CN101185335B - 高效视频解码加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对具有多个包括多个块的视频帧的压缩视频数据进行解码的解码设备和方法，其中沿着第一预定方向将视频帧分成至少两个宽度不超过硬件预测行大小的条带。然后，对至少两个条带之一进行系数预测，以便为至少两个条带中的另一个提供沿着第二预定方向的预测符，第二预定方向垂直于第一预定方向。此外，生成要插到所述至少两个条带中的至少另一个中的假块，以便为第二预定方向上的预测进行初始化。从而，能够以更为灵活的方式使用具有固定处理宽度的硬件加速器。

Description

高效视频解码加速器
技术领域
本发明涉及对具有多个视频帧的压缩视频数据进行解码的解码器设备和解码方法，所述视频帧具有多个块。
背景技术
视频解码的广为人知的标准例如是MPEG，MPEG是“运动图像专家组”的缩写。实际上，MPEG是用于以数字压缩格式编码音视频信息的一系列标准的总称。自从1988年组建以来，该小组推出了MPEG-1(诸如视频CD和MP3之类的产品所基于的标准)、MPEG-2(诸如数字电视机顶盒和数字通用盘(DVD)之类的产品所基于的标准)、MPEG-4(用于针对固定和移动网的多媒体的标准)。在标准ISO/IEC14496-2001：CODING OF AUDIO-VISUAL OBJECTS中介绍了MPEG-4。
不同于按照传统的硬件解决方案设计和(至少在初期阶段)实现的MPEG-1和MPEG-2，从一开始就认为MPEG-4是实现方式可以为软件的标准。这解释了相应的ISO/IEC 14496标准的第五部分为什么会包含该标准的参考软件实现方式。
MPEG视频数据流包含例如具有PAL(逐行倒相)分辨率的画面，在帧频为25Hz的情况下，单独一个画面或画面沿宽度方向包括720个像素并且在高度方向上包括576个像素。就是说，有40ms的时隙用来发送这个单独一个画面。请注意，发送其它的画面尺寸也是可以的，例如，NTSC对应的画面尺寸，同样其它的帧频也是可以的，例如30Hz。此外，在MPEG中，将各个画面分成数个块来进行编码。为此，块可以包括8×8像素；还有其它的尺寸，例如，16×16或4×4，或者甚至象16×8块这样的非正方形块也是可以的。由此，720×576像素的画面包括6480个8×8块。使用YUV颜色空间，对于各个8×8像素块，通常存储64个Y值(每个像素一个)，但是存储仅仅32个U值和仅仅32个V值。这种编码称为4:2:2方案，对于64个像素，这种方案会得到总共64+32+32＝128个字节，而不是RGB格式下的192个字节。这样，按照4:2:2方案进行的编码会得到总共12960个块来对画面进行编码。要注意，除了4:2:2方案之外，还有其它的可行方案，例如，4:4:4或4:2:0。
对于数字化而言，将三个信号分量(YUV)各自分成8×8像素块，并且通过运用离散余弦变换(DCT)从空间域变换到频域。DCT将各个8×8像素块分离成由8×8 DCT系数矩阵表达的各个频率分量。在频域内，较大的DCT系数值通常集中在较低频率分量上，这些较大的DCT系数位于矩阵的左上角区域。较低频率分量还包括零频率DCT系数，零频率DCT系数也称为各个图像块的直流(DC)分量。较高频率分量倾向于具有幅度值为零或者接近零的DCT系数。最高频率分量位于DCT矩阵的左下角。简而言之，DCT矩阵的右下角区域代表相应图像块的细微细节。在DCT系数的量化(编码处理中的另一个步骤)中，量化矩阵也要考虑这个方面。最后，必须要将各个包括64个量化DCT系数的DCT矩阵从矩阵排列形式转换为数组。这种转换可以通过从左上角(即，DC DCT系数)开始、沿之字形路线在DCT矩阵内向下行进到右下角(即，最高DCT频率系数)来完成。这种转换会得到量化DCT系数的数组。最后，对该数组进行无损编码，首先通过长度(RL)编码然后再通过熵编码(例如Huffman编码器或可变长度编码(VLC))来进行编码。
按照各自的MPEG标准编排块形式编码的画面数据。最后，了解这种MPEG位流的具体格式能够使接收装置解码所传送的视觉信息。简而言之，通过运用反离散余弦变换(iDCT)，可以由各个图像块的DCT系数重构各个单一的图像块。
现在的移动电话除了语音通信之外还提供多种多样的复杂应用，包括游戏和运动图像发布。不过，随着第三代(3G)移动电话通信速度的提高，数据传递速度也变得越来越高，并且诸如视频电话之类的应用领域中预期会有进一步的发展，并且存在着对具有更加快速的图象处理性能的处理器的需求。与此同时，内置在移动电话中的相机的像素数已经显著增多，并且预期会有增大显示尺寸的趋势，带来了对能够运用这种显示尺寸的处理器的需求。
响应于这些需求，已经研发出了具有增高的图象处理速度和诸如相机接口之类的增强功能的MPEG-4硬件加速器。基于3G移动平台的MPEG-4视频解码器越来越多地利用这种硬件加速器，这种硬件加速器用来为高速MPEG-4处理增强编码/解码处理能力。通过硬件处理不仅实现了功耗降低，而且也明显减小了用于处理的CPU(中央处理单元)负荷。这使得实现整合有运动画面播放、视频电话和类似的复杂功能的高性能、低功耗系统成为可能。
硬件和/或软件分区是最终产品的性能和/或成本的关键，而且对以后的软件升级也是关键。集成硬件加速器(例如，以专用集成电路(ASIC)的形式实现)的一个问题是缺乏灵活性，尤其是就它们的内部存储器体系而言。
已经通过使用此前重构的DC系数预测DCT块的DC系数来获得帧内编码性能方面的改善。在宏块或VOP(视频对象平面)的帧内编码期间，仅仅使用来自这个宏块或VOP的信息。VOP对应于视频对象在给定时刻的瞬时状态。
通过预测AC系数也获得了MPEG-4的进一步改善。DC系数是频率在两个维度上都为零的DCT系数。AC系数是频率在一个或两个维度上非零的DCT系数。AC/DC预测通过从iDCT块中估计DC和/或AC值减少了对帧内帧进行编码所需的位数。
图2表示传统解码数据流程的示意性流程图，其中软件产生一个由硬件加速器一次全部运行的数据集。由解码器软件20读取基本MPEG-4流，该解码器软件20产生单独一个包括经过连串长度编码(RL编码)和量化的AC/DC系数22和由解码器硬件加速器50用来执行单独一次运行过程内的解码处理的微程序24的数据集12。加速硬件解码处理基于单独一个包括参考帧60和解码帧62的帧区域70，其中可以使用乒乓型帧缓冲器来进行时域预测。
在MPEG-4视频的情况下，以硬件加速器中的硬件块的方式实现系数预测要求在内部存储器中保持一行由DC和AC系数二者组成的预测符并且对这一行预测符进行更新(见上面的标准ISO/IEC14496-2001的§7.4.3)。出于在设计时了解到的产品要求的成本原因，用于垂直预测的这一行(即，硬件预测行)的大小是固定的。例如，GIF(352×288)视频解码的要求结果会得到一行不多于而是恰好为22个宏块预测符(即，352个像素)。在这种构造中，不可能让硬件针对VGA(640×480)短片进行系数预测，在这种情况下会要求有一行40个宏块。
一种可供选用的方案是在软件中进行整个系数预测，但是这要求这样的硬件设计：可以跳过或禁止这一处理步骤，并且系统中要有足够的净空间，以允许CPU载荷急剧增加。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种得到改善的系数预测选择，借助这种系数预测，能够消除与硬件加速器相结合时面临的上述限制。
这个目的是由按照权利要求1的视频解码器设备和由按照权利要求13的解码方法实现的。
由此，通过将视频帧分成适当宽度的条带并且基于所述条带进行系数预测，能够回避开始介绍的与硬件加速器相结合时面临的限制。
第一方向可以对应于视频帧的垂直方向，并且第二方向可以对应于视频帧的水平方向，反之亦然。从而，分离方向适合于预测方向，从而可以使AC/DC预测成本最小化。
生成装置可以适合用于将假块作为第一列插入到至少两个条带中的至少另一个条带中。这用于进一步减少所需的预测量。
此外，分离装置可以适合用于为各个至少两个条带产生具有各自微程序的各自数据集，各自数据集和微程序由预测装置用来进行系数预测。预测装置可以包括硬件加速器并且该分离装置可以由解码器软件实现。这样，通过(重新)引入一定的最小量软件操作，能够减轻或回避由预测装置(例如硬件加速器)的固定处理宽度带来的限制。而且，生成装置可以由解码器软件实现。
预测装置可以适合用于相继处理至少两个条带。此外，它可以适合用于进行部分预测。至少两个条带可以在预定重叠区域上重叠，所生成的假块插入在这个预定重叠区域内。于是生成装置可以适合用于通过基于从预测装置获得的预测符进行反向预测来为至少两个条带之一生成假块。
可以将所提出的得到改进的解码机制或过程的软件操作部分实现为包括适合用于在运行在计算机设备上时产生权利要求13的方法的分离和生成步骤的代码装置的计算机程序产品。该计算机程序产品可以存储在计算机可读介质上。
有益地，按照本发明的解码器设备和解码方法可以结合在包括发送器和接收器的用于通过无线连接将包含视频数据的位流从所述发送器传送到所述接收器的系统中。接收器可以实现在用于显示所发送的视频数据的无线监视器中或者与该无线监视器连接。发送器可以实现在包含视频数据的输入位流的信源中或者与该信源相连，例如，数字视频源可以是DVD播放器或者是通过有线网与视频供应商连接的电缆网、卫星连接等等。发送器还可以与相机相连，例如监视相机，来传递包含由所述相机产生的视频数据的视频位流。最后而又很重要地，当在接收器端使用按照优选实施方式的解码过程时，可以将遵从针对数据流格式使用的相应标准的任何装置结合到该系统中。
附图说明
现在将参照附图、基于优选实施方式介绍本发明，其中：
图1示出表示按照优选实施方式的解码操作的框图；
图2示出表示传统解码操作的框图；
图3表示具有按照优选实施方式分离的帧的视频帧的示意图；和
图4表示具有按照优选实施方式的可能预测方向的帧部分的示意图。
具体实施方式
下面，将会结合针对视频数据流(例如，MPEG-4基本流)的系数预测操作介绍本发明的优选实施方式。视频数据流可以是从视频源(例如，DVD播放器或电视机顶盒)送到用于显示视频数据流的图像信息的显示装置(例如，高分辨率视频LCD或等离子体监视器)的。这种机顶盒的视频/音频数据的来源例如可以是地面递送(DVB-T)或经由卫星递送(DVB-S)的数字视频广播(DVB)。其它来源可以涉及网络流送和下载及播放应用。
根据于宏块的类型，将运动矢量信息和其它辅助信息与压缩预测误差一起编码在各个宏块中。将运动矢量针对预测值区分开并且使用可变长度编码对其进行编码。所允许的运动矢量最大长度是在编码器中决定的。编码器的职责是计算适当的运动矢量。
按照优选实施方式，提出了经过改进的用于AC/DC系数解码的预测处理。总地来说，预测涉及使用预测符来提供当前正在解码的采样值或数据元素的估计结果。预测符是之前解码的采样值或数据元素的线性组合。正向预测定义的是从过去的参考VOP进行的预测，而反向预测定义的是从将来的参考VOP进行的预测。
空间预测是从空间可扩缩性中的参考层解码器的解码帧中得出的预测结果，空间可扩缩性是这样一种类型的可扩缩性：增强层也使用从由较低层得出的采样数据进行的预测，而不使用运动矢量。这些层可以具有不同的VOP大小或VOP比率。
DC和AC系数的预测是针对帧内宏块(I-MB)进行的。
DC和AC预测方向的适应性选择可以基于所要解码的块周围的水平和垂直DC梯度的比较。在下面的实例情况下，将围绕着要解码的当前块‘X’的三个块分别表示为‘A’、‘B’和‘C’，其中块A对应于左侧的块，块B对应于左上侧的块，并且块C对应于正上方的块。然后，使用经过反量化的之前解码块的DC值来确定DC和AC预测的方向。具体来说，如果经过反量化的块A和B的DC值之间的差的绝对值小于经过反量化的块B和C的DC值之间的差的绝对值，则预测基于块C。否则，预测基于块A。
如果块A、B或C中的任何一个块处于VOP边界或者视频数据包边界之外，或者它们并不属于帧内编码宏块，则认为它们的反量化DC值取预定值，并且使用它们的反量化DC值计算预测值。
自适应DC预测方法包括取决于前面确定的预测方向选择直接在前块的反量化DC值或者直接在它上方的块(在前一行块中)的反量化DC值。这个处理可以使用适当的直接水平相邻的块A和直接垂直相邻的块C针对宏块的每个块独立地重复进行。
针对亮度和两个色度分量中的各个色度分量类似地进行DC预测。
也可以是使用自适应AC系数预测，在这种情况下，使用来自第一行或第一列在前编码块的系数来预测当前块同一位置的系数。基于块，DC系数预测的最佳方向(在水平方向和垂直方向二者之中选择)也用于选择AC系数预测的方向。这样，在宏块内，例如，从水平相邻在前块或垂直相邻在前块独立地预测各个块成为了可能。对系数的二维数组进行反量化，以产生重构的DCT系数。这个处理本质上是与量化器步长相乘。量化器步长通过两种机制调整。使用加权矩阵调整块内的步长，并且使用缩放系数以便以仅仅几位的代价(与编码整个新的加权矩阵相比)就能够调整步长。
按照优选实施方式，通过将视频帧垂直分离成宽度不超过硬件预测行大小的条带，使上述过程的硬件加速的灵活性得到了提高，从而硬件预测具备了可操作性。然后，由软件对最左侧的(多个)条带进行轻量(部分)预测，以便为最右侧的条带提供适当的水平预测符。此后，伪造要作为第一列插入到最右侧(多个)条带中的假宏块，以便对水平预测进行初始化。
下面的介绍基于将垂直帧分成两个垂直条带的例子。不过，所提出的灵活预测机制同样可用于三个或更多个条带。
图1画出了实现所提出的按照优选实施方式的帧分离方法的解码数据流程的示意性流程图。与图1的常规方法不同，解码器软件20现在产生两个各自覆盖当前视频帧的相应垂直条带的数据集A和B，这两个数据集A和B分别具有经过RL编码和量化的AC/DC系数30、40和两个微程序32、42。两个微程序32、42由硬件加速器50相继运行(即，在两次硬件运行过程中)，以便最终覆盖整个目标帧。
图3表示具有按照优选实施方式分离的帧的视频帧的示意图，其中画出了数据集A和B的帧区域的各自位置。具体来说，图3代表宽度超出硬件加速器50的硬件容量的视频帧。各个视频帧包含多行视频信号的空间信息。对于逐行视频而言，这些行包含从一个时刻开始并且经过连续多行延续到帧底部的采样。帧频限定了帧从合成处理输出的速度。
在优选实施方式的例子中，将视频帧分成两个将会由硬件加速器50相继处理的区域A和B，即，先B后A。稍后将会解释条带重叠(A∩B)区域的作用。
一方面，所提出的垂直分离解决了垂直预测的问题。另一方面，它打断了条带间边界处的水平预测。
结果，最左侧的条带除外，各个垂直条带的各个宏块行都要求为水平预测进行初始化。因此，必须在软件中对区域A完成水平预测。
可以按照如下方式进行轻量或部分预测。由于区域A和B之间没有垂直相互影响，因此在区域A中仅需要计算AC和DC水平方向预测符。对于AC系数而言，这意味着有DCT矩阵第一列的系数就足够了，并且节省了第一行处理成本。因此，在B区域中，根本不需要预测。从而能够节省总计高达60到70％的AC/DC预测成本。
此外，可以按照下列方式伪造初始状态宏块。
为了对B区域中水平AC/DC预测进行初始化，要伪造一个宏块并且将其定义为B区域中各个宏块行的起始。这种机制解释了A和B重叠的原因。伪造的宏块列是A∩B区域。由于这个区域不是视频序列的一部分，因此必须在显示前将其重写。这并不需要额外的操作，只要在A区域之前对B区域进行解码即可。
图4表示具有按照优选实施方式的可能预测方向的帧部分的示意图。具体来说，表明这些可能预测方向影响B区域最左侧最终可见的宏块。
虚线箭头画出了适合B区域内部的方向。由硬件适当地进行相应的预测，例如，由硬件加速器50进行预测，而没有软件操作。相反地，黑色箭头是必须由软件反向预测的方向，例如由解码器软件20反向预测，以伪造A∩B区域。根据所获得的部分预测符，反向预测给出A∩B区域的内容。
总地来说，在所提议的MPEG-4解码期间，如图3所示按照从左到右、从上到下的顺序扫描帧宏块。对于各个宏块行，基于它们相对于条带的位置对宏块进行不同的处理。
在下面的表中，与所处理的宏块相对应地列出了软件处理的输出。
Figure G2006800134885D00091
在上面的表中，‘基本’处理包括MPEG-4标准软件解码，例如，位流分析、可变长度解码和运动解码。
总地来说，介绍了用于对具有多个包括多个块的视频帧的压缩视频数据进行解码的解码设备和方法，其中沿着第一预定方向将视频帧分成至少两个宽度不超过硬件预测行大小的条带。然后，对至少两个条带之一进行系数预测，以便为至少两个条带中的至少另一个提供沿着第二预定方向的预测符，第二预定方向垂直于第一预定方向。此外，生成要插到所述至少两个条带中的至少另一个中的假块，以便为第二预定方向上的预测进行初始化。从而，能够以更为灵活的方式使用具有固定处理宽度的硬件加速器。
应当注意，不应将本发明针对MPEG视频数据的说明看成是对本发明的限定。实际上，本发明的发明原理可以应用于任何需要系数预测的视频数据解码。具体来说，本发明可以应用于使用所谓的MonetMPEG-4 Video Decoder IP(如例如移动通信芯片中使用的)的任何系统。而且，可以将视频帧分成不止两个条带，这些条带并非必须垂直指向。沿着水平方向的分离也是可行的解决方案，只要对解码硬件和/或软件进行适当修改即可。所生成的假块的插入可以在任何适当的位置完成，只要可以将它们用作适当的起始点即可，以对剩余预测初始化。
最后但仍很重要的是，要注意，术语“包括”当用在说明书(包括权利要求)中时，是用来表示所列出特征、装置、步骤或元器件的存在，并不排除还存在或加入一个或多个其它特征、装置、步骤、元器件或其它的组的可能。此外，置于权利要求中的要素前面的词“一”或“一个”并不排除存在多个这种要素的可能。而且，任何附图标记都不限制权利要求的范围。本发明可以借助硬件和软件二者来实现，并且数个“装置”可以由同一个制品或硬件代表。

Claims (11)

1.一种解码器设备，用于对具有多个包括多个宏块的视频帧的压缩视频数据进行解码，所述解码器设备包括：
a)分离装置(20)，用于沿着第一预定方向将所述视频帧以宏块为单位分成至少两个条带，所述至少两个条带的宽度不超出所述解码器设备的硬件预测行大小；
b)预测装置(50)，用于对所述至少两个条带之一进行系数预测，以便为所述至少两个条带中的至少另一个提供沿着第二预定方向的预测符，所述第二预定方向垂直于所述第一预定方向；和
c)生成装置(20)，用于通过基于从所述预测装置(50)获得的预测符进行反向预测来为所述至少两个条带的所述之一生成假宏块，其中所述至少两个条带在预定重叠区域处重叠，所述生成的假宏块插入在该预定重叠区域中。
2.按照权利要求1所述的解码器设备，其中所述第一方向对应于所述视频帧的垂直方向并且所述第二方向对应于所述视频帧的水平方向。
3.按照权利要求2所述的解码器设备，其中所述生成装置(20)用于将所述假宏块作为第一列插入到所述至少两个条带中的所述至少另一个条带内。
4.按照前述权利要求中任何一项所述的解码器设备，其中所述分离装置(20)用于为所述至少两个条带中的每一个产生带有各自微程序(24)的各自数据集(22)，所述各自数据集(22)和微程序(24)由所述预测装置(50)用于系数预测。
5.按照前述权利要求1-3任何一项所述的解码器设备，其中所述预测装置包括硬件加速器(50)并且所述分离装置是由解码器软件(20)实现的。
6.按照权利要求5所述的解码器设备，其中所述生成装置是由所述解码器软件(20)实现的。
7.按照前述权利要求1-3任何一项所述的解码器设备，其中所述预测装置(50)用于相继处理所述至少两个条带。
8.按照权利要求7所述的解码器设备，其中所述预测装置(50)用于进行部分预测。
9.按照前述权利要求1-3任何一项所述的解码器设备，其中所述预测装置(50)用于预测离散余弦变换的系数。
10.按照前述权利要求1-3任何一项所述的解码器设备，其中所述解码器设备是MPEG-4解码器。
11.一种解码方法，用于对具有多个包括多个宏块的视频帧的压缩视频数据进行解码，所述解码方法包括步骤：
a)沿着第一预定方向将所述视频帧以宏块为单位分成至少两个条带，所述至少两个条带的宽度不超出所述解码器设备的硬件预测行大小；
b)对所述至少两个条带之一进行系数预测，以便为所述至少两个条带中的至少另一个提供沿着第二预定方向的预测符，所述第二预定方向垂直于所述第一预定方向；和
c)通过基于在步骤b)中提供的预测符进行反向预测来为所述至少两个条带的所述之一生成假宏块，以便为所述第二预定方向上的预测进行初始化，其中所述至少两个条带在预定重叠区域处重叠，所述生成的假宏块插入在该预定重叠区域中。
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