TWI295141B - Performing transform-domain rounding method in a decoder and video decoder capable of performing transform-domain rounding - Google Patents

Description

1295141 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種捨入方法與數位解碼器，尤指一種在解碼 态上實施轉換領域之捨入方法與視訊解碼器。 【先前技術】 視訊編碼技術被廣泛的應用在多媒體電子裝置上。一般 • 視訊編碼系統應用離散餘弦轉換(discrete C0Sine transform，DCT)於視訊信號上以達到能量壓縮的目的。動 作補償(motion compensation)與降取樣(d〇wn sampling)之 類的影像處理在轉換領域中皆有其相對應的等效運算，因 此在執行影像處理時可不需將已壓縮之視訊解碼至畫素領 域。這些性質對於服務品質（quamy ^ ，Q〇S)以及功 率消耗上的需求相當有幫助，特別是如行動電話、個人數 鲁位助理(Portable digital assistant，PDA)、可攜式電腦等廣 泛使用的各種多媒體行動裝置。 請參閱第1圖，其為一先前解碼器1〇〇之方塊圖，解碼 器100係應用於晝素領域中的行動補償。解碼器10〇包含 一可變長度解碼器（variable length decoder，VLD) 102，一 反向量子化（inverse quantization，IQ)模組1〇4，一反向離 政餘弦轉換(inverse discrete-cosine transform，IDCT)模組 106，一加法器i〇8，一動作補償模組n〇，一訊框緩衝器 1295141 • · 以及-捨入模組114，解碼器議所 如弟1圖所示相互連結。如 之各疋件係 訊（即位於離散餘弦轉換w 者所知’已壓縮視 r_ 輪人 入模組"4 =出Γ 所使用?參考區塊係由捨 來說是斧心 hi翏考^塊對於次畫素層 Γ產生出漂移誤差。由於解碼器⑽ 操作Γ 因此解碼器⑽代表理想狀況下之 解==其為一視訊解碼器2。〇之方塊圖，視訊 用於轉換領域之動作補償。解嫣器細包含-可變長度解碼器加，-反向量子化模組2〇4，一加法哭 nr向離散餘弦轉換模組，—轉換領域動作補償 、、、 以及一訊框緩衝器212，解碼器2〇〇包含之各元 件係如第2圖所示相互連結。與第1圖所示之解碼器刚 不冋’反向離散餘弦轉換模組篇直接設於解碼器之 輸出端’而不似第i圖所示之反向離散餘弦轉換模組1〇6 没於反向量子化模組104之後。因此，動作補償用來實施 於仍然在轉換領域中的信號。此點為明顯之優點，且對於 貝加於運异成力較差之處理器，較小之頻寬，以及較低之 功率而求的狀況下相當的有利。然而，在晝素領域執行之 1295141 捨入模組m在實際執行捨入的時候，在轉換領域中並未 有實際存在的對應運算。在沒有精確的捨入之狀況下，將 會產生出漂移誤差。漂移誤差係由衫微小的誤差或是難 以察覺的加工影像所集合而成，並在視訊中形成顯而易見 的缺陷。在數位視訊系統中，這些漂移誤差可為在一系列 訊框中所產生之顏色或是形狀上的失真。雖然在某錄況 下^票移誤差健在—可容㈣程度内，但是對於觀看者 而吕’漂移誤差卻常常難以忽視不見，也令人難以忍受。 仿捨入是一種非線性的操作，該事實係為此一系列問題的 二曾非線性的操作使得捨人運算與離散餘弦轉換 /异學上無法滿足交換律。特別是當此處使用 之捨 脾二加上G.5後捨知!、數位的情況下時(捨去小數位即為 4貝數之小數位部分忽略不計而設4 0,例如4·6在此處 管、為〇)此種捨去之操作即為無法與離散餘弦轉換運 數予上之父換律的原因。這也代表了捨去只能對於 在晝素領域之值來實施。目前尚未有任何已知的轉換領域 知作等效於晝素領域之捨去。讀學的肖度來考慮，上述 之問題係可描述如下·· 在晝素領域中’ 之操作係如以下所示：

Truncate 44

Pu Pn pH

Plx P22 ^23 p24

P3] ^33 PM LAi P42 p43 05 〇·5 0·5 〇·5"Π °·5 0.5 0.5 0.5 °·5 0.5 0.5 0.5 °·5 0.5 0.5 0.5 (1) 1295141 其中Pi，j係為^一晝素值，丨與j係為值介於1與4之間的整 數，且畫素值Pi,j係用來表達晝素所包含如色度或亮度等視 覺上的性質。在轉換領域中，捨入操作係如以下所示： DCT Truncate

Pn Pn Pi3 Pu Pl\ Pll Prb ^24 Ρί>\ Pn P33 Pm ^ Ai P42 P^3 Paa + 0.5 0.5 0.5 0.5T 0.5 0.5 0.5 0.5 05 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 (2)

且方程式(2)所述之捨去（即Truncate)操作在轉換領域沒有 相對應的運算。然而在實際之應用中，為了實現捨入操作， 轉換領域之值必須被轉換回畫素領域。因此，第2圖所示 之捨入模組214必須加入一反向離散餘弦轉換(inverse discrete cosine transform，IDCT)元件，一捨入元件，以及 一離散餘弦轉換元件，以提供該預期之捨入值至加法器 206。以計算上的效率而言，所經過的元件運算過於繁瑣， 以致於並不符合實際計算效率之需求。 以上所述之二種用來解決該問題之先前技術係完全忽 略了捨入的操作以及捨人操作中被捨去之部分，然而，總 合廷些被捨去的部分所產生之漂移誤差係使得該問題造成 之影響無法被忽略不計。 【發明内容】 本發明提供—種在料器上實__域之捨入方 法’其包含根據-動作向量對—區塊執行轉換領域的動作 8 1295141

I 旦*〜鐘2個已執行動作補償的區塊，根據該動作向 二：：轉換領域的偏差值，將該轉換領域之偏差值加入 至該已執行動作補償的區塊以產生—加法之結果，以及輪 出該加法之結果’使其成為已捨入之參考區塊。 【實施方式】 本發明係以數位視訊之應用來加以描述，然而，本發明 之其他可仃應用並不受本發明所述之限制。再者，雖然本 發明所參考之轉換領域料離散餘弦轉換，但仍然可應用 於其他種類之轉換領域。 請參閱第3圖，其為本發明所提供之一捨入應用的概要 圖。第3圖所示之程序係為應用動晝壓縮標準(M〇ving Picture Experts Group，MPEG)的視訊錄放裝置中一種报常 見的動作補償流程之一部份。視訊影像所包含之一參考區 • 塊3〇2的所有畫素值需要被計算出來，且在此暫先將參考 區塊302假設為包含16個畫素值的正方形參考區塊，亦即 包含四乘以四（4-by-4)個晝素值的正方形參考區塊。 如第3圖所示，參考區塊302所包含的畫素值是由將來 源區塊304、306、308、及310所包含的畫素值取平约值 而產生。取平均值的步驟312包含一個加總晝素值的牛 驟，以及將加總之畫素值除以4之步驟，除以4的原因是 1295141 、 總共有四個來源區塊304、306、308、及310。意即參考區 塊302所包含之每一晝素值係為四個晝素值之平均，且該 四個晝素值之每一晝素值係各自來自於來源區塊3〇4、 306、308、及310。在以上之例子中，若來源區域的數目 有所更動而增減，或是取平均值的步驟有所更動，則在取 平均時，加總之晝素值所使用之除數也應有所變更。在取 平均時較常制的除數係為4、8、或16，但是使用其他的 φ整數來當作除數也是可行的。在取平均之步驟312中，加 總晝素值之步驟所產生的結果通常為一整數，然而在取加 總之晝素值的平均值之步驟中所產生的結果通常為 浮點數的數宝。 3 •僧八之步驟 士政 / ▼， 岣之步驟312之後執行。 本毛明所提供之捨入之步驟314被分為五個子步驟，且為 :方便描述，該五個子步轉以在晝素領域中執行的方式 ^加以描述。在第-個子步驟t，—組對應於—特定 的有限個可能小數被產生出來1特定數字係為在取平均 之步驟312中所加總並接著㈣以 “ 時也代表著在執行除法後，在小數^ 旦” 绝同 都會被計算出來。這些可能數值可;==能數值 於-資訊擷取系統，例如-杳科 ^ —來亚儲存 心則一組相對應之小數係為;〇.=。25舉例來說，若除數為 任何整數除以4都會產生帶有這樣 0·75}思即， 樣的一組可能小數的商， 1295141 例如12除以4為3·0, 13除以4為13.25,14除以4為3·5, 15除以4為3.75，16除以4為4·0等。 在第二個子步驟中，根據一捨入規則產生屬於該組可能 小數的一組可能捨入值。延續第一個子步驟中所討論之例 子’假設當捨入規則係為將原本所得到之可能小數加上〇.5 再取其整數值（意即將加上〇 5之後的數值直接剔除其小數 _ 點後的值，則當一小數之小數位大於或等於〇·5時，該小 數之值將被改變為其整數位加丨，否則該小數之值將被改 變為其整數位），則對應於該組可能小數之可能捨入值係為 {〇，〇，1，1}。如以上所述，捨入之步驟係以truncate來 表達其運算，則根據例子中所述的規則對於該組可能小數 進行捨入的結果為truncate(0+0.5)=0， truncate(0.25+0.5)=0，truncate(0.5+0.5)=l， truncate(0.75+0.5)=l，亦即以上所得到之該組可能捨入值 ⑩{0 ， 0 ， 1 ， 1}。 在第三個子步驟中，產生出一組可能差異值。該組可能 差異值之每一差異值係由一相對應之可能捨入值減去一相 對應之可能小數而產生。延續第二個子步驟中討論的例 子，該組可能差異值係為{〇，_〇·25，〇·5，0.25}。舉例來說， 若初始之平均值係為13除以4，即3.25，則對應之捨入值 即為truncate(3.25+0.5)=3.0，且該捨入值與該原始值之差 1295141 異值係為3.0-3.25 ’即-0.25。 數學上來說，假設在第一個子步驟中所牽涉到的畫素之 畫素值為奇數的機率與偶數相同，則於第三個子步驟所產 生之可能差異值的機率分布為一離散均勻分布（discrete cosine distribution)，若以隨機變數r表示差異值，則其機 率密度函數(probability density function) &係如以下所示：

Pr ir) = + 0.25) + 0.25) + - 0.5) (3) ，其中δ()係為一脈衝函數。 在第四個子步驟中，需要決定一數值s是否為r的期望 值。當s為r的期望值，即s之值係等於E[r]，則（r_s)2的 期望值為一極小值，意即E[(r-s)2]係為—極小值。因此，在 捨入之前與之後的差異值可以r的期望值來表示，意即以 E[r]來表示。同樣的結果亦可由擷取該組差異值{〇，_〇25， 0.5，0.25}的平均值來產生。因此最後結果所產生之捨入值 可由原始值加上期望值E[r]來模擬。延續以上之子步驟所 採用的例子，期望值E[r]可被計算為 [0+(-0.25)+0.5+0.2^0.125。意即對於_系列的原始值來 說’捨入時的平均更動值係為〇.125。第四個子步驟在本質 上的目的係為計算出該組可能差異值的平均值。 、 實際上，第一個子步驟到第四個子步驟可以預先執行， 12 1295141 且執行之結果可儲存於一記憶裝置或是有相同功能之其他 裝置。舉例來說，若一根據本發明設計之裝置係適用於該 例子並操作於畫素區域，則該裝置之記憶體可直接只儲存 該晝素值0.125，並將該畫素值當作一常數。 第五個子步驟係將所得到之平均值加入該組原始值之 每一原始值中。第五個子步驟所示之方法可以數學式之方 式表示如下： >11 Pl2 Pl3 Pu s s s s Ριχ P22 Pl3 Pl4 + s s s s P31 P32 P33 P34 s s s s _Pax Pa2 PA3 Paa_ s s s s (4) ，其中P係為一晝素值，用來表示一晝素之色度及亮度等 之視覺上的性質，且s係為之前的子步驟所得到的平均值， 在本例中其值係為0.125。 ⑩ 因此，藉由仔細的選擇加入的常數s，並將常數s加入 至晝素值P中，在畫素領域執行捨入之步驟可獲得一期望 之精確度。在第3圖中，參考區塊316所包含之畫素值擁 有相當高的精確度，並用來當作本發明輸出之結果。 請參閱第4圖，其為本發明的捨入操作之一概略圖。第 一輸入端至第四輸入端提供畫素值至一加法器402中，且 實際狀況中，輸入端之數目不受第4圖所示之限制。接著 13 1295141 執行除法406，並接著執行真土的捨入408(意即包含捨去 之操作）。然而，根據本發明所述，一偏差值s係被輸入於 加法器410，因此可達成該捨入輸出的模擬。使用該模擬 於轉換領域的捨入操作中，可使得均方差的期望值如以上 之所述為一極小值。再者，若該除數係已預先得知（且通常 都是如此）’並假設偏差值之集合係為以上所述之均句分 布，則該偏差值s可預先產生出來。 ) 和先前技術不同，以上所述之捨入操作係存在於轉換領 域的操作中。請參閱第5圖，其為本發明所提供之用來操 作轉換領域的動作補償之一解碼器500的方塊圖。解碼器 500包含〆可變長度解碼器502, 一反向量子化模組5〇/， 一第一加法器506，以及一訊框緩衝器512。可變長度解碼 器502包含一輸入端，用來接收已壓縮之視訊。反向量子 化模組504包含一輸入端，輕合於可變長度解碼器$⑽之 > 一第一輸出端。第一加法器506包含一第一輪入端，耦合 於反向量子化模組504之一輪出端。訊框緩衝器512包含 一輸入端，耦合於第一加法器506之一輸出端。解碼器 另包含一轉換領域動作補償模組51〇，一第二加法器514， 以及一偏差值計算模組516。轉換領域動作補償模組51〇 包含一第一輸入端，耦合於可變長度解碼器5〇2之一第二 輸出端，以及一第二輸入端，1馬合於訊框緩衝器512之一 輸出端。第二加法器514包含一第一輸入端，耦合於轉換 14 1295141 領域動作補償模組51〇之一輪出端，以及一輸出端，輕合 於第-加法器506之-第二輸入端。偏差值計算模組 包含一輸入端，耦合於可變長度解碼器5〇2之第二輸出 端，以及一輸出端，耦合於第二加法器514之一第:輸入 端。最後，解碼器包含_反向離散餘弦轉換模組5〇8， 耦。於第加法裔506之輸出端，反向離離散餘弦轉換模 組508係用來輸出視訊。解碼器5〇〇係使用預估誤差區塊， 再將預估誤差區塊轉換為動作補償區塊，並藉由使用參考 區塊以及一動作向量完成該轉換動作。然而，根據本發明， 解碼器500可另外執行以上所述之轉換領域的偏差值捨入 模擬，並藉由偏差值計算模組516執行該模擬。 偏差值計算模組516包含了一些指令及資料，且在轉換 領域中可達到和以上所述之第 一個子步驟至第四個子步驟 相同的效果。在更為直接且較建議採用之實施例中，偏差 值計算模組516係為一查詢表，且該查詢表係以一記憶體 或擁有相同功能之裝置來實現。該查詢表對應於一給定的 動作向量輸出適當的偏差值，亦即在不同的動作向量及對 應之不同的除數下，一定會產生不同的偏差值。在更為複 雜的實施例中，以即時運算的方式實施第一個子步驟至第 四個子步驟之部分子步驟是必要的。 由於解碼器500係在轉換領域中執行，因此偏差值計算 Ϊ295141 0 〇 0 0 〇 0 〇 〇 〇 0 〇 0 〇 0 0 =51二只需要儲存轉換領域偏差值即可。加法器514並 的/這二轉換領域偏差值與轉換領域動作補償模組510 的壯出。併。舉例來說，假設動作向量之值為⑴或⑽·5) 「、兄下，偏差值計算模組516將儲存偏差值如下： (5) =:::下為—況下’偏差值計算模組- 1/2 0 0 0 0 〇 0 〇 ⑹ 0 〇 0 〇 .0 〇 0 〇 動作向量（0.5,0)及（〇 〇 5)只當 ...^ ^ 奸摅、丄t各、，厂、而要一值為2的除數。這是因為 根據這二鶴作向量位移之—參輕塊 要由二個來源區塊所包含之二 一京值，、而 们相對應晝素值取平均即可 生。同理，動作向量(0.5,〇·5)需要一值為4的除數。如第 3圖所示之例子’這是因為. 考區塊的每-書素值Γ需要m ，G.5)位移之參 —值、而要由四個來源區塊所包含之四個 相對應晝素值取平均即可產生的緣故。矩陣(㈣矩 係為轉換領財姆應的捨人偏差值，錢 於之前所述其晝素領_值為咖的例子因此7 轉換領域中可以達成捨人模擬的目標，且達在 法可如以下所示： 你 1295141

X + D = Y ⑺ 其中X料在捨蚊前包含轉_域之值的區塊(或矩 陣），D係為轉換領域捨人偏差值，如矩陣⑺及矩陣⑹，γ 係為在轉換領域巾之捨人絲，並與絲式(4)所示之晝素 領域結果相同。以上所示之各區塊的大小係可自由調整， 並不受以上所狀大小的限制，喊四個畫素（即Μ個畫 素)只是實施此方法之-例子。其他較常使用之區塊大小係

為八乘八個晝素（即64個晝素）或十六乘十六個晝素（即W 個畫素）。 因此’解碼器可在轉換領域中實現捨入之操作。解 碼器·包含偏差值計算餘516與加法器514，且偏差 值計算模組516包含一查詢表或儲存有與矩陣(5)和矩陣⑹ 秦相似的查詢表。偏差值計算模組516係用來執行以上所述 之第-個至第四個子步驟，且加法器514係用來執行以上 所述之第五個子步驟。加法器514之輸出係為轉換領域之 爹考區塊’且這些參考區塊已實施過畫素值捨入之操作。 第6圖與第7圖係為顯示本發明之模擬結果的示， 且該模擬結果係為已解碼視訊之蜂值訊號雜訊比 一。，^ —，職)的標示圖(第6圖係使用佛爾曼 1295141 序列㈣麵請—广帛了圖係使用譚彼得…叫㈣序 ⑴。如第6圖與第7 ®所示’各曲線係代表參考用之書素 4頁域、本發明所示之方法、以及兩個先前技術所使用之方 去’這兩個先前技術所使用之方法係為不使用捨入及不使 用捨去（意即只有加上〇.5)。由第6圖與第7圖可明確的發 現，本發明提供之方法所代表的曲線最貼近參考用之畫素 ^的曲線，因此本發明之方法對於轉換捨人之模擬係優 於其他先前技術。 m明來說，偏差值計算模組516儲存了轉換領域 之集合’且這些晝素領域偏差值係相對應於一組動 发他Γ2些轉換領域偏差值較適合儲存於—記憶體或是 動作=含的查詢表。加法器514係將轉換領域 動作補減組5H)的輸出加上該轉換領域偏差值。因此， =的捨人可實際的實施於轉換領域。與先前技術不同， 本毛明在轉換領域上提供了精確且貼近實際情況的捨入。 圍所僅林糾讀佳實補，驗树㈣請專利範 之均等變化與修舞’皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為一先前解碼器之方塊圖。 第2圖為一先前視訊解碼器之方塊圖。 1295141 第3圖為本發’提供之—捨人應用的概要圖。 第4圖為本發明的捨入操作之一概略圖。 第5圖為本發明所提供之用來操作轉換領域的動作補償 一解碼器的方塊圖。 貝之 第6圖係為使用佛爾曼(F〇reman)序列顯示本發明之模擬妗 果的示意圖。 第7圖係為使用譚彼得(Tempete)序列顯示本發明之模擬会士 果的示意圖。 【主要元件符號說明】 解碼器 100 可變長度解碼器 102 反向量子化模組 104 反向離散餘弦轉換模組106 力ϋ法器 108 動作補償模組 110 訊框緩衝器 112 捨入模組 114 視訊解竭器 200 轉換領域動作補償模組210 參考區塊 302 來源區塊 304 步驟 312 500 202 204 208 502 504 508 206、402、410、506、514 212 214 510 316 306 512 308 、 310 19 d 314 1295141 除法 406 捨入 408 偏差值計算模組 516 解碼器 100 、 500

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Claims (1)

1. !295141 十、申請專利範圍·· L 一種在解碼器上實施轉換領域之捨入方法，包含： 根據一動作向量對一區塊執行轉換領域的動作補償，以產生一 個已執行動作補償的區塊； 根據該動作向量決定一轉換領域的偏差值； 將該轉換領域之偏差值加入至該已執行動作補償的區塊以產 生一加法之結果；及 輪出該加法之結果，使其成為已捨入之參考區塊。 如明求項1所述之方法，其中根據該動作向量決定一轉換領域 的偏差值包含查詢儲存於-查詢表之一已預先計算出之轉換 領域的偏差值。 3. 如請柄2所述之綠，其巾該查絲巾贿魏數個已預先 計算出之轉換領域的偏差值，且每一已預先計算出之轉換領域 的偏差值係對應於一動作向量。 4. 如請求項2所述之方法’其巾該轉換領域之偏紐在轉換領域 上係等效於-畫素領域之平均偏差值，產生該轉換領域之偏差 值包含： 產生-組有限的數目個可能小數值，每一可能小數值係對應於 複數個晝素值之總和被一除數所除產生之商； 根據-捨入規則，產生該組可能小數值中各個可能小數值之可 1295141 » 1 能捨入值，以產生一組可能捨入值； 將該組可能捨入值中各個可能捨入值減去相對應之可能小數 值，以產生一組可能差異值；及 取該組可能差異值的平均值以產生該晝素領域之平均偏差值。 5.如睛求項4所述之方法，其中該查詢表中儲存了複數個已預先 計算出之轉換領域的偏差值，且每一個轉換領域的偏差值係對 | 應於一晝素領域的平均偏差值與一動作向量。 6· —種可實施轉換領域之捨入的視訊解碼器，包含·· —可變長度解碼器(variable length decoder，VLD)，包含有一輸 入端，用來接收已壓縮之視訊； -反向量子化(inverse qUantization，IQ)模組，包含有一輸入 端，耦合於該可變長度解碼器之一第一輸出端； 第一加法器，包含有一第一輸入端，耦合於該反向量子化模 組之一輸出端； -訊框緩衝ϋ，包含有—輸人端，合於該第—加法器之一輸 出端； 一轉換領域動作補償模組，包含有一第一輸入端，耦合於該可 薆長度解碼為之一第二輸出端，及第二輸入端，耦合於該 訊框緩衝器之一輸出端； 一第一加法為，包含有一第一輸入端，耦合於該轉換領域動作 補償杈組之一輸出端，及一輸出端，耦合於該第一加法器

   22 1295141 之一第二輸入端；及 偏差值打她，包含有—輸人端，齡於該可變長度解瑪 亥第—輸出端，及—輸出端，合於該第二加法器之 第-輸入端’該偏差值計算模組係用來參考該可變長度 解碼器輸出之-動作向量來輸出—轉換領域之偏差值。 7.如請求項6所述之視訊解瑪器，其中該偏差值計算模組包含一 查"句表，且該查询表存有動作向量與轉換領域偏差值之 性。 8.如睛求項7所狀觀解韻’其巾每—轉換躺偏差值係由 —組所有可能差異值之平均值經由離散餘弦轉換（discrete cosine transform)後擷取其直流部分（DCc〇mp〇n㈣所產 生，其中母—可能差異值係為—可能捨人值與—相對應之可能 小數值之差；其中該可能小數值係為複數個晝素值之和除以一 除數的商。 μ 9.