CN101986714A - 自适应的错误遮蔽方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应的错误遮蔽方法，属于视频编解码技术领域。本发明方法在进行I帧的错误恢复时，引入了帧间相关系数来表征场景变化的剧烈程度，通过帧间相关系数与预先设定的阈值进行比较，自适应地选择所采用的错误遮蔽方法。本发明方法还根据相邻宏块的状态采用不同的宏块匹配搜索方法，在提高视频的错误遮蔽效果的同时，兼顾了解码效率。相较传统错误遮蔽方法，采用本发明方法，解码后可获得更好的视觉效果，且兼顾了解码效率与视频效果的平衡。

Description

自适应的错误遮蔽方法
技术领域
本发明涉及一种错误遮蔽方法，尤其涉及一种自适应的错误遮蔽方法，属于视频编解码技术领域。
背景技术
在H.26x以及MPEG系列视频编解码技术中,通常采用帧间预测来减少时间上的冗余,如果某一帧数据丢失,即使后面的帧接收正确,也无法正确解码.因此,对于一个实时的视频通讯系统,需要构建一组错误遮蔽机制,来应对突发性的传输错误.
错误遮蔽（Error Concealment）, 是指当一个宏块由于传输丢失时，解码端能通过空间域和时间域的相关性从相邻的宏块对该宏块的数据作出估计，这种技术称为错误遮蔽。错误遮蔽技术可以分为空域错误遮蔽技术和时域错误遮蔽技术。一般在实时的传输环境中，错误发生时我们利用帧间和帧内的相关性来进行修复，可以实时地恢复人眼可接受的画质，并且避免错误的传播。一般的，对I帧错误，采用空域方法，利用相邻块的空间相关性，根据正确接收块的信息做空域的插值，来修复丢失宏块；对P帧错误，采用时域方法，利用相邻帧之间的时间相关性和相邻块间运动的相似性，来恢复丢失块的运动矢量，然后使用运动补偿方法来隐藏丢失块。但时域方法对存在场景切换和剧烈运动物体的视频错误隐藏并不适合，此时应采用空域的方法。
采用帧间预测，I帧的错误会扩散到参考它的P帧或B帧上，直到遇到新的I帧。在新的I帧到来之前，原I帧中的错误信息一直在不停的扩散。因此对I帧修复的效果的好坏会直接影响到后续P帧的修复，对I帧的错误遮蔽就显得尤为重要。
文献[陈媛媛.基于H.264的错误隐藏算法的研究.吉林大学硕士学位论文，2008年：24-25]介绍了一种自适应的错误遮蔽方法，该方法利用双线性插值的算法对帧内编码宏块丢失后的错误进行恢复。双线性插值是一种比较简单的空域错误掩盖算法，它利用相邻块的边界像素值来预测出丢失块的每一个像素值，对于画面平滑的视频图像序列有较好的插值效果。但是当有图像边缘穿过丢失块时，该方法并不能恢复出该丢失区域的边缘信息，造成图像边缘中断，而图像边缘在人的视觉感知中地位重要，边缘中断会严重影响视觉效果，所以，该方法具有较大的局限性。
为了对上述方法进行改进，朱小辉[朱小辉.基于H.264的错误掩盖技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文，2008年：25-30.]提出了一种空间插值和方向匹配相结合的I帧错误掩盖方法，基本思想就是先计算每个可用相邻宏块的平均方向，通过各自的方向建立相应的预测块，然后用边界匹配的方案对各个预测块进行误差判断，误差值最小的块被认为是最适合的块，以此来替代丢失块。该方法虽然在处理具有简单边缘的受损区域问题上有较明显的改善，但对复杂边缘区域的掩盖效果还不理想，并未脱离单一使用帧内恢复模式进行I帧错误遮蔽的局限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的对I帧错误恢复效果不佳的问题，提供一种自适应的错误遮蔽方法，能够对I帧错误进行有效恢复，改善经错误恢复后的视频质量，提高用户体验。
本发明采用以下技术方案实现上述目的：
一种自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，对于I帧错误，采用帧间错误遮蔽方法，所述帧间错误遮蔽方法包括以下步骤：
步骤1、将每一帧以                                                
Figure 411351DEST_PATH_IMAGE001
像素为单位划分为宏块，
Figure 354292DEST_PATH_IMAGE002
的取值为4、8、16中任意一个；通过复制上一帧对应宏块的前向预测运动矢量，对当前I帧各宏块进行运动矢量的初始化；
步骤2、对当前I帧中存在正确解码的相邻宏块的宏块进行错误恢复，具体为以该宏块的初始运动矢量所指向的宏块为起始宏块，使用快速搜索算法在上一帧中搜寻满足最佳边界匹配的参考宏块，然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块；
步骤3、当前I帧中所有存在正确解码的相邻宏块的宏块完成错误恢复后，对剩余的不存在正确解码的相邻宏块的宏块，通过生成候选运动矢量表的方法在上一帧的宏块中进行边界匹配择优，选择相应的参考宏块；然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块。
上述技术方案在进行I帧的错误恢复时，根据相邻宏块的状态采用不同的宏块匹配搜索方法，在提高视频的错误遮蔽效果的同时，兼顾了解码效率。
上述技术方案对I帧采用帧间错误遮蔽策略，并未考虑场景变化剧烈程度的影响，而当场景变化剧烈程度较小时，采用传统的帧内错误遮蔽方法可获得更好的图像效果，为此本发明进一步引入了帧间相关系数的概念，用来表征场景变化的剧烈程度，并根据帧间相关系数的大小自适应的选择所采用的错误遮蔽方法。具体而言，就是在上述技术方案的步骤1与步骤2之间增加以下步骤：
比较当前I帧的帧间相关系数
Figure 780595DEST_PATH_IMAGE003
是否小于预先设定的阈值
Figure 78852DEST_PATH_IMAGE004
，如是，则转至步骤2；如否，则采用帧内错误遮蔽方法进行错误遮蔽；所述预先设定的阈值
Figure 171964DEST_PATH_IMAGE004
根据试验结果选取；所述当前I帧的帧间相关系数
Figure 666400DEST_PATH_IMAGE003
按照以下公式计算：
Figure 494678DEST_PATH_IMAGE005
，
式中，
Figure 291733DEST_PATH_IMAGE006
为当前I帧中第
Figure 588985DEST_PATH_IMAGE007
个正确解码的宏块中坐标为
Figure 700160DEST_PATH_IMAGE008
的像素值，
Figure 897792DEST_PATH_IMAGE009
为前一帧中与当前I帧中第
Figure 491847DEST_PATH_IMAGE007
个正确解码的宏块位置对应的宏块中坐标为的像素值，
Figure 424217DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 227087DEST_PATH_IMAGE011
为当前I帧中正确解码的宏块个数，
Figure 54360DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 637788DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 825187DEST_PATH_IMAGE002
为每个宏块中一条边上所包含的像素个数，
Figure 935095DEST_PATH_IMAGE002
的取值为4、8、16中任意一个。
上述阈值
Figure 927409DEST_PATH_IMAGE004
的实际取值，可以通过实验，综合考虑错误遮蔽后图像效果以及解码效率选定。
本发明方法在传统I帧使用帧内恢复进行错误遮蔽基础上，结合帧间错误遮蔽带来的更良好的效果，根据视频场景变化自适应地进行错误遮蔽策略选择，并在进行宏块匹配时根据相邻宏块状态自适应的采用不同的搜索策略。相较传统错误遮蔽方法，采用本发明方法，解码后可获得更好的视觉效果，且兼顾了解码效率与视频效果的平衡。
附图说明
图1为具体实施方式中所述本发明的自适应的错误遮蔽方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的自适应的错误遮蔽方法，如附图1所示，按照以下步骤：
步骤1、判断出现错误的图像帧是否为I帧，如是，则转步骤2；如否，则采用现有的帧间错误遮蔽方法进行错误遮蔽。对于P帧或B帧，本发明优选生成候选运动矢量表的方法，即将错误宏块周边已解码宏块运动矢量的中间值、0向量、其参考帧对应位置宏块的运动矢量加入一张候选运动矢量表，对候选运动矢量表中候选运动矢量所对应的参考帧的宏块进行边界匹配择优，选择相应的参考宏块；然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前帧中的受损宏块。
步骤2、将每一帧以
Figure 998133DEST_PATH_IMAGE001
像素为单位划分为宏块，
Figure 989223DEST_PATH_IMAGE002
的取值为4、8、16中任意一个；通过复制上一帧对应宏块的前向预测运动矢量，对当前I帧各宏块进行运动矢量的初始化。通过实验发现，当
Figure 15954DEST_PATH_IMAGE002
的取值为16时，错误遮蔽的效果较好，因此本发明优选
Figure 122712DEST_PATH_IMAGE002
的取值为16。对于当前I帧中的16*16宏块，如果前一帧对应位置宏块划分了8*8或者16*8或者8*16的子块，则以左上角的8*8或者16*8或者8*16的子块的前向预测运动矢量作为当前宏块的初始化向量，如果前一帧对应位置宏块没有划分子块，则直接选取该宏块的前向运动矢量作为当前宏块的初始化运动矢量，如果前一帧对应位置宏块不存在前向运动矢量，则选取0作为当前宏块初始运动矢量。
步骤3、当前I帧的帧间相关系数按照以下公式计算当前I帧的帧间相关系数
Figure 209934DEST_PATH_IMAGE003
：
，
式中，为当前I帧中第
Figure 414148DEST_PATH_IMAGE007
个正确解码的宏块中坐标为
Figure 747040DEST_PATH_IMAGE008
的像素值，
Figure 482784DEST_PATH_IMAGE009
为前一帧中与当前I帧中第
Figure 196924DEST_PATH_IMAGE007
个正确解码的宏块位置对应的宏块中坐标为的像素值，
Figure 787491DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 128474DEST_PATH_IMAGE011
为当前I帧中正确解码的宏块个数，
Figure 69973DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 761986DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 685948DEST_PATH_IMAGE002
为每个宏块中一条边上所包含的像素个数，
Figure 147016DEST_PATH_IMAGE002
的取值为4、8、16中任意一个；
由于本具体实施方式中
Figure 265276DEST_PATH_IMAGE002
的取值为16，因此上式变为：
Figure 179006DEST_PATH_IMAGE014
 。
步骤4、比较当前I帧的帧间相关系数
Figure 906659DEST_PATH_IMAGE003
与一个预先设定的阈值
Figure 487813DEST_PATH_IMAGE004
，若
Figure 449078DEST_PATH_IMAGE015
Figure 364950DEST_PATH_IMAGE004
，表示帧间相关性小，则采用现有的帧内错误遮蔽方法；若
Figure 381448DEST_PATH_IMAGE016
Figure 567841DEST_PATH_IMAGE004
，表示帧间相关性大，采用帧间错误遮蔽方法，转步骤4。上述阈值
Figure 11592DEST_PATH_IMAGE004
是一个经验值，可以预先通过通过实验人工选取或者利用PSNR选取：
人工选取：首先选取I帧出现在场景切换比较大的视频片段，对I帧发生错误并分别经过本发明的帧间错误遮蔽与传统帧内错误遮蔽对视频进行错误恢复，当观测者认定两者视频质量无明显差异时，计算得出当前平均帧间相关系数
Figure 227809DEST_PATH_IMAGE003
，并通过重复大量视频的统计计算得出平均帧间相关系数的平均值作为；
PSNR选取：首先选取I帧出现在场景切换比较大的视频片段，对I帧发生错误并分别经过本发明的帧间错误遮蔽与传统帧内错误遮蔽对视频进行错误恢复，计算出两种方案下恢复出的视频图像和原始视频图像的平均PSNR的值，当两者的值比较接近时，计算得出当前平均帧间相关系数
Figure 587433DEST_PATH_IMAGE003
，并通过重复大量视频的统计计算得出平均帧间相关系数的平均值作为
Figure 212537DEST_PATH_IMAGE004
。
当
Figure 588155DEST_PATH_IMAGE002
的取值为16时，阈值
Figure 195722DEST_PATH_IMAGE004
在5000-7000之间取值得到的错误遮蔽效果较好，本具体实施方式中优选
Figure 605975DEST_PATH_IMAGE004
的值为6000。
步骤5、对错误宏块的相邻宏块状态进行检测，判断是否存在正确解码的相邻宏块。首先对于存在正确解码的相邻宏块的宏块进行错误恢复，具体为以该宏块的初始运动矢量所指向的宏块为起始宏块，使用快速搜索算法在上一帧中搜寻满足最佳边界匹配的参考宏块，然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块。当前I帧中所有存在正确解码的相邻宏块的宏块完成错误恢复后，对剩余的不存在正确解码的相邻宏块的宏块，通过生成候选运动矢量表的方法在上一帧的宏块中进行边界匹配择优，选择相应的参考宏块；然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块。
在搜寻最佳匹配运动矢量的时候，可以选用的现有方法有：穷尽搜索法，快速搜索算法和生成候选运动矢量表等，在本发明方法中，权衡系统整体的效率与错误恢复的效果，根据相邻宏块的状态分别采用不同的搜索方法：当错误宏块周围存在正确解码宏块时，采用边界匹配精度较高但效率较低的快速搜索方法；当错误宏块周围不存在正确解码宏块时，采用边界匹配精度较低但效率较高的生成候选运动矢量表的方法。设(a,b)为当前需要进行错误遮蔽的宏块的左上角像素相对于整幅图像左上角像素的位移矢量（即（ a,b）为当前16*16宏块左上角那个像素点相对于整幅图像左上角那个像素点的偏移量，相当与该宏块与图像最左端的距离为a个像素点，与图像最顶端的距离为b个像素点，）， CI指向存放当前I帧图像像素值的二维数组,LI指向存放I帧前一帧图像像素值的二维数组，
Figure 142261DEST_PATH_IMAGE017
为当前宏块的预测运动矢量，则LI k [（a+i,b+j）+
Figure 5175DEST_PATH_IMAGE017
](i=0,1…15,j=0,1…15,k=1，2…n为使用的预测运动矢量索引号)表示为该预测运动矢量指向的参考宏块的像素值,数组st[4] 是一张状态表，用于表征当前宏块上下左右四个方向上相邻宏块是否存在（值为0表示不存在，值为1表示存在），数组 score[4]中存放的是参考宏块填充到当前宏块位置后上下左右四个边界上像素的SAD（绝对差值和），则最佳边界匹配算法描述为：
    
Figure 416433DEST_PATH_IMAGE018
{   }
上边界SAD：
下边界SAD:
Figure 4169DEST_PATH_IMAGE021
左边界SAD:
Figure 953539DEST_PATH_IMAGE022
右边界SAD：
Figure 72805DEST_PATH_IMAGE023
 。

Claims (6)

1.一种自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，对于I帧错误，采用帧间错误遮蔽方法，
所述帧间错误遮蔽方法包括以下步骤：
步骤1、将每一帧以                                                像素为单位划分为宏块，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE002
的取值为4、8、16中任意一个；通过复制上一帧对应宏块的前向预测运动矢量，对当前I帧各宏块进行运动矢量的初始化；
步骤2、对当前I帧中存在正确解码的相邻宏块的宏块进行错误恢复，具体为以该宏块的初始运动矢量所指向的宏块为起始宏块，使用快速搜索算法在上一帧中搜寻满足最佳边界匹配的参考宏块，然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块；
步骤3、当前I帧中所有存在正确解码的相邻宏块的宏块完成错误恢复后，对剩余的不存在正确解码的相邻宏块的宏块，通过生成候选运动矢量表的方法在上一帧的宏块中进行边界匹配择优，选择相应的参考宏块；然后将参考宏块的像素值复制到所对应的当前I帧中的宏块。
2.如权利要求1所述自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间还包括以下步骤：
     比较当前I帧的帧间相关系数
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE003
是否小于预先设定的阈值
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE004
，如是，则转至步骤2；如否，则采用帧内错误遮蔽方法进行错误遮蔽；所述当前I帧的帧间相关系数
Figure 149733DEST_PATH_IMAGE003
按照以下公式计算：
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE005
，
式中，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE006
为当前I帧中第个正确解码的宏块中坐标为
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE008
的像素值，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE009
为前一帧中与当前I帧中第
Figure 514724DEST_PATH_IMAGE007
个正确解码的宏块位置对应的宏块中坐标为的像素值，，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE011
为当前I帧中正确解码的宏块个数，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2010105493810100001DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 146749DEST_PATH_IMAGE002
为每个宏块中一条边上所包含的像素个数，的取值为4、8、16中任意一个。
3.如权利要求2所述自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，所述
Figure 358604DEST_PATH_IMAGE002
的值为16。
4.如权利要求3所述自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，所述阈值
Figure 115208DEST_PATH_IMAGE004
的取值范围为5000-7000。
5.如权利要求4所述自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，所述阈值
Figure 829086DEST_PATH_IMAGE004
的取值为6000。
6.如权利要求1所述自适应的错误遮蔽方法，其特征在于，对于P帧和B帧的错误遮蔽，采用生成候选运动矢量表的方法。
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Legal Events

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20110316

Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: 2016320000221

Denomination of invention: Self-adaptive error concealing method

Granted publication date: 20120509

License type: Common License

Record date: 20161129

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
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Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: 2016320000221

Date of cancellation: 20180116

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201218

Address after: 518000 No.6 Qinglong Road, Qinglong Road, Qinghua community, Longhua street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee after: Shenzhen Pengbo Information Technology Co.,Ltd.

Address before: 210003, No. 66, new exemplary Road, Nanjing, Jiangsu

Patentee before: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Effective date of registration: 20201218

Address after: 224000 Qingyang Road (within Qingdun Office), Nanyang Town, Tinghu District, Yancheng City, Jiangsu Province (8)

Patentee after: Yancheng Qinglong Jinbang water Co.,Ltd.

Address before: 518000 No.6 Qinglong Road, Qinglong Road, Qinghua community, Longhua street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee before: Shenzhen Pengbo Information Technology Co.,Ltd.

CI03 Correction of invention patent
CI03 Correction of invention patent

Correction item: Patentee|Address

Correct: Yancheng Qingdun Jinbang Water Co., Ltd.|224000 Qingyang Road, Nanyang Town, Tinghu District, Yancheng City, Jiangsu Province (in Qingdun Office) (8)

False: Yancheng Qingyi Jinbang Water Affairs Co., Ltd.|224000 Qingyang Road, Nanyang Town, Tinghu District, Yancheng City, Jiangsu Province (in Qingdun Office) (8)

Number: 01-01

Volume: 37