CN1874521A - 用于图像编码和解码的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于视频编码和解码的设备和方法，其中，使用增加可用于帧内预测的相邻块数目的预定形状的块，执行视频编码和解码。视频编码器包括画面划分单元和编码单元。画面划分单元将要被编码的画面划分成允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状的块。编码单元以允许在所划分块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序执行编码。

Description

用于图像编码和解码的设备和方法
对相关专利申请的交叉引用
本申请要求来自2005年5月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2005-0045611的优先权，在此将其全文引作参考。
技术领域
根据本发明的设备和方法涉及一种用于视频编码和解码的设备和方法，特别涉及一种用于视频编码和解码的设备和方法，其中使用增加用于帧内预测(intraprediction)的相邻块数目的预定形状的宏块和预定扫描次序，执行视频编码和解码。
背景技术
公知的视频压缩标准，例如运动图像专家组(MPEG)-1、MPEG-2、MPEG-4视觉(Visual)、H.261、H.263、以及H.264，使用M×N矩形块作为编码单元。
图1是示出在传统的H.264视频压缩标准中用作参考画面确定及其运动补偿的单元的块的参考图。
如图1所示，根据传统的H.264视频压缩标准，以16×16宏决为单元执行编码或解码，其中在画面中包括多个宏块，或者以通过将宏块划分成2或4个子块而获得的子块为单元。基于预测而执行编码和解码。这种使用M×N个块的编码不仅需要易于计算的简单的运动补偿，而且适于基于矩形视频帧和块的图像变换，例如离散余弦变换(DCT)，并且提供了一种对于各种类型的视频图像有效的模型。
然而，在视频帧中要被编码的像素数据不一定与正方形的子块或宏块相符。换句话说，实际对象很少与正方形边界相符，并且运动对象可能位于像素之间，而不是帧间的某个像素位置中。此外，如果发生各种类型的对象运动，例如变换、旋转、扭转、以及浓雾化(dense fog)，则当使用基于正方形块的编码时，编码效率就不够高。
发明内容
本发明提供了一种用于图像编码和解码的设备和方法，其中，通过使用增加可用于帧内预测的相邻块的数目的预定形状的块，而非通过使用传统的基于正方形块的编码，高效率地使用参考画面的相邻像素或块。
本发明还提供了一种用于图像编码和解码的设备和方法，其中基于人类视觉特性而改善主观的图像质量。
根据本发明的一方面，提供了一种图像编码器，包括画面划分单元和编码单元。画面划分单元将要被编码的画面划分成多个块，每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状。编码单元以允许在所划分块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序执行编码。
画面划分单元可以包括外插(extrapolation)单元和划分单元。外插单元扩展画面，以便将画面与多个块匹配。划分单元将所扩展的画面划分成多个块。
外插单元可以通过对画面边界周围的像素进行外插来扩展画面。
编码单元可以包括预测单元、变换单元、量化单元、以及熵编码单元。预测单元以所划分的块为单元执行帧内预测(intraprediction)和帧间预测(interprediction)中的至少一个。变换单元变换由预测单元预测的数据与画面之间的差值。量化单元量化由变换单元变换的数据。熵编码单元通过压缩由量化单元量化的数据而创建位流。
预定形状可以是六边形。
预定扫描可以在水平和垂直方向中的至少一个上执行。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于图像编码的方法。该方法包括：将要被编码的画面划分成多个块，每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状，以允许在所划分块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序，执行帧内预测和帧间预测中的至少一个，以及计算帧内预测和帧间预测中的至少一个的结果与画面之间的差值，并且对通过该计算而得到的剩余值(residue)进行编码。
预定形状可以是六边形。
预定扫描可以在水平和垂直方向中的至少一个上执行。
该方法还可以包括扩展画面，以便将画面与多个块匹配。
可以通过对画面边界周围的像素进行外插来执行画面的扩展。
根据本发明的另一方面，提供了一种图像解码器，包括熵解码器、逆量化单元、逆变换单元、参考画面外插单元、运动补偿单元、以及帧内预测单元。熵解码器从以块为单元编码的位流中提取纹理信息和运动信息，其中每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状。逆量化单元逆量化纹理信息。逆变换单元根据逆量化的纹理信息重建剩余值。参考画面外插单元扩展用于运动补偿的参考画面。运动补偿单元使用运动信息，根据所扩展的参考画面预测要被解码的预定形状的块。帧内预测单元根据所解码的相邻块的像素预测要被解码的预定形状的块。
预定形状可以是六边形。
纹理信息可以包括预定形状的帧内编码块和预定形状的帧间编码块的运动补偿误差中的至少一个的像素值。
运动信息可以包括运动向量信息和参考画面信息。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于图像解码的方法。该方法包括：从压缩位流中提取纹理信息和运动信息，通过逆量化并逆变换纹理信息而重建剩余值，对预定形状的块执行帧间预测和帧内预测中的至少一个，其中该预定形状的块被编码使得在帧内预测中使用至少三个相邻块，并且通过将剩余值和已经从帧间预测和帧内预测的至少一个中输出的块相加来重建画面。
预定形状可以是六边形。
该方法可以包括扩展用于预定形状的块的帧间预测的参考画面。
参考画面的扩展可以通过对画面边界周围的像素进行外插来执行。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的上述和其它特征以及优点将变得更加清楚，其中：
图1是示出在传统的H.264视频压缩标准中用作参考画面确定及其运动补偿的单元的块的参考图；
图2是根据本发明的示例性实施例的视频编码器的方框图；
图3示出根据本发明的示例性实施例的例子，其中在视频编码器中使用六边形宏块划分要被编码的画面；
图4示出六边形宏块和子块的例子；
图5是根据本发明的示例性实施例的画面划分单元的详细方框图；
图6是用于说明根据本发明的示例性实施例、在视频编码器的外插单元中扩展输入画面的处理的视图；
图7是用于说明根据本发明的示例性实施例的通过视频编码器的画面划分单元划分外插画面的处理的视图；
图8是用于说明根据本发明的示例性实施例的由视频编码器的运动估算单元执行的运动估算处理的视图；
图9A至9C示出根据本发明的示例性实施例的在视频编码器中被划分成六边形宏块的块的编码次序的例子；
图10是用于说明根据本发明的示例性实施例的由视频编码器的帧内预测单元执行的帧内预测处理的视图；
图11示出根据本发明的示例性实施例的在视频编码器中可用的宏块的另一例子；
图12是用于说明使用如图11所示的宏块的画面划分的视图；
图13是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于视频编码的方法的流程图；
图14是根据本发明的示例性实施例的视频解码器的方框图；
图15是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于视频解码的方法的流程图；以及
图16是用于针对具有特定形状的显示设备比较本发明的示例性实施例与现有技术的显示效率的视图。
具体实施方式
图2是根据本发明的示例性实施例的视频编码器的方框图。
根据本发明的示例性实施例的视频编码器将输入画面划分成允许至少三个相邻块用于帧内预测的预定形状的块，而不是传统的宏块，并且以允许在每个所划分块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序，执行编码。在下面的描述中，将注重于基于人类视觉特性的六边形块被用作预定形状的块的情况。然而，可以容易地理解，预定形状可以是除六边形之外的其它多边形。
参考图2，视频编码器100包括画面划分单元101、时间/空间预测单元110、变换单元120、量化单元122、重排单元124、熵编码单元126、逆量化单元128、逆变换单元130、滤波器132、以及帧存储器134。
画面划分单元101将当前输入画面Fn划分成预定形状的块。在此，用作视频编码器100中的编码单元的块采用允许至少三个相邻块用于帧内预测的预定形状。例如，画面划分单元101可以使用六边形宏块作为编码单元，而不是传统的正方形或矩形块。
图3示出在视频编码器100中将要被编码的当前画面Fn划分成六边形宏块的例子。
参考图3，画面划分单元101将当前画面Fn划分成多个六边形宏块。在此，六边形宏块是视频编码器100中的编码单元。公知的是，六边形比正方形更适于人类视觉特性。因此，与传统的正方形块相比较，通过使用六边形块不仅可能降低视觉分块(blocking)效应，而且可能增加在帧内预测中使用的相邻块的数目。可以从先前编码的数据预测六边形宏块。换句话说，类似于传统视频压缩标准中的基于块的编码，从已经被编码、解码和重建的样本预测本发明中使用的六边形宏块之中的帧内宏块(intra macroblocks)，并且从先前编码的样本预测六边形宏块之中的帧间宏块(inter macroblocks)内的样本。
从当前六边形宏块提取要被编码的当前六边形宏块的预测数据，并且压缩通过该提取而得到的剩余值，并且将其传送到视频解码器。
图4示出六边形宏块和子块的例子。如图4所示，6个三角形子块A构成一个宏块B，其中每个子块A具有11像素的底宽和6像素的高度。类似于传统H.264标准中的树结构的运动补偿，其中16×16宏块被划分成预定大小的子块并且执行运动补偿和预测，根据本发明的视频编码器100可以将六边形宏块B划分成三角形子块A并且执行运动补偿和预测。可以以不同的方式配置根据本发明的六边形宏块和子块，而不限于图4所示的配置。
图5是根据本发明的示例性实施例的画面划分单元101的详细方框图。
参考图5，画面划分单元101包括外插单元101a和划分单元101b。
外插单元101a将输入画面扩展到能够将该输入画面划分成预定大小的块的程度，从而创建外插画面。划分单元101b将该外插输入画面划分成六边形宏块。一般而言，由于要被编码的画面通常为矩形形状，因此其不能被划分成整数个六边形宏块。结果，为了将输入画面的所有像素包括在六边形宏块中，需要扩展输入画面。在下文中，将参考图6和7详细地描述由外插单元101a执行的外插和由划分单元101b执行的划分。
图6是用于说明在外插单元101a中扩展输入画面的处理的视图，并且图7是用于说明在画面划分单元101b中划分外插画面的处理的视图。
外插单元101a基于原始画面F1被划分成的六边形宏块的大小和形状，确定将要以什么程度扩展要被编码的画面F1。如果使用六边形宏块而不扩展原始画面F1，则原始画面F1的边界周围的像素可能不被包括在任何一个六边形宏块中。因此，外插单元101a确定原始画面F1的扩展范围M，如图7的阴影区域所示，使得原始画面F1的边界周围的像素被包括在六边形宏块中。
在确定原始画面F1的扩展范围M之后，外插单元101a通过水平或竖直地对原始画面F1的边界周围的像素进行外插，创建外插画面F1’。
划分单元101b划分外插画面F1’，使得原始画面F1的所有像素被包括在六边形宏块中。
回到图2，视频编码器100以从画面划分单元101获得的六边形宏块为单元执行编码。
更具体地说，视频编码器100的时间/空间预测单元110以与用于传统的视频压缩标准的方法类似的方式，执行时间/空间预测。换句话说，时间/空间预测单元110执行这样的时间预测和空间预测，其中，在时间预测中通过参考过去和未来帧中的至少一个，使用相邻画面之间的相似性来执行当前帧的预测，在空间预测中使用相邻样本之间的相似性而消除空间冗余。
视频编码器100使用从多个编码模式中选择的编码模式，对当前画面的六边形宏块进行编码。为此，通过使用帧间预测和帧内预测的所有可能模式执行编码，计算速率-失真(RD)成本。结果，选择具有最小RD成本的模式作为最优编码模式，并且使用所选的最优编码模式执行编码。
对于帧间预测，运动估算单元112在参考画面中搜索当前画面的六边形宏块的预测值。
如果运动估算单元112以1/2像素或1/4像素为单元找到参考块，则运动补偿单元114计算中间像素并且确定参考块的数据。这样，由运动估算单元112和运动补偿单元114执行帧间预测。
图8是用于说明根据本发明的示例性实施例的由视频编码器100的运动估算单元112执行的运动估算处理的视图。
参考图8，当运动估算单元112在参考画面F2中搜索与要被编码的六边形宏块1相匹配的参考块时，在参考画面F2的边界之外的外插参考画面F2’中的六边形宏块2可能与六边形宏块1最匹配。这样，运动估算单元112允许使用MPEG-4视觉中所使用的无约束运动向量(UMV)来表示参考画面F2的边界的外部。当要被编码的对象移入或移出帧时，UMV可以改善运动补偿效率。
图9A、9B和9C示出根据本发明在视频编码器100中被划分成六边形宏块的块的编码次序的例子。六边形宏块在图9A中垂直地被编码，在图9B中水平地被编码，并且在图9C中沿Z字形方向被编码。
参考图9A，当以垂直地首先对六边形宏块a1的左列像素进行帧内预测的次序对六边形宏块a1执行帧内预测时，可以使用已经被编码的三个相邻的六边形宏块a2、a3和a4。这样，当与传统的处理次序相比较时，可以使用更多相邻块，并且可以使用相邻块之间的相关性而高效地执行编码，其中，在传统的处理次序中使用位于当前块之上和左边的相邻块的像素信息对传统矩形块执行帧内预测。
类似地，参考图9B，当以水平地首先对六边形宏块b1的顶行像素进行帧内预测的次序对六边形宏块b1执行帧内预测时，可以使用已经被编码的三个相邻的六边形宏块b2、b3和b4。
如图9C所示，当沿Z字形方向执行帧内预测时，当与图9A和9B相比较时，可用于帧内预测的相邻像素的数目减少了，但是当与使用传统矩形宏块的处理相比较时增加了。
回到图2，帧内预测单元116通过搜索当前画面的六边形宏块的预测值而执行帧内预测。
图10是用于说明根据本发明由视频编码器100的帧内预测单元116执行的帧内预测处理的视图。
参考图10，使用以虚线表示的相邻块的像素预测要被编码的六边形宏块a1中的像素。类似于H.264中的帧内预测，帧内预测单元116可以在各种模式下使用相邻决的像素，执行帧内预测。
为了确定用于当前六边形宏块的最佳编码模式，在所有可能的编码模式中计算RD成本。将具有最小RD成本的模式确定为用于当前宏块的编码模式，并且使用所确定的编码模式对当前宏块执行编码。
一旦通过帧间预测或帧内预测找到了要由当前六边形宏块使用的预测数据，就从当前六边形宏块中提取它，并且在变换单元120中对其进行变换，然后在量化单元122对其进行量化。为了减少编码中的数据量，对通过从当前六边形宏块提取运动估算参考块而得到的剩余值进行编码。量化后的剩余值通过重排单元124，以便由熵编码单元126进行熵编码。为了获得用于帧间预测的参考画面，量化后的画面通过逆量化单元128和逆变换单元130，从而重建当前画面。在通过滤波器132之后，重建的当前画面被存储在帧存储器134中，并且以后用于后继画面的帧间预测。
图11示出根据本发明的示例性实施例在视频编码器100中可用的宏块的另一例子，并且图12是用于说明使用如图11所示的宏块的画面划分的视图。
参考图11，通过将图4所示的两个子块连接在一起而形成的菱形宏块可以用作编码/解码单元。菱形宏块在视觉上类似于六边形宏块，并且可以通过简单的坐标变换使用传统的宏块处理装置对其进行编码。如图12所示，使用以类似于六边形宏块的方式被编码的菱形宏块，划分要被编码的原始画面F3。当使用菱形宏块时，使用外插画面F3’执行编码，使得原始画面F3的边界周围的像素被包括在菱形宏块中。可以采用不同的方式配置根据本发明的菱形宏块，而不限于图11所示的宏块。
图13是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于视频编码的方法的流程图。
参考图13，在操作201中，基于宏块的预定大小和形状，确定将要以什么程度扩展要被编码的当前画面，并且扩展当前画面，使得当前画面中的所有像素都被包括在预定形状的宏块中。如上所述，通过水平地或垂直地对原始画面的边界周围的像素进行外插，执行当前画面的扩展。
在操作203中，将外插画面划分成预定形状的宏块，例如六边形宏块。
下一步，在操作205中，以宏块为单元执行编码。换句话说，执行时间预测和空间预测，其中，在时间预测中使用相邻画面之间的相似性，通过使用过去和未来帧中的至少一个执行当前帧的预测，在空间预测中使用相邻样本之间的相似性消除空间冗余。
在操作207，一旦通过帧间预测或帧内预测找到了要由当前六边形宏块使用的预测数据，就从当前六边形宏块提取它，并且对其进行变换，然后对其进行量化。如在本技术领域内公知的，可以使用离散余弦变换(DCT)算法执行该变换。
在操作209中，将经过变换和量化的数据熵编码成压缩位流。可以使用可变长度编码或算术编码算法执行熵编码。
在操作211中，重复上述编码处理，直至完成当前画面的最后一个块的处理。
图14是根据本发明实施例的视频解码器的方框图。
参考图14，视频解码器300包括熵解码器302、重排单元304、逆量化单元306、逆变换单元308、运动补偿单元310、帧内预测单元312、滤波器314、以及参考画面外插单元316。熵解码器302和重排单元304接收并且熵解码压缩位流，以生成量化系数X。逆量化单元306和逆变换单元308对量化系数X执行逆量化和逆变换，以提取变换编码系数，即，运动向量信息和首标信息。运动补偿单元310和帧内预测单元312根据编码画面类型，使用解码的首标信息来生成预测块。将误差值D’n加到预测块，以生成uF’n。换句话说，运动补偿单元310执行帧间预测，其中使用运动信息从外插参考画面预测六边形宏块，并且帧内预测单元312从外插参考画面中的相邻块的像素预测六边形宏块。uF’n通过滤波器314，从而生成重建画面F’n。同样地，视频解码器300使用预定形状的宏块，例如六边形宏块，重建画面。
运动补偿单元310根据运动向量从参考画面中提取参考六边形宏块。运动向量可以在参考画面的边界之外。这样，参考画面外插单元316通过对参考画面的边界周围的像素进行外插来扩展参考画面，从而允许在参考画面的边界之外使用UMV。
图15是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于视频解码的方法的流程图。
参考图15，在操作401中，熵解码器302从压缩位流中提取纹理信息和运动信息。在本发明的当前示例性实施例中，纹理信息由帧内编码的六边形宏块的像素值或帧间编码的六边形宏块的运动补偿误差表示。
在操作403中对纹理信息进行逆量化，并且在操作405中对其进行逆变换，以便重建剩余值(residue)。
从压缩位流提取的运动信息经历运动补偿。在此，用于运动补偿的解码单元是预定形状的块，例如，六边形宏块。由于需要基于用于运动补偿的UMV扩展运动向量的搜索区域，因此在操作407中使用参考画面的边界周围的像素对该边界进行外插。
在操作409中，使用所提取的运动信息，例如运动向量信息和参考画面信息，执行帧内预测和运动补偿(帧间预测)，以便形成经过运动补偿预测的六边形宏块，其与视频编码器100中相同。在操作411中，通过将在操作405中获得的剩余值和在操作409中获得的六边形宏块的预测值相加来重建画面。在此，重建画面被存储在存储器中，以便用作后继画面的参考画面。
在操作413中，重复上述解码处理，直至完成画面的最后一个六边形宏块的解码。
图16是用于针对具有特定形状的显示设备而比较本发明和现有技术的显示效率的视图。
参考图16，当用于显示重建画面的显示设备D具有不同于传统使用的正方形的形状时，通过根据本发明使用六边形宏块的画面处理，不需要对非显示的区域进行编码，这不同于传统的使用正方形宏块的画面处理。类似地，与使用传统宏块相比，通过使用根据本发明用于视频编码和解码的方法，可以更高效地对不具有正方形形状的画面对象进行编码。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，与使用传统宏块的编码相比，可以更高效地使用参考画面的相邻像素或块。
此外，根据本发明的示例性实施例，通过使用基于人类视觉特性的六边形宏块的编码而改善了主观视频质量。
本发明还可以被实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可存储以后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置、以及载波。还可以在耦接的计算机系统的网络上分发该计算机可读记录介质，从而以分散的方式存储并执行该计算机可读代码。
尽管参考本发明的示例性实施例具体地示出和描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种修改。例如，本发明还可以应用于静止图像、视频、以及静止图像和视频的组合的编码和解码。

Claims (19)

1.一种图像编码器，包括：
画面划分单元，将要被编码的画面划分成多个块，每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状；以及
编码单元，以允许在所划分块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序执行编码。
2.如权利要求1所述的图像编码器，其中画面划分单元包括：
外插单元，扩展画面以便将画面与多个块相匹配；以及
划分单元，将所扩展的画面划分成多个块。
3.如权利要求2所述的图像编码器，其中外插单元通过对画面边界周围的像素进行外插来扩展画面。
4.如权利要求1所述的图像编码器，其中编码单元包括：
预测单元，以所划分的块为单元执行帧内预测和帧间预测中的至少一个；
变换单元，变换由预测单元预测的数据与画面之间的差值；
量化单元，量化由变换单元变换的数据；以及
熵编码单元，通过压缩由量化单元量化的数据而创建位流。
5.如权利要求1所述的图像编码器，其中，预定形状是六边形。
6.如权利要求1所述的图像编码器，其中，预定扫描可以在水平和垂直方向中的至少一个上执行。
7.一种用于图像编码的方法，该方法包括：
将要被编码的画面划分成多个块，每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状；
以允许在多个块的帧内预测中使用至少三个相邻块的预定扫描次序，执行帧内预测和帧间预测中的至少一个；以及
计算帧内预测和帧间预测中的至少一个的结果与画面之间的差值，并且对通过该计算而得到的剩余值进行编码。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述预定形状是六边形。
9.如权利要求7所述的方法，其中在水平和垂直方向中的至少一个上执行所述预定扫描。
10.如权利要求7所述的方法，还包括扩展画面，以便使画面与多个块相匹配。
11.如权利要求10所述的方法，其中通过对画面边界周围的像素进行外插来执行画面的扩展。
12.一种图像解码器，包括：
熵解码器，从以块为单元编码的位流中提取纹理信息和运动信息中的至少一个，每个块包括允许在帧内预测中使用至少三个相邻块的预定形状；
逆量化单元，逆量化纹理信息；
逆变换单元，从逆量化的纹理信息重建剩余值；
参考画面外插单元，扩展用于运动补偿的参考画面；
运动补偿单元，使用运动信息从所扩展的参考画面预测要被解码的预定形状的块；以及
帧内预测单元，从所解码的相邻块的像素预测要被解码的预定形状的块。
13.如权利要求12所述的图像解码器，其中预定形状是六边形。
14.如权利要求12所述的图像解码器，其中纹理信息包括预定形状的帧内编码块的像素值和预定形状的帧间编码块的运动补偿误差中的至少一个。
15.如权利要求12所述的图像解码器，其中运动信息包括运动向量信息和参考画面信息。
16.一种用于图像解码的方法，该方法包括：
从压缩位流中提取纹理信息和运动信息；
通过逆量化并逆变换纹理信息而重建剩余值；
对预定形状的块执行帧间预测和帧内预测中的至少一个，该预定形状的块被编码使得在帧内预测中使用至少三个相邻块；以及
通过将剩余值和已经从帧间预测和帧内预测的至少一个中输出的块相加来重建画面。
17.如权利要求16所述的方法，其中预定形状是六边形。
18.如权利要求16所述的方法，还包括扩展用于预定形状的块的帧间预测的参考画面。
19.如权利要求18所述的方法，其中通过对画面边界周围的像素进行外插来执行参考画面的扩展。
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