CN1554196A - 视频编码方法及计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

为了编码预测误差矩阵的谱系数，建议根据预先被编码的电平值k而采用特定匹配的上下文集。另外还建议明确地编码不同于0的电平值的数量，并根据不同于0的谱系数的数量来选择合适的上下文集。

Description

视频编码方法及计算机程序产品

本发明涉及视频编码方法及计算机程序产品。

预测视频编码方法从已被传输的图像区中估测出当前的图像信息，并计算出一个偏离于它的预测误差。从已传输的图像区中求出当前图像信息通常是通过以下方式来进行的，即把当前的输入图像划分成块，并针对每个这种块在以前的图像中找出一个使误差尺度或间距尺度最小化的相应块。从当前的输入图像中减去这种被构建的图块，并通过离散的余弦变换或整形变换把如此计算出的预测误差从空域变换到频域。接着对被变换过的预测误差数据进行量化，并借助上下文适配的二进制算术编码(CABAC＝Context Adaptive Binary ArithmeticCoder)压缩由此得出的系数，然后发送给接收机。

为进行所述的算术编码，包含在预测误差矩阵中的系数通过系数采样而被线性化，并转换成一个“电平和零序列长度”序列。在此，所述的电平值和长度值被表示为一元的，并彼此无关地逐比特地编码。电平的正负符号被分开地编码。为了编码该电平值，分别给前两个比特采用一个特定的上下文，以及给后面所有的比特采用另一个特定的上下文。在此，上下文被理解成逻辑0和1的频度分布。因此，该上下文给出了一个比特被设置或未被设置的概率。为了编码所述的长度值，给第一比特采用一个特定的上下文，为接下来的所有比特采用另一个特定的上下文。为了编码所述用单个比特表示的正负符号，还采用一个独有的上下文。被采用的六个特定的上下文一同构成一个上下文集。

从该现有技术出发，本发明所基于的任务在于进一步改善所述上下文适配的二进制算术编码。

根据本发明，该任务利用具有以下方法步骤的方法来解决：

-提供一个预测误差矩阵；

-通过系数采样把所述的预测误差矩阵转换成一个符号序列；

-基于符号频度对所述的符号执行上下文适配的算术编码，所述符号频度的分布根据已被编码的符号被选出。

本发明是基于以下认识，即：在依次连续的符号之间存在统计的依赖性，因为大的系数值绝大多数出现在系数采样的开始。可以按如下方式利用符号之间的统计依赖性，即：按照预先被传输的符号，把符号频度的特定分布作为上下文适配的算术编码的基础。与现有技术相反，选择为编码所采用的符号频度分布不单单是根据符号序列内要编码的符号位置来进行的，而是还根据预先具体地分别传输的符号来进行。

在一种优选实施方案中，所述预测误差矩阵通过系数采样被转换成一个电平和零序列长度的序列，并根据预先被传输的电平值来编码电平值，以及根据预先被编码的长度值来编码长度值。

需指出的是，此处的电平值应被理解为电平的数值。因为长度不可能采取负值，所以在下文有时把长度值简称为长度。

由于电平值和长度值相互之间的统计依赖性是非常突出的，所以在该优选方式中能非常有效地编码。

在另一个优选实施方案中，所述的电平根据大小被分类，并由此放大了电平值之间的统计依赖性。

最后规定，确定和编码所述系数的数量。该优选方式允许还根据系数的数量来选择用于编码符号的频度分布。

本发明的其它细节由从属权利要求给出。

下面借助附图来详细讲述本发明的实施例。其中：

图1示出了一个编码器的框图；

图2示出了一个表示对预测误差矩阵的系数进行编码的框图；

图3示出了一个表示预测误差矩阵的采样过程的图形；

图4示出了电平值的全局频度分布；

图5示出了依赖于以前电平值的电平值频度分布；

图6示出了为编码电平值所采用的上下文集的图示；以及

图7示出了为编码所述的长度而采用的上下文集的图示。

图1绘出了一个编码器1，其根据运动补偿的混合编码原理进行工作。编码器1具有一个输入端2，经过其将视频数据输入给该编码器1。布置在该输入端2之后的运动估测单元3把视频数据流的当前需要被编码的图像分段成矩形的宏块。针对每个这种宏块，运动估测单元3从已被传输的图像中找出合适的宏块，并计算其运动矢量。然后该运动矢量可以借助编码单元4被编码，并通过复用器5被嵌入到在输出端6所输出的比特流中。由运动估测单元3计算出的宏块的运动矢量也被通知给运动补偿器7，该运动补偿器根据存储在图像存储器8中的已被传输的图像计算出通过偏移已被传输的图像的宏块而产生的预测图像。该预测图像在减法器9中从原来的图像中被减去，以便产生一个预报误差，该预报误差被输入给后接有量化器11的离散余弦变换器10。该预报误差也被称为预测误差或纹理。经变换和量化的预报误差被传送给另一个上下文相关的编码单元12，该编码单元借助上下文适配的二进制算术编码把预测误差矩阵变换成一个比特流，该比特流被馈入复用器5并被嵌入到在输出端6上输出的比特流中。

通过在离散余弦变换器10中的处理，具有例如8×8个像点的宏块被变换成具有8×8个谱系数的预测误差矩阵。在此，第一个系数包含有所述宏决的平均亮度。该第一个系数因此也被称为直流成分。其余的谱系数以递增的指数表示了亮度分布的高频成分，由此其被称为交流成分。

通过接下来的量化器11进一步降低了数据速率。因为在平面图像元素的情况下，从像点到像点之间的预报误差变化只是缓慢的，所以在量化器11的处理之后大多数高频谱系数等于0，因而根本就不必被传输。

量化器11另外还考虑心理视觉效应。因为人脑对低频图像成分(也即平面延伸的图像成分)比对高频图像成分(也即细节)的感觉要明显得多，因此高频的谱系数比低频的谱系数要更粗略地被量化。

为了跟踪存储在图像存储器8内的已被传输的图像，把所述的谱系数输入到一个逆向量化器13和一个逆向离散余弦变换器14中，并把如此重构的预测误差数据在加法器15中加到由运动补偿器7所产生的预测图像上。如此产生的图像对应于在解码中所产生的图像。该图像被存放到图像存储器8中，并被运动估测单元3用作计算以后图像的运动矢量的基础。

接下来借助图2-7来讲述上下文相关的编码单元12的功能。

图2所示的上下文相关的编码单元具有一个采样装置16，通过该装置把被变换的预测误差矩阵中的谱系数转换成一个“电平和零长度”序列。这种表示也被称作Run/Level表示。通过采样装置16例如把谱系数序列20-1001000000转换成序列(0/2)(1/-1)(2/1)(0/0)。在此，斜线前的数字分别给出了在斜线后所给出的电平之前的0的数量。斜线之前的数字被称为长度。在最后的数字对中在斜线之后所给出的0表征了以下情况，即该数字序列的其余部分全部由0构成。因此最后的数字对也可以被视为用于表征块传输结束的说明(EOB＝块结束)。

由采样装置16所产生的电平及长度序列被输送到变换器17，由该变换器把二进制表示转换成一元的(单值的)表示。在此，由实施例给出的数字对分别按照电平、零序列长度以及电平正负符号这种顺序被编码。于是在当前的情况下，数字对(0/2)被变换成一元的序列110/0/0，数字对(1/-1)被变换成序列10/10/1。

一元的数字序列最后被输送到算术编码器18，由该编码器执行原本的上下文适配的算术编码。为了执行这种上下文适配的算术编码，该算术编码器19分别需要一个在变换器17所提供的一元数据流中出现1或0的频度。该概率以及由此还有1和0的频度分布从分析器19被提供给该算术编码器18，从采样装置16给所述的分析器19施加所述的电平和长度序列，由此确定出现逻辑0和1的当前概率分布。

在此处所讲述的编码单元12中，以特别的方式考虑位于所述电平和长度之间的统计依赖性。该统计依赖性是基于以下情况，即大的电平值大多出现在采样过程的开始。相反，大的长度值朝采样过程的末尾更为频繁。因为在图3中，被变换的预测误差矩阵20是利用之字形样式21进行采样的，通过该样式首先读出低频的谱系数，然后读出高频的谱系数，所以，主要是在采样过程的开始处、也即在电平和长度序列的开始处出现大的电平值。

在图4中给出了一个图形，其中由分布曲线22给出了依赖于电平值k的频度分布P(k)。一般地，小电平值的概率大于大电平值的。因此，分布曲线22从电平值k＝0时的最大值出发单调地下降。

图5包含有另一个图形，其中绘出了分布曲线23，该曲线给出了在电平值k＝k_x之后出现电平值k的概率的频度分布P(k｜k＝k_x)。该分布曲线23在值k＜k_x时具有一个最大值。这意味着，在出现电平值k＝k_x之后极可能出现更小的电平值。这相当于以下事实，即电平值朝采样过程的末尾下降。

依据电平值相互之间的统计依赖性，有意义的是，还根据预先被编码的电平值来选择算术编码器18内的上下文适配的算术编码所基于的0和1的频度。

当电平值根据大小进行分类时，这种统计依赖性还可能被放大。根据大小对电平值进行分类和分开地传输分类信息的合适的分类方法对本领域技术人员来说是公知的，这不属于本发明的主题。另外也针对这方面的应用考虑将来的分类方法。

通过对电平分类，图5所示的阴影曲线部分24在一定程度上被分段。由此进一步放大了电平值的统计依赖性。

所述的统计依赖性不仅涉及电平值，还涉及所述的长度。如上所述，大的长度值尤其出现在朝采样过程的末尾的方向。因此有意义的还有，根据预先被编码的长度值来选择算术编码器18内的算术编码所基于的0和1的频度分布。

在图6和7中用图表示出了被用于电平值和长度值编码的上下文集。

在图6中尤其示出了被分类的电平值的编码所基于的上下文集。在该情形下，对于单独编码的比特位的数字而选择n＝2，以及对于单独编码的电平值的数字而选择m＝4。如上所述，根据预先编码的电平k的值来执行电平值1的编码。

需要指出的是，在被分类的电平值的一元表示的情况下，如果1＝＝k，则可以取消为了1的一元表示而采用的最后的0，因为用于1的最大值等于k。

对于第一个min(n，k)，分别采用一个自己的上下文。对于所有接下来可能的比特，直到1的一元表示的最大长度，采用一个总上下文。在图5中，这是用于第三和接下来比特的总上下文。在试验中，2被证明是n的合适的值。正负符号利用单个比特表示，并采用一个特定的正负符号上下文来对该正负符号进行编码。于是，在最后被编码的电平具有值k的前提下，用于编码值为1的电平的上下文集包括有min(k+1，min(n，k)+2)个上下文，并在下面被称为LevelContextSet(k)。

在编码从被变换的预测误差矩阵读出来的第一个电平时，可以不动用预先被编码的电平，这样必须单独地编码第一个被读出的电平值。采取最大可能的电平值的上下文作为第一个需要编码的电平值的上下文，这可能取决于所述的变换和接下来的量化。

另外，为替代用于k＞m的不同上下文，可以采用k＝m用的上下文作为总上下文。因此，为了根据以前的电平值k对电平值1进行编码，根据图6采用以下的上下文集：LevelContextSet(min(m，k))。在试验中，m＝4被证明是有利的值。

但原则上也存在以下可能性，即动态地制订参数n和m，并在报头中传输为此所选择的值。

根据预先编码的长度p来执行程度r的编码。p＝0适用于第一个长度。如同对所述的电平值，对开始的n比特也分别采用自己的上下文。对所有接下来的比特采用一个共同的上下文。在实验中，n＝3被证明是有利的。在最后被编码的长度具有值p的前提下，用于编码长度r的上下文集在下面被称为RunContextSet(p)。按照p对长度r进行编码采用下面的上下文集：RunContextSet(min(m，p))。在实验中，m＝5被证明是有利的值。

原则上同样存在以下可能性，即在此动态地制定参数m，并借助合适的信息元素传输为此所选择的值。

通过此处所讲述的方法-其中根据预先编码的电平值或长度值选择用于编码的上下文，可以使数据率减小2～3％。

如果从预测误差矩阵读出的电平和长度序列的末尾不通过电平值0编码，而是在该序列之前放置不同于0的读出电平的数量，则可以实现进一步的减小。在上述实施例中，于是不是产生序列(0/2)(1/-1)(2/1)(0/0)，而是3(0，2)(1/-1)(2/1)。

在该情形下，关于不同于0的电平值的信息被用于电平值的有效编码。由于具有较少不同于0的谱系数的被变换的预测误差矩阵通常只有电平值很小的谱系数，所以有意义的是，此时根据不同于0的谱系数的数量而在不同的上下文集之间切换，由此提高编码过程的效率。

作为替代方案，也可以根据被传输的第一个电平值的数值而在不同的上下文集之间切换。

在编码时通过相应匹配的上下文集来考虑不同于0的系数的数量，在输出端6输出的比特流的数据率被进一步减小5-6％。

此处讲述的装置和方法适用于现有视频标准范围内的应用，例如H.263和MPEG-4及H.26L。但此处讲述的方法和装置也适用于将来的、与目前的标准相应的标准。

在这里所讲述的方法和在这里所讲述的装置尤其在低数据率情况下是有效的，因为非常多的电平在低数据率时具有数值1。但迄今为止，这不能被有效地和统计地模拟，因为在预先不知道系数序列的情况下不可能从最后被编码的电平值推断出当前需要编码的电平值的值范围。

最后需指出，这里所讲述的装置和方法既可以用硬件也可以用软件来实现。

Claims (10)

1.用于视频编码的方法，具有方法步骤：

-提供一个预测误差矩阵；

-通过系数采样把所述的预测误差矩阵转换成一个符号序列；

-基于符号频度对所述的符号执行上下文适配的算术编码，所述符号频度的分布根据已被编码的符号被选出。

2.按权利要求1所述的方法，其中，所述频度符号的分布根据紧挨着在以前被编码的符号而被选出。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述预测误差矩阵通过系数采样被转换成一个电平和零序列长度的序列。

4.按权利要求3所述的方法，其中，所述的电平和长度被一元地表示。

5.按权利要求3或4所述的方法，其中，所述的电平分别被上下文适配地算术编码，其中根据预先分别被编码的电平值来选择作为基础的电平值频度的分布。

6.按权利要求3-5之一所述的方法，其中，所述的长度被上下文适配地算术编码，其中根据预先被编码的长度值来选择作为基础的长度值频度分布。

7.按权利要求3-6之一所述的方法，其中，所述的电平值在进行上下文适配的算术编码之前根据电平值被分类。

8.按权利要求1-7之一所述的方法，其中，在系数采样中被读出的符号的数量被编码和传输。

9.按权利要求8所述的方法，其中，所述符号频度分布的选择根据被读出的符号数量来执行。

10.计算机程序产品，其包括用于执行如权利要求1-9之一所述的方法的程序代码。

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