CN1132430C - 多重编码装置 - Google Patents

Abstract

一种多重编码装置包括多个以可变速率编码的编码器，一被从各编码器输入编码估测量的比特分配器，及一根据各编码器输出编码量向比特分配器输出分配比特总量的最大传输速率控制器，以决定各编码器的量化宽度，防止画面作为一个整体质量被破坏。

Description

多重编码装置

本发明涉及一种多重编码装置，用以对活动图像进行编码，比如采用压缩格式，并以恒定比特率输出。

美国专利USP 5,226,093提出了MPEG(Moving Picture Image CodingExperts Group)和MPEG2(Moving Picture Image Coding Experts GroupPhase2)，二者都是用活动补偿预测编码(Motion-compensative Predictivecoding)和DCT转换进行图像数据压缩编码的高效率编码***。在MPEG和MPEG2中，I图像、B图像和P图像按预定次序发送。对于I图像，视频数据经DCT转换和变字长编码后传送；对于B图像，当前帧或区域的差变数据以经过DCT转换和变字长编码后的格式发送；对于P图像，当前帧或区域与经活动补偿的先前帧或区域的变差数据以经DCT转换和变字长编码后的格式发送。在以MPEG或MPEG2方式传送数字视频信号时，为得到基本不变的传送速率，要进行常速率控制。这种获得恒定比特率的控制是通过以下方式实现的：将每一帧作为一个块，进行比特分配以确定每一块将要生成编码数量的目标值，然后根据该目标值对一个量化器进行控制。

图1显示了一个编码装置的方框图。通过输入端口101输入的当前图像数据输入到一个减法器102和一个活动检测器114。减法器102从当前图像数据中减去一个活动补偿器113的输出数据，减法器102的输出被一个二维DCT转换器103(比如8×8像素)转换。经DCT转换的图像数据被量化器104量化，然后输入到变字长编码器105和反量化器109。变字长编码器105根据数据出现的频度改变数据编码长度，经变字长编码的数据输入常速率缓冲器106。常速率缓冲器106以一常速率将经编码的数据送入输出端口107。常速率缓冲器106的输出同时也送入一个常速率控制器108，常速率控制器108确定量化器104的量化尺度。具体地讲，常速率控制器108通过对下一个按顺序将被编码的单位区域进行编码，从而初步分配得到将要输入常速率缓冲器106的数据比特数。为了与该分配得到的数据比特数相一致，常速率控制器108控制量化器104的量化宽度，结果经编码的数据以恒定比特率从常速率缓冲器106输出。

常速率控制器108的输出也输入反量化器109。输入到反量化器109的图像数据被一个反DCT转换器110按与量化器104所执行程序相反的程序进行反DCT转换。这一数据输入到一个加法器111与从活动补偿器113输入到加法器111的参考帧预测图像数据相加。加法器111的输出数据输入帧存器112，从帧存器112输出的参考帧图像数据输入到活动补偿器113和活动检测器114。

在从输入端口101输入的当前图像数据和帧存器112输入的参考帧图像数据基础上，活动检测器114得到图像的活动矢量，并将检测输出输入给活动补偿器113。活动补偿器113以活动检测器114的检测输出和帧存器112的参考帧图像数据为基础，进行活动补偿预测，从活动补偿器113输出的预测图像数据输入到减法器102和加法器111。

当要在一个图像显示平面上同时显示多个子图像时(如画中画显示、多画面显示或类似其它显示形式)，需要用到多个这种编码装置。图2显示了一个编码***，包括相应于n个图像输入数据的编码器、接收从各个编码器输入的编码数据的常速率缓冲器、根据常速率缓冲器的输出对各个相应编码进行量化宽度控制的常速率控制器、以及一个接收多个常速率缓冲器输出的多路信号混合器、图2中的每个编码器都包括一DCT转换器、量化器、或其它类似器件，按上述的方式进行量化或其它对活动补偿数据的处理工作。

n个输入数据输入至相应的编码器115a到115n并被编码，经编码器115a至115n处理后的编码数据输入相应的常速率缓冲器106a至106n。常速率缓冲器106a至106n以常速率输出编码数据，并将该输出数据输入到相应的常速率控制器108a至108n。常速率控制器108a至108n给将从各个编码器115a至115n输入到相应常速率缓冲器106a至106n的下一个编码区域单元分配适当的数据比特数，该常速率控制器108a至108n根据这些分配的数据比特数向编码器115a至115n提供控制信号，以控制量化的宽度。所以，各个通道的数据以常速率从各个常速率缓冲器115a至115n输出。

在通过MPEG和MPEG2传输数字视频信号时，为保持一个基本恒定的传输速率要进行常速率控制。建立恒定比特率的控制一般通过将一帧图像取为一个块，进行比特分配以决定将要产生的针对每一块的编码量的目标值，然后根据目标值对量化器进行控制而实现的。

亦即是说，如图3显示的常规***，编码后的视频信号输入一输出缓冲器121。输出缓冲器121缓冲器容量的数据和顺序生成的编码的量的数据输入到量化控制器122。比特率、编码模式和从实际编码操作中得到的各种过去数据输入比特分配器123。根据这些数据如比特率、编码模式及从实际编码操作中获得的过去数据，比特分配器123确定下一个顺序编码块将要生成编码量的目标值，并分配合适的编码数量。比特分配器123的输出输入到量化控制器122。量化控制器122根据以下的数据对量化器进行控制：从缓冲器121送出的以显示缓冲器的占用量的数据、一个块中的顺序生成的编码量数据；以及由比特分配器123送出以给出整个块比特数的数据。这样实现了恒定比特率的控制。

正如以上所解释的，各个通路的编码数据以常速率输出。亦即是，各个通路的混合输出编码数据以不超出传输通路最大容量的常速率输出。在传输复合编码数据时，即使各个分画面在某一时刻数据量不同，每一通路也按恒定比特率以量化形式输出数据。因此，这些数据经信号混合后被输出。而根据它们的比特率的不同，将要再现的分画面质量也不同。比如，假定经过信号混合后的所有的分画面大小相同，如果所有这些被混合分画面的通路具有一相同的输出速率，且各通路预编码数据量不同，则各分画面量化数据的减少量将不同。这样就不可能在整个画面平面上使再现的各分画面具有统一的主体质量。此外，如果各分画面平均信息量不同，由于量化器减少编码量的作用，在各分画面之间存在很大的信息减少量差别，从而引起再现分画面图像主体质量的不平衡，这些在各分画面之间图像主体质量上的差别易于降低整个画面的质量。

考虑到上述讨论的问题，本发明的目的在于提供一种多重编码装置，该装置能以相互不同且独立的速率对输入数据进行量化，从而避免对图像质量的破坏。

为实现上述目的，本发明提供一种多重编码装置，包括：多个可以可变速率对输入数据进行编码的编码器；一个比特分配器，从各所述编码器输出的估测数量的编码输入该比特分配器；一个最大传输速率控制器，该控制器根据所述各编码器输出的编码量向比特分配器提供一个比特的整体分配量，其中，根据估测编码量和比特分配量，所述比特分配器控制相应各编码器。

输入数据被可变速率编码器编码，可变速率编码器中的一个向比特分配器4提供一预估的编码量，每个可变速率编码器输出的编码数量输入到最大传输速率控制器，该最大传输速率控制器根据输入编码的数量决定所有通路的比特分配量。该比特分配量输入到比特分配器，以根据编码预估量和全部编码的量计算分配给各个可变速率编码器输入比特的量。

通过预估未来几个块将要产生编码的量并使用该预估编码量，进行下一个比特分配，所以比特分配总是与时时变化的未来块的图像性质相一致。

根据本发明，通过以可变速率从各个通路输出编码数据，并限制将各通路输出混合后总输出的最大量，可以实现各通路信息减少量平衡的多画面传输。因此，可以减少各再现分画面之间主体质量的差别，避免整个画面质量的破坏。

根据本发明，通过估测未来多个块将要生成编码的量，可以进行下一个比特分配。因此，比特分配与时时变化的未来块的图像性质相一致。例如，当从一个信息量相对较少的画面切换到一个信息量相对较大的画面时，只使用现行数据的现有比特分配方法会暂时造成图像质量的破坏，这是因为在画面切换后短时间内的比特分配量太少。然而本发明通过从估测过的块的估测比特数量中挑出最合适的比特数量分配给画面，从而能够避免这种画面质量的暂时破坏。

以下结合附图对本发明的详细描述，将使本发明上述以及其它目的、特征及优点更加明显。

图1是一种现有编码装置的方框图；

图2是一种现有多重编码装置的方框图；

图3是一种现有编码装置的方框图；

图4是根据本发明的一种多重编码装置的方框图；

图5是更详细显示一个变速率编码器的方框图；

图6是更详细显示一个比特分配器的方框图；

图7是使用根据本发明的多重编码装置的多画面传输***的方框图；

图8是所述多画面传输***改进型的方框图；

图9是将一个图像平面分成几个分画面的示意图；

图10是本发明一个实施例的方框图；

图11是显示所述本发明实施例中比特分配器设置的方框图。

以下结合附图对本发明一个实施例的多重编码装置进行说明。图4是根据本发明一种多重编码装置的方框图，该多重编码器包括：n个可变速率编码器1a至1n，n个输入数据相应输入n个编码器；一多路混合器2，从所述可变速率编码器1a至1n输出的编码数据输入该多路混合器；一最大传输速率控制器3，所述多路混合器2混合的复合数据输入该最大传输速率控制器；一比特分配器4，所述最大传输速率控制器3输出的比特分配量及所述可变速率编码器1a至1n输出编码的估测量输入该比特分配器。所述比特分配器4根据输入的数据向各可变速率编码器1a至1n输出比特分配量。其中，假定从每个可变速率编码器1a至1n的输入数据中减去了活动补偿器的输出数据，并且其结果也被编码。

每个可变速率编码器1a至1n对图像数据进行编码处理，然后按以可变速率编码后的数据形式输入多路混合器2。通过多路混合器2输出的数据输入最大传输速率控制器3，最大传输速率控制器3根据全部编码总量向下一个编码单位区域的全部通路分配一个比特的数量，其中全部编码总量是指在一个单位区域中从各通路输入的编码数量的总和。这样，防止了比特分配量超出了传输通路预定最大能力。从可变速率编码器1a至1n输入的估测编码量及从最大传输速率控制器3输出的全部通路比特分配总量也输入到比特分配器4。比特分配器4根据这些数据向各可变速率编码器1a至1n输出比特分配量。

图5是更详细地显示一个所述可变速率编码器的方框图。输入数据输入到一编码量估测器11和一帧存器12。编码量估测器11计算输入数据的平均信息量，并在给定一公共量化宽度后计算每个编码单位区域中生成编码的量，从而预估输入数据的估测编码量。编码量估测器11的输出输入到比特分配器4。

另一方面，为使编码量估测器11有时间估测编码的量，数据在帧存器12中被延时了一帧的时间，编码器13输入从帧存器12输出的数据并进行编码。同时，下一编码单位区域所有通路的比特分配总量从比特分配器4输入到一可变速率控制器14，比特分配总量被当作一编码器13的输出目标值，可变速率控制器14根据比特分配总量输出控制数据，以使所述编码器13改变量化宽度。以此方式，控制器14控制编码器13以恒定比特率输出编码数据。

图6是更详细地显示比特分配4器的方框图。比特分配器4包括一计算编码生成速率的比率计算器15和一比特分配计算器16。从各编码量估测器11输出的估测编码量输入比率计算器15，比率计算器15根据估测编码量计算编码生成速率，编码生成速率表示与所有通路生成编码总量相关的各通路编码生成量。此外，编码生成比率作为各个通路的比率进行计算，以根据这些比率进行比特分配。比率计算器15的计算结果输出到比特分配计算器16，比特分配计算器16被输入从最大传输速率控制器3输出的全部通路比特分配总量，并根据比率计算器15的计算输出和所述比特分配总量进行预定的计算，结果得到分给各通路的比特分配量，这些比特分配量输出到各可变速率控制器14。

图7显示了使用图4所示多重编码装置的一种多画面传输***。如果通路数量及全部通路的最大通路容量在多画面传输***中被预置，各通路的比特输出速率则不绝对确定。从各个通路输入的多个复合数据17a至17n被输入到一多重编码装置18，多重编码装置18进行上述过程。亦即是，所述装置18先估测各通路将生成编码的量，然后通过基于编码估测量的计算确定各通路将要生成比特的比率，此后根据所述比特比率计算各通路可变速率控制器的分配比特。于是能够获得在整个图像平面上一致的主体图像质量，并保持高的图像质量。

图8是图7所示多画面传输***的改进型的方框图。如图8所示，将一个单独图像平面平均划分而成的多个分画面的输入数据19a至19n输入一多重编码装置20。在此例中，完整的图像平面被分成4等份，如图9所示，图8中的输入数据19a至19n则相应于4个输入数据23a至23d。多重编码装置进行上述解释的过程。多重编码装置20输出的编码数据输入到常速率缓冲器21。从一常速率控制器22输出的控制数据输入到常速率缓冲器21以限制从多重编码装置20输出到传输线的最大编码数据量。在此方式下，通过用常速率控制器22对常速率缓冲器21的缓冲容量进行管理，缓冲器的占用量能被压缩在一预定范围之内，并且可以实现以恒定比特率输出。正如上面所解释的，因为各分画面的图像可被以可变速率编码，图像就可以恒定比特率传输，各分图像之间图像质量的差别也可以减少。

以下参考附图对本发明一个实施例进行描述，图10显示了本发明的该实施例。图10中，从输入端口31输入的视频信号输入到一存储器32及一编码量估测器33，存储器32存储未来n个顺序编码区块的视频数据(每一块区相应于一个画面)。编码量估测器31估测未来n个区块的图像数据经编码后的编码量。

存储器32的输出输入到编码器34，编码器34通过活动补偿预测编码和DCT转换将视频数据编码成压缩形式。编码模式包括I图像模式、B图像模式和P图像模式。在I图像模式下，视频数据在一帧区域里进行DCT转换；在B图像模式下，当前帧或区域与活动补偿的前帧或区域及后帧或区域之间的差变数据进行DCT转换；在P图像模式下，当前帧或区域与活动补偿的前帧或区域之间的差变数据进行DCT转换。

编码器34的输出输入到一量化器35，量化器35的量化宽度由量化控制器36控制，这一点下文将作解释。量化器35的输出输入到一输出缓冲器37，输出数据由输出缓冲器37控制以常速率输出。输出缓冲器37的输出通过输出端口38输出。

编码量估测器33对未来n个块视频数据的编码量进行估测。亦即是，由于从输入端口31输入的视频数据通过n个区块的存储器32输入到编码器，编码量估测器33所估测的是顺序紧随当前编码块的未来n个区块所要生成的编码量。编码量估测器33的输出输入到一区块划分器40，区块划分器40将编码量划分给各个区块。这些各个区块编码量的估测值输入到比特分配器41。

指示比特率的数据和指示编码模式的数据输入到比特分配器41，从输出缓冲器输出的时时生成的编码量的数据也输入比特分配器41，未来n个区块将要生成编码的量也还要输入到比特分配器41。根据比特率、编码模式以及未来n个区块编码估测量，比特分配器41向将被顺序编码的区块分配比特的数量。

比特分配器41的输出输入到量化控制器36，量化控制器36根据比特分配器41输出的比特分配来确定量化器35量化的宽度，并确定一恒定速率。

图11显示了比特分配器41的具体布置。在图11中，数字51表示n个区块的一个比特分配器。该n个区块的比特分配器51根据比特率、编码模式及过去各块所生成编码的量来确定n个块所要生成编码的一个可接受的量。n个区块比特分配器51之后的一个编码区块分配器52根据未来n个区块将要生成编码的估测量以及后续区块的编码模式确定怎样将由n个区块比特分配器51获得的n个块的比特划分给后续块，并进行适当的比特分配。

具体讲，n个图像传输数据的初始比特数R[O]由下式给出：

    R[O}＝Bit Rate×n/PRATE             (1)

其中，Bit Rate是已知比特率，PRATE是单位时间画面数。

例如，如果以20Mbps的传输速率每秒输出30帧画面，则传输15帧画面数据的初始比特数R[O]为：

    R[O]＝20000000×15/30＝10000000bits

如果n帧画面中具有I编码模式的帧数为1，具有P编码模式的帧数为P，则具有B编码模式的帧数为：

    b＝n-1-p

假定分配给图像I、P、B的比特的比率为：

    g[I]∶g[P]∶g[B]

根据编码模式，在t时刻n个画面的分配比特数R[t]对每一画面通过下式更新：

    R[t]＝R[t-1]-s-g[type]/(g[I]+g[P]×P+g[B]×(n-p-1))  (2)

其中，s是用于一帧的由立即处理编码过程处理且生成编码的量，“type”是I、P或B。例如，如果

    g[I]∶g[P]∶g[B]＝4∶2∶1

则15帧画面在t时刻时修改后的比特数R[t]公式为：

    R[t]＝R[t-1]-s+4/21×R[O]

        ＝R[t-1]-s+1904762[bits](type＝I)

    R[t]＝R[t-1]-s+2/21×R[O]

        ＝R[t-1]-s+952380[bits](type＝P)

    R[t]＝R[t-1]-s+1/21×R[O]

        ＝R[t-1]-s+476190[bits](type＝B)

n个块比特分配器51根据公式(1)和(2)工作。

在此以后，通过n个图像的估测量EBit[1]、EBit[2]、.......EBit[n]对后续图像进行比特分配。例如，由于下一个编码图像的估测编码量为EBit[1]，所以可以通过得到EBit[1]在全部n个图像中的比率并将其与从分式(2)得到的R(t)相乘，从而确定下一个图像的比特分配。但是，应该注意，编码估测量EBit[1]、EBit[2]......EBit[n]要通过与各预测模式预定的权重系数相乘来进行修正。亦即是，下一图像的比特分配量ABit为：

ABit[t]

＝R[t]×(K1×EBit[1])/(K1×EBit[1]+......+Kn×EBit[n])(3)

其中，K1......Kn是各预测模式预定的权重系数。n个区块比特分配器51根据公式(3)工作。

如上所述，比特分配器51通过使用紧随当前编码块的后续块进行编码分配，以此为基础，确定量化器35的量化宽度。

以上参考附图，描述了本发明的具体优选实施例，但是应该认为，本发明并不仅限于这些具体实施例，在不超出本发明权利要求范围或精神的情况下，任何熟悉该项技术的人都可作出更动和润饰。

Claims (6)

1、一种多重编码装置，其包括：

多个以可变速率对输入数据进行编码的编码器；

一比特分配器，从各所述编码器输出的编码估测量输入该比特分配器；

一根据从各所述编码器输出的所述编码量向所述比特分配器输出一个比特分配总量的最大传输速率控制器，

所述比特分配器根据所述编码估测量和所述比特分配量控制各所述编码器。

2、根据权利要求1所述的多重编码装置，其特征在于，所述输入数据来自多个通路，并要同时在一个画面上显示。

3、根据权利要求2所述的多重编码装置，其特征在于，所述比特分配器包括一被输入编码估测量并计算编码生成速率的比率计算器。

4、根据权利要求3所述的多重编码装置，其特征在于，所述比特分配器包括一根据所述比率计算器输出的所述编码生成的速率来计算比特的分配量的比特分配计算器。

5、根据权利要求4所述的多重编码装置，其特征在于，所述多个编码器各自包括一帧存器和一编码量估测器，所述帧存器根据所述编码器估测编码量所需时间来输出数据。

6、根据权利要求5所述的多重编码装置，其特征在于，所述多个编码器分别将编码数据输入一多路混合器，所述来自多个通路的数据在与所述多路混合器相联的一显像平面上作为分画面显示。

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