CN101257631A - 对包含淡变和闪光的视频信号的压缩 - Google Patents

对包含淡变和闪光的视频信号的压缩 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于压缩视频信号的方法和编码器，其在检测到视频信号中的闪光时插入至少一个非参考帧以与闪光的持续时间相符。在检测到视频信号中的淡变时，对帧进行编码的顺序被改变成使得参考帧被设置在紧邻淡变之前和之后并且在淡变的持续时间内一直使用双向编码帧的金字塔结构。

Description

对包含淡变和闪光的视频信号的压缩
技术领域
本发明涉及对包含淡变和闪光的视频信号的压缩。
背景技术
运动补偿预测视频压缩通过根据之前编码的图像做出预测来利用连续图像的相似性。进行预测时所根据的图像可以是来自过去的图像(前向预测)或将来的图像(后向预测)或二者的组合(双向预测)，从而使得能预测未覆盖的区域。因此，最新的视频压缩引擎能够应对大多数类型的运动和边缘图像素材。
然而，有两种影响能造成严重的图像变劣并且值得进行专门的减轻处理：包括淡变的视频序列和包含短暂明亮的闪光(flash)的视频序列，该闪光诸如是当带有闪光装置的静止照相机在视界中使用时产生的那些闪光。在淡变期间，运动估计器经常由于视频发光度(luminosity)改变而产生随机运动向量。类似的，对带有诸如照相机的闪光等闪光的图像进行的预测很难表示视频行为，从而导致很差的压缩性能。
本发明的目的是至少改善现有技术中的上述缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了压缩视频信号的方法，该方法包括：在检测到视频信号中的闪光时，插入至少一个非参考帧(non-referenced frame)以与闪光持续时间相符；并在检测到视频信号中的淡变时，改变帧编码的顺序以使参考帧被设置在紧邻着淡变之前和之后并且在淡变的持续期间使用双向编码帧的金字塔结构。
优选地，其中检测到闪光的帧中量化(quantisation)增大。
优选的，在检测到淡变时，在淡变的持续期间运动估计器的搜索范围减小。
有利的是，检测视频信号中的闪光包括的步骤有：计算紧邻在相关帧之前的至少一个帧的各场的第一平均亮度(luminance)和紧邻在相关帧之后的至少一个帧的各场的第二平均亮度；计算相关帧的前场(top field)的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的前场中发生了闪光；以及，计算相关帧的后场(bottom field)的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的后场中发生了闪光。
便利的是，检测视频信号中的闪光包括的步骤有：计算当前帧的各场的第一平均亮度；计算在当前帧前面两个帧之前的帧的各场的第二平均亮度；计算当前帧前面的帧的后场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在前一帧(previous frame)的后场中发生了闪光；以及，计算当前帧的之前的帧的前场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在前一帧的前场中发生了闪光。
有利的是，检测视频信号中的淡变包括的步骤有：为第一多个连续场中的每个场计算平均亮度；计算第一多个连续场的各场之间的平均亮度中的连续差；计算连续差的总和；计算第二多个总和与紧邻的之前场的差的这样的总和的平均值；计算总和与它们的平均值之间的绝对差；以及如果该平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
便利的是，检测视频信号中的淡变包括的步骤有：为四个连续场中的每个场计算平均亮度；计算这四个场中的各场之间的平均亮度的连续差；计算连续差的总和；计算该总和与紧邻的之前两组场的连续差的这样的总和的平均值；计算这三个总和与它们的平均值之间的绝对差；以及，如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
根据本发明的第二方面，提供了视频信号的编码器，其包括：补偿延时装置、淡变检测器装置和闪光检测器装置，这几个装置被设置成使得视频信号可以被并行输入到补偿延时装置、淡变检测器装置和闪光检测装置；帧重排装置，其具有连接到补偿延时装置的输出端的输入端；编码模式装置，其的输入来自淡变检测器装置和闪光检测器装置以向帧重排装置输出控制信号；压缩编码环装置的输入来自帧重排装置和编码模式装置；运动估计器装置的输入来自帧重排装置和编码模式装置，用于向压缩编码环装置输出运动向量和从压缩编码环装置输入重构的视频信号；和熵编码装置，其用于接收来自压缩编码环的输入并输出压缩的视频信号；其中，帧重排装置被设置成使得：在闪光检测器装置检测到视频信号中的闪光时，至少一个非参考帧被插入，以与闪光的持续时间相符；并在淡变检测器装置检测到视频信号中的淡变时，帧编码的顺序被改变使得参考帧被设置于紧邻在淡变之前和之后，并且在淡变的持续时间内使用双向编码帧的金字塔结构。
有利的是，淡变检测器装置被设置成：为第一多个连续场中的每个场计算平均亮度；在第一多个场中的各场之间计算平均亮度的连续差；计算连续差的总和；计算第二多个总和与紧邻的之前场的差的这种总和的平均值；计算这些总和与它们的平均值之间的绝对差；和如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
便利的是，淡变检测器装置被设置成：为四个连续场中的每个场计算平均亮度；在这四个场中的各场之间计算平均亮度的连续差；计算连续差的总和；计算最后三个总和的平均值；计算这三个总和与它们的平均值之间的绝对差；和如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
有利的是，闪光检测器装置被设置成：计算紧邻在相关帧之前的至少一个帧的各场的第一平均亮度和紧邻在相关帧之后的至少一个帧的各场的第二平均亮度；计算相关帧的前场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的前场中发生了闪光；以及，计算相关帧的后场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的后场中发生了闪光。
便利的是，闪光检测器装置被设置成：计算在五个场周期内各场的平均亮度；计算在紧邻相关帧之前的帧的各场的第一平均亮度和紧邻相关帧之后的帧的各场的第二平均亮度；计算相关帧的前场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的前场中发生了闪光；以及，计算相关帧的后场的亮度是否比第一平均亮度和第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的后场中发生了闪光。
优选的，压缩编码环被设置成增大其中检测到闪光的帧的量化。
优选地，运动估计装置被设置成减小淡变检测的搜索范围。
根据本发明的第三方面，提供了包括程序代码装置的计算机程序产品，其被设置成当程序代码装置在计算机上运行时执行上述方法的所有步骤。
根据本发明的第四方面，提供了含有上述的计算机程序产品的计算机可读介质。
以下将参考附图通过举例的方式来描述本发明。
附图说明
图1举例说明了对参考B图像和非参考B图像的编码结构；
图2举例说明了金字塔B图像编码；
图3是带有淡变和闪光检测器的根据本发明的编码器的框图；
图4是对于含有相机闪光的视频序列的编码结构；
图5是根据本发明的检测视频信号中的闪光或淡变和相应地适应视频信号的编码的方法的流程图；
图6是图5所示的方法中的检测淡变的步骤的流程图；
图7是图5所示的方法中的检测淡变的步骤的图示；
图8是图5所示的方法中的检测闪光的步骤的流程图；
图9是对淡变至黑所使用的编码结构的实例；和
图10是图5所示的方法中的检测闪光的步骤的图示。
在以上各图中，相同的附图标记表示相同的部分。
具体实施方式
本说明书描述了检测视频淡变和诸如相机闪光等闪光的方法和改善这些情况下的压缩性能的机制。检测是在实际编码处理之前执行的。一旦检测到视频淡变或相机闪光，则编码处理可被控制以提供对这些效果的改善编码。
H.264编码结构
本文中，对带有淡变或闪光的视频信号的压缩改善在此是在H.264压缩标准的基础上描述的。为了这种说明，在H.264中能区分出四种图像：
·独立于其他图像进行编码的帧内编码(intra-code)图像(I)；
·根据之前的I或P图像做出预测的前向预测图像(P)；
·非参考双向预测图象(Bnr)，其根据过去和将来的I或P图像做出预测，但其中不根据Bnr图像做预测；
·参考双向预测图象(Br)，其也根据过去和将来的I或P图像做出预测，但其中也根据Br图像做预测。
Bnr和Br图像的组合使得可能生成如图1所示的金字塔B编码结构，其中I图像11被独立编码。非参考B图像12是通过根据之前的I图像11进行的预测112和根据之后的参考B图像13进行的预测132而预测出的。参考B图像13是通过根据之前的I图像11进行的预测113和根据之后的P图像15进行的预测153而预测出的。非参考B图像14是通过根据之前的参考B图像13进行的预测134和根据之后的P图像15进行的预测154而预测出的。P图像15是根据之前的I图像11进行的预测115预测出的。
这种编码结构通常比诸如MPEG 2的没有参考B图像的结构更有效。但是，如果扩展到如图2所示那样的更多层的分层编码，如果该金字塔覆盖了整个淡变持续时间，则可使用金字塔B图像编码来改善视频淡变期间的编码性能。
闪光的编码性能可通过确保相应图像被编码为Bnr图像(即，没包括在对相邻图像进行的编码中的图像)而被改善。
在H.264中，视频帧可被编码为一个或两个图像，即对于整个帧的一个图像或各自对于两个隔行扫描场(interlaced field)中的每个场的两个图像。由于图像编码模式决定经常是对整个帧做出的，因此下文中将涉及I、P、Br或Bnr帧而不是图像。
淡变检测
可区分出三种淡变：淡变至黑、从黑开始淡变和从一个视频信号交叉淡变成另一个。在前两种情况中，在一定程度上，在后一种情况中，淡变可通过测量多个场的视频信号的平均亮度来检测。参考图6和图7，基于亮度梯度检测的淡变检测器算法的例子可概括如下：
1.步骤61，计算每个场的平均亮度值Yav(n)并对其存储四个场周期；
2.步骤62，计算最后四个场之间的平均亮度的差，以确定相邻场之间的亮度改变，但可理解在本发明的不同实施例中可使用不同数目的场
diff1＝Yav(n)-Yav(n-1)
diff2＝Yav(n-1)-Yav(n-2)
diff3＝Yav(n-2)-Yav(n-3)
3.步骤63，计算三个场差的总和并对其存储三个场周期，以提供一系列连续场的亮度的变化的测量，但可理解在本发明的不同实施例中可对更少或更多个差求和
sum(n)＝diff1+diff2+diff3；
4.步骤64，计算最后三个总和的平均值，以检测亮度的任何趋势，但可理解在本发明的不同实施例中可对更少或更多总和取平均值
av＝(sum(n)+sum(n-1)+sum(n-2))/3；
5.步骤65，计算三个总和与它们的平均值之间的绝对差，从表示亮度改变的平均亮度中分离出任意的与平滑转变不同的大变化
d1＝|av-sum(n)|
d2＝|av-sum(n-1)|
d3＝|av-sum(n-2)|；和
6.步骤66，确定是否(av＞阈值1AND
d1＜阈值2AND
d2＜阈值2AND
d3＜阈值2)，如果是这样则检测到淡变
在步骤66中，关于av的条件检测从Y(n-5)到Y(n)的亮度的显著改变，而其他关于d1、d2和d3的条件检测相对平滑的转变，例如，从淡变开始到淡变结束的亮度水平，没有亮度中的峰值，其否则可能对平均改变av具有不成比例的影响。
闪光检测
相机闪光通常仅持续一个到两个场。对于闪光的检测算法要比淡变的检测算法简单得多。参考图8和10，示例算法如下：
1.步骤71中，计算每个场的平均亮度值Yav(n)并对其存储五个场周期；
2.步骤72，在每个帧周期的结束，计算当前帧的前场(top field)和后场(bottom field)的平均亮度值和两帧之前的帧的值，但可理解在不同实施例中可对更多个或更少个场计算平均值
current_av＝(Yav(n)+Yav(n-1))/2
previous_av＝(Yav(n-4)+Yav(n-5))/2
3.如果(Yav(n-2)＞(current_av，previous_av)的最大值+阈值)，即，如果前一个后场的亮度显著大于前一帧和后一帧的平均场亮度中的较大者，那么在前一帧的后场上检测到闪光(步骤73)；和
4.如果(Yav(n-3)＞(current_av，previous_av)的最大值+阈值)，即，如果前一个前场的亮度显著大于前一帧和后一帧的平均场亮度中的较大者，那么在前一帧的前场上检测到闪光(步骤74)。
将两个场与前一和后一帧的最大亮度值相比较避免了对场景切换的错误检测。
压缩改善
图3示出了根据本发明一个方面的系统的框图。未经压缩的视频信号被并行输入到补偿延时1、淡变检测器2和闪光检测器3。补偿延时的输出被输入到帧重排部分4。淡变检测器2和闪光检测器3的输出被输入到编码模式部分5的输入端，该编码模式部分5产生编码结构控制信号，该信号用于输入到帧重排部分4的控制输入端。并且，运动搜索控制信号从编码模式部分5输出到运动估计器7，而量化控制信号从编码模式部分5输出到压缩编码环6。帧重排部分4的输出也被输入到运动估计器7和压缩编码环6。运动向量从运动估计器7输出到压缩编码环6，而重构的视频信号从压缩编码环6输出到运动估计器7。压缩编码环6的输出也被输出到用于输出压缩的视频信号的熵编码部分8。
在使用中，未经压缩的视频信号是对淡变检测器2和闪光检测器3以及补偿延时1的输入。补偿延时1是必需的，因为在检测到淡变或闪光之前算法要经过几个场周期。在淡变检测器和闪光检测器算法的本质中，如果检测到一个特性则将不会检测到另一个特性。
相机闪光的改善
参考图3和5，编码模式部分5改变了对视频信号进行编码的方式。例如，如果在某个场检测到闪光(步骤52)，那么编码结构被改变成使得检测到闪光的帧被编码作为Bnr帧，即没有根据其做出其他预测的帧。这可以通过在I和P帧之间插入一个或多个额外的Bnr帧(步骤53)来完成。图4显示了带有相机闪光41的序列40的实例。遵循I、Bnr、Br、Bnr、P、Bnr、Br、Bnr、P帧的常规编码结构，可以看出带有闪光的帧已经被编码作为P帧44。然而，由于根据带有闪光的P帧所做出的较差预测，这可能会产生失真。这个问题可通过将额外的Bnr帧43插入到编码结构中来解决。此外，压缩编码环6被通知相机闪光(步骤54)，使得带有闪光的帧可以被更粗糙地量化，而不会造成任何能察觉到的图像劣化。
淡化的改善
参考图3、5和8，如果检测到淡化81(步骤55)，则编码模式部分5减小运动估计部分7的搜索范围(步骤56)以便减少否则会出现的多个较大混沌运动向量(chaotic motion vector)。此外，编码模式部分5改变帧被编码的顺序使得编码结构包含了贯穿整个淡变的金字塔B 帧84的序列(步骤57)，如图8所示。在图8中可以看出，编码结构被设置成使得在紧邻着帧81之前和之后分别存在参考帧82、83，并且在淡变期间使用金字塔编码结构84。

Claims (16)

1.一种压缩视频信号的方法，包括：
a.在检测到视频信号中的闪光时，插入至少一个非参考帧以与所述闪光的持续时间相符；以及
b.在检测到视频信号中的淡变时，改变帧被编码的顺序使得参考帧位于紧邻所述淡变之前和之后，并且在所述淡变的持续时间内使用双向编码帧的金字塔结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在检测到闪光的帧中量化被增大。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在检测到淡变时，运动估计器的搜索范围在所述淡变的持续时间内被减小。
4.如权利要求1所述的方法，其中，检测视频信号中的闪光包括的步骤有：
a.计算紧邻在相关帧之前的至少一个帧的各场的第一平均亮度和紧邻在相关帧之后的至少一个帧的各场的第二平均亮度；
b.计算所述相关帧的前场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在所述相关帧的前场中发生了闪光；以及
c.计算所述相关帧的后场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在所述相关帧的后场中发生了闪光。
5.如权利要求1所述的方法，其中检测视频信号中的闪光包括的步骤有：
a.计算当前帧的各场的第一平均亮度；
b.计算当前帧的两个帧之前的帧的各场的第二平均亮度；
c.计算所述当前帧的之前帧的后场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在之前帧的后场中发生了闪光；以及
d.计算所述当前帧的之前帧的前场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出所述第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在之前帧的前场中发生了闪光。
6.如权利要求1所述的方法，其中，检测视频信号中的淡变包括的步骤有：
a.为第一多个连续场中的每个场计算平均亮度；
b.计算所述第一多个连续场的各场之间的平均亮度的连续差；
c.计算所述连续差的总和；
d.计算第二多个的总和与紧邻的之前场的差的这种总和的平均值；
e.计算所述总和与它们的平均值之间的绝对差；以及
f.如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
7.如权利要求1所述的方法，其中，检测视频信号中的淡变包括的步骤有：
a.为四个连续场中的每个场计算平均亮度；
b.计算所述四个场的各场之间的平均亮度的连续差；
c.计算所述连续差的总和；
d.计算所述总和与紧邻的之前各组的场的连续差的两个这种总和的平均值；
e.计算该三个总和与它们的平均值之间的绝对差；以及
f.如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
8.一种视频信号的编码器，包括：
a.补偿延时装置、淡变检测器装置和闪光检测器装置，它们被设置成使得视频信号可被并行输入到所述补偿延时装置、所述淡变检测器装置和所述闪光检测器装置；
b.帧重排装置，其输入端连接到所述补偿延时装置的输出端；
c.编码模式装置，其具有来自所述淡变检测器装置和所述闪光检测器装置的输入，以将控制信号输出给所述帧重排装置；
d.压缩编码环装置，其具有来自所述帧重排装置和所述编码模式装置的输入；
e.运动估计器装置，其具有来自所述帧重排装置和所述编码模式装置的输入，以向所述压缩编码环装置输出运动向量和从所述压缩编码环装置输入重构的视频信号；和
f.熵编码装置，其接收来自所述压缩编码环的输入并输出压缩的视频信号；
其中，所述帧重排装置被设置成使得：
g.在所述闪光检测器装置检测到视频信号中的闪光时，至少一个非参考帧被插入以与所述闪光的持续时间相符；和
h.在所述淡变检测器装置检测到视频信号中的淡变时，改变帧被编码的顺序使得参考帧位于紧邻所述淡变之前和之后，并且在所述淡变的持续时间内使用双向编码帧的金字塔结构。
9.如权利要求8所述的编码器，其中，所述淡变检测器装置被设置成：
a.为第一多个连续场中的每个场计算平均亮度；
b.计算所述第一多个场的各场的平均亮度中的连续差；
c.计算所述连续差的总和；
d.计算第二多个的总和与紧邻的之前场的差的这种总和的平均值；
e.计算所述总和与它们的平均值之间的绝对差；以及
f.如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
10.如权利要求8或9所述的编码器，其中，所述淡变检测器装置被设置成：
a.为四个连续场中的每个场计算平均亮度；
b.计算所述四个场的各场之间的平均亮度的连续差；
c.计算所述连续差的总和；
d.计算最后三个总和的平均值；
e.计算所述三个总和与它们的平均值之间的绝对差；以及
f.如果平均值大于第二预定阈值并且如果每个绝对差都小于第三预定阈值，则发信号通知检测到淡变。
11.如权利要求8所述的编码器，其中，所述闪光检测器装置被设置成：
a.计算紧邻在相关帧之前的至少一个帧的各场的第一平均亮度和紧邻在相关帧之后的至少一个帧的各场的第二平均亮度；
b.计算所述相关帧的前场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在所述相关帧的前场中发生了闪光；以及
c.计算所述相关帧的后场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在所述相关帧的后场中发生了闪光。
12.如权利要求8所述的编码器，其中，所述闪光检测器装置被设置成：
a.计算五个场周期内每个场的平均亮度；
b.计算紧邻着相关帧的之前帧的各场的第一平均亮度和紧邻着相关帧的之后帧的各场的第二平均亮度；
c.计算所述相关帧的前场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的前场中发生了闪光；以及
d.计算所述相关帧的后场的亮度是否比所述第一平均亮度和所述第二平均亮度中的较大者大出所述第一预定阈值，并且如果是这样则发信号通知在相关帧的后场中发生了闪光。
13.如权利要求8所述的编码器，其中，所述压缩编码环被设置成增大检测到闪光的帧中的量化。
14.如权利要求8所述的编码器，其中，所述运动估计装置被设置成在检测到淡变时减小搜索范围。
15.一种包括程序代码装置的计算机程序产品，其被设置成当在计算机上运行所述程序代码装置时执行如权利要求1至7中的任一项所述的方法的所有步骤。
16.一种计算机可读介质，其包含如权利要求15所述的计算机程序产品。
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