CN1672413A - 个人电视的优化 - Google Patents
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Abstract
提供用于模拟一个个人电视系统的方法、系统和计算机可读介质。构造一个计算机实现的、包括由个人电视系统对一个被接收的视频信号进行的各处理步骤的视频处理链的模型；在该模型中插入一个或多个额外的功能，包括代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的第一功能部分、和代表个人电视系统内的对被存储的编码的视频数据的解码的第二功能部分。
Description
本发明涉及用于电视的模拟和优化技术。
市场上已经引入了许多“个人电视”(PTV)系统，它们能接收或者在空中传输的、或者在有线电视系统(CATV)上分发的模拟电视广播信号，并用数字压缩和存储技术记录它们，供由收视者随后重放。三个这样的系统是由飞利浦和索尼公司推出的“TiVoTM”、松下(Panasonic)公司推出的“Replay-TVTM”和微软公司推出的“Ultimate-TVTM”。这些系统执行传统上由收视者使用的盒式磁带录像机(VCR)的基本功能(即广播节目的时移(time-shifting))，但是也提供这样的附加优点，即允许收视者在录制第二个节目的同时观看一个节目，并且无需用户跟踪所录制节目在线性的录像磁带内的位置以及可用于录制新节目的磁带的位置和长度。因此，它们正变得越来越流行，只要广播视频的模拟传输和分发继续被采用，它们就会继续流行。
PTV系统一般接收模拟的射频(RF)广播信号(尽管也能使用卫星TV解码器的模拟输出)并将它们在解调和模拟视频解码(NTSC、PAL等)之后转换成数字格式。这些信号然后被用诸如MPEG1或2的一种有损的数字视频压缩方案压缩，然后被记录在诸如高密度硬盘驱动器(HDD)的一种海量存储装置上。连同现代存储装置的高数据容量(这种容量随着时间的推移正在迅速增加)一起采用压缩技术，已经使得有可能在一个HDD上录制许多小时的广播视频，由此消除对模拟的录像磁带的需要并提供上述的数字存储的优点。
通常要求视频处理系统改善或者作为模拟广播或者作为数字视频(但不是作为全部二者)而传输的源的画面质量。就模拟广播视频而言，画面质量一般可能因为信道噪声以及因为视频信号的解调和模拟解码而受到削弱，信道噪声例如可包括其频谱是由传输信道成形的高斯噪声(Gaussian noise)。其他特性，诸如色彩精确度和画面清晰度也可能受这个处理的影响。就数字视频而言，不存在噪声(除了在视频信号的数字化之前引入的少量噪声外)，色彩精确度不受影响。然而，有损的压缩和随后的解码，会引入许多视频伪像(video artifacts)(诸如决削弱(block impairments))，因此也能影响画面清晰度。这种伪像又从不存在于模拟广播视频源中(除非该源原来是数字的，在这种情况下，它一般是用低压缩率被编码的，因此质量高并且所述这些削弱很少)。因此，传统上在一个被接收的视频广播中只出现一类图像削弱或另一类图像削弱，而不是两类都有。
然而在PTV系统中，模拟广播信号是以常规的方式被解调和解码的，因此可能有任何或者全部的传统的模拟削弱。所述信号然后被以所允许的最高比率压缩，以便尽可能少地使用HDD空间。这就在所述信号随后被从HDD读取并解码时引入上述的任何或者全部的数字削弱，对于在这些系统中常用的高压缩率来说，这些削弱是显著的。结果，相同的视频序列在被收视者观看时将既有模拟广播削弱又有数字编码削弱，其中任一种或者二者都可能相当严重。这显然不同于传统的情形。
已经有人提出了许多用于在视频处理系统中优化图像质量的方法。在Van Zon，Kees和Ali，Walid的″Automated Video ChainOptimization(自动化的视频链优化)″(International Conferenceon Consumer Electronics(ICCE)2001)中以及Ali，Walid和vanZon，Kees的″Optimizing a Random System of Cascaded VideoProcessing Modules by Parallel Evolution Modeling(通过并行进化模拟优化级联的视频处理模块的随机系统)″(InternationalConference on Image Processing，2001)中，描述了一种用于自动化的视频链优化的普通方法，在此全文引用这两篇文章作为参考。用一个初始的视频处理操作链处理基准视频序列。然后测量质量。通常结合一种确定得到的视频的客观图像质量(OIQ)的方法，应用诸如允许在大参数搜索空间上进行全局优化的原生算法(genetic algorithm)之类的优化技术。这类方法已经或者被应用于、或者被提出用于被设计用来改善模拟广播视频的图像质量的模拟视频处理系统或者被设计用于数字编码的视频的数字视频系统。
对于模拟视频，一般采用诸如信道降噪(时域的和/或空域的)和清晰度增强的峰化(水平的以及可能地垂直的)等技术，以改善图像质量，而视频处理“链”典型地执行这些和其它视频功能。这样一个链的优化，需要一个用于所有这些功能的、同时地对于给定功能导致最佳可能的图像质量的参数集合。
对于数字视频，由于公知的因噪声而引起的在不同图像的对应区域之间的小差别的现象，经常在压缩编码之前采用某种形式的降噪，然而这必须被编码，由此浪费有限的数据带宽。除了保留噪声，其结果还相当于有效的编码数据速率的降低，这又相当于压缩率的增加。由这种低噪声水平直接导致的图像质量的视觉削弱(visualimpairment)，在这些系统中一般是次要的需要考虑的事情。在有些系统中也使用用于减少解码后因高压缩率的编码而产生的块削弱的影响的方法。在这些高压缩率下也可能发生的对这些高空间频率的丢弃，也能显著地降低图像清晰度，因此需要某种形式的清晰度增强。
需要一种用于PTV的优化方法。
提供一种模拟个人电视系统的方法、系统和计算机可读介质。构造一个计算机实现的视频处理链的模型，包括由个人电视系统对一个被接收的视频信号执行的处理步骤；在该模型中插入一个或多个额外的功能，包括代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的第一功能部分和代表个人电视系统内的对所存储的编码的视频数据的解码的第二功能部分。
图1是用于优化个人电视的视频处理链的系统的框图；
图2是用于优化个人电视的视频处理链的处理过程的流程图。
一个具有编码、存储、读取、解码和处理数字视频的能力的完整的PTV系统，能使用根据上述的用于模拟视频系统的技术、通过把前四个元素(PTV中的编码、存储、读取和解码)作为视频处理链的一部分对待而被优化。特别地，编码通常是以想望的数据速率(或压缩率)作为主要(以及可选地是唯一的)系统参数进行的，而解码则严格地是所恢复的(retrieved)视频数据流的一个函数，因此没有能被调整的参数。
最后，如果在优化方法中使用视频数据的一个数据流代表(正如越来越常见的那样)，存储介质的写和读简单地构成视频数据流的时间延迟，因此可以完全被忽略。MPEG编码和解码是同样能在这个优化的情境中被模拟的数字处理算法，但是除此之外，当在硬盘中存储数据以及然后读出数据时，因为这些方法是数据驱动的，所以没有时间的概念。因此，写数据后紧接着就读取，只不过是一个时间延迟。由于编码、存储、读取和解码是径直连续地进行的，可以把数字处理系统的这四个元素作为一个单一的功能对待。
此外，在PTV的编码、存储、读取和解码操作的一个相对简单的模型中，能在优化过程中改变一个参数，并提供有效的优化。这样一个单个参数的例子是压缩率。可以用数据速率替代压缩率，因为在压缩率与数据速率之间有一对一的对应关系。作为选择，可以使用更复杂的PTV的编码、存储、读取和解码操作模型，其中在优化过程中有两个或更多的参数变化。图1是表示一个用于优化PTV系统的系统的框图。
可以采用上述的用于每个类型的系统(即模拟的和数字的)的对应的功能的组合来模拟一个PTV系统。然而，在PTV系统中，降噪起着降低模拟信道噪声和改善数字编码效率的两个功能。同样，清晰度增强需要抵消信道、解调和解码引起的模拟频率失真以及数字压缩引起的高频信息的丢弃这两方面的影响。
对这样一个系统的适当优化，需要的不是简单地把模拟系统和数字系统的单独优化进行组合。因为在视频处理链中执行的功能是非线性的，在模型中执行各功能的次序应当反映在真实的视频处理链中各功能被执行的次序，并且处理操作的次序(除了它们的算法参数和数据比特精度外)能被优化。可以通过在传统的视频处理链的各部分上(即在编码、存储、读取和解码功能的各部分上)增加少至一个额外的成分，来模拟PTV系统。这个部分又有少至一个的参数，即压缩率。已经提出过的并用于传统视频处理链的模拟方法因此能被修改成无需显著增加优化的复杂度就能模拟一个PTV系统。这样一个方法因此能被用来优化看来具有日益增加的商业重要性的一类视频处理系统的总体画面质量。
参看图1，所示的是一个示例性的优化系统。该系统包括一个视频处理链仿真器100。仿真器100是数据驱动的，而不是事件驱动的仿真。仿真器100实质上对输入基准视频执行与由PTV中的实际视频系统所执行的相同的数字信号处理操作，只是仿真器100不必实时地执行这些操作。
视频处理链仿真器100的数据输入是数字格式的。如果PTV接收一个模拟传输信号，则视频输入数据代表在已经进行了到基带视频信号的解调以及数字化之后的模拟传输信号。在优化期间，在整个迭代的模拟和优化过程中用相同的视频序列作为输入。
视频处理链仿真器100包括多个视频处理算法110a-110n。例如，算法1(块110a)可能是降噪，算法2(块110b)可能是清晰度增强，依此类推，一直到算法N(块110n)，其可能是MPEG块状效应(blockingeffects)的去除。算法的选择是由在要被模拟的PTV系统中使用的算法驱动的。
增加至少一个额外的功能120，以代表在编码、存储、读取和解码功能期间执行的处理。这个功能120的编码部分应当模拟要在被优化的PTV系统中使用的实际编码硬件。在实践中，将使用一个MPEG编码器芯片。该芯片将使用一个特定的编码算法，因此使用一个由该芯片实现的算法的软件模型。就MPEG编码器而言，有不同的模型，因为MPEG目标是获得尽可能好的压缩，这意味着获得尽可能好的画面保真度。这又需要有效地通过尽可能多的像素，或者用最少量的编码比特通过尽可能多的像素信息。对于任何视频序列来说，有大量可能的合法编码。因此，编码器模型应当是一个模拟要在系统中使用的实际硬件的模型。
功能120的解码器部分能直接根据MPEG1标准(ISO/IEC 11172-1(至-5)：1993)或MPEG II标准(ISO/IEC 13818-4：1998/Amd 2：2000)而实现。这里引用这些标准作为参考。MPEG标准的各个部分被定义为C代码段或块，因此普通熟练人员很容易能采用解码器C代码来模拟MPEG解码器。
如上所述，存储和检索操作仅仅代表延迟，它们在仿真中是不被模拟的。这两个操作哪一个都不转换数据或影响图像质量。来自视频处理链仿真器100的解码的输出数据被提供到客观图像质量量度(metric)单元130。通常选择和调整客观图像质量量度，以便使用预定的图像或视频序列集合来提供在一个由客观度量标准给出的质量测量(measure)与一组图像或视频序列的观众得出的主观质量评估之间的良好的相关性。客观图像质量量度例如可以提供一个考虑了模拟噪声、块状(blocking)、振铃(ringing)、蚊子伪像(mosquito artifacts)以及其它类型的伪像的图像质量的测量。该量度也可对上述因素中的每个对图像质量的影响分别应用不同的权重；调整权重能改善由客观量度提供的测量与主观评估之间的相关性。
为了优化的目的，算法参数、过程排序、和数据比特位精度以及作为结果的客观图像量度值是相关数据。不要求为了优化的目的而存储实际的视频输出数据。
块140是视频处理系统优化块。优化块140的想望的属性包括精度和速度。因为参数值和过程的排序的不同组合的数量巨大，为寻找全局的最优值而运行每一个单个组合是不切实际的。另一方面，当有一个更大的全局最大值或更小的全局最小值时，也不应使用很可能会收敛在一个局部最大值或最小值上的算法(例如牛顿法)。
原生算法是视频处理链优化块130的优选方法。原生算法使用基于进化论的迭代的、非决定性的方法，它能在没有关于搜索空间的先验知识的情况下朝全局最优值进化。原生算法生成一个被称作“染色体”的候选解决方案的集合，每个染色体又由多个“原生”组成。每个原生对应于一个特定的算法参数值(或算法参数值的子集)、过程排序或数据位精度。
为一代(generation)中的每个染色体配置视频链，这意味着选择按照一个给定的想望次序的所有块、一个给定的数据比特位精度值集合、以及一个给定的算法参数值的集合；运行仿真100；把客观图像质量量度130数(“适当性值”)提供给原生算法。根据图像质量量度130的值，选择具有最佳质量量度值的染色体的一个子集，它们要通过“交换”(crossover)的方式被组合，以形成下一代。在交换中，在染色体之间交换算法参数值、参数排序和数据比特位精度的一个子集(即原生的一个子集)。然后，通过用某一(通常是低的)用户定义的概率干扰原生中的一些，以引入“突变”(mutation)。突变确保搜索空间的任何部分都没有被搜索的零概率，因此在存在更好的全局最优解决方案时降低收敛在一个局部最小值或最大值上的可能性。整个下一代染色体集合准备好被处理和评估。
一旦选择了要被用于下一代的值，视频处理链控制块150就为视频处理算法110a-110n中的每一个以及为编码、存储、读取和解码功能120设置参数值，并设置处理排序和数据比特精度。然后就能用相同的输入视频数据集合为下一代染色体中的每一个再运行视频处理链仿真器100。
迭代的终止标准可以是根据到达一个可接受的近似解决方案或一个稳定的解决方案、迭代经过了预定次数的突变、迭代经过了预定数目的代，等等。
原生算法之所以有吸引力，是因为它们只需要评估总的搜索空间的一个较少的部分(导致快速的收敛)，还能提供精确的结果。然而，所属技术领域的熟练人员也可以为视频处理系统优化块140使用其它的优化算法。
图2表示模拟一个个人电视系统的方法。
在步骤200，构造一个计算机实现的视频处理链的模型100，其包括由个人电视系统对一个被接收的视频信号进行的处理步骤110a-110n。该模型允许调整算法参数、过程排序和数据比特精度。
在步骤202，在视频处理链模型100中插入一个代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的编码器特定的功能部分。
在步骤204，仿真可忽略存储和检索，因为这些操作的哪一个都不被认为转换图像数据或影响图像质量。
在步骤206，在视频处理链模型100中插入一个代表在PTV中对被存储的数据的MPEG1或MPEG2解码的功能部分。在有些实施例中，步骤202和206被组合起来，以便形成一个代表编码和解码的单一功能，并且忽略存储和检索。
步骤208-214提供迭代的优化。在步骤208，运行视频处理链模型100。
在步骤210，针对一个或多个客观图像质量量度评估仿真的结果。
在步骤212，按照一个优化算法调整模型，该优化算法例如是个原生算法。在步骤214，这可包括利用压缩率(或数据速率)作为一个调整参数来调整编码/解码功能，以及可包括利用压缩率(或数据速率)作为唯一的调整参数。
重复步骤208-214，直到终止标准得到满足。
本发明可以实现为计算机实现的过程和用于实践这些过程的设备的形式。本发明也可以实现为包含在有形介质中的计算程序代码的形式，有形介质诸如是随机存取存储器(RAM)、软盘、只读存储器(ROM)、CD-ROM、DVD-ROM、硬盘驱动器、高密度(例如“ZIPTM”或“JAZZTM”)可移动盘或者任何其它计算机可读的存储介质，其中，当计算机程序代码被加载入计算机并被计算机执行时，计算机变成一个实践本发明的设备。本发明也可以实现为计算机程序代码的形式，该计算机程序代码例如是被存储在存储介质中的、被加载到计算机中和/或被计算机执行的、或者通过某种传输媒介传输的(例如通过电线或电缆、通过光纤或通过电磁辐射传输的)，其中，当计算机程序代码被加载入计算机中并被计算机执行时，计算机变成一个实践本发明的设备。当在通用处理器上执行时，计算机程序代码段配置处理器，以产生特定的逻辑电路。
尽管已按照示例性实施例对本发明作了说明，但本发明并不限于所述示例性实施例。后附的权利要求书应当被广泛地解释以包括本发明的其他变体和实施例，它们能被所属技术领域的熟练人员在不偏离本发明及其等效表述的范围的情况下作出。
Claims (27)
1.一种模拟个人电视系统的方法，包含以下步骤：
(a)构造一个计算机实现的、包括由该个人电视系统对一个被接收的视频信号进行的各处理步骤的视频处理链的模型；和
(b)在该模型中插入一个或多个额外的功能，包括代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的第一功能部分、和代表个人电视系统内的对被存储的编码的视频数据的解码的第二功能部分。
2.权利要求1的方法，其中，第一功能部分包括一个与被包括在个人电视系统内的一个给定的编码器对应的特定于编码器的模型。
3.权利要求2的方法，其中，第二功能部分包括一个MPEG1解码器模型或一个MPEG2解码器模型。
4.权利要求1的方法，其中，第一功能部分和第二功能部分被包括在一个单一功能中。
5.权利要求4的方法，其中，该模型忽略个人电视系统内的对编码的视频信号的存储和检索。
6.权利要求4的方法，其中，被存储的编码的视频信号的压缩率被用作调整该单一功能的一个参数。
7.权利要求1的方法，其中，进一步包含：
(c)在步骤(b)之后运行该计算机实现的模型；和
(d)根据由步骤(c)生成的输出调整该视频处理链的模型。
8.权利要求7的方法，其中，步骤(d)包括用一个原生算法来选择该调整。
9.权利要求7的方法，进一步包含用一个客观图像质量量度来评估由步骤(c)生成的输出。
10.一种在其上具有编码的计算机程序代码的计算机可读介质，其中，当计算机程序代码被处理器执行时，处理器执行一种模拟个人电视中的视频处理链的方法，该方法包含以下步骤：
(a)构造一个计算机实现的、包括由个人电视系统对一个被接收的视频信号进行的各处理步骤的视频处理链的模型；和
(b)在该模型中插入一个或多个额外的功能，包括代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的第一功能部分、和代表个人电视系统内的对被存储的编码的视频数据的解码的第二功能部分。
11.权利要求10的计算机可读介质，其中，第一功能部分包括一个与包括在个人电视系统内的一个给定的编码器对应的特定于编码器的模型。
12.权利要求11的计算机可读介质，其中，第二功能部分包括一个MPEG1解码器模型或一个MPEG2解码器模型。
13.权利要求10的计算机可读介质，其中，第一功能部分和第二功能部分被包括在一个单一功能中。
14.权利要求13的计算机可读介质，其中，该模型忽略个人电视系统内的对编码的视频信号的存储和检索。
15.权利要求13的计算机可读介质，其中，被存储的编码的视频信号的压缩率被用作调整该单一功能的一个参数。
16.权利要求10的计算机可读介质，其中，进一步包含：
(c)在步骤(b)之后运行该计算机实现的模型；和
(d)根据由步骤(c)生成的输出调整该视频处理链的模型。
17.权利要求16的计算机可读介质，其中，步骤(d)包括用一个原生算法来选择该调整。
18.权利要求16的计算机可读介质，进一步包含用一个客观图像质量量度来评估由步骤(c)生成的输出。
19.一种用于模拟个人电视系统的系统，包含：
一个计算机，具有在其中编程的、包括由个人电视系统对一个被接收的视频信号进行的各处理步骤的视频处理链的模型；
该计算机在该模型中包括一个或多个额外的功能，其中包括代表个人电视系统内的在存储前对视频信号的编码的第一功能部分、和代表个人电视系统内的对被存储的编码的视频数据的解码的第二功能部分。
20.权利要求19的系统，其中，第一功能部分包括一个与包括在个人电视系统内的一个给定的编码器对应的特定于编码器的模型。
21.权利要求20的系统，其中，第二功能部分包括一个MPEG1解码器模型或一个MPEG2解码器模型。
22.权利要求19的系统，其中，第一功能部分和第二功能部分被包括在一个单一功能中。
23.权利要求22的系统，其中，该模型忽略个人电视系统内的对编码的视频信号的存储和检索。
24.权利要求22的系统，其中，被存储的编码的视频信号的压缩率被用作调整该单一功能的一个参数。
25.权利要求19的系统，进一步包含：
用于根据通过运行该模型所生成的输出来调整该视频处理链的模型的自动装置。
26.权利要求25的系统，其中，该自动装置用一个原生算法来选择该调整。
27.权利要求25的系统，进一步包含用一个客观图像质量量度来评估通过运行该模型所生成的输出的装置。
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