CN101849417A - 用于快速信道改变和增加的容错性的可缩放视频编码方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置对视频信号进行编码以提供可缩放视频编码(SVC)信号，所述可缩放视频编码信号包括基本层视频编码信号和增强层视频编码信号，其中基本层视频编码信号具有比增强层视频编码信号更多的随机存取点。

Description

用于快速信道改变和增加的容错性的可缩放视频编码方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年11月5日提交的美国临时申请第61/001,822号的权益。
技术领域
本发明一般性地涉及通信系统，所述通信系统例如为诸如地面广播、蜂窝、无线保真(Wi-Fi)、卫星等之类的有线和无线通信系统。
背景技术
在通过诸如无线网络之类的易出错的通信信道递送压缩视频比特流时，比特流的某些部分可能损坏或丢失。在这样的错误比特流抵达接收器并且被视频解码器解码时，回放质量可能受到严重影响。源容错(error resiliency)编码是用于处理该问题的技术。
在视频广播/多播系统中，一个压缩视频比特流通常在指定的时间段(经常被称作会话(session))中被同时递送至一组用户。由于视频编码的预测性质，对比特流的随机存取只在比特流内部的某些随机存取点处可用，使得从这些随机存取点开始才可能进行正确地解码。因为随机存取点一般具有较低的压缩效率，所以比特流内只存在有限数目的这样的点。作为结果，在用户将其接收器调谐至信道并加入会话时，他必须等待所接收的比特流中的下一可用的随机存取点以便开始正确的解码，这导致视频内容的回放中的延迟。这样的延迟被称作调谐(tune-in)延迟，并且它是影响系统的用户体验的重要因素。
在视频递送系统中，若干压缩视频比特流经常被递送至共享公用传输介质的终端用户，其中每个视频比特流对应于节目信道。与前述情况相似，在用户从一个信道切换至另一信道时，他必须等待来自该信道的所接收的比特流中的下一可用的随机存取点，以便正确地开始解码。这样的延迟被称作信道改变延迟，并且是影响这样的系统中的用户体验的另一重要因素。
插入的随机存取点的优势为：从视频编码的观点来看，改善压缩视频比特流的容错性。例如，被周期性地插入至比特流中的随机存取点重置解码器并且完全停止错误传播(propagation)，这改善比特流对于错误的鲁棒性。
例如，考虑H.264/AVC视频压缩标准(例如，参见ITU-T RecommendationH.264：“Advanced video coding for generic audiovisual services”，ISO/IEC14496-10(2005)：“Information Technology-Coding of audio-visual objects Part10：Advanced Video Coding”)，可以通过包括IDR(瞬时解码器刷新)码片、帧内编码宏块(MB)和SI(切换I)码片的编码方法来实施随机存取点(也被称作切换使能点)。
对于IDR码片来说，IDR码片仅包含帧内编码的MB，对于正确解码，所述帧内编码MB不依赖于任何之前的码片。IDR码片还在解码器处重置解码画面缓冲器，以使得之后的码片的解码不依赖于IDR码片之前的任何码片。因为在IDR码片之后正确的解码立即可用，所以它也被称作瞬时随机存取点。相比之下，可以基于帧内编码的MB实现渐进(gradual)随机存取操作。对于数个连续的预测画面来说，系统地(methodically)编码帧内编码的MB，以使得在解码这些画面之后，之后的画面中的每个MB具有画面之一中的帧内编码的同位对等体(co-located counterpart)。因此，画面的解码不依赖于该组画面之前的任何其他码片。相似地，SI码片使得通过在比特流中嵌入该类型的特殊编码码片而能够在不同的比特流之间切换。不幸的是，在H.264/AVC中，IDR码片或SI码片的共同的劣势是编码效率的损失。通常，必须付出显著量的比特率开销以嵌入切换点。
相似地，随机存取点也被用于可缩放视频编码(SVC)。在SVC中，依赖表示(representation)可以由数个层表示组成，并且存取单元由对应于一个帧号的全部依赖表示组成(例如，参见Y-K.Wang，M.Hannuksela，S.Pateux，A.Eleftheriadis，and S.Wenger，“System and transport interface of SVC”，IEEETrans.Circuits and Systems for Video Technology，vol.17，no.9，2007年9月，第1149-1163页；和H.Schwarz，D.Marpe and T.Wiegand，“Overview of thescalable video coding extension of the H.264/AVC standard”，IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，vol.17，no.9，2007年9月，第1103-1120页)。
用于SVC的嵌入随机存取点的普遍方法是完全使用IDR码片来编码存取单元。换言之，存取单元的每个依赖表示(D)中的全部层表示以IDR码片编码。图1中示出了示例。图1的SVC编码信号具有两个依赖表示，并且每个依赖表示具有一个层表示。具体地，基本层与D＝0相关联，而增强层与D＝1相关联(“D”的值在本领域中也被称作“dependency_id”)。图1图示了在SVC信号的帧中出现的九个存取单元。如虚框10所示，存取单元1包括用于第一层(D＝1)的IDR码片和用于基本层(D＝0)的IDR码片。之后的存取单元包括两个预测(P)码片。可以从图1中观察到，存取单元1、5和9只包括IDR码片。这样，可以在这些存取单元出现随机存取。但是，像H.264/AVC的情况那样，利用IDR码片编码的每个存取单元降低SVC编码效率。
发明内容
根据本发明的原理，一种发送视频信号的方法包括：对信号进行可缩放视频编码以提供包括多个可缩放层的视频编码信号，其中可缩放层之一被选择为具有比其他可缩放层更多的随机存取点；以及发送该可缩放视频编码信号。作为结果，视频编码器可以通过在压缩的视频比特流内嵌入附加的切换使能点来减少接收器中的调谐延迟和信道改变延迟。
在本发明的例示性实施例中，SVC信号包括基本层和增强层，并且基本层被选择为具有比增强层更多的随机存取点。
鉴于以上，如将从阅读具体实施方式而变得明显的那样，其他实施例和特征也是可能的，并且落入本发明的原理内。
附图说明
图1示出了具有瞬时解码器刷新(IDR)码片的现有技术的可缩放视频编码(SVC)信号；
图2示出了根据本发明的原理的、用于SVC编码的例示性流程图；
图3示出了根据本发明的原理的装置的例示性实施例；
图4示出了根据本发明的原理的例示性SVC信号；
图5示出了根据本发明的原理的另一例示性流程图；以及
图6示出了根据本发明的原理的另一例示性装置；
具体实施方式
除了发明构思之外，图中所示的元件是众所周知的，并且不将被详细描述。例如，除了发明构思之外，假定对离散多音调(DMT)传输(也被称作正交频分复用(OFDM)或编码正交频分复用(COFDM))的熟悉，并且不在这里进行描述。并且，假定对电视广播、接收器和视频编码的熟悉，并且不在这里详细描述。例如，除发明构思之外，假定对诸如NTSC(国家电视制式委员会)、PAL(逐行倒相制)、SECAM(顺序传送彩色与记忆制)和ATSC(高级电视制式委员会)(ATSC)、中国数字电视系统(GB)20600-2006和DVB-H之类的TV标准的当前的和所提出的推荐的熟悉。类似地，除了发明构思之外，假定对诸如八级残余边带(8-VSB)、正交幅度调制(QAM)之类的其他传输概念、以及诸如射频(RF)前端(诸如低噪声块、调谐器、下变换器等)、解调器、相关器、漏泄积分器和平方器之类的接收器组件的熟悉。进一步地，除了发明构思之外，假定对诸如通过单向传输的文件递送(FLUTE)协议、异步分层的编码(ALC)协议、因特网协议(IP)、因特网协议封装器(IPE)之类的协议的熟悉，并且不在这里进行描述。相似地，除发明构思之外，用于生成传输比特流的格式化和编码方法(诸如运动画面专家组(MPEG)-2系统标准(ISO/IEC 13818-1)和上述SVC)是众所周知的，并且不在这里进行描述。还应当注意，可以使用传统的编程技术(同样，在这里将不描述)来实施发明构思。最后，图上的相似标号表示相似的元件。
如前所述，在接收器初始启动时、或甚至在信道改变期间、或甚至在仅仅在相同信道内改变服务的情况中，接收器在能够处理任何所接收的数据之前可能必须另外等待所需的初始化数据。作为结果，用户在能够存取服务或节目之前必须等待附加量的时间。
在SVC中，SVC信号具有数个依赖(空间)层，其中每个依赖层由具有相同的dependency_id值的SVC信号的一个或更多的可缩放层组成。基本层表示视频信号的最小分辨率等级。其他层表示视频信号的增加的分辨率层。例如，如果SVC信号包括三个层，则存在基本层、层1和层2。每个层与不同的dependency_id值相关联。接收器可以正好处理(a)基本层，(b)基本层和层1或者(c)基本层、层1和层2。例如，可以由只支持基本信号的分辨率的设备接收SVC信号，并且，同样，该类型的设备可以简单地忽略所接收的SVC信号的其他两层。相反地，对于支持最高分辨率的设备来说，则该类型的设备可以处理所接收的SVC信号的全部三层。
在SVC中，对每层独立地进行IDR画面的编码，这样，根据本发明的原理，用于发送视频信号的方法包括：对信号进行可缩放视频编码以提供包括多个可缩放层的视频编码信号，其中可缩放层之一被选择为具有比其他可缩放层更多的随机存取点；以及发送该可缩放视频编码信号。因而，当在目标依赖层中编码更多的IDR码片时，视频编码器可以减少接收器中的调谐延迟和信道改变延迟。
在本发明的例示性实施例中，SVC信号包括基本层和增强层，并且基本层被选择为具有比增强层更多的随机存取点。虽然在将基本层选择为具有更多随机存取点的环境中例示本发明构思，但本发明构思不限于此，并且可以替代地选择另一可缩放层。
图2中示出了根据本发明的原理的例示性流程图。还应当将注意力短暂地转向图3，图3图示根据本发明的原理的用于编码视频信号的例示性装置200。只示出了与发明构思相关的那些部分。装置200是基于处理器的系统，并且包括如在图3中以虚框的形式示出的处理器240和存储器245所表示的一个或更多的处理器以及相关联的存储器。在该环境中，在存储器245中存储由处理器240执行的并且例如实施SVC编码器205的计算机程序或软件。处理器240表示一个或更多的存储程序控制处理器，并且这些处理器不一定是专用于发送器功能的，例如处理器240还可以控制发送器的其他功能。存储器245表示任何存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等；所述存储器可以是发送器内部的和/或外部的，并且根据需要可以是易失性的和/或非易失性的。
装置200包括SVC编码器205和调制器210。视频信号204被施加于SVC编码器205。后者根据本发明的原理编码视频信号204，并且向调制器210提供SVC信号206。调制器210提供调制的信号211以经由上变换器和天线(二者都未在图3中示出)进行发送。
现在返回至图2，在步骤105中，图3的处理器240将视频信号204编码为包括基本层和至少一个其他层的SVC信号206。具体地，在步骤110中，处理器240控制图3的SVC编码器205(例如经由图3中以虚线形式示出的信号207)，以使得在基本层中比在SVC信号206的任何其他层更频繁地插入IDR码片。具体地，就像指定编码样式IBBP或IPPP那样，向SVC编码器205应用在不同的空间层指定不同的IDR间隔的编码参数。在步骤115中，图3的调制器210发送SVC信号。
现在参考图4，示出了根据图2的流程图的由图3的SVC编码器205形成的例示性SVC信号206。在该例子中，SVC信号206包括两个层：基本层(D＝0)和增强层(D＝1)。如可以从图4中观察到的那样，基本层在存取单元1、4、7和9中具有IDR码片，而增强层只在存取单元1和9中具有IDR码片。这样，在如箭头301所图示的、接收设备在时刻Tc处改变为(或第一次调谐为)传送SVC信号206的信道时，该接收设备在能够开始解码SVC信号206的基本层并且向用户提供减少的分辨率的视频画面之前仅仅必须等待由箭头302所表示的时间Tw。因而，接收器可以通过立即解码具有更多随机存取点的基本层视频编码信号来减少调谐延迟和信道改变延迟。如可以从图4中进一步观察到的那样，接收器在能够解码增强层并且向用户提供更高分辨率的视频画面之前必须等待由箭头303所表示的时间TD。
在与图1中所示的例子(其中两层都具有相同的IDR频率)比较时，本发明构思提供了在仅仅有限的性能损失的情况下以较低的比特率实现相同的一组功能改善的能力。在基本层只占用比特流的总的比特率的一小部分时，尤其是这样的。例如，对于作为基本层(D＝0)的通用中间格式(CIF)(372×288)分辨率和作为增强层(D＝1)的标准清晰度(SD)(720×480)分辨率，基本层仅占总的比特率的小的百分比(例如大约25％)。因此，与只在增强层增加IDR频率、或在两层都增加IDR频率相比，通过增加CIF分辨率处的IDR频率，比特率开销小得多。
在SVC中，由于增强层具有的对基本层的层间预测依赖，可以减轻在初始目标依赖表示时段期间的性能损失。例如，如上所述，在图4中，在信道改变或调谐出现在编号3的存取单元时，解码器可以仅仅正确地解码基本层比特流，直至编号9的存取单元。但是，解码器可以利用在对应的增强层存取单元中所包含的信息以帮助按增强层质量来重构视频。
应当注意，在SVC标准中指定了单回路解码以便减少解码复杂度。为了使得能够进行单回路解码，解码器采用约束的层间预测以使得只允许对增强层宏块(MB)使用层间帧内预测，对于其同位参考层信号被帧内编码。为了避免在构建参考层的帧内编码MB时重构任何帧间编码MB，进一步要求使用约束的帧内预测来编码用于较高层的层间预测的全部层。
根据本发明的原理，IDR画面的增加增加了基本层中的帧内编码MB的数目。在有益的情况中，可以强迫利用约束的帧内预测来编码基本层IDR画面中的帧内编码MB。结果，增强层可以具有更多的来自基本层的用于层间帧内预测的帧内编码MB，这将潜在地改善其编码效率。并且，基本层处的这样编码的IDR画面越多，可以在增强层处获得越高的编码效率。所述获得可以弥补(offset)在基本层处编码的额外IDR画面引起的比特率增加。
现在参考图5，示出了根据本发明的原理的用于接收SVC信号的例示性装置。只示出了与发明构思相关的那些部分。装置350接收如接收信号311所表示的、传送根据本发明的原理的SVC信号的信号(例如接收的由图3的装置200所发送的信号的版本)。装置350例如表示蜂窝电话、移动TV、机顶盒、数字TV(DTV)等。装置350包括接收器355、处理器360和存储器365。这样，装置350为基于处理器的系统。接收器355表示用于调谐到传送SVC信号的信道的前端和解调器。接收器355接收信号311并从其中恢复信号356，所述信号356被处理器360处理，即处理器360执行SVC解码。例如，根据图6中所示的流程图，为了根据本发明的原理的信道切换和信道调谐，处理器360经由路径366向存储器365提供解码的视频。解码的视频被存储在存储器365中以应用于显示器(未示出)，所述显示器可以是装置350的一部分或与装置350分离。
现在转向图6，示出了根据本发明的原理的、用于装置350的例示性流程图。在切换信道或调谐到信道时，处理器360将解码设置为初始目标依赖层。在该例子中，在步骤405中这由所接收的SVC信号的基本层表示。但是，发明构思不限于此，并且可以将其他依赖层指定为“初始目标层”，只要它们具有比其他依赖层更多的随机存取点。在步骤410中，处理器360从所接收的存取单元接收基本层帧(在本领域中也被称作接收的SVC网络抽象层(NAL)单元)并且在415中检查所接收的基本层帧是否是IDR码片。如果它不是IDR码片，则处理器360返回至步骤410以接收下一基本层帧。但是，如果所接收的基本层帧是IDR码片，则处理器360开始SVC基本层的解码，以提供虽然处于减少的分辨率的视频信号。然后，在步骤425中，处理器360从所接收的存取单元接收增强层帧，并且在步骤430中检查所接收的增强层帧是否是IDR码片。如果它不是IDR码片，则处理器360返回至步骤425，以接收下一增强层帧。但是，如果所接收的增强层帧是IDR码片，则处理器360在步骤435中开始SVC增强层的解码，以提供处于高分辨率的视频信号。换言之，当在具有大于当前解码层的dependency_id值的dependency_id值的依赖层中检测到IDR码片时，接收器利用检测到的IDR码片解码该依赖层中的编码视频。否则，接收器继续解码当前依赖层。应当注意，即使没有来自基本层的IDR，来自增强层的IDR也足够开始该增强层的解码。
应当注意，图6的流程图表示由装置350处理的上层。例如，一旦已经在步骤420中开始基本层的解码，即使处理器350还在步骤425和430中检查增强层中的IDR码片，处理器350仍继续基本层的解码。同样地，即使在步骤415中检查基本层中的IDR码片并且然后在步骤430中检查增强层中的IDR码片，如果例如信道改变或调谐出现在由图4的箭头309表示的时间(在该情况中下一存取单元9具有两层中的IDR码片)，则它们可以来自相同的存取单元。最后，虽然在基本层和单个增强层的环境中例示了图6的流程图，但可以容易地将图6的流程图扩展至多于一个增强层。
如上所述，并且根据本发明的原理，描述了一种用于可缩放视频编码的画面类型配置的方法。该发明构思改善了由MPEG-SVC(例如参见ITU-TRecommendation H.264 Amendment 3：“Advanced video coding for genericaudiovisual services：Scalable Video Coding”)生成的压缩比特流的容错性。进一步地，在前述系统递送根据本发明的原理编码的这样的比特流时，可以减少调谐延迟和信道改变延迟。应当注意，虽然在两层空间可缩放SVC比特流的环境中描述了该发明构思，但该发明构思不限于此，并且可以被应用至多个可缩放层以及在SVC标准中所指定的SNR(信噪比)可缩放性。
鉴于以上，前面仅仅例示了本发明的原理，并且因而将理解，本领域技术人员将能够设计出虽然未在这里进行明显的描述、但体现了本发明的原理，并在其精神和范围之中的许多替代安排。例如，虽然在分离的功能元件的环境中进行例示，但可以在一个或更多的集成电路(IC)中体现这些功能元件。相似地，虽然被作为分离的元件示出，但可以在执行相关联的软件(例如对应于在例如图2和6等中示出的一个或更多步骤)的存储程序控制的处理器(例如数字信号处理器)中实施所述元件中的任何或全部。进一步地，本发明的原理可应用于其他类型的通信系统，例如卫星、无线保真(Wi-Fi)、蜂窝等。实际上，本发明构思还可应用于固定或移动接收机。因此应理解，可以对例示性实施例进行许多修改，并且可以设计其他安排，而不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种发送视频信号的方法，其包括：
对信号进行可缩放视频编码以提供包括多个可缩放层的视频编码信号，其中所述可缩放层之一被选择为具有比其他可缩放层更多的随机存取点；以及
发送该可缩放视频编码信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的可缩放层是视频编码信号的基本层。
3.一种在执行信道改变或调谐到信道的装置中使用的方法，该方法包括：
接收包括多个可缩放层的可缩放视频编码信号；
将解码设置为具有更多随机存取点的那个依赖层，其中该依赖层为当前解码层；
从来自具有更多随机存取点的可缩放层的帧中检查瞬时解码器刷新码片；
当在具有更多随机存取点的可缩放层中检测到瞬时解码器刷新码片时，解码所述具有更多随机存取点的可缩放层中的编码视频；
从来自其他可缩放层的帧中检查瞬时解码器刷新码片；以及
当在具有大于当前解码层的dependency_id值的dependency_id值的依赖层中检测到瞬时解码器刷新码片时，解码该依赖层中的编码视频。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述具有更多随机存取点的可缩放层为可缩放视频编码信号的基本层。
5.一种装置，其包括：
可缩放视频编码器，用于提供包括多个可缩放层的视频编码信号，其中所述可缩放层之一被选择为具有比其他可缩放层更多的随机存取点；以及
调制器，用于发送该视频编码信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所选择的可缩放层为视频编码信号的基本层。
7.一种装置，其包括：
接收器，用于提供来自信道的可缩放视频编码信号，所述可缩放视频编码信号包括多个可缩放层，其中所述可缩放层之一被选择为具有比其他可缩放层更多的随机存取点；以及
处理器，用于在改变为该信道或调谐到该信道时解码被选择为具有更多随机存取点的可缩放层，直至来自其他可缩放层的随机存取点可用。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所选择的可缩放层为可缩放视频编码信号的基本层。
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