CN1622611A - 控制视频信号编码比特流的量化程度的方法与相关装置 - Google Patents
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Abstract
一种在一视频信号编码装置中用以控制一影像信号的量化位阶(Quantization Scale)的方法，该方法包含有使用该视频信号编码装置计算编码过程中的量化位阶变化频率；使用该视频信号编码装置产生一新的量化位阶；以及比较该变化频率与一默认值，以决定是否以该新的量化位阶取代一原先的量化位阶。其中当该变化频率超过该默认值时，则不以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶，以使编码过程中的量化位阶变化频率维持在该默认值内。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制一影像信号的量化位阶(Quantization Scale)的方法与相关装置，特别涉及一种用于一视频信号编码装置中控制一影像信号的量化位阶的方法与相关装置。
技术背景
在运动图形编码专家组2(Moving Picture Coding Experts Group 2，以下简称MPEG 2规格)中，利用色彩取样、离散余弦变换(Discrete CosineTransform，DCT)及量化(Quantization)等方式，去除视频信号画面空间上的冗余(Spatial Redundancies)信息，并藉由位移补偿(MotionCompensation，MC)的方式，消除因画面与画面间的相似性所造成的时间上的冗余(Temporal Redundancies)信息，以达到压缩视频信号的效果。
一般而言，在同一张视频信号画面上会有一些共通特性，也许是色彩上的，也许是几何上的，或是其它特征值得到的。去除这些空间上的冗余信息的方式，就是要识别出画面中重要的元素，并移除重复且较无影响的元素。根据实验，人眼对于亮度变化较敏感而对于色度的变化相对的较不易查觉。因此，MPEG 2规格采用亮度与色度的色彩表示格式，以Y表示亮度值(Luminance，或称为Luma)，以Cr及Cb表示色度值(Chrominance，或称为Chroma)，并以降低色度取样的方式来减少信号量。MPEG 2规格中定义了4:2:0、4:2:2及4:4:4三种取样模式，分别表示三种不同的色度取样频率。例如，4:2:0取样模式是在一大小为16×16像素的宏区块(Macro Block)中，取样4个Y区块(每一区块大小为8×8像素)、1个Cr区块(大小为8×8像素)与1个Cb区块(大小为8×8像素)。藉由减少色度取样的频率，可以在影响视觉较小的情况下达到较佳的数据缩减效果。
另外，一般所播放的视频信号，其实只是一连串连续的图像序列，然而因为人类视觉上存在一种视觉暂留的现像，所以会产生连贯影像的错觉。而此种视频信号中，由于画面间的时间间隔甚小，所以相临的画面间几无差异，大多只是图像内容的位置变化。因此，在运动图形编码专家组2(MPEG 2)中，藉由位移补偿(Motion Compensation，MC)的方式，消除时间轴上画面与画面间的相似性所造成的冗余信息，来达成压缩视频信号的目的。
上述视频信号压缩编码的方法乃已知技术所熟知，以下仅简单描述其运作方式。图1所示为一已知视频信号编码器10(Video Encoder)的示意图。视频信号编码器10包含有一离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)装置12、一动态估计及补偿器(Motion Estimator and Compensator)14、一量化器(Quantizer)16、一可变长度编码器(Variable Length Encoder，VLE)18、以及一位率控制器(Rate Controller)20。视频信号编码器10是利用离散余弦变换装置12与量化器16消除视频信号画面空间上的冗余信息，而以动态估计及补偿器14消除时间上的冗余信息，以压缩视频信号数据的大小。最后，数据经过可变长度编码器18编码后送至一系统多路复用器(未显示)，以MPEG 2规格所定义的传输数据流(Transport Stream)或程序数据流(Program Stream)将数据送出。
离散余弦变换(DCT)装置12是对于一宏区块经过亮度和色度取样后的每一区块(大小为8×8像素)，分别进行离散余弦变换，以将视频信号数据从空间域(Spatial Domain)变换至频率域(Frequency Domain)。离散余弦变换(DCT)是一种完全可逆的数学计算。区块的色彩值经离散余弦变换后所得到的离散余弦变换系数(DCT Coefficient)，依然是一个8×8的二维矩阵。一般而言，一个画面中的色彩通常不会有很密集且大的波动，因此，矩阵中代表较高空间频率的离散余弦变换系数的值通常很小，甚至为零。基本上，离散余弦变换并不能减少数据量，但是却可以将数据转成较易找寻冗余的表达型式。
接着，量化器16会对离散余弦变换系数进行量化，以进一步压缩视频信号数据的大小。简单地讲，量化(Quantization)就是减少描述各系数的位数的过程，亦即将各系数以较粗糙的度量单位描述之。量化的动作主要有两个功能：一是让原已很接近零的值尽量变成零，另外则是使得原来非零的系数的分布范围变小，以有助于压缩处理。量化是一种破坏性压缩技巧，量化后的数据再还原时与原来的数据不会完全相同。因此，视频信号压缩后失真的程度，主要是取决于量化位阶(Quantization Scale)的选取。
视频信号编码器10的位率控制器20的功能，即是依据视频信号编码器10设计时所预设的输出位率范围，调整量化器16进行量化处理时的量化位阶。位率控制器20在调整量化位阶时，是以宏区块为单位。意即，一宏区块经过亮度与色度取样后的每一区块，均具有相同的一量化位阶。
当量化器16完成一区块的量化处理后，视频信号编码器10会利用特定的算法，将一量化后二维矩阵中的离散余弦变换系数串接成一维的数列，而使得该一维数列中连续零值的长度为最大，以提高压缩效率。接着，可变长度编码器18会压缩该一维的数列数据，以输出一压缩后的数据流(BitStream)，称为编码比特流。
量化器16所使用的量化位阶越小，则视频信号压缩比越小、视频信号品质越高，但可变长度编码器18输出的编码比特流的位率也会越高。反之，量化位阶越大，则视频信号压缩比越大、视频信号品质越低，但可变长度编码器18输出的编码比特流的位率也会越低。在该编码比特流当中，有部分位(约7-8个位)是用来表达编码过程当中该区块的量化位阶，以供该编码比特流译码还原时之用。
依上述对于已知视频信号编码器10的运作说明中可知，当视频信号编码器10的输出位率需维持在一预设的范围内时，若位率控制器20改变量化位阶的频率过于频繁，则在视频信号编码器10编码后输出的编码比特流中，用来纪录量化位阶的位数将会很可观。例如，以NTSC规格而言，每秒要播放30个帧(Frame)，每一帧具有1350个宏区块。在此情况下，若视频信号编码器10的输出位率为2Mbps，则平均每一宏区块经过压缩后约仅能使用49.3个位。若位率控制器20改变每一宏区块的量化位阶，则输出位率中约有14％(7/49.3＝0.14)会是消耗在纪录这些量化位阶上。
由此可知，在已知视频信号编码器10中，若位率控制器20改变量化位阶的频率越高，则最后输出的编码比特流中会有越多的位空间被用来纪录这些量化位阶，使得真正能用来记录视频信号数据的部分受到限制，进而降低视频信号编码的品质。
发明内容
因此本发明的主要目的在于提供一种控制视频信号编码比特流的量化程度的方法与相关装置，藉由限制量化位阶的变化频率以解决上述问题。
本发明提供一种使用于一视频信号编码装置中控制一影像信号的量化位阶(Quantization Scale)的方法，该方法包含有(a)使用该视频信号编码装置计算编码过程中的量化位阶变化频率；(b)使用该视频信号编码装置产生一新的量化位阶；以及(c)比较该变化频率与一默认值，以决定是否以该新的量化位阶取代一原先的量化位阶。其中当该变化频率超过该默认值时，则不以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶，以使编码过程中的量化位阶变化频率维持在该默认值内。
本发明的优点，在于可限制编码过程当中的量化位阶的变化频率，使得编码比特流当中有更多位可供视频信号数据使用，进而提升视频信号编码的品质。
附图简述
图1为已知的视频信号编码器的示意图。
图2为本发明的视频信号编码器的示意图。
图3为本发明控制一影像信号的量化位阶的方法的流程图。
附图符号说明
10、100 视频信号编码器
12 离散余弦变换装置
14 动态估计及补偿器
16 量化器
18 可变长度编码器
20、120 位率控制器
实施方式
请参考图2。图2为本发明可控制量化位阶变化频率的视频信号编码器100。视频信号编码器100与视频信号编码器10很类似，因此两视频信号编码器中相同的组件是以相同的号码进行编号。视频信号编码器100同样利用离散余弦变换装置12与量化器16消除视频信号画面空间上的冗余(SpatialRedundancies)信息，而以动态估计及补偿器14消除时间上的冗余(TemporalRedundancies)信息，以压缩视频信号数据的大小。最后，数据经过可变长度编码器18编码后输出成为一编码比特流。
如前所述，量化器16是根据位率控制器120所决定的一量化位阶以对一区块进行量化。然而，于本发明中，位率控制器120可依据编码历程中的量化位阶的变化频率，而决定是否要以一新的量化位阶取代一原先的量化位阶。接下来以流程图说明本发明的位率控制器120的详细运作情形。
请参考图3。图3为本发明的视频信号编码器100控制一影像信号的量化位阶的流程图200，其包含有以下步骤：
步骤202：开始。
步骤204：设定位率控制器120运作时所需的参数，例如，计算量化位阶变化频率的时间单位P、量化位阶的变化频率Freq_Q的初始值、量化位阶变化频率的上限值TH、以及量化位阶变化幅度的临界值QTH等等。
步骤206：位率控制器120产生一相对应于下一宏区块的新的量化位阶Qnew。
步骤208：位率控制器120比较该新的量化位阶Qnew是否等于一原先的量化位阶Qold，若是，则进行步骤216；若否，则进行步骤210。
步骤210：比较该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold之间的变化幅度，并检查该变化幅度是否等于或超过该临界值QTH，若是，则进行步骤214；若否，则进行步骤212。
步骤212：比较量化位阶的变化频率Freq_Q是否等于或超过该上限值TH，若是，则进行步骤216；若否，则进行步骤214。
步骤214：位率控制器120将该新的量化位阶Qnew传送至量化器16，以取代该原先的量化位阶Qold，作为量化器16接下来进行量化的依据。
步骤216：位率控制器120不会以该新的量化位阶Qnew取代量化器16中该原先的量化位阶Qold，故接下来量化器16继续以该原先的量化位阶Qold作为量化的依据。
步骤218：位率控制器120更新量化位阶变化频率Freq_Q的值。
步骤220：判断是否还有需要处理的宏区块，若是，则进行步骤206；若否，则进行步骤222。
步骤222：结束。
以下说明流程图200的运作方式时，是假设量化器16目前正对一宏区块L进行量化处理，而量化该宏区块L时所依据的量化位阶为Qold。
在本发明的一较佳实施例中，视频信号编码器100会于步骤204设定位率控制器120运作时所需的参数。例如，将计算量化位阶变化频率的时间基础P设定为20个宏区块，表示以量化器16完成量化20个宏区块的时间为单位，计算这段期间内量化位阶的改变次数；将量化位阶变化频率的上限值TH设定为10，表示量化器16完成量化20个宏区块的时间之内，量化位阶的改变次数上限为10次；将量化位阶的变化频率Freq_Q的初始值设定为0，表示位率控制器120从0开始计算量化位阶的改变次数；将量化位阶变化幅度的临界值设定为QTH。
在步骤206中，对于紧接于宏区块L之后，即将由量化器16进行量化处理的下一宏区块M而言，位率控制器120会产生相对应的一新的量化位阶Qnew。
接着，位率控制器120会在步骤208中，检查该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold是否相同，若两者的值相同，则进行步骤216，位率控制器120会告知量化器16维持该原先的量化位阶Qold，而不会传送与该原先的量化位阶Qold相同的该新的量化位阶Qnew至量化器16。因此，量化器16会依据该原先的量化位阶Qold对该宏区块M进行量化。反之，若该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold并不相等，则进行步骤210，进一步检查该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold之间的变化幅度。
在本发明的一较佳实施例中，位率控制器120会在步骤210中检查该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold的变化幅度，是否超过该预设范围QTH，亦即检查|Qnew-Qold|≥QTH是否成立。若|Qnew-Qold|≥QTH成立，则表示对于该前后两宏区块L与M而言，其相对应的量化位阶Qnew与Qold间的变化幅度大于该预设范围。由于位率控制器120所计算出来的量化位阶大小，就某种程度而言是表示该宏区块的复杂程度。因此，当该前后两宏区块L与M的量化位阶变化程度很大时，却使用同一量化位阶(亦即Qold)对该宏区块M进行量化，可能会大幅提高该相对复杂的宏区块M在量化后的失真程度、或是可能会消耗过多位在相对单纯的该宏区块M。故，在本发明的一较佳实施例中，当该前后两宏区块L与M的量化位阶Qold与Qnew的变化程度超过该预设范围QTH时，位率控制器120会传送该新的量化位阶Qnew至量化器16，以作为量化器16接下来量化该宏区块M的依据，而不受此时量化位阶的变化频率Freq_Q的值所限制。相对地，在步骤210中，若该前后两宏区块L与M的量化位阶变化程度未达临界值，亦即|Qnew-Qold|＜QTH时，则位率控制器120会进行步骤212，以决定是否以该新的量化位阶Qnew取代该原先的量化位阶Qold。
在步骤212中，位率控制器120会检查此时量化位阶的变化频率Freq_Q的值是否等于或大于该默认值10。若此时量化位阶的变化频率Freq_Q的值为10或10以上，则位率控制器120会进行步骤216，告知量化器16维持该原先的量化位阶Qold，而不会将该新的量化位阶Qnew传送至量化器16。因此，量化器16接下来仍会依据该原先的量化位阶Qold量化该宏区块M。最后，经可变长度编码器18编码后输出的编码比特流中，仅纪录着量化器16量化该宏区块M时没有改变量化位阶，代表沿用上一宏区块的量化位阶。而不用占用7-8个位重复纪录该量化位阶Qold。
反之，若此时量化位阶的变化频率Freq_Q的值小于10，则位率控制器120会进行步骤214。在步骤214中，位率控制器120会将该新的量化位阶Qnew传送至量化器16，使得量化器16接下来依据该新的量化位阶Qnew量化该宏区块M。最后，经可变长度编码器18编码后输出的编码比特流中，会使用7-8个位纪录量化器16量化该宏区块M时所使用的该新的量化位阶Qnew。
在步骤218中，不论位率控制器120是否以该新的量化位阶Qnew取代该原先的量化位阶Qold，位率控制器120均会更新量化位阶变化频率Freq_Q的值。请注意，由于在步骤204中所设定的计算量化位阶变化频率的时间基础P为20个宏区块，因此，位率控制器120更新Freq_Q的值时，会剔除掉该宏区块M前面的第20个宏区块(也就是与目前处理中的宏区块M在编码程序中距离最远、最旧的先前宏区块)，并将该宏区块M加入计算范围内，统计该宏区块M与其前19个宏区块(共20个宏区块)的量化过程中，量化位阶的变化次数，以作为更新后的Freq_Q的值。
步骤220的目的是判断在该宏区块M之后，是否还有其它宏区块需要进行量化。若该宏区块M是最后一宏区块，则结束本发明的流程；若该宏区块M之后还有其它的宏区块需要量化，则位率控制器120会进行步骤206，产生一相对应于该宏区块M的下一宏区块N的量化位阶，然后重复进行上述步骤。
由上述流程图200的说明中可发现，步骤204与步骤206的顺序是可以颠倒的，而不会对本发明的实施造成不良影响。另外，在上述步骤204的说明中是假设计算量化位阶变化频率的时间基础P为20个宏区块、量化位阶变化频率的上限值TH为10、量化位阶的变化频率Freq_Q的初始值为0、将量化位阶变化幅度的临界值为QTH。然则，上述参数值，仅是为了方便说明的举例，并非限定本发明所使用的参数值需如前所述。是故，步骤204中所设定的各参数值可依需要而调整。例如，计算量化位阶变化频率的时间基础P亦可设定为一特定长度的时间，或其它时间计算基准。而量化位阶变化频率的上限TH可设定为大于0的任何数目(整数或非整数皆可)。量化位阶的变化频率Freq_Q的初始值可设定为0，亦可设定为任何非0的数目。至于量化位阶变化幅度的临界值可设定为一特定数值或一特定百分比等等。
甚至，步骤204亦可进一步省略，只要预先写入所需要的这些参数值于控制位率控制器120运作的固件中亦可达成本发明的功效。
在本发明的一较佳实施例中，若该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold不相等时，则需要视该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold之间的变化幅度，以及比较此时量化位阶变化频率Freq_Q的值与该默认值TH，以决定是否以该新的量化位阶Qnew取代该原先的量化位阶Qold。而于本发明的另一实施例中，流程图200中的步骤210可以被省略。亦即，若该新的量化位阶Qnew与该原先的量化位阶Qold不相等时，仅比较此时量化位阶变化频率Freq_Q的值与该默认值TH，即可决定是否以该新的量化位阶Qnew取代该原先的量化位阶Qold。
相较于已知技术，本发明的位率控制器120的一项重要技术特征在于，可限制编码过程当中的量化位阶的变化频率，以降低最后输出的编码比特流中用来纪录量化位阶的位量，而空出更多位供视频信号数据使用，进而提升视频信号编码的品质。
以上是以一视频信号编码器100为例说明本发明的一较佳实施例，实际上，视频信号编码器100亦可为一计算机系统，而图2中的离散余弦变换装置12、动态估计及补偿器14、量化器16、可变长度编码器18、以及位率控制器120等方块，均可分别为对应的程序或整合为一视频信号编码程序。此时，图2的流程图200便相当于该视频信号编码程序的算法，其详细程序代码可以任何程序语言编写，在不影响本发明的技术揭露的情况下，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (12)
1.一种在一视频信号编码装置中用以控制一影像信号的量化位阶(Quantization Scale)的方法，该方法包含有：
(a)计算编码过程中的量化位阶变化频率；
(b)产生一新的量化位阶；以及
(c)比较该变化频率与一默认值，以决定是否以该新的量化位阶取代一原先的量化位阶；
其中，当该变化频率超过该默认值时，则不以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶，以使编码过程中的量化位阶变化频率维持在该默认值内，而且以上步骤(a)与步骤(b)的次序可以互换。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该默认值可为一预设时间内的量化位阶变化次数。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该默认值可为在进行该影像信号内一预设数量的宏区块的量化动作过程中量化位阶的变化次数。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该视频信号编码装置是使用一位率控制器以执行步骤(a)与步骤(b)。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该视频信号编码装置是一计算机系统，藉由执行一视频信号编码程序以进行步骤(a)与步骤(b)。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该方法另包含有比较该新的量化位阶与该原先的量化位阶，若该新的量化位阶与该原先的量化位阶的差距超过一预设范围时，不论该变化频率是否超过该默认值，均以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该方法另包含有比较该新的量化位阶与该原先的量化位阶，若该新的量化位阶与该原先的量化位阶的差距不超过一预设范围时，比较该变化频率与该默认值，以决定是否以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶。
8.一种视频信号量化装置，用来对一影像信号进行量化，以产生一量化后的矩阵，该视频信号量化装置包含有：
一量化器，用以依据一量化位阶对一影像信号进行量化；以及
一位率控制器，电连于该量化器，用以提供该量化位阶；
其中，该位率控制器会计算编码过程中量化位阶的变化频率，并与一默认值相比较，当该位率控制器产生一新的量化位阶时，若该变化频率超过该默认值，则该位率控制器不会以该新的量化位阶取代该量化器使用中的一原先的量化位阶，以使该量化位阶的变化频率维持在该默认值的范围内。
9.如权利要求8所述的量化装置，其中，该默认值可为一预设时间内的量化位阶变化次数。
10.如权利要求8所述的量化装置，其中，该默认值可为在进行该影像信号内一预设数量的宏区块的量化动作过程中量化位阶的变化次数。
11.如权利要求8所述的量化装置，其中，该位率控制器会比较该新的量化位阶与该原先的量化位阶的差距，当差距超过一预设范围时，不论该变化频率是否超过该默认值，该位率控制器均会将该新的量化位阶传送至该量化器，以取代该原先的量化位阶。
12.如权利要求8所述的量化装置，其中，该位率控制器会比较该新的量化位阶与该原先的量化位阶的差距，当差距不超过一预设范围时，该位率控制器会比较该变化频率与该默认值，以决定是否以该新的量化位阶取代该原先的量化位阶。
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