專利名稱：圖象編碼方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與圖象編碼的方法及裝置有關(guān)。具體地說，本發(fā)明可提出的圖象編碼方法及裝置是通過根據(jù)復(fù)雜性求得比例因子質(zhì)量化圖象、從而以恒定的位速率對具有不同復(fù)雜性的圖象進(jìn)行編碼的。
由于近來在計算機(jī)、半導(dǎo)體制造和數(shù)字信號處理這些技術(shù)領(lǐng)域所取得的各種進(jìn)展，存儲和通信技術(shù)有了很大發(fā)展。再要進(jìn)一步發(fā)展就必需改善在記錄介質(zhì)上有效存儲圖象信息的方法和提高在諸如數(shù)字式盒帶錄象機(jī)、高清晰電視設(shè)備、數(shù)字式攝象機(jī)、電視電話之類的數(shù)字式圖象設(shè)備中所處理的復(fù)現(xiàn)圖象的質(zhì)量的方法。與模擬形式相比，數(shù)字圖象信號的數(shù)據(jù)量要大得多。因此必需壓縮圖象數(shù)據(jù)才能有效地利用記錄介質(zhì)和通信信道。圖象信號壓縮方法包括離散余弦變換(DCT)法和可變字長編碼(VLC)法。


圖1為例示常用的圖象信號編碼裝置結(jié)構(gòu)的方框圖。在圖1中，DCT單元11收到一個大小一定(如8×8)的空域輸入圖象塊后，在頻域產(chǎn)生64個離散余弦系數(shù)。量化器12以預(yù)定的量化步長對這些從DCT單元11輸出的離散余弦系數(shù)進(jìn)行量化。然后，VLC單元13產(chǎn)生可變字長的編碼數(shù)據(jù)，為量較小的數(shù)據(jù)(即其信息值較低)分配較少的位，為量較大的數(shù)據(jù)(即其信息值較高)分配較多的位，從而大大減少了編碼所需的位數(shù)。由于從VLC單元13輸出的數(shù)據(jù)的字長不是恒定的，因此緩沖器14暫存這數(shù)據(jù)，以便能輸出位速率不變的編碼數(shù)據(jù)。
在這種原有技術(shù)中，DCT單元11將一個輸入圖象劃分為一些8×8的圖象塊，再對各細(xì)分的圖象塊進(jìn)行獨立處理。量化器12以按照緩沖器14的狀態(tài)和當(dāng)時輸入圖象的復(fù)雜性得到的量化步長量化DCT系數(shù)。因此，如果相鄰的宏塊的量化步長之間差別較大，則沿邊界相鄰塊之間就失去了相關(guān)性，從而產(chǎn)生了所謂“塊式效應(yīng)”的現(xiàn)象。
此外，在以一個恒定的量化步長對各宏塊進(jìn)行量化時，由于即使是在同一個幀內(nèi)每個塊的復(fù)雜性也不相同，因此在幀內(nèi)誤差不均勻，從而造成不自然現(xiàn)象，降些了有些部分的圖象質(zhì)量。所以，防止出現(xiàn)不自然現(xiàn)象極為重要的是應(yīng)該確定適當(dāng)?shù)牧炕介L。
另一方面，由于在可變字長編碼中所產(chǎn)生的代碼長度是可變的，因此在執(zhí)行一些諸如高速搜索之類的特殊復(fù)現(xiàn)功能時，復(fù)現(xiàn)相當(dāng)困難。所以，位量必需控制成恒定的。而且，量化單元的量化步長由作為確定位速率的重要參數(shù)的比例因子確定，而量化步長則決定了壓縮比，并影到幀的分辨力。
然而如圖1所示，當(dāng)用一個緩沖器來保證位量恒定時，量化步長由緩沖器的充滿速率決定，因此一個單位區(qū)域(或宏塊)的位分配情況要適應(yīng)幀復(fù)雜性可能會有困難。
此外，美國專利No.5，253，075揭示了一種圖象信號編碼/解碼系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在檢測了一個DCT變換塊的復(fù)雜性后，按照與鄰近一些DCT變換塊的關(guān)系，對量化器的量化步長進(jìn)行自適應(yīng)控制，從而減輕了塊或效應(yīng)現(xiàn)象。在這種裝置中，圖象的復(fù)雜性根據(jù)頻域信息檢測，用來控制量化步長。然而，這種原有技術(shù)的圖象編碼解碼系統(tǒng)卻不能提供以恒定位速率對一個單位塊(或宏塊)編碼的措施。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種圖象編碼方法，通過確定比例因子，使碼圖象數(shù)據(jù)具有恒定的位速率，適應(yīng)為每個由一個數(shù)量的單位塊組成的子塊所檢測到的復(fù)雜性。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種圖象編碼方法，可以控制每個宏塊的量化步長，適應(yīng)在相應(yīng)宏塊的空域和頻域中所檢測的復(fù)雜性。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種為每個宏塊確定一個適應(yīng)所檢測到的復(fù)雜性的比例因子的圖象編碼裝置。
為了達(dá)到前兩個目的，本發(fā)明提供的通過將一個輸入圖象劃分為一些由一定數(shù)量的單位塊組成的子塊、以按照比例因子確定的量化步長量化所劃分的圖象信號、然后進(jìn)行編碼的圖象編碼方法包括下列各步根據(jù)輸入信號在空域的復(fù)雜性產(chǎn)生各子塊的復(fù)雜性規(guī)范值;
通過對輸入圖象執(zhí)行離散余弦變換運算、對其值在預(yù)定范圍內(nèi)的離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行計數(shù)，產(chǎn)生一個零系數(shù)和;
根據(jù)零系數(shù)和產(chǎn)生各子塊的零系數(shù)規(guī)范值;
根據(jù)零系數(shù)和及預(yù)定壓縮比產(chǎn)生各子塊的非定常權(quán);以及將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)相加，產(chǎn)生比例因子。
為了達(dá)到第三個目的，本發(fā)明提供的圖象編碼裝置包括一個離散余弦變換單元，對于一個劃分為一些由預(yù)定數(shù)量的單位塊組成的子塊的輸入圖象，該變換單元將作為時域數(shù)據(jù)的子塊變換成作為頻域數(shù)據(jù)的離散余弦變換系數(shù);
一個量化單元，該量化單元以按照比例因子所確定的預(yù)定量化步長對離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行量化;
一個可變字長編碼單元，該編碼單元將纏量化的系數(shù)編碼成可變字長的代碼;
一個復(fù)雜性計算單元，該計算單元按照每個子塊的輸入圖象的象元值計算出復(fù)雜性;
一個復(fù)雜性規(guī)范單元，該規(guī)范單元對各子塊的復(fù)雜性進(jìn)行規(guī)范化;
一個零系數(shù)計數(shù)單元，該計數(shù)單元對每個子塊在離散余弦變換單元變換得到的離散余弦變換系數(shù)中其值在預(yù)定范圍內(nèi)的零系數(shù)進(jìn)行計數(shù);
一個零系數(shù)規(guī)范單元，該規(guī)范單元對各子塊的零系數(shù)進(jìn)行規(guī)范化;
一個權(quán)計算單元，該計算單元按照零系數(shù)和預(yù)定壓縮比計算出非定常權(quán);以及一個比例因子產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)相加，從而產(chǎn)生比例因子，提供給量化單元。
上述本發(fā)明的目的和優(yōu)點通過以下結(jié)合附圖對一個優(yōu)選實施例所作的詳細(xì)說明就會更加清楚。在這些附圖中圖1為常見的圖象編裝置的方框圖;
圖2A至2C示出了按CCIR601格式的輸入圖象的情況;
圖3A和3B示出了圖2A所示Y信號的分塊情況;
圖4為按照本發(fā)明提出的圖象編碼方法用來確定比例因子的流程圖;以及圖5為本發(fā)明提出的圖象編碼裝置的一個實施例的方框圖。
圖2a至2c示出了CCIR601推薦的422圖象格式，而圖3A和3B則示出了Y圖象的分塊情況。每個圖象都由Y信號(圖2A所示)、Cr信號(圖2B所示)和Cb信號(圖2c所示)組成，各信號劃分為相應(yīng)的一些宏塊。在各宏塊中，Y信號由四個8×8象元塊信號組成，而Cr和Cb信號則都由兩個8×8象元塊信號組成。圖3A示出了一幀Y信號，而圖3B示出了Y信號的一個具有16×16象元的宏塊。
圖4為按照本發(fā)明提出的圖象編碼方法用來確定比例因子的流程圖。這種根據(jù)輸入圖象確定比例因子的方法下面將結(jié)合圖2A至2C及圖3A和3B詳細(xì)加以說明。在按本發(fā)明提出的方法進(jìn)行的以下一些計算中Pix(k，l)為一個象元值，其中k和l為0至7的整數(shù);N為單位塊數(shù)(在本實施例中N＝4);MB為宏塊數(shù)(在本實施例中MB＝30×45);i為0至MB-1的整數(shù);而j為0至N-1的整數(shù)。
作為第一階段，考慮輸入的422格式的圖象(步410)，為了按照空域的復(fù)雜性求得各宏塊的復(fù)雜性規(guī)范值，首先對在一個宏塊中的每個8×8的塊(以下稱為單位塊)求出圖象平均復(fù)雜性(步421)。
復(fù)雜性是按亮度信號Y用圖象的象元值計算的。單位塊平均復(fù)雜性Ayb(j)可以表示為Ay b［ j ］ =Σk = 07Σ1 = 07p i x ( k , l )64]]>平均復(fù)雜性Ayt(i)等于宏塊中各單位塊平均復(fù)雜性之和除以單位塊數(shù)(步422)，即
Ay t［ i ］ =Σj = 0N - 1Ay b［ j ］N]]>此時，根據(jù)宏塊中各單位塊的單位塊平均復(fù)雜性與實際象元值的差可以求得相應(yīng)的單位塊均方值(j)(步424)，即σ2B T［ j ］ =Σk = 07Σ1 = 07( Ay b［ j ］- p i x ( k , l )264]]>對于每個宏塊的四個Y單位塊(j從0至3)，將各單位塊均方值中那個最小的均方值加1，就得到了這個宏塊的最小均方值(i)(步424)，即σ2BTmin[i]＝MIN(σ2BT[j])+1這里，加1是為了使最小均方值不至為零。
每個宏塊根據(jù)該宏塊的最小均方值和該宏塊的平均復(fù)雜性進(jìn)行規(guī)范化后，得到該宏塊的復(fù)雜性規(guī)范值NorACT(i)(步425)，即N o rA C T［ i ］ =a o2B T m i n［ i ］ + Ay t［ i ］σ2B T m i n［ i ］+ a Ay t［ i ］]]>
其中，α為規(guī)范化常數(shù)。
作為第二階段，為了在圖象信號的頻域求得各宏塊的零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)，首先對輸入的422格式圖象進(jìn)行離散余弦變換運算，得到系數(shù)Pixcoeff(u，v)(步431)，即P i xc o e f f ( u , v )=14C ( u ) C ( v )Σk = 07Σl = 07P i x ( k , l )cosπ u ( 2 k + 1 )16cosπv (2l + 1 )16]]>其中u和v為0至7的整數(shù);C(u)和C(v)在u，v為零時等于1/2，否則等于1。
在每個宏塊中，對所有的Y塊(即單位塊)的值大于等于-1而小于等于1的離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行計數(shù)，從而得到每個宏塊的零系數(shù)和Z(i)(步432)，即z ［ i ］ =Σj = 03Σk = 07Σl = 07z e r oc o e f f ［ j ］ ［ k ］ ［ l ］]]>將各宏塊的零系數(shù)和加在一起，得到全部宏塊的總零系數(shù)和Zr(步433)，即z r =Σi = 0M B - 1z ［ i ］]]>
總零系數(shù)和除以宏塊數(shù)后就得到宏塊平均零系數(shù)和AZERO(步434)，即AZERO＝ (Zr)/(MB)通過分別將宏塊平均零系數(shù)和與各宏塊的零系數(shù)和之差平方，得到相應(yīng)宏塊的零系數(shù)均方值δ2ZERO(i)(步435)，即δ2ZERO(i)＝(AZERO-Z(i))2按各塊的零系數(shù)均方值和零系數(shù)和進(jìn)行規(guī)范化，從而得到相應(yīng)各塊的零系數(shù)規(guī)范值NorZERO(i)(步436)，即N o rZ E R O［ i ］ =α z ［ i ］ + σ2Z E R O［ i ］z ［ i ］ + α σ2Z E R O［ i ］]]>其中，α為規(guī)范化常數(shù)。
比例因子是隨圖象的復(fù)雜性改變的，而量化步長則由這個比例因子決定。由于可以按照得到的零系數(shù)改變量化步長和按照壓縮比控制比例因子，因此比例因子的非定常權(quán)W可以表示為W =AZ E R O- β Rγ]]>
其中β和γ為權(quán)常數(shù)，而R表示已經(jīng)預(yù)定的壓縮比。
因此，可以按照宏塊的平均零系數(shù)和及壓縮比得到各宏塊的非定常權(quán)W(步440)。
這樣，以宏塊為單位的比例因子SF(i)可以通過將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)相加來確定(步450)，即SF(i)＝NorACT(i)+NorZERO(i)+W量化步長由比例因子決定，用來按量化器中的量化矩陣對DCT系數(shù)進(jìn)行量化。
也就是說，如果宏塊平均零系數(shù)和越大和壓縮比越小，則非定常權(quán)越大。如果非定常權(quán)增大，則比例因子增大，從而量化間隔就減小。
圖5為本發(fā)明圖象編碼裝置的一個實施例的方框圖。除了與原有技術(shù)部件相同的離散余弦變換(DCT)單元51、量化器58和可變字長編碼(VLC)單元59外，該裝置還包括一些用來根據(jù)輸入圖象產(chǎn)生比例因子的器件。在該裝置中，DCT單元51對于劃分為Y、Cr和Cb信號的各宏塊的輸入圖象，執(zhí)行將作為空域數(shù)據(jù)的宏塊數(shù)據(jù)離散余弦變換成作為頻域數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)的功能。量化器58以預(yù)定的量化步長對DCT單元51輸出的這些DCT系數(shù)進(jìn)行量化。VLC單元59按照信息量產(chǎn)生具有可變字長的編碼數(shù)據(jù)，這大大減少了用來編碼的總位數(shù)。
下面將結(jié)合圖5說明本發(fā)明增加的這些器件。
復(fù)雜性計算器52按照輸入圖象的象元值計算出復(fù)雜性。復(fù)雜性規(guī)范單元53對各宏塊的復(fù)雜性進(jìn)行規(guī)范化處理。
零系數(shù)計數(shù)器54對DCT單元51輸出的DCT系數(shù)中那些值大于等于-1而小于等于1的零系數(shù)進(jìn)行計數(shù)。零系數(shù)規(guī)范單元55對各宏塊的零系數(shù)進(jìn)行規(guī)范化處理。
權(quán)值計算器56根據(jù)在零系數(shù)計數(shù)單元54中所計的零系數(shù)以及壓縮比計算出每個宏塊的非定常權(quán)。加法器57將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值以及非定常權(quán)相加，得到比例因子，輸出給量化器58。
DCT系數(shù)的量化步長是根據(jù)比例因子和量化矩陣確定的。對于所有的輸入圖象來說，這些量化矩陣按照活動程度、彩色分量特性、分辨力以及應(yīng)用目的是有區(qū)別的，因此要產(chǎn)生一個合適的量化矩陣。這個量化矩陣是考慮到與人類視覺特點有關(guān)的各種心理和視覺經(jīng)驗以及DCT系數(shù)的特性加以確定的。
量化器58按照所確定的量化步長對圖象信號的DCT系數(shù)進(jìn)行量化。量化結(jié)果送至VLC單元59，從而產(chǎn)生一個具有所需位速率的壓縮位流。
雖然，在本發(fā)明的以上這個實施例中所進(jìn)行的編碼使得各宏塊具有恒定的位速率，但這種編碼也可以使一個比宏塊大的塊具有恒定的位速率。
如上所述，本發(fā)明按照輸入圖象在空域的復(fù)雜性和在頻域的復(fù)雜性(導(dǎo)致產(chǎn)生零系數(shù))計算出比例因子，從而控制量化器的量化步長，這使得即使對于一幀由具有不同復(fù)雜性的一些圖象所組成的圖象也能以恒定的位速率進(jìn)行編碼，并且不會降低圖象的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種將一個輸入圖象劃分為一些由預(yù)定數(shù)量的單位塊組成的子塊、以按照比例因子確定的量化步長對所劃分的圖象信號進(jìn)行量化、然后加以編碼的圖象編碼方法，其特征是所述圖象編碼方法包括下列各步根據(jù)輸入圖象在空域的復(fù)雜性，產(chǎn)生各子塊的復(fù)雜性規(guī)范值；通過對輸入圖象執(zhí)行離散余弦變換和對其值在一個預(yù)定范圍內(nèi)的那些離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行計數(shù)，產(chǎn)生零系數(shù)和；按照零系數(shù)和產(chǎn)生各子塊的零系數(shù)規(guī)范值；按照零系數(shù)和及預(yù)定壓縮比產(chǎn)生各子塊的非定常權(quán)；以及將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值及非定常權(quán)相加，從而產(chǎn)生比例因子。
2.一種按權(quán)利要求1提出的圖象編碼方法，其特征是其中所述產(chǎn)生復(fù)雜性規(guī)范值這步是對亮度信號執(zhí)行的。
3.一種按權(quán)利要求1提出的圖象編碼方法，其特征是其中所述預(yù)定范圍從-1至+1。
4.一種按權(quán)利要求3提出的圖象編碼方法，其特征是其中在所述產(chǎn)生零系數(shù)和這步中，值大于等于-1而小于等于+1的那些離散余弦變換系數(shù)是亮度信號的離散余弦變換系數(shù)。
5.一種按權(quán)利要求1提出的圖象編碼方法，其特征是其中所述子塊是一個宏塊。
6.一種按權(quán)利要求5提出的圖象編碼方法，其中所述產(chǎn)生復(fù)雜性規(guī)范值這步包括下列各步產(chǎn)生在一個宏塊內(nèi)的各單位塊的平均復(fù)雜性;根據(jù)各單位塊的平均復(fù)雜性產(chǎn)生該宏塊的平均復(fù)雜性;產(chǎn)生一個單位塊的平均復(fù)雜性與實際象元值的差，從而產(chǎn)生一個單位塊的均方值;將一個宏塊的各單位塊的均方值中的最小值加1，從而產(chǎn)生該宏塊的最小均方值;以及按照各宏塊的最小均方值和平均復(fù)雜性對各宏塊進(jìn)行規(guī)范化，從而產(chǎn)生各宏塊的復(fù)雜性規(guī)范值。
7.一種按權(quán)利要求5提出的圖象編碼方法，其特征是其中所述產(chǎn)生零系數(shù)規(guī)范值這步包括下列各步將各宏塊的零系數(shù)和全部加在一起，從而產(chǎn)生一個總零系數(shù)和;按照總零系數(shù)和產(chǎn)生一個宏塊平均零系數(shù)和;按照宏塊平均零系數(shù)和與宏塊的零系數(shù)和之差產(chǎn)生宏塊的零系數(shù)均方值;以及按照宏塊的零系數(shù)均方值及零系數(shù)和進(jìn)行規(guī)范化，從而產(chǎn)生各宏塊的零系數(shù)規(guī)范值。
8.一種按權(quán)利要求5提出的圖象編碼方法，其特征是其中所述產(chǎn)生非定常權(quán)這步包括下列各步將所有的零系數(shù)和加在一起，從而產(chǎn)生一個總零系數(shù)和;按照總零系數(shù)和產(chǎn)生一個宏塊平均零系數(shù)和;以及按照宏塊平均零系數(shù)和及一個預(yù)定的壓縮比產(chǎn)生各宏塊的非定常權(quán)。
9.一種圖象編碼裝置，其特征是所述圖象編碼裝置包括一個離散余弦變換單元，對于一個劃分為一些由預(yù)定數(shù)量的單位塊組成的子塊的輸入圖象，該變換單元對作為空域數(shù)據(jù)的子塊執(zhí)行離散余弦變換的功能，從而產(chǎn)生作為頻域數(shù)據(jù)的離散余弦變換系數(shù);一個量化單元，該量化單元以按照比例因子確定的預(yù)定量化步長對離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行量化;一個可變字長編碼單元，該編碼單元將經(jīng)量化的系數(shù)編成可變字長的代碼;一個復(fù)雜性計算單元，該計算單元按照每個子塊輸入圖象的象元值計算出一個復(fù)雜性;一個復(fù)雜性規(guī)范單元，該規(guī)范單元對各子塊的復(fù)雜性進(jìn)行規(guī)范化;一個零系數(shù)計數(shù)單元，該計數(shù)單元對從所述離散余弦變換單元輸入的每個單元的離散余弦變換系數(shù)中其值在一個預(yù)定范圍內(nèi)的零系數(shù)進(jìn)行計數(shù);一個零系數(shù)規(guī)范單元，該規(guī)范單元對各子塊的零系數(shù)進(jìn)行規(guī)范化;一個權(quán)計算單元，該計算單元按照零系數(shù)和預(yù)定壓縮比計算出一個非定常權(quán);以及一個比例因子產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器通過將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)相加，產(chǎn)生比例因子，提供給所述量化單元。
10.一種按權(quán)利要求9提出的圖象編碼裝置，其特征是其中所述子塊是一個宏塊單元。
11.一種按權(quán)利要求9提出的圖象編碼裝置，其特征是其中所述預(yù)定范圍為從-1至+1。
全文摘要
本發(fā)明提出的圖象編碼方法的步驟是根據(jù)輸入圖象的空域復(fù)雜性產(chǎn)生各宏塊的復(fù)雜性規(guī)范值，通過對輸入圖象進(jìn)行離散余弦變換、對其值在-1至+1范圍內(nèi)的離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行計數(shù)產(chǎn)生零系數(shù)和，按照零系數(shù)和產(chǎn)生各宏塊的零系數(shù)規(guī)范值，按照零系數(shù)和及預(yù)定壓縮比產(chǎn)生各宏塊的非定常權(quán)，以及將復(fù)雜性規(guī)范值、零系數(shù)規(guī)范值和非定常權(quán)相加得到比例因子。每個宏塊的離散余弦變換系數(shù)的量化步長由這個宏塊的比例因子控制。
文檔編號H04N7/30GK1106599SQ9411813
公開日1995年8月9日 申請日期1994年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月12日
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