用于在视频压缩系统中消除轮廓的预处理器的制作方法

专利名称：用于在视频压缩系统中消除轮廓的预处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及视频处理器，特别是涉及用以减小由衰减过程压缩的数据而再现的均匀场影象区中影象轮廓加重现象(contouring)的方法和装置。
为了以比模拟技术更有效的方式传送视频数据，目前已提出了许多不同形式的数字视频信号压缩系统。大部分这种系统都是以逐块方式来处理取样的视频信号，其中每块包含一个阵列，该阵列由8行每行8个象素组成。这些系统中的一个具体系统演变出一个称为“MPEG”的标准。目前多数视频信号压缩过程倾向于是有衰减的，也就是，由衰减压缩数据再现的影象显得比原来的影象要少。
再现视频影象(例如在MPEG1或MPEG2处理过程中)所出现的问题之一在于在一些相当均匀场的(平滑的)暗影象中轮廓的可见性。也就是，在较暗的均匀场影象中，由明显界定的轮廓所分开的不同强度的分离区域是可察觉的。这些轮廓是由不同的影象强度跨度而表现出的。相邻轮廓区域之间的强度差可能是很小的，但是，在一定观看条件下看上去可能非常明显从而很不舒服。在正常观看条件下，该轮廓加重大致看不出来，但是，在周围光线较暗的环境(例如在黑暗的房间中看电视)或当影象调整到高反差或高亮度时，其轮廓加重则极为明显。
类似的轮廓加重现象也出现在影象是由简单的模拟-数字-模拟转换而再现的情况下，这时该转换过程的量化分辨率是不够的。例如，如果一幅影象是以8比特而量化的，则在再现的影象中不表现出轮廓加重现象。但是，如果一个视频信号以8比特量化而随后又经衰减过程压缩，则在接着解压缩和再现时，其轮廓加重现象在较暗的均匀场影象中将会呈现。
本发明人已经确定在原来的数字化源影象中看不出轮廓加重的主要原因在于存在有抖动噪音(dithering noise)。设想有一模拟视频信号，它是由一个慢变化的等斜率函数表示的，该信号用以传输n－1至n＋1之值。求取各连续值并使之数字化。如果取样的时刻正好为该等斜率函数表示n－1、n、n＋1值的时刻，得出的信号会产生一个轮廓加重的影象。但是，取样时刻通常出现在信号处于各值之间的那些时刻，因此从概率上看转换过程可以产生造成表现“灰色”区的信号值中的任一个。这些灰色区有呈现低电平噪音的倾向，而该噪音有使轮廓加重效应降低和平缓的作用。类似地，如果原来的信号包含随机噪音，则该噪音将对转换过程有低电平的干扰，此转换过程也将产生一个降低或平缓轮廓的信号。
在抖动噪音起作用以阻止轮廓加重的影象区中，视频信号源与信号终端之间的任何处理过程都有意或无意地清除或减少了噪音，这将带来一定程度的不想出现的轮廓加重。这种情况可能发生在位速率控制中所用的视频编码器(压缩器)中。例如，在一个MPEG编码器中，代表相当平滑区的各块可能被迫成为交流系数余数(ACcoefficient residues)全为零值的状态(即所谓“非-码(no-code)”状态)，或者压缩量化可能产生交流系数余数为零值的结果。另外，直流系数余数的微小编差可能被压缩量化而去除，而这种偏差本来是会使再现的图象中的轮廓平缓下来的。
MPEG编码是采用有限动态范围而完成的。如果量化系数的值超过了动态范围，则出现箝制状态，这种箝位造成非常不希望出现的人为可见形象。MPEG的实施，通常要检查箝制状态，当出现这种状态时，用一些近似的量化参数以迭代法重新进行量化处理，直到箝制状态消除为止。如果抖动噪音的作用不充分，则用来处理箝位的近似量化参数就去除很多，引起块化和轮廓加重。
本发明的目的在于提供一种编码方法和装置，用于调整视频信号，以减小由压缩的视频信号再现的影象中的轮廓加重情况。本发明的方法包括在完成压缩之前对视频信号的一个预调整步骤，以有效地放大表示相当平滑的影象区的视频信号部分。在一个典型实施例中，对一存储器进行编程，使其处于将数字化信号的幅值作为地址而输入该存储器中的再绘制的各地址位置。该项编程被安排成能增大较低幅值的范围，而有效地让较高的幅值原封不动地通过。
以下参照附图对本发明进行描述。其中

图1、2、9和12为示出实现本发明的交流幅度重绘函数的曲线图；图3为实施本发明的包括一信号幅度重绘器的视频信号编码器的方块图；图4、5、6、7、8、10和11为实现本发明的交流重绘装置的示意图。
图1示出可明显减小衰减压缩视频信号轮廓加重的视频信号幅度重绘函数的一般形式。该重绘过程是在预压缩处理期间完成的，并可在模拟或数字信号处理领域内实施。示出的该传递函数减小了相当暗影象区中的轮廓加重现象，但轮廓的减小也可对亮的均匀场影象区完成。
在相当暗的影象区，轮廓加重情况是借助加强低电平噪音而减小的。这是通过扩大或放大较低幅度信号的有限范围而实现的。在图1中，45度的直线表示一等同的绘制图线，即产生不变的原来的视频信号或源视频信号。分段直线表示预压缩的预调整函数。应注意的是，表示相当暗影象的信号值与表示相当亮影象的信号值相比，是以较大的放大因数而放大的。最好是，对较亮的影象信号的增益很小或者没有增益或偏移。
从一个典型实施例中可看到发明人所用的压缩装置，该装置的信号动态范围值是0-255，其源信号最好应在从约20到约50的范围被放大。如果在该典型实施例中有任何可察觉的改变，则须稍作变化，使之包括从0至20的范围。
所示的分段线性传递函数的高增益部分的斜率表示有2倍的增益，但是，对于不同的系统会有不同的放大因数。最佳斜率或增益与系统所引入的算法以及压缩系数量化的粗略程度有关。因此，个别系统的最佳斜率要由测量加以确定。
图1中的平滑曲线示出了一个可替代的轮廓减小或再绘制传递函数。
图2示出了第二种类型的再绘制函数，它对影象的整体亮度没有影响。其中以起始阶跃增量值代替了暗影象值，其平均斜率为1。该传递函数倾向淹没一些影象区域，而放大其他区域之间的抖动噪音。用这种传递函数会减小暗影象的幅度分辨度，但也增强了输入信号某些区域内的信号变化。这种幅度绘制形式的整体影响在于减小了再现影象中的可见轮廓。这后一函数还有这样的优点，即其实施起来相当简单。
图3示出一种移动补偿预见型的视频信号压缩/编码器，例如可用来按MPEG规程提供信号。图3中，模拟视频信号由信号源10提供，该信号源可以是摄象机、录象机等。视频信号加到模/数(A/D)转换器11上，从而产生一个表示该模拟信号的二进制取样信号。此二进制数字视频信号加到滤波器/格式器12上，以调整视频信号供压缩。滤波器/格式器12可包括对视频信号进行抗混淆滤波(antialiasfilter)和次取样、将各场组合为各帧、并按MPEG规程的要求在相继的各组帧中对各帧重新编顺序的装置。
由滤波器/格式器12提供的信号加到幅度重绘器13上，以对低幅度取样信号进行扩展和放大。来自重绘器13的取样输出信号在移动补偿预见压缩器14中被压缩，以完成各象素值块上的压缩过程。元件14可以例如按MPEG1或MPEG2视频标准提供经压缩的视频信号。该压缩视频信号耦合到传送处理器15，在其中该信号被分段并与首标连接，以形成供传输的信号色。这种构成信号包的方式增强了传输信号的整体传输性能。传送包加到调制器16上以便传输。错误编码和/或信号混洗(signal shuffling)可包含在传送处理器15中，或包含在调制器16中。
由图可看出，重绘器13紧接滤波器/格式器12，但是所述函数既可在A/D11之前直接构成亦可在其后直接构成。
图4以最通用形式示出重绘器13的第一个典型实施例。该实施例为一个只读存储器(ROM)，可编程在各个地址位置上，以产生图1或图2所示的任一个传递函数。这是通过对地址位置(图1和2中横坐标上的值)随图1和2纵坐标上反映的代表传递函数的值而变化所进行的编程完成的。工作时，将视频信号(从A/D11或滤波器/格式器12加入)耦合至ROM的地址输入端口，而由ROM输出端口取出被传送的或幅度重绘的视频信号。
图5示出一个模拟幅度重绘器，该重绘器提供了一个类似于图1中所示的平滑曲线的传递函数。图5中包括一个运算放大器26，该放大器带有一负反馈电路，其由串联在放大器26的反向输入端和输出端之间的电阻22和25形成。二极管23和24以相反极性并联在电阻25上。来自信号源端20的视频信号经电阻21加到所述反向输入端。可调的直流电压加到放大器26的非反向输入端。假定电阻21、22和25的阻值分别为R、R和KR，其中K为一常数。对于幅度小于这些二极管的正向击穿电压除以(1＋K)之值的输入信号，放大器26输出的增益为(1＋K)。对于较大的输入信号，增量实际上等于1，因为二极管23或24之一将导通，从而使电阻25短接。由于设有正向导通的二极管，因此提升了输出信号的直流数值，于是将一电平移位器28串联在放大器26上，以对直流值的这一升高进行补偿。应当指出，通过调整施加到非反向输入端的直流值，这种电路方案可加以调节，以实现在一有限范围的不同输入幅度上的增益增加。例如，如果已确定平均幅度为V的视频信号代表了一个均匀场影象区，则可以调整施加于所述非反向输入端上的直流电位，以调节这一范围。
图6示出一个典型的数字式实施方案，可得到一个分段的线性重绘函数。图6中，以数字表示的视频信号经端子30加到数字乘法器31和门限检测器32上。乘法器31有两个可供选择的乘法因子A和B，其中A＞B。当输入视频信号值小于和大于一预定值“N”时，则乘法器分别执行以因子A和B相乘的乘法。数值N是分段线性重绘函数的输入信号转折点的值。放大因子A和B之间的转换是由门限检测器32完成的，当输入信号越过N值时，该检测器产生一个增益变动控制信号。为了防止在增益改变时刻出现直流间断，当采用放大因子B时，将一直流值b加到相乘后的输出中。该直流值是由源35提供的，并经一与门33可选择地耦合到加法器34上，而与门33可选择地由门限检测器32启动。相乘后的视频信号加到加法器34的第二输入端，使加法器输出重绘的信号。这一情况认定重绘函数Vid.out为Vid.out＝A Vid.in当Vid.in＜N时；Vid.out＝B Vid.in＋b 当Vid.in≥N时。放大因子B可选为等于(255－AN)/(255－N)，从而实际上不影响较亮影象区的直流或亮度的变化。这时b将有以下的值b=255(N)(A-1)(255-N)]]>其中假定为8位数字视频取样信号，且Vid.out在输入值为255时等于Vid.in。
图7示出另一典型实施例，以建立图2所示的函数。图7中，视频信号50加到多路复用器53的一个输入端V5和检测器51的输入端上。来自源52的四个常数(数值1至数值4)耦合到多路复用器53的其他各输入端V1-V4上。来自检测器51的控制信号加到多路复用器53的控制输入端上，以有选择地使输入端V1-V5上要用的信号之一通过。
检测器51设计成有五种输出状态，以选取五个信号中的一个，每种输出状态相应于输入信号的一个邻接范围。例如，状态5相应于输入信号≥50的范围。当检测出状态5时，耦合到多路复用器输入端子V5上的视频信号就作为输出信号通过。当视频信号值落在与状态1-4相关的范围之一内时，相应的值(数值1至数值4)就作为该范围的输出信号通过。在该例中，各不同范围1-4可以覆盖输入值的相等或不等的数目，于是可安排其产生幅度绘制函数中的任何一族。其中感兴趣的一个函数由下式给出0UT＝Qi[X/ai]式中Qi分别为各范围的输出电平，ai表示各范围，[]代表整除。
图8示出一种重绘器，该重绘器不是只在较暗影象区中工作的。也就是，其重绘函数是在任何均匀场影象区上做出的。在图8中，元件70不必代表一个实际的处理元件，而将其包括进来以指示以逐块处理方法处理的象素块的各个8×8阵列。8×8象素块中的象素数据加到延迟元件72、用以选择各块中最小象素值的最小值检测器73、及均匀度检测器71上。均匀度检测器71与门限检测器75连接，用以确定象素数据的各块是否示出了均匀场影象区。检测器71可取不同形式。作为一个例子，检测器71可产生一输出值D71，即各块中象素值的标准偏差。另外，检测器71也可以产生这样的输出值71，它是按例如下式所示的差值之和 或 式中Pi，j代表一块中各不同象素值，而Pmin和Pavg是各个块中的最小和平均象素值。
如果和D71十分小，则可推知所含象素的幅值基本上相等，表明为均匀场影象区。由经验确定门限值，并将其引入门限检测器75中。当个别块呈现的D71值小于门限值时，门限检测器75使与门76和80启动，反之则不启动。与门76启动后，当时的块的值D71就加到延迟元件77上，将与原先块相关联的D71值储存起来。在减法器78中对当时的和原先的块的D71值相比较，将其差值加到第二个门限电路79上。如果相继两块的D71值之差小于电路79的门限值时，电路79就将一启动电位加到与门80上，反之则不加启动信号。以下可清楚看出，如果与门80上的两个输入都有启动信号时，不同的代表均匀场信号的小幅值变动会被选择性地增强或升高，而该信号的平均值则基本上不变。也就是，如果当时的块表示一均匀场影象区，而原先的块也表示有类似特性的均匀场影象区，则当时的场会使低电平的变动增强。
来自延迟电路72的象素值加到加法器82的一个输入端口上，同时也加到减法器74的被减数输入端上。最小值检测器73将所述个别块的最小象素值加到减法器74的减数输入端上，减法器74的输出值是该块的最小象素值的变动值，亦即低电平变动值(不是用减法器74中的所述最小值，也不能采用平均值)。低电平变动值加到乘法器81上，在其中以因子A或零改变其尺度。如果加到与门80上的两个输入均为启动信号，则来自减法器74的差值块以A改变尺度，否则以零改变尺度。改变了尺度的低电平差值块加到加法器82的第二输入端口上。如果某一块的尺度因子为零，则由电路81提供给加法器82的值也为零，于是加法器82的输出为不变的视频信号。反之，如果某一块的尺度因子为A，则放大了的低电平信号变化由电路81加到加法器82上，于是加法器82产生一个其低电平信号变动加强了的代表均匀场影象的信号，从而可阻止轮廓加重。
另一种模拟或数字式绘制装置可取一种μ规则的扩展器/压缩扩展器的形式。
CCIR601标准给出了以数字表示的视频信号与其对应的模拟视频信号之间的绘制对应关系。按照这一说明，一视频信号在(16∶235)范围内，其亮度分量的各离散的取样值，在对应“黑”的最小值和对应“白”的最大值之间描绘出一线性模拟电压。以数字表示的其值为16或更小的象素因而应当产生相同的最小“黑”电压，而在值为235或更大时，应产生相同的“白”峰值电压。
作为视频压缩标准的MPEG使用了CCIR601。因此，低于16的象素亮度值是不许可的，在系统的处理过程中都应改为16，然后才加到数/模转换器上。另一种替代方法是，将数/模转换器制成对任何等于或小于16的输入值都产生相同的最小“黑”电压。但实际上，严格遵循CCIR601是极少碰到的。大多数数/模转换器均取0至255的输入值的全部范围，并产生一线性输出电压。在某些情况下，可用绘制
来代替对全电压变动范围内绘制[16，235]。在另一些情况下，当给出[16，235]范围外的值时，也就产生了该指定范围外的电压。因此，低于16的输入值似乎会出现“比黑更黑”的情况。
如果允许用低于16的值，较好也是非常简单的办法还是有效地进行幅度绘制，以减小轮廓，这可根据以下关系实现如果(X＜16) 则Y＝0；而如果(X＜32)则Y＝α(X－16)；其他值时 Y＝X其中X和Y分别为输入和输出值，α为一常数。设α等于2时，绘制的关系如图9所示。这一函数可用随机逻辑的硬件和开关实现，例如用图10所示的装置实现。该电路实现了一组较少有效位的选择性的比特向左移位(即朝向更多有效比特位置的移位)，该移位是由更多有效比特所表示的值的函数。用X[i]表示各输入取样的比特，而用y[i]表示各输出取样的比特，对于八位取样信号，其i＝0……7。利用布尔代数，设z＝x[7]＋x[6]＋x[5]y
＝x
zy[i]＝x[i]z＋x[i－1]x[4]z′当i＝1－4y[i]＝x[i] 当i＝5－7其中z′是z的补数。函数y[i]＝x[i－1]x[4]z′表示在输入取样的值大于16而小于32时比特1-4中一个比特向左移。这一个比特的移位相当于2的α值。
图10中，用或门(OR)来实现函数z，而该或门连同开关排S1一起来实现函数x[i]z＋X[i－1]x[4]z′。将对于i＝0－4的各输入比特耦合到第一开关排S1上。在取样输入值大于32时，开关排S1的状态如图上所示。为小于32的值时，开关排S1中的各开关处于与其相反的状态。因此，当为大于32的值时，开关排S1的各开关S1i让相应的比特值通过；而如果取样值小于32时，则各开关S1i让次低有效值的比特通过，但开关S10让零值通过。该开关排所提供的输出值耦合到第二开关排S2的相应输入接点上。输入值小于16时，开关排S2对于全部比特都提供零值，除此之外，开关排S2提供由开关排S1所输出的各输出值。前种情况出现在或门的输出为低且比特x[4]呈现低状态时。这种情况由与非门感测。图10中所表示的开关排S2的状态是对于与非门呈现低输出电平时的状态。
图11示出为实现由图10电路得到的函数的完整随机逻辑电路。图11中，函数z由或门100实现，而函数数z′由反向器101实现。i＝1－4的各比特值在输入值大于或等于32(或门100为逻辑高)时由与门Ai提供，而在输入值小于32(或门100为逻辑低且反向器101为逻辑高以及比特x[4]为逻辑高)时由与门Bi提供。各比特的与门Ai和Bi的输出值在各自的或门Oi中非添加地进行组合。这里不再对该电路作详细说明，因为数字电路设计领域内的一般技术人员都很容易理解其工作原理。
图2以放大了的方式示出由图11的电路在输入值小于32的范围内所提供的输出信号。该输出信号是一单调信号，其平均斜率或增益为2。应注意，16和32之间的输出值实际上是由其真实值中提取的(值16-32被绘制成0-32的值)，但表示为大于1的增益被定义为dy/dx，即每单位输入的变化引起的输出变化值。
这种特殊的绘制方式有以下优点a)很容易实现，能降低轮廓加重假象；b)可见侧边效应(visual side-effects)很小，不影响正常影象的总亮度；c)绘制是一比一的，处理过程中无信息损失。如果须要，可以进行反向绘制，以精确还原原来的象素数据；和d)对编码效率只有轻微影响，甚至加到没有轮廓加重的正常影象上时也影响很小。
权利要求
1.一种在视频压缩系统中用于减小均匀场影象区中轮廓加重效应的方法，其特征在于包括提供一个待压缩的视频信号；仅在均匀场影象区中有选择地放大所述视频信号的幅度变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轮廓减小仅对表示相当暗的影象的视频信号进行；而所述有选择地放大步骤包括以增益值大于1的第一增益函数放大代表相当暗影象的视频信号，并以增益值小于所述第一增益函数的第二增益函数放大代表相当亮影象的视频信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择地放大步骤包括设置一存储器，将其编程在各地址位置上，这些地址位置具有相应于按一第一增益函数进行尺度变换的第一邻接范围的地址值和按一第二增益函数进行尺度变换的至少第二邻接范围的地址值的值；并且将所述视频信号加到该存储器的地址端口上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择地放大步骤包括按照一种μ规则特性压缩扩展所述视频信号，其中较小信号幅度要被放大，而较大信号幅度不被放大。
5.如权利要求1所述的方去，其特征在于，所述有选择地放大步骤包括将第一范围的视频信号幅度值绘制成为一个第一常数值；将第二范围的视频信号幅度值绘制成为一个第二常数值；将第三范围的视频信号幅度值绘制成为一个第三常数值；将第四范围的视频信号幅度值绘制成为其等量值；其中所述第一、第二、第三和第四范围表示连续递增的各视频信号幅度值范围，而所述第一、第二和第三常数值是连续递增的值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二范围小于所述第一范围，所述第三范围小于所述第二范围，而所述第四范围则大于所述第一、第二和第三范围。
7.一种在视频信号压缩系统中用于减小再现影象中轮廓加重的装置，其特征在于包括所述视频信号的信号源(10)；一种器件(13)，与所述信号源耦合，用于有选择地放大在相当均匀场影象区内所述视频信号的幅度变化，其放大是以比表示相当不均匀场影象区的视频信号或表示亮影象区的视频信号的增益函数更大的增益函数而进行的；和一视频信号压缩器(14)，与所述器件耦合，用于压缩所述视频信号。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述器件包括一存储器，具有与所述信号源连接的地址输入端口和与所述视频信号压缩器连接的数据输出端口，该存储器被编程在以第一地址数据值的数值对应关系表示较亮影象信号的地址位置上和以第二地址数据值的数值对应关系表示较暗影象信号的地址位置上，所述第二对应关系代表比所述第一对应关系更大增益的函数。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述器件包括一存储器，该存储器具有与所述信号源连接的地址端口和与所述视频信号压缩器连接的数据输出端口，所述存储器被编程在以第一常数值表示较暗影象信号的第一范围的地址位置上、以第二常数值表示次暗影象信号的第二范围的地址位置上、和以所述地址各自的值表示更次暗影象信号的第三范围的地址数值上，其中所述第二常数值大于所述第一常数值。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述器件包括一放大器，该放大器具有与所述信号源连接的输入端子、与所述视频信号压缩器连接的输出端子、还有连接在其输入与输出端子之间的非线性反馈电路，用以实现对表示暗影象的视频信号比对表示亮影象的视频信号有更大的放大作用。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述器件是一个μ规则压缩扩展器。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述器件是以大于1的增益放大表示暗影象的视频信号，而以小于1的增益放大表示亮影象的视频信号。
13.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述视频信号取数字取样的格式，而所述器件则包括一逻辑电路，用以有选择地使输入视频取样信号的较少有效比特向较多有效比特位置移位。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述逻辑电路包含一个对所述输入视频取样信号的较多有效比特作出响应的器件，用以产生一个调节所述逻辑电路的控制信号，以便对超过一预定值的输入视频取样信号有选择地使其较少有效比特向较多有效比特位置移位。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述逻辑电路包含对所述输入视频取样信号的较多有效比特作出响应的器件，用以对于超过一预定值的输入取样信号，使所述输入视频取样信号的较少有效比特传递到一输出端口的相应比特位置上；而对于小于所述预定值的输入视频取样信号，使所述输入视频取样信号的较少有效比特传递到所述输出端口的各自的大于1比特有效位的比特位置上。
16.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述信号源是一模拟视频信号源；且包括与所述信号源耦合的一个模/数转换器；一数字放大器，与所述模/数转换器连接，用于以比对于表示亮影象视频信号的变化的增益函数更大的增益函数有选择地放大表示暗影象视频信号的变化；所述视频信号压缩器与所述数字放大器耦合，用于以逐块的方式压缩视频信号，以产生一个压缩了的视频信号；和一调制器，用于调制要传输的所述压缩视频信号。
全文摘要
一种调节视频信号以减小由压缩(14)视频信号再现的影象中轮廓加重现象的编码方法和装置，包括在完成压缩之前对视频信号的预调节，以便有效地放大表示相当平滑的影象区部分中的噪音。在一典型实施例中，将一存储器编程在各自的地址位置上，以重绘(13)作为地址而施加到该存储器中的数字化(11)信号的幅值。编程的目的是要增大较低幅值的范围，而让较高的幅值有效地原封不动地通过。
文档编号H04N5/93GK1117695SQ9510729
公开日1996年2月28日 申请日期1995年7月17日 优先权日1994年7月18日
发明者M·H·陈 申请人:汤姆森消费电子有限公司