CN1178513C - 运动图像编码装置以及运动图像编码方法 - Google Patents

运动图像编码装置以及运动图像编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种运运动图像编码装置以及运运动图像编码方法，用于在要编码的VOP和参照VOP的相关性较低时，防止作为VOP全体的符号量增加。其中编码单元10，可以采用帧内编码以及帧间编码进行运动图像压缩处理，根据来自发生符号量控制单元50的指示，按照某种运动图像压缩，把输入的VOP分割成MB并实施编码处理。发生符号量计数器30，计数所生成的比特流的符号量。量化比例平均值计算单元40，累计从发生符号量控制单元50指示的量化比例，算出每一VOP的量化比例的平均值。发生符号量控制单元50，根据上述发生符号量、上述量化比例的平均值、帧跳过数，把在编码单元10中的编码切换控制为帧内编码。

Description

运动图像编码装置以及运动图像编码方法
                      技术领域
本发明涉及例如将通过有线通信和无线通信传送的运动图像数据进行编码的运动图像编码装置以及运动图像编码方法。
                      背景技术
在本发明中所谓的运动图像编码装置，是使用ITU-T(国际电信联盟-电信标准部)推荐H.26x或ISO/IEC标准MPEG中具有代表性的运动图像编码方式，即，使用运动补偿和正交变换(例如，离散余弦变换)等，以帧为单位进行编码的装置。
ITU-T推荐H.26x和ISO/IEC标准MPEG中具有代表性的运动图像编码方式，一般对输入的影像信号，用空间性·时间性相关关系进行压缩。而后，以该经压缩得到的数据为基础，按照规定的顺序进一步进行可变长编码，生成比特流。
以下，说明在MPEG-4中的运动图像编码方式。
影像信号由多个视频对象平面：VOP(视频对象平面)构成。当VOP是矩形的情况下，相当于MPEG-1、2中的帧以及场，用VOP单位的空间性·时间性相关关系进行压缩。
VOP具有亮度信号和色差信号，由多个宏块：MB(宏块)组成。MB，对于亮度信号由纵横16象素构成，以此MB为单位进行空间性压缩、时间性压缩。
在空间性压缩中，使用离散余弦变换：DCT和量化，在时间性压缩中使用运动补偿：MC。
在此，在VOP单位的压缩方法中，有只用空间性压缩进行编码的帧内编码；使用空间性压缩和时间性压缩进行编码的帧间编码。
一般，把被帧内编码的VOP称为I(帧内)-VOP。另外，在被帧间编码的VOP中，把作为参照VOP，只使用在时间上在前面编码的VOP进行MC，这样被编码的VOP称为P(预测)-VOP，把作为参照VOP，用在时间上前后被编码的VOP进行双向的MC，这样被编码的VOP称为B(双向预测)-VOP。
其中所谓的参照VOP是指，在过去作为I-VOP或者P-VOP被编码，为了在帧间编码中使用而被译码的VOP中，对于现在要编码的VOP在时间上相邻的至多2个VOP。
进而，被包含在I-VOP中的MB必须全部用帧内编码进行编码，而被包含在P-VOP以及B-VOP中的MB可以用帧内编码、帧间编码之一进行编码。
在ISO/IEC JTC1/SC29/WG11的MPEG-4视频验证模型版本6.0中的MB的编码的帧内模式/帧间模式判定中，对于被包含在MB中各象素的亮度值，在和MB内全部象素的平均值的差分值中，在绝对值的总和A和MC误差SAD满足以下条件时，在该MB中使用帧内编码。
A＜SAD-2×NB
在此，NB是包含在VOP中的MB内的象素数。
以下，说明以MB为单位的编码处理。
当包含要编码的MB的VOP是I-VOP的情况下，把亮度信号相对色差信号进行DCT和量化，把由此得到的被量化的DCT系数采用可变长编码压缩，和标题信息一同按照规定的顺序制成比特流。
另一方面，当包含要编码的MB的VOP是I-VOP的情况下，相对要编码的MB的VOP，把时间上相邻接被编码的VOP作为参照VOP，用在信息组匹配中有代表性的运动检测方法，求出和要编码的MB的亮度信号中的差分值(MC误差)最小的参照VOP上的MB。
把表示从要编码的MB到MC误差变为最小的MB的运动的矢量称为运动矢量。
而后，对MC误差进行DCT和量化。用可变长编码，把对在此得到的运动矢量和亮度信号和色差信号的MC进行了量化的DCT系数进行压缩，和标题信息一同按照规定的顺序制成比特流。
运动图像编码装置，必须输出根据规定的编码参数指定的符号量的比特流。进而对于译码器一方的缓冲存储器，必须在编码器一方估计译码器一方的缓冲存储器的占有量，控制发生符号量，使得不产生上溢和下溢。
把该缓冲存储器叫做虚拟缓冲存储器验证器：VBV(视频缓冲验证器)缓冲存储器。
VBV缓冲存储器的容量，在MPEG-4中根据简档和级别确定上限值。
发生符号量对帧的每一MB进行DCT，用为了量化而使用的量化比例，控制得到的DCT系数。
一般发生符号量和量化比例成反比例关系。用此性质可以使发生符号量自动地变化。
另外，一般因为量化比例有限制，所以只用量化比例不可能控制发生符号量。因而，在发生符号量比对象值多的情况下，帧跳过数大，在少量的情况下进行填充。
通过增加帧跳过数，使帧的编码定时延迟，可以防止VBV缓冲存储器的下溢。另外反之，如果***填充这种冗长的位，则可以防止VBV缓冲存储器的下溢。
另外，在运动量多的场景持续的时间比较长的情况下，为了防止VBV缓冲存储器的下溢，必须增大帧跳过数，而如果使帧跳过数增大，则和在MC中使用的参照VOP的关系降低。
特别是在运动激烈的场景中，图像中的物体移动到运动补偿对象外的区域的可能性高，在这种状态下，如果在相关低的VOP之间使用预测编码，则运动矢量大，MC误差也增大。
运动矢量，是编码与从相邻的MB(或者块)的运动矢量中得到的运动矢量的预测值的差分值的矢量。一般相邻的MB或者块的运动矢量，相同或者接近的多，分配有与上述差分值成比例的字符串。
另外，如上所述，帧间编码VOP的MB，不只是用帧间编码，也可以用帧内编码，在上述那样相关低的VOP间的预测中，被帧内编码的MB比较多。
从以上可知，当要编码的VOP和参照VOP之间的相关高时，因为上述运动矢量的差分值和MC误差小，所以被帧间编码的VOP的发生符号量，与进行帧内编码的情况相比大幅度减少。
因此，在以往的运动图像编码装置中，在要编码的VOP和参照VOP的相关高时，帧间编码VOP。
另一方面，在帧跳过数大，要编码的VOP和参照VOP的相关低时，根据上述MB的编码的帧内方式/相互方式判定，进行帧内编码的MB比较多。这时，因为被帧内编码的MB和被帧间编码的MB存在无秩序混合存在的倾向，所以帧间编码MB中的上述运动矢量预测值增大，符号量增加。加之，因为MC误差也比较大，所以存在作为VOP的全体符号量增加的问题。
如果符号量这样增加，则陷入帧跳过数进一步增加的恶性循环，使效率很低。
在以往的运动图像编码装置中，当进行帧间编码的情况下，在要编码的VOP和参照VOP之间的相关低时，因为以MB为单位进行帧内编码，所以存在作为VOP全体的符号量增加的问题。
                      发明内容
本发明，就是为了解决上述的问题而提出的，其目的在于提供一种运动图像编码装置，它在要编码的VOP和参照VOP之间的相关低时，也可以防止增加作为VOP全体的符号量。
本发明提供一种运动图像编码装置，用于编码运动图像，其特征在于具备：跳过数控制装置，用于控制成为编码对象的帧间的跳过数；量化比例控制装置，控制表示量化的程度的量化比例；编码装置，有选择地使用帧间编码和帧内编码，根据上述量化比例和上述跳过数进行运动图像的编码；符号量检测装置，求出在该编码装置中编码的帧的符号量；编码设定装置，控制上述量化比例控制装置和上述符号量检测装置，求出在用上述帧间编码以及帧内编码分别进行编码时的量化比例和符号量，当上述跳过数大于等于预先设定的第1值的情况下，根据各编码的量化比例和符号量，把在上述编码装置中实施的编码设定为帧内编码。
本发明提供一种运动图像编码方法，用于编码运动图像，其特征在于具备：跳过数控制步骤，控制成为编码对象的帧间的跳过数；量化比例控制步骤，控制表示量化程度的量化比例；编码步骤，有选择地使用帧间编码和帧内编码，根据上述量化比例和上述跳过数进行运动图像的编码；符号量检测步骤，求出在该编码步骤中编码的帧的符号量；编码设定步骤，当上述跳过数大于等于预先设定的第1值的情况下，根据各编码的量化比例和符号量，把在上述编码步骤中实施的编码设定为帧内编码。
因而，如果采用上述构成的运动图像编码装置，则跳过数增大时，对应在各编码中的量化比例和符号量，可以把在编码装置中实施的编码设定为帧内编码，所以可以防止如以往那样的，即，使用帧间编码进行编码，使用许多帧内编码MB，从而使得运动预测的精度降低，符号量增加的问题。
                         附图说明
图1是展示涉及本发明的运动图像编码装置的一实施方案的构成的电路方框图。
图2是展示图1所示的运动图像编码装置的信号处理部分的构成的电路方框图。
图3是用于说明图1所示的运动图像编码装置的编码切换控制的流程图。
图4是用于说明图1所示的运动图像编码装置的编码切换控制的流程图。
                       具体实施方式
以下，参照画面，说明本发明的一实施方案。
图1是展示涉及本发明的运动图像编码装置一实施方案的构成的电路方框图。
运动图像编码装置具备：编码单元10、发送缓冲存储器20、发生符号量计数器30、量化比例平均值计算单元40、发生符号量控制单元50、装置控制单元1000。
装置控制单元1000，由微处理器组成，总控制上述的各单元，例如进行输入到该运动图像编码装置中的图像信号(VOP)的输入控制、通过该运动图像编码装置的编码处理而生成的比特流的输出控制等。
在此，在比特流的输出控制中，进行成为对象的发生符号量(以下，称为对象比特流)和成为对象的帧速率设定、速率控制和容错性等的编码模式的设定等。
编码单元10，可以采用帧内编码以及帧间编码进行运动图像压缩处理，是对应来自后述的发生符号量控制单元50的指示，根据上述某一种运动图像压缩，把输入的VOP分割成MB，实施编码处理的单元，具备帧存储器100、信号处理单元200，以及可变长编码器(VLC)300。
进而，在这里所说的运动图像压缩，例如，是ISO/IEC标准的MPEG-4和ITU-T推荐的H.263，或者变更它们的压缩。
帧存储器100，暂时存储输入的VOP，当从发生符号量控制单元50指示跳过数的情况下，根据该值跳过输出存储着的VOP。
信号处理单元200，按照来自发生符号量控制单元50的指示，以MB为单位采用帧内编码或者帧间编码，压缩处理从帧存储器100输出的VOP，求出宏块信息(DCT系数，运动矢量)。
图2是展示信号处理单元200的构成的图。
切换开关201，把从帧存储器100输出的VOP，按照从发生符号量控制单元50指示的编码类型，有选择地输出到第1输出端子或者第2输出端子，当从发生符号量控制单元50发出指示要求帧间编码的情况下，把上述VOP输出到第1输出端子，另一方面，当上述指示要求帧内编码时，把上述VOP输出到第2输出端子。
被输出到第1输出端子的VOP，被输出到运动检测电路202和减法器203，另一方面，被输出到第2输出端子的VOP，被输出到离散余弦变换电路(DCT)204。
运动检测电路202，根据从后述的存储器208输出的，在1个采样前成为编码对象的VOP，和从切换开关201输入的VOP，求出MB为单位的运动矢量，把它输出到后段的可变长编码器300和减法器203。
减法器203，求出从切换开关201输入的VOP的MB与在运动检测电路202中求出的以运动矢量表示的参照VOP上的MB之间的差，输出到离散余弦变换电路204。
离散余弦变换电路204，对于输入的信号，实施离散余弦变换，把该变换结果输出到量化电路205。
量化电路205，用从发生符号量控制单元50指示的量化比例，量化离散余弦变换电路204的变换结果，得到DCT系数。该DCT系数，被输出到后段的可变长编码器300和反量化电路206。
上述DCT系数，被反量化。而后，在反余弦变换电路207中反余弦变换该被反量化的系数，作为参照VOP暂时存储存储器208，并输出到运动检测电路202。
可变长编码器300，把在信号处理单元200中求得的宏块信息(DCT系数，运动矢量)，按照规定的语法通过可变长编码压缩，和标题信息一同按照规定的顺序制成比特流。
另外，当从发生符号量控制单元50指示填充位数的情况下，按照规定的语法，进行与上述位数对应的填充。
上述比特流，被输出到发送缓冲存储器20和发生符号量计数器单元30。
发送缓冲存储器20，暂时存储上述比特流，根据由装置控制单元1000设定的对象比特流，输出该被此存储着的比特流。
发生符号量计数器30，计数在编码单元10中生成的比特流的符号量，把该计数值通知发生符号量控制单元50。
量化比例平均值计算单元40，累计从发生符号量控制单元50指示的量化比例，算出每一VOP的量化比例的平均值，通知发生符号量控制单元50。
发生符号量控制单元50，根据从发生符号量计数器30通知的发生符号量、从量化比例平均值计算单元40通知的量化比例的平均值、在发生符号量控制单元50中求得的VBV缓冲存储器的占有量，求出在下一个要编码的VOP之前的帧跳过数以及在上述VOP中的编码类型和量化比例、填充位数等，把它们输出到编码单元10。
进而，可以在发生符号量控制单元50根据自发生符号量计数器30的发生符号量、来自装置控制单元1000的对象比特流、从编码处理开始时间，算出VBV缓冲存储器的占有量。
另外，发生符号量控制单元50，根据上述发生符号量、上述量化比例的平均值、帧跳过数，把编码单元10中的编码切换控制为帧内编码。
以下，说明上述构成的运动图像编码装置的动作。
进而，在该运动图像编码装置中，也进行量化比例的控制、帧跳过数的控制，以及填充，使得和以往一样满足VBV缓冲存储器的限制，而在以下省略这些控制的说明。
下面，说明涉及此发明的在编码单元10中的编码处理的切换控制。该控制由发生符号量控制单元50进行。图3是用于说明上述切换控制的流程图，在该装置起动后，至停止之前反复执行。
首先，在步骤3a中，例如根据和以往同样的基准，确定编码方法，把指示送到编码单元10，实施由此确定的编码处理，而后移至步骤3b。由此，编码单元10，用上述确定的编码方法开始编码处理。
在步骤3b中，监视是否接收到结束该装置运行的指示。在此，当接收到了结束该装置运行的指示的情况下，结束该处理，另一方面，当未接收到上述指示的情况下，继续进行目前的编码处理，移至步骤3c。
在步骤3c中，求出由发生符号量计数器30通知的发生符号量S，和由量化比例平均值计算单元40通知的量化比例的平均值Q的积X。
进而，该值X，是作为ISO/IEC标准的Vide0 Codec Test ModelVersion5(TM5)的global complexity measure通知的值。
在此，设I-VOP的发生符号量为Si，设量化比例的平均值为Qi，设两者的积为Xi。同样，设P-VOP的发生符号量为Sp，设量化比例的平均值为Qp，设两者的积为Xp。
即，在步骤3c中，求出在此时刻进行的编码的X(Xi、…或者Xp)的值，发生符号量控制单元50，存储其最新值，移至步骤3d。但是，发生符号量控制单元50，在每次编码时存储X的最新值。
在步骤3d中，判定以下进行的编码处理是否是帧内编码。在此，当是帧内编码的情况下移至步骤3a，当不是的情况下，移至步骤3e。
在步骤3e中，判定帧跳过数是否大于等于预先设定的值。在此，当帧跳过数大于等于预先设定的值的情况下，移至步骤3f，另一方面，当帧跳过数未达到预先设定的值的情况下，移至步骤3a。
在步骤3f中，求出存储的Xp和Xi的比(Xp/Xi)，判定该比是否比规定值α(＞0)大。在此，当Xp/Xi比规定值α大的情况下，移至步骤3g，另一方面，当Xp/Xi小于等于规定值α的情况下，移至步骤3a。
在步骤3g中，对编码单元10，发出指示，使其执行帧内编码处理，之后移至步骤3b。由此，编码单元10，开始帧内编码处理。
如上所述，在上述构成的运动图像编码装置中，在每次编码中，存储编码符号量S和量化比例的平均值Q的积X(Xi，Xp)的最新值，当帧跳过数大于等于规定值进行帧间编码的情况下，如果Xp/Xi＞α，则代替现在进行的帧间编码，进行帧内编码。
即，在上述构成的运动图像编码装置中，如果帧跳过数增大，VOP间的相关降低，则确认进行帧内编码时的发生符号量S和量化比例Q的积比帧间编码时的小，代替帧间编码进行帧内编码。
因此，可以防止如以往那样继续进行帧间编码，由于使用很多帧内编码MB，运动预测的精度下降引起的符号量增大。
因而，如果采用上述构成的运动图像编码装置，则即使帧跳过数增大，VOP间的相关降低，也可以防止作为VOP全体的符号量增大，而且，可以减少帧跳过数，提高编码效率，采用帧内编码的容错性也提高。
进而，本发明并不限于上述实施方案。
本发明的特征在于，在每次进行不同的编码时，求出发生符号量S和量化比例的平均值Q的积X并进行比较，进行使积X小的编码，如果采用基于该特征的构成，则可以有各种变形。
例如，虽然假设α是常数，但考虑到因帧跳过数不同，VOP间的相关也会变化，如下式所示，也可以把α设置成与帧跳过数有关的值。
α＝f(frameSkip(t))
其中t表示时间，frameSkip(t)表示在时刻t的VOP中的帧跳过数。
另外，虽然作为帧跳过数只使用在时间上紧靠此前被编码的VOP的帧跳过数，但如下式所示，也可以进一步用过去的帧跳过数确定α。
α＝(frameSkip(t)，frameSkip(t-t0))
进而，在上述实施方案中，虽然以编码单元10在帧间编码和帧内编码中，选择其中一种实施为例进行了说明，但并不限于此，也可以适用于进行双向预测编码的情况。
这种情况下，对于图3所示的处理，如图4所示加上步骤3h、3i。
在图4所示的处理中，在步骤3e中，判定帧跳过数是否在预先设定的值以上，当帧跳过数在预先设定的值以上的情况下，移至步骤3h，另一方面，在帧跳过数未到预先设定的值的情况下，移至步骤3a。
在步骤3h中，判定以下进行的编码处理是否是帧间编码。在此，当是帧间编码的情况下移至步骤3f，在不是的情况下移至步骤3i。
在此，设B-VOP的发生符号量为Sb，设量化比例的平均值为Qb，设两者的积为Xb。
在步骤3i中，求出存储的Xb和Xi的比(Xb/Xi)，判定该比是否比规定值α(＞0)大。在此，当Xb/Xi比规定值α大的情况下，移至步骤3g，另一方面，当Xb/Xi小于等于规定值α的情况下，移至步骤3a。
如果采用上述的处理，则在进行双向预测编码处理时，如果确认帧跳过数变大，VOP间的相关降低，进行帧内编码的情况下的发生符号量S和量化比例的平均值Q的积与双向预测编码情况下相比较小，则代替双向预测编码进行帧内符号编码，所以可以防止如以往那样继续进行双向预测编码而使用许多帧内编码MB的问题。
进而，在上述实施方案中，发生符号量控制单元50，在每次编码时，存储发生符号量S和量化比例的平均值Q的积的最新值，并比较它们，但也可以代替它们，例如同时实施多次编码，在每次编码时，求出相对同样的VOP的积X，比较它们从而切换控制编码。
另外，图1所示的各部分，也可以分别由硬件构成，但使用高速微处理器和存储软件的存储器，通过发挥各部分的功能也可以实现。
另外，在不脱离本发明的精神的范围中即使实施各种变形，也可以同样实施。
如上所述，在本发明中，当跳过数达到预先设定的第1值以上的情况下，根据在多个各编码的量化比例和符号量，把在编码装置中实施的编码设定为帧内编码。
因而，如果采用本发明，则可以提供一个运动图像编码装置，其中如果跳过数增大，可以根据在各编码中的量化比例和符号量，把在编码装置中实施的编码设定为帧内编码，所以可以防止如以往那样继续进行帧间编码和双向预测编码，使用许多帧内编码宏块，由此陷入运动预测精度降低，符号量增大的恶性状态。

Claims (12)

1、一种运动图像编码装置，用于编码运动图像，其特征在于具备：
跳过数控制装置，用于控制成为编码对象的帧间的跳过数；
量化比例控制装置，控制表示量化的程度的量化比例；
编码装置，有选择地使用帧间编码和帧内编码，根据上述量化比例和上述跳过数进行运动图像的编码；
符号量检测装置，求出在该编码装置中编码的帧的符号量；
编码设定装置，控制上述量化比例控制装置和上述符号量检测装置，求出在用上述帧间编码以及帧内编码分别进行编码时的量化比例和符号量，当上述跳过数大于等于预先设定的第1值的情况下，根据各编码的量化比例和符号量，把在上述编码装置中实施的编码设定为帧内编码。
2、权利要求1所述的运动图像编码装置，其特征在于：上述帧间编码，是正向预测编码以及双向预测编码的至少一种。
3、权利要求1或者权利要求2所述的运动图像编码装置，其特征在于：上述编码设定装置，在上述跳过数大于等于上述第1值的情况下，根据量化比例的平均值和符号量的积，把在上述编码装置中实施的编码设定为帧内编码。
4、权利要求1或者权利要求2所述的运动图像编码装置，其特征在于：上述编码设定装置，当在进行上述帧间编码时上述跳过数大于等于上述第1值的情况下，如果上述帧间编码的量化比例的平均值和符号量的积，相对上述帧内编码的量化比例的平均值和符号量的积的比，比预先设定的第2值还大，则把在上述编码装置中实施的编码设定为上述帧内编码。
5、权利要求4所述的运动图像编码装置，其特征在于：上述第2值是固定值或者与上述跳过数对应的可变值。
6、权利要求1所述的运动图像编码装置，其特征在于：上述编码设定装置，在每一帧间编码以及帧内编码时，存储最新的量化比例和符号量，根据该存储的信息，设定在上述编码装置中实施的编码。
7、一种运动图像编码方法，用于编码运动图像，其特征在于具备：
跳过数控制步骤，控制成为编码对象的帧间的跳过数；
量化比例控制步骤，控制表示量化程度的量化比例；
编码步骤，有选择地使用帧间编码和帧内编码，根据上述量化比例和上述跳过数进行运动图像的编码；
符号量检测步骤，求出在该编码步骤中编码的帧的符号量；
编码设定步骤，当上述跳过数大于等于预先设定的第1值的情况下，根据各编码的量化比例和符号量，把在上述编码步骤中实施的编码设定为帧内编码。
8、权利要求7所述的运动图像编码方法，其特征在于：上述帧间编码，是正向预测编码以及双向预测编码的至少一种。
9、权利要求7或者权利要求8所述的运动图像编码方法，其特征在于：上述编码设定步骤，在上述跳过数大于等于上述第1值的情况下，根据量化比例的平均值和符号量的积，把在上述编码步骤中实施的编码设定为帧内编码。
10、权利要求7或者权利要求8所述的运动图像编码方法，其特征在于：上述编码设定步骤，当在进行上述帧间编码时上述跳过数大于等于上述第1值的情况下，如果上述帧间编码的量化比例的平均值和符号量的积，相对于上述帧内编码的量化比例的平均值和符号量的积的比，比预先设定的第2值还大，则把在上述编码步骤中实施的编码设定为上述帧内编码。
11、权利要求10所述的运动图像编码方法，其特征在于：上述第2值是固定值或者与上述跳过数对应的可变值。
12、权利要求8所述的运动图像编码方法，其特征在于：
具备存储步骤，在每次编码时，存储最新的量化比例和符号量，上述编码设定步骤，根据在该存储步骤中存储的信息设定在上述编码步骤中实施的编码。
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