用于對數字圖像的序列進行編碼的方法
【技術領域】
[0001] 本發明提及用于對數字圖像的序列進行編碼的方法以及提及對應的解碼方法。更 進一步地，本發明提及用于對數字圖像的序列進行編碼的設備和用于對數字圖像的序列進 行解碼的設備。
【背景技術】
[0002] 在許多不同的應用中，例如，在監視系統中或在醫療影像設備中，產生大量的圖像 和視頻數據。因此，存在壓縮該數據以便節約存儲容量或以在傳送該數據時減少帶寬的需 要。
[0003]在現有技術中，存在很多標準以便壓縮圖像和視頻數據。各標準的突出的示例是H. 264/AVC(AVC=高級視頻編碼，參見文獻[1])以及將可能也被標準化為ITU-T建議H. 265 的標準草案HEVC(HEVC=高效率視頻編碼，還參見文件[2])。標準HEVC還將允許對經無損 編碼的圖像序列的實時傳送。標準ffiVC和H. 264/AVC包括基于同一圖像中的塊的不同的 幀內預測模式。在那些模式中，針對鄰近的已經被重構的像素來預測當前塊。編碼器通常 測試不同的預測類型并且選取相對于某個失真準則而具有最小代價的一個類型。針對當前 塊構建預測誤差并且將預測誤差與預測類型一起傳送到解碼器。逐塊（block-wise)預測 具有以下缺點：離被用于預測的參考像素遠的像素不與參考像素良好相關。因此，對于那些 像素，預測誤差通常更高。為了改善預測，可以減少塊的尺寸。然而，這造成圖像中的更高 數量的塊，其導致用于預測類型的信令的更高的比特率。更進一步地，如果參考像素包含噪 聲，則那些像素對于預測而言而變得次佳。
[0004] 在文獻[3]中，描述了基于模板匹配的幀內預測模式。在該方法中，基于相鄰于 候選塊和要被預測的塊的鄰近像素的模板，在搜索區域中確定被用于當前塊的預測的候選 塊。與要被預測的塊的模板相比而具有最好地匹配的模板的候選塊將被用于預測。該預測 方案具有以下缺點：所預測的塊仍是有噪聲的，其對于有噪聲的圖像的壓縮而言是次佳的。
[0005] 在文獻[4]中提出了簡單且有效率的逐像素（pixel-wise)預測方法。名為L0C0-I 的該預測方法使用簡單且直接的前向算法來基于三個周圍的像素預測一像素。該預測方法 對于用于有噪聲的圖像的壓縮而言也不是最佳的。
[0006] 在文獻[5]中，呈現了用于預測的基于最小二乘的方法。在那些方法中，執行要被 預測的鄰近的重構像素的加權平均。為了得到用于平均處理的最佳權重，必須求解復雜的 方程組，造成相當多的計算開銷。因此，在實際的應用中，不使用這樣的預測方法。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供克服以上缺點并且使能具有低復雜度的有效率壓縮的對數 字圖像的序列的編碼。更進一步地，本發明的目的是提供對應的解碼方法以及用于編碼的 設備和用于解碼的設備。
[0008] 由獨立專利權利要求來解決該目的。在從屬權利要求中限定本發明的優選實施 例。
[0009] 根據本發明的用于對數字圖像的序列進行編碼的方法使用用于基于之前處理的 圖像區域中的像素的重構值來預測圖像中的像素的值的很多預測模式（即，至少一個預測 模式)。術語"像素的重構值"要被寬泛地解釋并且取決于所使用的編碼方案。對于無損編 碼而言，像素的重構值與像素的原始值對應。在有損編碼的情況下，像素的重構值與像素的 經編碼的并且之后經解碼的值對應。而且，像素的重構值還可以提及在對應的預測模式中 確定的像素的預測值。在當預測當前像素時還未執行相應的像素的編碼和解碼的情況下， 使用像素的預測值。
[0010] 在編碼方法中，像素的預測值和原始值之間的預測誤差被處理，用于生成經編碼 的數字圖像序列。
[0011] 本發明的方法的特征在于特殊的預設的預測模式，預設的預測模式是基于單個圖 像的像素的幀內預測模式。該預設的預測模式包括如在以下闡述的步驟i)和ii)。
[0012] 在步驟i)中，針對單個圖像中的具有重構值的像素的區和針對圖像區域的模板， 把要被基于模板預測的第一像素周圍的區中的像素的第一小塊與若干第二小塊進行比較， 每個第二小塊被分配給區中的第二像素并且由基于模板的第二像素周圍的區中的像素組 成。基于該比較，確定用于每個第二像素的相似度測量，相似度測量描述被分配給相應的第 二像素的第二小塊的像素的重構值與第一小塊的像素的重構值之間的相似度。
[0013] 在根據本發明的方法的步驟ii)中，基于第二像素的(重構）值的加權和來確定每 個第一像素的預測值，其中，通過加權因數來對每個第二像素的值進行加權，加權因數取決 于由用于相應的第二像素的相似度測量所描述的減小的相似度而單調地減小。此處并且在 以下，術語"單調地減小"意味著加權因數將至少針對相似度的更大減小而減小。換言之， 對于相似度中的更小減小，可以發生加權因數保持恒定。
[0014] 根據本發明的編碼方法基于以下思想：已知用于對像素降噪的非局部均值算法 (參見文獻[6])可以被適配以便被用于預測。為了這么做，被用于預測的模板被限制到圖 像中的只包括像素的重構值的（因果）區。本發明的方法提供有效率的編碼，而沒有如在現 有技術方法中的情況那樣求解線性方程組的需要。更進一步地，在被用于預測第一像素的 第二像素的數量上不存在限制。而且，不存在將邊信息從編碼器傳送到解碼器的需要，因為 根據本發明的預測方案是后向自適應的。更進一步地，基于樣本地執行預測，從而預測誤差 不取決于像素位置。
[0015] 在本發明的一個實施例中，加權因數是相似度測量或相似度測量的近似值，從而 不是必須執行加權因數的分離的計算。然而，加權因數還可以是在步驟i)中確定的所有相 似度測量上歸一化的相似度測量或在步驟i)中確定的所有相似度測量上歸一化的相似度 測量的近似值。
[0016] 在本發明的另一實施例中，針對預定的圖像塊中的第一像素逐塊地執行預設的預 測模式。因此，該方法可以容易地與基于塊的編碼方案組合。
[0017] 在特定地優選實施例中，相似度測量基于第一小塊和相應的第二小塊中的對應的 (重構）像素之間的絕對或平方差之和。優選地，絕對或平方差之和被包括在相似度測量中 作為基數的負指數的至少一部分。為了相似度測量的容易且直接的計算，該基數優選地具 有值2。然而，也可以使用用于該基數的其它值。
[0018] 在本發明的特定地優選實施例中，基于整數運算來確定步驟i)中的相似度測量和 /或步驟ii)中的每個第一像素的預測值。這使能具有低計算工作的編碼。在詳細的描述 中，描述了在本發明的編碼方法中如何可以實現整數運算的示例。
[0019] 在本發明的另一實施例中，在預先限定的表格中的查找被用于在步驟i)中確定相 似度測量。通過使用這樣的預先限定的表格，用于編碼的計算時間可以被進一步減少。優 選地，該表格針對第一小塊和相應的第二小塊中的對應像素之間的絕對或平方差之和的值 而提供相似度測量的值。
[0020] 在特定地優選實施例中，預設的預測模式被用于圖像的序列的無損編碼。
[0021] 在該情況下，在步驟i)中使用的像素的重構值等于像素的原始值。
[0022] 在本發明的另一實施例中，預設的預測模式被用于圖像的序列的有損編碼。優選 地，有損編碼包括(經變換的）預測誤差的變換和/或量化的已知步驟，其中，預測誤差的逆 變換和/或去量化被執行，用于確定像素的重構值。在用于像素的預測誤差還未經受變換 和/或量化的情況下，該像素的預測值被用作重構值。
[0023] 在特定地優選實施例中，預測誤差的處理包括增強編碼效率的熵編碼步驟。
[0024] 在本發明的另一實施例中，基于以下任意準則來針對要被預測的每個第一像素確 定：預設的預測模式還是另一預測模式要被用于第一像素；和/或使用第一預測模式的哪 個參數或哪些參數。
[0025] 在本發明的另一變形中，在步驟i)中確定的所有相似度測量是零的情況下，與預 設的預測模式不同的另一預測模式被用于第一像素。
[0026] 在本發明的方法中，預設的預測模式的參數中的一個或更多個可以是固定的和/ 或可變的。所述一個或更多個參數優選地包括模板的形狀和尺寸和/或區的形狀和尺寸和 /或提及相似度測量的確定和/或第一像素的預測值的確定的一個或更多個參數。例如，參 數可以提及被用于計算相似度測量的以上描述的基數指數的值。
[0027] 在本發明的另一實施例中，在圖像的編碼序列中信令預設的預測模式和/或預設 的預測模式的參數。在詳細的描述中，描述用于信令預測模式或對應的參數的不同變形。
[0028] 在本發明的特定地優選變形中，預設的預測模式被用作標準HEVC/H. 265中的預 測模式，對于該標準，目前存在草案版本。
[0029] 除了以上方法之外，本發明還提及用于對通過本發明的方法或者本發明的方法的 一個或更多個優選實施例來解碼的數字圖像的序列進行解碼的方法。在解碼方法中，從以 下來重構預測誤差：圖像的經編碼的序列；以及在編碼期間通過預設的預測模式處理的并 且經受包括如在以下描述的步驟i)到iii)的特殊的解碼處理的圖像的經編碼的序列中的 像素的值。
[0030] 在步驟i)中，針對單個圖像中的、具有之前在解碼處理中已經確定的經解碼的值 的像素的區和針對圖像區域的模板，把要被基于模板預測的第一像素周圍的區中的像素的 第一小塊與若干第二小塊進行比較，每個第二小塊被分配給區中的第二像素并且由基于模 板的第二像素周圍的區中的像素組成，從而確定用于每個第二像素的相似度測量，相似度 測量描述被分配給相應的第二像素第二小塊的像素的經解碼的值與第一小塊的像素的經 解碼的值之間的相似度。
[0031] 在步驟ii)中，基于第二像素的(經解碼的）值的加權和來確定每個第一像素的預 測值，其中，通過加權因數來對每個第二像素的值加權，加權因數取決于由用于相應的第二 像素的相似度測量所描述的減小的相似度而單調地減小。
[0032] 在步驟iii)中，通過用于第一像素的對應的重構預測誤差來校正每個第一像素的 預測值，造成第一像素的經解碼的值。
[0033] 本發明還提及用于對數字圖像的序列進行編碼和解碼的方法，其中，通過本發明 的編碼方法來對數字圖像的序列進行編碼，并且其中，通過本發明的解碼方法來對數字圖 像的經編碼的序列進行解碼。
[0034]本發明還包括用于對圖像的序列進行編碼的設備，其中，該設備包括用于執行用 于基于之前處理的圖像區域中的像素的重構值來預測圖像中的像素的值的很多預測模式 的裝置，其中，像素的預測值和原始值之間的預測誤差被處理，用于生成數字圖像的經編碼 的序列。
[0035] 在該設備中，用于執行很多預測模式的裝置包括用于執行預設的預測模式的裝 置，預設的預測模式是基于單個圖像的像素的幀內預測模式，其中，所述用于執行