CN1258927C - 可缩放比例mpeg－2解码器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种具有可缩放比例IDCT系统的视频解码器系统。该系统包括：根据从本机资源控制器输入的复杂性预算确定复杂度的系统；以及IDCT系统，从多种缩放比例算法中选择缩放比例算法，其中选择的缩放比例算法对应于确定的复杂度。多种缩放比例算法中的每种缩放比例算法分别提供唯一数据修剪模式用于处理DCT数据。

Description

可缩放比例MPEG-2解码器
1.技术领域
本发明涉及对压缩视频信号的处理，更具体地说，本发明涉及利用数据修剪过程对MPEG-2视频解码器缩放比例的系统和方法。
2.现有技术
MPEG标准是运动图像专家组(MPEG)开发的、用于进行视频和音频压缩的一组演化标准。MPEG-1用于以约每秒1.5百万比特的传输速率对顺序图像进行编码。它尤其可以用于视频CD和CD-i媒体。MPEG-2用于以约每秒4百万比特的传输速率对交错图像进行编码的过程。MPEG-2标准可以用于各种应用场合，例如，数字电视(DTV)广播、数字视盘(DVD)技术以及视频存储系统。
根据MPEG-3标准，将视频序列划分为一系列GOP(图像组)。每个GOP以帧内编码图像(I图像)开始，之后排列正向预测编码图像(P图像)和双向预测编码图像(B图像)。I图像是被作为独立静止图像编码的字段或帧。
P图像是相对于I图像编码的字段或帧，或者在正向预测处理过程中获得P图像。利用运动补偿，P图像允许比I图像具有更高压缩，并且P图像还用作对B图像或未来P图像的基准。利用将最接近过去I图像和P图像以及未来I图像和P图像作为基准的字段或帧对B图像进行编码，这样进行双向预测。
随着数字电视开始占领电视市场并且其它视频应用变得越来越合意，对用于处理MPEG-2图像的大容量系统的需求越来越大。当前用于处理MPEG-2图像的紧急结构，例如在DTV机顶盒内构造的紧急结构和高端数字电视的紧急结构通常采用数字信号处理中央处理单元(DSPCPU)、控制处理器、协处理器以及软件应用程序。不幸的是，即使利用所有这些资源，高级音频/视频处理功能仍趋向使用比通常可用计算能力大的计算能力。
MPEG-2处理过程中使用的一个关键部分是MPEG-2解码器，该MPEG-2解码器将压缩MPEG-2数据的位流转换为像素映像。图1示出标准MPEG-2解码器10的各主要部件。它有4个功能块：可变长度解码器(VLD)12、逆量化(IQ)系统14、离散余弦反变换(IDCT)16以及运动补偿(MC)系统18。存储器20用于存储基准帧。加法器22将IDCT 16输出的误差残余与运动补偿结果组合在一起以形成最终视频输出24。不幸的是，每个功能部件均使用大量计算能力，这样就提高了成本，并限制了采用MPEG-2技术的数字视频系统的灵活性。因此，制造高效、成本效益高的解码器成为所有电子制造商的主要目标之一。
解决MPEG-2解码器的处理要求的一个解决方案是设置用于提高计算能力的专用硬件系统。不幸的是，尽管总体硬件成本在持续降低，但是设计和构造诸如这种专用硬件的成本增加了该解码器的成本。
因此，优选解决方案是以软件形式实现尽可能多的功能，这样就较硬件解决方案具有明显的成本优势和灵活性优势。具体地说，软件解决方案减少了对诸如协处理器的昂贵硬件的需要，并允许在DSPCPU核心上同时运行多个视频功能。然而，软件应用程序的运行速度太慢以致不能对要求利用计算方法进行精确解码的情况进行处理。因此，需要提供可以提供廉价MPEG-2解码器解决方案同时保持可接受图像质量的增强型软件系统。
通过提供选择唯一数据修剪模式来满足对IDCT分配的复杂性预算的可缩放比例的IDCT系统，本发明克服了上述以及其它问题。根据第一方面，本发明提供了一种可缩放比例的I DCT系统，该系统包括：多种缩放比例算法；用于接收复杂性预算的系统；根据接收的复杂性预算，选择多种缩放比例算法之一的系统；以及利用选择缩放比例算法对输入的离散余弦变换(DCT)数据块进行处理的系统。
根据第二方面，本发明提供了一种视频解码器系统，该视频解码器系统包括：根据输入复杂性预算确定复杂性程度的系统；以及从多种缩放比例算法中选择缩放比例算法的IDCT系统，其中选择缩放比例算法对应于确定的复杂性程度。
根据第三方面，本发明提供了一种对利用视频解码器内的IDCT系统处理离散余弦变换(DCT)块的处理过程进行缩放比例的方法，该方法包括步骤：对IDCT系统提供复杂性预算；根据复杂性预算选择多种缩放比例算法中的一种缩放比例算法；以及利用选择缩放比例算法，至少对一种DCT块进行处理。
根据第四方面，本发明提供一种用于处理DCT数据的系统，该系统包括：多种缩放比例算法，每种缩放比例算法均可以对输入DCT数据块进行处理；用于接收复杂性预算的系统；以及用于执行多种缩放比例算法之一以满足接收复杂性预算的系统。
根据上述每个方面，每个DCT数据块分别包括DCT系数，多种缩放比例算法中的每种缩放比例算法均要求选择唯一DCT系数模式进行处理。此外，为了进行处理选择的每种唯一DCT系数模式包括预定数量的排和列的DCT系数矩形阵列。
根据本发明提供的用于处理离散余弦变换系数的系统包括：多种离散余弦反变换缩放比例算法，其中每一个都导致唯一的离散余弦变换系数模式从处理中排除出去；其特征在于，用于接收复杂性预算的系统，该复杂性预算表示预算用于处理该离散余弦变换系数的计算能力的量；选择多种离散余弦反变换缩放比例算法中要求计算能力的量在接收到的复杂性预算内的一种缩放比例算法的系统；以及利用选择的离散余弦反变换缩放比例算法，对输入的离散余弦变换系数块进行处理的系统。
根据本发明提供的视频解码器包括上述用于处理离散余弦变换系数的系统。
根据本发明提供的在视频解码器内对利用离散余弦反变换系统处理离散余弦变换块的处理过程进行缩放比例的方法，其特征在于步骤：将复杂性预算提供给离散余弦反变换系统，该复杂性预算表示预算用于处理该离散余弦变换块的计算能力的量；根据复杂性预算选择多种离散余弦反变换缩放比例算法中的一种缩放比例算法，所述多种离散余弦反变换缩放比例算法中的每一个都导致离散余弦变换块内唯一的系数模式从处理中排除出去，所选择的离散余弦反变换缩放比例算法要求计算能力的量在所述复杂性预算内；以及利用选择的离散余弦反变换缩放比例算法，对至少一个离散余弦变换块进行处理。
以下将参考附图说明本发明的优选实施例，附图中，类似的标号表示类似的单元，附图包括：
图1示出标准MPEG-2视频解码器的方框图；
图2示出具有本机资源控制器的可缩放比例MPEG-2视频解码器的方框图；
图3示出可缩放比例IDCT系统的典型数据修剪模式；
图4示出根据本发明优选实施例的可缩放比例IDCT系统；
图5示出复杂性查用表；
图6示出根据本发明优选实施例具有可缩放比例IDCT系统的MPEG-2视频解码器。
如图1所示的标准MPEG-2解码器10利用4个功能块、加法器22以及存储器20对MPEG-2位流21进行解码。功能块包括：可变长度解码器(VLD)12、逆量化(IQ)系统14、离散余弦反变换(IDCT)系统16以及运动补偿(MC)系统18。为了提供计算能力更强的可缩放比例系统，可以对解码器10内的上述功能块中的每种功能块进行缩放比例以降低特定功能块的计算要求。图2示出可缩放比例解码器11。建议不同的缩放比例算法或应用程序以选择性降低给定功能块的计算要求，或复杂性。通常，通过减少一个或多个计算过程，例如减少某个处理步骤和/或每种数据的处理过程，缩放比例应用程序可以降低功能块的复杂性。降低复杂性付出的代价就是该缩放比例应用程序通常在某种程度上会降低图像质量的代价。因此，为了在降低计算量与输出质量之间达到平衡，正确选择执行缩放比例应用程序。
为了满足对图2所示解码器11的复杂性约束，采用本机资源控制器26来判定每个功能块的单独规模可缩放比例性以满足对该解码器要求的总体复杂性。利用业务管理器28的等级来控制本机资源控制器26的运行过程。在在此说明的实施例中，提供了一种通常被看作具有最大计算能力的精确功能块、用于缩放比例IDCT系统17的系统。然而，显然，在此描述的本发明可以应用于基于DCT的任何系统，包括其它类型的解码器和用于处理DCT数据的编码器。可缩放比例IDCT系统17以离散余弦变换(DCT)块的形式接收数据。每个DCT数据块通常由64个以8×8矩形阵列排列的DCT系数组成。本实施例提供多种数据修剪算法以选择性地减少IDCT系统17的DCT数据处理过程。图3示出8种典型数据修剪模式及其相应复杂性。每个DCT数据块的阴影部分表示待处理的DCT系数，而非阴影部分表示要从处理过程中删除的DCT系数。
对于解码图像，靠近DCT数据块左上角的低频分量(即，它们含有大多数图像信息)通常比围绕右下角的高频分量更重要。因此，利用删除某些高频分量的IDCT缩放比例算法，可以同时实现降低计算量并获得可接受图像质量。然而，因为还需要节省计算量，所以必须删除能量大、占用计算力多的更多低频分量。然而，这种节省的抵偿会降低图像质量。这样，修剪量依赖于对IDCT预算的计算能力量值(即复杂性)。具体地说，随着复杂性预算的降低，需要修剪的数据量会提高。
为了满足此目的，利用满足复杂性预算的多种可用修剪模式中的一种修剪模式来修剪输入DCT数据。如图3所示，每种可用数据模式对应于唯一复杂度。显然，可以采用任何数量的修剪模式。此外，选择的修剪模式仅用于典型用途，还可用采用其它配置。
现在，参考图4，图4示出用于实现这种可缩放比例IDCT系统44的系统。通过从本机资源控制器26接收复杂性预算30，系统44运行。复杂性预算30被数据修剪控件40接收，数据修剪控件40将该信息送到查用表36。图5示出典型查用表36，它包括多个复杂度和有关修剪模式(合格行和合格列)。根据输入复杂性预算，可以选择适当复杂度。例如，如果需要80％的复杂性预算，则要选择78％的复杂度来满足此预算。根据查用表36，修剪模式包括6行8列。以本技术领域内的熟练技术人员公知的或可以找到的任何方式，均可以实现用于提供各种修剪模式的的特定算法。以下说明一种典型算法。
每个复杂度与利用相应修剪模式处理DCT数据块32的多种IDCT缩放比例算法42中的一种缩放比例算法相关。这样，一旦利用数据修剪控件40确定了适当复杂度，则选择相应IDCT缩放比例算法处理DCT数据块32，并产生输出34。显然，在该优选实施例中，IDCT缩放比例算法42不仅仅是待从处理中删除的“非0”数据。当然，可以以这样的方式实现各种算法，即只对选择进行处理的数据进行处理，而不对其余数据进行处理。这样，计算过程就不致浪费在对0进行处理上，并且不需要系统单独修剪数据，而是将修剪过程集成到选择的IDCT缩放比例算法内。
优先利用数据模式发生器38“脱机”设计查用表36以及相应IDCT算法42。这样，就可以事先确定复杂度和实现该模式所需的修剪模式的数量。实验结果显示在100％与38％之间缩放比例复杂度时会适度降低图像质量。然而，主观评价显示尽管对于具有不同特性的序列，在复杂度下降时，图像质量等级在不同复杂度降低，然而从视觉上说，对于大多数序列，对于高于55％的复杂度，输出质量是可接受的。
典型IDCT算法包括利用11次乘法和29次加法实现的网状结构一维(1-D)DCT/IDCT变换。利用8×8数据块的行-列分解过程，利用8×11×2＝176次乘法和2×8×2＝464次加法，可以实现2-D(两维)IDCT。设计中使用的复杂性数值是在利用其进行标准IDCT计算过程的可缩放比例算法中乘法次数与加法次数的比(百分比)，即
其中Cmult和Cadd分别是可缩放比例算法中的乘法次数和加法次数，p是未修剪的DCT数据块的列数，C0是标准0算法中的乘法和加法的总数。
在典型IDCT算法中，IDCT计算过程的行-列分解顺序固定，即为了更好地降低复杂性，首先进行列IDCT变换。数据修剪过程从右开始逐渐扩展到左，并从下到上进行。一旦产生了数据模式，通过不属于该模式的数据块，来修剪或“屏蔽”数据。由于选择的掩码永久屏蔽此数据，所以删除网状结构内的所有相应分支。计算新复杂度并存储到复杂性查用表36。为了进一步说明数据修剪方案，图3示出一些典型修剪掩码。有趣的是，会注意到镜像版本没有同样的复杂度，因为在同一个系统内IDCT计算过程具有固定顺序。
现在参考图6，图6示出具有可缩放比例IDCT(SIDCT)功能块52的MPEG-2解码器50。如上所述，本机资源控制器26将复杂性预算提交到复杂性查用表36，然后，复杂性查用表36规定待由SIDCT 52执行的数据修剪模式。如上所述，数据模式发生器38以“脱机”方式设计SIDCT功能块52内的查用表36和相应的SIDCT算法。所建议的SIDCT系统具有如下特征：(1)可缩放比例复杂度与任何DCT数据变化无关；(2)随着复杂性预算的降低，复杂度也单调下降；以及(3)输出质量适度降低。
显然，可以以硬件、软件或硬件与软件的组合形式实现在此描述的系统和模块。它们可以利用任何类型的计算机系统或适于实现在此描述的方法的其它设备来实现。硬件与软件的典型组合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，在装载或执行该计算机程序时，可以以这样的形式对计算机系统进行控制，即它可以实现在此描述的方法。另一方面，还可以采用含有用于实现本发明的一项或多项功能任务的专用硬件的专用计算机。还可以将本发明引入包括可以实现在此描述的方法和功能的所有特性的、并且在将其载入计算机系统时可以实现这些方法和功能的计算程序产品中。在本发明上下文中，计算机程序、软件程序、程序、程序产品或软件均意味着任何语言、代码或计数法形式的一组可以使系统具有信息处理能力从而或者直接或者在如下一项或两项之后实现特定功能的指令的表示：(a)转换为另一种语言、代码或计数法；和/或(b)以不同的材料形式再现。
为了说明和解释问题，以上对本发明的优选实施例进行了说明。它们并不是全部实施例，或者说它们并不能使本发明局限于所披露的特定形式，显然，可以根据上述内容进行调整和变换。对本技术领域内的普通技术人员显而易见的这种调整和变换包含在所附权利要求所述的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种用于处理离散余弦变换系数的系统，该系统包括：
多种离散余弦反变换缩放比例算法(42)，其中每一个都导致唯一的离散余弦变换系数模式从处理中排除出去；
其特征在于，
用于接收复杂性预算(30)的系统，该复杂性预算表示预算用于处理该离散余弦变换系数的计算能力的量；
选择多种离散余弦反变换缩放比例算法(42)中要求计算能力的量在接收到的复杂性预算(30)内的一种缩放比例算法的系统；以及
利用选择的离散余弦反变换缩放比例算法，对输入的离散余弦变换系数块(32)进行处理的系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中为了进行处理而选择的各种不同的离散余弦变换系数模式包括具有预定行数和列数的离散余弦变换系数矩形排列。
3.根据权利要求1所述的系统，其中根据接收的复杂性预算(30)选择多种离散余弦反变换缩放比例算法中的一种缩放比例算法的系统包括使数据模式与输入的复杂度相关的表(36)。
4.一种视频解码器，该视频解码器包括如权利要求1所述用于处理离散余弦变换系数的系统。
5.根据权利要求4所述的视频解码器，其中从本地资源控制器(26)接收复杂性预算(30)。
6.一种在视频解码器内对利用离散余弦反变换系统(44)处理离散余弦变换块的处理过程进行缩放比例的方法，其特征在于步骤：
将复杂性预算(30)提供给离散余弦反变换系统(44)，该复杂性预算表示预算用于处理该离散余弦变换块的计算能力的量；
根据复杂性预算(30)选择多种离散余弦反变换缩放比例算法(42)中的一种缩放比例算法，所述多种离散余弦反变换缩放比例算法(42)中的每一个都导致离散余弦变换块内唯一的系数模式从处理中排除出去，所选择的离散余弦反变换缩放比例算法要求计算能力的量在所述复杂性预算(30)内；以及
利用选择的离散余弦反变换缩放比例算法，对至少一个离散余弦变换块进行处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其中由本地资源控制器提供复杂性预算(30)。
8.根据权利要求6所述的方法，其中选择多种离散余弦反变换缩放比例算法(42)中的一种缩放比例算法的步骤包括提供使数据模式与输入的复杂度相关的表(36)的步骤。
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