CN1618176A - 鲁棒性信号编码 - Google Patents

Abstract

本发明涉及编码和解码编码数据流的装置和方法，以及编码数据流的信号格式。编码数据流包括具有要求不同的保护率的数据分区(56，62，68)的至少一个高级别数据分组。为了对用不同保护率编码分区提供指导，分区检测器(50)通过分区检测器插入器插入到两个这样的分区之间。有关用于不同字段的编码率的信息由控制器在接收侧提取，以用正确的编码率解码分区。

Description

鲁棒性信号编码

技术领域

本发明通常涉及鲁棒性信号编码，特别地涉及编码和解码编码数据流的方法，编码和解码编码数据流的设备以及编码数据流的信号格式。

发明背景

Hagenauer，J.和Stockhammer，T.的文章“Channel Coding andTransmission Aspects for Wireless Multimedia”，Proceedingsof IEEE，Vol.87，No.10，1999年10月，公开了用于多媒体的联合信源/信道编码和解码方法。多媒体必须处理各种压缩和非压缩的信源信号，比如数据、文本、图像、音频和视频。在无线信道中，误码率很高且联合信源/信道编码和解码方法是有利的。

在不同种类的通信领域中，分层结构是标准化、设计和执行的一个重要特征。通常，一层仅与在接收机侧的对应层通信，通过利用较低层满足较高层的要求。对于标准化和执行，仅必须定义每层的接口和任务，借此接口的定义非常简单。通常用状态机来描述层。层模型中有非常清楚的划分：在一个连接中的诸如光纤、铜线或无线的不同物理媒介上传送端到端的应用。

和层结构形成对比，在移动环境中跨越多层的压缩和传输延伸的最优化是有用的。信源编码方案甚至应用控制可能受到移动信道以及可用资源状态的影响。一些业务由于误差、复杂性和延迟约束而受到限制。对于非常的带宽和功率的有效传输，针对应用和信道优化的通信系统在未来将会引起关注。

如果具有关于信源特性的认识，即比特敏感性测量或信源的有效信息，或者如果应用提供与增强信息分开的基本信息，则通过使用先进的信道编码算法或调制技术将会应用不等错误保护(UEP)方法。较重要的基本信息受到高度保护以保证传送，次重要的增强信息受到低级保护或者处于差的信道连接，甚至不被发送。

一种指示这种不同保护类型的方式是在被发送的数据中使用SSI(信源有效信息)字段。2001年7月5日提交的PCT申请EP01/07759描述了在发送数据中插入这样的字段。在此，将SSI报头放置于每个信源数据分组之前。SSI报头包含具有不同保护需求的分区的尺寸，以及用于保护分区的编码率。有些情况下，在这些SSI报头前面加上伪噪声序列形式的伪随机字：在此参考John G.Proakis，“Digital communications”，第二版，McGraw-Hill，1989，第601-817页，第831-836页。本领域公知优选的伪噪声序列是Gold序列。伪噪声序列具有特别适于检测和/或同步的自相关特性。

这些SSI报头的问题在于它们被插入通信结构中一个高级别层的数据分组中，而使用UEP保护的编码是在较低级别中进行的。由于在低级别中数据分组的大小受限，所以高级别的数据分组可以分成不同的低级别分组。这种现象也称为分组拆分(packetfragmentation)。如果发生分组拆分，由于关于分组中的数据如何进行解码的信息将包含在另一个分组中，则接收机不能够解码以UEP编码的数据分组。这从而导致在接收机侧的信息丢失。因而需要一种更加鲁棒性的编码方案，其中分组拆分的负面结果被限制或者被彻底避免。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述关于分组拆分的问题，以便于提供更鲁棒的编码方案。

这通过编码方案完成，其中编码数据流包括具有要求不同保护率的数据分区的至少一个高级别数据分组，该方案包括在两个这种分区之间插入分区检测器的步骤，以便为用不同的保护率编码分区提供指导。

该问题通过对编码数据流进行编码的方法来解决，编码数据流包括具有要求不同保护率的数据分区的至少一个高级别数据分组，该方法包括在两个这样的分区之间插入分区检测器的步骤，以便为用不同的保护率编码分区提供指导。

该问题还通过对编码数据流进行解码的方法来解决，通过接收包括具有至少两个用不同的编码率编码的分区的至少一个低级别数据分组，从插入在低级别数据分组中的两个分区之间的至少一个分区检测器中提取信息，并基于从分区检测器中提取的编码率信息，用不同的编码率解码不同的分区。

该问题通过对编码数据流进行编码的装置来解决，编码数据流包括具有要求不同保护率的数据分区的至少一个高级别数据分组，该装置具有分区检测器插入器，用于在两个这样的分区之间插入分区检测器，以便为用不同的保护率编码分区提供指导。

该问题还通过对编码数据流进行解码的装置来解决，编码数据流具有包括具有不同保护率的数据分区的至少两个低级别数据分组，该装置包括控制器，用于从插入在这样的两个分区之间读取分区检测器信息，和解码器，用于解码从分区检测器中获取的以两个不同保护率的两个分区。

该问题还通过在发送编码数据流时使用的信号格式来解决，编码数据流包括以第一编码率编码的第一分区，分区检测器，和以第二编码率编码的第二分区。分区检测器指示了第一和第二编码率。

由本发明，从而提供了更鲁棒性的编码方案，其中关于用于数据分区的编码率的信息可以不管分组拆分而容易获得。

术语决不能解释为限制，而应理解为术语所包括的等价物。

本发明优选的应用领域是MPEG-4视频的无线传输。Heinzelman，W.R.，Budagavi，M.and Talluni，R.，“Unequal ErrorProtection of MPEG-4 Compressed Video”，Proceedings of theInternational Conference on Image Processing(ICIP)，1999年10月，公开了MPEG-4压缩比特流的结构引导其本身使用不等的误差保护来确保在比特流的重要部分有较少的误差。

附图说明

将参考公开的附图对本发明做更详细的描述，其中：

图1示出了本发明的层结构

图2示出了SSI数据分组的现有技术

图3示出了现有技术领域的SSI数据分组的分组拆分

图4示出了根据本发明的数据分组

图5示出了根据本发明的数据分组的分组拆分

图6示出了根据本发明插入分区检测器的方法的流程图

图7示出了接收编码数据流的方法的流程图以及

图8示出了用于根据本发明用于插入分区检测器的装置。

发明的详细描述

在图1中示出了垂直层结构用于理解本发明。在图的左侧为发送机侧，而接收机侧处于图的右侧。在具有某种应用的装置中，存在根据为该应用设置的规则编码该应用的信源编码器。在本发明的优选实施例中，信源编码器10为MPEG-4视频编码器，但是应当理解本发明不只限于MPEG-4视频编码器，而能够应用于支持数据分区工具和/或依据品质层(基础/增强层)的可量测性的任何的应用。信源编码器10处于层结构的发送机侧并连接到网络透明层(NTL)12。网络透明层连接到层L 14，其经由至少一个中间层依次被连接到物理层18。中间层由包含点的方框表示。物理层18被连接到连接发送机和接收机侧的物理信道20。物理信道可以是任何类型的信道，例如铜线，光或无线。在本发明的优选实施例中，该信道为无线信道。在接收机侧存在到发送机侧的层的相应层。从而存在经由中间层连接到层L 26的物理层22，网络透明层(NTL)28和信源解码器30。信源解码器解码信源编码信息，以便于数据可以被播放或查看。正如本领域所公知的，在发送机侧的不同层将信息添加到信源编码数据流，通常以分组报头的形式，并且所添加的信息在接收机侧的相应层中被移除。图1中的结构对理解现有技术和根据本发明的技术都是相关的。

在图2中示出了根据现有技术的分组。该分组包括信源编码字段42，其中触发器Trg 38和SSI 40已经被添加到图1的NTL层中。信源编码字段本身为高级别数据分组，例如MPEG-4视频分组。层L已经将报头HdL 36添加到分组中。来自中间层的报头由包含点的方框表示。物理层18已经添加了报头Hd1和CRC字段44。从中图可以清楚地看到，不同的层添加信息到信源数据分组。这里是以报头的形式。具有报头和CRC(码冗余校验)字段的分组只从层L和下至层1的较低层开始产生。数据还以不同的编码率编码，其中SSI报头表示哪个数据将以特定率被信道编码，以及每个这些字段有多长。从该结构中产生的问题将结合图3更好地描述。

图3示出了现有技术的信源编码数据分组的拆分。所有出现在图2中的字段在图3中出现，具有一个主要的区别。信源编码字段42已经被分成出现在两个不同分组中的两个字段46和48。在图3的上面部分，示出了在中间层的数据分组，其在物理层已经被分成了两个分组。所发生的是，在物理层原始分组已经被分成两个，其中第一部分，从字段34到字段42中的虚线，被放入具有报头Hdi和CRC字段44的第一分组，而字段42的第二部分48被放入具有报头Hdi 32和CRC字段44的第二分组。数据还另外根据SSI字段中的信息进行UEP编码。由于物理层具有分组上的尺寸限制，从而上层的分组被分成两部分，所以这种类型的拆分能够出现。所发生的是，当第二分组到达接收侧时，它不能被解码，因为它不包括表示在字段48中数据的编码率的SSI字段。这导致了信源解码器的信息丢失以及较差的性能。还应当理解，这种拆分决不仅限于物理层，而可以在网络透明层以下的任何层发生。

为了克服这个难题而使用根据本发明的结构。首先将简短地解释MPEG-4格式。正如本领域所公知的，MPEG-4数据流的数据被分成分区，这些为报头、运动数据和结构数据。这些分区随后用不同的编码率保护。该MPEG-4视频数据流为高级别数据分组流。

该结构在图4中描述。图4中示出的分组为来自于图1中的NTL层的分组。该分组包括第一分区检测器50，包括触发器Trg 52和编码率字段CRF 54，编码率字段CRF 54包括关于不同的分区之间编码率转换的信息。报头56跟随在编码率字段54之后。之后跟着第二分区检测器50，具有触发器Trg 58和编码率字段CRF 60，跟着是MPEG-4数据的运动矢量62。在该字段62之后跟着第三分区检测器50，包括触发器Trg 64和编码率字段66。在该第三分区检测器之后跟着结构字段68。报头56、运动矢量62和结构68为由图1的信源编码器构成的高级别数据分组的MPEG-4数据，而第三分区检测器被插入图1的NTL层。分区检测器包括触发器。触发器优选实现为PN(伪噪声)字的形式，它能够通过相关检测到并对信道误差有足够的鲁棒性。编码率字段具有已知的长度并包括在编码率之间的转换。CRF对每种类型的转换是唯一的。在图4中这由字母R3-R1、R1-R2和R2-R3表示，其中R1为第一编码率，R2为第二编码率而R3为第三编码率。因此编码率字段包括关于从第三编码率R3到第一编码率R1转换的信息，从第一编码率R1到第二编码率R2转换的信息，从第二编码率R2到第三编码率R3转换的信息。这意味着在第一分区检测器之前的数据或者分区将以第三编码率R3被编码，在第一和第二分区检测器之间的分区将以第一编码率R1被编码，在第二和第三分区检测器之间的分区将以第二编码率R2被编码，并且在第三分区检测器之后的分区将以第三编码率R3被编码。这也意味着所有的这些CRF看起来不相同。在本发明的一个优选实施例中，将使用的实际编码是通过在包含了与所有的CRF相关的编码率的表中查找而得出的。CRF和编码率因此映射到一个表。可选择的，编码率可以从CRF中通过逻辑处理提取出来。关于将具有什么样的编码某个分区的信息可以呈现在数据流的两个CRF中。另外的优点在于，CRF没有描述每个分区有多长，为什么它们为不同的长度。这导致了有更强的鲁棒性和灵活性的系统，正如下面将要描述的。这也导致了在插入被编码的分区检测器之后所添加的报头。

图5的上面部分示出在拆分前较低层中的数据分组，图5的下面部分示出拆分之后在更低层中数据分组中的信息。在图1的上面部分示出了具有与层结构中其中一个层I相关的报头72Hdi的数据分组，之后跟着至少另一个与中间层相关的字段。此后跟着与正好在图1的结构中的NTL层下的层L相关的报头字段36HdL。在该报头之后跟着在图4中描述的数据字段，并且以与开始处的其中一个报头相关的CRC字段44结束。分组拆分则在层i发生，在此添加报头72。来自图4的上面部分的分组在动运矢量62的中间被分开，以此构成第一分组包括了所有上述字段直至运动矢量74，并且添加CRC字段44。接着第二分组由报头Hdi，72和运动矢量76的第二部分，第三CRF字段66，结构字段68和CRC字段44构成。在图5的下面部分中的分组实际上不是在层i构成的分组，其中拆分在此发生，而是较低的层，在此情况下是物理层。因此两个分组都添加以较低层的报头(由带点的框表示)，直到物理层为止，其由32表示。在物理层，应用不同字段的信道编码。这由分组下面的黑箭头表示，由此第一箭头R3表示第一分组的报头已经以编码率R3被编码，报头56以编码率R1编码，以及运动矢量74和CRC字段44一起以编码率R2被编码。在第二分组报头32-72以及运动矢量76的其余部分以编码率R2被编码，而结构和CRC字段44以编码率R3被编码。因此在图5中示出了根据本发明的信号。正如可以从图中可以看出，协议报头以与已编码流的邻近分区相同的编码率进行保护。另外，可以在物理层执行附加的编码，以保证对所有的协议报头的最小级别的保护。

采用所描述的结构，不需要有关不同分区的长度信息。另外，即使正好在分区检测器上发生了分组拆分，无论如何信道编码器也能正确地保护MPEG-4分区。如果触发器被破坏，则它不再是可检测的。然而，信道编码器可以通过检测下一个PD来恢复正确的编码率。在CRF上发生的拆分通常将导致一些编码违例，因此检测CRF拆分。另外在此，信道编码器可以通过检测下一个PD来恢复正确的编码率。

图6示出了一个流程图，描述了根据本发明的方法。首先，在步骤78，数据流被信源编码到多个高级别分组中，其中每个分组包括MPEG-4信息。此后在步骤80，分区检测器生成。当这些生成之后，在步骤82，分区检测器被插入到信源编码数据流。之后，在步骤84，通过添加报头和可能的CRC字段至数据流中的分组，第一层L生成中间级别分组。在接下来的步骤中，在步骤86，通过添加另外的报头和CRC字段来产生低级别分组。这是非常可能的，并且实际上很可能在步骤86之后，进一步的报头和可能的CRC字段被添加到中间层中。此后在步骤88，依据插入的分区检测器，数据分组使用不同的编码率被信道编码。在步骤90，低级别分组通过通信信道被传送到接收机。

图7示出了用于接收通过信道传送的编码数据流的方法的流程图。在步骤92，低级别数据分组被接收。此后，在步骤93，分区检测器中的信息被提取。接着在步骤94，低级别数据分组被解码。这两个步骤通过检测分区检测器的出现、并且接着在这些检测器之前或之后解码不同编码的分区来完成。当分组已经被解码时，在步骤96，低级别数据分组被拆析。此后在步骤98，嵌入在低级别分组中的层L的中间级数据分组被拆析。由于在发送机侧可以存在几个中间层，其中这些层的分组被拆析。通过移除与该层相关的报头以及任何可能的添加信息字段和与该层相关的可能CRC字段来执行拆析。此后在步骤100，分区检测器在NTL层被移除，在步骤102，高级别数据分组的信源编码的数据流被传递到信源解码器。

最后，图8示出了经由信道连接的传送装置和接收装置的框图。在传送装置中，信源编码器10被连接到PD(分区检测器)产生器106并连接到多路复用器或PD插入器108。PD产生器为在信源编码中的不同分区生成唯一的分区检测器。正如较早描述的，这些分检测器表示了在不同编码率之间的转换。多路复用器或PD插入器108接着在高级别数据分组的信源编码数据流中的不同分区之间插入这些分区检测器。多路复用器可以看作置于NTL层中。在图中多路复用器108连接到信道编码器112，这个编码器是置于物理层，层1的。该图包括了垂直的虚线。这些表示了在NTL层和物理层之间可以存在几个不的中间层。信道编码器112由控制器110控制。该控制器识别数据流中的分区检测器。正如较早描述的，正是触发器或者PN-序列使得控制器110开始工作。跟随PN-序列的唯一的CRF字段则表示将要在分区检测器之间或之后应用到分区的编码率。优选实施例中的控制器访问或者包括一个表，该表识别哪个编码率将被用于某个分区检测器。此后控制器110发送关于将用于信道编码器112的编码率的信息，其使用不同的编码率将UEP信道编码应用到这样所识别的分区，并产生低级别数据分组。数据流然后被发送到调制器114，其调制低级别数据流。调制器114被连接到物理信道20以发送调制数据20，该信道可以是无线的。

接收装置包括解调器116，它解调接收的低级别数据分组的数据并从数据流中的分区检测器中提取信息。分区检测器中的信息供给控制器120，其被连接到信道解码器118。控制器120使信道解码器根据分区检测器中的信息解码UEP信道编码的解调数据流。该信息优选通过在表中查找来识别。所有这些装置配备在物理层。以和传送装置相同的方式，接收装置的解码器118经由可能的中间层连接到解复用器或PD提取器122，该解复用器被设置在NTL层。解复用器被连接到分区检测器接收机124和连接到信源解码器126。解复用器将分区检测器与编码数据的实际数据流分离，其在优选实施例中为MPEG-4视频信号，由此信源解码器接收高级别已编码数据分组，而不用分区检测器。

在优选实施例中对已编码数据的编码是在物理层中进行的。然而，这也可以在任何其它层中进行。尽管很重要的是，分区检测器被插入和提取非常近似于原始编码数据流，但是为什么其在信源编码器/解码器之后最近的层完成，这主要是因为之后的报头和校验总和取决于分组的负载，其包括了分区检测器。层数也不是决定因素。它的最简单的形式，信源编码器和信源解码器只使用两层，NTL层和物理层。

在接收机侧的控制器110和120也可以配备有一个表，该表识别与分区检测器、或用于从分区检测器提取编码率的逻辑电路、或用于从分区检测器提取编码率的某些其它装置相关的编码率。

应当注意到上述的实施例只是举例说明而不是对本发明的限制，本领域的熟练技术人员能够设计可选择的实施例而不脱离附加的权利要求的范围。在权利要求中，在括号中的任何的参考标号不能解释为限制权利要求。“包含”不排除除了在权利要求列出的以外其它部件和步骤的存在。本发明可以以包括几个不同部件的硬件的方案实现，也可通过适当编程的计算机来实现。在装置权利要求中列举了几个装置，这些装置中的一些可以具体化为一个装置或者类似形式的硬件。起码的事实是列举在互不相同的从属权利要求中的某个措施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (18)

1.一种对编码数据流进行编码的方法，其中编码数据流包括具有要求不同保护率的数据分区(56，62，68)的至少一个高级别数据分组，包括步骤：

在两个这种分区之间插入分区检测器(50)，以便为用不同的保护率(78)编码分区提供指导。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括产生分区检测器(80)的步骤。

3.根据权利要求1或2的方法，其中分区检测器包括触发器(52；58；64)和编码率字段(54；60；66)

4.根据权利要求3的方法，其中编码率字段给出了关于将用于两个分区的编码率的信息。

5.根据权利要求4的方法，其中编码率字段是从和第一分区相关的第一编码率转换到和第二分区相关的第二编码率的唯一的识别符。

6.根据权利要求1-5中任一的方法，还包括产生包括高级别数据分组的低级别数据分组作为负载的步骤(86)。

7.根据权利要求6的方法，还包括用由分区检测器确定的不同编码率(R1，R2，R3)编码低级别数据分组的步骤(88)。

8.根据权利要求7的方法，其中分区检测器不被编码。

9.根据权利要求7或8的方法，还包括发送编码的低级别数据分组到接收装置的步骤(90)。

10.根据前述的任一项权利要求的方法，其中存在至少三个分区，并且在每个分区之间插入分区检测器。

11.一种对编码数据流进行解码的方法，包括步骤：

接收编码数据流，所述编码数据流包括具有至少两个用不同编码率编码的分区(56，62，68)的至少一个低级别数据分组(92)，

从插入在低级别数据分组中的两个分区之间的至少一个分区检测器(52)中提取信息(93)，和

基于从分区检测器中提取的编码率信息，用不同的编码率(R1，R2，R3)解码不同的分区(94)。

12.根据权利要求11的方法，还包括从解码的低级别数据分组中构成至少一个高级别数据分组的步骤(96)。

13.根据权利要求12的方法，包括从数据流中移除插入的分区检测器的步骤(100)。

14.根据权利要求13的方法，包括向信源解码器提供包括至少一个高级别数据分组的数据流的进一步的步骤(102)。

15.一种用于对编码数据流进行编码的装置，其中编码数据流具有包括要求不同的保护率(R1，R2，R3)的数据分区(56，62，68)的至少一个高级别数据分组，包括：

分区检测器插入器(108)，用于在两个这样的分区之间插入所述分区检测器，以便为用不同的保护率编码分区提供指导。

16.一种用于对编码数据流进行解码的装置，其中编码数据流具有包括具有不同保护率(R1，R2，R3)的数据分区(56，62，68)的至少两个低级别数据分组，该装置包括：

控制器(120)，用于读取插入在两个这样的分区之间的分区检测器信息(50)，和

解码器(118)，用于以从分区检测器中获取的两种不同的保护率来解码两个分区。

17.一种用于传送编码数据流的信号格式，包括：

以第一编码率(R1)编码的第一分区(56)

分区检测器(50)和

以第二编码率(R2)编码的第二分区(60)；

所述分区检测器表示第一和第二编码率。

18.一种存储介质，其上存储了如权利要求17中要求保护的信号格式。

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