專(zhuān)利名稱(chēng)：使用降噪處理的視頻信號(hào)壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及差動(dòng)脈沖編碼調(diào)制(DPCM)視頻信號(hào)壓縮裝置的降噪處理，更具體講，涉及用于DPCM環(huán)路中的降噪裝置。
當(dāng)現(xiàn)行圖像易于由時(shí)間上相鄰近的圖像中予以預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)視頻信號(hào)壓縮的預(yù)測(cè)編碼所起的作用最好。但是，當(dāng)源圖像含有噪聲時(shí)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)較為困難，而壓縮效率減小，或其重現(xiàn)圖像品質(zhì)衰退，或兩種現(xiàn)象兼而有之。因此，合乎理想的是，在壓縮程序之前使須壓縮的視頻信號(hào)噪聲減至最小。
試考慮

圖1，所示為先有技術(shù)預(yù)測(cè)圖像編碼系統(tǒng)。元件12-22構(gòu)成為實(shí)際預(yù)測(cè)編碼器，容待說(shuō)明于下。這一先有技術(shù)的降噪裝置通常包括有遞歸降噪濾波器10，用以使視頻信號(hào)在壓縮前被預(yù)處理。場(chǎng)或幀遞歸濾波器，由于其能使有效信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲分量有效減小，乃較為人所鐘愛(ài)。但是，這種濾波器屬記憶敏感型且需要有相當(dāng)精密的處理電路，以使噪聲明顯減小而不使動(dòng)態(tài)圖像有不希望的贗像引入。
本發(fā)明的目的在于以最低限度的額外硬件提供高度有效的降噪裝置，及預(yù)測(cè)編碼器方法。
本發(fā)明包括有預(yù)測(cè)性DPCM壓縮裝置，其中，有簡(jiǎn)單的非線(xiàn)性處理元件包括于DPCM環(huán)路中，以消除預(yù)測(cè)與真實(shí)圖像信號(hào)間的較預(yù)定值為小的殘余。這種殘余的消除，使包括縱有適量噪聲在內(nèi)的信號(hào)所產(chǎn)生壓縮數(shù)據(jù)量大為減小。
圖1所示為先有技術(shù)的DPCM壓縮裝置的方框圖。
圖2和圖4所示為包括有根據(jù)本發(fā)明的降噪裝置的另一種壓縮裝置方框圖。
圖3和5所示為圖2和4的降噪裝置示例性非線(xiàn)性傳輸函數(shù)圖解。
茲就視頻壓縮內(nèi)容方面說(shuō)明本發(fā)明，該視頻壓縮與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的動(dòng)態(tài)畫(huà)面專(zhuān)業(yè)組MPEG所建立的標(biāo)準(zhǔn)所列的相類(lèi)似。MPEG規(guī)約中所列載的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償預(yù)測(cè)性編碼，對(duì)于幀內(nèi)編碼與幀間編碼皆有規(guī)定。亦即是說(shuō)，每一第N幀皆予幀內(nèi)編碼，以確保有正常時(shí)間性信號(hào)補(bǔ)充。插入幀是以連續(xù)幀內(nèi)的壓縮數(shù)據(jù)作幀間或DPCM預(yù)測(cè)性編碼，須視前面幀而定。幀內(nèi)編碼幀標(biāo)示為I幀，而幀間編碼幀則標(biāo)示為P或B幀，須視其是只向前預(yù)測(cè)，抑或分別向前及向后預(yù)測(cè)而定。預(yù)測(cè)編碼程序包括使各圖像區(qū)分為若干小區(qū)，并搜索相鄰圖像以在相鄰圖像中找出完全相同或近似相同的區(qū)域。在相鄰圖像中區(qū)域的定位，以及現(xiàn)行圖像區(qū)域與相鄰圖像的對(duì)應(yīng)的相同或相似區(qū)域間的差異被編碼以便于傳輸。注意，如果相對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H上完全相同時(shí)，所有差異皆為零，則此區(qū)乃可以以識(shí)別相對(duì)應(yīng)區(qū)域的定位的向量及表示所有差異皆為零的碼字予以編碼。因此，壓縮后的相同或似圖像就可以較少的碼字實(shí)現(xiàn)。另外，如果圖像中含有少許噪聲時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，幀與幀圖像區(qū)域的相關(guān)性就隨殘余數(shù)據(jù)中伴隨而來(lái)的增加及壓縮碼字對(duì)應(yīng)的增加而惡化。
在圖1中，經(jīng)由諸如攝影機(jī)所產(chǎn)生的視頻信號(hào)加至遞歸降噪器10，以調(diào)整視頻信號(hào)的壓縮。其余裝置則為相當(dāng)熟知的結(jié)構(gòu)，因此只作概略說(shuō)明。來(lái)自降噪器10的I幀像素?cái)?shù)據(jù)毫無(wú)變化地經(jīng)由減法器12傳輸至編碼器15。編碼器15于像素?cái)?shù)據(jù)(8×8像素)上實(shí)施離散余弦轉(zhuǎn)變(DCT)，以產(chǎn)生DCT系數(shù)。該系數(shù)經(jīng)予量化后以控制數(shù)據(jù)速率，并依預(yù)定順序排定次序，以有助于使大部分零值系數(shù)組合，而實(shí)現(xiàn)行程編碼。于是，編碼器依掃描寬度及依統(tǒng)計(jì)方式使系數(shù)編碼。編碼的表示像素?cái)?shù)據(jù)被加至格式器19，其所附信息依照所選定壓縮規(guī)約，例如，PEG2，代表了幀內(nèi)各塊的源位置，編碼類(lèi)型(I，P，B)，幀號(hào)，時(shí)標(biāo)等。來(lái)自格式器的數(shù)據(jù)加于傳輸處理器20，以使格式化的數(shù)據(jù)區(qū)分為有特定位數(shù)的有效負(fù)載分組而產(chǎn)生識(shí)別符，以追蹤相關(guān)的有效負(fù)載，產(chǎn)生同步信息，及導(dǎo)出誤差校正/檢測(cè)碼，并使后者皆附加于相關(guān)有效負(fù)載分組而形成傳輸分組。該傳輸分組被加至適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)器22上以便于傳輸。
來(lái)自編碼器15的I壓縮幀被加至解碼器16，以執(zhí)行與編碼器15相反的功能。對(duì)于I壓縮幀而言，解碼器16的輸出為重現(xiàn)的I幀。此去壓縮后的I幀經(jīng)由加法器18毫無(wú)變化地傳輸至緩沖存貯器17予以?xún)?chǔ)存供隨后P或B幀作預(yù)測(cè)壓縮用。P或B幀的預(yù)測(cè)編碼亦相類(lèi)似，在此說(shuō)明P幀的壓縮?，F(xiàn)行壓縮的P圖像幀被加至動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)器14，用以使此幀區(qū)分為，例如16×16的像素。預(yù)測(cè)器16于是搜索前面的I或P幀的相類(lèi)似16×16像素塊，并計(jì)算出向量組，以顯示現(xiàn)行幀內(nèi)塊及所搜索幀內(nèi)最近似塊空間座標(biāo)上的相對(duì)差異。利用此一向量使來(lái)自緩沖存儲(chǔ)器17內(nèi)相對(duì)應(yīng)去壓縮幀的相對(duì)應(yīng)塊耦合至減法器12，使其依逐像素方式將來(lái)自存儲(chǔ)器17中的預(yù)測(cè)塊，由所去壓縮的現(xiàn)行幀的相對(duì)應(yīng)塊中減去。經(jīng)由減法器所提供的差異或殘余被加至編碼器15，其中的處理方式與I幀像素?cái)?shù)據(jù)相若。經(jīng)由預(yù)測(cè)器14所產(chǎn)生的向量被耦合至格式器19，其中，使之包括在內(nèi)而成為與各塊相關(guān)的編碼的數(shù)據(jù)的一部分。
經(jīng)壓縮后的P幀于解碼器16中解碼而加至加法器18。同時(shí)使由其中所預(yù)測(cè)的圖像幀的各塊皆經(jīng)由預(yù)測(cè)器13從緩沖存儲(chǔ)器中存取，并被加至加法器18的第二輸入上，其中，解碼后殘余或差值，依逐像素方式相加而使實(shí)際圖像復(fù)原。來(lái)自加法器18復(fù)原后的像素P幀數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存于緩沖存儲(chǔ)器17，供依預(yù)測(cè)方式使隨后的P或B幀編碼/解碼。
重要的是須予注意，當(dāng)處理I幀時(shí)，預(yù)測(cè)器以0值加于減法器12及加法器18。所輸入I幀，因而經(jīng)由減法器12毫無(wú)變化地通過(guò)，而來(lái)自解碼器16的解碼后的I幀由加法器18毫無(wú)變地通過(guò)。
圖2所示為本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖2中的壓縮裝置與圖1的裝置相似，而與圖1中相同標(biāo)號(hào)所標(biāo)示的也執(zhí)行相同功能。有兩項(xiàng)主要差別為增加了非線(xiàn)性元件500，和執(zhí)行圖1的元件的13功能的元件1333的功能亦略有增加。
非線(xiàn)性元件500連接于減法器12與編碼器15之間，該元件的配置系用以使只有超過(guò)某一預(yù)定值的信號(hào)值才予通過(guò)。元件500可為一簡(jiǎn)單的核化電路，此一電路對(duì)于凡低于某一預(yù)定值使一零值通過(guò)，對(duì)于高于預(yù)定值，使信號(hào)值減去預(yù)定值的信號(hào)值通過(guò)，如圖3中逐段線(xiàn)性函數(shù)(曲線(xiàn)B)所示。此外，亦可采用更為典型的核化電路形式，此一電路對(duì)于小于某一預(yù)定值的所有信號(hào)值及所有信號(hào)值超過(guò)該預(yù)定值的信號(hào)值概以零值通過(guò)。元件500的再另一函數(shù)可為一更緩和彎曲的函數(shù)，諸如圖3中標(biāo)示為A的曲線(xiàn)。這些函數(shù)皆可通過(guò)將這些函數(shù)編程存入被將處理的信號(hào)尋址的存貯器的相關(guān)位址單元中來(lái)提供。
試考慮壓縮器實(shí)施兩種型式的壓縮，即幀內(nèi)與幀間壓縮。在后一型式中，施加于元件500的信號(hào)取自?xún)瑟?dú)立幀的像素差所產(chǎn)生的殘余。在前一型式中，施加于元件500上的信號(hào)為未予變化的視頻信號(hào)。后者的噪聲功率為大于前者2倍的平方根，而后者的信號(hào)電平顯然較低。因此，幀內(nèi)視頻信號(hào)的信噪比顯然大于幀間殘余的信噪比，而與使信號(hào)污染的噪聲量無(wú)關(guān)。
由于信噪比的差異，在幀內(nèi)壓縮時(shí)所施加的非線(xiàn)性函數(shù)應(yīng)不同于幀間壓縮的情況。例如，如果非線(xiàn)性函數(shù)為逐段的線(xiàn)性核化時(shí)，幀內(nèi)值于其下核化的預(yù)定值可能明顯的大于幀間殘余。另外，由于幀內(nèi)信號(hào)的信噪比與殘余比較時(shí)相當(dāng)大，此非線(xiàn)性元件可予調(diào)整而使幀內(nèi)信號(hào)無(wú)變化地通過(guò)。B幀的P幀預(yù)測(cè)性編碼幀的相對(duì)信噪比亦可能明顯的不相同，這要視P幀間的B幀數(shù)目而定。因此，對(duì)于不同類(lèi)型的預(yù)測(cè)編碼于元件500內(nèi)應(yīng)用不同的非線(xiàn)性函數(shù)可能是適當(dāng)?shù)呐e措。經(jīng)由預(yù)測(cè)器1333實(shí)施非線(xiàn)性元件的適當(dāng)控制，以使被編碼的I，P和B幀施加以相關(guān)的控制信號(hào)。
圖4所示實(shí)施例有助于所有各種型式的幀間和幀內(nèi)壓縮均使用相類(lèi)似的非線(xiàn)性函數(shù)。圖4中，標(biāo)示與圖1中元件相同標(biāo)號(hào)的元件皆為相類(lèi)似且執(zhí)行相似功能。圖4電路包括有減法器12與編碼器15之間的非線(xiàn)性元件50。此非線(xiàn)性元件的功能可與圖5中所示的(標(biāo)準(zhǔn)核化功能)或說(shuō)明元件500的功能相類(lèi)似。
在幀間壓縮期間，開(kāi)關(guān)SW1和SW2之位置與所示位置相交替。當(dāng)開(kāi)關(guān)于此一位置時(shí)，此系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式正如圖2系統(tǒng)的幀間編碼。因此元件50的非線(xiàn)性函數(shù)將依照幀間編碼的性能期望而選擇。
至于幀內(nèi)編碼，來(lái)自解碼器16的解碼后幀間信號(hào)必須無(wú)變化地通過(guò)加法器18。這是通過(guò)利用開(kāi)關(guān)SW1的方式而予完成的，是由預(yù)測(cè)元件133調(diào)整的，以在I幀編碼期間通過(guò)零值。同時(shí)開(kāi)關(guān)SW2移動(dòng)至圖4中所示的位置。
為使非性元件對(duì)于I幀信號(hào)具有有利影響，由于其信噪比相當(dāng)高，I幀的信號(hào)依人工方式減小以便于降噪處理，并于降噪處理后，再予復(fù)原。I幀信號(hào)的減小是通過(guò)由產(chǎn)生預(yù)測(cè)的I幀并使此預(yù)測(cè)I幀施加至減法器12上而完成的。減法器所產(chǎn)生的差值與幀間殘余的量值幅度相同，因此，非線(xiàn)性元件的工作情形亦相若。來(lái)自預(yù)測(cè)器133的預(yù)測(cè)信號(hào)于是回加至由非線(xiàn)性元件所提供的信號(hào)上，以使輸入I幀信號(hào)復(fù)原為大體上其原來(lái)值。
有數(shù)種方法可用以產(chǎn)生預(yù)測(cè)的I幀，一種方法為只要調(diào)整預(yù)測(cè)器133由緩沖器17內(nèi)的最后解碼幀(可能是I幀)以至與現(xiàn)行I幀在同一位置的輸出像素塊。但是較佳方法為依與預(yù)測(cè)P或B幀相類(lèi)似方式，預(yù)測(cè)I幀，以提供更準(zhǔn)確的I幀預(yù)測(cè)。注意，預(yù)測(cè)須要有動(dòng)態(tài)向量，它與時(shí)間上相區(qū)隔的幀內(nèi)相類(lèi)似的像素塊空間對(duì)應(yīng)。編碼后I幀通常不包括動(dòng)態(tài)向量。但是，由于編碼器包括有動(dòng)態(tài)向量的發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生P或B幀的向量，使此裝置編程以產(chǎn)生I幀的動(dòng)態(tài)向量，即為極簡(jiǎn)單的事。此等動(dòng)態(tài)向量可用以在編碼器上產(chǎn)生出預(yù)測(cè)I幀供降噪之用，然后予以?huà)仐?，亦即，不包括于編碼后的數(shù)據(jù)位流內(nèi)。另外一方式是I幀動(dòng)態(tài)向量可包括在編碼后的數(shù)據(jù)位流內(nèi)，如MPEG規(guī)約所倡議的供消除誤差之用。
假定該非線(xiàn)性元件50經(jīng)編程而使其量值大于T值(此值在標(biāo)稱(chēng)上很小)的所有信號(hào)采樣皆予通過(guò)。并假定由預(yù)測(cè)器所提供的信號(hào)為S(n)，而輸入I幀的信號(hào)為I(n)。不考慮元件50，提供予開(kāi)關(guān)SW2上方接點(diǎn)的信號(hào)乃為I(n)-S(n)。使此信號(hào)耦合至加法器52一輸入端上，并以信號(hào)S(n)施加至加法器52的第二輸入端。加法器產(chǎn)生信號(hào)I(n)-S(n)+S(n)＝I(n)。使這些值耦合至編碼器15，且與輸入值無(wú)變化。只有為由減法器12所產(chǎn)生的差動(dòng)的輸出值I(n)是在±T之內(nèi)會(huì)受到非線(xiàn)性元件12所影響。因此，如果由預(yù)測(cè)器133所提供的I幀預(yù)測(cè)十分準(zhǔn)確時(shí)，亦即在±T的偏差范圍內(nèi)時(shí)才有利，在此狀況下，非線(xiàn)性元件50基本上只影響噪聲分量。
上文說(shuō)明假定各幀是以其整體編碼為幀內(nèi)編碼幀或幀間編碼幀。依MPEG標(biāo)準(zhǔn)，例如，使視頻信號(hào)依逐塊方式予以編碼，且如果無(wú)法找到搜索幀中的接近匹配塊時(shí)，即設(shè)法依幀內(nèi)編碼模式使P或B幀的某些塊編碼。在這種狀況下，預(yù)測(cè)器13、133和1333將予編程，而使非線(xiàn)性處理元件15、50和500分別依逐塊方式照現(xiàn)行處理類(lèi)型予以切換。因此，在所附權(quán)利要求書(shū)內(nèi)，如依據(jù)某一幀間處理模式提及壓縮幀時(shí)，應(yīng)予理解的是，這種幀內(nèi)像素塊的各塊可幀內(nèi)被處理，而權(quán)利要求的用意是適用于這樣混合模式處理的各幀。
權(quán)利要求
1.一種用于壓縮視頻信號(hào)的移動(dòng)壓縮的差動(dòng)脈沖編碼調(diào)制(DPCM)壓縮裝置，其特征在于用于產(chǎn)生具有低和高幅度分量的殘余的裝置(12)，該殘余為預(yù)測(cè)的像素值與所述被壓縮的視頻信號(hào)的現(xiàn)行幀的真實(shí)像素值間的像素值的差；和裝置(15)，包括用來(lái)變換所述殘余并提供壓縮的所述視頻信號(hào)的變換裝置，還包括耦合在用來(lái)產(chǎn)生殘余的裝置的包括變換裝置的所述裝置間的非線(xiàn)性處理裝置(500)，使對(duì)所述殘余較低幅度分量的衰減比對(duì)所述殘余較高幅度分量的衰減大。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述非線(xiàn)性處理裝置為核化電路。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述的視頻信號(hào)隨幀而產(chǎn)生，而所述壓縮裝置使所述視頻信號(hào)所述各幀中的若干幀是由幀內(nèi)編碼予以壓縮的，而所述其它幀則由幀間編碼予以壓縮，且其中所述的裝置進(jìn)一步包括有用以調(diào)整所述非線(xiàn)性元件，以使其用與被幀內(nèi)編碼的幀處理方式不同的方式處理被幀間編碼的幀的裝置。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述視頻信號(hào)隨幀而產(chǎn)生，而所述壓縮裝置通過(guò)幀內(nèi)編碼壓縮所述一些幀，并以幀間編碼壓縮所述其它的幀，其中所述圖像信號(hào)預(yù)測(cè)裝置在幀間編碼期間使預(yù)測(cè)的圖像幀通到所述減法器的第二輸入端上，所述裝置還包括加法器，該加法器具有耦合到所述減法器的第二輸入端的第一輸入端，耦合到所述非線(xiàn)性元件的輸出端的第二輸入端，和輸出端;開(kāi)關(guān)，具有分別與所述非線(xiàn)性元件和所述加法器的輸出端耦合的第一和第二輸入端子，以及耦合到所述壓縮裝置上的輸出端子，和用來(lái)調(diào)整所述開(kāi)關(guān)，當(dāng)幀分別被幀間和幀內(nèi)編碼時(shí)，使信號(hào)加到其第一和第二輸入端子上的裝置。
5.如權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述的視頻信號(hào)隨幀而產(chǎn)生，而各幀是根據(jù)一序列的差值壓縮過(guò)程而壓縮的，所述裝置還包括用于調(diào)整所述核心裝置，使其對(duì)所述不同的差值壓縮過(guò)程加以不同的傳輸函數(shù)的裝置。
全文摘要
在預(yù)測(cè)性DPCM壓縮型的視頻信號(hào)壓縮裝置中，其降噪電路包括有在DPCM環(huán)路(12，15，16，18，1333)內(nèi)的簡(jiǎn)單非線(xiàn)性處理元件(500)，用以使預(yù)測(cè)和真實(shí)圖像信號(hào)間的殘余消除，該殘余皆比預(yù)定值小。這種殘余的消除，是使為包括縱為最適量的噪聲在內(nèi)的信號(hào)所產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)量大為減少。
文檔編號(hào)H04N7/32GK1110856SQ9411662
公開(kāi)日1995年10月25日 申請(qǐng)日期1994年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月13日
發(fā)明者小·R·N·赫斯特, S·D·長(zhǎng)沙凡特, P·H·米漢 申請(qǐng)人:Rca.湯姆森許可公司