CN1725858A - 用于控制比特率的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制比特率的设备和方法。所述设备包括：缓冲器，用于存储关于要压缩帧的紧挨前帧的比特率的信息；比特率控制器，用于根据紧挨前帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率和期望比特率，并根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，计算要应用到要压缩帧的目标量化等级；以及量化器，用于根据目标量化等级来执行量化处理。

Description

用于控制比特率的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制比特率的设备和方法。更具体地，本发明涉及一种通过采用编码复杂度因子来控制比特率的设备和方法。
背景技术
随着微处理器、半导体和数字信号处理器的发展，用于数字化、存储和传输图像信号的技术快速发展。然而，当数字地存储并传输图像信号时，与模拟传输相比，未压缩图像信号的带宽非常大。因此，需要压缩数字图像信号，以去除多余信息，从而经济并有效地实现传输信道和存储介质。
为了满足该需要，广泛地使用了基于离散余弦变换(DCT)的压缩方法。在基于DCT的压缩方法中，将在其上执行DCT的图像信号的频谱集中在低频部分。因此，通过完全编码低频部分，利用较少数目的比特，能够完全表示出原始图像信号的图像信息。
此外，对于已经执行了DCT的图像信号执行可变长度编码(VLC)，以便压缩图像信号。VLC参考图像信息的概率密度，可变地分配和传输预定的码字。因此，VLC适于处理非均匀分布的图像信息。因此，对于完全表示包括非均匀分布图像信息的图像信号，基于DCT的VLC非常适合。
然而，当压缩非均匀分布图像信息时，需要受控的比特率以按照恒定的传输速率来传输所产生的图像信号，从而保持稳定的系统。换句话说，当存储或传输利用VLC压缩的图像信号时，每单位时间的比特率必须恒定。因此，必须安装缓冲器来控制比特率。这里，应当调整量化器的量化等级(1evel)，以控制比特率。
图1是传统基于DCT的压缩器的方框图。参考图1，传统基于DCT的压缩器100包括：离散余弦变换器101、量化器103、可变长度编码器105、缓冲器107、逆量化器109、离散余弦逆变换器111、运动估计器113、运动补偿器115和帧存储器117。传统基于DCT的压缩器100还包括复杂度运算器119和比特率控制器120。
离散余弦变换器101对于要压缩的输入图像信号帧执行DCT，从而将基于空间的图像信号变换为基于频率的能量分布。量化器103将从离散余弦变换器101输出的系数数据近似为有限数目的数值，并Z字形的方式扫描数值，从而沿一维空间重新排列数值。这里，量化器103根据从比特率控制器120输出的量化等级Q执行量化处理。这里，在运动图像专家组(MPEG)-4标准中，也将量化等级Q称作量化参数。
可变长度编码器105对从量化器103输出的数据执行VLC，以压缩数据。缓冲器107顺序地存储从可变长度编码器105输出的数据，并顺序地输出数据。因此，缓冲器107能够识别要压缩的帧的比特率信息R。缓冲器107还将紧挨在要压缩帧之前的帧(以下称作“紧挨前帧(immediately-preceding frame)”)的比特率信息R提供到比特率控制器120。
逆量化器109接收来自量化器103的数据并逆量化数据。离散余弦逆变换器111对从逆量化器109输出的数据执行逆DCT，以便将数据解码为原始图像数据。运动估计器113根据从离散余弦逆变换器111输出的数据和原始图像信号，产生运动矢量M.V。运动补偿器115根据从运动估计器113输出的运动矢量M.V，按照编码顺序从紧挨前帧或多个之前帧中估计运动补偿，并输出估计结果。参考数字117表示帧存储器，用于存储通过离散余弦逆变换器111等发送的图像信息。
比特率控制器120包括目标比特率运算器121和量化等级运算器125。复杂度运算器119确定要压缩的帧的编码复杂度，以产生复杂度系数S。比特率控制器120接收来自复杂度运算器119的复杂度系数S和来自缓冲器107的紧挨前帧的比特率信息R。目标比特率运算器121根据包括紧挨前帧的之前帧的比特率信息R和图像信号的未压缩帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率RT，并将目标比特率RT输出到量化等级运算器125。量化等级运算器125利用等式1，根据目标比特率RT和从复杂度运算器119输出的复杂度系数S，计算量化等级Q：
RT＝X1×S×Q-1+X2×S×Q-2…(1)其中RT表示要压缩帧的目标比特率，S表示复杂度系数，Q表示量化等级，X1和X2表示模型参数，其能够变化，以便向任意压缩机提供最优压缩。根据MPEG-4标准来说明等式1，由此将MPEG-4标准在此合并参考。
将由量化等级运算器125产生的量化等级Q输出到量化器103。因此，根据紧挨前帧的复杂度系数S，在比特率的控制下压缩要压缩的帧。
如上所述，传统基于DCT的压缩器100附加地包括复杂度运算器119。然而，复杂度运算器119利用原始图像信号来确定复杂度系数S，这导致压缩速度变慢。此外，由于复杂度运算器119以象素为单位确定复杂度系数S，需要较高容量的存储器。因此，传统基于DCT的压缩器100的每单位制造成本增大。此外，在已有设计的硬件上没有反映复杂度运算器119的情况下，不能应用复杂度运算器119。
发明内容
因此，本发明的总体概念在于解决上述问题并提供其它优点，本发明的总体概念的一方面在于提供一种用于控制比特率以反映编码复杂度因子的设备和方法，而无需直接确定编码复杂度。
根据本发明的一方面，提供了一种用于当压缩图像信号的每一帧时控制每一帧的比特率的设备。该设备包括：缓冲器，用于存储关于要压缩帧的紧挨前帧的比特率的信息；比特率控制器，用于根据紧挨前帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率和期望比特率，并根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，计算要应用到要压缩帧的目标量化等级；以及量化器，用于根据目标量化等级来执行量化处理。
比特率控制器利用等式QT＝(Qn/RT)×+Rn+1来确定目标量化等级QT，其中，Qn、RT和Rn+1分别表示应用到紧挨前帧的量化等级、目标比特率和期望比特率。
比特率控制器可以包括：目标比特率运算器，用于根据紧挨前帧的比特率和图像信号的未压缩帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率；期望比特率估计器，用于利用向其应用了要压缩帧之前的多个帧的比特率的预定估计滤波器，估计期望比特率；以及量化等级运算器，用于根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，确定目标量化等级。
预定估计滤波器可以是能够估计数据的均值滤波器和卡尔曼(Kalman)滤波器之一。
目标比特率运算器可以根据包括紧挨前帧的之前帧的比特率与图像信号的未压缩帧的比特率的比率，产生目标比特率。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于当压缩图像信号的每一帧时控制每一帧的比特率的方法。该方法包括步骤：根据要压缩帧的紧挨前帧的比特率，产生所存储的要压缩帧的目标比特率和期望比特率；根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，计算要应用到要压缩帧的目标量化等级；以及根据目标量化等级来执行量化处理。
附图说明
参考附图，通过说明本发明的特定实施例，本发明的上述方面和特点将更加显而易见，其中：
图1是传统基于DCT的压缩器的方框图；
图2是根据本发明实施例的基于DCT的压缩器的方框图；
图3是根据本发明实施例的图2所示的比特率控制器的方框图；以及
图4是示出了根据本发明实施例的控制比特率的方法的流程图。
贯穿附图，应当注意，相同的参考数字用于表示相同或相似的组件、特点和结构。
具体实施方式
参考附图，详细说明本发明的典型实施例。
说明书中所限定的内容作为实例，例如详细的结构和组件。因此，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，显然可以对这里提供的实例进行各种改变和修改。此外，这里不再详细说明公知功能或结构，以便提供本发明典型实施例的清楚和准确说明。
图2是根据本发明实施例的基于DCT的压缩器的方框图，图3是图2所示比特率控制器的方框图。
参考图2，基于DCT的压缩器200包括：离散余弦变换器201、量化器203、可变长度编码器205、缓冲器207、逆量化器209、离散余弦逆变换器211、运动估计器213、运动补偿器215和帧存储器217。基于DCT的压缩器200还包括比特率控制器220。
比特率控制器220接收来自缓冲器207的紧挨前帧的比特率信息Rn。比特率控制器220根据紧挨前帧的比特率信息Rn产生目标量化等级QT，并将目标量化等级QT输出到量化器203。量化器203根据目标量化等级QT执行量化处理。根据本发明的实施例，尽管这里没有详细说明图1所示的复杂度运算器119，目标量化等级QT反映了编码复杂度的因子。
参考图3，比特率控制器220包括目标比特率运算器221、期望比特率估计器223和量化等级运算器225。
目标比特率运算器221根据紧挨前帧的比特流信息Rn和图像信号的未压缩帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率RT，并将目标比特率RT输出到量化等级运算器225。这里，优选地，根据紧挨前帧的比特率信息Rn、之前帧的比特率和图像信号的未压缩帧的比特率，确定目标比特率RT。
期望比特率估计器223利用要压缩帧之前的多个帧的比特率信息Rn-a，Rn-a+1，…，Rn-1和Rn，估计要压缩帧的期望比特率Rn+1，并将期望比特率Rn+1输出到量化等级运算器225。这里，可以根据制造商或用户来改变多个之前帧的数目。
在期望比特率估计方法中，期望比特率估计器223可以采用能够估计数据的各种估计滤波器。例如，期望比特率估计器223可以采用均值滤波器、Kalman滤波器或其它任意适合的滤波器。然而，这里所述的本发明的典型实施例采用了任意期望比特率估计方法，通过该方法，能够从之前帧的比特率信息中估计要压缩帧的比特率。
量化等级运算器225存储应用到紧挨前帧的量化等级信息Qn。
量化等级运算器225根据从目标比特率运算器221输出的目标比特率RT、从期望比特率估计器223输出的期望比特率Rn+1以及应用到紧挨前帧的存储量化等级Qn，确定要应用到要压缩帧的目标量化等级QT。这里，利用等式2来计算目标量化等级QT：
QT＝(Qn/RT)×Rn+1            …(2)
因此，根据本发明的典型实施例，考虑编码复杂度的因子而不是复杂度运算器来确定量化等级。现在将更详细地说明该操作的基础。
以下，Qn表示应用到紧挨前帧的量化等级，Qn+1表示要应用到要压缩帧的实际量化等级。此外，An表示紧挨前帧的复杂度反映参数，An+1表示要压缩帧的复杂度反映参数。此外，Rn表示紧挨前帧的比特率信息，Rn+1表示利用上述估计方法产生的要压缩帧的期望比特率。RT表示要压缩帧的目标比特率，以及QT表示要应用到要压缩帧的目标量化等级。如上所述，根据紧挨前帧的比特率信息Rn和图像信号的未压缩帧的比特率，计算要压缩帧的目标比特率RT。
i)假设Qn等于Qn+1。当将应用到紧挨前帧的量化等级Qn应用到要压缩帧时，进行该假设，以便估计期望的比特率Rn+1。
ii)将An定义为以下等式3。这里，考虑等式1，An是反映了编码复杂度因子的参数。该定义归因于量化等级和比特率之间的反比关系。
An＝Rn×Qn             …(3)
iii)于是，由于根据等式3，Rn＝An/Qn成立，则等式4成立：
An+1＝Rn+1×Qn+1         …(4)
iv)从假设Qn等于Qn+1，可以得到等式5所示的结果：
An+1＝Rn+1×Qn           …(5)
v)当分别将要压缩的目标比特率和目标量化等级假设为RT和QT时，Rn+1可以对应于RT，Qn+1可以对应于QT。因此，通过等式4，等式6和7成立：
An+1＝RT×QT              …(6)
RT＝An+1/QT               …(7)
vi)从将等式5替换等式7的An+1，能够得到等式8和9：
RT(Rn+1×Qn)/QT         …(8)
QT＝(Rn+1×Qn)/RT       …(9)
vii)因此，能够得到与等式2相同的结果。这里，应当注意以下事实：考虑到了反映编码复杂度的参数An，并消除了反映编码复杂度，但实质上没有计算编码复杂度。
图4是用于演示根据本发明实施例的控制比特率的方法的流程图。
参考图2到4，在步骤S310，将要压缩的帧输入基于DCT的压缩器200。
在步骤S320，将紧挨前帧的比特率信息Rn从缓冲器207输入到比特率控制器220。在步骤S330，比特率控制器220的目标比特率运算器221根据紧挨前帧的比特率信息Rn和图像信号的未压缩帧的比特率，确定要压缩帧的目标比特率RT。在步骤S340，期望比特率估计器223根据要压缩帧之前的多个帧的比特率信息Rn-a，Rn-a+1，…，Rn-1和Rn，估计要压缩帧的期望比特率Rn+1。在步骤S350，量化等级估计器225根据目标比特率RT、期望比特率Rn+1以及应用到紧挨前帧的存储量化等级Qn，确定要应用到要压缩帧的目标量化等级QT。这里，优选地，利用上述等式2来确定目标量化等级QT。
在步骤S360，将目标量化等级QT输出到量化器203，并根据目标量化等级QT来量化要压缩的DCT处理帧。在步骤S370，压缩要压缩的已量化帧，并通过可变长度编码器205和缓冲器207将其输出。
如上所述，在根据本发明典型实施例的控制比特率的设备和方法中，不需要附加的方框来确定复杂度系数，并且不需要附加地确定复杂度系数。因此，能够将压缩速度提高通过确定复杂度系数所需的时间。此外，由于不需要确定复杂度系数的存储器。能够减小每单位制造成本。因此，有利地，能够较廉价的制造采用本发明典型实施例的产品。此外，可以将本发明的典型实施例实现为软件，由此能够应用到已经设计的硬件上。
前述实施例的优点仅为实例，并且不应被设想为本发明的限制。可以将本发明容易地应用到其它类型的设备中。此外，本发明的实施例的说明作为演示，而不是权利要求的限制，多个改变、修改和变化对于本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (10)

1、一种用于当压缩图像信号的每一帧时控制每一帧的比特率的设备，所述设备包括：
缓冲器，用于存储关于要压缩帧的紧挨前帧的比特率的信息；
比特率控制器，用于根据紧挨前帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率和期望比特率，并根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，计算要应用到要压缩帧的目标量化等级；以及
量化器，用于根据目标量化等级来执行量化处理。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述比特率控制器利用以下等式来确定目标量化等级QT：
QT＝(Qn/RT)×+Rn+1
其中，Qn、RT和Rn+1分别表示应用到紧挨前帧的量化等级、目标比特率和期望比特率。
3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于比特率控制器包括：
目标比特率运算器，用于根据紧挨前帧的比特率和图像信号的未压缩帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率；
期望比特率估计器，用于利用向其应用了要压缩帧之前的多个帧的比特率的预定估计滤波器，估计期望比特率；以及
量化等级运算器，用于根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，确定目标量化等级。
4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于预定估计滤波器是能够估计数据的均值滤波器和卡尔曼滤波器之一。
5、根据权利要求3所述的设备，其特征在于目标比特率运算器根据包括紧挨前帧的之前帧的比特率与图像信号的未压缩帧的比特率的比率，产生目标比特率。
6、一种用于当压缩图像信号的每一帧时控制每一帧的比特率的方法，所述方法包括步骤：
根据要压缩帧的紧挨前帧的比特率，产生所存储的要压缩帧的目标比特率和期望比特率；
根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，计算要应用到要压缩帧的目标量化等级；以及
根据目标量化等级来执行量化处理。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于利用以下等式来确定目标量化等级QT：
QT＝(Qn/RT)×+Rn+1
其中，Qn、RT和Rn+1分别表示应用到紧挨前帧的量化等级、目标比特率和期望比特率。
8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于目标量化等级的计算包括步骤：
根据紧挨前帧的比特率和图像信号的未压缩帧的比特率，产生要压缩帧的目标比特率；
利用向其应用了要压缩帧之前的多个帧的比特率的预定估计滤波器，估计期望比特率；以及
根据目标比特率、期望比特率和应用到紧挨前帧的量化等级，确定目标量化等级。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于预定估计滤波器是能够估计数据的均值滤波器和卡尔曼滤波器之一。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于根据包括紧挨前帧的之前帧的比特率与图像信号的未压缩帧的比特率的比率，产生目标比特率。
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