專利名稱：基于位平面的不等長的量化/反量化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不等長的量化/反量化方法，特別是指一種克服目前量化技術(shù)需要乘法的缺陷，為視頻編碼技術(shù)提供低復(fù)雜度高效的量化技術(shù)，能降低計(jì)算復(fù)雜度，且在用于FGS視頻編碼的基本層編碼時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)基本層到增強(qiáng)層最優(yōu)過渡的量化/反量化方法，屬于視音頻編解碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高效的視頻編解碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)年P(guān)鍵。目前常用的編碼方法有預(yù)測編碼、正交變換編碼、向量量化編碼等等，這些方法都基于信號(hào)處理理論，通常也稱為第一代編碼技術(shù)。現(xiàn)在比較流行的圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)都是基于這種編碼理論，其采用的是基于塊匹配的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、離散余弦變換和量化相結(jié)合的編碼方法。典型的有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工技術(shù)委員會(huì)第一聯(lián)合技術(shù)組(ISO/IEC JTC1)推出的MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等國際標(biāo)準(zhǔn)，以及國際電信聯(lián)盟(ITU-T)提出的H.26x系列推薦。這些視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。
上述的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都采用了混合視頻編碼(Hybrid Video Coding)策略，通常包括預(yù)測、變換、量化和信息熵編碼等四個(gè)主要模塊。預(yù)測模塊的主要功能時(shí)利用已經(jīng)編碼并重建的圖像對當(dāng)前要編碼的圖像進(jìn)行預(yù)測(幀間預(yù)測)，或者利用圖像中已經(jīng)編碼并重建的圖像塊(或宏塊)對當(dāng)前要編碼的圖像塊(或宏塊)進(jìn)行預(yù)測(幀內(nèi)預(yù)測)；變換模塊的主要功能是將輸入的圖像塊變換到另外一個(gè)空間，使輸入信號(hào)的能量盡可能地集中在低頻變換系數(shù)上，進(jìn)而降低圖像塊內(nèi)元素之間的相關(guān)性，有利于壓縮；量化模塊的主要功能是將變換的系數(shù)映射到一個(gè)有利于編碼的有限元素集上；信息熵編碼模塊的主要功能是根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，將量化后的變換系數(shù)用變長碼表示。
視頻解碼系統(tǒng)中包含有與視頻編碼系統(tǒng)中相似的模塊，它的任務(wù)主要是將輸入的碼流通過熵解碼、反量化、反變換等過程重建解碼圖像。除了上述模塊，視頻編/解碼系統(tǒng)中通常還包含一些輔助的編碼工具，這些工具也會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的編碼性能(壓縮比)做出貢獻(xiàn)。
在上述視頻編/解碼框架中，量化和反量化技術(shù)作為一種十分有效的有損壓縮工具，對于整個(gè)視頻編/解碼系統(tǒng)至關(guān)重要。所述的量化主要有兩個(gè)作用一是使系數(shù)整數(shù)化，并縮小范圍；二是適當(dāng)調(diào)節(jié)量化步長，可以對編碼的碼率和重構(gòu)圖像的主客觀效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前常用的量化方法可以分為標(biāo)量量化和矢量量化兩大類，而在編碼標(biāo)準(zhǔn)中通常采用的是標(biāo)量量化及其改進(jìn)方法。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電信同盟ITU建立的聯(lián)合視頻工作組(Joint Video Team，簡稱JVT)制定的AVC(Advanced Video Coding)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它采用了一系列新型的編碼技術(shù)，比現(xiàn)存的任何一種編碼標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率都要高的多。AVC標(biāo)準(zhǔn)在ISO中的正式名稱是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第十部分，在ITU中的正式名稱是H.264標(biāo)準(zhǔn)。在AVC標(biāo)準(zhǔn)中，碼率/圖像質(zhì)量的控制是通過量化參數(shù)(Qp)來實(shí)現(xiàn)的，典型的量化公式如下式所示W(wǎng)＝(C*Q[Qp％6])＞＞(Qp/6)其中，Q是具有多個(gè)(在上述的公式中為6個(gè))值的量化表，Q[Qp％6]表示用Qp％6的值作為序號(hào)到量化表Q中去查找應(yīng)使用的Q值；C是量化前的系數(shù)，W是量化后的系數(shù)。
這種量化方式可以有效地調(diào)節(jié)碼率和重構(gòu)圖像的質(zhì)量。相對于傳統(tǒng)的方法，該方法可以通過整數(shù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，相對簡單，但仍需要做乘法運(yùn)算，比較費(fèi)時(shí)。
此外，面向互聯(lián)網(wǎng)的流媒體業(yè)務(wù)也對視頻編碼的應(yīng)用提出了更高的要求，要求所生成的視頻流能適應(yīng)各種動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)和不同的用戶終端設(shè)備，即在傳輸帶寬波動(dòng)時(shí)還能有效利用帶寬傳輸視頻。當(dāng)帶寬由低到高變化時(shí)，傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)(例如MPEG-1、MPEG-2)無法根據(jù)帶寬的變化動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，只能達(dá)到階梯曲線效果的調(diào)整，對變化帶寬的利用效率很低。解決該問題的一個(gè)有效途徑就是采用可伸縮編碼技術(shù)。一個(gè)典型代表是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中采用的精細(xì)粒度可伸縮性(Fine Granularity Scalable，簡稱FGS)視頻編碼技術(shù)，它采用了基本層加增強(qiáng)層的編碼方法。
FGS視頻編碼技術(shù)的基本層編碼和普通的非可伸縮性視頻編碼方法相同，由預(yù)測、變換、量化和熵編碼器組成；其中量化通常采用標(biāo)量量化。而在增強(qiáng)層編碼時(shí)，從原始的變換系數(shù)中減去基本層量化后重建的變換系數(shù)值，獲得變換系數(shù)殘差；然后對每一個(gè)8×8的塊，按照從上到下、從左到右的順序，利用位平面進(jìn)行編碼。使用位平面編碼的好處就是使得每一個(gè)系數(shù)的重要部分(較高位)優(yōu)先編碼；這樣，在碼流截?cái)鄷r(shí)可以保證解碼器仍然可以獲得有關(guān)視頻圖像的重要信息，從而提供了精細(xì)的可擴(kuò)展性。盡管FGS視頻編碼具有優(yōu)良的可伸縮性，能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化。但是，它存在著一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)其編碼效率與傳統(tǒng)的非可擴(kuò)展性編碼技術(shù)相比過低；特別是在中低碼率時(shí)，也即碼率剛剛從基本層過渡到增強(qiáng)層時(shí)，F(xiàn)GS視頻編碼的編碼效率非常低。造成該問題的主要原因是FGS視頻編碼技術(shù)在基本層和增強(qiáng)層編碼中采用了不同的量化技術(shù)，因而不能平穩(wěn)地進(jìn)行過渡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于位平面的不等長的量化/反量化方法，克服目前的量化技術(shù)需要乘法的缺陷，為視頻編碼技術(shù)提供低復(fù)雜度高效的量化技術(shù)，以降低計(jì)算復(fù)雜度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于位平面的不等長的量化/反量化方法，其用于FGS視頻編碼的基本層編碼時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)基本層到增強(qiáng)層的最優(yōu)過渡。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于位平面的不等長的量化/反量化方法，其輸入為變換系數(shù)矩陣和量化參數(shù)，根據(jù)輸入的量化參數(shù)，對變換系數(shù)矩陣中不同位置的系數(shù)采用不同的量化步長，也即保留不同的位平面層數(shù)。所謂的為平面是指量化前后的系數(shù)在包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的數(shù)字設(shè)備中是用二進(jìn)制表示的，所有系數(shù)的相同的位(按從低位到高位的順序)，就組成了相應(yīng)的位平面。如果量化步長剛好是2的冪次的話，則量化的過程可以看作是去掉較低位，保留較高位的過程，即去掉較低的位平面，保留較高的位平面。
本發(fā)明根據(jù)微調(diào)參數(shù)將量化前的系數(shù)動(dòng)態(tài)劃分出兩個(gè)集合，兩個(gè)集合保留不同的(且相差為1的)位平面層數(shù)。
具體而言，本發(fā)明的量化過程是這樣實(shí)現(xiàn)的首先，按照重要性由高到低的順序把量化前的系數(shù)編號(hào)為1，2，3，......，n；(這里，包括后面所提到的重要性是指系數(shù)的重要程度，可以自行定義；比如按照人眼對該頻率系數(shù)的敏感程度的高低來確定)；然后，將上述的系數(shù)劃分為兩組，劃分的原則是1、一部分為重要系數(shù)，記為C(L)，另一部分為不重要系數(shù)，記為C(H)；2、編號(hào)大于n-Qf的系數(shù)被分到C(H)組，編號(hào)小于n-Qf的系數(shù)被分到C(L)組；設(shè)W(L)和W(H)分別為C(L)和C(H)量化后的系數(shù)，則具體的量化的公式為W(L)＝(C(L)+Qa1)＞＞QbitW(H)＝(C(H)+Qa2)＞＞(Qbit+1)其中，Qa1和Qa2主要是為了起到四舍五入的作用；Qbit和Qf分別是用來調(diào)節(jié)量化器的粗調(diào)作用參數(shù)和微調(diào)作用參數(shù)；n是量化前系數(shù)的最大編號(hào)。
本發(fā)明反量化的過程是首先，按照重要性由高到低的順序把反量化前的系數(shù)編號(hào)為1，2，3，......，n；
然后，將上述的系數(shù)劃分為兩組，劃分的原則是1、一部分為重要系數(shù)，記為W(L)，另一部分為不重要系數(shù)，記為W(H)；2、編號(hào)大于n-Qf的系數(shù)被分到W(H)組，編號(hào)小于n-Qf的系數(shù)被分到W(L)組；設(shè)C(L)和C(H)分別為W(L)和W(H)反量化后的系數(shù)，則反量化的公式為C(L)＝W(L)＜＜QbitC(H)＝W(H)＜＜(Qbit+1)從上面的量化/反量化方案可以看出本發(fā)明的量化/反量化方法對于重要系數(shù)，量化/反量化的步長短，對于不重要系數(shù)，則使用長的量化/反量化步長；同時(shí)，量化/反量化的步長都是2的冪次，并且只分成兩個(gè)等級(jí)。由于具有上述的特點(diǎn)，本發(fā)明在量化/反量化過程中，不使用乘法，而只使用移位運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)，有利于硬件設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)簡單；與基于位平面的熵編碼器相配合，在用于傳統(tǒng)的視頻編碼系統(tǒng)時(shí)可以獲得很高的壓縮比；本發(fā)明結(jié)合了標(biāo)量量化和位平面量化的優(yōu)點(diǎn)，在用于FGS視頻編碼的基本層編碼時(shí)，可以改進(jìn)傳統(tǒng)的FGS視頻編碼的編碼效率。


圖1為量化和反量化中Qbit和Qf的調(diào)節(jié)作用的示意圖。
具體實(shí)施例方式
，以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明在AVC(Advanced Video Coding高級(jí)視頻編碼)標(biāo)準(zhǔn)中，碼率/圖像質(zhì)量的控制是用量化參數(shù)Qp來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)C為量化前的系數(shù)，W為量化后的系數(shù)，其典型的量化公式，如下式所示W(wǎng)＝(C*Q[Qp％6])＞＞(Qp/6)其中，Q是具有多個(gè)(在上述的公式中為6個(gè))值的量化表，Q[Qp％6]表示用Qp％6的值作為序號(hào)到量化表Q中去查找應(yīng)使用的Q值；C是量化前的系數(shù)，W是量化后的系數(shù)。
具體的量化實(shí)施過程如下首先，由于JVT中采用了4×4的變換，所以所述的系數(shù)共有16個(gè)；可以由量化參數(shù)Qp算出粗調(diào)參數(shù)Qbit和微調(diào)參數(shù)Qf，比如Qbit＝Qp/6，Qf＝(Qp％6)*3。
然后，對量化前的系數(shù)按重要性進(jìn)行編號(hào)，比如按zigzag(Z形掃描)；掃描的順序編號(hào)。
同樣，按照Qf把量化前的系數(shù)劃分為兩組重要系數(shù)C(L)和不重要系數(shù)C(H)；本實(shí)施例中，編號(hào)大于16-Qf的系數(shù)被分到C(H)組，編號(hào)小于16-Qf的系數(shù)被分到C(L)組。
設(shè)W(L)和W(H)分別為C(L)和C(H)量化后的系數(shù)，則量化的公式為W(L)＝(C(L)+Qa1)＞＞Qp/6W(H)＝(C(H)+Qa2)＞＞(Qp/6+1)按照J(rèn)VT的量化原則，對于幀內(nèi)編碼的塊Qa1＝(1＜＜(Qp/6))/3Qa2＝(1＜＜(Qp/6+1))/3對于幀間編碼的塊Qa1＝(1＜＜(Qp/6))/6Qa2＝(1＜＜(Qp/6+1))/6；Qa1和Qa2主要用來起到四舍五入的作用，但是由于視頻編碼中較小的數(shù)可以用更少的位表示，所以量化的時(shí)候傾向于向較小的數(shù)量化。
具體的反量化過程如下設(shè)W為反量化前的系數(shù)，C為反量化后的系數(shù)，在JVT標(biāo)準(zhǔn)中，典型的反量化公式如下式所示C＝(W*DQ[Qp％6])＜＜(Qp/6)本發(fā)明的反量化技術(shù)的實(shí)施過程如下
首先，由于JVT中采用了4×4的變換，所以系數(shù)共有16個(gè)；由Qp算出Qbit和Qf，比如Qbit＝Qp/6，Qf＝(Qp％6)*3；然后，對反量化前的系數(shù)按重要性進(jìn)行編號(hào)，比如按zigzag掃描的順序編號(hào)；同樣，按照Qf將把反量化前的系數(shù)劃分為兩組，重要系數(shù)C(L)和不重要系數(shù)C(H)；編號(hào)大于16-Qf的系數(shù)被分到C(H)組，編號(hào)小于16-Qf的系數(shù)被分到C(L)組；設(shè)W(L)和W(H)分別為C(L)和C(H)量化后的系數(shù)；則量化的公式為C(L)＝W(L)＜＜Qp/6C(H)＝W(H)＜＜(Qp/6+1)參見圖1，對于量化來說，陰影部分是被量化掉的部分。從圖1中可以看出Qbit改變1，則所有系數(shù)被量化掉的位數(shù)都改變1；Qf改變1，則只有一個(gè)系數(shù)被量化掉的位數(shù)發(fā)生改變，且改變?yōu)?。
對于反量化來說，陰影部分是應(yīng)該恢復(fù)出的位。陰影部分可以全部恢復(fù)為0，或按一定規(guī)則恢復(fù)。同樣可以看出Qbit起到粗調(diào)的作用，而Qf起到微調(diào)的作用。
簡言之，本發(fā)明基于不等步長的量化/反量化方法可以降低量化/反量化的運(yùn)算復(fù)雜度，同時(shí)還可以保證很高的編碼效率。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于位平面的不等長的量化方法，其特征在于該方法進(jìn)行量化的步驟是步驟100依據(jù)預(yù)先定義的重要性，對量化前的系數(shù)按照其重要性，依照由高到低的順序依次從小到大編號(hào)；步驟110根據(jù)微調(diào)參數(shù)，將量化前的系數(shù)劃分為重要和不重要兩組系數(shù)；步驟120根據(jù)該兩組量化前的系數(shù)，以及粗調(diào)參數(shù)，分別計(jì)算得到各自對應(yīng)的量化后的系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位平面的不等長的量化方法，其特征在于步驟120中的計(jì)算所對應(yīng)的計(jì)算公式是W(L)＝(C(L)+Qa1)＞＞QbitW(H)＝(C(H)+Qa2)＞＞(Qbit+1)其中，C(L)、C(H)分別為量化前的重要系數(shù)集合和不重要系數(shù)集合；W(L)、W(H)分別為C(L)、C(H)量化后的系數(shù)集合；Qa1和Qa2是為了起到四舍五入的作用；Qbit為粗調(diào)作用的參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位平面的不等長的量化方法，其特征在于所述的重要系數(shù)和不重要系數(shù)依照如下的原則進(jìn)行劃分如果量化前的系數(shù)編號(hào)大于n-Qf，則其對應(yīng)的量化前的系數(shù)為不重要系數(shù)；否則是重要系數(shù)；其中，n是量化前的系數(shù)的最大編號(hào)；Qf是微調(diào)作用系數(shù)，并且0≤Qf＜n。
4.一種基于位平面的不等長的反量化方法，其特征在于該方法進(jìn)行反量化的步驟是步驟200依據(jù)預(yù)先定義的重要性，對反量化系數(shù)按照其重要性，依照由高到低的順序依次從小到大編號(hào)；步驟210根據(jù)微調(diào)作用參數(shù)，將反量化前的系數(shù)劃分為重要和不重要兩組系數(shù)；步驟220根據(jù)該兩組反量化前的系數(shù)，以及粗調(diào)參數(shù)，分別計(jì)算得到各自對應(yīng)的反量化后的系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于位平面的不等長的反量化方法，其特征在于步驟220中的計(jì)算所對應(yīng)的計(jì)算公式是C(L)＝W(L)＜＜QbitC(H)＝W(H)＜＜(Qbit+1)其中，W(L)、W(H)分別為反量化前的重要系數(shù)集合和不重要系數(shù)集合；C(L)、C(H)分別為W(L)、W(H)反量化后的系數(shù)集合；Qbit為粗調(diào)作用的參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于位平面的不等長的反量化方法，其特征在于所述的重要系數(shù)和不重要系數(shù)依照如下的原則進(jìn)行劃分如果反量化前的系數(shù)編號(hào)大于n-Qf，則其對應(yīng)的反量化前的系數(shù)為不重要系數(shù)；否則是重要系數(shù)；其中，n是反量化前的系數(shù)的最大編號(hào)；Qf是微調(diào)作用系數(shù)，并且0≤Qf＜n。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于位平面的不等長的量化/反量化方法，首先依據(jù)預(yù)先定義，對量化/反量化前的系數(shù)按照其重要性，依照由高到低的順序依次從小到大編號(hào)；再根據(jù)微調(diào)參數(shù)，將量化/反量化前的系數(shù)劃分為重要和不重要兩組系數(shù)；根據(jù)該兩組量化/反量化前的系數(shù)以及粗調(diào)參數(shù)，分別計(jì)算得到各自對應(yīng)的量化/反量化后的系數(shù)。本發(fā)明的量化/反量化方法對于重要系數(shù)，量化/反量化的步長短，對于不重要系數(shù)，則使用長的量化/反量化步長；同時(shí)，量化/反量化的步長都是2的冪次，并在給定微調(diào)參數(shù)和粗調(diào)參數(shù)后，量化/反量化的步長只分成兩個(gè)等級(jí)。本發(fā)明在量化/反量化過程中，不使用乘法，而只使用移位運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)，有利于硬件設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)簡單。
文檔編號(hào)H04N11/00GK1568010SQ0314803
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者高文, 范曉鵬, 呂巖 申請人:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所