CN1643934A - 具有量化级别的强制波动的视频编码 - Google Patents

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Abstract

在视频压缩过程中，每个块的量化级别值受图像信息的内容的复杂性的控制。例如，通过低通滤波暂时选择的量化级别值(19)来抑制量化级别值的时间和/或空间波动。使用该量化级别值量化视频数据。量化级别值也可以在转码过程中使用。

Description

具有量化级别的强制波动的视频编码
本发明涉及一种编码视频数据的方法以及一个执行这种方法的系统。
由W.M.J.Coene和G.J.Keesman在“Signal Processing(信号处理)”55(1996)第369-374页发表的题目为“On performance gainsin MPEG-2 video coding via a rate-distortion optimal route(通过率失真优化方法实现MPEG-2视频编码的性能增益)”的文章中公开了计算MPEG编码视频数据的方法。MPEG视频编码标准规定视频信息的压缩。视频帧被编码成利用它们自身编码的I(内)帧，或者根据更新被编码到其它帧的P或者B帧。视频帧被分成块(MPEG区分块和宏块，后者包括具有来自于不同的彩色信道的信息的多个块，但是因为这并不影响本发明，所以除非另外提及，通用词“块”不区分的用于表示块和宏块)。一些块被置零，在每个剩余块中计算视频信息的DCT(离散余弦变换)系数，这些系数被量化，并且量化系数被编码到一个MPEG信号中。
通过更新进行编码，对块置零以及量化是对MPEG中的视频信息压缩的重要贡献。量化涉及利用从可用值的限制组中选择出的量化系数来代替前述系数。限制组的特征在于一个量化级别值Q，该值与连续的可用值之间的差相对应。利用量化系数来代替系数降低了编码该系数所需的信息量，即使这以借助舍入误差引入图像失真为代价，该舍入误差是由于原始系数与量化系数之间的差所引起的。在MPEG信号中，量化级别值Q可以逐块变化，从而在压缩和编码信号的失真之间选择一个最佳的平衡。
Coene和Keesman的文章中公开了一种选择最佳的包括量化级别值的压缩参数的优化方法。在仅使用特定数量的信息(比特率)编码视频信号的限制下，失真量最小。没有公开在该方法中使用的失真的特定量，但是大概使用每个帧的失真的总和。
该文章表明在现有方法中，一方面的I帧的失真与另一方面的B帧和P帧的失真不同。因此，失真随着所谓的帧频率组(包含一个I帧和周围的B帧和P帧的一组帧)周期性变化。在该文章中的所述方法的一个实施例中，通过优化这样的一组中的多个帧的失真的总和来降低这种失真的变化减少。在另一实施例中，通过使所有帧的失真相等来降低这种变化。
但是，在已知的编码方法中，当解码所编码的信号时，人类观众还是会注意某些视频信号的视觉假象。例如，在低编码比特率下，由于较好和较差的块的编码的交替周期，可以观察到心跳效果。这种心跳效果在困难的场景下最容易引人注意，例如，在放大或者缩小一个特定对象的过程中，或者在相对统一的表面的边缘，它们易于利用较少的比特进行编码，因此倾向于更多的误差。这种效果也可以由于缓冲调解方法而在转码数据流中出现。
本发明的目的是降低上述的心跳效果。
本发明基于以下事实，由于量化造成的明显失真不是帧失真，即压缩和未压缩图像之间的差的结果，而是失真的局部变化的结果。这种效果不能由通常的失真总量来测量。
通过使用根据本发明的编码方法，抑制在帧的相同位置作为时间函数和/或在相同图像中作为位置函数的块的量化级别的波动。在本发明的一个实施例中，在预选量化级别值上施加了一个空间和/或时间滤波，从而限制了量化级别作为时间和/或位置函数的变化。
本发明期望局部限制在一倾向附近的波动，量化级别围绕该倾向波动。量化级别可以遵循该倾向，但是围绕该倾向的时间或者空间波动就会被限制，这样时间域或者空间域的局部环境中的波动效果将被抑制。本发明进一步涉及一个编码器，一个视听设备，一个数据储存设备，一个计算机程序以及一个其上存储了计算机程序的数据载体设备。
在一个实施例中，本方法应用于已经被量化的一个视频流的转码。这样在转换过程中假象的产生将被最小化。
在另一个实施例中，使用估算的运动矢量在不同的帧中选择块，通过运动矢量这些不同的帧彼此相关。为该块暂时选择的量化值被时间低通滤波，发现所述的暂时选择的量化值在连续的帧中彼此依次相应。
本发明的进一步的目的，详尽的内容，变形，效果和细节将在下文的描述中变得清楚明了，其中以下面的附图作参考。
附图1表明了一个编码装置；
附图2表明了一种编码方法的流程图；
附图3表明了量化级别作为时间函数的曲线图；
附图4表明了一个转码装置。
附图1表明了一个编码装置。该编码装置具有一个输入端10和一个输出端17，并且该装置包括一个预处理器12，一个量化器14，一个打包器16，一个量化级别选择器18以及一个量化级别滤波器19。输入端依次通过预处理器12，量化器14和打包器16耦合到输出端。量化级别选择器18具有一个耦合到输入端10的输入端和一个通过量化级别滤波器19耦合到量化器14的量化级别输入端的输出端。
附图2将被用于解释该装置根据MPEG编码的运行。在第一步骤21，运行过程中视频输入信息被提供给输入端10。在第一步骤21，预处理器12预处理该视频输入信息，将帧分离成块，并且在每一块中执行视频信息的DCT(离散余弦变换)。预处理器12将产生的转换系数提供给量化器14。
在第二步骤22，量化级别选择器18预选量化级别值Qp，量化级别滤波器19在时间上和/或在空间上滤波这些预选择的量化级别值Qp，并且将这些滤波的量化级别值Qf提供给量化器14。
在第三步骤23，量化器14量化从预处理器12接收的系数，即利用来自于量化值的限制组的邻近量化系数代替接收到的系数，并且将这些量化系数提供给打包器16。这可以例如通过利用一个块的系数(优选地减去偏移)除量化级别值，并且取该商的整数部分作为量化值来实现。在第四步骤24，打包器16将量化的系数编码和打包成MPEG可兼容的信号并且将该信号提供给输出端17。当输入一个新的帧时，步骤21、22、23、24周期性的重复。
在第二步骤22，量化级别选择器18为输入的视频信息的各自帧中的各自块预选量化级别值Qp。量化级别选择器18通过量化级别滤波器19将预选的量化级别值Qp提供给量化器14从而控制量化值的限制组中的连续量化值之间的步长，量化器14从该量化值中选择量化系数。
可以使用任何已知的选择量化级别值的方法来预选量化级别值Qp。在一个实施例中，量化级别选择器18接收一个比特率选择信号并且预选该量化级别值Qp，从而使输出端1 7的输出信号的比特率平均不超过选定的比特率。量化级别选择器18计算每个块的复杂度，并且与复杂性成比例地为每个块分配各个比特率，从而使所有块的比特率的总和不超过选定的比特率。然后选择每个块的量化级别值Qp从而不超过分配给该块的比特率。
量化级别选择器18通过量化级别滤波器19将预选的量化级别值Qp提供给量化器14。量化级别滤波器19在预选的量化级别值Qp上执行时间和/或空间低通滤波操作，并且将低通滤波的量化级别值Qf提供给量化器14。
应当理解，第二步骤涉及一定的预测。就是说，可以在量化先前帧的块或者在量化相同帧中的先前块之前为一帧中的块计算预选的量化级别值，从而为先前帧中的那些块和/或为相同帧中的先前块选择量化级别值Qf。因此，可以考虑未来块的预选量化级别值。
附图3示出了量化级别选择器18为视频信息的连续帧中的相同象素位置的块选择的预选量化级别值Qf作为时间函数(即帧数)的曲线30。附图3也示出了量化级别滤波器19所产生的经过时间滤波的量化级别值Qf的曲线32。应当注意滤波的量化级别值Qf32遵循预选的量化级别值Qp的一般趋势，但是该趋势周围的波动被抑制。
可以为作为块的位置的函数的量化级别Qp和Qf画出相似的曲线，这些级别在一帧中与这些块相关。
可以使用任何方法来滤波预选的量化级别值Qp30。例如，可以取围绕为其选择滤波的量化级别值Qf的帧的帧窗中大量连续的预选量化级别值Qp的中间值。这去除了波动，但是允许突发的改变，例如当块的内容突然改变时。在另一个实施例中，通过计算围绕为其选择滤波的量化级别值Qf的帧的帧窗中的连续的预选量化级别值Qp的平均值来实现滤波。平均值可以是加权平均值，其为靠近为其选择滤波的量化级别值Qf的帧的多个帧的预选量化级别值Qp分配更多的权重。
在另一个实施例中，使用运动信息来支持滤波。在这种情况下，滤波器19时间滤波量化值，这些量化值是为通过运动矢量彼此相关的不同的帧中的块所选择的量化值。就是说，如果估计第一帧中的第一块的内容移动到第二帧中的第二块，并且从第二帧中的第二块移动到了第三帧中的第三块，等等，就对第一块，第二块，第三块等的量化级别值所构成的量化级别值序列进行时间滤波，然后使用滤波的量化级别值量化相应的块。这再次降低了可见的假象。可以通过任何方式获得运动矢量，例如从MPEG编码中使用的运动矢量获得。
应当理解，尽管附图1中所示的执行，使用一个量化级别值滤波器19是非常简单的，但是也可以使用其它的装置来降低波动。例如，可以搜索使失真最小化并且不超过预定的比特率的一组量化级别值。在这种情况下，如果在量化级别值产生波动，该装置应使用一个为该失真分配一个增加值的变形的修改量。这可以，例如，通过将一个基于原始图像和编码图像之间的偏移的失真量，增加到在邻近帧的相应位置处和/或相同帧的邻近位置之间所实际使用的量化级别值Qf之间的差的平方来实现。
还应当理解，尽管已经描述了降低量化级别的波动的原理，但是对于编码标准的特定细节需要考虑多种变形。例如，在MPEG标准的情况下，仅允许有限数目的量化级别值。因此，应当从该有限数目的值当中选择滤波的量化级别值Qf，但是可以自由的选择预选的量化级别值Qp。而且，MPEG标准对可以为一个宏块中的不同块所使用的量化级别值之间的差别强加了一些限制。这可以例如通过选择每个宏块的滤波量化级别值Qf来实现。
而且，在MPEG标准中，量化级别值中的多数改变(例如，水平邻近模块之间的改变)不得不利用附加的符号进行标记，当量化级别没有改变时，不需要做标记。附加的符号导致压缩信号中比特数目的增加。因此，期望加权由于量化级别改变造成的显著失真和压缩信号中的比特数目的增加。
本发明也可以应用于产生用于传输或者用于视频信息的存储的数据的压缩中。本发明能够应用于存储到诸如软盘，数字通用盘，或者超级音频CD，或者产生DVD或者SACD的主盘或者压模的数据存储设备的数据。本发明也可以应用于压缩视频信息的转码。
附图4表明了一种转码装置。该转码装置包括一个局部解码单元40，一个再量化器44，一个打包器46，一个量化级别选择器48以及一个量化级别滤波器49。转码器的输入端依次通过局部解码单元40，再量化器44和打包器46耦合到输出端。量化级别选择器48具有一个耦合到局部解码器的输出端的输入端以及一个通过量化级别滤波器49耦合到再量化器44的量化级别输入端的输出端。
在操作中，转码器接收具有使用第一量化级别量化的信号值的压缩的编码数据。转码器利用第二量化器再量化该信号值，例如，以增加压缩率。局部解码单元40局部解码接收到的压缩信号，并且将表示来自于该接收信号的量化信号值的信息提供给再量化器44。再量化器44为每个信号值选择一个新的量化值，从而该新的量化值属于滤波器49所表示的量化级别。打包器46将来自于该流的信息再打包成一个新的编码流，编码该新的量化值。
选择器48选择量化级别。例如与输入信号中的相应块所使用的量化级别成比例地为每个块选择量化级别(选择比例因子从而使输出端的测量比特率平均上与外部需要的比特率对应)。滤波器49对选定的量化级别值进行时间和/或空间滤波，如图1所述。
尽管在本发明的执行中描述了分离的硬件单元，应当理解一个或者多个这些单元的功能可以包含在一个单独的单元当中。例如，单元18，19所执行的预选和滤波可以由一个单独的单元来实现。而且，附图1所示的装置中的元件可以物理的分成多个装置，而在逻辑上可以用一个单独的装置来表示。尽管本发明已经根据现存的MPEG标准压缩进行了描述，但是其当然也能够应用于其它类型的压缩，例如，根据未来的MPEG标准或者任何其他标准。
而且，各种元件也可以利用用执行本发明的合适的计算机程序编程的计算机系统来执行，当该程序运行在一个计算机系统时，或者使一个通用目的的计算机系统能够执行根据本发明的计算机系统的功能时，该程序至少包括用于执行根据本发明的方法的步骤的指令。这种计算机程序可以在一个数据载体上提供，例如一个CD-ROM，或者磁盘，在该载体上存储着可下载到一个计算机系统的存储器中的数据，该数据表示该计算机程序。一个数据载体还可以是一个数据连接，例如一个电话线或者一个表示根据本发明的计算机程序的无线连接发射信号。
在上面的说明中，已经参照本发明的实施例的特定实例描述了本发明。因此这些说明和附图应当被看作是示例性的，而不是对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种编码一个数字视频流的方法，该方法包括步骤：
-将视频流的帧分成块；
-在每个块的图像信息的内容复杂性的控制下，为每个块选择量化级别值，其中抑制复杂性的波动作为每个块的时间和/或位置的函数对量化级别值的时间和/或空间的波动的影响；
-计算根据选定的量化级别值量化的视频数据；
-产生包括该量化视频数据的一个编码视频流。
2.根据权利要求1所述的编码一个数字视频流的方法，其中选择步骤包括：
-在复杂性的控制下，为每个块的量化级别值预选初步值；
-时间和/或空间低通滤波该初步值从而确定在计算步骤中要使用的量化级别值。
3.根据权利要求1所述的编码一个数字视频流的方法，其中所述数字视频流是一个编码视频流，包括表示量化输入值的信息，以及根据选定的量化级别值再量化该量化输入值。
4.根据权利要求1所述的编码一个数字视频流的方法，该方法包括基于估算的运动矢量将来自于连续帧的连续的块彼此相关，选择步骤包括时间低通滤波连续的量化值，该量化值是分别为每个连续的块而暂时选择的。
5.一种编码一个数字视频流的系统，该系统包括
-一个预处理器，用于为视频流的帧中的每个象素块计算图像信息；
-一个量化器，使用基于量化级别值的块量化计算的图像信息；
-一个编码视频流产生器，用于产生一个编码该量化视频数据的编码流；
-一个量化级别选择器，用于在每个块的图像信息的内容的复杂性的控制下，为每个块选择量化级别值，其中抑制复杂性的波动作为每个块的时间和/或位置的函数对量化级别值的时间和/或空间的波动的影响。
6.根据权利要求5所述的系统，该系统包括：
-一个预选择器，用于在复杂性的控制下，为每个块的量化级别值预选初步值；
-一个低通滤波单元，用于时间和/或空间低通滤波该初步值从而确定量化级别值。
7.根据权利要求5所述的系统，所述预处理器用于从具有量化的输入信号值的输入的编码视频流计算图像信息，所述量化器再量化该量化的输入值。
8.根据权利要求6所述的系统，所述滤波器时间低通滤波为不同帧中的选定的连续块预选的预选量化，选定的块通过为所述帧估算的运动矢量而彼此相关。
9.一种计算机程序产品包括具有用于编程一个计算机来执行权利要求1所述的方法的指令的计算机程序。
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