CN1431828A - 在图像和视频的编码/解码中的变换系数的最佳扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于编码/解码图像信号的最佳扫描方法。在一种通过离散余弦变换编码图像信号的方法中，在多个参考块中至少一个被选择。产生一个扫描顺序，其中进行扫描参考块的要编码的块，并且以所产生的扫描顺序扫描要编码的块。所述至少一个被选择的参考块与要编码的块在时间或空间上邻近。当扫描要编码的块的时候，从所述至少一个所选择的参考块获得发生非零系数的概率，并且从最高的概率开始以降序确定扫描顺序。在此，如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。最佳的扫描方法提高了信号压缩效率。

Description

在图像和视频的编码/解码中的 变换系数的最佳扫描方法
技术领域
本发明涉及一种编码/解码图像信号的方法，具体而言，涉及一种用于在图像和视频的编码/解码中的变换系数的最佳扫描方法。
背景技术
图像信号，如图像或视频，被通过离散余弦变换(以下称为“DCT”)按照运动图像专家组阶段1(MPEG-1)、MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263或JPEG压缩或编码。而且，被压缩或编码的图像信号被通过逆离散余弦变换(以下称为“IDCT”)来解码。当试图提高编码/解码效率的时候，选择一个最佳的扫描方法是关键。
美国专利第5,500,678号描述的扫描模式提高了编码效率，并被选择为MPEG-4内部编码的扫描模式。`678的扫描模式使用了之字形扫描模式和预定义的扫描模式。
之字形扫描模式和预定义的扫描模式在编码所有的图像信号上不是有效的。而且，由于关于所选择的扫描模式的信息应当与图像信号被编码并被提供到解码器，因此发送到解码器的比特数提高。并且，`678的扫描模式是预定义的，因此在选择对于各种解码块的最佳扫描模式中存在限制。
在美国专利第6,263,026号中描述的扫描模式存在降低编码效率的问题，因为如果存在太多的扫描模式则一个选择的数据字变得太长。而且，在`026中使用的预定义的有限扫描模式不是在所有的图像或数据中都有效的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于各种编码/解码块的最佳扫描方法以提高图像信号的压缩效率。
因此，为了实现本发明的目的，提供了一种通过离散余弦变换编码图像信号的方法。在多个参考块中选择至少一个。产生其中进行扫描参考块的要编码的块的扫描顺序，并且以所产生的扫描顺序来扫描要编码的块。
所述至少一个所选择的参考块与要编码的块在时间或空间上邻近。当扫描要编码的块的时候，从所述至少一个所选择的参考块获得发生非零系数的概率，并且从最高的概率开始以降序确定扫描顺序。
如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。
而且，在通过离散余弦变换编码图像信号的方法中，从多个参考块中的至少一个获得发生非零系数的概率。其中扫描要编码的块的扫描顺序被从最高的概率开始以降序确定，并且以扫描顺序的顺序扫描块。
所述至少一个所选择的参考块与要编码的块在时间或空间上邻近。如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。最好扫描顺序是一个单一的扫描顺序或一个双扫描顺序。
为了实现上述目的，本发明提供了一种通过逆离散余弦变换解码图像信号的方法。在多个参考块中至少一个被选择。从参考块产生其中扫描参考块的要解码的块的扫描顺序，并且以所产生的扫描顺序来扫描块。
所述至少一个所选择的参考块与要解码的块在时间或空间上邻近。当扫描块的时候，从所述至少一个参考块获得发生非零系数的概率。从最高的概率开始以降序产生扫描顺序。如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。
而且，在通过逆离散余弦变换解码图像信号的方法中，从自多个参考块中选择的至少一个获得发生非零系数的概率。从最高的概率开始以降序确定其中扫描要解码的块的扫描顺序，并且以扫描顺序扫描块。
所述至少一个参考块与要解码的块在时间或空间上邻近。如果概率相同，则扫描顺序被确定为一个之字形的扫描顺序。最好扫描顺序是一个单一的扫描顺序或一个双扫描顺序。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是一般DCT编码系统的方框图；
图2是一般之字形的扫描顺序的图示；
图3是一般的垂直扫描顺序的图示；
图4是一般水平扫描顺序的图示；
图5是图1所示的DCT系统量化的输出信号的示例；
图6是按照本发明的最佳扫描方法的流程图；
图7是参考块的第一示例的图示；
图8是参考块的第二示例的图示；
图9到11是参考块的第三示例的图示；
图12到14是参考块的第四示例的图示；
图15是在图6的步骤600中实现的块的图示；
图16是在图6的步骤610中实现的块的图示；
图17是在图6的步骤620和630中实现的块的图示；
图18和图19是在一种H.26L视频编码器中使用的扫描模式的图示；
图20和21是按照本发明的用于将单一扫描模式的扫描顺序变换为双扫描模式的扫描顺序的方案的图示；
图22到24是按照本发明的用于将单一扫描模式的扫描顺序变换为双扫描模式的扫描顺序的一个实施例的图示；
图25是示出由按照本发明和一个Foreman序列的扫描模式产生的扫描宽度的和的图示；
图26是示出由按照本发明和一个Coast Guard序列的扫描模式产生的扫描宽度的和的图示；
图27是示出由按照本发明和一个Hall序列的扫描模式产生的扫描宽度的和的图示。
具体实施方式
必须参见用于图解本发明的一个优选实施例的附图和在附图上所写的内容以便获得本发明及其操作的优点以及通过本发明的操作实现的目的的充分理解。
以下，将通过参见附图来说明本发明的优选实施例来详细说明本发明。在附图中的相同的附图标记表示同样的组成。
图1示出了一般DCT编码系统的方框图。参见图1，DCT编码系统(或一个编码器100)包括一个运动估算器10、一个减法器20、一个DCT编码器30、一个量化器40、一个可变长度编码器50、一个比率控制器60、一个逆量化器70、一个逆DCT(IDCT)75、一个加法器80、一个帧存储器或重建缓冲器85和一个运动补偿器90。
可变长度编码器(以下称为“VLC”)50包括一个扫描模式选择器51和一个平均信息量编码器53。在MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263或JPEG中使用的视频编码器是本领域内公知的，因此将简要说明。
运动估算器10响应于图像信号而产生一个运动向量，并向减法器20输出所述运动向量。减法器20输出在从运动估算器10和运动补偿器90向DCT编码器30输出的信号之间的差。
整个图像被划分成m×n个抽样块(在此m和n是自然数)，其中每个被依序输入到DCT编码器30。DCT编码器30将一个空间域的图像信号变换为一个频率域的被变换的系数。换句话说，DCT编码器30将m×n个抽样块变换为m×n个系数块。例如，整个图像可以被划分为4×4、8×8或16×16个抽样块。量化器40量化m×n个系数块。
逆量化器70逆量化从量化器40输出的信号，IDCT 75逆离散余弦变换从逆量化器70输出的信号。加法器80将从运动补偿器90和IDCT 75输出的信号相加。重建缓冲器85存储从加法器80输出的信号。因此，在重建缓冲器85中解码对应于原始图像信号的信号。
运动补偿器90补偿从重建缓冲器85输出的信号的运动。可变长度编码器50响应于从量化器40输出的信号而将一个短代码指配为高概率值(水平)，并将一个长代码指配为低概率值(水平)，以便减少一个数据流的总的比特数量。可变长度编码器50包括扫描模式选择器51和平均信息量编码器53。
所述扫描模式选择器51响应于从量化器40输出的信号而选择一个预定的扫描模式，因此将二维数据变换为一维数据。
平均信息量编码器53响应于从扫描模式选择器51输出的信号输出编码的数据，如压缩的比特流。平均信息量编码器53可以使用霍夫曼编码或其他编码。
比率控制器60响应于从平均信息量编码器53输出的信号而控制量化器40的量化步长。
本发明涉及所述扫描模式选择器51的操作，它选择对于多个编码的参考块的至少一个的最佳扫描模式以提高压缩效率。下面将参照图6详细说明扫描模式选择器51的操作。
下面参照图1说明其中对图像信号本身编码的内部帧(intra-frame)。一个图像信号，如静止图像或运动图像，被划分成具有预定大小的多个块，如m×n个抽样块，其中每个被DCT编码器30和量化器40二维量化。扫描模式选择器51将量化的数据变换为一维的数据，然后，平均信息量编码器53将所述一维数据变换为一个压缩的比特流。解码器通过在DCT编码系统100中进行反向编码而从所述比特流解码原图像信号。
下面，将参照图1说明一个中间帧(inter-frame)。一个中间帧使用前一个图像信号来编码当前的图像信号。DCT编码器30和量化器40二维量化在从运动估算器10和运动补偿器90输出的信号之间的差。扫描模式选择器51将量化的数据变换为一维的数据，然后平均信息量编码器53将所述一维数据变换为压缩的比特流。解码器通过在DCT编码系统100中进行反向编码而从所述比特流解码原图像信号。
图2示出了一般之字形扫描的顺序。图3示出了一般的垂直扫描的顺序，图4示出了一般水平扫描的顺序。图2-4的扫描模式是在MPEG-4中使用的扫描模式的示例。8×8抽样块如图2-4所示。
图5示出了图1所示的DCT编码系统100量化的输出信号的示例。参见图5，附图标记300表示8×8的量化系数块，附图标记301表示DC系数是5的量化的DC系数。附图标记302到304表示其中AC系数分别是-1、3和1的量化的AC系数。
在MPEG-4的情况下，图1的扫描模式选择器51利用图2-4所示的扫描模式来扫描块300，以提取关于多个码元“run、level和last”的信息。在此，“run”表示在按照图2-4所示的扫描模式扫描期间在前一个非零数据和当前的非零数据之间的零的数量，“level”表示当前的非零数据的水平(值)，“last”表示在当前非零数据之后是否存在数据零。
例如，在码元351“0、5和0”中，第一个“0”表示在之字形的扫描模式中在DC系数301之前的“0”的数量是0。第二个“5”表示当前的DC系数是5，第三个“0”表示在DC系数301后有一个不是“0”的数据。
而且，在码元354“5、1和1”中，第一个“5”表示在之字形的扫描模式中在AC系数304之前的“0”的数量是5。第二个“1”表示当前的AC系数是1，第三个“1”表示在AC系数304后没有非零的数据。参照图3和5可以轻易地理解垂直扫描模式，参照图4和5可以轻易地理解水平扫描模式。
VLC 356到359、367到370或378到381中的每个表示对于码元351-354、362-365和373-376的每个的对应于MPEG-4的平均信息量编码器的表的每个比特格式。换句话说，码元351“0、5和0”的比特模式是“011000”356，码元363“0，-1和0”的比特模式是“101”。
比特360、371和382的数量表示对应于码元351-354、362-365和373-376的所有比特的和。例如，之字形的扫描模式的4个码元包括24个比特，垂直扫描模式的4个码元包括19个比特，水平扫描模式的4个码元包括30个比特。每个码元具有一个不同的“run”，因此比特的数量取决于每个扫描模式。
图6是按照本发明的最佳扫描方法的流程图。参见图6，在步骤600，在时间或空间上邻近要编码的块的至少一个块(以下称为“编码块”)被选择作为参考块。所选择的参考块是在前编码和量化的块。
在步骤610，从每个参考块获得在每个系数位置发生非零系数的概率。在步骤620，发生非零系数的概率被从最高系数开始以降序排列。在步骤630，由之字形的扫描模式排列相同的概率。在步骤640，选择通过步骤620到630确定的扫描模式，并且通过所选择的扫描模式扫描编码块。
图7示出了参考块的第一示例。参见图7，邻近块750的块710-740被选择作为参考块以选择对于块750的扫描模式。参考块710-740可以被用于内部帧的视频编码。参考块710-740是在前编码的块。
图8示出了参考块的第二示例。参见图8，在邻近当前帧t的参考帧t-1中的块811、813、815、817和819被选择作为参考块以选择对于当前帧t的块(编码块)831的扫描模式。参考块811、813、815、817和819可以被用于中间帧的视频编码。参考帧t-1表示当前帧t的前一个帧。
图9-11示出了参考块的第三示例。图9的编码块扫描模式被参照所有的邻近块a、b、c和d而确定；图10的编码块扫描模式被按照所有的邻近块a、b和c确定，图11的编码块扫描模式被按照所有的邻近块a和b确定。块a、b、c和d中的每个是一个m×n的块，它是一个抽样块。
图12到14示出了参考块的第四示例。图12的编码块扫描模式被按照邻近块a、b、c和d中的最合适的一个而确定。图13的编码块扫描模式被按照邻近块a、b和c中的最合适的一个而确定。图14的编码块扫描模式被按照邻近块a和b中的最合适的一个而确定。块a、b、c和d中的每个是一个m×n的块。图7-14所示的示例仅仅要选择参考块。
图15示出了在图6的步骤600中实现的块。参见图15，参考块710-740是在前编码的块，它们在空间和时间上邻近编码块750。每个块710-740是8×8的块。
图16示出了在图6的步骤610中实现的。参见图15和16，一个8×8的块800包括64个子块。在每个子块中的数目表示与参考块相比的非零系数的概率。例如，如果参考块710-740的DC系数分别是5、3、3和4，则与参考块710-740相比的非零系数的概率是4/4。而且，如果参考块710-740的AC系数分别是4、2、0和4，则与参考块710-740相比的非零系数的概率是3/4。
图17示出了在图6的步骤620和630中实现的块。在图17中的每个数目表示在一个扫描顺序中的一个位置，它通过发生非零系数的概率的顺序而确定。如果概率相同，则根据之字形的扫描模式的顺序来确定扫描顺序。图17的扫描顺序不是预定义的，并且对应于在时间上和空间上邻近要编码的块的至少一个块而被确定。因此，按照本发明的编码块扫描模式对于当前的编码块是最合适和有效的。作为结果，提高了图像信号的压缩效率。
图18和19示出了在一种H.26L视频编码器中使用的扫描模式。图18示出了一个单一的扫描模式，它与传统的之字形的扫描模式相同，图19示出了一个双扫描模式。所述双扫描模式扫描两次而不重复。H.26L是由国际电信同盟标准部门(ITU-T)制定的标准。
图20和21示出了用于将单一扫描模式的扫描顺序变换为双扫描模式的扫描顺序的方案。图20示出了按照本发明的单一扫描模式的扫描顺序(a→b→c→d→，...，→n→o→p)，图21示出了按照本发明的双扫描模式的扫描顺序。参见图20和21，通过将单一扫描模式的扫描顺序划分成一个偶数的扫描序列(a→c→e→g→i→k→m→o)和一个奇数扫描序列(b→d→f→h→j→l→n→p)而获得双扫描模式的扫描顺序。
图22到24示出了按照本发明的用于将单一扫描模式的扫描顺序变换为双扫描模式的扫描顺序的一个实施例。图22示出了在一个或多个参考块中发生非零系数的概率，图23示出了由图23的概率确定的单一扫描模式的扫描顺序，图24示出了图23的单一扫描模式的扫描顺序被按照在图21中示出的方案变换成双扫描模式的扫描顺序。
图23的偶数扫描序列(0→2→4→6→8→10→12→14)被转换为图24中的扫描顺序( 0→ 1→ 2→ 3→ 4→ 5→ 6→ 7)，图23的奇数扫描序列(1→3→5→7→9→11→13→15)被变换为图24中的扫描顺序(0→1→2→3→4→5→6→7)。
图25是示出由于按照本发明和一个Foreman序列的扫描模式发生的游程长度之和的图示。图26是示出由于按照本发明和一个Coast Guard序列的扫描模式发生的游程长度之和的图示。图27是示出由于按照本发明和一个Hall序列的扫描模式发生的扫描宽度之和的图示。图25-27示出了通过将本发明的扫描模式和传统的之字形的扫描模式施加到100个内部帧而获得的扫描宽度的总长度。
参见图25到27，qp表示量化步长。随着qp提高，图像质量变差，数据减少。然而，随着qp减小，数据增加并且画面质量得到改善。
参见图25到27，可以看出与常规之字形扫描模式的游程长度相比，按照本发明的扫描模式的游程长度被减小。因此，本发明的扫描模式提高了视频压缩的效率。
而且，解码器可以产生与编码器产生的扫描模式相同的扫描模式。因此，解码器不需要任何另外的关于在编码器中使用的扫描模式的信息。
而且，按照本发明的用于编码的扫描模式可以使用所有的可能模式。按照本发明的用于解码的扫描模式也可以使用所有的可能扫描模式。因此，信号压缩效率比当使用传统的用于编码的扫描模式的时候得到提高。
如上所述，按照本发明的用于编码/解码的扫描方法可以使用最佳的扫描方法。因此，信号压缩效率提高。而且，按照本发明的用于编码/解码的扫描方法可以使用所有的组合的扫描模式。而且，按照本发明的用于编码的扫描模式减少了扫描宽度，于是减少了所产生的比特的数量。
虽然已经参照本发明的实施例具体示出和说明了本发明，本领域的技术人员会明白，在不脱离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种通过离散余弦变换编码图像信号的方法，包括：
(a)在多个参考块中选择至少一个；
(b)产生一个扫描顺序，其中进行扫描参考块的要编码的块，并且以所
   产生的扫描顺序扫描要编码的块。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在步骤(a)中，选择与要编码的块在时间或空间上邻近的至少一个参考块。
3.按照权利要求1的方法，其中步骤(b)包括：
(b1)从所述至少一个所选择的参考块获得发生非零系数的概率；和
(b2)从最高的概率开始以降序确定扫描顺序。
4.按照权利要求3的方法，其中在步骤(b2)中，如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。
5.按照权利要求3的方法，其中扫描顺序是一个双扫描顺序。
6.一种通过离散余弦变换编码图像信号的方法，包括：
从多个参考块中的至少一个获得发生非零系数的概率；和
从最高的概率开始以降序确定其中扫描要编码的块的扫描顺序，并且以扫描顺序的顺序扫描块。
7.按照权利要求6的方法，其中至少一个所选择的参考块与要编码的块在时间或空间上邻近。
8.按照权利要求6的方法，其中如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。
9.按照权利要求6的方法，其中扫描顺序是一个双扫描顺序。
10.按照权利要求6的方法，其中所述扫描顺序被划分成一个偶数的扫描顺序和一个奇数的扫描顺序，并且在不重叠所述偶数的扫描顺序和奇数的扫描顺序的情况下进行扫描。
11.一种通过逆离散余弦变换解码图像信号的方法，所述方法包括：
(a)在多个参考块中选择至少一个；和
(b)从参考块产生其中从参考块扫描要解码的块的扫描顺序，并且以所
   产生的扫描顺序来扫描块。
12.按照权利要求11的方法，其中至少一个所选择的参考块与要解码的块在时间或空间上邻近。
13.按照权利要求11的方法，其中步骤(b)包括：
(b1)从所述至少一个参考块获得发生非零系数的概率；和
(b2)从最高的概率开始以降序产生扫描顺序。
14.按照权利要求13的方法，其中在步骤(b1)中，如果概率相同，则扫描顺序被产生为一个之字形的扫描顺序。
15.按照权利要求13的方法，其中扫描顺序是一个双扫描顺序。
16.一种通过逆离散余弦变换解码图像信号的方法，包括：
从自多个参考块中选择的至少一个获得发生非零系数的概率；和
从最高的概率开始以降序确定其中扫描要解码的块的扫描顺序，并且以扫描顺序扫描块。
17.按照权利要求16的方法，其中至少一个参考块与要解码的块在时间或空间上邻近。
18.按照权利要求16的方法，其中如果概率相同，则扫描顺序被确定为一个之字形的扫描顺序。
19.按照权利要求16的方法，其中扫描顺序是一个双扫描顺序。
20.按照权利要求16的方法，其中所述扫描顺序被划分成一个偶数的扫描顺序和一个奇数的扫描顺序，并且在不重叠所述偶数的扫描顺序和奇数的扫描顺序的情况下进行扫描。
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