TWI225363B - Method and apparatus for controlling quantization level of a video encoding bit stream - Google Patents

Description

1225363 五、發明說明（1) 【技術領域：r 本發明提供一種控制一影像訊號之量化位階 (Quanti zati on Sea 1 e)的方法與相關 t f 於一視訊編碼裝置中控制一影像訊號之量化位階的方法與 【先前技術】 在動態影像專家團體第二型規袼（Μ 〇 v i n g P i c t u r e Cod i ng Experts Group 2，以下簡稱 MPEG 2規格）中，利 用色彩取樣、離散餘弦轉換（D i scr e t e Cos i ne Tr ans f or m，DCT)及量化（Quan t i za t i on)等方式’去除 視訊畫面空間上之冗餘（Spa t i a 1 Redundanc i es)資訊’ 並藉由位移補償（Mo t i on Compensat i on，MC)的方式’ 消除因畫面與畫面間的相似性所造成之時間上的冗餘 (Tempora l Redundanc i es)資訊，以達到壓縮視訊的效 果。 一般而言’在同一張視訊畫面上會有一些共通特性，也許 是色彩上的，也許是幾何上的，或是其它特徵值得到的。 去除這些空間上之冗餘資訊的方式，就是要識別出畫面中 重要的元素，並移除重複且較無影響的元素。根據實驗， 人眼對於亮度變化較敏感而對於色度的變化相對的較不易

1225363 五、發明説明（2) ^~— 查覺。因此，MPEG 2規格採用亮度與色度的色彩表厂 式’以Y表示党度值(L u in i n a n c e’或稱為丄111113)，^

Cb表示色度值（Chrominance，或稱為chromaf 低色度取樣的方式來減少訊號量 4 : 2 : 〇、4 : 2 : 2及4 : 4 : 4三種取樣模式V 種不同的色度取樣頻率。例如，4 ^ 大小為16X16像素之巨集區塊( Macr〇 Block)中，取 個Y區塊（每一區塊大小為8X8像素)、_ c艰 為8X8像素）與1個Cb區塊（大，小為8X8像素）。藉由減^ 色度取樣的頻率，可以在影響視覺較小的情況下達 的資料縮減效果…^ ^ ^ ^ ^ ^ 另外，一般所播放的視訊·，其實只是一連串連續的圖像序 列，然而因為人類視覺上存在一種視覺暫留的現像，所以 會產生連貫影像的錯覺。而此種視訊中，由於畫面間的時 間間隔甚小，所以相臨的晝面間幾無差異，大多只是圖像 内容的位置變化。因此，在動態影像專家團體第二型規格 (MPEG 2)中，藉由位移補償（Motion Compensation， MC)的方式，消除時間軸上畫面與畫面間的相似性所造成 的几餘資訊，來達成壓縮視訊的目的。 上述視訊壓縮編碼的方法乃·習知技術所熟知，以下僅簡單 描述其運作方式V圖一所示為一習知視訊編碼器1〇 (Video Encoder)的示意圖。視訊編碼器10包含有一離

1225363 五、發明說明（3)

散餘弦轉換（D i scr e t e c〇s i ne Tr ans f 〇r m，DCT)裝置 1 2、一動態估計及補償器（μ o t i ο η E s t i in a t o r a n d Compensator) 1 4、 一量化器（卩118111;1261〇16、一可變長 度編碼器（Variab 1 e Length Encoder，VLEP 位元率控制器（Rate Control l er) 20。視訊編碼器1〇係 利用離散餘弦轉換裝置12與量化器W 的冗餘資訊，而以動態估計及補償器1 4消除時間上的冗餘 資訊，以壓縮視訊資料的大小。最後，資料經過可變長度 編碼器1 8編碼後送至一系統多工器(未顯示），以μ P E G 2 規格所定義之傳輸資料流（Transport Stream)或程式資 料流（ Program Stream)將資料送出。

離散餘弦轉換（ DCT)裝置12係對於一巨集區塊經過亮度 和色度取樣後的每一區塊（大小為8 X 8像素），分別進行 離散餘弦轉換，以將視訊資料從空間域（Spatial Domain)轉換至頻率域（Frequency Domain)。離散餘弦 轉換(DCT)是一種完全可逆的數學計算。區塊的色彩值 經離散餘弦轉換後所得到之離散餘弦轉換係數（DCT Coefficient)，依然是一個8X8的二維矩陣。一般而言， 一個畫面中的色彩通常不會有很密集且大的波動，因此， 矩陣中代表較高空間頻率的離散餘弦轉換係數的值通常很 小，甚至為零。基本上，離散餘弦轉換並不能減少數據 量，但是卻可以將資料轉成較易找尋冗餘的表達型式。

第9頁 1225363 五、發明說明(4) 接著，量化器1 6會對離散餘弦 步壓縮視訊資料的大小。簡單 ( Quantization)就是減少描 亦即將各係數以較粗餐的度量 要有兩個功能:一是讓原已很 外則是使得原來非零之係數的 縮處理。量化是一種破壞性壓 原時與原來的資料不會完全相 的程度，主要係取決於量化位 選取。 視訊編碼器1 0之位元率控制 碼器10設計時所預設的輸出;立 行量化處理時之量化位階。位 階時，係以巨集區塊為單位。 與色度取樣後的每一區塊，均 當量化器1 6完成一區塊之量化 用特定之演算法，將一量化後 係數串接成一雄的數列，而使 長度為最大’以提1%壓縮效率 會壓縮該一維的數列資料，以 (Bit Stream)，稱為編碼位 轉換係數進行量化，以進一 地講，量化 述各係數之位元數的過程， 單位描述之。量化的動作主 接近零的值儘量變成零’另 分布範圍變小，以有助於麼 縮技巧，量化後的資料再還 同。因此，視訊壓縮後失真 階（Quant i zat i on Sea 1 e )的 2 0的功能，即係依據視訊編 元率範圍，調整量化器16進 元率控制器2 0在調整量化位 意即，一巨集區塊經過亮度 具有相同之一量化位階。 處理後，視訊編碼器1 0會利 二維矩陣中的離散餘弦轉換 得該一維數列中連續零值之 。接著，可變長度編碼器18 輸出一壓縮後的資料流 元流。

1225363 五 '發明說明（5) 量化器1 6所使用的量化位階越小，則視訊壓縮比越小、視 訊品質越高，但可變長度編碼器1 8輸出之編碼位元流的位 元率也會越高。反之，量化位階越大，則視訊壓縮比越 大、視訊品質越低，但可變長度 流的位元率也會越低。在該編碼位元流當中，有部分位元 (約7〜8個位元)係用來表义綸 位階，以供該編碼位元流解碼還原時之用。 依上述對於習知視訊編碼器1〇的運作說明中可知，當視訊 編碼器1 0之輸出位元率需維持在一預設的範圍内時，若位 元率控制器20改變量化位階的頻率過於頻繁，則在視訊編 碼器1 0編碼後輸出之編碼位元流中，用來紀錄量化位階的 位元數將會很可觀。例如，以NTSC規格而言，每耖要播放 30個圖框（Frame)，每一圖框具有135〇個巨集區塊。在 此況下，若視訊編碼器1〇之输出位元率為2Mbps，則平 均每一巨集區塊經過壓縮後約僅能使用49· 3個位元。若位 元率控制器20改變每一巨集區塊之量化位階，則輸出位元 ^中約有14%( 7/49.3MK U)會是消耗在紀等量化位 階上。 由此可知，在習知 變量化位階的頻率 越多的位元空間被 來5己錄視訊資料的 視訊編碼器10中，若 越高，則最後輸出之 用來紀錄該等量化位 部分受到限制，進而 位元率控制器20改 編碼位元流中會有 階，使得真正能用 降低視訊編碼的品

1225363 五、發明說明（6) 質。 【内容1 . - . . 因此本發明之主要目的在於提供一種控制視訊編碼位元流 之量化程度的方法與相關裝置，藉由限制量化位階之變化 頻率以解決上述問題。 本發明提供一種使用於一視訊編碼裝置中控制一影像訊號 之量化位階(Quant i zat i on Sea 1 e)的方法，該方法包含 有（a )使用該視訊編碼裝置計算編碼過程中之量化位階變 化頻率；（b )使用該視訊編碼裝置產生一新的量化’位階； 以及（c)比較該變化頻率與一預設值，以決定是否以該新 的量化位階取代一原先的量化位階。其中當該變化頻率超 過該預設值時，則不以該新的量化位階取代該原先的量化 位階，以使編碼過程中的量化位階變化頻率維持在該預設 值内。 本發明之優點，在於可限制編碼過程當中之量化位階的變 化頻率，使得編碼位元流當中有更多位元可供視訊資料使 用’進而提昇視訊編碼的品質。 1225363 五、發明說明（7) 請參考圖二。圖二為木^ 訊編碼器10 〇。視訊編碼器1 〇 〇與視訊編碼器]〇很類， 此兩視訊編碼器中相同之元件係以相同之號碼進行編號。 消除視§fl畫面空間上的几餘（S p a t i a 1 R e d u n d a n c i二 訊，而以動態估計及補償器1 4消除時間上的t (Temporai Redundaad^^ 小。最後，資料經過可變長度編竭器18編碼 編碼位元流。 如前所述，量化器1 6係根據位元率控制器1 2 〇所決定之一 量化位階以對一區塊進行量化。然而，於本發明中，位元 率控制器1 2 0可依據編碼歷程中之量化位階的變化頻率， 而決定是否要以一新的量化位階取代一原先的量化位階。 接下來以流程圖說明本發明之位元率控制器1 2 〇的詳細運 請參考圖三。圖三為本發明之視訊編碼器1 00控制〜影像 訊號之量化位階的流程圖2 0 0，其包含有以下步驟： 步驟202:開始。 步驟204:設定位元率控制器120運作時所需之參數，例 如，計算量化位階變化頻岸之時間單位Ρ、量化位階之變

第13頁 1225363 五、發明說明（8) 化頻率Freq —Q之初始值、量化位階變化頻率之上限值TH、 以及量化位階變化幅度之臨界值QTH等等。 步驟2 0 6 :位元率控制器12 0產生一相對應於下一巨集區塊 之新的量化位階Qnew。 步驟2 0 8 :位元率控制器1 2 0比較該新的量化位階Q new是否 等於一原先的量化位階QQld，若是，則進行步驟216 ;若 否，則進行步驟21 0。 步驟210 :比較該新的量化位階Qnew與該原先的量化位階 Q〇ld之間的變化幅度，並檢查該變化幅度是否等於或超過 該臨界值QTH，若是，則進行步驟214;若否，則進行步驟 212。 步驟212 :比較量化位階之變化頻率Freq-Q是否等於或超 過該上限值TH，若是，則進行步驟21 6 ;若否，則進行步 驟 214〇 步驟2 1 4 :位元率控制器1 2 0將該新的量化位階Q new傳送至 量化器1 6，以取代該原先的量化位階Q。1(1，作為量化器1 6 接下來進行量化的依據。 步驟2 1 6 :位元率控制器1 2 0不會以該新的量化位階Q new取

第14頁 1225363 五、發明說明（9) 代量化器1 6中該原先的量化位階Q。1(1，故接下來量化器1 6 繼續以該原先的量化位階Q Qld作為量化的依據。 步驟2 1 8 :位元率控制器1 2 0更新量化位階變化頻率Fr eq_Q 之值。 步驟22 0:判斷是否還有需要處理之巨集區塊，若是，則 進行步驟2 0 6 ;若否，則進行步驟22 2。 步驟222 :結束。 以下說明流程圖20 0之運作方式時，係假設量化器16目前 正對一巨集區塊L進行量化處理，而量化該巨集區塊L時所 依據之量化位階為Q Old。 於本發明之一較佳實施例中，視訊編碼器1 0 0會於步驟2 0 4 設定位元率控制器120運作時所需的參數。例如，將計算 量化位階變化頻率之時間基礎P設定為2 0個巨集區塊，表 示以量化器1 6完成量化2 0個巨集區塊的時間為單位，計算 這段期間内量化位階之改變次數；將量化位階變化頻率之 上限值TH設定為10，表示量化器16完成量化20個巨集區塊 的時間之内，量化位階之改變次數上限為1 0次；將量化位 階之變化頻率初始值設定為0，表示位元率控制 器120從0開始計算量化位階的改變次數；將量化位階變化

第15頁 1225363 五、發明說明(ίο) 幅度之臨界值設定為QTH。 在步驟2 0 6中，對於緊接於巨集區塊L之後，即將由量化器 1 6進行量化處理之下一巨集區塊Μ而言，位元率控制器1 2 0 會產生相對應之一新的量化位階Qnew。 接著，位元率控制器1 20會於步驟208中，檢查該新的量化 位階Q new與該原先的量化位階Q 〇id是否相同，若兩者之值 相同，則進行步驟216，位元率控制器120會告知量化器16 維持該原先的量化位階QOld，而不會傳送與該原先的量化 位階Q 〇ld相同之該新的量化位階Q new至量化器16。因此， 量化器1 6會依據該原先的量化位階Q Qld對該巨集區塊Μ進 行量化。反之，若該新的量化位階Q new與該原先的量化位 階QQld並不相等，則進行步驟21 0，進一步檢查該新的量 化位階Q new與該原先的量化位階Q Qld之間的變化幅度。 於本發明之一較佳實施例中，位元率控制器1 2 0會於步驟 210中檢查該新的量化位階<3_與該原先的量化位階（3。1(1 之變化幅度，是否超過該預設範圍QTH，亦即檢查丨^^^一 Qold|- QTH是否成立。若|Qnew— QQld|^ QTH成立，則表示對 於該前後兩巨集區塊L與Μ而言.，其相對應的量化位階Qnew 與Q〇ld間的變化幅度大於該預設範圍。由於位元率控制器 1 2 0所計算出來的量化位階大小，就某種程度而言係表示 該巨集區塊之複雜程度。因此，當該前後兩巨集區塊L與Μ

第16頁 1225363 五、發明說明（π) 之量化位階變化程度很大時，卻使 U對該巨集區塊Μ進行量化，可能會大幅提高該相對複 ^之巨集區塊鄕量化雇 夕^兀在袓對單純的該巨集區塊上。故，於本發明之一 佳實施例中，當該前後兩 Q_的變化程度超過該預t 會傳送該新的量化位階Q new至量化器16，以1^ 接下來量化該巨集區塊Μ之依據，而不受此時量化位階的 變化頻率Freq-Q之值所限制。相對地，於步驟2^ 〇中，若 该刖後兩巨集區塊L與Μ之量化位階變化程度未達臨界值， 亦即丨Q new- Q Oldl〈QTH時’則位11 2 1 2，以決定是否以該新的量化位階Q new取代該原先的量 化位階Q〇ld。 在步驟2 1 2中’位元率控制器12 0會檢查此時量化位階之變 化頻率Freq — Q之值是否等於或大於該預設值10〇若此時量 化位階之變化頻率Freq — Q之值為1〇或1〇以上，則位元率控 制器1 2 0會進行步驟2 1 6 ’告知量化器1 6維持該原先的量化 位階Q〇ld，而不會將該新的量化位階Q new傳送至量化器 1 6。因此，量化器1 6接下來仍會依據該原先的量化位階 Q 量化該巨集區塊M。最後，經可變長度編碼器1 8編碼 後輸出之編碼位元流中，僅紀錄著量化器1 6量化該巨集區 塊Μ時沒有改變量化位階，代表沿用上一巨集區塊之量化 位階。而不用佔用7〜8個位元重複紀錄該量化位階Q。^。

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五、發明說明（12) 反之，若此時量化位階之變化頻率Freq-Q之值小於10，則 位元率控制器1 20會進行步驟2 ^ 控制器1 2 0會將該新的量化位階 得量化器1 6接下來依據該新的量化位階Q new量化該 塊M。最後，經可變長度編碼 流中，會使用7〜8個位元紀錄量化器1 6量化該巨雇 所使用之談新的量化位階Qnew。 於步驟2 18中，不論位元率控制器12 〇是否以該新的量化位 階Q new取代該原先的量化位階Q old，位元率控制器1 2 0均會 更新量化位階變化率Freq-Q之值。請注意，由於在步驟 2 0 4中所設定之計算量化位^ t 巨集區塊，因此，位元率控制器120更新Freq-Q之值時， 會剔除掉該巨集區塊Μ前面之第2 0個巨集區塊（也就是與 目前處理中的巨集區塊M在編碼程序中距離最遠、最舊的 先前巨集區塊），並將該巨集區塊Μ加入計算範圍内，統 計該巨集區塊Μ與其前1 9個巨集區塊（共2 0個巨集區塊） 的量化過程中，量化位階之變化次數，以作為更新後的 ?“卩一〇之值〇 步驟2 2 0之目的係判斷在該巨集區塊Μ之後，是否還有其他 巨集區塊需要進行量化。若該巨集區塊岐最後〆巨集區 塊，則結束本發明之流程；若該巨集區塊Μ之後還有其他

第18頁 1225363 五、發明說明（13) 的巨集區塊需要量化，則位元率控制器]2 〇會進行步驟 2 0 6 ’產生一相對應於該且氣^ 化位階，然後重複進行上述步驟1 . - . .... ... .. . . - . .... ... .- . . ν’Λ V·’.' 由上述流程圖2〇〇之說明中可發現，步驟204與步驟20 6之 順序是可以顛倒的，而不會對本發明之實施造成 響。另外’於上述步驟2 〇 4之說明中係假設計算量化位階 變化頻率之時間基礎Ρ為2〇個巨集區疼、量化位階變化頻 — 率之上限值ΤΗ為10、量化位階之變化頻率Freq一Q的初始值· 為〇、將量化位階變化幅度之臨界值為QTH。然則，上述參牵 數值’僅係為了方便說明之舉例，並非限定本發明所使用 之參數值需如前所述。是故，步驟204中所設定之各參數 值可依需要而調整。例如，計算量化位階變化頻率之時間 基礎P亦可设定為一特定長度之時間’或其他時間計算武 準。而量化位階變化頻率之上限ΤΉ可設定為大於〇之任^

數目（整數或非整數皆可）。量化位階之變化頻率F re可 的初始值可設定為0，亦可設定為任何非〇之數目。至^q^Q 化位階變化幅度之臨界值可設定為一特定數值或_特二1 分比等等 “ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Λ W 甚至，步驟204亦可進一步省略，只要預先寫入所需要的 , 該等參數值於控制位元率控制器1 2 0運作之動體中亦可g 成本發明之功效。

第19.頁 1225363 五、發明說明（14) 於本發明之一板^ 原先的量化位階，。ld不相 Q new與系原先的里化位階Q 〇ld之間的變北 此時量化位階變化顧率Freq-Q之值與該預設f 是否以該新的量化位階Qnew取 而於本發明之另一實施例中，流程圖2 0 0中之步驟21〇可以 被省略。亦若該靳的量化 階Q〇1(1不相等時，僅比較此時量化位階變化頻率Freq_Q之 值與該預設值TH，即可決定是否以該新的量化位階Q二取 代該原先的量化位階q qU。 相較於習知技術，本發明之位元率控制器丨2 〇之一項重要 技術特徵在於’可限制編碼過程當中之量化位階的變化頻 率=以降低最後輸出之編碼位元流中用來紀錄量化位階之 位7G量，而空出更多位元供視訊資料使用，進而提昇視訊 編碼的品質。 _ 以上，以一視訊編碼器i 〇 〇為例說明本發明之一較佳實施 例，實際上，視訊編碼器1〇〇亦可為一電腦系統，而圖二 中之離散餘弦轉換裳置12、動態估計及補償器14、量化器 16、可變長度編碼器18、以及位元率控制器12〇等方塊， 分別為對應之程式或整合為一視訊編碼程式。此時， 衫一之’Γ程圖?00便相當於該視訊編碼程式之演算法，其 a細程式碼可以任何程式語言編寫，在不影響本發明之技

1225363 五、發明說明（15)

術揭露的情況下，於此不再贅述Q 以上所述僅為本發日月之較隹實施例，凡依本發明申請專利 範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範 圍、

第21頁 1225363 圖式簡單說明 圖式之簡單說明 圖一為習知之視訊編碼|§的不意圖。 圖二為本發明之視訊編碼器的示意圖。 圖三為本發明控制一影像訊號之量化位階之方法的流程 圖 圖式之符號說明 1 0、1 0 0 視訊編碼器 12 離散餘弦轉換裝置 14 動態估計及補償器 16 量化器 18 可變長度編碼器 20、120 位元率控制器

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Claims (1)

1225363 六、申請專利範圍 1. 一種於一視訊編碼裝置中用以控制一影像訊號之量化位 階（Quan ti za t i on Sea 1 e)的方法，該方法包含有： (a) 計算編碼過程中之量化位階變化頻率； (b) 產生一新的量化位階:以及 (c) 比較該變化頻率與一預設值，以決定是否以該新的量 化位階取代一原先的量化位階; 其中當該變化頻率超過該預設值時，則不以該新的量化位 階取代該原先的量化位階，以使編碼過程中的量化位階變 化頻率維持在該預設值内，而且以上步驟（ a)與步驟 (b)之次序可以互換。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預設值可為 一預設時間内的量化位階變化次數。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預設值可為 於進行該影像訊號内一預設數量之巨集區塊的量化動作過 程中量化位階的變化次數。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該視訊編碼裝 置係使用一位元率控制器以執行步驟(a)與步驟（b )。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該視訊編碼裝 置係為一電腦系統，藉由執行一視訊編碼程式以進行步驟 (a)與步驟（b) 〇

第23頁 1225363 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法另包含 有比較該新的量化位階與該原先的量化位階，若該新的量 化位階與該原先的量化位階之差距超過一預設範圍時，不 論該變化頻率是否超過該預設值，均以該新的量化位階取 代該原先的量化位階' 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法另包含 有比較該新的量化位階與該原先的量化位階，若該新的量 化位階與該原先的量化位階之差距不超過一預設範圍時， + 比較該變化頻率與該預設值，以決定是否以該新的量化位 階取代該原先的量彳b位階。 8. —種視訊量化裝置，用來對一影像訊號進行量化，以產 生一量化後的矩陣，該視訊量化裝置包含有： 一量化器，用以依據一量化位階對一影像訊號進行量化； 以及 一位元率控制器，電連於該量化器，用以提供該量化位 階； 其中該位元率控制器會計算編碼過程中量化位階之變化頻 | 率，並與一預設值相比較，當該位元率控制器產生一新的 量化位階時，若該變化頻率超過該預.設值，則該位元率控 制器不會以該新的量化位階取代該量化器使用中之一原先 的量化位階，以使該量化位階之變化頻率維持在該預設值

第24頁 1225363 六、申請專利範圍 之範圍内。 9 ·如申請專利範圍第8項所述之量化裝置，其中該預設值 可為一預設時間内的量化位階變化次數。 10. 如申請專利範圍第8項所述之量化裝置，其中該預設值 可為於進行該影像訊號内一預設數量之巨集區塊的量化動 作過程中量化位階的變化次數。 11. 如申請專利範圍第8項所述之量化裝置，其中該位元率 控制器會比較該新的量化位階與該原先的量化位階之差 距，當差距超過一預設範圍時，不論該變化頻率是否超過 該預設值，該位元率控制器均會將該新的量化位階傳送至 該量化器，以取代該原先的量化位階。 1 2 .如申請專利範圍第8項所述之量化裝置，其中該位元率 控制器會比較該新的量化位階與該原先的量化位階之差 距，當差距不超過一預設範圍時，該位元率控制器會比較 該變化頻率與該預設值，以決定是否以該新的量化位階取 代該原先的量化位階。

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