DE69822607T2 - Nichtlinearer quantisierer für videokodierung - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Quantisierer zur Verwendung in der Bildcodierung.
  • Es ist bekannt, dass diskrete Kosinustransformationskoeffizienten in Videocodierungsanwendungen skaliert werden, um die Bandbreite beizubehalten. Bekannte Systeme skalieren entweder mit einer kleinen Konstante, wie z. B. geteilt durch 8, oder sie skalieren durch einen linearen Skalierungsfaktor, der so viel wie zweimal ein Quantisierungsparameter (2 × Qp) ist. Eine Skalierung durch die kleine Konstante führt nicht zu einer signifikanten Einsparung von Bandbreite. Eine Skalierung durch die lineare Skalierungsfunktion 2*Qp führt zu signifikanten Einsparungen von Bits, aber auch zu einer schwachen Bildqualität bei niedrigeren und mittleren Qp-Werten, insbesondere in den Chrominanzvideosignalen. Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem Quantisierer, der gekennzeichnet ist durch eine Skalierungsfunktion, die zu einer guten Signalqualität und zu Einsparungen bei der Bitrate bei allen Werten von Qp führt, insbesondere in Bezug auf die Chrominanz.
  • Ein Codierer und ein Decoder müssen denselben Quantisierungsparameter verwenden, um Videoinformationen verständlich zu codieren und zu decodieren. Bekannte Systeme bewirken Änderungen des Quantisierungsparameters mit Codes, die Änderungen in Qp bei einer einheitlichen Schrittgröße verursachen, und zwar unabhängig vom Wert von Qp.
  • Die Erfahrung lehrt, dass bei niedrigen Werten von Qp die Änderungen in Qp relativ gering sind. Bei hohen Werten von Qp sind die Änderungen der Qp-Werte jedoch relativ groß. Systeme, die zusätzliche Bits zuordnen, um die größeren Qp-Änderungen zu bewirken, verschwenden Bandbreite bei den niedrigeren Qp-Werten, bei denen die größeren Änderungen nicht vorkommen. Systeme, welche die Anzahl von Bits begrenzen, die für die Codierung von Qp-Änderungen zur Verfügung stehen, können jedoch gesättigt werden, wenn größere Änderungen codiert werden müssen. Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem Quantisierer, der sowohl große als auch kleine Änderungen von Qp mit einer minimalen Anzahl von Bits bewirken.
  • US-A-5 434 623 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Komprimierung von Bilddaten mit Hilfe einer Kombination aus Luminanz- und Chrominanzcodierung, wobei die Skalierung der Blockkoeffizienten von einem Quantisierungsfaktor durchgeführt wird. Weiterhin führt US-A-5 434 623 aus, dass die Skalierung nach Gewichtungsfaktoren durchgeführt werden kann. Somit kann ein erster Blockkoeffizient durch eine erste Gewichtung des Quantisierungsfaktors skaliert werden, und ein zweiter Blockkoeffizient kann durch eine zweite Gewichtung desselben Quantisierungsfaktors skaliert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Nachteile der Technik werden in einem hohen Maß von der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt, aufgehoben.
  • Die vorliegende Erfindung kann eine Methode zur Aktualisierung von Qp-Werten beinhalten. Änderungen von Qp werden in einem Code mit fester Länge bewirkt, aber jeder Code bedeutet verschiedene Dinge, abhängig von den vorhergehenden Werten von Qp. Wenn der vorhergehende Qp-Wert hoch ist, stellt der Code eine größere Veränderung dar, als wenn der vorhergehende Wert von Qp niedrig ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1(a) ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Codierers 100 der vorliegenden Erfindung; 1(b) ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Decoders 200 der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Teils des Quantisierers der 1.
  • 3 ist ein Blockdiagramm eines Teils der Skalierungsschaltung der 1.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt einen Codierer 100, der gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Ein analoges Bildsignal wird dem Codierer 100 geliefert. Das Bildsignal wird abgetastet und von einem Analog-Digital-(A/D)-Wandler 110 mit Hilfe von Techniken, die im Stand der Technik bekannt sind, in ein digitales Signal umgewandelt. Der A/D-Wandler 110 generiert ein digitales Bildsignal für eine Vielzahl von Pixeln des Bildes. Alternativ kann das Bildsignal dem Codierer 100 als digitales Bildsignal geliefert werden; in diesem Fall wird der A/D-Wandler 110 weggelassen.
  • Das digitale Bildsignal wird in eine Verarbeitungsschaltung 120 eingegeben. Die Verarbeitungsschaltung 120 kann zahlreiche Funktionen ausführen. Normalerweise filtert die Verarbeitungsschaltung 120 die Bilddaten und zerlegt sie in eine Luminanzsignal-Komponente und zwei Chrominanzsignal-Komponenten. Außerdem gruppiert die Verarbeitungsschaltung 120 Bilddaten in Datenblöcke. Während das digitale Eingabesignal Informationen für eine Vielzahl von Pixeln in einer Abtastrichtung darstellt, stellt die digitale Ausgabe der Verarbeitungsschaltung 120 einen Block von Pixeln dar, z. B. ein 8-Pixel × 8-Pixel-Array von Bilddaten. Die Verarbeitungsschaltung 120 gibt Bilddaten auf der Grundlage von Macroblöcken aus. Ein Macroblock besteht normalerweise aus bis zu vier Blöcken von Luminanzdaten und bis zu zwei Blöcken von Chrominanzdaten. Die Verarbeitungsschaltung 120 kann auch zusätzliche Funktionen, wie z. B. Filterung, durchführen, um individuelle Designanforderungen zu erfüllen.
  • Die Ausgabe der Verarbeitungsschaltung 120 wird in eine Transformationsschaltung 130 eingegeben. Die Transformationsschaltung 130 führt eine Transformation der Bilddaten, wie z. B. DCT (Diskrete Cosinus Transformation)-Codierung von der Pixeldomäne in eine Domäne von Koeffizienten durch. Ein Block von 64 Pixeln wird in einen Block von 64 Koeffizienten umgewandelt. Koeffizienten, die von der DCT-Codierung ausgegeben werden, umfassen einen einzigen DC-Koeffizienten und 63 AC-Koeffizienten, von denen wenige ungleich Null sind. Die Transformationsschaltung 130 gibt Blöcke von Koeffizienten aus, die in Macro blöcken organisiert sind.
  • Ein Quantisierer 140 skaliert die DC- und AC-Koeffizienten, die von der Vorhersageschaltung 150 generiert werden, nach einer nicht linearen Skalierungsfunktion, die von einem variablen Quantisierungsparameter (Qp) bestimmt wird. Der Quantisierungsparameter ist ein Wert, der von der Bitrate des Kanals, der Auflösung des Bildes, das codiert wird, der Art der Bildcodierung (intra oder inter) und anderen Faktoren abhängig ist, die eine Anzahl von Bits beeinflussen, die der Codierung des Macroblocks zugeordnet werden können. Qp wird von Macroblock zu Macroblock aktualisiert; Änderungen von Qp werden in einem Ausgabe-Bitstrom bewirkt. In der MPEG-Codierung nimmt Qp Werte zwischen 1 und 31 an. Der Quantisierer 140 reduziert die Bandbreite des Bildsignals, indem er eine Anzahl der Quantisierungspegel reduziert, die zur Codierung der Signale zur Verfügung stehen. Viele kleine Koeffizienten, die in den Quantisierer 140 eingegeben werden, werden herunter dividiert und auf Null trunkiert. Die skalierten Signale werden vom Quantisierer 140 ausgegeben.
  • Die Ausgabe des Quantisierers 140 wird in eine Vorhersageschaltung 150 eingegeben. Die Vorhersageschaltung 150 führt eine Vorhersage-Gradientenanalyse durch, um den DC-Koeffizienten des Blocks vorherzusagen. Die Vorhersageschaltung 150 kann die AC-Koeffizienten, die von der Transformationsschaltung 130 generiert werden, weiterleiten oder als Alternative AC-Koeffizienten des Blocks vorhersagen. In einer bevorzugten Betriebsart wählt die Vorhersageschaltung 150 zwischen den Modi des Vorhersagens und des Weiterleitens von AC-Koeffizienten; in diesem Fall generiert die Vorhersageschaltung 150 einen AC-Vorhersage-Flag, um eine Betriebsart zu kennzeichnen. Die Vorhersageschaltung 150 gibt DC-Koeffizientensignale und AC-Koeffizientensignale (die entweder AC-Koeffizienten oder AC-Restströme darstellen) auf der Grundlage von Macroblöcken und, auf Macroblockbasis optional, einen AC-Vorhersage-Flag aus.
  • Ein Codierer 160 mit variabler Länge codiert die Ausgabe des Quantisierers 140. Der Codierer 160 mit variabler Länge ist normalerweise ein Huffman-Codierer, der Lauflängencodierung für die skalierten Signale vornimmt. Eine Bitstrom-Ausgabe vom Codierer 160 mit variabler Länge kann übermittelt, gespeichert oder zu anderen in der Technik bekannten Zwecken verwendet werden.
  • Ein Decoder 200 führt Arbeiten durch, die den oben beschriebenen Codierungsvorgang rückgängig machen. Ein Decoder 260 mit variabler Länge analysiert den Bitstrom mit Hilfe eines komplementären Vorgangs, um ein skaliertes Signal wiederherzustellen. Wenn vom Codierer 160 ein Huffman-Codierer verwendet wird, wird ein Huffman-Decoder 260 verwendet.
  • Eine Rekonstruktionsschaltung 250 führt die identische Gradientenanalyse durch, die in der Vorhersageschaltung 150 durchgeführt wurde. Das DC-Restsignal wird identifiziert und einem vorhergesagten Koeffizienten hinaddiert, um einen DC-Koeffizienten zu erhalten. Optional kann die Rekonstruktionsschaltung 250 den AC-Vorhersage-Flag identifizieren und, anhand des Status dieses Flags, die AC-Informationen entweder als AC-Koeffizienteninformationen oder als AC-Restinformationen interpretieren. Falls AC-Restinformationen vorhanden sind, fügt die Rekonstruktionsschaltung 250 die Restsignale entsprechenden vorhergesagten Signalen hinzu, um AC-Koeffizienten zu erhalten. Die Rekonstruktionsschaltung 250 gibt Koeffizientensignale aus.
  • Eine Dequantisiererschaltung 240 multipliziert die wiederhergestellten Signale mit denselben Skalierwerten, die beim Quantisierer 140 verwendet werden. Natürlich werden diese Koeffizienten, die auf Null herunter dividiert werden, nicht wiederhergestellt.
  • Eine Umkehrtransformierungsschaltung 230 führt die Umkehrtransformation für die Transformation durch, die von der Transformationsschaltung 130 des Codierers 100 vorgenommen wurde. Wenn eine DCT-Transformation durchgeführt wurde, wird auch eine Umkehr-DCT-Transformation durchgeführt. Das Selbe gilt für Teilbandcodierung. Die Umkehrtransformierungsschaltung 230 transformiert die Koeffizienteninformationen zurück in die Pixeldomäne.
  • Eine Verarbeitungsschaltung 220 kombiniert die Luminanz- und Chrominanzsignale und kann optionale Funktionen ausführen, die für bestimmte Anwendungen erforderlich sind. Die Verarbei tungsschaltung 220 gibt digitale Signale von Pixeln aus, die angezeigt werden können. Zu diesem Zeitpunkt sind die Signale bereit für die Anzeige auf einem digitalen Bildschirm. Falls für eine bestimmte Anwendung erforderlich, können die Signale von einem Digital-Analog-Wandler 210 für die Anzeige auf einem Analog-Bildschirm umgewandelt werden.
  • Die vorliegende Erfindung erzielt Einsparungen bei der Bitrate, indem sie am Quantisierer 140 eine nicht lineare Skalierungsfunktion einsetzt, um Einsparungen bei der Bitrate bei hohen Qp-Pegeln zu erreichen, aber eine hohe Videoqualität bei niedrigen Qp-Pegeln zu gewährleisten. Der Quantisierer 140 verwendet unterschiedliche Skalierungsfunktionen, je nach Art der Daten, die quantisiert werden (Luminanz oder Chrominanz), der Art des Koeffizienten, der quantisiert wird (DC oder AC) und der Art der Codierung (inter oder intra), die durchgeführt wird.
  • NICHT LINEARE QUANTISIERUNG VON DC-KOEFFIZIENTEN FÜR LUMINANZ UND CHROMINANZ
  • Für DC-Koeffizienteninformationen variieren die Skalierungsfunktionen mit Qp. Bei DC-Luminanz- und DC-Chrominanzsignalen werden verschiedene stückweise lineare Skalierungsfunktionen verwendet. Zur Minimierung unerwünschter Bildfehler innerhalb des Chrominanzsignals ist der DC-Chrominanzskalierer bei allen Qp-Werten kleiner als der DC-Luminanzskalierer.
  • Die DC-Luminanzskalierungsfunktion für niedrige Qp-Werte ist eine Konstante. Bei hohen Qp-Pegeln nähert sich die DC-Luminanzskalierungsfunktion einer 2*Qp-Funktion. Die Erfinder erhielten durch Experimentieren die DC-Skalierungsfunktion, die unten in der Tabelle 1 dargestellt ist und in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
  • Die DC-Chrominanzskalierungsfunktion liegt bei niedrigen Qp-Werten ebenfalls bei einer Konstante. Bei hohen Qp-Werten nähert sich die DC-Chrominanzskalierungsfunktion einer linearen Skalierungsfunktion in Qp. Durch Experimentieren erhielten die Erfinder die DC-Skalierungsfunktion für Chrominanzsignale, die unten in der Tabelle 1 dargestellt ist und in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.
  • Figure 00070001
    Tabelle 1
  • Anstatt einer Berechnung des DC-Skalierers für jeden Wert von Qp kann eine zusätzliche Effizienz erzielt werden, indem die DC-Skalierungsfunktionen für Luminanz und Chrominanz für alle Werte von Qp in einer Speicher-Tabelle im Quantisierer 140 gespeichert werden. Hierbei schließt der Quantisierer 140 einen kleinen Speicher von DC-Skalen für Luminanz und Chrominanz ein, die von Qp indiziert werden können wie in der Tabelle 2 unten dargestellt.
  • Figure 00070002
  • Figure 00080001
    Tabelle 2
  • Während des Betriebs gibt die Transformationsschaltung 130 Macroblöcke von Daten an den Quantisierer 140 aus. Jeder Macroblock enthält bis vier Blöcke Luminanzdaten und zwei Blöcke Chrominanzdaten. Für den Macroblock wird ein einzelner Qp-Wert verwendet. Qp wird für jeden einzelnen Macroblock separat aktualisiert.
  • Auf der Grundlage des Wertes von Qp ruft der Quantisierer 140 einen DC-Skalierungsfaktor für Luminanz und einen DC-Skalierungsfaktor für Chrominanz ab, die von den Skalierungsfunktionen auf den Wert von Qp festgelegt werden. Für jeden Luminanzblock generiert der Quantisierer 140 ein DC lum-Pegel-Signal gemäß der folgenden Formel: DC lum-Pegel = DC lum-Koeffizient/DC-Skalierer für Luminanz
  • Für jeden Chrominanzblock generiert der Quantisierer 140 ein DC chrom-Pegel-Signal gemäß der folgenden Formel: Chrom DC-Pegel = Chrom DC-Koeffizient/DC-Skalierer für Chrominanz
  • Der Quantisierer 140 gibt jedes DC lum-Pegel-Signal und jedes DC chrom-Pegel-Signal aus.
  • Die nicht linearen DC-Skalierungsfunktionen des Quantisierers 140 können in Hardware implementiert werden wie in der 2 dargestellt. Das Qp-Signal wird in einen Speicher 300 eingegeben, der die Skalierungsfaktoren speichert, die von den DC-Luminanz- und DC-Chrominanzskalierungsfunktionen bestimmt werden. Die Skalierer-Tabelle 300 kann durch einen Prozessor (nicht gezeigt) ersetzt werden, der die Skalierungsfaktoren gemäß dem Qp-Wert berechnet. DC-Luminanz- und DC-Chrominanzsignale von der Transformationsschaltung 130 werden von einem Demultiplexer 310 isoliert und zu den Luminanz- bzw. Chrominanzteilerschaltungen 320 und 330 weitergeleitet. Die DC-lum-Pegel- und DC-chrom-Pegel-Signale werden von diesen Teilerschaltungen generiert.
  • Am Decoder 200 führt die Dequantisiererschaltung 240 eine Umkehrquantisierung mit denselben stückweisen linearen Skalierungsfunktionen durch. Auf der Grundlage des Qp-Wertes des unmittelbar vorhergehenden Macroblocks und jeder Qp-Aktualisierung, die im eingehenden Bitstrom bewirkt wird, ruft die Dequantisiererschaltung 240 entsprechende Skalierungsfaktoren für DC-Luminanz- und DC-Chrominanzsignale ab. Für jeden Luminanzblock generiert die Dequantisiererschaltung 240 einen Luminanz-DC-Koeffizienten gemäß der folgenden Formel: Lum-DC-Koeffizient = DC lum-Pegel*DC-Skalierer für Luminanz
  • Für jeden Chrominanzblock generiert die Skalierungsschaltung 240 einen DC-Koeffizienten gemäß der folgenden Formel: Chrom-DC-Koeffizient = Chrom DC-Pegel*DC-Skalierer für Chrominanz
  • Die Dequantisiererschaltung 240 gibt die rekonstruierten Luminanz- und Chrominanz-Koeffizienten aus.
  • Die nicht linearen DC-Skalierungsfunktionen der Dequantisiererschaltung 240 können in Hardware implementiert werden wie in der 3 dargestellt. Das Qp-Signal wird in einen Speicher 400 eingegeben, der die Skalierungsfaktoren speichert, die von den DC-Luminanz- und DC-Chrominanzskalierungsfunktionen bestimmt werden. Die Skalierer-Tabelle 400 kann durch einen Prozessor (nicht gezeigt) ersetzt werden, der die Skalierungsfaktoren anhand des Qp-Signals berechnet. DC lum-Pegel- und DC chrom-Pegel- Signale vom Codierer 260 mit variabler Länge werden von einem Demultiplexer 410 isoliert und zu den Luminanz- bzw. Chrominanzvervielfacherschaltungen 420 und 430 weitergeleitet. DC-Luminanz-Koeffizienten und DC-Chrominanz-Koeffizienten werden von diesen Vervielfacherschaltungen generiert.
  • Die oben beschriebenen nicht linearen DC-Skalierungsfaktoren sind sowohl für Intracodierungs- als auch für Intercodierungsvorgänge geeignet. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass aus Intercodierung erhaltene DC-Koeffizienten oft gegen Null gehen. Wenn sie quantisiert werden, selbst um einen konstanten Skalierungsfaktor, werden die aus Intercodierung erhaltenen DC-Koeffizienten oft auf Null trunkiert. Um in einer bevorzugten Ausführungsform die Komplexität zu verringern, kann die nicht lineare Skalierungsfunktion daher während Intercodierungsvorgängen deaktiviert werden. Die aus Intercodierung erhaltenen DC-Koeffizienten können ähnlich wie bei der Quantisierung von AC-Koeffizienten, die unten beschrieben ist, quantisiert werden.
  • Die nicht linearen DC-Skalierungsfunktionen erhalten eine hohe Codierungsqualität bei niedrigen Qp-Werten und erzielen signifikante Einsparungen bei der Bitrate bei hohen Qp-Werten. Der Quantisierer 140 und die Dequantisiererschaltung 240 der vorliegenden Erfindung können in Anwendungen verwendet werden, in denen die Bildqualität ein wichtigerer Faktor ist als Einsparungen bei der Bitrate. Daher können in einer bevorzugten Ausführungsform der Quantisierer 140 und die Skaliererschaltung 240 zwei Betriebsarten haben: eine erste Betriebsart, die nicht lineare Skalierungsfunktionen auf der Grundlage von Werten von Qp anwendet wie oben beschrieben, und eine zweite Betriebsart, die einen konstanten Skalierungsfaktor (z. B. geteilt durch 8) oder sogar mehrere konstante Skalierungsfaktoren (z. B. geteilt durch 8, 4, 2 oder 1) verwendet. In dieser Ausführungsform generiert der Quantisierer 140 ein Skalierer-Flagsignal, das angibt, welche Betriebsart verwendet wird. Wenn die Dequantisiererschaltung 240 das Skalierer-Flagsignal empfängt, ruft sie eine entsprechende Betriebsart auf, um Koeffizienten zu generieren. Das Skalierer-Flagsignal kann ein Signal mit einem Bit sein, wenn es zwischen den zwei Betriebsarten unterscheiden muss; es kann jedoch größer sein, wenn es zwischen den beiden Betriebsarten unterscheiden und außerdem angeben muss, welcher der konstanten Skalierungsfaktoren aufgerufen wird.
  • NICHT LINEARE QUANTISIERUNG VON CHROMINANZKOEFFIZIENTEN FÜR INTERCODIERTE BLÖCKE
  • In Intercodierung können sowohl DC- als auch AC-Koeffizienten von Chrominanzblöcken nahe Null sein. Die Codierung solcher Koeffizienten mit nicht linearen Skalierungsfunktionen kann die Codierungsqualität des Chrominanzsignals verbessern. Außerdem können die nicht linearen Skalierungsfunktionen dieses Abschnitts auf AC-Koeffizienten von Chrominanzblöcken in Intracodierung angewendet werden, um eine Codierungs-Effizienz zu erzielen.
  • Die nicht lineare Skalierungsfunktion für AC-Chrominanzkoeffizienten ist stückweise linear und beruht auf Qp-Werten. Bei niedrigen Qp-Werten ist die nicht lineare Skalierungsfunktion für AC ein konstanter Wert, nahezu die Hälfte des Pegels der Skalierungsfunktion für DC-Chrominanzsignale. Bei hohen Qp-Pegeln nähert sich die AC-Skalierungsfunktion einer Qp/2-Linie. Bei mittleren Pegeln nähert sich die AC-Skalierungsfunktion einer Qp/4-Linie. In einer bevorzugten Ausführungsform wurde die AC-Skalierungsfunktion für Chrominanz experimentell abgeleitet wie in der Tabelle 3 unten dargestellt:
  • Figure 00110001
    Tabelle 3
  • Die AC-Skalierungsfaktoren für Chrominanz können auch im Quantisierer 140 in einer Speicher-Tabelle gespeichert werden, die durch Qp indiziert wird.
  • Während der Codierung ruft der Quantisierer 140 auf der Grundlage des Wertes von Qp einen Skalierungsfaktor für AC-Koeffizienten ab, oder er berechnet diesen Faktor. Für jeden Chrominanz-AC-Koeffizienten generiert der Quantisierer 140 ein entsprechendes Chrominanz-AC-Pegel-Signal nach der folgenden Formel: Chrom-AC-Pegel = Chrom-AC-Koeffizient/Quantisierer für Chrominanz
  • Der Quantisierer 140 gibt die Chrom-AC-Pegel-Signale für die AC-Koeffizienten aus.
  • Die nicht linearen Skalierungsfunktionen für AC-Chrominanzkoeffizienten können in Hardware implementiert werden, wie auch in der 2 dargestellt. Die Skalierer-Tabelle 300 speichert die AC-Chrominanz-Skaliererwerte, die durch Qp indiziert werden. Wenn eine Skalierer-Tabelle 300 durch einen Prozessor ersetzt wird, berechnet der Prozessor die AC-Chrominanz-Skaliererwerte nach dem Qp-Wert. AC-Chrominanzsignale von der Transformationsschaltung 140 werden von einem Demultiplexer 310 isoliert und an eine AC-Teilerschaltung 340 weitergeleitet. Die AC-Chrom-Pegel-Signale werden von der Teilerschaltung 340 generiert.
  • Während der Decodierung ruft die Dequantisiererschaltung 240 den AC-Skalierungsfaktor für Chrominanz ab, basierend auf dem Qp-Wert, der für den unmittelbar vorhergehenden Macroblock verwendet wurde, und jede Qp-Aktualisierung, die im eingehenden Bitstrom geliefert wird. Für jedes AC-Chrominanz-Pegel-Signal rekonstruiert die Skalierungsschaltung 240 einen entsprechenden AC-Chrominanzkoeffizienten gemäß der folgenden Formel: Chrom-AC-Koeffizient = Chrom-AC-Pegel*Quantisierer für Chrominanz
  • Die Skalierungsschaltung 240 gibt die rekonstruierten Chrominanz-AC-Koeffizienten aus.
  • Die nicht linearen AC-Skalierungsfunktionen der Skalierungsschaltung können in Hardware implementiert werden, wie auch in der 3 dargestellt. Die Skalierer-Tabelle 400 speichert die AC-Chrominanz-Skaliererwerte, die von Qp indiziert werden. Wenn die Skalierer-Tabelle 400 durch einen Prozessor ersetzt wird, berechnet der Prozessor die AC-Skaliererwerte nach dem Qp-Signal. AC-chrom-Pegel-Signale vom Codierer 160 mit variabler Länge werden von einem Demultiplexer 410 isoliert und an eine AC-Vervielfacherschaltung 440 weitergeleitet. Die AC-Koeffizien ten werden von der Vervielfacherschaltung 440 generiert.
  • QUANTISIERER-AKTUALISIERUNG
  • Der Codierer 100 und der Decoder 200 müssen denselben Qp-Wert benutzen, damit Videosignale verständlich codiert und decodiert werden können. Der Codierer 100 kann praktisch einen Qp-Wert mit jedem Macroblock verändern. Wenn der Codierer 100 Qp verändert, bewirkt er die Änderung in einem Qp-Aktualisierungssignal im Ausgabe-Bitstrom.
  • Die vorliegende Erfindung bietet ein verbessertes Verfahren, um aktualisierte Qp-Werte an den Decoder 200 zu melden. Bei jeder Qp-Aktualisierung hängt die Höhe der Qp-Anpassung nicht nur vom Aktualisierungssignal ab, sondern auch vom vorhergehenden Wert von Qp. Ein bestimmtes Qp-Aktualisierungssignal führt bei einem hohen Wert von Qp zu einer relativ großen Änderung von Qp. Dasselbe Qp-Aktualisierungssignal führt bei einem kleinen Wert von Qp zu einer kleineren Änderung von Qp. Die folgende Tabelle 4 zeigt Qp-Änderungen, die auf der Grundlage des Qp-Aktualisierungssignals und des Wertes von Qp in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgenommen werden.
  • Figure 00130001
    Tabelle 4
  • Das Bereitstellen variabler Schrittgrößen für Qp-Aktualisierungen auf der Grundlage des Qp-Wertes führt zu einem Widerstand auf Sättigung bei großen Veränderungen von Qp im Codierer 100. Die variablen Schrittgrößen bieten erhöhte Flexibilität und erfordern kein zusätzliches Verwaltungsaufwand, da der vorherige Wert von Qp im Decoder 200 bekannt ist und nicht im Bitstrom bewirkt werden muss.
  • Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszei chen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims (27)

  1. Ein Quantisierer (140) zur Skalierung eines Videoinformationssignals, der folgendes umfasst: einen Skalierungsfaktorgenerator (300), der eine Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen verwendet, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt ist, und einen Teiler (320, 330, 340) zur Teilung des Videoinformationssignals durch einen Skalierungsfaktor, der durch den Skalierungsfaktorgenerator (300) bereitgestellt wird.
  2. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 1, worin der Skalierungsfaktorgenerator (300) einen Speicher einschließt, in dem die Skalierungsfaktoren gespeichert sind; oder worin der Skalierungsfaktorgenerator (300) ein Prozessor ist, der die Skalierungsfaktoren berechnet.
  3. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 1, worin das Videoinformationssignal Luminanzinformation enthält, wobei der Skalierungsfaktorgenerator (300) einen Luminanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Teiler (320, 330, 340) die Luminanzinformation durch den Luminanzskalierungsfaktor teilt und davon ein Luminanzpegelsignal erzeugt; oder worin das Videoinformationssignal DC-Chrominanzinformation enthält, wobei der Skalierungsfaktorgenerator (300) einen Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Teiler (320, 330, 340) die DC-Chrominanzinformation durch den Chrominanzskalierungsfaktor teilt und davon ein Chrominanzpegelsignal erzeugt.
  4. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 3, worin der Luminanzskalierungsfaktor aus einer Luminanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion (2*Qp) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 8 fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 8) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 9 bis einschließlich 24 fällt; und worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (2*Qp – 16) ist, wenn der Quantisierungsparameter innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  5. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 3, worin der Chrominanzskalierungsfaktor aus einer Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 13)/2 ist, wenn der Quantisierungsparameter innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 24 fällt; und worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp – 6) ist, wenn der Quantisierungsparameter innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  6. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 1, worin das Videoinformationssignal Luminanz- und Chrominanzinformation enthält, der Skalierungsfaktorgenerator (300) einen Luminanzskalierungsfaktor und einen Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Teiler (320, 330, 340) folgendes umfasst: einen ersten Teiler (320) der die Luminanzinformation durch den Luminanzskalierungsfaktor teilt und davon ein Luminanzpegelsignal davon erzeugt, und einen zweiten Teiler (330) der die Chrominanzinformation durch den Chrominanzskalierungsfaktor teilt und davon ein Chrominanzpegelsignal davon erzeugt.
  7. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 6, worin der Luminanzskalierungsfaktor aus einer mindestens Vier-Segment stückweise linearen Luminanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, der Chrominanzskalierungsfaktor aus einer mindestens Drei-Segment stückweise linearen Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, und für alle Werte des Quantisierungsparameters Qp die Chrominanzskalierungsfunktion weniger als die Luminanzskalierungsfunktion ist.
  8. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 1, worin: das Videoinformationssignal AC-Chrominanzinformation enthält, der Skalierungsfaktorgenerator (300) einen AC-Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Teiler (320, 330, 340) die AC-Chrominanzinformation durch den AC-Chrominanzskalierungsfaktor teilt und davon ein AC-Chrominanzpegelsignal erzeugt.
  9. Der Quantisierer (140) nach Anspruch 8, worin der AC-Chrominanzskalierungsfaktor aus einer AC-Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich 4 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 13)/4 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 24 fällt; und worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp – 6)/2 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  10. Ein Dequantisierer (240) für die Skalierung eines Signals, das ein quantisiertes Videoinformationssignal enthält, der folgendes umfasst: einen Skalierungsfaktorgenerator (400) der eine Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen verwendet, die auf einen Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt ist, wobei die Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basieren, jenen eines Quantisierers entsprechen, der verwendet wird, um das quantisierte Videoinformationssignal zu erzeugen, und einen Vervielfacher (420, 430, 440) zur Vervielfachung des quantisierten Videoinformationssignal durch einen Skalierungsfaktor, der durch den Skalierungsfaktorgenerator (400) bereitgestellt wird.
  11. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 10, worin der Skalierungsfaktorgenerator (400) ein Speicher ist, in dem die Skalierungsfaktoren gespeichert sind; oder worin der Skalierungsfaktorgenerator (400) ein Prozessor ist, der die Skalierungsfaktoren berechnet.
  12. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 10, worin das quantisierte Videoinformationssignal Luminanzinformation enthält, der Skalierungsfaktorgenerator (400) einen Luminanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Vervielfacher (420, 430, 440) die Luminanzinformation mit dem Luminanzskalierungsfaktor vervielfacht und ein davon Luminanzpegelsignal erzeugt; oder worin das quantisierte Videoinformationssignal DC-Chrominanzinformation enthält, wobei der Skalierungsfaktorgenerator (400) einen Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Vervielfacher (420, 430, 440) die DC-Chrominanzinformation mit dem Chrominanzskalierungsfaktor vervielfacht und davon ein Chrominanzpegelsignal.
  13. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 12, worin der Luminanzskalierungsfaktor aus einer Luminanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (2*Qp) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte 5 bis 8 einschließlich fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 8) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 9 bis einschließlich 24 fällt; und worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (2*Qp – 16) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  14. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 12, worin der Chrominanzskalierungsfaktor aus einer Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 13)/2 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 24 fällt; und worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp – 6) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  15. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 10, worin: das quantisierte Videoinformationssignal ein Luminanzpegelsignal und ein Chrominanzpegelsignal enthält; der Skalierungsfaktorgenerator (400) einen Luminanzskalierungsfaktor und einen Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt; und der Vervielfacher (420, 430, 440) folgendes umfasst: einen ersten Vervielfacher (420), der das Luminanzpegelsignal mit dem Luminanzskalierungsfaktor vervielfacht und davon ein Luminanzinformationsiganl erzeugt, und einen zweiten Vervielfacher (430) der das Chrominanzpegelsignal mit dem Chrominanzskalierungsfaktor vervielfacht und da von ein Chrominanzinformationsignal erzeugt.
  16. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 15, worin der Luminanzskalierungsfaktor aus einer mindestens Vier-Segment stückweise linearen Luminanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, der Chrominanzskalierungsfaktor aus einer mindestens Drei-Segment stückweise linearen Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, und für alle Werte des Quantisierungsparameters Qp, die Chrominanzskalierungsfunktion weniger ist als die Luminanzskalierungsfunktion.
  17. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 10, worin: das quantisierte Videoinformationssignal ein AC-Chrominanzpegelsignal enthält, der Skalierungsfaktorgenerator einen AC-Chrominanzskalierungsfaktor erzeugt, und der Vervielfacher (420, 430, 440) das AC-Chrominanzpegelsignal mit dem AC-Chrominanzskalierungsfaktor vervielfacht, und davon ein AC-Chrominazinformationssignal erzeugt.
  18. Der Dequantisierer (240) nach Anspruch 17, worin der AC-Chrominanzskalierungsfaktor aus einer AC-Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich 4 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 13)/4 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 24 fällt; und worin die AC-Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp – 6)/2 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  19. Ein Verfahren zur Quantisierung eines Videoinforma tionssignals, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Skalierungsfaktors, der auf einer Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen basiert, Teilen des Videoinformationssignals durch die Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt ist, und Ausgeben des geteilten Videoinformationssignals.
  20. Ein Verfahren zur Dequantisierung eines quantisierten Videoinformationssignals, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Skalierungsfaktors, der auf einer Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen basiert, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt ist, wobei die Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basieren, jenen eines Quantisierers entsprechen, der verwendet wird, um das quantisierte Videoinformationssignal zu erzeugen, Vervielfachen des quantisierten Videoinformationssignals mit der Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen, und Ausgeben des vervielfachten Videoinformationssignals.
  21. Das Verfahren nach Anspruch 20, worin das quantisierte Videoinformationssignal DC-Luminanzinformation enthält, worin der Luminanzskalierungsfaktor aus einer Luminanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf dem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis 4 einschließlich fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (2*Qp) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis 8 einschließlich fällt; worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 8) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 9 bis 24 einschließlich fällt; und worin die Luminanzskalierungsfunktion gleich (2*Qp – 16) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis 31 einschließlich fällt.
  22. Das Verfahren nach Anspruch 20, worin das quantisierte Videoinformationssignal DC-Chrominanzinformation enthält, worin der Chrominanzskalierungsfaktor aus einer Chrominanzskalierungsfunktion erzeugt wird, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basiert, worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich 8 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 1 bis einschließlich 4 fällt; worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp + 13)/2 ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 5 bis einschließlich 24 fällt; und worin die Chrominanzskalierungsfunktion gleich (Qp – 6) ist, wenn der Quantisierungsparameter Qp innerhalb der Werte von 25 bis einschließlich 31 fällt.
  23. Das Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, worin die Luminanz- oder Chrominanzinformation ein Glied eines intracodierten Blocks von Videodaten ist.
  24. Das Verfahren nach Anspruch 20, worin das Videoinformationssignal durch eine Vielzahl von Macroblöcken gekennzeichnet ist, wobei jeder Macroblock gemäß eines jeweiligen Quantisierungsparameters quantisiert ist, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst: Empfangen des quantisierten Videoinformationssignals, das die Macroblöcke identifiziert, Identifizieren einer Quantisierungsparameter-Aktualisierung aus dem quantisierten Videoinformationssignal, Erzeugen einer Quantisierungsparameter-Änderung, die auf dem Quantisierungsparameter und auf dem Quantisierungsparameter- Aktualisierung basiert, Erzeugendes Skalierungsfaktors für den Macroblock, der auf der Vielzahl von stückweisen linearen Skalierungsfunktionen des Quantisierungsparameters und der Quantisierungsparameter-Änderung basiert, und Vervielfachen der quantisierten Videoinformation des Macroblocks mit dem Skalierungsfaktor, um die dequantisierte Videoinformation zu erhalten.
  25. Ein Codierer (100) zur Codierung von Videosignalen, der folgendes umfasst: eine Verabeitungsschaltung (120), die Blöcke von Videodaten aus dem Videoinformationssignal erzeugt, eine Transformationsschaltung (130), die Videocoeffizienten erzeugt, die Blöcke von Videodaten darstellen, eine Quantisiererschaltung (140), die die Videocoeffizienten gemäß einer Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen quantisiert, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt wird, und einen Codierer (160) mit variabler Länge, der Codes mit variabler Länge erzeugt, die auf den quantisierten Videocoeffizienten basieren.
  26. Ein Decoder (200) für die Decodierung von codierten Videosignalen, der folgendes umfasst: einen Decoder (260) mit variabler Länge, der quantisierte Videocoeffizienten aus einem Code mit variabler Länge erzeugt, der innerhalb des codierten Videosignals enthalten ist, eine Dequantisiererschaltung (240), die die Videocoeffizienten dequantisiert, gemäß einer Vielzahl von stückweise linealen Skalierungsfunktionen, die auf einem Quantisierungsparameter Qp basieren, wobei jede stückweise lineare Skalierungsfunktion für jeweilige Bereiche von Werten des Quantisierungsparameters Qp bestimmt ist, wobei die Vielzahl von stückweise linearen Sklalierungsfunktionen, die auf dem Quantisie rungsparameter Qp basieren, jenen eines Quantisierers entsprechen, der verwendet wird, um das quantisierte Videoinformationssignal zu erzeugen, eine Umkehrtransformierungsschaltung (230), die die Videocoeffizienten in Blöcke von Videodaten transformiert, und eine Verarbeitungsschaltung (220), die ein Videosignal aus den Blöcken von Videodaten erzeugt.
  27. Die Erfindung nach Anspruch 25 oder 26, worin die Vielzahl von stückweise linearen Skalierungsfunktionen aus einer mindestens Drei-Segment stückweisen linearen Skalierungsfunktion besteht.
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