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CN1164167A - 用于视频信号编码系统的自适应量化器 - Google Patents

用于视频信号编码系统的自适应量化器 Download PDF

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CN1164167A CN97100256A CN97100256A CN1164167A CN 1164167 A CN1164167 A CN 1164167A CN 97100256 A CN97100256 A CN 97100256A CN 97100256 A CN97100256 A CN 97100256A CN 1164167 A CN1164167 A CN 1164167A
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Abstract

一种用于编码一视频信号的视频信号编码系统，包括一转换编码器用于在逐块的基础上编码该视频信号以产生转换系数块。一用于视频信号编码系统的量化器包括一量化参数确定块；一量化器控制块用于确定量化模式信号；和一量化器，根据量化模式信号将每一块中包含的转换系数分类成高频系数和低频系数，并修改该高频系数以由此提供被修改的转换系数的块，而且通过利用量化参数量化被修改的转换系数的块。

Description

用于视频信号编码系统的自适应量化器
本发明涉及一种视频信号编码系统；而且，更具体地，涉及一种装置，用于自适应地调节用于量化由待发送的视频信号得到的转换系数的步长大小以由此改善待发送视频信号的质量。
在诸如高清晰度电视机和电视话系统的各种电子应用中，视频信号可被以数字形式发送。当包含一系列视频“帧”的视频信号被以数字形式表示时，就会有大量的数字数据产生：因为视频帧的每一行由一序列被称为“象素”的数字数据元素所定义。然而，由于传统传输信道的可用频率带宽有限，为了通过固定的信道发送大量的数字数据，一般用视频信号编码系统来压缩数字数据。
传统的视频信号编码系统通常包括一变换编码器，例如DCT(离散余弦变换)编码器，它将视频信号中包含的许多例如8×8象素的块顺序地转换为许多块8×8转换系数。此DCT编码器被描述于例如Chen和Prattr“Scene Adaptive Coder”，IEEE Transactions on Communications，COM-32，第三期(1984年3月)。该转换系数块被一量化器顺序地处理，在量化器中，它们被转换成量化的转换系数。
在视频信号编码系统中，量化转换系数块的方式决定了被编码信号的位率而且决定了从该被编码信号重建的视频信号的质量。在传统的量化器中，通过使用一个所谓的量化参数(“Qp”)  (如在国际标准化组织(ISO)标准委员会章程11172-2所包含的运动图象专家组(MPEG)的视频编码语法中所提出的)能够控制量化步长的大小。
量化步长的大小直接控制着被编码信号的位率和在生成被编码信号中使用的量化的粗糙/精细度。即较小的量化步长产生较大数量的需较多码位来表示其的被编码数据，而较大的量化步长导致较小数量的需较少码位来表示其的被编码数据。较大数量的码位能比较小数量的码位更精确地表示一视频信号。因此，为了达到一具体的预定目标位率的最佳图象质量，合适地选择量化步长大小是关键。
在图1中，示出了一传统视频信号的编码系统。该视频信号编码系统消除了一帧视频信号中和/或两帧视频信号之间的冗余量，以将该视频信号压缩到一更可操纵传输的大小。
由一视频信号源(例如摄象机(未示出))产生的一输入信号的一当前帧以逐块为基础以连续的块的形式被提供至减法器50以便进行处理。每一块具有多个数据元素，例如8×8象素。在一交互模式中，通过使用传统运动估计和补偿而在运动补偿块(“MC”)40处提取一预测帧，然后将其耦合至产生当前帧和预测帧之间的差值信号的减法器50。该差值信号被送至包含一离散余弦变换(“DCT”)块11和一量化块12的压缩器10，并在此被转换编码和量化以产生量化的变换系数。该量化的变换系数然后被耦合至一用于通过利用例如行程编码(run-length coding)和霍夫曼编码(Huffman coding)而产生待经发送缓冲器80被发送至一接收器(未示出)的被编码信号的可变长编码(“VLC”)块70。另一方面，被量化的转换系数也被耦合至一包含一反量化块和一反DCT块(未示出)的解压缩器20并在此被重建回到差值信号。该被重建的差值信号随后被耦合到一加法器60，在此它与从运动补偿块40提供的预测帧结合在一起并被重建为一帧与其压缩前的当前帧相同的视频信号。该被重建的当前帧经帧存储块30被作为先前帧耦合回运动补偿块40，先前帧是为了处理视频信号的一后续帧而被用于抽取预测帧。
在一内部模式中，视频信号编码系统100的功能类似于交互模式的功能，除了被送至压缩器10并被在此编码的是当前帧而非当前帧和预测帧之间的差值信号。
现在转到量化块12的详细描述，它存储一基本量化器步长大小矩阵。作为基本量化器步长大小矩阵的元素的基本量化器步长大小被配置成一基本量化器步长大小相应于每个转换系数块包含的转换系数之一。
该量化块12从量化参数确定块90接收一量化参数Qp。该量化块12使用基本量化器步长大小矩阵及Qp来产生作为其输出的被量化的转换系数。为量化该块包含的每一系数而使用的实际量化步长大小由将Qp之值乘以基本量化器步长大小矩阵的相应元素而生成。在量化参数确定块90，根据例如缓冲器80的充满程度和输入视频信号的变化性和复杂性而确定量化参数Qp。
在上述先有技术装置中，虽然在编码视频信号的过程中可以重新调整量化参数，但在量化一块转换系数中使用同一量化参数。而且，一预定基本量化步长大小矩阵被用于编码一序列视频帧(参见国际标准化组织标准委员会章程11172-2)。因此，用于一块中包含的两个转换系数的量化步长大小之比在一序列视频帧中是固定的。
因此，本发明的主要目的是提供一种改进的视频信号编码系统，其中通过自适应地量化包含在一利用视频信号的特性的块中的转换系数而获得高度增强的图象质量。
根据本发明，提供了一种用于视频信号编码系统中的量化器，该视频信号编码系统编码一视频信号以提供一被编码的信号，而且该系统包括一以逐块为基础来编码该视频信号以生成转换系数块的转换编码器，其中该视频信号包括多个帧，每一帧包含多个片，每一片被分成多个宏块，每一宏块具有象素块，该量化器包含：
一量化参数确定块；
一量化器控制块，用于确定一表示视频信号的活动的量化模式信号；
一量化器，它根据该量化模式信号将每一块中包含的转换系数分类成高频系数和低频系数，该量化器修改高频系数以由此提供包含低频系数和被修改的高频系数的被修改的转换系数块，以及该量化器通过利用量化参数量化每一块被修改的转换系数。
本发明的以上和其它目的和特性将在下面对结合附图给出的优选实施例的描述中变得显而易见，其中：
图1表示一传统视频信号编码系统的原理方框图；
图2表示根据本发明的视频信号编码系统的原理方框图；
图3表示图2所示的量化器控制块的详细方框图；
图4A和4B给出一用于将转换系数分类成高频系数和低频系数的方案。
参考图2，示出了一根据本发明的视频信号编码系统的原理方框图。该装置包括一离散余弦变换(“DCT”)块11，一帧存储块30，一运动补偿(“MC”)块40，一减法器50，一加法器60，一可变长编码(“VLC”)块70，一缓冲器80和一基本上与图1所示的传统视频信号编码系统相同的量化参数确定块90。该装置还包括一量化器12，它通过利用从量化参数确定块90提供的量化参数Qp和从量化器控制块110提供的量化模式信号M而将从DCT块11提供的转换系数块量化。
在量化参数确定块90，以传统方式通过利用例如缓冲器的充满和输入信号的偏差来确定量化参数Qp。如参照图3至4B将描述的，量化器控制块110接收例如输入信号、从减法器50提供的差值信号和从VLC块70提供的被编码信号，并根据它们确定量化模式信号。该量化模式信号具有N个预定值之一，N是一正整数，例如4，并且表示输入信号的一活动。具体地，该量化模式信号涉及输入信号的复杂性和/或在编码该图象信号中所用的位数，等等。
在量化器12，响应于该量化模式信号，包含在一块中的转换系数首先被分成两个组，即一组低频系数和一组高频系数。参照图4A，在N＝4的情况下描述了一种用于将一块转换系数分成二组的示例性方法。如图4A所示，当量化模式信号(“M”)为1时，一块中的所有系数都被分类成低频系数；当M为2时，58个系数，即F(i，j)，i和j是非负整数且(i+j)小于12，被分类为低频系数，而其余的系数被分类为高频系数。类似地，当M是3和4时，F(i，j)被分类成低频系数，(i+j)分别小于10和8。参照图4B，低频系数被表示成空区域，而高频系数被表示成阴影区域。
在该分类之后，低频系数以传统方法被量化，而高频系数以一种不同的方式被处理。
在本发明的一实施例中，高频系数在量化之前被一大于1的数(例如2)除。这意味着，在本发明中，高频系数比传统方法更粗略的量化。
在本发明的另一实施例中，在量化之前，高频系数被置为0。这意味着高频系数没被编码。
在高频系数被如上所述修改之后，包括低频系数和被修改的高频系数的被修改的块通过利用由将Qp之值与基本量化器步长大小矩阵的相应元素相乘而生成的量化步长大小而被量化。
结果，根据量化模式信号的值能自适应地执行粗略/精细的量化：这就是说，随M变大，对一块转换系数的更大部分执行比传统方法更粗略的量化。相应地，代表输入信号的位数被有效地控制住，而不会严重降低图象质量。
参考图3，示出图2所示的量化器控制块110的方框图，它根据输入信号、从减法器50提供的差值信号和/或从VLC块70提供的已编码信号来提供量化模式信号M。
输入信号被耦合至一按下式计算一输入信号帧的偏差VI的偏差计算块200，该输入信号帧将被称作一正在处理的帧：
Figure A9710025600091
其中I和J分别为表示一帧中包含的行数和一行中包含的象素数的正整数；i和j为表示一象素在一帧中的位置的正整数；I(i，j)是在位置(i，j)处的正在处理的帧的象素值；而AVE(I)为正在处理的帧中包含的平均象素值。
差值信号被耦合至均方计算块205，它计算正在处理的帧和该正在处理的帧的一预测帧之间的差值信号的均方值VD，如下式：其中I、J、i和j与式(1)中的相同；而D(i，j)为象素的差值，即位置(i，j)处的差值信号的值。
已编码信号被耦合至一计数器210，其中计数一被编码的正在处理的帧中所含有的数据量，例如位数B，以提供位数B。然后按下式获得位数比BR：
BR＝B/AF其中AF是一帧的平均位数，定义例如如下：
AF(位)＝TR(位/秒)/FR(1/秒)其中TR是该视频信号编码系统的发送率，例如一发送线的发送容量或被耦合至该视频信号编码系统的一存储装置的存储容量；而FR是其帧速率。
VI、VD和BR被送至模式选择块230，而在一例如帧的基础上根据其确定被量化的模式信号M。
在模式选择块230，可用各种方法提供该量化模式信号M。
例如，M可确定如下：
ACT＝W1×VI+W2×VD+W3×BR  式(3)
1    若ACT＜TH1
2    若TH1≤ACT＜TH2M＝3    若TH2≤ACT＜TH3
4    若TH3≤ACT其中W1至W3是预先确定的权值；而TH1至TH4是预先定义的阈值。由式(3)确定的活动值ACT与正在处理的块的复杂性或活动及用于代表该正在处理的帧的数据量有关。
对另一例，M可按下述确定：
1    若ACT＜AVE(ACT)
2    若AVE(ACT)≤ACT＜AVE(ACT)+STD(ACT)M＝3    若AVE(ACT)+STD(ACT)≤ACT＜AVE(ACT)+2STD(ACT)
4    若AVE(ACT)+2STD(ACT)≤ACT其中ACT的计算如式(3)中给出的；AVE(ACT)和STD(ACT)是对于正在处理的帧的L个先前帧的ACT的一平均和一标准偏差，L是一正整数，例如30。为作到这一点，模式选择块230可以包括一用于存储L个先前帧的ACT的值的存储器以及一个用于计算AVE(ACT)和STD(ACT)的块。
通过改变权值，M可以不同的方式被确定。例如，若W1和W2是0，则只有位数比BR被反映在量化模式信号的确定中。在正在处理的块是内部被编码的情况下，W2可以被置为0，因为在该内部模式中不可获得该差值信号。
在M被确定之后，它被用于量化正在处理的帧之后的一帧。即在量化一图象信号的当前帧时，利用根据当前帧的一先前帧确定出的M。
虽然在这个说明性实施例中，为每一帧更新该量化模式信号，但有可能以与此述类似的方式为每一宏块或为每一片更新该量化模式信号。为达到此目的，也应以一宏块或一片为基础确定偏差VI、均方VD和B；AVE(ACT)和STD(ACT可以是一正在处理的宏块或片的L′个先前宏块或片的ACT的平均和标准偏差，L′是一正整数；而正在处理的宏块或片的M分别被用于量化该正在处理的宏块或片之后的一宏块或一片。
除VI、VD和BR之外，其它值，例如正在处理的帧的Qp的平均值也能被用于确定该量化模式信号M。为做到这一点，Qp被从量化参数确定块90提供给量化器控制块110，而正在处理的块的Qp在量化器控制块110被存储和平均。
通过利用本发明的量化方法，可以加强一视频帧信号的整体主观质量，因为粗糙/精细量化可根据输入信号的活动而被自适应地执行。
虽然对本发明的描述只是参考了某些优选实施例，在不背离下述权利要求中所提出的本发明的精神和范围的前提下可对其进行其它修改和变化。

Claims (12)

1、一种用于视频信号编码系统的量化器，该视频信号编码系统编码一视频信号以提供一被编码的信号并包括一在逐块基础上编码该视频信号以产生转换系数块的转换编码器，其中该视频信号包括多个帧，每一帧包含多个片，每一片被分成多个宏块，每一宏块具有象素块，该量化器包含：
装置，用于为每一宏块确定一量化参数；
装置，用于确定代表该视频信号的活动的一量化模式信号；
装置，用于根据该量化模式信号将每一块中包含的转换系数分类成高频系数和低频系数；
装置，用于修改该高频系数，以由此提供包括低频系数和被修改的高频系数的被修改的转换系数块；及
装置，用于通过利用该量化参数来量化被修改的转换系数块。
2、如权利要求1的量化器，其中该修改装置包括用于将高频系数除以A(A的值比1.0大)的装置。
3、如权利要求1的量化器，其中该修改装置包括用于将每一高频系数设置为0的装置。
4、如权利要求1的量化器，其中该确定装置包括用于计算包含在视频信号中的一正在处理的帧中包含的象素值的偏差的装置。
5、如权利要求4的量化器，其中该确定装置还包括用于计算象素差值的均方的装置，该象素差值是通过从该正在处理的帧的象素值中减去通过利用运动估计和补偿技术而获得的该正在处理的帧的一预测帧的象素值而获得的。
6、如权利要求5的量化器，其中该确定装置还包括：
装置，用于计数用来表示一被编码的正在处理的帧的位数，以由此提供一位数B；及
装置，用于提供按下式定义的位数比BR：
BR＝B/(TR/FR)，其中TR是该视频信号编码系统的发送率，而FR是其帧速率。
7、如权利要求6的量化器，其中该量化模式信号具有范围为从1至4的一整数值M；一块转换系数被表示为F(i，j)，i和j分别是从0至7的整数；且若(i+j)小于分别对于M＝1、2、3和4的K1、K2、K3和K4(K1、K2、K3、K4为正整数，且K4≤K3≤K2≤K1)，则F(i，j)被分类为低频系数。
8、如权利要求7的量化器，其中K1、K2、K3和K4分别为15、12、10和8。
9、如权利要求7的量化器，其中该确定装置还包括：
装置，用于根据ACT＝W1×VI+W2×VD+W3×BR
计算一活动值ACT，其中VI、VD和BR分别代表该偏差、均方和位数比；而W1、W2、W3是预先确定的权值；及
装置，用于根据该活动值选择该量化模式信号的值。
10、如权利要求9的量化器，其中该选择装置包括用于确定该量化模式信号的装置，而
1若ACT＜TH1
2若TH1≤ACT＜TH2
M＝3若TH2≤ACT＜TH3
4若TH3≤ACT其中TH1、TH2、TH3和TH4分别是预先定义的阈值。
11、如权利要求9的量化器，其中该选择装置包含：
装置，用于存储该正在处理的帧的L个先前帧的活动值，L是一正整数；
装置，用于计算L个先前帧的活动值的平均值AVE(ACT)；
装置，用于计算L个先前帧的活动值的标准偏差STD(ACT)；
装置，用于确定该量化模式信号的值，而
1    若ACT＜AVE(ACT)
2    若AVE(ACT)≤ACT＜AVE(ACT)+STD(ACT)M＝3    若AVE(ACT)+STD(ACT)≤ACT＜AVE(ACT)+2STD(ACT)
4    若AVE(ACT)+2STD(ACT)≤ACT
12、一种用于编码一视频信号以提供一被编码信号的视频信号编码系统，其中该视频信号包括多个帧，每一帧包括多个片，每一片被分成多个宏块，每一宏块具有象素块，该视频信号编码系统包括：
装置，用于在逐块的基础上编码该视频信号以产生转换系数块；
装置，用于为每一宏块确定一量化参数；
装置，用于确定一代表视频信号的活动的量化模式信号；
装置，用于根据该量化模式信号将每一块中包含的转换系数分类成高频系数和低频系数；
装置，用于修改该高频系数以由此提供包括该低频系数和被修改的高频系数的被修改的转换系数的块；及
装置，用于通过利用该量化参数量化被修改的转换系数的块。
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