关，和运动图像专家组(MPEG)不同，所以即使执行压缩后，也可很自由地编辑每一帧。另外，因为M-JPEG不使用帧间信息，所以不向下一帧传递传输错误。同时，在M-JPEG中，因为每一帧被单独地传输，所以依据网络应用，可以应用可变的带宽。另外，提供优于MPEG的图像质量。

尽管应用高性能中央处理单元(CPU)的软件方法近来已经产生，但是应用硬件芯片的压缩方法的缺点在于，当芯片和驱动器彼此不同时，对于即使相同的M-JPEG方法也不可能兼容应用。因为M-JPEG不应用帧间信息，所以M-JPEG比MPEG具有较低的压缩系数，因此需要更大的带宽。另外，M-JPEG比MPEG更难实施语音同步，需要更高性能的CPU。

图1是框图，示出了传统的M-JPGE编码器。

参考图1，M-JPEG 100包括离散余弦变换(以下称为“DCT”)部分101，量化部分102，和熵编码器103。该DCT部分101处理输入图像，每个输入图像被划分成包括8*8像素的块。也就是说，通过使用相对于每个块的作为基函数的余弦信号，将在相临近像素之中通常具有非常高的相关性的图像信号转换为彼此之间无相关性的频率范围。因此，代表低频率分量的DCT系数具有大的值，而代表高频率分量的DCT系数具有非常小的值。

根据每一频率，通过划分使用量化系数通过DCT部分101获得的DCT系数，量化部分102减少大量有效位。因此，具有相对小值的高频系数通过量化变成接近0。

考虑到这些生成概率，熵编码器103从经过量化步骤的DCT频率系数值中创建带有“0”和“1”位串。也就是说，熵编码器103编码分量，其中通过DCT和量化空间重复被消除。

图2是框图，示出了传统的视频编码器，即，MPGE编码器。与M-JPEG比较，MPEG具有非常高的压缩系数，即非常低的比特率。但是，MPEG编码器具有的缺点在于，因为包括用于执行解码步骤的运动估计和补偿部分205及反DCT部分204，花费了过多压缩时间。同时，另一个缺点在于，因为应用帧间代码来消除帧中的时间重复，造成错误累积。

本领域的技术人员应理解DCT 201、量化块202和熵编码器203在操作上与DCT 101、量化块102和熵编码器103相似。从而在此不作描述。

发明内容

因此，本发明解决了上述提及的现有技术中的问题，本发明的一个目的是提供一种压缩装置及压缩方法，其能够防止错误累积，同时减少图像数据尺寸，并增加压缩系数。

为了实现这个目的，依照本发明的一个方面，提供一种用于压缩图像数据的装置。该装置包括块划分部分，用于把图像数据的每一帧划分成多个块；块确定部分，用于根据该划分块的位于更新列内或不位于更新列内以及块之间的能量差确定已划分的块的类型；及压缩部分，用于根据已划分块的类型执行压缩。

依照本发明的另一方面，提供一种用于压缩图像数据的方法。该方法包括把已接收图像数据的每一帧划分为多个块；根据该划分块的位于更新列内或不位于更新列内以及块之间的能量差确定已划分块的类型；当确定当前块为更新块时，压缩当前块的值；当确定当前块为运动块时，压缩当前块的值；以及当确定当前块是静态块时，压缩块之间的差。

附图说明

结合相应附图，从以下的详细描述中，本发明的以上和其它目的，特征和优点将变得更清楚，其中：

图1是框图，示出了传统的运动联合图像专家组(M-JPEG)编码器；

图2是框图，示出了传统的视频编码器；

图3是一视图，示出了根据本发明实施例的在图像数据的帧中建立的更新列；

图4是框图，示出了根据本发明实施例的压缩编码器；

图5是流程图用于说明根据本发明实施例的压缩过程；

图6A至图6E是视图和图表，示出了根据图5中所示流程的已压缩的图像数据结果；

图7A至图7E是视图和图表，示出了根据图5中所示流程的已压缩的图像数据结果；及

图8A至图8E是视图和图表，示出了根据图5中所示流程的已压缩的图像数据结果。

在这些附图中，即使在不同的附图中描述，相同或相似的部件通过相同的参考数字标识。

具体实施方式

参考相应的附图将描述根据本发明实施例的用于压缩图像数据的装置和方法。虽然大量具体的特征，如块的类型、参考值、更新列的位置、块的尺寸等等以例子给出，但是提出这些仅是提供本发明的更好的理解。同时，对于本领域技术人员应该清楚，在没有具体的示范性的特征条件下，也可实施本发明。在以下本发明的实施例的描述中，出于简练的目的，将省略在此包含的结构和已知的功能的详细描述。

关于本发明的实施例，“运动块”指一种块，其中，在当前块和前一帧中的相应的块之间的能量差比预定的参考值大。也就是说，运动块具有从前一块中的图像改变。此外，“静态块”，正与运动块相反，是指在当前块和前一帧中的相应的块之间的能量差比预定的参考值小。静态块代表一种块，其中，当前块和前一帧中的相应的块之间的差被确定为最小。

另外，“更新块”指的是存在于更新列中的一种块，其中，该更新列用于防止错误累积。总的来说，运动图像编码器包括一解码器。也就是说，在实际的编码中，为了减少将要传输的信息量，在获得当前帧与前一帧之间的差后，执行编码。

为了简化硬件结构，本发明省略以上提及的解码过程、计算编码的当前帧和原始运动图像中的前一帧之间的差。在解码器中可能累积错误，解码器没有原始运动图像的前一帧的信息。因此，为了防止这个问题，本发明的实施例包括内编码过程，其相对于位于更新列内的更新块，不应用帧之间的差。也就是说，在本发明的实施例中，为了防止在静态块中引起的错误的累积，每个静态块用将被编码的当前块与原始运动图像的前一帧中的相应块之间计算的差进行编码，对每一帧周期性地建立更新列，并相对于位于更新列内的块执行内编码，而不考虑在更新列中的各自的块是运动块还是静态块。图3是图表，示出了根据本发明实施例的在图像数据帧内建立的更新列。根据本发明的实施例，将每帧的预确定的更新列的位置输入压缩编码器。更新列的水平和垂直尺寸分别优选为16和“V”像素，其中“V”代表图像的垂直尺寸。

图4是一框图，示出了根据本发明实施例的压缩编码器。

参照图4，根据本发明的压缩编码器包括：块划分部分410，块确定部分420，和压缩部分430。块划分部分410把接收的图像数据的每个帧划分成块，每个块优选具有8*8像素的尺寸。

块确定部分420包括：第一块确定部分421，块计算部分422和第二块确定部分423。第一块确定部分421确定各自划分的块是否位于更新列内。如果划分的块位于更新列内，那么确定该划分的块是更新块。反之，如果划分的块不位于更新列内，那么确定该划分的块为运动块或静态块。另外，对于任何确定为更新块的当前块，在未计算当前块和前一帧中的相应块之间的差的条件下，块确定部分420仅向压缩部分430传输更新块的值。

相反，当第一块确定部分421确定一种块是运动块或静态块时，块计算部分422通过方程式1计算块和前一帧中的相应块的差，然后向第二块确定部分423传输这个差。

方程式1

Σ_{i = 0}^{B - 1} Σ_{j = 0}^{B - 1} {(f_{n} (i, j) - f_{n - 1} (i, j))}^{2}

其中，f_n(i，j)代表在第n帧内的位置(i，j)的像素值，而f_n-1(i，j)代表在第(n-1)帧内的位置(i，j)的像素值。

第二块确定部分423比较块之间的差，这些块是以预定的参考值从块计算部分422中接收的。如果块之间的差大于预定的参考值，则第二块确定部分423确定当前块为运动块，并向压缩部分430仅传输当前块的值。同时，如果当前块和前一帧中的相应块之间的差等于或者小于预定的值，则第二块确定部分423确定当前块为静态块，并向压缩部分430传输块之间的差。

压缩部分430包括：离散余弦变换(以下称为DCT)部分431，量化部分432，和熵编码器433。压缩部分430编码块的值或编码当前块与前一帧中的相应块之间的差，其根据更新块的特征输入压缩部分，运动块和静态块是通过块确定部分420来确定的。将每个块编码为更新块或运动块，而在当前块和前一帧中的相应块之间的差分量将相对于被定义为静态块的每个块编码。

图5是一流程图，示出了根据本发明实施例的压缩过程。以下将参照图4详细描述本发明的实施例。

参照图5，当接收图像数据的帧时，在步骤501上控制器检测该图像数据帧，在步骤502上，控制该块划分部分410把帧划分为预定尺寸的块。为了示出的目的，假定每个块的预定尺寸为8*8像素。则第一块确定部分421确定划分的当前块是否位于更新列内。如果当前块位于更新列内，在步骤503上，第一块确定部分421检测当前块，并在步骤504上，在未计算当前块和前一块之间的差的情况下，向压缩部分430传输当前块的值。

相反，在步骤503上，如果当前块不位于更新列内，那么第一块确定部分421检测当前块，并确定当前块为运动块或静态块。然后，块计算部分422计算当前块和前一块之间的差，并然后向第二块确定部分423传输计算出的差。第二块确定部分423以预定的参考值比较块之间的差。在步骤505上，如果该差大于预定的参考值，那么第二块确定部分423确定当前块是运动块，并在步骤506上仅传输当前块的值。相反，在步骤505上，如果差小于预定的参考值，那么第二块确定部分423确定当前块为静态块，并在步骤507上，仅传输块之间的差。

通过步骤504、505和506的传输块依次经过步骤508、509和510。在步骤508上，通过DCT部分431提供的DCT函数，该块从空间区域转换为频率范围。在步骤509上，将通过DCT获得的64 DCT系数除以由通过量化部分432获得的量化系数值，从而减少大量有效位。在步骤510上，通过熵编码器433，根据这些概率分配，以包括“0”和“1”的位形式来编码量化的DCT系数。

如果通过步骤510编码的块不是帧中的最后一块，那么控制器在步骤511上检测这一块，并返回步骤503。相反，如果通过步骤510编码的块是帧中的最后一块，那么控制器在步骤511上检测这一块，并然后确定当前帧是否是最后帧。如果当前帧不是最后帧，在步骤512上，控制器检测这一帧，并返回步骤501。相反，如果当前帧是最后帧，在步骤512上，控制器检测这一帧，并结束压缩过程。

图6A至6E，7A至7E和8A至8E是视图和图表，用于示出根据图5中所示流程的已压缩图像数据的结果。

图6A示出了原始图像，图6B示出了经过传统M-JPEG的图像。图6C示出了根据本发明实施例的经过了压缩方法的图像，以及图6D示出了代表图6B和图6C中所示的图像的位传输率的图表。如上述附图所示，应该理解根据本发明实施例的图像比经过传统M-JPEG的图像具有较低的比特率。图6E示出了代表图6B和6C中所示图像的图像质量的曲线图。在图6E中，峰峰信噪比(PSNR)是用于代表图像的图像质量的判据。方程式2用于计算PSNR。

方程式2

PSNR = 101 og \frac{255^{2}}{\frac{1}{HV} Σ_{i = 0}^{H - 1} Σ_{j = 0}^{V - 1} {| I_{n} (i, j) {- \hat{I}}_{n} (i, j) |}^{2}}

其中，I_n(i，j)代表原始图像的像素值，I_n-1(i，j)代表再生图像的像素值，H代表图像的水平尺寸，而V代表图像的垂直尺寸。

参照图7A至7E和8A至8E，与图6A至图6E相似，应该理解根据本发明实施例的图像具有比经过传统的具有大约同一图像质量的M-JPEG图像具有较低的比特率。

如上所述，根据定义的块类型，本发明的实施例使用了不同的压缩方法，因此减少了输入编码器的数据量以增加压缩系数，并防止错误累积。从而，其优点在于位传输率低、以及计算量小和硬件结构简化。

虽然参照具体实施例来描述和示出了本发明，本领域的技术人员应该理解为，在未背离本发明的精神和由附加的权利要书所限定的本发明的范围的条件下，其中可做出各种形式上和细节上的改变。

Claims

1.一种用于压缩图像数据的装置，该装置包括：

块划分部分，用于把图像数据的每一帧划分为多个块；

块确定部分，用于根据该划分块的位于更新列内或不位于更新列内以及块之间的能量差确定已划分块的类型；以及

压缩部分，用于根据已划分块的类型来执行压缩。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该块划分部分将每一帧分为8像素^*8像素为一块。

3.如权利要求1所述的装置，其中，该块确定部分包括：第一块确定部分，用于确定块是否是位于更新列内的用于防止错误累积的更新块；块计算部分，用于当块不位于更新列内时，计算在两帧中相应块之间的能量差；以及第二块确定部分，用于通过使用块之间的能量差，确定块是运动块还是静态块。

4.如权利要求3所述的装置，其中，在图像数据帧内预先确定更新列的位置。

5.如权利要求3所述的装置，其中，当块不位于更新列内时，该第一块确定部分确定所述块是运动块还是静态块。

6.如权利要求1所述的装置，其中，当通过块确定部分确定当前块是更新块时，该压缩部分压缩当前块的值。

7.如权利要求1所述的装置，其中，当通过块确定部分确定当前块是运动块时，该压缩部分压缩当前块的值。

8.如权利要求1所述的装置，其中，当通过块确定部分确定当前块是静态块时，该压缩部分压缩两帧中相应块之间的差。

9.如权利要求1所述的装置，其中，该压缩部分包括：离散余弦变换(DCT)部分，用于向块提供64 DCT函数以把块从空间区域转换为频率范围；量化部分，用于将通过DCT获得的64 DCT系数的值除以量化系数，从而减少大量有效位；以及熵编码器，用于根据量化的DCT系数的概率分布，将量化的DCT系数编码为“0”和“1”。

10.一种用于压缩图像数据的方法，该方法包括以下步骤：

将所接收的图像数据的每一帧划分为多个块；

根据该划分块的位于更新列内或不位于更新列内以及块之间的能量差确定所划分的块的类型；

当确定当前块是更新块时，压缩当前块的值；

当确定当前块是运动块时，压缩当前块的值；以及

当确定当前块是静态块时，压缩两帧中的相应块之间的差。

11.如权利要求10所述的方法，其中，确定所划分的块类型的步骤包括以下步骤：

确定所划分的块是否位于更新列内；

当所划分的块位于更新列内时，确定所划分的块为更新块；以及

当所划分的块不位于更新列内时，确定所划分的块是运动块或静态块。

12.如权利要求11所述的方法，其中，确定所划分的块是运动块或静态块的步骤包括以下步骤：

计算块之间的差；

确定块之间的差是否大于预定的参考值；

当块之间的差大于预定的参考值时，确定所划分的块是运动块；以及

当块之间的差小于预定的参考值时，确定所划分的块是静态块。

13.如权利要求12所述的方法，其中，块之间的差代表当前帧的块和前一帧内的相应块之间的能量差。