CN100352283C - 用于对细粒度可扩缩编码的视频进行代码转换的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于对视频进行转换代码的方法。首先,将视频编码为一个基本层和一个或多个增强层。然后,如果可用的比特率将截短要传输的最后的增强层,最后的增强层被部分解码。已部分解码的最后被传输的增强层中的比特数量被削减,以匹配可用的比特率,然后在传输前,对比特率降低的增强层重新编码。
Description
技术领域
本发明一般涉及流式压缩视频,更具体地,涉及对流式视频的细粒度可扩缩性增强层的位面进行代码转换。
背景技术
对于通过例如国际互联网的网络流式传输压缩视频的应用,一个重要的关注问题是要将视频流送达具有不同资源、接入路径和处理器的接收机。因此,视频的内容动态地适应在这种网络中遇到的不同类环境。
已经为MPEG-4标准开发了细粒度可扩缩性(FGS),以令视频适应这种动态变化的网络环境,见ISO/IEC 14496-2:1999/FDAM4,“Information technology-coding of audio/visual objects,Part 2:Visual”。Li描述了对MPEG-4标准的此种修改的综述,“Overview ofFine Granularity Scalability in MPEG-4 Video Standard”,IEEETrans.on Circuits and Systems for Video Technology,Vol.11,No.3,pp.301-317,March 2001。
MPEG-4 FGS编码器产生两个比特流:一个是基本层,另一个包含一个或多个增强层。这两个比特流的用途和重要性不同。基本层提供基本的已解码视频。在可以使用增强层之前,基本层必须被正确地解码。因此,必须有力地保护基本层。增强层可以用于改进基本视频的质量。
FGS编码是对传统可扩缩性编码的根本背离。运用传统可扩缩性编码,内容被编码至基本层比特流中,以及可能至若干增强层中,其中粒度的精细度仅与所形成的增强层的数量相同。得到的速率-失真曲线类似于阶梯函数。
相反,FGS编码提供了可连续扩缩的增强层比特流。产生该增强层是通过首先从输入视频的相应帧中减去基本层比特流的帧。这在空间域中产生了FGS残余信号。对残余信号应用离散余弦变换(DCT)编码,且DCT系数由位面编码方案进行编码。位面编码可以为增强层比特流产生多个子层。在下文中,这些子层也称作增强层。
FGS的努力集中在以下方面:改进编码效率,见Kalluri的“Single-Loop Motion-Compensated based Fine-Granular Scalability(MC-FGS)”,MPEG2001/N6831,July 2001,以及Wu等人的“AFramework for Efficient Fine Granularity Scalable Video Coding”,IEEE Trans.on Circuits and System for Video Technology,Vol.11,No.3,pp.332-344,March 2001;截短增强层以最小化相邻帧之间的质量差异,见Zhang等人的“Constant Quality Constrained RateAllocation for FGS Video Coded Bitstreams”,Visual Communicationsand Image Processing 2002,Proceedings of SPIE,Vol.4671,pp.817-827,2000,Cheong等人的“FGS coding scheme with arbitrarywater ring scan order”,ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,MPEG2001/M7442,July 2001,以及Lim等人的“Macroblockreordering for FGS”,ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,MPEG2000/M5759,March 2000;以及修改FGS编码结构以增加时间的可扩缩性,见Van der Schaar等人的“A Hybrid Temporal-SNR FineGranular Scalability for Internet Video”,IEEE Trans.on Circuitsand System for Video Technology,Vol.11,No.3,pp.318-331,March2001,以及Yan等人的“Macroblock-based Progressive FineGranularity Spatial Scalability(mb-PFGSS)”,ISO/IECJTC1/SC29/WG11,MPEG2001/M7112,March 2001。
与传统的可扩缩性编码方案相比,FGS的一个优势是它的差错恢复。已解码的增强层中一个或多个帧中的损失或恶化并不传播到后面的帧中。后面的帧总是在应用增强层之前首先从基本层进行解码。
此外,重建视频的质量与已解码的比特数量成正比。因此,FGS提供了流式视频的连续速率控制,因为增强层可以在任何点被截短以实现网络带宽的目标比特率或其它限制。
然而,MPEG-4标准没有规定如何进行速率分配,或者如何进行增强层的比特截短。它仅规定了经过截短的比特流应该如何被解码。
当观看已解码的视频时,人们感觉到一个具有不变的、比较适度的质量的已解码的视频“优于”这样的已解码视频,其中相邻帧之间的质量不同,从而一些帧的质量比较高而其它帧的质量比较低。因此,截短应该也最小化相邻帧之间质量的临时差异。
一个简单的截短方法对于每个帧将可用带宽均匀分配给增强层,见Van der Schaar等人的“A Hybrid Temporal-SNR Fine GranularScalability for Internet Video”,IEEE Trans.on Circuits and Systemfor Video Technology,Vol.11,No.3,pp.318-331,March 2001。用这种方法,对于增强层中的每一个帧,通过网络传输同样数量的比特。然而,如果相邻帧之间视频的复杂度不同,则已解码视频的质量随着时间在感觉上也是不同的。
为了解决这个问题,可以使用一种“最近特征线”方法,见Zhao等人的“A Content-based Selective Enhancement Layer ErasingAlgorithm for FGS Streaming Using Nearest Feature Line Method”,Visual Communications and Image Processing,Proceedings of SPIE,Vol.4671,pp.242-249,2002。上面这种方法评估每个帧的“重要性”,并且根据重要性将比特分配给各增强层。
另一种方法使用了最优速率分配,以截短增强层的比特流,见Zhang等人的“Constant Quality Constrained Rate Allocation for FGSVideo Coded Bitstreams”,Visual Communications and ImageProcessing,Proceedings of SPIE,Vol.4671,pp.817-827,2002,以及Zhao等人的“MPEG-4FGS Video Streaming withConstant-Quality Rate Control and Differentiated Forwarding”,Visual Communications and Image Processing,Proceedings of SPIE,Vol.4671,2003。他们的方法在增强层的编码过程中产生若干组速率-失真(R-D)点。接着,应用插值为增强层的每一个帧估计R-D曲线。R-D曲线用来确定应该被截短的比特数量。这些方法可以最小化相邻帧之间的质量差异。
然而,所有现有技术方法忽视了在一个帧之内质量的空间变化。
如图1所示,现有技术方法不能最小化帧内质量差异的原因是MPEG-4FGS标准使用了普通扫描顺序对增强层比特流进行编码。该普通扫描顺序对帧100的宏块例如1-N进行编码,按顺序从帧的左上角的宏块1开始,结束于帧的右下角的宏块N。结果,如图2所示,当最后一个传输位面层被截短时,只有已解码帧的部分200被增强,而已解码帧的部分201没有被增强。这样,整个帧中的质量将不均匀。
可以使用结合了选择性增强的水环扫描顺序,以处理帧内所关注的区域,见Cheong等人的“FGS coding scheme with arbitrary waterring scan order”,ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,MPEG2001/M7442,July 2001。选择性地增强所关注的区域中的位面,并且可以早于其它位面传送该位面。然而,该方法存在三个问题。首先,需要修改解码器以对水环扫描的增强层进行解码。其次,对于多数自然场景的视频,很难定义所关注的区域。第三,一个场景可以包括多个所关注的区域。
另一种方法使用不同的宏块扫描顺序,见Lim等人的“Macroblock reordering for FGS”,ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,MPEG2000/M5759,March 2000。这个方法基于以下前提,即在基本层中具有大的量化标度值的宏块在增强层中具有相应高的残余系数。因此,用于增强层的宏块的重排序列使用了两个来自基本层的参数:量化标度值和DCT系数的数量。
其相应的基本层宏块具有大的量化值和大量DCT系数的增强层宏块首先进行编码。然而,这种方法也要求对解码器进行修改,而且它不能解决当位面被截短时帧中空间质量变化的问题。
因此需要一种系统和方法,当FGS流式视频的增强层被截短时,能基本上保持帧内的空间质量不变,而不必修改解码器。
发明内容
提供一种用于对视频进行代码转换的方法。首先,将视频编码为一个基本层和一个或多个增强层。然后,如果可用比特率的限制将导致截短最后的增强层,最后传输的增强层被部分解码。部分解码的最后的增强层中的比特数量被削减,以匹配可用比特率,且削减后的最后的增强层被重新编码,并且以降低的比特率传输。
附图简述
图1是用于对视频的增强层编码的现有技术的依次扫描顺序的方框图;
图2是增强层截短引起的已部分增强解码的帧的方框图;
图3是根据本发明的FGS视频编码器的方框图;
图4是根据本发明的用于削减比特的搜索网格;
图5是由本发明获得的PSNR增益的曲线图。
实施本发明的最佳方式
我们的发明对细粒度可扩缩性(FGS)视频比特流进行代码转换,以使得当网络带宽降低时,解码器可以由一个已编码的基本层和一个或多个增强层重建空间质量均匀的帧。我们所称的均匀的空间质量,是指质量在视频的每一个帧内是不变的。
显然,如果增强层的最后一个解码的位面重建了整个帧,则整个帧的质量被均匀地增强。然而有时,传输比特流的信道的比特率比所需的比特率低。因此,一个或多个增强层(位面)被完全删除,并且有时,如果信道无法传输整个增强层,则截短一个增强层。我们称所截短的增强层为最后传输的层。依赖于最后的层在何处被截短,帧与帧之间的空间质量差异可能不同。
因此,我们对最后传输的增强层进行代码转换,使得最后传输的增强层的代码转换后的块在代码转换后其比特数量降低,但是数量降低后的比特仍然对整个帧编码。我们所称的代码转换,是指整个增强层被部分解码,成为DCT系数。不执行反DCT。
在部分解码的层中比特数量降低,如下所述,以满足带宽要求。比特率降低的增强层接着被重新编码。结果,解码器可以重建空间质量均匀的整个帧,即使信道的比特率降低。
如图3所示,我们的编码器和方法300操作如下。首先如MPEG-4FGS标准中所述,对输入视频301的每个帧的各块进行编码310,以产生一个基本层311和一个或多个包含位面312的增强层。
为每个输出位面312的每个块产生的比特数量Ri 321存储320在存储器中,其中i=1,...,N,且N是位面中块的数量。位面中对于一帧中所有块的总比特数量存储为RBP。
接下来,确定330传输FGS编码的视频流所必要的所需比特率是否被允许,如果被允许,则传输340当前位面。
如果不被允许,对按另一种方式将被截短的最后的增强层进行部分解码,并且根据下式降低每个块中的比特数量:
其中Ri是对块i进行编码310所使用的比特数量,Ri′是以较低比特率对该块进行重新编码360所需的比特数量,而RBudget是以较低比特率对位面的一帧中的所有块进行编码所使用的总比特数量。上式显示,根据整个帧的原始比特的贡献,将过量比特预算(RBP-RBudget)分配给每个已重新编码的块。
然后,对最后传输的视频位面312的每一个块进行重新编码360,以满足降低的比特数量Ri′的要求,并且传输340已降低大小的位面361。
有若干方法来降低位面的大小。一种简单的方法如下。每个增强层块具有64比特,“0”或“1”,对应于最高AC频率的DC系数的残留差错。具有新的比特预算的编码过程意味着应用于增强高频DCT系数的一些“1”需要被丢弃或删除。削减步骤360删除增强高频DCT系数的“1”值,直到满足所降低的比特预算。
速率-失真最优化
用以上的比特率降低,我们删除了对应DCT域中最高AC频率的“1”比特。然而,从速率-失真(R-D)的观点来看,该方案不是最优化的。例如,要在增强层块中被编码的两个系数“8”和“15”由“1000”和“1111”表示为二进制形式。对于第一个增强层,最高有效位面(MSB)包含两个“1”。
如果只传输对应于“15”的MSB“1”比特,则根据平方差的和(SSD),总失真为113。如果只传输对应于“8”的MSB“1”比特,则根据SSD,总失真为225。另一方面,与删除关于“8”的“1”比特相比,删除关于“15”的“1”比特产生较少的比特以对MSB进行编码。因此,需要一种最优方法以确定要删除哪些比特。
比特率降低问题可以归纳为从原始块中选择某些“1”比特,使得已重新编码的比特流同时满足受限制的比特预算和最优质量或最小失真。
联合速率-失真最优化可以用来解决这个问题。对于一个块,我们可以最小化代价函数J(λ)=D(Ri)+λRi,其中Ri是对当前块编码所使用的比特数量,D(Ri)是当用Ri个比特对当前块编码时引起的失真,λ是根据基本层的块的量化参数指定的经验参数。
如上面所述,当确定在当前位面中删除一个“1”比特而造成的失真时,应该考虑到在更高的增强层中与DCT系数相关联的比特。
在一个增强层块中,一个位面中有64比特。且每个比特可以被传输或删除。然而可用的删除模式的组合与当前块中“1”的数量成指数关系。
我们可以通过搜索一个图4所示的网格来处理该块,其中A 401指示位面400的开始。当搜索达到位面400中的第一个“1”比特411时,有两种处理方法:将其保持为“1”,或将它修改为“0”。这样便产生了两个状态,即“B”402和“C”403。对于路径“A-B”,可以按照J=λRi计算代价函数,其中Ri是描述到此为止的比特串所必需的码字的长度。对于路径“A-C”,仍然没有可用的代价函数。
当搜索达到位面中第二个“1”比特412时,有四个路径,即“BD”、“CD”、“BE”、“CE”。状态“E”405指示这个“1”被修改为“0”,且状态“D”404指示保持了“1”。对于进入状态“D”的两条路径,根据对应于路径ABD的代价函数λ(R1+R2)以及对应于路径ACD的λR3+D的值,丢弃一条路径,其中R3是描述“ACD”串的码字长度,且D是位置“B”上“1”变为“0”所造成的失真。以上过程继续,直到块的末端,或满足了用于该块的比特预算,以产生一条局部最优路径。
本发明的效果
为了验证本发明的有效性,我们使用通用中间分辨图像格式(CIF)对标准“Akiyo”视频序列进行编码。对I帧和P帧,用量化参数Q=31对基本层编码。该序列中没有B帧。对于增强层,用于增强层的总的可用带宽为576kb/s。
图5示出了与现有技术“均匀截短”方法相比较,我们的方法的PSNR增益。对于整个视频序列,我们的发明获得的平均PSNR增益为0.17dB。我们使用每个宏块的亮度分量的均方误差(MSE)的偏差来度量帧内的质量差异。我们的方法也可以将帧内的质量差异降低26%。
虽然本发明是通过优选实施例的方式进行描述的,但是应该理解,可以在本发明的本质和范围之内做出各种其它的适应和修改。因此,所附权利要求书的目标是包含所有这些在本发明的本质和范围内的变化和修改。
Claims (6)
1.一种用于对视频进行代码转换的方法,包括:
将视频编码为一个基本层和至少一个增强层;
如果可用比特率的限制将导致截短最后的增强层,部分解码要被传输的最后的增强层;
削减已部分解码的最后的增强层中的比特数量,以匹配可用比特率;以及
对削减后的最后的增强层重新编码。
2.权利要求1的方法,其中根据下式执行所述削减:
其中Ri是对最后的增强层的一帧中的每个块i进行编码所使用的比特数量,Ri′是以可用比特率对该块重新编码所需的比特数量,RBudget是以可用比特率对该帧中的所有块进行编码所使用的总比特数量,RBP是对该帧进行编码所使用的总比特数量,i=1,...,N,而N是最后的增强层的一帧中的块的数量。
3.权利要求1的方法,其中,所述削减删除每个块中增强高频DCT系数的“1”值,直到满足可用的比特率。
4.权利要求3的方法,还包括:
估计代价函数的值,以确定要被删除的所述“1”值。
5.权利要求4的方法,其中代价函数为J(λ)=D(Ri)+λRi,其中Ri是对当前块编码所使用的比特数量,D(Ri)是当用Ri个比特对当前块编码时引起的失真,λ是根据基本层的块的量化参数规定的经验参数,i=1,...,N,而N是最后的增强层的一帧中的块的数量。
6.权利要求4的方法,还包括:
在估计代价函数的值时搜索一个网格。
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