CN1953551A - 图像压缩装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种防止缓冲区溢出的装置，其包括预测单元、量化单元、编码单元、码流缓冲区、监测单元和重构单元。所述预测单元用来根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值，所述预测值和当前像素点的值相减得到残差，所述量化单元用来对所述残差进行量化，所述编码单元用来对所述量化残差进行编码输出码流，所述码流缓冲区缓冲所述编码单元输出的码流以用以向外传输，所述重构单元用来对量化单元的量化残差进行反量化生成重构残差，将重构残差和所述预测单元的预测值相加生成重构像素点的值。所述装置中还包括监测单元，所述监测单元连接在码流缓冲区上用于监测码流缓冲区的饱和程度，在码流缓冲区的饱和程度大于或小于设定阈值时，通知量化单元更改量化参数及通知重构单元更改反量化参数。这样当缓冲区内数据量比较大的时候可以及时调整码流大小，这样就可以保证缓冲区内的数据不会轻易的溢出造成丢帧的现象。而当缓冲区饱和度不高的时候恢复了先前的量化参数，保证了图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及图像压缩领域，特别涉及利用自适应差分编码调制(AdaptiveDifferential Pulse Code Modulation，简称ADPCM)技术进行图像压缩的装置和方法。
技术背景
在视频图像压缩领域，自适应差分编码调制(Adaptive Differential PulseCode Modulation，ADPCM)技术由于其具有自适应量化与自适应预测的智能化等优势，现已经被广泛的应用。
在自适应差分编码调制技术进行图像压缩时，会根据图像的局部特征动态地选择不同的量化单元，使得图像重构的误差最小。这种方法存在一个问题，就是可能造成缓冲区的溢出。这个问题的根源在于，对于硬件实现的ADPCM压缩芯片而言，其中设置的码流缓冲区的存储空间是有限的，另外USB接口模块会以基本均匀的速度从缓冲区向外传送码流，但是图像中不同区域包含的细节特征可能有所差异，这样就会导致ADPCM压缩输出到缓冲区的码流并不均匀，最坏情况下可能造成某一时间段内码流连续超出USB接口模块的传输能力，因此这些不能及时传送出去的码流就会不断累积在码流缓冲区中直至溢出，丢掉一些码流。一旦发生缓冲区码流溢出这种问题，就可能会导致解码错误。
因此亟待需要一种图像压缩方法和装置，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种图像压缩装置和方法，能够防止缓冲区码流溢出。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提出一种图像压缩装置，其包括预测单元、量化单元、编码单元、码流缓冲区和重构单元，所述预测单元用来根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值，所述预测值和当前像素点的值相减得到残差；所述量化单元用来对所述残差进行量化；所述编码单元用来对所述量化残差进行编码输出码流；所述码流缓冲区缓冲所述编码单元输出的码流以用以向外传输；所述重构单元用来对量化单元的量化残差进行反量化生成重构残差，将重构残差和所述预测单元的预测值相加生成重构像素点的值；其中，所述装置中还包括监测单元，所述监测单元连接在码流缓冲区上用于监测码流缓冲区的饱和程度，在码流缓冲区的饱和程度大于或小于设定阈值时，通知量化单元更改量化参数及通知重构单元更改反量化参数。
进一步的，对于所述码流缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值的码流饱和度高于或者等于第二阈值，当码流饱和程度增加并达到第一阈值时，所述监测单元通知量化单元调整量化参数，增加量化步长，减少量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数；当码流饱和程度减少并达到第二阈值的时候所述监测单元通知量化单元调整量化参数，减小量化步长，增加量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数。
进一步的，所述缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第一阈值高于或者等于第二阈值，第二阈值高于或者等于第三阈值，针对不同的阈值对所述量化单元和重构单元设定三个量化参数和相应的反量化参数，分别为优质图像量化参数、一般图像量化参数和较差图像量化参数，在所述图像压缩装置启动时所述量化单元采用优质图像量化参数；当缓冲区达到第二阈值的时候控制量化单元使用一般图像参数；如果码流继续堆积在码流缓冲区中并达到第一阈值的时候控制量化单元采用较差图像参数；如果码流逐步减少到第三阈值的时候则控制量化单元恢复优质图像量化参数；当达到第一阈值之后如果码流饱和度回落到第二阈值，则控制量化单元使用一般图像量化参数，同时当量化参数改变时，相应的调整反量化参数。
进一步的，所述编码单元采用熵编码方式。
进一步的，在同一帧图像内所述量化单元采用相同的量化参数。
进一步的，所述码流缓冲区通过USB接口、有线网络接口、无线网络接口或者其它传输接口将编码码流向外传输。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种图像压缩方法，其包括：根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值；将所述预测值和当前像素点的值相减得到残差；对所述残差进行量化；将量化残差进行编码并将产生的码流传输给码流缓冲区；将量化残差进行反量化产生重构残差，并将重构残差和所述预测值相加生成预测编码时需要的重构像素点的值；监测码流缓冲区的饱和度，在码流缓冲区的饱和度大于或小于设定阈值时，调整对残差量化时的量化参数，同时调整重构时的反量化参数。
进一步的，对于所述码流缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值的码流饱和度高于或者等于第二阈值，当码流饱和程度增加并达到第一阈值时，所述监测单元通知量化单元调整量化参数，增加量化步长，减少量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数；当码流饱和程度减少并达到第二阈值的时候所述监测单元通知量化单元调整量化参数，减小量化步长，增加量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数。
进一步的，，所述缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第一阈值高于或者等于第二阈值，第二阈值高于或者等于第三阈值，针对不同的阈值对所述量化单元和重构单元设定三个量化参数和相应的反量化参数，分别为优质图像量化参数、一般图像量化参数和较差图像量化参数，在所述图像压缩装置启动时所述量化单元采用优质图像量化参数；当缓冲区达到第二阈值的时候控制量化单元使用一般图像参数；如果码流继续堆积在码流缓冲区中并达到第一阈值的时候控制量化单元采用较差图像参数；如果码流逐步减少到第三阈值的时候则控制量化单元恢复优质图像量化参数；当达到第一阈值之后如果码流饱和度回落到第二阈值，则控制量化单元使用一般图像量化参数，同时当量化参数改变时，相应的调整反量化参数。
进一步的，，所述编码方式为熵编码方式。
进一步的，所述量化步骤在同一帧图像内采用相同的量化参数。
本发明提出的图像压缩装置和方法与现有技术相比具有如下有益效果：通过监视码流缓冲区的饱和程度，及时通知量化单元调整量化参数，从而在保证图像压缩质量的前提下使码流缓冲区的饱和程度维持在可以接受的范围内，防止码流溢出。
附图说明
图1是本发明图像压缩装置的功能方框图；
图2是本发明中根据已知像素点预测其他像素点的示意图；
图3是本发明中残差概率分布示意图；
图4是本发明中熵编码的示意图；和
图5是本发明调整了量化参数之后的残差概率分布图。
具体实施方式
请参看图1所示，本发明提供了一种图像压缩装置100，其包括预测单元110、量化单元120、编码单元130、码流缓冲区140、重构单元150和监测单元160。
所述预测单元110用来根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值102，所述预测值102和当前像素点的值103相减得到残差104，后将残差104输入到量化单元120。所述量化单元120对输入的残差进行量化并将量化结果发送到编码单元130进行编码，同时也将量化结果发送到重构单元。所述编码单元130对量化过的残差进行编码并将产生的码流105传输给码流缓冲区140。所述码流缓冲区140接收到编码码流105之后通过USB接口将编码码流105发送到接收端(未在图中示出)。所述重构单元150接收量化单元的量化残差并对此量化残差进行反量化产生重构残差106，产生的重构残差106和所述预测单元110的预测值相加即生成预测单元110需要的重构像素点的值。所述监测单元160连接在码流缓冲区140上用于监测码流缓冲区的饱和程度，在码流缓冲区的饱和程度大于或小于设定阈值时，通知量化单元120更改量化参数，以调整流向码流缓冲区140的码率，从而防止了出现码流溢出的情形，同时需要通知所述重构单元150调整反量化参数。
下面分别对本发明图像压缩装置100中各个模块的具体工作原理进行介绍。
所述预测单元110的具体的预测过程，请参看图2所示。每一幅图像都是由一个个像素组成，用已知像素点的值可以大概判断出未知像素点的值。现在用已知三个点的值来预测第四个点的值为例加以说明，假设已知A、B、C三个像素点的值，那么第四个像素点X的预测值可计为X′＝a1·A+b1·B+c1·C，其中，a1、b1、c1是三个像素点的取值系数，取值系数的取值为公知技术，在此不作赘述。为了使预测单元110能够工作，必须将一帧图像的第一行和第一列的像素值作为已知像素，然后预测出第二行第二列的像素点的值，后用重构单元重构出第二行第二列的像素点的值作为已知象素点的值预测第二行第三列的像素点的值，再后，从左到右从上到下预测一整帧图像像素点的值。当前象素点的预测值X′与原始值X之间有一定的差，记为Δ＝X-X′，这里将这个差值定义为残差。
请参看图3所示，其为一个残差概率分布图，其概率分布的获得是在系统设计的时候对大量图像的残差进行概率统计得出的一个经验概率分布图，该图一旦得到便不再做修改。此图形的形状类似一种高斯概率分布，其特点为越接近零点的地方概率越高，越远离零点的地方概率越低。在量化单元120对输入残差进行量化之前，需要设定量化单元120中的量化参数，其中量化参数包括量化区间数及量化步长，从而实现对残差概率分布图进行量化区间划分，并对每一个量化区间编号。如图3所示，在一个具体的实施例中，此时量化区间数为8，每个量化区间的量化步长都可以根据需要设定，一般遵从靠近0点量化步长小远离0点量化步长大的原则，将量化区间依次编号为0-7。如图5所示，在另外一个具体的实施例中，此时量化区间数为4，每个量化区间的量化步长都可以根据需要设定，一般遵从靠近0点量化步长小远离0点量化步长大的原则，将量化区间依次编号为0-4。但然，在其他的实施例中，量化区间和量化步长可以根据需要设定，另外，量化参数将直接影响着解压缩端对图像解压后的图像质量，如果量化区间越多、量化步长越短，解压后的图像质量就越好，和原始图像比误差越小，相反，解压后的图像质量就越差，和原始图像比误差越大。量化单元120的具体量化过程就是根据输入的残差在残差概率分布图中找寻其对应的量化区间，并将该量化区间的编号发送给编码单元130。
所述编码单元130用于收到量化区间编号后对其进行编码，编码方式采用熵编码(哈夫曼编码)方式，越靠近零点的编码对应的码长越短，越远离零点的编码对应的码长越长。具体请参看图4，其展示了每一个量化区间编号对应的编码后的码值。由于熵编码随着量化区间编号的增加码字长度也会随之增加，这样做的一个好处是由于靠近零点的残差概率相对较高，且高概率的码字短，这样可以尽可能的缩小码流的大小。
所述编码单元130输出的码流105被送到码流缓冲区中等待传输。
所述监测单元160用于监测码流缓冲区的饱和度，在一个具体的实施例中，对于码流缓冲区140，根据不同的码流饱和度设定两个阈值，分别记为第一阈值和第二阈值，其中第一阈值的饱和度高于或者等于第二阈值的饱和度。在一个具体的实施例中，所述码流缓冲区大小可为10KB，所述第一阈值可定为80％，也就是在码流缓冲区的已用容量达到8KB以上时算是超过第一阈值，所述第二阈值可定为40％，也就是在码流缓冲区的已用容量小于4KB时算是小于第二阈值。在图像压缩装置100工作开始之前所述码流缓冲区为空，工作开始之后，量化单元可以根据图3示例设定的量化参数对残差进行量化，码流缓冲区开始缓冲待传送的编码，当编码单元输入码流缓冲区内的码流大于从USB接口流出的码流的时候，所述码流缓冲区将会逐渐填充，当缓冲区中饱和度达到第一阈值，也就是容量超过8KB的时候，所述监测单元会通知量化单元调整量化参数，即减少量化区间、增加量化步长，从而降低编码单元输出的码流，比如根据图5示例设定量化参数。请对比参阅量化参数调整前的残差概率分布图、量化参数调整后的残差概率分布图，这样由于减少了量化区域的个数、增加了量化步长就有可能令原本落在大编号的量化区间的残差落在小编号的量化区间里，其平均码字会降低，这样流向码流缓冲区中的码率会降低，不过这样做的一个不利影响是降低了压缩图像的质量。与此相对应，当编码单元输入码流缓冲区内的码流小于从USB接口流出的码流的时候，所述码流缓冲区内的数据将会逐渐减少，当缓冲区中饱和度小于第二阈值，也就是容量小于4KB的时候，所述监测单元会通知量化单元恢复调整前的量化参数，从而增加编码单元输出的码流，恢复了高画质图像压缩。为了方便实际操作，在同一帧图像内所述量化单元采用相同的量化参数。
所述重构单元150用于接受量化单元的量化残差并对此量化残差进行反量化产生重构残差106，这个重构过程就是所述量化过程的一个逆过程，它采用与量化单元对残差概率分布图相同的量化区间的划分。但是在一个量化区间内的取值固定为这个量化区间的一个固定值，在一个特定的实施例中，所述固定取值为量化区间的中值。具体来说，当重构单元150接收到量化区间编号后，根据划分后的残差概率分布图找到该量化区间编号对应的量化残差的中值，并将该值作为重构残差106。所述重构残差106与预测值102相加得到重构像素点值。由于重构单元150中的重构采用与量化单元对残差概率分布图相同的量化区间划分方式，因此，监测单元在通知量化单元调整量化参数的同时也会通知重构单元调整反量化参数。
类似的，在另一个优选的实施例中，可以为码流缓冲区设定3个或者多个阈值和量化参数。以三个阈值为例，第一阈值高于或者等于第二阈值，第二阈值高于或者等于第三阈值。并设定三个不同码流值的量化参数，分别为优质图像量化参数、一般图像量化参数和较差图像量化参数。一开始采用优质图像量化参数，当缓冲区达到第二阈值的时候控制量化单元使用一般图像参数。如果码流继续堆积在码流缓冲区中并达到第一阈值的时候控制量化单元采用较差图像参数；如果码流逐步减少到第三阈值的时候则控制量化单元恢复优质图像量化参数。当达到第一阈值之后如果码流饱和度回落到第二阈值，则控制量化单元使用一般图像量化参数。
这样当缓冲区内数据量比较大的时候可以及时调整码流大小，这样就可以保证缓冲区内的数据不会轻易的溢出造成丢帧的现象。而当缓冲区饱和度不高的时候恢复了先前的量化参数，保证了图像质量。
本发明还提供了一种防止缓冲区溢出的方法，该方法在一个优选的实施例中用于前述ADPCM压缩装置100中，但这种方法并不绝对依附于前述ADPCM压缩装置100。下面就以用于ADPCM压缩装置100中为例来说明本发明的防止缓冲区溢出的方法。ADPCM压缩方法包括以下步骤：
根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值；
将所述预测值和当前像素点的值相减得到残差；
对所述残差进行量化；
将量化过的残差进行编码并将产生的码流传输给码流缓冲区；
对此量化残差进行反量化产生重构残差，并将重构残差和所述预测值相加生成预测编码时需要的重构像素点的值；
监测码流缓冲区的饱和度，在码流缓冲区的饱和度大于或小于设定阈值时，调整对残差量化时的量化参数，以调整流向码流缓冲区的码率，从而防止了出现码流溢出的情形，同时需要调整重构时的反量化参数。
对本发明图像压缩方法具体的步骤执行可以参照前文中对图像压缩装置的描述，比如可以设定第一阈值和第二阈值；
比如可以更改为多个阈值和多组量化参数等等，在此不一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种图像压缩装置，其包括预测单元、量化单元、编码单元、码流缓冲区和重构单元，
所述预测单元用来根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值，所述预测值和当前像素点的值相减得到残差；
所述量化单元用来对所述残差进行量化；
所述编码单元用来对所述量化残差进行编码输出码流；
所述码流缓冲区缓冲所述编码单元输出的码流以用以向外传输；
所述重构单元用来对量化单元的量化残差进行反量化生成重构残差，将重构残差和所述预测单元的预测值相加生成重构像素点的值；
其特征在于，所述装置中还包括监测单元，所述监测单元连接在码流缓冲区上用于监测码流缓冲区的饱和程度，在码流缓冲区的饱和程度大于或小于设定阈值时，通知量化单元更改量化参数及通知重构单元更改反量化参数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于所述码流缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值的码流饱和度高于或者等于第二阈值，当码流饱和程度增加并达到第一阈值时，所述监测单元通知量化单元调整量化参数，增加量化步长，减少量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数；当码流饱和程度减少并达到第二阈值的时候所述监测单元通知量化单元调整量化参数，减小量化步长，增加量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第一阈值高于或者等于第二阈值，第二阈值高于或者等于第三阈值，针对不同的阈值对所述量化单元和重构单元设定三个量化参数和相应的反量化参数，分别为优质图像量化参数、一般图像量化参数和较差图像量化参数，在所述图像压缩装置启动时所述量化单元采用优质图像量化参数；当缓冲区达到第二阈值的时候控制量化单元使用一般图像参数；如果码流继续堆积在码流缓冲区中并达到第一阈值的时候控制量化单元采用较差图像参数；如果码流逐步减少到第三阈值的时候则控制量化单元恢复优质图像量化参数；当达到第一阈值之后如果码流饱和度回落到第二阈值，则控制量化单元使用一般图像量化参数，同时当量化参数改变时，相应的调整反量化参数。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述编码单元采用熵编码方式。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在同一帧图像内所述量化单元采用相同的量化参数。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述码流缓冲区通过USB接口、有线网络接口、无线网络接口或者其它传输接口将编码码流向外传输。
7.一种图像压缩方法，其包括：
根据先前重构像素点的值对当前像素点的值进行预测编码并输出一个预测值；
将所述预测值和当前像素点的值相减得到残差；
对所述残差进行量化；
将量化残差进行编码并将产生的码流传输给码流缓冲区；
将量化残差进行反量化产生重构残差，并将重构残差和所述预测值相加生成预测编码时需要的重构像素点的值；
监测码流缓冲区的饱和度，在码流缓冲区的饱和度大于或小于设定阈值时，调整对残差量化时的量化参数，同时调整重构时的反量化参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于所述码流缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值的码流饱和度高于或者等于第二阈值，当码流饱和程度增加并达到第一阈值时，所述监测单元通知量化单元调整量化参数，增加量化步长，减少量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数；当码流饱和程度减少并达到第二阈值的时候所述监测单元通知量化单元调整量化参数，减小量化步长，增加量化区间数，同时通知重构单元相应的调整反量化参数。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述缓冲区的码流饱和程度设定有第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第一阈值高于或者等于第二阈值，第二阈值高于或者等于第三阈值，针对不同的阈值对所述量化单元和重构单元设定三个量化参数和相应的反量化参数，分别为优质图像量化参数、一般图像量化参数和较差图像量化参数，在所述图像压缩装置启动时所述量化单元采用优质图像量化参数；当缓冲区达到第二阈值的时候控制量化单元使用一般图像参数；如果码流继续堆积在码流缓冲区中并达到第一阈值的时候控制量化单元采用较差图像参数；如果码流逐步减少到第三阈值的时候则控制量化单元恢复优质图像量化参数；当达到第一阈值之后如果码流饱和度回落到第二阈值，则控制量化单元使用一般图像量化参数，同时当量化参数改变时，相应的调整反量化参数。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述编码方式为熵编码方式，所述量化步骤在同一帧图像内采用相同的量化参数。
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