專利名稱：防止編碼器緩沖器在視頻壓縮中上溢和下溢的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻壓縮領(lǐng)域，具體涉及控制用于存儲(chǔ)已壓縮的視頻數(shù)據(jù)的編碼器緩沖器。
眾所周知，視頻系統(tǒng)包括多個(gè)通信設(shè)備和通信信道，其中通信信道為通信設(shè)備提供通信媒體。例如，通信信道可以是有線連接或射頻載波。為了提高視頻系統(tǒng)的效率，需數(shù)字壓縮在通信媒體上傳輸?shù)囊曨l信號(hào)。數(shù)字壓縮在維持視頻感覺質(zhì)量的同時(shí)減小代表視頻的比特個(gè)數(shù)。比特?cái)?shù)的減少可以更有效地利用信道帶寬并減少存儲(chǔ)的要求。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻壓縮，每個(gè)通信設(shè)備應(yīng)含有一個(gè)編碼器和一個(gè)解碼器。編碼器允許視頻信號(hào)在通信信道上傳輸以前壓縮。解碼器能從通信信道上接收被壓縮的視頻并處理它?？梢岳脭?shù)字視頻壓縮的通信設(shè)備包括高清晰度電視收發(fā)信機(jī)、電纜電視收發(fā)信機(jī)、可視電話機(jī)、計(jì)算機(jī)和便攜式無線電設(shè)備。
業(yè)已對(duì)數(shù)字視頻壓縮規(guī)定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括國際電信聯(lián)盟ITU-T建議H.261、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電子委員會(huì)(ISO/IEC)11172-2國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1和即將頒布的ISO/IEC13818-2標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了解碼器須解碼的比特流的語法，從而明確了對(duì)解碼器的要求。這允許在制作編碼器時(shí)有一定的靈活性，但編碼器必須能夠產(chǎn)生符合規(guī)定語法的比特流。
為了最大限度地利用可用信道帶寬，同時(shí)保證視頻質(zhì)量最佳，編碼器應(yīng)力求使其產(chǎn)生的比特?cái)?shù)與可用信道帶寬相匹配，這通常是通過選擇用于代表視頻幀或圖像的比特目標(biāo)數(shù)來完成的。比特目標(biāo)數(shù)被稱為目標(biāo)比特分配。不同圖像的目標(biāo)比特分配是完全不同的，這取決于圖像類型和其它考慮。對(duì)于器生成比特時(shí)的另一個(gè)考慮就是系統(tǒng)中每一個(gè)緩沖器的容量。由于編碼器和解碼器的比特率通常是不恒定的，所以在信道的兩端設(shè)置了緩沖器，一個(gè)位于編碼器之后且在信道之前，另一個(gè)位于信道之后且在解碼器之前。緩沖器吸收比特率的波動(dòng)。編碼器通常必須保證編碼器和解碼器的緩沖器不會(huì)因?yàn)楸忍亓鞯漠a(chǎn)生而上溢或下溢。
通常，特別是在頒布在視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的情況下，一種以上的圖像類型可用于編碼圖像。例如，MPEG利用了幀內(nèi)編碼圖像、預(yù)測圖像和雙向預(yù)測圖像。幀內(nèi)編碼圖像僅利用當(dāng)前圖像本身所含的信息來編碼。預(yù)測圖像利用當(dāng)前圖像和先前編碼圖像作為參考，來對(duì)當(dāng)前圖像編碼。由于利用于先前編碼圖像作為參考，因只需要對(duì)當(dāng)前圖像和先前編碼圖像的差別進(jìn)行編碼，故通常產(chǎn)生較少的比特?cái)?shù)。類似地，雙向編碼圖像除了利用當(dāng)前圖像外，還可以利用過去的和/或先前編碼的圖像作為參考，來編碼當(dāng)前圖像。不同的圖像類型所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)本來就不一樣。由于幀內(nèi)編碼圖像在編碼時(shí)沒有參考圖像，它本來就比雙向編碼的圖像需要更多的比特。同樣，預(yù)測圖像的比特?cái)?shù)通常比雙向編碼的圖像多，但少于幀內(nèi)編碼圖像。不同的圖像類型使編碼器速率與信道速率匹配的問題更加復(fù)雜化，因?yàn)椴煌膱D像本身需要使用多些或少些比特。另外，使用不同的圖像類型也對(duì)控制系統(tǒng)中駐存的任何緩沖器下溢和上溢更加復(fù)雜化。
據(jù)此，現(xiàn)在需要一種用以防止視頻壓縮系統(tǒng)中的編碼器緩沖器上溢和下溢并保證視覺質(zhì)量的方法和設(shè)備。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種用以防止視頻壓縮系統(tǒng)中的編碼器緩沖器上溢和下的方法的實(shí)施例的流程圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一種含有一個(gè)速率控制器用以防止視頻壓縮系統(tǒng)的編碼器緩沖器上溢和下溢的設(shè)備的實(shí)施例的方塊圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的編碼器緩沖器滿和虛擬緩沖器滿的示意圖。
本發(fā)明是一種用以防止視頻壓縮系統(tǒng)中的編碼器緩沖器上溢和下溢的方法和設(shè)備。一個(gè)虛擬緩沖器設(shè)在速率控制器中，來模擬解碼器緩沖器滿。一個(gè)比特序列由編碼器產(chǎn)生。編碼器由速率控制器來控制，以防止解碼器緩沖器下溢和上溢。該比特序列然后由編碼器緩沖器接收，以產(chǎn)生一個(gè)比特流。該比特流與瞬時(shí)的信道比特率相對(duì)應(yīng)。該比特流從編碼器緩沖器出來經(jīng)過一段延遲后，傳送到解碼器緩沖器，該延時(shí)由速率控制器控制，以使編碼器緩沖器滿與虛擬緩沖器滿同步。該同步防止編碼器緩沖器不致上溢和下溢。
本發(fā)明的壓縮算法方案使用了具有不同統(tǒng)計(jì)特性的不同類型的圖像。為了使總編碼圖像的質(zhì)量最佳化，針對(duì)編碼不同類型的圖像都預(yù)定了目標(biāo)比特?cái)?shù)。根據(jù)圖像類型和其它考慮，該比特?cái)?shù)對(duì)于不同的圖像是完全不同的。為了獲得好的編碼圖像質(zhì)量，所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)要保持接近目標(biāo)比特分配。
在編碼時(shí)，視頻圖像被劃分成為許多連續(xù)的塊。例如，在MPEG-1和MPEG-2中，每塊都由像素組成。當(dāng)每塊被編碼時(shí)，產(chǎn)生的比特?cái)?shù)被列表于虛擬緩沖器內(nèi)，比特流入編碼器緩沖器中。接著編碼器緩沖器通過信道將比特輸出到解碼器緩沖器。
逐塊產(chǎn)生的比特?cái)?shù)通常都各不相同，而輸出到信道的比特?cái)?shù)卻是恒定的。每塊產(chǎn)生的比特?cái)?shù)可通過調(diào)節(jié)各塊被量化的數(shù)量以相對(duì)的方式進(jìn)行控制。在一個(gè)特定的量化步級(jí)下，所產(chǎn)生的確切的比特?cái)?shù)依賴于圖像的內(nèi)容而變化，并且在該塊利用選定的量化步級(jí)已被壓縮后才得知。然而，通常是量化步級(jí)越高則所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)越少。
參考圖1-3來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖2以標(biāo)號(hào)100示出根據(jù)本發(fā)明的一種用以防止視頻壓縮系統(tǒng)中的編碼器緩沖器上溢和下溢的方法的流程圖。在步驟102，將一個(gè)虛擬緩沖器設(shè)置在速率控制器中，用以模擬解碼器緩沖器滿。在步驟104，一個(gè)比特序列由編碼器產(chǎn)生。該編碼器由速率控制器控制，以防止解碼器緩沖器下溢和上溢。然后，在步驟106，該比特序列被編碼器緩沖器接收，以產(chǎn)生一個(gè)比特流。該比特流與瞬時(shí)的信道比特率相對(duì)應(yīng)。在步驟108，該比特流從編碼器緩沖器出來，經(jīng)過一段延遲后傳送到解碼器緩沖器。在步驟110，該延時(shí)由速率控制器控制，以使編碼器緩沖器滿與虛擬緩沖器滿同步。該同步防止了編碼器緩沖器上溢和下溢。
編碼器緩沖器被設(shè)計(jì)得具有比解碼器緩沖器大些的存儲(chǔ)容量。開關(guān)的延時(shí)τ由下式確定τ=[(β-B(T-))·FR-]]]>
式中β是預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸，B(T-)是初始解碼器緩沖器滿，R是預(yù)定的平均信道比特率，F(xiàn)是預(yù)定的幀速率。瞬間的信道速率由速率控制器監(jiān)視，以更新預(yù)定的平均信道速率。
圖2以標(biāo)號(hào)是200示根據(jù)本發(fā)明的其內(nèi)含有一個(gè)速率控制器用以防止視頻壓縮系統(tǒng)中的編碼器緩沖器上溢和下溢的設(shè)備的方框圖。該設(shè)備包括一個(gè)編碼器202、一個(gè)編碼器緩沖器204、一個(gè)開關(guān)206、一個(gè)解碼器緩沖器208和一個(gè)速率控制器210。該速率控制器包括一個(gè)虛擬緩沖器212。
編碼器202根據(jù)輸入視頻幀214產(chǎn)生一個(gè)比特序列216。編碼器緩沖器204接收比特序列216并產(chǎn)生一個(gè)比特流218。開關(guān)206延遲該比特流218的傳輸，以產(chǎn)生一個(gè)已延遲的比特流220。該延遲的比特流與瞬時(shí)的信道速率222相對(duì)應(yīng)。解碼器緩沖器208接收該已延遲的比特流220。虛擬緩沖器212含在速率控制器210中，控制編碼器202，因而防止了解碼器緩沖器208下溢和上溢。包含有虛擬緩沖器212的速率控制器210還控制開關(guān)206的延遲，以防止編碼器緩沖器204上溢和下溢。
編碼器緩沖器被設(shè)計(jì)得具有比解碼器緩沖器大些的存儲(chǔ)容量。開關(guān)的延時(shí)τ由下式確定τ=[(β-B(T-))·FR-]]]>式中β是預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸224，B(T-)是初始解碼器緩沖器滿226，R是預(yù)定的平均信道比特率230，F(xiàn)是預(yù)定的幀速率228。瞬間的信道比特率222與延遲的比特流220相對(duì)應(yīng)，由速率控制器210監(jiān)視，以更新預(yù)定的平均信道速率230。
圖3以標(biāo)號(hào)300示出根據(jù)本發(fā)明的編碼器緩沖器滿310和虛擬緩沖器滿306的示意圖。緩沖器滿302示為按幀304表示的時(shí)間的函數(shù)。預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸224與初始解碼器緩沖器滿226之差308描繪在時(shí)間零處，表示為β-B(T-)編碼器緩沖器滿310與虛擬緩沖器滿306之差δ314根據(jù)開關(guān)206的延時(shí)來更新，以匹配編碼器緩沖器存儲(chǔ)容量與解碼器緩沖器存儲(chǔ)容量的差值。
本發(fā)明提供了一種在視頻壓縮系統(tǒng)中的解碼器緩沖器上溢和下溢已被防止時(shí)可用以防止編碼器緩沖器上溢和下溢的增強(qiáng)方法。其它的速率控制方法例如MPEG-2的TM5和MPEG-1的SM3都未曾提及緩沖器的上溢和下溢。
雖然上文已經(jīng)描述了示例性的實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見可以作出許多替代和修改均未偏離本發(fā)明。據(jù)此，有意將所有這些替代和修改均包含在所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用以在視頻壓縮系統(tǒng)中防止編碼器緩沖器上溢和下溢的方法，其特征在于，包括以下步驟a)在一個(gè)速率控制器中建立一個(gè)虛擬緩沖器，以模擬解碼器緩沖器滿；b)由一個(gè)編碼器產(chǎn)生一個(gè)比特序列，其中該編碼器由速率控制器控制，以防止解碼器緩沖器下溢和上溢；c)由編碼器緩沖器接收該比特序列并產(chǎn)生一個(gè)比特流；d)該比特流從編碼器緩沖器出來經(jīng)過一段延遲以后產(chǎn)生一個(gè)已延遲的比特流，傳送到解碼器緩沖器，其中該已延遲的比特流與瞬時(shí)的信道比特率相對(duì)應(yīng)，及e)由速率控制器控制該延時(shí)，以使編碼器緩沖器滿與虛擬緩沖器滿同步，其中，該同步可防止編碼器緩沖器上溢和下溢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的延時(shí)基于預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸、初始解碼器緩沖器滿、預(yù)定的平均信道比特率和預(yù)定的幀速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的延時(shí)由下式確定τ=[(β-B(T-))·FR-]]]>式中β是預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸，B(T-)是初始解碼器緩沖器滿，R是預(yù)定的平均信道比特率，F(xiàn)是預(yù)定的幀速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該方法還包括由速率控制器監(jiān)視瞬時(shí)的信道比特率，以更新預(yù)置的平均信道比特率。
6.一種用以在視頻壓縮系統(tǒng)中防止編碼器緩沖器上溢和下溢的設(shè)備，其特征在于，包括一個(gè)編碼器，可操作地耦合到一個(gè)速率控制器，用以根據(jù)輸入視頻幀產(chǎn)生一個(gè)比特序列；一個(gè)編碼器緩沖器，可操作地耦合到所述的編碼器，用以接收該比特序列并產(chǎn)生一個(gè)比特流；一個(gè)開關(guān)，可操作地耦合到所述的編碼器緩沖器和速率控制器，用以產(chǎn)生一個(gè)延遲和防止該比特流從編碼器緩沖器直接傳送到解碼器緩沖器，以產(chǎn)生一個(gè)已延遲的比特流，其中，該已延遲的比特流對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)的信道比特率；所述的解碼器緩沖器，可操作地耦合到該開關(guān)，用以接收該比特流；及一個(gè)速率控制器，可操作地耦合到該開關(guān)，用以控制編碼器，來防止解碼器緩沖器下溢和上溢，還控制該開關(guān)的延時(shí)，以防止該編碼器緩沖器上溢和下溢。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，一個(gè)預(yù)定的編碼器緩沖器尺寸大于一個(gè)預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述的時(shí)延基于該預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸、一個(gè)初始解碼器緩沖器滿、一個(gè)預(yù)定的平均信道比特率和一個(gè)預(yù)定的幀速率，及至少8A-8B中的一個(gè)可以選用8A)所述的延時(shí)由下式確定τ=[(β-B(T-))·FR-]]]>式中β是該預(yù)定的解碼器緩沖器尺寸，B(B-)是該初始解碼器緩沖器滿，R是該預(yù)定的平均信道比特率，F(xiàn)是該預(yù)定的幀速率；8B)由該速率控制器監(jiān)視該瞬時(shí)的信道比特率，以更新該預(yù)定的平均信道比特率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，該速率控制器包含一個(gè)虛擬緩沖器，用以模擬解碼器緩沖器滿。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用以在視頻壓縮系統(tǒng)中防止編碼器緩沖器上溢和下溢的方法和設(shè)備。一個(gè)虛擬緩沖器設(shè)置在一個(gè)速率控制器中，用以模擬解碼器緩沖器滿(102)。一個(gè)比特序列由編碼器(104)產(chǎn)生，編碼器(104)由速率控制器控制，以防止解碼器緩沖器下溢和上溢。然后，該比特序列由編碼器緩沖器接收，以產(chǎn)生一個(gè)比特流(106)。該比特流與瞬時(shí)的信道比特率相對(duì)應(yīng)。該比特流從編碼器緩沖器出來經(jīng)過一段延遲(108)后傳送到解碼器緩沖器。該延遲由速率控制器控制，以使編碼器緩沖器滿與虛擬緩沖器滿(110)同步。該同步可防止編碼器緩沖器的上溢和下溢。
文檔編號(hào)H04N7/32GK1146265SQ95192611
公開日1997年3月26日 申請(qǐng)日期1995年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月23日
發(fā)明者淳安元, 布萊特·露易斯·林德斯利, 史蒂芬·諾曼·萊維那 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司