CN101742297B - 一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法及设备,所述方法包括如下步骤: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,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;c.在步骤b的判断结果为肯定的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码。本发明通过对于当前宏块对的编码模式进行预先的选择,在保证现有宏块自适应帧场编码技术所获得的编码效率的同时,加速了编码过程,降低了运算复杂度。

Description

一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法及设备
技术领域
本发明涉及一种自适应帧场编码方法及设备,尤其涉及一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法及设备。
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。
在一帧图像当中,一部分区域的运动量相对较大,另一部分区域的运动量相对较小。基于这个事实,如果依照不同宏块的特性来对帧/场编码进行调整,将会获得更好的压缩效率。现有的宏块自适应帧场编码方法是对于一帧中的每一宏块对,分别进行帧编码和场编码,选择其中代价较小的一个作为该宏块对的编码模式。这种现有的方法虽然能获得很好的压缩效率,但是计算量也很大。
因此,需要一种快速的宏块自适应帧场编码方法及设备,以便在保证较好的压缩效率的同时降低计算量。
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宏块自适应帧场编码方法及设备。
在第一方面,本发明提供了一种基于视频运动特征的宏块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,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;c.在步骤b的判断结果为肯定的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码。
在本发明的第一方面中,优选地,所述运动特征是当前宏块对的运动偏移量,步骤b包括:在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量;将当前宏块对与其在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量进行比较,根据比较结果判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对。
在本发明的第一方面中,优选地,令当前宏块对的运动偏移量为当前宏块对与其在前一帧中的最匹配宏块对的x、y位置的相对偏移量的绝对值和,所述x、y是在宏块对同一坐标系下的横纵坐标。
在本发明的第一方面中,优选地,步骤c还包括:如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是场编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值大于其前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则对当前宏块对进行场编码;如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是帧编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值小于其前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则对当前宏块对进行帧编码。
在本发明的第一方面中,优选地,所述方法还包括步骤:d.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,对当前宏块对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宏块对的编码模式。
在本发明的第一方面中,优选地,如果帧编码模式代价小,则将当前宏块对的运动偏移量设置为0;如果场编码模式代价小,则将当前宏块对的运动偏移量设置为+∞。
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,本发明提供了一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码设备,其特征在于包括:第一判断模块,用于判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处;第二判断模块,用于在当前帧不是视频的第一帧或者不处于场景切换处的情况下,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;在能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码的模块。
在本发明的第二方面中,优选地,所述运动特征是当前宏块对的运动偏移量,第二判断模块包括:在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量的模块;将当前宏块对与其在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量进行比较,根据比较结果判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式的模块,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对。
在本发明的第二方面中,优选地,所述设备还包括:在判断当前帧是视频的第一帧或者是处于场景切换处的情况下以及在判断不能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,对当前宏块对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宏块对的编码模式的模块。
在第三方面,本发明提供了一种基于视频运动特征的宏块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,则对当前帧的当前宏块对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当前宏块对的编码模式,在选择了帧编码作为当前帧的当前宏块对的编码模式时,给当前帧的当前宏块对的运动特征值赋予一初始值,在选择了场编码作为当前帧的当前宏块对的编码模式时,给当前帧的当前宏块对的运动特征值赋予另一初始值;
如果否,则计算当前帧的当前宏块对的运动特征值,在当前帧的当前宏块对对应的前一帧的宏块对采用了帧编码且当前帧的当前宏块对的运动特征值小于前一帧的对应宏块对的运动特征值时,对当前帧的当前宏块对进行帧编码,在当前帧的当前宏块对对应的前一帧的宏块对采用了场编码且当前帧的当前宏块对的运动特征值大于前一帧的对应宏块对的运动特征值时,对当前帧的当前宏块对进行场编码,否则,则对当前帧的当前宏块对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,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对。
本发明通过对于当前宏块对的编码模式进行预先的选择,在保证现有宏块自适应帧场编码技术所获得的编码效率的同时,加速了编码过程,降低了运算复杂度。
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是根据本发明的基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法的流程图。
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较大,邻行之间时间相关性大的视频区域。因此,对于移动性较小的宏块对采用帧编码模式比采用场编码模式更有效率,反之则否。
本发明提出了一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法。该方法首先判断输入的视频数据是否为视频的第一帧图像。对于视频中的第一帧图像,使用传统的宏块自适应帧场编码方法对其进行编码,即分别对所述第一帧图像中的每个宏块对进行帧编码和场编码,选择其中代价较小的一个作为当前宏块对的编码模式。对于不是第一帧的视频数据,进行场景检测,判断这帧数据是否处于场景切换处。对于处于场景切换处的视频数据,也采用传统的宏块自适应帧场编码方法进行编码。如果当前帧数据和前一帧视频处于同一场景中,使用块匹配搜索的方法在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配的宏块对。通过对当前宏块对与其最匹配宏块对的运动变化剧烈程度的分析比较,判断是否能够直接为当前宏块对选择编码的帧场模式,如果能则直接对当前宏块对进行帧编码或者场编码,否则仍采用传统的宏块自适应帧场编码方法对其进行编码。本发明的具体实现步骤描述如下。
图1是根据本发明的基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码方法的流程图。
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。
针对上述几种主要的视频场景切换,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,我们选择了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为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,如果判断出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,采用传统的宏块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当前宏块对的编码模式,如果帧模式为编码代价小的模式,则将当前宏块对的运动偏移量的值设置为0;如果场模式为编码代价小的模式,则将当前宏块对的运动偏移量的值设置为+∞。
应当指出,也可以依据实验数据或经验将当前宏块对的运动偏移量的值分别设置为一个极小和极大的值,不一定必须是0和+∞。
如果在步骤101判断出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,对当前宏块对进行运动剧烈程度的分析,根据其运动特征来判断是否能够直接选择帧或场编码模式对其进行编码。
下面,根据本发明的一个实施例对步骤102中的分析判断过程进行详细描述。
首先,使用块匹配方法在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对。
目前最常用的寻找最匹配宏块对的方法,块匹配法(Block MatchingAlgorithm,BMA),其思路是对每一个宏块对,按照一定的匹配准则在先前帧的搜索范围内进行匹配,搜索与当前宏块对块最为相似的匹配宏块对,由匹配宏块对与当前宏块对的相对位置得出当前宏块对的运动偏移量。在所有的块匹配算法中,全搜索(Full Search,FS)的算法精度最高,性能最好.它对搜索范围内所有的像素点逐一进行匹配运算以得到全局最优运动矢量,但它的计算量太大,不适于实时应用。
为此研究者们提出了许多新的算法,比较有代表性的有三步搜索法(TSS)、二维对数搜索法(LOGS)等。这些算法通过限制搜索点的数目来减少计算量,虽能够提高运动估计的速度,但容易陷入局部最优,引起视频质量的恶化。另外,还有利用中心偏置特性的搜索算法:如新三步法(NTSS)、被收入MPEG-4验证模型的菱形算法(DS)、六边形算法(HEXBS)和H.264检验模型JM采纳的"非对称十字型多层次六边形格点搜索"(UMHexagonS)算法等。以上所述的这些算法使得快速块匹配得到了进一步的发展.但在搜索精度上较之全搜索算法都有不同程度的下降,导致重建图像的质量恶化,它们的搜索速度也仍有待提高。
在找到最匹配宏块对之后,令当前宏块对的运动偏移量的值为当前宏块对与其最匹配宏块的x,y位置的相对偏移量的绝对值和,所述x、y是在宏块对同一坐标系下的横纵坐标。然后,当满足下述两种情况时直接为当前宏块对选择编码模式:第一种情况,如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是场编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值大于它在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则为当前宏块对选择场模式进行编码;第二种情况,如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是帧编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值小于它在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则为当前宏块对选择帧模式进行编码。如果上述两种情况不满足,则流程进入步骤104。请注意,“当前宏块对在前一帧中的对应宏块对”指的是前一帧中与当前宏块对处于相同坐标位置的宏块对。
总而言之,当前宏块对的运动剧烈程度可以量化,即通过比较当前宏块对与前一帧中其最匹配宏块对的运动偏移量来判断当前宏块对的运动剧烈程度。
上述对步骤102的详细描述并不是为了限制本发明,而只是说明性的。本领域的技术人员应当明白,也可以用其他方法根据当前宏块对的运动特征来判断是否能直接为当前宏块对选择帧场编码模式。运动特征是视频镜头的重要特征,它反映了视频的时域变化。运动分析的方法有基于光流方程的方法、基于块的方法、像素递归方法和贝叶斯方法等,但这些方法计算量大。比如,Patel和Sethi提出利用MPEG中的B和P帧的运动向量来避免光流计算和块匹配。该方法利用宏块的运动得到一个有九个分量的特征向量,再用这个特征向量表征视频中的局部运动特征。
如上,在步骤102,如果能够直接为当前宏块对选择编码模式,则流程进行到步骤103,直接对当前宏块对进行帧编码或者场编码。否则,流程进行到步骤104,仍采用传统的宏块自适应帧场编码方法对当前宏块对进行编码,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一帧图像的编码模式。
如前所述,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。
本发明还提出了一种宏块自适应帧场编码设备,所述设备包括:第一判断模块,用于判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处;第二判断模块,用于在当前帧不是视频的第一帧或者不处于场景切换处的情况下,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;在能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码的模块。
优选地,所述第二判断模块还包括:在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量的模块;将当前宏块对与其在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量进行比较,根据比较结果得出当前宏块对的运动特征的模块,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对。
优选地,所述设备还包括在判断当前帧是视频的第一帧或者是处于场景切换处的情况下以及在判断不能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,对当前宏块对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宏块对的编码模式的模块。
在本发明提出的宏块自适应帧场编码设备中,各模块执行的功能与本发明提出的方法步骤相对应,其执行流程已在上文中详细描述,因此不再赘述。
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 (12)

1.一种基于视频运动特征的宏块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,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;所述运动特征是当前宏块对的运动偏移量;
步骤b具体包括:
在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量;
将当前宏块对与其在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量进行比较,根据比较结果判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对;
c.在步骤b的判断结果为肯定的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于:
令当前宏块对的运动偏移量为当前宏块对与其在前一帧中的最匹配宏块对的x、y位置的相对偏移量的绝对值和,所述x、y是在宏块对同一坐标系下的横纵坐标。
3.根据权利要求1的方法,其特征在于步骤c还包括:
如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是场编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值大于其前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则对当前宏块对进行场编码;
如果当前宏块对在前一帧中的对应宏块对是帧编码的,并且当前宏块对的运动偏移量的值小于其前一帧中的对应宏块对的运动偏移量的值,则对当前宏块对进行帧编码。
4.根据权利要求1的方法,其特征在于还包括步骤:
d.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,对当前宏块对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宏块对的编码模式。
5.根据权利要求4的方法,其特征在于:
如果帧编码模式代价小,则将当前宏块对的运动偏移量设置为0;
如果场编码模式代价小,则将当前宏块对的运动偏移量设置为+∞。
6.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。
7.根据权利要求6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;
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。
8.一种基于视频运动特征的宏块自适应帧场编码设备,其特征在于包括:
第一判断模块,用于判断当前帧是否是视频的第一帧或者处于场景切换处;
第二判断模块,用于在当前帧不是视频的第一帧或者不处于场景切换处的情况下,根据当前宏块对的运动特征来判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式;所述运动特征是当前宏块对的运动偏移量;
第二判断模块具体包括:
在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量的模块;
将当前宏块对与其在前一帧中的对应宏块对的运动偏移量进行比较,根据比较结果判断是否能够直接为当前宏块对选择编码模式的模块,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对;
在能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,基于所述判断结果对当前宏块对进行帧编码或者场编码的模块。
9.根据权利要求8的设备,其特征在于还包括:
在当前帧是视频的第一帧或者是处于场景切换处的情况下以及在不能够直接为当前宏块对选择编码模式的情况下,对当前宏块对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宏块对的编码模式的模块。
10.一种基于视频运动特征的宏块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,则对当前帧的当前宏块对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当前宏块对的编码模式,在选择了帧编码作为当前帧的当前宏块对的编码模式时,给当前帧的当前宏块对的运动特征值赋予一初始值,在选择了场编码作为当前帧的当前宏块对的编码模式时,给当前帧的当前宏块对的运动特征值赋予另一初始值;
如果否,则计算当前帧的当前宏块对的运动特征值,在当前帧的当前宏块对对应的前一帧的宏块对采用了帧编码且当前帧的当前宏块对的运动特征值小于前一帧的对应宏块对的运动特征值时,对当前帧的当前宏块对进行帧编码,在当前帧的当前宏块对对应的前一帧的宏块对采用了场编码且当前帧的当前宏块对的运动特征值大于前一帧的对应宏块对的运动特征值时,对当前帧的当前宏块对进行场编码,否则,则对当前帧的当前宏块对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,所述对应宏块对是在前一帧中与当前宏块对位置相同的宏块对;
所述运动特征值为当前宏块对的运动偏移量。
11.根据权利要求10的方法,其特征在于所述运动特征值是当前宏块对的运动偏移量,计算运动偏移量的步骤包括:
在前一帧图像中为当前宏块对寻找最匹配宏块对,计算当前宏块对的运动偏移量,所述运动偏移量为当前宏块对与其在前一帧中的最匹配宏块对的x、y位置的相对偏移量的绝对值和,所述x、y是在宏块对同一坐标系下的横纵坐标。
12.根据权利要求10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。
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