专利名称：采用一种自适应量化技术的视频信号编码方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种视频信号编码方法和设备；更具体地说，是涉及一种用于根据估计的比特分布信息使视频信号通过两条(即第一和第二)编码路径来对该视频信号进行自适应编码的方法和设备，其中第一编码路径提供了在调节第二编码路径中的量化过程时要用的比特分布信息。
已经提出了一种编码方法和设备，用来根据例如MPEG(动态画面专家组)标准对输入的视频信号在第一和第二路径中进行量化和长度可变的编码，其中第一路径得到在第二路径中进行的编码过程所需的比特分布信息，所得到的每一画面的比特分布信息构成一视频信号序列和在每一画面中的每一大小相等的块(例如16×16象素)，参见日本未决的第7-284097号公开专利申请。
在常规的视频信号编码技术如MPEG中，如果视频信号为可变长度编码时，特别是该视频信号在用一固定的量化参数(Qp)或量化级大小(Qs)被量化后，编码数据量就随着视频信号的复杂程度和动态补偿误差而增加。利用这种特征，现有技术的编码方案用固定的Qp检查在第一路径的被编码数据的分布或比特分布信息；并且基于此在第二路径分配可用的比特，这些比特在画面和块间的目标比特率的预计值内确定，以提供均匀的和高质量的画面。根据画面间的根据分布数据来分配比特，就可以提供时间上均匀的画面质量。类似地，通过在每个画面中的块间分配比特，就可以得到空间上均匀的画面质量。
第一路径的Qp被设为比那些第二路径的小，以便在第一路径产生的数据量得到控制，使其比在第二路径所产生的数据量大。通过在第一路径使用幅值较小的Qp，视频信号中的高频成分就可以被更完全地被检测到，视频信号的特性也可以更精确地检查，这对于第二路径的有效的比特分配是必需的。
在一种典型的现有技术方案中，第二路径的比特分配根据来自第一路径的比特分布信息和一个预定的目标比特率用被编码数据与Qp或Qs的大约的反比例关系来控制。换言之，第二路径画面和块的编码比特的分布率被控制，以便在保持目标比特率的同时使那些在第一路径中的画面和块的编码比特分布维持一个大致相同的比值。对第二路径所产生的被编码数据量的控制通过改变Qp来进行。
但是，某些编码数据的量即使在Qp改变时也保持不变。那些是附加的或与量化无关的可编码数据，如MPEG中的报头信息和动态矢量，它们是不被量化的可变长度编码。
这种附加数据的量取决于画面的大小。例如，对于用MPEG 2方案编码的有720×480象素的画面，平均产生20-50K比特的附加数据。
在图7A和7B中，分别说明了对于每个画面由第一和第二路径所产生的数据量，其中每一条表示对于一个画面产生的数据总量，而其中的阴影部分表示附加的或与量化无关的数据量。
与量化无关的数据量和数据总量之比根据所分配的比特的实际分布而在画面间各有不同。对于6Mbps的传送速率，与量化无关的数据在由第一路径所产生的数据总量中约占20％，如图7A所示。但是，因为第二路径以比第一路径低的平均传送速率对视频信号编码，在第二路径中与量化无关的数据的占用率就变大了。例如，与量化无关的数据量占由目标比特率为4Mbps的第二路径所产生的数据总量的30％，如图7B所示。
参考图8A和8B，它们分别说明了由第一路径和第二路径为每个块产生的编码数据量，其中每一根条块表示为一个块所产生的数据量，而其阴影部分表示一个块中与量化无关的数据量。类似地，在第一路径，某些块中的附加数据在总数据中的占用率要大于50％，如图8A所示；因为在第二路径中的平均传输率被控制在低于第一路径，附加数据量在某些块中占用了由第二路径所产生的数据总量的70％，如图8B所示。
但是，上述常规的比特分配方法中，因为该比特分配是基于由被编码数据的总量(包括与量化相关的和无关的数据)确定的比特分布信息来进行的，位分配的结果并不反映Qp和与量化相关数据量之间的反比关系，导致某些画面或块的被分配比特的局部短缺，这可能造成画面质量变差。
因此，本发明的一个目的就是提供一种能够通过分配比特来改进画面质量而不会有被分配比特短缺问题的方法和设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种对输入的视频信号进行编码方法，该方法包括如下步骤按照预定方式处理输入的视频信号以由此提供一处理后的信号，被处理的信号包括一与量化相关的信号和一与量化无关的信号；根据一个固定的Qp对与量化相关的信号进行量化以由此提供第一量化后数据；对第一量化后数据和与量化无关的数据进行可变长度编码，以由此分别提供第一和第二数据；将第一数据量和第二数据量储存；根据预定目标比特率和第一、第二数据量来确定每个视频信号单元的编码比特的目标量；根据基于编码比特目标量所确定的一个或多个Qp量化与量化相关的信号，以由此提供被编码的数据，其中第二量化数据根据目标编码比特量和被编码数据量之差来调整。
其编码比特目标量被确定的视频信号单元可以是画面和/或块。
根据本发明优选实施例的另一个方面，提供了一种视频信号编码设备，包括一第一编码装置、一存储器、一延迟器和一第二编码装置。
第一编码装置包括一第一信号处理器，用于按预定方式处理输入的视频信号，以产生一包括与量化信号无关的和与量化信号有关的处理后的视频信号；一第一量化器；一第一可变长度编码(VLC)电路；一第一计数器。第一量化器根据一个固定的Qp来量化与量化相关的信号，以由此提供第一量化后的数据。然后第一VLC电路用VLC技术分别对第一量化数据和与量化无关信号进行编码来产生第一和第二数据。在第一计数器，第一和第二数据量分别被计数，第一数据量与Qp的幅值有关，而第二数据量与Qp的幅值无关。
存储器存储第一和第二数据各自的量；而延迟器则对输入的视频信号延迟以进行同步。换言之，输入的视频信号被延迟器延迟直到第一和第二数据量被存储进存储器为止，然后送给第二编码装置。
第二编码装置包括一第二信号处理器，一目标比特确定电路，一比特控制器，一第二量化器，一第二VLC电路和一第二计数器。第二处理器按照与第一处理器相同的方式处理延迟后的输入视频信号以产生处理后的视频信号。目标比特确定电路根据预定目标比特率和第一和第二数据各自的量来确定每个视频信号单元的编码比特的目标量。比特控制器根据编码比特的目标量确定第个单元的一个或多个新的Qp。第二量化器根据新确定的Qp量化与量化相关的信号以产生第二量化数据。接着，第二VLC电路对第二量化后的数据和与量化无关的信号编码以分别产生第三数据和第四数据。二计数器对第三和第四数据的各量计数；比特控制器计算在被编码目标量与第三和第四数据量的和之间的偏差，由此通过根据该偏差调节Qp自适应地控制在第二量化器的Qs。
根据本发明的上述方法和设备，输入的视频信号在第一编码装置中用固定的Qp和可变长度编码被量化，然后，可变长度编码的数据按照第一数据量(取决于Qp)和第二数据量(与Qp无关)分别存入存储器中。接着，在第二编码装置，根据第一和第二数据的存入的量来确定每个视频信号单元编码比特的目标量。因为在第二编码装置的Qp是根据编码比特的目标量与由第二编码装置产生的可变长度编码数据的实际量之间的偏差来调整，从而被编码数据的实际量与编码比特的目标量之间接近，考虑到与量化无关的第二数据而确定的编码比特的目标量可以在第二路径中优化分配。
根据本发明的另一优选实施例，视频信号编码设备是通过将公共部分(即第一实施例中第一和第二编码装置的信号处理器、量化器、VLC电路以及比特计数器)共用从而减少部件数目来实现的。在这种情况下，就构成第二实施例的设备，它有一个信号处理器、一个量化器、一个VLC电路、一个比特计数器、一个存储器、一根据预定目标比特率与第一和第二数据各自的量来确定视频信号各单元编码比特目标量的目标比特确定电路、一根据编码比特目标量来确定初始Qp并进一步找出编码比特目标量和可变长度编码数据的实际量之间偏差以由此可调整地控制Qp(其依次自适应地改变量化器的Qs)的比特控制器、用于提供固定Qp的Qfix发生电路、以及一个开关电路。
在第二实施例设备的结构中，首先，固定的Qp由开关电路加到量化器中，由此使得在信号处理器中处理的输入视频信号按固定的Qp所确定的Qs来量化；所产生的被编码数据量被计数和储存。然后，所储存的被编码数据量送给目标比特确定电路，以确定每个单元编码比特的目标量。编码比特的目标量再提供给比特控制器，在那里Qp被自适应地调整以控制量化器的Qs。
本发明的上述目的、特征和其它的目的、特征通过下面结合附图对优选实施例的说明将显而易见。在附图中，
图1所示是根据本发明第一优选实施例的视频信号编码设备的方框图；图2是图1中所示第一编码装置的方框图；图3是图2中所示比特计数器的方框图；图4是图2中所示第一编码装置数据存储格式的示例；图5是图1中所示第二编码装置的方框图；图6是根据本发明第二优选实施例的视频信号编码设备的方框图；图7A和7B分别提供了在画面的与量化相关数据和与量化无关数据间进行比特分配前后两种数据之间的关系示例；图8A和8B分别给出了在块的与量化相关数据和与量化无关数据间进行比特分配前后两种数据之间的关系示例。
图9是本发明的装置的第三实施例的方框图。
参考图1，其描绘了根据本发明第一优选实施例的视频信号编码设备的方框图。在此说明的本发明的第一和其它的优选实施例采用MPEG编码方法。
在MPEG中，视频信号序列划分为画面组(GOP)。众所周知，画面可以用视频信号的帧或半帧来表示；而在技术中术语“画面”要比术语“帧”或“半帧”更为常用。GOP是在显示次序上相邻接的一组画面，是最小的编码单元，其能在一序列中独立地被解码。GOP包括至少一个内编码画面(I-画面)和任意数目的预编码画面(P-画面)和双向预测编码画面(B-画面)。最小的编码单元是8×8像素的块。在4∶2∶0格式中，四个相信的亮度块和两个色度块(每个表示与四个亮度块相应的不同类型亮度信号)构成了一个宏块，它是运动估计和补偿的最小单元；数个宏块构成一个画面或一页。关于MPEG的详细内容，请参考国际标准化组织(ISO)的ISO-IEC11172-2和国际电信联盟(ITU)的ITU-TH.262/ISO-IEC13818-2。
再参考图1，一输入数字视频信号送给构成一第一路径的第一编码装置1和延迟缓冲器3。在第一编码装置1，视频信号用第一量化参数(Qp)量化并用统计学技术进行编码。接着，包含在每个视频信号预定单元编码数据中的与量化相关数据和与量化无关数据量被分别计数。与量化相关数据和与量化无关数据的计数作为比特分布信息从第一编码装置1提供给存储器2并在其中保存。
视频信号由延迟缓冲器3延迟一段时间，该时间与得到比特信息并将其存入存储器2中所需要的时间一致，再送入构成第二路径的第二编码装置4。
在第二编码装置4，每个画面的编码比特目标量根据来自存储器2的目标比特率和比特分布信息用后面将说明的一种算法来确定，然后在每个画面中包括的宏块的编码比特的目标量根据每个画面的比特分布和编码比特的目标量来确定。此后，由延迟缓冲器3来的视频信号用画面和宏块的编码比特目标量确定的量化步长(Qs)来量化。
在确定画面的编码比特的目标量时，对包含画面的预定画面集合(如GOP)根据目标比特率和集合中画面数相对于单元时间中画面数的比值来第一次计算编码比特的总的目标量。然后集合中画面的与量化无关的数据总量就从编码比特的总目标量中被减去，以由此提供集合的与量化相关的编码比特目标量。画面的与量化相关的编码比特目标量根据集合的与量化相关编码比特目标量和画面的与量化相关数据量相对于集合的与量化相关数据总量之比来计算。最后画面的编码比特目标量通过将画面的与量化相关数据量和与量化相关编码比特总量加和得到。
类似地，在一个画面中的宏块的编码比特目标量确定如下。首先，宏块的与量化相关的编码比特目标量根据画面的与量化相关编码比特目标量和宏块的与量化相关数据量相对于画面的与量化相关数据总量之比来计算。然后通过将宏块的与量化相关编码比特目标量与宏块的与量化无关数据量相加来计算宏块的编码比特目标量。
根据本发明，作为考虑与量化相关的附加数据来确定编码比特目标量的结果，画面和宏块间的比特分布可以在不受到比特局部缺陷的情况下完成。
本发明的第一优选实施例将参考图2至图5更详细地说明。
参考图2，该图说明了图1中所示第一编码装置1的详细情况。根据在记录电路(未示出)中画面的类型，一包括亮度和色度信号的数字化图像信号按一编码顺序被记录。被记录的视频信号作为一输入的数字化视频信号送给减法器10和运动估计与运动补偿(ME & MC)电路11。在减法器10，通过从输入的数字化视频信号中减去ME & MC电路11产生的运动补偿信号而产生一偏差信号。该偏差信号提供给变换器12，偏差信号在其中用例如离散余弦变换(DCT)技术以块一块(block-by-block)为基础被变换，偏差信号的每一个块被变换为一组变换系数，包括一表示块的平均像素值的DC(直流)系数和多个(例如63个)表示块中像素的高频分量的AC(交流)系数。所有的变换系数在后续的编码过程中被量化，因此，它们是与量化相关的。
一量化器(Q)13用一个固定的Qp量化变换系数以提供量化后的系数给逆量化器(IQ)14和一个统计学器(VLC)18。如所共知，在量化器中的量化系数的Qs确定幅值是基于Qp和量化矩阵来计算的；因此在块之间加入一个唯一的Qs，但在块的内部Qs的数目可以多达64个。
其后，因为I画面和P画面作为ME & MC中的参考画面，与之相应的量化系数分别在IQ14和逆变换器(IT)15中被依次逆量化和逆变换。一加法器16将ME & MC电路11产生的运动补偿信号与IT 15产生的逆变换系数相加，由此产生一重组的视频信号，与接收端解码的信号相同。然后重组的视频信号被存在画面存储器17中。应当注意与一I画面或块的内部相应的运动补偿信号为零值。
在ME & MC电路11，在例如宏块一宏块(macroblock-by-macroblock)的基础上参考画面存储器17中的重组参考信号用常规的运动估计和补偿技术进行I-或B-画面的输入数字视频信号的运动估计和补偿。输入数字视频信号的每个宏块在ME & MC电路11的输出是送到减法器10和加法器16中去的运动补偿后信号和送到统计学器18中去的运动矢量预测模式信号。该运动矢量信息可包括两个用于B-画面宏块的运动矢量。和代表指示该宏块为内编码(intra-coded)还是交互编码(inter-coded)的信息的预测模式信号。该预测模式信号还可包括假使B-画面宏块只得到一个运动矢量时，该宏块是向前还是向后作运动估计的信息。这些包含运动矢量信息和预测模式信号的附加数据是不被量化的，因此其编码比特量是与量化无关的。
统计学器18根据例如常规的可变长度编码技术(将较短的代码字分配给较常出现的输入数据)，将从量化器13顺序输入的量化后系数和ME & MC电路11的运动矢量信息和预测模式信号编码。
上面参照图2所述的部件10至18的功能和特征在技术人员中是共知的，除了在量化器13中根据固定的Qp进行变换系数的量化以外，在MPEG supra中都有更详细的说明。还有，根据本发明，统计学器18向比特计数器20提供与量化相关的数据，即被统计学的变换系数，和附加的与量化无关的数据，包括被统计学的运动矢量信息、预测模式信号及其它控制位如开始代码、序列报头等等。在静态编码装置18的输出中，这种涉及宏块的静态编码后的数据如统计学的运动矢量信息、预测模式信号及用于包括被编码块图形(coded-block-pattern)在内的宏块的控制位等按照宏块-宏块的基础传送到比特计数器20上。
参考图3，其说明了比特计数器20的一个详细的方框图，包括一个开关21，一与量化(Q)有关的数据计数电路22和与量化(Q)无关数据计数电路23。开关21在对其的输入中识别与量化相关数据和与量化无关数据，并将前者与后者分别提供给Q-有关数据计数电路22和Q-无关数据计数电路23。在计数电路22和23，对它们的输入被分别计数。
由比特计数器20得到的与量化相关和与量化无关数据各自的量被送入图1所示的存储器2，并在其中储存作为比特分布信息。存储器2可用一个硬dick或任何其它的高速存储介质来实现。
对每个宏块产生的量可按其原样保存，或是除以一个预定的数，如256，以在存储前降低其精度。还有，假定整个画面产生的数据量是以2N来表示，每个宏块产生的数据量可以用2N来标准化以便保存，N是一个正数。标准化对图1所示第二编码装置4中给定比特目标量的计算率上带来了一些优点，因为分母可以移位运算。
在这里给出的优选实施例中，2N假定为211，即2048。
每个宏块产生的数据量表示为5位，也就是说，其值为0到31。因为所需要的信息是宏块产生的数据量在编码装置中顺序相加之和，如果宏块产生的数据量大于31/2048，那个宏块即被存为最大值31，余数就加到其下一个宏块产生的数据量中。每个宏块产生的数据量按照与量化相关数据和与量化无关数据量分别存储。
类似地，每个画面产生的代码量可按其原样保存而不作改变，或是被预定的数目例如28(=256)来除，以在保存之前降低其精度。在这一瞬间，假定一个画面产生的最大数据总量是1Mb，需要20位的存储器，以移动8位后的较低精度来储存该数据量只需要12位。在宏块的情况下也类似，每个画面的与量化相关数据量和与量化无关数据量也分别被保存。
当每个画面的储存数据是标准化的数据时，每个画面产生的数据量也必须储存。在另一个例子中，画面的数据量不需要被储存，因为通过将画面内块的数据量加和可以计算出该数据量。
参考图4，其说明了产生的数据量的存储格式。首先，每个画面的与量化相关数据量(“PIC-ACDC”)和与量化无关数据量(“PIC-ETC”)分别以12位保存。每个在其后以5位保存的是在画面中包括的例如1350个块中每一个块的与量化相关数据量(“BLOCK-ACDC”)和与量化无关数据量(“BLOCK-ETC”)。
参考图5，它是图1所示第二编码装置4的一个详细方框图。第二编码装置4所包括的减法器30、运动估计和补偿(ME&MC)电路31、变换器32、量化器(Q)、逆量化器(IQ)34、逆变换器(IT)35、加法器36、画面存储器37、统计学器38的功能与特征与图2所示第一编码装置1相应的部分相同；因此，对其详细的说明出于简洁的考虑将不予以说明。
根据本发明，第二编码装置4还包括一个目标比特确定电路40，用于根据目标比特率和比特分布信息(存储在图1所示的存储器2中)确定每个画面和宏块的编码比特目标量；一比特计数器41，用于对统计学器38来的统计学数据量计数；一量化器(Q)33；以及一传送缓冲器39。比特控制电路42计算每个画面和宏块的比特计数器41来的编码数据量与编码比特目标量之间的偏差，并据此调整Qp以改变量化器33中的Qs，由此控制根据编码比特目标量产生的编码比特量。
下面将说明一种用于在目标比特确定块40确定目标比特量的优选实施例的算法。由第一编码装置1根据固定的Qp,Qfix产生的比特分布信息按照PIC ACDC,PIC_ETC,BLOCK_ACDC,BLOCK_ETC的形式存在图1所示的存储器2中。Qfix优选地设为最小值Qp，例如“1”，其不大于第二编码装置中用到的任何可能的Qp，以精确地估计视频和运动补偿偏差的复杂程度。
为了确定一个画面编码比特的目标量，每个预定的画面组(例如，一个GOP)的编码比特目标量被首先确定。每个组的目标量可以根据目标比特率及在一个组中画面数目与视频信号的画面速率间的比值来计算。
一组画面的编码比特目标量TARGET BUDGET根据画面的比特分布信息来分配的。在组的比特分布信息中，PIC ETC是与量化相关的。因此，对于组的与量化相关的编码比特的目标量，ACDC_TARGET_BUDGET由下式确定ACDC_TARGET_BUDGET=TARGET_BUDGET_PETC(i) (1)其中PETC(i)代表组中第i个画面的PIC_ETC值，i等于1到I,I是组中画面的数目。
然后根据组中每个画面PIC_ACDC的值与组中值的比值分配每个画面的ACDC_TARGET_BUDGET，定义为PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i)(j)=ACDC_TARGET_BUDGET(i)×PACDC(j)/∑PACDC(i) (2)其中PIC_ACDC_TARGET(i)代表第i个画面的与量化相关编码比特的目标量，PACDC(i)代表第i个画面的PIC_ACDC的值。
最后，一个画面的编码比特目标量可以通过将与量化无关数据量和与量化相关编码比特目标量相加得到，定义为PIC_TARGET BUDGET(i)
=PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i)+PETC(i) (3)其中PIC_TARGET_BUDGET(i)代表第i个画面编码比特的目标量。
类似地，第i个画面与量化相关的编码比特的目标量PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i)根据每个块的BLOCK_ACDC的值的比值为画面中的每个宏块分配如下BLOCK_ACDC_TARGET_BUDGET(i)(j)=PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i)×BACDC(j)/2048(4)其中BLOCK_ACDC_TARGET_BUDGET(i)(j)代表第i个画面的第j个宏块与量化相关编码比特目标量，而BACDC(j)是第i个画面的第j个块的BLOCK_ACDC的值，j为1到J,J是第i个画面的块数。
第i个画面的第j个块与量化无关编码比特目标量BLOCK_ETC_TARGET_BUDGET(i)(j)可以如下计算BLOCK_ETC_TARGET_BUDGET(i)(j)=PETC(i)×BETC(j)/2048 (5)其中BETC(j)是第i个画面的第j个块的BLOCK_ETC的值。
最后，第i个画面的第j个块的编码比特目标量可以如下计算BLOCK_TARGET_BUDGET(i)(j)=BLOCK_ACDC_TARGET_BUDGET(i)(j)+BLOCK_ETC_TARGET_BUDGET(i)(j)(6)图5所示比特控制电路42中执行的比特控制算法如下为了根据编码比特目标量(即PIC_TARGET_BUDGET(i))控制第i个画面的实际产生编码数据量，画面的当前宏块的Qp通过将先前编码宏块实际产生的编码数据量之和与其编码比特目标量之和的偏差或差异反馈来确定。第i个画面的第j个宏块的差d(j)确定为
d(j)=d(0)+Bits(j-1)-TGT(j-1) (7)其中d(0)是虚拟缓冲器的初始占用量；Bits(j-1)是由画面的第一至第j-1个宏块实际产生的编码数据量的总和；而TGT(j-1)是第i个画面的第j-1个块的编码比特目标量BLOCK_TARGET_BUDGET(i)(j)之和。
对于画面中的第一个宏块，Bits(j-1)和TGT(j-1)被分别设为零值，因此，d(1)=d(0)。
第j个宏块的Qp即Q(j)定义为Q(j)=d(j)×31/r (8)其中r是确定反馈的响应速度的参数。
参数r与比特率/画面速率成比例；并定义为r=2×Bit_rate/picture_rate (9)其中Bit_rate是每秒钟编码数据的目标数目，即目标比特率，而picture_rate是每秒输入画面的数目。
确定虚拟缓冲器的初始占用量d(0)的初始Qp即Q(0)根据Qp和产生的数据量之间的反比关系来计算。Q(0)可定义为Q(0)=Qfix×PACDC/PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i) (10)而d(0)可定义为d(0)=Q(0)×r/31 (11)其中Qfix、PACDC、PIC_ACDC_TARGET_BUDGET(i)的意义与上面相同。
按上述方式对每个宏块确定的Qp被送到量化器33，其根据由Qp确定的量化步长量化来自变换器32来的每个宏块的变换系数。该量化后的系数送到IQ 34和统计学器38。在统计学器38，从ME & MC电路31来的输出采用例如VLC技术被编码。来自统计学器38的编码数据提供给比特计数器41和传送缓冲器19，其中不规则比特率的编码数据被暂时保存，并以一个恒定的比特率作为编码视频信号发送到用于发送的传送器(未示出)。
参考图6，其为说明根据本发明第二实施例的视频信号编码设备6的方框图。第二实施例的设备6通过共用第一实施例中图2所示第一编码装置1和图5所示第二编码装置4的公共部件而实现的。共用部件与图6所示设备6的标号50至58以及62所标识的元件相应，因此，其详细内容出于简洁的考虑不再重复。
还有，设备6的传送缓冲器59、目标比特确定电路67以及比特控制电路68与图5所示的第二编码装置4中的一样；而存储器69与第一实施例中存储器2的功能一样。设备6还包括一路径控制电路60，开关63-65,-Qfix产生电路61和一数据存储器66。路径控制电路60发出一开关控制信号到开关63-65。借助于开关控制信号将开关63-65中的每一个切换至a端或b端，这样设备6的作用方式就分别与第一实施例设备中的第一编码装置1和第二编码装置4相同了。
Qfix产生电路通过开关65提供一预定的固定Qp和Qfix给量化器53。数据存储器66有一个比存储器69更大的容量，其恢复存储器69所储存的数据并将恢复数据保存。
为了根据本发明第二实施例对输入数字视频信号编码，首先，路径控制电路60发出一第一开关控制信号给各开关63-65。对此响应，开关63-65切换到a端，开关64的a端是零或打开端，由此使比特计数器62的输出端通过开关63与存储器耦连，而变换系数通过开关65在量化器53按照根据Qfix产生电路61送来的Qfix所确定的Qs量化。
输入的视频信号以同参考图2所说明的第一编码装置1一样的方式编码；与量化相关被编码变换系数数据和与量化相关数据如运动矢量和预测模式信号以宏块一宏块模式从统计学器58提供给比特计数器62。
在比特计数器62，与量化相关和与量化无关各数据量被计数并提供给存储器69，作为比特分布信息保存在其中。在存储器69所保存的比特分布信息然后保存在数据存储器66。在比特分布信息获取过程中，由统计学器58得到的被编码数据未提供给传送缓冲器59。
一得到预定画面组的比特分布信息，就通过从路径控制电路60产生一第二开关信号来开始比特分配过程，为响应此第二开关信号，开关63-65中每一个都将其所连接端由a变为b。根据这一开关操作，比特计数器62、比特控制电路68和存储器69分别与比特控制电路68、量化器53和目标比特确定电路67相连，从而提供了设备6，其与图5所示第二编码装置4有相同的结构，并使量化器53根据由比特控制电路68所确定的Qp进行自适应量化处理。
在自适应量化处理对视频信号编码的过程中，对设备6的输入是与比特分布信息获取过程中所用的相同的输入数字视频信号。该输入数字视频信号可以由存储介质(未示出)如输入缓冲器或VTR(录相机)上安装的磁带中提供。例如，如果磁带是用作存储介质，一旦比特分布信息获取过程完成，磁带即被倒带，通过再次播放磁带将相同的输入数字视频信号提供给设备6。
此后，编码过程与图5所示第二编码装置4的一样。
下面对本发明的第三实施例进行说明。
图9是本发明的第三实施例的方框图。当参照图9时，图象信号从输入端子101提供给正交变换器102。连续的各个信号块的图象数据通过正交变换器102来进行哈达马变换或离散余弦变换这样的正交变换。正交变换器102对连续的各个信号块，输出包含一个直流成分(DC系数)和交流成分(AC系数)的多个正交变换系数。
从正交变换器102所输出的正交变换系数被提供给标准化器103，由标准化器103进行标准化。
标准化器103把输入DC系数进行标准化而成为标准的DC系数。标准化器103把输入AC系数进行标准化而成为标准的AC系数。DC系数的标准化与AC系数的标准化分开进行。标准DC系数和标准AC系数分别从输出端子所输出。标准化器103生成代表电平值和变动值的标准化信息(数据)，并输出。
输入DC系数的标准化方法和输入AC系数的标准化方法相互不同。由于DC系数对应于块内的平均值，因而，以与一般的取样值的标准化相类似的方法，使用极大值和极小值来对DC系数进行标准化。由于AC系数的平均值接近于零，则标准化根据AC系数的绝对值来进行。
连续输入的各块的DC系数的极小值和极大值分别被检测。
通过所检测的极小值和极大值，从极大值减去极小值，来得到极大值与极小值的差分值d1。
算出输入AC系数的绝对值，把所算出的绝对值乘2。把绝对值乘2的原因是考虑到峰值在绝对值算出时近似为二分之一这样的事实来进行的。
检测把AC系数乘2的绝对值的极大值d2。
与DC系数相关联的差分值d1和同样与AC系数相关联的极大值d2代表偏差量(偏差值)，因此，值d1和d2可以在后面同样进行处理。选择值d1和d2的较大的值，则使所选择的值为偏差值d3。
偏差值d3和极小值(代表电平值)被提供给未图示的矢量量化器，进行量化来减少信息量。
从未图示的矢量量化器所输出的被量化的代表电平值和被量化的偏差值代表标准化信息D。被量化的代表电平值和被量化的偏差值被变换为与信息的减小量相关的极小值(代表电平值)m和偏差值d。
从DC系数减去极小值而生成新的DC系数a。其结果，新的DC系数a的最小值等于零，DC系数的范围移动，由此，减少了信息量。
用偏差值d除以新的DC系数，由此，DC系数被进行标准化，而生成在0和1之间存在的标准化的DC系数，而输出给固定长度存储器104。
AC系数被进行延迟，而成为被延迟的AC系数b，用偏差值d除以AC系数b，由此，AC系数被进行标准化，而生成在0和1之间存在的标准化的AC系数，而输出给固定长度存储器104。
来自标准化器103的输出信号通过固定长度存储器而被延迟预定的时间，该预定时间被设定为补偿由前馈控制所引起的时间滞后。
AC和DC系数的被延迟的信号从固定长度存储器104提供给自适应量化器105。自适应量化器105以对各信号块而决定的可变量化步幅Sq来对AC和DC系数进行量化。来自自适应量化器105的输出数据通过熵编码器106被编码为赫夫曼代码这样的可变长度编码。
在较大的量化步幅Sq被自适应量化器105使用时，表示来自熵编码器106的编码数据的比特数较小。反之，在较小的量化步幅Sq被自适应量化器105使用时，表示来自熵编码器106的编码数据的比特数较大。在该方法中，来自熵编码器106的输出编码数据量依赖于被自适应量化器105所使用的量化步幅Sq。来自熵编码器106的输出编码数据被暂时地存储在可变长度缓冲存储器107中。编码数据被从可变长度缓冲存储器107读出，而经过输出端子108以预定的固定传输率进行传输。
在使用赫夫曼代码的情况下，电平“0”的数据对应于最短的代码字，更大的绝对电平的数据对应于更长的代码字。由于AC正交变换系数的大部分存在于0附近，则数据的大部分由熵编码器106进行编码而成为短的代码字。这样，由熵编码器所进行的编码可以实现数据的充分压缩。
从标准化器103所输出的标准化信息信号D通过固定长度存储器104进行延迟。标准化信息信号由固定长度存储器104读出，经过输出端子109来进行传输。由于标准化信息信号数据具有固定字长，就不需要为标准化信息信号而准备缓冲存储器。
如上述那样，来自熵编码器106的输出编码数据量取决于由自适应量化器105所使用的量化步幅Sq。控制部A通过调整由自适应量化器105所使用的量化步幅Sq来控制来自熵编码器106的输出编码数据量。该控制被设计成这样在每个象一帧期间这样的预定期间内，把输出编码数据量近似地保持为预定的固定值上。控制部A根据由标准化器103所提供的非延迟标准化信息、由固定长度存储器104所提供的延迟标准化信息和代表实际的输出编码数据量Db的由熵编码器106所提供的信号来决定量化步幅Sq。
控制部A具有数据量预测器110和量化步设定器112。由标准化器103给数据量预测器110提供非延迟标准化信息。由固定长度存储器104给量化步设定器112提供延迟标准化信息。控制部A根据非延迟标准化信息和延迟标准化信息来执行前馈控制。
数据量预测器110具有ROM，该ROM保持对应于标准化信息而预定的块的代表编码数据而于必要的比特量相对的预测值。如上述那样，数据量预测器110从标准化器103受取代表标准化信息的信号D。数据量预测器110使用标准化信息信号作为与ROM相对的地址信号，以及从由地址信号所表示的ROM的场读出预测值，由此，根据受取的标准化信息来决定与比特量相对的预测值。与数据量相对的预测值随量化的粗度或精密度的程度而变化，因此，这些预测值被选择以便于对应于由自适应量化器105所使用的量化步幅。所决定的预测值被从数据量预测器110输出给阈值设定器111。阈值设定器111根据由数据量预测器110所提供的预测值来设定阈值。由阈值设定器111给量化步设定器112提供阈值。
量化步设定器112从固定长度存储器104受取延迟标准化信息，把延迟标准化信息与各块所对的阈值进行比较，由此，来决定块的等级。
根据等级来生成最初的量化步幅Sq。具有未图示的ROM，以存储被指定给每个地址的量化步幅Psqs的预定值。
根据等级来生成预测数据量PDb。所生成的预测数据量PDb与目标数据量相一致。具有未图示的ROM，以存储被指定给每个地址的预测数据量PDb的预定值。
由于根据块等级来决定地址，则根据块等级来选择预测数据量PDb的预定值。预先决定预测数据量PDb的值的过程与预先决定由数据量预测器110所使用的每块的比特量的预测值的过程相同。采用统计地计算出的平均值来作为预测数据量PDb的值。
熵编码器106在对应于一个块的期间生成代表从熵编码器106所输出的编码数据的实际量Db的信号。实际数据量信号从熵编码器106输出给减法器113。减法器113生成预测数据量PDb与实际数据量Db的数据量差分(误差)。数据量误差从减法器113提供给累积加法器114中的未图示的加法器。
累积加法器114具有保持累积加法计算值K的未图示的块保持电路。加法器把数据量误差与累积加法计算值K进行加法运算，而生成新的累积加法计算值，把新的累积加法计算值输出给未图示的块保持电路。在块保持电路中，累积加法计算值K被新的累积加法计算值所置换，这样来更新累积值。累积加法计算值K由未图示的块保持电路提供给量化步设定器。
其中，累积加法计算值K被变换为移位信号DSq。把最初的量化步幅PSq进行加法运算，来生成提供给适应量化器105的最终量化步幅Sq。
如上述那样，在控制器A的数据量预测器中，预先决定与块的数据量相对的预测值来作为标准化信息的函数。与块的数据量相对的预测值和标准化信息之间的关系被选择为保证预定期间的来自熵编码器106的输出编码数据量被近似地保持为预定的恒定量。采用统计地计算出的平均值来作为与块的数据量相对的预测值。
阈值设定器111根据由数据量预测器110连续提供的各块的预测数据量来预测在预定期间所输出的数据量。在阈值设定器111中，选择或决定为各块的分类所使用的阈值，以便于使在一帧期间这样的预定期间所输出的数据的预测量等于预先设定的目标量。
由于对应于块的各等级来决定量化步幅，则阈值中的偏差带来了量化步幅中的变化。这样，在一帧期间这样的预定期间所输出的数据的实际量就能等于预先设定的目标量。
特别是，阈值设定器111，在一帧期间这样的预定期间内，把由数据量预测器110连续提供的各块的预测数据量进行合计，由此，来计算出在预定(例如一帧)期间内所输出的预测数据量。在数据量预测器110中准备多组预定的阈值。通过使用在预定期间内所输出的数据的预测量和预定的阈值的各组来评价输出数据实际量。
在该方法中，对于输出数据的实际量的评价值能够与预定的阈值的各组相一致。评价值被与预定的目标值相比较，而选择等于目标值或者小于目标值并且最近的评价值的一个。从阈值设定器111输出与所选择的评价值相一致的阈值的组。
阈值设定器111的功能与下述处理相一致。为了得到在一帧期间这样的预定期间内所生成的其的合计，来把从数据量预测器110连续输入的输出编码的预测量进行加法运算。预测量的合计被与在一帧期间这样的预定期间内所生成的输出编码的目标量进行比较。根据预测量的合计与目标量的比较结果来决定与预定期间中的连续的块相对的阈值。阈值的决定被设定成把输出编码的实际量维持在输出编码的目标量上。所决定的阈值被连续地输出给量化步设定器112。
在一般的图象信号的情况下，预测数据量PDb的累积值略等于实际数据量Db的累积值，累积加法计算值K接近于零。在实际的实际量Db被偏置的情况下，累积加法计算值K显然是负或正的，量化步移位器119生成能够补偿实际数据量Db的偏置的移位信号DSq。
如上述那样，量化步设定器112把累积加法计算值K变换为移位信号DSq。基本上于编码的特性相独立地来决定向移位信号DSq的累积加法计算值的变换特性，并且，累积加法计算值K被设定为不超过预定的上限Kmax。
如从上述中所看到的那样，通过使用预测数据量来进行前馈控制。得到预测误差而作为前馈控制的结果。前馈控制根据预测误差来进行。在与几个块相对应的期间这样短的期间中，反复进行前馈控制和反馈控制。上述的数据编码量的控制在各个一帧期间的结束时刻上把数据量误差维持在上限Kmax以下。在前馈控制部中所决定的阈值与目标数据量相关而需要具有上限值Kmax的裕量。
尽管本发明以优选实施例作为说明，在不背离由所附权利要求确定的本发明精神和范围的前提下可以有各种修改和变化。
权利要求
1．一种对含有与量化相关信号和与量化无关信号的视频信号进行编码的方法，其步骤为(a)用一固定量化参数量化与量化相关信号，以产生第一量化数据；(b)分别对第一量化后数据和与量化无关的信号进行统计学编码，以分别提供第一和第二数据；(c)将第一数据量和第二数据量储存；(d)根据预定目标比特率和第一、第二数据量来确定每个视频信号单元的编码比特的目标量；(e)根据编码比特目标量确定一个或多个量化参数；(f)根据确定的量化参数来量化与量化相关数据以产生第二量化数据；和(g)对第二量化数据和与量化无关信号进行统计学编码，以由此分别产生第三数据和第四数据作为视频信号的编码数据，其中，根据编码比特目标量和编码数据量之间的差异，量化参数被自适应地确定。
2．根据权利要求1的方法，其中每个单元与视频信号的一个画面相对应。
3．根据权利要求1的方法，其中每个单元与视频信号的一个宏块相对应。
4．根据权利要求1的方法，其中对视频信号的每个画面和宏块确定编码比特目标量。
5．根据权利要求1的方法，其中所述确定步骤(d)包括如下步骤(d1)根据目标比特率、画面组中的画面数以及视频信号的画面速率计算一预定画面组的编码比特目标量；(d2)对该画面组，通过从该组的编码比特目标量中减去该组的第二数据来检测该组的与量化相关编码比特的目标量；(d3)找到与画面组中每一画面相应的第一数据量相对于与该画面组相应的第一数据量的比值；(d4)将该画面组的与量化相关编码比特目标量乘以步骤(d3)所得到的比值，由此得到每一画面的与量化相关编码比特目标量；(d5)将步骤(d4)中得到的与量化相关编码比特目标量与每一画面的第二数据量相加，以确定每一画面的编码比特目标量。
6．根据权利要求5的方法，其中所述确定步骤(d)还包括如下步骤(d6)计算对应于一画面中每一宏块的第一数据量相对于该画面的第一数据量之比值；(d7)在步骤(d4)中得到的该画面的与量化相关编码比特目标量乘以(d6)中得到的比值，以由此提供每一宏块的与量化相关编码比特目标量；和(d8)将(d7)提供的与量化相关编码比特目标量与每一宏块的第二数据量相加，从而确定每一宏块的编码比特目标量。
7．根据权利要求5的方法，其中每一画面第二数据的量通过将每个画面中多个宏块的第二数据各量加和得到，而每个画面的第一数据量通过将每一画面中所含的多个宏块各自的第一数据量加和得到。
8．一种对含有与量化相关信号和与量化无关信号的视频信号进行编码的设备，其特征在于包括一第一编码装置，其具有一第一量化装置，用于根据一固定量化参数量化与量化相关信号，以产生第一量化数据，一第一统计学编码装置，用于对第一量化数据和与量化无关信号编码，以分别提供第一数据和第二数据，和一第一计数装置，用于对第一和第二数据分别计数；用于存储第一和第二数据的存储装置；和一第二编码装置，其具有用于确定每一预定视频信号单元编码比特目标量的装置，根据编码比特目标量为每个单元产生一个或多个量化参数的装置，一第二量化装置，用于根据所确定的量化参数量化与量化相关信号，以产生第二量化数据，一第二统计学编码装置，用于对第二量化数据和与量化无关信号编码，以分别提供第三数据和第四数据，作为视频信号的编码数据，和一第二计数装置，用于对第三和第四数据分别计数。
9．根据权利要求8的设备，其特征在于所述量化参数产生装置包括检测编码比特目标量和编码数据量之间差别的装置；和根据所述差别自适应地调节量化参数的装置。
10．根据权利要求8的设备，其特征在于每个单元与视频信号的一个画面相对应。
11．根据权利要求8的设备，其特征在于每个单元与视频信号的宏块相对应。
12．根据权利要求8的设备，其特征在于对视频信号的每个画面和宏块确定编码比特的目标量。
13．根据权利要求8的设备，其特征在于对视频信号的每个画面和宏块储存其第一和第二数据量。
14．根据权利要求8的设备，其特征在于还包括一个延迟装置，用于将视频信号延迟直至第一和第二数据量存入存储装置，然后其将视频信号送给第二编码装置。
15．一用于对含有与量化相关信号和与量化无关信号的视频信号编码的装置，其特征在于包括对与量化相关信号进行量化以提供第一量化数据的装置；对第一量化数据和与量化无关信号进行统计学编码以分别产生第一数据和第二数据的装置；一计数装置，用于得到第一数据量和第二数据量；用于储存第一数据量和第二数据量的装置；一目标比特确定装置，用于根据目标比特率和所储存的第一和第二数据量确定视频信号每个预定单元的编码比特目标量；一比特控制装置，用于根据编码比特目标量确定初始量化参数，并根据编码比特目标量和统计学编码装置产生的编码数据量之差来进一步确定量化参数，以此产生所确定的量化参数；用于设置固定量化参数的装置；和控制装置，用于将固定量化参数耦连到量化装置，并输入第一和第二数据量到到存储装置，此后，将所储存的第一和第二数据量、计数装置的输出和确定的量化参数分别提供给目标比特确定装置、比特控制装置和量化装置，由此自适应地在量化装置中控制量化步长。
16．根据权利要求15的设备，其特征在于每个单元是视频信号的一个画面。
17．根据权利要求15的设备，其特征在于每个单元是视频信号的一个宏块。
18．根据权利要求15的设备，其特征在于对视频信号每个画面和宏块确定编码比特的目标量。
19．一种代表所编码的输出数据而控制必要的比特数的系统，包括把输入数据进行编码而成为代码并且输出上述代码的装置；在各个第一预定期间内预测由编码装置所输出的输出代码中的比特数的装置；为了得到在长于上述第一期间的第二预定期间内所生成的预测比特数的合计来把输出代码中的预测比特数进行加法运算的装置；对应于所得到的合计来控制来自编码装置的输出代码中的实际比特数的装置；连续生成在各个第一期间所生成的输出代码的预测比特数和输出代码的实际比特数之差的装置；用于对上述差进行累积而成为累积值的装置；用于根据累积值来控制来自编码装置的输出代码的实际比特数的装置，由此，能够把在各个第二期间内从编码装置所输出的代码中的实际比特数保持在预定量以下。
20．一种编码输出数据量控制系统的解码装置，其特征在于，包括对使用权利要求19的控制比特数的系统来进行编码和传输的控制信息进行解码的控制信息解码装置；和由上述所解码的控制信息所控制并且进行编码数据的解码动作的编码数据解码装置。
21．一种代表所编码的输出数据而控制必要的比特数的系统，包括把输入数据进行编码而成为代码并且输出上述代码的装置；用于预测来自编码装置的代码的输出率的装置；用于根据预测率来控制来自编码装置的代码的输出实际率的装置；用于检测来自编码装置的代码的输出实际率与目标率之差的装置；根据所检测出的差来控制来自编码装置的代码的输出实际率的装置。
22．一种编码输出数据量控制系统的解码装置，其特征在于，包括对使用权利要求21的控制比特数的系统来进行编码和传输的控制信息进行解码的控制信息解码装置；和由上述所解码的控制信息所控制并且进行编码数据的解码动作的编码数据解码装置。
全文摘要
在编码设备中采用的一种方法,根据与量化相关和与量化无关信号为视频信号的每个画面和块分配比特。首先,与量化相关信号根据固定量化参数被量化,量化数据和与量化无关信号被统计学编码以由此产生第一数据和第二数据。每个画面和块的编码比特目标量根据目标比特率和第一、第二数据量确定。画面和块的编码数据量根据编码比特目标量,通过按编码比特目标量和所产生编码数据量之差来可调节地改变量化参数而实现自适应地控制。
文档编号G06T9/00GK1230080SQ9810093
公开日1999年9月29日 申请日期1998年3月19日 优先权日1998年3月19日
发明者菅原隆幸, 上田基晴, 中川裕史, 西谷胜义, 藤原光章 申请人:日本胜利株式会社