CN1568010A

CN1568010A - 基于位平面的不等长的量化/反量化方法

Info

Publication number: CN1568010A
Application number: CN 03148032
Authority: CN
Inventors: 高文; 范晓鹏; 吕岩
Original assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: LIANHE XINYUAN DIGIT AUDIO-FREQUENCY TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: CN1271861C

Abstract

本发明公开了一种基于位平面的不等长的量化/反量化方法，首先依据预先定义，对量化/反量化前的系数按照其重要性，依照由高到低的顺序依次从小到大编号；再根据微调参数，将量化/反量化前的系数划分为重要和不重要两组系数；根据该两组量化/反量化前的系数以及粗调参数，分别计算得到各自对应的量化/反量化后的系数。本发明的量化/反量化方法对于重要系数，量化/反量化的步长短，对于不重要系数，则使用长的量化/反量化步长；同时，量化/反量化的步长都是2的幂次，并在给定微调参数和粗调参数后，量化/反量化的步长只分成两个等级。本发明在量化/反量化过程中，不使用乘法，而只使用移位运算就可以实现，有利于硬件设计，并且实现简单。

Description

基于位平面的不等长的量化/反量化方法

技术领域

本发明涉及一种不等长的量化/反量化方法，特别是指一种克服目前量化技术需要乘法的缺陷，为视频编码技术提供低复杂度高效的量化技术，能降低计算复杂度，且在用于FGS视频编码的基本层编码时，可以实现基本层到增强层最优过渡的量化/反量化方法，属于视音频编解码技术领域。

背景技术

高效的视频编解码技术是实现高质量、低成本多媒体数据存储与传输的关键。目前常用的编码方法有预测编码、正交变换编码、向量量化编码等等，这些方法都基于信号处理理论，通常也称为第一代编码技术。现在比较流行的图像编码国际标准都是基于这种编码理论，其采用的是基于块匹配的运动补偿、离散余弦变换和量化相结合的编码方法。典型的有国际标准化组织/国际电工技术委员会第一联合技术组(ISO/IEC JTC1)推出的MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等国际标准，以及国际电信联盟(ITU-T)提出的H.26x系列推荐。这些视频编码标准已经在工业界得到了广泛应用。

上述的视频编码标准都采用了混合视频编码(Hybrid Video Coding)策略，通常包括：预测、变换、量化和信息熵编码等四个主要模块。预测模块的主要功能时利用已经编码并重建的图像对当前要编码的图像进行预测(帧间预测)，或者利用图像中已经编码并重建的图像块(或宏块)对当前要编码的图像块(或宏块)进行预测(帧内预测)；变换模块的主要功能是将输入的图像块变换到另外一个空间，使输入信号的能量尽可能地集中在低频变换系数上，进而降低图像块内元素之间的相关性，有利于压缩；量化模块的主要功能是将变换的系数映射到一个有利于编码的有限元素集上；信息熵编码模块的主要功能是根据统计规律，将量化后的变换系数用变长码表示。

视频解码系统中包含有与视频编码系统中相似的模块，它的任务主要是将输入的码流通过熵解码、反量化、反变换等过程重建解码图像。除了上述模块，视频编/解码系统中通常还包含一些辅助的编码工具，这些工具也会对整个系统的编码性能(压缩比)做出贡献。

在上述视频编/解码框架中，量化和反量化技术作为一种十分有效的有损压缩工具，对于整个视频编/解码系统至关重要。所述的量化主要有两个作用：一是使系数整数化，并缩小范围；二是适当调节量化步长，可以对编码的码率和重构图像的主客观效果进行调节。目前常用的量化方法可以分为标量量化和矢量量化两大类，而在编码标准中通常采用的是标量量化及其改进方法。

国际标准化组织(ISO)和国际电信同盟ITU建立的联合视频工作组(Joint Video Team，简称JVT)制定的AVC(Advanced Video Coding)视频编码标准是新一代的视频编码标准，它采用了一系列新型的编码技术，比现存的任何一种编码标准的压缩效率都要高的多。AVC标准在ISO中的正式名称是MPEG-4标准的第十部分，在ITU中的正式名称是H.264标准。在AVC标准中，码率/图像质量的控制是通过量化参数(Qp)来实现的，典型的量化公式如下式所示：

W＝(C*Q[Qp％6])＞＞(Qp/6)

其中，Q是具有多个(在上述的公式中为6个)值的量化表，Q[Qp％6]表示用Qp％6的值作为序号到量化表Q中去查找应使用的Q值；C是量化前的系数，W是量化后的系数。

这种量化方式可以有效地调节码率和重构图像的质量。相对于传统的方法，该方法可以通过整数运算实现，相对简单，但仍需要做乘法运算，比较费时。

此外，面向互联网的流媒体业务也对视频编码的应用提出了更高的要求，要求所生成的视频流能适应各种动态变化的网络和不同的用户终端设备，即：在传输带宽波动时还能有效利用带宽传输视频。当带宽由低到高变化时，传统的视频编码标准(例如MPEG-1、MPEG-2)无法根据带宽的变化动态自适应调整，只能达到阶梯曲线效果的调整，对变化带宽的利用效率很低。解决该问题的一个有效途径就是采用可伸缩编码技术。一个典型代表是MPEG-4标准中采用的精细粒度可伸缩性(Fine Granularity Scalable，简称FGS)视频编码技术，它采用了基本层加增强层的编码方法。

FGS视频编码技术的基本层编码和普通的非可伸缩性视频编码方法相同，由预测、变换、量化和熵编码器组成；其中量化通常采用标量量化。而在增强层编码时，从原始的变换系数中减去基本层量化后重建的变换系数值，获得变换系数残差；然后对每一个8×8的块，按照从上到下、从左到右的顺序，利用位平面进行编码。使用位平面编码的好处就是使得每一个系数的重要部分(较高位)优先编码；这样，在码流截断时可以保证解码器仍然可以获得有关视频图像的重要信息，从而提供了精细的可扩展性。尽管FGS视频编码具有优良的可伸缩性，能够很好地适应网络带宽的变化。但是，它存在着一个严重的缺点：其编码效率与传统的非可扩展性编码技术相比过低；特别是在中低码率时，也即码率刚刚从基本层过渡到增强层时，FGS视频编码的编码效率非常低。造成该问题的主要原因是：FGS视频编码技术在基本层和增强层编码中采用了不同的量化技术，因而不能平稳地进行过渡。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于位平面的不等长的量化/反量化方法，克服目前的量化技术需要乘法的缺陷，为视频编码技术提供低复杂度高效的量化技术，以降低计算复杂度。

本发明的另一目的在于提供一种基于位平面的不等长的量化/反量化方法，其用于FGS视频编码的基本层编码时，可以实现基本层到增强层的最优过渡。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于位平面的不等长的量化/反量化方法，其输入为变换系数矩阵和量化参数，根据输入的量化参数，对变换系数矩阵中不同位置的系数采用不同的量化步长，也即保留不同的位平面层数。所谓的为平面是指：量化前后的系数在包括计算机在内的数字设备中是用二进制表示的，所有系数的相同的位(按从低位到高位的顺序)，就组成了相应的位平面。如果量化步长刚好是2的幂次的话，则量化的过程可以看作是去掉较低位，保留较高位的过程，即去掉较低的位平面，保留较高的位平面。

本发明根据微调参数将量化前的系数动态划分出两个集合，两个集合保留不同的(且相差为1的)位平面层数。

具体而言，本发明的量化过程是这样实现的：

首先，按照重要性由高到低的顺序把量化前的系数编号为1，2，3，......，n；(这里，包括后面所提到的重要性是指系数的重要程度，可以自行定义；比如：按照人眼对该频率系数的敏感程度的高低来确定)；

然后，将上述的系数划分为两组，划分的原则是：

1、一部分为重要系数，记为C(L)，另一部分为不重要系数，记为C(H)；

2、编号大于n-Qf的系数被分到C(H)组，编号小于n-Qf的系数被分到C(L)组；

设W(L)和W(H)分别为C(L)和C(H)量化后的系数，则具体的量化的公式为：

W(L)＝(C(L)+Qa₁)＞＞Qbit

W(H)＝(C(H)+Qa₂)＞＞(Qbit+1)

其中，Qa₁和Qa₂主要是为了起到四舍五入的作用；Qbit和Qf分别是：用来调节量化器的粗调作用参数和微调作用参数；n是量化前系数的最大编号。

本发明反量化的过程是：

首先，按照重要性由高到低的顺序把反量化前的系数编号为1，2，3，......，n；

然后，将上述的系数划分为两组，划分的原则是：

1、一部分为重要系数，记为W(L)，另一部分为不重要系数，记为W(H)；

2、编号大于n-Qf的系数被分到W(H)组，编号小于n-Qf的系数被分到W(L)组；

设C(L)和C(H)分别为W(L)和W(H)反量化后的系数，则反量化的公式为：

C(L)＝W(L)＜＜Qbit

C(H)＝W(H)＜＜(Qbit+1)

从上面的量化/反量化方案可以看出：本发明的量化/反量化方法对于重要系数，量化/反量化的步长短，对于不重要系数，则使用长的量化/反量化步长；同时，量化/反量化的步长都是2的幂次，并且只分成两个等级。由于具有上述的特点，本发明在量化/反量化过程中，不使用乘法，而只使用移位运算就可以实现，有利于硬件设计，并且实现简单；与基于位平面的熵编码器相配合，在用于传统的视频编码系统时可以获得很高的压缩比；本发明结合了标量量化和位平面量化的优点，在用于FGS视频编码的基本层编码时，可以改进传统的FGS视频编码的编码效率。

附图说明

图1为量化和反量化中Qbit和Qf的调节作用的示意图。

具体实施方式，

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：

在AVC(Advanced Video Coding高级视频编码)标准中，码率/图像质量的控制是用量化参数Qp来实现的，设C为量化前的系数，W为量化后的系数，其典型的量化公式，如下式所示：

W＝(C*Q[Qp％6])＞＞(Qp/6)

具体的量化实施过程如下：

首先，由于JVT中采用了4×4的变换，所以所述的系数共有16个；可以由量化参数Qp算出粗调参数Qbit和微调参数Qf，比如：Qbit＝Qp/6，Qf＝(Qp％6)*3。

然后，对量化前的系数按重要性进行编号，比如按zigzag(Z形扫描)；扫描的顺序编号。

同样，按照Qf把量化前的系数划分为两组：重要系数C(L)和不重要系数C(H)；本实施例中，编号大于16-Qf的系数被分到C(H)组，编号小于16-Qf的系数被分到C(L)组。

设W(L)和W(H)分别为C(L)和C(H)量化后的系数，则量化的公式为：

W(L)＝(C(L)+Qa₁)＞＞Qp/6

W(H)＝(C(H)+Qa₂)＞＞(Qp/6+1)

按照JVT的量化原则，对于帧内编码的块

Qa₁＝(1＜＜(Qp/6))/3

Qa₂＝(1＜＜(Qp/6+1))/3

对于帧间编码的块

Qa₁＝(1＜＜(Qp/6))/6

Qa₂＝(1＜＜(Qp/6+1))/6；

Qa₁和Qa₂主要用来起到四舍五入的作用，但是由于视频编码中较小的数可以用更少的位表示，所以量化的时候倾向于向较小的数量化。

具体的反量化过程如下：

设W为反量化前的系数，C为反量化后的系数，在JVT标准中，典型的反量化公式如下式所示：

C＝(W*DQ[Qp％6])＜＜(Qp/6)

本发明的反量化技术的实施过程如下：

首先，由于JVT中采用了4×4的变换，所以系数共有16个；由Qp算出Qbit和Qf，比如Qbit＝Qp/6，Qf＝(Qp％6)*3；

然后，对反量化前的系数按重要性进行编号，比如按zigzag扫描的顺序编号；

同样，按照Qf将把反量化前的系数划分为两组，重要系数C(L)和不重要系数C(H)；

编号大于16-Qf的系数被分到C(H)组，编号小于16-Qf的系数被分到C(L)组；

设W(L)和W(H)分别为C(L)和C(H)量化后的系数；则量化的公式为：

C(L)＝W(L)＜＜Qp/6

C(H)＝W(H)＜＜(Qp/6+1)

参见图1，对于量化来说，阴影部分是被量化掉的部分。从图1中可以看出：Qbit改变1，则所有系数被量化掉的位数都改变1；Qf改变1，则只有一个系数被量化掉的位数发生改变，且改变为1。

对于反量化来说，阴影部分是应该恢复出的位。阴影部分可以全部恢复为0，或按一定规则恢复。同样可以看出：Qbit起到粗调的作用，而Qf起到微调的作用。

简言之，本发明基于不等步长的量化/反量化方法可以降低量化/反量化的运算复杂度，同时还可以保证很高的编码效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种基于位平面的不等长的量化方法，其特征在于：该方法进行量化的步骤是：

步骤100：依据预先定义的重要性，对量化前的系数按照其重要性，依照由高到低的顺序依次从小到大编号；

步骤110：根据微调参数，将量化前的系数划分为重要和不重要两组系数；

步骤120：根据该两组量化前的系数，以及粗调参数，分别计算得到各自对应的量化后的系数。

2、根据权利要求1所述的基于位平面的不等长的量化方法，其特征在于：步骤120中的计算所对应的计算公式是：

W(L)＝(C(L)+Qa₁)＞＞Qbit

W(H)＝(C(H)+Qa₂)＞＞(Qbit+1)

其中，

C(L)、C(H)分别为量化前的重要系数集合和不重要系数集合；

W(L)、W(H)分别为C(L)、C(H)量化后的系数集合；

Qa₁和Qa₂是为了起到四舍五入的作用；

Qbit为粗调作用的参数。

3、根据权利要求1所述的基于位平面的不等长的量化方法，其特征在于：所述的重要系数和不重要系数依照如下的原则进行划分：

如果量化前的系数编号大于n-Qf，则其对应的量化前的系数为不重要系数；否则是重要系数；其中，

n是量化前的系数的最大编号；Qf是微调作用系数，并且0≤Qf＜n。

4、一种基于位平面的不等长的反量化方法，其特征在于：该方法进行反量化的步骤是：

步骤200：依据预先定义的重要性，对反量化系数按照其重要性，依照由高到低的顺序依次从小到大编号；

步骤210：根据微调作用参数，将反量化前的系数划分为重要和不重要两组系数；

步骤220：根据该两组反量化前的系数，以及粗调参数，分别计算得到各自对应的反量化后的系数。

5、根据权利要求4所述的基于位平面的不等长的反量化方法，其特征在于：步骤220中的计算所对应的计算公式是：

C(L)＝W(L)＜＜Qbit

C(H)＝W(H)＜＜(Qbit+1)

其中，

W(L)、W(H)分别为反量化前的重要系数集合和不重要系数集合；

C(L)、C(H)分别为W(L)、W(H)反量化后的系数集合；

Qbit为粗调作用的参数。

6、根据权利要求4所述的基于位平面的不等长的反量化方法，其特征在于：所述的重要系数和不重要系数依照如下的原则进行划分：

如果反量化前的系数编号大于n-Qf，则其对应的反量化前的系数为不重要系数；否则是重要系数；其中，

n是反量化前的系数的最大编号；Qf是微调作用系数，并且0≤Qf＜n。