CN1636408A - 处理视频图像的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于更高效地预处理具有黑色边界的图像格式的方法。该方法使数字记录器能更有效地记录这样一种格式，特别是在广播中使用的所谓信箱格式。

Description

处理视频图像的方法
发明领域
本发明涉及处理包含相关和不相关数据的图像的方法。本发明也涉及其对应的设备。
发明背景
图像可包含诸如图像的视频内容的用户相关的信息和诸如通常是黑色的边界的用户不相关的信息。
例如，在当前从4:3到16:9的电视显示屏的过渡过程中，许多广播传送被称作“信箱格式”的显示格式。在这个格式中，在要被显示的画面的顶部和底部添加黑色边界。这使通常在电视机中的4:3显示屏的用户观看16:9格式时看到是带有视频内容和黑色边界的图像，而当前含有16:9显示屏的电视机以这样的方式缩放信箱传送，其中只有视频内容被显示。因此，在接收器侧记录所传送的信箱格式的记录器(通常为数字记录器)，就必须记录包含视频内容和黑色边界二者的位流。
目前，图像常常是通过诸如块变换编码等方法被编码和压缩的，这些方法利用了图像内相邻像素之间的相关性。这在例如根据MPEG的方法中是典型的，在本发明的详细说明中将对根据MPEG的方法作进一步说明。
在块层中，块一般是由可能有些项是零的量化变换系数代表的。然而，例如由于在从有线电视提供商向用户的模拟传送中的噪声，顶部和底部边界不是完全黑色的，而是将含有噪声。结果，并非所有量化变换系数都是零，由此阻止编码器略去顶部和底部黑色边界内的块。
在以MPEG或其它基于块的编码和压缩来压缩信箱格式时的另一个典型的缺点是，黑色边界在块边界上不是对准的。结果，在块内出现从视频内容到黑色的非常急剧的过渡。在用一种变换处理这个块之后，可能这个块在量化后有很少的能被有效编码的零变换系数。因此，要用许多位来存储具有量化变换系数的块。对于其它基于块的编码方法来说，这个缺点也是典型的，其中在相邻像素之间的急剧过渡因为非零变换系数而需要大量的位。
发明概要
本发明的一个目的是提供一种编码包含相关和不相关数据的图像的方法，由此提高编码效率。为此，本发明提供一种如在独立权利要求中所限定的方法和设备。在从属权利要求中限定了有利的实施例。
按照本发明的第一个方面，在原始边界上重新生成一个或多个边界。
按照本发明的优选实施例，提供一种用于处理图像的方法，该图像包含覆盖该图像的像素片(segments of pixels)，所述图像包含一个相关数据区域和一个或多个不相关数据区域，所述一个或多个不相关数据区域在该相关信息区域的外边，所述方法包含以下步骤：
-重新生成不相关信息区域。
这里，术语“片”指的是一个包含至少一个像素(通常为更多像素)的区域。片的形式可以是块，但是也可能是诸如圆形等的其它形式。在实际实施例中，可以使用正方形或矩形的块。
优选地，将不相关信息区域的所有像素重新设置到一个共同的像素值。术语“共同的”意思是把在同一个不相关信息区域内的所有像素设定为相同的值。这个值可能是零，或任何其它能被高效地编码的适当值。优选地，将不相关信息区域重新黑化(re-blacked)。
通常，黑色边界在信箱的原始边界上被重新生成。当然也能通过本发明改善“信箱格式”以外的具有相关信息区域和不相关信息区域的其它类型的格式。由于重新生成的边界是黑的，所有变换系数(例如DCT系数)都将是零，因此它们能被更高效地编码。
这个方法使例如数字记录器能更高效地记录这样一个格式，特别是用于广播的所谓信箱格式。
优选地将不相关信息区域与片边界对准，并优选地通过使部分填充的片变黑而重新生成。术语“部分填充的”意思是某个片包含至少一个黑的像素。因此，部分填充的也包括半填充的片，或几乎完全填充的片。
在本发明某些优选实施例的第二个方面，在不同的块边界上重新生成黑色边界。
在本发明某些优选实施例的第三个方面，可以丢弃(drop)像素(通常是视频行)以对准边界。
按照本发明的另一个优选实施例，在宏块边界上对准不相关信息区域(即边界)。优点是MPEG标准提供一种忽略在顶部和底部黑色边界内的这些空宏块的方法。
按照本发明的另一个优选实施例，优选地在进入一个具有包含宏块的下一个更高级别的的块级别中的块的块边界上对准边界。
在本发明的某些优选实施例的第四个方面(其中黑色边界是在块上而不是宏块上对准的)，优选地能对块内的色度信息进行镜像处理(mirror)，以在使用视频4:2:0格式时取得最佳编码效率。
在本发明某些优选实施例的第五个方面，通过移位图像的视频内容，将其对准一个DCT块需要去除最多7行。按照本发明的另一个方面，优选地在顶部和底部丢弃所述相同数量的行，例如顶部4行、底部3行。
按照本发明的另一个优选实施例，提供一种用于处理图像的设备，该图像包含覆盖该图像的像素片，所述图像包含一个相关数据区域和一个或多个不相关数据区域，所述一个或多个不相关数据区域在该相关信息区域的外边，所述设备包含：
-用于重新生成不相关信息区域的装置。
该设备优选地进一步包含用于使不相关信息区域变空的装置。
该设备优选地可连接到一个信箱检测器，如果该检测器在一个发往该检测器和设备的输入信号Qin中检测到信箱传送，则该检测器控制该设备去开始预处理。
本发明的这个和其它方面将在下文说明的实施例中显而易见并结合这些实施例被阐释。
附图简述
结合附图阅读以下对本发明优选实施例的说明将更清楚地理解本发明。附图中：
图1表示如何向视频帧形式的图像提供位于视频内容的顶部和底部的黑色边界；
图2表示一个被划分成不与一个黑色边界对齐的块的视频帧，用于说明本发明的一个方面；
图3a-c表示为在使用视频4:2:0格式时取得最佳编码效率而对块内的色度信息进行镜像处理；
图4表示连接在MPEG编码器前的按照本发明优选实施例的设备；
图5表示与一个改进MPEG编码器在一起的按照本发明优选实施例的设备的实现方式；
图6表示在记录器/播放器与电视机之间选配(matching)一个信箱检测器。
发明详述
现在将结合附图通过优选实施例说明本发明；不过首先通过描述现有技术的MPEG结构来简要说明基于块的编码。
MPEG-2视频位流有分层的结构。每层包含一个或多个子层。例如，可以将一个视频序列划分成多个图象组(所谓的“GOP”)，它们代表按显示顺序连续的各组视频帧。可在其子层中将帧划分成16×16的宏块，宏块又能进一步被分成另一个子层的块。一个宏块含有四个8×8亮度离散余弦变换(DCT)块和多个取决于编码的格式的色度块。某些编码属性是按宏块规定的，某些是按8×8块规定的。例如，每个宏块只规定一组所谓“运动矢量”。
MPEG处理中使用三种类型的帧：内部帧(I帧)，它们是不参照其它帧被编码的；预测帧(P帧)，它们是参照过去的I或P帧被编码的；双向内插帧(B帧)，它们是既参照过去的帧又参照将来的帧被编码的。
MPEG-2规定：I帧是“内部”编码的，使得整个画面被分解成8×8的像素块，这些块通常通过DCT而进行处理，并被量化成可单独地代表原始图象的一个压缩的系数集。对于P帧，MPEG-2规范也允许用所谓的“运动补偿”来利用在多数视频数据中存在的时域冗余，而不是通过DCT编码所有的块。运动补偿工作的方式是：在GOP内，通过应用预测来获得差异信号(即所谓的预测误差)从而减少帧之间的时域冗余，用DCT将差异信号进一步压缩以去除空间相关性。之后将最终得出的DCT系数量化。
图1表示如何向图像1提供位于图像顶部和底部的黑色边界，图像1在本例中是一组帧(例如一个GOP)中的一个视频帧。图像1包含相关数据区域2和位于相关信息区域2之外的不相关数据区域3。在该图中，不相关信息区域3是在信箱格式传送中添加的黑色边界。图1也表示这样一个传送在一个4:3显示屏上是如何呈现的。在16:9显示屏上，这些黑色边界将被放大，从而从用户视野中消失。
在表示本发明一个方面的图2中，表示了如何将图像1划分成块，图像1在这里也是一个视频帧，图中只表示出位于该帧底部的黑色边界。这里，将根据所述的MPEG结构说明按照本发明一个优选实施例的方法；然而本发明在任何意义上也并不限于这种特定的编码。在不偏离本发明构思的情况下可以采用任何基于块的编码。该图中，表示了两种类型的块，即所显示的一个16×16宏块4和所显示的4个8×8DCT块5。8×8DCT块包含许多色度块，它们由虚线表示，但不对它们作进一步的说明。
按照本发明一个优选实施例，在原始位置重新生成不相关信息区域，以便能在不丢弃原始视频内容的情况下对它们高效地编码，同时去除原始黑色边界中的噪声。
按照本发明的一个方面，在块边界6上重新生成位于顶部和底部的黑色边界。块边界6能通过使半填充的块7内的各行变黑而得到保证。优选地是能丢弃视频行，以对准边界。本发明并不仅仅限于象这个特定例子中那样的视频行。图像片的边界外部的任何像素值都在本发明的范围内。
因为重新生成的边界是黑的，所有DCT系数将为零，因此DCT块将为空。
按照本发明一个优选实施例，将边界在宏块边界6上对准，然后，MPEG标准提供一种略去顶部和底部黑色边界内的空宏块的方法。
按照本发明另一个优选实施例，其中在块5而不是宏块4上对准黑色边界，优选地能对块内的色度信息进行镜像处理，以在使用视频4:2:0格式时取得最佳编码效率。这在图3a-c中表示。
图3a表示一个在DCT之前的8×8色度块5。图3b表示在用4:2:0格式在亮度块边界上重新创建块的边界后的相同色度块。图3C中表示如何为取得最佳效果而对色度块进行镜像处理。
按照本发明另一个优选实施例，在DCT块格(grid)上而不是宏块格上对准边界。在这种情况下，MPEG仍然能高效地编码空块。
因为半填充DCT块内的视频行被去除，被去除行的数目应当最小化。为此，按照本发明另一个优选实施例，可以将视频向上或向下移位数行，以与最近的块边界对准。按照本发明另一个优选实施例，修改存储器中帧的起始指针就能做到这一点。
通过移位图像的视频内容，最多需要去除7行以将其与一个DCT块对准。按照本发明另一个实施例，优选地在顶部和底部丢弃所述相同数量的行，例如顶部4行、底部3行。
要对准一个宏块边界，最多去除15行，例如顶部7行、底部8行。
按照本发明的各种实施例的方法能以各种方式实现。视MPEG编码器上所能允许的变化而定，也有可能降低所需的总资源。图4表示一个设备的优选实施例及其与MPEG编码器在一起的实现方式。
按照图4中所示的本发明优选实施例，将用于预处理信号的设备10连接在MPEG编码器11的前面。该领域中公知的信箱检测器12可连接到设备10。输入信号Qin被传送到设备10供预处理，并且也被传送到信箱检测器12。在使用这个实现方式时，预处理将重新创建黑色边界并在必要时对色度信息进行镜像处理。
设备10包含用于重新生成不相关信息区域的装置13以及用于提供空的不相关信息区域(通常是所有的块)的装置14，以便能对它们进行高效的编码。装置14也能被用于在块边界上的对准。装置13和14也能被组合。
图5中表示设备10的另一种实现方式。设备10连接在MPEG编码器11的前面。输入流Qin被传送到设备10供预处理，也被传送到信箱检测器12。信箱检测器12连接到MPEG编码器11，并连接到流并置(concatenation)单元17。在这个实现方式中，MPEG编码器11被改变得能利用按照本发明的方法的全部潜力。如该图中所示，有可能使用一个由用于提供恒定黑色边界流的装置16获得的预定义的MPEG流Sc。用于提供恒定黑色边界流的装置16可包含一个例如在ROM中的存储电路(未予示出)，用于存储关于该流的信息。当然也可以使用其它适当类型的存储电路，诸如其它非易失性半导体存储器等等。
所存储的预定义的流Sc被用作黑色边界，能在流并置单元17中被加到由编码器11生成的MPEG流中，得到输出的流Qout。
如果信箱检测器12检测到信箱格式广播，编码器11可跳过包括对黑色边界内的块/宏块的运动估计的处理，而是用预定义的MPEG流Sc替代那些宏块/块。结果，硬件需要较少的资源，同时提供高效的编码。
如果记录器内的信箱检测器与电视机中的信箱检测器匹配，记录器内的信箱检测器的错误(认为是信箱传送，实际是4:3广播)能被电视机掩饰。图6中表示的本发明的一个实施例中，记录器/播放器18接收输入信号Qin。记录器/播放器18可连接到电视机19并发送信号Qout。最佳实现方式是在播放盘时使用记录器/播放器18内的同一信箱检测器，同时它向电视机19发送信箱信号Qletterbox。信号Qletterbox由虚线表示，以表示一个信箱是/否选择。信箱检测器的匹配由记录器/播放器18与电视机之间的线M表示。
如果在4:3广播时记录器出错并产生黑色边界，电视机19将以这样的方式放大(zoom)该传输，使其中被记录器变黑的边界不可见。然而，如果用户禁用了信箱检测器，则电视机将不再能掩蔽在记录器中发生的错误。
目前我们处于从4:3向16:9显示屏过渡的开始阶段。由于有些信箱传送将在黑色边界中显示一半字幕，当字幕在黑色边界中被显示时，有些优点将消失。然而，人们认为在从4:3向16:9显示屏的过渡结束时，广播公司将阻止在黑色边界中放置字幕，因为这在16:9显示屏上引起许多缺陷。当然这仅在使用字幕时是有效的。
本发明也能被用于例如MPEG软件、基于PC的格式变换工具和宽屏DVD，因为当前的宽屏DVD一般都是被编码成具有黑色边界的。
本发明的若干优点例如是：更高的编码效率，对编码的更低的资源需求(当然也与具体实现方式有关)，以及在黑色边界上的起点处没有量化伪象(artifacts)。
应当注意的是，以上实施例解释而不是限制本发明，所属技术领域的熟练人员在不偏离后附的权利要求书范围的情况下能够设计出许多可替代的实施例。权利要求书中括号内的任何标注符不应被解释为对权利要求的限制。“包含”一词并不排除在权利要求中存在未列举的其它部件或步骤。本发明可以通过包含若干不同部件的硬件来实现，并可通过适当编程的计算机来实现。在枚举若干装置的设备权利要求中，这些装置的一些可以实现为同一个硬件项。某些方法被列举在互不相同的从属权利要求中的事实，并不表明不能有利地使用这些方法的组合。

Claims (10)

1.一种用于处理图像的方法，该图像包含覆盖该图像的像素片，所述图像包含一个相关数据区域和一个或多个不相关数据区域，所述一个或多个不相关数据区域在该相关信息区域的外边，所述方法包含以下步骤：
重新生成一个或多个不相关信息区域。
2.按照权利要求1的方法，其中，不相关信息区域是边界，其中将不相关信息区域的所有像素重新设定到一个共同的像素值。
3.按照权利要求2的方法，其中，不相关信息区域是被重新黑化的黑色边界。
4.按照权利要求1或2的方法，其中，优选地通过使部分填充的片变黑而使不相关信息区域对准片边界并被重新生成。
5.按照权利要求4的方法，其中，使不相关信息区域对准宏块边界。
6.按照权利要求4的方法，其中，使不相关信息区域对准块的块边界。
7.按照权利要求6的方法，其中，为了按4∶2∶0格式取得最佳编码效率而对块内的色度信息进行镜像处理。
8.用于处理图像的设备，该图像包含覆盖图像(1)的像素片，所述图像(1)包含一个相关数据区域(2)和一个或多个不相关数据区域，所述一个或多个不相关数据区域在该相关信息区域的外边，所述设备(10)包含：
-用于重新生成不相关信息区域(3)的装置(13)。
9.按照权利要求8的设备，进一步包含：
-用于使不相关信息区域(3)变空的装置(14)。
10.按照权利要求8或9的设备，其中设备(10)可连接到信箱检测器(12)，如果该检测器(12)在一个发往该检测器(12)和设备(10)的输入信号Qin中检测到信箱传送，则信箱检测器(12)控制该设备(10)去开始预处理。
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