专利名称：使用降噪处理的视频信号压缩装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及差动脉冲编码调制(DPCM)视频信号压缩装置的降噪处理，更具体讲，涉及用于DPCM环路中的降噪装置。
当现行图像易于由时间上相邻近的图像中予以预测时，对视频信号压缩的预测编码所起的作用最好。但是，当源图像含有噪声时，准确预测较为困难，而压缩效率减小，或其重现图像品质衰退，或两种现象兼而有之。因此，合乎理想的是，在压缩程序之前使须压缩的视频信号噪声减至最小。
试考虑
图1，所示为先有技术预测图像编码系统。元件12-22构成为实际预测编码器，容待说明于下。这一先有技术的降噪装置通常包括有递归降噪滤波器10，用以使视频信号在压缩前被预处理。场或帧递归滤波器，由于其能使有效信号带宽内的噪声分量有效减小，乃较为人所钟爱。但是，这种滤波器属记忆敏感型且需要有相当精密的处理电路，以使噪声明显减小而不使动态图像有不希望的赝像引入。
本发明的目的在于以最低限度的额外硬件提供高度有效的降噪装置，及预测编码器方法。
本发明包括有预测性DPCM压缩装置，其中，有简单的非线性处理元件包括于DPCM环路中，以消除预测与真实图像信号间的较预定值为小的残余。这种残余的消除，使包括纵有适量噪声在内的信号所产生压缩数据量大为减小。
图1所示为先有技术的DPCM压缩装置的方框图。
图2和图4所示为包括有根据本发明的降噪装置的另一种压缩装置方框图。
图3和5所示为图2和4的降噪装置示例性非线性传输函数图解。
兹就视频压缩内容方面说明本发明，该视频压缩与国际标准化组织的动态画面专业组MPEG所建立的标准所列的相类似。MPEG规约中所列载的动态补偿预测性编码，对于帧内编码与帧间编码皆有规定。亦即是说，每一第N帧皆予帧内编码，以确保有正常时间性信号补充。插入帧是以连续帧内的压缩数据作帧间或DPCM预测性编码，须视前面帧而定。帧内编码帧标示为I帧，而帧间编码帧则标示为P或B帧，须视其是只向前预测，抑或分别向前及向后预测而定。预测编码程序包括使各图像区分为若干小区，并搜索相邻图像以在相邻图像中找出完全相同或近似相同的区域。在相邻图像中区域的定位，以及现行图像区域与相邻图像的对应的相同或相似区域间的差异被编码以便于传输。注意，如果相对应区域实际上完全相同时，所有差异皆为零，则此区乃可以以识别相对应区域的定位的向量及表示所有差异皆为零的码字予以编码。因此，压缩后的相同或似图像就可以较少的码字实现。另外，如果图像中含有少许噪声时，应当理解，帧与帧图像区域的相关性就随残余数据中伴随而来的增加及压缩码字对应的增加而恶化。
在图1中，经由诸如摄影机所产生的视频信号加至递归降噪器10，以调整视频信号的压缩。其余装置则为相当熟知的结构，因此只作概略说明。来自降噪器10的I帧像素数据毫无变化地经由减法器12传输至编码器15。编码器15于像素数据(8×8像素)上实施离散余弦转变(DCT)，以产生DCT系数。该系数经予量化后以控制数据速率，并依预定顺序排定次序，以有助于使大部分零值系数组合，而实现行程编码。于是，编码器依扫描宽度及依统计方式使系数编码。编码的表示像素数据被加至格式器19，其所附信息依照所选定压缩规约，例如，PEG2，代表了帧内各块的源位置，编码类型(I，P，B)，帧号，时标等。来自格式器的数据加于传输处理器20，以使格式化的数据区分为有特定位数的有效负载分组而产生识别符，以追踪相关的有效负载，产生同步信息，及导出误差校正/检测码，并使后者皆附加于相关有效负载分组而形成传输分组。该传输分组被加至适当的调制解调器22上以便于传输。
来自编码器15的I压缩帧被加至解码器16，以执行与编码器15相反的功能。对于I压缩帧而言，解码器16的输出为重现的I帧。此去压缩后的I帧经由加法器18毫无变化地传输至缓冲存贮器17予以储存供随后P或B帧作预测压缩用。P或B帧的预测编码亦相类似，在此说明P帧的压缩。现行压缩的P图像帧被加至动态预测器14，用以使此帧区分为，例如16×16的像素。预测器16于是搜索前面的I或P帧的相类似16×16像素块，并计算出向量组，以显示现行帧内块及所搜索帧内最近似块空间座标上的相对差异。利用此一向量使来自缓冲存储器17内相对应去压缩帧的相对应块耦合至减法器12，使其依逐像素方式将来自存储器17中的预测块，由所去压缩的现行帧的相对应块中减去。经由减法器所提供的差异或残余被加至编码器15，其中的处理方式与I帧像素数据相若。经由预测器14所产生的向量被耦合至格式器19，其中，使之包括在内而成为与各块相关的编码的数据的一部分。
经压缩后的P帧于解码器16中解码而加至加法器18。同时使由其中所预测的图像帧的各块皆经由预测器13从缓冲存储器中存取，并被加至加法器18的第二输入上，其中，解码后残余或差值，依逐像素方式相加而使实际图像复原。来自加法器18复原后的像素P帧数据被储存于缓冲存储器17，供依预测方式使随后的P或B帧编码/解码。
重要的是须予注意，当处理I帧时，预测器以0值加于减法器12及加法器18。所输入I帧，因而经由减法器12毫无变化地通过，而来自解码器16的解码后的I帧由加法器18毫无变地通过。
图2所示为本发明的第一实施例。图2中的压缩装置与图1的装置相似，而与图1中相同标号所标示的也执行相同功能。有两项主要差别为增加了非线性元件500，和执行图1的元件的13功能的元件1333的功能亦略有增加。
非线性元件500连接于减法器12与编码器15之间，该元件的配置系用以使只有超过某一预定值的信号值才予通过。元件500可为一简单的核化电路，此一电路对于凡低于某一预定值使一零值通过，对于高于预定值，使信号值减去预定值的信号值通过，如图3中逐段线性函数(曲线B)所示。此外，亦可采用更为典型的核化电路形式，此一电路对于小于某一预定值的所有信号值及所有信号值超过该预定值的信号值概以零值通过。元件500的再另一函数可为一更缓和弯曲的函数，诸如图3中标示为A的曲线。这些函数皆可通过将这些函数编程存入被将处理的信号寻址的存贮器的相关位址单元中来提供。
试考虑压缩器实施两种型式的压缩，即帧内与帧间压缩。在后一型式中，施加于元件500的信号取自两独立帧的像素差所产生的残余。在前一型式中，施加于元件500上的信号为未予变化的视频信号。后者的噪声功率为大于前者2倍的平方根，而后者的信号电平显然较低。因此，帧内视频信号的信噪比显然大于帧间残余的信噪比，而与使信号污染的噪声量无关。
由于信噪比的差异，在帧内压缩时所施加的非线性函数应不同于帧间压缩的情况。例如，如果非线性函数为逐段的线性核化时，帧内值于其下核化的预定值可能明显的大于帧间残余。另外，由于帧内信号的信噪比与残余比较时相当大，此非线性元件可予调整而使帧内信号无变化地通过。B帧的P帧预测性编码帧的相对信噪比亦可能明显的不相同，这要视P帧间的B帧数目而定。因此，对于不同类型的预测编码于元件500内应用不同的非线性函数可能是适当的举措。经由预测器1333实施非线性元件的适当控制，以使被编码的I，P和B帧施加以相关的控制信号。
图4所示实施例有助于所有各种型式的帧间和帧内压缩均使用相类似的非线性函数。图4中，标示与图1中元件相同标号的元件皆为相类似且执行相似功能。图4电路包括有减法器12与编码器15之间的非线性元件50。此非线性元件的功能可与图5中所示的(标准核化功能)或说明元件500的功能相类似。
在帧间压缩期间，开关SW1和SW2之位置与所示位置相交替。当开关于此一位置时，此系统的构成和工作方式正如图2系统的帧间编码。因此元件50的非线性函数将依照帧间编码的性能期望而选择。
至于帧内编码，来自解码器16的解码后帧间信号必须无变化地通过加法器18。这是通过利用开关SW1的方式而予完成的，是由预测元件133调整的，以在I帧编码期间通过零值。同时开关SW2移动至图4中所示的位置。
为使非性元件对于I帧信号具有有利影响，由于其信噪比相当高，I帧的信号依人工方式减小以便于降噪处理，并于降噪处理后，再予复原。I帧信号的减小是通过由产生预测的I帧并使此预测I帧施加至减法器12上而完成的。减法器所产生的差值与帧间残余的量值幅度相同，因此，非线性元件的工作情形亦相若。来自预测器133的预测信号于是回加至由非线性元件所提供的信号上，以使输入I帧信号复原为大体上其原来值。
有数种方法可用以产生预测的I帧，一种方法为只要调整预测器133由缓冲器17内的最后解码帧(可能是I帧)以至与现行I帧在同一位置的输出像素块。但是较佳方法为依与预测P或B帧相类似方式，预测I帧，以提供更准确的I帧预测。注意，预测须要有动态向量，它与时间上相区隔的帧内相类似的像素块空间对应。编码后I帧通常不包括动态向量。但是，由于编码器包括有动态向量的发生装置，用以产生P或B帧的向量，使此装置编程以产生I帧的动态向量，即为极简单的事。此等动态向量可用以在编码器上产生出预测I帧供降噪之用，然后予以抛弃，亦即，不包括于编码后的数据位流内。另外一方式是I帧动态向量可包括在编码后的数据位流内，如MPEG规约所倡议的供消除误差之用。
假定该非线性元件50经编程而使其量值大于T值(此值在标称上很小)的所有信号采样皆予通过。并假定由预测器所提供的信号为S(n)，而输入I帧的信号为I(n)。不考虑元件50，提供予开关SW2上方接点的信号乃为I(n)-S(n)。使此信号耦合至加法器52一输入端上，并以信号S(n)施加至加法器52的第二输入端。加法器产生信号I(n)-S(n)+S(n)＝I(n)。使这些值耦合至编码器15，且与输入值无变化。只有为由减法器12所产生的差动的输出值I(n)是在±T之内会受到非线性元件12所影响。因此，如果由预测器133所提供的I帧预测十分准确时，亦即在±T的偏差范围内时才有利，在此状况下，非线性元件50基本上只影响噪声分量。
上文说明假定各帧是以其整体编码为帧内编码帧或帧间编码帧。依MPEG标准，例如，使视频信号依逐块方式予以编码，且如果无法找到搜索帧中的接近匹配块时，即设法依帧内编码模式使P或B帧的某些块编码。在这种状况下，预测器13、133和1333将予编程，而使非线性处理元件15、50和500分别依逐块方式照现行处理类型予以切换。因此，在所附权利要求书内，如依据某一帧间处理模式提及压缩帧时，应予理解的是，这种帧内像素块的各块可帧内被处理，而权利要求的用意是适用于这样混合模式处理的各帧。
权利要求
1.一种用于压缩视频信号的移动压缩的差动脉冲编码调制(DPCM)压缩装置，其特征在于用于产生具有低和高幅度分量的残余的装置(12)，该残余为预测的像素值与所述被压缩的视频信号的现行帧的真实像素值间的像素值的差；和装置(15)，包括用来变换所述残余并提供压缩的所述视频信号的变换装置，还包括耦合在用来产生残余的装置的包括变换装置的所述装置间的非线性处理装置(500)，使对所述残余较低幅度分量的衰减比对所述残余较高幅度分量的衰减大。
2.如权利要求1的装置，其特征在于所述非线性处理装置为核化电路。
3.如权利要求1的装置，其特征在于所述的视频信号随帧而产生，而所述压缩装置使所述视频信号所述各帧中的若干帧是由帧内编码予以压缩的，而所述其它帧则由帧间编码予以压缩，且其中所述的装置进一步包括有用以调整所述非线性元件，以使其用与被帧内编码的帧处理方式不同的方式处理被帧间编码的帧的装置。
4.如权利要求1的装置，其特征在于所述视频信号随帧而产生，而所述压缩装置通过帧内编码压缩所述一些帧，并以帧间编码压缩所述其它的帧，其中所述图像信号预测装置在帧间编码期间使预测的图像帧通到所述减法器的第二输入端上，所述装置还包括加法器，该加法器具有耦合到所述减法器的第二输入端的第一输入端，耦合到所述非线性元件的输出端的第二输入端，和输出端;开关，具有分别与所述非线性元件和所述加法器的输出端耦合的第一和第二输入端子，以及耦合到所述压缩装置上的输出端子，和用来调整所述开关，当帧分别被帧间和帧内编码时，使信号加到其第一和第二输入端子上的装置。
5.如权利要求2的装置，其特征在于所述的视频信号随帧而产生，而各帧是根据一序列的差值压缩过程而压缩的，所述装置还包括用于调整所述核心装置，使其对所述不同的差值压缩过程加以不同的传输函数的装置。
全文摘要
在预测性DPCM压缩型的视频信号压缩装置中，其降噪电路包括有在DPCM环路(12，15，16，18，1333)内的简单非线性处理元件(500)，用以使预测和真实图像信号间的残余消除，该残余皆比预定值小。这种残余的消除，是使为包括纵为最适量的噪声在内的信号所产生的压缩数据量大为减少。
文档编号H04N7/32GK1110856SQ9411662
公开日1995年10月25日 申请日期1994年10月12日 优先权日1993年10月13日
发明者小·R·N·赫斯特, S·D·长沙凡特, P·H·米汉 申请人:Rca.汤姆森许可公司