CN100366094C - 细粒度可伸缩视频数据设备及操作方法，接收数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细粒度可伸缩视频数据设备、系统和方法以及数据结构。编码器(110)用于将输入视频数据编码为最小位速率宏块以产生具有表示宏块数据的最小位速率版本的DCT系数的DCT数据。该编码器(110)还将输入视频数据编码为中间位速率宏块数据以产生具有表示宏块数据的中间位速率版本的DCT系数的DCT数据。自适应运动补偿器(132)(并入在编码器的内部或外部)与编码器进行通信以预测中间位速率宏块数据的解码版本是否具有超过最大阈值(228)的累积的预测的误差帧能量。

Description

细粒度可伸缩视频数据设备及操作方法，接收数据的方法
交叉引用
本申请要求2001年6月11日申请的美国临时专利申请No.60/297,330(代理人档案号PU010128)之优先权，在此以引用参考的方式将其并入在本申请中。
技术领域
本发明公开直接涉及细粒度可伸缩的(“FGS”)视频编码器，尤其是涉及利用细粒度可伸缩生进行视频数据的编码的自适应运动补偿技术。
背景技术
通常以位流的形式处理和传输数字视频数据。如果能以在预定的最小和最大速率之间具有微小间隔的位速率组中的任何一种速率对位流进行解码，则位流是细粒度可伸缩的(“FGS”)。不幸的是，这种类型的可伸缩性造成的编码效率通常远小于非可伸缩的视频编码器-解码器(“CODEC”)的编码效率。
运动图像专家组(“MPEG”)采用用于流动视频的标准。MPEG-4标准包括FGS视频的模式。在MPEG-4 FGS视频中，使用最小的位速率重构的版本的在先帧预测当前帧。通过MPEG-4，如果更高的位速率版本的在先帧被用于预测，则在任何时候以比在编码器中用于预测的速率更小的速率解码位流时这都可能导致预测偏差。通过在编码器的参考帧和解码器的参考帧之间的差值产生预测偏差。因此，理想的是改善CODEC效率以使其高于典型的FGS方案(例如在MPEG-4标准中采用的FGS视频方案)的效率。
发明内容
通过细粒度可伸缩视频数据的运动补偿的设备和方法可以解决在已有技术中的这些和其它的缺陷和不足。细粒度可伸缩视频数据由编码器和自适应运动补偿器产生，该编码器用于将输入视频数据编码为最小位速率宏块数据以产生具有表示宏块数据的最小位速率版本的离散余弦变换(“DCT”)系数的DCT数据并将输入视频数据编码为中间位速率宏块数据以产生具有表示宏块数据的中间位速率版本的DCT系数的DCT数据，该自适应运动补偿器与编码器进行信号通信以预测解码版本的中间位速率宏块数据是否具有超过最大阈值的累积的预测的误差帧能量。
附图说明
本发明根据如下的实例性附图公开教导了用于细粒度可伸缩视频的运动补偿的有效的方法，其中：
附图1所示为仅具有底层运动补偿的细粒度可伸缩的(“FGS”)编码器的方块图；
附图2所示为根据本发明的优选实施例的具有自适应运动补偿的细粒度可伸缩的(“FGS”)编码器的方块图；和
附图3所示为根据本发明的原理的附图2的自适应运动补偿的流程图。
具体实施方式
根据在此所描述的本发明的实施例，一种视频数据编码器-解码器(“CODEC”)利用基于离散余弦变换(“DCT”)的视频数据的控制。可取的是该视频数据组织为宏块。
MPEG-4细粒度可伸缩性(“FGS”)使用用于运动补偿的最小位速率在先帧。根据本发明的原理，编码器基于宏块在最小位速率在先帧和更高位速率在先帧之间选择。编码器跟踪在每个帧上累积的预测偏差。
对于给定的宏块，如果使用用于运动补偿的更高位速率在先帧导致高于最大极限的预测偏差能量，则编码器选择最小位速率在先帧以预测该宏块。否则，编码器选择更高位速率在先帧以预测该宏块。编码器在编码的宏块中设定位(标志)以将那些用于预测的在先帧版本传递给解码器。
如附图1所示，FGS编码器10能够从功能上分解为底层部分11和增强层部分33。底层部分11包括与传到求和块14的正输入的信号耦合的输入端12。该求和块14又耦合到功能块16以执行离散余弦变换(“DCT”)。块16耦合到功能块18以实施量化变换Q。功能块18耦合到功能块20以实施可变长度编码(“VLC”)。块18进一步耦合到功能块22以实施反向量化变换Q-1。
块22又耦合到功能块24以实施反向离散余弦变换(“IDCT”)。央24耦合到求和块26的正输入，该求和块26耦合到块28以实施帧缓冲器。块28耦合到功能块30以执行运动估计。输入端12还耦合到块30以提供输入视频信号。帧缓冲器28和运动估计块30每个都耦合到块32以执行运动补偿。功能块32耦合到求和块14的负输入并也通到求和块26的正输入。
增强层部分33包括求和块34，该求和块34具有耦合到DCT16的输出的正输入和耦合到反向量化块22的输出的负输入。块34的输出耦合到功能块36以实施位平面编码。位平面编码器36的输出又耦合到功能块38以实施可变长度编码(“VLC”)。
在操作中，附图1的FGS编码器仅使用用于预测的底层，如MPEG-4FGS中那样。底层编码器11是简单的基于单层DCT的运动补偿的编码器。首先，使用从运动估计过程中获得的运动矢量对输入视频进行运动补偿。然后，使用DCT变换预测误差，以及使用可变长度编码对所得的DCT系数进行量化和熵编码。为重构底层帧，首先，执行反向量化，然后执行IDCT。然后在运动补偿过程中将减去的预测加回来，并将所重构的帧存储在帧缓冲器中以用作将来画面的基准。
在增强层中编码的初始步骤用于从未量化的系数中减去在底层中的反向量化的DCT系数。然后该位平面被扫描一次并被可变长度编码。解码器根据在解码时可用的位速率对在这些位平面中的某些子集进行解码。
转到附图2，根据本发明的原理，实例性FGS编码器110可在概念上分解为底层部分111和增强层部分133。底层部分111包括与求和块114的正输入进行信号通信耦合的输入端112。求和块114又耦合到功能块116以实施离散余弦变换(“DCT”)。块116耦合到功能块118以实施量化变换Q。功能块118耦合到功能块120以实施可变长度编码(“VLC”)。块118进一步耦合到功能块122以实施反向量化变化Q-1。
块122又耦合到功能块124以实施反向离散余弦变换(“IDCT”)。块124耦合到求和块126的正输入，求和块126又耦合到块128以实施帧缓冲器。块128耦合到功能块130以执行运动估计。输入端112也耦合到块130以提供输入视频信号。帧缓冲器128和运动估计器130每个都耦合到功能块132以执行自适应运动补偿。功能块132耦合到求和块114的负输入并也传到求和块126的正输入。
增强层部分133包括求和块134，求和块134具有耦合到DCT 116的输出的正输入和耦合到反向量化块122的输出的负输入。块134的输出耦合到功能块136以实施位平面编码。位平面编码器136的输出又耦合到功能块138以实施可变长度编码(“VLC”)。位平面编码器136的输出也耦合到由底层部分111组成的求和块139的正输入。
返回到底层部分111，求和块139具有从反向量化块122的输出耦合的另一正输入。求和块139的输出耦合到功能块140以实施另一IDCT。IDCT 140耦合到求和块142的正输入，求和块142具有从自适应运动补偿器132的输出耦合的另一正输入。求和块142的输出耦合到增强层帧缓冲器144。增强层帧缓冲器144又耦合到自适应运动补偿器132。偏差帧缓冲器146与自适应运动补偿器132双向信号通信地耦合。
在运行中，附图2的FGS编码器根据本发明的原理实施优选的FGS方法。在附图2的FGS编码器和附图1的FGS编码器之间的重要差别在于在附图2的编码器中将在增强层中用于位平面的子集的编码的位平面输出加入到在底层中的反向量化DCT系数，作为在获得重构的增强层帧fmid的过程中的初始步骤。然后执行IDCT，并反向加入来自运动补偿步骤中的预测。结果fmid存储在增强层帧缓冲器中。重构的底层帧fmid存储在底层帧缓冲器中。在并入了本发明的原理的自适应运动补偿方法、设备和系统中，读取底层和增强层预测，假设使用了增强层预测，计算累积预测偏差，并选择适当的预测。如果选择了增强层预测，则累积的预测偏差被更新并被写入到偏差帧缓冲器。
参考附图3，根据本发明的原理，参考附图2及附加的描述的自适应运动补偿的过程作为方法200示出。方法200在开始块210中开始并进行到决定块212。在决定块212中，确定当前的图像是否开始了新的画面组(“GOP”)。如果当前的图像没有开始新的GOP，则控制进行到功能块214以使累积的预测误差帧Fd复位到零。在块214之后，或者如果在块212中没有检侧到新的GOP，则控制进行到功能块216，功能块216选择中间位速率Rmid，这里Rmid是在最小位速率Rmin和最大位速率Rmax之间的任何值。为说明的目的，Rmid被认为是在Rmin和Rmax之间的一半。块216然后传送到功能块218，功能块218从对应于以最小的位速率Rmin编码的在先帧的帧Fmin中获取宏块。块218然后传送到功能块220，功能块220从对应于以中间位速率Rmid编码的先前帧的帧Fmid中获取宏块。块220然后传送到功能块222，功能块222从对应于在先帧累积预测误差的帧Fd中获取宏块。
功能块222将控制传送到功能块226。块226计算相对于累积预测误差Fd的中间位速率预测Pmid的能量E并传送到决定块228。决定块228确定所计算的能量E是否大于阈值Emax，并且如果它不大于，则将控制传送给功能块230。功能块230选择中间位速率预测Pmid，并传送给功能块232。功能块232更新累积的预测误差帧Fd并传送给返回块236。在决定块228中，如果能量E大于阈值Emax，则控制被传送给功能块234。块234选择最小位速率预测Pmin并传送给返回块236。
在本发明运动补偿方法的操作中，编码数据流的最小和最大位速率分别为Rmin和Rmax。Rmid是在Rmin和Rmax之间的任何中间位速率。因此，为对宏块进行编码，编码器从在Rmin下的在先帧中获取运动补偿块并从在Rmid下的在先帧中获取运动补偿块。
编码器也从表示累积的预测偏差误差的帧中获取另一块。在每个画面组(“GOP”)的开始累积预测偏差误差帧被复位到零。表示最小速率预测、中间速率预测和累积预测偏差误差的块分别称为Pmin、Pmid和Pd。为了确定使用哪种预测，编码器计算对于Pmid预测的预测偏差误差的能量。如果能量“E”定义为测量块的能量的函数，并且如果Emax是最大允许的偏差能量阈值，则按照如下选择适当的预测：
If E(Pd+Pmin-Pmid)＞Emax    (1)
预测＝Pmin
ELSE
预测＝Pmin
Pd＝Pd与Pmin-Pmid
END If
在本实例性实施例中，位被包括在宏块头部中以传递给选择预测块的接收解码器。在解码器中，分别将每个帧Fmin和Fmid的两个解码版本写到存储器中作为参考帧。帧Fmin代表最小的位速率的帧，而帧Fmid代表中间位速率的帧。如果以低于Rmid的位速率对帧进行解码，则使用以这种较低位速率解码的帧近似Fmid。
基于在此的教导在相关领域中的普通技术人员容易确定本发明公开的这些和其它的特征和优点。将会理解的是本发明公开的教导可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合实施。
最为可取的是，本发明公开的教导作为硬件和软件的组合实施。此外，软件优选实施为在程序存储单元中有形地体现的应用程序。该应用程序可以通过包括任何适合的结构体系的机器加载并执行。可取的是，该机器实施在具有硬件(比如一个或多个中央处理单元(“CPU”)、随机存取存储器(“RAM”)和输入/输出(“I/O”)接口)的计算机平台上。计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。在此描述的各种处理和功能都可以是可通过CPU执行的应用程序的一部分或微指令代码的一部分或者它们的任何组合。此外，各种其它的外设单元可以连接到计算机平台，比如附加的数据存储单元和打印单元。
进一步应该理解的是，因为在附图中描述的某些构成的系统部件和方法优选以软件实施，所以在系统部件或过程功能块之间的实际连接根据设计本发明公开方案的方式可能不同。根据在此的教导，本领域的普通技术人员能够设想本发明公开的这些以及类似的实施方式或结构。
虽然已经参考附图在此描述了实例性实施例，但是应该理解的是本发明公开并不限于这些精确的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下可以实施各种改变和修改。所有这些变化和改变都希望包括在附加的权利要求中所阐述的本发明公开的范围内。

Claims (15)

1.一种细粒度可伸缩视频数据设备，包括：
编码器(110)，该编码器用于将输入视频数据编码为最小位速率宏块数据以产生具有表示宏块数据的最小位速率版本的DCT系数的DCT数据，并将输入视频数据编码为中间位速率宏块数据，以产生具有表示宏块数据的中间位速率版本的DCT系数的DCT数据；和
自适应运动补偿器(132)，该自适应运动补偿器与编码器进行信号通信以预测中间位速率宏块数据的解码版本是否具有超过最大阈值的累积的预测的误差帧能量。
2.如权利要求1所述的设备，其中输入视频数据在最小位速率和最大位速率之间是细粒度可伸缩的，中间位速率是落入它们之间的任何值。
3.如权利要求1所述的设备，其中编码器包括自适应运动补偿器。
4.如权利要求1所述的设备，其中编码器包括：
增强层帧缓冲器(144)；
与增强层帧缓冲器进行信号通信的自适应运动补偿器(132)；和
与增强层帧缓冲器进行信号通信的偏差帧缓冲器(146)。
5.如权利要求1所述的设备，其中自适应运动补偿器包括：
使每个新画面组(212)的偏差帧缓冲器复位的画面组检测器；
计算相对于偏差帧缓冲器(146)的中间速率预测的能量的能量单元；和
使用宏块数据的运动矢量从在先画面的数据中选择要预测的每个像素块的中间速率预测和最小速率预测中的一个的预测单元。
6.一种用于接收编码的视频宏块数据的细粒度可伸缩视频数据设备，其中每个宏块由代表宏块数据的最小位速率版本的DCT系数和代表宏块数据的中间位速率版本的DCT系数中的一个表示，该设备包括响应累积的预测误差帧的预测能量将从编码器中接收的每个宏块的中间和最小位速率编码的DCT数据中的一个进行解码以形成重构的宏块数据的解码器。
7.一种执行细粒度可伸缩视频数据操作的方法，该方法包括：
将输入视频数据编码为最小位速率宏块数据以形成具有代表宏块数据的最小位速率版本的DCT系数的DCT数据；
将输入视频数据编码为中间位速率宏块数据以形成具有代表宏块数据的中间位速率版本的DCT系数的DCT数据；和
补偿编码的数据以预测中间位速率宏块数据的解码版本是否具有超过最大阈值的累积的预测的误差帧能量。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括响应累积的预测误差帧的预测能量从编码的输入视频数据中对中间和最小位速率编码的DCT数据中的一个进行解码以形成重构的宏块数据。
9.如权利要求7所述的方法，其中输入视频数据在最小位速率和最大位速率之间是细粒度可伸缩的，中间位速率是落入它们之间的任何值。
10.如权利要求7所述的方法，进一步包括以在先画面的增强层数据和宏块数据的运动矢量补偿增强层块数据以形成补偿的增强层块数据以便相对于补偿的增强层块数据执行DCT以形成增强层DCT数据。
11.一种用于接收编码的视频宏块数据的方法，其中每个宏块由代表宏块数据的最小位速率版本的DCT系数和代表宏块数据的中间位速率版本的DCT系数中的一个表示，该方法包括响应累积的预测误差帧的预测能量将从编码器中接收的每个宏块的中间和最小位速率编码的DCT数据中的一个进行解码以形成重构的宏块数据。
12.一种执行细粒度可伸缩视频数据操作的细粒度可伸缩视频数据系统，该系统包括：
将输入视频数据编码为最小位速率宏块数据以形成具有代表宏块数据的最小位速率版本的DCT系数的DCT数据的最小编码装置；
将输入视频数据编码为中间位速率宏块数据以形成具有代表宏块数据的中间位速率版本的DCT系数的DCT数据的中间编码装置；和
补偿编码的数据以预测中间位速率宏块数据的解码版本是否具有超过最大阈值的累积的预测的误差帧能量的补偿装置。
13.如权利要求12所述的系统，该系统进一步包括响应累积的预测误差帧的预测能量从编码的输入视频数据中对中间和最小位速率编码的DCT数据中的一个进行解码以形成重构的宏块数据的解码装置。
14.如权利要求12所述的系统，其中输入视频数据在最小位速率和最大位速率之间是细粒度可伸缩的，中间位速率是落入它们之间的任何值。
15.如权利要求12所述的系统，该系统进一步包括以在先画面的增强层数据和宏块数据的运动矢量补偿增强层块数据以形成补偿的增强层块数据以便相对于补偿的增强层块数据执行DCT以形成增强层DCT数据的补偿装置。
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