CN103037214A - 视频压缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视频压缩方法。本发明涉及一种压缩视频数据的方法，该视频数据至少包含一个含有至少一个块的帧，并且每个块包含一个提供的象素阵列。该方法将每个块的象素转化为系数并且创建一个最佳的系数的传输顺序。该方法也通过分段数据比特流同时独立编码每个分段来优化压缩处理的速度。该方法也通过基于至少一个与给定的块相关的度量值为每个给定的块或象素选择一个插值方法来预测子象素并且从块到块改变此方法。该方法也通过使用在当前帧的前一个帧之前的帧作为唯一的参考帧来增强对当前帧的误差恢复，以便减少在视频压缩期间的质量损失。同时也提供了增强的运动向量的编码。

Description

视频压缩方法
本申请是申请号为200480020019.7，申请日为2004年5月12日，发明名称为“视频压缩方法”的中国专利申请的分案申请。 
相关申请 
本申请要求了于2003年5月12日申请的申请号为60/649,187的美国临时专利申请以及于2003年11月14日申请的申请号为10/713,807的美国专利申请的优先权。 
技术领域
本发明涉及视频数据尤其是尽可能地以有效的方式编码、解码、压缩和传输视频数据的方法和系统。 
背景技术
数据的传输通常受到带宽和吞吐限制的约束。无法在极短的时间内发送或接收无限的数据。为了使被传输的信息的数量和质量达到最大化，在一些情况下，信息在传输时被压缩或编码并且在接收时被解压缩或解码。 
在视频数据的传输中数据压缩是必须的。普通的文本，除非非常庞大，可以被轻易而快捷的传输。然而，视频数据包括色度特征、亮度特征，并且经常包含立体声音频信息。即使是非常短的视频片断也需要大量的数据来定义。这些数据的传输和编码必须尽可能的有效，也就是它必须需要尽可能少的被传输的信息。 
视频压缩是数据压缩的通用技术的一个子集，因此一个信号被挤压或压缩成一个很小的数集。这些数字将占用硬盘上较少的空间，或者占用较少的网络传输时间。在这些数字被再次使用之前，会使用一个解压缩的算法将数字串扩展成它们原来的（或者至少是类似的）形态。 
为了增加压缩率，或者可用于将被存储或传输的数字串的挤压量，视频压缩利用了信号是数字化的视频的来源这一事实。视频和音频数据的有 效压缩被认为是有损算法，因为它们丢弃或者丢失了部分的原始信息；重建的数字串不能精确地匹配原始信息。这是可接受的，因为我们感受视频和音频时的精确度与数字化处理的清晰度相比较并不完美。当视频信号变得轻微失真时，其仍是可识别的。压缩算法在最小的失真和损失下准确重现原始信号的程度是衡量算法成功的标准。 
有一些很好的压缩视频和音频信号的理由，包括技术问题和设备成本。一个最重要的问题是传输数据的成本。随着互联网发展成为21世纪事实上的数据传输平台，诸如录像带、电影和广播的模拟媒介将被基于互联网和互联网相关技术的数字化媒介代替。只要愿意，这个数字化的基础将允许数据在星球上任意两台计算机之间传输。然而，数据能够被发送的速度将依赖于很多因素。在极限情况下，一个多世纪前被铺设的并且用于模拟语音通信的铜缆使用modem（modem代表调制/解调）技术以9600比特/秒的低速率来传输数据。类似的速度被用于在诸如蜂窝的无限网路上承载语音。最近，线缆调制解调器、DSL和卫星技术为家庭用户提供了6位数的数据速率（100,000到1兆比特/秒）。对于高端应用，光纤可以使数据速率达到G比特（十亿比特/秒）以及更高的范围。 
对于给定的应用，不管有多大的数据速率，传输数据都要耗费金钱。现在，在互联网上发送一兆字节（八百万比特）的开销无论如何也要从低量时的5分钱，便宜到非常极其高量时的1分钱（这个数字不包括接收端的开销）。因此，将一兆字节的数据从一个地方传送到另一个地方的开销总是要超过一便士的。 
在视频数据压缩的领域中已经完成了很多工作。本发明的受让人，纽约克利夫顿公园（最初以Duck公司闻名）的On2技术早就出品了诸如VP3和VP5的编解码器，并且微软公司已经出品了诸如MPEG的编码。现有的视频编解码器的一些特点包括离散余弦变换压缩、熵编码和运动向量的差分编码。早期的编码都使用了参考帧，从而如果一个数据包丢失或被破坏，数据可以通过参考参考帧而恢复。所有这些特点和其中的差异都将在下面进行详细地讨论。 
在基于DCT（离散余弦变换）的视频压缩系统中，一个8×8的象素块或者预测误差信号数据被转换成一组64个频率系数（一个DC值和63个AC值），之后被量化和转换成一个标志（token）集。 
典型的较高频率的AC系数较少，并且因此在量化后不太可能是非零的（也就是更有可能是零）。因此，在标志化之前，系数经常以升序排列即从最低频率的系数（DC值）开始到最高频率的AC系数结束。这个扫描顺序，有时表示为“之字形顺序”，其有助于在开始处集合非零值并将零值集合到末尾处的游程中，并且这样做促进了更有效的压缩。 
然而这种固定的扫描顺序不是最理想的。例如，当编码交错视频材料时，某些高频系数会更加突出。这个事实反映在例如编解码器（例如MPEG2）的现有技术中，其命令在编码交错视频时使用可选择的扫描顺序。 
当为一个特殊的硬件装置优化编解码器时，确保全部的应用是由任何可由装置使用以便并行完成多个任务的功能组成的并且限定解码处理的个别部分成为瓶颈的程度是很重要的。 
和其它视频编解码器一样，本发明的比特流一般地说可以描述为包含着可以被分为两大类熵编码的标志：预测或P标志以及预测误差或E标志。P标志是描绘对图像的一个块或区域进行编码的方法或模式并且描述帧间运动的标志。E标志用于编码由不完全的预测产生的残留误差。 
熵编码是一种处理方法，因此依照标志在比特流中的频率或者它出现在特殊位置的可能性，比特流中特定的P标志或E标志的表示都是最佳的。例如，一个经常出现的标志将使用比不经常出现的标志少的比特来表示。 
两种主要的熵编码技术是霍夫曼编码和算术编码。在霍夫曼编码中每个标志都使用可变长度的比特模式（或编码）来表示。算术编码是一种计算更加复杂的技术但是它消除了使用每个标志的全部比特的约束。当使用算术编码时，非常有可能以1/2比特数的平均开销来编码一个非常常见的标志。 
许多多媒体装置都具有非常适于熵编码任务的协处理器单元以及一个非常通用的主处理器。因此，为了并行性的目的，编码或解码一个比特流的处理常常分割为熵相关的任务和无关熵的任务。然而随着数据速率的增加，对于一个给定的视频片断，用于编/解码的标志的数量急剧增加并且熵编码有可能成为瓶颈。 
对于一个常规的比特流重新分配熵编码的计算负载从而避免该瓶颈是非常困难的。通常，在解码端，标志通常必须每次解码一个并且是按照它们被编码时的顺序进行的。不同于在帧的级别上，混合方法或熵编码（例 如霍夫曼和算术编码）是极其困难的。 
按照常规，许多现代的视频编解码器使用差分编码方案来编码运动向量的（x，y）分量。也就是，每个向量相对于之前的向量进行编码。例如，考虑两个向量（7,3）和（8,4）。这时第二个向量将被编码为（1,1），也就是（7+1,3+1）。 
如果许多其中的一个运动向量被编码了的块或区域所表示的运动与它们的邻里相类似，那么这种方案是适用的。例如在拍摄全景时，可以经常出现这种情况。然而，如果运动画面是不规则的或者经常在具有不同运动特性的背景和前景区域间出现转换，那么这种方案就不太适用。 
对于许多现代的视频编解码器，运动预测是压缩处理中一个非常重要的部分。运动预测是一种处理方法，因此物体或图像区域的运动在一个或多个帧上被模型化并且一个或多个“运动向量”被转换为比特流以表示该运动。在多数情况下，不太可能精确地模型化图像中的运动，因此就有必要编码除运动信息之外的残留误差信号。 
本质上，每个运动向量指向之前已编码的帧的一个区域，该区域与当前帧内将被编码的区域相类似。残留误差信号通过从当前帧的实际数值中减去每个象素的预测值而获得。 
许多现代的视频编解码器通过提供对达到亚象素级精度的运动预测 
（例如，半象素或四分之一象素的运动估计）的支持来扩展其处理。为了创建小象素数据点，必须使用一些形式的插值函数或者对实际的数据点（也就是全象素排列的）进行过滤。 
早期的编解码器通常使用如这里所示的简单的双线性插值。在这个示例中，A、B、C和D是全象素排列的数据点并且x、y和z是半象素排列的点。点x在X方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算： 
x=（A+B/2）              （1） 
点y在Y方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算： 
y＝（A+C/2）             （2） 
点z在X和Y方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算： 
z=（A+B+C+D/2）          （3） 
较新的编解码器趋向于使用更为复杂的不易于使图像模糊的插值过 滤，诸如双三次过滤。在该例子中，x是一个位于全象素排列的点B和C之间的半象素点。当双三次使用整数表示时，其可以通过如下等式计算： 
x=（-A+9B+9C-D）/16                （4） 
虽然诸如上述例子的过滤有助于产生看起来准确的结果，它们在多个帧上重复应用时能在某些情况下导致诸如错误纹理或错误轮廓的不希望的人造假象。 
当在一个不可靠或者有问题的数据链路上传输压缩后的视频数据时，因为视频编解码器对比特流中的错误经常极其敏感，所以存在一个在数据丢失或损坏时进行恢复的机制是很重要的。 
对于这种链路上的可靠的数据传输存在着多种技术和协议，并且其依赖于对误差的检测并且重新传输或使用额外的数据位以允许某些类型的误差发生。在许多情况下已有的技术是适用的，但是当在有限带宽的链路上进行视频会议时，前面提到的处理都是没有用处的。对丢失的数据包的重新传输可能并不实际，因为其有可能引起端对端的延迟增加，而在带宽已经严格限制的情况下，使用误差检测位或数据包可能是无法接受的。 
一种可选择的方法是在解码器处简单地检测误差并报告给编码器。编码器接着可以发送一个恢复帧给解码器。注意到如果这条链路上的误差率非常高的话，例如每隔10－20帧就出现多次错误时，这种处理可能不太适合。 
最简单的恢复帧的形式是一个关键帧（或者是仅帧内编码的帧）。这是一个与前一个帧或其中的数据没有任何关系的帧。关键帧的问题是它们常常比较大。 
发明内容
本发明的目标是提供一种有效而可靠的视频压缩方法和编解码器。 
本发明的另一个目标是提供一种能够以适合的方式进行离散余弦变换的视频压缩方法和编解码器。 
本发明的另一个目标是提供一种进行优化所使用的硬件装置资源的熵编码的视频压缩方法和编解码器。 
本发明的另一个目标是提供一种增强运动向量编码的视频压缩方法和 编解码器。 
本发明的另一个目标是提供一种精确并有效地进行子象素预测的视频压缩方法和编解码器。 
本发明的另一个目标是提供一种即使在视频会议的环境中也可以有效地进行误差恢复的视频压缩方法和编解码器。 
前述和其它目标由本方面实现，其是一种压缩视频数据的方法，该视频数据至少包含一个含有至少一个块的帧，并且每个块包含一个象素阵列。本发明方法包含至少一个如下的步骤：Ⅰ）将每个块的象素变换为系数并且创建一个最佳的系数传输顺序；Ⅰ）通过将数据比特流分段并且单独编码每个分段来优化压缩视频数据的处理速度；Ⅲ）通过基于至少一个与每个给定的块有关的度量值为多个给定的多数象素选择插值方法的预测子象素的方法；并且Ⅴ）增强对当前帧的误差恢复以便减少在视频压缩期间的质量损失，其使用一个在当前帧的前一个帧之前的帧作为唯一的参考帧。 
作为本发明的重新排列系数的方面，该方法将每个块的系数转换为系数，每个系数具有一个系数位置和一个数值并且确定与每个系数的位置相关的位置值。之后基于每个系数位置的位置值创建一个最佳的系数传输顺序，并且系数按照确定的顺序传输。优选地，系数的传输顺序是为视频数据的每个帧动态的重新排列的。该转化步骤优选地将象素转化为离散余弦系数。系数的传输顺序可以和系数一起传输。优选地，每个块具有同样数量的系数和系数位置，并且每个分别对应的系数位置从块到块分别传送同样的信息。 
在降低将被传输的数据量的工作中，系数顺序数据的传输可以限制为从一个帧到下一个帧的系数顺序的变化。可选择的或者额外的，传输顺序可以考虑进系数条带（band）中，每个条带包含多个按照之前确定的数字顺序排列的象素。在这种情况下，只有条带信息可以和系数一起传输。优选地，当系数从一个帧到下一个帧改变条带时，只有条带信息会被传输。作为另一种可选择的，所有的条带信息总是被传输。 
重新排序系数还可以包括关键帧的提供。本发明方法还可以提供例如关键帧，该关键帧完全独自编码并且不需要来自于或者有关于之前的帧的信息。在这种情况下，编码器确定给定的帧是否是关键帧。如果确定给定的帧是关键帧，则传输用于关键帧的整个的系数传输顺序。如果确定给定 的帧不是关键帧，则只传输从之前的帧向给定的帧的系数传输顺序的变化。 
如上所述，本发明期望通过分割比特流并且独立编码各个分段来优化压缩视频数据的处理速度。特别地，本发明将视频数据分割为至少两个数据分段并且为每个数据分段选择一个最佳的熵编码方法。从而选定的熵编码方法被分别用于各个数据分段。在一个实施例中，视频数据被划分为一个预测标志数据分段和一个误差标志数据分段；优选地，每一个数据分段经受不同的熵编码方法，诸如霍夫曼编码和算术编码。不同的数据分段的各个解码处理可以异步地和/或独立地进行。这可以通过在硬件中提供至少两个协处理器来实现，其中一个数据分段被一个协处理器解码并且另一个数据分段被另一个协处理器解码。对于给定的数据分段确定使用哪一个熵编码方法是基于数据分段的大小的。 
在该方法和编解码器的一个优选实施例中，预测标志数据分区被读出并被转换为预测块。误差标志数据分段也被读出并被转换为系数并由此转换为误差块。预测块和误差块相加以形成一个图像块。如上所述，其优选为提供至少两个协处理器，其中一些步骤在一个协处理器上执行并且剩下的步骤在另一个协处理器上执行。特别地，读取误差标志数据分段并且将误差标志数据分段转换为系数的步骤优选为在一个快速的熵优化的协处理器上执行，并且其它步骤优选为在一个通用协处理器上执行。 
本发明方法通过避免数据和编码缓存丢失的方法优化了比特流的解码性能。存储了尽可能多的能够适合编码缓存的解码器代码的专用函数。该步骤的代码为尽可能多的能够适应数据缓存的块而运行。然后收集解码器代码的下一组专用函数，该过程被重复直到所有的比特流都被读取并且每一个数据块都已经形成。 
优化比特流的解码器的性能的另一个方面通过为单独的处理器分配子任务来优化协处理器的使用。优选地，解码器中从比特流中读出误差标识并将它们转化为系数的部分运行在一个快速熵优化的协处理器上。解码器中从比特流中读出预测标识并从这些标识中构建过滤后的预测块的部分运行在可以快速访问存储器的协处理器上。解码器中将上一步骤的变换系数转换为误差信号的部分运行在具有变换编码器的最佳实施例的协处理器上，并且解码器中将预测块添加至误差信号的部分运行在为运动补偿而优化的协处理器上。 
视频数据可以被划分为两个数据分段，第一个数据分段表示帧的第一个区域并且第二个数据分段表示帧的第二个区域（也就是上半部分和下半部分或者左半部分和右半部分）。可选择的，视频数据可以划分为三个数据分段，每个分段分别表示帧的平坦度（level）、饱和度和色调信息。在另一个版本中，三个数据分段可以分别表示帧的青色、绛红色和黄色信息。 
如上所述，本方面包含通过基于至少一个与给定的块有关的度量值为给定的多个象素选择插值方法来预测子象素运动的方面。特别地，确定至少一个与给定的多个将被编码的象素有关的度量度的值，并且基于确定的至少一个度量值的值选择将给定的多个象素进行编码的插值方法。由此选择的插值方法应用于给定的多个象素以便编码，并且该处理对于连续的多个象素是重复的步骤。该至少一个度量值至少是运动向量长度和复杂因子中的一个。该插值方法可以包含双线性、双三次、二次和B样条插值。给定的多个象素可以是一个完整的帧或其中的一部分。如果确定与给定的多个象素有关的运动向量长度小于预测的长度值并且与给定的多个象素有关的复杂因子被确定小于预测的复杂因子，则选择双三次插值。对于给定数量的多个象素，预测的长度值和复杂因子优选为设置一次，并且可以每个帧设置一次。 
复杂系数优选为给定的多个象素的方差，可以这样计算： 
C = ( nΣ x i 2 - ( Σ x i ) 2 ) / n 2 - - - ( 4 )
如上所述，本发明包含了增强当前帧的误差恢复，其对于给定的帧使用在上一帧之前被编码的一个帧作为唯一的参考帧，以便减少数据传输期间的质量损失。特别地，本发明包含使用在上一帧之前被编码的一个帧作为唯一的参考帧，以便减少与线路传输相关的产生数据包丢失或损坏的质量损失。该步骤被限制于至少一个周期性的（每一个F帧）和随机性（基于一些其它的标准）。 
本发明的这个方面特别适合于视频会议。特别地，视频会议的每一方压缩视频数据的帧并且将压缩的视频数据传输至另一方，该数据包具有可以检测数据包丢失或损坏的标记。如果任何部分检测到数据包丢失或损坏，检测方发信号通知发送方发送一个使用已经被成功接收并被所有剩余方解码的参考帧编码的更新帧。 
在如下的方式中本发明可以更好的使用参考帧。一个固定间隔F的视频帧可以被编码器选择并传输至解码器。每一个第F帧只使用之前被编码的第 F个帧作为参考来编码。每一个非第F帧使用之前的帧作为参考来编码。视频的每一个帧被传输至解码器这样丢失和损坏可以被检测到。所有的这些步骤优选为发生在编码器上。在解码器端，编码的视频数据从编码器上接收并且被解码器解码。如果一个数据包被丢失并且该数据包与一个非第F帧相关联，则解码器将等待下一个第F帧以恢复丢失的数据包。 
作为另一种选择，本发明周期性或者随机性地，以高于由从该帧和之前帧提取的统计测量确定的周围质量的质量来编码当前帧，并且存储编码了的当前帧以便由之后的帧用作第二参考帧。 
具体实施方式
本发明的几个不同方面将在下文中进行描述。 
动态系数重新排列 
在基于DCT（离散余弦变换）的视频压缩系统中，一个8×8的象素块或者预测误差信号数据被变换成一组64个频率系数（一个DC值和63个AC值）中，之后被量化并转换成一组标志。 
典型的较高频率的AC系数量值较小，并且因此在量化后不太可能是非零的。因此，在标志化之前，系数经常以升序排列即从最低频率的系数 
（DC值）开始到最高频率的AC系数结束。这个扫描顺序，有时表示为“之字形顺序”，有助于在开始处集合非零值并将零值集合到末尾处的游程中，并且这样做促进了更有效地压缩。 
然而这种固定的扫描顺序不是最理想的。例如，当编码交错视频材料时，某些高频系数会更加突出。这个事实反映在例如编解码器（例如MPEG2）的现有技术中，该编码器命令在编码交错视频时的可选择的扫描顺序。 
本发明的一个方面是编解码器用以随意地定制扫描顺序的方法，系数按照该顺序被编码以便最佳地反映特定数据集的特性。 
依照本发明，编解码器维护着一个有关每个DCT系数的零值和非零值在视频的一个或多个帧中分布的记录。这个记录用于创建一个定制的扫描顺序，其中越有可能编码为非零值的系数越早地出现在列表中。 
编解码器可以随意地收集诸如每个系数的非零值的平均数量的额外信 息并且使用该数量来进一步地优化扫描顺序。 
传送一个新定制的扫描顺序或者更新一个之前传送的扫描顺序的开销，可能在一些情况下抵消从增加系数的编码效率中获得的收益。因此，对确定更新是否提供了净收益而言，对开销和收益的分析是必须的。 
影响这个分析的主要因素是更新的开销、将被编码的块（以及因此产生的系数）的数量以及新的扫描顺序与标准扫描顺序或原有扫描顺序之间的偏差程度。 
对于一个8×8单位的DCT，编码一个“完全的”定制扫描顺序（也就是64个系数中的每一个都有一个新的位置），将需要384比特（64个系数×6比特/个）。这个开销可能是高昂的，除非将被编码的块（和因此产生的系数）的数量非常大或者适合的扫描顺序与默认的扫描顺序（可以是一个标准扫描顺序或原有扫描顺）的差别非常小。这个陈述背后的基本原理是如果默认的扫描顺序与定制的扫描顺序相似，则存储每个编码的块的平均比特数可能会变小，因此大量的块必须被编码以证明更新扫描顺序的开销是值得的。相反，如果默认的扫描顺序与定制的扫描顺序不同，则存储每个块的平均数可能变高。 
一种简单地改善这一状况的方法将会是只编码扫描顺序的变化。例如对于每个系数，编码一个比特来表明它是否改变了扫描顺序中的位置以及其是否适合于其新的位置。虽然这通常会导致较低的更新开销，但是假设当新的扫描顺序对所有的系数都不同的话将出现最坏的情况，这时更新的开销将达到448比特（64×7）。 
这样的一个方法其吸引人的一个方面是，当定制和默认的扫描顺序非常相似的时候，更新的开销是最低的（并且因此存储每个块的可能的开销也是最低的）；而当它们非常不同时，更新的开销是最高的。 
这种状况可以通过在单独的系数或系数对的级别上进一步考虑“性价比”来改善。例如，考虑两个系数在扫描顺序中彼此相邻并且它们非零值的可能性几乎相等的情况。对于两个系数中的一个或另一个而言，其非零值数量的很小变化将导致它们交换在定制扫描顺序中的位置。编码该变化就意味着要用14比特（假设是前述的更新方式）的开销来更新两个系数的扫描位置。然而，所获得的节约的比特也许会被忽略。 
这个问题与高位的AC系数特别有关。这里，非零值的频率通常非常 小并且即使一个细微的变化都可能引起系数在扫描顺序中的位置很大的变化。 
虽然定制扫描顺序的计算完全以每个系数的零值和非零值分布的计算为基础确实是可行的，但是其它一些因素也是有关系的。如前所述，其中一个因素是非零值的平均数量。另一个因素是在一些情况下一个或多个系数的数值间存在正相关的事实。例如，在一个低位的“纯水平”AC系数和高位的“纯水平”AC系数之间。在这种情况下，除非在非零值的普遍性上存在实质的差别，否则可以优先保持它们原有的顺序（从低频到高频）。 
本发明的这个方面的优选实施例对于解决这样的结果同时降低更新扫描顺序的开销有用。 
创建一个定制的扫描顺序的过程主要如下所示： 
·DC系数总是被第一个编码（位置0） 
·其它的AC系数依照每个系数的非零值的比例进入降序排列 
·将扫描列表划分为16个可变大小的条带（参见表1） 
·其中每个条带重新排列为之字形扫描顺序。 
注意到细分为如表1所示的16个条带是基于对一系列不同的测试片断的经验观察的，并且不需要优化。 
表1首选扫描顺序的系数条带 
  条带   第一个系数   最后一个系数
  0   1   1
  1   2   4
  2   5   10
  3   11   12
  4   13   15
  5   16   19
  6   20   21
  7   22   26
  8   27   28
  9   29   34
  10   35   36
  11   37   42
  12   43   48
[0088] 
  13   49   53
  14   54   57
  15   58   63
根据经验的试验表明该条带化策略使得其几乎等于并且经常优于通过使用完全基于非零值的比例的扫描顺序而获得的结果；即使在考虑了更新的开销之前也是如此。 
第二个优点是极大地降低了更新扫描顺序的开销，因为当从一个条带移动到另一个条带时不需要更新数值。此外，只需要4个比特来编码条带中的一个变化。 
使用在优选实施例中的最终的优化是基于观察与其它系数相比较更为频繁地变化条带的系数的。例如，高位的AC系数变化条带的系数常常比低位的系数小。 
例如，如果一个特定的系数只更新了当时的2％，那么在一个给定的帧上用一个比特来表示其是否被更新了就有些浪费了。通过使用算术编码技术并且为每个系数分配根据经验确定的更新概率，就有可能获得小于每个系数1比特的平均更新开销。 
下面的C语言代码详细地支持了本发明的这个方法的优选实施例： 
Figure BDA00001613445800121
Figure BDA00001613445800131
Figure BDA00001613445800141
Figure BDA00001613445800151
为促进编码和解码的优化使用单独比特流分段，且使用混合模式的熵编码
当为一个特殊的硬件装置优化编解码器时，确保全部的应用是由任何可由装置使用以便并行完成多个任务的功能组成的，以及限定解码处理的个别部分成为瓶颈的程度是很重要的。 
和其它视频编解码器一样，本发明的比特流一般地说可以描述为包含着可以被分为两大类的熵编码的标志。 
预测标志（下文中称为P标志）。例如，描绘用于对图像的一个块或区域进行编码的方法或模式并且描述帧间运动的标志。 
预测误差信号标志（下文中称为E标志）。其用于编码由不完全的预测产生的任何残留误差。 
熵编码是一种处理方法，因此依照标志在比特流中的频率或者它出现在特殊位置的可能性,比特流中特定的P标志和E标志的表示都是最佳的。例如，一个经常出现的标志将使用比不经常出现的标志少的比特来表示。 
两种主要的熵编码技术是霍夫曼编码和算术编码。在霍夫曼编码中每个标志都使用可变长度的比特（或编码）模式来表示。算术编码是一种计算更加复杂的技术但是它消除了使用每个标志的全部比特的约束。例如，当使用算术编码时，非常有可能以1/2比特数的平均开销来编码一个非常常见的标志。 
许多多媒体装置都具有非常适于熵编码任务的协处理器以及一个非常通用的主处理器。因此，为了并行性的目的，编码或解码一个比特流的处理常常分割为有关熵的任务和无关熵的任务。 
然而，随着数据速率的增加，对于一个给定的视频片断，用于编/解码的标志的数量急剧增加并且熵编码有可能成为瓶颈。 
对于一个常规的比特流重新分配熵编码的计算负载从而避免该瓶颈是非常困难的。通常，在解码端，标志通常必须一次解码一个并且是按照它们被编码时的顺序进行。不同于在帧的级别上，混合方法或熵编码（例如霍夫曼和算术编码）是极其困难的。 
本发明的这个方面是一个用来使分发熵编码的计算负载变得容易，并且通过比特流的结构变化促进混合模式的熵编码使用的方法。 
依照这个方法比特流中的每个帧被划分为两个或多个完全独立的数据分段。可以并行写入或读出的分段不必受限于使用同样的熵编码机制。这使得优化编码或解码的处理以避免在高码率时出现熵有关的瓶颈变得容易。 
在一个单独的帧中同时使用霍夫曼和算术编码或者是两者的混合编码的能力，为编码器提供了更好地优化压缩量与计算复杂程度之间的平衡的能力。例如，如果一个帧预计的大小超过了给定的门限，那么一个编码器可以设置为在它的一个或多个部分中使用不太复杂的霍夫曼编码。 
本发明的这个方面的特定实施例支持使用一个或两个主数据分段。此外还有一个小的头分段。 
当使用单独的数据分段时编解码器以传统方式运行。P标志和E标志在单独的分段分段中通过使用专用的算术编码器来编码。这种方法具有非常低的开销（每帧使用几个比特）但是缺乏灵活性。 
例如： 
Figure BDA00001613445800161
然而在第二种情况下，P标志和E标志被写入单独的分段例如： 
Figure BDA00001613445800171
第一个分段的大小不能趋向于和数据速率一样多，并且是相当小的，因此这个分段总是使用算术编码器来编码的。第二个分段可以使用算术编码器或者霍夫曼编码器进行编码。 
对于对第二分段进行霍夫曼或是算术编码的选择可以在帧的级别上进行。在优选实施例中，该选择基于目标解码器平台的性能和帧的比特的预计大小。特别地，如果帧的尺寸超过了门限值，将出现一些危险即解码器在实时地解码帧的时候会出现问题，那么就使用霍夫曼编码。 
当需要实时地编码时编码器的性能也将是一个关键，但是对关键帧可能例外（关键帧变得很大而且与其它帧没有依赖），熵编码的开销常常是编码的全部计算开销中很小的一部分。 
下面的C语言代码详细地支持了本发明的这个方法的优选实施例： 
Figure BDA00001613445800172
Figure BDA00001613445800181
Figure BDA00001613445800191
Figure BDA00001613445800201
使用多个过滤以增强视频编解码器中的子象素运动预测
对于许多现代的视频编解码器，运动预测是压缩处理中一个非常重要的部分。运动预测是一种处理方法，因此物体或图像区域的运动在一个或多个帧上被模型化并且一个或多个“运动向量”以比特流传输以表示该运动。在许多情况下，不太可能精确地模型化图像中的运动，因此就有必要编码除运动信息之外的残留误差信号。 
本质上，每个运动向量指向之前已编码的帧的一个区域，该区域与当前帧内将被编码的区域相类似。残留误差信号通过从当前帧的实际数值中减去每个象素的预测值而获得。 
许多现代的视频编解码器通过提供对达到亚象素级精度的运动预测的支持来扩展其处理。例如，半象素或四分之一象素的运动估计。为了创建小象素数据点，必须使用一些形式的插值函数或者对实际的数据点（也就是全象素排列的）进行过滤。 
早期的编解码器通常使用简单的双线性插值。 
A    x    B 
y    z 
C         D 
在这个示例中，A、B、C和D是全象素排列的数据点，并且x、y和z是半象素排列的点。点x在X方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算：x=（A+B/2）。点y在Y方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算：y＝（A+C/2）。点z在X和Y方向上是半象素排列的并且可以根据如下等式计算：z＝（A+B+C+D/2）。 
较新的编解码器趋向于使用更为复杂的不易于使图像模糊的插值过滤，诸如双三次过滤。在如下的示例中，x是一个位于全象素排列的点B和C之间的半象素点。对双三次使用整数表示时，其可以通过如下等式计算：x=（-A+9B+9C-D）/16 
A    B    x    C    D 
虽然诸如上述例子的过滤有利于产生看起来准确的结果，但是它们在多个帧上重复应用时能在某些情况下导致诸如错误纹理或错误轮廓的不希望的人造假象。 
本发明的这个方面是一个方法，通过该方法编解码器可以使用混合的过滤技术来创建更加最佳的子象素预测器并在片断级别、帧级别、块级别甚至在单独的象素级别选择这些技术。 
在优选实施例中，可以在每一帧的基础上是否只使用双线性过滤、只使用双三次过滤或者在块级别上容许选择而作出选择。 
在块或区域级别上的选择可以通过依靠比特流中的显示信号位获得，但是在优选实施例中，是通过已经存在于比特流中的上下文的信息并且依靠对将被过滤的全象素排列的数值的复杂程度而作出选择。 
在运动预测器的质量较差的情况下（例如在原有帧的重建中不可能为一个块发现好的预测），双线性过滤常常是最好的选择。特别当预测较差时，双三次过滤的准确的特性可以导致增加残留误差信号内容的高频部分，并且使其难以编码。 
当比特流中缺少显示信号位时，多个可以示出的与上下文有关的可用值与较差的预测质量或多或少有关系。其中最简单的是运动向量长度。特别在增加运动向量的长度时预测的质量趋向于降低。平滑的运动画面是另一个可能的指示（也就是相邻块的运动向量如何相似）。 
在向量的选择是不可靠的情况下，双线性过滤也趋向于一种较佳的选择（例如，图像中没有非常多的细节并且有许多具有相似的误差分数的候选向量）。特别地，在许多帧上对一个相对平坦和平淡区域重复双三次过滤时，将出现不需要的人造假象（artefact）。 
当选择过滤方法时在优选实施例中有两个因素被考虑到。第一个是运动向量的长度。第二个是通过分析将被过滤的全象素排列的数据点集合计算出的复杂程度C。 
只有在如下的测试条件满足时才使用双三次过滤： 
1、在X和Y中运动向量短于门限值L。 
2、复杂度C大于门限值T。 
在优选实施例中C是n个数据点xi通过如下公式计算的方差： 
C = ( nΣ x i 2 - ( Σ x i ) 2 ) / n 2
在优选实施例中，复杂度门限T和运动向量长度门限L可以被编码器基于每一帧进行设置。 
下面的C语言代码详细地支持了本发明的这个方法的优选实施例： 
Figure BDA00001613445800221
Figure BDA00001613445800231
增强的运动向量编码
按照常规，许多现代的视频编解码器使用不同的编码方案来编码运动向量的（x，y）分量。也就是，每个向量相对于之前的向量被编码。例如，考虑两个向量（7,3）和（8,4）。这时第二个向量将被编码为（1,1），也就是（7+1,3+1）。 
如果许多个其中的一个运动向量被编码了的块或区域所表示的运动与它们的邻里相类似，那么这种方案是适用的。例如在拍摄全景时，可以经常出现这种情况。然而，如果运动画面是不规则的或者经常在具有不同运动特性的背景和前景区域间出现转换，那么这种方案就不太适用。 
本发明的这个方面是一个用于编码运动向量的可选择的策略，其保留了不同的编码在更为容忍不规则的画面以及背景前景的转换时的优点。 
依照本发明，编解码器维护着两个或多个与将被编码的运动向量有关的参考向量。编解码器可以通过比特流中的显示信号位在这些参考向量间切换，但是在优选实施例中其决定于编码方法和块的直接近邻所使用的运动向量。 
在优选实施例中，块可以作为帧内块（与任何前一个帧没有依赖），或 者是帧间块被编码，这依赖于前一个帧的重建或者仅周期性更新的可选择的参考帧。 
当考虑到前一个帧的重建或者可选择的参考帧而编码时，本发明支持如下编码方法的选择： 
·没有运动向量的编码（也就是说一个隐含的（0，0）向量） 
·和“最近”的邻里使用同样的向量的编码 
·和“下一个最近”的邻里使用同样的向量的编码 
·使用新的运动向量的编码 
当定义最近的或者下一个最近的邻里时，只有那些编码时考虑了和当前块相同的参考帧并且使用了非零的运动向量的块才会被考虑。其它的块都被忽略。 
当定义下一个最近的邻里时，在编码时使用了和最近的块相同的向量的块也被忽略了。 
当编码一个新的运动向量时，编解码器可以使用（0，0）或是最近的向量作为参考向量。在优选实施例中，如果推导出最近的向量的块紧邻于当前块的左侧或上方（假设块的编码是从左至右，自上而下的），则使用该最近的向量。在其它所有情况下，新的向量参考（0，0）来编码。 
对该基本方法的一些扩展是可能的。如果最近的或下一个最近的块分别紧邻于当前块的左侧和上方，那么从这两个块推导出来的某种复合向量可以被用作编码新向量的参考。可选地，最近的块”用于预测x分量而“下一个最近的”用于预测y分量。 
仍然假设最近的或下一个最近的块分别紧邻于当前块的左侧和上方，则另一个可能的扩展将特别考虑最近的和下一个最近的向量不相似的情况，并且在这种情况下用于x、y或者x和y的参考值将归零。 
在有规则或者缓慢变化的运动图像的情况下，本方法保留了简单差分编码的优点用特殊的“没有向量”、“最近的”、“下一个最近的”的模式，有利于实现更有效地对前景和背景间的转换进行编码以及提供为使编码方法更为容忍不规则的运动画面而在多个编码源之间自动切换的能力。 
下面的C语言代码详细地支持了本发明的这个方法的优选实施例： 
Figure BDA00001613445800241
Figure BDA00001613445800261
在误差恢复中使用可选择的参考帧
当在一个不可靠数据链路上传输压缩后的视频数据时，因为视频编解码器对比特流中的误差经常极其敏感，所以存在一个在数据丢失或损坏时进行恢复的机制是很重要的。 
对于这种链路上的可靠的数据传输存在着多种技术和协议，并且其依赖于对误差的检测以及重新传输或使用额外的数据位以允许某些类型的误差发生。 
在许多情况下已有的技术是适用的，但是当在有限带宽的链路上进行视频会议时，前面提到的处理都是没有用处的。对丢失的数据包的重新传输可能是不实际的，因为其有可能引起端对端的延迟增加，而在带宽已经严格限制的情况下，使用误差检测位可能是无法接受的。 
一种可选择的处理是在解码器处简单地检测误差并报告给编码器。编码器接着可以发送一个恢复帧给解码器。注意到如果这条链路上的误差率非常高的话，例如每隔10-20帧就出现多次误差时，这种处理可能不太适合。 
最简单的恢复帧的形式是一个关键帧（或者是仅帧内编码的帧）。这是一个与前一个帧或其中的数据没有任何依赖的帧。关键帧的问题是它们常 常比较大。 
发明的主题5是一种机制，编解码器由此维护一个或多个额外的用于在更有效地编码恢复帧时可以作为起始点使用的参考帧（不同于先前编码的帧的构建）。 
在本发明的优选实施例中，编解码器维护着第二个参考帧，无论是关键帧还是平时的随便的一个帧，该参考帧通过帧头部的一个标志位被更新。例如，编码器可以选择每隔“X”秒或者在误差恢复帧被编码时更新该第二参考帧。 
假设第二参考帧的内容至少在某些方面与当前帧的内容相似，则相对于第二参考帧的差分编码可能比编码一个关键帧的开销小的多。 
现在有一些方法，其中一个或多个可选择的参考帧可以用于增强压缩的质量或效率。在现有技术中被忽视了的一个显而易见的用途是用在一种两个或多个不同的场景间前后摇摆的视频序列中。例如，考虑在一次采访中，视频画面在采访者和被采访者之间前后切换。通过为每个摄像机的视角存储单独的作为基线的参考帧，在这些角度间前后切换的开销可以被极大地降低，特别是在场景完全不同时。 
当本发明具有这样的可选参考帧的选择时，本发明的主题是在视频中具有缓慢的渐进变化的情况下，使用周期性更新的可选参考帧来增强压缩视频的质量。其恰当的例子是缓慢地摇动镜头、放大画面或推拉镜头。 
依照本发明的这个方面，在缓慢地摇动镜头或者其它类似的缓慢的渐进变化过程中，编码器会周期性插入一些帧，这些帧按照远远高于周围帧的质量被编码并且导致第二或可选择的参考帧被更新。 
这些较高质量的“第二参考帧更新”的帧的目的在于恢复自最后一个关键帧或倒数第二参考帧起被越来越多地丢失的细节，并且为接下来的帧中的帧间预测提供更好的基础。可以看出，这个周期性提升质量（及由此产生的数据速率）并且同时更新第二参考帧的的策略在以下情况中可以比使用同样的质量编码全部的帧提供更好的开销与质量间的平衡。 
有效实施例的关键是用于确定适合的第二参考帧更新间隔以及应该被提升的质量或数据速率的数量的方法。 
在本发明的这个方面的优选实施例中，一些因素被考虑到了。包括： 
·在之前的几个帧中的运动向量的平均幅度，其表示运动的速度。 
·运动画面关联的程度。例如相当类似的运动向量 
·第二参考帧在之前的几个帧中被用作优先于之前帧的重建的预测符的程度。 
·周围的质量或量化设置。 
在使用的运动向量的平均幅度较高的情况下（表明快速的运动），第二参考帧之间的更新间隔和质量的提升都会降低。相反地，当运动缓慢时将使用较高的质量提升和较长的更新间隔。 
在运动画面高度关联的情况下，也就是有许多相似的运动向量时，将增加用于第二参考帧的更新的质量提升。相反地，当运动画面很少关联时，提升的程度将降低。 
当第二参考帧经常优先于之前的帧的重建使用时，将增加质量提升。相反地，当第二参考帧不经常使用时，质量提升将降低。 
质量提升的程度也依赖于一些周围的质量程度，当周围的质量程度较差时将使用较大的质量提升而当周围质量程度较高时将使用较小的质量提升。 
下面的伪码对本方面的这个方面的优选实施例给出了更详细的说明。对于每个帧 
计算限定在1/4象素单元中的运动向量的X和Y分量的平均幅度（AvX和AvY）。 
MotionSpeed＝AvX和AvY中较大的一个 
计算运动向量的X和Y分量的方差数（VarianceX和VarianceY） 
MaxVariance＝VarianceX和VarianceY中较大的一个 
MotionComplexity＝MotionSpeed+（VarianceX/4）+（VarianceY/4）如果第二参考帧是由于该帧更新的，则 
计算基于预测质量索引确实量化器设置的帧的以数据速率的百分比表示的提升数（Boost）。该数值介于最高质量的0％和非常低质量的1250％之间。 
用Boost乘以一个MotionSpeed的修正系数，该系数可以在表示MotionSpeed非常小时的1与表示MotionSpeed非常大时的0之间变化。 
对Boost进一步应用一个修正系数，该系数基于第二参考帧在之前的几个帧中的使用程度。其可以在表示第二参考帧根本没有在之前的几个帧 中使用的1/16一直到表示在15％或者更多的帧中使用了第二参考帧的1之间变化。 
接着使用了一系列的测试以确定是否继续并使用计算出的Boost百分比来升级该第二参考帧。 
主要的测试是： 
（Boost>MinBoostThreshold）并且 
（MotionSpeed<MaxMotionSpeedThreshold）并且 
（MaxVariance＜MaxVarianceThreshold） 
其中MinBoostThreshold、MaxMotionSpeedThreshold、MaxVarianceThreshold是可设置的参数。 
本发明具有一些特殊的“向量再用”的模式，当同样的运动向量在其紧邻的帧中被使用时，该模式允许块的运动向量被更容易地编码。进一步的测试被用于这些模式的利用率低于一个门限值水平的不能完全使用的情况。 
如果确定了将应用提升并更新第二参考帧，则将数据速率设置为基准值+Boost％，同时基于MotionSpeed计算下一次更新的间隔。 
如果决定不应用提升并且不更新第二参考帧，则依照正常的0％的数据速率提升来更新该帧。 
其它的，如果第二参考帧没有得到更新，则 
计算一个当第二参考帧在上一次更新时应用的提升的级别和当前的帧更新间隔的降低的帧的数据速率目标（负向提升）。 
在可选择的方法中使用重建的误差度进行选择以便创建子象素预测
许多现代的视频编解码器提供达到亚象素级精度的运动预测。例如，半象素或四分之一象素的运动估计。为了创建子象素数据点，必须使用一些形式的插值函数或者对实际的数据点（也就是全象素排列的）进行过滤。 
早期的编解码器通常使用简单的双线性插值。 
A    x    B 
y    z 
C         D 
在这个示例中，A、B、C和D是全象素排列的数据点并且x、y和z 是半象素排列的点。 
*点x在X方向上是半象素排列的并且可以根据等式（A+B/2）计算。 
*点y在Y方向上是半象素排列的并且可以根据等式（A+C/2）计算。 
*点z在x和Y方向上是半象素排列的并且可以根据等式 
（A+B+C+D/2）计算。 
较新的编解码器趋向于使用更为复杂的不易于使图像模糊的插值过滤，诸如双三次过滤。在如下的例子中，x是一个位于全象素排列的点B和C之间的半象素点。其可以通过如下等式计算（-A+9B+9C-D）/16 
A    B    x    C    D 
虽然诸如上述例子的过滤有助于产生看起来准确的结果，它们在多个帧上重复应用时能在某些情况下导致诸如错误纹理或错误轮廓的不希望的人造假象。 
本发明的这个方面是一个方法，通过该方法编解码器可以使用混合的双线性和双三次过滤来计算更加优化的子象素预测并在帧级别、单独的块级别或者在使用运动向量的区域上选择这些技术。 
在块或区域级别上的选择可以通过依靠比特流中的显示信号位获得，但是在优选实施例中，选择是通过已经存在于比特流中的上下文的信息并且依靠对将被过滤的全象素排列的数值的复杂程度作出的。 
依照这种方法，使用双三次的方法来过滤具有复杂度数超过门限“T”的块或区域，而使用双线性方法来过滤具有较低复杂程度的数。 
在优选实施例中，复杂程度值是n个全象素排列的将被过滤的数据点的方差，该方差可以定义为： 
（n?x2-(?x)2）/n2 
在优选实施例中，门限值“T”可以在每一帧的基础上被更新。 

Claims (19)

1.一种用于对视频信号进行编码的方法，该视频信号具有至少包括了第一帧和第二帧的多个帧，该方法包括以下步骤：
识别第一帧内的块；
为所述块确定至少一个预测标志；
识别第二帧的至少一部分，以用于所述块的预测；
确定至少一个预测误差标志，该预测误差标志从所述块和所述第二帧的一部分之间的差异得出；
将所述至少一个预测标志分配给第一分段；
将所述至少一个预测误差标志分配给第二分段；
为所述第一分段选择第一编码方法，以及为所述第二分段选择第二编码方法，其中该第一和第二编码方法为算术编码。
2.如权利要求1所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述块关联到预测模式，且所述至少一个预测标志通过该预测模式得到。
3.如权利要求1所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
基于所述第一编码方法对所述第一分段进行编码，以及基于所述第二编码方法对所述第二分段进行编码。
4.如权利要求3所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述对第一和第二分段进行编码还包括：
使用第一处理器基于所述第一编码方法对所述第一分段进行编码；以及
使用第二处理器基于所述第二编码方法对所述第二分段进行编码。
5.如权利要求4所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
对所述第一和第二分段进行并行编码。
6.如权利要求4所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述第一处理器是通用协处理器，而所述第二处理器是熵优化的处理器。
7.如权利要求1所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中选择第一编码方法和第二编码方法包括：
计算对第一和第二分段进行编码的开销；
如果对第一和第二分段进行编码的开销的总和超过给定的门限，则选择霍夫曼编码作为所述第二编码方法。
8.如权利要求7所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
如果对第一和第二分段进行编码的开销的总和低于给定的门限，则选择算术编码作为所述第二编码方法。
9.如权利要求7所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中对第一分段进行编码的开销和对第二分段进行编码的开销的至少其中之一，是使用Shannon熵进行计算的。
10.一种用于对视频信号进行编码的方法，该视频信号具有包括了第一帧和第二帧的多个帧，该方法包括以下步骤：
识别第一帧内的块；
确定与该块相关联的至少一个预测标志；
识别第二帧的至少一部分，以用于所述块的预测；
确定至少一个预测误差标志，该预测误差标志从所述块和所述第二帧的一部分之间的差异得出；
将所述至少一个预测标志分配给第一分段；
将所述至少一个预测误差标志分配给第二分段；
为所述第一分段选择第一编码方法，以及为所述第二分段选择第二编码方法，其中该第一编码方法为算术编码，而该第二编码方法为霍夫曼编码。
11.如权利要求10所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述块关联到预测模式，且所述至少一个预测标志通过该预测模式得到。
12.如权利要求10所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
基于所述第一编码方法对所述第一分段进行编码，以及基于所述第二编码方法对所述第二分段进行编码。
13.如权利要求12所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述对第一和第二分段进行编码还包括：
使用第一处理器基于所述第一编码方法对所述第一分段进行编码；以及
使用第二处理器基于所述第二编码方法对所述第二分段进行编码。
14.如权利要求13所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
对所述第一和第二分段进行并行编码。
15.如权利要求13所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述第一处理器是通用协处理器，而所述第二处理器是熵优化的处理器。
16.如权利要求10所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中选择第一编码方法和第二编码方法包括：
计算对第一和第二分段进行编码的开销；
如果对第一和第二分段进行编码的开销的总和超过给定的门限，则选择霍夫曼编码作为所述第二编码方法。
17.如权利要求16所述的用于对视频信号进行编码的方法，还包括：
如果对第一和第二分段进行编码的开销的总和低于给定的门限，则选择算术编码作为所述第二编码方法。
18.如权利要求16所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中对第一分段进行编码的开销和对第二分段进行编码的开销的至少其中之一，是使用Shannon熵进行计算的。
19.如权利要求10所述的用于对视频信号进行编码的方法，其中所述当前帧与头信息相关联，而该头信息包括指示选择的第一和第二编码方法的信号。
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