CN1363188A - 以可选择的图像分辨率进行视频编码和解码 - Google Patents

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Abstract

视频编码器通常设计为在给定分辨率下具有给定性能。例如,公知MPEG2编码器压缩在‘601’分辨率(720×576像素)下的视频为IPPP序列使用2MB RAM。本发明提供在较低分辨率方式下可选择地(82a,82b)编码图像的特征。在低分辨率方式下的多余资源容量(例如存储器容量和存储器带宽)用于改善性能(例如更高的图像质量,更低的位速率)。更特别说,安排(83,84)在高分辨率方式下为产生P图像需要的RAM(81)和运动估算器(9)来产生低分辨率方式下的B图像。

Description

以可选择的图像分辨率 进行视频编码和解码
发明领域
本发明涉及在一个第一分辨率方式下参考具有所述第一分辨率的一个参考图像编码图像的视频编码器以及方法。本发明还涉及解码这种图像的相应的视频解码器和方法。
发明背景
在开头段落中定义的预测视频编码器和解码器在视频压缩领域中是公知的。例如，MPEG视频压缩标准指定P图像(P-picture)作为参考该序列的先前图像被编码的图像。先前的图像可以是一个I图像(I-picture)，即一个被自动编码而不参考序列中其它图像，或其它P图像的图像。先前的图像存储在存储器中。
MPEG标准还指定B图像(B-picture)作为参考先前图像以及后继图像编码的图像。B图像编码比P图像更高效。然而，编码B图像需要编码器具有两倍的存储器容量和基本两倍的存储器带宽。类似的考虑应用于相应的解码器。
于是，设计一个MPEG编码器是平衡电路复杂性和存储器容量(亦即芯片面积)对压缩效率的事情。鉴于此，菲立普公司在市场上引入一个集成电路，它只允许I和P编码。该电路产生具有分辨率为720×576像素的图像的IPPP序列，该分辨率通常称为‘601’或‘D1’分辨率。
发明目的及概述
本发明的一个目的是提供一个更灵活的视频编码器和解码器。
为此目的，按照本发明的视频编码器的特征在于，该视频编码器包括控制设备，用于在一个第二、较低分辨率方式下参考两个具有所述第二分辨率的参考图像可选择地编码所述图像，和在所述存储器中存储所述两个具有该第二分辨率的参考图像。从而实现同样的视频编码器可以在较低分辨率方式下用同样的资源特别是存储器产生B图像。较低的分辨率优选是第一分辨率方式的一半，例如352×576像素，通常称为‘1/2D1’分辨率。
视频编码器通常包括一个运动估算电路，它在第一分辨率方式下应用一个预定的检索策略来检索表示在输入图像和参考图像之间的运动的运动矢量。在本发明的一个实施例中，所述运动估算电路对两个参考图像在第二分辨率方式下应用所述检索策略。该实施例基于认识到，在第一分辨率方式下可用于检索运动矢量的时间允许在较低分辨率方式下两次检索这种运动矢量(以同样的帧速率)。在一个MPEG编码器中，其中B图像参考一个先前的图像以及一个后继的图像，因此运动估算电路用于在较低分辨率方式下检索向前和向后的两种运动矢量。
视频编码器的另外一个实施例基于认识到，为编码P图像(亦即参考一个单一参考帧编码的图象)与编码B图像相比可使用两倍的时间量。据此，安排运动估算电路在第一次遍历中应用检索策略以检索具有第一精度的运动矢量，和应用所述检索策略在第二次遍历中来改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。从而实现，与P图像关联的运动矢量比与B图像关联的运动矢量更精确。这一点特别具有吸引力，因为P图像通常比B图像彼此离开更远。
附图的简要描述
图1表示根据本发明的视频编码器的一个原理图。
图2和3是两个示意图，说明视频编码器的操作。
图4A-4C表示几个图像，说明由在图1中表示的运动估算和补偿电路执行的两次遍历运动矢量检索过程。
实施例的详细描述
现在参考一个MPEG编码器说明本发明，该编码器用于产生D1分辨率的IPPP序列和1/2D1分辨率的IBBP序列。也就是说，该编码器在D1分辨率方式下产生I和P图像，和在1/2D1分辨率方式下产生I、B和P图像。然而，本发明不限于遵从MPEG标准的视频编码器或者解码器。基本方面是在一种分辨率方式下参考一个参考图像来预测编码图像和在一种较低分辨率方式下参考两个参考图像预测编码图像。
图1表示按照本发明的一个MPEG视频编码器的原理图。一般布局在本技术中公知。该编码器包括一个减法器1，一个正交变换(例如DCT)电路2，一个量化器3，一个可变长编码器4，一个逆量化器5，一个逆变换电路6，一个加法器7，一个存储器单元8，和一个运动估算和补偿电路9。
存储器单元8包括具有为存储具有高分辨率例如720×576像素(通常称为D1)的参考图像的容量的存储器81。同样的存储器可以存储具有基本为所述分辨率的一半亦即360×576像素(通常称为1/2D1)的两个参考图像。这在图中用具有参考号码81a和81b的两个存储器部分以符号表示。存储器单元进一步包括用户可操作开关82a和82b，为可选择地切换编码器到高分辨率编码方式或低分辨率方式。
在高分辨率编码方式下，具有D1分辨率的图像写入存储器81和从其中读出，此时开关82a和82b在用H指示的位置。因为在此分辨率下一次只能存储一个图像，因此，该MPEG编码器只能产生I图像或P图像。如同在视频编码技术中一般公知的，I图像是自主编码的图像，不参考先前编码的图像。减法器1闲置。I图像本地解码并存储在存储器81中。P图像参考先前的I或P图像被预测编码。减法器1是活动的。减法器1从输入图像Xi减去运动补偿预测图像Xp，以便编码和传输其差。加法器7把本地解码的图像加到预测图像上，以便更新存储的参考图像。
在低分辨率方式下，具有1/2D1分辨率的图像写入存储器81a和81b和从其中读出，此时开关82a和82b在用L指示的位置。在这一编码方式下，操作另外两个开关83和84，开关83控制运动估算器读哪一个存储器，开关84控制本地解码的图像存储在哪一个存储器中。注意，存储器单元8中的开关在本编码器的实际实施例中作为软件控制的存储器寻址操作实现。
在低分辨率方式下，编码器如下操作。I图像再次编码，减法器1不运行。把本地解码的I图像写入存储器81a(开关84在位置a)。第一P图像参考存储的I图像预测编码(开关83在位置a)，它的本地解码版本写入存储器81b(开关84在位置b)。随后P图像被交替从存储器81a和81b中读出和写入，使得存储器8在任何时候保存最后两个I或P图像。这允许在低分辨率方式下双向预测编码图像(B图像)。
参考一个先前和一个随后的I或P图像编码B图像。注意，这需要图像的编码顺序与显示顺序不同，其电路在本技术中公知，而在图中未表示。运动估算和补偿电路9现在访问存储器81a和81b两者以产生前向运动矢量(参考先前的图像)和后向运动矢量(参考随后的图像)。为此目的，开关83在位置a和位置b之间切换。加法器7在B编码期间不操作。
图2表示一个时序示意图以总结编码器的操作。该示意图表示开关83和84在为编码一个IBBPBBP序列的连续帧期间的位置。通过编码类型(I，B，P)和显示顺序识别帧。I1是第一帧，B2是第二帧，B3是第三帧，P4是第五帧，等。为简单起见，在逐帧基础上表示在B编码方式下开关在两个存储器之间切换。在实践中，在宏块层次上进行切换。
运动估算电路执行一个给定的运动矢量检索过程。所述过程在低分辨率方式下需要以给定次数例如N次读各存储器。在高分辨率方式下同样的过程每一帧需要2N次存储器访问。如图2所示，编码B图像在低分辨率方式下每帧期间需要2N次存储器访问。相应地，存储器的带宽需求在高分辨率方式下和在低分辨率方式下基本相同。因此在低分辨率方式下的B编码的特征不需要另外的硬件或软件资源。这是本发明的一个有意义的优点。
图2另外揭示了矢量检索过程在P编码方式下每帧需要N次存储器访问，而有2N次访问可用。这一认识在本发明的另外的方面得以利用。为此目的，运动矢量检索过程对于P图像以两次遍历执行。在第一次遍历中，用一个‘标准’精度寻找运动矢量。在第二次遍历中，继续该检索过程，进一步改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。图3中表示出两次遍历操作，改进遍历用a’或b’指示，视情况而定。再次注意，在实践中两次遍历操作在逐个宏块基础上执行。
图4A-4C表示一个图像的几部分，进一步说明两次遍历运动估算过程。图4A表示一个要被预测编码的当前图像400。该图像被分为多个宏块(macroblock)。一个要被编码的当前宏块包括一个对象401。参考号码41、42、43和44指示在编码相邻宏块期间已经找到的运动矢量。图4B和4C表示存储在存储器81a和81b其中一个中的先前的I或P图像402，视具体情况而定。在先前的参考图像中，对象(现在用403指示)在不同位置并具有稍微不同的形状。在该例中，运动估算器从一些候选运动矢量中检索最好的运动矢量。本技术中公知为选择合适的候选运动矢量的各种策略。这里假定对于当前宏块图4A中用41、42、43和44指示的运动矢量在候选运动矢量中间。图4B表示第一运动矢量检索过程遍历的结果。看起来候选运动矢量43在输入图像的当前宏块和参考图像的一个相等大小块404之间提供最好的匹配。
在第二次遍历中，对不同候选矢量应用运动矢量检索。更特别是，在第一次遍历中找到的运动矢量是一个候选运动矢量。其它的候选矢量是进一步的改进。这在图4C中表示，这里43是在第一次遍历中找到的运动矢量，而8个点45表示新候选运动矢量的端点。它们与运动矢量43差一个(或半个)像素。现在对新候选矢量执行检索算法。在该例中似乎块45最相似当前的宏块。相应地，运动矢量46是用于产生运动补偿预测图像Xp的运动矢量。为P图像的两次遍历操作特别有吸引力，因为它对相距更远的图像比B图像提供更准确的运动矢量。
应该注意，两次遍历运动矢量检索也可以在更低分辨率方式下(SIF，352×288像素)应用于B图像。使用可用存储器和运动估算电路在更低分辨率下来增强图像质量或减少位速率的发明思想也可以应用于视频编码器的其它资源。例如，图1中的变换电路2、6，量化器3、5和可变长编码器4的“过容量”允许两次遍历编码，其中使用第一次遍历作为分析图像复杂性的一个步骤，而第二次遍历用于实际编码。
另外要注意本发明也可以应用于多分辨率视频解码器。因为如上所述，解码器相应于编码器的本地解码回路，因此不需要对其单独说明。
本发明可以总结如下。一般设计一个视频编码器在给定分辨率下具有给定性能。例如，公知MPEG2编码器在‘601’分辨率(720×576像素)下的压缩视频成IPPP序列使用2MB RAM。本发明提供在较低分辨率方式下可选择(82a，82b)编码图像的特征。在低分辨率方式下的多余资源容量(例如存储器容量和存储器带宽)用于改善性能(例如更高的图像质量，更低的位速率)。更特别说，安排(83，84)在高分辨率方式下为产生P图像需要的RAM(81)和运动估算器(9)来产生低分辨率方式下的B图像。

Claims (12)

1.一种用于在第一分辨率方式下参考具有所述第一分辨率的参考图像编码图像的视频编码器，该编码器包括存储器，它具有为存储具有所述第一分辨率的所述参考图像的容量，其特征在于，该视频编码器包括控制设备，用于在一个第二、较低分辨率方式下参考具有所述第二分辨率的两个参考图像可选择地编码所述图像，和在所述存储器中存储具有第二分辨率的所述两个参考图像。
2.如权利要求1所述视频编码器，还包括一个运动估算电路，它在第一分辨率方式下应用一个预定的检索策略来检索表示在输入图像和参考图像之间的运动的运动矢量，安排所述运动估算电路在第二分辨率方式下将所述检索策略应用于两个参考图像。
3.如权利要求2所述视频编码器，其中，选择的图像在第二分辨率方式下相对于所述参考图像中的一个编码，安排运动估算电路在第一次遍历中应用检索策略以第一精度检索运动矢量，在第二次遍历中应用所述检索策略改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。
4.如权利要求2所述视频编码器，还安排在第三、更低分辨率方式下参考具有所述第三分辨率的两个参考图像可选择编码图像，安排所述运动估算电路在第三分辨率方式下应用所述检索策略到两个参考图像，在第一次遍历中为每一参考图像应用检索策略以第一精度检索运动矢量，在第二次遍历中应用所述检索策略改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。
5.如权利要求1到4中任何一个权利要求所述视频编码器，其中，所述具有第一分辨率的参考图像是图像序列的一个先前的图像，具有第二分辨率的一个参考图像是所述序列的一个先前的图像，具有第二分辨率的另一个参考图像是所述序列的一个后继的图像。
6.一种在第一分辨率方式下参考具有所述第一分辨率的参考图像编码图像的方法，包括在存储器中存储具有所述第一分辨率的所述参考图像的步骤，所述存储器具有为存储所述图像的容量，其特征在于，该方法包括在一个第二、较低分辨率方式下参考具有所述第二分辨率的两个参考图像可选择地编码所述图像，和在所述存储器中存储具有第二分辨率的所述两个参考图像的步骤。
7.如权利要求6所述方法，另外包括在第一分辨率方式下检索表示在输入图像和参考图像之间的运动的运动矢量的步骤，所述检索在第二分辨率方式下应用于两个参考图像。
8.如权利要求7所述方法，其中，选择的图像在第二分辨率方式下相对于所述参考图像中的一个而被编码，在第一次遍历中应用检索步骤以第一精度检索运动矢量，在第二次遍历中改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。
9.如权利要求7所述方法，另外安排在第三、更低分辨率方式下参考具有所述第三分辨率的两个参考图像可选择编码图像，所述检索步骤在第三分辨率方式下应用到两个参考图像，在第一次遍历中以第一精度检索运动矢量，在第二次遍历中改进在第一次遍历中找到的运动矢量的精度。
10.如权利要求6到9中任何一个权利要求所述方法，其中，所述具有第一分辨率的参考图像是图像序列的一个先前的图像，具有第二分辨率的一个参考图像是所述序列的一个先前的图像，具有第二分辨率的另一个参考图像是所述序列的一个后继的图像。
11.一种在第一分辨率方式下参考具有所述第一分辨率的参考图像而解码图像的视频解码器，该解码器包括具有为存储具有所述第一分辨率的所述参考图像的容量的存储器，其特征在于，该视频解码器包括控制设备，用于在一个第二、较低分辨率方式下参考具有所述第二分辨率的两个参考图像解码所述图像，和用于在所述存储器中存储具有第二分辨率的所述两个参考图像。
12.一种在第一分辨率方式下参考具有所述第一分辨率的参考图像而解码图像的方法，包括在一个存储器中存储具有所述第一分辨率的所述参考图像的步骤，所述存储器具有为存储所述图像的容量，其特征在于，该方法包括在一个第二、较低分辨率方式下参考具有所述第二分辨率的两个参考图像解码所述图像，和在所述存储器中存储具有第二分辨率的所述两个参考图像的步骤。
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