專利名稱：具有量化級(jí)別的強(qiáng)制波動(dòng)的視頻編碼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種編碼視頻數(shù)據(jù)的方法以及一個(gè)執(zhí)行這種方法的系統(tǒng)。
由W.M.J.Coene和G.J.Keesman在“Signal Processing(信號(hào)處理)”55(1996)第369-374頁(yè)發(fā)表的題目為“On performance gainsin MPEG-2 video coding via a rate-distortion optimal route(通過率失真優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)MPEG-2視頻編碼的性能增益)”的文章中公開了計(jì)算MPEG編碼視頻數(shù)據(jù)的方法。MPEG視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定視頻信息的壓縮。視頻幀被編碼成利用它們自身編碼的I(內(nèi))幀，或者根據(jù)更新被編碼到其它幀的P或者B幀。視頻幀被分成塊(MPEG區(qū)分塊和宏塊，后者包括具有來自于不同的彩色信道的信息的多個(gè)塊，但是因?yàn)檫@并不影響本發(fā)明，所以除非另外提及，通用詞“塊”不區(qū)分的用于表示塊和宏塊)。一些塊被置零，在每個(gè)剩余塊中計(jì)算視頻信息的DCT(離散余弦變換)系數(shù)，這些系數(shù)被量化，并且量化系數(shù)被編碼到一個(gè)MPEG信號(hào)中。
通過更新進(jìn)行編碼，對(duì)塊置零以及量化是對(duì)MPEG中的視頻信息壓縮的重要貢獻(xiàn)。量化涉及利用從可用值的限制組中選擇出的量化系數(shù)來代替前述系數(shù)。限制組的特征在于一個(gè)量化級(jí)別值Q，該值與連續(xù)的可用值之間的差相對(duì)應(yīng)。利用量化系數(shù)來代替系數(shù)降低了編碼該系數(shù)所需的信息量，即使這以借助舍入誤差引入圖像失真為代價(jià)，該舍入誤差是由于原始系數(shù)與量化系數(shù)之間的差所引起的。在MPEG信號(hào)中，量化級(jí)別值Q可以逐塊變化，從而在壓縮和編碼信號(hào)的失真之間選擇一個(gè)最佳的平衡。
Coene和Keesman的文章中公開了一種選擇最佳的包括量化級(jí)別值的壓縮參數(shù)的優(yōu)化方法。在僅使用特定數(shù)量的信息(比特率)編碼視頻信號(hào)的限制下，失真量最小。沒有公開在該方法中使用的失真的特定量，但是大概使用每個(gè)幀的失真的總和。
該文章表明在現(xiàn)有方法中，一方面的I幀的失真與另一方面的B幀和P幀的失真不同。因此，失真隨著所謂的幀頻率組(包含一個(gè)I幀和周圍的B幀和P幀的一組幀)周期性變化。在該文章中的所述方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過優(yōu)化這樣的一組中的多個(gè)幀的失真的總和來降低這種失真的變化減少。在另一實(shí)施例中，通過使所有幀的失真相等來降低這種變化。
但是，在已知的編碼方法中，當(dāng)解碼所編碼的信號(hào)時(shí)，人類觀眾還是會(huì)注意某些視頻信號(hào)的視覺假象。例如，在低編碼比特率下，由于較好和較差的塊的編碼的交替周期，可以觀察到心跳效果。這種心跳效果在困難的場(chǎng)景下最容易引人注意，例如，在放大或者縮小一個(gè)特定對(duì)象的過程中，或者在相對(duì)統(tǒng)一的表面的邊緣，它們易于利用較少的比特進(jìn)行編碼，因此傾向于更多的誤差。這種效果也可以由于緩沖調(diào)解方法而在轉(zhuǎn)碼數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是降低上述的心跳效果。
本發(fā)明基于以下事實(shí)，由于量化造成的明顯失真不是幀失真，即壓縮和未壓縮圖像之間的差的結(jié)果，而是失真的局部變化的結(jié)果。這種效果不能由通常的失真總量來測(cè)量。
通過使用根據(jù)本發(fā)明的編碼方法，抑制在幀的相同位置作為時(shí)間函數(shù)和/或在相同圖像中作為位置函數(shù)的塊的量化級(jí)別的波動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在預(yù)選量化級(jí)別值上施加了一個(gè)空間和/或時(shí)間濾波，從而限制了量化級(jí)別作為時(shí)間和/或位置函數(shù)的變化。
本發(fā)明期望局部限制在一傾向附近的波動(dòng)，量化級(jí)別圍繞該傾向波動(dòng)。量化級(jí)別可以遵循該傾向，但是圍繞該傾向的時(shí)間或者空間波動(dòng)就會(huì)被限制，這樣時(shí)間域或者空間域的局部環(huán)境中的波動(dòng)效果將被抑制。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一個(gè)編碼器，一個(gè)視聽設(shè)備，一個(gè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備，一個(gè)計(jì)算機(jī)程序以及一個(gè)其上存儲(chǔ)了計(jì)算機(jī)程序的數(shù)據(jù)載體設(shè)備。
在一個(gè)實(shí)施例中，本方法應(yīng)用于已經(jīng)被量化的一個(gè)視頻流的轉(zhuǎn)碼。這樣在轉(zhuǎn)換過程中假象的產(chǎn)生將被最小化。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用估算的運(yùn)動(dòng)矢量在不同的幀中選擇塊，通過運(yùn)動(dòng)矢量這些不同的幀彼此相關(guān)。為該塊暫時(shí)選擇的量化值被時(shí)間低通濾波，發(fā)現(xiàn)所述的暫時(shí)選擇的量化值在連續(xù)的幀中彼此依次相應(yīng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的，詳盡的內(nèi)容，變形，效果和細(xì)節(jié)將在下文的描述中變得清楚明了，其中以下面的附圖作參考。
附

圖1表明了一個(gè)編碼裝置；附圖2表明了一種編碼方法的流程圖；附圖3表明了量化級(jí)別作為時(shí)間函數(shù)的曲線圖；附圖4表明了一個(gè)轉(zhuǎn)碼裝置。
附圖1表明了一個(gè)編碼裝置。該編碼裝置具有一個(gè)輸入端10和一個(gè)輸出端17，并且該裝置包括一個(gè)預(yù)處理器12，一個(gè)量化器14，一個(gè)打包器16，一個(gè)量化級(jí)別選擇器18以及一個(gè)量化級(jí)別濾波器19。輸入端依次通過預(yù)處理器12，量化器14和打包器16耦合到輸出端。量化級(jí)別選擇器18具有一個(gè)耦合到輸入端10的輸入端和一個(gè)通過量化級(jí)別濾波器19耦合到量化器14的量化級(jí)別輸入端的輸出端。
附圖2將被用于解釋該裝置根據(jù)MPEG編碼的運(yùn)行。在第一步驟21，運(yùn)行過程中視頻輸入信息被提供給輸入端10。在第一步驟21，預(yù)處理器12預(yù)處理該視頻輸入信息，將幀分離成塊，并且在每一塊中執(zhí)行視頻信息的DCT(離散余弦變換)。預(yù)處理器12將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換系數(shù)提供給量化器14。
在第二步驟22，量化級(jí)別選擇器18預(yù)選量化級(jí)別值Qp，量化級(jí)別濾波器19在時(shí)間上和/或在空間上濾波這些預(yù)選擇的量化級(jí)別值Qp，并且將這些濾波的量化級(jí)別值Qf提供給量化器14。
在第三步驟23，量化器14量化從預(yù)處理器12接收的系數(shù)，即利用來自于量化值的限制組的鄰近量化系數(shù)代替接收到的系數(shù)，并且將這些量化系數(shù)提供給打包器16。這可以例如通過利用一個(gè)塊的系數(shù)(優(yōu)選地減去偏移)除量化級(jí)別值，并且取該商的整數(shù)部分作為量化值來實(shí)現(xiàn)。在第四步驟24，打包器16將量化的系數(shù)編碼和打包成MPEG可兼容的信號(hào)并且將該信號(hào)提供給輸出端17。當(dāng)輸入一個(gè)新的幀時(shí)，步驟21、22、23、24周期性的重復(fù)。
在第二步驟22，量化級(jí)別選擇器18為輸入的視頻信息的各自幀中的各自塊預(yù)選量化級(jí)別值Qp。量化級(jí)別選擇器18通過量化級(jí)別濾波器19將預(yù)選的量化級(jí)別值Qp提供給量化器14從而控制量化值的限制組中的連續(xù)量化值之間的步長(zhǎng)，量化器14從該量化值中選擇量化系數(shù)。
可以使用任何已知的選擇量化級(jí)別值的方法來預(yù)選量化級(jí)別值Qp。在一個(gè)實(shí)施例中，量化級(jí)別選擇器18接收一個(gè)比特率選擇信號(hào)并且預(yù)選該量化級(jí)別值Qp，從而使輸出端1 7的輸出信號(hào)的比特率平均不超過選定的比特率。量化級(jí)別選擇器18計(jì)算每個(gè)塊的復(fù)雜度，并且與復(fù)雜性成比例地為每個(gè)塊分配各個(gè)比特率，從而使所有塊的比特率的總和不超過選定的比特率。然后選擇每個(gè)塊的量化級(jí)別值Qp從而不超過分配給該塊的比特率。
量化級(jí)別選擇器18通過量化級(jí)別濾波器19將預(yù)選的量化級(jí)別值Qp提供給量化器14。量化級(jí)別濾波器19在預(yù)選的量化級(jí)別值Qp上執(zhí)行時(shí)間和/或空間低通濾波操作，并且將低通濾波的量化級(jí)別值Qf提供給量化器14。
應(yīng)當(dāng)理解，第二步驟涉及一定的預(yù)測(cè)。就是說，可以在量化先前幀的塊或者在量化相同幀中的先前塊之前為一幀中的塊計(jì)算預(yù)選的量化級(jí)別值，從而為先前幀中的那些塊和/或?yàn)橄嗤瑤械南惹皦K選擇量化級(jí)別值Qf。因此，可以考慮未來塊的預(yù)選量化級(jí)別值。
附圖3示出了量化級(jí)別選擇器18為視頻信息的連續(xù)幀中的相同象素位置的塊選擇的預(yù)選量化級(jí)別值Qf作為時(shí)間函數(shù)(即幀數(shù))的曲線30。附圖3也示出了量化級(jí)別濾波器19所產(chǎn)生的經(jīng)過時(shí)間濾波的量化級(jí)別值Qf的曲線32。應(yīng)當(dāng)注意濾波的量化級(jí)別值Qf32遵循預(yù)選的量化級(jí)別值Qp的一般趨勢(shì)，但是該趨勢(shì)周圍的波動(dòng)被抑制。
可以為作為塊的位置的函數(shù)的量化級(jí)別Qp和Qf畫出相似的曲線，這些級(jí)別在一幀中與這些塊相關(guān)。
可以使用任何方法來濾波預(yù)選的量化級(jí)別值Qp30。例如，可以取圍繞為其選擇濾波的量化級(jí)別值Qf的幀的幀窗中大量連續(xù)的預(yù)選量化級(jí)別值Qp的中間值。這去除了波動(dòng)，但是允許突發(fā)的改變，例如當(dāng)塊的內(nèi)容突然改變時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過計(jì)算圍繞為其選擇濾波的量化級(jí)別值Qf的幀的幀窗中的連續(xù)的預(yù)選量化級(jí)別值Qp的平均值來實(shí)現(xiàn)濾波。平均值可以是加權(quán)平均值，其為靠近為其選擇濾波的量化級(jí)別值Qf的幀的多個(gè)幀的預(yù)選量化級(jí)別值Qp分配更多的權(quán)重。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用運(yùn)動(dòng)信息來支持濾波。在這種情況下，濾波器19時(shí)間濾波量化值，這些量化值是為通過運(yùn)動(dòng)矢量彼此相關(guān)的不同的幀中的塊所選擇的量化值。就是說，如果估計(jì)第一幀中的第一塊的內(nèi)容移動(dòng)到第二幀中的第二塊，并且從第二幀中的第二塊移動(dòng)到了第三幀中的第三塊，等等，就對(duì)第一塊，第二塊，第三塊等的量化級(jí)別值所構(gòu)成的量化級(jí)別值序列進(jìn)行時(shí)間濾波，然后使用濾波的量化級(jí)別值量化相應(yīng)的塊。這再次降低了可見的假象。可以通過任何方式獲得運(yùn)動(dòng)矢量，例如從MPEG編碼中使用的運(yùn)動(dòng)矢量獲得。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管附圖1中所示的執(zhí)行，使用一個(gè)量化級(jí)別值濾波器19是非常簡(jiǎn)單的，但是也可以使用其它的裝置來降低波動(dòng)。例如，可以搜索使失真最小化并且不超過預(yù)定的比特率的一組量化級(jí)別值。在這種情況下，如果在量化級(jí)別值產(chǎn)生波動(dòng)，該裝置應(yīng)使用一個(gè)為該失真分配一個(gè)增加值的變形的修改量。這可以，例如，通過將一個(gè)基于原始圖像和編碼圖像之間的偏移的失真量，增加到在鄰近幀的相應(yīng)位置處和/或相同幀的鄰近位置之間所實(shí)際使用的量化級(jí)別值Qf之間的差的平方來實(shí)現(xiàn)。
還應(yīng)當(dāng)理解，盡管已經(jīng)描述了降低量化級(jí)別的波動(dòng)的原理，但是對(duì)于編碼標(biāo)準(zhǔn)的特定細(xì)節(jié)需要考慮多種變形。例如，在MPEG標(biāo)準(zhǔn)的情況下，僅允許有限數(shù)目的量化級(jí)別值。因此，應(yīng)當(dāng)從該有限數(shù)目的值當(dāng)中選擇濾波的量化級(jí)別值Qf，但是可以自由的選擇預(yù)選的量化級(jí)別值Qp。而且，MPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可以為一個(gè)宏塊中的不同塊所使用的量化級(jí)別值之間的差別強(qiáng)加了一些限制。這可以例如通過選擇每個(gè)宏塊的濾波量化級(jí)別值Qf來實(shí)現(xiàn)。
而且，在MPEG標(biāo)準(zhǔn)中，量化級(jí)別值中的多數(shù)改變(例如，水平鄰近模塊之間的改變)不得不利用附加的符號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)量化級(jí)別沒有改變時(shí)，不需要做標(biāo)記。附加的符號(hào)導(dǎo)致壓縮信號(hào)中比特?cái)?shù)目的增加。因此，期望加權(quán)由于量化級(jí)別改變?cè)斐傻娘@著失真和壓縮信號(hào)中的比特?cái)?shù)目的增加。
本發(fā)明也可以應(yīng)用于產(chǎn)生用于傳輸或者用于視頻信息的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的壓縮中。本發(fā)明能夠應(yīng)用于存儲(chǔ)到諸如軟盤，數(shù)字通用盤，或者超級(jí)音頻CD，或者產(chǎn)生DVD或者SACD的主盤或者壓模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)。本發(fā)明也可以應(yīng)用于壓縮視頻信息的轉(zhuǎn)碼。
附圖4表明了一種轉(zhuǎn)碼裝置。該轉(zhuǎn)碼裝置包括一個(gè)局部解碼單元40，一個(gè)再量化器44，一個(gè)打包器46，一個(gè)量化級(jí)別選擇器48以及一個(gè)量化級(jí)別濾波器49。轉(zhuǎn)碼器的輸入端依次通過局部解碼單元40，再量化器44和打包器46耦合到輸出端。量化級(jí)別選擇器48具有一個(gè)耦合到局部解碼器的輸出端的輸入端以及一個(gè)通過量化級(jí)別濾波器49耦合到再量化器44的量化級(jí)別輸入端的輸出端。
在操作中，轉(zhuǎn)碼器接收具有使用第一量化級(jí)別量化的信號(hào)值的壓縮的編碼數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)碼器利用第二量化器再量化該信號(hào)值，例如，以增加壓縮率。局部解碼單元40局部解碼接收到的壓縮信號(hào)，并且將表示來自于該接收信號(hào)的量化信號(hào)值的信息提供給再量化器44。再量化器44為每個(gè)信號(hào)值選擇一個(gè)新的量化值，從而該新的量化值屬于濾波器49所表示的量化級(jí)別。打包器46將來自于該流的信息再打包成一個(gè)新的編碼流，編碼該新的量化值。
選擇器48選擇量化級(jí)別。例如與輸入信號(hào)中的相應(yīng)塊所使用的量化級(jí)別成比例地為每個(gè)塊選擇量化級(jí)別(選擇比例因子從而使輸出端的測(cè)量比特率平均上與外部需要的比特率對(duì)應(yīng))。濾波器49對(duì)選定的量化級(jí)別值進(jìn)行時(shí)間和/或空間濾波，如圖1所述。
盡管在本發(fā)明的執(zhí)行中描述了分離的硬件單元，應(yīng)當(dāng)理解一個(gè)或者多個(gè)這些單元的功能可以包含在一個(gè)單獨(dú)的單元當(dāng)中。例如，單元18，19所執(zhí)行的預(yù)選和濾波可以由一個(gè)單獨(dú)的單元來實(shí)現(xiàn)。而且，附圖1所示的裝置中的元件可以物理的分成多個(gè)裝置，而在邏輯上可以用一個(gè)單獨(dú)的裝置來表示。盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)現(xiàn)存的MPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮進(jìn)行了描述，但是其當(dāng)然也能夠應(yīng)用于其它類型的壓縮，例如，根據(jù)未來的MPEG標(biāo)準(zhǔn)或者任何其他標(biāo)準(zhǔn)。
而且，各種元件也可以利用用執(zhí)行本發(fā)明的合適的計(jì)算機(jī)程序編程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來執(zhí)行，當(dāng)該程序運(yùn)行在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，或者使一個(gè)通用目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能時(shí)，該程序至少包括用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的指令。這種計(jì)算機(jī)程序可以在一個(gè)數(shù)據(jù)載體上提供，例如一個(gè)CD-ROM，或者磁盤，在該載體上存儲(chǔ)著可下載到一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示該計(jì)算機(jī)程序。一個(gè)數(shù)據(jù)載體還可以是一個(gè)數(shù)據(jù)連接，例如一個(gè)電話線或者一個(gè)表示根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序的無線連接發(fā)射信號(hào)。
在上面的說明中，已經(jīng)參照本發(fā)明的實(shí)施例的特定實(shí)例描述了本發(fā)明。因此這些說明和附圖應(yīng)當(dāng)被看作是示例性的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種編碼一個(gè)數(shù)字視頻流的方法，該方法包括步驟-將視頻流的幀分成塊；-在每個(gè)塊的圖像信息的內(nèi)容復(fù)雜性的控制下，為每個(gè)塊選擇量化級(jí)別值，其中抑制復(fù)雜性的波動(dòng)作為每個(gè)塊的時(shí)間和/或位置的函數(shù)對(duì)量化級(jí)別值的時(shí)間和/或空間的波動(dòng)的影響；-計(jì)算根據(jù)選定的量化級(jí)別值量化的視頻數(shù)據(jù)；-產(chǎn)生包括該量化視頻數(shù)據(jù)的一個(gè)編碼視頻流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼一個(gè)數(shù)字視頻流的方法，其中選擇步驟包括-在復(fù)雜性的控制下，為每個(gè)塊的量化級(jí)別值預(yù)選初步值；-時(shí)間和/或空間低通濾波該初步值從而確定在計(jì)算步驟中要使用的量化級(jí)別值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼一個(gè)數(shù)字視頻流的方法，其中所述數(shù)字視頻流是一個(gè)編碼視頻流，包括表示量化輸入值的信息，以及根據(jù)選定的量化級(jí)別值再量化該量化輸入值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼一個(gè)數(shù)字視頻流的方法，該方法包括基于估算的運(yùn)動(dòng)矢量將來自于連續(xù)幀的連續(xù)的塊彼此相關(guān)，選擇步驟包括時(shí)間低通濾波連續(xù)的量化值，該量化值是分別為每個(gè)連續(xù)的塊而暫時(shí)選擇的。
5.一種編碼一個(gè)數(shù)字視頻流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-一個(gè)預(yù)處理器，用于為視頻流的幀中的每個(gè)象素塊計(jì)算圖像信息；-一個(gè)量化器，使用基于量化級(jí)別值的塊量化計(jì)算的圖像信息；-一個(gè)編碼視頻流產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生一個(gè)編碼該量化視頻數(shù)據(jù)的編碼流；-一個(gè)量化級(jí)別選擇器，用于在每個(gè)塊的圖像信息的內(nèi)容的復(fù)雜性的控制下，為每個(gè)塊選擇量化級(jí)別值，其中抑制復(fù)雜性的波動(dòng)作為每個(gè)塊的時(shí)間和/或位置的函數(shù)對(duì)量化級(jí)別值的時(shí)間和/或空間的波動(dòng)的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-一個(gè)預(yù)選擇器，用于在復(fù)雜性的控制下，為每個(gè)塊的量化級(jí)別值預(yù)選初步值；-一個(gè)低通濾波單元，用于時(shí)間和/或空間低通濾波該初步值從而確定量化級(jí)別值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，所述預(yù)處理器用于從具有量化的輸入信號(hào)值的輸入的編碼視頻流計(jì)算圖像信息，所述量化器再量化該量化的輸入值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，所述濾波器時(shí)間低通濾波為不同幀中的選定的連續(xù)塊預(yù)選的預(yù)選量化，選定的塊通過為所述幀估算的運(yùn)動(dòng)矢量而彼此相關(guān)。
9.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括具有用于編程一個(gè)計(jì)算機(jī)來執(zhí)行權(quán)利要求1所述的方法的指令的計(jì)算機(jī)程序。
全文摘要
在視頻壓縮過程中，每個(gè)塊的量化級(jí)別值受圖像信息的內(nèi)容的復(fù)雜性的控制。例如，通過低通濾波暫時(shí)選擇的量化級(jí)別值(19)來抑制量化級(jí)別值的時(shí)間和/或空間波動(dòng)。使用該量化級(jí)別值量化視頻數(shù)據(jù)。量化級(jí)別值也可以在轉(zhuǎn)碼過程中使用。
文檔編號(hào)H04N7/30GK1643934SQ03806888
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
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