ES2328802T3 - Matriz de cuantificacion para la codificacion de imagenes fijas y en movimiento. - Google Patents
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Abstract
Un método de transmisión para transmitir coeficientes que representan datos de imagen, incluyendo el método de transmisión: transmitir coeficientes cuantificados codificados (VD) obtenidos codificando coeficientes cuantificados (COF) que se obtienen cuantificando dichos coeficientes usando una matriz de cuantificación completa (38); y transmitir una matriz de cuantificación codificada obtenida codificando una matriz de cuantificación truncada, donde la matriz de cuantificación truncada se genera truncando dicha matriz de cuantificación completa (38) que tiene una pluralidad de elementos de cuantificación.
Description
Matriz de cuantificación para la codificación de
imágenes fijas y en movimiento.
Esta invención es especialmente útil en la
codificación de imágenes fijas y móviles a comprensión muy alta. Es
adecuada para ser utilizada en aplicaciones de vídeo conferencia por
líneas telefónicas estándar así como para otras aplicaciones que
requieren alta compresión.
En la mayoría de los algoritmos de compresión se
espera alguna forma de pérdida en la imagen decodificada. Un método
típico para la compresión que produce buenos resultados es
introducir esta pérdida cuantificando la señal en el dominio de
transformada en lugar del dominio de pixel. Ejemplos de tales
transformadas son la Transformada Discreta del Coseno, DCT, la
transformada de ondas pequeñas y los filtros de análisis de
subbanda. En un algoritmo de compresión basado en transformada, la
imagen se convierte en el dominio de transformada y se aplica un
esquema de cuantificación a los coeficientes para reducir la
cantidad de información. La transformación tiene el efecto de
concentrar la energía en unos pocos coeficientes y se puede
introducir ruido en estos coeficientes sin afectar a la calidad
visual percibida de la imagen reconstruida.
Es sabido que alguna forma de sistema de
percepción humana con diferente ponderación en la cuantificación en
coeficientes diferentes puede mejorar la calidad visual percibida.
En normas de codificación como la ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
IS-13818-2(MPEG2), la
cuantificación de los coeficientes DCT se pondera por la matriz de
cuantificación. Se usa normalmente una matriz por defecto; sin
embargo, el codificador puede optar por enviar nuevos valores de la
matriz de cuantificación al decodificador. Esto se realiza mediante
la señalización en la cabecera del tren de bits.
La técnica anterior sobre enviar una matriz de
cuantificación en base a la norma vídeo MPEG-2, es
enviar 64 valores fijos de 8 bits cada uno si la señalización de bit
para usar una matriz de cuantificación especial se establece a
"1".
Los valores de la matriz en la posición de banda
de frecuencia más alta no se usan realmente, especialmente para
codificación de tasa de bits muy baja donde se emplea un paso de
cuantificación grande, o para un bloque de entrada con textura muy
simple o con buena compensación de movimiento.
También se ha hallado que, en la técnica
anterior indicada, para cualquier matriz de cuantificación utilizada
en diferentes aplicaciones, el primer valor de la matriz de
cuantificación siempre se pone a ocho, sin que importe si es
codificación de tasa de bits baja o codificación de tasa de bits
alta.
Un problema de este método es la cantidad de
información que hay que enviar como parte de la matriz de
cuantificación. En un caso típico se requieren los 64 coeficientes
cada uno de 8 bits. Esto representa un total de 512 bits. Si se
requieren tres matrices de cuantificación diferentes para tres
bandas de información de color, los bits totales serán tres veces
esa cantidad. Esto representa demasiados recursos para transmisiones
de tasas de bits bajas. Da lugar a tiempo de establecimiento
demasiado largo o latencia en las transmisiones si cambiase la
matriz en el medio de la transmisión.
El segundo problema a resolver es el
enmascaramiento espacial del sistema visual humano. El ruido en las
regiones planas es más visible que el ruido en regiones texturadas.
Por lo tanto, aplicar la misma matriz a todas las regiones no es una
solución buena puesto que la matriz se optimiza globalmente pero no
se ajusta localmente a la actividad de la región local.
El tercer problema a resolver es el ahorro de
bits del valor de matriz de cuantificación variable para DC. El
primer valor en la matriz de cuantificación se disminuye para una
tasa de bits más alta y región plana y se incrementa para tasa de
bits más baja y región texturada.
US-A-5535138
describe un método de codificación y decodificación para señales
vídeo usando matrices de cuantificación generadas dinámicamente.
Para resolver el problema anterior con el fin de
reducir los datos de transmisión, según la presente invención, se
facilita un método de transmisión para transmitir coeficientes que
representan datos de imagen, incluyendo el método de
transmisión:
transmitir coeficientes cuantificados
codificados (VD) obtenidos codificando coeficientes cuantificados
(COF) que se obtienen cuantificando dichos coeficientes usando una
matriz de cuantificación completa; y
transmitir una matriz de cuantificación
codificada obtenida codificando una matriz de cuantificación
truncada, donde la matriz de cuantificación truncada se genera
truncando dicha matriz de cuantificación completa que tiene una
pluralidad de elementos de cuantificación.
La figura 1A muestra un diagrama de un ejemplo
de una matriz de cuantificación por defecto.
La figura 1B muestra un diagrama de un ejemplo
de una matriz de cuantificación particular.
La figura 2A muestra una matriz de
cuantificación truncada según la presente invención.
La figura 2B muestra un diagrama de otro ejemplo
de una matriz de cuantificación particular.
La figura 3 muestra un diagrama de un ejemplo de
matriz de cuantificación sintetizada según la presente
invención.
La figura 4 es un diagrama de bloques de un
codificador según la presente invención.
La figura 5 es un diagrama de bloques de un
decodificador según la presente invención.
La figura 6 es un diagrama de bloques que
representa una de las formas de codificar la matriz de
cuantificación truncada.
La figura 7 muestra un diagrama de un ejemplo de
una matriz de cuantificación truncada de escala, que sirve para
escalar el valor para DC solamente.
La figura 8 es un diagrama de flujo que
representa el procedimiento de escala para coeficiente DC en una
matriz de cuantificación truncada.
La figura 9 es un diagrama de bloques de un
decodificador para decodificar la matriz de cuantificación truncada
escalada.
La realización corriente se divide en dos
partes. La primera parte de la realización describe la matriz de
cuantificación truncada. La segunda parte de la realización describe
la operación de la escala de tamaño de paso de cuantificación
adaptativa. Aunque la realización describe las operaciones como una
unidad, ambos métodos se pueden aplicar independientemente para
lograr el resultado deseado.
La figura 1A muestra un ejemplo de una matriz de
cuantificación por defecto para codificación de trama intra
Luminancia (Intra-Y), y la figura 1B muestra un
ejemplo de matriz de cuantificación particular que cuantifica los
coeficientes de alta frecuencia de forma más basta.
La figura 2A es un ejemplo de la matriz de
cuantificación truncada propuesta por la presente invención. La
clave de esta realización es que el número de valores en la matriz
de cuantificación a transmitir puede ser inferior a 64. Esto es
especialmente útil especialmente para codificación de tasa de bits
muy baja, donde solamente se requieren los primeros 2 o 3
valores.
La figura 4 muestra un codificador, según la
presente invención, usando la matriz de cuantificación para las
imágenes fijas y móviles. El codificador incluye un convertidor DCT
32, un cuantificador 34, y una unidad de codificación de longitud
variable 49. Un generador QP 36 para generar parámetros de
cuantificación después de prever, por ejemplo, cada macrobloque. El
parámetro de cuantificación se puede calcular usando una ecuación
predeterminada después de cada macrobloque, o se puede seleccionar
de una tabla de consulta. Los parámetros de cuantificación obtenidos
se aplican al cuantificador 34 y también a un decodificador que se
describirá con detalle más adelante en conexión con la figura 5.
En la figura 4, el codificador tiene además un
generador QM particular 38 para generar elementos de cuantificación
particulares alineados en un formato de matriz. Los elementos de
cuantificación particulares en la matriz se generan después de cada
capa de objetos vídeo (VOL) que consta de una pluralidad de capas.
Ejemplos de los elementos de cuantificación particulares en matriz
QM se muestran en la figura 1B y la figura 2B. En caso de que se
envíen datos vídeo con menos cantidad de datos (tal como cuando la
tasa de bits es baja, o cuando la imagen es simple), se utilizan los
elementos de cuantificación particulares representados en la figura
1B en los que se utiliza gran cantidad de elementos de
cuantificación, tal como 200, en la región de frecuencia alta. Los
elementos de cuantificación particulares se pueden obtener por
cálculo o utilizando una tabla de consulta adecuada. Se ha previsto
un selector 37 para seleccionar parámetros utilizados en el cálculo,
o elementos de cuantificación adecuados en la matriz de la tabla de
consulta. El selector 37 puede ser operado manualmente por el
usuario o automáticamente en base al tipo de la imagen (imagen real
o imagen gráfica) o la calidad de la imagen.
Los elementos de cuantificación particulares en
matriz QM se aplican a un truncador 40. El truncador 40 lee los
elementos de cuantificación particulares en matriz QM en un formato
en zigzag, controlado por una exploración en zigzag 48, desde un
componente DC a componentes de frecuencia más alta, representados
por líneas de trazos en la figura 2A. Cuando el truncador 40 lee un
número preestablecido de elementos de cuantificación particulares en
la matriz, se termina otra lectura en zigzag de la matriz QM del
bloque 38. Después, un código de fin, tal como un cero, es añadido
por un sumador de código de fin al final del número preestablecido
de elementos de cuantificación particulares. El número
preestablecido se determina por una unidad de establecimiento 39
operada manualmente por un usuario o automáticamente con relación al
tipo o la calidad de la imagen. Según un ejemplo representado en la
figura 2A, el número preestablecido es trece. Así, habrá trece
elementos de cuantificación particulares leídos antes de la
terminación de la lectura en zigzag. Estos elementos de
cuantificación leídos se denominan elementos de cuantificación en la
porción anterior, puesto que están en la porción anterior de la
lectura en zigzag de los elementos de cuantificación particulares en
matriz QM. Los elementos de cuantificación en la porción anterior se
envían a un generador QM sintetizado 44, y se envían los mismos
elementos de cuantificación más el código de fin a un decodificador
representado en la figura 5. Una serie de estos elementos de
cuantificación en la porción anterior seguidos del código de fin se
denomina un QMt de datos simplificado.
Se ha previsto un generador QM por defecto 46
para almacenar elementos de cuantificación por defecto alineados en
matriz, tal como se representa en la figura 1A. Estos elementos de
cuantificación por defecto son leídos también en la forma de zigzag
por el control de exploración en zigzag 48.
Se ha previsto un generador QM sintetizado 44
para generar elementos de cuantificación sintetizados en una forma
de matriz. En el generador QM sintetizado 44 se sintetizan los
elementos de cuantificación particulares en la porción anterior
obtenidos del truncador 40, y los elementos de cuantificación por
defecto en una porción posterior (una porción distinta de la porción
anterior) del generador QM por defecto 46. Así, el generador QM
sintetizado 44 usa los elementos de cuantificación particulares en
la porción anterior y los elementos de cuantificación por defecto en
esta última porción para sintetizar los elementos de cuantificación
sintetizados en matriz.
La figura 3 muestra un ejemplo de unos elementos
de cuantificación sintetizados en matriz en el que la porción
anterior F está llena de los elementos de cuantificación
particulares y esta última porción L está llena de los valores de
cuantificación por defecto.
En el cuantificador 34, los coeficientes DCT COF
en formato de matriz se cuantifican utilizando los elementos de
cuantificación sintetizados en matriz del generador QM sintetizado
44, y el parámetro de cuantificación QP del generador QP 36.
Entonces, el cuantificador 34 genera coeficientes DCT cuantificados
COF' en formato de matriz. Los coeficientes COFij y COF'ij (i y j
son enteros positivos entre 1 y 8, inclusive) tienen la relación
siguiente.
Aquí, QMij representa elementos de
cuantificación en matriz producidos por el generador QM sintetizado
44, QP representa un parámetro de cuantificación producido por el
generador QP 36. Los coeficientes DCT cuantificados COF' también se
codifican después en la unidad de codificación de longitud variable
49, y los datos vídeo comprimidos VD son enviados desde la unidad 49
y aplicados al decodificador representado en la figura 5.
La figura 5 muestra un decodificador, según la
presente invención, usando la matriz de cuantificación para las
imágenes fijas y móviles. El decodificador incluye una unidad
decodificadora de longitud variable 50, un cuantificador inverso 52,
un convertidor DCT inverso 62, un detector de código de fin 56, un
generador QM sintetizado 54, un generador QM por defecto 58, y una
exploración en zigzag 60.
El generador QM por defecto 58 guarda una matriz
de cuantificación por defecto, como la representada en la figura 1A.
Se hace notar que la matriz de cuantificación por defecto almacenada
en el generador QM por defecto 58 es la misma que la almacenada en
el generador QM por defecto 46 representado en la figura 4. El
generador QM sintetizado 54 y la exploración en zigzag 60 son
sustancialmente los mismos que el generador QM sintetizado 44 y la
exploración en zigzag 48, respectivamente, representados en la
figura 4.
Los datos vídeo VD transmitidos desde el
codificador de la figura 4 se aplican a la unidad decodificadora de
longitud variable 50. Igualmente, el parámetro cuantificado QP se
aplica al cuantificador inverso 52, y el QMt de datos simplificado
se aplica al detector de código de fin 56.
Como se ha descrito anteriormente, el QMt de
datos simplificado incluye un elemento de cuantificación particular
en la porción anterior en la matriz. Los elementos de cuantificación
particulares son explorados en zigzag por la exploración en zigzag
60 y se almacenan en la porción anterior del generador QM
sintetizado 54. Después, cuando el código de fin es detectado por el
detector de código de fin 56, termina el suministro de los elementos
de cuantificación particulares del detector de código de fin 56, y a
su vez, los elementos de cuantificación por defecto del generador QM
por defecto 58 explorados en zigzag en esta última porción del
generador QM sintetizado 54.
Así, la matriz de cuantificación sintetizada
generada en el generador QM sintetizado 54 en la figura 5 es la
misma que la matriz de cuantificación sintetizada generada en el
generador QM sintetizado 44 en la figura 4. Puesto que la matriz de
cuantificación sintetizada puede ser reproducida usando el QMt de
datos simplificado, es posible reproducir la imagen de alta calidad
con menos datos a transmitir desde el codificador al
decodificador.
La figura 6 muestra una de las formas de
codificar y transmitir la matriz de cuantificación truncada.
Aquí, la unidad 1 es la matriz de cuantificación
truncada determinada en la unidad 2 verificando diferentes tasas de
bits de codificación, diferente tamaño de imagen de codificación,
etc. x1, x2, x3, ..., en la unidad 1 son los valores de matriz de
cuantificación no cero usados para cuantificar un bloque de 8x8
coeficientes DCT en la misma posición que x1, x2, x3, ... Otras
partes de la matriz de cuantificación con valores cero en la unidad
1 significa que se utilizará el valor por defecto de la matriz de
cuantificación. En el codificador, la misma parte de coeficientes
DCT de un bloque 8x8 se pondrá a cero.
La unidad 3 explorará los valores no cero en la
unidad 1 a un grupo de datos con valor más grande concentrados en la
primera parte del grupo. La exploración en zigzag se representa aquí
como ejemplo.
La unidad 4 muestra la parte opcional para
codificar los datos explorados restando valores contiguos para
obtener los valores de diferencia más pequeños, \Deltax1,
\Deltax2, ..., como se representa en la figura 6, pueden ir
seguidos por codificación Huffman u otros métodos de codificación
por entropía.
Al mismo tiempo, el número de valores de matriz
de cuantificación no cero también se codifica y transmite al
decodificador, junto con los valores no cero. Hay formas diferentes
de codificar esta información. El método más simple es codificar el
número utilizando 8 bits fijos. Otro método es codificar el número
utilizando una tabla de longitud variable diseñada para usar menos
bits para manejar los casos más frecuentes.
Alternativamente, en lugar de codificar y
transmitir el número de valores de matriz de cuantificación no cero,
como se representa en la figura 6, después de codificar el último
valor no cero, xN, o el último valor de diferencia, \DeltaxN (N=1,
2, 3, ...), se introduce un símbolo específico en el tren de bits
para indicar la terminación de la codificación de matriz de
cuantificación no cero. Este símbolo específico puede ser un valor
que no se usa en la codificación de valor no cero tal como cero o un
valor negativo.
La figura 7 es la matriz de cuantificación
truncada con factor de escala S como ponderación para DC solamente.
Este factor de escala se regula en base a la actividad del bloque
individual. La información de actividad se puede obtener verificando
el número de coeficientes AC que quedan después de la
cuantificación. x1, x2, x3, ..., x9 son los valores no cero en la
matriz de cuantificación truncada a usar para cuantificar el bloque
de 8x8 coeficientes DCT, y S es la ponderación para escalar hacia
arriba/hacia abajo el primer valor para regular el cuantificador
para el coeficiente DC.
La figura 8 muestra los detalles acerca del
procedimiento de escala para el primer valor en la matriz de
cuantificación.
La unidad 5 cuantifica cada bloque 8x8 aplicando
en primer lugar la matriz de cuantificación truncada, seguido del
paso de cuantificación requerido en ese tiempo para dicho bloque. La
unidad 6 verifica el número de coeficientes AC que quedan después de
la cuantificación anterior, pasando a la unidad 7 para decidir si la
ponderación S en la figura 7 se escala hacia arriba o hacia abajo.
Si quedan más coeficientes AC después de la cuantificación realizada
en la unidad 5, la ponderación S se puede escalar hacia arriba,
representado en la unidad 8; de otro modo se escala hacia abajo,
representado en la unidad 9. La unidad 10 escala la ponderación S
para regular el primer valor en la matriz de cuantificación, y la
unidad 11 recuantifica el coeficiente DC utilizando el valor nuevo
ajustado para el bloque A y envía todos los coeficientes DC y AC al
decodificador.
La escala hacia arriba y hacia abajo puede ser
algún valor elegido relacionado con el paso de cuantificación
presente o un valor fijo.
El ajuste de los otros valores de matriz de
cuantificación para coeficientes AC puede seguirse de forma
similar.
Un decodificador de la escala de tamaño de paso
de cuantificación adaptativa y matriz de cuantificación truncada se
representa en la figura 9.
En la figura 9, el tren de bits decodificado se
introduce en el decodificador. La unidad 12 decodificará la matriz
de cuantificación truncada, y la unidad 13 decodificará el paso de
cuantificación para cada bloque. La unidad 14 decodificará todos los
coeficientes DC y AC para cada bloque. La unidad 15 verificará el
número de coeficientes AC que no son cero, y el factor de escala se
puede determinar en la unidad 16 utilizando la información obtenida
de la unidad 15 y siguiendo los mismos criterios que en el
codificador. Todos los coeficientes DC y AC para cada bloque pueden
ser cuantificados inversamente en la unidad 17 por la matriz de
cuantificación de escala decodificada y la matriz de cuantificación
decodificada. Finalmente todos los coeficientes cuantificados
inversamente se pasan a una unidad de codificación de transformada
DCT inversa para reconstruir la imagen.
\newpage
Se utilizan las fórmulas siguientes para la
cuantificación y cuantificación inversa:
donde:
- COF
- es el coeficiente de transformación a cuantificar.
- NIVEL
- es el valor absoluto de la versión cuantificada del coeficiente de transformación.
- COF'
- es el coeficiente de transformación reconstruido.
- QP
- es el tamaño de paso de cuantificación del bloque corriente.
- QM
- es el valor de la matriz de cuantificación correspondiente al coeficiente a cuantificar.
El valor por defecto de QM es 16.
La presente invención cambiará la matriz de
cuantificación adaptativamente según la tasa de bits de
codificación, el tamaño de codificación, así como el sistema visual
humano, de manera que un lote de bits se puede guardar truncando y
escalando la matriz de cuantificación y codificando diferencialmente
los valores de la matriz. Por lo tanto, incrementará la eficiencia
de la codificación, especialmente para codificación de tasa de bits
muy baja.
Claims (3)
1. Un método de transmisión para transmitir
coeficientes que representan datos de imagen, incluyendo el método
de transmisión:
transmitir coeficientes cuantificados
codificados (VD) obtenidos codificando coeficientes cuantificados
(COF) que se obtienen cuantificando dichos coeficientes usando una
matriz de cuantificación completa (38); y
transmitir una matriz de cuantificación
codificada obtenida codificando una matriz de cuantificación
truncada, donde la matriz de cuantificación truncada se genera
truncando dicha matriz de cuantificación completa (38) que tiene una
pluralidad de elementos de cuantificación.
2. Un método de transmisión según la
reivindicación 1, donde la matriz de cuantificación codificada tiene
bits alineados en el orden de bits obtenidos codificando los
elementos de cuantificación incluidos en la matriz de cuantificación
truncada y bits obtenidos codificando un código de fin.
3. El método de transmisión según la
reivindicación 2, donde el código de fin es un valor "0".
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