CN1259830A - 用于2∶1抽样的有效下变频系统 - Google Patents

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Abstract

一种HDTV下变频系统,包括用于从编码视频信号中形成低分辨率2∶1下变频视频信号的装置。编码视频信号是具有运动预测的频域变换的高分辨率视频信号。该装置包括编码视频信号接收器。下变频滤波器接收和加权高分辨率频域视频系数值以形成一组低通频域系数。逆变换处理器将该组系数变换成一组象素值。平均滤波器将该组象素值中所选择的象素值变换成平均象素值。抽样处理器删除该组象素中所选择的象素值以提供低分辨率视频信号。

Description

用于2∶1抽样的有效下变频系统
本发明涉及将例如MPEG-2编码视频信号的编码高分辨率视频信号变换和格式化成解码的较低分辨率输出视频信号的解码器，尤其涉及该解码器的2∶1下变频系统。
在美国，已经提出了数字编码的高分辨率电视信号(HDTV)的标准。该标准的一部分实质上与由国际标准化组织(ISO)的运动图像专家组(MPEG)提出的MPEG-2标准相同。该标准在可从ISO得到的称为“运动图像和相关音频的信息技术类属编码(InformationTechnology-Generic Goding of Moving Pictures and Associated Audio)，Recommendation H.626”，ISO/IEC 13818-2，IS，11/94的国际标准(IS)中进行了说明，特此参考用以讲解MPEG-2数字视频编码标准。
MPEG-2标准实际上是几个不同的标准。在MPEG-2标准中，定义了几个不同的类(profile)，每个类对应于编码图像复杂度的不同级(level)。对于每个类，定义了不同的级，每个级对应于不同的图像分辨率。公知为主类(Main Profile)主级(Main Level)的一个MPEG-2标准是预定用于编码与现存电视标准(即NTSC和PAL)一致的视频信号。公知为主类高级(High Level)的另一个标准是预定用于编码高分辨率电视图像。按照主类高级标准编码的图像可以具有多达每个图像帧1152条扫描线和每条扫描线1920个象素。
另一方面，主类主级标准定义了每线720象素和每帧576线的最大图像。在每秒30帧的帧速率下，按照这个标准编码的信号具有每秒720*576*30或者12，441，600个象素的数据速率。相反，按照主类高级标准编码的图像具有每秒1152*1920*30或者66，355，200个象素的最大数据速率。这个数据速率超过按照主类主级标准编码的图像数据之数据速率的5倍。在美国提出的用于HDTV编码的标准是这个标准的子集，具有多达每帧1080条扫描线和每线1920个象素，并且对于这种帧大小，具有每秒30帧的最大帧速率。所提出标准的最大数据速率仍然大于主类主级标准的最大数据速率。
MPEG-2标准定义了包含数据和控制信息混合的复合句法。某些这种控制信息用作使具有几个不同格式的信号能被该标准覆盖。这些格式定义了每行具有不同数目图象素、每帧或场具有不同数目扫描线以及每秒具有不同数目帧或场的图像。另外，MPEG-2主类的基本句法定义了表示序列层、图像群层、图像层、条块层和宏模块层五层中序列图像的压缩MPEG-2位流。这些层的每一个都用控制信息引入。最后，其它的控制信息，也称为次要信息(例如帧类型，宏模块模式，图像运动矢量，系数Z形模式和反量化(dequantization)信息)被插入整个编码位流中。
下变频系统将高分辨率输入图像变换成用于在较低分辨率监视器上显示的较低分辨率图像。高分辨率主类高级图象到主类主级图象或者其它较低分辨率图象格式的下变频对于降低HDTV的实现成本已经具有很高的重要性。下变频允许用具有支持例如为主类主级编码图象的较低图象分辨率的便宜的现有监视器诸如为NTSC或525逐行监视器来替换使用主类高级编码图象的昂贵高分辨监视器。
为有效接收数字图象，解码器应当快速处理视频信号信息。为更为有效，编码系统应当相对便宜且还具有足够的能力实时解码这些数字信号。
现有技术下变频的一个方法是简单地低通滤波和抽样所解码的高分辨率主类高级图象以形成适合于在传统电视接收机上显示图象。因此，使用现存技术，可以实现采用下变频的解码器，使用了具有复式设计大存储器的单处理机并以高数据速率工作在空间域图象上以完成这个功能。但是，高分辨率和高数据速率要求很昂贵的电路系统，这与成本是一个主要指标的消费型电视接收机中解码器的实现是相反的。
用于形成低分辨率的装置对来自表示视频图象的编码视频信号中的视频信号进行2∶1下变频。编码视频信号是频域变换的高分辨率视频信号。该装置包括用于接收编码视频信号作为多个高分辨率频域视频系数值的装置。下变频滤波装置接收和加权所选择的若干高分辨率频域视频系数值以形成一组频域视频系数，逆变换装置将其变换成一组象素值。平均滤波装置将象素值组中的所选若干象素值变换成平均象素值。抽样装置删除象素值组的所选若干象素值以提供低分辨率的视频信号。
从下面结合附图的详细说明中将更清楚本发明的特征和优点。
图1是现有技术视频解码系统的高级框图。
图2A是下变频系统典型实施例的高级框图。
图2B表示根据本发明典型实施例的平均滤波器的频率响应特性。
图3A说明对于2∶1下变频系统典型实施例的子象素位置和对应的预测象素。
图3B表示对于典型的下变频系统对宏模块的每行输入所进行的上采样过程。
图4说明块映射滤波器典型实施例的第一和第二输出象素值的乘法对。
图5表示根据本发明典型实施例的下变频滤波器的频率响应特性。
图6表示根据本发明典型实施例的级联式平均滤波器和下变频滤波器的频率响应特性。
图7表示使用2∶1抽样的4∶2∶0视频信号的输入和被抽样的输出象素。
I解码器回顾
本发明典型实施例滤波编码的HDTV信号，该HDTV信号已经按照MPEG-2标准特别是主类高级MPEG-2标准进行了编码。
但是，这里说明的本发明并不局限于编码HDTV信号的下变频滤波。下面说明的滤波方法也可以用作滤波其它类型的频域编码数字信号，其可以被分成段，被滤波，然后被重组。
MPEG-2主类标准定义了五级的序列图象，该五级是：序列级，图象群组，图象级，限制级和宏模块级。这些级的每一个都可以认为是在数据流中的记录，具有以前列级中的嵌套子级的形式出现的后列级。每级的记录包括消息头部分，其包含用于解码其子记录的数据。
宏模块有六个块组成，该六个块是4个亮度块Y和2个色度块Cr和Cb。编码HDTV信号的每个块包含代表HDTV图象中一个二维离散余弦变换(DCT)表示的64个图象元(象素)的64个相应系数值之数据。
在编码过程中，在离散余弦变换和变换系数块通过应用游程长度和可变长度编码技术被进一步编码之前，象素数据要经过运动补偿差分编码。从数据流中恢复图象序列的解码器颠倒编码过程。该解码器采用熵解码器(例如可变长度解码器)、逆向离散余弦变换处理器、运动补偿处理器和内插滤波器。
图1是现有技术的典型视频解码系统的高级框图。现有技术的视频解码器包括通常是可变长度解码器和游程长度解码器的熵解码器110，逆向量化器120和逆向离散余弦变换(IDCT)处理器130。典型系统还包括控制器170，其控制响应通过熵解码器110从输入位流台得到控制信息之解码系统的变量。为了处理预测图象，现有技术系统还包括存储器160，加法器140，运动补偿处理器150和块到光栅变换器180。
可变长度解码器110接收编码的视频图象信号并逆向编码过程以产生控制信息，该控制信息包括描述先前解码图象中匹配宏模块相对位移的运动矢量。这个匹配宏模块对应于当前正被解码的预测图象的宏模块。如果使用帧内编码，可变长度解码器110还接收称作剩余视频图象的当前视频图象之块的量化DCT变换系数，或者如果使用帧间编码，可变长度解码器110还接收当前和预测视频图象之间差的块的量化DCT变换系数。逆向量化器120接收量化的DCT变换系数并为特殊宏模块重建量化DCT系数。将用于特殊块的量化矩阵是从可变解码器110接收的。
IDCT处理器130将重建DCT系数变换成空间域中的象素值(对于代表宏模块亮度或色度分量的8×8矩阵值的每个块，以及对于代表预测宏模块差分亮度或差分色度分量的8×8矩阵值的每个块)。
如果当前宏块模块预测不编码，那么输出矩阵值是当前视频图象的对应宏模块的象素值。如果宏模块是帧间编码，预视频图象帧(基准帧)的对应宏模块存储在存储器160中由运动补偿处理器150使用。响应从熵解码器110接收的运动矢量，运动补偿处理器150从存储器160接收预宏模块。然后运动补偿处理器150在加法器140中将预宏模块加到当前IDCT变换宏模块(对应于显示预测编码帧的剩余分量)以产生用于当前视频图象之象素的对应宏模块，其然后被存储在存储器160中。
II下变频系统
A综述
图2A是下变频系统典型实施例的高级框图。正如图2A所示，下变频系统包括可变长度解码器(VLD)210，游程长度(R/L)解码器212，逆向量化器214和逆向离散余弦变换(IDCT)处理器218。另外，下变频系统包括下变频滤波器(DCT滤波器)216，平均滤波器240和用于滤波编码图象的下采样处理器232。尽管下面说明的是主类高级编码输入的典型实施例，但用任何类似编码的高分辩率图象位流都可以实现下变频系统。
下变频系统还包括运动矢量(MV)变换器220，含有上采样处理器226和半象素发生器228的高分辨率运动发生器224，以及基准帧存储器222。
此外，系统包括含有垂直可编程滤波器(VPF)和水平可编程滤波器(HZPF)284的显示变换模块280。显示变换模块280将下采样的图象变换成用于在较低分辨率的特殊显示器上显示的图象。
下变频滤波器216在频域中完成高分辨率(例如主类高级DCT)系数的低通滤波。下采样处理器232通过抽样低通滤波的主类高级图象来去除空间象素值，以产生一组能够在具有比要求显示主类高级图象分辨率低的监视器上显示的象素值。典型基准帧存储器222存储对应于具有对应下采样图象之分辨率的至少一个预解码基准帧的空间象素值。对于非帧内宏模块编码，MV变换器220标度与分辨率缩减一致的所接收图象之每个模块的运动矢量，并且低分辨率运动模块发生器224接收由基准帧存储器222提供的抽样的分辨率运动模块，上采样这些运动模块和产生半象素值以提供半象素精度的运动模块，其展示了对解码和滤波的差分象素模块的良好空间对应。
现在说明这个宏模块内编码的下变频系统典型实施例的操作。主类高级位流通过VLD210接收和编码。除了HDTV系统使用的消息头信息之外，VLD210提供每个模块和宏模块的DCT系数以及运动矢量信息。DCT系数是在R/L解码器212中解码的并通过逆向量化器214逆向量化的游程长度。VLD210和R/L解码器212对应于图1的熵解码器110。
因为由DCT系数表示的接收视频图象是高分辨率图象。在高分辨率视频图象抽样之前每个模块的DCT系数是低通滤波的。逆向量化器214提供DCT系数给DCT滤波器216，在把预定的滤波器系数值提供给IDCT处理器218之前，DCT滤波器216在频域下通过用预定的滤波器系数值加权DCT系数来执行低通滤波。在典型实施例中，该滤波器操作是基于一个模块接一个模块执行的。
IDCT处理器218通过进行滤波DCT系数的逆向离散余弦变换来提供空间象素样值。平均滤波器240平均空间象素样值。下采样处理器232通过根据预定的抽样比率去掉空间象素样值来缩减图象样本大小；因此，与存储较高分辨率主类高级图象所需相比，存储较低分辩率图象使用了较小的帧存储器222。
现在说明宏模块非内编码的下变频系统典型实施例的操作。在该典型实施例中，按照MPEG标准，当前所接收图象的DCT系数代表所预测图象宏模块的剩余分量的DCT系数。由于存储在存储器中的先前帧低分辨率基准图象不具有与高分辨率预测帧(主类高级)的相同数目的象素，因此要标度运动矢量的水平分量。
参考图2A，由VLD210提供的主类高级位流的运动矢量提供给MV变换器220。线个运动矢量由MV变换器220标度以参考存储在基准帧存储器222中的先前图象基准帧的适当预测模块。所检索模块的大小(象素值数)比编码当前图象所使用的对应高分辨率模块的模块小；因此，检索模块是上采样的以形成预测模块，该预测模块具有与由IDCT处理器218提供的剩余模块相同数目的象素。
响应来自MV变换器220的控制信号，预测模块由上采样处理器226上采样以产生对应于象素之原始高分辨率模块的模块。然后，如果由半象素发生器228中上采样预测模块的运动矢量表示，就产生半象素值以确保预测模块的适当空间校准。上采样和校准的预测模块在加法器230中加到当前被滤波的模块，对于本例，其是来自预测模块的缩减分辨率剩余分量。所有处理都是基于一个宏模块接一个宏模块进行的。对于上采样域的当前宏模块完成运动补偿处理之后，重建的宏模块因此在下采样处理器232中进行抽样。这个过程并不缩减图象的分辨率但是简单地从低分辨率滤波图象中去除冗余象素。
一旦图象的下采样宏模块是可得到的，通过分别滤波VPF282中的和HZPF284中的下采样图象的垂直和水平分量，显示变换模块280调节在低分辨率电视显示器上显示的图象。
B 平均滤波器
在将预定的滤波器系数值提供给IDCT处理器218之前，通过用预定滤波器系数值加权DCT系数，图2A的DCT滤波器216在频域完成低通滤波。由DCT滤波器216完成的低通滤波缩减了输出图像中的别名设置失真。
在本发明的典型实施例中，在没有对应于靠近正被滤波之模块的模块系数值的情况下，在内部模块基础上，DCT滤波器216完成这个滤波。由于在模块边界上非光滑滤波，这可以导致包括下变频人为因素(artifacts)的输出图象。这些下变频人为因素在输出图象上是可见的，特别是当原始图象由具有精确细节的运动画面构成时和当存在慢拍摄全景和图象缩放时更是如此。
在典型实施例中，DCT滤波器216不是线性移位不变的并且等同于空间域中的模块映射滤波器。在DCT系数中间的象素上该模块映射滤波器起FIR滤波器功能，但在模块边界上不同，这是因为假设模块边界之外的左边和右边象素是作为映射的且之后滤波这些输入象素以得到低通输出。由于在模块边界的非光滑滤波，该典型实施例还可以导致包括人为因素的输出图象。
图2A示出的平均滤波器240是线性移位不变的并且可以设计成减小这些下变频人为因素。在2∶1下变频系统的典型实施例中，平均滤波器240是两个抽头滤波器，其在IDCT处理器218已经将重建的DCT系数变换到空间域中的象素值之后平均两个象素。
下面说明的典型实施例是这种情况，对于水平2∶1十中抽一下变频系统，这里DCT编码是在8×8象素模块上完成的，并且平均滤波器240完成内模块滤波。正如本领域技术人员所知，本发明的经验可以应用到其它维数。
将8×8模块的输出象素的水平行记为：
X＝[x0x1x2x3x4x5x6x7]，和
将8×8模块的输出象素的对应水平记为：
A＝[α0 α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7]，输出象素A由下面的方程(1)到(4)定义：
α0＝(x0+x1)/2    (1)
α1＝(x2+x3)/2    (2)
α4＝(x4+x5)/2    (3)
α6＝(x6+x7)/2    (4)
以方程(1)到(4)为特征的滤波器的频率响应(dB对频率，这里π对应于采样频率的一半)由图2B的曲线260表示。
在上述实施例中，由于α1、α3、α5和α6通过下采样处理器232产生出，滤波器能够实现按下述方程(5)和(6)中的任何一个特征，这里N是行中的象素数目并且在上述例中应是8：
α2i＝(x2i+x2i+1)/2对于I＝0，1，…(N/2)-1      (5)
或
αi＝(xi+xi+1)/2对于I＝0，1，…(N-1)           (6)
C.宏模块预测
由于预图象的基准帧是小尺寸化的，指向这些帧的所接收运动矢量也可以根据变换比变换。下面说明亮度模块例如在水平方向上的运动变换。如果用到的话，本领域的技术人员将很容易将下述讨论扩展到垂直方向上的运动变换。将x和y表示为原始图象帧中的当前宏模块地址，Dx表示为水平抽样因数，MVx表示为原始图像帧的半象素水平运动矢量，原始图象帧中运动模块的顶部左边象素的地址(表示为半象素单位的XH)由(7)给出：
XH＝2x+MVx             (7)
对应于运动模块的象素在下采样图象中开始，其地址用象素单位的x*和y*表示，由(8)给出：
x*＝XH/(2Dx)；y*＝y    (8)
因为典型DCT滤波器216和下采样处理器232只降低图象的水平分量，运动矢量的垂直分量不受影响。对于色度，运动矢量是原始图象中亮度运动矢量的一半。因此，变换色度运动矢量的定义也可以使用两个方程(7)和(8)。
运动预测由两个步骤过程实现：首先，通过在图2A的上采样处理器226中上采样下采样的图象帧来恢复原始图象帧中的象素精度运动估计，然后半象素发生器228通过平均最近的象素值来完成半象素运动估计。
例如使用上采样处理器226中的上采样多相滤波器，其给出原始图象的运动预测，抽样图象中对应于原始图象之象素的子象素被内插。运动预测在加法器230中被加到IDCT处理器218的输出。由于加法器230的输出值对应于原始图象格式中的缩减分辨率图象，这些值可以被下采样以在具有较低分辨率的显示器上显示。下采样处理器232中的下采样基本上与图象帧的子采样相等，但是可以基于变换比率做调节。例如，在3∶1下采样的情况下，水平下采样象素的数目对于每个输入宏模块是6或5，并且第一下采样象素并不总是输入宏模块中的第一象素。
在从下采样图象获得正确运动预测模块之后，需要上采样获得原始图象中的对应预测模块。因此，运动模块预测中子象素精度在下采样图象中是所希望的。除了下采样运动模块之外，确定是运动矢量要求的第一象素的子象素。然后，使用下面说明的模块运算确定后续子象素位置。该子象素位置表示为Xs，
由(9)给出：
Xs＝(XH/2)％(Dx)               (9)
这里“％”表示模除法。
例如，对于2∶1上采样，Xs的范围是0，1。图3A表示子象素位置和2∶1上采样的对应17个预测象素，并且表1给出图3A的符号表。
               表1
    符号     象素
    ●     下采样象素
    △     上采样象素
    ○     预测象素
    □     上采样的附加右和左象素
正如前面说明的，上采样滤波器可以是上采样多相滤波器，表2A给出上采样多相内插滤波器的特征。
             表2A
    2∶1上采样
    多相滤波器数目     2
    抽头数目     5
    水平下采样象素的最大数目     13
下面的表2B表示典型2∶1上采样多相滤波器的多相滤波系数。
               表2B 2∶1上采样滤波器
    0相      1相
    双精度     0.01103968392600.02838864029200.92114335156360.02838864029200.0110396839260      -0.14333638871130.64333638871130.6433363887113-0.14333638871130.0000000000000
    固定点(9位)     0.01718750(3)0.02734375(7)0.92187500(236)0.02734375(7)0.01718750(3)     -0.14453125(-37)0.64453125(165)0.64453125(165)-0.14453125(-37)0.00000000(0)
在固定点表示中，表2B的括号中数目是具有在左边的对应双精度数的9位中2的补码表示，依赖于下采样基准图象帧中运动预测模块的子象素位置，使用了多相内插滤波器的一个对应相位。而且，在典型实施例中，需要更多的在左边和右边的象素内插下采样图象帧中的17个水平象素。例如，在3∶1抽样的情况下，对于每个输入宏模块，有6个水平下采样象素的最大值。但是，当上采样时，需要9个水平象素产生对应的运动预测模块值，因为为了滤波器工作，上采样滤波器要求更多在边界之外的左边和右边的象素。由于典型实施例采用了半象素运动估计，需要17个象素来得到16个半象素，它能够是最初的16个整数象素或者是最接近的两个象素样本的平均值。半象素运动发生器维护此。表3表示子象素位置和多相滤波单元之间的变换，另外为了上采样处理还需要一些左边的象素。
                           表3
子象素位置 多相 附加左边象素数   坐标变换
    2∶  1上采样     01     01     22    x-＞x-2x-＞x-2
图3B概括了对于输入宏模块的每行进行的上采样处理。首先，在步骤310，接收被处理输入图象帧模块的运动矢量。在步骤312，变换运动矢量以对应存储器中下采样基准帧。在步骤314，使用定标运动矢量以检索存储在帧存储器中的预测模块坐标。在步骤316，确定模块的子象素点，然后在步骤318检索用于上采样的初始多相滤波器值。之后在步骤320，从存储器中检索出用于所存储下采样基准帧之预测模块的识别象素。
在滤波步骤324的第一次通过之前，在步骤322初始化寄存器，其对于典型实施例使得初始3或5象素值装载寄存器。然后，在滤波步骤324之后，该处理在步骤326确定所有象素是否已经被处理。在典型实施例17中，象素被处理。如果所有象素已经被处理，上采样模块完成。如果所有象素没有处理，则在步骤328修改相位，并且检查相位的0值。如果相位是0，则一定要修改寄存器的下一组多相滤波系数。然后修改寄存器步骤332简单地修改输入象素。在最左边象素是模块边界外部的例外情况下，可以重复先前象素值。
当编码结构由内编码帧之间的许多预测帧构成时，下变频图象中慢运动原始图像的再现可以导致预测帧具有运动人为因素，其导致再现的下变频图像具有缩减分辨率和/或在原始图像之前或之后的运动。当显示下一个内编码帧时，在具有运动人为因素的下变频预测图像和精确再现图像之间的差将导致对观众来说为非平滑运动。例如，如果预测图像在原始图像运动之前，则下一个内编码帧可以给观众的印象是该运动正在向后移。
在典型实施例中，图2A下变频系统包括上采样处理器226，其使用拉格朗日滤波器来内插由下采样处理器232抽样的象素。对于本领域技术人员拉格朗日内插是公知的并且在Atkinson的数值分析入门(Introduction to Numerical Analysis)，107-10(1978)中有讲授，这里引用作为参考。与使用等纹波滤波器相比，使用拉格朗日滤波器将减小上述的运动人为因素。
D采用加权DCT系数的DCT域滤波
下变频系统的典型实施例包括在频域中处理DCT系数的DCT滤波器216，其代替了空间域中的低通滤波器。对于DCT编码图象，代替空间域滤波，DCT域滤波有几个优点，例如通过MPEG或JPEG标准设计。特别是，DCT域滤波在计算上更有效率且比应用于空间象素的空间域滤波器要求更少的硬件。例如，对于每个空间象素样值，具有N个抽头的空间滤波器可以使用多达N次乘法运算和加法运算。这相尖于DCT域滤波器中的仅仅一次乘法运算。
最简单的DCT域滤波器是高频DCT系数的舍位。但是，高频DCT系数的舍位不产生平滑滤波，并且具有诸如在解码图象中靠近边缘的“环纹”缺点。本发明典型实施例的DCT域低通滤波器来源于空间域的模块映射滤波器。模块映射滤波器的滤波系数值例如可空间域中优化，然后这些值被转换恩DCT域滤波器的系数。
尽管典型实施例展示了仅在水平方向上的DCT域滤波，但DCT域滤波能够在水平或者垂直方向或者在结合水平和垂直滤波两者中进行。
E.DCT域滤波系数
本发明的一个典型滤波器来源于两个约束：第一，对于图象的每个模块，在不使用来自相同图象的其它模块或者来自先前图象之信息的情况下，滤波器基于一个模块接一个模块地处理图象数据；第二，滤波器缩减了当滤波器处理边界象素值发生的模块边界的清晰度。
根据第一约束，在基于MPEG图象序列压缩的DCT中，例如，N×N DCT系数的模块产生N×N空间象素值的模块。因此，本发明典型实施例实现了仅仅处理当前所接受图象之模块的DCT域滤波。
根据第二个约束，如果滤波器简单地应用于空间象素值的模块，则在模块边界上的滤波有个过渡，这是由边界之外不足数目的空间象素值填充滤波器余量引起的。就是说，模块的边沿不能适当地滤波，这是因为，依赖于N是偶数或奇数，对于仅为N/2个或者对于(N/2)-1个抽头，N抽头滤波器具有相应的输入象素。剩余输入象素是在模块的边界之外。有几种供给象素值的方法：1)重复边界之外的预定不变象素值；2)重复与边界象素值相同的象素值；3)对模块的象素值进行映射，以形成靠近所处理模块之象素值的在前和在后模块。在没有关于在前和在后模块内容的预先信息的情况下，映射方法作为优选方法。因此，本发明的实施例为滤波器采用该映射方法并且命名为“模块映射滤波器”。
下面说明实现水平模块映射滤波器的典型实施例，该水平模块映射滤波器低通滤波器8的模块输入空间象素样值。如果输入模块的大小是象素值的8×8模块矩阵，则通过将模块映射滤波器施加到每行的8个象素样值就能够进行水平滤波。通过应用模块矩阵的滤波器系数列状态能够实现滤波处理，或者通过滤波行并且然后滤波模块矩阵的列可以完成多维滤波，这对本领域技术人员是显而易见的。
图4表示对于采用由抽头值h0到h14表示的15个抽头空间滤波器的8个输入象素与典型映射滤波器的输入象素值x0到x7(组X0)之间的对应。输入象素被映射到组X0的左侧，如组X1所示，和被映射到组X0的右侧，如组X2所示。滤波器的输出象素值是15乘以滤波器抽头值与对应象素样值之和。图4表示了对于第一和第二输出象素值的乘法对。
F模块映射滤波器的典型实施例
本发明典型模块映射滤波器的一个实施例来源于下述步骤：1)选择具有小于2N个抽头之奇数抽头的一维低通过对称滤波器；2)通过用零填充将滤波器系数增加到2N个值；3)重新安排滤波器系数使得通过左循环移位原始中间系数到达第0个位置；4)确定被重新安排滤波器系数的DFT系数；5)DCT滤波器系数与输入模块的实数DFT系数相乘；和6)所滤波的DCT系数的逆向离散余弦变换(IDCT)是通过由IDCT系数相乘实现的，用以提供准备用于抽样的低通滤波器象素模块。
低通滤波器的截止频率由抽样比率确定。对于一个典型实施例，截止频率是用于2∶1抽样的π/2，这里π是二分之一的采样频率。
MPEG和JPEG解码器中的DCT域滤波器允许存储要求降低，因为模块的逆向量化器的DCT处理已经存在于现有技术的解码器中，仅仅要求DCT系数由DCT域滤波器系数相乘的附加常系数装置。因此，在具体实现中实际上并不要求分立的DCT域滤波器模块相乘；本发明的另一实施例简单地将DCT域滤波器系数与IDCT处理系数结合。
对于本发明的典型下变频系统，考虑了DCT系数的水平滤波和抽样；下面是1280H、720V逐行变换到640H、720V逐行变换(水平2∶1抽样)的典型实施。
表4表示了DCT模块映射滤波器(加权)系数。正如Kim等人在“用于ATV下变换的DCT域滤波器(DCT Domain Filter For ATVDown Conversion)”，IEEE Trans.On Cnsumer Electronics，Vol.43(4)1074-8(1997)中所讲，空间域中的模块映射滤波器能够通过加权DCT系数在DCT域中实现。表4中，括号中的数字是10位2的补码表示。表4的“*”意思是在10位2的补码表示的限值之外，这是因为该值超过1；然而，正如本领域技术人员知道的，通过将系数加到被滤波器值之分数值(余数)相乘的系数，模块的列系数与由*表示的值相乘能够很容易地实现。
               表4
     2∶1抽样
    H[0]      1.0000000000000000(511)
    H[1]      1.0169628157945179(*)
    H[2]      1.0000000000000000(511)
    H[3]      0.82247656390475166(421)
    H[4]      0.46728234862006007(239)
    H[5]      0.10634261847436199(54)
    H[6]      -0.052131780559049545(-27)
    H[7]      -0.003489737967467715(-2)
这些水平DCT滤波器系数加权编码视频图象8×8 DCT系数模块中的每一列。例如，0列DCT系数由H[0]加权，第一列DCT系数由H[1]加权等等。
以表4系数为特征的下变频滤波器的频率响应(dB对频率)由图5中曲线510表示。级联表4系数为特征之下变频滤波器、以方程(1)到(4)为特征的平均滤波器的频率响应(dB对频率)由图6中曲线610表示。
上面的讨论说明了使用一维DCT的水平滤波器的实现。正如数字信号处理技术中已知，这种处理能够扩展到两维系统。对于两维系统，这时输入序列被表示成矩阵值，其表示序列在序列中是周期性的，周期为M，在行序列中是周期性的，周期为N，这里N和M是整数。两维DCT能够用在输入序列的列上实现的一维DCT，然后用在DCT处理输入序列的行上实现的第二个一维DCT来实现。因此，正如本领域所知，两维IDCT能够以单一处理来实现。
G下采样
下采样是通过下采样处理器232完成的，用以缩减下变频图象中象素数目。图7表示了4∶2∶0彩色类型2∶1抽样的输入和抽样的输出象素。表5给出图7的亮度和色度象素的符号说明。在图7下变频之前和之后的象素位置是对于逐行变换(2∶1抽样)的情况。
        表5
    符号     象素
    +     抽样之前亮度
    ×     抽样之前色度
    ●     抽样之后亮度
    ρ     抽样之后色度
对于逐行变换格式图象的下采样，其可以从1280×720象素大小变换到640×720象素大小，亮度信号是每隔第二样值就水平地子采样。换言之，每个第二象素都在水平轴上抽样。对于色度信号，下采样象素恰是在原始象素下面的半象素。原始宏模块中的象素和抽样象素示于图7中。
尽管这里已经表示和说明了本发明的典型实施例，应当理解这些实施例是仅顺便提供为例子的。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明精神的情况下，可以产生许多变化和替换。因此，所附权利要求覆盖了本发明范围之内的全部变化。

Claims (21)

1、一种用于从代表视频图象的编码视频信号中形成低分辨率视频信号的装置，编码的视频信号是频域变换的高分辨率视频信号，该装置包括：
接收装置，用于接收作为多个高分辨率频域视频系数值的编码视频信号；
下变频滤波器装置，用于接收和加权多个高分辨率频域视频系数值以形成一组低通滤波的频域视频系数；
逆变换装置，用于将该组低通滤波的频域视频系数接收和变换成第一组象素值；
平均滤波器装置，用于接收第一组象素值和将第一组象素值中所选择的若干象素值变换成平均象素值以提供包括平均象素值的第二组象素值；
抽样装置，用于删除第二组象素值中所选择的若干象素值以提供低分辨率的视频信号。
2、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中平均滤波器装置将第一组象素值中所有的象素值变换成平均象素值。
3、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中平均滤波器装置只将第一组象素值中连续的象素值对变换成平均素值，并且第二组象素值包括平均象素值，从而平均装置包括抽样装置。
4、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中编码的视频信号表示具有运动预测的剩余视频图象，该装置还包括：
加法装置，用于将先前帧的运动补偿视频信号分量加到包括剩余视频图象平均象素值的第二组象系值，以提供一组相加的象素值；
其中，抽样装置删除该组相加的象素值中所选择的若干象素值以提供分辨率视频信号。
5、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中
接收装置接收编码的视频信号并将高分辨率频域视频系数值的模块提供给下变频滤波器装置；
下变频滤波器装置接收高分辨率频域视频系数值模块并产生加权的频域视频系数模块；
逆变换装置将加权频域视频系数模块变换成象素值的第一模块；
通过将象素值第一模块中所选择的若干象素值变换成平均象素值，平均滤波器装置将象素值第一模块变换成象素值第二模块；和
抽样装置，用于从象素值第二模块中删除所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
6、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中
接收装置接收编码的视频信号并将高分辨率频域视频系数值的模块提供给下变频滤波器装置；
下变频滤波器接收高分辨率频域视频系数值模块并产生加权的频域视频系数模块；
逆变换装置将加权的频域视频系数模块变换成象素值的第一模块；
通过将象素值第一模块中所有象素值变换成平均象素值，平均滤波器装置将象素值第一模块变换成象素值第二模块；和
抽样装置删除象素值第二模块中所选择的平均象素值以提供低分辨率视频信号。
7、根据权利要求5的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中下变频滤波器装置等同于空间域中的模块映射滤波器。
8.根据权利要求5的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中
接收装置将高分辨频域视频系数值的N×N阶模块提供给下变频滤波器装置；和
平均滤波器装置根据下述方程处理象素值：
α(2i)＝(x(2i)+x(2i+1))/2  对于i＝0，1，……(N/2)-1    (1)
这里x(i)表示象素值N×N阶模块水平行中的输入象素，α(i)表示对应的平均象素值，并且象素值第二模块仅包括平均象素值α(i)，从而平均装置包括抽样装置。
9、根据权利要求1的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中平均滤波器装置是双线性滤波器。
10、根据权利要求5的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中编码的视频信号表示具有运动预测的剩余视频图象，该装置还包括：
存储装置，用于存储对应于先前帧编码视频信号的低分辨率抽样视频信号；
上采样装置，用于将存储的低分辨率抽样视频信号变换成对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块；和
加法装置，用于将对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块加到象素值第二模块，以提供相加的象素值模块；
其中，抽样装置从相加的象素值模块中删除所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
11、根据权利要求10的用于形成低分辨率视频信号的装置，其中上采样装置使用拉格朗日内插，用以将对应于先前帧的所存储低分辨率抽样视频信号变换成对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块。
12、一种用于从代表视频图象的编码视频信号中形成低分辨率视频信号的方法，编码的视频信号是频域变换高分辨率视频信号，该方法包括步骤：
(a)接收作为多个高分辨率频域视频系数值的编码视频信号；
(b)加权一组多个高分辨率频域系数值以形成一组低通滤波的频域视频系数；
(c)将该组低通滤波的频域视频系数变换成第一组象素值；
(d)将第一组象素值中所选择的若干象素值变换成平均象素值并提供包括平均象素值的第二组象素值；和
(e)删除第二组象素值中所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
13、根据权利要求12的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中在步骤(d)，第一组象素值中所有的象素值被变换成平均象素值。
14、根据权利要求12的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中在步骤(d)，仅仅后来在步骤(e)中未被删除的象素值被变换成平均象素值。
15、根据权利要求12的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中编码的视频信号表示具有运动预测的剩余视频图象，该方法还包括步骤：
将先前帧的运动补偿视频信号分量加到包括剩余视频图象平均象素值的第二组象素值，以提供一组相加的象素值；
其中，删除该组相加的象素值中所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
16、根据权利要求12的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中
在步骤(a)，编码的视频信号是作为代表视频图象的象素模块的高分辨率频域视频系数值模块接收的；
在步骤(b)，加权高分辨率频域视频系数值模块以形成加权的频域视频系数模块；
在步骤(c)，加权的频域视频系数模块被变换成象素值的第一模块；
在步骤(d)，象素值第一模块中所选择的若干象素值被变换成平均象素值，并且提供了包括平均象素值的象素值第二模块；和
在步骤(e)，从象素值平均模块中删除非平均象素值以产生低分辨率视频信号。
17、根据权利要求16的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中
在步骤(d)，象素值第一模块中所有象素值变换成平均象素值以减小运动人为因素；和
在步骤(e)，删除象素值第二模块中所选择的平均象素值以产生低分辨率视频信号。
18、根据权利要求16的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中在步骤(b)中高分辨率频域视频系数值的加权等同于空间域中的模块映射滤波。
19、根据权利要求16的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中编码的视频信号表示具有运动预测的剩余视频图象，该方法还包括步骤：
(f)存储对应于先前帧编码视频信号的低分辨率抽样视频信号；
(g)将存储的低分辨率抽样视频信号变换成对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块；和
(h)将对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块加到象素值第二模块，以提供相加的象素值模块；
其中在步骤(e)，从相加的象素值模块中删除所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
20、根据权利要求19的用于形成低分辨率视频信号的方法，其中
在步骤(g)，使用拉格朗日内插，用以将对应于先前帧的所存储低分辨率抽样视频信号变换成对应于先前帧的低分辨率运动补偿视频信号象素值模块。
21、一种用于从代表视频图象的编码视频信号中形成低分辨率视频信号的装置，编码的视频信号是频域变换的高分辨率视频信号，该装置包括：
接收装置，用于接收作为多个高分辨率频域视频系数值的编码视频信号；
下变频滤波器装置，用于接收和加权多个高分辨率频域视频系数值中所选择的若干个以形成一组频域视频系数；
逆变换装置，用于将该组频域视频系数接收和变换成第一组象素值；
平均滤波器装置，用于接收第一组象素值和将第一组象素值中所选择的若干象素值变换成平均象素值以提供包括平均象素值的第二组象素值；
抽样装置，用于删除第二组象素值中所选择的若干象素值以提供低分辨率视频信号。
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