CN101088295A - 可分级编码 - Google Patents

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Abstract

一种用于编码数据的方法，包括步骤：将数据分为数据集合，将每个数据集合变换为变换系数(A，B，C)的集合，根据每个变换系数的幅值将其分配给各自变换系数集合的单个子集(S0，S1，……)，并独立编码每个子集。该方法可以包括步骤：将每个集合的变换系数的幅值与至少一个阈值(T1，T2，……)相比较。由于每个子集包括所选择的变换系数的整个幅值，在传输期间另一个子集的丢失不会影响这些变换系数。该方法特别地适用于编码图画数据。

Description

可分级编码
本发明涉及可分级编码。更特别地，本发明涉及一种用于编码数据的方法和设备，该方法和设备产生至少两层已编码信息。第一层包含基本已编码信息，其允许相对粗略地(即，低分辨率和/或低质量)重构原始数据，而至少一个第二层包含附加的已编码信息，其与第一层联合，允许相对精细地(即，高分辨率和/或高质量)重构原始数据。
可分级编码被广泛地用于视频编码。在公知的MPEG标准中，第一层被叫作“基本层”(BL)，而第二层被称作“增强层”(EL)。两个层都可以通过变换图画(picture)数据的块并然后通过扫描和可变长度编码来编码作为结果产生的变换系数的块而产生。“基本层”典型地是“增强层”的下取样版本(downsampled version)。
可以使用产生多个层的可选择的技术。例如，变换系数可以被分入所谓的比特平面，每个比特平面包括一个块的每个变换系数的一个或多个比特。比特平面可以被分配给不同的层，诸如“基本层”和一个或多个“增强层”。传输和接收的比特平面的数目决定重构图像的分辨率。这种类型的分级性被称作精细粒度可分级性(FGS：Fine Grain Scalability)。
美国专利US 6501397(Radha等人/Philips)公开了一种包括比特平面编码的图像信号压缩和编码方法。通过合并两个或多个比特平面，可以改善编码效率。US 6501397的整个内容因此被结合在这个文件中。
将变换系数分入比特平面具有缺点是每个比特平面只包含关于每个变换系数的部分信息。如果一些比特平面在传输期间丢失，失去的比特导致变换系数错误的表示，并从而导致失真地重构数据(诸如图像数据)。如果只有单个比特平面被接收，包含在该比特平面中的部分信息将通常不足以以有意义的方式重构原始数据。
本发明的一个目的是克服现有技术的这些和其它问题，并提供一种对于传输损耗更有弹性但易于实施的用于编码数据的方法和设备。
据此，本发明提供一种编码数据集合的方法，该方法包括步骤：
将每个数据集合变换为一个变换系数集合，
根据每个变换系数的幅值，将该每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
独立地编码每个子集。
通过根据变换系数的幅值，将变换系数分配给子集，实现有效地将变换系数分入不同的子集，而不同子集可以被用于产生不同的编码层。子集的数目可以改变，可以使用两个、三个、四个、五个或更多子集。
通过将每个变换系数分配给一个单个子集，每个子集包含一个或多个变换系数的全部值(即，所有比特)(除非没有变换系数超过各自的阈值，使得子集为空)。结果，在传输后接收的每个子集允许一些变换系数被完整地得知，因此避免了原始数据的任何失真。当然在传输期间的子集丢失可以导致一些变换系数丢失，其可能引入一些重构数据的失真，但是与比特平面编码相反，单个子集的丢失不会导致所有变换系数的失真。
通过独立地编码每个子集，即，通过编码每个子集的变换系数，编码可以是简单和有效的。另外，本发明提供重要的优点是一个特定子集将包含最相关的变换系数，即，具有最大幅值的变换系数。如果传输信道的带宽被限制，发送该单个子集(优选地作为“基本层”)将导致最接近原始数据。
应当理解如果数据作为未分的流被提供，该方法可以包括将数据分成数据集合的进一步的步骤。
基于它们的幅值(幅度)将变换系数分配给子集可以以多种方式实现，例如通过使用查找表，在表中的每个条目表示一个幅值和它相应的子集。然而，优选地将每个变换系数的幅值与至少一个阈值相比较以选择变换系数被分配的子集。
通过将每个集合的变换系数的幅值与至少一个阈值相比较，根据它们各自的幅值有效地将变换系数编组是可能的。从而每个变换系数可以根据该比较被分配给各自变换系数集合的单个子集。
优选的实施方式包括进一步的步骤：在独立地编码每个子集的步骤之前从每个变换系数中减去各自的阈值。这减少了变换系数的幅值并允许更有效的编码。
虽然可以使用单个的阈值，有效地将每个变换系数集合分成两个子集，但是优选地使用两个或更多阈值，从而建立每个变换系数集合的多个子集。例如，可以使用四个阈值，结果产生五个子集。阈值可以被均匀地间隔开(例如2、4、6和8，如果最大变换系数值是10)，但是也可以是不均等地间隔开(例如3.6、4.9、6.4和8.1，如果最大变换系数值是10)。
在进一步的实施方式中，阈值可以被动态地调整，例如使得在相关子集上均匀分布变换系数。在这样实施方式中，优选地阈值也被发送以使得在接收侧正确地重构。在阈值是静态的(即，基本固定)实施方式中，它们不需要被传输。
该方法还可以包括分级变换系数的步骤，优选地在将它们的幅值与阈值相比较之后。可替换地，阈值可以被分级。
在优选实施方式中，根据本发明的方法包括进一步的步骤：将每个子集的已编码变换系数合并在单个已编码变换系数的流中。有利地，至少一个阈值可以与已编码变换系数合并。如果使用查找表代替，或补充阈值，表标识符可以与已编码变换系数合并。以这种方式，每个流既包含变换系数又包括标识和/或定义各自的子集的数据。
编码每个子集的步骤可以有利地包括可变长度编码(VLC)，变换的步骤可以包括数字余弦变换(DCT)或数字小波变换(DWT)。
虽然多种数据的类型可以被使用，当数据是图画(静止图画或图像，和/或移动图画或视频)数据时，本发明的方法特别地有优势。
本发明进一步提供一种用于编码数据集合的计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行指令，用于执行步骤：
将每个数据集合变换为变换系数的集合，
根据它的幅值，将每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
独立地编码每个子集。
计算机程序产品可以包括附加的计算机可执行指令，例如用于将每个集合的变换系数的幅值与至少一个阈值相比较的指令。该计算机程序产品可以包括诸如CD或DVD的载体，其上存储有程序。可替换地，计算机程序产品可以被存储在远程服务器上并且可以使用互联网下载。
本发明还提供了一种用于编码数据集合的设备，该设备包括：
变换装置，用于将每个数据集合变换为变换系数的集合，
分配装置，用于根据变换系数的幅值，将每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
编码装置，用于独立地编码每个子集。
该编码设备可以进一步包括比较装置，用于将每个集合的变换系数的幅值与至少一个阈值相比较，和/或运动估计装置用于导出运动向量。
另外，本发明提供了一种用于代码转换(transcode)数据集合的设备，该设备包括：
解码装置，用于解码数据集合，
分配装置，用于根据变换系数的幅值，将每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
编码装置，用于独立地编码每个子集。
这样的代码转换设备可以被用于将传统的已编码数据集合变换为根据本发明编码的数据集合。代码转换设备可以进一步包括比较装置，用于将每个集合的变换系数的幅值与至少一个阈值相比较，和/或逆变换装置，配置用于逆向变换数据集合，以及变换装置，用于将每个数据集合变换为变换系数集合，和/或逆量化装置，用于逆向量化已解码数据集合。还可以提供运动补偿装置。
本发明进一步提供解码设备，用于解码通过如上述的编码设备或上述的代码转换设备编码的数据集合，该设备包括：
解码装置，用于解码数据的子集，
编组装置，用于将已解码数据子集编组为变换系数的集合，
逆变换装置，用于将变换系数的集合进行逆向变换。
解码设备以进一步包括逆扫描装置，用于逆向扫描变换系数的集合，和/或运动补偿装置用于提供运动补偿。
本发明进一步提供一种便携式消费者设备，诸如视频摄像机，包括如上述定义的编码设备。本发明可以提供的便携式消费者设备的其它例子是数字(静止)照相机、蜂窝(移动)电话、PDA(个人数字助理)和便携式电视装置。
本发明附加地提供视频传输***，包括如上述定义的编码设备和/或如上述定义的代码转换设备和/或如上述定义的解码设备。
在这个文件中公开的算法组件在实际中可以(全部或部分)被实现为硬件(例如，专用IC的一部分)或实现为在专用数字信号处理器或通用处理器等上面运行的软件。在计算机程序产品的情况可以被理解为命令集合的任何物理实现，使得(通用或专用目的)处理器在一系列用于使命令进入处理器的加载步骤(其可以包括中介转换步骤，像翻译为中介语言和最终处理器语言)之后执行任何发明的特征功能。特别地，计算机程序产品可以实现为在诸如例如盘或磁带的载体上的数据、在存储器中存在的数据、通过(有线或无线)网络连接传播的数据或在纸上的程序代码。除了程序代码，程序需要的特性数据还可以具体化为计算机程序产品。本发明方法工作所需要的步骤中的一些可能已经在处理器的功能中存在(代替在计算机程序产品中所描述的)，诸如数据输入和输出步骤。
应当注意本发明不限于图像(或视频)编码，并且也可以被用于编码其它数据，例如音频数据。
本发明下面将参照附图中说明的示例性实施方式被进一步解释，其中：
图1图解地示出根据本发明的编码设备。
图2图解地示出根据本发明的代码转换设备。
图3图解地示出根据本发明的解码设备。
图4图解地示出根据本发明将变换系数分配给数据子集。
图5图解地示出根据现有技术的变换系数集合。
图6图解地示出根据本发明的变换系数集合。
在图1中仅仅通过非限制性的例子示出了发明的编码设备100，其包括用于接收输入信号VS的减法单元101。在本例子中，假设输入信号VS是由图画数据集合组成的视频信号，每个集合(或“块”)表示8×8像素(图画元素)。然而，本发明不限于视频信号或特定数据结构。
减法单元101被配置用于从输入视频信号VS中减去运动预测信号MC。作为结果产生的差信号被馈入变换单元102，其将图画数据的集合变换为变换系数的集合。图画数据典型地使用现有技术公知的离散余弦变换(DCT)而变换，虽然其它变换也可以被使用，例如(数字)小波变换(DWT)。从DCT作为结果产生的变换系数可以被解释为(空间)频率分量。
扫描(SCAN)单元103以预定的次序扫描每个变换系数集合，该预定的次序例如在MPEG兼容***中使用的“Z字形”次序。扫描单元103将由变换单元102输出的二维的变换系数集合转换为一维集合。实施方式可以被设想为扫描单元103被合并入变换单元102，在该情况中变换单元102输出一维的变换系数集合。
变换系数的集合被馈入流分配(SA)单元104，其将每个集合的个别变换系数与一个或多个阈值相比较，并随后将每个变换系数分配给相应的子集或流。在本例子中，有三个阈值和四个子集，每个子集相应于一个流(实施方式可以被设想为流的数量小于子集的数量，即，至少两个子集被合并入一个流)。稍后将参照图4进一步解释该阈值比较。
大多数(如果不是全部)子集将包含少于最大数量的变换系数，例如当最大数量是64(例如8×8系数的块)时为10。每个子集中的“空”位置将被填入零，因此维持标准的子集大小。
该流分配单元104产生四个数据流S0、S1、S2和S3，每个包含一个数据集合的变换系数的一个子集。所有数据流S0、S1、......被馈入相应的编码单元105的VLC 0、VLC 1、......部分。编码单元105的每个部分独立地使用合适的编码技术来编码各自的数据流以产生输出数据流，在本例子中编码技术是可变长度编码(VLC)。基本层流BL通过VLC 0部分而产生，而增强层流EL 1、EL 2和EL 3分别通过VLC 1、VLC 2和VLC 3部分而产生。
典型的编码单元使用查找表(LUT)以产生码字。虽然编码单元105的所有部分VLC 0-VLC 3可以使用相同的查找表或同样的表，在有利的实施方式中不同部分使用单独的查找表，以改善编码效率。应当理解可以使用其它编码技术代替可变长度编码(VLC)，诸如游程长度编码(run length coding)。
在图1的实施方式中，“最低的”数据流S0也被馈入到逆变换单元106，其在本例子中执行逆离散余弦变换(IDCT)。结果产生的逆变换后的数据流经由加法器107被馈入到存储器(MEM)108用以暂时存储(延迟)。延迟的数据被馈入运动估计/运动补偿(ME/MC)单元109，其使用本领域技术人员熟知的技术产生运动预测(运动补偿)信号MC和运动向量My。运动向量MV被馈入编码单元105的VLC 0部分以在基本层流BL中包括运动向量。
本发明的设备100可以进一步包括量化单元(未示出)用于数据缩减。量化单元可以被配置在变换单元102和扫描单元103之间，或在扫描单元103和流分配单元104之间。如果存在量化单元，设备100可以进一步包括逆量化单元以估计在量化数据和原始数据之间的任何差异。由于量化导致有损编码，一些差异将典型地存在。
图1的设备100可以与MPEG(运动图像专家组)标准兼容，例如公知的MPEG-2标准。
根据本发明的代码转换器在图2中图解地示出。代码转换器150被配置用以解码根据现有技术的单一层(非可分级)数据流和根据本发明编码已解码的数据流。图2的代码转换器150包括图1的编码器的所有组件，再加上可变长度解码(VLD)单元110，逆量化(IQ)单元111和逆离散余弦变换(IDCT)单元112。
可变长度解码(VLD)单元110接收已编码输入信号(编码流)CS，其已经使用传统的可变长度编码被编码，量化和使用离散余弦变换(DCT)而变换。可变长度解码(VLD)单元110，逆量化(IQ)单元111和逆离散余弦变换(IDCT)单元112将该编码流转换为视频信号(视频流)VS，其被馈入如在图1的编码设备100中的减法器101。运动向量MV通过可变长度解码单元110被输出并馈入至运动估计/运动补偿(ME/MC)单元109和编码单元105。因此可以看到代码转换器150能够接收已经根据现有技术编码的输入信号，产生已经根据本发明编码的输出信号。
在图3中说明了用于解码信号(例如视频流)的解码器。该解码器200包括解码单元201、子集编组(SG)单元202、逆扫描(ISCAN)单元203、逆离散余弦变换(IDCT)单元204、加法器205和运动补偿(MC)单元206。
解码单元201的每个部分使用合适的解码技术独立地解码各自的数据流以产生相应的输出数据流，合适的解码技术在本例子中是可变长度解码(VLD)。基本层流BL被VLD 0部分解码，而增强层流EL 1、EL 2和EL 3分别通过VLD 1、VLD 2和VLD 3部分被解码。
解码后的流被馈入编组单元202，其将流编组为一个单独的流。根据本发明，解码单元201的每个部分VLD 0、VLD 1、......解码若干完整的变换系数。由每个部分解码的变换系数形成变换系数总集合的子集(典型地是64)。编组单元202通过将由解码单元201的不同部分输出的变换系数编组来重构变换系数集合。逆扫描单元203随后执行逆扫描以将每个一维变换系数集合转换为二维集合。应当理解逆扫描单元203可以被结合在逆变换单元204中。
然后，逆变换(IDCT)单元204执行逆离散余弦变换以重构原始时域数据。在加法器205中，基于去运动向量MV执行运动补偿，该运动向量MV是基本层解码单元部分VLD 0提供给运动补偿(MC)单元206的。加法器205产生解码后的输出流(重构的信号)RS。输出流RS也被馈入到运动补偿单元206。
本发明的原理将参照图4-6被进一步的解释，图4说明变换系数A、B和C如何根据本发明被分配给子集。应当认识到变换系数A、B和C可以由图1的变换单元102输出。
在MPEG兼容的设备中，8×8(图画或其它)数据的集合或“块”被使用离散余弦变换而变换为8×8变换系数的集合或“块”。这种变换系数的块在图5和6中被图解地说明。在根据现有技术的块400’中，64个变换系数的每一个被分割成多个部分，每个部分包含若干个系数的比特。例如示出的变换系数457包括由三个最高有效比特(MSB)组成的第一部分491，由接下来的三个比特组成的第二部分492，由另外三个比特组成的第三部分493和由两个最低有效比特(LSB)组成的第四部分494。由于这是对块400’的全部变换系数所做的，块被分为相应于部分491-494的“片段”，每个片段包含每个变换系数的少量(在本例子中是两个或三个)比特。随后，这些片段被独立编码并发送。在接收端，这些“片段”被合并以重构变换系数。
虽然该已知配置由于在片段中许多变换部分将等于零，允许相对有效率的编码，但是它有缺点。最严重的缺点是如果任何片段在传输中损伤或丢失，变换系数的准确重构将变得不可能，因为块的所有变换系数中的一些比特被丢失。
本发明通过以不同方式分割变换系数的块来解决这个问题。变换系数不是每个都被分割为组成部分，而是根据它们的幅值(幅度)被分配给每个块的不同子集。以这种方式，每个子集包含它的系数的完整值(即，所有比特)。然而，每个子集只包含有限数目系数的值(除非所有系数基本上具有相同的值，在这种情况中它们都被分配给相同的子集)。结果，每个块仍然可以被分割成多个子集，其可以被用于产生可分级流，而一个子集的丢失将典型地不会导致所有变换系数受影响。
根据本发明8×8变换系数的集合或“块”在图6中被图解地示出。块400也由64个系数组成，然而其没有如图5中被分割成多个部分或片段。代替地，每个系数整个被分配给一个子集。在图6的例子中，集合400被分割为两个子集。系数401、402、409、419、421和426被分配给第一子集(在图6中由一个点表示)，而剩余的系数，包括系数457，被分配给第二个子集。将清楚看到第一个子集包含系数401、402、409、419、421和426的整个值，而第二个子集包含剩余系数的整个值。
将变换系数分配给子集的机制通过图1中的分配单元104执行，现在将参照图4解释该机制。具有不同幅值(幅度)的三个示例性变换系数A、B和C与阈值T1、T2和T3相比较。阈值定义等级或子集，最高阈值T1相应于图1中的流S0，其在编码后导致产生基本层流BL。应当理解流S0......S3包含相应的每个变换系数块的子集。
由于系数A超过了阈值T1，其被分配给流S0。系数B没有超过第一个阈值T1并因此与第二阈值T2相比较。由于它超过了第二阈值T2，系数B被分配给流S1，其在编码后导致产生第一增强层EL1。系数C没有超过任何阈值并被分配给流S3，其导致产生层EL3。
因此可以看到系数基于它们的幅值被分配给流(或子集)。在图4的例子中，具有最大幅值(即，超过最高阈值T1)的系数被分配给作为基本层BL编码的子集。这具有优势在于具有最大相对“权重”(即，在解码后对重构数据最大贡献)的变换系数在基本层被编码，剩余的较小系数在一个或多个增强层被编码。据此，如果增强层在传输期间丢失，对于解码、重构数据的影响是有限的。
应当理解阈值的数目不是本发明的实质，可以使用一个、两个、三个、四个、五个或更多阈值。阈值可以是静态的(例如预定的)或动态的(例如可调整的)。实施方式可以被设想为阈值响应于系数在子集上分布的程度而被动态地调整。例如，在子集上充分平均的系数分布可以通过适当地调整阈值而被提供。阈值可以被调整以具有相对于集合中最大变换系数幅值的特定值。阈值还可以基于人眼的特性。非固定阈值应当也被发送并可以被包括在导致产生基本层BL的流S0中。
本发明基于这样的看法：将变换系数分割为组成部分并将那些(已编码的)部分独立发送增加了对传输误差的脆弱性。本发明的益处在于这样的想法：基于它们的幅值建立变换系数集合的子集，并将(已编码的)系数的整个值发送是对于诸如图画数据的可分级数据的有效传输机制。
应当注意到在本文件中使用的任何术语将不被解释为限制本发明的范围。特别地，词语“包括”和“包括的”不意味着排除没有特意提到的任何元件。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或它们的等同物而代替。
虽然本发明已经参照视频(图画)数据而解释，但是本发明不限于此并还可以被用于编码音频数据。
因此本领域技术人员应当理解，本发明不限于上面提到的实施方式，可以作出许多更改和增加而不脱离在所附权利要求中所定义的发明范围。

Claims (18)

1.一种编码数据集合的方法，该方法包括步骤：
将每个数据集合变换为一个变换系数集合，
根据每个变换系数的幅值，将该每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
独立地编码每个子集。
2.根据权利要求1的方法，包括进一步的步骤：将每个变换系数的幅值与至少一个阈值相比较以选择变换系数要被分配的子集。
3.根据权利要求2的方法，包括进一步的步骤：在独立编码每个子集的步骤之前从每个变换系数中减去各自的阈值。
4.根据权利要求2的方法，包括进一步的步骤：动态地调整该至少一个阈值(T1，......)，例如以便在相关的子集上平均地分布变换系数。
5.根据权利要求1的方法，包括进一步的步骤：将每个子集的已编码变换系数合并入单个的已编码变换系数的流中。
6.根据权利要求2和5的方法，其中至少一个阈值(T1，......)与已编码变换系数合并。
7.根据权利要求1的方法，其中编码每个子集的步骤包括可变长度编码(VLC)或游程长度编码(RLC)。
8.根据权利要求1的方法，其中变换步骤包括数字余弦变换(DCT)或数字小波变换(DWT)。
9.根据权利要求1的方法，其中数据是图画数据。
10.一种用于编码数据集合的计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行指令，用于执行步骤：
将每个数据集合变换为一个变换系数集合，
根据每个变换系数的幅值，将该每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
独立地编码每个子集。
11.用于编码数据集合的设备(100)，该设备包括：
变换装置(102)，用于将每个数据集合变换为变换系数的集合，
分配装置(103)，用于根据变换系数的幅值，将每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
编码装置(105)，用于独立地编码每个子集。
12.根据权利要求11的设备，进一步包括运动估计装置(109)，用于导出运动向量(MV)。
13.用于代码转换数据集合的设备(150)，该设备包括：
解码装置(110)，用于解码数据集合，
分配装置(103)，用于根据变换系数的幅值，将每个变换系数分配给各自变换系数集合的单个子集，和
编码装置(105)，用于独立地编码每个子集。
14.根据权利要求13的设备，进一步包括逆量化装置(111)，用于逆向量化已解码数据集合。
15.一种解码设备(200)，用于解码由根据权利要求10的编码设备(100)或根据权利要求13的代码转换设备所编码的数据集合，该设备包括：
解码装置(201)，用于解码数据的子集，
编组装置(202)，用于将已解码数据子集编组为变换系数的集合，
逆变换装置(204)，用于逆向变换变换系数的集合。
16.根据权利要求15的设备，进一步包括运动补偿装置(206)。
17.一种便携消费者设备，诸如视频摄像机，包括根据权利要求10的编码设备(100)。
18.一种视频传输***，包括根据权利要求10的编码设备(100)和/或根据权利要求13的代码转换设备(150)和/或根据权利要求15的解码设备。
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