CN1574914A - 用在仅通用串行总线兼容i－帧mpeg图像压缩的系统及方法 - Google Patents

用在仅通用串行总线兼容i－帧mpeg图像压缩的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本文揭示用于图像设备的图像或视频压缩的一种系统与方法。该图像或视频压缩包括运动图像专家组标准(MPEG)I－帧编码器。该运动图像专家组标准(MPEG)I－帧编码器通过一图像阵列在一单一的集成电路芯片上实现。而且，在同样的集成电路芯片的包括一通用串行总线(USB)控制器，以将压缩的I－帧打包成通用串行总线(USB)兼容数据流。而且，在其它的实例中，在具有通用串行总线(USB)控制器和运动图像专家组标准(MPEG)I－帧编码器的同一电路芯片上包括一图像阵列。

Description

用在仅通用串行总线兼容I-帧MPEG图像压缩的系统及方法
技术领域
本发明是关于图像压缩领域，并且特定而言，本发明是关于在图像设备中图像的压缩与/或解压。
背景技术
对作为一个具有充足细节的静止或运动图像的被捕获的对象给人用于以后的表示，这样捕获的一幅图像作为一个大的数据集。然而，由于图像设备(例如数码相机或数码可携式摄像机)有限的存储或传输能力，并不是有关所捕获的图像的数据都能保存下来。而是利用图像压缩(技术)减小数据的大小而不过度地丢失图像的细节。
JPEG(联合图像专家组标准)，运动静止图像专家组标准(M-JPEG)，和运动图像专家组(MPEG))是用于图像压缩的工业标准实例。联合图像专家组标准(JPEG)与运动静止图像专家组标准(M-JPEG)图像压缩可通过小的硬件尺寸和低成本实现，但是压缩比低于运动图像专家组标准(MPEG)的压缩比。另一方面，运动图像专家组标准(MPEG)图像压缩可以实现高的压缩比，但是需要大的硬件设备，并且该设备成本也高。
因此，取决于成本与/或大小的考虑，可应用特定的图像压缩方法。当压缩图像通过人进行浏览时，应用相应的解压过程以对压缩图像解码或重新组合为类似原始的图像格式。
发明内容
这样，实现具有已有压缩/解压方法的优点，没有已有压缩/解压方法的缺点的图像压缩(技术)将是有益的。
为达到上述目的，本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：
用于捕获图像以及输出图像数据的一种传感阵列；
一种同传感阵列进行通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该输出图像数据并且输出压缩的I-帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将I-帧数据打包成一种通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线；
其中该传感阵列，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
此外，本发明还提供一种单一集成电路芯片图像传感器，所述单一集成电路芯片图像传感器包括：
一用于捕获图像和输出图像数据的传感阵列；
一用于将该输出图像数据转化成YUV数据的信号处理部分；
一同该传感阵列通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该YUV数据并且输出压缩的I-帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将该I-帧数据打包成一通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线控制器；
一种连接到该通用串行总线控制器的通用串行总线的总线，用于输出来自该集成电路芯片的该通用串行总线兼容的数据流，
其中该传感阵列，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
另外，本发明还提供一种单一集成电路芯片，所述单一集成电路芯片包括：
一用于将来自外部图像阵列所接收的图像数据转化成YUV数据或从一外部图像阵列取入转化的YUV数据的图像接口部分；
一同该图像接口进行通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该YUV数据并且输出压缩的I帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将该I-帧数据打包成一通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线控制器；
其中该图像接口部分，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
附图说明
从下列详细描述中，结合附图，可更加充分理解典型的实施例，其中相同的数字表示相同的元件。其中：
图1是本发明图像设备的一个实例的一个方框图。
图2是图1中图像传感器的像素阵列部分的一个详细方框图。
图3是图1中图像设备包括的一个I帧运动图像专家组标准(MPEG)编码器的一个实例的详细方框图。
在电路表示领域中是常规的，电子元件的大小不是根据比例画的，并且可能放大或缩小各种元件以提高附图的易读性。在图中省去了元件的细节以排除诸如元件的位置和在这些元件之间的精确连接的细节，此时这些细节对于本发明是不必要的。
具体实施方式
本发明描述在图像设备中用于图像压缩/或解压的一个系统和方法。该图像压缩/解压方案在一个集成电路中实现。该图像压缩/解压方案需要相对小的硬件尺寸与低的成本。该图像压缩/解压方案提高了运动图像专家组标准(MPEG)编码器/解码器的压缩比。而且，在本发明的另一方面中，提供了一个互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，该传感器已经集成到与图像压缩编码器以及一个通用串行总线(USB)控制器的同一芯片上。
运动图像专家组标准(MPEG)编码具有三种类型的帧：I(内部)帧，P(预测)帧与B(双向预测)帧。实现P帧和B帧编码是相对复杂和成本高的。但是，运动图像专家组标准(MPEG)I帧编码是自我包含的，不参考其它帧，并且需要比完全的运动图像专家组标准(MPEG)装置更少的硬件。一个I帧编码的实例在美国专利Butter等人的第5,768,537号中说明。
另外，通用串行总线(USB)是一个众所周知的用于设备之间大量数据传输的工业标准。通用串行总线(USB)协议的一个主要优点是支持插入与播放操作的能力，使得外围设备容易安装。因为通用串行总线(USB)协议的普遍性，许多外围设备必须包括一个作为用于外围设备的一个通用串行总线(USB)收发器的集成电路。因此，在以前的文献中，和图像设备兼容的通用串行总线(USB)需要至少两个集成电路：一个用于实际的CMOS图像传感器与一个通用串行总线(USB)收发器(也称作通用串行总线(USB)控制器)。
本发明将仅I-帧压缩同通用串行总线(USB)数据传输结合的思想以提供一种用于从CMOS图像传感器中传输图像数据的方法。在一实例中，仅I-帧编码器与通用串行总线(USB)控制器二者集成在类似CMOS图像传感器的相同的集成电路芯片上。
参照图1，表示了本发明的一个集成的仅I帧运动图像专家组标准(MPEG)压缩、通用串行总线(USB)兼容器、图像传感器100的一个实例的方框图。该传感器100设计为捕获静止或运动对象并且提供和捕获图像相对应的有条件的数据到另一设备或用于显示。
图像传感器100包括一个像素阵列，控制，读出和信号处理部分102(简单地说“像素阵列部分”)，一个运动图像专家组标准(MPEG)I-帧编码器104和一个通用串行总线(USB)控制器106。该图像传感器100通过通用串行总线(USB)总线108连接到其它设备。而且，内部总线110和112传送图像传感100内的数据。
像素阵列部分102包含用于入射光捕获、入射光到信号的转换、信号的放大、信号地读出、图像捕获(包括帧定时)操作以及数据进入一适合于I帧编码的格式的信号处理的集成电路。像素阵列部分102的设计实例可通过本发明受让人商业上所出售的带有“Ovxxxx”产品号的集成电路中找到。
根据通用串行总线(USB)协议通用串行总线(USB)控制器106运行以传输与接收数据。因为这个原因，通用串行总线(USB)控制器106也称作一个通用串行总线(USB)收发器。通用串行总线(USB)控制器106使用内部总线112连接到运动图像专家组标准(MPEG)I帧编码器进行通讯。
通用串行总线(USB)控制器106经由通用串行总线(USB)总线108连接到通用串行总线(USB)主机设备(图中没有表示)。通用串行总线(USB)主机设备的实例太多而没有列出，但是可包括个人计算机、打印机、绘图器、内存存储设备(例如内存条、便携式硬驱动器或可记录的CD或DVD装置)、游戏控制板、手握系统(例如个人数字助理(PDA))、服务器或显示设备。
取决于通用串行总线(USB)主机的要求，通用串行总线(USB)控制器通过通用串行总线(USB)总线108传输打包的序列数据(包括图像数据)到通用串行总线(USB)主机。一般地，通过通用串行总线(USB)控制器106传输的打包序列数据是数字图像数据，该数字图像数据可能是带有或不带有额外的图像处理和数据压缩的彩色或黑白图像、RGB原始数据、RGB合成数据与/或YCbCr数据。在这一实例中，所传输的打包的序列数据是通过I帧编码器104的I帧输出(数据)。
通用串行总线(USB)控制器106可以是适合于曾经开发过通用串行总线(USB)控制器的多个供应商的常规设计。较佳地，图像/信号处理、数据压缩、永久性和/或非永久性存储器可合并入通用串行总线(USB)控制器106。另一选择是，本文的通用串行总线(USB)控制器可大体上类似通过受让人设计和制造的值得效仿的OV519产品的设计。
图像传感器100经由通用串行总线(USB)总线106通过通用串行总线(USB)主机用读或写参数或命令控制，或者另一选择为作为一个独立执行的相机局部控制，例如通过固定布线逻辑电路、可编程逻辑电路或输入/输出管脚。
图2更详细地说明图1所示的像素阵列部分102。该像素阵列部分102包括一传感阵列103、信号处理、定时以及控制区域105，模拟数字转换器(ADC)107以及输入/输出部分109。
传感阵列103包括多个以二维阵列排列的单个像素113。在图1的图表中，该传感阵列103具有8行和8列。像素阵列部分102也包括信号处理、定时以及控制区域105。正如名字所暗示的，这部分包含逻辑电路和其它集成电路设备，这些设备完成从传感阵列103中读出(数据)，从传感阵列103读出数据的信号处理以及各种定时和其它的控制功能。
像素阵列部分102通过使用输入/输出部分109同I帧编码器104通过内部总线110进行通讯。正如以上已经讨论的，使用该内部总线110主要将图像数据传递给I帧的编码器104。
而且，信号处理、定时和控制部分105本身可包括记忆存储、总线、时钟、控制器和/或一个处理器。该信号处理、定时和控制部分105以来自传感阵列103的输出信号为条件以适合通过I帧编码器104压缩或编码。例如，控制部分105可标准化、分类以及将来自传感阵列103的输出信号传输到合适的块到I帧编码器104。
在另一实例中，像素阵列部分102代替了图像接口部分。该图像接口部分适合接收来自外部源的图像数据，诸如一独立执行的图像阵列。在这样一种情形下，该图像阵列将给图像接口部分提供图像数据。该图像接口部分然后将完成与控制部分105同样的更多功能。因此，在这一实例中，运动图像专家组标准(MPEG)I帧编码器同通用串行总线(USB)控制器以及一图像接口部分合并到一单一集成电路芯片。该图像阵列部分在一分开的集成电路上。
编码器104，也称作多媒体数字信号编解码器，设计为将数据压缩(也称为编码)数据成运动图像专家组标准(MPEG)(或联合图像专家组标准(JPEG))格式。编码器104设计为将数据压缩成运动图像专家组标准(MPEG)I-帧。
在图像设备100内的元件可使用硬件、固件和/或软件实现。根据本发明，所有的元件作为制造在同一集成电路芯片上的一个单一集成电路来实现。
在一实例中，通过传感阵列103捕获的图像(例如静止图像)或视频(例如运动图像)的每一帧进行图像/视频压缩。一帧的位图表示包括包含具有RGB分量(红、绿以及蓝值)的位图的每一像素。该像素的RGB分量转化为三个颜色分量：亮度Y和两个色度U和V。现在同YUV分量相关的像素分为三个8×8矩阵的组，每一组对应YUV分量中的一个。应理解多种其它矩阵的大小也是可能的，诸如A×A，A×B(其中A不等于B)，A×1，1×A等。
注意到如上所述，通过运动图像专家组标准(MPEG)标准的图像/视频压缩一般地提供三种类型的彼此隔行扫描的帧：I-(内部编码帧)，P-(预测帧)以及B-(双向帧)。I-编码/解码相对于P-或B-帧编码/解码实现简单并且成本低。同P-帧或B-帧相比，每一I-帧包含所有的重建一帧视频的信息，不需要其它帧的信息。在这一方面，仅运动图像专家组标准(MPEG)I-帧和(M)-JPEG帧是类似的。
参照图3，表示了编码器104的一个详细的方框图。一幅图像的YUV分量的像素块或8×8矩阵应用在一DCT300中的一个二维离散余弦变换(DCT)。二维DCT包括使用一个8×8的变换矩阵将8×8的像素块从空域变换到频域。
给变换块的系数赋予权值或乘以尺度因子，作为它们频率系数(权值系数302)的函数。在加权后例如在左上角的系数，那些系数表示像素块的直流(DC)分量或平均亮度，一般地是大值系数并且其余的系数是可忽略的或是零值。在其它的实例中，编码器/解码器108的输入可以是不同于8×8大小的像素块。
接下来，在Z字形扫描304，对加权的系数进行Z字形扫描(例如加权系数从加权块的左上角从一个Z字形序列开始连续地整理或传输)。在Z字形扫描后大的或非零值系数一般地在序列的开头。
最后将Z字形扫描系数在游长编码器306进行游长编码。也可将Z字形扫描系数缩短字长(图中没有表示)。结果的压缩数据是运动图像专家组标准(MPEG)I-帧格式。
所捕获图像从传感阵列103到YUV分量与适合应用DCT的8×8像素块的转换可通过信号处理(电路)，定时和控制部分105提供。另一选择是，这样的处理可在编码器104内部完成。在任一情形下，压缩的运动图像专家组标准(MPEG)I-帧传输到通用串行总线(USB)控制器106。
用这样的方式，本文揭示用于一图像设备的图像和视频压缩的一种系统和方法。图像和视频压缩通过小硬件尺寸和低成本提供，其中反过来能够使图像设备紧凑并且成本低廉。图像和视频压缩/解压同已有的用于运动图像专家组标准(MPEG)I-帧格式的工业标准相兼容。同样地，图像设备同标准的外围设备相兼容。
除非上下文明确需要，否则整个真个描述和权利要求。词“包括”“包含”等等在包含的意义上是同义的，同除外的或详尽的意义相反，也就是说，是“包含但不局限于”的意思。用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，这些词“本文”、“上面”、“下面”和类似意思的词，当用于此申请书时，应该从整体上指本申请书并且不是指本申请书的任一特殊部分。当权利要求参照一两个或更多个条目单使用词“或”时，那个词涵盖词的下列所有意义：在单中的任何条目、在单中所有的条目和在单中条目的任一组合。
从前文应懂得为了说明的目的本发明的具体实施例在本文已经描述，但是在不背离本发明的主旨与范围(的情形下)可做各种修改。因此，除了所附的权利要求之外本发明不受限制。

Claims (8)

1.一种图像传感器，其特征在于：所述图像传感器包括：
用于捕获图像以及输出图像数据的一种传感阵列；
一种同传感阵列进行通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该输出图像数据并且输出压缩的I-帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将I-帧数据打包成一种通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线；
其中该传感阵列，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
2.权利要求1的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括：
一连接在该传感阵列和该运动图像专家组标准I-帧编码器之间的信号处理部分，该信号处理部分将该输出图像数据转化成YUV格式。
3.权利要求1的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括：
一连接到该通用串行总线控制器的通用串行总线的总线，用于输出来自该集成电路芯片的该通用串行总线兼容数据流。
4.权利要求1的图像传感器，其特征在于：该输出图像数据是红、绿、蓝图像数据。
5.一种单一集成电路芯片图像传感器，其特征在于：所述单一集成电路芯片图像传感器包括：
一用于捕获图像和输出图像数据的传感阵列；
一用于将该输出图像数据转化成YUV数据的信号处理部分；
一同该传感阵列通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该YUV数据并且输出压缩的I-帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将该I-帧数据打包成一通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线控制器；
一种连接到该通用串行总线控制器的通用串行总线的总线，用于输出来自该集成电路芯片的该通用串行总线兼容的数据流，
其中该传感阵列，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
6.一种单一集成电路芯片，其特征在于：所述单一集成电路芯片包括：
一用于将来自外部图像阵列所接收的图像数据转化成YUV数据或从一外部图像阵列取入转化的YUV数据的图像接口部分；
一同该图像接口进行通讯的运动图像专家组标准I-帧编码器，以接收该YUV数据并且输出压缩的I帧数据；以及
从该运动图像专家组标准I-帧编码器接收该I-帧数据并且将该I-帧数据打包成一通用串行总线兼容的数据流的一种通用串行总线控制器；
其中该图像接口部分，该运动图像专家组标准I-帧编码器以及该通用串行总线控制器都制成在一单一的集成电路芯片上。
7.权利要求1的单一集成电路芯片，其特征在于：所述单一集成电路芯片还包括：
连接到该通用串行总线控制器用于输出来自该集成电路芯片的该通用串行总线兼容的数据流的通用串行总线的总线。
8.权利要求1的单一集成电路芯片，其特征在于：所述单一集成电路芯片图像数据为红、绿、蓝图像数据。
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