專(zhuān)利名稱(chēng)：：降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法及其轉(zhuǎn)碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種頻域降采樣視頻轉(zhuǎn)碼方法及實(shí)現(xiàn)其的轉(zhuǎn)碼器。
背景技術(shù)：
：隨著計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)媒體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻壓縮技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。通常視頻信號(hào)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)和壓縮編碼后，在不同的環(huán)境介質(zhì)中傳播，在不同的終端上顯示播放，就需要對(duì)這些壓縮視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼處理。轉(zhuǎn)碼應(yīng)用涉及視頻服務(wù)器、通用多媒體訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)頂盒等諸多多媒體設(shè)備和系統(tǒng)。3G時(shí)代的到來(lái)，可以預(yù)計(jì)視頻業(yè)務(wù)將是未來(lái)通訊業(yè)務(wù)的主要內(nèi)容。無(wú)線(xiàn)視頻應(yīng)用下，受制于帶寬，小屏幕視頻格式(QCIF，QVGA)將大量應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)和視頻播放終端。一方面，系統(tǒng)端需要大量的小屏幕視頻源；另一方面，個(gè)人終端(手機(jī)，PDA，PMP)也需要小屏幕視頻格式源播放。目前，以DVD為代表存在著大量的高分辨率節(jié)目源，這就需要一種降分辨率的視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)來(lái)完成視頻從高分辨率到低分辨率的轉(zhuǎn)換。目前的視頻轉(zhuǎn)碼器，多是基于解碼器編碼器串連的結(jié)構(gòu)在空間進(jìn)行域轉(zhuǎn)碼。就是說(shuō)待解碼的碼流先經(jīng)過(guò)相應(yīng)的解碼器完全解碼得到視頻幀，然后在空間域上處理解碼幀，最后將經(jīng)過(guò)處理后的視頻幀再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的編碼器完全編碼得到轉(zhuǎn)碼后的文件。對(duì)于降分辨率的視頻轉(zhuǎn)碼，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是先解碼，然后在空間域上降采樣，最后將降采樣的視頻幀再編碼壓縮?，F(xiàn)有的視頻轉(zhuǎn)碼器結(jié)構(gòu)需要完全解碼出視頻幀，然后再次編碼。這樣碼流中的部分有用的信息如運(yùn)動(dòng)矢量，編碼模式在轉(zhuǎn)碼過(guò)程中不能得到再次應(yīng)用。將導(dǎo)致轉(zhuǎn)碼需要消耗很大的計(jì)算量，在實(shí)時(shí)應(yīng)用中面臨很多問(wèn)題。對(duì)于將降分辨率的視頻轉(zhuǎn)碼，頻域上的降分辨率方法比空間域上的方法能得到更好的效果，所以基于頻域的降分辨率結(jié)構(gòu)更為適合°現(xiàn)有的基于頻域視頻轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)，其涉及到的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法需要大量的矩陣乘法運(yùn)算，這樣使得頻域的轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)運(yùn)算速度慢，不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)視頻降分辨率的應(yīng)用，本發(fā)明提出了一種頻域的轉(zhuǎn)碼方法及使用其的轉(zhuǎn)碼器。一種降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法，包括步驟對(duì)輸入視頻流進(jìn)行部分解碼，.對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到解碼幀的DCT系數(shù)塊；對(duì)得到的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域降采樣處理、DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、并進(jìn)行部分編碼，從而得到轉(zhuǎn)碼的視頻流。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼器，包括解碼模塊，對(duì)輸入視頻流進(jìn)行部分解碼；第一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊，對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到解碼幀的DCT系數(shù)塊；降采樣模塊，對(duì)得到的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域降采樣處理；第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊，對(duì)降采樣的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；編碼模塊，對(duì)第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的輸出進(jìn)行部分編碼，從而得到轉(zhuǎn)碼的視頻流。利用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)碼方法及轉(zhuǎn)碼器，大大降低了運(yùn)算量，加快了運(yùn)算速度。此外，雖然在解碼階段有"漂移"，但對(duì)于參與計(jì)算的低頻信息影響很小，所以轉(zhuǎn)碼后視頻質(zhì)量降低很小。圖1為根據(jù)本發(fā)明的降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼器的系統(tǒng)方框圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法的流程圖。圖3為DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算的原理圖。具體實(shí)施例方式圖1給出了根據(jù)本發(fā)明的降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼器的系統(tǒng)方框圖。輸入的視頻碼流首先經(jīng)過(guò)110變長(zhǎng)解碼模塊，120逆量化模塊得到了運(yùn)動(dòng)矢量和幀DCT參差系數(shù)。DCT參差系數(shù)加上經(jīng)過(guò)130DCT快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊輸出的DCT系數(shù)得到解碼幀的DCT系數(shù)。解碼幀的DCT系數(shù)經(jīng)過(guò)140的DCT域降采樣模塊進(jìn)行降采樣。然后將降釆樣櫝塊的輸出發(fā)送到150量化模塊進(jìn)行量化，同時(shí)利用DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊180進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，上述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償利用了從模塊110輸出的運(yùn)動(dòng)矢量。然后，利用在模塊110輸出的運(yùn)動(dòng)矢量，經(jīng)過(guò)190運(yùn)動(dòng)矢量重用模塊得到編碼端的新運(yùn)動(dòng)矢量，并經(jīng)過(guò)160變長(zhǎng)編碼模塊進(jìn)行編碼，從而輸出降分辨率后的視頻碼流。這里，經(jīng)過(guò)170逆量化模塊進(jìn)行逆量化。圖2給出了根據(jù)本發(fā)明的降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法的流程圖。其中203~207為轉(zhuǎn)碼器的解碼階段，208、209為降分辨率階段，210~213為轉(zhuǎn)碼器的編碼階段。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，包括在DCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中使用的半像素精度快速方法；針對(duì)分辨率降2倍的快速DCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法；以及DCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中矩陣相乘的快速方法。1)半像素精度DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法在步驟206、211中涉及到了一種半像素精度的DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。整像素精度的DCT域的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，補(bǔ)償宏塊的DCT系數(shù)由下式得到-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>如圖3所示Bl、B2、B3和B4為要補(bǔ)償?shù)腄CT塊在參考幀上重疊的四個(gè)DCT塊系數(shù)，B為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫降腄CT系數(shù)塊。H和W為計(jì)算用的系數(shù)矩陣。H和W為平移矩陣的DCT形式，平移矩陣為除了矩陣左下角或者右上角為單位陣外其他元素都為零的矩陣，其作用為將矩陣中的元素左移或者上移n列或者n行。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>本發(fā)明將這種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞酵茝V到半像素精度，得到和下式(l)一致的計(jì)算形式，從而在實(shí)用中易于實(shí)現(xiàn)。從式(l)看出，整像素的DCT補(bǔ)償信息包含在B1、B2、B3禾卩B4中，而半像素補(bǔ)償值為相鄰整像素的平均值，所以半像素補(bǔ)償值也可以通過(guò)Bl、B2、B3和B4計(jì)算得出。這里推導(dǎo)出了新的針對(duì)半像素的計(jì)算系數(shù)矩陣Hf和Wf:對(duì)于水平半像素補(bǔ)償有:對(duì)于垂直半像素補(bǔ)償有:i=I對(duì)于對(duì)角半像素補(bǔ)償有:這里wf和Hf為針對(duì)半像素精度的平移矩陣的DCT形式，其左乘或右乘一個(gè)DCT系數(shù)塊相當(dāng)于該DCT系數(shù)塊經(jīng)過(guò)平移后與其相鄰塊求平均值。例如，其具體形式可以為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>in為維數(shù)為n的單位矩陣。通過(guò)預(yù)先計(jì)算好的矩陣H、W、Hf、Wf就可以計(jì)算包含半像素精度運(yùn)動(dòng)矢量的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。2)DCT域快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償在步驟206中用到了DCT域快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。如上文所述，現(xiàn)有的DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法涉及到大量的矩陣乘法，大大影響到了轉(zhuǎn)碼速度。針對(duì)本發(fā)明所用到的轉(zhuǎn)碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種快速方法。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，該DCT域快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法可以適用于分辨率降2、4或其它比例的情況，但是對(duì)于通常為8X8的MPEG視頻流，這里以常用的降2降采樣為例進(jìn)行描述。本方法的理論依據(jù)為通常在步驟208中處理206運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果時(shí)，對(duì)于降采樣中截?cái)嗟母哳l部分也進(jìn)行了計(jì)算，而其計(jì)算結(jié)果在將采用過(guò)程中進(jìn)行了剔除。具體說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在步驟208中，DCT域分辨率降2的方法是將每四個(gè)(8+8)塊組變?yōu)橄鄳?yīng)的一個(gè)塊(81)具體實(shí)現(xiàn)可以利用四個(gè)塊中的4X4低頻系數(shù)，構(gòu)建一個(gè)新的8X8的DCT系數(shù)這里A為變換矩陣，AT為A的轉(zhuǎn)置，1)式的作用為將四個(gè)塊的低頻DCT系數(shù)變換成為一個(gè)8*8的DCT系數(shù)塊。式(1)中，對(duì)于每一個(gè)8X8DCT系數(shù)，只有低頻部分的4X4系數(shù)參與到重建新的DCT系數(shù)中。所以在206模塊中可以只需計(jì)算出來(lái)相應(yīng)的低頻分量，即計(jì)算式(1)時(shí)候，可以用下式進(jìn)行近似-對(duì)于半像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，也采用類(lèi)似的方法快速計(jì)算。根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于1.大大降低了運(yùn)算量，加快了運(yùn)算速度。以一個(gè)室塊為例，式(l)的運(yùn)算復(fù)雜度為0(83)，根據(jù)本方法復(fù)雜度為0(43)，復(fù)雜度為原來(lái)的1/8。對(duì)降分辨率后的視頻視覺(jué)效果影響小。2.雖然在解碼階段有"漂移"，但對(duì)于參與計(jì)算的低頻信息影響很小，所以轉(zhuǎn)碼后視頻質(zhì)量降低很小。試驗(yàn)表明，對(duì)于GOP為13幀的視頻流，本方法比原來(lái)PSNR僅降低大約0.5db左右。視覺(jué)感覺(jué)不到明顯的質(zhì)量下降。3)DCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中矩陣相乘的快速方法在轉(zhuǎn)碼過(guò)程中，步驟206和歩驟2il都要使用大量的矩陣運(yùn)算。這樣的矩陣運(yùn)算，在轉(zhuǎn)碼中為主要的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。為了進(jìn)一步加快轉(zhuǎn)碼速度，提出了一種矩陣近似的方法來(lái)加快矩陣乘法運(yùn)算。將例如矩陣H、W、Hf、Wf中的元素，在一定的精度范圍內(nèi)，用g)"多項(xiàng)式和的形式來(lái)代替，這樣元素間的"乘法"運(yùn)算可以用"移位"和"加"來(lái)替代，從而大大加快了轉(zhuǎn)碼的速度，同時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的精度可以得到保障。試驗(yàn)表明，在[-1/32,1/32]精度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)碼運(yùn)算量可以減少到3成，而PSNR降低不到O.ldb。例如，對(duì)于矩陣H嚴(yán)可以近似為:1/8-1/4+1/161/8+1/32-1/8+-1/321/81/16-1/321M十-1H6-1/4-1/4+1/32〗/4+-1/6-1/81/8+-/32-"161/S+1/32-1/4+1/32-1/4+1/161/8+1/32"/&1/8+-1/32扁"32-1/4十1/32/4十-]/16-/4十]/161/8+1/32-1/81/8+-1/32-1021/8-1/4+1/161/8+1/32曙1/8十-1/321/8-1/8+1/321/16-1,32-1/81/8-1/81/8十-1/32-1/161/16-1/32<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>這樣，近似矩陣的乘法就可以用相應(yīng)矩陣元素的"移位"，"求和"操作來(lái)進(jìn)行。例如a*(1/8)=a>>3。本發(fā)明可以通過(guò)控制逼近精度，靈活采用不同的近似矩陣從而得到不同的運(yùn)算復(fù)雜度。本發(fā)明提出的DCT域的降分辨率轉(zhuǎn)碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)方法，可以快速實(shí)現(xiàn)視頻碼流的降分辨率轉(zhuǎn)碼。以極小視頻質(zhì)量損失(<0.5db)換取快速地實(shí)現(xiàn)(>3倍)。在無(wú)線(xiàn)通訊，多媒體
技術(shù)領(lǐng)域：
有著廣泛地應(yīng)用前景。表1中給出了本發(fā)明的試驗(yàn)效果，針對(duì)7種不同的測(cè)試序列(cif大小)，對(duì)于三種情況做了對(duì)比試驗(yàn)，分別給出了轉(zhuǎn)碼速度(幀率)和視頻質(zhì)量(峰值信噪比)的結(jié)果。結(jié)果是在代碼沒(méi)有做任何優(yōu)化的條件下得出。表1中，MC-DCT:為傳統(tǒng)的DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的轉(zhuǎn)碼結(jié)果FMC-DCT:為采用本發(fā)明的快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的轉(zhuǎn)碼結(jié)果FMC-DCTwithMA:為采用快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和快速矩陣相乘的轉(zhuǎn)碼結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1.一種降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法，包括步驟對(duì)輸入視頻流進(jìn)行部分解碼；對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到解碼幀的DCT系數(shù)塊；對(duì)得到的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域降采樣處理、DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、并進(jìn)行編碼，從而得到轉(zhuǎn)碼的視頻流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，整像素精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和半像素精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償采用相同的矩陣相乘運(yùn)算形式。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，在對(duì)所述解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，采用高分辨率幀的低頻DCT系數(shù)來(lái)近似得到降采樣幀的DCT系數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，在進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，利用(i)"多項(xiàng)式和的形式來(lái)代替運(yùn)算矩陣中的元素，從而利用"移位"和"加"來(lái)進(jìn)行計(jì)算。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，利用4)"多項(xiàng)式和的形式來(lái)代替運(yùn)算矩陣中的元素，從而利用"移位"和"加"來(lái)進(jìn)行計(jì)算。6.—種降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼器，包括解碼模塊，對(duì)輸入視頻流進(jìn)行部分解碼；第一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊，對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到解碼幀的DCT系數(shù)塊；降采樣模塊，對(duì)得到的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域降采樣處理；第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊，對(duì)降采樣的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償;編碼模塊，對(duì)第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的輸出進(jìn)行部分編碼，從而得到轉(zhuǎn)碼的視頻流。全文摘要一種降分辨率視頻轉(zhuǎn)碼方法，包括步驟對(duì)輸入視頻流進(jìn)行部分解碼；對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到解碼幀的DCT系數(shù)塊；對(duì)得到的DCT系數(shù)塊進(jìn)行DCT域降采樣處理、DCT域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、并進(jìn)行部分編碼，從而得到轉(zhuǎn)碼的視頻流。利用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)碼方法及轉(zhuǎn)碼器，大大降低了運(yùn)算量，加快了運(yùn)算速度。此外，雖然在解碼階段有“漂移”，但對(duì)于參與計(jì)算的低頻信息影響很小，所以轉(zhuǎn)碼后視頻質(zhì)量降低很小。文檔編號(hào)H04N7/26GK101309404SQ200710097399公開(kāi)日2008年11月19日申請(qǐng)日期2007年5月15日優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日發(fā)明者昀劉,偉文,胡洪濤申請(qǐng)人:北京三星通信技術(shù)研究有限公司;三星電子株式會(huì)社