CN1949878A - 在译码器上实施转换领域的舍入方法及其视讯译码器 - Google Patents

Abstract

在一译码器中，实施转换领域的舍入包含根据一运动向量实施转换领域运动补偿于一区块以产生一运动补偿区块，参考该运动向量产生一转换领域偏差值，将该运动补偿区块加上转换领域偏差值以产生一加法的结果，以及输出该加法的结果以用来当作一已舍入的参考区块。

Description

在译码器上实施转换领域的舍入方法及其视讯译码器

技术领域

本发明涉及一种舍入方法与数字译码器，特别是涉及一种在译码器上实施转换领域的舍入方法与视讯译码器。

背景技术

视讯编码技术被广泛的应用在多媒体电子装置上。一般视讯编码系统应用离散余弦转换(discrete coine transform，DCT)于视讯信号上以达到能量压缩的目的。运动补偿(motion compensation)与降取样(down sampling)之类的影像处理在转换领域中皆有其相对应的等效运算，因此在执行影像处理时可不需将已压缩的视讯译码至像素领域。这些性质对于服务品质(quality of service，QoS)以及功率消耗上的需求相当有帮助，特别是如移动电话、个人数字助理(portable digital assistant，PDA)、可携式计算机等广泛使用的各种多媒体移动装置。

请参阅图1，其为一现有译码器100的方块图，译码器100应用于像素领域中的移动补偿。译码器100包含一可变长度译码器(variale lengthdecoder，VLD)102，一反向量化(inverse quantization，IQ)模块104，一反向离散余弦转换(inverse discrete-cosine transform，IDCT)模块106，一加法器108，一运动补偿模块110，一帧(讯框)缓冲器112，以及一舍入模块114，译码器100所包含的各组件如图1所示相互连结。如本领域的技术人员所知，已压缩视讯(即位于离散余弦转换(discrete cosinetransform，DCT)领域的数据)输入于可变长度译码器102，预估误差区块由反向离散余弦转换模块106输出，且运动补偿区块由加法器108输出。在运动补偿中所使用的参考区块由舍入模块114产生出来，以使得这些参考区块对于次像素层来说是精确的，亦不会产生出漂移误差。由于译码器100是于像素领域中操作，因此译码器100代表理想状况下的操作。

请参阅图2，其为一视讯译码器200的方块图，视讯译码器200用于转换领域的运动补偿。译码器200包含一可变长度译码器202，一反向量化模块204，一加法器206，一反向离散余弦转换模块208，一转换领域运动补偿模块210，以及一帧缓冲器212，译码器200包含的各组件如图2所示相互连结。与图1所示的译码器100不同，反向离散余弦转换模块208直接设于译码器200的输出端，而不似图1所示的反向离散余弦转换模块106设于反向量化模块104之后。因此，运动补偿用来实施于仍然在转换领域中的信号。此点为明显的优点，且对于实施于运算能力较差的处理器，较小的频宽，以及较低的功率需求的状况下相当的有利。然而，在像素领域执行的舍入模块114在实际执行舍入的时候，在转换领域中并未有实际存在的对应运算。在没有精确的舍入的状况下，将会产生出漂移误差。漂移误差是由许多微小的误差或是难以察觉的加工影像所集合而成，并在视讯中形成显而易见的缺陷。在数字视讯系统中，这些漂移误差可为在一系列帧中所产生的颜色或是形状上的失真。虽然在某些状况下，漂移误差仍然在一可容忍的程度内，但是对于观看者而言，漂移误差却常常难以忽视不见，也令人难以忍受。

舍入是一种非线性的操作，该事实是此一系列问题的核心，且此种非线性的操作使得舍入运算与离散余弦转换的运算在数学上无法满足交换律。特别是当此处使用的舍入为加上0.5后舍去小数字的情况下时(舍去小数字即为将一实数的小数字部分忽略不计而设为0，例如4.6在此处将变为4.0)，此种舍去的操作即为无法与离散余弦转换运算满足数学上的交换律的原因。这也代表了舍去只能对于在像素领域的值来实施。目前尚未有任何已知的转换领域操作等效于像素领域的舍去。以数学的角度来考虑，上述的问题可描述如下：

在像素领域中，舍入的操作如以下所示：

$\mathrm{Truncate}(\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}& p_{12}& p_{13}& p_{14}\\ p_{21}& p_{22}& p_{23}& p_{24}\\ p_{31}& p_{32}& p_{33}& p_{34}\\ p_{41}& p_{42}& p_{433}& p_{44}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cccc}0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\end{array}\right])---\left(1\right)$

其中p_i，j为一像素值，i与j为值介于1与4的间的整数，且像素值p_i，j用来表达像素所包含如色度或亮度等视觉上的性质。在转换领域中，舍入操作如以下所示：

$\mathrm{DCT}\left(\mathrm{Truncate}\right(\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}& p_{12}& p_{13}& p_{14}\\ p_{21}& p_{22}& p_{23}& p_{24}\\ p_{31}& p_{32}& p_{33}& p_{34}\\ p_{41}& p_{42}& p_{433}& p_{44}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cccc}0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& 0.5& 0.5\end{array}\right]\left)\right)---\left(2\right)$

且方程式(2)所述的舍去(即Truncate)操作在转换领域没有相对应的运算。然而在实际的应用中，为了实现舍入操作，转换领域的值必须被转换回像素领域。因此，图2所示的舍入模块214必须加入一反向离散余弦转换(inverse discrete cosine transform，IDCT)组件，一舍入组件，以及一离散余弦转换组件，以提供该预期的舍入值至加法器206。以计算上的效率而言，所经过的组件运算过于繁琐，以致于并不符合实际计算效率的需求。

以上所述的二种用来解决该问题的现有技术完全忽略了舍入的操作以及舍入操作中被舍去的部分，然而，总合这些被舍去的部分所产生的漂移误差使得该问题造成的影响无法被忽略不计。

发明内容

本发明提供一种在译码器上实施转换领域的舍入方法，其包含根据一运动向量对一区块执行转换领域的运动补偿，以产生一个已执移运动补偿的区块，根据该运动向量决定一转换领域的偏差值，将该转换领域的偏差值加入至该已执移运动补偿的区块以产生一加法的结果，以及输出该加法的结果，使其成为已舍入的参考区块。

附图说明

图1为一现有译码器的方块图。

图2为一现有视讯译码器的方块图。

图3为本发明所提供的一舍入应用的概要图。

图4为本发明的舍入操作的一概略图。

图5为本发明所提供的用来操作转换领域的运动补偿的一译码器的方块图。

图6为使用佛尔曼(Foreman)序列显示本发明的模拟结果的示意图。

图7为使用谭彼得(Tempete)序列显示本发明的模拟结果的示意图。

附图符号说明】

译码器                   100、500

可变长度译码器           102、202、502

反向量化模块             104、204、504

反向离散余弦转换模块     106、208、508

加法器                   108、206、402、410、506、514

运动补偿模块             110

帧缓冲器                 112、212、512

舍入模块                 114、214

视讯译码器               200

转换领域运动补偿模块     210、510

参考区块                 302、316

来源区块                 304、306、308、310

步骤                     312、314

除法                     406

舍入                     408

偏差值计算模块           516

具体实施方式

本发明是以数字视讯的应用来加以描述，然而，本发明的其它可行应用并不受本发明所述的限制。再者，虽然本发明所参考的转换领域为离散余弦转换，但仍然可应用于其它种类的转换领域。

请参阅图3，其为本发明所提供的一舍入应用的概要图。图3所示的程序为应用动画压缩标准(Moving Picture Experts Group，MPEG)的视讯录放装置中一种很常见的运动补偿流程的一部份。视讯影像所包含的一参考区块302的所有像素值需要被计算出来，且在此暂先将参考区块302假设为包含16个像素值的正方形参考区块，亦即包含四乘以四(4-by-4)个像素值的正方形参考区块。

如图3所示，参考区块302所包含的像素值是由将来源区块304、306、308、及310所包含的像素值取平均值而产生。取平均值的步骤312包含一个加总像素值的步骤，以及将加总的像素值除以4的步骤，除以4的原因是总共有四个来源区块304、306、308、及310。意即参考区块302所包含的每一像素值为四个像素值的平均，且该四个像素值的每一像素值是各自来自于来源区块304、306、308、及310。在以上的例子中，若来源区域的数目有所更动而增减，或是取平均值的步骤有所更动，则在取平均时，加总的像素值所使用的除数也应有所变更。在取平均时较常使用的除数为4、8、或16，但是使用其它的整数来当作除数也是可行的。在取平均的步骤312中，加总像素值的步骤所产生的结果通常为一整数，然而在取加总的像素值的平均值的步骤中所产生的结果通常为一带有浮点数的数字。

一舍入的步骤314紧接于取平均的步骤312之后执行。本发明所提供的舍入的步骤314被分为五个子步骤，且为了方便描述，该五个子步骤将以在像素领域中执行的方式来加以描述。在第一个子步骤中，一组对应于一特定数字的有限个可能小数被产生出来，该特定数字为在取平均的步骤312中所加总并接着被除以一除数的像素值。这同时也代表着在执行除法后，在小数点右端的所有可能数值都会被计算出来。这些可能数值可事先被计算出来并储存于一信息撷取系统，例如一查询表。举例来说，若除数为4，则一组相对应的小数为{0.0，0.25，0.5，0.75}。意即，任何整数除以4都会产生带有这样的一组可能小数的商，例如12除以4为3.0，13除以4为13.25，14除以4为3.5，15除以4为3.75，16除以4为4.0等。

在第二个子步骤中，根据一舍入规则产生属于该组可能小数的一组可能舍入值。延续第一个子步骤中所讨论的例子，假设当舍入规则为将原本所得到的可能小数加上0.5再取其整数值(意即将加上0.5之后的数值直接剔除其小数点后的值，则当一小数的小数位大于或等于0.5时，该小数的值将被改变为其整数字加1，否则该小数的值将被改变为其整数字)，则对应于该组可能小数的可能舍入值为{0，0，1，1}。如以上所述，舍入的步骤是以truncate来表达其运算，则根据例子中所述的规则对于该组可能小数进行舍入的结果为truncate(0+0.5)＝0，truncate(0.25+0.5)＝0，truncate(0.5+0.5)＝1，truncate(0.75+0.5)＝1，亦即以上所得到的该组可能舍入值{0，0，1，1}。

在第三个子步骤中，产生出一组可能差异值。该组可能差异值的每一差异值是由一相对应的可能舍入值减去一相对应的可能小数而产生。延续第二个子步骤中讨论的例子，该组可能差异值为{0，-0.25，0.5，0.25}。举例来说，若初始的平均值为13除以4，即3.25，则对应的舍入值即为truncate(3.25+0.5)＝3.0，且该舍入值与该原始值的差异值为3.0-3.25，即-0.25。

数学上来说，假设在第一个子步骤中所牵涉到的像素的像素值为奇数的机率与偶数相同，则于第三个子步骤所产生的可能差异值的机率分布为一离散均匀分布(discrete cosine distribution)，若以随机变量r表示差异值，则其机率密度函数(probability density function)P_R如以下所示：

$P_R=\frac{1}{4}\mathrm{\δ}(r+0.25)+\frac{1}{4}\mathrm{\δ}\left(r\right)+\frac{1}{4}\mathrm{\δ}(r-0.25)+\frac{1}{4}\mathrm{\δ}(r-0.5)---\left(3\right)$

，其中δ()为一脉冲函数。

在第四个子步骤中，需要决定一数值s是否为r的期望值。当s为r的期望值，即s的值等于E[r]，则(r-s)²的期望值为一极小值，意即E[(r-s)²]为一极小值。因此，在舍入之前与之后的差异值可以r的期望值来表示，意即以E[r]来表示。同样的结果亦可由撷取该组差异值{0，-0.25，0.5，0.25}的平均值来产生。因此最后结果所产生的舍入值可由原始值加上期望值E[r]来模拟。延续以上的子步骤所采用的例子，期望值E[r]可被计算为[0+(-0.25)+0.5+0.25]/4＝0.125。意即对于一系列的原始值来说，舍入时的平均更动值为0.125。第四个子步骤在本质上的目的为计算出该组可能差异值的平均值。

实际上，第一个子步骤到第四个子步骤可以预先执行，且执行的结果可储存于一存储装置或是有相同功能的其它装置。举例来说，若一根据本发明设计的装置适用于该例子并操作于像素区域，则该装置的内存可直接只储存该像素值0.125，并将该像素值当作一常数。

第五个子步骤是将所得到的平均值加入该组原始值的每一原始值中。第五个子步骤所示的方法可以数学式的方式表示如下：

$\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}& p_{12}& p_{13}& p_{14}\\ p_{21}& p_{22}& p_{23}& p_{24}\\ p_{31}& p_{32}& p_{33}& p_{34}\\ p_{41}& p_{42}& p_{43}& p_{44}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cccc}s& s& s& s\\ s& s& s& s\\ s& s& s& s\\ s& s& s& s\end{array}\right]---\left(4\right)$

，其中p为一像素值，用来表示一像素的色度及亮度等的视觉上的性质，且s为之前的子步骤所得到的平均值，在本例中其值为0.125。

因此，藉由仔细的选择加入的常数s，并将常数s加入至像素值p中，在像素领域执行舍入的步骤可获得一期望的精确度。在图3中，参考区块316所包含的像素值拥有相当高的精确度，并用来当作本发明输出的结果。

请参阅图4，其为本发明的舍入操作的一概略图。第一输入端至第四输入端提供像素值至一加法器402中，且实际状况中，输入端的数目不受图4所示的限制。接着执行除法406，并接着执行真正的舍入408(意即包含舍去的操作)。然而，根据本发明所述，一偏差值s被输入于加法器410，因此可实现该舍入输出的模拟。使用该模拟于转换领域的舍入操作中，可使得均方差的期望值如以上的所述为一极小值。再者，若该除数已预先得知(且通常都是如此)，并假设偏差值的集合为以上所述的均匀分布，则该偏差值s可预先产生出来。

和现有技术不同，以上所述的舍入操作是存在于转换领域的操作中。请参阅图5，其为本发明所提供的用来操作转换领域的运动补偿的一译码器500的方块图。译码器500包含一可变长度译码器502，一反向量化模块504，一第一加法器506，以及一帧缓冲器512。可变长度译码器502包含一输入端，用来接收已压缩的视讯。反向量化模块504包含一输入端，耦合于可变长度译码器502的一第一输出端。第一加法器506包含一第一输入端，耦合于反向量化模块504的一输出端。帧缓冲器512包含一输入端，耦合于第一加法器506的一输出端。译码器500还包含一转换领域运动补偿模块510，一第二加法器514，以及一偏差值计算模块516。转换领域运动补偿模块510包含一第一输入端，耦合于可变长度译码器502的一第二输出端，以及一第二输入端，耦合于帧缓冲器512的一输出端。第二加法器514包含一第一输入端，耦合于转换领域运动补偿模块510的一输出端，以及一输出端，耦合于第一加法器506的一第二输入端。偏差值计算模块516包含一输入端，耦合于可变长度译码器502的第二输出端，以及一输出端，耦合于第二加法器514的一第二输入端。最后，译码器500包含一反向离散余弦转换模块508，耦合于第一加法器506的输出端，反向离离散余弦转换模块508用来输出视讯。译码器500使用预估误差区块，再将预估误差区块转换为运动补偿区块，并藉由使用参考区块以及一运动向量完成该转换运动。然而，根据本发明，译码器500可另外执行以上所述的转换领域的偏差值舍入模拟，并藉由偏差值计算模块516执行该仿真。

偏差值计算模块516包含了一些指令及数据，且在转换领域中可达到和以上所述的第一个子步骤至第四个子步骤相同的效果。在更为直接且较建议采用的实施例中，偏差值计算模块516为一查询表，且该查询表是以一内存或拥有相同功能的装置来实现。该查询表对应于一给定的运动向量输出适当的偏差值，亦即在不同的运动向量及对应的不同的除数下，一定会产生不同的偏差值。在更为复杂的实施例中，以实时运算的方式实施第一个子步骤至第四个子步骤的部分子步骤是必要的。

由于译码器500是在转换领域中执行，因此偏差值计算模块516只需要储存转换领域偏差值即可。加法器514并接着将这些转换领域偏差值与转换领域运动补偿模块510的输出合并。举例来说，假设运动向量的值为(0.5，0)或(0，0.5)的状况下，偏差值计算模块516将储存偏差值如下：

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

在运动向量的值为(0.5，0.5)的状况下，偏差值计算模块516将储存偏差值如下：

$\left[\begin{array}{cccc}1/2& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(6\right)$

运动向量(0.5，0)及(0，0.5)只需要一值为2的除数。这是因为根据这二个运动向量位移的一参考区块的每一像素值只需要由二个来源区块所包含的二个相对应像素值取平均即可产生。同理，运动向量(0.5，0.5)需要一值为4的除数。如图3所示的例子，这是因为根据运动向量(0.5，0.5)位移的参考区块的每一像素值只需要由四个来源区块所包含的四个相对应像素值取平均即可产生的缘故。矩阵(5)与矩阵(6)为转换领域中相对应的舍入偏差值，且矩阵(6)是相对应于之前所述其像素领域偏差值为0.125的例子。因此，在转换领域中可以实现舍入仿真的目标，且实现该目标的方法可如以下所示：

X+D＝Y                                             (7)

其中X为在舍入之前包含转换领域的值的区块(或矩阵)，D为转换领域舍入偏差值，如矩阵(5)及矩阵(6)，Y为在转换领域中的舍入结果，并与方程式(4)所示的像素领域结果相同。以上所示的各区块的大小可自由调整，并不受以上所述的大小的限制，四乘四个像素(即16个像素)只是实施此方法的一例子。其它较常使用的区块大小为八乘八个像素(即64个像素)或十六乘十六个像素(即256个像素)。

因此，译码器500可在转换领域中实现舍入的操作。译码器500包含偏差值计算模块516与加法器514，且偏差值计算模块516包含一查询表或储存有与矩阵(5)和矩阵(6)相似的查询表。偏差值计算模块516用来执行以上所述的第一个至第四个子步骤，且加法器514用来执行以上所述的第五个子步骤。加法器514的输出为转换领域的参考区块，且这些参考区块已实施过像素值舍入的操作。

图6与图7为显示本发明的模拟结果的示意图，且该仿真结果为已译码视讯的峰值讯号噪声比(peak signal-to-noise ratio，PSNR)的标示图(图6使用佛尔曼序列(Foreman sequence)，图7使用谭彼得(Tempete)序列)。如图6与图7所示，各曲线代表参考用的像素领域、本发明所示的方法、以及两个现有技术所使用的方法，这两个现有技术所使用的方法为不使用舍入及不使用舍去(意即只有加上0.5)。由图6与图7可明确的发现，本发明提供的方法所代表的曲线最贴近参考用的像素领域的曲线，因此本发明的方法对于转换舍入的模拟优于其它现有技术。

总结本发明来说，偏差值计算模块516储存了转换领域偏差值的集合，且这些像素领域偏差值相对应于一组运动向量。这些转换领域偏差值较适合储存于一内存或是其它相似装置所包含的查询表。加法器514是将转换领域运动补偿模块510的输出加上该转换领域偏差值。因此，理想的舍入可实际的实施于转换领域。与现有技术不同，本发明在转换领域上提供了精确且贴近实际情况的舍入。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种在译码器上实施转换领域的舍入方法，包含：

根据一运动向量对一区块执行转换领域的运动补偿，以产生一个已执移运动补偿的区块；

根据该运动向量决定一转换领域的偏差值；

将该转换领域的偏差值加入至该已执移运动补偿的区块以产生一加法的结果；及

输出该加法的结果，使其成为已舍入的参考区块。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据该运动向量决定一转换领域的偏差值包含查询储存于一查询表的一已预先计算出的转换领域的偏差值。

3.如权利要求2所述的方法，其中该查询表中储存有多个已预先计算出的转换领域的偏差值，且每一已预先计算出的转换领域的偏差值对应于一运动向量。

4.如权利要求2所述的方法，其中该转换领域的偏差值在转换领域上等效于一像素领域的平均偏差值，产生该转换领域的偏差值包含：

产生一组有限的数目个可能小数值，每一可能小数值对应于多个像素值的总和被一除数所除产生的商；

根据一舍入规则，产生该组可能小数值中各个可能小数值的可能舍入值，以产生一组可能舍入值；

将该组可能舍入值中各个可能舍入值减去相对应的可能小数值，以产生一组可能差异值；及

取该组可能差异值的平均值以产生该像素领域的平均偏差值。

5.如权利要求4所述的方法，其中该查询表中储存了多个已预先计算出的转换领域的偏差值，且每一个转换领域的偏差值对应于一像素领域的平均偏差值与一运动向量。

6.一种可实施转换领域的舍入的视讯译码器，包含：

一可变长度译码器，包含有一输入端，用来接收已压缩的视讯；

一反向量化模块，包含有一输入端，耦合于该可变长度译码器的一第一输出端；

一第一加法器，包含有一第一输入端，耦合于该反向量化模块的一输出端；

一帧缓冲器，包含有一输入端，耦合于该第一加法器的一输出端；

一转换领域运动补偿模块，包含有一第一输入端，耦合于该可变长度译码器的一第二输出端，及第二输入端，耦合于该帧缓冲器的一输出端；

一第二加法器，包含有一第一输入端，耦合于该转换领域运动补偿模块的一输出端，及一输出端，耦合于该第一加法器的一第二输入端；及

一偏差值计算模块，包含有一输入端，耦合于该可变长度译码器的该第二输出端，及一输出端，耦合于该第二加法器的一第二输入端，该偏差值计算模块用来参考该可变长度译码器输出的一运动向量来输出一转换领域的偏差值。

7.如权利要求6所述的视讯译码器，其中该偏差值计算模块包含一查询表，且该查询表存有运动向量与转换领域偏差值的关联性。

8.如权利要求7所述的视讯译码器，其中每一转换领域偏差值是由一组所有可能差异值的平均值经由离散余弦转换后撷取其直流部分所产生；其中每一可能差异值为一可能舍入值与一相对应的可能小数值的差；其中该可能小数值为多个像素值的和除以一除数的商。

9.如权利要求6所述的视讯译码器，其还包含一反离散余弦转换模块，其包含有一输入端，耦合于该第一加法器的输出端。

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