專利名稱：視頻信號壓縮系統(tǒng)的量化電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理用在視頻信號壓縮過程中的量化控制信號的電路。
可將傳送已經(jīng)用MPEG(運動圖像專家組)編碼的壓縮視頻信號的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或MPEG類壓縮系統(tǒng)設(shè)計為，無論何時只要通道未被已壓縮的視頻信號全占滿在同一通道中仍運載數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)的類型可以是按照信號統(tǒng)計，在一公共通道上時分多路復(fù)用多個不相關(guān)的壓縮信號，或者它們可以是時分多路復(fù)用來自單個信號的相關(guān)壓縮高優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的高-低優(yōu)先級類型。
前述兩種類型的系統(tǒng)均依賴于相應(yīng)壓縮信號的某種形式的速率控制，以確保對于包括在帶寬有限通道上的所有壓縮分量至少存在一些信號容量。然而，通常將在視頻壓縮裝置中實現(xiàn)的速率控制系統(tǒng)設(shè)計為，即使在利用額外的位產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生主觀改進時對編碼視頻仍使用盡可能多的位。典型地，設(shè)計速率控制算法限制為壓縮視頻信號分配的最大數(shù)據(jù)速率。這一技術(shù)總是為輔助信號保留一些最小數(shù)據(jù)空間。該方法的缺點是將會使編碼困難的復(fù)雜視頻圖像的再現(xiàn)視頻質(zhì)量下降。
本發(fā)明的目的是在一種MPEG或MPEG類的壓縮系統(tǒng)中，通過包括限制MPEG量化比例因子(或在非MPEG系統(tǒng)中其等價物)最小值而不是直接限制壓縮視頻信號位率的電路和/或軟件代碼，克服前述缺點。


圖1是包括實施本發(fā)明的量化控制的視頻信號壓縮系統(tǒng)的方框圖。
圖2是可作為圖1系統(tǒng)中量化器實施的示范量化裝置的方框圖。
圖3和4是實施本發(fā)明的可選擇的量化比例因子限制裝置的方框圖。
圖5和6分別示出了未包括和包括有量化比例因子限制電路的圖1所列舉類型壓縮裝置的速率緩沖器占用的測量結(jié)果。
圖7是可作為圖1系統(tǒng)中量化器實施的可選示范量化裝置的方框圖。
本發(fā)明將在MPEG或MPEG類壓縮系統(tǒng)的環(huán)境下描述，但是如所說明的，它可以應(yīng)用于包括由量化系數(shù)劃分編碼信息的量化器的任何視頻壓縮系統(tǒng)。也就是給定碼字的量化結(jié)果與量化系數(shù)成反比的系統(tǒng)。對于其中給定碼字的量化結(jié)果正比于量化系數(shù)的系統(tǒng)，換言之即限制量化系數(shù)以產(chǎn)生限值碼字的系統(tǒng)，可裝備相應(yīng)的類似裝置。
參見圖1，用虛線圈住的單元10至26包含用于以MPEG類格式產(chǎn)生壓縮視頻信號類型的一種典型運動補償預(yù)測編碼器。所示出的有三條并行處理路徑，它們各處理亮度和兩個色度視頻分量。運動補償裝置20對亮度信號操作以產(chǎn)生運動矢量，這些運動矢量用在三條處理路徑中。公共控制器21與相應(yīng)處理電路通信，并引導(dǎo)編碼器的總操作。運動補償預(yù)測編碼器的操作是眾所周知的在此不作詳細描述。只要說明單元12至20和26執(zhí)行信號壓縮、單元22按照所需協(xié)議例如MPEG類安排被壓縮信號分量、和單元24將來自格式器22的數(shù)據(jù)脈沖變換為恒定速率數(shù)據(jù)就足夠了。單元24、26和14共同操作以確保既不會有太多也不會有太少的編碼數(shù)據(jù)，從而防止各接收機的速率緩沖器上溢或下溢。
速率緩沖器24(或視頻緩沖檢驗器VBV，如以MPEG標準所描述的)提供緩沖器占用測量值和/或緩沖器占用變化速率測量值到量化器比例因子發(fā)生器26。量化器比例因子發(fā)生器26產(chǎn)生比例因子QS，這些比例因子隨后用在量化器14中修改量化矩陣中的值。這種修改有助于調(diào)節(jié)壓縮碼字的發(fā)生速率。
量化比例因子發(fā)生器對于視頻信號壓縮領(lǐng)域的技術(shù)人員來講是公知的。它們以多種形式出現(xiàn)并按照各種算法操作。在美國專利5,426,463；5,144,424；5,089,888；5,072,295；和4,897,855中可找到有代表性的裝置和算法。
假定施加到量化器14的數(shù)據(jù)作為例如系數(shù)ci的8×8矩陣C[v][u]出現(xiàn)，并假定量化器執(zhí)行下列形式的量化操作Q(C)=16C[ν][u]W[w][ν][u]×QS-k2----(1)]]>其中Q(C)是已被量化的矩陣，C[v][u]是系數(shù)矩陣，[v][u]是矩陣系數(shù)，W[w]是w個量化矩陣之一，QS是來自單元28的比例因子，k是系數(shù)的符號。從Q(C)的方程可以看出值Q(C)的大小與量化比例因子QS的值成反比。因此如果希望減少編碼數(shù)據(jù)量，應(yīng)限制QS的所有值出現(xiàn)在某一最小值以上。置于量化比例因子發(fā)生器26與量化器14之間的限制裝置28執(zhí)行該功能。單元28讓發(fā)生在預(yù)定最小值以上的所有量化比例因子通過，另外也讓最小值通過。如可從圖5和6所看出的加入限制單元28顯著改變了編碼數(shù)據(jù)量。
精明的設(shè)計者將會認識到量化比例因子本身必須限制為大于零的值以防被零除。本發(fā)明中的限制器是有選擇地工作并在預(yù)防被零除所需的固有限制以外執(zhí)行附加限制。例如，MPEG2標準具有兩種工作模式，帶有兩個對應(yīng)的可選擇的所允許量化比例因子組合。在這些模式中的第一種模式(種類1)下，較小量化比例因子被賦予值1，2，3，4，5，…，并當量化因子變得較大時該序列變成非線性的。在第二種模式(種類0)下較小量化比例因子被賦予值2，4，6，8，10，12…等。本發(fā)明的限制器將被有選擇地在第一和第二模式下調(diào)整以將量化比例因子限制為大于所賦最小值的數(shù)值，也就是在第一和第二模式下分別至少大于1和2。
要提醒讀者的是，本發(fā)明中提供的限制器執(zhí)行一種可選擇功能。當希望為輔助數(shù)據(jù)開創(chuàng)多余通道空間時，使限制器工作。另外也可調(diào)整它執(zhí)行單一功能。
圖5是表示在按照恒定位率CBR算法壓縮一個典型的視頻信號的情況下可用于傳輸其它信息的通道容量的百分比。數(shù)據(jù)是從以每秒60場編碼1920×1080隔行掃描序列的Grand Alliance樣板編碼器獲取的。圖5示出了被調(diào)整產(chǎn)生三種不同恒定位率14Mbps、17Mbps和18Mbps的壓縮裝置的可獲得容量。
對于調(diào)整到產(chǎn)生18Mbps的壓縮裝置在相同條件組下采取圖6中的數(shù)據(jù)。然而，在這種情況下，QS的最小值被限定為數(shù)值10，8和1。亦即，將類似于單元28的單元插入產(chǎn)生圖5結(jié)果的裝置。在QS的最小值限定為一的情況下，該電路中的限制器有效執(zhí)行單一功能，圖6中的底部曲線看上去與圖5中的相同。兩組壓縮數(shù)據(jù)之間在再現(xiàn)圖像質(zhì)量上沒有明顯差別。然而，很顯然含有量化比例因子限制器釋放相當大的通道容量。
參照圖2說明一種量化過程舉例。在圖2中方框33表明從DCT單元13(圖1)輸出的系數(shù)數(shù)據(jù)的一個塊或矩陣。各個系數(shù)C[v][u]或ci(對應(yīng)于例如離散余弦變換系數(shù))以預(yù)定次序排列。標明為30的方框表明量化值qi的矩陣W[v][u]。確定這些量化值以便對方框33中系數(shù)提供較大和較小量化，它們對圖像再現(xiàn)分別具有較小和較大重要性。因此當系數(shù)c1，c2，…c8等施加到量化器31時，同時訪問和施加量化值q1，q2，…q8等以執(zhí)行量化。但是值qi經(jīng)一個變比電路32間接地施加到量化器31。用單元34提供的量化比例因子QS改變各個量化值的比例。
當系數(shù)塊33施加到量化器31時，來自單元34的量化比例因子施加到變比電路32以產(chǎn)生耦合到量化器31的量化值QS(qi)或(QS)W[w][v][u]。量化器31可以是這樣的形式，即量化由上述方程(1)表示出或者按照如下函數(shù)的各個系數(shù)Q(C)＝(16C[v][u]+8)//(2*(QS)W[w][v][u])；C[v][u]＞0(2)Q(C)＝(16C[v][u]-8)//(2*(QS)W[w][v][u])；C[v][u]＜0(3)Q(C)＝0 C[v][u]＝0(4)其中Q(C)是已量化系數(shù)矩陣，(QS)W[w][v][u]表示變比的量化矩陣，而//指出四舍五入為最接近的整數(shù)的整數(shù)除法。
單元34讓設(shè)定極限以上的來自量化比例因子發(fā)生器26(圖1)的所有量化比例因子通過，對于較小的量化比例因子值提供極限值作為量化比例因子。該極限值被限制為表示有效量化比例因子的數(shù)值。方框34中的實線曲線表示出該函數(shù)。包括的虛線表明單元34是可編程的以允許使用不同極限值。例如，如果正在壓縮具有大的平坦場區(qū)和急劇的特性變換的計算機產(chǎn)生的圖像，可使極限值相對小以確保正確再現(xiàn)急劇的特性變換。另一方面，如果正在壓縮明顯運動的非常忙的圖像，可使極限值較大。極限值也可是不同的，這取決于正執(zhí)行的壓縮類型，例如幀內(nèi)或I-幀壓縮或P或B-幀預(yù)測壓縮。分別用于I，P和B幀壓縮的極限值LI，Lp，LB的相對大小往往遵循LI＜Lp＜LB的排序。業(yè)已發(fā)現(xiàn)在范圍6至12內(nèi)的MPEG量化比例因子的代表極限值對非限定的比例因子提供改進的性能。根據(jù)正被壓縮的源材料，其它極限值可提供更令人滿意的性能。對于分別在前述MPEG類型1和類型2模式下的比例因子值來說任何大于1和2的極限值將形成對量化比例因子的限定。
在MPEG系統(tǒng)中，對應(yīng)于量化比例因子的數(shù)據(jù)以壓縮數(shù)據(jù)的宏塊傳輸。量化比例因子不是直接發(fā)送的，而是以標注為““量化器比例代碼””的編碼形式發(fā)送。對于MPEG系統(tǒng)，可設(shè)置單元34為包括將被限定的量化比例因子代碼轉(zhuǎn)換為“量化器比例代碼”值的裝置。這種裝置可以僅僅是一個只讀存儲器，由限定的量化比例因子尋址并在相應(yīng)地址單元用適當“量化器比例代碼”值編程。
圖3示出用于限制量化比例因子的示范裝置。它包括一個用比較器42調(diào)節(jié)的多路復(fù)用器44，根據(jù)比較器42是否呈現(xiàn)第一或第二狀態(tài)分別讓極限值或來自單元26的量化比例因子通過。由來自源40的算子提供的極限值被耦合到多路復(fù)用器44的一個輸入端和比較器的一個輸入端。來自單元26的量化比例因子耦合到多路復(fù)用器44的第二輸入端和比較器42的第二輸入端。對于小于和大于極限值的量化比例因子分別設(shè)置比較器呈現(xiàn)第一和第二輸出狀態(tài)。
圖4示出用于限定量化比例因子的可選裝置。在該實施例中，限制裝置由存儲器中的多個列表組成。來自單元26的量化比例因子耦合到存儲器的地址輸入端口。此外，由例如一個算子提供的表選擇值耦合到地址輸入端口。存儲器輸出端口提供限定的量化比例因子。
不同的表對應(yīng)于不同的極限值。除了具有等于或小于極限值的地址值的地址單元外，在相應(yīng)地址單元用其相應(yīng)地址值對每個表編程。這些地址單元中的每一個用極限值編程。每個存儲單元也可用適當?shù)南鄳?yīng)“量化器比例代碼”編程，其可同時提供有量化比例因子，包括在壓縮數(shù)據(jù)的相應(yīng)宏塊中。在一種替換配置中，該裝置可包括一個單一的讀/寫存儲器表而不是在存儲器中包含多個列表，該讀/寫存儲器表由例如系統(tǒng)控制器21在壓縮序列起始處用適當?shù)刂分稻幊獭?br> 最后，如果系統(tǒng)控制器具有足夠的計算容量，可在控制器中以軟件執(zhí)行限制功能，利用一種簡單例程來比較和輸出極限值或量化比例因子。
圖7示出一種可選擇的量化比例因子限制裝置。在圖7中，以與圖2中單元相同標號指定的單元是類似的并執(zhí)行相同功能。在這一實施例中，“量化器比例代碼”發(fā)生器38耦合到速率緩沖器24，并在正常操作過程中產(chǎn)生例如MPEG-2、“量化器比例代碼”值。這些值施加到限制器37，限制器37被調(diào)整為將“量化器比例代碼”值限定于某個最小值，該最小值被限制為有效“量化器比例代碼”值。為包括在已壓縮的視頻信號中已限定的“量化器比例代碼”碼字被耦合到格式器22，它們也施加到代碼轉(zhuǎn)換器36。可以是只讀存儲器的代碼轉(zhuǎn)換器36將“量化器比例代碼”值轉(zhuǎn)換為它們的對應(yīng)量化比例因子值QS，施加于加權(quán)電路32。由于施加到轉(zhuǎn)換器36的“量化器比例代碼”值被限定，自轉(zhuǎn)換器36輸出的QS值也將被限定。
限制器37可采取圖3和4所示的形式，或者用軟件執(zhí)行該功能。應(yīng)認識到極限值是用戶可選擇的，或者它們可作為所處理視頻數(shù)據(jù)量的函數(shù)而系統(tǒng)地更新。
權(quán)利要求
1.一種視頻信號壓縮裝置，其特征在于一個量化器(14)和一個耦合用于接收所述量化器提供的數(shù)據(jù)的速率緩沖器(24)，其特征還在于響應(yīng)用于產(chǎn)生量化比例因子的所述速率緩沖器的占用水平控制所述量化器的裝置(26)，以及限制裝置(28)，用于將施加到所述量化器的相應(yīng)量化比例因子的值限制于預(yù)定數(shù)值范圍，該預(yù)定數(shù)據(jù)范圍不同于由用于產(chǎn)生量化比例因子的所述裝置提供的量化比例因子值的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的視頻信號壓縮裝置，其特征在于一待壓縮視頻信號的源；用于提供部分壓縮的所述視頻信號的第一壓縮電路；用于完成被部分壓縮視頻信號的壓縮的第二壓縮電路；耦合在所述第一和第二壓縮電路之間的所述量化器，用于量化所述部分壓縮的視頻信號，所述量化器包括用于接收量化比例因子的輸入端口；用于根據(jù)由所述第二壓縮電路提供的被壓縮數(shù)據(jù)的速率產(chǎn)生量化比例因子的所述裝置；以及所述限制裝置響應(yīng)所述量化比例因子限制施加到所述量化器輸入端口的最小值量化比例因子。
3.如權(quán)利要求2所述的視頻信號壓縮裝置，其特征在于所述第二壓縮電路包括一個速率緩沖器，用于產(chǎn)生量化比例因子的所述裝置響應(yīng)所述速率緩沖器的相對滿度。
4.如權(quán)利要求2所述的視頻信號壓縮裝置，其特征在于用于產(chǎn)生量化比例因子的裝置和用于限制最小值量化比例因子的電路被歸入同一電路中。
5.如權(quán)利要求2所述的視頻信號壓縮裝置，其特征在于視頻信號壓縮裝置按MPEG協(xié)議提供壓縮的視頻信號，所述限制最小值量化比例因子的電路將相應(yīng)量化比例因子限制于大于2的數(shù)值。
6.如權(quán)利要求5所述的視頻信號壓縮裝置，其特征還在于響應(yīng)所述限制值和被限制的所述量化比例因子之一提供包括在已壓縮視頻信號中的受限制的相應(yīng)“量化器比例代碼”的電路。
7.如權(quán)利要求2所述的視頻信號壓縮裝置，其特征還在于用于提供包括在已壓縮的所述視頻信號中相應(yīng)于受限制的所述量化比例因子的“量化器比例代碼”值的電路。
8.如權(quán)利要求1所述的視頻信號壓縮裝置，其特征還在于響應(yīng)所述限制值用于提供包括在已壓縮的視頻信號中的被限制的相應(yīng)“量化器比例代碼”的電路。
9.如權(quán)利要求1所述的視頻信號壓縮裝置，其特征還在于響應(yīng)被限制的所述量化比例因子用于提供包括在已壓縮的視頻信號中的被限制的相應(yīng)“量化器比例代碼”的電路。
10.如權(quán)利要求1所述的視頻信號壓縮裝置，其特征在于響應(yīng)所述速率緩沖器的占用水平產(chǎn)生量化比例因子的所述裝置包含耦合到所述速率緩沖器用于產(chǎn)生“量化器比例代碼”的“量化器比例代碼”發(fā)生器；耦合到所述“量化器比例代碼”發(fā)生器用于將所述“量化器比例代碼”的值限制為大于由所述“量化器比例代碼”發(fā)生器提供的最小值的數(shù)值的“量化器比例代碼”限制器；以及耦合到所述“量化器比例代碼”限制器的“量化器比例代碼”至量化比例因子的轉(zhuǎn)換器。
11.在一種視頻信號壓縮裝置中，該視頻信號壓縮裝置的特征在于一個量化器和響應(yīng)由所述量化器提供的已壓縮的視頻信號用于產(chǎn)生量化比例因子以控制所述量化器的電路，一種用于降低代表所述視頻信號的已壓縮數(shù)據(jù)的平均量的方法，包含步驟將施加到所述量化器的所述量化比例因子的最小值限制為大于由用于產(chǎn)生量化比例因子的所述電路提供的最小值的數(shù)值。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于壓縮是按照MPEG協(xié)議進行的，并還包括提供相應(yīng)于被限制的所述量化比例因子的“量化器比例代碼”；以及將所述“量化器比例代碼”包括在所述已壓縮的視頻信號中。
全文摘要
在一壓縮系統(tǒng)中包括一個量化器(14)，用于按照量化值矩陣量化系數(shù)矩陣，并響應(yīng)用于提供量化比例因子(26)的速率緩沖器(24)的占用來修改量化矩陣，通過結(jié)合使用限制施加于量化矩陣的量化比例因子的最小值的裝置(28)可在沒有圖像質(zhì)量明顯損失的情況下顯著節(jié)省通道容量。
文檔編號H04N7/50GK1160968SQ9710104
公開日1997年10月1日 申請日期1997年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月25日
發(fā)明者羅伯特·N·小赫斯特 申請人:湯姆森多媒體公司