CN1954614B - 编码数值块的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对依照图像压缩方案生成的数值块(例如DCT块)进行编码的方法。这些数值被表达为一组位平面，每个位平面包括对数值来说具有特定有效性的所有位。在每个位平面中，至少一个参数根据预定的定义而被确定(7)，该参数定义了包括在位平面中包含所有设置位的位的分割。分割中所有的位被传递(8)至可以被截短的位流。这提供了一种具有低复杂度的方法。本发明进一步涉及相应的编码设备，相应的解码设备和相应的位流。

Description

编码数值块的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种对包括数值块的信号进行编码以便获得位流的方法，该方法包括如下步骤：将每个块表示为位平面序列，其中所述数值的最高有效位形成最高有效位平面，所述数值的相应较低有效位形成相应的较低有效位平面；从所述位平面中提取信息。本发明进一步涉及相应的编码设备、相应的解码设备和相应的位流。

背景技术

这种方法在例如WO，01/17268，A1中有所描述。在该方法中，对每一个位平面，首先发送有效位，即在更有效位平面中已经有设置位的数值位。然后为最新的有效位(即有效位组以外的设置位)检查扫描区域，这些位被包括在位流中。这提供了用于图像数据压缩的可靠高效的信息块编码。这种方法的缺点是实现起来相当复杂。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种较低复杂度的编码方案。

该目的依靠根据本发明的编码信号的方法、根据本发明的相应编码设备、根据本发明的相应解码设备以及根据本发明的相应位流来实现。

更具体而言，本发明涉及一种对包括数值块的信号进行编码以便获得位流的方法，该方法包括如下步骤：将块表示为位平面序列，其中所述数值的最高有效位形成最高有效位平面，所述数值的相应较低有效位形成相应的较低有效位平面；从所述位平面中提取信息，其中对于一个位平面，至少一个参数依照预定的参数定义而被确定，以这种方式以便所述至少一个参数定义位平面中位的分割，该分割包括所有设置位，该参数被发送至位流，并且所述位的分割中的所有位被扫描并且被发送到所述位流中。

因为必须被读取的位的数目只依赖于在位平面中被设置的位的数目，而不依赖于分割中各单独的位是否有效，因此这就提供了一种具有较低复杂度的编码方法。这就提供了一种较快速、较低复杂度的并行处理。

在一个优选实施例中，对位平面来说，如果一个数值第一次对应分割中的一位，则对应该数值的符号位被发送至所述位流。这就提供了一种将符号位包含在位流中的高效方案。

在一个优选实施例中，位平面包括行和列，该至少一个参数包括第一参数，它是距离所述位平面的预定角落最远的包含设置位的行号，还包括第二参数，它是离所述角落最远的包含设置位的列号。在可替换实施例中，该至少一个参数包括一个参数，该参数是包括所述位平面中的多个位的位顺序序列中最高位顺序号，该位顺序号包括设置位。这两个实施例都提供高效的分割定义。

优选地，所述分割形成所述位平面中的连续区域。

在本发明的一个实施例中，对应于至少一个数值的位在序列中被单独地发送。这可以被用于例如DCT块中的DC值，该数值是最重要的。

优选地，块的位平面按照位平面有效性降低的顺序而被处理。这就大大提高了压缩效率。

信号优选地包括变换系数。

根据第二个方面，本发明涉及一种对应上述方法并提供相应优点的编码设备。总得来说，该编码设备包括执行上述方法各步骤的装置。

根据第三个方面，本发明涉及一种对根据上述方法实现的位流进行解码并提供相应优点的设备。该解码设备包括从位流接收至少一个参数的装置、接收位的分割中所有位的装置、以及基于所述至少一个参数和所述接收到的位来重建数值的装置。

根据第四个方面，本发明涉及一种依照上述方法实现的位流。该位流包括至少一个参数和所述位的分割中的所有位。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面以及其他方面将是明显的并且将被阐明。

附图说明

参考附图，将通过例子对本发明进行详细描述，其中：

-图1示意性地说明了在执行离散余弦变换(DCT)之前和之后的数据结构；

-图2示出了一种位层结构；

-图3示出了根据本发明一个实施例的方法的流程图；

-图4示出了位平面中的一个矩形区域；

-图5示出了位平面中的一维分割；

-图6更详细地示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图；

-图7a-7c示出了一个序列中的三个位平面和相应生成的信息的例子；

-图8a示出了用于从包含数据块的信号S中生成可伸缩位流的设备；

-图8b示出了相应的解码设备；

-图9示出了在现有技术的编码方法和根据本发明的一个实施例的方法之间的比较图。

具体实施方式

本发明一般涉及一种对包括数值块的信号进行编码以便获得可伸缩位流的方法。

这种方法的典型应用是静止图像或视频压缩编码。在多数静止图像编码方案中，图像被分割成多个块，例如8×8像素的矩形块。在这样的块上，可以执行离散余弦变换(DCT)。

图1示出了在执行DCT之前和之后的结构。图像块1包含一个具有8×8像素的矩阵，每个像素具有一个强度值f(i，j)。通过应用已知的DCT，获得一个包含具有8×8系数F(u，v)的矩阵的频域块2，该系数的范围在例如-1023至1023。DCT的定义通常为，左上角系数F(0，0)包含图像块1中的DC分量。随着行号的增加，系数与图像块1中垂直方向上频率渐增的函数相关。随着列号的增加，系数与图像块1中水平方向上频率渐增的函数相关。

频域块2包含重建图像块1所需要的所有信息，这可通过反DCT(IDCT)变换来实现。然而，一般图像大部分图像能量集中在DC系数附近的区域。因此，可应用这样一种编码方案，即从频域块生成位流，其中最重要信息被首先发送，随后是重要性降低的信息。

这种位流在它可以在任意位置上被截短的意义上是可伸缩的。位流被截短得越晚，则图像重建时的残留误差越小。被截短之前和之后的被发送给位流的位可以被存储在存储器中和/或通过信道被发送。

本发明涉及一种从信息块生成位流的方法。为了从信息块中提取信息，使用一种位层结构。图2示出了一种位层结构3。该位层结构3包括符号平面BP_SIGN和从最高有效位平面BP_MSB到最低有效位平面BP_LSB的十一个位平面。如果图1中频域块2的系数F(u，v)的范围从-2047到2047，则每一个这样的系数可以被表示为在符号平面BP_SIGN相应位置(u，v)上的一位和从BP_MSB到BP_LSB的每个位平面上相应位置(u，v)上的位。例如，如果第四行第四列的系数F(3，3)＝-36，则相应的符号和位平面值将如下所示：

层	数值
		BPSIGN	-
BPMSB＝1	0(*1024)
		2	0(*512)
3	0(*256)
		4	0(*128)
5	0(*64)
		6	1(*32)
7	0(*16)
		8	0(*8)
9	1(*4)
		10	0(*2)
BPLSB＝11	0(*1)

应当注意的是，给定的层能够包含比具有较低有效性的所有层更多的能量。因此，为了首先提取最重要的信息，每个信息块应当从最重要位平面BP_MSB开始一个位平面接一个位平面地被处理。这个规则的一个例外是，通常是最重要的DC系数可以首先被完整地发送。这个例外原则上也可以用于其他数值。

图3示出了根据本发明一个实施例的方法流程图。在该实施例中，该方法包括如下步骤。对于每个位平面，定义7相应于一种分割的参数，该分割包含位平面中所有的设置位，这将在下面进一步描述。然后，发送8参数和分割中所有系数的位数值。检测9该分割中是否存在任何“新的”系数，即，关于前面的位平面，先前没有被处理的系数/位置(对每个BP_MSB来说，很显然所有的系数都是新的)。如果有新的系数，则用于新系数的符号位将被发送10。从此以后，该方法继续11到下一个位平面，直到所有的位平面都被处理。应该理解的是，符号位可以被单独处理。在这种情况下，该方法从步骤8直接继续进行到步骤11。

定义了分割，包围所有的设置位优选地可通过形成一个矩形区域或形成一维分割来执行。设置位通常为1。当然，1和0的含义原则上可以与通常使用的定义相反，即，1表示假且0表示真。在这种情况下，设置位当然意味着是0。

图4示出了位平面中的一个矩形区域，如WO，01/17268，A1中所描述的。该区域定义了位平面中位的分割。在这种情况下，区域由下列参数定义：包括任意设置位(1)的最高行号R_MAX和包括任意设置位的最高列号C_MAX。这样，分割为矩形且被定义为(R_MAX＝3；C_MAX＝4)。该区域包括20个位，其中的六个被设置。

图5示出了位平面中的一维分割。位平面中的位置按照从最重要(0)(左上)到最不重要(63)(右下)的特定顺序给定。该一维分割定义从而遵循贯穿包括所有位置的位平面的预定Z字形路径。在这种情况下，分割由包括具有设置位的最高顺序号的参数定义。利用图5所示顺序，图4所示的位平面(设置位被环绕)具有由顺序号S_MAX＝18定义的区域。这样，该区域包含19个位置(包括DC位置)，其中有六个被设置。应该注意到，尽管是优选的，示出的位置顺序仅仅是一个例子。其它位置顺序也是可行的。即使在这种情况中的分割被定义为连续区域，也可以使用非连续的分割。

在现有技术的编码方案中，块中前述(较高阶)位平面所包含1的位置被表示为“有效的”位置。这些有效的位置一起形成“屏蔽”。在现有技术中，这些位置被单独处理。首先，发送位平面中的每个有效位置的位数值。然后为屏蔽以外的1搜索位平面，即所谓的“新的有效的”位置。发送这些位置的符号位，它们被包括在屏蔽之中。

作为对比，根据本发明的一个实施例，位平面中的“有效的”和“不有效的”位之间没有差别。而是，定义包括所有1的分割，将可以是连续区域的分割中的所有量级(magnitude)位发送至位流，而不管它们是否有效。一旦符号位数据第一次被包含在一个分割中，就为一个系数发送符号位数据。

该方案可以以较低复杂度执行并且实现较快的并行处理。这归因于下列事实，即，位平面中必须被读出的位的数目现在只依赖于分割/区域的大小而不依赖于区域内单独系数的性质。这些位可以贯穿区域在一次单独的过程中被编码(或后来被解码)。

可以预想，该方案会带来压缩效率略微的下降，因为，在某些情况下，将为在整个平面中都是0的系数发送数据。更令人惊讶的是，在很多情况下，效率反而提高，这将在后面给出说明。

图6更详细地示出了根据本发明一个实施例的方法的流程图。该方案从转向14最高有效位平面开始。在这个位平面中，DC位被发送15至位流。然后，检查16在位平面中是否还有更多的1，即AC数据。如果没有，则0位被发送17至位流，该方案转向18以有效性降低顺序的下一个位平面。

如果还有更多的数据，相反地1被发送19，则在位平面中所有的1被找到，并且包括所有1的分割的定义(参数)被发送20。然后，所定义的分割中所有位置的量级位被发送23。如果使用线性分割(S_MAX)，则分割中的最后一位S_MAX总是1，它不需要被再一次发送。

接下来，分割中其符号位还没有被发送的所有位置的符号位被发送24(在最高有效位平面中，区域中所有位置的符号位被发送)。然后，该方法转向18下一个位平面。该循环重复进行直到块中所有位平面都被处理。

图7a-7c示出了根据本发明实施例的序列中的三个位平面以及相应生成的信息的例子。使用以矩形扫描区域为形式的分割。在图7a中，示出了最高有效位平面，设置了位置(行，列)(0，1)和(1，0)。R_MAX和C_MAX因而都是1。区域中所有四个位置的量级以及相应的符号被发送。DC值的符号总是正的且不必被发送。在图7b中，示出了最高有效位平面后跟随的位平面，位置(行，列)(0，0)，(0，2)，(1，0)，(1，1)被设置。R_MAXZ为1且C_MAX为2。区域中所有六个位置的量级被发送。在区域中且先前没有被发送的(0，2)和(1，2)的符号现在被发送。在图7c中，示出了图7b  中位平面后跟随的位平面，位置(行，列)(0，1)，(1，0)，(2，0)和(2，1)被设置。R_MAX为2且C_MAX为1。区域中所有六个位置的量级被发送。在区域中且先前没有被发送的(2，0)和(2，1)的符号现在被发送。由于为包含在分割中的数值发送符号，所以解码位流的解码器可以估计这个值的数量，即使这个值在较早阶段被截短的编码位流中没有设置位。这通过估计这样的值在后面的位平面中会有一个1而完成，这将在后面进一步进行描述。这被证明提高了压缩效率。

图8a示出了编码设备26，用于从包含数据块的信号S中生成可伸缩位流。该设备典型地被包括在编码器中，该编码设备在DCT单元27之后，该DCT单元27生成块信号S。信号S可以包括“原始(raw)”DCT块或以某种方式被后处理的DCT块，例如通过应用所谓的感觉加权，其中块中的数值可以被改变。编码设备26后面可跟一个截短设备28，该截短设备在不同位置截短可伸缩位流以便获得想要的不同位速率。

编码设备26包括位平面缓冲器30，以适合位平面方式(bit-plane-wise)读出的方式暂时存储输入的块。编码设备26进一步包括连接在分割存储器32上的扫描器31。扫描器31扫描存储在位平面缓冲器30中的块，并且为每一个位平面生成接下来到多路复用器33的输出，多路复用器根据预定模式将输入的信息多路复用为可伸缩的位流：

包括位平面中DC分量的量级的DC信号；

AC-DATA信号，如果位平面中任意AC位置被设置，则该信号为1；

参数信号，定义了包括位平面中所有设置位且为矩形区域或一维分割的分割或区域；

量级信号，包括位平面上分割中所有位置的量级；

符号信号，包括分割中所有位置的符号，其中对于这些位置还没有发送符号位。这由扫描器31通过查询作为查找表的分割存储器32来检测，分割存储器32包括块中的其符号位已经被发送的所有位置。

图8b示出了一种解码设备35，其基本上包括图8a中编码设备26的镜像图像。多路信号分离器36接收位流并且将其分割成很多与图8a中的信号相对应的信号。重建单元37接收这些信号，并且利用分割存储器39将信息写入位平面缓冲器38，该信息包含关于块符号位中哪些值已经被接收的信息。如果所接收的位流已经被截短，则当位流结束的时候，相应块的位平面将不会被1和0填满。然后重建单元37为空的位置估计量级。

对于所接收的符号位(即，与已经被包含在分割中的值有关的位)的值，剩下的位优选地被估计为具有这样的量级，使得它们的值被估计为它们各自不定间隔的从底部算起的大约四分之一。例如，值+1010xxx(x表示一个缺少的位)被估计为+1010010。当然，其它估计方案也是可以的。对于那些没有接收到符号位(即，与没有被包含在任何分割中的值有关的位)的值，剩下的位被估计为0。信息块因而被完成并且被发送至一个反变换单元40，在那里进行图像信息的重建。

当然，编码器和解码器设备的功能块可以利用软件和/或硬件，例如特定用途集成电路(ASIC)以多种方式实现。

图9示出了在对应于在WO，01/17268，A1中所描述方法的现有技术的编码方法(虚线)和根据本发明的一个实施例的方法(连续线)之间的比较图。利用这两种方法对公知的“Lena”图像进行编码和压缩。测量重建图像与原始图像之间的误差。根据本发明实施例的方法在很多情况下为每个平面生成更多的位，因此，与更复杂的现有技术方法相比会带来较低的压缩效率。正如在图9中看到的，这对于高位速率(低压缩)的情况来说的确如此。然而，令人非常惊讶的是，对于较低位速率，这些方法同样有效，并且在一些情况下，本发明的方法甚至比现有技术的方法更加有效，这是由于上面提到的对没有设置位的数值进行估计的可能性造成的。“Lena”图像的误差在40dB PSNR时变得不可见。因此，在多数应用中，根据本发明的方法优于现有技术的方法。

总而言之，本发明涉及一种对依照图像压缩方案生成的数值块(例如DCT块)进行编码的方法。这些值可以被表达为一组位平面，对这些值，每个位平面包括具有特定有效性的所有位。在每一个位平面中，至少一个参数依照预定的定义而被确定，该参数定义了在位平面中包含所有设置位的位的分割。分割中的所有位被变换为可被截短的位流。这就提供了一种低复杂度的方法。本发明进一步涉及相应的编码设备、相应的解码设备和相应的位流。

本发明不限于所描述的实施例。它可以在所附权利要求的范围之内以不同方式加以改变。

权利要求中的任何参考符号不应该理解为对权利要求的限定。动词“包括”及其变化形式的使用都不排除除了权利要求中提到的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件或步骤前面的冠词“一”或“一个”的使用不排除多个这样的元件或步骤的存在。

Claims (10)

1.一种对包括数值块的信号进行编码以便获得位流的方法，该方法包括下列步骤：

将块表示为位平面序列，其中所述数值的最高有效位形成最高有效位平面，所述数值的相应较低有效位形成相应的较低有效位平面；以及

从所述位平面中提取信息，该方法包括：对于该序列的每一个位平面，

依照预定的参数定义按如下方式确定至少一个参数，即：使得所述至少一个参数定义位平面中位的分割，该分割包括所有设置位，

将该至少一个参数发送至所述位流(8)，以及

扫描和发送所述分割中的所有位到所述位流。

2.根据权利要求1的方法，其中对于位平面，如果一个数值第一次对应于分割中的一位，则对应该数值的符号位被发送(10)至所述位流。

3.根据权利要求1的方法，其中位平面包括行和列，所述至少一个参数包括第一参数(R_MAX)，它是距离所述位平面的预定角落最远的包括设置位的行的号，还包括第二参数(C_MAX)，它是距离所述角落最远的包括设置位的列的号。

4.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个参数包括一个参数(S_MAX)，它是包括所述位平面中的多个位的位顺序序列中的最高位顺序号，该位顺序号包括一设置位。

5.根据权利要求1的方法，其中所述分割形成所述位平面中的连续区域。

6.根据权利要求1的方法，其中对应至少一个数值的位在序列中被单独地发送。

7.根据权利要求1的方法，其中块的位平面按照位平面有效性下降的顺序而被处理。

8.根据权利要求1的方法，其中所述信号包括变换系数。

9.一种对包括数值块的信号进行编码以便获得位流的设备(26)，该设备包括将块表示为位平面序列的装置(30)，其中所述数值的最高有效位形成最高有效位平面，所述数值的相应较低有效位形成相应的较低有效位平面；还包括从所述位平面中提取信息的装置，其中该设备包括：

用于对该序列的每一个位平面依照预定的参数定义按如下方式确定至少一个参数的装置(31)，即：使得所述至少一个参数定义了位平面中位的分割，该分割包括所有设置位，

用于将该至少一个参数发送至所述位流的装置，以及

用于扫描和发送所述分割中的所有位至所述位流的装置(31，33)。

10.一种对相应于数值块的位流进行解码的设备(35)，其中每个块被表示为位平面序列，所述数值的最高有效位形成最高有效位平面，所述数值的相应较低有效位形成相应的较低有效位平面，其中位流包含从所述位平面中提取的信息，其中该设备包括从所述位流接收依照预定的参数定义按如下方式确定的至少一个参数的装置(36，37)，即：使得所述至少一个参数定义位平面中位的分割，该分割包括所有设置位，且所述参数是对该序列的每一个位平面确定的，该设备还包括用于接收所述位的分割中的所有位的装置(36，37)，以及基于所述至少一个参数和所述接收到的位来重建所述数值块的装置(37)。

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