CN101040533A - 复杂性可伸缩的视频编码和解码方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了分别用于对视频位流进行解码和编码的复杂性可伸缩视频解码器和编码器。复杂性可伸缩视频解码器包括第一组合器(1020)、第二组合器(1025)和解块滤波器(1050)。第一组合器(1020)用于对全分辨率运动补偿的预测和解码的上采样基层残差进行组合，以形成重构的上采样基层图像以供显示，而不对其应用解块操作。第二组合器(1025)以信号通信方式与第一组合器相连，用于对重构的上采样基层图像和解码的增强层残差进行组合，以形成重构的全分辨率增强层图像。解块滤波器(1050)以信号通信方式与第二组合器相连，用于只对重构的全分辨率增强层图像执行解块操作，以输出经过滤波的重构的全分辨率增强层图像以供显示。

Description

复杂性可伸缩的视频编码和解码方法和设备
交叉引用相关申请
本申请要求2004年10月13日提交的美国临时申请序列号No.60/618,254的优先权，其在此整个被引入作为参考。
技术领域
本发明一般涉及视频编码和解码，并且尤其涉及一种复杂性可伸缩的视频编码和解码方法和设备。
背景技术
人们希望广播视频应用能为各种用户设备提供支持，而不引起同时联播编码的位速率损失。视频解码是一种复杂操作，且复杂性特别取决于被编码视频的分辨率。低功率便携式设备典型地具有非常严格的复杂性限制和低分辨率显示器。与不同分辨率相应的两个或多个视频位流的同时联播广播可用于，解决较低分辨率设备的复杂性要求，但是需要比根据本发明的复杂性可伸缩系统更高的总位速率。因此，需要一种在维持高视频编码位速率效率的同时，允许复杂性可伸缩解码器的解决方法。
在运动图像专家组2(MPEG-2)和运动图像专家组4(MPEG-4)标准的可伸缩性配置(profile)中，广泛研究和标准化了多种不同的可伸缩性方法，包括信噪比(SNR)可伸缩性、空间可伸缩性、时间可伸缩性和细粒度可伸缩性。大多数可伸缩编码工作都针对位速率可伸缩性，其中低分辨率层具有有限带宽。如图1所示，一般用附图标记100来表示典型的空间可伸缩性系统。系统100包括用于接收视频序列的复杂性可伸缩视频编码器110。复杂性可伸缩视频编码器110的第一输出以信号通信方式与窄带网120及复用器130的第一输入相连。复杂性可伸缩视频编码器110的第二输出以信号通信方式与复用器130的第二输入相连。窄带网120的输出以信号通信方式与低分辨率解码器140的输入相连。复用器130的输出以信号通信方式与宽带网150的输入相连。宽带网150的输出以信号通信方式与解复用器160的输入相连。解复用器160的第一输出以信号通信方式与高分辨率解码器170的第一输入相连，且解复用器160的第二输出以信号通信方式与高分辨率解码器170的第二输入相连。低分辨率解码器140的输出可用作系统100的基层位流输出，且高分辨率解码器170的输出可用作系统100的可伸缩位流输出。
因为编码器和解码器复杂性的大大增加，并且可伸缩编码器的编码效率典型地大大低于非可伸缩编码器，所以可伸缩编码实际上并没有被广泛采用。
空间可伸缩编码器和解码器典型地要求，高分辨率可伸缩编码器/解码器提供除正常高分辨率编码器/解码器中存在的功能性以外的附加功能性。在MPEG-2空间可伸缩编码器中，决定是从低分辨率参考图像还是从高分辨率参考图像来执行预测。MPEG-2空间可伸缩解码器必须能够从低分辨率参考图像或高分辨率参考图像进行预测。MPEG-2空间可伸缩编码器/解码器需要两组参考图像存储器，一组用于低分辨率图像，另一组用于高分辨率图像。图2示出了根据现有技术的，支持两层的低复杂性空间可伸缩编码器200的框图。图3示出了根据现有技术的，支持两层的低复杂性空间可伸缩解码器300的框图。
转到图2，一般用附图标记200来表示支持两层的空间可伸缩视频编码器。视频编码器200包括用于接收高分辨率输入视频序列的下采样器210。下采样器210以信号通信方式与低分辨率非可伸缩编码器212相连，低分辨率非可伸缩编码器212又以信号通信方式与低分辨率帧存储器214相连。低分辨率非可伸缩编码器212输出低分辨率位流，并进一步以信号通信方式与低分辨率非可伸缩解码器220相连。
低分辨率非可伸缩解码器220以信号通信方式与上采样器230相连，上采样器230又以信号通信方式与可伸缩高分辨率编码器240相连。可伸缩高分辨率编码器240也接收高分辨率输入视频序列，以信号通信方式与高分辨率帧存储器250相连，并输出高分辨率可伸缩位流。低分辨率非可伸缩编码器212的输出和可伸缩高分辨率编码器240的输出可用作空间可伸缩视频编码器200的输出。
因而，高分辨率输入视频序列被低复杂性编码器200接收、并被下采样，以生成低分辨率视频序列。利用非可伸缩低分辨率视频压缩编码器对该低分辨率视频序列进行编码，由此生成低分辨率位流。利用非可伸缩低分辨率视频压缩解码器对该低分辨率位流进行解码。可以在编码器内部执行该功能。解码的低分辨率序列被上采样，并作为两个输入之一被提供给可伸缩高分辨率编码器。该可伸缩高分辨率编码器对视频进行编码，以生成高分辨率可伸缩位流。
转到图3，一般用附图标记300来表示支持两层的空间可伸缩视频解码器。视频解码器300包括用于接收低分辨率位流的低分辨率解码器360，该低分辨率解码器360以信号通信方式与低分辨率帧存储器362相连，并输出低分辨率视频序列。低分辨率解码器360进一步以信号通信方式与上采样器370相连，该上采样器370又以信号通信方式与可伸缩高分辨率解码器380相连。
可伸缩高分辨率解码器380进一步以信号通信方式与高分辨率帧存储器390相连。可伸缩高分辨率解码器380接收高分辨率可伸缩位流，并输出高分辨率视频序列。低分辨率解码器360的输出和可伸缩高分辨率解码器380的输出可用作空间可伸缩视频解码器300的输出。
因而，低复杂性解码器300接收高分辨率可伸缩位流和低分辨率位流。利用非可伸缩低分辨率视频压缩解码器来对低分辨率位流进行解码，该非可伸缩低分辨率视频压缩解码器使用低分辨率帧存储器。解码后的低分辨率视频被上采样，然后被输入到高分辨率可伸缩解码器中。高分辨率可伸缩解码器使用一组高分辨率帧存储器，并生成高分辨率输出视频序列。
转到图4，一般用附图标记400来表示非可伸缩视频编码器。视频编码器400的输入以信号通信方式与求和点410的非反相输入相连。求和点410的输出以信号通信方式与变换器/量化器420相连。变换器/量化器420的输出以信号通信方式与熵编码器440相连。熵编码器440的输出可用作编码器400的输出。
变换器/量化器420的输出进一步以信号通信方式与逆变换器/量化器450相连。逆变换器/量化器450的输出以信号通信方式与解块滤波器460的输入相连。解块滤波器460的输出以信号通信方式与参考图像存储器470相连。参考图像存储器470的第一输出以信号通信方式与运动估计器480的第一输入相连。编码器400的输入进一步以信号通信方式与运动估计器480的第二输入相连。运动估计器480的输出以信号通信方式与运动补偿器490的第一输入相连。参考图像存储器470的第二输出以信号通信方式与运动补偿器490的第二输入相连。运动补偿器490的输出以信号通信方式与求和点410的反相输入相连。
转到图5，一般用附图标记500来表示非可伸缩视频解码器。视频解码器500包括用于接收视频序列的熵解码器510。熵解码器510的第一输出以信号通信方式与逆量化器/变换器520的输入相连。逆量化器/变换器520的输出以信号通信方式与求和点540的第一输入相连。
求和点540的输出以信号通信方式与解块滤波器590相连。解块滤波器590的输出以信号通信方式与参考图像存储器550相连。参考图像存储器550以信号通信方式与运动补偿器560的第一输入相连。运动补偿器560的输出以信号通信方式与求和点540的第二输入相连。熵解码器510的第二输出以信号通信方式与运动补偿器560的第二输入相连。解块滤波器590的输出可用作视频解码器500的输出。
已经建议扩展H.264/MPEG AVC(高级视频编码)，以使用降分辨率更新(RRU)模式。RRU模式通过减少待编码的残差宏块(MB)数、同时对全分辨率图像执行运动估计和补偿，来提高低位速率的编码效率。转到图6，一般用附图标记600来表示RRU视频编码器。视频编码器600的输入以信号通信方式与求和点610的非反相输入相连。求和点610的输出以信号通信方式与下采样器612的输入相连。变换器/量化器620的输入以信号通信方式与下采样器612的输出或求和点610的输出相连。变换器/量化器620的输出以信号通信方式与熵编码器640相连。熵编码器640的输出可用作视频编码器600的输出。
变换器/量化器620的输出进一步以信号通信方式与逆变换器/量化器650的输入相连。逆变换器/量化器650的输出以信号通信方式与上采样器655的输入相连。解块滤波器660的输入以信号通信方式与逆变换器/量化器650的输出或上采样器655的输出相连。解块滤波器660的输出以信号通信方式与参考图像存储器670的输入相连。参考图像存储器670的第一输出以信号通信方式与运动估计器680的第一输入相连。编码器600的输入进一步以信号通信方式与运动估计器680的第二输入相连。运动估计器680的输出以信号通信方式与运动补偿器690的第一输入相连。参考图像存储器670的第二输出以信号通信方式与运动补偿器690的第二输入相连。运动补偿器690的输出以信号通信方式与求和点610的反相输入相连。
转到图7，一般用附图标记700来表示RRU视频解码器。视频解码器700包括用于接收视频序列的熵解码器710。熵解码器710的输出以信号通信方式与逆量化器/变换器720的输入相连。逆量化器/变换器720的输出以信号通信方式与上采样器722的输入相连。上采样器722的输出以信号通信方式与求和点740的第一输入相连。
求和点740的输出以信号通信方式与解块滤波器790相连。解块滤波器790的输出以信号通信方式与全分辨率参考图像存储器750的输入相连。解块滤波器790的输出也可用作视频解码器700的输出。全分辨率参考图像存储器750的输出以信号通信方式与运动补偿器760相连，运动补偿器760以信号通信方式与求和点740的第二输入相连。
已经建议使用RRU概念来设计复杂性可伸缩的编解码器。为系统提供一个支持两种不同级别的解码器复杂性和分辨率的例子。低分辨率解码器具有较小的显示尺寸，且具有非常严格的解码器复杂性约束。全分辨率解码器具有较大的显示尺寸，且具有不太严格、但仍然重要的解码器复杂性约束。广播或组播系统发送两个位流：位速率为BRbase的基层，以及位速率为BRenhan的增强层。可以将这两个位流复用在一起，并在单个传输流中发送。转到图8，一般用附图标记800来表示复杂性可伸缩的广播系统。系统800包括复杂性可伸缩的视频编码器和低分辨率解码器及全分辨率解码器。复杂性可伸缩广播系统800包括复杂性可伸缩视频编码器810。复杂性可伸缩视频编码器810的第一输出以信号通信方式与复用器820的第一输入相连。复杂性可伸缩视频编码器810的第二输出以信号通信方式与复用器820的第二输入相连。复用器820的输出以信号通信方式与网络830相连。网络830的输出以信号通信方式与第一解复用器840的输入及第二解复用器860的输入相连。第一解复用器840的输出以信号通信方式与低分辨率解码器850的输入相连。第二解复用器860的第一输出以信号通信方式与全分辨率解码器870的第一输入相连。第二解复用器860的第二输出以信号通信方式与全分辨率解码器870的第二输入相连。低分辨率解码器850的输出可用作系统800的基层位流输出，且全分辨率解码器870的输出可用作系统800的可伸缩位流输出。
低分辨率解码器850只处理基层位流，且全分辨率解码器870处理基层位流和增强层位流两者。RRU用于基层中，其可以在解码器中被解码为具有不同复杂性的低分辨率和高分辨率序列。增强层位流包括全分辨率误差信号，该全分辨率误差信号要加到基层位流解码结果上，这是利用全分辨率运动补偿来实现的。增强层的位速率可以终止于比基层位速率低，这不同于基层位速率典型地小于增强层位速率的典型空间可伸缩性情况。不必为每个编码宏块或片/图像都发送全分辨率误差信号。
发明内容
本发明解决现有技术的这些及其它缺陷和缺点，且本发明涉及一种复杂性可伸缩的视频编码和解码方法和设备。
根据本发明的一方面，提供一种用于对视频位流进行解码的复杂性可伸缩视频解码器。该视频解码器包括第一组合器、第二组合器和解块滤波器。该第一组合器用于对全分辨率运动补偿的预测和解码的上采样基层残差进行组合，以形成重构的上采样基层图像以供显示，而不对其应用解块操作。该第二组合器以信号通信方式与第一组合器相连，用于对重构的上采样基层图像和解码的增强层残差进行组合，以形成重构的全分辨率增强层图像。该解块滤波器以信号通信方式与第二组合器相连，用于只对重构的全分辨率增强层图像执行解块操作，以输出经过滤波的重构的全分辨率增强层图像以供显示。
根据本发明的另一方面，提供一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩视频解码器。该视频解码器包括上采样器和解块滤波器。该上采样器用于对与视频位流相对应的编码的预测残差执行上采样操作，以形成上采样预测残差。该解块滤波器用于在上采样操作之前或之后执行解块操作。
根据本发明的又一方面，提供一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩视频解码器。该视频解码器包括上采样器和参考图像存储器。该上采样器用于对基层预测残差进行上采样，以形成上采样基层预测残差。该参考图像存储器用于存储由上采样基层预测残差形成的上采样基层参考图像、以及相应的先前的全分辨率参考图像。
根据本发明的又一方面，提供一种用于对多幅图像的视频信号数据进行编码的空间可伸缩视频编码器。该视频编码器包括帧内编码装置和帧间编码装置。该帧内编码装置用于利用分层编码技术执行帧内编码，以形成帧内编码的图像。该帧间编码装置用于利用RRU技术执行帧间编码，以形成帧间编码的图像。该帧间编码装置包括用于对预测残差进行下采样、以形成下采样低分辨率预测残差的下采样器。该帧间编码装置进一步包括变换器/量化器，该变换器/量化器以信号通信方式与下采样器相连，用于对下采样低分辨率预测残差进行编码。
根据本发明的又一方面，提供一种用于对视频位流进行解码的复杂性可伸缩方法。该方法包括以下步骤：对全分辨率运动补偿的预测和解码的上采样基层残差进行组合，以形成重构的上采样基层图像以供显示，而不对其应用解块操作。该方法进一步包括以下步骤：对重构的上采样基层图像和解码的增强层残差进行组合，以形成重构的全分辨率增强层图像。该方法也包括以下步骤：只对重构的全分辨率增强层图像执行解块操作，以输出经过滤波的重构的全分辨率增强层图像以供显示。
根据本发明的又一方面，提供一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩方法。该方法包括以下步骤：对与视频位流相应的编码的预测残差执行上采样操作，以形成上采样预测残差。该方法进一步包括以下步骤：在上采样操作之前或之后执行解块操作。
根据本发明的附加方面，提供一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩方法。该方法包括以下步骤：对基层预测残差进行上采样，以形成上采样基层预测残差。该方法进一步包括以下步骤：存储由上采样基层预测残差形成的上采样基层参考图像、以及相应的先前的全分辨率参考图像。
根据本发明的又一附加方面，提供一种用于对多幅图像的视频信号数据进行编码的空间可伸缩方法。该方法包括以下步骤：利用分层编码技术执行帧内编码以形成帧内编码的图像该方法也包括以下步骤利用RRU技术执行(1706)帧间编码，以形成帧间编码的图像。帧间编码步骤包括对预测残差进行下采样、以形成下采样低分辨率预测残差的步骤。帧间编码步骤进一步包括对下采样低分辨率预测残差进行编码的步骤。
根据以下将要连同附图一起阅读的示范性实施例的详细描述，本发明的这些及其它方面、特征和优点将变得很清楚。
附图说明
根据以下附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了根据现有技术的典型空间可伸缩性系统的框图；
图2示出了根据现有技术的、支持两层的空间可伸缩编码器的框图；
图3示出了根据现有技术的、支持两层的空间可伸缩解码器的框图；
图4示出了根据现有技术的、H.264/MPEG AVC标准中所使用的正常非可伸缩视频编码器的框图；
图5示出了根据现有技术的、H.264/MPEG AVC中所使用的正常非可伸缩视频解码器的框图；
图6示出了根据现有技术的RRU视频编码器的框图；
图7示出了根据现有技术的RRU视频解码器的框图；
图8示出了根据现有技术的复杂性可伸缩性广播系统的框图；
图9示出了本发明可应用的低分辨率复杂性可伸缩视频解码器的框图；
图10示出了本发明可应用的高分辨率复杂性可伸缩视频解码器的框图；
图11示出了本发明可应用的复杂性可伸缩视频编码器的框图；
图12示出了根据本发明原理的复杂性可伸缩性的示图；
图13示出了根据本发明原理的、以全分辨率对视频数据进行解码的方法的流程图；
图14示出了根据本发明原理的片头句法表；
图15示出了根据本发明原理的NAL单元类型码表；
图16示出了根据本发明原理的、以低分辨率对视频数据进行解码的方法的流程图；以及
图17示出了根据本发明原理的视频数据编码方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种复杂性可伸缩的视频编码和解码方法和设备。在本发明的一个实施例中，在维持最低分辨率层的低复杂性的同时，优化两层或多层的总位速率。
本说明书阐明了本发明的原理。因而，应该理解，本领域技术人员将能够设计出虽然未在此明确描述或显示，但体现本发明的原理、且被包括在本发明精神和范围内的各种配置。
在此列举的所有例子和条件语言都预定以教学为目的来帮助读者理解本发明的原理、以及发明者所提出的用于促进本领域的概念，并且应该被看作是不限于这些具体列举的例子和条件。
而且，在此列举本发明的原理、方面和实施例及本发明特例的所有语句，都预定包括本发明的结构和功能等效物。另外，这种等效物意图包括当前周知的等效物以及将来开发的等效物，即与结构无关地执行相同功能的任何被开发元件。
因而，例如，本领域技术人员应该理解在此给出的框图代表体现本发明原理的说明性电路的概念视图。类似，应该理解，任何流程表、流程图、状态转移图、伪码等，代表基本上可在计算机可读介质上表示、并因而可通过计算机或处理器来执行的各种过程，而不管是否明确示出这种计算机或处理器。
可以利用专用硬件以及能够与适当软件关联地执行软件的硬件，来提供图中所示各元件的功能。当通过处理器来提供这些功能时，可以通过单个专用处理器、单个共享处理器、或其中一些可被共享的多个单独处理器，来提供这些功能。而且，术语“处理器”或“控制器”的显式使用不应被看作是专门指能够执行软件的硬件，而可以隐含包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)和非易失性存储器。
也可以包括其它常规和/或定制的硬件。类似地，图中所示的任何开关都只是概念性的。可以通过程序逻辑的操作、专用逻辑、程序控制与专用逻辑的交互，乃至手动地，执行它们的功能。如可从上下文更具体理解的，特定技术可由实施者来选择。
在本发明的权利要求书中，被表示为用于执行指定功能的装置的任何元件都预定包括执行该功能的任何方式，例如包括a)执行该功能的电路元件的组合，或b)任何形式的软件，因此包括固件、微码等形式的软件，该软件与用于执行该软件的适当电路结合、以执行该功能。如这些权利要求所定义的本发明在于，由所列举的各种装置提供的功能性以权利要求所要求的方式被组合和集合在一起。因而，认为能够提供那些功能性的任何装置都等效于在此示出的装置。
转到图9，一般用附图标记900来表示低分辨率复杂性可伸缩的视频解码器。视频解码器900包括用于接收视频序列的熵解码器910。熵解码器910的第一输出以信号通信方式与逆量化器/变换器920的输入相连。逆量化器/变换器920的输出以信号通信方式与求和点940的第一输入相连。
求和点940的输出以信号通信方式与解块滤波器990相连。解块滤波器990的输出以信号通信方式与参考图像存储器950的输入相连。解块滤波器990的输出也可用作视频解码器900的输出。参考图像存储器950的输出以信号通信方式与运动补偿器960的第一输入相连。运动补偿器960的输出以信号通信方式与求和点940的第二输入相连。熵解码器910的第二输出以信号通信方式与运动矢量(MV)分辨率减小器999的输入相连。MV分辨率减小器999的输出以信号通信方式与运动补偿器960的第二输入相连。
在解码器900中，对基层位流进行熵解码。对运动矢量进行舍入，以降低它们的精度来对应于低分辨率。该低分辨率可伸缩解码器的复杂性非常类似于非可伸缩解码器，因为运动矢量的伸缩具有很低的复杂性。如果低分辨率和全分辨率之间每一维的分辨率比中都使用因子2，则取决于在系统中是选择上舍入还是下舍入，可以仅仅利用右移位或加法和右移位来实现舍入。
转到图10，一般用附图标记1000来表示高分辨率复杂性可伸缩的视频解码器1000。视频解码器1000包括用于接收基层位流的第一熵解码器1005。第一熵解码器1005的输出以信号通信方式与第一逆量化器/变换器1010的输入相连。第一逆量化器/变换器1010的输出以信号通信方式与上采样器1015的输入相连。上采样器1015的输出以信号通信方式与第一求和点1020的第一输入相连。
第一求和点1020的输出以信号通信方式与第二求和点1025的第一输入相连。全分辨率参考图像存储器1030的输出以信号通信方式与运动补偿器1035的第一输入相连。熵解码器1005的第二输出(用于输出运动矢量MV)以信号通信方式与运动补偿器1035的第二输入相连。运动补偿器1035的输出以信号通信方式与第一求和点1020的第二输入相连。
第二熵解码器1040的输入用于接收增强层位流。第二熵解码器1040的输出以信号通信方式与第二逆量化器/变换器1045的输入相连。第二逆量化器/变换器1045的输出以信号通信方式与第二求和点1025的第二输入相连。
解块滤波器1050的输入以信号通信方式与第一求和点1020的输出或第二求和点1025的输出相连。解块滤波器1050的输出以信号通信方式与全分辨率参考图像存储器1030的输入相连。解块滤波器1050的输出可用作视频解码器1000的输出。
对基层位流进行操作的解码器1000的部分类似于RRU解码器。在熵解码和逆量化及逆变换后，对残差进行上采样。对全分辨率参考图像应用运动补偿，以形成全分辨率预测，并将上采样的残差加到该预测上。如果增强层位流中存在全分辨率误差信号，则对其进行熵解码和逆量化及变换，然后加到RRU重构信号上。然后，应用解块滤波器。
转到图11，一般用附图标记1100来表示复杂性可伸缩的视频编码器。视频编码器1100的输入以信号通信方式与第一求和点1105的非反相输入相连。第一求和点1105的输出以信号通信方式与下采样器1112的输入相连。下采样器1112的输出以信号通信方式与第一变换器/量化器1115的输入相连。第一变换器/量化器1115的输出以信号通信方式与第一熵编码器1120的输入相连。第一熵编码器1120的输出可用作编码器1100的基层位流的输出。
第一变换器/量化器1115的输出进一步以信号通信方式与第一逆变换器/量化器1125的输入相连。第一逆变换器/量化器1125的输出以信号通信方式与上采样器1155的输入相连。上采样器1155的输出以信号通信方式与第二求和点1160的反相输入及第三求和点1165的非反相输入相连。
视频编码器1100的输入进一步以信号通信方式与第二求和点1160的非反相输入相连。第二求和点1160的输出以信号通信方式与开关1162的输入相连。开关1162的输出以信号通信方式与第二变换器/量化器1170的输入相连。第二变换器/量化器1170的输出以信号通信方式与第二熵编码器1175的输入相连。第二熵编码器1175的输出可用作编码器1100的增强层位流的输出。第二变换器/量化器1170的输出进一步以信号通信方式与第二逆变换器/量化器1180的输入相连。第二逆变换器/量化器1180的输出以信号通信方式与第三求和点1165的第二非反相输入相连。
视频编码器1100的输入进一步以信号通信方式与运动估计器1185的第一输入相连。运动估计器1185的输出以信号通信方式与运动补偿器1190的第一输入相连。运动补偿器1190的输出以信号通信方式与第一求和点1105的反相输入相连。全分辨率参考图像存储器1192的第一输出以信号通信方式与运动估计器1185的第二输入相连。全分辨率参考图像存储器1192的第二输出以信号通信方式与运动补偿器1190的第二输入相连。全分辨率参考图像存储器1192的输入以信号通信方式与解块滤波器1195的输出相连。解块滤波器1195的输入以信号通信方式与开关1191的输出相连。开关1191的另一输入以信号通信方式与第三求和点1165的输出相连。
编码器1100试图优化全分辨率视频质量，而非低分辨率视频质量。对全分辨率视频图像执行运动估计。在从输入图像减去经过运动补偿的预测后，对预测残差执行下采样。和RRU编解码器中不同，对所有图像都应用下采样，使得低分辨率解码器能够总是有图像要解码。对下采样的残差进行变换和量化，并进行熵编码。这形成了基层位流。应用逆量化和逆变换，然后将编码的残差上采样回到全分辨率。编码器1100能够选择是否为图像或片发送增强层全分辨率误差信号。一般，对于所有I片对增强层全分辨率误差信号进行编码，并且当全分辨率输入图像减去解码的上采样残差时，可选地可以基于误差信号的大小，为P和B片发送增强层全分辨率误差信号。如果要对增强层全分辨率误差信号进行编码，则从输入全分辨率图像减去编码的基层上采样编码图像。然后，对差进行量化、变换和熵编码，以形成增强层位流。增强层位流可被看作只包含帧内编码片。
根据本发明的原理，描述一种新的复杂性可伸缩视频编码器和解码器。与参考图8显示和描述的、对所有类型的片都使用RRU的现有技术方法相反，在本发明中，对于帧间图像(inter picture)(P和B)在基层中使用RRU，并且对于帧内图像(intra picture)(I)使用传统的空间可伸缩性方法。因而，对于帧间图像，可以基于解码器的复杂性级别将基层解码为低分辨率或全分辨率序列。即，在低分辨率解码器和全分辨率解码器中，都使用用于对运动估计/补偿后所形成的视频残差进行编码的位。在低分辨率解码器和全分辨率解码器中，都使用在基层位流中传输的运动矢量，但是全分辨率解码器中的精度高于低分辨率解码器中的精度。同样，在低分辨率解码器中以低分辨率执行运动补偿预测，而在高分辨率解码器中以高分辨率执行运动补偿预测。在低分辨率解码器中使用低分辨率帧存储器，在高分辨率解码器中使用高分辨率帧存储器。只有当基层中存在I图像时，才发送增强层。
低分辨率解码器的解码器复杂性保持为低，因为所有解码操作都是以低分辨率执行的(逆量化/变换、运动补偿、解块)。然而，与同时联播或空间可伸缩位流相比，基层位流的位速率倾向于高，这影响熵解码器复杂性。如果限制只有基层中有I图像时，才存在增强层，则全分辨率解码器的复杂性小于典型的空间可伸缩性解码器，因为对于非I图像，只需要单层解码。
利用如H.263中的传统空间可伸缩方法，对I帧进行编码。利用H.264帧内编码方法，将基层中的I帧编码为低分辨率。对于基层I帧的增强层，通过结合H.264的新特征来使用H.263中的方法。可以从同时上采样的基层参考图像和先前的基层全分辨率参考图像，来预测增强层图像。可以利用在H.264中为半采样插值而定义的6抽头插值滤波器{1，-5，20，20，-5，1}/32，或其它某些双线性滤波器，来执行上采样。如果增强层图像是从其相应的上采样基层参考I图像预测的，则该增强层图像被称为EI，如果增强层图像是利用单向预测从上采样参考I图像和先前的基层全分辨率参考图像预测的，则被称为EP，如果增强层图像是利用双向预测从上采样参考I图像和先前的基层全分辨率参考图像预测的，则被称为EB。利用H.264中的I片句法对EI图像进行编码。即，首先通过假定运动矢量为0，将EI形成为全分辨率图像与其相应的上采样基层参考图像的残差。然后，将该残差准确地编码为I图像。更具体地说，通过加128并剪切到(0，255)，来调节来自(上采样的)重构基层的当前宏块和相邻宏块残差，然后将它们用于例如如高级视频编码标准(AVC)子条款8.3中所规定的空间帧内预测。然后，减去128，并剪切到(-256，255)。然后，将层间帧内预测残差加到(上采样的)重构基层上，以形成重构的增强层宏块。对EI编码的一种替换方法是，例如象在MPEG-2/MPEG-4/H.263中一样，在没有任何空间预测的情况下对残差图像编码。当增强层图像是编码的EP时，上采样基层参考图像及其先前的基层全分辨率参考图像都被放在参考图像列表0中。在对EP编码后，可以从参考图像缓冲器中删除上采样基层参考图像。利用H.264中的P片句法来对EP编码。当增强层图像是编码的EB时，上采样基层参考图像及其先前的基层全分辨率参考图像都被放在参考图像列表0和参考图像列表1中。参考图像列表1中的头两幅图像的默认顺序应该不同于参考图像列表0中的头两幅图像。在对EB编码后，可以从参考图像缓冲器中删除上采样基层参考图像。利用H.264中的B片句法对EB进行编码。另一种方法基于宏块，该方法结合如何自适应地基于宏块在EI、EP和EB中对宏块编码。即，对于来自上采样重构基层的增强层残差，可以利用空间帧内预测对宏块编码，或者可以将宏块编码为帧内宏块，或编码为来自参考图像的单向预测或双向预测。
转到图12，一般用附图标记1200来表示根据本发明原理的复杂性可伸缩性。复杂性可伸缩性1200涉及基层1210和增强层1220。所涉及的图像类型包括I图像1230、P图像1240、EI图像1250、EP图像1260和EB图像1270。这两层中的P图像1240是利用不同的解码技术从相同的位流解码的。
转到图13，一般用附图标记1300来表示一种以全分辨率对图像的视频数据进行解码的方法。
开始块1302将控制传递到功能块1305和功能块1310。功能块1310提取增强层位流，并将控制传递到功能块1330。功能块1330解码增强层图像，并将控制传递到结束块1335。
功能块1305提取基层位流，并将控制传递到决策块1315。决策块1315确定当前图像是否为帧间(inter)RRU(编码的)图像。如果当前图像不是帧间RRU图像，则将控制传递到功能块1320。否则，如果当前图像是帧间RRU图像，则将控制传递到功能块1340。
功能块1320对当前图像进行帧内解码，并将控制传递到功能块1325。功能块1325对当前图像进行上采样，并将控制传递到功能块1330。
功能块1340对当前图像的残差进行上采样，并将控制传递到功能块1345。功能块1345以全分辨率对当前图像进行帧间解码并将控制传递到结束块1335。
例如，可以通过图10的解码器1000来实施图13的方法1300。对帧间图像的基层位流进行操作的解码器1000的部分是RRU解码器。在熵解码1005和逆量化及逆变换1010后，对残差进行上采样1015。对全分辨率参考图像应用运动补偿1035，以形成全分辨率预测，并将上采样残差加到1020该预测上。对于帧内图像，基层解码器是以低分辨率操作的标准H.264解码器。解块滤波器1050是可选的。可以将解块滤波器1050插在上采样之前或上采样之后。上采样重构基层图像被放入参考图像缓冲器1030中，以便预测。增强层解码器1040是以全分辨率操作的标准H.264解码器。如果EI图像被输入到解码器1300，则所产生的残差图像将被加到上采样参考图像上，接着进行解块。如果EP图像被输入到解码器1300，则不需要附加步骤。
一般，可以比EI更高效地对EP/EB编码。然而，对于某些应用，象通道变换或其它特技模式，必须使用EI以快速访问。然而，因为在基层中I图像总是可得，所以通过允许通道变换后即刻发生的全分辨率的某一漂移，可以减小增强层中EI图像的频数。即，当发生通道变换、且增强层图像是EP/EB时，上采样基层参考图像将用作后面图像预测的参考图像。为限制漂移，对于后面的帧间图像可以使用类似IDR的约束，即不能从I图像之前的图像预测后面的帧间图像。漂移将完全恢复，直到下一幅EI图像为止。
因而，根据本发明原理的复杂性可伸缩视频编码器和解码器的目标在于对于全分辨率的高编码效率，并且对于低分辨率允许受约束的漂移传播。低分辨率和全分辨率解码器的解码器复杂性非常类似于非可伸缩编解码器的复杂性，如对于同时联播这将是可能的。低分辨率解码器复杂性非常类似于非可伸缩低分辨率H.264/AVC解码器的解码器复杂性。对于非I图像，全分辨率解码器复杂性与标准H.264/AVC解码器复杂性的差别非常小，只是添加了残差上采样器。只对于I图像才解码增强层，因而，只对单幅图像执行一次运动补偿，不象典型空间可伸缩性解码器那样需要执行两次运动补偿(每种分辨率下执行一次)、从而需要两个帧存储器。
可以将复杂性可伸缩编解码器引入H.264中，并加以扩展。可以添加新的片参数(reduced_resolution_update)，据此将当前片细分为32×32大小的宏块，且低分辨率图像的大小为pic_width/2×pic_height/2。为支持水平或垂直上具有任何比值的任意低分辨率，可以添加另两个参数low_width_scale和low_height_scale，以允许将当前片细分为(low_width_scale*16)×(low_height_scale*16)大小的宏块。相应的低分辨率大小为(pic_width/low_width_scale×pic_height/low_height_scale)。添加另一参数complexity_scalable_enable，以指示当前片是否将被编码为两层。如果当前片被编码为基层，则参数enhancement_layer_flag被设为0；否则被设为1。如果enhancement_layer_flag被设为1，且slice_type为I，则增强层被编码为EI。如果enhancement_layer_flag被设为1，且slice_type为P，则增强层被编码为EP。低分辨率的大小用low_width_scale和low_height_scale来表示。转到图14，一般用附图标记1400来表示片头句法表。注意，对于slice_header()例子有两个表。第一个表可用于任何空间分辨率可伸缩性。第二个表假定空间可伸缩性为2。为了使低分辨率解码器迅速绕过增强层，在此提供用于增强层的新NAL单元类型(类型13)，如图15所示。转到图15，一般用附图标记1500来表示NAL单元类型码的表。
转到图16，一般用附图标记1600来表示一种以低分辨率对图像视频数据进行解码的方法。
开始块1602将控制传递到功能块1605。功能块1605提取基层位流，并将控制传递到决策块1610。决策块1610确定当前图像是否为帧间RRU(编码的)图像。如果当前图像不是帧间RRU图像，则将控制传递到功能块1615。否则，如果当前图像是帧间RRU图像，则将控制传递到功能块1625。
功能块1615对当前图像进行帧内解码，并将控制传递到结束块1620。
功能块1625缩小当前图像的运动矢量，并将控制传递到功能块1630。功能块1630以低分辨率对当前图像进行帧间解码，并将控制传递到结束块1620。
转到图17，一般用附图标记1700来表示一种对视频数据进行编码的方法。
开始块1702将控制传递到决策块1704。决策块1704确定是否要对基层进行帧内编码。如果不要对基层进行帧内编码，则将控制传递到功能块1706。否则，如果要对基层进行帧内编码，则将控制传递到功能块1710。
功能块1706以全分辨率对基层进行RRU帧间编码，并将控制传递到功能块1708。功能块1708输出基层位流。
功能块1710对基层中的图像进行下采样，并将控制传递到功能块1720。功能块1720以低分辨率将图像编码为帧内图像，并将控制传递到功能块1708和功能块1730。
功能块1730对帧内编码的图像进行上采样，并将控制传递到功能块1740。功能块1740以全分辨率对图像进行编码，并将控制传递到功能块1750。功能块1750输出增强层位流。
现在将描述本发明许多附带优点/特征中的一些。例如，一个优点/特征是一种用于对包括基层位流和增强层位流的视频位流进行解码的复杂性可伸缩视频解码器，其中该解码器包括用于在不使用解块操作的情况下对基层位流进行解码、以形成全分辨率视频序列的解码装置。另一优点/特征是一种输出全分辨率视频序列、且在上采样过程之前或之后使用解块滤波器的复杂性可伸缩视频解码器。又一优点/特征是一种输出全分辨率视频序列、且具有参考图像存储器的复杂性可伸缩视频解码器，该参考图像存储器除存储先前的基层全分辨率参考图像以外、还存储上采样的基层参考图像。又一优点/特征是对帧内图像使用分层编码技术、且对帧间图像使用RRU技术的复杂性可伸缩视频编码器。而且，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中帧内图像既有基层、又有增强层，而帧间图像只有基层。此外，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中对于帧内图像，可以利用EI、EP和EB对相应的增强层进行编码。而且，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中通过假定运动矢量为零、并利用I片句法进行编码，来将EI图像形成为全分辨率图像与其相应的上采样基层参考图像的残差。又一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中可以利用EI、EP和EB对帧内图像的增强层进行编码，且其中可以将上采样基层参考图像及其先前的基层全分辨率参考图像都放在参考图像列表0中用于单向预测，或放在参考列表0和1中用于双向预测。此外，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中可利用EI、EP和EB对帧内图像的增强层进行编码，且其中当使用单向预测时，增强层被称为EP，并利用P片句法对增强层进行编码。而且，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中可利用EI、EP和EB对帧内图像的增强层进行编码，且其中当使用双向预测时，增强层被称为EB，且利用B片句法对其进行编码。而且，另一优点/特征是如上所述的复杂性可伸缩视频编码器，其中可以基于宏块，结合如何自适应地基于宏块在EI、EP和EB中对宏块进行编码，来对帧内图像的增强层进行编码。
相关领域的普通技术人员基于此处的教导，可以容易弄清本发明的这些及其它特征和优点。应该理解，可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或它们的组合，来实施本发明的教导。
最优选的是，将本发明的教导实施为硬件和软件的组合。而且，优选地将软件实施为确实可在程序存储单元上具体实施的应用程序。可将该应用程序上载到包括任何合适架构的机器、并由该机器执行。优选地，在具有硬件如一个或多个中央处理器(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，实施该机器。该计算机平台也可包括操作系统和微指令码。在此描述的各种过程和功能可以是可通过CPU执行的微指令码一部分或应用程序一部分、或它们的任何组合。另外，其它各种外围单元可连接到该计算机平台，如附加数据存储单元和打印单元。
应该进一步理解，因为优选地用软件来实施附图中所描述的一些系统组成部分和方法，所以系统部件或过程功能块之间的实际连接可以随本发明的编程方式而有所不同。给定此处的教导，相关领域的普通技术人员将能够预期本发明的这些及类似实施或配置。
虽然在此参考附图描述了说明性实施例，但是应该理解，本发明不限于那些确切的实施例，并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下，相关领域的普通技术人员可以对本发明进行各种变化和更改。所有这种变化和更改都预定被包括在如所附权利要求所阐述的本发明范围内。

Claims (21)

1.一种用于对视频位流进行解码的复杂性可伸缩视频解码器，包括：
第一组合器(1020)，用于对全分辨率运动补偿的预测和解码的上采样基层残差进行组合，以形成重构的上采样基层图像以供显示，而不对其应用解块操作；
第二组合器(1025)，以信号通信方式与所述第一组合器相连，用于对所述重构的上采样基层图像和解码的增强层残差进行组合，以形成重构的全分辨率增强层图像；以及
解块滤波器(1050)，以信号通信方式与所述第二组合器相连，用于对所述重构的全分辨率增强层图像执行解块操作。
2.一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩视频解码器，包括：
上采样器(1015)，用于对与所述视频位流相对应的编码的预测残差执行上采样操作，以形成上采样预测残差；以及
解块滤波器(1050)，用于在所述上采样操作之前或之后执行解块操作。
3.一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩视频解码器，包括：
上采样器(1015)，用于对基层预测残差进行上采样，以形成上采样基层预测残差；以及
参考图像存储器(1030)，用于存储由所述上采样基层预测残差形成的上采样基层参考图像、以及相应的先前的全分辨率参考图像。
4.一种用于对多幅图像的视频信号数据进行编码的空间可伸缩视频编码器，包括：
帧内编码装置(1120、1175)，用于利用分层编码技术来执行帧内编码，以形成帧内编码的图像；以及
帧间编码装置(1120)，用于利用降分辨率更新(RRU)技术来执行帧间编码，以形成帧间编码的图像，
其中所述帧间编码装置包括：
下采样器，用于对预测残差进行下采样，以形成下采样低分辨率预测残差；以及
变换器/量化器，以信号通信方式与所述下采样器相连，用于对所述下采样低分辨率预测残差进行编码。
5.根据权利要求4所述的空间可伸缩视频编码器，其中所述帧内编码的图像被编码成具有基层和增强层，且所述帧间编码的图像被编码成只有所述基层。
6.根据权利要求4所述的空间可伸缩视频编码器，其中对于帧内编码的基层图像，对其增强层进行编码，以致以下之一：
所述增强层中的增强层编码的图像是从相应的上采样基层参考图像预测的(1250
所述增强层编码的图像是利用单向预测从所述上采样基层参考图像和先前的基层全分辨率参考图像预测的(1260)，以及
所述增强层编码的图像是利用双向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的(1270)。
7.根据权利要求6所述的空间可伸缩视频编码器，其中通过将相应的运动矢量看作零、且利用I片句法进行编码(1250)，把从所述相应的上采样基层参考图像预测的所述增强层编码的图像，形成为当前原始全分辨率图像与所述相应的上采样基层参考图像的残差。
8.根据权利要求6所述的空间可伸缩视频编码器，进一步包括用于将所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像都放在参考图像列表0中以便进行单向预测，或放在参考图像列表1中以便进行双向预测的装置(1260/1270)。
9.根据权利要求6所述的空间可伸缩视频编码器，其中所述增强层编码的图像是利用P片句法(1260)，利用单向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的。
10.根据权利要求6所述的空间可伸缩视频编码器，其中所述增强层编码的图像是利用B片句法(1270)，利用双向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的。
11.一种用于对视频位流进行解码的复杂性可伸缩方法，包括以下步骤：
对全分辨率运动补偿的预测和解码的上采样基层残差进行组合(1340、1345)，以形成重构的上采样基层图像以供显示，而不对其应用解块操作；
对所述重构的上采样基层图像和解码的增强层残差进行组合(1340)，以形成重构的全分辨率增强层图像；以及
只对所述重构的全分辨率增强层图像执行(1345)解块操作，以输出经过滤波的重构的全分辨率增强层图像以供显示。
12.一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩方法，包括以下步骤：
对与所述视频位流相对应的编码的预测残差执行(1340)上采样操作，以形成上采样的预测残差；以及
在所述上采样操作之前或之后执行(1345)解块操作。
13.一种用于对视频位流进行解码的空间可伸缩方法，包括以下步骤：
对基层预测残差进行上采样(1340)，以形成上采样基层预测残差；以及
存储(1330)由所述上采样基层预测残差形成的上采样基层参考图像、以及相应的先前的全分辨率参考图像。
14.一种用于对多幅图像的视频信号数据进行编码的空间可伸缩方法，包括以下步骤：
利用分层编码技术执行(1710、1720、1730、1740)帧内编码，以形成帧内编码的图像；以及
利用降分辨率更新(RRU)技术执行(1706)帧间编码，以形成帧间编码的图像，
其中所述帧间编码步骤包括：
对预测残差进行下采样，以形成下采样的低分辨率预测残差；以及
对所述下采样低分辨率预测残差进行编码。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述帧内编码的图像被编码成具有基层和增强层(1704、1708、1750)，且所述帧间编码的图像被编码成只有所述基层(1704、1706、1708)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中对于帧内编码的基层图像，对其增强层进行编码，以致以下之一：
所述增强层中的增强层编码的图像是从相应的上采样基层参考图像预测的(1740、1250)，
所述增强层编码的图像是利用单向预测从所述上采样基层参考图像和先前的基层全分辨率参考图像预测的(1740、1260)，以及
所述增强层编码的图像是利用双向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的(1740、1270)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中通过将相应的运动矢量看作零、且利用I片句法进行编码，把从所述相应的上采样基层参考图像预测的所述增强层编码的图像，形成为当前原始全分辨率图像与所述相应的上采样基层参考图像的残差(1740、1250)。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：将所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像都放在参考图像列表0中以便进行单向预测，或放在参考图像列表1中以便进行双向预测(1740、1260/1270)。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述增强层编码的图像是利用P片句法，利用单向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的(1740、1260)。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述增强层编码的图像是利用B片句法，利用双向预测从所述上采样基层参考图像和所述先前的基层全分辨率参考图像预测的(1740、1270)。
21.一种视频编码方法，包括：
在基层利用降分辨率更新模式来执行帧间编码；以及
在基层利用非降分辨率模式来执行帧内编码。
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