CN1647544A - 用于编码和解码的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编码与原始彩色图像序列对应的输入数字视频序列的方法，所说方法至少包括：转换步骤，用于转换所说的视频序列，使其从空间域转换为较少的表示数据；量化步骤，用于变换这样获得的转换信号为一个缩减的数据组；编码步骤，用于编码缩减的数据组。按照本发明，所说的编码方法还包括：在所说转换步骤之前的一个预处理步骤，用于确定输入视频序列是否在YUV彩色空间内，Y是亮度分量，U、V是色度分量，并且借助于一种非线性转换将所说空间转换成较少冗余性的彩色空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量。

Description

用于编码和解码的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及视频压缩，更加具体地说，涉及编码与原始彩色图像序列对应的输入数字视频图像序列的方法，所说方法至少包括如下步骤：

(1)转换步骤，用于转换所说的视频序列，使其从原始空间表示域转换为较少的表示数据(例如，在变换编码、基于网格的编码、预测编码等中所使用的)；

(2)量化步骤，用于变换这样获得的转换信号为一个缩减的数据组；

(3)编码步骤，用于编码所说缩减的数据组。

本发明还涉及一种对应的编码器，涉及解码借助于所说的编码方法编码的信号的方法，涉及对应的解码器，并且涉及用于实施所说的编码和解码方法的包括计算机可读程序代码的系统。

背景技术

数据压缩系统通常利用数据的冗余性操作原始数据流，以便将所说数据的大小减小到更适合传送或存储操作的压缩格式。对于这些数据，可以使用几个彩色空间(每个彩色空间都利用线性无关的3种颜色完全参数化)，例如，红绿蓝(RGB)彩色空间(这个彩色空间仍旧是严重冗余的)；或者所谓的对立的彩色空间，通常是黑/白(或WB)、红/绿(或RG)、和蓝/黄(或BY)；或者，在视频情况下，YUV空间。

按照传统的视频处理方法，视频通常沿3个下面的独立通道进行编码：亮度Y、色度分量U、色度分量V。因为利用这个传统的(Y、U、V)表示方案大幅度地改进速率/畸变之比看起来很困难，所以在欧洲专利申请No.02290484.1(本申请人在2002年2月28日提交(PHFR020014))建议改变这个表示空间以实现较高的编码效率(例如，为了利用相同的比特预算编码更多的信息，或者利用少得多的比特编码较少的信息)。在所说的文献中描述的编码方法主要包括：在编码步骤之前的一个预处理步骤，用于确认输入视频序列在哪一个彩色空间内，并且借助于一个非线性转换将所说空间转换成较少冗余性的空间。然而，较少的信息可能导致较低的质量。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供另一种编码方法，用于压缩数字彩色视频序列，借助于一种非线性变换，将所说序列的原始彩色空间变换成较少冗余的空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量。

为此，本发明涉及如在本说明书的引言部分定义的编码方法，所说编码方法的特征在于：在所说转换步骤之前包括一个预处理步骤，用于确定输入视频序列的彩色空间是否是YUV彩色空间，这里，Y是亮度分量，U、V是色度分量，并且借助于一个非线性转换将所说YUV彩色空间转换成较少冗余性的彩色空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量。

通过以较高精度进行编码，获得信息的所有相关部分，但非相关信息可能变差，并且获得较好的编码效率。

附图说明

下面参照附图更加详细地描述本发明，其中：

图1表示均匀亮度动态压缩(X轴对应于原始亮度值，Y轴对应于新的压缩后获得的亮度值)；

图2表示按照本发明的具有相似的坐标轴的感觉动态压缩的实例；

图3表示按照相关范围的亮度压缩的不同比例的情况；

图4表示对于侧边范围的一个自适应的和分段连续的压缩的情况；

图5表示原始亮度值如何集结在中央范围的外部；

图6和7分别描述按照本发明的编码设备和解码设备。

具体实施方式

如果考虑到：对于很宽的应用范围(如数字电影、高清晰度电视、科学图像的发送和显示，...)来说最终的消费者是人的眼睛，则本发明的基本思想就在于：根据人类原始的视觉系统感觉的视觉信号的分割来选择一种表达方式，即设计图像代码以使图像编码与人类观察者的视觉能力匹配。

有关感觉方面的研究已经表明，在标准的观察条件下，人的眼睛不可能区分小的亮度变化(1-5灰度水平)。那么通用的处理方法在于使用较少的灰度水平均匀压缩动态亮度，例如在图1中所表示的，这里使用128个亮度灰度水平来代替256个灰度水平(这等效于7位的亮度编码)。测试表明，如果先向一个图像施加这个亮度的动态压缩然后进行逆变换，人的眼睛不可能检测到在原始图像和重构图像之间的任何变化。

按照本发明，建议自适应地压缩亮度的动态变化。由本申请人完成的感觉实验表明，对于包括256个灰度水平(例如0-255)的动态亮度，人的眼睛对于亮度范围[70；130]的亮度变化的敏感度比对于亮度范围[0；70]或亮度范围[130；250]的敏感度更大。更加一般地，本申请人已经考虑到，对于包括N个灰度水平(例如，0-N-1)的亮度动态，关联性更大的信息是位于中央范围[A；B]内的信息，关联性较小的信息是位于侧边范围[0；A]和[B；N-1]内的信息。

为了按照所考虑的动态范围利用可变感觉的这种性质，那么建议：指定一个有N个灰度水平(例如，如图2所示的0-N-1)的原始亮度范围，并且按照图1所示的均匀亮度动态压缩，则输出一个M个灰度水平(例如，如图2所示的0-M-1)的对应的输出亮度范围，其中M小于N，从而可以保持中央范围[A；B]内的动态亮度不变，并且压缩所说的中央范围之外的亮度，如图2所示。如以上看到的，由本申请人完成的测试表明，A＝70和B＝130是优选的值(对于N＝256)。例如，在如图3所示的例中，动态亮度在70和130之间保持不变，而在这个范围之外，即在0和70之间以及在130和255之间，使用的压缩比为2。

在实践中，可建议使用几个压缩模式。在图2的例中，在侧边范围的压缩是均匀的，但其它的解决方案也是可能的。如图4所示，在中央范围之外的压缩还可以是自适应和分片连续的。以此方式，亮度压缩从0到A以及从N-1到B是逐渐减小的。例如，可以使用简单的仿射函数(图4中的3)，但也可以使用更复杂的函数(如反曲函数)。一种可替换的解决方案是对于中央范围的值以及中央范围以外的值使用不同的比值。例如，在中央范围[70；130]内使用的比值为2，在侧边范围[0；70][130；255]使用较高的比值，从256个灰度水平压缩到64个灰度水平(即，使用6位)。

还要说明的是，因为在动态压缩后只使用M个整数值，一旦进行亮度变换，在中央范围(在A和B之间)内对于原始值要使用更加精确的值，而在所说的中央范围之外的单个范围内会集结许多原始值(如图5所示)，并且这些集结的值又可能集结起来，因而在两个侧边范围中的任何一个之内或者在这两者之内，会进一步增加动态压缩。

现在描述用于实施按照本发明的编码方法的编码设备的一个实施例。如图6所示，首先将视频序列(视频信号VS)提供给处理器61，处理器61的输出由编码器62接收。包含在输入视频信号中的数据包括像素值，像素值描述视频序列对应的原始图像中的一个对应位置的彩色分量(亮度信号Y、彩色差值信号U和V)。编码器62例如包括：DCT(分立余弦变换)变换电路161，用于线性转换8×8像素块到频率域内；量化器162，用于接收这样获得的DCT系数，对它们进行量化；可变长度编码器163，用于实现量化的DCT系数的编码步骤；和速率控制器164，用于存储编码器163的输出信号并且发送一个反馈信号到量化器162，所说的反馈信号可以修改量化设定值(这样的速率控制器通常包括用于接收编码的比特流的缓冲器和用于产生更新的量化设定值的更新电路)。提供处理器61用于改变表示空间(Y、U、V)，使之进入新的空间。

在解码一侧，提供一个解码设备，用于实现以上所述的逆变换，并且如图7所示，解码设备包括：解码器71，在解码器71后面是后处理器72，用于实现所说的逆变换，以恢复真正的彩色图像CI。所说的解码器用于接收借助于以上所述的编码设备编码的比特流，解码器通常包括：可变长度解码器171、逆向量化电路172、逆向DCT电路173、和重构电路174。

可以按照各种各样的方式来分别实现编码设备(61、62)和解码设备(71、72)，以完成这里描述的各种功能。在一个实施例中，可以将它们实施成存储在介质上的软件，并且通过通用的或者专门配置的计算机系统来执行这种软件，所说的计算机系统通常包括中央处理单元、存储器、和一个或多个输入/输出设备和处理器。按照另一种方式，它们可以实施成硬件、软件、或固件的组合，但不排除单个硬件或软件可以完成几种功能，或者也不排除硬件或软件或两者的组件完成单个功能。这里描述的方法和设备可以通过任何类型的计算机系统或者适于实现这里描述的方法的其它设备来实现，这个计算机系统包括计数机程序，当装入和执行计数机程序时，计数机程序控制计算机系统以实现这里描述的方法。

按照另一种方式，可以使用专用的计算机，其中包含用于实现本发明的一个或多个功能任务的专用硬件。本发明还可以在计算机程序产品中实施，所说的计算机程序产品包括能够实施这里描述的方法和功能的所有特征部件，当将计算机程序产品装入计算机系统中时，计算机程序产品能够实现这些方法和功能。在本文中的计算机程序、软件程序、程序、程序产品或软件意指用任何语言、代码或记法表示的一组指令的任意表示，这组指令旨在使具有信号处理能力的系统能够实现特定的功能，或者直接实现，或者在以下的两项中的一项或两项之后实现：(a)转换为另一种语言、代码或记法；和/或(b)按照不同材料的形式再现。

Claims (16)

1.一种编码与原始彩色图像序列对应的输入数字视频序列的方法，所说方法至少包括如下步骤：

(1)转换步骤，用于转换所说的视频序列，使其从原始空间表示域转换为较少的表示数据；

(2)量化步骤，用于变换这样获得的转换信号为一个缩减的数据组；

(3)编码步骤，用于编码所说缩减的数据组；

所说的编码方法另外的特征在于它还包括：

(4)在所说转换步骤之前的一个预处理步骤，用于确定输入的视频序列的彩色空间是否是YUV彩色空间，这里，Y是亮度分量，U、V是色度分量，并且借助于一种非线性转换将所说YUV彩色空间转换成较少冗余性的彩色空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量。

2.根据权利要求1所述的编码方法，其中：所说的预处理步骤是一种操作，这种操作就是在所说的压缩步骤之前通过使用小于原始灰度水平数目N的数目为M的灰度水平压缩动态亮度，所说的压缩操作的特征在于：将所说N个灰度水平的动态亮度分割为一个中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]，借助于压缩操作，将原始的侧边范围[0；A]和[B；N-1]变换成变换的侧边范围[0；C]和[D；M-1]，其中的[0；C]小于[0；A]，并且[D；M-1]小于[B；N-1]，原始的中央范围[A；B]保持不变。

3.根据权利要求2所述的编码方法，其特征在于：在所说的侧边范围中的压缩是均匀的。

4.根据权利要求1所述的编码方法，其中：所说的预处理步骤是一种操作，这种操作就是在所说的压缩操作之前通过使用小于原始灰度水平数目N的数目为M的灰度水平压缩动态亮度，所说的压缩操作的特征在于：将所说N个灰度水平的动态亮度分割为一个中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]，借助于压缩操作，将原始的中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]分别变换成一个变换的中央范围[C；D]和变换的侧边范围[0；C]和[D；M-1]，其中的[0；C]小于[0；A]，[C；D]小于[A；B]并且[D；M-1]小于[B；N-1]，加到原始中央范围[A；B]的压缩比小于加到原始侧边范围的压缩比。

5.根据权利要求4所述的编码方法，其特征在于：在所说中央范围和侧边范围的压缩比是均匀的。

6.根据权利要求2和4中任何一个所述的编码方法，其特征在于：在所说侧边范围中的压缩是自适应和分片连续的，在每个所说的侧边范围的与中央范围连续的部分，亮度压缩是逐渐减小的。

7.根据权利要求6所述的编码方法，其特征在于：对于在所说的连续部分内的逐渐减小的亮度压缩，使用一个或几个仿射函数。

8.根据权利要求6所述的编码方法，其特征在于：对于在所说的连续部分内的逐渐减小的亮度压缩，使用反曲函数。

9.根据权利要求5-7中任何一个所述的编码方法，其特征在于：在亮度动态压缩后，某些变换的值还集结在侧边范围，所以在所说的范围还要进行进一步的动态压缩。

10.一种用于编码与原始彩色图像序列对应的输入数字视频序列的设备，所说的设备至少包括：

(1)转换装置，用于转换所说的视频序列，使其从原始空间表示域转换为较少的表示数据；

(2)量化装置，用于变换这样获得的转换信号为一个缩减的数据组；

(3)编码装置，用于编码所说缩减的数据组；

所说的编码装置另外的特征在于它还包括：

(4)在所说转换装置之前的一个预处理装置，用于确定输入的视频序列的彩色空间是否是YUV彩色空间，这里，Y是亮度分量，U、V是色度分量，并且借助于一种非线性转换将所说YUV彩色空间转换成较少冗余性的彩色空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量。

11.根据权利要求10所述的编码设备，其中：所说的预处理装置是一种压缩级，这个压缩级就是在压缩之前通过使用小于原始灰度水平数目N的数目为M的灰度水平缩减动态亮度，将所说N个灰度水平的动态亮度分割为一个中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]，借助于压缩操作，将原始的侧边范围[0；A]和[B；N-1]变换成变换的侧边范围[0；C]和[D；M-1]，其中的[0；C]小于[0；A]，并且[D；M-1]小于[B；N-1]，原始的中央范围[A；B]保持不变。

12.根据权利要求10所述的编码设备，其中：所说的预处理装置是一压缩级，其中在所说的压缩之前通过使用小于原始灰度水平数目N的数目为M的灰度水平缩减动态亮度，所说的压缩操作在于：将所说N个灰度水平的动态亮度分割为一个中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]，借助于压缩操作，将原始的中央范围[A；B]和两个侧边范围[0；A]和[B；N-1]分别变换成一个变换的中央范围[C；D]和变换的侧边范围[0；C]和[D；M-1]，其中的[0；C]小于[0；A]，[C；D]小于[A；B]并且[D；M-1]小于[B；N-1]，加到原始的中央范围[A；B]的压缩比小于加到原始的侧边范围的压缩比。

13.一种包括计算机可用介质的系统，其中嵌入计算机可读程序代码装置，用于实施数字视频代码设备，数字视频代码设备用于编码与原始彩色图像序列对应的输入数字视频序列，所说计算机可读程序代码装置包括下述的计算机可读程序代码：

--使所说的计算机检测输入彩色视频序列的彩色空间是否是YUV彩色空间，并且将所说YUV彩色空间转换成较少冗余性的彩色空间的程序代码，这里，Y是亮度分量，U、V是色度分量；

--使所说的计算机转换所说的经过变换的序列、使其从原始空间表示域转换为具有较少表示数据的新的表示域的程序代码；

--使所说的计算机实现所说经过变换的序列的量化的程序代码；

--使所说的计算机编码这样获得的量化的数据的程序代码。

14.一种用于解码借助于一种编码方法编码的信号的方法，所说的编码方法应用到与原始彩色图像序列对应的输入数字视频序列的本身，所说编码方法至少包括如下步骤：

(1)转换步骤，用于转换所说的视频序列，使其从原始空间表示域转换为较少的表示数据；

(2)量化步骤，用于变换这样获得的转换信号为一个缩减的数据组；

(3)编码步骤，用于编码所说缩减的数据组；

(4)在所说转换步骤之前的一个预处理步骤，用于确定输入视频序列的彩色空间是否是YUV彩色空间，这里，Y是亮度分量，U、V是色度分量，并且借助于一种非线性转换将所说YUV彩色空间转换成较少冗余性的彩色空间，其中考虑到最终获得的可能较低的质量；

所说的解码方法的特征在于它包括如下步骤：

(1)解码步骤，用于解码所说编码的信号；

(2)反向量化步骤，应用到这样获得的经过解码的信号上；

(3)逆变换步骤，用于变换这样获得的经过逆向量化的信号到原始空间表示域；

(4)后处理步骤，用于在这样获得的经过逆向变换的信号上实现针对在所说预处理步骤中提供的非线性变换的逆变换。

15.一种用于借助于根据权利要求14所述的解码方法对于信号进行解码的设备。

16.一种包括计算机可用介质的系统，其中嵌入计算机可读程序代码装置，用于实施根据权利要求14所述的数字视频解码方法。

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