CN1479256A - 以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置。该循序扫描装置包含:一MPEG2解码器,用于接收MPEG2编码的数据并将该编码数据译码后产生编码信息以及图像数据;一帧缓冲器,用来暂存所述图像数据;一运动信息处理单元,用于接收所述编码信息,并根据该编码信息产生各图像的运动信息;以及一播放单元,用于根据所述运动信息以不同转换方式播放所述帧缓冲器的所述图像数据。因此,该循序扫描装置仅需利用MPEG2解码器所产生的编码信息即可判断出各图像的宏块的运动程度。

Description

以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法
技术领域
本发明涉及关于以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法。
背景技术
MPEG2(运动图像专家组2)的视频编码技术中,图像的编码方法主要区分为三种:I图像(帧内编码图像)、P图像(预测编码图像)、以及B图像(双向预测编码图像)。I图像是帧内的编码方法,在译码时和前后的帧并没有相关性。P图像和B图像则是具有运动补偿的编码方法。在编码时,P图像会向前一张参考图像做运动分析,而B图像则向前后各一张参考图像做运动分析。图1所示为MPEG2规格中图像输出的一个例子。如该图所示,每一张P图像是由前一张参考图像,例如I图像或P图像的运动补偿和编码组成。MPEG2规格中的运动补偿单位是16×16画素大小的矩阵的宏块(macro-block)。P图像和前一张参考图像之间可能夹有数张B图像。编码器在编码时会针对图像与其参考图像比较分析,找出合适的运动向量。
为了提高MPEG2视频画面的分辨率,播放装置会将交错扫描的视频画面转换成循序扫描的视频画面。而将交错扫描的视频画面转换成循序扫描的视频画面时,常用的方法有交织法(weave method)和图场内插法(fieldinterpolation method)。所谓交织法是将上图场(top field)与下图场(bottom field)互相交织显示。但是该交织法会因图场间存在的移动而造成梳状(comb)。而所谓图场内插法则是利用单一图场,计算出另一图场的图像数值,但因信号理论的基本限制,难以达到高分辨率的画质。
为了解决上述交织法与图场内插法的缺点,提出一种运动自适应(motionadaptive method)循序扫描转换。图2所示为一般运动自适应循序扫描转换装置的框图。如该图所示,该运动自适应循序扫描转换装置包含一帧缓冲器22、一运动自适应处理单元23、以及一显示单元24。帧缓冲器22用于储存MPEG2解码器21所输出的帧数据。该运动自适应循序扫描转换装置利用运动自适应处理单元23将帧缓冲器22内的前后数个画面做全域运算比对,由此决定出每个像素是属于运动或是静态。例如,若像素属于静态,则使用交织法来转换,因图场间不存在移动故不会产生梳状且分辨率较高;若像素属于运动则使用图场内插法来转换。虽然该运动自适应循序扫描转换方法可以解决上述缺点,但是因为必须针对帧缓冲器内的前后数个画面做全域运算比对,是一种成本很高的方法。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的是提出一种不需要对帧内前后数个画面做全域运算比对,而是以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法。
本发明提供一种以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,该装置包含:一MPEG2解码器,用于接收MPEG2编码的数据并将该编码数据译码后产生编码信息以及图像数据;一帧缓冲器,用来暂存所述图像数据;一运动信息处理单元,用于接收所述编码信息,并根据该编码信息产生各图像的运动信息;以及一播放单元,用于根据所述运动信息以不同转换方式播放所述帧缓冲器的所述图像数据。
本发明还提供一种以编码信息为基础的运动自适应循序扫描方法,该方法包含下列步骤:译码步骤,利用MPEG2解码器接收MPEG2编码数据,并将该编码数据译码后产生编码信息以及图像数据,并将图像数据储存于帧缓冲器;运动信息产生步骤,用于接收所述编码信息,并根据该编码信息产生各图像中各块的运动信息;以及播放步骤,用于根据所述各块的运动信息以不同转换方式播放所述帧缓冲器的所述图像数据。
因此,该循序扫描装置仅需利用MPEG2解码器所产生的编码信息即可判断出各图像的宏块的运动程度。
附图说明
图1所示为MPEG2规格中图像输出的一个例子。
图2所示为一般运动自适应循序扫描转换装置的框图。
图3显示了一图像中各区域的运动类型的例子。
图4为本发明以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置的框图。
图5显示了本发明中运动信息处理单元的框图。
图6显示了流程控制单元根据I、P、B三种图像产生运动信息的判断流程。
图式编号
41  MPEG2解码器
42  帧缓冲器
43  运动信息处理单元
 431  流程控制单元
 432  MV(运动向量)处理单元
 433  DCT处理单元
 434  运动决定单元
 435  运动程度记录单元
44  播放显示单元
具体实施方式
通过以下参考附图,将详细说明本发明以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法。
根据MPEG2的视频编码技术,每种类型的图像的宏块均有几种分类,例如P图像的宏块有下列几种分类:
 一、内部宏块(Intra macro-block):代表这个宏块和前一张参考图像的变异程度太大,不适合用运动补偿的方式去编码。
二、运动补偿及编码宏块(MC & Coded Macro-block):代表这个宏块可以由前一张参考图像的某一个宏块外加编码补偿还原,这个相对应的宏块位置以运动向量的方式记录,而补偿分量以DCT(离散余弦变换)编码方式记录。
三、编码宏块(Coded Macro-block):宏块是由前一张参考图像同一位置的宏块外加编码补偿组成。
四、运动补偿宏块(MC Macro-block):宏块和前一张参考图像另一位置的宏块完全相同。
五、省略式宏块(Skip macroblock):宏块和前一张参考图像同一位置的宏块完全相同。
由以上分类可以看出,依照译码过程中的信息加以判断,可以区分出每一个宏块是否为运动,如图3所示,其中S代表静态块,而M代表运动块。因此,本发明即根据各图像的各宏块的型式来判断该宏块为运动或静态,而不必针对帧内前后数个画面做全域运算比对,进而节省运算成本。
图4为本发明以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置的框图。如该图所示,本发明运动自适应循序扫描装置包含:一MPEG2解码器41、一帧缓冲器42、一运动信息处理单元43、以及一播放显示单元44。一般而言,在MPEG2解码器41对视频数据流(data stream)译码的同时,亦会将图像各位置的运动关系记录下来。而在视频输出单元播出相对应图像时,依记录的运动信息做不同方式的播出。因此,本发明的运动信息处理单元43即接受MPEG2解码器41所提供的编码信息,经处理判断后提供播出单元播放时所需要的信息,亦即提供如图3的状态表。由于本发明以编码信息为基础来分析每个宏块(或其它块单位)的特性,而不必针对帧内前后数个画面做全域运算比对,进而节省运算成本。
运动信息处理单元43由MPEG2解码器41所得到的信息包括:图像编码类型(picture coding type)、图像结构(picture structure)、宏块类型(Macro-blocktype)、运动向量(motion vectors)、DCT频域系数或是转换后时域数值、以及宏块地址(Macro-Block address)。运动信息处理单元43即根据上述诸信息分析每个宏块的特性,并在运动平面(motion plane)记录每个宏块的运动程度,让显示单元根据该运动平面的信息显示影像。
所谓图像编码类型是定义目前所译码的图像I、B或P图像,运动信息处理单元43会根据不同的图像类型以不同方式分析。而图像结构分成帧图像(frame picture)、上层图场图像(top field picture)、以及下层图场图像(bottomfield picture)。由于运动信息的记录是以帧中的宏块为单位,因此与帧图像的结态构相同,但图场图像(field picture)则需要调整。宏块类型则是用来定义所处理的宏块是否为内部块(intra block),或是该宏块有没有运动补偿或编码。运动向量则用来定义P图像与B图像之中的运动向量值,运动信息处理单元43会根据不同的运动向量值来分析判断宏块的运动程度。DCT频域系数或是转换后时域数值也决定运动程度的大小,运动信息处理单元43会根据不同的数值来分析判断宏块的运动程度。宏块地址则是记录所处理的宏块在图像中的地址,运动信息处理单元43会结合图像结构计算该宏块在运动平面的位置。
图5显示本发明中运动信息处理单元的框图。如该图所示,运动信息处理单元43包含:流程控制单元431、MV(运动向量)处理单元432、DCT处理单元433、运动决定单元434、以及运动程度记录单元435。流程控制单元431接收运动信息后,根据不同的宏块类型将运动向量信息传给MV处理单元432、将编码信息传给DCT处理单元433、以及将帧内部编码信息传给运动决定单元434。而运动决定单元434则根据MV处理单元432的输出、DCT处理单元433、以及帧内部编码信息来判断各宏块的运动程度,并将运动程度记录于运动程度记录单元435。
流程控制单元431根据宏块类型来决定MV处理单元432与DCT处理单元433的动作。若宏块类型中显示具有运动补偿时,则启动MV处理单元432,并将运动向量信息传给MV处理单元432。若宏块类型中显示具有编码时,则启动DCT处理单元433,并将编码信息传给DCT处理单元433。若宏块类型中显示为内部宏块时,则将帧内部编码信息信号使能(enable)。
MV处理单元432依据运动向量来计算出此宏块的运动程度大小,并输出第一参考值。由于一个宏块中可能有一个以上的运动向量,MV处理单元432可选取所有的运动向量来综合判断,或仅选取代表性的运动向量作为第一参考值。综合判断时,可先求出每个运动向量的长度,再加权计算出一个总长度作为第一参考值,并输出到运动决定单元434。长度的定义可以是常用的卡氏空间长度(|v|=(vx^2+vy^2)^0.5),也可以简化为分量大小的和,例如|v|=|vx|+|vy|。多个运动向量时,可以只选取代表性的运动向量,如运动向量预测算子(motion vector predictor);而加权计算方式可以以最长的为代表,也可以取平均值。
DCT处理单元433依据DCT频域系数或是IDCT转换后时域数值来决定这个宏块是否为运动区域的第二参考值。如果设定为频域系数分析,DCT处理单元433将频域系数全部累加起来作为第二参考值,并输出到运动决定单元434。由于IDCT的特性,频域系数有向低频集中的倾向,所以累加的步骤也可以简化为计算低频项的和,例如反向扫描(inverse scan)的前三项和。如果设定为IDCT转换后时域数值分析,此单元将所有像素值累加起来输出。此步骤亦可替换为每个像素分别与一依亮度调整的临界值比较,输出超过临界值的点数作为第二参考值,并输出到运动决定单元434。
运动决定单元434的功能是整合第一参考值、第二参考值与帧内部编码信息信号,并输出代表运动程度的数值到运动程度记录单元。运动决定单元434的一个实施例是一个0到n-1为上下范围的n阶评分器,其中n>=2。当流程控制单元431将帧内部编码信息信号使能时,代表此宏块为内部宏块,此时运动决定单元434的运动程度信号为n-1。当流程控制单元431将帧内部编码信息信号禁止(disable)时,代表此宏块不是内部宏块,此时运动决定单元434以第一参考值与第二参考值作为运动决定依据。该运动决定单元434在帧内部编码信息信号禁止时的决定方式如下:设定n-1个运动向量长度临界值和n-1个DCT编码数值临界值;将第一参考值与长度临界值比较,产生一第一比较值,并将第二参考值与DCT编码数值临界值比较,产生一第二比较值。取第一比较值与第二比较值的平均或较大者作为运动程度信号。当n为二阶时,则设定一个运动向量长度临界值L及一个DCT编码数值临界值T,且只要第一参考值与第二参考值大于该临界值L或T时,比较值即设定为1。因此,MV处理单元432和DCT处理单元433其中之一比较值为1时,运动决定单元434就输出1,此时1代表运动,0代表静态。而整个画面此时依下列规则分为两种区域。
1.内部宏块设定为运动区域
2.运动向量长度大于临界值L为运动区域
3.编码分量大小超过临界值T为运动区域
4.其它为静态区域
运动信息处理单元43中的运动程度记录单元435是记录运动程度的记忆区域。该运动程度记录单元435具有至少三块大小相同的运动平面,二块放置参考图像的运动程度信息,其余放置B图像的运动程度信息。运动程度信息的记录,可依不同成本的需要设计成不同分辨率的架构。其架构决定了运动信息在内存中所占空间的大小。主要分为运动自适应分辨率和运动分辨程度。
运动自适应的分辨率决定一个运动或静态区域的最小单位。运动向量以宏块为单位,而编码以块为单位。以运动向量来决定整个宏块的运动程度后,再以编码的系数大小可以决定每个块的运动程度,使用IDCT后的补偿值更可以把分辨率提升至像素。而运动分辨程度由运动决定单元434的阶数决定,最少可分为运动与静态两阶,亦可依需要分为多阶。图3即显示运动自适应分辨率以宏块为单位,而运动程度分为运动(M)与静态(S)两种的运动信息记录。
当播放单元44要播放某个图像时,一方面从帧缓冲器42把像素数据取出,同时读取其对应于运动程度记录单元435的运动平面的运动程度信息。当播出单元44播出的位置属于静态的宏块时,以静态方式(例如交织法)播出;而当播出位置在运动宏块时,以运动方式(例如图场内插法)播出。
由于MPEG2的图像译码顺序和播出顺序不同,I、P、B三种图像的出现顺序也不固定。所以在一张图像开始译码时,流程控制单元431会根据不同的图像进行运动信息记录的判断控制。图6即显示了该流程控制单元431根据I、P、B三种图像的判断流程,即依据不同的播放图像类型、背景图像类型、以及参考图像类型决定使用何种图像的运动信息。
步骤S602:分辨目前译码的图像类型是P图像、B图像或I图像,若为记录P图像运动信息时则跳至步骤S604,若为记录B图像运动信息时则跳至步骤S606,若为播放I图像时则跳至步骤S610;
步骤S604:记录本身图像的运动信息于运动程度记录单元435的运动平面,亦即若目前译码的图像类型是P图像,则记录该P图像的运动信息,若目前译码的图像类型是B图像,则记录该B图像的运动信息;
步骤S606:分析向后(backward)参考图像是否为P图像,若为P图像则跳至步骤S608,否则跳至步骤S604;
步骤S608:同时利用此B图像与P参考图像的运动信息来记录该运动信息于运动程度记录单元435的运动平面,利用的方法是将同位置的运动程度平均或取其大者;
步骤S610:分析是否有以此I图像作为参考图像的B图像,若是有则跳至步骤S612,否则跳至步骤S614;
步骤S612:使用B图像的运动信息作为该I图像的运动信息,例如可以记录该B图像的运动信息于运动程度记录单元435的运动平面,或是在播出单元播出时,直接参考该B图像的运动信息;
步骤S614:分析向后参考图像是否为P图像且已解出运动信息,若是则跳至步骤S616,若否则跳至步骤S618;
步骤S616:使用向后P参考图像的运动信息作为该I图像的运动信息,例如可以记录于运动程度记录单元435的运动平面,或是播出单元播出时,直接参考该P参考图像的运动信息;
步骤S618:不做运动自适应处理,或全视为运动区域并记录于运动程度记录单元435的运动平面。
流程控制单元431同时依据图像结构和宏块地址(Macro-Block Address,MBA)产生运动平面地址,决定这个宏块分析后运动信息的记录位置,其产生方式如下:
1.当图像结构为帧结构时,运动平面地址即宏块地址。
2.当图像结构为图场结构时,每一个宏块所产生的运动信息会影响两个运动平面地址的数据,分别为
(MBA/mb_w)*2*mb_w+(MBA%mb_w)
((MBA/mb_w)*2+1)*m_w+(MBA%mb_w)
其中,mb_w为运动平面的宽度,等于图像宽度除以16,%符号为取整数除法运算。
因此,本发明以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法只需要分析由MPEG2解码器所产生的编码信息即可产生出每个宏块的运动程度信息,并由播放单元根据该运动程度信息播放影像,节省运算成本。
虽然是参照实施例说明本发明以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置及方法,但并不因此限定本发明的范围,只要不脱离本发明的要旨,本领域的技术人员可以对其行各种变形或变更。

Claims (17)

1.一种以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,包含:
一MPEG2解码器,用于接收MPEG2编码数据并将该编码数据译码后产生编码信息以及图像数据;
一帧缓冲器,用来暂存所述图像数据;
一运动信息处理单元,用于接收所述编码信息,并根据该编码信息产生各图像中各块的运动信息;以及
一播放单元,用于根据所述各块的运动信息以不同转换方式播放所述帧缓冲器的所述图像数据。
2.如权利要求1所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述图像中各块的单位为MPEG2解码器所定义的宏块。
3.如权利要求1所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述运动信息处理单元包含:
流程控制单元,用于接收所述编码信息,并根据编码信息中的图像编码类型、图像结构、宏块类型、运动向量、DCT频域系数、以及宏块地址控制该运动信息处理单元的动作;
运动向量处理单元,用于接收所述运动向量,并以该运动向量的长度作为一第一参考值;
DCT处理单元,用于接收所述DCT频域系数,并以DCT频域系数产生一第二参考值;
运动决定单元,用于根据所述第一参考值、第二参考值、以及所述宏块类型产生运动信息;以及
运动信息记录单元,用于根据所述宏块地址记录所述运动信息。
4.如权利要求3所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述运动决定单元是以0到n-1为上下范围的n阶评分器。
5.如权利要求4所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述运动决定单元具有n-1个长度临界值与n-1个DCT临界值。
6.如权利要求5所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述流程控制单元若检测出所述宏块类型中显示具有运动补偿时,则启动所述运动向量处理单元,并将运动向量信息传给运动向量处理单元。
7.如权利要求6所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述流程控制单元若检测出所述宏块类型中具有编码时,则启动所述DCT处理单元,并将编码信息传给DCT处理单元。
8.如权利要求7所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述流程控制单元若检测出所述宏块类型中显示为内部宏块时,则将一帧内部编码信息信号使能。
9.如权利要求8所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中在所述帧内部编码信息信号被使能时,所述运动决定单元输出的运动信息为n-1。
10.如权利要求9所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中在所述帧内部编码信息信号被禁止时,以所述第一参考值与第二参考值作为评分标准,且选择较接近所述第一参考值的其中一个所述长度临界值为第一比较值,以及选择较接近所述第二参考值的其中一个所述DCT临界值为第二比较值。
11.如权利要求10所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述运动决定单元输出第一比较值与第二比较值的平均值作为所述运动信息。
12.如权利要求10所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述运动决定单元输出第一比较值与第二比较值中的较大值作为所述运动信息。
13.如权利要求11或12所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中所述n为2。
14.如权利要求13所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描装置,其中当所述运动讯为1时,该宏块为运动,并以帧内插法进行播放,而当所述运动讯为0时,该宏块为静态,并以交织法进行播放。
15.一种以编码信息为基础的运动自适应循序扫描方法,包含下列步骤:
译码步骤,用于利用MPEG2解码器接收MPEG2编码数据,并将该编码数据译码后产生编码信息以及图像数据,并将图像数据储存于帧缓冲器;
运动信息产生步骤,用于接收所述编码信息,并根据该编码信息产生各图像中各块的运动信息;以及
播放步骤,用于根据所述各块的运动信息以不同转换方式播放所述帧缓冲器的所述图像数据。
16.如权利要求15所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描方法,其中所述运动信息产生步骤包含下列步骤:
若所述编码信息中的图像类型为P图像,则根据所述编码信息产生该P图像的运动信息,并以该P图像的运动信息作为播放的运动信息;
若所述编码信息中的图像类型为B图像且向后参考图像不是P图像,则根据所述编码信息产生该B图像的运动信息,并以该B图像的运动信息作为播放的运动信息;
若所述编码信息中的图像类型为B图像且向后参考图像为P图像,则根据所述编码信息产生该B图像的运动信息,并以合并该B图像与P图像的运动信息作为播放的运动信息;
若所述编码信息中的图像类型为I图像,且有以此I图像作为参考图像的B图像且已解出运动信息,则用该B图像的运动信息作为播放的运动信息;
若所述编码信息中的图像类型为I图像,且向后参考图像为P图像且已解出运动信息,则用该P图像的运动信息作为播放的运动信息;
若所述编码信息中的图像类型为I图像,且没有所述各种情形,则不做运动自适应处理,或全视为运动区域播放。
17.如权利要求16所述的以编码信息为基础的运动自适应循序扫描方法,其中所述产生该图像的运动信息包含下列步骤:
若所述编码信息中的宏块类型为内部宏块时,则该宏块的运动信息为运动;
若所述编码信息中的宏块类型为运动向量补偿块时,则计算此宏块的运动向量的长度,当该运动向量的长度大于一长度临界值,则该宏块的运动信息为运动,否则为静态;
若所述编码信息中的宏块类型为DCT编码块时,则计算此宏块的DCT编码的量,当该DCT编码的量大于一DCT临界值,则该宏块的运动信息为运动,否则为静态;以及
若所述编码信息中的宏块类型为运动向量补偿与DCT编码块时,则计算此宏块的运动向量的长度与DCT编码的量,当该运动向量的长度大于一长度临界值或该DCT编码的量大于一DCT临界值,则该宏块的运动信息为运动,否则为静态。
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