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CN1173958A - 基于区域的纹理编码方法及译码方法以及相应的系统 - Google Patents

基于区域的纹理编码方法及译码方法以及相应的系统 Download PDF

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CN1173958A CN96191842A CN96191842A CN1173958A CN 1173958 A CN1173958 A CN 1173958A CN 96191842 A CN96191842 A CN 96191842A CN 96191842 A CN96191842 A CN 96191842A CN 1173958 A CN1173958 A CN 1173958A
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L·保查德
R·阿斯肯纳兹斯
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Abstract

本发明涉及对图象进行分割并对图象的轮廓及纹理进行编码的图象序列编码方法。纹理编码步骤利用适合于基于区域的编码方案的点阵矢量量化方法来完成,在基于区域的编码方案中,区域的形状是任意的。本发明能够在保持良好的图象质量的同时实现甚低的位速率,可应用于多媒体数据存储、视频和静止图象传输。

Description

基于区域的纹理编码方法 及译码方法以及相应的系统
本发明涉及编码图象序列中的图象的方法，该方法包括以下步骤：
(A)把每一当前图象分割成为均匀区域；
(B)编码所述区域的轮廓；
(C)编码所述区域的纹理。
本发明还涉及相应的译码方法和实施所述编码及译码方法的系统。
本发明可被应用于甚低位速率视频编码的领域，尤其对正在形成的支持数字音-视频数据的通信、存取和处理的新方式的编码标准MPEG4有吸引力。
在最新的图象编码技术中，基于区域的那些图象编码技术似乎非常有前途。这些图象编码技术基本上依赖于三个步骤。首先，(根据彩色和/或运动)把图象分割成为均匀区域，以便获得对相邻区域的划分。然后传送区域的轮廓。在被称为纹理编码的最后步骤中传送彩色信息。
基于区域的纹理编码过程的目标是对图象划分的每一区域内的灰度电平或彩色信息进行编码。如图1简要地所示，通常首先对原始图象(ORIM)各区域内的象素执行变换(图1中的TR)，以便获得更加适合于被量化和被编码(例如允许在频率空间内表示纹理信息的离散余弦变换或允许获得在空间/频率平面内的系数的形状自适应子波变换)的系数。然后对这些系数进行量化(Q)，最后利用熵编码器(COD)产生位流并将位流传送给传输信道(TRCH)。也是如图1所示，在译码器侧执行逆操作(熵译码DEC，逆量化Q-1，逆变换TR-1)，以产生再现图象(RECIM)。
已证实在所有对变换系数进行量化的技术中，点阵矢量量化(Lattice vector quantization)(LVQ)在编码成本和计算时间之间有良好的拆衷。这种技术-例如在T.C.Chen发表于“IEEE-Transactions on Communications”38卷(1990年5月第5期)704-714页上的论文“利用几何分解的点阵矢量量化”中有所描述-被经常用来量化子波系数并已被建立在基于块的结构的框架上。矢量量化依赖于利用属于组成了一组再现矢量的样本(也被称为码本)的码字对象素块(以下称为“矢量”)进行的逼近：为了传送和/或存储起见，使称为索引的一个二进制码字与每一被考虑的数据矢量相关联。在接收和译码侧，矢量量化器则使码本的再现矢量与已被传送和/或已被存储的索引相关联。众所周知的LBG算法-被经常用来设计矢量量化码本，例如在Y.Linde等人发表于“IEEE-Transactions on Communications”第28卷(1980年1月第1期)84-95页上的论文“矢量量化器设计的算法”中对其有所描述-有两个缺点：由于对每一矢量都必需浏览整个码本来找出在距离方面为最好的码字，所以高位速率的码本的建立是复杂的，并且利用在大的码本内的码字来逼近矢量需要较长的处理时间。
为了克服这些缺点，可以使用然而具有良好系数的次最佳矢量量化，在这些次最佳矢量量化中，条目是点阵(这种量化被称为点阵矢量量化(Lattice Vector quantization)，即LVQ)。点阵是在n维空间内位于整数距离处的点的阵列，即点阵包括一组线性无关矢量的累积组合。例如，点阵D(n)定义如下：
其中a1，a2，……an是m维实欧几里德空间中的所述矢量，而x1，x2，…xn是X的分量。
一些作者已提出了基于点阵D(n)的LVQ的快速量化算法：具有实坐标的矢量用两个最接近的整数矢量来逼近，码本内的码字是具有偶数和的码字。于是，即使对于大的码本也能够非常简单地搜索该码本内的码字。为了处理有限大小的码本，可以截断点阵(实际上只保留能量小于给定能量的矢量，以下把该给定能量称为“截断能量”，如图2中的TE)。此外，为了求得最小失真和位速率之间的最佳折衷，对点阵进行换算。为了编码矢量，利用换算因数r把它们投影在恒定能量的表面上或之内。称为拉普拉斯分布的锥形表面定义如下：
Figure A9619184200052
然后在编码侧执行以下主要步骤：
-截断点阵以便确定码本的尺寸；
-选择待编码源的最大能量；
-通过除以r＝最大能量/截断能量来把能量小于或等于最大能量的源矢量投影在截断点阵内；
-通过利用合适的归一化参数α对能量大于最大能量的源矢量进行换算来把它们投影在截断点阵的表面上，并将它们传送给译码器；
-将通过应用快速量化算法把已被确定的最接近点阵矢量的索引传送给译码器。
用图示方式说明D(2)点阵的LVQ编码阶段的图2表示三个输入矢量x1，x2，x3(用小圆圈来表示)和这些输入矢量的量化(量化矢量Ax用d1方块来表示)：x1的能量大于最大能量ME(用虚线来表示，而截断能量用标号TE来表示)，x2的能量等于最大能量，x3的能量小于最大能量。
能量化是量化的逆过程。它依赖于两个步骤：(a)找出与索引相关的点阵矢量，以及(b)用逆换算因数1/r对点阵矢量进行换算。
在处理基于块的方案时，变换系数按块分组，每一块组成将按上述过程被量化的一矢量。例如，在点阵D4的情形中，这种点阵经常在实验中被采用，待被LVQ量化的输入矢量被分割成为2×2大小的块。这样就可得益于变换系数的垂直和水平相关。但是，在基于区域的方案的情形中，由于区域具有任意的形状，所以不能进行这种分割。
本发明的第一个目的是提出新的基于区域的纹理编码方法，该方法使点阵矢量量化(LVQ)适应对任意形状进行处理的基于区域的方案。
为此，本发明涉及如在说明书开头一段所描述的编码方法，所述纹理编码步骤包括以下5个操作，对每一区域执行这5个操作：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形；
(b)把该矩形分割成2×2大小的块；
(c)把变换系数存储在大小为1、2、3或4的矢量内；
(d)选择相应于矢量大小的码本；
(e)对当前矢量进行点阵矢量量化；
对先前被变换的每一块执行操作(c)至(e)，以便获得所述系数。
这种方法提供了对区域的有效分割，这种有效的分割允许在处理相关变换系数块的时候适应任意的形状。
本发明的另一个目的是提出实现这一方法的编码系统。
为此，本发明涉及对图象序列中的图象进行编码的系统，该系统包括：
-在每一相继的当前图象中确定均匀区域的分割装置；
-分别编码所述图象的各个区域的轮廓和纹理的轮廓和纹理编码装置；
所述纹理编码装置包括对于每一区域以迭代方式执行以下操作的处理器：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形并把所述矩形分割成2×2大小的块；
(b)对每一块，把变换系数存储在大小为1、2、3或4的矢量内，选择相应于所述矢量大小的码本，并对每一矢量进行点阵矢量量化。
本发明的再一个目的是提出适合于译码按照所述编码方法被编码的信号的方法以及相应的译码系统。
为此，本发明涉及译码相应于已利用上述方法进行了编码的一系列图象的编码信号的方法，所述译码方法包括以下5个步骤，对每一个区域执行这5个步骤：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形；
(b)把该矩形分割成为2×2大小的块；
(c)确定矢量的大小；
(d)选择相应于矢量大小的码本；
(e)进行点阵矢量解量化(dequantization)；
对每一块执行操作(c)至(e)，本发明还涉及相应的译码系统，该译码系统包括：
-译码相应于各区域的轮廓的编码信号的译码装置；
-译码相应于各区域的纹理的编码信号的译码装置；
-再现相应于原始图象的图象的再现装置；
所述再现装置为了进行所述再现，包括对于每一区域以迭代方式执行以下操作的处理器：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形并把所述矩形分割成2×2大小的块；
(b)对于每一块，确定矢量的大小，选择相应于所述矢量大小的码本，并对每一矢量进行点阵矢量解量化。
参看以下描述的实施例将对本发明的这些及其它方面一清二楚。
在附图中：
图1简要地表示纹理编码和译码结构；
图2表示D(2)点阵的LVQ编码过程；
图3和4分别简要地表示编码一侧和译码一侧的形状自适应点阵矢量量化；
图5表示2×2大小块的区域分割；
图6表示将要被量化矢量的存储。
一般来说，建议的实现依赖于将会被详细描述的D(4)点阵的使用，但可以容易地将这种实现扩展为D(n)点阵的一般情形。对图象分割的每一个区域(箭头A)执行相同的处理，这种处理如分别相应于编码和译码侧的图3和4所示。
首先确定围绕当前区域的相等的水平和垂直长度的最小矩形(BSMR，即产生最小矩形)。然后如图5所示，把这一矩形分成(矩形分割RSPL)2×2大小的块，图5示出了当前区域CR和所述最小矩形SMR。对于每一块，把属于当前区域的变换系数存储(系数存储CSTO)在待量化的矢量内，该矢量的大小取决于系数的数目(在编码和译码侧使用相同的扫描：从左到右，从上到下，图6表示这一步骤)。这样就产生了大小为1、2、3或4的待量化矢量(ab、abc、abcd、…)。关于点阵矢量量化，它指的是然后必需按照当前矢量的大小选择供量化用的相应于矢量大小的合适码本(码本选择CSEL)：D(1)、D(2)、D(3)或D(4)。最后进行当前矢量的点阵矢量量化LVTQ。对每一块(箭头B)执行最后三个操作。
译码过程非常类似于编码过程。把区域分割(RSPL)为2×2大小的块，这些块被围绕这些区域的最小矩形(BSMR)包括。然后，在确定了矢量大小(DVTS)后，每一块内属于区域的象素的数目指出必需选择哪一个码本(CSEL)进行最后的点阵矢量解量化(LVDQ)。
本发明不限于这些编码和译码方法，不超出本发明的范围可以对这些编码和译码方法作出修改或改进。
例如可以对同一方案略作修改，以便用于任何点阵D(n)，n＞1。在一般情况下，可以考虑把围绕当前区域的最小矩形分割成为n个象素的块。这样将在点阵矢量量化中用到n个码本：D(1)、D(2)、…D(n)。
此外，本发明还涉及相应的编码和译码系统。显然，所提出的编码方法可以用若干种方式来实现，例如利用布线电子模块或最好以包括处理器或微处理器的编码系统的形式来实现，这种编码系统保证相应于以上对于编码方法所描述的并在这种电子模块内被执行的操作的一系列指令的被执行。同样地，相应的译码方法可以用若干种方式来实现，最好利用包括执行相应于上述操作的指令的处理装置的译码系统的方式来实现。
还必需说明的是在大多数情况下用D(n)类型的点阵进行点阵矢量量化。尽管如此，所提出的方法不依赖这种点阵。不管将使用的点阵如何，上述过程都有效。

Claims (4)

1.编码图象序列中的图象的方法，该方法包括以下步骤：
(A)把每一当前图象分割成为均匀区域；
(B)编码所述区域的轮廓；
(C)编码所述区域的纹理；
其中所述纹理编码步骤包括以下对每一区域执行的5个操作：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形；
(b)把该矩形分割成2×2大小的块；
(c)把变换系数存储在大小为1、2、3或4的矢量内；
(d)选择相应于矢量大小的码本；
(e)对当前矢量进行点阵矢量量化；
对先前被变换的每一块执行操作(c)至(e)，以便获得所述系数。
2.编码图象序列中的图象的系统，该系统包括：
-在每一相继的当前图象中确定均匀区域的分割装置；
-分别编码所述图象的各个区域的轮廓和纹理的轮廓和纹理编码装置；
所述纹理编码装置包括对于每一区域以迭代方式执行以下操作的处理器：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形并把所述矩形分割成2×2大小的块；
(b)对于每一块，把变换系数存储在大小为1、2、3或4的矢量内，选择相应于所述矢量大小的码本，并对每一矢量进行点阵矢量量化。
3.译码相应于已利用权利要求1的方法进行了编码的一系列图象的编码信号的方法，所述译码方法包括以下对每一区域执行的5个步骤：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形；
(b)把该矩形分割成为2×2大小的块；
(c)确定矢量的大小；
(d)选择相应于矢量大小的码本；
(e)进行点阵矢量解量化；
对每一块执行操作(c)至(e)。
4.译码相应于已在权利要求2的编码系统中被编码的一系列图象的编码信号的译码系统，该译码系统包括：
-译码相应于各区域的轮廓的编码信号的译码装置；
-译码相应于各区域的纹理的编码信号的译码装置；
-再现相应于原始图象的图象的再现装置；所述再现装置为了进行所述再现，包括对于每一区域以迭代方式执行以下操作的处理器：
(a)产生围绕所考虑区域的最小矩形并把所述矩形分割成2×2大小的块；
(b)对于每一块，确定矢量的大小，选择相应于所述矢量大小的码本，并对每一矢量进行点阵矢量解量化。
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