CN1419378A

CN1419378A - 数字视频信号的压缩方法及装置

Info

Publication number: CN1419378A
Application number: CN 01133457
Authority: CN
Inventors: 陈贺新; 王世刚; 赵岩
Original assignee: 陈贺新
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2003-05-21

Abstract

本发明涉及一种数字视频信号的压缩方法及装置，尤其涉及一种彩色数字视频信号的压缩方法及装置。具体步骤为：数据提取步骤、矩阵分割步骤、矩阵变换步骤和矢量量化步骤。具体装置为：数据提取装置、矩阵分割装置、矩阵变换装置、矢量量化装置。本发明全面考虑了彩色视频的冗余信息，并考虑了时间、空间和色调的相关性及整体性，从而在保证信号质量的前提下提高了数字彩色视频信号的压缩比。

Description

数字视频信号的压缩方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种数字视频信号的压缩方法及装置，尤其涉及一种彩色数字视频信号的压缩方法及装置。

背景技术：

视频信号按其表示形式可分为模拟视频和数字视频。目前，对数字视频信号的压缩方法存在一些标准和非标准的方法。下面分别介绍三种广泛使用的视频信号压缩标准。

1.H.261标准

国际电报电话咨询委员会于1990年12月提出了H216压缩标准。按此标准组成编/解码器。编码器包括帧间差分编码、帧内正交变换编码和变长编码等。帧间差分编码采用了运动补尝帧间预测方式，它消除了随时间变化的冗余信息；正交变换编码后，可去除帧内空间变化冗余信息。经上述两项措施，可实现压缩编码，大大压缩数据量。最后将变字长编码输出的数据送入缓存器中，在输出时钟的作用下送出等字长的编码数据。为防止缓冲器溢出，利用缓冲器输出一个信号对量化器进行控制，如发现缓冲器快要溢出，则送出一信号使它进入粗量化，这样，量化器输出的数据量减小，使缓冲器不致溢出。反之，缓冲器送出一控制信号，使量化器进行细量化，致使输出数据量增加。从而实现了自适应量化的目的。

2.MPEG-1标准

1992年，运动图像专家组正式提出了该标准，用于以大约1.5Mbit/s的比特率对数字存储媒体(光盘，硬盘等)的活动图像及其伴音的编码。该标准包括系统，视频和伴音三个部分。其中数字视频是标准的核心。MPEG-1标准视频压缩编码主要通过两项基本技术：一是基于16×16块运动补偿，此技术适用于预测编码和插补编码，它可以减少帧序列时间冗余度；二是基于离散余弦变换的压缩技术，可以减少空间冗余度。在MPEG-1标准中，变换域不仅用于帧内压缩，而且对帧间预测误差再作变换域变换，以达到进一步压缩数据的目的。MPEG-1标准的各种软件或硬件实现，加速了多媒体终端的发展，延伸和完善了通信网络。

3.MPEG-2标准

MPEG-2标准主要用于对符合CCIR601广播质量的数字电视和高清晰度电视的压缩编码。该标准对MPEG-1标准进行了兼容性扩展，以适应在不同比特率和分辨率下的应用。MPEG-2支持三种色度信号的亚取样方式，即4∶2∶0，4∶2∶2，和4∶4∶4。其运动补偿模式可以是16×8和D-P模式，16×8运动补偿模式只用于场图像，每个宏块中采用两个运动矢量，各对应顶场和底场中的一个16×8的区域。如果是双向预测，则需要四个运动矢量。MPEG-2提供空间和时间上的分辨率可调整编码，适应隔行扫描的预测方法和块扫描方式。

由于目前的国际标准以及其它非标准压缩方法都将视频信号按“场”、“帧”单独处理，对运动图像而言，还需要增加“运动补偿”等各种时空整合技术。所有编码技术都没有将彩色图像的“色调”的冗余信息考虑到编码过程中，因此，在彩色视频信号的压缩过程中，图像的“高质量”与“高压缩”的矛盾不能很好的解决。

技术内容：

本发明的目的在于提供一种视频信号的压缩方法及装置，在保证视频信号质量的前提下，极大地提高视频的压缩比。

本发明是通过如下步骤来完成对数字视频信号压缩的：

数据提取步骤：提取数字彩色视频信号的连续几个帧，每帧为红、绿、兰三个单色帧图像以四维超立方体形数据排列成四维矩阵并存储；

四维矩阵分割步骤：对上述的四维矩阵划分为四维子矩阵；

四维矩阵变换步骤：对四维子矩阵进行四维矩阵离散余弦变换，计算出四维系数矩阵；

矢量量化步骤：对四维系数矩阵进行矢量量化。

本发明所提供的数字彩色视频信号压缩装置，它由以下装置组成：

数据提取装置：用于提取数字彩色视频信号的连续几个帧，每帧为红、绿、兰三个单色帧图像信号，以四维超立方体形数据排列成四维矩阵并存储；

四维矩阵分割装置：用于对上述的四维矩阵划分为四维子矩阵；

四维矩阵变换装置：对四维子矩阵进行四维矩阵离散余弦变换，计算出四维系数矩阵；

矢量量化装置：用于对四维系数矩阵进行矢量量化。

本发明全面考虑了彩色视频信号的冗余信息，并考虑了时间、空间和色调的相关及整体性，从而在保证信号质量的前提下提高数字视频信号的压缩比。

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明：

图1、本发明所指的数字视频信号压缩方法的流程图；

图2、本发明所指的数字视频信号压缩装置的方框图；

具体实施方式：

本发明的核心内容是在数字视频压缩方法和装置中引入了四维矩阵及其算法的定义，以及四维矩阵离散余弦变换；数据提取及矢量量化为现有技术。

四维矩阵基本定义：

由I×J×K×L个实数a_ijkl(1≤i≤I，1≤j≤J，1≤k≤K，1≤l≤L)构成的I个行，J个列，K个纵序和L个深度的超立方体形数据排列，称为I×J×K×L阶四维矩阵，记为：

A_{I \times J \times K \times L} = [a_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L} =

  其中a_ijkl称为四维矩阵A_I×J×K×L的元素

四维子矩阵定义

对任何一个四维矩阵A_I×J×K×L都可以用一些横线，竖线，纵线和深线分成尺寸小的四维矩阵，这样的小四维矩阵称为四维矩阵A_I×J×K×L的四维子矩阵A_U×V×W×S其中U＜I；V＜J；W＜K；S＜L。

四维矩阵的运算准则

四维矩阵的相等，相加，相乘及变换等准则如下：

相等：

指两个同阶的四维矩阵

A_{I \times J \times K \times L} = [a_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L}

和

B_{I \times J \times K \times L} = [b_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L}

有：a_ijkl＝b_ijkl(1≤i≤I，1≤j≤J，1≤k≤K，1≤l≤L)

加法：

指两个同阶的四维矩阵

A_{I \times J \times K \times L} = [a_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L}

和

B_{I \times J \times K \times L} = [b_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L}

相加：

A_{I \times J \times K \times L} + B_{I \times J \times K \times L} = [a_{ijkl} + b_{ijkl}]_{I \times J \times K \times L}

(1≤i≤I，1≤j≤J，1≤k≤K，1≤l≤L)乘法：指两个四维矩阵

A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} = [a_{ijkl}]_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}}

和

B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}} = [b_{ijkl}]_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}}

行列乘：(I类乘法)

(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})_{I} = [C_{ijkl}]_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3} \times L_{3}}

其中K₃＝K₂＝K₁L₃＝L₂＝L₁，J₁＝I₂，I₃＝I₁，J₃＝J₂并且

c_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{j} a_{iekl} \cdot b_{ejkl}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，..J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).行纵乘(II类乘法)：

(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})_{II} = [C_{ijkl}]_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3} \times L_{3}}

其中J₃＝J₂＝J₁，L₃＝L₂＝L₁，K₁＝I₂，I₃＝I₁，K₃＝K₂并且

c_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{k} a_{ijel} \cdot b_{ejkl}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，....J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).行高乘(III类乘法)：

(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})_{III} = [C_{ijkl}]_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3} {\times L}_{3}}

其中J₃＝J₂＝J_l，K₃＝K₂＝K₁，L₁＝I₂，I₃＝I₁，L₃＝L₂并且

C_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{l} a_{ijke} \cdot b_{ejkl}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，....J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).列纵乘(IV类乘法)：

{(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})}_{IV} = {[C_{ijkl}]}_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3} \times L_{3}}

其中I₃＝I₂＝I₁，L₃＝L₂＝L₁，K₁＝J₂，J₃＝J₁，K₃＝K₂并且

C_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{k} a_{ijel} \cdot b_{iekl}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，....J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).列高乘(V类乘法)：

(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})_{V} = [C_{ijkl}]_{I_{3} \times J_{3} \times L_{3}}

其中I₃＝I₂＝I₁，K₃＝K₂＝K₁，L₁＝J₂，J₃＝J₁，L₃＝L₂并且

c_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{l} a_{ijke} \cdot b_{iekl}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，....J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).纵高乘(VI类乘法)：

(A_{I_{1} \times J_{1} {\times K}_{1} \times L_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2} \times L_{2}})_{VI} = [C_{ijkl}]_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3} \times L_{3}}

其中I₃＝I₂＝I₁，J₃＝J₂＝J₁，L₁＝K₂，K₃＝K₁，L₃＝L₂ 并且

c_{ijkl} = Σ_{e = 1}^{l} a_{ijke} \cdot b_{ijel}

(i＝1，2，.....I₃；j＝1，2，....J₃，k＝1，2，...，K₃，l＝1，2，...，L₃).四维矩阵离散余弦变换(4D-WDCT)定义：设

L＝1时，i＝u，j＝v

L＝2时，i＝u，j＝w

L＝3时，i＝u，j＝s

L＝4时，i＝v，j＝w

L＝5时，i＝v，j＝s

L＝6时，i＝w，j＝s

四维矩阵离散余弦变换公式为：

B＝(C₆(C₅(C₄(C₃(C₂(C₁A₁ ^T)_IC₂ ^T)_IIC₃ ^T)_IIIC₄ ^T)_IVC₅ ^T)_VC₆ ^T)_VI

四维矩阵离散余弦逆变换公式为：

A＝(C₆(C₅(C₄(C₃(C₂(C₁BC¹ ^T)_IC₂ ^T)_IIC₃ ^T)_IIIC₄ ^T)_IVC₅ ^T)_VC₆ ^T)_VI

其中“T“表示转置，B为4×4×3×3的变换系数子矩阵，A为输入视频四维矩阵中4×4×3×3的子矩阵。

在H.261和MPEG标准中，综合考虑计算的复杂性和图像的块效应，图像被划分成8×8的子块，进行离散余弦变换。为了与其兼容及利用现有的技术，并充分考虑到方块效应及计算复杂度，本发明采用4×4×3×3的子矩阵分割方法。

具体实施步骤为：

数据提取步骤：对每幅图像大小为M×N的数字彩色视频信号的连续3个帧，每帧为红、绿、兰三个单色帧，以四维超立方体形数据排列成M×N×3×3的四维矩阵并存储。其“四维”分别为单帧灰度图像的行、列、彩色图像的RGB三帧、以及视频沿时间方向的连续3个帧；

四维矩阵分割步骤：对上述的四维矩阵划分为4×4×3×3的四维子矩阵；

四维矩阵变换步骤：对4×4×3×3的四维子矩阵利用上述的四维矩阵离散余弦变换公式进行变换，计算出四维系数子矩阵；

矢量量化步骤：对M×N/16个四维系数子矩阵进行矢量量化。

具体装置为：

数据提取装置：用于提取数字彩色视频信号的连续几个帧，每帧为红、绿、蓝三个单色帧图像信号，以四维超立方体形数据排列成四维矩阵并存储；

四维矩阵分割装置：用于对上述的四维矩阵划分为四维子矩阵，采用4×4×3×3的四维子矩阵分割方法，即分割后的四维子矩阵为4行、4列、3纵序和3深度，分割先按行后按列进行；

四维矩阵变换装置：利用上述公式对四维子矩阵进行四维矩阵离散余弦变换，计算出四维系数矩阵；

矢量量化装置：用于对四维系数矩阵进行矢量量化。

Claims

1.数字视频信号压缩方法，其特征在于它由以下步骤组成：

数据提取步骤：提取数字彩色视频信号的连续几个帧，每帧为红、绿、蓝三个单色帧图像信号，以四维超立方体形数据排列成四维矩阵并存储；

四维矩阵分割步骤：对上述的四维矩阵划分为四维子矩阵；

矢量量化步骤：对四维系数矩阵进行矢量量化。

2.根据权利要求1所述的数字视频信号压缩方法，其特征在于四维矩阵分割步骤时采用4×4×3×3的四维子矩阵分割方法，即分割后的四维子矩阵为4行、4列、3纵序和3深度，分割先按行后按列进行。

3.根据权利要求1或2所述的视频信号压缩方法，其特征在于四维矩阵变换步骤所采用的四维矩阵离散余弦变换公式为：

B＝(C₆(C₅(C₄(C₃(C₂(C₁AC₁ ^T)_IC₂ ^T)_IIC₃ ^T)_IIIC₄ ^T)_IVC₅ ^T)_VC₆ ^T)_VI其中，

L＝1时，i＝u，j＝v

L＝2时，i＝u，j＝w

L＝3时，i＝u，j＝s

L＝4时，i＝v，j＝w

L＝5时，i＝v，j＝s

L＝6时，i＝w，j＝s

4.数字视频信号压缩装置，其特征在于它由以下装置组成：

矢量量化装置：用于对四维系数矩阵进行矢量量化。

5.根据权利要求4所述的数字视频信号压缩装置，其特征在于四维矩阵分割装置采用4×4×3×3的四维子矩阵分割方法，即分割后的四维子矩阵为4行、4列、3纵序和3深度，分割先按行后按列进行。

6.根据权利要求4或5所述的视频信号压缩装置，其特征在于四维矩阵变换装置所采用的四维矩阵离散余弦变换公式为：B＝(C₆(C₅(C₄(C₃(C₂(C₁AC₁ ^T)_IC₂ ^T)_IIC₃ ^T)_IIIC₄ ^T)_IVC₅ ^T)_VC₆ ^T)_VI其中，

L＝1时，i＝u，j＝v

L＝2时，i＝u，j＝w

L＝3时，i＝u，j＝s

L＝4时，i＝v，j＝w

L＝5时，i＝v，j＝s

L＝6时，i＝w，j＝s