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TWI491262B - 影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法 - Google Patents

影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法 Download PDF

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TWI491262B
TWI491262B TW099131093A TW99131093A TWI491262B TW I491262 B TWI491262 B TW I491262B TW 099131093 A TW099131093 A TW 099131093A TW 99131093 A TW99131093 A TW 99131093A TW I491262 B TWI491262 B TW I491262B
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Description

影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法
本發明是關於一種影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法；具體而言，本發明是關於一種以參考更多個參數調整位元率的方式來提高位元率控制之效能的影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法。
隨著數位影像科技的蓬勃發展，各種數位影像裝置例如網路攝影機(webcam)及數位照相機都不斷地推陳出新，其市場競爭之激烈由時常舉辦的新產品發表會可見一斑。為了使其產品在競爭激烈的市場上脫穎而出，數位影像裝置的廠商們無不竭力於改進其產品的功能及性能。在諸多相關技術中，影像壓縮是其中最主要的一環，而對數位影像裝置的性能有關鍵性的影響。
圖1為習知的影像編碼積體電路的示意圖。如圖1所示，在一般採用H.264影像壓縮標準的系統中，影像編碼積體電路1中的影像感測控制器2將外部的影像感應器3所產生的影像訊號轉換成影像資料，並儲存於外部記憶體4。影像編碼積體電路1中的熵編碼(entropy encoding)器5自外部記憶體4取得影像資料，並加以編碼為影像編碼資料。位元率監測器(bit rate monitor)6連接於熵編碼(entropy encoding)器5的輸出端，一方面負責將影像資料傳送至傳輸裝置7以進行傳輸等處理，另一方面負責比較熵編碼器5所產生的影像資料的數量與傳輸裝置7所能處理的影像資料的數量之間的差異而據以產生包含量化參數(quantization parameter)的量化參數訊息S。
在H.264影像壓縮標準中，位元率監測器6是利用視訊緩衝驗證器(Video Buffer Verifier，VBV)來實現，位元率監測器6會將包含緩衝被填滿與否等訊息的傳輸狀態訊息T回傳給位元率控制器8，使位元率控制器8可加以參考而藉以調整量化參數，並對熵編碼器5發送包含此量化參數的量化參數訊息S。熵編碼器5輸出影像編碼資料的位元率隨著量化參數的變化而改變，以調整熵編碼器5輸出影像編碼資料的速率，使之配合傳輸裝置7的處理速度。
然而，目前以SoC(System-on-a-chip，晶片系統)的架構實現影像編碼積體電路的作法正在日漸普及。在SoC架構中，由於在系統中整合了更多的軟硬體元件的關係，原先僅藉由參考位元率監測器6所產生的量化參數訊息S來調整量化參數的做法顯得明顯不足。
本發明的一個目的在於提供一種高解析度影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法。相較於先前技術，其位元率的調整參考了更多個系統變數，使得位元率控制的效能因而被提高。
本發明的影像編碼積體電路用於網路攝影機中，其中包含中央處理單元、影像感測控制單元、影像編碼單元、位元率監測單元、位元率控制單元及傳輸單元。中央處理單元接收需求訊息，並據以產生需求調整訊息；影像感測控制單元接收影像訊號並轉換為影像資料，並據以產生感測狀態訊息；影像編碼單元將影像資料轉換為影像編碼資料；位元率監測單元自影像編碼單元接收影像編碼資料而加以儲存；位元率監測單元自影像編碼單元接收影像編碼資料而加以儲存；傳輸單元輸出自位元率監測單元接收的影像編碼資料，並依據影像編碼資料的傳輸狀態產生傳輸狀態訊息。位元率監測單元依據傳輸單元接收影像編碼資料的狀態產生位元率訊息，位元率控制單元依據需求調整訊息、感測狀態訊息、傳輸狀態訊息及位元率訊息至少其中之一產生量化參數訊息。影像編碼單元以特定的位元率傳輸影像編碼資料，其中位元率是依據量化參數訊息而調整。本發明的影像編碼積體電路參考了更多的系統變數來調整影像編碼單元的輸出位元率，因而提高了位元率控制的效能。
本發明的影像編碼資料傳輸方法用於設置於網路攝影機中的影像編碼積體電路，其中包含下列步驟：自外部主機接收需求訊息，並依據需求訊息產生需求調整訊息；轉換影像感測單元所產生的影像訊號為影像資料，並依據影像訊號產生感測狀態訊息；轉換影像資料為影像編碼資料，並以特定的位元率傳輸影像編碼資料，其中位元率依據量化參數訊息而調整；儲存影像編碼資料，並依據經儲存的影像編碼資料被接收的狀態產生位元率訊息；接收經儲存的影像編碼資料，將影像編碼資料傳輸至外部主機，並依據影像編碼資料的傳輸狀態產生傳輸狀態訊息；依據需求調整訊息、感測狀態訊息、位元率訊息及傳輸狀態訊息至少其中之一產生量化參數訊息。本發明的影像編碼資料傳輸方法參考了更多的系統變數來調整編碼積體電路的輸出位元率，因而提高了位元率控制的效能。
本發明提供一種影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法。在較佳實施例中，本發明的影像編碼積體電路及其影像編碼資料傳輸方法使用於利用高壓縮率的數位視訊編解碼器標準(例如H.264等)進行視訊編碼的高解析度影像編碼，其中影像編碼資料傳輸方法用於影像編碼積體電路。
圖2A為本發明影像編碼積體電路的一實施例的示意圖；圖2B為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸訊息的一實施例的示意圖。此影像編碼積體電路較佳用於搭配個人電腦、筆記型電腦、電視機等裝置使用的網路攝影機中。如圖2A及圖2B所示，此影像編碼積體電路100包含中央處理單元110、影像感測控制單元120、影像編碼單元130、位元率監測單元140、傳輸單元150及位元率控制單元160。中央處理單元110接收表示連接於影像編碼積體電路100的外部裝置等元件對影像編碼單元130的輸出位元率之需求的需求訊息I1 ，並據以產生需求調整訊息I2 以輸出至位元率控制單元160。影像感測控制單元120接收影像感應單元200所產生的影像訊號S1 ，並以類比轉數位等方式將影像訊號S1 轉換為影像資料D1 而儲存於外部記憶單元300，且依據影像訊號S1 產生表示影像訊號S1 之狀態的感測狀態訊息I3 以輸出至位元率控制單元160。影像編碼單元130將自外部記憶單元300取得的影像資料D1 以壓縮、編碼等方式轉換為影像編碼資料D2 。位元率監測單元140自影像編碼單元130接收影像編碼資料D2 而加以儲存，並依據傳輸單元150接收影像編碼資料D2 的狀態產生位元率訊息I5 以輸出至位元率控制單元160。在本實施例中，位元率監測單元140包含視訊緩衝驗證器(Video Buffer Verifier，VBV)；然而在其他實施例中，可以包含其他種具備緩衝儲存功能的裝置。
傳輸單元150輸出自位元率監測單元140接收的影像編碼資料D2 ，並依據影像編碼資料D2 的傳輸狀態產生傳輸狀態訊息I4 以輸出至位元率控制單元160。在本實施例中，傳輸單元150為通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)介面；然而在其他實施例中，可以採用其他類型的連接介面。位元率控制單元160依據需求調整訊息I2 、感測狀態訊息I3 、傳輸狀態訊息I4 與位元率訊息I5 至少其中之一產生量化參數訊息I6 ，量化參數訊息I6 中包含量化參數。影像編碼單元130以特定的位元率傳輸影像編碼資料D2 ，其中該位元率是依據量化參數訊息I6 中的量化參數而調整。在本實施例中，加大量化參數會相應地降低影像編碼單元130的位元率，減小量化參數則會相應地增加影像編碼單元130的位元率；然而在其他實施例中，加大量化參數可相應地增加影像編碼單元130的位元率，減小量化參數則可相應地降低影像編碼單元130的位元率。本發明的影像編碼積體電路參考了更多的系統變數來調整影像編碼單元的輸出位元率，因而提高了位元率控制的效能。
由於影像感應單元200在低光源時會產生較多的雜訊，使得影像編碼單元130相應地產生大量的資料，因此當影像感測控制單元120以分析自影像感應單元200接收的影像訊號S1 之內容等方式得知目前的畫面亮度較低且雜訊量較大時，可藉由感測狀態訊息I3 使得位元率控制單元160得以預先加大量化參數訊息I6 中的量化參數以減少影像編碼單元130的位元率，而不必等到位元率監測單元140察覺到影像編碼單元130所產生的影像編碼資料D2 的數量大於傳輸單元150所能處理的數量時，再藉由位元率訊息I5 使得位元率控制單元160加大量化參數訊息I6 中的量化參數以減少影像編碼單元130的位元率。此種預先減少位元率的作法使得位元率控制單元160得以更有效地控制影像編碼單元130的位元率，以配合傳輸單元150傳輸編碼資料D2 的速度。
如圖2A及圖2B所示，在本實施例中，網路攝影機100的傳輸單元150連接至外部主機400，使得影像編碼資料D2 在傳輸至外部主機400以後，可藉由連接於外部主機600的網路500傳輸至遠端外部主機600。外部主機400可以是例如個人電腦、筆記型電腦等電子裝置，網路500則可以是例如乙太網路(Ethernet)等電腦網路。當網路500的頻寬減少而使得影像編碼資料D2 不能完整地傳送時，以通用序列匯流排介面實現的傳輸單元150會察覺到。此時傳輸單元150除了藉由需求訊息I1 通知中央處理單元110以外，同時也藉由傳輸狀態訊息I4 通知位元率控制單元160，以降低影像編碼單元130的位元率，進而減少自傳輸單元150輸出的影像編碼資料D2 的數量。因此在較佳實施例中，傳輸狀態訊息I4 的產生除了參考影像編碼資料D2 於傳輸單元150與外部主機400之間的傳輸狀態以外，還可以參考影像編碼資料D2 於網路500中的傳輸狀態；然而在其他實施例中，可視需求僅參考其中之一者。
中央處理單元110經由傳輸單元150自外部主機400接收需求訊息I1 。需求訊息I1 包含作業系統訊息I11 及應用程式訊息I1 至少其中之一。圖3A為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸作業系統訊息的一實施例的示意圖。如圖3A所示，當外部主機400的作業系統410得知目前外部主機400的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)的運算資源已經被大量佔用而沒有多餘的運算資源來處理高資料量的影像編碼資料D2 時，可以回傳作業系統訊息I11 給影像編碼積體電路100，使得位元率控制單元160得以加大量化參數訊息I6 中的量化參數以降低影像編碼單元130的位元率。
執行於外部主機400中的影像傳輸應用程式(例如Skype)可以根據當時的系統狀態、網路頻寬、使用者需求等因素而動態地設定影像編碼積體電路100傳輸影像編碼資料D2 的速率。圖3B為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸應用程式訊息的一實施例的示意圖。如圖3B所示，在影像傳輸應用程式420進行速率設定時，外部主機400可以相應地回傳應用程式訊息I12 以告知位元率控制單元160，使得位元率控制單元160得以加大量化參數訊息I6 中的量化參數而減少影像編碼單元130的位元率，或減小量化參數訊息I6 中的量化參數而增加影像編碼單元130的位元率，以滿足影像傳輸應用程式420對高傳輸速率或高畫質等方面的需求。
圖4為本發明影像編碼資料傳輸方法的一實施例的流程圖。此影像編碼資料傳輸方法較佳用於設置於網路攝影機中的影像編碼積體電路。如圖4所示，此影像編碼積體電路所使用的影像編碼資料傳輸方法包含下列步驟：步驟10自外部主機接收需求訊息，並依據需求訊息產生需求調整訊息。需求訊息表示連接於影像編碼積體電路的外部裝置等元件對影像編碼積體電路的輸出位元率之需求。在較佳實施例中，需求訊息包含作業系統訊息及應用程式訊息至少其中之一。如前所述，當外部主機的作業系統得知目前外部主機的中央處理器的運算資源已經被大量佔用而沒有多餘的運算資源來處理高資料量的影像編碼資料時，可以回傳作業系統訊息給影像編碼積體電路，使得影像編碼積體電路可據以產生需求調整訊息；而執行於外部主機中的影像傳輸應用程式(例如Skype)則可以根據當時的系統狀態、網路頻寬、使用者需求等因素而動態地設定影像編碼積體電路傳輸影像編碼資料的速率，此時外部主機可以相應地回傳應用程式訊息以告知影像編碼積體電路，使得影像編碼積體電路得以調整傳輸影像編碼資料的位元率，以滿足影像傳輸應用程式對高傳輸速率或高畫質等方面的需求。
步驟20轉換影像感測單元所產生的影像訊號為影像資料，並依據影像訊號產生感測狀態訊息。此轉換以類比轉數位等方式來完成。步驟30轉換影像資料為影像編碼資料，並以特定的位元率傳輸影像編碼資料，其中位元率依據量化參數訊息而調整。此轉換以壓縮、編碼等方式來完成。步驟40儲存影像編碼資料，並依據經儲存的影像編碼資料被接收的狀態產生位元率訊息。步驟50接收經儲存的影像編碼資料，將影像編碼資料傳輸至外部主機，並依據影像編碼資料的傳輸狀態產生傳輸狀態訊息。在本實施例中，網路攝影機的影像編碼積體電路連接至外部主機，使得影像編碼資料在傳輸至外部主機以後，可藉由連接於外部主機的網路傳輸至遠端外部主機(見圖2A及圖2B的實施例)，因此步驟50較佳可以更依據影像編碼資料於網路中的傳輸狀態產生傳輸狀態訊息。步驟60依據需求調整訊息、感測狀態訊息、位元率訊息及傳輸狀態訊息至少其中之一產生量化參數訊息。本發明的影像編碼資料傳輸方法以參考了更多的系統變數來調整編碼積體電路的輸出位元率，因而提高了位元率控制的效能。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明的範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明的範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明的範圍內。
100．．．像編碼積體電路
110．．．中央處理單元
120．．．影像感測控制單元
130．．．影像編碼單元
140．．．位元率監測單元
150．．．傳輸單元
160．．．位元率控制單元
200．．．影像感應單元
300．．．外部記憶單元
400．．．外部主機
410．．．作業系統
420．．．影像傳輸應用程式
500．．．網路
600．．．遠端外部主機
D1 ．．．影像資料
D2 ．．．影像編碼資料
I1 ．．．需求訊息
I11 ．．．作業系統訊息
I12 ．．．應用程式訊息
I2 ．．．需求調整訊息
I3 ．．．感測狀態訊息
I4 ．．．傳輸狀態訊息
I5 ．．．位元率訊息
I6 ．．．量化參數訊息
S1 ．．．影像訊號
圖1為習知的影像編碼積體電路的示意圖；
圖2A為本發明影像編碼積體電路的一實施例的示意圖；
圖2B為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸訊息的一實施例的示意圖；
圖3A為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸作業系統訊息的一實施例的示意圖；
圖3B為圖2A所示影像編碼積體電路傳輸應用程式訊息的一實施例的示意圖；以及
圖4為本發明影像編碼資料傳輸方法的一實施例的流程圖。
100．．．像編碼積體電路
110．．．中央處理單元
120．．．影像感測控制單元
130．．．影像編碼單元
140．．．位元率監測單元
150．．．傳輸單元
160．．．位元率控制單元
200．．．影像感應單元
300．．．外部記憶單元
400．．．外部主機
500．．．網路
600．．．遠端外部主機

Claims (7)

  1. 一種影像編碼積體電路，用於一網路攝影機(webcam)，該影像編碼積體電路包含：一中央處理單元，接收至少一需求訊息，並依據該需求訊息產生一需求調整訊息；一影像感測控制單元，接收一影像訊號並轉換為至少一影像資料，並依據該影像訊號之影像亮度及訊號雜訊量至少其中之一產生一感測狀態訊息；一影像編碼單元，將該影像資料轉換為至少一影像編碼資料；一位元率監測單元，自該影像編碼單元接收該影像編碼資料而加以儲存；一傳輸單元，輸出自該位元率監測單元接收的該影像編碼資料，並依據該影像編碼資料的傳輸狀態產生一傳輸狀態訊息，該位元率監測單元依據該傳輸單元接收該影像編碼資料的狀態產生一位元率訊息；以及一位元率(bit rate)控制單元，依據該感測狀態訊息及該位元率訊息至少其中之一以及該傳輸狀態訊息產生一量化參數訊息(quantization parameter)，其中該影像編碼單元以一位元率傳輸該影像編碼資料，該位元率依據該量化參數訊息而調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像編碼積體電路，其中該網路攝影機連接至一外部主機，該影像編碼資料藉由連接於該外部主機的一網路傳輸至一遠端外部主機，該傳輸單元更依據 該影像編碼資料於該網路中的傳輸狀態產生該傳輸狀態訊息。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像編碼積體電路，其中該網路攝影機連接至一外部主機，該中央處理單元自該外部主機接收該需求訊息。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的影像編碼積體電路，其中該需求訊息包含一作業系統訊息及一應用程式訊息至少其中之一。
  5. 一種影像編碼積體電路所使用的影像編碼資料傳輸方法，用於一網路攝影機，該方法包含下列步驟：自一外部主機接收至少一需求訊息，並依據該需求訊息產生一需求調整訊息；轉換一影像感測單元所產生的一影像訊號為至少一影像資料，並依據該影像訊號之影像亮度及訊號雜訊量至少其中之一產生一感測狀態訊息；轉換該影像資料為至少一影像編碼資料，並以一位元率傳輸該影像編碼資料，其中該位元率依據一量化參數訊息而調整；儲存該影像編碼資料，並依據經儲存的該影像編碼資料被接收的狀態產生一位元率訊息；接收經儲存的該影像編碼資料，將該影像編碼資料傳輸至該外部主機，並依據該影像編碼資料的傳輸狀態產生一傳輸狀態訊息；以及依據該感測狀態訊息及該位元率訊息至少其中之一以及該傳輸狀態訊息產生該量化參數訊息。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該影像編碼資料傳輸藉由連接於該外部主機的一網路傳輸至一遠端外部主機，傳輸該影像編碼資料至該外部主機的步驟更依據該影像編碼資料於該網路中的傳輸狀態產生該傳輸狀態訊息。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該需求訊息包含一作業系統訊息及一應用程式訊息至少其中之一。
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