CN1147162C - 用于减少对在视频解码器中存储基准帧的存储要求的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种压缩(114)基准帧信息(116)以有效地利用视频解码器内的存储器的方法和设备。具体地，本发明以压缩的格式存储一或多个基准帧，然后当需要时再调用和解压缩这些帧的部分以解码包含视频信息的一接收的位流(124)内的预测的帧。

Description

用于减少对在视频解码器中存储基准帧的存储要求的方法和设备
本发明要求1997年9月26日递交的序列号为60/060,112的美国临时申请的利益，该申请被结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种预测视频解码器，且更具体地，涉及用于有效地在一预测视频解码器中存储基准帧的方法和设备。
背景技术
随着在消费电器和个人计算机两者中广泛使用的数字视频解码器的进步，这些解码器必须以不昂贵的方式被制做。在例如MPEG(运动图象专家组)顺从解码器的预测视频解码器中，视频序列内的某些帧必须作为基准帧被存储，因为它们被用来对该视频序列内的其他帧进行解码。为存储这些基准帧，以MPEG的术语，这些帧被称之为I和P帧，存储器的相当大的量被要求支持这些解码器功能。当前的MPEG解码器仅仅存储整个帧的解压缩的象素化(pixelated)的视频信息作为这些基准帧。这些帧接着被用来解压缩和预测该视频序列中的其他帧，例如所谓的B帧。减少用于存储这些基准图象所需的存储器的量将基本上降低了MPEG解码器的整体成本。
因此，本技术领域需要有效地实现基准帧存储的方法和设备。
发明内容
通过本发明的压缩基准帧信息以有效地实现在基于块的视频解码器中的存储器的方法和设备，与现有技术有关的缺陷被克服。具体地，本发明以一压缩的格式存储一或多个基准帧，然后当被需要对一接收的位流中的预测的帧进行解码时，再调用且解压缩这些帧的部分。在任何时间点，在MPEG标准下，有两个基准帧必须被存储由MPEG解码器使用。一个基准帧(基准A)被用于产生一未来的基准帧，例如，一I帧被用来预测一P帧而一P帧被用来产生另一P帧。另一基准帧(基准B)不被用来产生一未来的基准帧而仅被用来产生一或多个预测的帧，例如B帧。为保证在该解码的成象内生成极小量的失真，当压缩基准A帧时，应使用无损失或高质量的压缩技术，而可使用有损失或无损失压缩技术来压缩基准B帧。一有损失压缩技术可被使用来压缩基准B帧，因为这些帧不被使用来预测基准帧且，例如在解码的图象中生成的任何误差不被累积。注意在一MPEG类型的系统中，当一先前被解码的基准帧被使用来预测下一基准帧以及预测的帧时，本发明解码并存储基准A帧直至它被用来解码另一基准帧。一旦该新的基准帧被解码，该新的基准帧被视为一基准A帧且先前基准A帧被重命名一基准B帧。另外，一旦重命名基准B帧可被进一步压缩(如果期望的话，使用有损失压缩)，因为它不再被用来预测一基准帧。每当一新的基准帧被解码时，本发明解码且替换基准B帧。
为实现本发明，附加电路被加至一常规的基于块的视频解码器。一常规的基于块的视频解码器包含一可变长度解码器、一逆量化器、一反DCT单元、一加法器、一视频显示存储器、基准帧存储器和一运动补偿处理器。本发明加上至少一压缩器/解压器作为连接至该基准帧存储器的一输入/输出装置。如果使用不同的压缩技术存储两基准帧。则使用一或两个压缩器/解压器。通常，常规的解码器元件象往常一样地工作，除了当一基准帧被解码时，在该帧在基准帧存储器中存储之前在该压缩器内被压缩外。然后，无论何时该基准帧的一具体部分被需要用于解码另一图象，该部分不破坏地从存储器被再调用，解压缩并传送给运动图象处理器以在解码图象中使用。通过使用本发明，存储器的相当大量被省去用于其他处理的或可从该解码器中去除。
附图的简要说明
通过以下结合附图进行的详细描述可容易地理解本发明，附图中：
图1示出了结合本发明的一基于块的视频解码器；
图2示出了代表本发明的操作的流程图；
图3示出了当使用一可变长度编码技术来压缩一基准图象时，本发明使用的一存储器结构；
图4示出了当使用一固定长度编码技术来压缩一基准图象时，本发明使用的一存储器结构；
为便于理解，在这些附图中，相同的参考数字被用来表示相同的元件。
具体实施方式
图1示出了被配置来处理以MPEG样格式配置的视频数据的一示例性视频解码器100。该解码器100类似于多个已知的运动补偿的预测视频解码器(基于块的视频解码器)且因此省去了对有关该解码器的常规元件的详细描述。
沿路径124提供一基于块的编码的视频信号(一MPEG顺从信号)到可变长度解码器102。该可变长度解码器(VLD)102执行作为其主要功能的可变长度解码，但也提供例如锯齿反处理的辅助处理，去除该视频流中的首部信息和其他控制数据，并抽取被提供给运动补偿处理器112的运动矢量信息。VLD102还生成被提供给反量化器104的多个量化的DCT数据块。该反量化的信息然后被提供给反DCT单元106。该IDCT单元106响应于由该反量化器生成的这些系数块并生成象素信息的矩阵(例如8×8阵列)。这些阵列以预定的次序被提供给一加法器108。到加法器108的第二输入被提供以如下所述的运动补偿的图象信息。加法器108的输出数据对应于解压缩的、运动补偿的象素值。这些值被输入给视频显示存储器(VRAM)110，在该VRAM110中这些象素被累计直至一整个帧的图象信息被汇编。接着，在该视频显示RAM中累计的视频信号被最后提供给一显示装置，例如电视屏幕或计算机显示器。
VLD102的输出信号还被提供给一运动补偿处理器112，产生被提供给加法器108的第二输入的运动补偿的视频块。为进行运动补偿，该视频序列内的基准帧(还被称为锚帧)必须被存储以被使用对在该视频流内的被预测的各种不同的帧进行运动补偿。在一MPEG顺从流内，基准帧被从其预测的若干帧所点缀，例如I和P帧被散置在B帧中。这样，I和P帧必须作为基准帧被存储以实现B帧的解码。另外，I帧和P帧被用来实现P帧的解码。
本发明采用作为用于基准帧存储器120的输入/输出装置的压缩/解压缩器114。这样，基准帧必须被压缩以被存储且当由用于其他帧的预测的运动补偿处理器112使用时，该被压缩的基准帧的部分必须被解压缩。通常，一MPEG顺从解码器要求一次存储两个基准帧。这样，本发明使用一压缩/解压缩器来压缩和解压缩一对基准帧。
具体地，解码器100包含一帧压缩/解压缩器114以及用于临时存储基准帧118和120的两帧缓冲器(帧存储器116)。压缩/解压缩器114被连接至加法器108。压缩/解压缩器114被连接至基准存储器116以及运动补偿处理器112。
本发明使用单个压缩/解压缩器114以处理一基准A帧并非常精确地存储所有帧信息，例如使用高精度、无损失压缩技术。然而，当解码一新的基准帧且重命名基准A帧为一基准B帧时，被用于存储有关该基准帧内的图象的详细的信息122，例如高频象素数据的存储单元可被忽略以使用于详细的信息的存储器位置可被用于存储其他信息。这事实上生成了对基准B帧的有损失压缩。因此，更少的总存储器被用来存储两帧基准成象且详细的信息的损失基本上不影响MPEG顺从位流中例如B帧的预测的帧的解码。一地址发生器128提供用于再调用压缩的帧的适当部分的地址用于解压缩。这样，实际上当需要时该发生器通过再调用该适当的信息来重命名这些基准帧。尽管图1示出了单个基准帧，一对存储器可被用作为分开的帧缓冲器。另外，尽管一单个的压缩器/解压缩器被示出和描述，一对压缩器/解压缩器可被使用以分别地处理各基准图象的压缩和解压缩。这些单独的压缩器/解压缩器将使该解码器能实现用于压缩各种基准帧的不同的压缩技术。这样，为重命名这些基准帧并对基准B使用有损失压缩技术，基准A将被再调用、解压缩且然后使用一有损失压缩技术被再压缩。该再被压缩的基准A(老基准)将被存储为基准B。图2示出了本发明用于解码及压缩基准图象以实现对图1的解码器100的有效存储器利用的流程200。为最佳地理解本发明的操作，一MPEG样位流的内容的概述被给出。总之，在MPEG样位流中，代表一图象群(GOP)内的第一锚帧的数据被进行帧内编码，且代表其余帧的数据被进行帧间编码。该代表被帧内编码的帧的数据通过将代表一图象帧的象素分段成各自的8×8块并对各块中的象素数据执行离散余弦变换(DCT)而被生成。对于第一被帧内编码的帧，没有运动矢量生成，即该帧内信息在一I帧内不被运动补偿。
可替换地，通过从先前帧，后随帧，或两者预测图象帧；确定该被预测的和实际帧之间的差异；并对剩余数据的8×8块执行DCT。这些帧问DCT系数代表帧差数据。运动矢量，对于帧间编码的帧是识别若干帧内的象素的8×8块的群的码字，预测帧从这些若干帧被生成，这些块必须与当前被编码的帧内的当前正被处理的块紧密地相匹配。
通常可被解码的一GOP内的第一帧是一帧内编码的帧(I帧)，其不被进行运动补偿且这样该运动补偿处理器将零提供给图1的加法器108的第二输入。因此，在步骤202，该I帧数据被解码并被提供给压缩/解压缩器114的输入端。这样，该I帧被压缩且存储在基准存储器120中作为基准A(即最新的基准帧)。在步骤204，下一基准帧，跟随该I帧的一帧间编码的帧(P帧)被解码并被压缩以形成一第二基准(对于现在基准B)。由于该第二基准帧(P帧)现是最新的基准帧，在步骤206，第一基准帧是被重命名的基准B且该最新的基准帧是基准A。这样，使用该程序，被解码的该最新的基准帧总是基准A。另外，如果附加存储器将被省去，当该新基准帧被解码时被存储的详细信息122可被删除或当该基准帧被重命名时被使用用于存储其他的信息。该详细信息对于解码一MPEG顺从位流的B帧是不需要的。可替换地，如果使用两压缩技术，在重命名步骤206，该老基准帧可被再压缩并存储作为基准B。
使用这两个基准帧，在步骤208，位于帧内编码的帧之间的视频流内的其余数据被解码。这样使用两基准帧对所有的帧间编码的帧(B帧)进行解码。为实现解码，用于然后被解码的帧间编码的帧的一基准帧的适当部分被非破坏地从帧存储器再调用并被解压缩以在运动补偿中使用。
当下一基准帧到达时，程序200返回到步骤204以解码并压缩该基准帧。它变成新的基准帧以使先前解码的帧变成基准B且新解码的基准帧变成基准A。然后，这两帧被使用以解码预测的帧且如此直至整个GOP被解码。当各新的I帧被识别时，在步骤202开始程序200。
各种形式的压缩和解压缩可与本发明结合使用。然而，应注意到该技术必须是适合于在这些基准帧的区域的存储器内随机存取。在一MPEG顺从系统中，必须可用16×16象素块(或17×17象素块，如果使用半象素(half-pei)内插)的随机存取。为实现基准图象的区域的存取和解压缩，基准图象可被划分成若干区，例如16×16块，逐区地被单独地压缩。该用于各区的压缩技术可以是固定长度或可变长度。在压缩方面，可变长度编码技术是更有效的，使用固定长度编码技术更适合于一指针系统以实现这些区的随机存取。为进一步加强压缩，该区域的压缩可依据于相邻区而被进行；然而，相对于提高的编码复杂度，附加的压缩效率则被交换。
图3示出用于可变长度编码的基准帧的存储器结构300，包括一存储器数据空间320和一指针数据空间310。为使用一可变长度编码技术，该基准图象的这些区域已被进行可变长度编码且在存储器空间320中被存储作为若干数据段，例如块0数据、块1数据等至块N一1数据。由于这些段根据它们代表的该基准帧的部分的内容在长度上是变化的，这些段不在任何固定存储单元开始或结束。这样，为实现用于解压缩和运动补偿的区域的恢复，需要识别各段的存储位置的多个指针。这样，要求一具体区时，存储器地址发生器将首先寻址指针存储器空间310以检索识别对应于所期望的区的该区的地址的一指针。这样，该指针存储器空间将这些区域映射到存储器空间320内的区域位置。可变长度编码技术包括基于子波、基于DCT、形态编码器，例如JPEG的标准单帧图象压缩技术等。如果要求一定的存储器尺寸限度，则可使用一位利用控制单元(位速控制器)以确保由该压缩技术使用的位数在由该存储器确定的一位预算内。
图4示出了用于固定长度编码的基准帧的一存储器结构400，包括一存储器数据空间420。为使用一固定长度编码技术，该基准图象的这些区域已被进行固定长度编码并存储在存储器空间320中作为若干段数据，例如块0数据、块1数据等至块N-1数据。由于这些在长度上固定的段，这些段在相对于第一存储单元(ADDR1)的固定的若干存储单元开始和结束。这样，为实现这些区域的检索用于解压缩和运动补偿，存储器地址发生器仅仅寻址一特定段数据的已知位置而不使用一指针存储器。该特定地址通过将一区域号(X)乘以加至ADDR1的一段(K)中的字节数而被计算。数学上，期望的地址是K*X+ADDR1。这样，当要求一特定区域时，存储器地址发生器计算该地址并直接寻址该期望的区的该段。
图4的存储器结构可被使用以通过截削该编码的帧的较高阶位来存储可变长度编码的基准帧以使这些编码的段装配在该固定长度的存储单元内。该被截削的信息可被分别存储作为上面讨论的被用来解码一新基准帧并在将一基准帧从基准A转换成基准B时被删除的“详细信息”。
作为可被用来压缩这些基准帧的一固定长度压缩技术的简单例子，一群解码的取样在被标识为块X-1、X-2、X-3和X-4的2×2块中被配置。块X-1被满精度，例如8位地进行编码，而其他的图象被编码作为差。这样，使用具有4位的一对数量化器，图象X-2减X-1被编码，X-3减X-1被编码，及X-4减X-1被编码。使用该简单的压缩方案，在存储满精度块时，存储器节省高达37％。该技术具有较小的失真并由于恒定的长度码字而提供一预定的寻址技术。
尽管已示出并详细描述本发明的各种实施例，本领域的熟练技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的前提下作出各种改型和变化的实施例。

Claims (8)

1、在一视频解码器中的一种解码位流中的视频信息的方法，包括步骤：
解码所述位流的第一基准帧；
压缩所述第一基准帧以形成一压缩的第一基准帧；
在一存储介质中存储所述压缩的第一基准帧；
在需要时再调用并解压缩所述的压缩的第一基准帧的至少一部分以解码所述位流以生成视频信息；解码所述位流的第二基准帧；
压缩所述第二基准帧以形成一压缩的第二基准帧；
在一存储介质中存储所述压缩的第二基准帧；
在需要时再调用并解压缩所述的压缩的第二基准帧的至少一部分以解码所述位流以生成视频信息。
2、根据权利要求1的方法，还包括有步骤：用压缩的第二基准帧替换压缩的第一基准帧。
3、在一视频解码器中的一种解码位流中的视频信息的方法，包括步骤：
解码所述位流的第一基准帧；
压缩所述第一基准帧以形成一压缩的第一基准帧；
在一存储介质中存储所述压缩的第一基准帧；
在需要时再调用并解压缩所述的压缩的第一基准帧的至少一部分以解码所述位流以生成视频信息；
使用所述的压缩的第一基准帧以解码一压缩的第二基准帧；
重命名所述的压缩的第二基准帧作为所述的压缩的第一基准帧及所述的压缩的第二基准帧作为所述的压缩的第一基准帧；以及
解压缩所述压缩的第一和第二基准帧的部分以解码所述位流。
4、在一基于块的视频解码器中的一种利用编码的视频信息的一位流中包含的基准帧的方法，包括有步骤：
(a)解码并压缩第一基准帧；
(b)解码并压缩第二基准帧；
(c)选择地解压缩所述第一或第二基准帧的部分以解码所述位流中的其他帧；
(d)当解码所述位流的各新的基准帧时，用所述新的基准帧替换所述第一和第二基准帧中的一个；且
(e)重复步骤(c)和(d)。
5、根据权利要求4的方法，其中所述替换步骤还包括有步骤：
当替换所述第一和第二基准帧中的一个时，删除被存储作为一其余基准帧的部分的一些信息。
6、根据权利要求5的方法，其中所述压缩步骤还包括有步骤：
将一基准图象划分成若干区；
分别地压缩各区；及
存储所述压缩的区。
7、一种用于解码包含视频信息的一位流的视频解码器，包括：
一基准帧解码器；
一第一压缩器/解压器，被连接至所述基准帧解码器，用于压缩和解压缩基准帧；
一第一存储器，被连接至所述压缩器/解压器，用于存储所述压缩的基准帧直至所述基准帧的部分被需要用于解码其他帧；一第二压缩器/解压器，被连接至所述基准帧解码器，用于压缩和解压缩基准帧；以及
一第二存储器，被连接至所述压缩器/解压器，用于存储所述压缩的基准帧直至所述基准帧的部分被需要用于解码其他帧。
8、根据权利要求7的视频解码器，其中所述第一压缩器/解压器执行有损失压缩而所述第二压缩器/解压器执行无损失压缩。
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