CN1139355A - 利用改进块区分割法和轮廓编码法对视频信号编码的设备 - Google Patents

Abstract

利用改进BTC法和轮廓编码法编码输入视频信号的设备，该视频信号含多个帧，每个帧可分成多个K×K个象素的块区。该设备包括提供输入视频信号的二值帧的掩盖模块；产生二值帧的轮廓信息和二值信息的轮廓编码模块；对每个从二值帧导出的二值块区确定一数目L和一控制信号的控制模块；对每个从输入图象信号导出的视频块区根据各视频块区内的K×K个象素的强度值和数目L来产生一个平均值和两个重建值，并根据控制信号选择出平均值或两个重建值的改进BTC模块。

Description

利用改进块区分割法和轮廓编码法 对视频信号编码的设备

本发明涉及一种视频信号编码设备；较具体地说，涉及一种利用改进的块区分割(BTC)法和轮廓编码法对视频信号编码的设备。

在各种电子设施中，视频信号可以以数字形式发送。当用数字形式表达含有一系列视频“帧”的视频信号时，将出现大量的数字数据：对于一个视频帧中的每一行，都要用一系列称之为“象素”的数字数据单元来定义。然而，由于普通的发送频道中可供利用的频带宽度是有限的，所以为了通过固定的频道来发送大量的数字数据，通常需要采用某种视频信号编码方法来压缩数字数据。

BTC法是这种视频信号压缩技术中的一种方法，它能在保持被发送的视频信号的图象质量的同时，大大减少数字数据的量。

为了用BTC法对视频信号编码，视频信号的一个帧被分割成多个互不重叠的K×K个象素的块区，其中K是大于1的正整数。参见图1A，那里示出了一个作为BTC法中的一个编码单位的示例性块区。图1A中示出的块区含有16个象素：f1至f16。

通过把各个象素的强度值与一个阈值进行比较，一个块区内的N(＝K²)个象素被进一步分成两个组(一个亮组和一个暗组)；然后含在该块区内的各象素的强度值被转换成两个重建值中的一个值，这两个重建值分别是含在亮组和暗组内的象素的代表性强度值。在图1B中，A和B分别代表两个重建值：A是暗组的重建值，B是亮组的重建值。结果，该块区被用组成一个图形的两个重建值为表示。这个图形可以进一步用一个比特图来表示，也即用一个例如象图1C所示的二值图象的块区来表示。

两个重建值由一个样本均值和一个样本偏差来确定，其中的样本均值通常用作上述的阈值，而样本偏差则表征了该块区的对比度。含在图1A所示块区中的各象素的强度值的样本均值f_M和样本偏差f_V可按下式计算： $f_M=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i$ 等式1 $f_V=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({f_i}^2-{r_M}^2)}$ 等式2其中N表示块区中所含象素的数目；i表示1到N范围内的整数；f_i是图1A中用同样符号表示的象素的强度值。

确定两个重建值的原则是，使得图1B所示的二灰阶块区的样本均值和样本偏差分别与图1A所示的原始块区的样本均值和样本偏差相等。为了达到这一点，这两个重建值A和B可以按下式确定： $A=f_M-f_V\sqrt{\frac{L}{N-L}}$ $B=f_M+f_V\sqrt{\frac{N-L}{L}}$ 等式3其中L代表其强度值大于或等于样本均值f_M的象素的数目。

回到图1B，其中强度值小于f_M的象素用A表示，而其他的象素用B表示。另一方面，在图1C所示的比特图中，强度值小于f_M的象素用0表示，而其他的象素则用1表示。

在编码器中确定出的两个重建值和比特图被发送给相应的解码器，在解码器中比特图指明块区内的各个象素是属于亮组的还是属于暗组的，而两个重建值则分别代表两个组内的重建象素值。

通过用两个重建值和一个比特图来代表视频信号的一个块区，要发送的数据的量就得以大为减少。

在相应的解码器中，被解码了的比特图和两个重建值构成了重建视频信号的一个块区。由于只用两个重建值为代表多达K×K个不同的象素强度值，原始视频信号和重建视频信号之间可能出现不可忽略的差异。不过，由于在整个BTC处理过程中每个块区的样本均值和样本偏差被保留了下来，所以一个帧内的对比度和最明显的特征得以很好地保留，其中较小的变化可能会被大的变化所掩盖，但如果没有大的变化则较小的变化就能保留住。这和人类视觉系统的响应是十分接近的，在视觉响应中大的变化趋向于掩盖其邻近处的较小的变化。因此，虽然经过BTC处理后做到了比特数量的大量减少，但重建视频信号仍然可以是原始视频信号的一个良好的近似。

另一方面，如果不作进一步处理就把含在比特图内的每一个二值象素都发送出去，那末表示一个比特图就需要多达K×K比特。因此，编码一帧视频信号所用的比特数将等于该帧内的象素数加上编码各个块区的重建值所需的比特数。虽然采用了普通的BTC法之后要发送的比特数被减少了，但在发送比特图时还是需要大量的比特，这样就提出了编码视频信号时进一步减少所用比特数的要求。

因此，本发明的一个主要目的是提供一种用于编码器的设备，它结合了改进BTC法和轮廓编码法来对视频信号进行编码，由此能够进一步减少编码视频信号的比特率。

根据本发明，提供了一种对一个含有多个其中带有许多象素的帧的输入视频信号进行编码的设备，该设备包括：一个掩盖模块，用来把每一帧内的每个象素的强度值与一个阈值进行比较，并制作一个由二值象素组成的二值帧；一个轮廓编码模块，用来对该二值帧进行轮廓编码，由此提供能够重建出该二值帧的信息；一个第一分割模块，用来把二值帧分割成许多个互不重叠的各自含有K×K个象素的块区，其中K是一个大于1的正整数；一个第一计算模块，用来计算每个块区中的其强度值大于或等于阈值的象素的数目L；一个控制信号发生模块，用来对每一个块区在块区的所有二进制值都等于0或1时提供一个第一控制信号，而在块区内既有0又有1时则提供一个第二控制信号；一个第二分割模块，用来把输入视频信号帧分割成与第一分割模块所得到的块区准确相同的多个块区，每个块区也含有K×K个象素；一个第二计算模块，用来对由第二分割模块所得到的每个块区，确定出K×K个象素的一个样本均值和一个样本偏差；一个第三计算模块，用来对由第二分割模块所得到的每个块区，根据样本均值、样本偏差和数目L来计算两个重建值，这两个重建值分别是含在亮组和暗组内的象素的代表性强度值，各象素含在亮组内还是暗组内是根据其强度值来确定的；一个选择模块，用来根据第一或第二控制信号选择出样品均值或两个重建值；以及一个编码模块，用来对所选出的值编码，即对选择模块的输出编码。

本发明的上述目的和其他目的及特点将通过下面参考附图对优选实施例的说明而变得清楚明白，在附图中：

图1A至1C分别例举出普通BTC法中所用的一个视频信号块区、其相应的二灰阶块区和比特图；

图2给出本发明的视频信号编码器的方框图；以及

图3给出图2中所示的改进BTC模块的详细方框图。

参见图2，那里示出了本发明的一个视频信号编码器10的方框图，该编码器包括一个掩盖模块110、一个轮廓编码模块120、一个控制模块130、一个改进BTC模块140和一个编码模块150。

一个被耦合到掩盖模块110上的输入视频信号含有一系列由许多象素组成的帧，在掩盖模块110中该视频信号中的一个帧内的各个象素的强度值与一个阈值进行比较。根据本发明的一个优选实施例，把含在视频信号的一个帧内的所有象素的强度的平均值用作阈值。当一个象素的强度值小于该阈值时，则用一个二进制值，例如0来代表该象素，否则用二进制值1来代表该象素。结果，视频信号的一个帧在掩盖模块110中被表示成为一个二值帧，该二值帧含有多个区域，每个区域由一些以相同数字0或1所代表的相邻接的象素组成。然后该二值帧被输出给轮廓编码模块120和控制模块130。

在轮廓编码模块120中，含在二值帧内的各个区域的轮廓用诸如B-仿样逼近或多边形逼近方法之类的普通轮廓编码方法进行编码，由此提供出各区域的信息。该区域信息包括有各个区域的轮廓信息和含在各个区域中的象素的二值信息，该二值信息表示为一个数字，例如1或0。轮廓信息可以用来画出各个区域的轮廓或边界，它包括有边界上的象素的位置数据。二值信息指明了被轮廓所包围的区域中的象素的强度值是否小于阈值。然后轮廓信息和二值信息被输送给一个发送机(未示出)，以把这些信息发送出去。

在控制模块130中，由掩盖模块110所提供的二值帧首先被分割成多个互不重叠的含有K×K个象素的块区，其中K是一个大于1的正整数。如果一个块区内的所有K×K个象素都具有相同的值，即1或者0，则在线路L1上输出一个控制信号S1；否则，也就是说如果一个块区中既含有值为0的象素又含有值为1的象素，则在线路L1上输出一个控制信号S2。控制模块130还对每一个块区计算其强度值大于或等于在讨论掩盖模块110时提到过的那个阈值的象素的数目L，也即还计算每个块区中由数字1所表示的象素数目，并通过线路L2把该象素数L提供给改进BTC模块140。

在这同时，输入的视频信号也被输送给改进BTC模块140，在那里该视频信号的每一个帧都用根据本发明的改进BTC法进行处理。

参见图3，那里示出了图2中所示的改进BTC模块140的详细方框图。该改进BTC模块140包括有一个块区确定模块141、一个f_M和f_V确定模块142、一个A和B计算模块143、以及一个选择模块144。

在块区确定模块141中，输入视频信号的每一个帧都被分割成多个与控制模块130中所分割的块区相同的K×K个象素的块区，并且逐个块区地把这些块区输送给f_M和f_V确定模块142。在f_M和F_V确定模块中，用上述等式1和等式2确定出含在每个块区内的K×K个象素的样本均值f_M和样本偏差f_V。然后样本偏差被输送给A和B计算模块143，样本均值被输送给A和B计算模块143和选择模块144。

在A和B计算模块143中，只对相应于在线路L1上传送有控制信号S2的各个块区分别计算它们的两个重建值A和B，计算时根据各块区的样本均值、样本偏差、通过线路L2所提供的象素数L、以及象素数N(＝K×K)，利用等式3来进行。换言之，只对那种相应于控制信号S2的块区计算重建值。如果一个相应于控制信号S1的块区被输入到A和B计算模块143中，则其中不进行重建值的计算。这样计算得到的两个重建值被传送给选择模块144。熟悉本技术领域的人们应该能明显地看到，通过利用这样得到的重建值，对于具有利用本发明的阀值来确定的轮廓的块区仍然可以保持象素强度的平均值和偏差。需要指出，根据本发明，轮廓是利用一个帧内所有象素的强度值的平均值来确定的，而不象普通BTC法那样是利用块区的平均象素值来确定的。

选择模块144根据从线路L1传送来的控制信号选择出一个块区的样本均值或者两个重建值。也就是说，如果向选择模块144输送了控制信号S1，则对该块区选择其样本均值；而如果输送了控制信号S2，则选择两个重建值。

回到图2，对各个块区选出的值被输送给编码模块150，在那里通过利用一个适当的编码方法，例如DPCM(差分脉冲码调制)技术对所选出的值进行编码。然后编码值被输出给一个发送机(未示出)，把它们发送出去。

这样在编码器10中产生的二值帧的各个区域的包括了轮廓信息和二值信息的区域信息以及各个块区的编码值被发送给接收端的一个相应解码器。在相应的解码器中，区域信息被解码，以重建出在图2中所示的编码器10的掩盖模块110中所产生的二值帧，而发送来的编码值则被解码成为一系列的解码样本均值和重建值。接着，利用与编码器10的控制模块130相类似的处理方式，重建的二值帧被分割成多个K×K个象素的块区。然后根据各块区内的象素值，把一个或两个解码值依次地设定给各K×K象素的块区。具体地说，如果一个块区内的所有象素都具有同样的数字值1或0，则只有一个确定值，也即是，在图3的f_M和f_V确定块142中所确定的该块区的样本均值，被设定为该块区内所有象素的代表性象素值。如果一个块区内的各个象素具有不同的值，也即如果有些象素值为1而另外的象素值为0，则两个重建值被设定为该块区的代表性象素值，其中具有象素值0的象素将用重建值A来代替，象素值为1的各个象素将用重建值B来代替，上述的两个重建值A和B就是图3中A和B计算模块143对该块区所提供的两个解码值。

如上所述，通过把改进BTC法和根据本发明来确定编码轮廓的轮廓编码法结合在一起，用于编码一个视频信号的比特数就可以比普通BTC法减少。

虽然只是对某些优选实施例说明了本发明，但是在不偏离由下述权利要求所规定的本发明的精神和范畴的情形下，可以做出各种其他的修改和变化。

Claims (4)

1、一种对一个含有多个视频帧的视频信号编码的设备，其中每个视频帧都含有许多象素，上述设备包括

用来把含在一个视频帧内的每个象素的强度值与一个阈值进行比较，并根据各个象素的强度值和阈值的比较结果把各个象素分类成两个组，由此提供出一个二值帧的装置，其中的二值帧包含有多个区域，每个区域由一些被分在两个组中的某一个组内的相邻接的象素组成

用来对二值帧编码以提供包括轮廓信息和二值信息在内的区域信息的装置，其中的轮廓信息代表位在各个区域的轮廓处的象素的位置数据，而二值信息则代表含在每个区域中的象素所分入的那个组；

用来把二值帧分割成多个互不重叠的二值块区的装置，其中每个二值块区都含有K×K个象素，这里K是一个大于1的正整数；

用来对每一个二值块区确定含在该二值块区内的、被分入到两个组中的一个组内的象素的数目L的装置；

用来对每一个二值块区产生一个显示出每个二值块区内的K×K个象素是否全都只属于两个组中的一个组的控制信号的装置；

用来把视频帧分割成多个互不重叠的K×K像素的视频块区的装置，其中每个视频块区都对应着一个二值块区，该装置还用来对每个视频块区根据该视频块区内的K×K个象素的值，以及对与该视频块区相对应的二值块区所确定的数目L，来提供一个平均值和两个重建值；以及

用来根据控制信号来选择平均值或者选择两个重建值以对每个视频块区产生一个所选的输出的装置，其中，当控制信号显示出对应的二值块区内的所有象素全部属于两个组中的一个组时则选择平均值，否则就选择两个重建值。

2、根据权利要求1的设备，其中的阈值是含在视频帧内的各个象素的强度的平均值。

3、根据权利要求2的设备，其中只有当控制信号显示出在一个对应于某一视频块区的二值块区内的各象素并不仅仅属于两个组中的一个组时，才提供该视频块区的上述两个重建值。

4、根据权利要求1的设备，它还包括用来对每个视频块区的选出的输出进行编码的装置。

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