CN1496095A - 精细的可扩展性编码/解码设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精细的可扩展性编码/解码设备和方法。该设备包括：第一量化器，用于对运动补偿图像进行DCT，并对结果值进行量化；第二量化器，用于对由第一量化器获得的值进行重新量化；反量化器，用于对由第二量化器重新量化的值进行重新量化；第一减法器，用于获得在重新量化值的N倍的值和反量化值之间的差；第二减法器，用于获得在由第一量化器量化的值和由反量化器量化的值之间的差；以及第三减法器，用于从第二减法器的输出值中减去第一减法器的输出值。通过使增强层信号和基本层信号具有相同代码，可提高编码效率，并可减少整个编码流的位速率。

Description

精细的可扩展性编码/解码设备和方法
技术领域
本发明涉及一种精细的可扩展性(fine granularity scalability)编码/解码设备和方法，特别涉及一种能够通过使增强层信号和基本层信号具有相同符号来提高编码效率并减少整个编码流的位速率的精细的可扩展性编码/解码设备和方法。
背景技术
在图像编码和传输方面，设计了一种MPEG-4(运动图像专家组-4：Moving Pictures Expert Group-4)用于根据接收机终端的情况或性能来提供各种图像质量。
在现有技术中，如果接收端的终端的计算能力优良并且传送层(无线，ATM，LAN等)处于良好情况下，则可接收和显示具有高图像质量的运动图像。然而，如果接收机性能不良，或者通信线路不处于良好情况下，则不能接收该高质量运动图像。
为了应对这两种情况，设计了MPEG-4，用于进行可扩展图像编码。
可扩展图像编码是使编码器(即发送端)形成可扩展位流并将其发送，使得接收端可接收各种图像质量(即：从低质量到高质量)的图像。
如果传输位流是可扩展的，则可存在各种类型的接收机：低性能接收机可接收在基本层编码的基本图像质量的图像位流并将其显示，而高性能接收机可接收在增强层编码的高图像质量的图像位流并将其显示。
可扩展图像编码方法大致被划分成基本层和增强层。当从编码器的基本层发送基本质量的运动图像信息，并把提供增强图像质量的信息与基本质量运动图像一起从编码器的增强层发送到接收侧时，解码器接收从这两个层发送的对应信息，并对高质量图像信息进行解码。此时，接收侧根据终端和传送层的性能状态，选择性地对这两个层的所接收的图像信息进行解码。
也就是说，如果解码器不能够对通过传送层发送的各信息进行解码，则它仅对基本层，即最小图像质量补偿层的信息进行解码，并丢弃与剩余增强层对应的信息。
然而，高质量接收机可接收各层信息并实现高质量图像。也就是说，通过可扩展图像编码方法，可发送满足高质量解码器用户和低质量解码器用户的图像。
在上述可扩展图像编码方法中，只有当接收端完全接收来自增强层的所有位流时，它才可恢复对应图像帧。否则，不能正确恢复对应图像。这样，在请求重新发送之后接收所有位流之前，不能进行图像恢复，或者应通过使用前一帧的图像来进行传输误差隐蔽。
如上所述，如果由于传送层不稳定而不能实时发送计划的图像位流，则应通过仅使用在某一时刻前收到的部分图像位流来实时恢复所接收的图像。为此目的，MPEG-4提出了FGS(精细的可扩展性)编码方法并制定了国际标准。
FGS编码方法用于当进行可扩展编码时，在传送层不稳定的情况下，通过使用在某一时刻前收到的部分位流来恢复传输图像，从而弥补了仅考虑到稳定的传送层所实施的现有可扩展编码方法的缺点。
FGS编码方法使用一种当发送端的增强层根据从基本层发送的图像来实施和发送图像质量增强的图像位流时，依靠位平面单元来发送图像位流的方法。
FGS编码方法在以下方面类似于现有的可扩展编码方法，即：当发送端把增强层所需的位流发送到接收端时，它仅发送在原始图像和从基本层发送的图像之间的差，以提高所发送图像的图像质量。
FGS编码方法和现有的可扩展编码方法的主要区别在于，在FGS编码方法中，增强层把要发送到接收端的图像信息划分成位平面，发送具有优先级的最高有效位(MSB)，然后通过把较低重要位划分成位平面来连续发送这些较低重要位。
因此，在FGS编码方法中，即使接收端由于传送层带宽的突变而未接收图像恢复所需的每个位，它也能通过使用在某一时刻前收到的位流来把所接收的图像恢复到某种程度。
例如，假定发送图像信息25，25由二进制数‘11001’来表示，并由5个位平面组成。为了根据位平面来发送图像信息，首先，发送端向接收端通知所发送的信息由5个位平面组成。
之后，在把位从MSB发送到最低有效位(LSB)的情况下，当第一位的发送完成时，接收端可识别为所接收的信息是高于16的值(10000)，并且当第二位的发送完成时，接收端可识别为所接收的信息是高于24的值(11000)。
如果发送端由于传送层的带宽限制而不再能发送位流，则接收端可通过使用在某一时刻前收到的位流11000来恢复数值24。结果，所接收的信息24与发送端最初想要发送的信息25类似。
如上所述，在MPEG-4中使用的精细的可扩展性编码方法考虑了以下情况，即：传送层的带宽可随时快速的改变。
现在将参照图1，对基本精细的可扩展性编码器的构成进行说明。
图1是根据现有技术的不必在增强层中具有DCT(离散余弦变换)计算部的MPEG-4精细的可扩展性编码器的示意方框图。
如图1所示，常规的精细的可扩展性编码器包括由基本层和增强层组成的精细的可扩展性(FGS)层，并且根据在量化前的DCT系数和重建为反量化的信号之间的差值来形成增强层信号。
首先，对于基本层，照原样使用常规MPEG-4编码方法。
在用于基本层的图像编码方法中，在空间和时间方向，通过离散余弦变换(DCT)、量化、运动估计(ME)、运动补偿(MC)、反量化(Q-1)、反离散余弦变换(IDCT)等来进行图像数据压缩，并且通过可变长度编码(VLC)来进行根据编码生成概率占优势的熵编码。最后，把通过编码生成的基本层位流通过传输缓冲器发送到传送层。
如图所示，增强层的FGS增强编码，使用减法器对在原始图像和基本层中再生的图像之间的差进行计算，并且根据该差，对误差值分别进行位平面移动处理、最大值求出处理、位平面VLC处理。
该差是指在基本层内编码之后再生的图像，即：通过反量化器(Q-1)再生的图像，和进行DCT之后生成的原始图像之间的差。
此时，如果需要选择性地具有良好图像质量的块，则应首先发送具有优先级的对应值，并且在此情况下，可选择性进行位平面移动处理。在位平面移动处理中进行的由于需要具有良好图像质量的块而发送具有优先级的对应值的处理被定义为选择性增强。
之后，在最大值求出处理中，获得用于发送对应图像帧的最大位平面数。
然后，在位平面VLC处理中，把由位平面的块的单元获得的64个DCT系数(DCT系数的对应位平面的位是0或1)按照Z字形扫描顺序放入一个矩阵内，并且根据VLC表来对各矩阵进行游程长(run-length)编码。
在MPEG-4国际标准中使用的FGS编码器的解码器终端(即：接收端)具有图2所示的结构。
图2示出了与根据现有技术的FGS编码器对应的解码器。
如图所示，在基本层和增强层中，按照与编码器相反的顺序，分别对从传送层接收的传输位流进行解码。
在解码器的基本层中，MPEG-4图像解码方法与原样一样使用。
首先，当把位流输入到基本层时，该位流进行可变长度解码(VLD)、反量化和反离散余弦变换。然后，将反离散余弦变换值和运动补偿值相加，并把所获得的值剪裁到0～255的范围内，从而恢复基本层的原始图像。
同时，在FGS编码方法的增强层中，按照与编码器相反的顺序，对发送到增强层的位流进行解码。也就是说，首先，对所输入的增强位流进行位平面VLD。此时，如果选择性发送了具有良好图像质量的块，则选择性进行位平面移动处理。
在进行VLD并且选择性地对各位平面进行移动之后，在块单元中对所获得的值进行IDCT，从而恢复原始图像。
之后，把在增强层中恢复的图像附加给在基本层中解码的图像，然后在0～255范围内对所获得的值进行剪裁，从而最终恢复增强图像质量的图像。
如上所述，如果在MPEG-4 FGS编码的增强层中没有DCT计算，则根据量化误差来确定增强层信号。
然而，由于根据在量化前的信号和通过量化重建的值之间的差来计算量化误差，并从而来确定增强层信号的符号(正(+)或负(-))，而与基本层无关，因而应对与该符号对应的信息共同进行编码。
上述参考内容包含在本文中以供参考，其中，合适的内容适用于附加或替代详情、特点和/或技术背景的合适教导。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够通过使增强层信号和基本层信号具有相同符号以便不发送符号信息来提高编码效率并减少整个编码流的位速率的精细的可扩展性编码/解码设备和方法。
为了全部或部分地实现至少上述目的，提供了一种精细的可扩展性编码/解码设备，该设备包括：第一量化器，用于对运动补偿图像进行DCT，并对结果值进行量化；第二量化器，用于对由第一量化器获得的值进行重新量化；反量化器，用于对由第二量化器重新量化的值进行重新量化；第一减法器，用于获得在重新量化值的N倍的值和反量化值之间的差；第二减法器，用于获得在由第一量化器量化的值和由反量化器量化的值之间的差；第三减法器，用于从第二减法器的输出值中减去第一减法器的输出值；最大值计算单元，用于从第三减法器的输出值中搜索最大值；以及位平面可变长度编码单元，用于根据位平面，对所获得的最大值进行可变长度编码。
为了全部或部分地实现至少这些优点，还提供了一种精细的可扩展性编码/解码方法，该方法包括：第一量化步骤，对通过对运动补偿图像进行离散余弦变换所获得的值进行量化；重新量化步骤，对量化值进行重新量化；反量化步骤，对重新量化值进行反量化；第一减法步骤，获得在重新量化值的N倍的值和反量化值之间的差；第二量化步骤，获得在第一量化值和反量化值之间的差；以及第三量化步骤，从在第二减法步骤获得的输出值中减去在第一减法步骤获得的输出值。
在以下说明中将部分地提出本发明的附加优点、目的和特点，其中，部分内容对于本领域普通技术人员来说通过下面的检验将是显而易见的，也可以从本发明的实施中来领会。本发明的目的和优点可正如在所附权利要求中具体指出的那样来实现和获得。
附图说明
以下将参照附图，对本发明进行详细说明，在附图中，同类参考编号表示同类元件，在附图中：
图1是根据现有技术的FGS编码器的示意方框图；
图2是与根据现有技术的FGS编码器对应的解码器的示意方框图；
图3是根据本发明一个实施例的FGS编码器的方框图；
图4是根据本发明另一实施例的FGS编码器的方框图；以及
图5是与根据本发明优选实施例的FGS编码器对应的解码器的示意方框图。
具体实施方式
在本发明中，当在增强层中进行编码时，根据量化器的量化误差来确定增强层的输入信息(也就是说，输入信息是量化误差)，并且该误差是根据在重新量化前的信号和重新量化器的判定电平(level)之间的差而形成的。
相比之下，在常规方法中，与本发明中不同，增强层的输入信息不是前一信号和判定值之间的差，而是前一信号和重建电平之间的差。因此，在本发明中，在对增强层进行编码时，增强层信号的编码信息会减少。
现在将参照附图，对本发明的一优选实施例进行说明。
图3是根据本发明一个实施例的FGS编码器的方框图。
如图3所示，一种精细的可扩展性编码/解码设备包括：第一量化器300，用于对运动补偿的图像进行DCT，并对结果值进行量化；第二量化器301，用于对由第一量化器获得的值(x(k))进行重新量化(Q2 -1)；反量化器302，用于对由第二量化器301重新量化的值(y1(k))进行重新量化；第一减法器306，用于获得在重新量化值(y1(k))的N倍的值(Ny1(k))和反量化值
Figure A0315896800131
之间的差；第二减法器307，用于获得在由第一量化器300量化的值(x(k))和由反量化器量化的值之间的差；第三减法器308，用于从由第二减法器获得的输出值中减去第一减法器的输出值；最大值计算单元304，用于从第三减法器的输出值中搜索最大值；以及位平面可变长度编码单元305，用于根据位平面，对所获得的最大值进行可变长度编码。
现在将对从各减法器计算误差的处理进行详细说明。
误差计算处理以外的其他处理与常规技术相同，因而省略对其说明。
首先，第一减法器306获得在由第二量化器301重新量化的值(y1(k))的N倍的值(Ny1(k))和由反量化器302反量化的值
Figure A0315896800141
之间的差。然后，第二减法器307获得在基本层进行编码后再生的图像(即：在通过反量化器(Q2 -1)之后再生的图像)和已通过第一量化器300的原始图像之间的差。
之后，第三减法器308获得在第一减法器306和第二减法器307中计算的两个输出值之间的差值。
最大值计算单元304根据该差值求出用于发送图像中的对应图像帧的最大位平面数，并且位平面可变长度编码单元305根据位平面，对所计算的最大值进行可变长度编码。
基本层的编码处理与常规技术相同，因而省略对其说明。
如上所述，为了在对增强层进行编码时不对编码信息进行编码，精细的可扩展性(FGS)编码器根据在重新量化前的信号和重新量化器的判定电平之间的差来计算量化误差，从而使增强层信号的符号和基本层信号的符号相同，以提高编码效率。
图4是根据本发明另一实施例的FGS编码器的方框图。
该编码器包括：第一量化器400(Q1)，用于对DCT计算值进行量化；第二量化器401(Q2)，用于对由第一量化器400量化的值(x(k))进行重新量化；反量化器402(Q2 -1)，用于对由第二量化器401重新量化的值(y1(k))进行反量化；重新反量化器403(Q1 -1)，用于对由反量化器402反量化的值
Figure A0315896800142
进行重新反量化；减法器406，用于获得在由第一量化器400量化的值(x(k))和由第二量化器401量化的值(y1(k))的N倍的值(Ny1(k))之间的差；最大值计算单元404，用于根据从减法器406输出的值来求出最大值；以及位平面可变长度编码单元405，用于根据位平面，对所计算的最大值进行可变长度编码。
在图3和图4中，定义了两个连续量化器(Q1和Q2)，并且增强层的信号由第二量化器(Q2)根据误差来确定。
量化误差是根据在重新量化前的信号和重新量化器的判定电平之间的差形成的，而不是根据在量化前的信号和反量化后的重建值之间的差形成的。
因此，如果增强层信号的符号和基本层信号的符号相同，则图3和图4的增强层信号将由数学方程式(1)～(6)验证为相同：
Figure A0315896800151
Figure A0315896800152
Figure A0315896800153
x ^ ( k ) = sgn ( y 1 ( k ) ) | x ^ ( k ) | , - - - ( 4 )
y 2 ( k ) = x ( k ) - x ^ ( k ) + Δ ( k ) , 0 ≤ k ≤ 63 - - - ( 5 )
Δ ( k ) = x ^ ( k ) - N y 1 ( k ) - - - ( 6 )
之后，最大值计算单元44根据从减法器输出的值获得用于发送对应图像帧的最大位平面数，并且，位平面可变长度编码单元45根据位平面，对所计算的最大值进行可变长度编码处理。
基本层的编码处理与常规技术相同，因而省略对其说明。
因此，根据本发明另一实施例的编码器在通过使增强层信号的符号和基本层信号的符号相同来提高编码效率方面，具有与图3的编码器相同的功能。
然而，与图3的编码器不同，图4的编码器通过减少减法器的数量而具有更简单的结构，根据该结构，减少了实施的复杂性。此外，由于减少了电路或部件的存储单元数，因而可缩短各单元中的计算时间。
图5是与根据本发明优选实施例的FGS编码器对应的解码器的示意方框图。
图5的解码器按照与图3和图4的编码器相反的顺序，对从增强层接收的位流进行解码。
如图所示，该解码器包括：位平面可变长度解码(VLD)单元502，用于根据位平面，对所输入的增强层位流进行可变长度解码；加法/减法单元510，用于对在各位平面的可变长度解码值和基本层中再生的图像之间的差值进行加法/减法运算；反量化器503(Q1 -1)，用于对加法/减法运算值进行反量化；反离散余弦变换单元504，用于通过使用块单元(8×8单元)对反量化值进行反离散余弦变换(IDCT)来恢复从增强层发送的图像；以及剪裁单元505，用于通过在0～255范围内对反离散余弦变换图像值进行剪裁来恢复增强图像。
加法/减法单元510包括：第五减法器506，用于获得在通过对基本层位流进行可变长度解码所获得的值(y1(k))的N倍的值(Ny1(k))和由用于对可变长度解码值(y1(k))进行反量化的反量化器500获得的值之间的差值(Δk)；第六减法器507，用于获得在由第五减法器506获得的值(Δ(k))和位平面可变长度解码值(y2(k))之间的差值；以及第七减法器508，用于获得在由第六减法器507获得的值和由反量化器500反量化的值
Figure A0315896800172
之间的差值。
在上述实施例中，采用单元构成对操作作了说明，但是也可采用该方法进行相同处理。并且，基本层的解码器的构成和操作与常规技术相同，因而省略对其说明。
基本上，如图2所示，在MPEG-4 FGS解码器中，使增强层的信号和基本层的信号在空间区域内相加，而不是在离散余弦变换区域内相加，因而会由于剪裁而在编码器和解码器之间存在不一致性。为了解决该问题，在本发明的解码器中，使增强层的信号和基本层的信号在DCT区域内相加。
在本发明的编码器中，除了当基本层的信号值为0以外，增强层信号的符号与基本层信号的符号相同，因而不发送增强层信号的符号信息。然而，在此方面，由于当基本层的信号值是0时没有要参照的符号信息，因而把1位的符号信息以插入方式附加给增强层的信号的对应的码字。
解码器对基本层信号进行解码，然后对增强层信号进行解码。此时，增强层信号的符号信息被解码成与基本层信号的符号相同。当基本层信号值是0时，根据增强层信号的对应码字之后的1位符号信息来获得准确符号，然后对该准确符号进行解码。
当在编码器内生成增强层信号时，根据判定电平的差，而不是重建值而形成量化误差，从而在使基本层信号和增强层信号在解码器内相加之前，对重建值和判定电平(值)之间的差值进行校正。
截止如上所述，本发明的精细的可扩展性编码/解码设备和方法具有以下优点。
也就是说，例如，由于增强层符号和基本层符号生成为相同符号，因而无需发送符号信息。这样，可提高编码效率，并可减少整个编码流的位速率。
此外，在有线/无线网络中的运动图像流的FGS编码方法中，获得比常规MPEG-4 FGS编码方法更有效的性能。并且，通过使用具有分层结构的编码方法，可提高运动图像信息的防误差传输效率。
上述实施例和优点仅是示范性的，并不应被认作是对本发明的限制。本发明的教导可容易适用于其他类型的设备。本发明的说明旨在说明，而不是对权利要求的范围进行限制。许多替代、修改和变动将对本领域技术人员是显而易见的。在权利要求中，装置加功能条款用于涵盖本文中说明的用于执行所述功能的结构，以及结构等效物和等效结构。

Claims (15)

1.一种精细的可扩展性编码设备，该设备包括：
第一量化器，用于对运动补偿图像进行DCT，并对结果值进行量化；
第二量化器，用于对由第一量化器获得的值进行重新量化；
反量化器，用于对由第二量化器重新量化的值进行重新量化；
第一减法器，用于获得在重新量化值的N倍的值和反量化值之间的差；
第二减法器，用于获得在由第一量化器量化的值和由反量化器量化的值之间的差；以及
第三减法器，用于从第二减法器的输出值中减去第一减法器的输出值。
2.根据权利要求1所述的设备，该设备进一步包括：
位平面移动单元，用于在需要具有良好图像质量的块的情况下进行位平面的移动。
3.根据权利要求1所述的设备，该设备进一步包括：
最大值计算单元，用于从第三减法器的输出值中搜索最大值；以及
位平面可变长度编码单元，用于根据位平面，对所获得的最大值进行可变长度编码。
4.一种精细的可扩展性编码设备，其中，根据在量化前的信号和量化器的判定电平之间的差来计算量化误差，以便在对增强层进行编码时，不对符号信息进行编码。
5.一种精细的可扩展性编码设备，该设备包括：
第一量化器，用于对运动补偿图像进行DCT，并对结果值进行量化；
第二量化器，用于对由第一量化器获得的值进行重新量化；
反量化器，用于对由第二量化器重新量化的值进行重新量化；
重新反量化器，用于对由反量化器反量化的值进行重新反量化；以及
减法器，用于获得在由第一量化器量化的值和由第二量化器量化的值的N倍的值之间的差；
6.根据权利要求5所述的设备，该设备进一步包括：
位平面移动单元，用于在需要具有良好图像质量的块的情况下进行位平面移动。
7.根据权利要求5所述的设备，该设备进一步包括：
最大值计算单元，用于从第三减法器的输出值中搜索最大值；以及
位平面可变长度编码单元，用于根据位平面，对所获得的最大值进行可变长度编码。
8.一种精细的可扩展性解码设备，该设备包括：
位平面可变长度解码(VLD)单元，用于根据位平面，对所输入的增强层位流进行可变长度解码；
加法/减法单元，用于对在每个位平面的可变长度解码值和基本层中再生的图像之间的差值进行加/减运算；
反量化器，用于对加/减运算的值进行反量化；
反离散余弦变换单元，用于通过使用块单元对反量化值进行反离散余弦变换(IDCT)来恢复从增强层发送的图像；以及
剪裁单元，用于通过在0～255范围内对反离散余弦变换图像值进行剪裁来恢复增强的图像。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述加法/减法单元包括：
第五减法器，用于获得在通过对基本层位流进行可变长度解码所获得的值的N倍的值和通过对可变长度解码值进行反量化所获得的值之间的差值(Δk)；
第六减法器，用于获得在由第五减法器获得的值和位平面可变长度解码值之间的差值；以及
第七减法器，用于获得在由第六减法器获得的值和由反量化器反量化的值之间的差值。
10.一种精细的可扩展性编码方法，该方法包括：
第一量化步骤，对通过对运动补偿图像进行离散余弦变换所获得的值进行量化；
重新量化步骤，对量化的值进行重新量化；
反量化步骤，对重新量化的值进行反量化；
第一减法步骤，获得在重新量化值的N倍的值和反量化值之间的差；
第二量化步骤，获得在第一量化的值和反量化的值之间的差；以及
第三量化步骤，从在第一减法步骤获得的输出值中减去在第二减法步骤获得的输出值。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法进一步包括：
从在第三减法步骤获得的输出值中求出最大值的步骤；以及
根据位平面，对所计算的最大值进行可变长度编码的步骤。
12.一种精细的可扩展性编码方法，该方法包括下列步骤：
对通过对运动补偿图像进行离散余弦变换所获得的值进行第一量化；
对量化值进行重新量化；
对重新量化的值进行反量化；
对反量化的值进行反量化；
获得在第一量化值和重新量化值的N倍的值之间的差。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法进一步包括：
从在第三减法步骤获得的输出值中求出最大值；以及
根据位平面，对所计算的最大值进行可变长度编码。
14.一种精细的可扩展性解码方法，该方法包括下列步骤：
根据位平面，对所输入的增强层位流进行可变长度解码；
对在每个位平面的可变长度解码值和基本层中再生的图像之间的差值进行加/减运算；
对加/减运算的值进行反量化；
通过使用块单元对反量化的值进行反离散余弦变换(IDCT)来恢复从增强层发送的图像；以及
通过在0～255范围内对反离散余弦变换的图像值进行剪裁来恢复增强的图像。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述加法/减法步骤包括：
第一步骤，获得在通过对基本层位流进行可变长度解码所获得的值的N倍的值和通过对可变长度解码值进行反量化所获得的值之间的差值；
第二步骤，获得在由第一步骤获得的值和位平面可变长度解码值之间的差值；以及
第三步骤，获得在第二步骤获得的值和反量化值之间的差值。
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