TW201334540A - 影像編碼／解碼系統與其方法 - Google Patents

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Abstract

影像編碼系統包括：一主編碼單元，包括一二進位值化單元，該主編碼單元對一來源資料進行編碼/壓縮後輸出一二進位串流，該主編碼單元更輸出一旁側資訊；一第一儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該二進位串流；一第二儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該旁側資訊；以及一二進位算術編碼單元，耦合至該第一與該第二儲存單元，該二進位算術編碼單元參考該旁側資訊而將該二進位串流轉換成一碼流後輸出。

Description

影像編碼/解碼系統與其方法
本揭露是有關於一種影像編碼/解碼系統與其方法。
近年來，隨著人們對於影像品質的追求，影像數據資料量以及解析度都有顯著提升。影像壓縮技術更是日新月異地發展，以求能將高畫質的影像數據壓縮，以方便傳輸及儲存。在多種影像壓縮系統中，熵編碼(Entropy Coding)透過機率表，將數據合理壓縮，是不可或缺的一種壓縮技術。於熵編碼中，最廣為人知的編碼方法就是霍夫曼編碼(Huffman Coding)，其將數據經由特定機率建構霍夫曼樹(Huffman Tree)以進行編碼。但由於此種編碼方式，每一個符號以整數個位元來表示，其實還不能達到最極限壓縮率。
因此，為了改良其缺點，目前又已發明算術編碼(Arithmetic Coding)。算術編碼有許多種形式，其中，二進位算術編碼(Binary Arithmetic Coding)，在影像壓縮系統中已被廣泛的應用，較有名的如H.264的內容可調二進位算術編碼(Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding,CABAC)以及VP8的樹狀編碼(Tree Coding)。
以CABAC為例來說明，CABAC的基本壓縮流程主要分成2個部份，一個是二進位值化(Binarization)，另一個是BAC(binary arithmetic coding，二進位算術編碼)。二進化值化把壓縮過程中所產生的語法元素(Syntax Element)的值轉換為由1跟0所構成的二進位串流(Binary String)。舉例來說，將兩個值分別為5與7，經由U型二進位值化(U-Binarization)，則分別產生111110以及11111110的二進化串流，再將此兩串流串連起來為11111011111110，即為二進位化結果。以上只是舉CABAC中一種二進位值化的方法，當然CABAC有很多種二進位值化的方法，在此就不多加贅述。二進位算術編碼將所產生的二進位串流，轉換成碼流(Bitstream)。此二進位算術編碼的運算過程中，由於資料依賴性(Data Dependency)的關係，在一個編碼循環中，只能消耗一個二進位值。
由以上的敘述可以知道，由硬體觀點來看，二進位值化的吞吐量(throughput)遠比二進位算術編碼還大，主要是因為二進位算術編碼有資料依賴性。於二進位值化過程中，對於每一個語法元素，可用查表方式來於一次循環中產生1或多個二進位值。但是二進位算術編碼，每一個循環只能處理一個二進位值。所以，在目前實做法，一個硬體週期(hardware cycle)能處理的二進位值的數目便受到限制。故使用BAC的編/解碼系統的瓶頸在於二進位算術編/解碼的吞吐量。
本揭露實施例係有關於一種影像編碼/解碼系統與其方法，其將熵編碼(Entropy Coding)脫離管線排程操作。
根據本揭露之一實施例，提出一種影像編碼系統，包括：一主編碼單元，包括一二進位值化單元，該主編碼單元對一來源資料進行編碼/壓縮後輸出一二進位串流，該主編碼單元更輸出一旁側資訊；一第一儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該二進位串流；一第二儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該旁側資訊；以及一二進位算術編碼單元，耦合至該第一與該第二儲存單元，該二進位算術編碼單元參考該旁側資訊而將該二進位串流轉換成一碼流後輸出。
根據本揭露之另一實施例，提出一種影像解碼系統，包括：一二進位算術解碼單元，將一碼流解碼成一二進位串流與一旁側資訊；一第一儲存單元，暫存由該二進位算術解碼單元所產生的該二進位串流；一第二儲存單元，暫存由該二進位算術解碼單元所產生的該旁側資訊；以及一主解碼單元，包括一去二進位值化單元，該主解碼單元參考該旁側資訊而將該二進位串流解碼，以產生一輸出影像信號。
根據本揭露之又一實施例，提出一種影像編碼方法，包括：對一來源資料進行編碼/壓縮後輸出一二進位串流；根據該來源資料而輸出一旁側資訊；暫存該二進位串流；暫存該旁側資訊；以及參考該旁側資訊而將該二進位串流轉換成一碼流後輸出。
根據本揭露之更一實施例，提出一種影像解碼方法，包括：將一碼流解碼成一二進位串流與一旁側資訊；暫存該二進位串流；暫存該旁側資訊；以及參考該旁側資訊而將該二進位串流解碼，以產生一輸出影像信號。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
於本案實施例中，為增加效率並解決由宏區塊管線排程(macro-block pipeline)所造成的問題，故而熵編碼(Entropy Coding)脫離宏區塊管線排程。為方便說明，底下之實施例以符合H.264規格之影像編碼系統為例做說明，但當知本案並不受限於此。本領域技術人員依據本揭露之說明內容當知該如何變化/應用於其他影像編碼/解碼規格。
現請參考第1圖。第1圖顯示根據本揭露一實施例之影像編碼系統100之功能方塊圖。影像編碼系統100包括：主編碼單元110、二進位串流記憶體(binary string memory)120、旁側資訊記憶體(side information memory)130與BAC編碼單元140。主編碼單元110包括二進位值化單元(binarization unit)111。影像編碼系統100應用二進位算術編碼。
主編碼單元110對來源資料SRC進行編碼後，輸出二進位串流BSR(binary string)。根據不同的影像編/解碼規格，主編碼單元110之主要構成及其操作可能有所不同。
二進位串流記憶體120用以暫存由主編碼單元110所產生的二進位串流BSR，並將所暫存的二進位串流BSR輸出給BAC編碼單元140。
旁側資訊記憶體130用以暫存由主編碼單元110所產生的旁側資訊SI(Side Information)，並將所暫存的旁側資訊SI輸出給BAC編碼單元140。旁側資訊記憶體130放置解碼所需資訊。
例如，在H.264中，二進位算術編碼是從宏區塊標頭(MB Header)開始。所以BAC編碼單元140對二進位串流BSR解碼後所產生的解碼資訊，可能只有宏區塊標頭以後的資料。為了讓解碼或編碼能順利進行，需要位於宏區塊標頭之前的資訊，如切片標頭(Slice Header)、圖片參數集(PPS,Picture Parameter Set)、序列參數集(SPS,Sequence Parameter Set)等之至少一者或其任意組合，這些資訊被稱為旁側資訊，其放在旁側資訊記憶體130中。在H.264中，圖片參數集與序列參數集乃屬重要參數集(Parameter Set)。圖片參數集(Picture Parameter Set,PPS)包括同一圖片內的所有片段資訊，而序列參數集則包含所有有關圖片序列的相關資訊。
BAC編碼單元140參考旁側資訊SI而將二進位串流BSR轉換成碼流BST(Bitstream)。
在本實施例中，雖然第1圖顯示二進位串流記憶體120與旁側資訊記憶體130是主編碼單元110的外部記憶體，但在本案其他可能實施例中，二進位串流記憶體120及/或旁側資訊記憶體130可以是主編碼單元110的內部記憶體，此皆在本案精神範圍內。
亦即，在編碼(壓縮)時，主編碼單元110並不是直接得到碼流BST，而是先將來源資料轉成二進位串流BSR。主編碼單元110將二進位串流BSR及旁側資訊SI分別傳到二進位串流記憶體120與旁側資訊記憶體130，主編碼單元110便繼續編碼。將二進位串流BSR轉換成碼流BST的工作是由BAC算術編碼單元140來做。
第2圖顯示根據本實施例之影像編碼系統100之主編碼單元110之功能方塊圖。在本實施例中，對於熵編碼的部份，主編碼單元110將對資料進行二進位值化(Binarization)後所得的二進位串流BSR以及編碼所需要的旁側資訊SI輸出至記憶體120與130中。第2圖乃是以符合H.264為例做說明，當知本實施例並不受限於此。本領域技術人員當可由本案精神、範圍與揭露內容得知，本案可以擴充至其他影像壓縮/編碼規格。此外，第2圖乃是基於宏區塊管線排程架構，當知本實施例並不受限於此。
主編碼單元110包括：二進位值化單元111、宏區塊管線排程記憶體(macro-block pipeline memory)211~213、動作估計/動作計算(ME/MC,motion estimation/motion calculation)單元215、畫面內預測單元(intra prediction)217、影像重建(reconstruction)單元219、去塊(deblocking)單元221與畫面暫存單元(frame buffer)223。
宏區塊管線排程記憶體211~213乃是主編碼系統110在進行宏區塊管線排程操作過程中，用以暫存資料的記憶體。由於本實施例是宏區塊管線排程架構，故而在功能元件215、217、219與221之間放置宏區塊管線排程記憶體211~213。這些記憶體211~213是共用的，代表在此架構下，由於資料依賴性的關係，要開始壓縮下一個宏區塊(Macroblock)時，必需等到所有的功能元件做完當前宏區塊的事情。
動作估計/動作計算單元215可來降低畫面間累贅(temporal redundancy)。由於連續畫面之間有其相關性，故而，可以利用方塊比對(Block-Matching)來找出連續畫面之間的動作向量，之後對動作向量編碼並傳送至後端。
在影像壓縮領域中，所謂的「畫面」是由背景(Back Scene)加上景物(Object Scene)所構成。畫面中的背景與景物依其所在位置，由影像壓縮器切割成既定大小的宏區塊，逐一進行壓縮處理。由於影像處理的主題，多為自然界的事物，因此多數畫面的背景色調單一，而景物的數量也不多。背景色調單一，表示位於背景位置的相鄰宏區塊擁有近似的像素值。而且，景物區域中的相鄰區塊也可能擁有近似的像素值。所以，畫面中的相鄰宏區塊有近似的像素值。故而，將找尋、比對並消除宏區塊之間的近似處以提高壓縮率的技巧叫做畫面內預測編碼。而且，畫面內預測是指，利用周圍的已知(已解)像素，依不同的角度作預測。
影像重建單元219對動作估計/動作計算單元215的結果與畫面內預測單元217的結果來重建影像畫面。
去塊單元221對於影像重建單元219重建後的影像畫面，消除壓縮編碼過程中可能產生的馬賽克，以提供標準畫質。
經去塊後的畫面則暫存於畫面暫存單元223中。畫面暫存單元223中所暫存的畫面會輸入至動作估計/動作計算單元215，以當成方塊比對的參考畫面。
二進位值化單元111對影像重建單元219所輸出的結果以及編碼所需要的檔頭資訊(Header Information)進行編碼以及二進位值化。而且，二進位值化單元111將檔頭資訊輸出到旁側資訊記憶體130，將二進位值化結果輸出到二進位串流記憶體120，以完成編碼的動作。
於本實施例中，於主編碼單元110內的動作乃是採用管線排程，但是並不對BAC編碼操作採用管線排程。這樣做的原因及好處比如：(1)由於二進位值化的作法類似查表，所以這部份不會花費太多的時間，不會造成壓縮系統的負擔。(2)通常來說，負擔最重操作是BAC。於本實施例中，將BAC設計在另外一個模組(亦即，BAC編碼單元140不在主編碼單元110之內)，這樣可以最大化BAC的效率。其原因在於，在硬體設計時會希望，所有的功能元件所花的時間是接近甚至是一樣的，這樣就不會因為某個功能元件做的特別慢，而影響到整體的效能。在某些特殊的內容(content)下，會發生不均勻的二進位串流分佈(Non-homogeneous bin distribution)，使得BAC在壓縮每個宏區塊所花的時間會產生很大的落差，快的時候很快，慢的時候很慢。這樣的特性對於宏區塊管線排程架構的傷害是很大的。所以，如果可以避免這個情況的話，就有可能提高系統效能。(3)一般而言，將二進位串流BSR轉成碼流BST的壓縮效率約1~4倍，這代表二進位串流BSR的資料率(data rate)為碼流BST的資料率1~4倍。因此對於存取二進位串流記憶體120所需要的頻寬或二進位串流記憶體120的大小可以較小。
現說明本案實施例相較於習知技術之優點。第3A圖(習知技術)顯示根據習知技術之影像編碼系統(小記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。第3B圖顯示根據本實施例之影像編碼系統(小記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。第4A圖(習知技術)顯示根據習知技術之影像編碼系統(大記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。第4B圖顯示根據本實施例之影像編碼系統(大記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。
請先參考第3A圖與第3B圖。第3A圖顯示傳統架構，熵編碼包含二進位值值以及BAC，也就是說，二進位值值以及BAC都要做完，熵編碼才可視為已完成。故而，由第3A圖可看出，熵編碼會影響整個傳統影像編碼的完成。
如第2圖所示，主編碼單元110包括四級的管線排程架構，其中第一級包括「接收來源資料SRC」，第二級包括ME/MC(動作估計/動作計算)單元215及畫面內預測單元217，第三級包括影像重建單元219，而第四級包括去塊單元221以及二進位值化單元111。於第3B圖中，根據本實施例之影像編碼系統，二進位值化以及BAC乃是分開處理。熵碼編在處理第0幀影像(frame)F0的第0個宏區塊MB0時，影像重建單元219在處理第0幀影像F0的第1個宏區塊MB1，而ME/MC單元215與畫面內預測單元217在處理第0幀影像F0的第2個宏區塊MB2。
由於是管線排程，所以，要等到處理最慢的單元做完，對這個MB的處理才算結束。以第3A圖來看，對第0個宏區塊MB0的管線化是熵編碼花最長時間也最慢完成，所以其他的單元都要等到對第0個宏區塊MB0的熵編碼做完才能繼續處理下一個宏區塊MB1。其餘可以此類推。
但以第3B圖來看，在本案實施例中，假設二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130為小容量。由於本案實施例將熵編碼分開為二進位值化單元111以及BAC編碼單元140兩個獨立階段。所以在本案實施例中，如果熵編碼的二進位值化完成，將二進位值化結果以及旁側資訊存到二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130中，此管線排程就可以開始處理下一個宏區塊。而BAC編碼單元140則是從二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130拿取資料來做BAC編碼。所以，由第3B圖可以很明顯的看到，編碼所需的時間縮短。
但是由於使用小容量記憶體的關係，有時可能會出現管線的中止(pipeline stall)。如第3B圖所示，BAC編碼對宏區塊的處理時間並不是連續的，還是要等到前一級(二進位值單元)送出資料，BAC編碼單元140才能進行BAC編碼。故而，在小容量記憶體的情況下，本案實施例還是有可能一點點受到管線排程的影響。不過整體而言，就算使用小容量的二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130，編碼速度仍優於傳統架構。
第4A圖與第4B圖則類似於第3A圖與第3B圖，不過，第4A圖與第4B圖所描述的是，在使用大容量記憶體(比如二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130)的管線排程。如果二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130的容量足以儲存一整幀影像的所有資訊，則在本案實施例中，主編碼單元110在編碼第1幀影像F1時，BAC編碼單元140在編碼第0幀影像F0。也就是說，主編碼單元110與BAC編碼單元140二者互相不會影響對方的處理速度，此時BAC編碼的能力會得到良好發揮，而不會因管線排程而被卡住。如第4B圖所示，BAC編碼單元140對宏區塊MB0~MB(N-1)(N為正整數)的處理時間是連續的。在這種情況下，編碼效率會比小容量的二進位串流記憶體120以及旁側資訊記憶體130(第3B圖)更好些。
故而，由上述說明可知，不論在大容量記憶體或是小容量記憶體，相對於傳統架構，本案實施例有相當大的進步。
本案另一實施例揭露一種基於BAC的影像解碼系統也能用同樣/相似的原理來實現。第5圖顯示本案另一實施例之影像解碼系統500之功能方塊。
第5圖之影像解碼系統500包括：主解碼單元510，其包括去二進位值化(de-binarization)單元511；二進位串流記憶體520、旁側資訊記憶體530與BAC解碼單元540。
BAC解碼單元540將碼流BST解碼成二進位串流BSR與旁側資訊SI。二進位串流記憶體520暫存由BAC解碼單元540所產生的二進位串流BSR。旁側資訊記憶體530暫存由BAC解碼單元540所產生的旁側資訊SI。主解碼單元510參考旁側資訊SI而將二進位串流BSR解碼，以產生輸出影像信號IM。
第5圖之影像解碼系統500與第1圖之影像編碼系統100具有反向資料流反向。故其細節於此不重述。
此外，於本案其他可能實施例中，連二進位值化單元/去二進位值化單元亦可獨立於主編碼單元/主解碼單元之外。也就是說，在進行影像編碼/解碼過程中，二進位值化操作/去二進位值化操作亦可脫離管線排程。
本案上述實施例可應用於應用影像編碼/解碼技術的如數位TV、MP4播放器等電子裝置中。
在本案中，主編碼/解碼單元(及其內部組成單元)與BAC編碼/解碼單元可利用如處理單元、數位訊號處理單元、數位視訊處理單元實施，或是以可程式化的集積電路如微控制器、元件可程式邏輯閘陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)之類的電路來實現，其中例如以硬體描述(HDL，Hardware description language)來設計。
另外，本案上述實施例之功能元件亦可以軟體程式來實現。此軟體程式比如但不受限於，可記錄在一記憶媒體之中，如記憶體(ROM、RAM)及之類的媒體、或光學或磁性或其他記錄媒體。或是，本案上述實施例之功能元件可以實現為韌體(firmware)。具有運算能力之處理單元可從儲存能實施本案實施例之軟體程式之記憶媒體讀取並執行，能實現本案上述實施例。再者，本案之上述實施例可以軟硬體結合之方式實現。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．影像編碼系統
110．．．主編碼單元
120．．．二進位串流記憶體
130．．．旁側資訊記憶體
140．．．BAC編碼單元
111．．．二進位值化單元
211~213．．．宏區塊管線排程記憶體
215．．．動作估計/動作計算單元
217．．．畫面內預測單元
219．．．影像重建單元
221．．．去塊單元
223．．．畫面暫存單元
500．．．影像解碼系統
510．．．主解碼單元
520．．．二進位串流記憶體
530．．．旁側資訊記憶體
540．．．BAC解碼單元
511．．．去二進位值化單元
第1圖顯示根據本揭露一實施例之影像編碼系統之功能方塊圖。
第2圖顯示根據本實施例之影像編碼系統之主編碼單元之功能方塊圖。
第3A圖(習知技術)顯示根據習知技術之影像編碼系統(小記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。
第3B圖顯示根據本實施例之影像編碼系統(小記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。
第4A圖(習知技術)顯示根據習知技術之影像編碼系統(大記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。
第4B圖顯示根據本實施例之影像編碼系統(大記憶體)在進行編碼時之管線排程操作之流程圖。
第5圖顯示本案另一實施例之影像解碼系統之功能方塊。
100．．．影像編碼系統
110．．．主編碼單元
120．．．二進位串流記憶體
130．．．旁側資訊記憶體
140．．．BAC編碼單元
111．．．二進位值化單元

Claims (16)

  1. 一種影像編碼系統，包括：一主編碼單元，包括一二進位值化單元，該主編碼單元對一來源資料進行編碼/壓縮後輸出一二進位串流，該主編碼單元更輸出一旁側資訊；一第一儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該二進位串流；一第二儲存單元，暫存由該主編碼單元所產生的該旁側資訊；以及一二進位算術編碼單元，耦合至該第一與該第二儲存單元，該二進位算術編碼單元參考該旁側資訊而將該二進位串流轉換成一碼流後輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像編碼系統，其中：該主編碼單元以管線排程對該來源資料進行編碼/壓縮以輸出該二進位串流；以及該二進位算術編碼單元以一非管線排程來將該二進位串流轉換該碼流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像編碼系統，其中，該旁側資訊包括下列至少一者或其任意組合：一切片標頭資訊、一圖片參數集資訊、一序列參數集資訊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像編碼系統，其中，該第一與該第二儲存單元是該主編碼單元的一外部記憶體或是一內部記憶體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像編碼系統，其中：該主編碼單元以一方塊比對方式來找出該來源資料的一動作向量資訊並編碼；該主編碼單元以一畫面內預測來找尋、比對並消除該來源資料的複數宏區塊之間的近似處；該主編碼單元重建一影像畫面；以及該主編碼單元對於一重建後影像畫面消除一馬賽克雜訊。
  6. 一種影像解碼系統，包括：一二進位算術解碼單元，將一碼流解碼成一二進位串流與一旁側資訊；一第一儲存單元，暫存由該二進位算術解碼單元所產生的該二進位串流；一第二儲存單元，暫存由該二進位算術解碼單元所產生的該旁側資訊；以及一主解碼單元，包括一去二進位值化單元，該主解碼單元參考該旁側資訊而將該二進位串流解碼，以產生一輸出影像信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像解碼系統，其中：該主解碼單元以管線排程對該二進位串流解碼；以及該二進位算術解碼單元以一非管線排程來將該碼流解碼成該二進位串流。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像解碼系統，其中，該旁側資訊包括下列至少一者或其任意組合：一切片標頭資訊、一圖片參數集資訊、一序列參數集資訊。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像解碼系統，其中，該第一與該第二儲存單元是該主解碼單元的一外部記憶體或是一內部記憶體。
  10. 一種影像編碼方法，包括：對一來源資料進行編碼/壓縮後輸出一二進位串流；根據該來源資料而輸出一旁側資訊；暫存該二進位串流；暫存該旁側資訊；以及參考該旁側資訊而將該二進位串流轉換成一碼流後輸出。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之影像編碼方法，其中：以一管線排程對該來源資料進行編碼/壓縮以輸出該二進位串流；以及以一非管線排程來將該二進位串流轉換成該碼流。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之影像編碼方法，其中，該旁側資訊包括下列至少一者或其任意組合：一切片標頭資訊、一圖片參數集資訊、一序列參數集資訊。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之影像編碼方法，其中：以一方塊比對方式來找出該來源資料的一動作向量資訊並編碼；以一畫面內預測來找尋、比對並消除該來源資料的複數宏區塊之間的近似處；重建一影像畫面；以及對於一重建後影像畫面消除一馬賽克雜訊。
  14. 一種影像解碼方法，包括：將一碼流解碼成一二進位串流與一旁側資訊；暫存該二進位串流；暫存該旁側資訊；以及參考該旁側資訊而將該二進位串流解碼，以產生一輸出影像信號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之影像解碼方法，其中：以一管線排程對該二進位串流解碼；以及以一非管線排程來將該碼流解碼成該二進位串流。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之影像解碼方法，其中，該旁側資訊包括下列至少一者或其任意組合：一切片標頭資訊、一圖片參數集資訊、一序列參數集資訊。
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