TWI657694B - 使用殘差補償的視頻編碼方法以及使用該方法的裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的實施例提出一種使用殘差補償的視頻編碼方法。計算來源圖像及重構圖像間的殘差值；以及將殘差值的信息加入視頻串流，使得視頻解碼器將殘差值的信息添加至視頻串流中解碼的圖像。

Description

使用殘差補償的視頻編碼方法以及使用該方法的裝置
本發明關連於一種視訊編碼技術，特別是一種使用殘差補償的視頻編碼方法以及使用該方法的裝置。
視頻壓縮使用先進的編碼技術，用以移除視頻資料中的冗餘。視頻壓縮演算法及編解碼器合併了影像的空間壓縮及時間上的移動補償。然而，應用在安全、醫藥及航太領域的視頻壓縮演算法，需要無損或幾近無損壓縮。因此，需要一種使用殘差補償的視頻編碼方法以及使用該方法的裝置，用以達成無損或幾近無損壓縮。
本發明的實施例提出一種使用殘差補償的視頻編碼方法。計算來源圖像及重構圖像間的殘差值；以及將殘差值的信息加入視頻串流，使得視頻解碼器將殘差值的信息添加至視頻串流中解碼的圖像。
本發明的實施例另提出一種使用殘差補償的視頻編碼裝置，包含殘差值信息產生器。殘差值信息產生器計算來源圖像及重構圖像間的殘差值；以及將殘差值的信息加入視頻串流，使得視頻解碼器將殘差值的信息添加至視頻串流中解碼 的圖像。
S110~S170‧‧‧方法步驟
210‧‧‧來源圖像
230‧‧‧重構圖像
250‧‧‧殘差值
Fi‧‧‧來源圖像
Fi-1‧‧‧參考圖像
Ri‧‧‧來源殘差值
Ri-1‧‧‧參考殘差值
310、330‧‧‧來源塊
310’、330’‧‧‧參考塊
410‧‧‧來源幀
420‧‧‧重構幀
430‧‧‧殘差計算器
440‧‧‧壓縮器
450‧‧‧熵編碼器
460‧‧‧移動預測器
510‧‧‧來源畫面
520‧‧‧解碼畫面
530‧‧‧殘差計算器
540‧‧‧壓縮器
550‧‧‧熵編碼器
560‧‧‧畫面間預測器
610‧‧‧來源畫面
620‧‧‧解碼畫面
630‧‧‧殘差計算器
640‧‧‧壓縮器
650‧‧‧熵編碼器
660‧‧‧移動預測器
第1圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的視頻編碼方法流程圖。
第2圖係依據本發明實施例之產生殘差值的示意圖。
第3圖係依據本發明實施例之圖像間殘差編碼的示意圖。
第4圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的H.264/AVS視頻編碼的系統方塊圖。
第5圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的AVS2視頻編碼的系統方塊圖。
第6圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的HEVC視頻編碼的系統方塊圖。
以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。
必須了解的是，使用於本說明書中的”包含”、”包括”等詞，係用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
於權利要求中使用如”第一”、"第二"、"第三"等詞係用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先權 順序，先行關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。
為了補償視頻編碼的減損，本發明實施例提出了一種使用殘差補償的視頻編碼方法。第1圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的視頻編碼方法流程圖。此方法可由視頻編碼器(video encoder)執行。於計算來源圖像(source image)及重構圖像(reconstructed image)間的殘差值後(步驟S110)，將殘差值的信息加入視頻串流，用以讓視頻解碼器解碼視頻串流中的圖像後將殘差值的信息添加至解碼圖像，降低壓縮減損(步驟S120)。在一些視頻編碼標準中，來源圖像及重構圖像也可分別稱為來源幀(source frame)及重構幀(reconstructed frame)。在另一些視頻編碼標準中，來源圖像及重構圖像也可分別稱為來源畫面(source picture)及解碼畫面(decoded picture)。來源圖像係尚未經過壓縮的原始資料(raw data)。重構圖像為從壓縮圖像(compressed image)重建回來的圖像。視頻編碼器可使用圖像內編碼(intra-coding)來消除來源圖像的空間冗餘，並且使用圖像間編碼(inter-coding)來消除來源圖像的時間冗餘。視頻編碼器另可接著使用變換(transformation)及量化(quantization)來產生壓縮圖像。壓縮圖像可使用反量化(inverse quantization)、反變換(inverse transformation)、圖像間補償(inter-compensation)、圖像內補償(intra-compensation)及濾波(filtering)來產生重構畫面。重構圖像通常只保留來源圖像的低頻信息，捨棄來源圖像的高頻信息。計算後的殘差值包含來源 圖像的高頻信息。第2圖係依據本發明實施例之產生殘差值的示意圖。編碼器可使用公式(1)產生第n個圖像的殘差值250：Rn=Fn-F’n，其中，Fn代表第n個來源圖像210，F’n代表第n個重構圖像230，以及Rn代表第n個來源圖像210及重構圖像230間的殘差值。
以下舉例說明殘差值的計算。一個來源圖像可切分出多塊。一塊可包含16x16、16x8、8x16、8x8、8x4、4x8、4x4個畫素(pixels)。於一些視頻編碼標準中，切分的塊可稱為宏塊(MB,Macro Block)、編碼樹單元(CTU,Coding Tree Unit)等。表1顯示範例之來源圖像中之一塊的Y分量： 表2顯示範例之來源圖像中之一塊的UV分量： 表3顯示範例之重構圖像中之一塊的Y分量： 表4顯示範例之重構圖像中之一塊的UV分量： 經過計算後，表5顯示範例之一塊的Y分量的殘差值： 表6顯示範例之一塊的UV分量的殘差值：
雖然在視頻串流中添加殘差的資訊可減少視頻壓縮後的缺損，但是，這也會增加視頻串流的長度。因為重構圖像保留了大部分的信息，使得殘差值一般較小，因此，殘差值可進一步壓縮，用以減少以上所述的缺點。首先，壓縮殘差值(步驟S130)，對壓縮後的殘差值進行熵編碼(entropy encoding)(步驟S150)。最後，將熵編碼後的殘差值加入視頻串流(步驟S170)。於步驟S130，於一些實施例中，可比對殘差值中的每一塊是否相符於多個殘差模式(residual modes)中之一者。當找到相符的殘差模式時，以殘差模式碼表示此塊的實際殘差值。於另一些實施例中，可使用圖像內殘差編碼(intra-residual coding)來消除殘差值中的空間冗餘。於更另一些實施例中，因為相鄰圖像間具有相似性，可使用圖像間殘差編碼(inter-residual coding)來消除殘差值中的時間冗餘。圖像間殘差編碼可沿用圖像間編碼的移動向量(MV,Motion Vector)。第3圖係依據本發明實施例之圖像間殘差編碼的示意圖。視頻編碼器進行圖像間預測，使目前的來源圖像Fi中的一塊310以移動向量MV指向參考圖像Fi-1中的一塊310’。而目前的來源殘差值Ri中的一塊330沿用圖像間預測產生的移動向量MV，用以指向相應於參考圖像Fi-1的參考殘差值Ri-1中的一塊330’。於步驟S150，可使用霍夫曼編碼(Huffman coding)或算術編碼(arithmetic coding)對壓縮後的殘差值進行熵編碼。
本發明實施例提出的使用殘差補償的視頻編碼方法可應用於不同的視頻編碼標準。第4圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的H.264/AVS視頻編碼的系統方塊圖。殘差計 算器430用以計算第n個來源幀(source frame)410及第n個重構幀(reconstructed frame)420間的殘差值。於一些實施例中，殘差計算器430可以減法器實施。於另一些實施例中，殘差計算器430可以處理單元(processing unit)或信號處理器(DSP,digital signal processor)實施。處理單元或信號處理器可使用多種方式實施，例如以專用硬體電路或通用硬體(例如，單一處理器、具平行處理能力的多處理器、圖形處理器或其他具運算能力的處理器)，並且在執行程式碼或軟體時，提供特定的功能。處理單元包含運算邏輯單元(ALU,Arithmetic and Logic Unit)以及位移器(bit shifter)。運算邏輯單元負責執行布林運算(如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR等)，而位移器負責位移運算及位元旋轉。壓縮器440用以壓縮殘差值。於一些實施例，壓縮器440可沿用移動預測器460產生的移動向量MV，用以將第n幀殘差值中的一至多塊指向相應於參考幀的殘差值中的指定塊。於另一些實施例，壓縮器440可執行如步驟S130所示的操作來壓縮殘差值。壓縮器440可以處理單元或信號處理器實施。熵編碼器450可以處理單元或信號處理器實施，用以使用霍夫曼編碼或算術編碼對壓縮後的殘差值進行熵編碼。如上所述的殘差計算器430、壓縮器440及熵編碼器450可統稱為殘差值信息產生器。
第5圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的AVS2視頻編碼的系統方塊圖。殘差計算器530用以計算第n個來源畫面(source picture)510及第n個解碼畫面(decoded picture)520間的殘差值。於一些實施例中，殘差計算器530可 以減法器實施。於另一些實施例中，殘差計算器530可以處理單元或信號處理器實施。壓縮器540用以壓縮殘差值。於一些實施例，壓縮器540可沿用畫面間預測器560產生的移動向量MV，用以將第n個畫面殘差值中的一至多塊指向相應於參考畫面的殘差值中的指定塊。於另一些實施例，壓縮器540可執行如步驟S130所示的操作來壓縮殘差值。壓縮器540可以處理單元或信號處理器實施。熵編碼器550可以處理單元或信號處理器實施，用以使用霍夫曼編碼或算術編碼對壓縮後的殘差值進行熵編碼。如上所述的殘差計算器530、壓縮器540及熵編碼器550可統稱為殘差值信息產生器。
第6圖係依據本發明實施例的使用殘差補償的HEVC視頻編碼的系統方塊圖。殘差計算器630用以計算第n個來源畫面610及第n個解碼畫面620間的殘差值。於一些實施例中，殘差計算器630可以減法器實施。於另一些實施例中，殘差計算器630可以處理單元或信號處理器實施。壓縮器640用以壓縮殘差值。於一些實施例，壓縮器640可沿用移動預測器660產生的移動向量MV，用以將第n個畫面殘差值中的一至多塊指向相應於參考畫面的殘差值中的指定塊。於另一些實施例，壓縮器640可執行如步驟S130所示的操作來壓縮殘差值。壓縮器640可以處理單元或信號處理器實施。熵編碼器650可以處理單元或信號處理器實施，用以使用霍夫曼編碼或算術編碼對壓縮後的殘差值進行熵編碼。如上所述的殘差計算器630、壓縮器640及熵編碼器650可統稱為殘差值信息產生器。
雖然第4至6圖中包含了以上描述的元件，但不排 除在不違反發明的精神下，使用更多其他的附加元件，以達成更佳的技術效果。此外，雖然第1圖的方法流程圖採用特定的順序來執行，但是在不違法發明精神的情況下，熟習此技藝人士可以在達到相同效果的前提下，修改這些步驟間的順序，所以，本發明並不侷限於僅使用如上所述的順序。
雖然本發明使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用以限縮本發明。相反地，此發明涵蓋了熟習此技藝人士顯而易見的修改與相似設置。所以，申請權利要求範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。

Claims (13)

  1. 一種使用殘差補償的視頻編碼方法，包含：計算一來源圖像及一重構圖像間的一殘差值，其中，上述來源圖像至少經過變換、量化、反量化及反變換並在經過畫面內預測或畫面間預測之前以獲得上述重構圖像；以及將上述殘差值的信息加入一視頻串流，使得一視頻解碼器將上述殘差值的信息添加至上述視頻串流中解碼的圖像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，其中，使用以下公式計算上述來源圖像及上述重構圖像間的上述殘差值：Rn=Fn-F’n，其中，Fn代表一第n個來源圖像，F’n代表一第n個重構圖像，以及Rn代表上述第n個來源圖像及上述第n個重構圖像間的上述殘差值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，更包含：壓縮上述殘差值；以及對上述壓縮後的殘差值進行熵編碼，使得上述殘差值的信息包含熵編碼後的殘差值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，其中，於壓縮上述殘差值的步驟中，更包含：比對上述殘差值中的每一塊是否相符於多個殘差模式中之一者；以及當找到相符的殘差模式時，以一殘差模式碼表示此塊的實際殘差值。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，其中，於壓縮上述殘差值的步驟中，更包含：使用圖像內殘差編碼來消除上述殘差值中的空間冗餘。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，其中，於壓縮上述殘差值的步驟中，更包含：將上述殘差值中的一塊沿用一圖像間預測產生的一移動向量，用以指向相應於一參考圖像的一參考殘差值中的一塊。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的使用殘差補償的視頻編碼方法，其中，於對上述壓縮後的殘差值進行熵編碼的步驟中，更包含：使用一霍夫曼編碼或一算術編碼對上述壓縮後的殘差值進行熵編碼。
  8. 一種使用殘差補償的視頻編碼裝置，包含：一殘差值信息產生器，用以計算一來源圖像及一重構圖像間的一殘差值，其中，上述來源圖像至少經過變換、量化、反量化及反變換並在經過畫面內預測或畫面間預測之前以獲得上述重構圖像；以及將上述殘差值的信息加入一視頻串流，使得一視頻解碼器將上述殘差值的信息添加至上述視頻串流中解碼的圖像。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的使用殘差補償的視頻編碼裝置，其中，上述殘差值信息產生器，更包含：一殘差計算器，計算上述來源圖像及上述重構圖像間的上述殘差值；一壓縮器，壓縮上述殘差值；以及一熵編碼器，對上述壓縮後的殘差值進行熵編碼，使得上述殘差值的信息包含熵編碼後的殘差值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的使用殘差補償的視頻編碼裝置，其中，上述壓縮器比對上述殘差值中的每一塊是否相符於多個殘差模式中之一者；以及當找到相符的殘差模式時，以一殘差模式碼表示此塊的實際殘差值。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的使用殘差補償的視頻編碼裝置，其中，上述壓縮器使用圖像內殘差編碼來消除上述殘差值中的空間冗餘。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的使用殘差補償的視頻編碼裝置，其中，上述壓縮器將上述殘差值中的一塊沿用一圖像間預測產生的一移動向量，用以指向相應於一參考圖像的一參考殘差值中的一塊。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的使用殘差補償的視頻編碼裝置，其中，上述熵編碼器使用一霍夫曼編碼或一算術編碼對上述壓縮後的殘差值進行熵編碼。
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