TWI478584B - 一種視訊編解碼的方法及其裝置 - Google Patents

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Description

一種視訊編解碼的方法及其裝置
本發明係與視訊技術有關，尤指一種具有時變通量之視訊編碼裝置及其方法。
數位視訊應用已廣泛使用在日常生活當中。為了降低資料傳輸所需之頻寬及儲存所需之空間，許多視訊壓縮技術及相關標準也應運而生。如應用於多媒體之MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4以及應用於視訊會議之H.263等等。舉例來說，MPEG－1的訊框率係為固定、應用於DVD之MPEG2的訊框率亦為固定的，如每秒29.97張訊框。其他的視訊標準(如MPEG4,H.263)則是允許可變之訊框率，即訊框率可以在編碼的過程中作變動。該些視訊壓縮標準使用離散餘弦轉換(DCT)、移動補償(motion compensation,MC)(其係有關於移動估計及移動補償預測)、量化及可變長度編碼(VLC)來建立資料區塊(blocks)。上述之技術內容及其實施方式為熟悉此項技藝之人士所知悉，故於此不再贅述。
視訊編碼器(video encoder)在視訊傳輸之應用，係基於信道率(channel rate)來產生視訊串列流(bit－stream)，並經由網路而傳送至視訊解碼器(video decoder)端；另，視訊編碼器在資料儲存之應用，係基於可得之儲存空間(如：硬碟)來產生視訊串列流，並經由儲存空間的讀寫機制來將視訊串列流載入至儲存空間(如：硬碟)中。請參閱第1圖，其係為習知技術之視訊編碼裝置的功能方塊圖。
然，在實際數位視訊應用狀況，經常會有傳輸通道壅塞(congestion)、儲存空間不足或是儲存設備忙碌(例如被緊湊地分段(segmented)時，則磁碟之寫入率會明顯下降)的狀況而造視訊封包漏失的情形發生。習知方法無法即時地調整輸出率，因而導致視訊資料漏失而產生一不佳之視訊品質。習知方法在一固定訊框率視訊標準下，則無法針對此一現象來作即時的(real－time)串列流調整，導致視訊封包漏失而產生不佳的視訊品質。
因此，如何藉由即時的串列流調整及且仍符合(固定或非固定)視訊訊框率標準下來改進視訊資料漏失、視訊畫面重現(playback)不平順及視訊畫面跳動運動(jumpy motion)等等現象，進而改善不佳的視訊品質，實為一重要之議題。
本發明的目的之一，在於提供一種用於視訊串列流編碼之具可變訊框率的系統，且在視訊壓縮標準上仍是使用固定訊框率。
本發明的目的之一，在於藉由仿真(emulate)在串列流中之跳躍訊框(skipped frames)以產生較佳地串列流。
本發明的目的之一，在於提供一種視訊編碼的裝置及其方法，可進行串列流調整，以解決上述之問題。
而且，無論網路架構、儲存元件或視訊標準是採用何種種類、型式的格式或標準，視訊的品質皆可藉由本發明而得到大幅地改善。承上所述，可見本案不啻為一新穎之發明。
本說明書及後續的申請專利範圍中所提及的「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。
請參閱第2圖，其係為本發明之視訊編碼裝置之一實施例的功能方塊圖。由第2圖所示，本發明之視訊編碼裝置200包含有：前處理電路20、視訊編碼器22、控制電路24、緩衝器26及一界面28(未繪示於圖中)。若該視訊編碼裝置200係與一硬碟(儲存設備)相耦接，則該界面28可為可與硬碟相耦接的一界面，例如是一SATA、IDE、SCSI等硬碟界面；若該視訊編碼裝置200係與具有網路界面之設備相耦接，則該界面28可為一網路傳收器(transceiver)，該傳收器可為一無線(wireless)傳收器，係符合3G規格、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)規格(IEEE802.16x規格)、WLAN規範(例如是IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n等WiFi規範)或是一有線傳收器，係符合相關網路規格(例如是：IEEE802.3規格)。當然該界面28可同時包括網路傳收器與硬碟界面。
控制電路24包含有一偵測單元30、一第一臨限值及一第二臨限值，該偵測單元係用以判定緩衝器26的使用狀況(即，容量)；當資料量超過該第一臨限值時，即表示緩衝器26將上溢(overflow)(可能是傳輸通道壅塞或是儲存設備處於忙碌中)而需調降該視訊編碼器22輸出的視訊資料的通量，以防止視訊資料漏失；當資料量低過該第二臨限值時，即表示緩衝器26將下溢(underflow)(可能是傳輸通道已順暢或是儲存設備處於可存取中)而可調升(或是回復至原先設定)該視訊編碼器22所輸出之串列流的通量，以維持較好的視訊品質。第2圖之信號S3 係代表著該緩衝器26的使用狀況之資訊，該控制電路24依據信號S3 得知該緩衝器26的使用狀況。一實施例，信號S3 係為該緩衝器26的寫入指位器(write pointer)及讀取指位器(read pointer)之值，該偵測單元30(例如是一減法器)係藉由計算該緩衝器26的寫入指位器(write pointer)及讀取指位器(read pointer)來得知緩衝器26內的資料量。一實施例，該偵測單元30包括有一計數器，用以計數該緩衝器26的資料量。該控制電路24尚包括有一比較電路，用以比較該偵測單元30所輸出的信號(代表該緩衝器26的資料量)與該第一(上溢)臨限值、該第二(下溢)臨限值之關係以輸出一調整信號S4 至該視訊編碼器22。
控制電路24信號產生調整信號S4 以告知視訊編碼器22需進行編碼上之調整(例如是：壓縮比的調整)以符合緩衝器26空間需求；另，若控制電路24發現現行通量發生異常狀況(例如是因通道中斷或是儲存設備忙碌所造成)，換言之，該緩衝器26將上溢，則控制電路24透過調整信號S4 來控制視訊編碼器22暫停(pause)運作以避免資料遺失；換言之，視訊編碼器22依據該控制電路24的調整信號S4 來決定如何進行編碼(例如是：停止壓縮、開始壓縮、壓縮比的調整)。
當該調整信號S4 顯示該緩衝器26的資料量將要(或是已)超過上溢臨限值時，則該視訊編碼器22必須減少輸出的資料量。一實施例，前處理電路20包括有一低通濾波器，該前處理電路20用以依據一第二調整信號S5 (或是該調整信號S4 )來對一視訊信號予以進行低通濾波的處理，例如：第二調整信號S5 (或是該調整信號S4 )內有告知通道壅塞時，則前處理單元20進行強度較強的低通濾波處理，以增加視訊編碼器22對影像的壓縮比，(即，當資料的高頻成分越少時，則壓縮的效果越好以及壓縮後的資料量越少)。此外，前處理電路20尚括有利用各種雜訊濾除機制的硬體、軟體、或軟硬體相配合，例如是採用滑動視窗機制(sliding window mechanism)來對每一訊框進行雜訊偵測及濾除；又例如，採用切換機制(switching mechanism)來對不同頻道信號建立雜訊型樣(noise pattern)以便於進行雜訊偵測及濾除。
另一實施例，該前處理電路20可減少資料量的輸出至該視訊編碼器22。即，當該前處理電路20被通知須減少資料量的輸出時，該前處理電路20對該視訊信號予以進行訊場(field)的剔留；例如：前處理單元20可選擇每一訊框(frame)傳送兩個訊場(field)或每一訊框只傳送單一訊場，而在每一訊框只傳送單一訊場模式下，被移除的訊場係由被保留的訊場以內插法(interpolation)來產生一新的訊場，然後再將兩者合併以產生一新訊框。如此，經過前處理單元20對該視訊信號予以進行相關之預處理而降低輸出至視訊編碼器22的資料量；因此，視訊編碼器22可在無太大的視訊品質損失下達到較佳之編碼效率。當然，此機制亦可在通道壅塞，甚至是通道中斷之狀況下提供無封包損失(packet loss)之功能。
視訊編碼器22接收預處理信號S1 (即經前處理後之該視訊信號)及調整信號S4 ，並產生一經編碼視訊信號S2 及第二調整信號S5 。視訊編碼器22依據調整信號S4 產生一第二調整信號S5 或是直接利用該調整信號S4 告知前處理電路20動態調整對該輸入視訊信號的處理方式，以及視訊編碼器22依據調整信號S4 即時地調整編碼方式以產生該經編碼視訊信號S2 ；一實施例，該視訊編碼器22的編碼方式可為：透過增減替換訊框、取樣量化階數的增減、或其他可改變輸出量的方式，然後再依照視訊編碼標準來予以進行編碼。如此，即可以在非固定或固定訊框率視訊標準下進行即時的通量調整，用以符合因傳輸通道壅塞或儲存空間不足時的時變通量限制狀況。
如前所述，前處理電路20可直接依據調整信號S4 來調整對該輸入視訊信號的處理方式，請參閱第3圖，其係為本發明之視訊編碼裝置之另一實施例的方塊圖。其中該前處理電路20係可省略。
以下說明增減替換訊框的一個實施例。於後續之說明前，請參閱第4圖。第4圖繪示一MPEG－2視訊標準，MPEG－2係為一種固定訊框率視訊標準。MPEG－2視訊標準之一視訊串列流序列(video bit stream sequence)係由一序列標頭檔(sequence header)、複數個畫面群(GOP)以及一序列結束碼(sequence end code)所組成。且每一畫面群係由一個畫面群標頭檔(GOP header)及複數個畫面(一個I畫面(Intra frame)、複數個P畫面(Predictable frame)以及複數個B畫面(Bi－directional predictable frame))所組成，其中，I畫面係為一鍵框(key frame)，其係由一離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transformation,DCT)所產生之一種靜止訊框，換言之，即無需透過其他訊框來作預測以產生之訊框；P畫面係利用I畫面或其他P畫面所作之一單向畫面預測(採用一未來之I畫面或P畫面來作預測)而產生的訊框；B畫面則是利用I畫面或其他P畫面所作之一雙向畫面預測(採用一未來之I畫面或P畫面以及一過去之I畫面或P畫面來作預測)而產生的訊框；這裡’I畫面的資料量最大(即壓縮率最低)，而B畫面的資料量最小(即壓縮率最高)。而每一畫面(picture)係由一個畫面標頭檔(picture header)以及複數個片(slice)所組成。每一片係由一個片標頭檔(slice header)以及複數個巨集區塊(macroblock)所組成。每一巨集區塊係由一個巨集區塊標頭檔(macroblock header)以及六個區塊(block)所組成。於此，請對I畫面、P畫面以及B畫面多加留心注意其區別以便在接下來的說明中能順利地理解於實施例中所採用之技術手段的說明。
請參閱第5(a)圖及第5(b)圖，其係本發明之對該輸入視訊信號予以進行訊場(field)的剔留的示意圖。這裡，茲以MPEG－2視訊標準為一實施例來作說明，當然本發明亦適用於其他視訊標準。對於MPEG－2視訊標準而言，該視訊編碼器22或是該前處理電路20可藉由剔除非必須訊框(B畫面或是P畫面)，並以其他訊框來替代，以達到編碼時需符合視訊標準且能動態調整串流列的要求。第5(a)圖所示，即是訊框剔除前的所有訊框；第5(b)圖所示，即是本發明所施用之訊框增減(剔除)後之變化方法。一較佳實施例，第一優先剔除的訊框係為B訊框(因為其所含之資訊量最少)，其次為P訊框，利用被保留之訊框以內插法(interpolation)或是以保留的訊框取代方式(replace)來替補被剔除之訊框，以使得訊框仍符合MPEG－2視訊標準。如此，在固定訊框視訊標準之環境下運作，仍然可依據傳輸通道通量之大小而動態地改變所傳送之訊框資料量，因此便可解決了記憶體不足或上溢、通道壅塞及通道斷線所造成的種種問題。
雖本發明的技術內容已以較佳實施例揭露如上，但並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內。
100．．．視訊編碼裝置
10．．．視訊編碼器
12．．．緩衝器
200．．．視訊編碼裝置
20．．．前處理電路
22．．．視訊編碼器
24．．．控制電路
26．．．緩衝器
28．．．界面
30．．．偵測單元
300．．．視訊編碼裝置
第1圖係為習知技術之視訊編碼裝置的功能方塊圖；第2圖係為本發明之視訊編碼裝置之一實施例的功能方塊圖；第3圖係為本發明之視訊編碼裝置之另一實施例的功能方塊圖；第4圖係為MPEG－2視訊標準之一視訊串列流序列的結構；及第5(a)圖與第5(b)圖係為本發明之視訊編碼方法之一實施例。
200．．．本發明之視訊編碼裝置的功能方塊圖
20．．．前處理電路
22．．．視訊編碼器
24．．．控制電路
26．．．緩衝器

Claims (21)

  1. 一種視訊編碼裝置，該裝置包含：一視訊編碼器，係用以接收一視訊信號以及一調整信號，並依據該調整信號對該視訊信號進行編碼以產生一編碼視訊信號，其中該編碼視訊信號的資料量係與該調整信號相對應；一緩衝器，耦接該視訊編碼器，係用以暫存該編碼視訊信號；一界面，耦接該緩衝器，用以輸出暫存於該緩衝器的該編碼視訊信號；一控制電路，耦接該緩衝器，用以依據該緩衝器的儲存空間情形以產生該調整信號；以及一處理電路，耦接該視訊編碼器，用以依據該調整信號來對該視訊信號進行剔除代換處理，其中該影像信號包括有至少一第一訊框以及複數個第二訊框，該第一訊框係由一離散餘弦轉換(DCT)所產生的訊框，該複數個第二訊框係依據其他訊框而產生的訊框，其中當該影像信號的訊框進行剔除代換的處理時，係優先剔除該複數個第二訊框中之至少其一的整個訊框或是其中一圖場，且使用保留的圖框或圖場來產生一圖框或圖場來替補被剔除的圖框或圖場。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該控制電路更包含：一偵測單元，耦接該緩衝器，用以依據一寫入指位器與及一讀 取指位器來確定該緩衝器的儲存空間情形。
  3. 如請求項2所述之裝置，其中該控制電路具有一第一臨限值及一第二臨限值，該偵測單元依據該緩衝器的儲存空間情形、該第一臨限值與該第二臨限值之關係以輸出該調整信號。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中該處理電路包括有一低通濾波器，該低通濾波器用以對該視訊信號進行低通濾波處理。
  5. 如請求項4所述之裝置，其中該低通濾波器具有一濾波特性，並依據該調整信號以調整該低通濾波器的該濾波特性。
  6. 如請求項1所述之裝置，其中該第一訊框及該些第二訊框中之每一訊框皆具有一奇訊場及一偶訊場，且當進行剔除代換處理時，則該奇訊場或該偶訊場中至少一被同一訊框中的另一訊場所取代。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該處理電路另用以對該視訊信號進行雜訊偵測及濾除處理。
  8. 如請求項1所述之裝置，其中該視訊信號係符合一固定訊框率 的視訊標準。
  9. 如請求項8所述之裝置，其中該固定訊框率視訊標準係為一MPEG-1或MPEG-2的視訊標準。
  10. 如請求項1所述之裝置，其中該視訊信號係符合MPEG4或是H.263的視訊標準。
  11. 如請求項1所述之裝置，其中該視訊編碼器依據該調整信號來對該視訊信號進行取樣量化階數增減的處理及依據調整後之取樣量化階數來對該視訊信號進行編碼處理。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中該界面包括有一網路界面與一儲存裝置界面中之至少其一。
  13. 一種影像處理之方法，該方法包含：接收一影像信號；對該影像信號進行剔除代換處理，其中該影像信號包括有至少一第一訊框以及複數個第二訊框，該第一訊框係由一離散餘弦轉換(DCT)所產生的訊框，該複數個第二訊框係依據其他訊框而產生的訊框，其中當該影像信號的訊框進行 剔除代換的處理時，係優先剔除該複數個第二訊框中之至少其一的整個訊框或是其中一圖場，且使用保留的圖框或圖場來產生一圖框或圖場來替補被剔除的圖框或圖場；依據一調整信號對該影像信號進行編碼以產生一編碼視訊信號，其中該編碼視訊信號的資料量係與該調整信號相對應；利用一儲存單元暫存該編碼視訊信號；利用一界面輸出該編碼視訊信號；以及偵測該儲存單元的一儲存空間情形，並依據該儲存單元的該儲存空間情形以輸出該調整信號。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該編碼步驟還包含：根據該調整信號來對該影像信號的進行取樣量化階數增減的處理。
  15. 如請求項13所述之方法，其中藉由該調整信號的控制以避免該儲存單元發生上溢或是下溢的情形。
  16. 如請求項13所述之方法，其中依據該儲存單元的一寫入指位器與一讀取指位器來決定該儲存單元的儲存空間情形。
  17. 如請求項13所述之方法，其中該影像信號係符合一固定訊框視訊標準。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該固定訊框率視訊標準係為一MPEG-1或MPEG-2視訊標準。
  19. 如請求項13所述之方法，其中該界面包括有一網路傳收器。
  20. 如請求項13所述之裝置，其中該影像信號係符合MPEG4或是H.263的視訊標準。
  21. 如請求項13所述之裝置，其中該第一訊框及該些第二訊框中之每一訊框皆具有一奇訊場及一偶訊場，且當訊場剔除代換處理在運行時，則該奇訊場或該偶訊場中至少一被同一訊框中的另一訊場所取代。
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