专利名称：比率控制方法、视频帧编码器及帧缓存压缩系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于视频帧压缩，尤其是关于 一种帧緩存压缩比率控制方法及其装置。
背景技术：
为了满足显示技术不断增长的需求，高分辨率(high-resolution)与高彩 (high-color)液晶显示器(Liquid Crystal Display,以下简称为LCD)已被广泛 应用到电视领域。 一般来说，用于存储即将在高分辨率与高彩LCD上显示的图 像的帧緩沖器需要高度活跃(high activities)的帧緩存存取。而这种高度活跃的 存取动作会占用大量带宽，造成巨大的功率消耗并缩短电池的使用寿命。因此， 需要对存储在帧緩冲器中的数据进行压缩。按照现有的压缩规则，如无损压缩 LZW (Lempel-Zif-Welsh)或LZ77,有损压缩JPEG ( Joint Photographic Experts Group,联合图像专家组)，其压缩比率很难精确控制。因此压缩后的帧大小难 以预知，并且需要为其保留很大的存储空间，这就影响了帧緩冲器内存的有效 利用。此外，如果不能精确控制压缩比率，则不允许进行随机存取，也不能对 存储在帧緩冲器中的帧进行"部分更新"。"部分更新"是指在当前帧与其先前 帧只有甚少变化的情况下，仅更新当前帧的某个或某些部分即可。例如，LCD 控制器仅更新帧緩冲器中与先前帧不同的部分，而不需更新整个帧。因此，需 要一种能够以预设压缩比率对帧进行压缩的压缩规则，用于帧缓存压缩，以实 现内存的有效利用并允许随机存取。发明内容有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种比率控制方法及其相关装置， 用于视频帧压缩，以解决上述无法精确控制压缩比率及无法进行随机存取等问 题。依据本发明一实施例，提供一种比率控制方法，用于视频帧压缩，包含有6将视频帧分割成为多个帧片段；依据多个压缩比率对一个帧片段进行压缩，以
产生分别对应于多个压缩比率的多个编码输出；基于目标比率从多个编码输出 中选择实际编码输出；以及打包(packing)实际编码输出以产生压缩数据。
依据本发明的另一实施例，提供一种视频帧编码器，包含有分割单元， 用于将视频帧分割为多个帧片段；数据压缩模块，耦合于分割单元，用于依据 多个压缩比率对一个帧片段进行压缩，以产生分别对应于多个压缩比率的多个 编码输出；选择模块，耦合于数据压缩模块，基于目标比率从多个编码输出中 选摔实际编码输出；以及打包单元，耦合于选择才莫块，用于打包实际编码输出， 以产生压缩数据。
依据本发明的又一实施例，提供一种帧緩存压缩系统，包含视频帧编码器、 存储器以及视频帧解码器。视频帧编码器包含分割单元，用于将视频帧分割 为多个帧片段；数据压缩才莫块，耦合于分割单元，用于依据多个压缩比率对一 个帧片段进行压缩，以产生分别对应于多个压缩比率的多个编码输出；选择模 块，耦合于数据压缩模块，基于目标比率从多个编码输出中选择实际编码输出； 以及打包单元，耦合于选择模块，用于打包实际编码输出，以产生压缩数据。 存储器用于存储视频帧编码器输出的压缩数据。视频帧解码器用于解码存储器 所存储的压缩^据以供显示。
与现有技术相比较，本发明的有益效果包4舌通过对压缩比率进4亍控制， 使随机存取成为可能，从而允许视频帧的部分更新，实现了内存的有效利用。
图l是依据本发明实施例的视频帧编码器的方框图。 图2是依据本发明实施例的視频帧编码方法的流程图。 图3是筒单差分脉冲编码调制编码器的实施例的方框图。 图4是简单差分脉冲编码调制解码器的实施例的方框图。 图5是帧-爰存压缩系统的实施例的方框图。
具体实施例方式
在本说明书以及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件，本领域 的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件，本 说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则，在通篇说明书及权利要求书当中所提及的"包含有" 是开放式的用语，故应解释成"包含有但不限定于"，此外，"耦合" 一词在此 包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述第一装置耦合于第二 装置，则代表第一装置可以直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接 手段间接地电气连接至第二装置。
阅读了下文对于附图所示实施例的详细描述之后，本发明对所属技术领域 的技术人员而言将显而易见。
请参考图1，图l是依据本发明实施例的视频帧编码器ioo的方框图。视频 帧编码器100用于依据预设的压缩比率对视频帧进行压缩。如图1所示，视频 帧编码器100包含分割单元110，用于将视频帧分割为多个帧片段；数据压缩模 块120，用于压缩视频帧片段，其中数据压缩模块120根据不同的压缩比率压缩 各个帧片段，其中每一帧片4爻压缩后会产生多个编码输出；选择模块130，用于 从多个编码输出中选择实际编码输出；以及打包(packing)单元140 ，用于打包 实际编码输出以产生压缩数据。以下详细描述4见频帧编码器100的具体操:作。
开始时，纟见频帧编码器100的分割单元110将^L频帧VF逐行分割为多个帧 片段，其中视频帧VF由许多像素组成，每个帧片段包含M个像素，M为正整 数。如果M二8，则一个帧片段包含8个像素，Pl，…，P8。请注意，]VN8仅为 举例，并非用于限定本发明。某些实施例中，每一帧片段包含8个像素，用于 形成三原色(RGB)信号的各成分。视频帧编码器100更包含检测单元112，用 于检测帧片段FS的数据是否属于帧片段FS的第一像素。举例来说，如果确定 上述数据属于第一像素(即像素Pl的数据)，检测单元112直接输出所述数据 到打包单元140;反之，检测单元112将非第一像素的数据(即像素P2至P8 的数据)输出到数据压缩才莫块120。
数据压缩模块120包含压实(compacting )单元122与多个编码模块124。 每一编码模块124包含量化器126与编码单元128。压实单元122压实接收自检 测单元112的数据(即像素P2至P8的数据)，以产生压实输出CPOP。各量化 器126_1,…，126_8分别对应于预设的量化值，并依据预设量化值量化压实输出 CPOP,以产生量化输出QOP。各编码单元128—1,…，128_8分别连接于量化器 126_1,…，126—8，依据修正的指数哥伦布(Exp-Golomb, Exponential-Golomb ) 编码规则对接收自所连接的量化器的量化输出QOP进行编码，以产生编码输出 COP，并将其输出至选择才莫块130。本实施例中，压实单元122为差分脉冲编码调制器(Differential Pulse Code Modulator,以下简称为DPCM),利用差分脉沖 编码调制来压实数据。DPCM系统仅传输连续取样值之间的数字编码差异，因 此减少了窄带信号传输所耗费的时间及成本。在DPCM编码器中，图像的取样 值可预测，实际值与预测值之间的差异被量化并传输。DPCM解码器包含类似 的预测器，利用传输来的差异信号的量化值重建扫描的图像样本。图3与图4 分别显示了简单DPCM编码器与DPCM解码器的实施例的方框图。
另夕卜，本实施例中的数据压缩模块120包含8个编码模块124—1，…，124—8; 然而，此处的编码模块的数目仅为举例说明，并非用于限定本发明。各编码模 块的量化器的预设量化值是不同的，举例来说，量化值为1，2,4，8, 16，32，64及 128,因此，数据压缩模块120将压实输出CPOP转换为8个不同的编码输出 COPl，…，COP8。
选捧模块130包含位库(bit pool) 132、选择器134以及计算单元136。位 库132用于緩存限额(quota)值QV。选择器134依据限额值QV和目标比率从 多个来自数据压缩模块120的编码输出COPl,…，COP8中选择出实际编码输 出ACOP,并将实际编码输出ACOP输出到打包单元140。计算单元136依据实 际编码输出ACOP来更新緩存于位库132的限额值QV。本实施例中，限额值 QV为实际编码输出ACOP的数据大小限额。通常来说，预设量化值越大，编码 输出的数据大小越小。然而，如果增大预设量化值，则会造成更多数据信息的 丢失。为了获得数据大小与数据信息之间的最佳关系，考虑到目标比率，选择 器134从多个编码输出COPl，…，COP8中选择数据大小最接近但不大于数据 大小限额的编码输出作为实际编码输出ACOP，并将其输出到打包单元140。计 算单元136从数据大小限额中减去实际编码输出ACOP的数据大小，计算出剩 余数据大小RDS，然后将RDS加到数据大小限额以更新数据大小限额。下一个 实际编码输出ACOP将依据更新后的数据大小限额来进行选择。
举例来说，假设本实施例的视频帧编码器100具有50%的视频帧压缩比率， 且一个8像素的帧片段中有192比特数据。凄史据大小限额预设为192*50%=96 比特。假设对应于8个编码输出COPl,…，COP8的8个像素的累积数据大小分 别为154、 130、 111、 90、 83、 67、 46以及31比特，其中所述编码输出是基于 8个不同量化值而产生的。COP4的数据大小90比特最接近(且不超过)96比 特，因此选择器134选择COP4作为帧片段的实际编码输出ACOP。计算单元 136计算出剩余数据大小为96-90=6比特，并将数据大小限额更新为96+6=102比特。假设以8个不同量化值压缩后的下一个8像素(下一个帧片段)的累积 数据大小分别为114、 108、 98、 91、 85、 71、 52以及36比特。由于更新后的 数据大小限额为102比特，选择器134选择COP3 (数据大小为98)作为实际 编码输出ACOP。计算单元136计算出剩余凄史据大小为102-98=4比特，并将数 据大小限额更新为102+4=106比特，以选择下一实际编码输出，后续以此类推。
打包单元140对来自4企测单元112的像素Pl的数据和来自选择模块130的 像素P2至P8的数据实际编码输出ACOP进行打包处理(像素Pl，…，P8均属 于帧片段FS),以产生对应于帧片段FS的压缩凄史据CD。压缩数据CD记录用 于压缩帧片段FS的量化值。
请参考图2，图2是依据本发明实施例的视频帧编码方法的流程图。此方法 不须严格按照图2所示的步骤进4亍，也可获4寻相同的结果。本实施例的视频帧 编码方法可由图1所示的视频帧编码器100来执行，方法包含下列步骤
步骤200:将视频帧分割为多个帧片段；
步骤202:视频帧的数据是否为帧片段的第一像素？若是，转至步骤210; 若否，继续步骤204;
步骤204:调制数据以产生调制输出；
步骤206:并行量化并编码调制输出，以产生多个编码输出； 步骤208:依据目标比率从多个编码输出中选择实际编码输出； 步骤210:打包帧片段第一像素的数据与所选择的实际编码输出，以产生压 缩数据。
阅读了前述揭露之后，所属领域的技术人员很容易理解图2所示每一步骤 的确切操作，因而为简洁起见，此处不再赘述。
图5显示了帧援存压缩系统500的实施例，包含视频帧编码器510、存储器 520以及^L频帧解码器530。 一见频帧编码器510可具有与图1所示一见频帧编码器 IOO相同或相似的结构。某些实施例中，碎见频帧编码器510利用DPCM与指数 哥伦布(Exp-Golomb， Exponential-Golomb )编码来决定各个并行的比率，以压 缩视频帧，这些视频帧将存储到存储器520中。通过计算各像素之间的差异、 以不同的量化值对差异进行量化以及利用指数哥伦布(Exp-Golomb， Exponential-Golomb)将其编码为码字(codeword),可对—见频帧的数据进行分割 与编码。对每一量化值，可累积对应于相同片段的码字的长度。将不同量化值 的累积长度与限额值相比较，从而选择出匹配最好的量化值。匹配最好的量化值所对应的编码输出，被打包成为压缩数据，存储到存储器520中。当显示终
端请求显示视频帧时，视频帧解码器530从存储器520中取回压缩数据。
由于压缩数据的各行或各片段具有固定的比特率，从而使随机存取成为可
能，因此，上文所述的视频帧编码器510与帧li存压缩系统500的实施例，允
许视频帧的部分更新。
所属技术领域的技术人员可轻易完成的均等改变或润饰均属于本发明所主
张的范围，本发明的权利范围应以权利要求书所限定的范围为准。
ii
权利要求
1.一种比率控制方法，用于视频帧压缩，包含有将视频帧分割成为多个帧片段；依据多个压缩比率对一个帧片段进行压缩，以产生分别对应于该多个压缩比率的多个编码输出；基于目标比率从该多个编码输出中选择实际编码输出；以及打包该实际编码输出以产生压缩数据。
2. 如权利要求1所述的比率控制方法，其特征在于，该压缩该帧片段的步骤 包含压实该帧片段以产生压实输出；以及依据该多个压缩比率对该压实输出进行编码，以产生该多个编码输出。
3. 如权利要求2所述的比率控制方法，其特征在于，该编码该压实输出的步 骤包含依据 预设量化值对该压实输出进行量化，以产生量化输出；以及 编码该量化输出以产生编码输出。
4. 如权利要求3所述的比率控制方法，其特征在于，该压实该帧片段的步骤 包括计算当前值与先前值之间的差异。
5. 如权利要求3所述的比率控制方法，其特征在于，该编码该量化输出的步 骤包括，基于修正的指数哥伦布编码规则将该量化输出转换为码字。
6. 如权利要求1所述的比率控制方法，其特征在于，该选择该实际编码输出 的步骤包含緩存限额值；依据该限额值及该目标比率从该多个编码输出中选择该实际编码输出；以及依据该实际编码输出更新该限额值。
7. 如权利要求6所述的比率控制方法，其特征在于，该限额值是指数据大小 限额，并且在该>^人该多个编码输出中选#^亥实际编码输出的步骤中，比较该数 据大小限额与该多个编码输出的数据大小。
8. 如权利要求7所述的比率控制方法，其特征在于，该选择该实际编码输出的步骤更包含选择数据大小最接近但不大于该数据大小限额的编码输出作为 该实际编码输出。
9. 如权利要求7所述的比率控制方法，其特征在于，该更新该限额值的步骤 包含将该数据大小限额与该实际编码输出的数据大小之间的差异加到该数据 大小限额。
10. 如权利要求1所述的比率控制方法，其特征在于，该分割步骤逐行分割 该视频帧。
11. 一种一见频帧编码器，包含有 分割单元，用于将视频帧分割为多个帧片段；数据压缩模块，耦合于该分割单元，用于依据多个压缩比率对一个帧片段 进行压缩，以产生分别对应于该多个压缩比率的多个编码输出；选捧模块，耦合于该数据压缩^^莫块，基于目标比率从该多个编码输出中选 择实际编码输出；以及打包单元，耦合于该选择模块，用于打包该实际编码输出，以产生压缩数据。
12. 如权利要求11所述的视频帧编码器，其特征在于，该数据压缩模块包含 压实单元，耦合于该分割单元，用于压实该帧片段以产生压实输出；以及 多个编码才莫块，耦合于该压实单元，用于依据该多个压缩比率对该压实输出进^f亍编码，以产生该多个编码输出。
13. 如权利要求12所述的视频帧编码器，其特征在于，该每一个编码模块包 含有量化器，耦合于该压实单元，用于依据预设量化值对该压实输出进行量化， 以产生量化^T出；以及编码单元，耦合于该量化器，用于编码该量化输出以产生编码输出。
14. 如权利要求13所述的视频帧编码器，其特征在于，该压实单元为差分脉 冲编码调制器。
15. 如权利要求13所述的视频帧编码器，其特征在于，该编码单元依据修正 的指数哥伦布编码规则对该量化输出进行编码。
16. 如权利要求11所述的视频帧编码器，其特征在于，该选择模块包含有 位库，用于緩存限额值；选择器，耦合于该位库，用于依据该限额值及该目标比率从该多个编码输出中选择该实际编码输出；以及计算单元，耦合于该选择器与该位库，用于依据该实际编码输出更新该位库中的该限额值。
17. 如权利要求16所述的视频帧编码器，其特征在于，该限额值是指数据大 小限额，并且该选择器比较该数据大小限额与该多个编码输出的数据大小，以 从该多个编码输出中选择该实际编码输出。
18. 如权利要求17所述的视频帧编码器，其特征在于，该选择器选择数据大 小最接近但不大于该数据大小限额的编码输出作为该实际编码输出。
19. 如权利要求17所述的视频帧编码器，其特征在于，该计算单元通过将该 数据大小限额与该实际编码输出的数据大小之间的差异加到该数据大小限额， 来更新该限额值。
20. 如权利要求11所述的视频帧编码器，其特征在于，该分割单元逐行分割 该视频帧。
21. —种帧緩存压缩系统，包含有 视频帧编码器，包含分割单元，用于将视频帧分割为多个帧片段；数据压缩模块，耦合于该分割单元，用于依据多个压缩比率对一个帧片 段进行压缩，以产生分别对应于该多个压缩比率的多个编码输出；选捧模块，耦合于该数据压缩模块，基于目标比率从该多个编码输出中 选择实际编码输出；以及打包单元，耦合于该选择^t块，用于打包该实际编码输出，以产生压缩数据；存储器，用于存储该视频帧编码器输出的该压缩数据；以及 视频帧解码器，用于解码该存储器所存储的该压缩数据以供显示。
22. 如权利要求21所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该数据压缩模块包含压实单元，耦合于该分割单元，用于压实该帧片段以产生压实输出；以及 多个编码模块，耦合于该压实单元，用于依据该多个压缩比率对该压实输 出进行编码，以产生该多个编码输出。
23. 如权利要求22所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该每一个编码;溪块 包含量化器，耦合于该压实单元，用于依据预设量化值对该压实输出进行量化，以产生量化输出；以及编码单元，耦合于该量化器，用于编码该量化输出以产生编码输出。
24. 如权利要求23所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该压实单元为差分 脉冲编码调制器。
25. 如权利要求23所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该编码单元依据修 正的指数哥伦布编码规则对该量化输出进行编码。
26. 如权利要求21所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该选择模块包含有 位库，用于緩存限额值；选择器，耦合于该位库，用于依据该限额值及该目标比率从该多个编码输 出中选择该实际编码输出；以及计算单元，耦合于该选择器与该位库，用于依据该实际编码输出更新该位 库中的该限额夂f直。
27. 如权利要求26所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该限额值是指数据 大小限额，并且该选择器比较该数据大小限额与该多个编码输出的数据大小， 以从该多个编码输出中选择该实际编码输出。
28. 如权利要求27所述的帧缓存压缩系统，其特征在于，该选择器选择数据 大小最"l妄近但不大于该数据大小限额的编码lf出作为该实际编码输出。
29. 如权利要求27所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该计算单元通过将 该数据大小限额与该实际编码输出的数据大小之间的差异加到该数据大小限 额，来更新该限额值。
30. 如权利要求21所述的帧緩存压缩系统，其特征在于，该分割单元逐行分 割该-见频巾贞。
全文摘要
本发明提供一种视频帧编码器，包含有分割单元，用于将视频帧分割为多个帧片段；数据压缩模块，耦合于分割单元，用于依据多个压缩比率对一个帧片段进行压缩，以产生分别对应于多个压缩比率的多个编码输出；选择模块，耦合于数据压缩模块，基于目标比率从多个编码输出中选择实际编码输出；以及打包单元，耦合于选择模块，用于打包实际编码输出，以产生压缩数据。本发明所提供的视频帧编码器，通过对压缩比率进行控制，使随机存取成为可能，从而允许视频帧的部分更新，实现了内存的有效利用。
文档编号H04N7/26GK101540903SQ200810110738
公开日2009年9月23日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年3月19日
发明者叶松宏 申请人:联发科技股份有限公司