CN101742293B - 一种基于视频运动特征的图像自适应帧场编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像自适应帧场编码方法，其特征在于包括如下步骤：a.判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；b.在步骤a的判断结果为否定的情况下，计算当前帧的运动特征值；c.将所述运动特征值与阈值进行比较，判断是否能够直接为当前帧选择编码模式；d.在步骤c的判断结果为肯定的情况下，基于该判断结果对当前帧进行帧编码或者场编码。本发明结合了视频场景检测和运动特征值技术，通过对于当前图像的编码模式进行预先的判定选择，在保证现有图像自适应帧场编码技术所获得的编码效率的同时，加速了编码的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应帧场编码方法，尤其涉及一种基于视频运动特征的图像自适应帧场编码方法。
背景技术
隔行扫描技术自电视技术诞生以来得到了广泛的应用，该技术将一帧图像分解为两场，其中顶场只包含图像的奇数行，底场只包含图像的偶数行，它依赖人眼的视觉暂留特征以及显示器的一些特征，使两个场的扫描线看起来交织在一起，成为一幅完整的图像。迄今为止，很多珍贵的视频资料都是隔行扫描格式的，所以在相当长的时间内，隔行扫描格式仍然会作为主要视频格式之一而活跃在历史舞台上。
图像级自适应帧场(PAFF，picture adaptive frame field)编码技术在处理隔行(interlace)序列时：可将两场合成一帧，按照帧编码方式进行；也可以将其作为两场，分别按照场编码方式进行。目前，图像自适应帧场编码技术的实现方法通常为：对于每一帧图像或一帧中的两场，分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的作为这帧图像的编码模式。显而易见，PAFF技术的采用虽然会使得编码性能有所提高，但由于分别进行了场编码和帧编码，所以会导致编码时间或复杂度上升两倍或更多。
因此，需要一种快速的图像自适应帧场编码方法，以便降低时间损耗。
发明内容
本发明提供了一种能解决以上问题的基于视频运动特征的图像自适应帧场编码方法。
在第一方面，本发明提供了一种图像自适应帧场编码方法，其特征在于包括如下步骤：
a.判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；
b.在步骤a的判断结果为否定的情况下，计算当前帧的运动特征值；
c将所述运动特征值与阈值进行比较，判断是否能够直接为当前帧选择编码模式；
d.在步骤c的判断结果为肯定的情况下，基于该判断结果对当前帧进行帧编码或者场编码。
在本发明的第一方面中，优选地，还包括步骤：e.在步骤a或者步骤c的判断结果为否定的情况下，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择编码失真代价较小的一个作为当前帧的编码模式。
在本发明的第一方面中，优选地，所述阈值包括第一阈值，当所述运动特征值小于或等于第一阈值时，步骤d包括对当前帧进行帧编码；所述阈值包括第二阈值，当所述运动特征值大于或等于第二阈值时，步骤d包括对当前帧进行场编码。
在本发明的第一方面中，优选地，在步骤a的判断结果为肯定的情况下，令第一阈值为0，第二阈值为+∞。
在本发明的第一方面中，优选地，在步骤e选择帧编码作为当前帧的编码模式的情况下，如果所述运动特征值大于或等于第一阈值，则将所述运动特征值的值赋给第一阈值；在步骤e选择帧编码作为当前帧的编码模式的情况下，如果所述运动特征值小于或等于第二阈值，则将所述运动特征值的值赋给第二阈值。
在本发明的第一方面中，优选地，所述运动特征值是当前帧图像与前一帧图像的像素点间亮度值的均方差值，或者是将当前帧与前一帧作块匹配计算而求出的运动矢量估计值。
在本发明的第一方面中，优选地，基于灰度值检测、基于运动搜索检测和基于边缘轮廓检测之一来判断当前帧是否处于场景切换。
在本发明的第一方面中，优选地，基于灰度值检测的场景切换判断包括：
DY(F，Fp)/mean(Y)+DU(F，Fp)/mean(U)+DV(F，Fp)/mean(V)≥t1
DY(F，Fp)+DU(F，Fp)+DV(F，Fp)≥t2
当上面两式同时满足时，判定当前帧有场景切换发生，
其中，mean(Y)、mean(U)和mean(V)分别是当前N帧内，当前帧之前所有帧的各分量均值的平均值；
DY(F，Fp)、DU(F，Fp)和DV(F，Fp)分别是当前帧和参考帧的3个分量Y、U、V的均值的绝对差值，Y为亮度分量，U、V为色度分量；
t1和t2为判决门限，分别描述当前帧和参考帧之间亮度和色度均值的相对差异和绝对差异。
在第二方面，本发明提供了一种图像自适应帧场编码装置，其特征在于包括：
用于执行步骤a的模块.步骤a是判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；
用于执行步骤b的模块，步骤b是在步骤a的判断结果为否定的情况下，计算当前帧的运动特征值；
用于执行步骤c的模块，步骤c是将所述运动特征值与阈值比较，判断是否能够直接为当前帧选择编码模式；
用于执行步骤d的模块，步骤d是在步骤c的判断结果为肯定的情况下，基于该判断结果对当前帧进行帧编码或者场编码。
在本发明的第二方面中，优选地，还包括：
用于执行步骤e的模块，步骤e是在步骤a的判断结果为肯定或者步骤c的判断结果为否定的情况下，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式。
在第三方面，本发明提供了一种图像自适应帧场编码方法，其特征在于包括如下步骤：
判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；
如果是，则对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式；
如果否，则计算当前帧的运动特征值并将所述运动特征值与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值小于或等于第二阈值，当所述运动特征值小于或等于第一阈值时，对当前帧进行帧编码；当所述运动特征值大于或等于第二阈值时，对当前帧进行场编码；当所述运动特征值小于或等于第二阈值且大于或等于第一阈值时，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式。
本发明结合了视频场景检测和运动特征值技术，通过对于当前图像的编码模式进行预先的判定选择，在保证现有图像自适应帧场编码技术所获得的编码效率的同时，加速了编码的过程。
附图说明
下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：
图1是基于视频内容特征的快速图像自适应帧场编码的流程图。
具体实施方式
通过在实际应用中对帧编码和场编码的编码特性的试验分析而得出，帧编码模式适合用在运动量较小，邻行之间空间相关性大的视频区域；而场编码模式适合用在运动量大，邻行之间时间相关性大的视频区域。由此可见，在移动性较小的视频中，帧编码模式比场编码模式更有效率；反之，在移动性较小的视频中，场编码模式比帧编码模式更有效率。本发明提出一种基于视频内容特征的快速图像自适应帧场编码方法，该方法采用视频场景检测的方法判断当前帧图像处是否发生了场景切换，即当前图像是否处于一个新的场景中，从而得知当前帧图像与先前帧图像的相关性。如果当前图像处于新的场景中，由于与先前帧图像的相关性很低，无法通过与先前帧图像相比较而得到当前帧图像的运动特性。在这种情况下，为保证所选择编码模式的正确性，采用传统的图像自适应帧场编码方法对其进行编码，即分别进行帧编码和场编码，并选择其中代价较小的一个作为这帧图像的编码模式。如果当前帧图像与先前帧图像处于同一场景中，则通过对于视频图像运动特征的分析来判断当前帧图像运动变化的剧烈程度，相应地选择帧或场模式对当前帧图像进行编码。
图1是基于视频内容特征的快速图像自适应帧场编码的一个具体实施方式的流程图。
如图1所示，在步骤101，首先判断输入的视频数据是否为视频的第一帧图像，或者是否处于场景切换处，即当前视频帧是否是新场景中的第一帧。目前，视频场景切换主要有如下几种类型：突变场景切换、消融和淡入淡出等。
可以采用各种现有的视频场景检测方法来判断当前帧图像是否处于场景切换处。已有的场景切换检测算法大致可以分为三类，分别是基于灰度值检测、基于运动搜索检测和基于边缘轮廓检测。后两类检测算法具有相对较好的性能，但是其算法的高复杂度极大地限制了它们的应用，尤其是在对实时性的要求比较高的应用中。优选地，考虑到运算复杂度的要求，选择第一类边缘检测算法，即基于灰度值检测的算法。在具体应用中，根据对于实时性编码质量等不同的要求可以选择不同的场景切换检测算法。
在采用第一类基于灰度值检测的场景检测的情况下，通过对视频序列的统计分析发现：当有场景切换时，当前帧与其参考帧在灰度和色彩信息上有很大的区别；而没有场景切换的时候，整个序列的灰度和色彩基本处于平稳或者缓变的状态。具体来说，在场景切换处，3个分量(Y为亮度分量，U、V为色度分量)均值中的全部或部分将会出现突变。在具体实现中，可以采用当前帧和参考帧的3个分量均值的绝对差值作为判断当前帧图像是否有场景切换的差异函数：Dx(F，Fp)＝|mean(F，x)-mean(Fp，x)|，其中，mean()为均值函数，F和Fp表示当前图像和参考帧图像，x代表三个分量Y、U、V。根据该差异函数，来判断是否有场景切换
DY(F，Fp)/mean(Y)+DU(F，Fp)/mean(U)+DV(F，Fp)/mean(V)≥t1
DY(F，Fp)+DU(F，Fp)+DV(F，Fp)≥t2
当上两式同时满足时，可以判定当前帧有场景切换发生。上式中：mean(Y)、mean(U)和mean(V)分别为当前N帧内，当前帧之前的其他所有帧各分量均值的平均值；t1和t2为判决门限，分别描述当前帧和参考帧之间亮度和色度均值的相对差异和绝对差异，并且在灰度值检测方法所给出的一个经验值范围内选取。上述算法只需要计算各帧图像中三个分量的均值，其算法复杂度低，很适合在实时要求高的应用中。经仿真实验证明误检率几乎为0。
在步骤101，如果当前帧图像是视频的第一帧图像或者处于场景切换处，则流程进行到步骤104。在步骤104，使用传统的图像自适应帧场编码方法对其进行编码，即分别进行帧编码和场编码，从中并选择其中代价较小的一个作为这一帧图像的编码模式，然后初始化两个阈值，T1＝0，T2＝+∞。稍后将描述，这两个阈值是用于量化并判断当前帧的运动剧烈程度。
应当指出，T1、T2也可以依据实验数据或经验而分别被初始化为一个极小和极大的值，不一定必须是0和+∞。
如果当前帧图像不是视频的第一帧或者不处于场景切换处，则流程进行到步骤102。在步骤102，对当前帧进行运动剧烈程度的分析，判断是否能够直接选择帧或场编码模式对其进行编码。
步骤102中的分析可以通过计算当前帧图像的运动特征值T来实现。具体地，可以根据不同需求而选择计算复杂度不同的算法，譬如使用当前帧图像与前一帧图像的像素点间亮度值的均方差值，或者将当前帧与前一帧作块匹配计算，求出运动矢量估计值等。所计算的当前图像的运动特征值T应当保证具有以下两个特性：处于(0，+∞)的范围内；随着图像运动剧烈程度的增加而单调递增。
将当前图像的运动特征量化为值T之后，就可以对当前图像的运动剧烈程度进行判断。具体地说，如果T≥T2或T≤T1，则代表能够直接选择编码模式，否则代表不能直接选择编码模式。具体地，如果T≥T2，则选择场编码模式对当前帧进行编码；如果T≤T1，则选择帧编码模式对当前帧进行编码。
如果能够直接选择编码模式，则流程进行到步骤103，直接对当前帧图像进行帧编码或者场编码。否则，流程进行到步骤104，仍采用传统的图像自适应帧场编码方法对其进行编码，即对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的作为这帧图像的编码模式，并记录下相关信息。优选地，所述相关信息在这里是阈值T1和T2。在步骤104，如果帧模式为编码代价小的模式，且T≥T1，则令T1＝T；如果场模式为编码代价小的模式，且T≤T2，则令T2＝T。通过在步骤104中对T1和T2进行重新赋值使得T1从0开始逐次增大，使T2从+∞开始逐次减小，这样可以使得越来越多的帧图像可以通过步骤102进行步骤103，从而加速了这些帧图像的编码的过程。
应当指出，在另一个具体的实施例中，在T1、T2可以依据实验数据或经验而分别被初始化为一个较小和较大的固定值，并且同样采用上述流程，但是在步骤104中并不对T1、T2重新赋值，同样可以实现本发明的自适应帧场编码。
在步骤103或104，对当前帧图像进行编码之后，判断当前帧是否是视频中的最后一帧图像。如果是，则编码结束，否则流程回到步骤101，取下一帧图像开始进行判断。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
Claims (5)
1.一种图像自适应帧场编码方法，其特征在于包括如下步骤：
a.判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；
b.在步骤a的判断结果为否定的情况下，计算当前帧的运动特征值；所述运动特征值处于(0，+∞)的范围内，并随着图像剧烈程度的增加而单调递增；
c.将所述运动特征值与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值小于或等于第二阈值，当所述运动特征值小于第一阈值时，对当前帧进行帧编码；当所述运动特征值大于第二阈值时，对当前帧进行场编码；当所述运动特征值小于第二阈值且大于第一阈值时，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式；
d.当所述运动特征值小于第二阈值且大于第一阈值时，如果选择帧编码作为当前帧的编码模式，则将运动特征值的值赋给第一阈值，如果选择场编码作为当前帧的编码模式情况下，则将运动特征值的值赋给第二阈值；
e.在步骤a的判断结果为肯定的情况下，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：
所述运动特征值是当前帧图像与前一帧图像的像素点间亮度值的均方差值，或者是将当前帧与前一帧作块匹配计算而求出的运动矢量估计值。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于：
基于灰度值检测、基于运动搜索检测和基于边缘轮廓检测之一来判断当前帧是否处于场景切换。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于基于灰度值检测的场景切换判断包括：
DY(F，Fp)/mean(Y)+DU(F，Fp)/mean(U)+DV(F，Fp)/mean(V)≥t1
DY(F，Fp)+DU(F，Fp)+DV(F，Fp)≥t2
当上面两式同时满足时，判定当前帧有场景切换发生，
其中，mean(Y)、mean(U)和mean(V)分别是当前N帧内，当前帧之前所有帧的各分量均值的平均值；
DY(F，Fp)、DU(F，Fp)和DV(F，Fp)分别是当前帧和参考帧的3个分量Y、U、V的均值的绝对差值，Y为亮度分量，U、V为色度分量，F和Fp分别为当前图像和参考帧图像；
t1和t2为判决门限，分别描述当前帧和参考帧之间亮度和色度均值的相对差异和绝对差异。
5.一种图像自适应帧场编码装置，其特征在于包括：
用于执行步骤a的模块.步骤a是判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处；
用于执行步骤b的模块，步骤b是在步骤a的判断结果为否定的情况下，计算当前帧的运动特征值；所述运动特征值处于(0，+∞)的范围内，并随着图像剧烈程度的增加而单调递增；
用于执行步骤c的模块，步骤c是将所述运动特征值与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值小于或等于第二阈值，当所述运动特征值小于第一阈值时，对当前帧进行帧编码；当所述运动特征值大于第二阈值时，对当前帧进行场编码；当所述运动特征值小于第二阈值且大于第一阈值时，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式；
用于执行步骤d的模块，步骤d是当所述运动特征值小于第二阈值且大于第一阈值时，如果选择帧编码作为当前帧的编码模式，则将运动特征值的值赋给第一阈值，如果选择场编码作为当前帧的编码模式情况下，则将运动特征值的值赋给第二阈值；
用于执行步骤e的模块，步骤e是在步骤a的判断结果为肯定的情况
下，对当前帧分别进行帧编码和场编码，从中选择代价较小的一个作为当前帧的编码模式。
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Address after: 100083 Haidian District, Xueyuan Road, No. 35, the world building, the second floor of the building on the ground floor, No. 16 Co-patentee after: Vimicro Electronics Co., Ltd. Patentee after: Mid Star Technology Limited by Share Ltd Address before: 100083 Haidian District, Xueyuan Road, No. 35, the world building, the second floor of the building on the ground floor, No. 16 Co-patentee before: Vimicro Electronics Co., Ltd. Patentee before: Zhongxing Technology Co., Ltd. |