CN101971633A - 压缩参考帧的视频编码系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于在视频编码系统中压缩参考帧从而将存储器需求减少50％的装置。本发明允许在存储器中压缩和布置帧，使得可以访问帧的部分而无需取回和解压整个压缩帧。本发明理想地适合于在许多视频编码系统中利用的块结构化的图像数据的压缩。

Description

压缩参考帧的视频编码系统
技术领域
本发明涉及在视频编码系统中存储参考帧的方法。具体而言，本申请概述如下系统，该系统用于在参考帧缓存器中存储参考帧时压缩参考帧，使得可访问参考帧的部分而无需从缓存器取回和解压整个压缩结构。
背景技术
视频编码系统的一个基本方面在于可以通过运用运动预测编码来去除视频成像中的时间冗余度。为此，包括例如MPEG-4(Moving Pictures ExpertsGroup-4，动态图像专家组-4)、H.263、H.261和H.264的视频编码标准利用内部存储缓存器来存储先前重建的(参考)帧。可以参照参考帧上产生的变化来生成后续帧。通常将存储有参考帧的内部存储缓存器称为“参考帧缓存器”。
由于参考帧缓存器的内部存储需求，因此支持一定数量的参考帧成为视频编码系统设计中的限制之一。
针对这一基本问题的一种已知方案是压缩参考帧。具体而言，可以在重建参考帧之后将其压缩并存储在参考帧缓存器中以供后续使用。需要时可以将特定参考帧(或其一部分)解压并用于运动预测编码/解码。
应当认识到，并非所有数据或图像的压缩方法均适用于这一任务。比如Huffman(霍夫曼)数据压缩或者JPEG(Joint Photographic Experts Group，联合图像专家组)图像编码等方法，这些方法就性质而言较复杂并且可能需要大量计算资源，在编码处理期间尤为如此。此外，这些方法提供的可变压缩速率取决于被编码的数据中的空间冗余量，因此不能保证压缩后的结构适合于可用的存储器。结果，不解压整个图像就无法访问以这种方法编码的图像的部分。由于现代视频编码系统基于将图像划分成称为“宏块”的较小块以用于编码的概念，因而必须解码整个图像来处理宏块个体被视为相当明显的弊端。
结果，在视频编码系统中难以将上述压缩方法用作参考压缩方法。
许多研究者试图减少针对视频编码系统的存储器需求。针对该问题的现有办法涵盖了从相对简单的方法到较为复杂的技术：相对简单的方法例如美国专利5825424，其中使用到更低分辨率的二次采样或者到更低精确度的像素值截取；较为复杂的技术例如专利文献US6272180中说明的利用基于Haar(哈尔)块的2D(二维)小波变换。
对于上文提到的压缩系统，在视频编码系统中为实现参考帧的恒定压缩速率而引入如下漂移，该漂移自身由于解码阶段引入的损失而在重建的画面质量中表现为可见时间循环。尽管简单压缩方法(比如更低分辨率的二次采样)具有计算复杂度低的优点，但其受到漂移较高的弊端的困扰。减少漂移的努力导致该方法繁杂，并且因此导致复杂度明显增加，在编码阶段尤为如此。
发明内容
本申请意图通过在参考帧缓存器中对所存储参考帧使用有损数据压缩，来减少视频编码系统的存储需求。在此提出的参考帧存储方法具有漂移相对较低的优点，该优点尤其适合视频编码系统内的硬件实现。该方法允许实现低计算复杂度、低漂移和50％的恒定压缩速率的系统。一个重要方面在于可访问并解压被压缩的参考帧而无需取回和解压整个帧，这使其特别适合于块结构化的图像数据(例如，在H.264、MPEG-4、H.263等视频编码系统中使用的图像数据)。
因而，本申请提供在随后的详细说明中描述并在独立权利要求中罗列的系统和方法，并在从属权利要求中阐述其有利特征和实施方式。
附图说明
现在将参照附图说明本申请，附图中：
图1图示在可采用根据本申请的压缩装置的视频编码系统中的参考帧存储器的组织，
图2图示由根据本申请的系统进行编码的参考帧中的块如何对应压缩存储器中的字节对，
图3图示根据本申请的编码处理的模式选择阶段，
图4图示根据本申请的编码算法的“字节对编码处理”，
图5图示如本申请中所述的解码处理，
图6图示图3-5的压缩装置可以采用的字节对的示例性格式，
图7图示在图3的编码处理中提取初始块中的哪些样本来形成被压缩的字节对中的颜色样本，
图8参照图7图示用于本申请的编码/解码方法的重建模式，以及
图9图示在图3-5的编码和解码处理中使用的示例性等式。
具体实施方式
下文公开的实施方式被选择作为示例而绝非作为限制。实际上，对所公开实施方式的许多小的改动可适用于具体的实际实现。
如图1中所示，可采用本申请的压缩装置的视频编码系统中的参考帧存储器(RFM)的一般结构包括帧压缩器(1)，该压缩器(1)使用在图3和图4中示出并在下文说明的压缩算法。
帧压缩器(1)处理作为来自帧(5)的数据块序列(6)的帧，并产生块大小减小的对应块序列(7)。因此，在所示例子中，每个2×2字节的输入块被减小成2×1字节的块(字节对)，从而允许帧被存储于大小减小的存储器中。
通过分析数据块内值的分布并从块的四个数据值中选择可以用来代表该块的两个数据值的分布模式，来减小块的大小。对分布模式进行选择，以从多个预定义模式中选择出最佳分布模式。在针对每个2×2的块选择了最佳分布模式和对应的两个数据值之后，将该模式和数据值编码成字节对，由此提供针对该2×2的块的压缩结构。
字节对被存储于压缩帧存储器(2)中。当需要参考帧或者参考帧的一部分时，帧解压器(3)将所需字节对(7)解压成2×2的重建块。重建块被存储于块存储器(4)中，并最终形成解压的帧或者帧的所需部分，解压的帧或者帧的所需部分可被用作参考帧或者参考帧的一部分，并且可在视频编码系统内常规地使用。应当理解，术语“视频编码系统”在此被广义地使用，即该术语可以指代视频编码系统或者视频解码系统。
通常，参考帧被存储于YUV颜色空间的视频编码系统中。本申请适合于但不限于YUV。在YUV图像压缩中，每种颜色分量(Y(亮度)、U或者V(色度))具有固定的长度，例如8比特。适当地针对每种颜色分量分别进行在此说明的编码和解码处理，即分别处理Y、U和V。
压缩处理中引入的量化意味着编码之前的初始块的颜色样本不等于解码之后的重建块的样本。然而，与其它图像压缩技术一样，本申请利用了有些损失对于人类观察者而言几乎察觉不到的事实。
如图2中所示，本发明的优点在于：对存在压缩的帧缓存器内的被压缩字节对个体的访问与对无压缩的帧缓存器中的对应的2×2的块的访问一样简单。在该示例性配置中，在压缩帧存储器(2)中，字节对(7)沿着x图像轴水平对准，使得压缩结构相对x轴的大小与初始帧相同，但是y轴数据的大小减半。因此对于初始帧(5)的每个2×2的块(6)，在压缩帧存储器(2)中存在相对应的字节对(7)。因为用于对压缩结构中的字节对的第一字节进行定位的x轴指数值与用于对未压缩帧中的2×2的子块中的第一块进行定位的x轴指数值相同，并且压缩结构中的y轴指数是未压缩结构中的y轴指数的一半，所以压缩存储器的这种组织允许方便地访问特定的2×2的子块而无需解压整个帧。另外，寻址和压缩/解压可以是用于访问帧缓存器的硬件的固有功能，从而视频编码器的其余部分不涉及压缩。
现在将参照图3和图4说明编码处理，其中编码处理在两个阶段中进行，即如图3中所示的“模式判定”ES1以及如图4中所示的由“量化”ES2和“模式比特插入”ES3构成的“字节对编码”。
在“模式判定”ES1中，通过计算针对如图8中所示的七个预定义重建模式中的每一个重建模式的失真来估计解压所导致的可能的损失。选择使初始块的失真最小的模式作为用于“字节对编码”(ES2和ES3)的最佳模式。应当理解采用2×2的块大小意味着计算可以通过硬件实现而不会过度复杂。
首先，在ES1中，如图7中所示那样选择两个颜色样本(8)。然后创建第一重建模式(9)并计算在初始的2×2的块与重建块之间的失真(10)。可以使用多种不同方法来计算失真，这些方法包括例如如图9中所示的平方差之和(SSD)函数或者绝对差之和(SAD)函数。SSD函数可以产生比SAD函数更佳的结果，但是需要更多计算。将参照采用SSD函数的情况进一步说明这种方法。在该方法中，将当前考察的模式下的SSD函数与在先前考察的模式下找到的最小SSD进行比较(11)。如果新计算的SSD小于最小SSD，则暂时选择对应的模式作为用于“字节对编码”的优选模式，并将当前SSD设置为最小SSD(12)。
可以针对每种模式重复这一过程，当考察完所有模式时(14)，选择当前标识的优选模式作为针对该块的最终模式。所选择的样本进入“量化”ES2。如果目前未考察完所有模式，则选择下一模式(15)。在优选模式选择处理中，在测量到失真为所针对模式的最小阈值(例如零)或者低于该最小阈值的情况下(13)，可以选择这一模式作为最终的优选模式并取消不必要的针对其余模式的失真计算。
在统计上，某些模式更可能被标识为优选模式，因而可以通过按最适当的统计顺序(即按照从最可能到最不可能的顺序)考察模式，来提高编码速度。图7所示的模式的考察顺序为0、1、2、30、31、32和33。尽管在图7中说明了七个模式，但应当理解该数目可以根据需要减小，例如减小至三。如图所示，分别先考察模式0、最后考察模式7。
在图4中图示“字节对编码“处理。该处理包括对两个初始颜色样本的量化(ES2)以及在如图6所示的字节对的每个字节的最高位比特处插入(ES3)代表模式编号的1或者2个模式比特。
在量化ES2中，减少表示颜色分量所需要的比特数量，以允许在压缩数据内对模式进行编码。根据所选模式，数据值可以从8比特减少到7比特或者6比特。因此如果所选模式为“3×”(16)，则将颜色样本量化成6比特(18)。对于模式0到模式2，将颜色样本量化成7比特(17)。通过消除一个或者多个最不重要的比特来进行量化，例如，如图9中所示通过将颜色值除以量化系数(2或者4)来进行量化。为了减少质量上的损失，可以采用如图9中所示的利用浮点除法的量化公式，在浮点除法后进行舍入和截取。
在完成量化处理之后，字节对中存在用于图4中的模式比特插入ES3的空间。该模式比特插入包括插入主模式比特(19)、以及对于模式3×插入副模式比特(21)。模式比特用于标识要在重建中使用的优选模式。
图6中图示了模式比特的一种具体布置。对于字节对(7)中的每个字节(29)和(30)，主模式比特(31)通常被插入字节的最高比特位置。对于模式“0-2”，各字节对中的比特6至0将表示量化的颜色。对于模式“30-7”，副比特(32)被插入字节对(7)的每个字节(29)和(30)中的第6个比特处。量化后的颜色样本分别位于长度为6比特的比特5至0中。
在图5中图示了解码处理。该处理包括模式比特提取DS1以及确定模式编号、字节对反量化DS2以及2×2的块的重建DS3。
在DS1中，首先提取主比特(31)(22)，然后如果它们均为“1”(23)(这表示使用了“3×”模式)，则还提取副模式比特(32)(24)。
然后，基于主模式比特对颜色样本进行反量化(25、27)。在DS2中，如图9中所示，通过将量化后的值乘以反量化系数使表示颜色分量所需的比特数量增加至8(左移一比特或者两比特)。反量化系数可以是取决于模式的2或者4。对于模式“0-2”，将反量化系数选为2(27)，而对于模式“30-7”，反量化系数与(25)中一样为4。
最后，在DS3步骤，如图8中所示，使用模式比特(31)和(32)(针对“3×”模式)作为模式编号加上先前在步骤DS2获得的反量化颜色样本来重建2×2块(26、28)。
图7图示在阶段ES1的编码期间，初始的2×2的块(6)中有哪些位置被用来获得颜色样本(8)。对于模式“0-2”，其可以是两个颜色值或者平均值。对于模式“30-7”，如图9中所示，可以将字节对(7)中的字节B(30)计算为三个颜色样本的均值。也可以采用其它值，比如中间值。
图8示出了该方法所使用的重建模式，即如何使用两个颜色样本来形成2×2的四个颜色样本的块。对于模式“0-2”，在水平方向(模式0)、垂直方向(模式1)上或者作为水平交换(模式2)将字节对的每个字节二次采样成两种颜色。对于模式“30-7”，使用字节A(29)来形成一个颜色样本，而字节B(30)形成三个颜色样本。在该情况下，副模式比特(32)确定字节A(29)在2×2的重建块中的位置。
图9图示了本方法可以使用的示例性等式。在ES1中将平方差之和(SSD)用于失真计算(10)。在ES1中使用三个像素的均值(8)来获得颜色样本(29)和(30)。在编码ES2期间，在量化阶段(17、18)使用量化公式。在解码阶段DS3(25、27)使用反量化公式。
尽管参照示例性实施方式描述了本申请，但是这些实施方式绝非限制性的，并且应理解可以在不背离如所附权利要求中阐述的本发明思想或范围的情况下进行各种修改。

Claims (24)

1.一种用于在参考帧缓存器中存储参考帧的方法，包括以下步骤：
将所述参考帧划分成包括四个数据值的数据块的序列；所述方法包括对所述序列的数据块个体进行的以下步骤：
确定适合于块个体的编码模式，其中，所述编码模式采用数据值简化集并且所述编码模式选自预定义的编码模式集，
利用所选择的编码模式的标识来生成包含所述数据值简化集的被压缩的数据块，并在所述参考帧缓存器中存储所述被压缩的数据块。
2.根据权利要求1所述的用于压缩数据块的方法，其中，所述数据值简化集包含两个数据值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述数据值简化集中的第一值是来自所述数据块个体的所述数据值之一。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数据值简化集中的第二值选自：
a)来自所述块个体的另一数据值，或者
b)所述块个体中的其它数据值的平均值。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述序列中的每个数据块包含2个x轴元素乘以2个y轴元素的块。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述数据值的长度为8比特。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过确定所述预定义的编码模式集中损失最少的编码模式来进行所述编码模式的选择。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述数据值简化集在长度上比所述被压缩的数据块的数据值更短。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，缩略数据块中的所述所选择的模式的所述标识包含所述缩略数据块的每个数据值中的至少一个模式比特。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个模式比特被布置在所述缩略数据块的每个数据值的最高位比特处。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个模式比特被布置在所述缩略数据块的每个数据值的最低位比特处。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述帧包括三个颜色分量并且分别压缩各个分量。
13.根据权利要求12所述的压缩图像的方法，其中，所述分量是Y、U和V分量。
14.一种采用根据权利要求1至12中任一权利要求所述的方法来存储参考帧的视频编码器。
15.一种包括参考帧缓存器的视频编码系统，所述视频编码系统包括用于在所述参考帧缓存器内存储被压缩的参考帧的压缩引擎，其中，所述压缩引擎被配置为将待压缩的所述参考帧的数据值分组成包含4个相邻数据值的数据块，所述压缩引擎包括：
最佳拟合估计器，用于针对每个数据块个体选择减少到2个数据值的集并选择编码模式，以基于该减少的集重建所述数据块，以及
编码器，用于利用所选择的编码模式的标识对该数据值简化集进行编码，以提供被压缩的数据块并且在所述参考帧缓存器中存储所述被压缩的数据块。
16.根据权利要求15所述的视频编码系统，其中，所述数据块包括2个x轴分量值乘以2个y轴分量值的块。
17.根据权利要求16或17所述的视频编码系统，其中，参考帧内的每个数据值的长度等于所述被压缩的帧内的每个数据值的长度加上所述所选择的编码模式的所述标识的长度。
18.根据权利要求15至17任一所述的视频编码系统，还包括解压引擎，用于从所述帧缓存器取回至少一个被压缩的数据块并且在所述视频编码系统需要时解压所述至少一个被压缩的数据块。
19.一种视频编码系统，具有用于以压缩形式存储包括数据块序列的参考帧的帧缓存器，每个块包括置入有预定义编码模式的标识的两个数据值，所述视频编码系统包括解压引擎，所述解压引擎被配置为：
a)从所述帧缓存器中所存储的数据块序列中取回所需要的数据块，
b)从所取回的数据块中提取所述编码模式的所述标识，
c)从所述所取回的块中提取所述两个数据值，以及
d)根据所标识的编码模式，利用所提取的两个数据值构成具有四个值的数据块来重建未被压缩的数据块。
20.根据权利要求19所述的视频编码系统，其中，所重建的数据块是2个x轴元素乘以2个y轴元素的块。
21.根据权利要求19至20任一所述的视频编码系统，其中，所述数据值简化集的长度为6至7比特，并且所述解压引擎用一个或者两个零填补所述重建块中的值，使得所述重建块的长度为8比特。
22.根据权利要求19至21任一所述的视频编码系统，其中，所述缩略数据块中的所述所选择模式的所述标识包括在所述缩略数据块的每个数据值中的一个或者两个模式比特。
23.根据权利要求19至22任一所述的视频编码系统，其中，所述参考帧包含三个分量的图像。
24.根据权利要求23所述的视频编码系统，其中，所述分量是Y、U和V分量。
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