CN1633813B - 基于运动矢量特性的视频非均匀差错保护的方法 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的第一个实施例中，提供了一种数据传输方法。其中经由一种电子介质来接收多媒体流。在所述流内部存在多个矢量。基于这些矢量，可以将多个差错保护单元添加给该多媒体流。

Description

基于运动矢量特性的视频非均匀差错保护的方法
计算机可以组织到一个网络中，例如客户机-服务器网络或是对等网络。在这两种类型的网络中，计算机在物理和/或无线连接上与对方交换数据。与经由无线连接(例如通过无线电或红外波)传送的数据相比，经由物理连接(也就是通过互连铜线电缆或光纤电缆)传送的数据具有较低的差错率。例如，物理连接通常具有小于10-3的BER(误比特率)，而无线连接则具有严格得多的条件，其BER的数量级为10-1到10-3。
多媒体是能够经由网络传送的数据类型之一。多媒体指的是文本、图形、语音或视频。为了更有效地使用带宽，在经由网络传送时将多媒体压缩到一个比特流中。通常，视频(它是一种多媒体类型)使用具有帧预测编码以及可变长度码字的压缩算法。而这种操作则被用于获取更高的压缩度。然而，由于预测编码会在时间上将那些在重建视频过程中产生的差错扩展到将来的视频帧中，因此经过压缩的视频比特流很容易受到传送差错的影响。此外，在存在比特差错的情况下，使用可变长度码字可能导致解码器与编码器失步。为使比特流对于网络上的传送更为健壮，在视频流的不同部分都添加了差错保护。
一种传送视频的方法是借助于MPEG(运动图像专家组)。MPEG格式通过预测时间方向上的帧间运动而将视频压缩到由视频分组构成的比特流中，然后使用DCT(离散余弦变换)来组织空间方向上的任何冗余量。所述视频分组以一个报头为开始，其后跟随的是运动信息、纹理信息和填充比特。MPEG将视频划分成I、P或B帧(内部、预测或双向帧)。
I帧是经过内部编码的帧：它们可以在不对其它帧进行任何参考的情况下得到重建。P帧则是从上一个I帧或P帧中前向预测的。B帧则是从上一个/下一个I帧或P帧中前向预测和反向预测的。I帧中存在的对象通过运动矢量而在一个P或B帧中得到预测的。在MPEG中，运动矢量具有水平和垂直分量，这些分量显示了对象从I帧到P或B帧的运动的大小和方向。
为了使压缩视频流相对于传送中出现的差错而言更为健壮，目前使用了若干种纠错工具，以便能够检测、遏制(containment)和隐藏差错。这种工具包括再同步发生器、报头扩展码、数据划分和可变长度编码。在传送过程中，通过将基于MPEG的视频划分成具有不同重要性的部分，例如报头、运动矢量和DCT值，可以对所述视频进行保护。此外也可以将诸如里德-索罗门消除码之类的纠错码或是基于反馈的保护方案(例如第一或第二类混合ARQ)添加到视频部分中，以便改进健壮性。然而，由于差错保护的力度仅仅基于数据划分类型，因此这些差错保护方法忽视了数据流中实际包含的数据。这导致对视频流中非重要部分进行编码的开销增长。
在依照本发明的第一个实施例中提供了一种数据传输方法。该方法包括：通过电子介质来接收多媒体流，其中所述流包括多个帧和多个运动矢量，每个运动矢量显示存在于流的I帧(310)中的对象(300)在时间上扩展到流的P帧(330)或B帧(320)时的运动，运动矢量具有方向和幅度；分析帧中的运动矢量，通过识别具有相似方向和幅度的运动矢量组来检测表示该对象的区域；向在发送多媒体流中使用的数据分组添加差错保护，其中对于多媒体流中包含有与检测出的在帧序列上线性运动的区域有关的数据的数据分组，降低差错保护的等级；以及向设备发送数据分组。
在依照本发明的第二个实施例中提供了一种数据传输系统。该系统包括：运动矢量提取器，用于从多媒体流中提取一个或多个运动矢量，所述流包括多个帧和多个运动矢量，每个运动矢量显示存在于流的I帧(310)中的对象(300)在时间上扩展到流的P帧(330)或B帧(320)时的运动，运动矢量具有方向和幅度；分析软件工具，用于分析帧中的运动矢量，通过识别具有相似方向和幅度的运动矢量组来检测表示该对象的区域；多媒体流划分器，用于将流划分成纹理、场景和/或运动数据，其中所述分析软件工具控制多媒体流划分器来根据所分析的运动矢量划分多媒体流；差错保护控制器，用于向在发送多媒体流中使用的数据分组添加差错保护，其中所述分析软件工具控制差错保护控制器，使得对于多媒体流中包含有与检测出的在帧序列上线性运动的区域有关的数据的数据分组，降低差错保护的等级；以及发送机，用于向设备发送分组。
图1显示的是本发明一个实施例的框图。
图2显示的是各自包含了一个对象的MPEG视频的I帧、P帧和B帧。
图3显示的是存在于P和B帧之中的第一和第二运动矢量。
在依照本发明的一个实施例中，视频经过编码或以一种编码格式经由网络到达。存在于已编码视频中的运动矢量则被消除。此外还对运动矢量进行分析。并且基于所述分析而将差错保护添加给视频流以及对视频流进行划分。
图1显示的是依照本发明一个实施例的系统1的框图。视频是由视频编码器100(例如实时影像)编码或是作为存储的视频比特流(例如预压缩视频)到达的。在某些实施例中，存储的视频可以来自客户机-服务器网络中的一台服务器，也可以来自对等网络中的一个对等体。
已编码视频或已存储的视频流经过一个从视频流中提取运动矢量(MV)的运动矢量提取器110。优选地，所述运动矢量提取器充当一个比特流分析器。运动矢量则在MPEG(例如MPEG-2和MPEG-4)中使用，以便当存在于I帧之中的一个对象在时间上扩展到P帧或B帧的时候显示该对象的运动。在图3中显示了涉及I、P和B帧中的一个对象时的运动矢量。
然后则在一个分析软件工具120中对运动矢量进行分析。较为优选的是，在这里将包含了视频流的某些帧或是某些帧的一部分标记为“重要”。例如，在这里可以对某些帧的哪一部分最有可能丢失进行预测。然后可以将这些部分标记为“重要”。
已编码视频由一个视频流划分器130划分。例如，可以将视频流划分成纹理数据、场景数据和/或运动数据。从分析软件工具120中得到的结果可以用来控制划分视频流的类型。例如，分析软件工具120可以检测对象在帧的一个或多个特定部分(例如顶部)之中的移动。然后能对未来的帧进行划分，所以未来帧中相同的一个或多个特定部分要比其它的一个或多个部分(例如帧的底部)受到更多的差错保护。
差错保护是由差错保护控制器140基于分析软件工具120所获取的结果添加给视频流的。实质上，差错保护是根据序列内部的数据而被应用于整个视频序列的。由此不会因为对不重要的视频部分或类型应用差错保护而浪费带宽。而且，如果没有差错保护，带宽也不会浪费到那些可以在接收机中隐藏的视频部分或类型上。例如，在将视频流分离成分组的时候，可以依照所述分析而将UEP(非均匀差错保护)应用于数据。优选地，可以将更多的差错保护添加给标记为“重要”的视频流部分。例如，可以对处于“重要”区域的分组或MPEG视频报头可以通过采用更好的纠错码(例如里德-索罗门码)的形式，或者通过在视频流的其它地方重复这部分数据(冗余)的形式，而得到更多的保护。在本发明的另一个实施例中，分析软件工具120可以检测那些跨越了一系列帧进行线性移动的连续区域或“斑点(blob)”。那么由于接收机(未显示)能够隐藏由于丢帧而在线性运动区域中出现的差错，因此系统1可以降低传送帧序列中所使用的提供给某些帧的错误保护等级或优先级。
在特定数据元素涉及运动矢量时，分析软件工具120还可以对其进行计算。例如，可以计算总的能量(或方差)数据元素、均值或方差数据元素、全局方向测量元素、邻近方向数据元素(例如帧的相似部分的显示)或随机噪声数据元素。总能量数据元素可以用于显示整个帧场中存在的纯数据元素的总数。均值或方差数据元素可以用于测量特定对象的总的或定向运动。全局方向测量数据元素可以用于表示摄像机的移动镜头(panning)。邻近方向数据元素则可以在整个帧具有多个在相同方向移动的数据元素的时候使用。随机噪声数据元素可以用于表明是否存在“不重要”的噪声。结果，视频流的差错保护或划分可以基于所获取的数据元素。
发送机150将视频流经由物理或无线介质发送到一个或多个设备(例如接收机)。优选地，所述设备处于一个网络上。在本发明使用了反馈类型保护器的一个实施例中，可以使用运动矢量分析来对源自网络的反馈进行处理。在这个实施例中，发送机150可以将视频流回送到分析器软件工具120。此外还可以使用反馈来影响给定的差错保护类型。例如，如果接收机(未显示)将那些表明没有正确再现运动(例如由于差错)的数据反馈给分析软件工具120，则系统1可以根据来自接收机的反馈以及所述流中的运动矢量类型来增加或改变提供给视频流的保护等级。此外还可以对系统1进行编程，以便忽略某种类型的反馈。例如，如果接收机(没有显示)检测到一个分组丢失并向图1的系统1发送了一个重传请求，那么可以通过对系统1进行编程而忽略所述请求。之所以能够忽略所述请求则是因为接收机会在隐藏差错中进行可接受的作业。因此系统1不会重传所述分组。
图2显示了MPEG视频的I帧310、P帧330和B帧320，其中每一个帧都包含了对象300。正如我们可以看到的，对象300正在贯穿所述帧而向右下方移动。
图3显示了存在于P和B帧330、320之中的第一和第二运动矢量400、410。第一运动矢量400具有正的水平幅度和负的垂直幅度。并且可以使用第一运动矢量400来预测对象300从I帧310到P帧330的运动。第二运动矢量410则具有负的水平幅度和正的垂直幅度。并且可以使用第二运动矢量410来预测对象300从I帧310到B帧320的运动。由于已经将对象300编码成I帧，因此I帧310不包含运动矢量。
在帧中，通过识别相似的运动矢量，可以对具有“相似”运动矢量的某些区域进行识别，其中所述区域例如可以是一个对象或是感兴趣的点。例如，在一个帧中可以包含一组具有相同幅度并且全都向上指向45度角的运动矢量，而这些运动矢量表示的则是所述方向移动的一个对象。然后则基于这组运动矢量向数据(例如运动矢量、报头和纹理数据)中添加检错码或纠错码，从而实施差错保护。
在先前说明书中已经参考本发明具体的示例性实施例而对本发明进行了描述。然而显而易见的是，在这里可以对本发明进行各种修改和变化，而不脱离下列权利要求所阐述的本发明的更宽泛的精神和范围。因此，说明书和附图应当以一种示范性方式而不是限制意义来看待。

Claims (9)

1.一种数据传输方法，包括以下步骤：
通过电子介质来接收多媒体流，其中所述流包括多个帧和多个运动矢量，每个运动矢量显示存在于流的I帧(310)中的对象(300)在时间上扩展到流的P帧(330)或B帧(320)时的运动，运动矢量具有方向和幅度；
分析帧中的运动矢量，通过识别具有相似方向和幅度的运动矢量组来检测表示该对象的区域；
向在发送多媒体流中使用的数据分组添加差错保护，其中对于多媒体流中包含有与检测出的在帧序列上线性运动的区域有关的数据的数据分组，降低差错保护的等级；以及
向设备发送数据分组。
2.如权利要求1所述的方法，还包括为每一个运动矢量分配一个重要性参数的步骤，其中所述添加步骤还包括根据所述重要性参数来添加所述差错保护。
3.如权利要求1所述的方法，还包括经由电子介质来发送带有所述差错保护的多媒体流。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述多媒体流是视频流。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述多媒体流采用MPEG格式。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述运动矢量被用于形成来自以下群组中的一个或多个数据元素，其中所述群组由总的能量(或方差)数据元素、均值或方差数据元素、全局方向测量数据元素以及多个小型随机运动数据元素组成；其中所述差错保护是基于该数据元素添加给所述多媒体流的。
7.如权利要求1所述的方法，还包括根据方向从所述运动矢量中选择多个相似的运动矢量并基于该相似的运动矢量来添加所述差错保护的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，还包括根据所述运动矢量向所述多媒体流中添加UEP的步骤。
9.一种数据传输系统，包括：
运动矢量提取器，用于从多媒体流中提取一个或多个运动矢量，所述流包括多个帧和多个运动矢量，每个运动矢量显示存在于流的I帧(310)中的对象(300)在时间上扩展到流的P帧(330)或B帧(320)时的运动，运动矢量具有方向和幅度；
分析软件工具，用于分析帧中的运动矢量，通过识别具有相似方向和幅度的运动矢量组来检测表示该对象的区域；
多媒体流划分器，用于将流划分成纹理、场景和/或运动数据，其中所述分析软件工具控制多媒体流划分器来根据所分析的运动矢量划分多媒体流；
差错保护控制器，用于向在发送多媒体流中使用的数据分组添加差错保护，其中所述分析软件工具控制差错保护控制器，使得对于多媒体流中包含有与检测出的在帧序列上线性运动的区域有关的数据的数据分组，降低差错保护的等级；以及
发送机，用于向设备发送分组。
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