[发明专利]使用混合的亮度/色度码对图象数据进行压缩的方法和装置

说明书

本发明涉及实时压缩和解码数字图象信号以提供传送压缩的数字数据通过通讯讯道，或在磁带记录器上，或使用其它的记录介质记录或重放压缩的数据，更具体地说，本发明涉及组合解码，例如图象共同部分的亮度和色度分量的技术，使得带有较少的色度信息和较多的亮度信息的共同部分被传送，或者相反。

一般而言，数据压缩的目的是尽其可能使用最少的信量传送，把数字信息从一点经过传送讯道传送到另一点，换句话说，其目标是旨在去掉不必要的信息传送。视频图象，就其本身特性，含有大量冗余信息，因而适合数据压缩。图象的直接数字表示，无论在时间意义或是在空间意义上都必须含有同样的冗余度。在发射机中从图象数据去掉冗余的部分，通过通讯讯道发射的数据量或记录在存储介质的数据量能够明显地减少。在接收机中重新引入冗余或在记录情况时，在记录器重放电子线路中重新引入冗余，图象信号就能重新构成。应这样理解，在这里使用的术语“图象数据”是指定义在两维空间里显示的图象数据，数据进而可以采用由多个视频帧的组成的随时间变化的形式，每一帧都同时占有相等的空间，这样的信号可以是移动的景象，并可以从视频摄象机中得到。

图象压缩结合使用数字视频录象机时有几个单独的要求，它们强加给任何要使用的压缩方法一些限制。使用典型的带式录象机时就会出现附加的限制，这是由这一事实，即数据必须为以后使用而存起来， 而不是立即传送，例如磁带录象机必须允许编辑记录的信息，在记录系统中数据在固定长度的同步记录块内格式化，其意义是指一场的存储数据在磁带上必须占据整数磁道，或占据确定的视频数据块，例如，电视的场，占据磁带上予定的位置或磁道。在系统中数据在交错的同步块形成格式化时，编辑要求较少的精确的限制，这是一场视频数据适当地放在对应视频一场的磁带空间内。这样看来，简单的限制就对任何压缩方案提出了严重的设计要求，因为大多数图象在统计上都是非静态的（这就是说，统计分布或组成是作为图象位置函数变化的），对具有变化信息内容的压缩数字信号的明显解答就是允许解码后的数据比率根据图象的内容变化各帧或各场的时基，但是由于编辑的要求，解码数据比率应是固定的而不是可变的。这样在编辑模式，用新信息替代记录的信息要求是被替代信息的最小单元，例如在电视信号中的单独的一场。在记录的数据格式中分配给固定的数据块长度，这样允许视频信号的任何单元都可被任何具有相同尺寸单元的视频信号代替。

供电视广播使用的带式录象机必须允许画面在高于正常的记录/重放磁带传送速度下复制（Picture-in-Shuttle），在使用Picture-in-Shuttle模式并且在非常高的速度下重放，仅仅每个磁道上的部分数据被恢复，这就要求压缩记录的数据被存储在小的完数的数据段上，在长度上显着地小于一个磁道，这样画面的绝大部分都能恢复并单独地甚至在较高的速度下解码。

因此，各种数字图象压缩研究集中使用两维空间离散余弦变换（DCT）作为最佳的编码工具，这是由于它在产生压缩图象时在宽的图象范围内具有低失真的最佳性能（见“离数余弦变换”IEE计算机会刊，卷C-23，90-93页，1974.1）。为了实现变换视频图象，首先把图象划分成相互邻接的象素块（例如16×16或8×8），然后对每一块进行余弦变换为一组传输系数，每一传输系数表示为两维空间余弦变换函数的标量加权参数（即一系数），在余弦变换定义域内，非零值幅度系数集中在低颜项，并具有许多较高频率是零值。由于变换的性质和与原始图象存在的对射，在变换的图象里一般存在着较大份频的相对小的值系数和减少了大幅度系数的出现，这样，如果系数被粗略地量化成整数值，那么Huffman编码，即用大量的二进制位表示图象的编码被极大地减少了。

更具体的是，量化因子是按如下应用到幅度系数，每一个幅度系数都被量化因子标量化并被取数到最接近的整数。在标量化和取整后的整数使用任何平均信息量编码技术，例如使用Huffman编码进行编码。由于系数幅度的分布在小值上有大的概率（当应用到图象上变换具有的性质），短长度的编码指给较小的幅度来实现最短的整个信息长度。从这可以看到随着量化因子增加，形成信息长度将单调地减小，因此，量化因子增加造成了压缩的增加，由量化引起的误差是随着量化因子增加而增加，造成在解码图象中失真的增加。这样，如果量化过细，用Huffman编码器产生的数据将超过信道（或录象机）的数据率，但如果量化过粗，将造成不能接收的失真和噪音。