CN102497552A - 一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理方法，其特征在于，根据解码出的表示是否为构造图像的标识参数，来判定缓冲区检测时间间隔，进而支持该视频位流的无延迟累积、无停顿、无丢帧的解码和播放。这种方法由构造图像参数解码、位流移入移出缓冲区参数计算、位流移入缓冲区、缓冲区检测、位流移出缓冲区构成。本发明很好地支持了在视频位流中加入若干构造的需要和不需要显示的构造图像。
Description
技术领域
本发明涉及数字媒体处理技术领域中的视频压缩和解压缩技术。尤其涉及一种使用视频位流中的构造图像信息来确定缓冲区检测的时间间隔的管理控制方法。
背景技术
数字视频信号中包含大量的统计性冗余(包括空间冗余、时间冗余和统计性冗余)，而视频压缩(也称为视频编码)是消除这些冗余的关键性技术。数字视频经过视频压缩后得到视频位流，传统的视频位流是由一幅幅拍摄的视频图像经过压缩后的位流合并起来得到的。近年来，随着视频技术的发展，在AVS、H.264/AVC，HEVC标准中，目前均支持在视频中写入构造图像的位流，解码重建的构造图像用以提高视频的压缩效率或者在位流中提供更多的信息。
一个显著的例子是使用场景建模生成背景图像，然后将该生成的背景图像写入位流(黄铁军，张贤国，梁路宏，黄倩，高文.一种基于背景建模的静态摄像机视频压缩方法与系统.ZL201010034117.3)。在该方法中，生成的背景图像可以用于对后续图像进行预测编码，而且，此背景图像可以反映视频中的场景信息。
值得关注的是，虽然上述方法可以降低码率，但包含构造图像的位流如果没有限定合适的解码方法，会产生一系列的问题，如延迟累计，播放停顿，位流解码缓冲区溢出等等。下面对上述现象解释其原因。
对于如传统的MPEG2的视频位流，由于位流解码缓冲区按照标准规定的“两帧时间间隔＝帧率的倒数的倍数”将位流从缓冲区移出(解晓东，吴迪，贾惠柱，生滨，郑俊浩，张鹏，邓磊，张力，张帧睿，王忠立，高文.视频解码缓冲区控制装置及方法200410070028.9；Crinon，Regis J.，Timing for decoder bufferexamination，US20060104356)，而位流中又存在若干幅原来不存在的构造图像。因而，如果不修改标准并且编码所有拍摄图像，编码器生成并编码一帧构造图像帧后，会导致缓冲区位流的移出时间大于编码端摄像机拍摄数据的输入时间，进而引起解码器、播放器在解码播放改位流时产生延迟累积。
若要保证播放器不产生延迟累积，如果不修改目前的标准，则只能修改编码器，对拍摄的图像在产生构造图像帧处丢弃一帧原始拍摄图像。于是，在规定的时间T内，信源输入的帧数为“时间×帧率”，而编码器只编码了“时间×帧率-1”帧原始图像，以及1帧构造图像，此时虽然不产生延迟累计，但编码器丢弃了一帧原始图像。而且，即便编码器如此修改，由于引入的构造图像帧符合现有标准，使得它前一帧和后一帧之间的缓冲区检测以及位流移出时间间隔放大，也可能会导致解码器在解码播放时画面显示不流畅，有停顿现象。
H.264/AVC针对这一问题，引入了扩展的语法元素(SEI)和参考解码器(HRD)，(Hsi-Jung Wu，Barlin Geroffry Haskell，Shi Xiaojin，Hypotheticalreference decoder，Us20090180545)。SEI和HRD约束了每一帧图像的移入时间和移出时间，进而保证了在视频位流中包含构造图像时.解码器在解码播放时不会产生延迟累计等现象。
但是首先，引入SEI语法元素会导致视频流的大小变大，压缩效率降低，其次，复杂的HRD控制方式会导致解码复杂度提升。因而，寻找一种更合适的位流解码缓冲区管理方法，尤其是缓冲区检测和移出时间的计算方法，就是视频标准在制定过程中的一个难题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明为了解决上述问题，实现更好的无延迟累计的实时编码和实时解码、实时播放效果，本发明提供一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，所述方法通过解码构造图像标识，进而修改造图像帧与其前后若干帧的位流移出和缓冲区检测时间间隔。这种方法下，位流参考解码器既不会因为编码器多编码了一个构造图像而发生溢出，也不会因为缓冲区移出位流速度小于移入速率产生延迟累计，更不会需要编码器对输入的拍摄图像进行丢帧操作。
本发明的技术方案是：一种包含构造图像的视频位流解码缓冲区管理方法，其特征在于：根据解码出的表示是否为构造图像的标识参数，来确定缓冲区检测和数据移出的时间间隔或具体时刻，进而计算位流移入缓冲区的速率或具体时刻。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：管理控制步骤包括：
a)构造图像参数解码，对视频位流中标识为构造图像的图像进行部分解码，得到其参数，根据该参数判定此图像是否为构造图像。
b)位流移入移出缓冲区参数计算，解码视频位流，并根据当前图像的构造图像参数，得到的参数用于计算每一幅图像的位流移入移出缓冲区所需的时间参数。
c)位流移入缓冲区，根据得到的一幅图像的位流移入缓冲区的时间参数将位流移入缓冲区。
d)缓冲区检测，根据得到的一幅图像的位流移出缓冲区的时间参数，以及当前缓冲区的充满度来检测缓冲区是否异常。
e)位流移出缓冲区，根据得到的一幅图像的位流移出缓冲区的时间参数将位流移出缓冲区。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移入移出缓冲区参数计算步骤包括：
a)图像信息解码：解码当前图像的图像信息，所解码的信息包含下面信息：图像类型，当前图像的缓冲区移入延迟，当前图像的位数。
b)图像移出缓冲区时间间隔或具体时间计算：根据图像类型信息、构造图像参数信息，计算图像移出缓冲区时间间隔或具体时间。
c)图像位流移入缓冲区速率或时间计算，根据每一幅图像的缓冲区移入延迟或当前图像的位数，以及图像移出缓冲区时间间隔或具体时间，计算出图像位流移入缓冲区速率或具体时间。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的图像检测和移出缓冲区时间间隔或时间计算步骤，根据构造图像参数得到的移出缓冲区时间间隔或时间计算方法分为如下两类：
a)当前图像为构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算。
b)当前图像为非构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的前图像为构造参考图像时，位流移出缓冲区时间间隔为0。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法(这句好像和上面的叙述不统一)，其特征在于：所述的当前图像为非构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算，包含以下两类：
a)视频为逐行扫描视频
b)视频为隔行扫描视频。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述当前图像为非构造参考图像且当视频为逐行扫描视频时，如果当前图像为后向或双向预测编码的非构造图像，那么当前图像位流的移出时间间隔等于要重复显示的次数乘以视频帧率的倒数；如果当前图像为非后向且非双向预测编码的非构造图像，那么移出时间间隔等于前一个非后向且非双向预测编码的非构造图像的重复显示的次数乘以视频帧率的倒数。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述当前图像为非构造参考图像且当视频为隔行扫描视频时，如果当前图像是后向或双向预测编码的非构造图像，移出时间间隔等于要重复显示顶场或底场的次数乘以视频帧率的倒数；如果当前图像为非后向且非双向预测编码的非构造图像，那么移出时间间隔等于前一个非后向且非双向预测编码的非构造图像的重复显示顶场或底场的次数乘以视频帧率的倒数。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移入缓冲区步骤中，位流移入缓冲区的速率或时刻的计算方法包括：根据当前得到的位流移出缓冲区时间间隔计算位流移入缓冲区的速率，计算方法包括：
a)解码下一幅图像的缓冲区移入延迟
b)缓冲延迟差等于当前图像的缓冲区移入延迟减去下一幅图像缓冲区移入延迟
c)移入速率等于使用当前图像的位数除以位流移出缓冲区时间间隔与缓冲延迟差之和。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的缓冲区检测步骤中，使用当前得到的位流移出缓冲区时间间隔对缓冲区进行检测，一方面确保在视频中无双向和后向预测编码图像时不发生下溢，即缓冲区中的位数大于要移出缓冲区的当前图像的位数。另一方面确保在视频中存在双向和后向预测编码图像时不发生上溢出，即位流缓冲区的充满度不应大于设定的缓冲区最大值。
进一步地，本发明所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移出缓冲区步骤中，当缓冲区没有发生上溢或下溢时，使用当前得到的位流移出缓冲区时间间隔将当前图像的位数移出缓冲区。
本发明的优点效果是：
第一，在本发明的支持下，可以不修改现有标准的语法元素，只修改语义便能够支持在编码端进行无丢帧的编码，支持在解码端无延迟累积和无停顿的播放含有构造图像的视频位流。
第二，不需要引入额外的编码信息如H.264/AVC的SEI参数便可以实现对构造图像位流在编解码上的支持，节省了带宽和存储空间。
附图说明
图1是本发明一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法流程框图。
图2是本发明一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法实施结构框图。
图3是图1中位流移入移出缓冲区参数计算步骤的详细流程框图。
图4是图2中位流移入移出缓冲区参数计算单元的实施结构框图。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出了一种面向包含构造图像位流的视频的解码缓冲区管理方法，其特征在于，根据解码出的表示解码图像是否为构造图像的标识参数，来判定缓冲区检测和数据移出的时间间隔，进而支持无丢帧的高效编码以及无延迟累积、无停顿、解码和播放视频。
参照图1，图1是是本发明提出的位流中包含构造图像的视频的解码缓冲区管理方法流程图，包括构造图像参数解码、位流移入移出缓冲区参数计算、位流移入缓冲区、缓冲区检测、位流移出缓冲区等步骤。具体来说
构造图像参数解码S1，解码视频位流中的可以标识构造图像信息的参数。
位流移入移出缓冲区参数计算S2，解码输入码流中的位流移入移出相关的参数(如移入延迟，图像类型等)，结合构造图像参数计算出位流在移入移出缓冲区过程中所需要的参数，如图像位流移入缓冲区速率或时间，图像位流移出缓冲区时间间隔或时间。
位流移入缓冲区S3，按照图像位流移入缓冲区速率或时间将位流移入解码缓冲区。
位流缓冲区检测S4，在经过或到达图像位流移出缓冲区时间间隔或时间后，判定当前解码缓冲区是否发生下溢或上溢，即缓冲区充满度在限定范围内，符合规定的位流不应发生下溢出或上溢。
位流移出缓冲区S5，当位流无上溢或下溢时，在经过或到达图像位流移出缓冲区时间间隔或时间后，将位流从缓冲区移出。
本方法在具体实施过程中，参照图2所示的数据处理过程完成，其中包括，
构造图像参数解码单元，解码输入的视频位流中的可以标识构造图像信息的参数，并输出可以判定该图像为构造图像的参数给位流移入移出缓冲区参数计算单元。
位流移入移出缓冲区参数计算单元，接受构造图像参数解码单元输入的构造图像参数，解码输入码流中的位流移入移出相关的参数(如移入延迟，图像类型等)，通过这些参数计算出位流在移入移出缓冲区过程中所需要的参数，如图像位流移入缓冲区速率或时间，图像位流移出缓冲区时间间隔或时间。该模块将这些参数输出给位流移入缓冲区步骤和位流移出缓冲区单元。
位流移入缓冲单元，以位流移入移出缓冲区参数计算单元输出的参数为输入，按照图像位流移入缓冲区速率或时间将位流移入解码缓冲区单元。
解码缓冲区单元，将目前解码缓冲区的充满度输出给位流缓冲区检测单元。
位流缓冲区检测单元，以位流移入移出缓冲区参数计算单元输出的参数为输入，在经过或到达图像位流移出缓冲区时间间隔或时间后，得到解码缓冲区单元输入的缓冲区充满度，判定当前解码缓冲区是否发生下溢或上溢，即缓冲区充满度在限定范围内，符合规定的位流不应发生下溢出或上溢。该单元将检测结果输出给位流移出缓冲区单元。
位流移出缓冲区单元，以位流移入移出缓冲区参数计算单元输出的参数为输入，根据位流缓冲区检测单元的检测结果，当位流无上溢或下溢时，在经过或到达图像位流移出缓冲区时间间隔或时间后将位流从缓冲区移出。
参照图3，图3是图1中位流移入移出缓冲区参数计算S2步骤的详细流程图，S3以构造图像参数和视频位流为输入，输出包括图像位流移入缓冲区速率或时间、移出缓冲区时间间隔或时间在内的缓冲区管理参数，S2的过程是通过图像信息解码、图像位流移入缓冲区速率或时间计算、图像或未留移出缓冲区时间间隔或时间计算三个步骤来完成，详细来说：
图像信息解码S21：以图像位流为输入，解码当前图像的图像信息，所解码的信息至少包含下面一种信息：图像类型，解码输入位流中的每一幅图像的缓冲区移入延迟，计算当前图像的位数。
图像移出缓冲区时间间隔或时间计算S22：根据图像类型信息、构造图像参数信息，计算图像移出缓冲区时间间隔或具体时间。
图像位流移入缓冲区速率或时间计算S23，根据每一幅图像的缓冲区移入延迟和当前图像的位数，以及图像移出缓冲区时间间隔或具体时间，计算出图像位流移入缓冲区速率或具体时间。
参照图4，图4是图2中位流移入移出缓冲区参数计算单元的数据处理结构图，具体来说，包括图像信息解码单元，缓冲区时间间隔或时间计算单元和图像位流移入缓冲区速率或时间计算单元，并且图像类型解码单元和图像延迟参数解码单元也可以并成为图像信息解码单元。其中：
图像信息解码单元：以图像位流为输入，解码当前图像的图像类型，解码输入位流中的每一幅图像的缓冲区移入延迟，计算当前图像的位数，将这些信息输出给图像位流移出缓冲区时间间隔或时间计算单元。
图像移出缓冲区时间间隔或时间计算单元：根据图像信息解码单元输入的图像类型信息、构造图像参数信息，计算图像移出缓冲区时间间隔或具体时间。
图像位流移入缓冲区速率或时间计算单元，根据图像信息解码单元输入的每一幅图像的缓冲区移入延迟和当前图像的位数，以及图像移出缓冲区时间间隔或时间计算单元输入的图像移出缓冲区时间间隔或具体时间，，计算出图像位流移入缓冲区速率或具体时间。
下面举一个实例来说明本发明的实现方式，该方式通过时间间隔的计算、移入速率的计算来实现整个解码缓冲区的管理。
(一)具体在视频位流初始化缓冲区时，对视频序列进行随机访问时，序列头后的第1幅图像缺少在此之前的图像。在这种情况下，如果位流是系统流的一部分，可从系统流来确定缓冲区移出时间间隔。
如果还不能无歧义地确定缓冲区移出时间，就无法确定移入速率。此时编码器却可以直接通过具体的时间计算来定义移入延迟参数，进而实现满足解码缓冲区需求的移入速率。
(二)当初始化完毕后，具体在计算图像移出缓冲区时间间隔或时间计算单元中，两幅图像之间的时间间隔t(n+1)-t(n)可按照如下方法计算，进而实现步骤S22：
1、当视频位流中可包含后向或双向预测编码的图像，会产生进行图像重排序而造成的延迟。
1.1如果第n帧图像是构造图像，t(n+1)-t(n)等于0。
1.2当视频为逐行扫描视频，并且包含后向或双向预测编码的非构造图像图像时，t(n+1)-t(n)是帧率的倒数T的倍数：
1.2.1如果第n帧图像是后向或双向预测编码的非构造图像，t(n+1)-t(n)等于要重复显示的次数乘以T。
1.2.2如果第n帧图像不是后向或双向预测编码的非构造图像，那么t(n+1)-t(n)等于前一个非后向或双向预测编码的非构造图像的重复显示的次数乘以T。
1.3当视频为隔行扫描视频，并且包含后向或双向预测编码的非构造图像时，t(n+1)-t(n)是帧率的倒数T的倍数
1.3.1如果第n帧图像是后向或双向预测编码的非构造图像，t(n+1)-t(n)等于顶场或底场要重复现实的次数与T/2的乘积再加T。
1.3.2如果第n帧图像不是后向或双向预测编码的非构造图像，那么t(n+1)-t(n)等于前一个非后向或双向预测编码的非构造图像的顶场或底场要重复现实的次数与T/2的乘积再加T。
2、当视频位流中不包含后向或双向预测编码的图像，不会产生进行图像重排序而造成的延迟：
2.1如果第n幅图像是构造图像，t(n+1)-t(n)等于0。
2.2如果第n幅图像是非构造图像，且视频为逐行扫描视频，t(n+1)-t(n)等于重复显示的次数乘以T。
2.2如果第n幅图像是非构造图像，且视频为隔行扫描视频，t(n+1)-t(n)等于顶场或底场要重复现实的次数与T/2的乘积再加T。
(三)具体的移入缓冲区过程中，数据的移入通过计算移入速率并按照该速率移入来实现的，与移入速率的计算相关的因素包括：
d* n：从第n帧图像的位数；
τ(n)：第n帧的移入延迟的的值
t(n)：n帧图像的编码数据从BBV缓冲区移出的时间，单位为秒
R(n)：第n帧图像进入BBV缓冲区的速率。
然后按照下面方式计算移入速率
(四)具体在缓冲区检测过程和移出缓冲区中，可以设定缓冲区充满度的最大值和最小值并结合上数的检测时间间隔来进行检测。
按照上述实时实例完成的AVS标准能够很好的支持在视频位流中不丢帧的添加一个背景建模图像作为构造图像，并且对该位流的解码不会产生解码播放停顿、延迟累计等现象。
以上本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：根据解码出的表示解码图像是否为构造图像的标识参数，来确定缓冲区检测和数据移出的时间间隔或具体时刻，进而计算位流移入缓冲区的速率或具体时刻。
2.根据权利要求1所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：管理控制步骤包括：
a)构造图像参数解码，对视频位流中标识为构造图像的图像进行部分解码，得到其参数，根据该参数判定此图像是否为构造图像。
b)位流移入移出缓冲区参数计算，解码视频位流，并根据当前图像的构造图像参数，得到的参数用于计算每一幅图像的位流移入移出缓冲区所需的时间参数。
c)位流移入缓冲区，根据得到的一幅图像的位流移入缓冲区的时间参数将位流移入缓冲区。
d)缓冲区检测，根据得到的一幅图像的位流移出缓冲区的时间参数，以及当前缓冲区的充满度来检测缓冲区是否异常。
e)位流移出缓冲区，根据得到的一幅图像的位流移出缓冲区的时间参数将位流移出缓冲区。
3.根据权利要求2所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移入移出缓冲区参数计算步骤包括：
a)图像信息解码：解码当前图像的图像信息，所解码的信息包含下面信息：图像类型，当前图像的缓冲区移入延迟，当前图像的位数。
b)图像移出缓冲区时间间隔或具体时间计算：根据图像类型信息、构造图像参数信息，计算图像移出缓冲区时间间隔或具体时间。
c)图像位流移入缓冲区速率或时间计算，根据每一幅图像的缓冲区移入延迟或当前图像的位数，以及图像移出缓冲区时间间隔或具体时间，计算出图像位流移入缓冲区速率或具体时间。
4.根据权利要求3所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的图像检测和移出缓冲区时间间隔或时间计算步骤，根据构造图像参数得到的移出缓冲区时间间隔或时间计算方法分为如下两类：
a)当前图像为构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算。
b)当前图像为非构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算。
5.根据权利要求4所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的前图像为构造参考图像时，位流移出缓冲区时间间隔为0。
6.根据权利要求4所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的当前图像为非构造参考图像的移出缓冲区时间间隔或时刻计算，包含以下两类：
a)视频为逐行扫描视频
b)视频为隔行扫描视频。
7.根据权利要求6所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述当前图像为非构造参考图像且当视频为逐行扫描视频时，如果当前图像为后向或双向预测编码的非构造图像，那么当前图像位流的移出时间间隔等于要重复显示的次数乘以视频帧率的倒数；如果当前图像为非后向且非双向预测编码的非构造图像，那么移出时间间隔等于前一个非后向且非双向预测编码的非构造图像的重复显示的次数乘以视频帧率的倒数。
8.根据权利要求6所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述当前图像为非构造参考图像且当视频为隔行扫描视频时，如果当前图像是后向或双向预测编码的非构造图像，移出时间间隔等于要重复显示顶场或底场的次数乘以视频帧率的倒数；如果当前图像为非后向且非双向预测编码的非构造图像，那么移出时间间隔等于前一个非后向且非双向预测编码的非构造图像的重复显示顶场或底场的次数乘以视频帧率的倒数。
9.根据权利要求3所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移入缓冲区步骤中，位流移入缓冲区的速率或时刻的计算方法包括：根据当前得到的位流移出缓冲区时间间隔计算位流移入缓冲区的速率，计算方法包括：
a)解码下一幅图像的缓冲区移入延迟
b)缓冲延迟差等于当前图像的缓冲区移入延迟减去下一幅图像缓冲区移入延迟
c)移入速率等于使用当前图像的位数除以位流移出缓冲区时间间隔与缓冲延迟差之和。
10.根据权利要求3所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的缓冲区检测步骤中，使用当前得到的位流移出缓冲区时间间隔对缓冲区进行检测，一方面确保在视频中无双向和后向预测编码图像时不发生下溢，即缓冲区中的位数大于要移出缓冲区的当前图像的位数。另一方面确保在视频中存在双向和后向预测编码图像时不发生上溢出，即位流缓冲区的充满度不应大于设定的缓冲区最大值。
11.根据权利要求3所述的一种包含构造图像的视频位流的解码缓冲区管理控制方法，其特征在于：所述的位流移出缓冲区步骤中，当缓冲区没有发生上溢或下溢时，使用当前得到的位流移出缓冲区时间间隔将当前图像的位数移出缓冲区。
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