CN118158415A - 可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法 - Google Patents

可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法，用来编码一视频序列的多张连续帧，该多张连续帧依序包括一第一帧、一第二帧与一第三帧，每一帧是由(X+Y+Z)列影像组成。该算法包括：以一帧内编码方式编码该第一帧的X列影像，并以一帧内帧间和/或帧内帧内编码方式编码该第一帧的其他列影像；以该帧间编码方式编码该第二帧的X列影像，并以该帧内编码方式编码该第二帧的Y列影像，再以该帧内帧间和/或帧内帧内编码方式编码该第二帧的Z列影像；以该帧间编码方式编码该第三帧的X列与Y列影像，并以该帧内编码方式编码该第三帧的Z列影像。该X列、Y列与Z列影像的每一组是不连续的。该X、Y与Z的每一个为不小于二的整数。

Description

可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法
技术领域
本发明涉及影像压缩算法，尤其涉及可实现逐渐解码刷新的编码算法。
背景技术
一视频序列(video sequence)由一连串的帧(frames)组成。视频压缩方法是基于减少该视频序列的冗余(redundancy)。该冗余包括频谱冗余(spectral redundancy)、空间冗余(spatial redundancy)与时间冗余(temporal redundancy)。该频谱冗余是关于同一帧中不同色彩成分(color components)之间的相似处；该空间冗余是关于同一帧中相邻像素之间的相似处；该时间冗余会存在是因为出现在一先前帧的物体很可能出现在一当前帧。
关于压缩帧，没有利用时间冗余压缩方法的压缩帧(或说以帧内编码(intracoding)方式产生的压缩帧)称为帧内帧(intra frame(I frame))(以下简称I帧)，利用时间冗余压缩方法的压缩帧(或说以帧间编码(inter coding)方式产生的压缩帧)称为帧内帧/预测帧(inter frame(P frame))(以下简称P帧)。一压缩视频序列可粗略地分类为I帧与P帧，如图1所示；图1的压缩方法称为瞬时解码刷新(instantaneous decoding refresh(IDR))算法。然而，由于I帧的码率甚大于P帧的码率，因此，利用IDR算法所产生的压缩视频序列的码率变化是不平稳的，这可能造成带宽(bandwidth)的浪费。
为了避免压缩视频序列的码率变化不平稳，逐渐解码刷新(Gradual DecoderRefresh(GDR))算法被用来取代IDR算法。图2示出了GDR算法的基本理念，其使用连续三张GDR帧代替以I帧为起始的连续三张帧；由于每张GDR帧仅有一部分(即，图2中的GDR帧的圆点区域)是以帧内编码方式产生，故每张GDR帧的码率通常小于该I帧的码率，因此，GDR算法能保证压缩视频序列的码率变化平稳。应当注意的是，以GDR算法产生的压缩视频序列的总帧数(例如：图2中的十帧)会等同于以IDR算法产生的压缩视频序列的总帧数(例如：图1中的十帧)。
图3示出了连续三张GDR帧的编码过程。在实际的编码过程中，每张帧会被划分为多个编码树单元(coding tree unit(CTU))，这些CTU按照从左到右与从上到下的顺序被编码，以产生一GDR帧。图3中，每张GDR帧的每个方格表示一编码后的CTU，且每张GDR帧的斜线区域为使用帧内编码的区域、圆点区域为使用帧间编码的区域、灰色区域为使用帧内编码和/或帧间编码的区域，其中每个区域的编码量大小可按照实施需求而定。通常而言，斜线区域会被赋予更多的码率，相应的，其压缩失真(compression artifacts)会相对较少；灰色区域的码率最低，其压缩失真通常最多。图3中，由于每张GDR帧的灰色区域是连续的，因此，该灰色区域的压缩失真容易被人眼察觉；此外，同张GDR帧中，该斜线区域通常会被分配较多的码率，由于在同一行(row)中该斜线区域是连续的，对同一行的该斜线区域做连续的码率调整在时间上是较急迫的，从而该码率调整难以精确。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可实现分散式逐渐解码刷新(Gradual DecodingRefresh(GDR))的编码算法，以避免现有技术的问题。
本发明的编码算法的一实施例是用来编码一视频序列(video sequence)的多张连续帧，该多张连续帧依序包括一第一帧、一第二帧与一第三帧等等，该第一帧、该第二帧与该第三帧的每一张是由N列(column(s))影像组成。该实施例包括下列步骤：以一帧内编码(intra coding)方式编码该第一帧的X列影像，并以一帧间编码(inter coding)方式和/或该帧内编码方式编码该第一帧的其他(N-X)列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中该第一帧的该X列影像不连续；以该帧间编码方式编码该第二帧的X列影像，并以该帧内编码方式编码该第二帧的Y列影像，再以该帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该第二帧的其他(N-X-Y)列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中该第二帧的X列影像的位置对应该第一帧的X列影像的位置，该第二帧的该Y列影像不连续；以及以该帧间编码方式编码该第三帧的X列影像，以该帧间编码方式编码该第三帧的Y列影像，并以该帧内编码方式编码该第三帧的Z列影像，从而产生一第三分散式GDR帧，其中该第三帧的X列影像的位置对应该第二帧的X列影像的位置，该第三帧的Y列影像的位置对应该第二帧的Y列影像的位置，该第三帧的该Z列影像不连续，其中该N为不小于六的整数，该X、该Y与该Z的每一个为不小于二的整数。。
本发明的编码算法的另一实施例用来编码一视频序列的多张连续帧，该多张连续帧依序包括一第一帧与一第二帧等等，该第一帧与该第二帧的每一张是由N列影像组成。该实施例包括下列步骤：以一帧内编码方式编码该第一帧的X列影像，并以一帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该第一帧的其他(N-X)列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中该第一帧的该X列影像不连续；以及以该帧间编码方式编码该第二帧的X列影像，并以该帧内编码方式编码该第二帧的Y列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中该第二帧的X列影像的位置对应该第一帧的X列影像的位置，该第二帧的该Y列影像不连续，其中该N为不小于四的整数，该X与该Y的每一个为不小于二的整数。。
有关本发明的特征、实施与功效，现结合附图对优选实施例详细说明如下。
附图说明
图1示出了瞬时解码刷新算法的基本理念；
图2示出了逐渐解码刷新(GDR)算法的基本理念；
图3示出了连续三张GDR帧的编码过程；
图4示出了本发明的编码算法的基本理念；
图5示出了本发明的编码算法的一实施例；
图6示出了图5中的第一、第二与第三分散式GDR帧的编码过程的一实施例；
图7示出了图5中的第一、第二与第三分散式GDR帧的编码过程的另一实施例；以及
图8示出了本发明的编码算法的另一实施例。
附图标记说明：
I帧：以帧内编码方式产生的压缩帧
P帧：以帧间编码方式产生的压缩帧
GDR帧：利用逐渐解码刷新(GDR)算法所产生的压缩帧
分散式GDR帧：利用本发明的编码算法所产生的的压缩帧
S510～S530：步骤
S810～S820：步骤
具体实施方式
本说明书披露一种可实现分散式逐渐解码刷新(Gradual Decoding Refresh(GDR))的编码算法，能够分散一GDR帧的帧内编码区块(intra-coded blocks)(例如：后述的帧内编码编码树单元(intra-coded coding tree unit(CTU)))，以获得更多时间来调整这些帧内编码区块的码率，并避免压缩失真(compression artifacts)集中在该GDR帧的某个区域。本说明书所披露的编码算法，可实现在一编码器(encoder)。
图4示出了本发明的编码算法的基本理念。图4示出了一视频序列(videosequence)的多张连续帧(frames)被编码及压缩，以产生多张连续压缩帧。图4中，该多张连续压缩帧依序包括三张分散式GDR帧、二张帧内帧(inter frame(P frame))(以下简称P帧)、三张分散式GDR帧、二张P帧等等，但本发明的实施不限于此。图4中，每三张连续分散式GDR帧用来代替以一张瞬时解码刷新(instantaneous decoding refresh(IDR))算法所产生的帧内帧(intra frame(I frame))(以下简称I帧)开始的三帧(即，每三张连续分散式GDR帧用来代替一张I帧与随后的二张P帧)，且每张分散式GDR帧的帧内编码区块是不连续的，因此，本实施例可获得更多时间来调整这些帧内编码区块的码率，并避免压缩失真集中在该分散式GDR帧的某个区域。
图5示出了本发明的编码算法的一实施例，该实施例用来编码一视频序列的多张连续帧。该多张连续帧依序包括一第一帧、一第二帧与一第三帧等等。该第一、第二与第三帧的每一张是由N列(column(s))影像组成，该N列影像包括X列影像、Y列影像与Z列影像，该X/Y/Z列影像整体而言不连续，其中每列影像是由多个CTU组成(即，每列影像的一基本单位为一CTU)，该N为不小于六的整数，该X、Y与Z的每一个为不小于二的整数。图5的实施例包括下列步骤：
S510：以一帧内编码(intra coding)方式编码该第一帧的X列影像，并以一帧间编码(inter coding)方式和/或该帧内编码方式编码该第一帧的其他(N-X)
列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中该第一帧的该X列影像整体而言不连续。本步骤可进一步包括下列技术特征的至少其中之一：
(1)该第一帧的该X列影像的帧内编码不参考该第一帧的该(N-X)列影像的数据。进一步而言，该第一帧的该X列影像的帧内编码仅被允许参考该第一帧的该X列影像的数据。
(2)该第一帧的该X列影像的任意二列(columns)不连续。因此，该第一分散式GDR帧的帧内编码CTU的任意二列(列如：图6的左侧帧中以斜线标示的CTU的任意二列)是不连续的二列。
S520：以该帧间编码方式编码该第二帧的X列影像，并以该帧内编码方式编码该第二帧的Y列影像，再以该帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该第二帧的其他(N-X-Y)列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中该第二帧的该X列影像的位置对应该第一帧的该X列影像的位置，该第二帧的该Y列影像整体而言不连续。本步骤可进一步包括下列技术特征的至少其中之一：
(1)由于该第一帧的该(N-X)列影像不是可信赖的参考对象，该第一帧的该(N-X)列影像被定义为脏污区域(dirty area)，因此，该第二帧的该X列影像的帧间编码不参考该第一帧的该(N-X)列影像的数据。进一步而言，在该第一帧的该X列影像被编码完成后，该第一帧的该X列影像被定义为干净区域(clean area)，因此，该第二帧的该X列影像的帧间编码仅被允许参考该第一帧的该帧内编码的X列(即，该第一分散式GDR帧的该相对应的X列)影像的数据。
(2)由于该第二帧的该(N-X-Y)列影像不是可信赖的参考对象，该第二帧的该(N-X-Y)列影像被定义为脏污区域，因此，该第二帧的该Y列影像的帧内编码不参考该第二帧的该(N-X-Y)列影像的数据。进一步而言，由于该第二帧的该X列影像的帧间编码参考了可靠的对象(即，该第一分散式GDR帧的该X列影像的数据)，故该第二帧的该X列影像也被定义为干净区域；因此，该第二帧的该Y列影像的帧内编码仅被允许参考该第二帧的该帧间编码的X列(即，该第二分散式GDR帧的该相对应的X列)影像的数据与该第二帧的该Y列影像的数据。
(3)该第二帧的该Y列影像的任意二列(columns)不连续。因此，该第二分散式GDR帧的帧内编码的任意二列(列如：图6的中间帧中以斜线标示的任意二列)是不连续的二列。
S530：以该帧间编码方式编码该第三帧的X列影像，以该帧间编码方式编码该第三帧的Y列影像，并以该帧内编码方式编码该第三帧的Z列影像，从而产生一第三分散式GDR帧，其中该第三帧的该X列影像的位置对应该第二帧的该X列影像的位置，该第三帧的该Y列影像的位置对应该第二帧的该Y列影像的位置，该第三帧的该Z列影像整体而言不连续。
本步骤可进一步包括下列技术特征的至少其中之一：
(1)该X、Y与Z相同。
(2)该N等于(X+Y+Z)，因此，该第一分散式GDR帧、该第二分散式GDR帧与该第三分散式GDR帧共同地代替连续三张以I帧起始的图像帧。一般而言，若一视频序列的每张帧的宽度为W(pixels)、一张GDR帧的帧内编码区域的宽度总和为WGDR(pixels)、以及W/W_GDR等于K，K张GDR帧可共同地代替从I帧起始的连续K张图像帧；若W无法被W_GDR整除，W/W_GDR可被无条件进位至最接近的整数(rounded up to the nearest whole digit)，该整数被当作K。
(3)由于该第二帧的该(N-X-Y)列影像不是可信赖的参考对象，该第二帧的该(N-X-Y)列影像被定义为脏污区域，因此，该第三帧的该X列影像与该Y列影像的帧间编码不参考该第二帧的该(N-X-Y)列影像的数据。进一步而言，在该第二帧的该X列影像与该Y列影像被编码完成后，该第二帧的该X列影像与该Y列影像被定义为干净区域，因此，该第三帧的该已编码的X列影像与该Y列影像的帧间编码仅被允许参考该第二帧的该X列影像与该Y列(即，该第二分散式GDR帧的该相对应的X列与Y列)影像的数据。
(4)当该N大于(X+Y+Z)时，图5的实施例会进一步产生至少一张分散式GDR帧(例如：第四分散式GDR帧)；此时，对步骤S530而言，该第三帧的其他(N-X-Y-Z)列影像不是可信赖的参考对象，因此，该第三帧的该Z列影像的帧内编码不参考该第三帧的该(N-X-Y-Z)列影像的数据，此外，步骤S530会进一步包括：以该帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该其他(N-X-Y-Z)列影像。进一步而言，由于该第三帧的该X列影像与该Y列影像的帧间编码参考了可靠的对象(即，该第二分散式GDR帧的该X列影像与该Y列影像的数据)，该第三帧的该X列影像与该Y列影像也被定义为干净区域；该第三帧的该Z列影像的帧内编码仅被允许参考该第三帧的该已编码的X列与Y列的数据以及该第三帧的该Z列影像的数据。
(5)该第三帧的该Z列影像的任意二列(columns)连续或不连续。因此，该第三分散式GDR帧的帧内编码的任意二列(例如：图6的右侧帧中以斜线标示的任意二列)是不连续的二列。
图5的实施例可选择性地包括以下技术特征的至少其中之一：
(1)该N列影像的任意二列具有相同水平宽度与垂直长度，且该N列影像的每一列的垂直长度等同于该第一帧、该第二帧与该第三帧的每一张的垂直长度；
(2)该第一分散式GDR帧的数据量小于该第一帧的数据量；该第二分散式GDR帧的数据量小于该第二帧的数据量；以及该第三分散式GDR帧的数据量小于该第三帧的数据量。
(3)该第一帧的该X列影像的位置是预定的或随机决定的；该第二帧的该Y列影像的位置是预定的或随机决定的；以及该第三帧的该Z列影像的位置是预定的或随机决定的。
图6示出了图5的第一、第二与第三分散式GDR帧的编码过程的一实施例。图6中，每张分散式GDR帧的每个方格表示一编码后的编码树单元(coding tree unit(CTU))(即，编码区块)，每个CTU的大小为64×64个像素(pixels)，每张分散式GDR帧的斜线区域为使用帧内编码的区域、圆点区域为使用帧间编码的区域、灰色区域为使用帧内编码和/或帧间编码的区域，其中每个区域的编码量大小可依实施需求而定。通常为了整体序列的主观效果，不同区域压缩码率(bit rate)可被动态调整，斜线区域(被允许具有较高的压缩码率)的压缩失真(compression artifacts)通常较少、圆点区域(被允许具有较低的压缩码率)的压缩失真通常较多以及灰色区(被允许具有最低的压缩码率)域的压缩失真通常最多；然此并非本发明的实施限制。图6中，由于每张分散式GDR帧的灰色区域是不连续的，因此，该灰色区域的压缩失真不容易被人眼察觉；此外，同张分散式GDR帧中，该斜线区域通常会被分配较多的码率，由于在同一行(row)中该斜线区域是不连续的，也就是说在同一行中任意二个斜线方格是不连续的，对同一行的该斜线区域做码率调整在时间上是较从容的，从而该码率调整可相对地精确。应当注意的是，图6的分散式GDR帧的分散样式仅为范例；本领域具有通常知识者可依本发明推衍出其他分散样式(例如：图7)。
图8示出了本发明的编码算法的另一实施例，该实施例用来编码一视频序列的多张连续帧，该多张连续帧依序包括一第一帧与一第二帧等等，该第一与第二帧的每一张是由N列影像组成，该N列影像包括X列影像与Y列影像，该X和/或Y列影像整体而言不连续，其中每列影像是由多个CTU组成(即，每列影像的一基本单位为一CTU)，该N为不小于四的整数，该X与Y的每一个为不小于二的整数。该实施例包括下列步骤：
S810：以一帧内编码方式编码该第一帧的X列影像，并以一帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该第一帧的其他(N-X)列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中该第一帧的该X列影像整体而言不连续；以及
S820：以该帧间编码方式编码该第二帧的X列影像，并以该帧内编码方式编码该第二帧的Y列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中该第二帧的X列影像的位置对应该第一帧的X列影像的位置，该第二帧的该Y列影像整体而言不连续。应当注意的是，若该N等于(X+Y)，该第一分散式GDR帧与该第二分散式GDR帧共同地代替以I帧为起始的连续两帧(即，该I帧及跟随其后的一张P帧)。
应当注意的是，当该N大于(X+Y)时，图8的实施例会进一步产生至少一张分散式GDR帧(例如：第三分散式GDR帧)；此时，对步骤S820而言，该第二帧的其他(N-X-Y)列影像不是可信赖的参考对象，因此，该第二帧的该Y列影像的帧内编码不参考该第二帧的该(N-X-Y)列影像的数据，此外，步骤S820会进一步包括：以该帧间编码方式和/或该帧内编码方式编码该其他(N-X-Y)列影像。
由于本领域具有普通知识的技术人员能够参考图4～7的实施例的披露来了解图8的实施例的细节与变化，重复及冗余的说明在此省略。
应当注意的是，在能够实施的前提下，本技术领域具有普通知识的技术人员可选择性地实施前述任一实施例中的部分或全部技术特征，或选择性地实施前述多个实施例中的部分或全部技术特征的组合，以这样的方式增加本发明实施时的灵活性。
综上所述，本发明的编码算法通过分散一GDR帧的帧内编码区块，以获得更多时间来调整这些帧内编码区块的码率，并避免压缩失真集中在该GDR帧的某个区域。
虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有普通知识的技术人员可根据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征加以变化，这些种种变化均属于本发明所寻求的专利保护范围，换言之，本发明的专利保护范围应当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法，其特征在于，用来编码一视频序列的多张连续帧，所述多张连续帧依序包括一第一帧、一第二帧与一第三帧，所述第一帧、所述第二帧与所述第三帧的每一张是由N列影像组成，所述编码算法包括：
以一帧内编码方式编码所述第一帧的X列影像，并以一帧间编码方式和/或所述帧内编码方式编码所述第一帧的其他(N-X)列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中所述第一帧的所述X列影像不连续；
以所述帧间编码方式编码所述第二帧的X列影像，并以所述帧内编码方式编码所述第二帧的Y列影像，再以所述帧间编码方式和/或所述帧内编码方式编码所述第二帧的其他(N-X-Y)列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中所述第二帧的X列影像的位置对应所述第一帧的X列影像的位置，所述第二帧的所述Y列影像不连续；以及
以所述帧间编码方式编码所述第三帧的X列影像，以所述帧间编码方式编码所述第三帧的Y列影像，并以所述帧内编码方式编码所述第三帧的Z列影像，从而产生一第三分散式GDR帧，其中所述第三帧的X列影像的位置对应所述第二帧的X列影像的位置，所述第三帧的Y列影像的位置对应所述第二帧的Y列影像的位置，所述第三帧的所述Z列影像不连续，
其中所述N为不小于六的整数，所述X、所述Y与所述Z的每一个为不小于二的整数。
2.根据权利要求1所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的编码不参考所述第一帧的所述其他(N-X)列影像的数据；所述第二帧的所述Y列影像的编码不参考所述第二帧的所述其他(N-X-Y)列影像的数据。
3.根据权利要求1所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的编码仅被允许参考所述第一帧的所述X列影像的数据；所述第二帧的所述Y列影像的编码仅被允许参考所述第二分散式GDR帧的相对应X列影像的数据与参考所述第二帧的所述Y列影像的数据；以及所述第三帧的所述Z列影像的编码仅被允许参考所述第三分散式GDR帧的相对应X列影像的数据、参考所述第三分散式GDR帧的相对应Y列影像的数据与参考所述第三帧的所述Z列影像的数据。
4.根据权利要求1所述的编码算法，其特征在于，所述第二帧的所述X列影像的编码不参考所述第一帧的所述其他(N-X)列影像的数据；以及所述第三帧的所述X列影像与所述Y列影像的编码不参考所述第二帧的所述其他(N-X-Y)列影像的数据。
5.根据权利要求1所述的编码算法，其特征在于，所述第二帧的所述X列影像的编码仅被允许参考所述第一分散式GDR帧的相对应X列影像的数据；所述第三帧的所述X列影像与所述Y列影像的编码仅被允许参考所述第二分散式GDR帧的相对应X列影像与Y列影像的数据。
6.根据权利要求1所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的任意二列不连续；所述第二帧的所述Y列影像的任意二列不连续；以及所述第三帧的所述Z列影像的任意二列不连续。
7.一种可实现分散式逐渐解码刷新的编码算法，其特征在于，用来编码一视频序列的多张连续帧，所述多张连续帧依序包括一第一帧与一第二帧，所述第一帧与所述第二帧的每一张是由N列影像组成，所述编码算法包括：
以一帧内编码方式编码所述第一帧的X列影像，并以一帧间编码方式和/或所述帧内编码方式编码所述第一帧的其他(N-X)列影像，从而产生一第一分散式GDR帧，其中所述第一帧的所述X列影像不连续；以及
以所述帧间编码方式编码所述第二帧的X列影像，并以所述帧内编码方式编码所述第二帧的Y列影像，从而产生一第二分散式GDR帧，其中所述第二帧的X列影像的位置对应所述第一帧的X列影像的位置，所述第二帧的所述Y列影像不连续，
其中所述N为不小于四的整数，所述X与所述Y的每一个为不小于二的整数。
8.根据权利要求7所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的编码不参考所述第一帧的所述其他(N-X)列影像的数据，所述第二帧的所述X列影像的编码不参考所述第一分散式GDR帧的相对应(N-X)列影像的数据。
9.根据权利要求7所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的编码仅被允许参考所述第一帧的所述X列影像的数据，所述第二帧的所述X列影像的编码仅被允许参考所述第一分散式GDR帧的相对应X列影像的数据，所述第二帧的所述Y列影像的编码仅被允许参考所述第二分散式GDR帧的相对应X列影像的数据与所述第二帧的所述Y列影像的数据。
10.根据权利要求7所述的编码算法，其特征在于，所述第一帧的所述X列影像的任意二列不连续；所述第二帧的所述Y列影像的任意二列不连续。
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