用于对数字图像的序列进行编码的方法
【技术领域】
[0001] 本发明提及用于对数字图像的序列进行编码的方法以及提及对应的解码方法。更 进一步地，本发明提及用于对数字图像的序列进行编码的设备和用于对数字图像的序列进 行解码的设备。
【背景技术】
[0002] 在许多不同的应用中，例如，在监视系统中或在医疗影像设备中，产生大量的图像 和视频数据。因此，存在压缩该数据以便节约存储容量或以在传送该数据时减少带宽的需 要。
[0003]在现有技术中，存在很多标准以便压缩图像和视频数据。各标准的突出的示例是H. 264/AVC(AVC=高级视频编码，参见文献[1])以及将可能也被标准化为ITU-T建议H. 265 的标准草案HEVC(HEVC=高效率视频编码，还参见文件[2])。标准HEVC还将允许对经无损 编码的图像序列的实时传送。标准ffiVC和H. 264/AVC包括基于同一图像中的块的不同的 帧内预测模式。在那些模式中，针对邻近的已经被重构的像素来预测当前块。编码器通常 测试不同的预测类型并且选取相对于某个失真准则而具有最小代价的一个类型。针对当前 块构建预测误差并且将预测误差与预测类型一起传送到解码器。逐块（block-wise)预测 具有以下缺点：离被用于预测的参考像素远的像素不与参考像素良好相关。因此，对于那些 像素，预测误差通常更高。为了改善预测，可以减少块的尺寸。然而，这造成图像中的更高 数量的块，其导致用于预测类型的信令的更高的比特率。更进一步地，如果参考像素包含噪 声，则那些像素对于预测而言而变得次佳。
[0004] 在文献[3]中，描述了基于模板匹配的帧内预测模式。在该方法中，基于相邻于 候选块和要被预测的块的邻近像素的模板，在搜索区域中确定被用于当前块的预测的候选 块。与要被预测的块的模板相比而具有最好地匹配的模板的候选块将被用于预测。该预测 方案具有以下缺点：所预测的块仍是有噪声的，其对于有噪声的图像的压缩而言是次佳的。
[0005] 在文献[4]中提出了简单且有效率的逐像素（pixel-wise)预测方法。名为L0C0-I 的该预测方法使用简单且直接的前向算法来基于三个周围的像素预测一像素。该预测方法 对于用于有噪声的图像的压缩而言也不是最佳的。
[0006] 在文献[5]中，呈现了用于预测的基于最小二乘的方法。在那些方法中，执行要被 预测的邻近的重构像素的加权平均。为了得到用于平均处理的最佳权重，必须求解复杂的 方程组，造成相当多的计算开销。因此，在实际的应用中，不使用这样的预测方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供克服以上缺点并且使能具有低复杂度的有效率压缩的对数 字图像的序列的编码。更进一步地，本发明的目的是提供对应的解码方法以及用于编码的 设备和用于解码的设备。
[0008] 由独立专利权利要求来解决该目的。在从属权利要求中限定本发明的优选实施 例。
[0009] 根据本发明的用于对数字图像的序列进行编码的方法使用用于基于之前处理的 图像区域中的像素的重构值来预测图像中的像素的值的很多预测模式（即，至少一个预测 模式)。术语"像素的重构值"要被宽泛地解释并且取决于所使用的编码方案。对于无损编 码而言，像素的重构值与像素的原始值对应。在有损编码的情况下，像素的重构值与像素的 经编码的并且之后经解码的值对应。而且，像素的重构值还可以提及在对应的预测模式中 确定的像素的预测值。在当预测当前像素时还未执行相应的像素的编码和解码的情况下， 使用像素的预测值。
[0010] 在编码方法中，像素的预测值和原始值之间的预测误差被处理，用于生成经编码 的数字图像序列。
[0011] 本发明的方法的特征在于特殊的预设的预测模式，预设的预测模式是基于单个图 像的像素的帧内预测模式。该预设的预测模式包括如在以下阐述的步骤i)和ii)。
[0012] 在步骤i)中，针对单个图像中的具有重构值的像素的区和针对图像区域的模板， 把要被基于模板预测的第一像素周围的区中的像素的第一小块与若干第二小块进行比较， 每个第二小块被分配给区中的第二像素并且由基于模板的第二像素周围的区中的像素组 成。基于该比较，确定用于每个第二像素的相似度测量，相似度测量描述被分配给相应的第 二像素的第二小块的像素的重构值与第一小块的像素的重构值之间的相似度。
[0013] 在根据本发明的方法的步骤ii)中，基于第二像素的(重构）值的加权和来确定每 个第一像素的预测值，其中，通过加权因数来对每个第二像素的值进行加权，加权因数取决 于由用于相应的第二像素的相似度测量所描述的减小的相似度而单调地减小。此处并且在 以下，术语"单调地减小"意味着加权因数将至少针对相似度的更大减小而减小。换言之， 对于相似度中的更小减小，可以发生加权因数保持恒定。
[0014] 根据本发明的编码方法基于以下思想：已知用于对像素降噪的非局部均值算法 (参见文献[6])可以被适配以便被用于预测。为了这么做，被用于预测的模板被限制到图 像中的只包括像素的重构值的（因果）区。本发明的方法提供有效率的编码，而没有如在现 有技术方法中的情况那样求解线性方程组的需要。更进一步地，在被用于预测第一像素的 第二像素的数量上不存在限制。而且，不存在将边信息从编码器传送到解码器的需要，因为 根据本发明的预测方案是后向自适应的。更进一步地，基于样本地执行预测，从而预测误差 不取决于像素位置。
[0015] 在本发明的一个实施例中，加权因数是相似度测量或相似度测量的近似值，从而 不是必须执行加权因数的分离的计算。然而，加权因数还可以是在步骤i)中确定的所有相 似度测量上归一化的相似度测量或在步骤i)中确定的所有相似度测量上归一化的相似度 测量的近似值。
[0016] 在本发明的另一实施例中，针对预定的图像块中的第一像素逐块地执行预设的预 测模式。因此，该方法可以容易地与基于块的编码方案组合。
[0017] 在特定地优选实施例中，相似度测量基于第一小块和相应的第二小块中的对应的 (重构）像素之间的绝对或平方差之和。优选地，绝对或平方差之和被包括在相似度测量中 作为基数的负指数的至少一部分。为了相似度测量的容易且直接的计算，该基数优选地具 有值2。然而，也可以使用用于该基数的其它值。
[0018] 在本发明的特定地优选实施例中，基于整数运算来确定步骤i)中的相似度测量和 /或步骤ii)中的每个第一像素的预测值。这使能具有低计算工作的编码。在详细的描述 中，描述了在本发明的编码方法中如何可以实现整数运算的示例。
[0019] 在本发明的另一实施例中，在预先限定的表格中的查找被用于在步骤i)中确定相 似度测量。通过使用这样的预先限定的表格，用于编码的计算时间可以被进一步减少。优 选地，该表格针对第一小块和相应的第二小块中的对应像素之间的绝对或平方差之和的值 而提供相似度测量的值。
[0020] 在特定地优选实施例中，预设的预测模式被用于图像的序列的无损编码。
[0021] 在该情况下，在步骤i)中使用的像素的重构值等于像素的原始值。
[0022] 在本发明的另一实施例中，预设的预测模式被用于图像的序列的有损编码。优选 地，有损编码包括(经变换的）预测误差的变换和/或量化的已知步骤，其中，预测误差的逆 变换和/或去量化被执行，用于确定像素的重构值。在用于像素的预测误差还未经受变换 和/或量化的情况下，该像素的预测值被用作重构值。
[0023] 在特定地优选实施例中，预测误差的处理包括增强编码效率的熵编码步骤。
[0024] 在本发明的另一实施例中，基于以下任意准则来针对要被预测的每个第一像素确 定：预设的预测模式还是另一预测模式要被用于第一像素；和/或使用第一预测模式的哪 个参数或哪些参数。
[0025] 在本发明的另一变形中，在步骤i)中确定的所有相似度测量是零的情况下，与预 设的预测模式不同的另一预测模式被用于第一像素。
[0026] 在本发明的方法中，预设的预测模式的参数中的一个或更多个可以是固定的和/ 或可变的。所述一个或更多个参数优选地包括模板的形状和尺寸和/或区的形状和尺寸和 /或提及相似度测量的确定和/或第一像素的预测值的确定的一个或更多个参数。例如，参 数可以提及被用于计算相似度测量的以上描述的基数指数的值。
[0027] 在本发明的另一实施例中，在图像的编码序列中信令预设的预测模式和/或预设 的预测模式的参数。在详细的描述中，描述用于信令预测模式或对应的参数的不同变形。
[0028] 在本发明的特定地优选变形中，预设的预测模式被用作标准HEVC/H. 265中的预 测模式，对于该标准，目前存在草案版本。
[0029] 除了以上方法之外，本发明还提及用于对通过本发明的方法或者本发明的方法的 一个或更多个优选实施例来解码的数字图像的序列进行解码的方法。在解码方法中，从以 下来重构预测误差：图像的经编码的序列；以及在编码期间通过预设的预测模式处理的并 且经受包括如在以下描述的步骤i)到iii)的特殊的解码处理的图像的经编码的序列中的 像素的值。
[0030] 在步骤i)中，针对单个图像中的、具有之前在解码处理中已经确定的经解码的值 的像素的区和针对图像区域的模板，把要被基于模板预测的第一像素周围的区中的像素的 第一小块与若干第二小块进行比较，每个第二小块被分配给区中的第二像素并且由基于模 板的第二像素周围的区中的像素组成，从而确定用于每个第二像素的相似度测量，相似度 测量描述被分配给相应的第二像素第二小块的像素的经解码的值与第一小块的像素的经 解码的值之间的相似度。
[0031] 在步骤ii)中，基于第二像素的(经解码的）值的加权和来确定每个第一像素的预 测值，其中，通过加权因数来对每个第二像素的值加权，加权因数取决于由用于相应的第二 像素的相似度测量所描述的减小的相似度而单调地减小。
[0032] 在步骤iii)中，通过用于第一像素的对应的重构预测误差来校正每个第一像素的 预测值，造成第一像素的经解码的值。
[0033] 本发明还提及用于对数字图像的序列进行编码和解码的方法，其中，通过本发明 的编码方法来对数字图像的序列进行编码，并且其中，通过本发明的解码方法来对数字图 像的经编码的序列进行解码。
[0034]本发明还包括用于对图像的序列进行编码的设备，其中，该设备包括用于执行用 于基于之前处理的图像区域中的像素的重构值来预测图像中的像素的值的很多预测模式 的装置，其中，像素的预测值和原始值之间的预测误差被处理，用于生成数字图像的经编码 的序列。
[0035] 在该设备中，用于执行很多预测模式的装置包括用于执行预设的预测模式的装 置，预设的预测模式是基于单个图像的像素的帧内预测模式，其中，所述用于执行