TWI504242B - 一序列形象的視訊資料之寫碼方法和解碼方法 - Google Patents

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Description

一序列形象的視訊資料之寫碼方法和解碼方法
本發明係關於視訊寫碼和解碼方法，尤指相位細練方法，供基於稀疏表示法之形象預估。
目標在擬議一種工具，可用在編碼器和解碼器，維持在較低位元率的同樣品質，以改進視訊寫碼效能。本發明針對的問題，是在空間和間型形象預估情況下，改進預估。
在H.264/AVC中，正如T. Wiegand,G.J. Sullivan,G. Bjontegaard和A. Luthra題為〈H.264/AVC概論〉(視訊科技之電路和系統，IEEE Transactions，第13,7卷，560-576頁，2003年7月)之文件內所揭示，進行內型預估是基於鄰接現時段的圖元橫排和直行之知識，把相鄰段脫離相關。指定若干方向性模態。進行外推法，只要將圖元值沿預定方向之一「傳播」即可。在此等幾何形模態之外，亦可用DC預估，先前編碼樣本相鄰手段。H.264/AVC內型寫碼對重構均勻區或方向性結構非常有效率，尤其是內型模態之一方向最佳配合輪廓之時。
針對高度織紋區內訊號預估問題，在此可考慮基於稀疏訊號近似值之方法。稀疏近似值技術之目的，在於就大型又冗贅集合(即字典)選出之功能，尋找所分析訊號之線性膨脹近似法。MP(匹配追蹤)演算是可用的技術，藉從字典迭代選擇所謂原子(atoms)，以計算順應性訊號表示。參見S. Mallat和Z. Zhang的論文，題為〈具有時間頻率字典之匹配追蹤〉，見IEEE Sig. Processing 41(1993年12月)。於此考慮到閉環空間形象預估或外推的問題。可視為從採自肇因鄰居的雜訊資料之訊號延伸問題。可以考慮MP稀疏表示演算。另提供一種方式，透過基本功能的相位細練，改進原子分解。
本發明標的為一序列形象的視訊資料之寫碼方法，包括把一形象分裂成諸段，使用空間預估，基於匹配追蹤演算，從原子字典，選擇與現時段的肇因鄰居最具相關的原子，進行現時段之內型寫碼，其特徵為，實施下列步驟：
─決定肇因鄰居和選定原子間的二維度移位；
─考量二維度空間移位數值，發生至少一新相位原子；
─按照匹配追蹤演算，使用此新原子於內型預估，看是否比所選定者有更佳相關。
按照特殊具體例，字典之原子是由DCT(分立餘弦轉換式)和/或DFT(分立傅立葉轉換式)和/或其他轉換式摘取。
按照特殊具體例，決定二維度空間移位Δx,Δy包括：
─計算交互功率譜(cross-power spectrum)之步驟：
其中Finput 是現時殘值的傅立葉轉換式；Fatom 是選定原子的傅立葉轉換式；F*atom 相當於Fatom 之複合共軛；
─計算逆傅立葉轉換式之步驟，C之c；
─決定相關峰值的二維度位置之步驟。
按照特殊具體例，肇因鄰居相當於鄰近現時段之先前碼式段。
按照特定具體例，原子組成的矩陣A(乘以圖元之預估向量X，賦予與原有訊號的圖元有關的向量Y)，是由考量鄰接現時段的所有諸段之區域所構成，再藉罩覆其相當於不在鄰居肇因區內的圖元加以緊緻。
本發明另一標的，是按照前述寫碼方法所寫碼視訊資料之解碼方法，其特徵為，為現時段之解碼，包括如下步驟：
─使用匹配追蹤演算，計算內型預估，從原子字典，選擇與待解碼現時形象段的肇因鄰居最具相關之原子；
─決定現時段肇因鄰居和選定原子間之二維度移位；
─考量二維度空間移位數值，發生新相位原子；
─若比所選定者更佳相關，則使用此相位原子，做為內型預估。
其他特點和優點，由參照附圖做為非限制性實施例所呈現之下述說明，即可清楚明白。
匹配追蹤演算
設Y為維度N的向量，而A為N×M的矩陣，其中M＞＞N。A的直行ak 可見是字典的基函數能或原子，用來代表向量Y。須知選擇M維度向量X有無限方式，諸如Y=AX。稀疏表示法之目的，是要在Y=AX此等解法常中，搜尋稀疏者，即向量X只有少數非零組件者。誠然，一般不會尋找正確重構，但會尋找稀疏表示法，以滿足：
其中ρ賦予重構錯誤的特徵。由於搜尋最稀疏的表示法滿足此項拘限，是NP硬式，因此在計算上相當棘手，故尋找近似解法。MP演算對此問題透過迭代演算提供副最佳解法。此發生一序列的M維度向量Xk ，按下述方式增加非零組件之數量。最先計算迭代X0 =0和初始殘值向量R0 =Y-AX0 =Y。在迭代k時，演算選擇基本函數ajk ，與現時殘值向量Rk-1 =Y-AXk-1 有最高相關性，即：
再選擇此新原子的權值xjk ，以便把新殘值向量的能量減到最少，即等於：
把新的最佳權值代入Xk-1 ，得Xk ，須知同樣原子可利用MP選擇數次。在此情況下，把係數值加到先前者。演算進行到滿足停止規範。
其中ρ為容差參數，控制表示法之稀疏性。
基於MP的預估
在第1圖中界定使用4n2尺寸的肇因鄰居C預估的n×n圖元段P。
C為鄰居區，P為待預估的現時段，L為P周圍的全區。
以含9段即尺寸3n×3n圖元之全區域L，可將分立傅立葉和/或餘弦基本函數分別表示如下：
和
m和n為預估段之圖元座標，p和q為空間頻率。
以此等原子建立矩陣A。在實驗中，矩陣是由9n2 原子(DCT或DFT)或18n2 (DCT或DFT)組成。須知Y是由區L的圖元值形成的9n2 維度向量，X為含有就基礎函數而言Y的表示係數：Y=AX。矩陣A經修飾，是把其相當於已知區C內所無圖元的橫列罩覆。因此得壓縮矩陣Ac，如果只考慮到DCT基本，則其尺寸為4n2 ×9n2 。Y內的相對應組件按同理刪除，得4n2 圖元之向量Yc 。MP演算再應用到Ac和Yc 。為供後來使用，同樣界定與待預估區P相關的n2 ×9n2 和n2×1尺寸的Ap 和Yp 。
記住MP演算的目標，是要得Yc的稀疏表示法。意即X內的非零組件數k增加重構錯誤時，表示法之複雜性即一成不變地降低。
∥Yc -Ac Xk ∥2
其中Xk 指在k步驟後，利用MP演算所擬之陳列法。但因本案擬議是要獲得P區得良好預估，當然沒有理由說C區的陳列法愈佳，在P區得相關愈好。因此，對MP應用一種停止規範，傾向於滿足此目標，即傾向於把P內之重構理由減到最少。實施此項演算，使其發生一序列漸增複雜性的陳列法Xk ，而對於各Xk ，可計算預估錯誤能量：
∥Yp -Ap Xk ∥2
一般開始降低的預估錯誤一旦增加時，即因停止。但因沒有理由在更複雜的陳列法誠然會生成較小的預估錯誤，即實際上以不同方式進行，而視為二步驟程式。
第一，在(4)內對重構錯誤進行MP演算，直到預定臨限值，所得Xk 序列即儲存。臨限值固定，使最後陳列法有相當大量的組件K。在第二步驟選擇最適陳列表，做為在待預估P區上的最少錯誤能量：
相位細練
如前所述，MP演算選擇與鄰居樣本最具相關的原子。所外推訊號的品質，即高度依賴所選擇原子的性質。若考量的原子充分適應訊號，即達成稀疏性要求。實際上，稀疏表示法的大議題之一，是要能決定基本函數之相關集合，代表形象內任何種特徵。理論的字典是由平滑函數組合，專注於低頻率，為高頻率更具空間定位之其他函數，諸邊緣或輪廓。
在此段，針對為此提問找出非獨家的解決方案之問題。擬議以有限字典作業，藉相位式原子實際上增加其冗贅。主要構想是，有賴相位相關性，藉查詢適當空間相位，最佳配合輸入資料。
此頻率界域趨近估計二形象間之相對翻譯運動。在稀疏陳列表的脈絡裡，本案目標是檢測觀察訊號(第一步驟，輸入訊號是肇因鄰居本身，然後在其他步驟裡，相當於殘值訊號)，和所選用基本函數間之移位。二訊號之空間移位反應為傅立葉界域內的相位變化。在利用MP選擇最佳相關原子後，先選擇插入相位相關方法內。須知事後處理，必須有可媲美環路細練的次最佳者。第一步驟是可能呈現在輸入資料和選定原子間之二維度移位。令Finput 為輸入訊號之傅立葉轉換，而Fatom 是基本函數之傅立葉轉換。
交互功率譜界定如下：
其中是Fatom 的複合共軛。計算C的逆傅立葉轉換，可得二訊號間之相關c。然後檢測c內峰值之二維度定位：
要提高方法之可靠性，使用副圖元檢測。第二步驟包含考量空間移位值{ Δx, Δy} ，發生相位原子。由於在字典內基本函數之理論表達已知，計算移位函數就不會有曖昧性。
結果和實施
考量4×4,8×8和16×16圖元(n=4,8或16)之段的空間預估。利用餘弦函數建構冗贅字典A。閥限設定於一數值，可生成最後陣列法。有非零組件的相當大數量K。然後選擇與最適陣列法有關的向量X，見(2)。在全部模擬中，在(2)把ρ設定於1。MP為基本的預估在JM 11.0 KTA 1.2(關鍵技術區)軟體內積合，不用改變編碼器語法。
擬議之預估模態，為各式內型預估取代一AVC模態。選定的AVC模態相當於較少被選用的模態。呈現關於下列測試的結果：當三個預估型組合，或唯有內型4×4和8×8可得，或只是內型4×4，則MP基本的預估取代一AVC模態。須知軟體經調諧推翻內型16×16預估。模擬是在量化水準之大範圍進行，以評估光度成份的Bjontegaard平均PSNR改進，及位元率減省。參見〈RD曲線間平均PSNR差異之計算〉，作者Gisle Bjontegaard,VCEG-M33,ITU-T視訊寫碼專家小組(VCEG)會議紀錄，2001年4月。表1表示對Barbara的MP預估，和二其他圖像pool和wool之結果，測試形象(720×576)如第2圖所示，按照三種內型預估。當來源圖幅有許多2D圖型時，即得較高位元率節省。
此項內型預估MP基本之新措施，提供比H264/AVC的方向性模態有趣的透視，對複合織紋而言，MP演算原來是內型預估也是對預估有趣的選項。選用相關性相位細練，即可藉有限的字典作業，實際上因原子的成相而增加。幸虧相位細練，減少複雜性，並改進重構的可靠性。此外，由於相位相關演算之副圖元準確性，此型演算之效能特別有效。
演算特別聚焦在移位決定上，例如基於相關性峰值相鄰能量的重心，並視為主要峰值。
關於相位相關性的技術背景，參見例如C.D. Kuglin和D.C. Hines題為〈相位相關性形象排整方法〉，IEEE 1975，模控學和社會學會議錄，163-165頁，1975年9月，以及發明人D. Thoreau,C. Chevance的專利申請案〈使用加權相位相關性以決定移位之形象匹配方法和裝置〉，EP0480807，1992年4月15日申請。
現在所擬為與視訊壓縮寫碼計劃有關的全部應用。
C．．．肇因鄰居
L．．．全區
P．．．現時段
第1圖為P段預估用肇因區；
第2圖為模擬用之二測試形象。
C．．．肇因鄰居
L．．．全區
P．．．現時段

Claims (6)

  1. 一種一序列形象的視訊資料之寫碼方法，包括把一形象分裂成諸段，使用空間預估，基於匹配追蹤演算，從原子字典，選擇與現時段的肇因鄰居最具相關的原子，進行現時段之內型寫碼，其特徵為，實施列下步驟：─決定肇因鄰居和選定原子間的二維度移位；─考量二維度空間移位數值，發生至少一新相位原子；─按照匹配追蹤演算，使用此新原子於內型預估，看是否能比所選定者有更佳相關者。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中字典原子係摘自DCT(分立餘弦轉換式)和/或DFT(分立傅立葉轉換式)和/或其他轉換式者。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中決定二維度空間移位Δx,Δy包括：─計算交互功率譜之步驟： 其中Finput 是現時殘值的傅立葉轉換式；Fatom 是選定原子的傅立葉轉換式；F*atom 相當於Fatom 之複合共軛；─計算逆傅立葉轉換式之步驟，C之c；─決定相關峰值的二維度之步驟者。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中肇因鄰居相當於鄰接現時段之先前碼式段者。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中原子組成的矩陣A(乘以圖元之預估向量X，賦予與原有訊號的圖元有關的向量Y)，是由考量鄰接現時段的所有諸段之區域所構成，再藉罩覆其相當於不在鄰居肇因區內的圖元加以緊緻者。
  6. 一種按照申請專利範圍第1項方法寫碼的視訊資料之解碼方法，其特徵為，為了現時段之解碼，包括如下步驟：─使用匹配追蹤演算，計算內型預估，從原子字典，選擇與待解碼現時形象段的肇因鄰居最具相關之原子；─決定現時段肇因鄰居和選定原子間之二維度移位；─考量二維度空間移位數值，發生新相位原子；─若比所選定者更佳相關，則使用此相位原子，做為內型預估者。
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