CN1262846A - 编码图像序列的切换方法及相应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种在图像解码器中从一个第一编码图像序列切换到一个比特率比它低的第二编码图像序列的方法。如果第二序列的必需加以解码的第一帧发送图像的第一个比特在解码器的缓存器内滞留的时间(vbv延迟)大于第一序列的第一帧被代替的图像的第一个比特的类似时间因而不能与之兼容,就可以通过增大所述第一帧发送图像的比特率加以减小,以获得vbv延迟的兼容。在对于增大比特率受到有限带宽的限制的情况下,这种减小vbv延迟的操作可以按需要相继对随后的多帧图像重复执行。

Description

编码图像序列的切换方法及相应装置
本发明涉及在配有接收需解码的图像的缓存器的图像解码器中在解码前从一个比特率为Rold的第一编码图象序列切换到一个比特率为Rnew的第二编码图像序列的方法以及实现所述切换方法的相应装置。
如例如在文件“MPEG图像编码：基本指导书”(“MPEG video coding：a basic tutorial introduction”，BBC report RD 1996/3)中所述，MPEG型压缩的图像序列细分为一系列图像组(GOP)，各组包括不同类型的编码图像(图1示出了GOP的一个例子)：
帧内编码图像(I图像)，不参考任何其他图像编码的图像；
预测编码图像(P图像)，采用从一个过去的参考帧预测加以编码的图像；以及
双向预测编码图像(B图像)，采用从过去和/或将来的参考帧预测加以编码的图像(图中箭头分别指示各P图像或B图像的相应参考图像)。
对于不同类型的预测图像编码效率是不同的，因此所得出的比特数不是不变的。此外，假设每隔一个图像周期TV按照MPEG规范要瞬时对一帧图像解码，各帧编码图像的第一个比特在解码器的缓存器内并不滞留相同的时间，这个可变时间按MPEG语法定义称为vbv延迟(vbv＝videobuffering verifior图像缓存校验器)。对于一个以固定比特率编码的信息流，每隔一个图像周期TV瞬时解码一帧图像的情况，图2示出了解码器的缓存器充满度S(t)随时间t变化的例子，其中相继图像I0至I4的相应vbv延迟为vbv(I0)，vbv(I1)，……vbv(I4)。一帧图像的比特率由斜率给出，而充满度(解码器的缓存器状态)由每个周期Tv中的最高点给出。按照图3，一帧在时间td(Ij)从解码器的缓存器移出进行解码的图像Ij的容量d(Ij)为：
d(Ij)＝S-(Ij)-S+(Ij)    (1)其中S-(Ij)和S+(Ij)分别表示在时间td -(Ij)(图像Ij即将从解码器的缓存器移出的时刻)和td +(Ij)图像Ij刚从解码器的缓存器移出的时刻)的解码器的缓存器状态。对于这帧图像Ij，它的vbv延迟vbv(Ij)。图像信息流比特率R和解码器缓存器状态S-(Ij)之间的关系为：
S-(Ij)＝vbv(Ij)·R    (2)还可以得出：
S+(Ij)＝S-(Ij+1)-R·Tv    (3)由式(2)、(1)、(3)可以得出一个给出解码图像Ij的容量d(Ij)(比特数)更为精确的关系：
d(Ij)＝R·(vbv(Ij)-vbv(Ij+1)+Tv)    (4)
由于是这种调整模式，两个压缩(编码)图像序列之间的直接切换并不是始终可行的：用在每个周期Tv编码一帧图像进行切换在发送的第一帧新图像的vbv延迟大于所代替的第一帧老图像的vbv延迟时是不可能的。这种情况示于图4，用新序列(N1，N2)的图像N1代替老序列(O1，O2，O3)的图像O3是不可能的，因为N1的vbv延迟vbv(N1)大于O3的vbv延迟vbv(O3)。
已知，在MPEG-2标准(例如参见欧洲专利申请EP 0692911)中，利用一些称为“接续点”的专用接入点就有利于图像切换。然而，这只能在新、老图像序列上存在相同的接续点时才能执行。
本发明的目的是提出一种可以不用设立接续点的图像序列切换方法。
为了达到这个目的，本发明所涉及的如本说明书前言所述的方法的特征是：如果第二序列第一帧发送图像(N1)的第一个比特在所述第一帧发送图像解码前必需在解码器的缓存器内滞留的时间vbv(N1)大于第一序列第一帧被代替图像(O3)的第一个比特在它解码前必需在所述缓存器内滞留的时间vbv(O3)，就将第二序列所述第一帧发送图像的比特率至少增大到使所述时间vbv(N)相应减小到至少等于时间vbv(O3)的值Rint。
切换现在就可以执行而不需要任何接续点。按照本发明，就本帧增大比特率，使得第一帧被代替的老图像与第一帧要发送的新图像的vbv延迟现在是兼容的，从而不再需要接续点来实现换操作。
然而，并不是始终能无限增大比特率以达到适当的vbv延迟值，例如，图像序列可能与其他基本信息流多路合并成一个多路复用传送信息流，从而上述方法在这种情况下可能由于在所述多路复用传送信息流中可用带宽的限制而不能使用。
按照本发明，在对于比特率而言带宽受限的情况下，对上述方法作了改进：
(a)将所述第一帧发送图像N1的比特率增大到以下两个值中较小的那个值：与所述有限带宽相应的最大比特率值，或使所述时间vbv(N1)相应减小到最多等于时间vbv(O3)的值Rint。
(b)只要所述较小值为与所述有限带宽相应的最大比特率值，对于第二序列的第二帧图像N2重复操作(a)；以及
(c)只要上次操作结束时得出的所述较小值为所述最大比特率值，对于第二序列的随后图像N3，N4，…，同样重复操作(a)。
在增大比特率有带宽限制时，所提出的方法可以通过按需要相继对第二序列的多个图像增大比特率加以改善，尽管由于所述带宽限制，在某种程度上仍尽可能减小第一帧图像的vbv延迟。
从下面的说明和附图中可以清楚地看到本发明的特色和优点。在这些附图中：
图1示出了包括不同类型的编码图像的GOP的一个例子；
图2给出了对于一个以固定比特率编码的信息流在每隔一定时间瞬时解码一帧时的情况；编码器的缓冲器充满度与时间的关系的例子；
图3标明了在采用图2的解码器缓存器充满度表示方式时图像Ij的主要有用参量；
图4例示了在一个老序列和一个新序列之间不能切换的情况；
图5例示了本发明所提出的方法的原理；
图6示出了按本发明所提出的方法进行切换所得到的信息流；
图7和8例示了本发明所提出的方法的限制，在图7中可观察到的切换问题并不能如图8所示那样实现本发明完全解决；
图9例示了本发明所提出的改进方法的原理，可以解决所述限制；
图10至12例示了出现下溢的情况；
图13和14分别例示了在实现所述方法的切换装置内和在所述装置的另一个实施例内执行的步骤。
本发明的原理是：在转换时就本帧增大新序列的比特率，使vbv(N1)减小到最多等于或者甚至小于vbv(O3)(这个值为vbv′(N1)表示)，这样就能进行切换。这种情况与图5相应，图中示出了在对N1进行比特率修改后N1和O3的vbv延迟怎样成为兼容(与图4相比较)的情况。在图像O3用图像N1代替后全程解码器的缓存器的演化示于图6，其中示出了在按照本发明的原理进行切换时得到的信息流。
式(2)可得：
Rint＝(vbv(N1)·Rnew)/vbv(O3)    (5)
其中：
Rnew为新图像序列的比特率；
Rint为在实现本发明所提出的方法时的中间过渡比特率。
如图5所示，在请求切换时，即在新图像N1的第一个比特进入解码器的缓存器的时刻tsw，就对信息流应用中间比特率Rint(Rold表示老图像序列的比特率)。由图6可见，在这个时刻tsw图像O1还没有解码，它的最后一些比特将以中间比特率Rint传入解码器的缓存器。在这帧图像O1解码时，图像O2的最后一些比特还没有完全传入解码器的缓存器，这些比特也以Rint传入。在O2解码时，N1(代替O3)的最后一些比特同样还没有完全传入解码器的缓存器，这些比特仍然以Rint传入。在N1解码时，所有以后的(N2…等)vbv延迟就都是兼容的，因此传入随后的这些图像(N2…等)的比特率就为新图像序列的比特率Rnew。
本发明并不局限于上述这种实现方式，在不偏离本发明范围的情况下不可以从这种实现方式导出许多修改形式。例如，如果中间比特率Rint成为高于老比特率Rold，就必需注意不要在转换时出现溢出。
然而，并不是始终都能无限增大N1的比特率来达到一个适当的vbv延迟值。通常，这些图像序列与其他基本信息流合并成一个多路复用传递信息流，因此上述执行本帧比特率修改的方法在这种情况下由于在所述多路复用传送信息流中可用带宽的限制而不能使用。图7和8分别示出了切换问题(在vbv(N1)大于vbv(O3)时，不能执行切换操作)和诸如上述这种切换方法通过增大新序列第一帧发送图像N1的比特率减小vbv(N1)的实现情况。在可用带宽受到限制的情况下，单增大N1的比特率不足使vbv(N1)具有一个能与vbv(O3)兼容的值。为了使图简明起见，老序列的比特率Rold在此假设为与增大Rnew。(对于图像N1)的带宽极限相应。如图8所示，值vbv(N1)在N1的比特率增大到一个等于与O3相应的比特率的值后实际上仍大于vbv(O3)(在这图中和在图9和11中，双线相应于在比特率修改前和图像N1)。
如图9所示，按照本发明，在将增大比特率再用于新序列的下一帧图像N2时，解码器的缓存器就部分空出来，从而使vbv(N1)再次减小，但这次减小量足以使N1和O3的vbv延迟兼容。推广来说，如果必要的话(即如果所述减小量仍不足使N1和O3的vbv延迟兼容的话)，不仅对第一帧然后对第二帧新图像增大比特率，而且还对每个后继图像增大比特率，直至足以获得vbv延迟的所述兼容性。
所述推广可以更为精确地加以研究，从而可以得出在这种推广的比特率修改后的新的缓存器状态和vbv延迟的计算。为此假设：
a)所有带下标“b”的变量表示在比特率修改前的变量；
b)所有带下标“a”的变量表示在比特率修改后的变量；
c)由于本发明的实现只与新信息流有关，而与老信息流中的图像无关，因此所有考虑新序列的一帧图像Nk的标记恢复为这个图像的下标k，以及
d)解码时刻td(k)和图像容量d(k)在这处理过程期间不作修改。其他仍未说明的所用标记如下：
ts(I)为图像I的第一个比特进入解码器的缓存器的时间；
tsa(1)，…，tsa(i)，…tsa(n)为与ts(I)类似的时间，但是为比特率修改后新序列的图像1，…，i，…，n的第一个比特分别进入解码器的缓存器的时间；以及
d(1)，…d(i)，…d(n)分别为图像1，…i，…，n的以比特数计的容量。考虑直至图像n解码的比特率修改情况(n的值必需多大的考虑将在下面介绍)。因此，对于处于tsa(1)至td(n)之间的时间t，比特率等于Rold，而对于大于td(n)的时间t，比特率等于Rnew。在td(n)以后，缓存器充满度就不变：S-a(k)＝S-b(k)和S+a(k)＝S+b(k)，对于k＞n。缓存器状态在时刻t-d(n)为S-b(n)。新的缓存器状态在时刻t-d(n-1)于是可推得为：S- a(n-1)＝S- b(n)-Rold.Tv+d(n-1)      (6)而且：S- b(n-1)＝S- b(n)-Rnew.Tv-d(n-1)      (7)从而可得S- a(n-1)＝S- b(n-1)-(Rold-Rnew).Tv                            (8)同样可以证明：S- a(n-2)＝S- b(n-2)-(Rold-Rnew).2Tv                           (9)从而可递推得：S- a(n-k)＝S- b(n-k)-(Rold-Rnew).kTv
对于k＝0，…，n-1                                        (10)同样可以证明：S- a(n-k)＝S- b(n-k)-(Rold-Rnew).kTv
对于k＝0，…，n-1                                        (11)
新的vbv延迟也可以计算得，为：vbva(n-k)＝S- a(n-k)/Rold
对于k＝0，…，n-1                                        (12)由式(10)可得：vbva(n-k)＝(S- b(n-k)/Rnew).(Rnew/Rold)-kTv.(1-Rnew/Rold)
对于k＝0，…，n-1                                        (13)因此有：vbva(n-k)＝vbvb(n-k).(Rnew/Rold)-kTv.(1-Rnew/Rold)           (14)
对于k＝0，…，n-1
必需指出的是，根据式(10)和(11)，原来的缓存器充满度在增大一个本帧比特率后就要减小，因为Rold大于Rnew。因此，如果不注意，就可能出现下溢。不下溢的条件可以确定n的值应取多大。
为了在本帧比特率增大后具有应顺的缓存器充满度，必需满足
S+ a(n-k)＞0
对于k＝0，…，n-1    (15)由于式(11)，可得
S+ b(n-k)＞kTv.(Rold-Rnew)
对于k＝0，…，n-1    (16)这个条件也可以用vbv延迟表示。如果满足：
vbvb(n-k)＞Tv
对于k＝0，…，n-1    (17)缓存器充满度就不至下溢。由于式(14)，因此可得：
vbva(n-k)＞Tv.(Rold-Rnew+k.(Rold/Rnew-1))
对于k＝0，…，n-1    (18)如果没有下溢的问题，将达到最小可能vbv延迟d(1)/Rold。
图10至12示出了如果n＝2就会出现下溢情况的例子。图10表示原来的信息流，图11示出了增大比特率直至图像N1解码的情况，而图12示出了增大比特率直至图像N2解码的情况(与前面一样，双线相应于修改图像N1、N2的比特率以前的图像)。在最后的这种情况下出现下溢，而如果增大比特率只是直至N1解码就不会出现下溢。这就是最终不下溢条件，可以确定新序列中可以增大比特率而没有任何问题的图像的帧数。
然而，应该注意的是，在按照本方法减小了vbv延迟后，有时可能仍处于vbv延迟还不能兼容的情况。于是能将所述方法与另一种如在1997年5月27日递交的欧洲专利申请书No.97401160.3(PHF 97557)中所述的基于插入所谓最小图像的方法结合起来。按照所述文件，不再修改比特率，而是将新的图像序列延迟给定的图像数K，而将K帧最小图像，即以尽可能少的比特编码而仍应顺解码过程的图像，插在老的和新的序列之间释放出的时间段。图13和14例示了分别在实现诸如所述的本帧比特率修改的装置中和在实现上面提到的结合两种方法的装置中所执行的主要步骤。在图14中，R(of-min)表示保证不溢出的最小比特率。

Claims (5)

1.一种在配有接收需解码的图像的缓存器的图像解码器内在解码前从一个比特率为Rold的第一编码图像序列切换到一个比特率为Rnew的第二编码图像序列的方法，其特征是：如果第二序列的第一帧发送图像(N1)的第一个比特在所述第一帧发送图像的解码时间前在解码器的缓存器内要滞留的时间vbv(N1)大于第一序列的第一帧被代替的图像(O3)的第一个比特在它本身的解码时间前在所述缓存器内要滞留的类似时间vbv(O3)，那么就将第二序列的所述第一帧发送图像的比特率至少增大到使所述时间vbv(N1)相应减小到最多等于时间vbv(O3)的值Rint。
2.一种按权利要求1所述的方法，其特征是：在所述比特率的增加受到有限带宽限制的情况下
(a)将所述第一帧发送图像N1的比特率增大到以下两个值中较小的那个值：与所述有限带宽相应的最大比特率值，或使所述时间vbv(N1)相应减小到最多等于时间vbv(O3)的值Rint；
(b)只要所述较小值为与所述有限带宽相应的最大比特率值，对于第二序列的第二帧图像N2重复操作(a)；以及
(c)只要上次操作(对于(c)为(b)，对于(d)为(c)，…)结束时得出的所述较小值为所述最大比特率值对于第二序列的随后图像N3，N4，…同样重复操作(a)。
3.一种按权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述最大比特率值Rint等于所述比特率Rold，而所述值Rint由下式给出
Rint＝(vbv(N1)·Rnew)/vbv(O3)
4.一种按如在权利要求1至3的任何一个权利要求中所提出的方法进行切换的装置。
5.一种如在权利要求4中所提出的装置，用来将所述切换方法与另一种将一个用尽可能少的比特编码的图像序列插在所述第一和第二序列之间的方法结合起来。
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