CN1319309A - 对包括电视型或电影型图像的帧序列进行编码的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在编码或其它压缩操作之前对图像信号的处理,尤其,涉及一种对相应于包括两场F1和F2的每一帧的帧序列的视频信号进行编码的方法。该方法包括:接收输入图像信号的连续帧且用至少“两场”持续时间延时,并检测任何优势转换及调整所述延迟。当检测到从F1占优到F2占优的转换时,第一个F2占优帧的第一场被抑制,并且所述延迟被减少等于“一场”的持续时间;当检测到从F2占优到F1占优的转换时,最后一个F2优势帧的最后一场被重复,从而使延迟增加等于“一场”的持续时间。本发明还涉及对包括电视型或电影型图像的帧序列编码的方法,并涉及执行用上文所述第一解决方案合并的方法的编码系统。如果检测到电影型序列,对输入帧应用反向3∶2下拉技术,而在相反情况下,不用所述技术而由所述第一解决方案代替:依照优势转换的类型进行预处理。

Description

对包括电视型或电影型图像的 帧序列进行编码的方法和装置
本发明涉及一种对相应于原先包括两场F1和F2的每一帧的帧序列的视频信号进行编码的方法，和相应的编码装置。
在由连续的隔行扫描的图像(或帧)组成的视频序列中，每一帧由一对场F1和F2组成，如图1所示图解的连续的场对(每一帧包括顶部帧F(2n-1)(n＞0)即奇数帧，和底部帧F(2n)即偶数帧，奇数帧是F1型而偶数帧是F2型)和有关联的同步信号。当这样的视频场从电视摄像机或任何其他类型的视频信号发生器，例如以50场/秒(25帧/秒)的速率或60场/秒(30帧/秒)的速率传出时，图像内容没有场优势(如果一帧是由第一场F1后面跟着第二场F2组成，则该帧被说成是“F1占优的”，如果一帧由第二场F2后面跟着第一场F1组成，则该帧被说成是“F2占优的”)。
当以必须知道和保存帧边界的方式传送数据时，场的占优性就成为至关重要的。当以帧边界编辑图像内容时，以利用录像机编辑时为例，提供用于确定图像内容是F1占优的还是F2占优的判断：对于由图2所示的先前存在的图像内容，图3和图4分别示出F1占优的图像内容和F2占优的图像内容的结构。一旦一些内容已经获得了特殊的色度，该内容则必须用占优处理。另外，在一帧的表示中会发生移动，如图5所示：前两帧是F1占优的，但是第三帧是F2占优的，并且由原先不属于同一帧的两场组成。在这种情况下，编码效率较低：一个编码帧的两场间的场景切割，损失许多比特率的分配效率。而且，当DVD播放机以慢动作或静止图像模式输出帧时，F2占优可能会导致令人讨厌的图像的垂直移动。
因此，本发明的一个目的是提供一种编码方法，它避免了以上指出的缺陷并且提高了任何编码电视节目的图像质量。
为此，本发明涉及一种如在介绍段落中所描述的方法，并且其中在编码步骤前有预处理步骤，该预处理步骤包括以下分步骤：
(A)接收连续的帧并用至少“两场”持续时间的延时来延迟它们；
(B)依照如下的占优转换判据调整所述的延迟：
(a)当检测到从F1优势到F2优势的转换时，第一个F2优势帧的第一场被抑制，从而使所述延迟减少等于“一场”的持续时间。
(b)当检测到从F2优势到F1优势的转换时，最后一个F2优势帧的最后一场被重复，从而使所述延迟进一步增加等于“一场”的持续时间。
这样提供的方法允许检测在场优势中的转换并校正输入序列以便此时的帧能够被正确地编码。
在本发明的一个改进的实施例中，其中的帧序列由已经对图像应用3∶2下拉技术的电影型图像组成，或由包括两场的电视型图像组成，所述方法包括以下步骤：
(A)检测由电影型图像组成的当前序列；
(B)当它没有被检测为是电影型时在所述预处理步骤之后，或者如果它被检测为是电影型时在对所述当前序列执行反向3∶2下拉技术处理之后，对所述当前序列编码；
且所述检测步骤包括以下分步骤：
(a)为两个连续的相同奇偶场F(n)和F(n+2)确定像素数N2，如N2=NTOT-N′2，其中NTOT是在一场中的像素数，N′2是ABS(valF(n)-valF(n+2))＜TH2时的象素数，ABS表示“绝对值”函数，val表示象素的亮度，TH2是第一预定阈值；
(b)使两个连续号的N2相减，由NTOT除，将其结果与第二预定阈值THR比较；
(c)只有当所述结果低于所述第二阈值时，才检测由电影型图像组成的当前序列，所述的场则被认为是相等的。
提供一种相应的编码装置也是本发明的一个目的。
为此，本发明涉及一种对相应于原先包括两场F1和F2的每一帧的帧序列的视频信号进行编码的装置，所述序列由应用了3∶2下拉技术处理的电影型图像组成，或由包括两场的电视型图像组成，所述装置包括：
(A)用于检测输入帧序列中电影型图像序列的装置；
(B)用于接收输入序列的连续帧、以至少两场的延时来延迟其中的每一个、并依照下列优势转换判据调整所述延迟的装置：
(a)当检测到从F1优势到F2优势的转换时，第一个F2优势帧的第一场被抑制，从而使所述延迟减少等于“一场”的持续时间；
(b)当检测到从F2优势到F1优势的转换时，最后一个F2优势帧的最后一场被重复，从而使所述延迟增加等于“一场”的持续时间；
(C)用于对输入帧序列编码的装置，当所述序列没有被检测为是电影型时它与装置(B)相串接，或是如果被检测为是电影型，则在实施了反向3∶2下拉技术之后进行对输入帧序列的编码。
以下参照附图更详细解释本发明的特征，其中：
-图1表示在时间轴上以由相关同步信号给定的速率，示出的图象序列由连续的场对组成；
-图2表示先前存在的图像内容的连续帧F1、F2，图3和4举例说明F1优势和F2优势图像内容的结构，而图5说明在帧的表示中已经出现了位移的图象序列的情况；
-图6表示依照本发明的预处理装置的实例；
-图7示出了一种机制，在预处理装置中据此执行与占优的类型检测相关的一场的抑制或重复的序列修正；
-图8举例说明了3∶2下拉技术，它允许从四个原有连续帧构造五个隔行扫描帧的序列，或场对F(n)到F(n+9)，在当前情况下n=1；
-图9示出电影模式场的排序方式并说明了针对3∶2下拉结构的检测执行的一系列测试(同样的？或者不是同样的？)；
-图10表示依照实现本发明的方法的编码系统；
-图11是在图10中的编码装置中的预处理装置的执行过程。
依照本发明的预处理装置的执行过程(在编码装置1003编码之前)的例子在图6中举例说明，此情形中，在输入视频流是由与电视型的图像对应的信息组成的序列，即由一对对帧F(1),F(2),…,F(i),…等序列组成(已经如图1所示)。
这样的序列假定是F1占优的，对应于图6中开关61到上面的位置，每一个序列输入场IF随后在存储器63中延迟两场或至少两场(与图7中的(a)行的相应帧比较，针对帧1到3的这一延迟中由(b)行表示)。当由用于检测场优势转换的电路64的装置检测到从“F1优势”到“F2优势”转换时(在图7的(a)行的时刻t12)，电路64控制的开关61回到下面的位置(见图6)，现在每一个序列输入场IF在存储器65中用只有一场的延时(或者在对存储器65更大的延迟的情况下，少于一场)来延迟。有F2优势的第一帧被抑制，且所有后来的输入场现在只用“一场”持续时间延迟(见图7中(b)行的帧4和5)传送，以便在输出序列中没有间隙出现。
当由电路64检测到另一个从“F2优势”到“F1优势”的转换时(在图7的(a)行中的时刻t21)，为了恢复正确的序列，最后的F2优势帧的最后一场F1被重复：现将以最初的方式把所有的序列输入场再次以“两场”持续时间的延迟(见图7的(b)行中的帧6和7)传送，或针对存储器63有更大的延迟的情况下再多延时一场。
在场优势转换检测电路64中的优势检测是例如通过使用镜头切换检测方法实现的，在连续的场之间执行优势检测。这样的方法在比如1998年5月31日在美国蒙特里出版的1998IEEEISCAS学报上Ⅵ-253到Ⅵ-256页，由T.Shin等发表的“在MPEG-2压缩的图像序列中分级的镜头转换检测”，或1999年10月的IEEE对视频技术的电路和系统学报第9卷NO.7的1030-1044页，由P.Bouthemy等发表的“镜头转换检测和摄像机动作特性统一的方法”的文献中说明。
本发明改进的实施例也可以在如下的例子中提供。在NTSC标准中，图像频率是每秒30个隔行扫描的帧。然而，对电影来说，帧以24Hz的帧速率产生。当要求在电视上显示电影型图像序列时，有必要把电影的帧速率转换为NTSC标准。当前使用的技术是公知的“3∶2下拉”，在例如国际专利申请WO97/39577中有所描述的，由基于4个原有的序列电影帧建立5个隔行扫描的帧(因此能在电视上显示)组成。通过把这4个序列帧的每一个分割为两个，从而形成4个奇数场和4个偶数场、并通过复制这8场中的两个成双而获得该“3∶2下拉”。
如在图8中所示的，在第一行表示24Hz的电影序列而在第二行举例说明如何组织相应的30Hz图象序列的场序列，这意味着附加的场插入到电影帧的每一对，例如通过把两个电影帧之一分割为三场，另一个电影帧如通常那样分割为两场。在帧分割为三场的情况下(例如，G1G2分割为F1、F2、F3，或者G5G6分割为F6、F7、F8)，为了保持序列“奇数/偶数”，第三场由交替地复制奇数场(F1)或偶数场(F6)获得。结果如下：
F1=F3=G1
F2=G2
F4=G4
F5=G3
F6=F8=G6
F7=G5
F9=G7
F10=G8，等等。由复制获得的两个附加场形成冗余信息。当依照MPEG-2标准编码这些序列时，检测所述的信息是有意思的：复制的场的消除将会释放一些空间，以更好的编码其他的场，有关的MPEG-2编码器从而接收30Hz的电视型图像序列和24Hz的原有的电影型图像序列。
因此，自动检测来自电影的序列(电影型图像序列)的通常的判据如下：五帧的结构-也就是10场-由相同奇偶的连续的场的减少的装置分解。检测3∶2下拉结构的情况如下：
F1=F3
F2≠F4
F3≠F5
F4≠F6
F5≠F7
F6=F8
F7≠F9
F8≠F10这在图9的序列中示出，其中f1,f2,…表示连续的帧，1o-1e,1o-2e,2o-3e,…表示相应场对，y表示对比较的测试回答“yes”(也就是场相等)，n表示回答“no”(也就是场不同)。如果所有这些条件满足的话，则在五帧组上执行的逆向的3∶2下拉转换；相反，如果这些条件不正确的话，编码器回到电视模式(没有两场的消除)。
然而，对于在原有的3∶2下拉序列上的噪声的存在可能性，在两场之间(F1、F3和F6、F8)相等判据可以不作严格检验。考虑过的是相同奇偶的两场F(N)和F(N+2)。如果NTOT表示在一场中的全部象素数(对完全的分辨率是172800)，val(F(N))表示给定像素的亮度值，N1是象ABS[val(F(N))-val(F(N+2))]＞THRES1这样的图像元素(像素)数，Nm是象ABS[val(F(N))-val(F(N+2))]＜THRES2这样的像素数，N2是象N2=NTOT-Nm这样的象素数，和THRES1、THRES2是预定的阈值，则如下的测试被执行，比率1和比率2是预先选择的值：
如果((N1＜比率1)和(N2＜比率2)则：F(N)=F(N+2)
否则：F(N)≠F(N+2)第一判据(N1＜比率1)可以被叫做“相异判据”并包含场到场像素差异是大值的场合下的象素数，而第二个(N2＜比率2)可以被叫做“相似判据”并包含场到场像素差异是小值的场合下的象素数。
在电影模式检测步骤内的麻烦会因此经常发生在随后的两种对照条件的情况下。对静态的或准静态的序列，相异判据不再检验，因为场几乎全部相等，并且会因此被消除，所剩必须满足的条件仅是F1=F3和F6=F8。但对于一个确有噪声的序列，由于两个完全一样的场也会看上去不相似，因此设置相似性判据的阈值不能增加太多，否则彼此不相似的场也会被认为完全相同。自动检测来自电影的序列的判据则可以在随后说明的基础上修改。通过看N2统计表(N2已经在上文中详细说明)，申请人已经注意到针对场F1和F3的N2(参考N2[1,3])和针对场F6和F8的N2(参考N2[6,8])与其他的N2(一般地说，N2[i,j]代表对Fj-Fi计算的N2的统计数据)相比要小。因而，通过计算两个连续的N2统计数据的差，例如：N2[6,8]-N2[5,7],以及按百分比的形式把这样的差与预定的阈值(例如依照如下的形式的数学式：N2[5,7]-N2[6,8]×100/NTOT)比较，大的值百分比每五次计算获得一个。因此，如果计算的百分比小于X％，例如X=30％，则认为两场(最后认为是一对的场)是相等的，并对接下来的五帧执行3∶2下拉处理。
参照图10说明其中包括这种预处理操作的编码系统。这一编码系统包括用于编码对应于来自电影或电视型的序列对输入信号的装置101，用于在所述的输入信号中检测电影型序列的装置102(所述的检测装置是如后面说明活动的检测阶段)，和用于转换的装置103，只有当这样的检测已经发生时，才把编码装置101的操作从第一模式切换到第二模式。编码器101包括第一预处理装置1011，第二预处理装置1012，和编码装置1013，例如MPEG-2编码器。
在图11中示出的检测阶段，它本身包括一组减法器141.1、141.2、141.3、…，用于接收相同奇偶的两个连续场的每一个并测定这些场之间每一个象素的差，后面有一组电路142.1、142.2、142.3、…，用于取所述的差的绝对值；这一值分别存储在存储器143.1、143.2、143.3、…中。这些存储的绝对值的连续值之间连续的差在减法器144.1、144.2、144.3、…中计算，而这些差，例如由以上指出的100/NTOT相乘，与预定的阈值(测试C1)比较。如果场相等，也就是它们相应于电影型图像(在当前情况下，对F1=F3和F6=F8)，在第一预处理装置1011中对接下来的5帧能执行逆向3∶2下拉处理；这一情况相应于转换装置103的较低的位置。当不是这种情况时(电视型图像)，转换装置103在相反的位置(上面的位置)。随后装置1011被禁动，同时第二预处理装置1012启动(这一装置1012有与图6的预处理装置完全相同的结构)。
与这一最后描述对应的编码装置可以被用于传送用电视系统以60赫兹的频率操作的运动的图像(例如以用在比如日本或美国这些国家的NTSC标准)。

Claims (4)

1．一种对相应于原先包括两场F1和F2的每一帧的帧序列的视频信号进行编码的方法，其中在编码步骤前有预处理步骤，该预处理步骤包括以下分步骤：
(A)接收连续的帧并用至少“两场”持续时间的延时来延迟它们；
(B)依照如下的占优转换判据调整所述的延迟：
(a)当检测到从F1优势到F2优势的转换时，第一个F2优势帧的第一场被抑制，从而使所述延迟减少等于“一场”的持续时间。
(b)当检测到从F2优势到F1优势的转换时，最后一个F2优势帧的最后一场被重复，从而使所述延迟增加等于“一场”的持续时间。
2．如权利要求1所述的编码方法，其特征在于，所述帧序列由已经对图像应用3∶2下拉技术的电影型图像组成，或由包括两场的电视型图像组成，所述方法包括以下步骤：
(A)检测由电影型图像组成的当前序列；
(B)当它没有被检测为是电影型时在所述预处理步骤之后，或者如果它被检测为是电影型时在对所述当前序列执行反向3∶2下拉技术处理之后，对所述当前序列编码；
且所述检测步骤包括以下分步骤：
(a)为两个连续的相同奇偶场F(n)和F(n+2)确定像素数N2，如N2=NTOT-N′2，其中NTOT是在一场中的像素数，N′2是ABS(valF(n)-valF(n+2))＜TH2时的象素数，ABS表示“绝对值”函数，val表示象素的亮度，TH2是第一预定阈值；
(b)使两个连续号的N2相减，由NTOT除，将其结果与第二预定阈值THR比较；
(c)只有当所述结果低于所述第二阈值时，才检测由电影型图像组成的当前序列，所述的场则被认为是相等的。
3．一种对相应于原先包括两场F1和F2的每一帧的帧序列的视频信号进行编码的装置，所述帧序列由应用了3∶2下拉技术处理的电影型图像组成，或由包括两场的电视型图像组成，所述装置包括：
(A)用于检测输入帧序列中电影型图像序列的装置；
(B)用于接收输入序列的连续帧、以至少两场的延时来延迟其中的每一个、并依照下列优势转换判据调整所述延迟的装置：
(a)当检测到从F1优势到F2优势的转换时，第一个F2优势帧的第一场被抑制，从而使所述延迟减少等于“一场”的持续时间；
(b)当检测到从F2优势到F1优势的转换时，最后一个F2优势帧的最后一场被重复，从而使所述延迟增加等于“一场”的持续时间；
(C)用于对输入帧序列编码的装置，当所述序列没有被检测为是电影型时它与装置(B)相串接，或是如果被检测为是电影型，则在实施了反向3∶2下拉技术之后进行对输入帧序列的编码。
4．如权利要求3所述的编码装置，其特征在于，所述检测装置包括一组减法器，用于接收相同奇偶的两个连续场的每一个并测定这些场之间每一个象素的差，且后面有一组电路，用于取所述差的绝对值并储存它，在减法器中计算这些储存的绝对值的连续值之间的连续差，将这些差与一个预定阈值比较，并只有当所述差低于预定阈值时检测电影型序列，所述的场则被认为相等。
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