CN101345871B - 视频编解码的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

涉及一种视频编码装置及其方法。该视频编码装置及其方法适用于在各种帧率视频标准(包括固定帧率视频标准以及非固定帧率视频标准)下进行实时的流量调整，用于符合因各种传输环境的时变流量的状况。该装置包含视频编码器、控制电路、接口及缓冲器。该控制电路依据该缓冲器的容量以调整该视频编码器与该前处理电路的至少其一的运作以达到实时的流量调整。

Description

视频编解码的方法及其装置
技术领域
本发明与视频技术有关，尤指一种具有时变流量的视频编码装置及其方法。
背景技术
数字视频应用已广泛使用在日常生活当中。为了降低数据传输所需的频宽及储存所需之空间，许多视频压缩技术及相关标准也应运而生。如应用于多媒体之MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以及应用于视频会议之H.263等等。举例来说，MPEG-1的帧率为固定的、应用于DVD的MPEG2的帧率亦为固定的，如每秒29.97张帧。其他的视频标准(如MPEG4，H.263)则是允许可变之帧率，即帧率可以在编码的过程中作变动。该些视频压缩标准使用离散余弦转换(DCT)、移动补偿(motion compensation，MC)(其有关于移动估计及移动补偿预测)、量化及可变长度编码(VLC)来建立数据块(blocks)。上述的技术内容及其实施方式为本领域的技术人员所知悉，故于此不再赘述。
视频编码器(video encoder)在视频传输的应用，基于信道率(channelrate)来产生视频位流(bit-stream)，并经由网络而传送至视频解码器(videodecoder)端；另，视频编码器在数据储存的应用，基于可得的储存空间(如：硬盘)来产生视频位流，并经由储存空间的读写机制来将视频位流载入至储存空间(如：硬盘)中。请参阅图1，其是现有技术的视频编码装置的功能方块图。
然，在实际数字视频应用状况，经常会有传输通道壅塞(congestion)、储存空间不足或是储存设备忙碌(例如被紧凑地分段(segmented)时，则磁盘之写入率会明显下降)的状况而造视频分组漏失的情形发生。现有方法无法实时地调整输出率，因而导致视频数据漏失而产生一不佳的视频品质。现有方法在一固定帧率视频标准下，则无法针对此一现象来作实时的(real-time)位流调整，导致视频分组漏失而产生不佳的视频品质。
因此，如何通过实时的位流调整及且仍符合(固定或非固定)视频帧率标准下来改进视频数据漏失、视频画面重现(playback)不平顺及视频画面跳动运动(jumpy motion)等等现象，进而改善不佳的视频品质，实为一重要的议题。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种用于视频位流编码之具可变帧率的系统，且在视频压缩标准上仍是使用固定帧率。
本发明的目的之一，在于通过仿真(emulate)在位流中的跳跃帧(skippedframes)以产生优选的位流。
本发明的目的之一，在于提供一种视频编码的装置及其方法，可进行位流调整，以解决上述之问题。
而且，无论网络架构、储存元件或视频标准是采用何种种类、型式的格式或标准，视频的品质皆可通过本发明而得到大幅地改善。承上所述，可见本案不啻为一新颖的发明。
附图说明
图1是现有技术的视频编码装置的功能方块图；
图2是本发明的视频编码装置的实施例的功能方块图；
图3是本发明的视频编码装置的另一实施例的功能方块图；
图4是MPEG-2视频标准的视频位流序列的结构；及
图5(a)与图5(b)是本发明的视频编码方法的实施例。
【主要元件符号说明】
100    视频编码装置
10     视频编码器      12    缓冲器
200    视频编码装置
20     前处理电路      22    视频编码器
24     控制电路        26    缓冲器
28     接口            30    检测单元
300    视频编码装置
具体实施方式
本说明书及后续的申请权利要求中所提及的「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。
请参阅图2，其是本发明的视频编码装置的实施例的功能方块图。由图2所示，本发明的视频编码装置200包含有：前处理电路20、视频编码器22、控制电路24、缓冲器26及一接口28(未绘示于图中)。若该视频编码装置200与一硬盘(储存设备)相耦接，则该接口28可为可与硬盘相耦接的一接口，例如是一SATA、IDE、SCSI等硬盘接口；若该视频编码装置200与具有网络接口之设备相耦接，则该接口28可为一网络收发器(transceiver)，该收发器可为一无线(wireless)收发器，符合3G规格、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)规格(IEEE802.16x规格)、WLAN规范(例如是IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE802.11g、IEEE 802.11n等WiFi规范)或是一有线收发器，是符合相关网络规格(例如是：IEEE802.3规格)。当然该接口28可同时包括网络收发器与硬盘接口。
控制电路24包含有一检测单元30、一第一临限值及一第二临限值，该检测单元用于判定缓冲器26的使用状况(即，容量)；当数据量超过该第一临限值时，即表示缓冲器26将上溢(overflow)(可能是传输通道壅塞或是储存设备处于忙碌中)而需调降该视频编码器22输出的视频数据的流量，以防止视频数据漏失；当数据量低过该第二临限值时，即表示缓冲器26将下溢(underflow)(可能是传输通道已顺畅或是储存设备处于可存取中)而可调升(或是回复至原先设定)该视频编码器22所输出之位流的流量，以维持较好的视频品质。图2的信号S3代表着该缓冲器26的使用状况之资讯，该控制电路24依据信号S3得知该缓冲器26的使用状况。一实施例，信号S3是该缓冲器26的写入指针(write pointer)及读取指针(read pointer)的值，该检测单元30(例如是一减法器)系通过计算该缓冲器26的写入指针(writepointer)及读取指针(read pointer)来得知缓冲器26内的数据量。一实施例，该检测单元30包括有一计数器，用于计数该缓冲器26的数据量。该控制电路24尚包括有一比较电路，用于比较该检测单元30所输出的信号(代表该缓冲器26的数据量)与该第一(上溢)临限值、该第二(下溢)临限值的关系以输出一调整信号S4至该视频编码器22。
控制电路24信号产生调整信号S4以告知视频编码器22需进行编码上之调整(例如是：压缩比的调整)以符合缓冲器26空间需求；另，若控制电路24发现现行流量发生异常状况(例如是因通道中断或是储存设备忙碌所造成)，换言之，该缓冲器26将上溢，则控制电路24通过调整信号S4来控制视频编码器22暂停(pause)运作以避免数据遗失；换言之，视频编码器22依据该控制电路24的调整信号S4来决定如何进行编码(例如是：停止压缩、开始压缩、压缩比的调整)。
当该调整信号S4显示该缓冲器26的数据量将要(或是已)超过上溢临限值时，则该视频编码器22必须减少输出的数据量。一实施例，前处理电路20包括有一低通滤波器，该前处理电路20用于依据一第二调整信号S5(或是该调整信号S4)来对一视频信号予以进行低通滤波的处理，例如：第二调整信号S5(或是该调整信号S4)内有告知通道壅塞时，则前处理单元20进行强度较强的低通滤波处理，以增加视频编码器22对影像的压缩比，(即，当数据的高频成分越少时，则压缩的效果越好以及压缩后的数据量越少)。此外，前处理电路20尚括有利用各种噪声滤除机制的硬体、软体、或软硬体相配合，例如是采用滑动视窗机制(sliding window mechanism)来对每一帧进行噪声检测及滤除；又例如，采用切换机制(switching mechanism)来对不同频道信号建立噪声型样(noise pattern)以便于进行噪声检测及滤除。
另一实施例，该前处理电路20可减少数据量的输出至该视频编码器22。即，当该前处理电路20被通知须减少数据量的输出时，该前处理电路20对该视频信号予以进行场(field)的剔留；例如：前处理单元20可选择每一帧(frame)传送两个场(field)或每一帧只传送单一场，而在每一帧只传送单一场模式下，被移除的场是由被保留的场以内插法(interpolation)来产生一新的场，然后再将两者合并以产生一新帧。如此，经过前处理单元20对该视频信号予以进行相关之预处理而降低输出至视频编码器22的数据量；因此，视频编码器22可在无太大的视频品质损失下达到优选的编码效率。当然，此机制亦可在通道壅塞，甚至是通道中断之状况下提供无分组损失(packetloss)的功能。
视频编码器22接收预处理信号S1(即经前处理后之该视频信号)及调整信号S4，并产生一经编码视频信号S2及第二调整信号S5。视频编码器22依据调整信号S4产生一第二调整信号S5或是直接利用该调整信号S4告知前处理电路20动态调整对该输入视频信号的处理方式，以及视频编码器22依据调整信号S4实时地调整编码方式以产生该经编码视频信号S2；一实施例，该视频编码器22的编码方式可为：通过增减替换帧、取样量化阶数的增减、或其他可改变输出量的方式，然后再依照视频编码标准来予以进行编码。如此，即可以在非固定或固定帧率视频标准下进行实时的流量调整，用于符合因传输通道壅塞或储存空间不足时的时变流量限制状况。
如前所述，前处理电路20可直接依据调整信号S4来调整对该输入视频信号的处理方式，请参阅图3，其是本发明的视频编码装置的另一实施例的方块图。其中该前处理电路20可省略。
以下说明增减替换帧的一个实施例。于后续的说明前，请参阅图4。图4绘示一MPEG-2视频标准，MPEG-2是一种固定帧率视频标准。MPEG-2视频标准的视频位流序列(video bit stream sequence)是由一序列头(sequenceheader)、多个画面组(GOP)以及一序列结束码(sequence end code)所组成。且每一画面组是由一个画面组头(GOP header)及多个画面(一个I画面(Intra frame)、多个P画面(Predictable frame)以及多个B画面(Bi-directional predictable frame))所组成，其中，I画面是一关键帧(key frame)，其是由一离散余弦变换(Discrete Cosine Transformation，DCT)所产生之一种静止帧，换言之，即无需通过其他帧来作预测以产生之帧；P画面利用I画面或其他P画面所作之一单向画面预测(采用一未来之I画面或P画面来作预测)而产生的帧；B画面则是利用I画面或其他P画面所作之一双向画面预测(采用一未来之I画面或P画面以及一过去之I画面或P画面来作预测)而产生的帧；这里，I画面的数据量最大(即压缩率最低)，而B画面的数据量最小(即压缩率最高)。而每一画面(picture)是由一个画面头(picture header)以及多个片(slice)所组成。每一片是由一个片头(slice header)以及多个宏块(macroblock)所组成。每一宏块是由一个宏块头(macroblock header)以及六个块(block)所组成。于此，请对I画面、P画面以及B画面多加留心注意其区别以便在接下来的说明中能顺利地理解于实施例中所采用的技术手段的说明。
请参阅图5(a)及图5(b)，其是本发明的对该输入视频信号予以进行场(field)的剔留的示意图。这里，兹以MPEG-2视频标准为一实施例来作说明，当然本发明亦适用于其他视频标准。对于MPEG-2视频标准而言，该视频编码器22或是该前处理电路20可通过剔除非必须帧(B画面或是P画面)，并以其他帧来替代，以达到编码时需符合视频标准且能动态调整串流列的要求。图5(a)所示，即是帧剔除前的所有帧；图5(b)所示，即是本发明所施用之帧增减(剔除)后的变化方法。一优选实施例，第一优先剔除的帧是B帧(因为其所含之资讯量最少)，其次为P帧，利用被保留之帧以内插法(interpolation)或是以保留的帧取代方式(replace)来替补被剔除之帧，以使得帧仍符合MPEG-2视频标准。如此，在固定帧视频标准之环境下运作，仍然可依据传输通道流量的大小而动态地改变所传送的帧数据量，因此便可解决了存储器不足或上溢、通道壅塞及通道断线所造成的种种问题。
虽本发明的技术内容已以优选实施例揭露如上，但并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明之精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内。

Claims (21)

1.一种视频编码装置，该装置包含：
视频编码器，用于接收视频信号以及调整信号，并依据该调整信号对该视频信号进行编码以产生编码视频信号，其中该编码视频信号的数据量与该调整信号相对应，且该视频编码器依据该调整信号来决定对该视频信号施以何种编码方式；
缓冲器，耦接该视频编码器，用于暂存该编码视频信号；
接口，耦接该缓冲器，用于输出暂存于该缓冲器的该编码视频信号；和
控制电路，耦接该缓冲器，用于依据该缓冲器的储存空间情形以产生该调整信号。
2.如权利要求1所述的装置，其中该控制电路还包含：
检测单元，耦接该缓冲器，用于依据写入指针与及读取指针来确定该缓冲器的储存空间情形。
3.如权利要求2所述的装置，其中该控制电路具有第一临限值及第二临限值，该检测单元依据该缓冲器的储存空间情形、该第一临限值与该第二临限值的关系以输出该调整信号。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：
处理电路，耦接该视频编码器，该处理电路包括有低通滤波器，该低通滤波器用于对该视频信号进行低通滤波处理。
5.如权利要求4所述的装置，其中该低通滤波器具有滤波特性，并依据该调整信号以调整该低通滤波器的该滤波特性，以增加所述视频编码器对影像的压缩比。
6.如权利要求1所述的装置，还包括：
处理电路，耦接该视频编码器，用于依据该调整信号来对该视频信号进行剔除代换处理。
7.如权利要求6所述的装置，其中该影像信号包括有至少一第一帧以及多个第二帧，该第一帧是由离散余弦转换(DCT)所产生的帧，该多个第二帧是依据其他帧而产生的帧，其中当该影像信号的帧进行剔除代换的处理时，系优先剔除该多个第二帧中的至少其一。
8.如权利要求7所述的装置，其中该第一帧及该些第二帧中的每一帧皆具有奇场及偶场，且当进行剔除代换处理时，则该奇场或该偶场中至少之一被同一帧中的另一场所取代。
9.如权利要求1所述的装置，还包括：
处理电路，耦接该视频编码器，用于对该视频信号进行噪声检测及滤除处理。
10.如权利要求1所述的装置，其中该视频信号是符合固定帧率的视频标准。
11.如权利要求1所述的装置，其中该视频编码器依据该调整信号来对该视频信号进行取样量化阶数增减的处理及依据调整后的取样量化阶数来对该视频信号进行编码处理。
12.如权利要求1所述的装置，其中该接口包括有网络接口与储存装置接口中的至少其一。
13.一种影像处理的方法，该方法包含：
接收影像信号；
依据调整信号对该影像信号进行编码以产生编码视频信号，其中该编码视频信号的数据量与该调整信号相对应；
依据该调整信号来决定对该视频信号施以何种编码方式；
利用储存单元暂存该编码视频信号；
利用接口输出该编码视频信号；以及
检测该储存单元的储存空间情形，并依据该储存单元的该储存空间情形以输出该调整信号。
14.如权利要求13所述的方法，在编码步骤之前还包括：
对该影像信号进行下列处理的至少其一：低通滤波处理与进行剔除代换处理。
15.如权利要求14所述的方法，其中该影像信号包括有至少一第一帧以及多个第二帧，该第一帧是由离散余弦转换(DCT)所产生的帧，该多个第二帧是依据其他帧而产生的帧，其中当该影像信号的帧进行剔除代换的处理时，系优先剔除该多个第二帧中的至少其一。
16.如权利要求13所述的方法，其中该编码步骤还包含：
根据该调整信号来对该影像信号的进行取样量化阶数增减的处理。
17.如权利要求13所述的方法，其中通过该调整信号的控制以避免该储存单元发生上溢或是下溢的情形。
18.如权利要求13所述的方法，其中依据该储存单元的写入指针与读取指针来决定该储存单元的储存空间情形。
19.如权利要求13所述的方法，其中该影像信号是符合固定帧视频标准。
20.如权利要求13所述的方法，其中该接口包括有网络收发器。
21.如权利要求15所述的装置，其中该第一帧及该些第二帧中的每一帧皆具有奇场及偶场，且当场剔除代换处理在运行时，则该奇场或该偶场中至少一被同一帧中的另一场所取代。
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