专利名称：图像信号编码装置和图像信号编码方法
技术领域：
本发明涉及图像信号编码装置和图像信号编码方法。
在记录数字图像信号的图像信号记录器中，记录SDTV信号的模式包括两种模式，标准模式和长时间记录的高度压缩模式。(两种模式在HD数字VCR会议的消费者-使用数字VCRs规范中被标准化。)图3为示意图，示出了普通实例下的编码方法并且将借助图3解释。在标准和高度压缩模式的每一个中，对于等于由亮度信号(Y)(720水平像素×480垂直行)和两种色差信号(Cr,Cb)(360水平像素×480垂直行)构成一帧的输入图像信号，根据下述程序完成速率转换和块形成。
首先在标准模式中，输入的Cr和Cb被水平子采样为一半，从而完成速率转换以提供水平180像素×垂直480行的样本数。随后，以水平8个像素×垂直8行构成的DCT块作为基础，宏块由4个Y的DCT块和位于屏幕上同一位置的Cr和Cb的DCT块构成，并且输入图像信号被分离为1350个宏块。这里，由4个沿水平的Y的DCT块在图中以标准模式的宏块示出，但是最右边的宏块略微不同。由于它与本发明的性质无关，因此不作描述。
随后将描述压缩模式。在高度压缩模式下，输入Y被子采样为3/4，并且Cr和Cb被子采样为速率转换时水平的1/2和垂直的1/2。这样，Y为水平540个像素×垂直480行，并且Cr和Cb为水平180个像素×垂直240行。随后，宏块由6个Y的DCT块和位于屏幕上同一位置的Cr和Cb的DCT块构成，并且输入信号被分离为675个宏块。对于高度压缩模式，图中所示宏块在结构上不同于标准模式下最右边的宏块。
对于上述生成的宏块，在标准和高度压缩模式下，屏幕上互相分离定位的5个宏块共同形成一个压缩单元并且随后完成压缩。这种压缩的执行方式使一个压缩数据宏块提供77个字节连同附加信息，即一个压缩单元提供385个字节。但是由于组成压缩单元的5个宏块的每个图像数据互补相同，所以每个宏块的压缩率不必相同。
随后对应一个77字节块产生一个编码的宏块，称为同步块(其被每个DCT块数据放置的区域被预设为初始值，并且编码数据放置其中)，从而形成压缩数据。在这种情况下，一个宏块内的DCT块片等于一个同步块内的片，并且宏块的DCT块与同步块的DCT之比是1∶1。
在图3中，作为初始值，在标准模式下，亮度信号和色差信号的DCT块分别分配14和10个字节，而在高度压缩模式下，亮度信号和色差信号的DCT块分别分配10和8个字节。
每个宏块的每个DCT块的压缩数据首先被放置在对应每个宏块的每个同步块的相应DCT块区域被，并且随后如果压缩数据不能放置在整个区域，即压缩数据溢出，则不能放置的一部分数据被放置在同一同步块内具有足够区域的其他DCT块区域内。
而且如果DCT块没有足够区域，则不能放置的一部分数据被放置在同一压缩单元的具有足够区域的其他同步块的DCT块区域内。
作为这种方式下的编码结果，在标准模式下，由于166Mbps的输入图像信号通过速率转换被转换为124Mbpc的信号，随后被编码至25Mbps，速率转换后信号的编码率为1/5。另一方面，在高度压缩模式下，由于输入图像信号通过速率转换被转换为83Mbps，随后被编码至12.5Mbps，因此速率转换后的编码率为1/6.6。
如上所述，在图像输入编码装置中，改变了输入采样和宏块结构，从而可以两种模式对同一信号进行编码。
但是在上述普通实例中，宏块内DCT块的总数对于标准模式为6，对于高度压缩模式为8，因此随不同的压缩模式而不同。
因此图像信号编码装置的硬件需要设计为可以处理两种模式，因此增加了电路规模。
而且在上述普通实例中，由于译码信号中颜色明显变差，因此经常进行调整以使红色的编码率小于蓝色的。即，红色数据生成的代码量大于蓝色数据的。特别是在高速回放时这是图像质量变差的原因。
本发明考虑了上述问题，并且其目标是获得图像信号编码装置、图像信号编码方法、介质和信息集合，但不管压缩模式类型如何都不增加电路规模。
而且本发明的目标是获得图像信号编码装置、图像信号编码方法、介质和信息集合，即使在高速回放时图像质量也不会变差。
在上述本发明的图像信号编码方法中，输入图像信号以标准压缩模式或与标准压缩模式相比编码率更低的高度压缩模式中的一种进行编码，其中由两个或多个编码输入图像信号所用最小编码单元的块组成的宏块配置为宏块内的块数为常数并且宏块内亮度信号块与色差信号块之间的比值随压缩模式改变。这样，即使压缩模式改变并且宏块结构改变，宏块内的DCT块数也不变，从而可以无需增加电路规模就处理两种模式。
而且在本发明的另一图像输入编码方法中，输入图像信号被分离为宏块，并且宏块被编码以生成预设格式的编码块，其中在编码块内对于作为构成宏块的最小单位的块定义的初始代码量的分配随输入图像信号的两种信号类型(红色信号和蓝色信号)而改变。
这样，比蓝色信号更适于增加生成代码量的红色信号可以放置在编码块内，因此在高速回放时改善了图像质量。
而且在本发明的另一图像信号编码方法中，输入图像信号以标准压缩模式或与标准压缩模式相比降低编码率的高度压缩模式中的一种进行编码，其中涉及对输入图像信号施加频带限制的速率转换方法根据压缩模式变化，作为用于经速率转换的输入图像信号编码中所用的最小编码单元的相同的块数被配置为宏块而不管压缩模式，并且对于所有压缩模式对经过速率转换的输入图像信号采用相同的编码率。
本发明的另一图像信号编码装置包括模式定义装置，用于定义是以标准压缩模式或与标准压缩模式相比降低编码率的高度压缩模式对输入图像信号进行编码的模式信息；速率转换装置，用于根据模式信息改变涉及输入图像信号频带限定的速率转换方法；交换装置，用于将经过速率转换的输入图像信号分离为由两个或更多作为晶向改变的最小编码单元的块的宏块；正交变换装置，用于对块进行离散余弦变换；量化装置，用于对经过余弦变换的块进行量化；变长度编码装置，用于对量化块进行变长度编码；以及编码数据生成装置，用于将经过变长度编码的块与每个宏块的附加信息组合形成编码块，其中交换装置内的宏块由预设数量的块组成，并且上述亮度信号的块与上述色差信号的块之比随模式信息改变。
本发明的另一图像信号编码装置包括交换装置，用于将输入图像信号分离为由两个或更多作为晶向交换的最小编码单元的块的宏块；正交变换装置，用于对块进行离散余弦变换；量化装置，用于对经过余弦变换的块进行量化；变长度编码装置，用于对量化块进行变长度编码；以及编码数据生成装置，用于将经过变长度编码的块与每个宏块的附加信息组合形成编码块，其中编码块生成装置随输入图像信号的两种信号类型(红色信号和蓝色信号)而改变在编码块内对于构成宏块的初始代码量的分配。
图1为本发明实施例1的示意图。
图2为实施例2的框图。
图3为普通实例的示意图。
以下借助附图描述本发明的实施例。
(实施例1)
以下借助附图描述实施例1。图1为本发明实施例1的图像信号编码方法的示意图。该实施例与现有技术一样，也具有两种压缩模式，标准模式和高度压缩模式。
首先，作为输入图像信号，输入具有1920水平像素×1080垂直行的亮度信号(以下称为Y)和具有960水平像素×1080垂直行的两种色差信号(以下分别称为Cr和Cb)，它们等于一帧。
在标准模式下，作为输入信号的所有Y、Cr和Cb被速率转换至2/3。因此输入图像信号被转换为具有1280水平像素×1080垂直行的Y和具有640水平像素×1080垂直行的Cr和Cb。
此时，以屏幕上由水平8个像素和垂直8行组成的DCT块为基础的子宏块，从4个Y的DCT块、两个Cr的DCT块和两个Cb的DCT块构造宏块(4Y+2Cr+2Cb)，总数为8个DCT块(子宏块)，它们位于屏幕的同一位置，从而将输入图像信号分离为宏块。
此时，对于从输入图像信号顶部起的1072行，宏块内Y的DCT块布局和Cr和Cb的DCT块分别为水平2×垂直2和水平1×垂直2。
从上述操作获得了水平80个宏块和垂直方向67个宏块，总共5360个宏块。另一方面，对于其余8行，宏块内Y的DCT块布局和Cr和Cb的DCT块分别为水平4×垂直1和水平2×垂直1。由此构造了水平40个宏块和垂直方向一个宏块，总共40个宏块。
从上述操作可知，在标准模式下，等于一帧的输入图像信号可以分离为5400个宏块。
以下描述高度压缩模式下的压缩模式。在高度压缩模式下，亮度信号Y在水平方向速率转换为1/2，并且两种色差信号Cr和Cb在水平方向转换为1/3并且在垂直方向转换为1/2。并且从6个Y的DCT块、Cr的DCT块和Cb的DCT块构造宏块(6Y+Cr+Cb)，它们位于屏幕的同一位置，从而将输入图像信号分离为宏块。
此时，对于从输入图像信号顶部起的1072行，宏块内Y的DCT块布局为水平3×垂直2。由此构造了水平40个宏块和垂直方向67个宏块，总共2680个宏块。
另一方面，对于其余8行，宏块内Y的DCT块为水平6×垂直1，对于Cr和Cb，水平16个像素×垂直8行的数据被重排为水平8个像素×垂直8行以构造DCT块。由此构造了水平20个宏块和垂直方向一个宏块，总共20个宏块。
从上述操作可知，在高度压缩模式下，等于一帧的输入图像信号可以分离为2700个宏块。
随后，如普通实例一样，在标准和高度压缩模式下，在屏幕上定位不同的5个宏块形成一个压缩单元。压缩方式使得一个宏块有77个字节连同附加信息，即一个压缩单元为385个字节。接着，一个编码宏块对应一个77字节的同步块，每个同步块包含多个每个被分配预设初始数量压缩并基于DCT块的子同步块，从而在同步块内放置数据以生成压缩数据。这里一个宏块内子宏块的数量等于一个同步块内子同步块的数量，并且一个宏块内的子宏块对应一个子块内的子同步块。
并且同步块内数据的放置与普通实例一样，完成如下首先，宏块内每个子宏块的压缩数据尽可能地放置在每个预设的对应每个子宏块的子同步块内。
接着，如果整个数据不能放置在预设的子同步块内，则无缝放置在预设子同步块内的一部分数据被放置在其他具有空区域的子同步块内(即使当对应的子宏块数据被放置时)。
这里，在该实施例中，由于标准模式和高度压缩模式的宏块内的DCT块数是一样的，所以就Y和Cr和Cb的总和而言，可以认为记录编码数据的同步块的结构是一致的。由此同步块格式可以为标准或高度压缩模式共享，因此允许简化电路设计。
而且如普通实例所述，同步块内每个DCT块的区域分配通常定义为更大的区域分配给Y而不是Cr和Cb，但是在该实施例的标准模式下，分配给色差信号的Cr的两个DCT块的区域与分配给Y的一样大。而且对于Cr的DCT块区域的分配大于对Cb。而且每个分配给同步块内的Y的DCT块、Cr的DCT块和Cb的DCT块的压缩量如下Y∶Cr∶Cb=5∶5∶4。这是为了与高度压缩模式共享，但是带来了其他效果。以下进行描述。
分配给Cr的是大的区域，从而使其可以在同一同步块内记录更大的Cr的数据量。在涉及自适应量化的编码编码中，由于颜色明显变差，所以经常进行调整以使红色的编码率小于蓝色的。即，红色数据与蓝色数据相比，生成代码的量更容易增加。
相反，如前所述，通过将比Cb更多的区域和更大的数据量分配给Cr，与Cr和Cb相同记录相比，可以改进仅仅能够回放同一同步块内数据的高速回放期间的图像质量。由于同步块内区域的分配，所以产生了这种效果，并且在本实施例提供的两种模式以外也包含同样的效果。例如在实现具有单独图像信号压缩方法的图像信号压缩方法中获得了同样的效果。换句话说，在本发明的图像信号压缩方法中，如果在同步块内向Cr的子同步块比Cr的分配更多的代码量，则不管编码的信号类型和数据量或采样频率，都可以得到相同的效果。
作为上述完成压缩的结果，在标准模式下，由于995Mbps的输入图像信号通过速率转换被转换为664Mbps，随后被编码至100Mbps，所以速率转换后的信号编码率为1/6.6。另一方面，在高度压缩模式下，由于输入图像信号通过速率转换被转换为332Mbps，随后被编码至50Mbps，所以速率转换后的信号编码率为1/6.6。换句话说，速率转换后的编码率对于两种模式是相同的。
如上所述，在本发明的图像信号编码方法中，为了以两种不同模式编码输入图像信号，宏块内DCT的块数是相同的并且亮度和色差信号的DCT块数之比是变化的，从而可以无需增加电路规模就可以处理两种压缩模式。
而且，本实施例所述的宏块的结构是一个实例，并且作为构成宏块的块数和亮度信号与色差信号的各块之比可以取其他数值。
而且就输入信号的采样频率、速率转换的速率、记录速率、同步块内区域分配(例如如何在77个字节内放置76个字节等)和构成压缩单元的宏块数量而言，本实施例所示以外的数值也可以达到本发明的效果。换句话说，考虑了每种编码速率的宏块结构被定义为使宏块内记录的DCT块数为常数，并且定义速率转换速率以实现预设编码速率下的宏块结构。
(实施例2)以下借助附图描述实施例2。本发明实施例2是实现实施例1图像信号编码方法的图像信号编码装置。
图2是本发明第二图像信号编码装置的实施例的示意图，并且在图中，201是输入图像信号的输入终端，202是设置完成编码的压缩模式的压缩模式设置装置，203滤波装置是将输入图像信号作涉及频带限定的速率转换，204是交换输入信号的交换装置，205是对输入信号作离散余弦变换的正交变换装置，206是量化输入信号的量化装置，207是对输入信号进行变长度编码的变长度编码装置，以及208是在同步块内完成输入信号数据放置的格式化装置。而且滤波装置203是本发明速率转换装置的实例，并且压缩模式设定装置202、交换装置204、正交变换装置205、量化装置206、变长度编码装置207是本发明编码装置的一个实例，而格式化装置208是本发明放置装置的一个实例。
以下描述上述结构中按照本实施例的图像信号编码装置的操作。
首先，完成压缩的压缩模式由压缩模式设定装置202设定，其信息作为模式信息输出至滤波装置203、交换装置204和量化装置206。在滤波器203中，来自输入终端201的图像信号根据输入模式信息进行涉及频带限制的速率转换并且输出至交换装置204。对于速率转换，完成实施例1所述的转换。
随后，在交换装置204中，输入信号被分离为各种模式的宏块，随后根据每个模式的预设图案从屏幕上不同位置的5个宏块形成压缩单元并且输出压缩单元。在正交变换装置205、量化装置206和变长度编码装置207中，输入压缩单元通过施加正交变换、量化和变长度编码进行编码并且输入格式化装置208。
这里，切换自适应量化以提高图像质量的目的是优化每个模式内的自适应量化，模式信息被输入量化装置206。格式化装置208将输入的编码图像信号连同附加信息放入预设同步块内。此时，由于同步块格式是共同的，所以无需输入模式信息。
如上所述，图像信号借助滤波装置203和交换装置204，根据压缩模式设定装置202设定的压缩模式被分离为对应各压缩模式的宏块，从而可以由装置实现与实施例1相同的效果。
而且，可以在格式化装置208内输入模式信息，并且改变和记录同步块固定位置上的附加信息。在这种情况下，由于只有按照压缩模式选择被记录信息的功能被加入，所以几乎不增加电路体积。
而且在该实施例中，同步块内区域的分配被定义为与蓝色块相比，记录了更多的红色子同步块数量，从而如实施例1所述可以改善高速回放期间的图像质量。在该实施例中，分配给Cr的DCT块的区域大于分配给Cb的。而且分配给同步块内Y的DCT块、Cr的DCT块和Cb的DCT块的压缩量之比与实施例1一样为Y∶Cr∶Cb=5∶5∶4。而且在实施例2中，由于同步块内区域的分配而发生这种效果，并且即使在除本实施例提供两种模式以外的情况下也获得了同样的效果，例如在只在一种模式下运行的图像信号编码装置，它无需模式设定等。换句话说，如果分配给同步块内红色子同步块的代码量大于蓝色的，则不管编码信号和采样如何都可以获得同样的效果。
与此同时，虽然在每个所述实施例中，利用标准模式和高度压缩模式中的任何一种压缩输入图像信号，但是本发明的图像信号压缩装置或图像信号压缩方法可以利用三种或更多的压缩模式压缩输入图像信号。
而且虽然在所述实施例中，子宏块和子同步块是DCT块单元，但是本发明图像信号编码装置或图像信号编码方法的子宏块或子同步块并不局限于DCT单元格式，但是可以是预设水平像素和垂直行的单元的块代替DCT块。而且压缩方法可以是DCT转换或小波转换等。
而且虽然在所述实施例中，一个宏块内的子宏块数量等于一个同步块内的子同步块的数量并且一个宏块内的子宏块对应一个同步块内的子同步块(即1-1对应)，宏块的子宏块数量不同于对应上述宏块的同步块子同步块。即子宏块数量与子同步块之间的对应可以延伸至m-n对应(m,n是任意自然数)。
即，如果n个子同步块对应m个子宏块，则一个垂直子宏块对应m个子宏块并且一行虚拟子同步块对应n个子同步块。
通过上述操作，由于一个虚拟子宏块与一个虚拟子同步块之间是1-1对应，则通过以子宏块与子同步块的对应代替虚拟子宏块与虚拟子同步块的对应使m-n的压缩数据对应关系可以如上述实施例那样放置。与此同时，比较好的是一个同步块内的子同步块数量是相同的，并且在所有压缩模式下采用相同的同步块格式。
而且本发明是一种使计算机执行本发明图像信号编码装置的全部或部分功能的程序，该程序与计算机协同运行。
而且使用本发明程序的实施例的其他方面可以是在发送介质内发送的模式，由计算机读取并且与计算机协同运行。
而且记录介质包括ROM等，并且发送介质包括诸如光纤或因特网之类的发送介质和光/无线电波和声波等。
而且本发明的计算机并局限于诸如CPU之类的纯硬件，并且可以包括中间件、操作系统、I/O设备和外围设备。
而且如上所述，本发明的构成可以用软件或电子线路、逻辑电路的硬件实现。
由上可见，按照本发明，对于用压缩比率不同的多种模式压缩的输入图像信号，所有压缩模式下宏块内子宏块的数量是相同的，亮度信号与色差信号之间的子宏块数比是变化的，因此即使压缩模式变化，宏块内的子宏块数是相同的，因此可以无需增加电路规模就处理所有压缩模式。
而且按照本发明，可以在高速回放时获得高质量的图像。
权利要求
1．一种图像信号编码装置，其特征在于包括至少一个编码装置，用于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为由多个子宏块构成的宏块并且以压缩比率不同的多个压缩模式中的一种编码宏块数据，其中所述每个宏块内的子宏块总块数等于所有类型压缩模式下使用的子宏块总数。
2．如权利要求1所述的图像信号编码装置，其特征在于在所述子宏块中，所述亮度信号的子宏块与所述色差信号的子宏块之比随所述每种压缩模式而变化。
3．一种图像信号编码装置，其特征在于包括至少一个编码装置，用于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为包含多个子宏块构成的宏块单元并且编码宏块内的数据；放置装置，用于将编码数据放入同步块，每个同步块包含分配预设初始数量代码的预设数量的子同步块，其中所述放置装置将所述预设初始数量的代码分配给所述同步块内的每个所述子同步块从而使对红色的所述色差信号的所述子同步块的分配不同于对蓝色的所述色差信号的所述子同步块的分配。
4．如权利要求3所述的图像信号编码装置，其特征在于对所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为对红色的所述色差信号的所述子同步块的分配大于对蓝色的所述色差信号的所述子同步块的分配。
5．如权利要求3所述的图像信号编码装置，其特征在于所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为对红色的所述色差信号的子同步块的分配等于对所述亮度信号的子同步块的分配。
6．如权利要求3所述的图像信号编码装置，其特征在于所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为所述亮度信号子同步块和红色的所述色差信号的子同步块和蓝色的所述色差信号的子同步块之间比率为5∶5∶4。
7．如权利要求1-6中任意一项所述的图像信号编码装置，其特征在于进一步包括速率转换装置，用于根据所述压缩模式类型切换在所述图像信号上施加频带限制的一种速率转换，其中所述编码装置使所有所述压缩模式下经过速率转换的所述图像信号的编码速率相等。
8．一种图像信号编码方法，其特征在于包括至少一个编码步骤，用于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为包含多个子宏块的宏块并且以压缩比率不同的多个压缩模式中的一种编码宏块的数据，其中所述编码宏块的总块数对于所述所有类型的压缩模式的使用是相同的。
9．如权利要求8所述的图像信号编码方法，其特征在于在所述宏块中，所述被编码的亮度信号的子宏块与所述被编码的色差信号的子宏块之比随所述每个压缩模式而变化。
10．一种图像信号编码方法，其特征在于包括至少一个编码步骤，用于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为包含多个子宏块构成的宏块单元并且编码宏块内的数据；放置步骤，用于将编码数据放入同步块，每个同步块包含分配预设初始数量代码的预设数量的子同步块，其中所述放置步骤将所述预设初始数量的代码分配给所述同步块内的每个所述子同步块从而使对红色的所述色差信号的所述子同步块的分配不同于对蓝色的所述色差信号的所述子同步块的分配。
11．如权利要求10所述的图像信号编码方法，其特征在于对所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为对红色的所述色差信号的所述子同步块的分配大于对蓝色的所述色差信号的所述子同步块的分配。
12．如权利要求10所述的图像信号编码方法，其特征在于所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为对红色的所述色差信号的子同步块的分配等于对所述亮度信号的子同步块的分配。
13．如权利要求10所述的图像信号编码方法，其特征在于所述同步块内每个所述子同步块的所述预设初始代码量的分配定义为所述亮度信号子同步块和红色的所述色差信号的子同步块和蓝色的所述色差信号的子同步块之间比率为5∶5∶4。
14．如权利要求8-13中任意一项所述的图像信号编码方法，其特征在于进一步包括速率转换步骤，用于根据所述压缩模式类型切换在所述图像信号上施加频带限制的一种速率转换，其中所述编码步骤使所有所述压缩模式下经过速率转换的所述图像信号的编码速率相等。
15．一种使计算机用作编码装置的程序，其特征在于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为包含多个子宏块的宏块并且有选择地以权利要求1所述图像信号编码装置中压缩比率不同的多个压缩模式中的一种编码宏块。
16．一种使计算机作为编码装置所有或部分的程序，其特征在于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为包含多个子宏块构成的宏块单元并且编码宏块内的数据；放置装置，用于将编码数据放入同步块，每个同步块在如权利要求3所述图像信号编码装置内包含分配预设初始数量代码的预设数量的子同步块。
全文摘要
一种图像信号编码装置,其特征在于包括至少一个编码装置,用于将图像信号的亮度信号和色差信号分离为由多个块构成的宏块并且有选择地以标准压缩模式或高度压缩模式中的一种编码宏块,从而以低于所述标准压缩模式的编码速率进行编码,其中所述编码宏块的总块数对于所述标准压缩模式和所述高度压缩模式编码是相同的。
文档编号H04N7/26GK1314659SQ0111175
公开日2001年9月26日 申请日期2001年3月19日 优先权日2000年3月17日
发明者藤原裕士, 西野正一, 宫下充弘 申请人:松下电器产业株式会社