专利名称：嵌入式视频编码器量化方法
技术领域：
本发明涉及一种量化方法，具体地说是涉及一种基于嵌入式，特别是DSP芯片的 视频编码器量化方法。
背景技术：
由于音视频编码运算量大，目前实用系统广泛采用通用高性能数字信号处理芯片 DSP。由于在视频处理能力上，通用DSP芯片和专用视频处理芯片还存在一定的差距，要达 到专用视频处理芯片实现的性能，就必须针对DSP芯片的硬件特点，对软件视频压缩算法 进行优化改进，以弥补DSP芯片在处理能力方面的不足。H. 26x和MPEG-x是当前流行的两大音视频编码标准，二者均是首先通过运动估 计与运动补偿消除运动图像时间域上的冗余，然后利用DCT变换把图像数据从空域变到频 域，通过量化来消除图像空间域上的冗余。其中量化部分在图像压缩中占据着非常重要的 地位，因为，第一，图像的失真都是在量化阶段引入的，第二，量化粒度将直接控制图像编码 的位率。对应的反量化是用于重建参考帧，其处理结果的质量将影响到下一帧的预测精度。 这就是说，量化和反量化环节设计的好坏，将直接影响编码图像的质量和压缩比。因此，在 实现基于DSP的视频编码器中，针对DSP系统结构特点，研究合适的量化技术是很有必要 的。一般来讲，视频编码器中的每一套量化方案都有它一定的应用环境和应用范围， 视频压缩标准中的量化技术也有其局限性在H. 263量化技术中，图像变换系数没有采用 视觉量化矩阵，而是采用量化因子直接进行处理。这样，虽然实现上比较简单，但是没有考 虑人眼视觉对低频和高频分量敏感程度的差异，与考虑视觉因素的方法相比，该方法处理 后的图像主观质量稍差。MPEG的量化策略是一种比较成熟的量化技术，考虑了人类视觉的 特点，但MPEG的量化分两步完成首先采用视觉量化矩阵处理系数，然后采用量化因子对 系数进行二次处理，这种两步量化方法降低了编码器的量化效率。同时，MPEG量化处理需 要大量的除法运算，而在基于DSP的视频编码器实现中，由于DSP内部没有提供相应的硬件 除法部件，因此，如果直接采用这一量化策略，将会导致处理效率很差。此外，DSP采用的是 流水线工作原理，单周期最大能8条指令并行工作，但在标准的量化技术中，由于饱和处理 和误配控制的算法存在大量的条件判断和分支，导致DSP不能有效发挥并行处理性能，从 而影响了编码器的整体效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种量化效率高、图像质量好的嵌入式视频编码器量化方 法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明通过构造移位量化矩阵，将移位操作代替了除法操作，它包括以下步骤①构造移位量化矩阵= 2n+4/(Q[i，j]Kq)，其中Q[i，j]为视觉量化矩阵，Kq为量化因子，n为移位的位数；②设定量化因子&和视觉量化矩阵Q[i，j]的取值范围，a2, j] ^ ^ 2, W\{Log[rPl) - 4) < n < (Log^ +12) , neZ+；③进行量化，其量化结果为y = 32x/(2Q[i, j]Kq) = (2n+4x/(Q[i，j]Kq)) >> n, 其中，x为待量化的系数，“>>”为位右移运算符。具体地说，步骤①中所述的构造移位量化矩阵的过程包括以下步骤1)、利用视觉量化矩阵Q[i，j]来处理DCT系数，则一次量化结果71 = 32x/Q[i, j]；2)、通过位率控制方法获得量化因子Kq，利用所述的量化因子Kq进行二次量化，其 最终量化结果y为y= (y1+sign(x) (pKq//q)) / (2Kq)，其中p和q为修正参数，符号“//”表示移位除， sign(x)表示取符号函数；3)、根据所述的一次量化结果yi和最终量化结果y得到y = (2n+V(Q[i，j]Kq)) >>n,从而对于一个确定的量化因子、，可获得一个移位量化矩阵仏，则仏=2n+4/(Q[i， j]Kq)。另外，对于帧内编码块的量化，利用所获得的移位量化矩阵Qi而进行量化时，对量 化结果y作取整操作。采用上述技术方案的本发明，通过构造出的移位量化矩阵，将量化过程中的除法 操作变成移位操作，并且实现了快速的一步量化。对不同的视频编码块类型，采用不同的量 化策略，避免了统一量化引起的图像质量降低；同时，选用适合DSP的MPEG-4误配控制算法 用于反量化，并利用DSP提供的硬件微指令来实现任意位的饱和处理，从而有效地提高了 编码器的整体效率。表格说明表1为本发明与使用MPEG量化方法的对比实验结果；表2为本发明与使用MPEG在量化、反量化所需的周期数、降幅及在编码器中所占 比锣IJ比较。
具体实施例方式本发明利用视觉量化矩阵Q[i，j]来处理离散余弦变换DCT系数，目的是根据人类 视觉对高频数据不敏感的特性，对视觉量化矩阵中的高频位置选择较大的参数值，以消除 视觉上的冗余。本发明包括以下步骤①构造移位量化矩阵仏=2n+4/(Q[i，j]Kq)，其中Q[i，j]为视觉量化矩阵，Kq为量 化因子，n为移位的位数。其具体的构造过程如下1)、利用视觉量化矩阵Q[i，j]来处理DCT系数，则一次量化结果71 = 32x/Q[i, j]，其中x表示待量化的系数；2)、通过位率控制方法获得量化因子Kq，位率控制方法为本领域普通技术人员所 熟知的技术，利用所述的量化因子Kq进行二次量化，其最终量化结果y为y = (yi+sign (x) (pKq//q))/(2Kq)，其中p和q为修正参数，符号“//”表示移位除，sign(X)表示取符号函数；
3)、根据所述的一次量化结果yi和最终量化结果y得到y = (2n+4x/(Q[i，j]Kq)) >> n，从而对于一个确定的量化因子Kq，可获得一个移 位量化矩阵 Qi，则 Qi = 2n+4/(Q[i，j]Kq)。②设定量化因子&和视觉量化矩阵Q[i，j]的取值范围，a2, j] ^ ^ 2, ^^Log^-A) <n< [Logf^+n), "eZ+0③进行量化，其量化结果为y = 32x/(2Q[i, j]Kq) = (2n+4x/(Q[i，j]Kq)) >>n, 其中，x为待量化的系数，“>>”为位右移运算符。于是，对一个确定的量化因子~可以构 造一个移位量化矩阵A，则A = 2n+4/(Q[i，j]Kq)，从而将量化过程中的除法操作变成移位 操作，并且把通常需要的两步量化合并成一步完成。需要指出的是，由于每一个量化因子Kq对应一个移位量化矩阵，所以当出现多 个不同量化因子时，移位量化矩阵表将占用大量的存储资源。但是，针对特定的图像特征 和编码位率，量化因子通常在一个比较小的范围内波动，因此，通过统计这一范围，并把量 化因子限制在这个范围内，以此来降低量化矩阵表的规模。在上述的步骤②中设定了量 化因子&和视觉量化矩阵Q[i，j]的取值范围，S卩a2，^^Qti, j]彡旦2。 对于16X 16位乘法器，移位量化矩阵Qi选择短字short类型以适合进行乘法运算，于是 有1 <(Ui，j] ( 32767，同时结合得到的移位量化矩阵仏=2n+4/(Q[i，j]Kq)可以得出 [log^-4)<n<(Log^+12)，neZ+ o参数的典型设置、=2，a2 = 62, ^ = 8,日2 = 83，因此可以得出移位位数n 的有效范围为9 < n < 16。考虑到移位量化矩阵中参数值不宜太大而且又要保证量化的 精度，本发明选择了该范围的中值，即n = 13。在给定编码位率下，提高图像主观质量和提高压缩比是一对矛盾，因此，怎样根据 不同的应用需求找到一个好的折衷方案，成为量化和反量化方案设计的一个关键。此外，在 基于DSP的实时视频编码应用中，还必须考虑量化和反量化在DSP上的运行效率。由于帧内编码块包含着当前块的完整信息，所以对量化结果的修正很重要。故利 用步骤(3)获得的移位量化矩阵Qi而进行量化时，对量化结果y作取整roimdO操作，以 保证量化时尽可能减少信息的损失，其调整公式为 上式round()表示四舍五入取整，然后对最终量化结果y饱和处理到(_255，255) 范围内。同时，在构造Qji，j]矩阵时，选用合适的Q[i，j]矩阵以符合人们视觉对低频和 高频分量敏感程度的差异。另外，由于帧内编码块中的AC系数和DC系数采用了不同的量 化参数值，为了提高DSP处理效率，对Qi
即DC系数的量化参数值进行调整，使其能够 和AC系数一起用相同的移位位数来处理。非帧内编码块保存当前块和预测块的差值，由于它并没有保存当前块的完整信 息，因此，对非帧内编码无须修正。此外，根据预测编码的思想，希望非帧内编码块的大部分 系数近可能都归零，以保证最大限度的压缩图像。同时，由于非帧内块保存的是差值信息， 所以也无须考虑视觉的因素，Q[i，j]矩阵可以选用相同的参数值，本发明选用Q[i，j]= 16，为2整数倍，方便使用DSP上的移位操作。该类型的编码块AC系数和DC系数采用相同 的量化参数y= (xQji，j] >>11)，然后对结果7饱和处理到(-255,255)。
对于反量化，也要区分帧内编码块的反量化和非帧内编码块的反量化。对于帧内编码块的量化，由于DC系数和AC系数采用不同的量化参数，反量化也要 不同处理。DC系数的反量化表示为y = xd其中d为一个量化时选用的参数AC系数的反量化表示为y = (xQ[i, j]Kq) >> 4然后上式的结果y饱和处理到范围(-2048，2047)内，最后对饱和处理的结果利用 MPEG-4的误配控制算法处理。上述MPEG-4的误配控制算法为本领域普通技术人员所熟知 的技术。对于非帧内编码块的反量化，由于原始的视觉量化矩阵Q[i，j]选择了相同的参 数值16，因此，非帧内块的反量化可简化如下y = xKq，然后再对上式的结果y饱和处理到 (-2048,2047)范围内，最后对饱和处理的结果利用MPEG-4的误配控制算法处理。为检测本发明的处理结果，采用了两方面的实验(一 )实验一在微机上，测试改进的量化技术对图像编码质量的影响。实验条件PC计算机 PIV/1. 8GHz/256M ；图像为 CIF 格式(352X288)；处理 G0MB， 即Group Of Marco Block的长度为22个宏块，每隔11个宏块加一个切片头，编码模式为 彩色；移位位数为n= 13。对四个典型视频序列使用MPEG和本发明对比实验结果如表1所示。 表 1在上表中，PSNRY表示亮度Y的峰值信噪比，PSNRU、PSNRV分别表示色度Cr和Cb的峰值信噪比；A代表MPEG的量化技术；B代表本发明的量化技术。实验比较结果表明较之MPEG的量化技术方案，本发明的亮度PSNR值有明显升 高，尽管个别测试序列的色度PSNR值稍有降低，但综合PSNR是升高的。由于人眼对亮度比 对色度更敏感，所以图像的主观质量也是提高的。由以上数据可以得出，本发明有效提高了 图像的编码质量。( 二)实验二 在TI的Load6X软件仿真器上，测试优化后的量化和反量化算法的
工作效率。Load6X仿真器是TI提供的一个性能仿真工具，它能够准确的仿真出程序中各部 分代码在DSP上的运行效率，并能可靠地统计出程序在DSP上的各项性能指标。实验条件测试序列:al ；测试帧数:20f ；位率:426000bps ；帧率10fps ；Load6x 仿真器；硬件环境PIII lGHz，256M内存。MPEG和本文量化、反量化算法运行效率的对比实验结果见表-2。本实验的测试序 列al，是本文视频编码器应用环境的特征图像，针对该测试序列所测的结果，能够准确反应 本文算法在应用环境中的执行效率情况。由于软件仿真比较耗时，仿真中没有选择太多的 帧数。本实验中选择20帧图像，包括2个I帧和18个P帧，也覆盖了算法中用到的所有编 码帧类型。因此，本实验的测试条件是能够保证结果是准确、可靠的。表-2量化、反量化所需的周期数、降幅及在编码器中所占比例比较 表 2实验结果分析如表2所示，相对于MPEG标准方案，本发明的量化和反量化的效 率有了很大的提高，处理20帧图像量化和反量化所需的周期数降幅分别高达94%和91 %。 另外，对量化和反量化在编码器中所占比例的比较中，两者之和从47%降到了 8%，说明也 大大提高了整个编码器的工作效率。因此，本发明有效提高了编码器在DSP上的量化效率。
权利要求
一种嵌入式视频编码器量化方法，其特征在于，它通过构造移位量化矩阵，将移位操作代替了除法操作，它包括以下步骤①构造移位量化矩阵Q1＝2n+4/(Q[i，j]Kq)，其中Q[i，j]为视觉量化矩阵，Kq为量化因子，n为移位的位数；②设定量化因子Kq和视觉量化矩阵Q[i，j]的取值范围，α1≤Kq≤α2，β1≤Q[i，j]≤β2，则③进行量化，其量化结果为y＝32x/(2Q[i，j]Kq)＝(2n+4x/(Q[i，j]Kq))＞＞n，其中，x为待量化的系数，“＞＞”为位右移运算符。F2009100645354C0000011.tif
2.根据权利要求1所述的嵌入式视频编码器量化方法，其特征在于，步骤①中所述的 构造移位量化矩阵的过程包括以下步骤1)、利用视觉量化矩阵Q[i，j]来处理DCT系数，则一次量化结果71= 32x/Q[i, j]；2)、通过位率控制方法获得量化因子Kq，利用所述的量化因子Kq进行二次量化，其最终 量化结果y为y = (yi+sign(x) (pKq//q)) ≥ (2Kq)，其中ρ和q为修正参数，符号“//”表示移位除， sign (χ)表示取符号函数；3)、根据所述的一次量化结果yi和最终量化结果y得到 y= (2n+4x/(Q[i, j]Kq)) >>n,从而对于一个确定的量化因子Kq，可获得一个移位量化矩阵Q1，则Q1 = 2n+4/(Q[i，j] )。
3.根据权利要求1所述的嵌入式视频编码器量化方法，其特征在于对于帧内编码块 的量化，利用所获得的移位量化矩阵Q1而进行量化时，对量化结果y作取整操作。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式视频编码器量化方法，它通过构造移位量化矩阵，将移位操作代替了除法操作，包括以下步骤①构造移位量化矩阵Q1＝2n+4/(Q[i，j]Kq)，其中Q[i，j]为视觉量化矩阵，Kq为量化因子，n为移位的位数；②设定量化因子Kq和视觉量化矩阵Q[i，j]的取值范围，α1≤Kq≤α2，β1≤Q[i，j]≤β2，则n∈Z+；③进行量化，其量化结果为y＝32x/(2Q[i，j]Kq)＝(2n+4x/(Q[i，j]Kq))＞＞n，x为待量化的系数，“＞＞”为位右移运算符。采用上述技术方案的本发明，通过构造出的移位量化矩阵，将量化过程中的除法操作变成移位操作，实现了快速的一步量化。对不同的视频编码块类型，采用不同的量化策略，避免了统一量化引起的图像质量降低；选用适合DSP的MPEG-4误配控制算法用于反量化，有效地提高了编码器的整体效率。
文档编号H04N7/50GK101854535SQ20091006453
公开日2010年10月6日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者周兵, 王宗敏, 苏士美 申请人:郑州大学