TW278299B - - Google Patents

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278299 A6 B6 五、發明说明（1 ) 發明.之領.域 本發明係關於資料壓縮範圍，尤其係闞於用來以多標度 壓縮及解壓縮數位移動視頻信號的糸統及技術。此種技術 乃係依據類似國際標準组織.電I專^集裡（ International Standard Organization's Moving Picture Experts Group [MPEG])所建議之問世 MPEG檷準 算則而擴張的。 數位傳输網路，數位儲存媒介，極大型積體装置，以及 視頻與音頻信號之數位處理栗方面的科技進步刻正集中於 使許多應用方面的數位視訊之傳输及儲存成為纆濟有效。 由於數位視頻信號之儲存及傳输為許多懕用的中心K及由 於視頻信號之非壓縮表示法需要大量的儲存，故採用數位 視訊壓縮技術對此種進步中的技術是重要的。在這一方面 ，在已往十年中已出琨過壓縮數位視頻信號的好幾種國際 標準並且有更多檷準刻正發展中。這些棵準均適用於各種 懕用方面有關傅输及儲存數位視頻信號的算則，包括：視 訊電話及電信會議（V i d e 〇 t e 1 e p h ο n y a n d t e 1 e conferencing);同車由及光孅網路與地面廣播衛星上面 ;以及 CD-ROM* 數位音頻帶（Digital audio tape)與 Winchester磁碟推動器上之交互作用多媒體產品中的高品 質數位電視傳输。 這些檷準中的好幾種均係關於依據壓縮技術其用核心的 算則，例如，CCITT (國際電板電話咨商委員會）建議案 H.120,CCITT 建議案 H.261，Μ 及 ISO/IEC MPEG標準等。 .....................................·.............it..............................ίΓ..........·.................*f. (請先《請背面之注意事邛再*寫本页) 甲 4(210X 297 公讀） ϊ2^78299 Α6 Β6 五、發明説明（2 ) 此種Μ P EG算則已由電.影.裏、家、麗團（MPEQJ開發成功•該集團 為國際標準姐織（ISO)及國際電氣技術委員會（IEC)之聯合 技術委員會的一部分。該MPEG委員會刻正發展視頻及相 翮音頻信號之多工壓縮表示法的草案標準中。此種標準係 規定壓縮數元流之語法以及K一個空間解析度位準將數位 視頻信解碼的方法。此種草案檷準將予K稱之為MPEG-1標 準或算則，K期在同一委員會的討論下將它與更新的算貝!] 分辨。並係將此種草案檷準說明在1991年5月版的 ISO/IECJTCI/SC2 WGLL MPEG91 /090文件中。 由於可懕用本發明來擴充MPEG-1式解碼器之功能*以便 自同一壓縮數元流產生多項視訊解析度，故應審查此種 MPEG-1視訊壓縮算則之某些適切特性。然而，所應注意的 ，那就是亦可將本發明應用於共用此種MPEG算則特性之一 部分的其他視訊編碼算則。 Μ P E G - 1式相.訊IE縮篁刖 首先，應注意的，那就是可將諸如一頁本文，一個影像 •一段講話，或一個視訊順序等任何資料目標的壓縮視為 一連串步驟；包括：1)將該目標分解成一團收集的標記； 2)由某種意義上具有最小長度的二進位串來表示這些標記 ;Μ及3)按各為界定的次序序建此等串列。步驟2和3設有 損失*亦即，反向時可精確地恢復原來資料* Κ及將步驟 2稱為摘媳碼（entropy coding)(例如見1977年由紐澤西 州Englewood Cliffs市的 Prentico-Hall 公司出版T. Berger所著的”時 失真原理”；麻州Roading市的 ....................................................5t..............................^..............................#*. (請先W讀背面之注意事頊再琪寫本頁) -4,·=. A6 B6 五、發明説明（3 )

Addison-Wesley 公司 1971年出版 R.MCEliece 所著的“資 訊及編碼原理"；1952年9月眼無線電工程師學會會報第 1098至〗101頁所載D.A· Auffraan著的“最少冗餘碼之構造 ，，1984年 3 月販之 IBM J · Res. Deve lop.第 28集第 135 至 149頁所載G. G. Laugdon著的“算術編碼人門”）。一 般而言，步驟1可為設有損失或有損失。大部分視訊壓縮 算則都有損失。一種成功的有損失壓縮算則會消除冗餘及 無關資訊，容許比較大的誤差，而這裡它們不可能看來顯 著並係綿密地表示為人眼對其非常敏感的順序特色。可將 步驟1用在MPEG-1算則中的技術說明為預測/内插式移動 補償拼合DCT/DPCM(差動脈碼調變）編碼。並係將亦稱為可 變長度編碼的Huffman編碼（見上述Huffman 1952年論文 )用在步驟2中。和說明的情形一樣，雖然MPEG-1標準確 為解碼器及壓縮數元流語法的規格，但為了易於表示對此 種MPEG-1規格的下列說明主要係出自編碼器的觀點。 MPEG-1式視訊標準乃係規定數位儲存媒介用的編碼表示 法，和 1991 年 IS0-IECJTI1/SC2/WG11 MPEC CD-11172， MPEG起草委員會中所述之情形一樣。雖然可藉將兩個連鑛 間條場合併成一個單獨盡面與間條視訊一起搡作來擴充此 種算則，但其設計乃在依據非間條成分視訊而搡作的。每 一畫面均有三個成分：亮度（Y)，紅的色差（Cr)及藍的色 差（Cb)。在水平及垂直兩個方向中，此等Cr·及Cb成分各具 有和Y成分一樣多樣品的一半。而且，此種算則係Μ視訊 解析度的單獨位準操作。 ....................................................5t..............................打.............................. (請先«讀背面之注意事項再填寫本页) 甲 4(210X 297%'发） 2782dd A6 B6 五、诠明议明（4 ) Μ P E G - 1順序的盡蹰结構 一股MPEG-1式資料流由一股視頻流及音頻流組成，此兩 訊流係與糸統資訊以及可能的其他數元流一起予Μ緊束成 一股糸統資料流，並可將此種資料流當作為畫層。在此種 MPEG-1式資料流之視訊層内，更設有壓縮資料層。其最高 層為視訊順序層，此種順序層包含整個順序用的控制資訊 及參數。其他層次的姐織說明將會有肋於了解本發明。Η 將此種MPEG-Γ式視訊晝層結構的層次表示在圖1至4中。具 體言之，此等圖式表示： 圖1 :表示成姐的畫面（G 0 P S )。 圖2:表示一個晝面之巨塊细分。 圖3:表示一個盡面的截片细分。 圖4:表示一個巨塊之方塊细分。 這些層次係關於壓縮算則之操作K及一股壓縮數元流之 複合。和所述的情形一樣，其最高層為包含全部順序用的 控制置ϋ及參數之提訊順序層。在次一層處，係將一順序 予Μ细分成連續耋面姐，並將每一組稱為畫面組（G Ο Ρ )。 ·--------... 玆將此層的缌圖表示在圖1中。解碼工作可以在任何晝面 組（GOP)的起點處開始，基本上與前面的晝面姐無關。可 -------------_ «S*. 在一個盡面姐中的影像數目設有限制•所有畫面組中的影 像數目也無需相等。 第三或晝面層為一個單獨畫面。茲將此層的缌圖表示在 圖2中。解碼工作可Μ在任何畫面姐之起點處開始；基本 上，係將每一晝面的亮度成分予Μ细分成16x16個區Κ及 ....................................._...............^..............................訂..........-...................^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 甲 4(210X 297公；¥) A6 __B6 五、發明說明（5 ) 將色差成分予K细分成8x8個區，此種8x8區則與16x 16個亮度區一起成為空間共位。缌而言之，此種共位亮度 區與色差區即構成稱為巨塊（MB)的第五層。 在晝面層與巨塊層之間者為第四或截片層。每個截片均 由任意或選擇性數目的連續巨塊姐成。在一個晝面内或晝 面與晝面之間截片的大小無需均勻一致。它們只可具有幾 個大小的巨塊或者延伸在多排巨塊上面，和圖3中所表示 的情形一樣。 一個巨塊（MB)就是可將各種颺性與其相结合的基層，和 將於下文中所見的情形一樣。一個巨塊的基本结構由四個 亮度方塊及兩個色訊方塊姐成，和圖4中所見的情形一樣 。全部這些方塊均為MPEG-1中的大小8x8。將一個巨塊（ Μ B )的结構及屬性（不一定指示其大小）保留在多個盡面上 就是本發明的目標之一。 在一個晝面姐内，可出現三種型式的畫面。這些型式之 間的明顯差別就是所使用的壓縮方法。壓縮横式内盡面或 I畫面時無翮任何其他畫面。雖然對於I晝面之間的距離 並無上限，但期望係將它們常常散布在一個順序的全部内 面，Μ促進隨意接達與其他模式的操作。每一晝面姐均必 需以其I畫面開始並且有額外的I畫面能出琨在此晝面組 内。玆將其他型式的盡面，預測性移動補償畫面（Ρ畫面） 和雙向移動補晝面（Β晝面），予以表示在下文有關移動補 償的討論中。 柊勒補儅 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) *打· .緣. _-7 - 甲 4(210Χ 297云发） 278299 A6 B6 五、發明説明（6 ) 大部分的視訊順序均會表現連續盡面之間的高度相互關 連。欲在將一晝面編碼Μ前除本此種冗餘的有用方法就是 ‘‘移動補償”。移動補償需要用以模製及估計景象移動的 某種装置。在MPEG-1中，係將每個盡面分成巨塊以及將每 個巨塊與一個預測晝面或數個畫面中的相同缌空間位置内 之16χ 16個區比較。將預測盡面中最匹配某種意義的巨塊 區域用作為此種預測。巨塊位置與預測器位置之間的差別 稱為移動向量。如此一來，一個巨塊之移動估計與補償的 输出就是移動向量與移動補償差巨塊。一般而言·這些巨 塊所受到的壓縮均大於其原來巨塊本身。利用過去的單獨 預測盡面就是予Μ預測性移動補償之畫面，亦即•順序中 的前向時間，稱之為Ρ晝面。 在Μ P E G - 1中，一 Ρ盡面與其預測畫面之間的時距可Κ大 於一個盪面間隔。就發生在數個Ρ盡面之間或一個Ρ畫面 與一個I盡面之間的畫面言，除了前向時間預測外，並可 利用後向時間預測。此種盡面稱為雙向移動補償畫面（Β耋 面）。就Β晝面言，除了前向和後向預測外，並容許内插式 移動補償，其中預測器為來自先前預測晝面的方塊與來自 未來預測晝面的方塊之平均值。在此種情形中，則需要兩 個移動向量。 採用雙向移動補償時會得到一種雙層移動補償結構的结 果，和圖5中所表示的情形一樣。每個箭頭均表示利用接 觸光點的畫面來接觸此箭頭的畫面預測。每一 Ρ晝面均係 利用先前的Ρ盡面（或者可視情形為I晝面）予以移動補償 (請先w讀背面之注意事項再琪寫本页) •災. •打. •綠· 甲 4(210X 297 乂发） A6 _B6 五、發明說明（7 ) 的。每一 B畫面均由就在它前面及後面的P或I晝面予以移 動補償的。這些預測畫面有時稱之為“固定器（Anchor)” 畫面。對於固定器畫面之間的距離在MPEG-1中並未規定限 制，對於I畫面之間的距離亦未規定限制。事實上，這些 參數在整個順序内均無需為常數。將I晝面之間的距離稱 為N以及將P璽面之間的距離稱為m時，則圖5中所表示 的順序具有（N,m) = (9,3)。 是故，所應了解的，那就是一個HP EG-1順序由一序列的 I畫面姐成，這些I畫面可能完全沒有夾在它們之間的P 畫面或一個或多個此種P畫面。此等不同I及P塞面可能 完全沒有夾在它們之間的B畫面或者一個或多個B畫面， 在此棰後者情形中，它們均為固定器畫面。 曰拖夕黎抱祖最化 一種非常有用的影像壓縮技術就是變換式編碼（1984年 狃澤西州Englewood Eliffs市Prentice-Hall公司出版的 H.S.Jayant及P.Noll所著之“波形之數位編碼與有闞語音 及視訊之原理和懕用” 一書；K及1 979年紐約州紐約市 Academic出版公司出版的編者為W.K.Pratt之“影像傳播 技術” 一書第113至155頁所載由A.G.Te cher所撰寫的：變 換式影像編碼”論文）。在MPEG-1M及好幾種其他壓縮標 準中，離散餘弦變換式（DCT)就是選擇的變換式。（見 1990年加州聖地牙市Academic出版公司發行的K.R.Rao及 R.Yip合著的“離散餘弦變換式之算則，優點與應用”一 書以及1974年元月版之IEEE有關電腦報告書第90至93頁所 {請先聞讀背面之注意事項再螇窩本頁) •菸· •訂* •綠· 甲 4(210X297二'发） A、發明說明（ A6 B6 登載的R . R . R a o撰寫“離散餘弦變換式”論文）。舉例說 吧，達成壓縮一個I畫面的方法為在一個巨塊内採用亮度 及色訊像素方塊的離散餘弦變換式，將此種D C T係數量化 >以及將其结果用Huff man碼编碼。除了在這些情形中可 將此種DCT應用於一個巨塊内部的像素方塊與其對應移動 補償預測之間的差別外，相同原療赛適用於P及B晝面的想；^ 縮。此種DCT係將一方塊的個像素轉換成一種 @個姐的變換係數。此種ΐί τ在壓縮應用的非常有用，因 為，它趨向於將像素資料塊的能量集中在幾個D C Τ係數内 ，而且這些DCT係數幾乎均相互無關。就像好幾種國際壓 縮標準一樣，此種Μ P E G - 1算則乃係採用8 X 8的D C Τ方塊大 小，此種方塊大小對應於一個巨塊内部的方塊大小。本發 明之一個目的為採用較大及較小大小的DCT ，俾將一個巨 塊的大小定標|如此一來*會支援多解析度的耋面。 次一步驟為此種DCT係數之量化，此種量化為MPEG-1算 則中的主要損失來源。藉由Cran表示DCT係數之二度空間 排列元件且式中in及η的範圍可自0至7的，除了截角及圓頭 校正外，達成量化的方法為將每項DCT係數除W W„n X QP並Μ 1„為一權衡因素及QP為量化器參數。該項權衡 因素容許將較為粗糙的量化得Κ應用於目視較為不太 顯著的係數。可以具有兩姐權衡：I盡面用的一姐以及P 和B晝面用的另一姐。可將常規權衡在視訊順序層内傳送 。此種量化器參數QP為MPEG-1中交換品質對數元素之主要 — " * — 方法。頗有一提的重要性者*那就是QP可在一個晝面内作 ‘〆--

LQ (請先《讀背面之注！事項再瑱艿本页) -¾. 訂. •綠· 甲 4(210Χ 297 二 ^78299 A6 B6 五、發明說明（9 ) 自巨塊至巨塊的逐項改變。同樣有一提的重要性者，那就 是在本發明中，可Μ選擇提供其他大小D C T的獨立權衡矩 陣，或者提供係Κ數學方式關連之不同大小的權衡矩陣， 俾促進解碼器處理。 繼量化之後，煸組每個巨塊的DCT係數資訊並且利用一 姐Huffman碼予Μ編碼。此種步驟的细則對本發明之了解 並不重要，因而，將不予說明，但為達成其上面的進一步 資訊計，可能必須參改先前所述的Huff man 1952年論文。 W柊動補馆而邦之戶瑰匾件 應知可應用於巨塊（MB)的移動補償具有三種：前向，後 向及内插法。編碼器必須選擇三種模式中的一種。就某些 巨塊言，在移動補償模式中，設有模式會產生精確預測。 在這些情形中，可就模式内編碼為關於I盡面的情形來選 擇巨塊。如此一來，視移動補償模式而定，巨塊可由下列 型式姐成： 前向 後向 内插法 滇式内 同樣，在P晝面中，視移動向量的數值而定*巨塊可為具 有移動向量為零的型式或非零型式中的任意一種。這些型 式與必需的移動向量資料一起與每個巨塊予以編碼為架空 資料。其例外則為被跳過的巨塊，和將於下文說明的情形 ......................................................^..............................打..............................^ {請先閏讀背面之注意事項再填窵本頁) 甲 4(210X 29了公尨） A6 B6 A '發明説明（10 ) 一樣。 W寒楢及量仆而轵之P瑰圃忡 和前文討論的情形一樣，可依據巨塊至巨塊的逐項原則 改變QP參收。當此舉發生時，利用額外巨塊型式來表示應 採用新的QP。並將此種新QP值本身與該巨塊一起傳输。 在對一個巨塊内之方塊懕用DCT及量化Μ後*其可能结 果為某些方塊只包含零。這些方塊無需將另外資料予Μ編 碼並係由所諝的編碼方塊型樣碼所表示的。此種電碼代表 額外架空。 最後，當任何時候巨塊未含額外 的資訊時*亦可以跳 過它們。為傳输此種資訊計，亦係將巨塊位址與每個跳過 巨塊一起予Μ傳輸。 所應注意的，那就是各巨塊與它們一起載有需要藉加入 有闞每一巨塊之架空資料予Μ說明的一序列屬性。本發明 之一個目的乃係將巨塊識別保留在多個標度上面，因而* 除了大約諸如移動向量之精確度等某些參數之精簡外，只 加入架空資料一次。 間顯 是故，自MPEG-1式視訊算則之前述說明看來所應了解的 ，那就是此種MPEG-1標準之目的乃在規定對應於一項視訊 順序之壓縮數元流的語法Μ及規定用來將此種順序Κ 一單 獨空間解析度位準解碼的方法。本發明所針對之問題為擴 充此種語法的規格與MPEG-1之解碼方法，俾可將數位視 訊順序解碼並且以多項標度予Μ編碼。就現有目的言·則 .....................................·''................^..............................^..............................^ (請先閲讀背面之注意事項再瑱寫本頁) 甲 4(210X 29了二'发） --12 - ^78299 A6 B6 五、發明說明（11 ) 為辨別兩種型式的定標： 1. 解析度定標：此舉係指產生一股數元流的能力而言。可 將此種數元流Μ多項空間解析度予以解碼的方法為選擇數 元流之不同部份。此種特色在某些應用方面是有利的，這 裡必須將多視訊窗口顧示在一種全解析度螢蒂中。它亦靨 有利，因為，它促成實施不同複雜程度之解碼器，因而， 使只將較低空間解析度解碼的極簡單解碼器可行。 2. 數元流定棵：此舉係據產生其中可棄置某些編碼數元而 仍有可用影像發生的數元流之能力而言。一種可以解析度 定標算則亦為一種可Μ數元流定標的算則；可是，在這裡 數元流定標卻係Μ —種更為狹小的意義加以解釋的。數元 流定標性 在意指永遠解壓縮達全解析度而言。當某些壓 縮數元流資料被雜音所瓦解時，此舉對解壓縮視訊品質的 優美退化為一種有用特色。 本發明係關於擴充此種MPEG-1式解碼方法· Κ期藉提供 由8x8DCT成分之階層性編碼所支援之解析度及數元流定 標的方法與装置來支援這兩種形式的定標性。此種方法富 有彈性：可將這些標度的一個或多個予以堆盡起來，Μ支 援許多應用。而將階層性層次的確切數目予Μ留給編碼器 的設計者或應用的需求。此外，本發明乃係針對擴充 MPEG-1之語法與方法，因而，將一巨塊之屬性予以保留在 各種階層性層次上面。 先前枝術 在關於階層式編碼技術主題的技術文獻中具有數不清的 t請先W讀背面之注意事顿再填寫本頁) -¾. •打. •線 甲 4(210X 2971'发） A6 B6 五、發明說明（12 ) 論文，這些論文均與本發明之主題有關。許多這些參考資 料均係關於副帶編碼（S u b b a n d c 〇 d i n g )及角維編碼 (Pyramid coding)的主題。蕃査這竖主題的兩本新書為： • 1991年由Kluwer大學出版社所發行編者為J.W.W00DS 的“副帶影像編碼”。 .1991年美國華盛頓州Bellingham市SPIE光學工程公司 所出版由M.Rabbani及P.Jones兩人合著的“數位影像壓縮 技術”。 相信下列之三份文件為與本發明最有闞連的先前技術： • 1989年2月版的1$0/^丁(：1/5(：2/1^8*0?£0卩-260所載 由 Ch.Giiillemot, T.H'guyen,與 A.Leger·三人合著的“階 層式設計之變模式選擇”。 • 1991年 5 月版的 ISO/IECJTCI/SC2/WGLL MPEG 91/ 051由荷蘭PTT研究所發表的“CCIR601” 多用途編碼設計 之階位率”。 • 1991年 8 月的 ISO/IECJTCI/SC2/WGLL MPEG 91/ 114 所載由荷蘭PPT研究所發表的“ CCIR601” 之相容性編碼 :預據預測誤差”。 第一份文件說明用以壓縮多解析度靜止影像的階層式設 計，其中採用較低解析度影像之DCT係數來預測較高解析 度DCT係數。此種設計與本發明不同，因為，DCT永遠為 相同大小。此外，設有考應將此種設計懕用於壓縮分段成 具有共同颺性之像素方塊的視訊。 -14- --一* f4(21〇X 297 Z 发） .....................................卜................«:..............................打..............................洋 (請先¾¾背面之注意事項再填寫本页) ^^8292 A6 B6 五、诠明說明（13) 第二K及特別是第三文件說明當應用於兩層解析度時類 似本發明的設計。這些教材+ Μ設計目Μ為採用兩個胃：欠 的解析標度，因而’產生可與CCIR601格式Μ及MPEG-1 S1F格式相容的畫面°無意進一步推廣可在解析度及·數元 流中定標的編碼器技術。而且，未將一個巨塊的屬性保留 在兩個檷度位準上面’特別是將較高解析標度處之移動補 償向量規定在16χ 8方塊位準處而非32x 16CCIR601巨塊位 準。這就是說1此種鼷性無法被解析棵度所共用°同樣’ 亦未就如何處理其他屬性提供詳细說明。 與前述先前技術糸統及算則對比時’本發明之目的為提 供用以壓縮視訊順序的彈性語法及編碼/解碼架構’此種 語法及架構容許將視訊以多項空間解析度及數元流標度解 碼® 本發明之另一目的為提供用於以擴充MPEG-1之現語法及 方法的方式支援多項檷度的系統及算則。此種擴充係Μ最 小量的額外架空資訊所完成的。 本發明之再一目的為提供和本發明之糸統及算則一致的 編碼器及解碼器實施情形。 發明之概要說明 本發明係闞於以如此方式處理視頻影像資料流之糸統與 方法，俾產生將對應於解析度或數元流標度之資料實施多 工的視訊資料表示法。此種表示法為如此方式’那就是將 MPEG-1之基本色塊（MB)結構的識別予Μ保留在全部解析度 ...................................... ...........¾..............................ίτ..........一..................痒 ί請先Μ讀背面之注意事邛再蜞寫本页) 肀 4(210X 2971'沒) A6 __B6 五、發明說明（14 ) 及數元流標度上面。圖δ表示如何保留色塊識別的方法為 在四個解析度位度準上面定標。保留此種識別是重要的， 因為，與一序形屬性相结合的巨塊有助於Μ P E G - 1式壓縮資 料流中所結合之架空資料量。藉將此種巨塊識別保留在多 解析度及數元流標度上面時，這些標度才能共用此種架空 資料，如此一來，只需要將它加入資料流中一次。 將此種巨塊識別保留時，除了最高解析度外•亦會明顯 簡化全部解析標度的移動估計向量資料的取得。基本上， 可自最高解析度移動向虽資料藉將它按比例適當縮小取得 與任何解析標度相對應的移動向量資料。舉例說吧* 1/4 解析度時之X及Υ移動向量成分就是1/2對懕全解析度成分 。就變換方式言，可由較低解析度移動向量之適當按比例 放大即可取得全解析度移動向量。在後者情形中，可Μ較 高解析標度增加額外校正> Μ改進移動向量資料的精密度 〇 · 本發明之第二特色為亦係保留用Μ將一巨塊編碼的方法 。和上述的情形一樣，在MPEG-1中，係將一巨塊细分成六 個8x8方塊的亮度及色訊資訊，並利用8x8離散餘弦變換 式（DCT)將每個方塊編碼。在現行技術中，亦係將每個定 標巨塊予以分成六個子塊的亮度及色訊資訊•並利用適當 大小DCT將每個子塊編碼。如此一來，就圖6中的1/4解 析度巨塊言，會採用大小4x4之DCT 。附帶地，所應注意 的，那就是例如可自對應8x8DCT係數Κ各種方法取得此 « 4 X 4DCT *因而，無需4x4DCT之明顯實胞情形。 ......................................................^............................................................^ (請先聞讀背面之注意事項再填艿本页) 甲 4(210X 297云发） 五、發明說明（15 ) A6 B6 最後，本發明之第三特色係關於用以產生按目標解析標 度重構一盡面所需DCT方塊資料之方法。在本發明技術中 ，乃係利用和預測器一樣的階層式較低標度之D C T資料由 標準微分煸碼技術將任何解析度或數元流標度處之DCT係 數資料予以編碼。 圖忒乏簡屋銳明 圖1至4例示MPEG-1資料流之視訊壓縮層内之壓縮資料層 ，亦即，圖1表示圖框或畫面組（GOP)，圖2表示一晝面之 巨塊（MB)细分情形，圖3表示一圖框之範例截片细分情形 Μ及圖4表示一巨塊之方塊细分情形。 圖5例示MPEG-1標準中所用畫面姐中間的雙位準移動補 償。 圖6例示如何依據本發明以各種解析標度將巨塊定標。 注意，那就是亦可將巨塊定標達高於圖式中之全解析度的 解析度。 圖7例示對應於圖6所示標度之DCT係數的階層式預測 0 圖8為可將圖6和7之四個解析標度中的三個標度解碼之 解碼器方塊圖。注意，那就是如果只需要一個標度作為出 時*即可丟棄好幾個方塊不用。 圖9為具有數元流定標度之解碼器方塊圖。 圖1 0為在預測Μ前具有量化之階層式解碼器的方塊圖。 圖11為可採用本發明之可彈性定標視訊壓縮編碼器赏施 (請先《續背面之注意事項再堪寫本頁) .訂. 甲 4(210X 297 公;¥) 五、發明說明（16) A6 B6 情形之方塊圖。 圖12a為可用在圖11之可彈性定標視訊壓縮編碼器簧施 情形中之變換式單元的一種型式方塊圖。 圖12b為可用在圖11之可彈性定標視訊壓縮編碼器實腌 情形中之變換式單元的另一種型方式塊圖。 圖13a為可用在圖11之可彈性定標視訊壓縮編碼器賁施 情形中之階層式預測單元的一種型式方塊圖。 圖13b為可用在圖11之可彈性定標視訊壓縮編碼器賁施 情形中之階層式預測單元的另一種型方式塊圖。 較徉啻瓶例之詳钿說明 在提出本發明之特別實施情形的說明以前，所應加Μ解 釋的，那就是其中預期數位視訊負有任務的廣大應用範圍 均對視訊壓縮算則加有許多衝突性需求。茲Μ標準相容性 ，編碼器與解碼器實施的複雜性，功能性，影像品質等的 字眼來說明這些衝突。相信這些衝突性需求均無法由一項 單獨編碼算則予以滿足，而係取而代之而，需要可與特定 應用之需求相匹配的彈性算則架構。可採用此種彈性來滿 足許多這些衝突性需求，而仍然在不同的架構說明中間保 留大量的相容性。舉例說吧，所相信的，那就是雖然不同 的懕用可能需要不同的編碼器實施情形，但應可Μ莨現一 種單純的解碼裝置，此種解碼装置能將符合此種彈性架構 的全部數元流解碼。所亦相信的，那就是此種普通解碼器 不懕為過於複雜。本發明之一個目的就是提供此種普通解 碼器。 {請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) -故. .訂· 甲 4(210Χ 297Κ 发） 五、發明說明（17 ) A6 B6 好幾種應用均自上述解析度及數元流定標度特色得到好 處。本發明之方法及装置即係藉8x8DCT成分之階層式編 碼支援解析度及數元流定標的。雖然可採用其他大小的 D C T ，但愛用具體實例均係以8 X 8 D C T開始，因為，那就 是好幾項標準壓縮算則的選擇。 就解析定標言，可採用本發明來提供例如高達四個解析 度的位準。獲得最低可能解析度的方法為將一個8x8DCT 方塊的左上部分之等值編碼；此種解析度為原來解析度的 1 / 6 4 ·其次，可求得原來解析度的1 / 1 6的解析度的方法為 將此種DCT方塊上方2x2係數的等值編碼。將左上方4x 4係數的等值編碼時會得到原來解析度的1 / 4之解析度的结 果。最後，將全部8 X 8係數編碼會得到全解析度視訊的结 果。 提供一項固定解析度時，本發明支援數元流定標的方法 為Μ相同解析度將多階層性層次編碼。但是，就逐漸更细 的量化因素言，這些層次會產生相同空間解析度及增加品 質的視訊。在此種情形中，係將此種階層式層次之第一及 最後層用粗糙量化予以編碼以及將較高層次用增加精密度 的量化予以編碼。 此種架構富有彈性：可這些階層式層次中的一層或多層 按增加解析度或精密度的次序予Κ堆晝起來，因而，利用 一個解析度位準處的重構係數來預測次一解析度位準處之 對應係數。除了最低階層性層外*任何層次中的變換式係 數均係Μ其預測為準施Μ微分編碼。舉例說吧，可Μ選擇 ......................................................¾..............................訂..........一...................線 (請先«請背面之注意事邛再瑱寫本頁) 甲 4(210X 297 公尨） A6 B6 五、论明説明（18 ) 一個編碼器來產生只包含全部反1/16解析標度資料的數元 流。在此種情形中，將會利用1/16解析度層處的係數來預 測全解析度層處之係數。就變換方式言，為達成數元流定 標度計 > 一個層次中的8x8DCT係數之粗糙量化姐可以充 作為預測次一層次中的8 X 8係數之對應姐，此種對應8 X 8係數姐所受到的量化則更為精细。 本發明之架構的基本特點為將MPEG-1之巨塊结構的 識別予Μ保留在全部解析度及精密度層次上面。圖6表示 有關用四個解析度位準煸碼案例之此種特色。保留此種識 別是重要的，因為，和Μ P E G - 1算則說明中所提到的情形一 樣*係將一個巨塊（Μ Β )與有肋於一股壓縮資料流中所结合 的架空資料量之一序列屬性相關連的。保留此種巨塊識別 的容許復用全部階層性屢次的此種架空資料。舉例說吧， 可藉適當定標自最高解析度移動向量資料取得對應於任何 解析標度的移動向量資料。 宙搏層之多丁法 雖然不是本發明之主題，但要注意這一點是重要的，那 就是在傅输或儲存以前，必須由一種編碼装置將各種標度 的資料施以多工制。用於實施此種多工法時具有許多選擇 。舉例說吧，可將每一階層性位準處之一完全畫面的資料 按增加解析度和精密度的次序予以序連起來。所應了解的 ，那就是此種資料含有可表示關於所處理之畫元或視頻影 像像素的資訊信號。這些這號典型者就是諸如汞影照相機 ，電腦，及輔助設備等相關電子裝置中所處理的電氣信號 ......................................................^..............................打..............................^ (請先«讀背面之注意事項再填寫本頁) 甲 4(210Χ 297公；《|) a6 B6 五、發明説明（19) t 和 精 於 本 行 技 術 者 所 nfy 懕 徹 底 熟 悉 並 了 解 的 情 形 - 樣 0 解 析 直 與 數 流 標 之 爾 化 在 此 愛 用 具 體 實 例 中 i 每 道 階 層 性 層 次 的 最 化 均 採 用 按 MPEG -1所 規 定 的 相 同 矩 陣 0 如 此 一 來 » 即 係 從 全 解 析 度 的 δ X 8DCT 矩 陣 取 得 各 種 解 析 標 度 之 DCT 資 料 〇 如 若 MPEG-1 式 權 衡 量 化 矩 陣 係 由 Q8表 示 i 則 取 得 的 較 低 解 析 度 DCT 之 矩 陣 如 下 : 最 化 器 LCi 丙# Q1 1x1 1/8 Q8 Q2 2x2 1/4 Q8 Q3 4 > ί 4 1/2 Q8 所 pftr 懕 注 意 的 ，1 那 就 是 本 發 明 也 函 蓋 將 普 通 量 化 矩 陣 用 在 每 一 標 度 處 之 案 例 * 但 是 1 此 舉 動 只 會 使 解 碼 装 置 查、 成 更 複 雜 而 已 〇 解 析 薄 m 酌 7Π m 標 海 階 屑 件 預 m 在 此 愛 用 具 體 實 例 中 » 乃 係 採 用 階 層 性 層 次 中 的 DCT 係 數 來 預 測 此 種 階 層 式 三 次 一 層 中 的 對 a*Mt m 係 數 〇 茲 將 一 項 實 例 例 示 在 圖 7 中 > 其 中 表 示 有 四 道 解 析 層 的 階 層 0 其 預 測 算 則 就 是 適 當 標 度 係 數 的 簡 單 一 對 一 映 像 0 可 是 ) 所 atg 懕 注 意 的 j 那 就 是 仍 m 可 以 增 加 複 雜 性 之 代 價 來 採 用 其 他 預 測 算 則 〇 階 層 件 曆 次 時 率 枰 制 JL·. 規 定 在 此 愛 用 具 體 實 例 中 t 係 將 MPEG -1 之 量 化 參 數 QP採 用 在 此種階層式之最低層處。並參照此種較低層QP規定此種階 ......................................................it..............................打..............................線 ί請先閱讀背面之注意事項再滇寫本頁) 甲 4(210X 297父兮） A6 B6 五、發明說明（2 0) 層式之其他層次的QP參數。舉例說吧，可將一高層QP參數 規定為該較低層QP的兩倍。 可宙槽解磘器的筲瓶情形 本發明係關於具有彈性數目之階層性層次的架構。然而 ，為了易於說明計，特說明例示解析度及數元流定標性特 色的兩個三層式解碼器。圖8中所表示的解碼器装置乃係 支援2x2(低），4x4(中）* Μ及8x8(高）解析標度。可實 施只具有一個目標解析標度的解碼器之方去為消除達成其 目標所不需要的圖8方盒。在就三個解析標度將壓縮資料 作熵解碼與多工解訊以後，每一 8x8方塊資料均具有相對 應的2x2及4x4方塊資料，所有這些塊資料都是建立最後 8 X 8矩陣的D C T係數所必需的。 在此愛用具體實例中，均係遵循下列步驟來取得全解析 度8x8DCT係數。在將2x2層之qP2量化參數去最化Μ後 ，將其低解析度2x2方塊用作為對於此種對應4x4方塊之 四個最低次係數的預測。將這些預測與去量化4 X 4係數相 加|而這裡4x4係數之去量化係由qP4量化參數所完成的 。同樣將此種先前缌和结果用作為對於對應8x8方塊之 16個最低次係數的預測。將這些預測與去童化8x8係數相 加*而這裡8 X 8係數之去量化則係由q P 8量化參數所完成 的。 應注意，於重構最後的係數矩陣時，D C T係數只被量化 參數所去量化。一經達到最後解析度時，則只需要權衡量 化矩陣所執行的去量化。此棰特性之可行係因為在此愛用 {請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) .嗥· •訂. •綠， 甲 4(210X 297 _-99- A6 __B6 五、發明說明（2 1 ) 具體實例中，係將各種標度處之權衡矩陣予以按比例地發 生關連的，和上述情形一樣。 現在將係數之最後8x8矩陣利用MPEG-1技術予Μ用來重 構此種全解析度畫面，包括移動補償預測在内。在這一方 面於參照圖8時*所應了解的，那就是在全解析度位準的 ，其16xl6mcp單元代表一個巨塊（MB)上操作的普通 MPEG-1移動補償預測單元；其IDCT方盒就是用Μ完成標準 MPEG-1 8 X 8反變換式的單元；以及Q8-1方盒代表用以由 對應Μ P E G - 1式權衡矩陣完成反量化的單元。 為將其他解析標度處之視訊盡面解碼計，除了缌和預測 處理將去量化係數資料停止在想要解碼的解析度處外，均 遵循相同程序。由Q4 — 1及Q2 — 1所表示之權衡去量化矩陣所 執行之去量化作業乃係採用此愛用具體實例之定標矩陣。 完成反變換式作業的方法為採用適當大小的變換式。如此 一來，就1/4解析度時之解碼言，應使用4x4的反DCT 。 適於由三個“定標”解析度所支援之解碼的一度空間D C Τ 矩陣為： (請先《讀背面之注意事項再瑱寫本頁) .訂. •練 甲 4(210X 297'/：^) 278299 A6 B6 五、發明說明（22 ) D C T U X 1)及D C T ( 2 X 2 )兩者都是通俗的且應易於實施，那 便在軟體中。 所應注意的，那就是其他解析度處之MC P均係共用同一 移動向量資料MV，K產生各種解析標度處之定標巨塊的移 動補償預測。要特別提及的，那就是於採用移動補償技術 時 > 懕將全解析度移動向量予以適當定標，Μ便匹配解碼 器解析度。前文已說明此點。 茲將實施數元流定標度之解碼器表示在圖9中。此種解 碼器的操作與圖δ者非常類似，其例外為只採用8 X 8作業 ，以產生提高品質位準的_出盡面。為了此種原因，各種 單元（例如，Q8:1，IDCTs，及MCP等）均可由單獨硬體予 Μ按物理方式實施並由各種階層性層次所共用。 最後*特將並非此愛用具體實例之一部分但卻與本發明 一致的一種變換解碼器實施情形表示在圖10中。此種解碼 器係以和圖8者的相同的方式搡作。但是，它卻容許將任 何量化權衡矩陣予Μ使用在各種階層性層次中。它亦係實 施從一較低階層性層次預測DCT係數的普通装置。在此種 意義上，係使用Ρ2自2 X 2數預測4 X 4係數Κ及使用Ρ4自4 X 4係數預測8 X δ係數。具有可予Μ利用的許多預測算則 *包括此愛用具體實例的1對1映像在内。 煸碾器鸾瓶情形 就可與上述本發明之解碼器相容的編碼器言，具有許多 可行的實施情形，舉例說吧，茲說明各係設計只供解析度 定標用之兩個此種編碼器。並將一種之道解析層編碼器之 一請先M讀背面之注意事頊再填寫本頁) -¾. •打. 甲 4(210X 29了公韙） 五、發明說明（23) <請先閏讀背面之注意事項再琪寫本頁) -般結構表示在圈1}中.此種編碼器分成之部分。第一部 份為採取三道解析層用的數位視訊输入及输出DCT資料之 變換式單兀：d(8x8)，d(4X4),及d(2x2)。第二部分 為採取全部解析度層處之寒換式單元DCT输出及输出量化 微分DCT資料的階層性預測單元：q(8x8) , q(4x4),及 及9(2x2)。將此種输出在第三單元中施以多工及熵编碼 ,Μ產生取後的壓縮視訊。預測單元亦產生重構DcT資料 :b(8x 8)，b(4x 4)，^b(2x 2)，此種 D(：T 資料則被反 饋生變換式單元，K完成典型拼合變換碼環路。 •打· •綠· 圖12a表不變換式單元之簡單實施情形。在此種實施情 形中，此種8x8層包含亦為式編碼器—部份以及更 係關於從屬性地移動補償拚合變換編碼器—部分的元件。 其上枝包纟：產生移動補償預測差的缌和器（Σ 產生該 項預測差之8x8變換式係數的前向8x8[)CT變換式；以及 由權衡矩陣（Q8)所執行的量化單元。其输出為一組位經部 份量化之DCT係數，d(8x8)。反餵枝的回路接收一姐部 分重構DCT係數，b(8x8)，而後，Μ下列單元處理它們 :櫂衡（Q8-1)矩陣的反量化器以及重構預測差別的反DCT 變換器（IDCT δ X 8);將此種重構差別相加至移動補償預 測的缌和器，因而*重構原來的耋面資料；以及最後產生 次一畫面預測的移動補償預測（MCP)單元。在MPEG-1中， 此種MCP單元乃係依據圖式所所表示的16x16巨塊操作， 但亦可採用其他的方塊大小。在此種變換式軍元的霣施情 形中，僅係從對應8x8係數抽取d(2x2)及d(4x4)係數而

甲 4(210X297^： A 五、發明説明（24 ) A6 B6 已。所應注意的，那就是亦可經由應用於8 X 8係數的其他 預測或權衡算則取得d (2 X 2 )及d ( 4 X 4 )係數。 應注意，由於在較低解析標度中設有反饋環路，故此種 编碼器會產生這些解析標度處之量化和移動補償誤差的累 槙。可是當任何時間有新的畫面姐開始時，將會自然令此 種誤差重置於零。雖然較低解析層之品質會受到此種誤差 累積的限制，但此種編碼器的單純會使此種方法變成富有 吸引力。尤其是如果所需要的只是數元流定標性，那麽此 方法就是全部所需要的。 茲將變換式單元的另一種實施情形表示在圖12b中。此 種型式與圖1 2 a中者相同，不過，d ( 2 X 2 )及d ( 4 X 4 )卻係 由相同但係在每一解析標度處操作之完全獨立環路所產生 的。按此種意義，在每種情形中 > 均係用Η 4及Η 2將输人視 訊之解析度濾波並予以減少達1 / 4的因素。每一層次均以 此種方式採取適當解析度的輸入。亦係將諸如DCT ，量化 及MCP等全部作業根據此種層次的解析度予Μ定標的。 用增加複雜性的代價時，此種型式一般會比圖12a中之 單元所產生者產生較佳品質的低解析度畫面。在此種情形 中，編碼誤差不會累積一個K上的畫面周期。但是，應注 意的，那就是16x16移動估計的結果可由全部解析度環路 所共用，因為，在本發明中，移動向虽就是全部標度時由 巨塊所共用之屬性中的一種。此種莨施情形更適於凡是低 解析度視訊之品質頗為重要的應用。 圖13a表示階層性預測單元的實施情形。首先將4x4及 ..............................................-……^..............................訂..............................终 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 甲 4(210X 297 公;*|) ^6- 五、發明說明（25 ) A6 B6 8 X 8層次的階層性預測差別產生在缌和器中。而後•將所 有層次由其個別量化參數予Μ量化Μ及其結果為諸如q (2 x2) * q(4x4)，及q(8x8)等输出。亦將這些结果由對應 量化器參數予Μ反量化•而後•在兩個另外缌和器中予以 相加，以產生被反饋生變換式單元的部分重構b(2x2)， b (4 X 4) >及b(8x8)資料。®13b表示可予以用作為階層 性預測單元之一種變換式實施情形的相同元件之重新配置 〇 所應了解的，那就是精於本行技術者均可設計可與本發 明之解碼方法及架構相容的另外编碼變換選擇。 ......................................................it..............................打..............................線 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) --2,7 - 甲 4(210X 297公沒）

Claims (1)

1. ABCD 六、申汴專刊£1ϊΊ 1 . 一種產生壓縮視訊資料表示之方法，於解壓縮時，能以 盡面解析度及/或品質之多項階層性標度予Μ顯示在電 視螢幕上，此種方法包括下列步驟： 提供可表示空間方塊單元（巨塊）之視訊畫元資料信號， 此種巨塊具有與其有翮壓縮畫面資料和一姐編碼屬性的 資訊，包括編碼決策，移動補償向量，與量化參數； 就每一巨塊均產生此種多個標度中每隔一個標度處之一 個對應定搮巨塊，因而，使相同的編碼屬性均被這些巨 塊所共享； 選擇解壓縮目標標度，以及只在目標標度處完成反變換 式作業，此種反變換式係依據最後的變換式係數資料操 作，並係從全部較低標度中之對應定標巨塊的變換式係 數以及目標標度之變換式係數資料取得一目標定標巨塊 的最後變換式係數資料：以及當在誤差中發現時將某些 定標巨塊（Μ Β )資料去掉。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中與一已知巨塊相 關連之壓縮盡面資料係又對應於適當標度之量化變換式 係數。 3. 根據申請專利範圍1第項之方法，其中有關此種屬性組 的資訊為如此方式，那就是這些屬性均可予以適當修飾 ，以便於將此種相關資訊解壓縮時，符合定標巨塊之標 度。 4. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該產生步驟包含 將有關可變數目的解析標度與可變數目的數元流標度相 -28- .................................... …¾...............................玎.................... .··線 (請先閱讀背面之注念事項再填寫本页) ?4(210χ297 公龙） 278299 7 7 7 7 ABCD 六、申請專利範圍 互混合。 ~ 2 9 - .......................................¾..............................ΪΤ....................* …·漆_ (請先閱讀背面之注^事項再填寫本页) 甲4(21〇父297公芨）