CN1090425C - 一种编码转换器 - Google Patents

Abstract

一种编码转换器，用来采用运动补偿在第一和第二编码方案之间转换视频信号，它包括一个用来对所接收的按照第一编码方案编码的数据流进行解码的解码器(28)及一个用来对来自解码器的数据流按第二编码方案编码为一数据流的编码器(30)。解码器(28)从所接收的数据流里提取运动矢量并将它送到编码器的数据流中，这样避免了运动矢量的重复计算。可提供漂移补偿装置(52-64；70-78)对经过一个图象帧之后的任何所得漂移进行补偿。

Description

一种编码转换器

本发明涉及用来在第一和第二编码方案之间进行信号转换的编码转换器。本发明特别适合转换视频信号。

有许多需要通过传送链路来远距离传送运动图象电视的场合。广播性质的电视在以传送起来昂贵并且需要高带宽链路的数字形式传送时要求大于100Mbit/s。能采用图象质量降低的一个可接受度来减少被传送的信息量。而且或另外，可使用压缩编码技术，它利用了被编码的视频信号中的高次空间和时间冗余。因而，例如对于电视会议的应用压缩到几百kbit/s是可能的，而包含声音的可视电话性质的图象能压缩到只有64kbit/s，相当于一根电话线路。

冗余缩减技术假设在相邻象素或象素块之间存在空间和/或时间上的相关性。对相关性的细节以及假设值与实际的象素或块之间的差值进行编码。典型地，被编码的图象的每一帧包含一列被分为N×M象素的块的图象元素(象素)。

预测编码利用了这样的假设，即帧内的一个值与同一帧或不同帧里的某些相邻值相关联，并且因此该值可在接收器上计算得出而不必传送。只需要传送由这样的假设产生的预测误差。例如可准确地传送一帧的第一个象素而每一随后象素作为与它前者的差值被传送。在更复杂的方案中预测可以是许多象素的组合。

变换编码利用帧由象素值的相关性，它将这些值变换为另一组值，该另一组值大多相对较小并且因而可使用更少的位来编码。最普通的变换编码形式采用离散余弦变换(DCT)。一块N×M象素被变换为一列N×M变换系数。然后通过每个系数除以一可变量化因子将最终的系数阵列量化。量化后的系数可用可变长度码例如霍夫曼(Huffman)码来编码。

另一种编码技术是运动补偿，在该方法中图象被分为象素块，并且当前帧的每一块同可能是前一帧或后一帧的参照帧的对应块，以及从那块上发生位置移动的区域相比较，由此识别出该块最相类似的参照帧上的那一区域。

在所识别的区域和所述块之间的位置上的矢量差被称之为运动矢量，并用来将参照帧上的识别区变换为当前帧上相应块的位置。为当前帧的所有块均产生运动矢量并利用它们从参照帧导出预测帧。一般说来，当前帧与预测帧之间的差要比当前帧与参照帧之间的差小，因而能使用较低比特率来编码。因此，已经使参照帧被存储的解码器能够利用运动矢量和差值来再生当前帧。单个或组合起来使用任何前述编码技术均可对信号编码。

有这样的情形，即希望使用编码转换器，它能接受收到的按照第一方案编码的数据流而输出已编码的按照第二方案编码的数据流。如果有一个按第二编码方案运行的解码器，那么这样的编码转换器将允许不对原编码器修改而接收按第一编码方案编码的传送信号。例如，一个编码转变器可用来按照ITU-T标准H.261转换64kbit/s视频信号，从ISDN视频终端到用来在数字欧洲无绳电话(DECT)网络上发送的32Kbit/s信号。

公知的编码转换器将按第一编码方案编码的视频解码为非压缩的视频信号，然后用按第二编码方案的编码器将它编码以输出新的经压缩的数据流。因此，进行一个完全的解码操作来重新建立初始视频信号，然后对这一视频信号编码以提供新的按照第二编码方案的编码数据流。由于编码方法涉及运动补偿，不得不为按新的格式编码的信号生成新的运动矢量，而这占去了传统编码转换器的大部分处理时间。

按照本发明，提供一种编码转换器，它包括一个用来对按照第一编码方案编码的视频信号使用运动补偿技术进行解码的解码器，以及一个用来按第二编码方案对解码的视频信号进行编码的编码器，其特征在于解码器从视频信号中提取运动补偿信息，并将运动补偿信息转移至从编码器输出的编码视频信号。

运动补偿信息从解码器到编码器的输出被不经改变地转移，由此减少在编码转换器里要求的处理。易言之，运动补偿信息可按照两种编码方案的压缩比例来修改。

编码转换器的解码器和编码器可用非恒定时钟速率来运行，因而比在传统编码转换器上能减小主数据通路上缓冲器的容量。

两种编码方案的运动补偿块大小不必相同。如果两方案的分辨率相同，那么若块大小改变则运动矢量能不经改变而被转换，但有些将适当地需要复制或丢弃。例如，如果第一编码方案的运动补偿块大小是16×16象素而第二编码方案的是8×8，则一个16×16块的运动矢量能被第二方案的4个相同位置的8×8块所用。如果第一编码方案的块大小是8×8象素而第二编码方案的是16×16象素，则对于第二编码方案有多余的运动矢量。因此，例如可计算并使用四个相关运动矢量的平均值。

如果输入图象的分辨率与输出图象的分辨率不同，则矢量可适当地按比例缩放。例如，如果两个编码方案的运动补偿块都是16×16象素，输入分辨率是352×288象素而输出分辨率是176×144象素，则输入到编码转换器的矢量在被传送至为编码视频信号之前除以2。同传统的运动矢量估算相比，这种计算的复杂度要小。

当使用预测编码时，由于传送错误在从初始编码器传送来的数据与在目的解码器里解码后的数据之间会产生不一致。因而在最终的解码器里形成的解码图象将包含人为因素，它会随时间而增多除非不时地采用非预测编码来恢复解码信号的完整性。然而，如果采用其中的初始编码器不会觉察的编码转换器，则初始编码器不会为了在目的编码器做成可接受的解码图象而足够经常地采用非预测编码。这将在编码转换器收到的视频信号和从编码转换器输出的视频信号之间产生一漂移。

因此有利的是，编码转换器包括漂移补偿装置。漂移补偿装置最好包括用来形成表示解码器的输出和编码器的输出之间的漂移的信号的装置，用来存储漂移信号的装置以及用来将漂移信号和加载到解码器的输出上的装置。

在一个优选实施例中，漂移信号在经过一段延时，最好是一个画面周期后被加载到解码器的输出上。这样的安排补偿了漂移而不会在编码信号中引入延迟。

可要求漂移信号达到一个阈值，这样只有它超过这一阈值时漂移信号才加载到解码器的输出上。

可优选的是，解码器包括一反量化器并且编码器包括一个与该反量化器的量化步长不同的量化器。

按照本发明的第二方面，包含有用来对按第一编码方案编码的信号进行解码的解码器和用来按第二编码方案对解码信号进行编码的编码器的编码转换器包括补偿装置，以补偿来自解码器的输出与送往编码器的输入之间的漂移。

现在本发明将仅参照附图通过实施例来进一步说明，这些附图是：

图1所示是公知的编码转换器的示意图；

图2所示是按照本发明的一个实施例的编码转换器的示意图；

图3所示是按本发明的第二实施例的编码转换器的示意图；

图4所示是按本发明的第三实施例的编码转换器的示意图；

图5所示是按本发明的另一实施例的编码转换器的示意图；

图6所示是按本发明的编码转换器的应用实例。

如图1所示的公知编码转换器能作出包括解码器28和编码器30。解码器28包括变长解码器2，该中变长解码器2接收按照使用运动补偿的第一编码方案编码的视频信呈，以及不同信号的DCT编码，例如符合CCITT H.261标准的64Kbit/s信号。解码器2检测并将收到的数据转换为量化的DCT系数、量化指数及运动矢量。DCT系数经由反量化器4及将DCT系数转换为象素差值的反DCT处理器6而通过。

运动矢量被送到运动补偿器8，该运动补偿器8计算在前一帧里的预测象素块的地址。然后这一块从前帧存储器12里得以恢复并在加法器10里加载到反DCT处理器6的输出上，以产生当前块的解码数据流。解码数据流存储在前帧存储器12里，作为下一帧的参照。

解码数据流也到达编码转换器的编码器30里，并且运动估算器14在前帧缓冲器16中搜寻与当前块相类似的象素的漂移块。计算该最匹配块的运动矢量并从前帧缓冲器16里恢复该块并且由装置15从解码数据流中减去该块以便形成差值信号。然后当前块的这一差值信号由DCT处理器18变换到频率域。由此产生的频率系数在带有适合编码转换器的输出所希望的比特率的步长的量化器20里被量化。变长编码器22将量化器20的输出和来自运动估算器14的运动矢量转换为变长码，然后以新的格式输出该数据。

编码转换器的编码器30也包括一个包含有反量化器24和反DCT处理器26的局部解码器。反DCT处理器26和运动估算器及补偿器14的输出被输入到加法器27中以产生更新的预测帧，将该预测帧存储到前帧存储器16中。

按照本发明的一个实施例的编码转换器示于图2中。编码转换器包括变长解码器40，用来对按照第一格式，例如按照64Kbit/s的CCITT标准H.261编码的输入信号进行解码。解码器40检测并将变长码转换为DCT系数及运动矢量，并且后者如数字42所示不经过任何进一步处理而通过编码转换器。这样的编码转换器适合具有相同图象分辨率、变换块大小及运动补偿块大小的编码方案的使用。然后DCT系数输入到反量化器44并且由量化器46以不同的适合于输出格式如32Kbit/s的量化步长将所得的数据再量化。新的DCT系数由变长编码器48来编码，然后在多路复用器50里与未改变的运动矢量42再混合。

因此，对直接来自传送系统的编码数据不经缓冲地进行解码，并且由于该处理具有低的等待时间(latency)一直到多路复用器50的输出几乎没有延迟。唯一可能必要的缓冲器可能会在多路复用器和编码转换器之间，并用于与通常的编码器中相同的两项功能；也就是平滑编码数据及提供对量化器46的额外控制。然而，由于量化器46的离散性质，所要求的平滑仅会覆盖输出速率的任何局部变数(Variations)，因而该缓冲器(未示出)及其延迟会是在传统编码器的同一个数量级或比其更小。

图3所示是按照本发明的第二实施例的编码转换器，它适合具有不同图象分辨率的编码方案的使用，例如具有如388×288象素图象分辨率的第一编码方案和具有如176×144象素图象分辨率的第二编码方案。运动矢量换算器45通过因子0.5对输入的运动矢量42进行换算，而所得运动矢量42a与VLC的输出多路复用，正如参考图2的所述。

量化器46将量化错误引入到编码转换器的输出中，这是初始编码器所不能预知的。这种错误或漂移将随时间而增加除非对这种漂移进行补偿。按照本发明的第二方面，在编码转换器自身里可进行纠错，而不改变的运动矢量42的直通路。其原理是尽可能快地再量化变换系数，承认在初始编码器(未示出)和最终的解码器之间引入错误轨道(mistracking)，分派编码数据给最终的解码器，计算被引入的错误并试图在下一次改正它。当然，当时由于再量化其后的当前系数将引入新的错误。而且，假设两次量化的法则的离散性质，每次改正极少完美无缺。因而编码转换器不停地试图“抓住”它引起的在先错误。

按照图3的编码转换器包括这样的漂移补偿装置。来自反量化器44的输出送给反DCT处理器52而量化器46的输出送给反DCT处理器54。所得的象素差值分别经过加法器56、58而到达各自的帧存储器60、62，其中的内容分别由初始运动矢量42和换算运动矢量42a来补偿。在延迟一帧之后，由减法器63将帧存储器60、62里的内容相减，以便在收到的数据(存储于帧存储器60中)和发送的数据(存储于帧存储器62中)之间生成漂移信号。然后该漂移信号由DCT处理器64变换回到频率域，并由加法器65加载到反量化器44的输出上。因而在延迟一帧之后该漂移得到补偿。运动补偿后的帧存储器60、62里的内容也分别构成加法器56、58的第二输入。

通过将初始编码数据及其比特率缩减后的文本这两者完全解码至象素域并产生差值的方法得到了误差或漂移。然后就是变换并加载回到刚好在量化器之前的主通路。注意到用来生成误差而重新建立的视频信号取自图象存储器的输出，因而以主通路为参照延迟了一个图象。图4所示是按照本发明的编码转换器的另一实施例，它适合于具有相同图象分辨率、变换块大小及运动补偿块大小的编码方案。类似部分由相同的参照数字来表示。这一实施例中，漂移信号形成于频率域而不是象素域。反量化器44和量化器46的输出被输入到减法器70中以在收到和发送的信号的DCT系数之间生成漂移信号。然后该漂移信号由反DCT处理器72变换到象素域。来自反DCT处理器72的输出构成加法器74的一个输入，而它的输出则被传到帧存储器76中。如前所述，在延迟一帧之后，帧存储器的内容由DCT处理器78变换回到频率域。帧存储器的内容也构成加法器74的第二输入。

图5所示是按照本发明的编码转换器的又一实施例，它适合于不采用运动补偿技术的编码方案的使用。这样的编码转换器包括漂移补偿装置并适合于视频信号及其它信号的使用。如前所述，类似部分由同样的参照数字来表示。图5的编码转换器以类似于图3所示的方式运行。当不涉及运动补偿时，可完全在变换域里计算漂移补偿。

本发明应用于缩减率不是常数即被称为可变比特率(VBR)系统时，同样运行良好。一个特别与分组视频(packet Video)相关的例子是在与综合业务数字网(ISDN)相连的终端和局域网(LAN)上的另一端之间的连接，如图6所示。当LAN的通信量足够低时，来自ISDN终端的恒定速率的压缩视频由网关编码转换器80不经改变地被转送到LAN上。然而，在LAN拥挤的时间里，网关编码转换器80能够减小LAN上所要求的视频数据速率。控制机制不必返回到初始编码器80。因此，传送到可能是地球上任何地方的远程编码器的延迟时间及其反应时间这样的潜在问题不会产生。此外，与诸如离散64Kbit/s左右步长在H.320/H.221的可能的20毫秒界限相比，编码转换器能够使速率发生几乎任意大小及在任意时刻的变化。

附于可变比特率变换的另一实施例出现在诸如移动式应用之类的网络上，其中自动重复请求(ARQ)机制动态地减小有效的通过率。

上述可变比特率的应用实例中，编码转换器通常不随反量化器44的量化指数而变化，对量化器46也是这样。因此编码转换器不会损害图象的质量。在相对短期内去缓和传送问题只地引起编码转换器80的比特率减小。任何图象质量的暂时下降都要比通常在预测算法上数据损耗的后果可取得多。

按本发明的编码转换器也适合用于将来自一个终端例如LAN上的终端86的恒定比特率变换为通过ATM网络传送的VBR数据。

来自本发明的编码转换器的编码数据可传送到以传送的数据码速运行的解码器或者以更高的数据速率，例如初编码器的速率运行的解码器。

Claims (8)

1、一种编码转换器，包括一个用来对按照使用预测编码的第一编码方案编码的输入视频信号进行解码的解码器(40，44)，以产生一个中间信号，及一个用来按照使用预测编码的第二编码方案对该中间信号进行再编码的编码器(46，48)，其特征在于：该解码器被设置得部分地解码该输入视频信号以产生该中间信号，并且该转换器还包括漂移补偿装置，后者具有帧间预测解码装置，当编码器对中间信号的一个给定帧作再编码时，估计由再编码引入的误差并将一个校正信号提供到该信号的后面部分的再编码。

2、根据权利要求1的编码转换器，其中漂移补偿装置包括：

(a)第一预测解码装置(52，56，60)，完全解码中间信号；

(b)第二预测解码装置(54，58，62)，完全解码编码器的输出；

(c)用于从第一和第二预测解码装置的输出之间的差来形成校正信号的装置(63，64)。

3、根据权利要求1的编码转换器，其中漂移补偿装置包括：

(a)用于对中间信号和编码器的输出进行相减来形成一个差信号的装置(70)；及

(b)用于预测编码该差信号来形成校正信号的装置(74，76)。

4、根据权利要求3的编码转换器，其中二种编码方案均使用变换编码，减法装置(70)用于接收频域内的信号，该转换器还包括用于将差信号变换成象素域的反变换装置(72)，和用于将校正信号变换成频域的装置(78)。

5、根据权利要求1-4之一的编码转换器，其中漂移补偿装置设置得仅当校正信号超过一个域值时才提供校正信号。

6、根据权利要求1-4之一的编码转换器，其中该解码器包括一个反量化器(44)，该编码器包括一个量化器(46)，量化器和反量化器的量化步长不同。

7、根据权利要求1-4之一的编码转换器，其中所述的编码方案使用运动补偿预测编码，该转换器还包括用于从输入视频信号中抽取运动补偿信息、根据两个编码方案的相对特性修正该运动补偿信息和组合该运动补偿信息与再编码的视频信号的装置(45，50)。

8、根据权利要求7的编码转换器，其中用于抽取、修正和组合运动补偿信息的装置(45，50)设置来根据两个编码方案的相对分辨率来定标运动补偿信息。

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