CN1729641A - 数字多媒体信息的自适应编码 - Google Patents

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Abstract

通过测量连接参数，例如接收的信号强度，误码率或接收的确认信号的速率，可以执行数字多媒体信息的自适应编码，以确定可用的传输速率。然后最大编码率可以基于可用的传输速率来确定，例如通过可用传输速率除以开销因数。如果数字多媒体信息的编码率超过计算的最大编码率，则执行数字多媒体信息的自适应编码以便使数字多媒体信息的编码率与计算的最大编码率相符合。这个过程涉及在一个帧序列之内压缩选择的帧，删除在选择帧内的高频率成分，删除在选择帧内的I帧成分或者映射在选择帧内的值到含粗量化的相应值。

Description

数字多媒体信息的自适应编码
本发明一般来说涉及网络通信系统，更具体而言，本发明涉及用于在网络通信系统上传送的数字多媒体信息的自适应编码的系统和方法。
通信数字多媒体信息，例如在无线或其他带宽约束网络上的音频或视频，引起独特的问题，该问题必须被克服以便满足多媒体用户日益增长的期望。因为数字多媒体信息典型地包括随时间变化的信息，该信息流向接收设备，数字多媒体信息被编码的速率必须严格地符合通信信道的可用传输速率。如果数字多媒体信息的编码率超过可用的传输速率，用户可能经历基础(underlying)应用的质量的严重降级或基础应用可能过早地终止通信通话。
为了满足上述的需求，许多数据格式标准，例如用于视频的MPEG-1或MPEG-4和用于音频的MPEG-1，层III，压缩数字多媒体信息以便用于压缩信息的所需传输速率符合预先定义的目标传输速率。典型地，然而这些数据格式标准未能考虑到由基础网络通信协议所增加的开销，这经常会把通信信道的有效传输速率降低到原来的1/3(例如，传输数据的2/3可能构成开销和控制信息)。另外，对于从第一网络(例如因特网)流出数字多媒体信息的应用，和在第二网络例如用户家庭网络上，重新传输信息的应用，原始的编码器可以没有意识到第二网络所增加的开销。这就未能考虑基础通信协议的开销，可导致数字多媒体信息以比支持基础通信信道高的速率被编码。
由于在通常与许多通信网络相联系的可用传输率上的波动性，可能进一步加剧这些问题。例如，由于例如发射设备和接收设备之间的距离，发射设备和接收设备之间的堵塞，由于环境噪音或在共享同一带宽的应用中的竞争，在无线信道的质量上暂时性降低等因素，无线通信信道的可用传输速率会发生波动。因为这些波动很难预测并且在长的通信对话期间波动可以发生几次，显著有可能的是：这些波动将导致数字多媒体信息的编码率超过可用的传输速率。尽管期望例如通过增加传输功率来简单地提高通信信道的传输速率，但是由于严格的政府规定，这些方法是不可用。结果，提供能够有效地补偿在可用传输速率中的波动性的装置，这证明是一个持久的问题。
因此，根据前述问题，需要系统和方法，该系统和方法自适应性地编码数字多媒体信息以有效地使编码率符合可用传输速率。
通过为数字多媒体信息的自适应性编码提供系统和方法，本发明的实施方案减轻了许多前述问题。在一个实施方案中，链接参数，例如，接收的信号强度，误码率，或接收的确认信号速率被测量以便确定可用的传输速率。最大的编码率然后可以基于可用的传输速率来计算，例如通过可用传输速率除以预先确定的开销因数来计算。如果数字多媒体信息的编码率超过计算的最大编码率，数字多媒体信息被自适应地编码以使数字多媒体信息的编码率符合计算的最大编码率。
其他实施方案提供了各种装置，这些装置可以用于有效地使数字多媒体信息的编码率符合可用的传输速率。在一个实施方案中，例如，通过压缩数字多媒体信息可以自适应地编码数字多媒体信息以便压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。在另一个实施方案中，数字多媒体信息的选择帧可以被压缩以便对于帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。有利地，这个实施方案对于含较低熵的帧比含有较高熵的帧使用较高水平的压缩以保存压缩信息的感知质量。另外，上述的实施方案可以通过例如删除在选择帧内的较高频率成分，删除在选择帧内的I帧成分，或者映射在选择帧内的值到含有粗量化的相应值，来有效地减少必须传输的数据量。
对于其中数字多媒体信息包含在第一压缩速率上压缩的一序列帧的应用，本发明的另一个实施方案通过抽取在帧序列内的第一组帧可以自适应地编码多媒体信息以便对于第一帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。这个过程可以包括删除在第一组帧内的较高频率成分，删除在第一组帧内的I帧成分，或者映射在第一组帧内的值到含有粗量化的相应值。然后在帧序列内的第二组帧可以被解压缩并且在第二压缩速率上被再压缩，以便对于第二组帧的所需传输速率小于计算的最大编码率。
通过确保数字多媒体信息的编码率符合可用传输速率，本发明的实施方案减少或避免了与已有的方法相联系的问题。其他实施方案进一步提供了装置，这些装置有利地减少了计算需求，这些计算需求另外对于从较高编码率到较低编码率的传输是必须的。结果，本发明的实施方案能为在无线或其他宽带约束网络上流动的数字多媒体信息提供牢固的连接，其中数字多媒体信息的质量被调节以符合可用的传输速率。
从下面详细的描述并结合附图，对于本领域的技术人员来说，本发明的这些和其他特性和优点将变得更加显而易见。
图1表示了一个实施例的方块图，其中本发明的原理被有利地实现；
图2表示了一个实施例平台，依照本发明的实施方案可以使用该实施例平台；
图3表示了依照本发明的一个实施方案的实例编码器和通信模块的一个方块图；和
图4以流程图形式表示了依照本发明的一个实施方案的典型方法，该方法用于数字多媒体信息的自适应编码；
本发明的实施方案为数字多媒体信息的自适应编码提供了系统和方法。呈现的下面描述能使本领域的技术人员制造和使用本发明。提供特定应用的描述仅仅作为例子。优先实施方案的各种修改，替代和变化对于本领域的技术人员是显而易见，并且在不违背本发明范围的情况下可以将在此定义的一般原理应用到其他实施方案和应用中。因而，本发明并不是想要限制于所描述和表示的实施方案，本发明应该符合最广的范围，该范围与在此所公布的原则和特征是一致。
参照图1，在100中通常表示了实例系统的一个方块图，在该方块图中本发明的原理被有利地实现。正如所表示地，实例系统包括媒体节点110，该媒体节点连接一个或者多个内容源120，例如计算机系统，VCR，DVD播放器，CD播放器或用于存储数字多媒体信息的其他设备，和一个或多个接收设备130，例如计算机监视器，电视，扬声器系统或者播放或表示数字多媒体信息的其他设备。通过有线连接124，无线连接125，或通过网络连接，例如因特网126将每个内容源120和媒体节点110连接起来。尽管使用类似的连接类型将每个接收设备130和媒体节点110连接起来，图1的实施方案利用无线连接135以便在媒体节点110和每个接收设备130之间避免安装和保持费用和布线麻烦的需要。然而，因为每个无线连接135的可用传输速率很大程度上由一些因素确定，例如在接收设备130和天线160之间距离，在接收设备130和天线160之间的障碍物，由于环境噪音或在共享同一带宽的应用中竞争使无线通道135的质量暂时降低，所以每个无线连接135的瞬间可用传输速率在通信对话期间可能经历波动。
为了减轻与在数字多媒体信息的编码率和无线连接135的可用传输速率之间错配相关联的问题，配置媒体节点110自适应性地编码从内容源120接收的数字多媒体信息以便数字多媒体信息的所需传输速率符合接收设备130的可用传输速率。关于此点，配置在媒体节点110内的通信模块150测量可以用于测量与无线连接135相关联的链接参数，例如接收的信号强度，误码率或接收的确认信号的速率，以便确定可用的传输速率。然后，编码器/解码器140可利用可用传输速率来计算最大编码率，例如通过可用传输速率除以与基础网络通信协议相关的开销因数来计算。如果数字多媒体信息的编码率超过计算的最大编码率，编码器/解码器140自适应性地编码数字多媒体信息以使数字多媒体信息的编码率符合计算的最大编码率。
值得注意的，编码器/解码器130可以使用各种装置有效地使数字多媒体信息的编码率符合可用的传输速率。在一个实施方案中，例如通过压缩数字多媒体信息可以自适应性地编码数字多媒体信息以便压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。在另一个实施方案中，数字多媒体信息的选择帧可以被压缩以便对于帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。有利地，这个实施方案对于含较低熵的帧可以使用比含有较高熵的帧较高水平的压缩以保持压缩信息的感知质量。也可以配置通信模块150以减少必须传输的数据量，例如通过删除在选择帧内的较高频率成分，删除在选择帧内的I帧成分，或者映射在选择帧内的值到含有粗量化的相应值。这个实施方案可以被单独使用或结合关于编码器/解码器140的上述所描述的实施方案以减少编码器/解码器130的计算需要或使编码器/解码器140能够平滑地转换到较低的编码率。
对于其中数字多媒体信息包含一序列帧的应用，该序列帧以第一压缩比被压缩(例如，其中数字多煤体信息以压缩形式存储在内容源120或经由因特网连接126从远程内容源120接收数字多媒体信息)，可以配置通信模块150抽取(decimate)在帧序列内的第一组帧以便对于第一帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。这个过程可以包括删除在第一组帧内的较高频率成分，删除在第一组帧内的I帧成分，或者映射在第一组帧内的值到含有粗量化的相应值。然后在帧序列内的第二组帧可以被解压缩并且由编码器/解码器140以第二压缩比再压缩在帧序列内的第二组帧，以便对于第二组帧的所需传输速率小于计算的最大编码率。
通过确保数字多媒体信息的编码率符合可用传输速率，本发明的实施方案减少或避免了与现有的方法有关的问题。其他实施方案进一步提供了装置，这些装置有利地减少了计算需求，该计算需求另外对于从较高编码率到较低编码率的转换是必须的。结果，本发明的实施方案能为在无线或其他宽带约束网络上流动数字多媒体信息提供牢固的连接，其中可以对数字多媒体信息的质量进行调节以符合可用的传输速率。
参照图2，依照本发明的实施方案，在200一般表示了使用的实例平台。正如所表示的，实例平台包含用于与网络内的其他节点接口的网络接口卡210，例如内容源，接收设备，天线，网关等等。网络接口卡210经系统总线250与处理器耦合。处理器也可以与存储系统240耦合，例如随机存取存储器，硬盘驱动器，软盘驱动器，小型磁盘或其他计算机可读介质，为编码器/解码器140和通信模块150存储代码。实例平台也可以包含管理接口260，例如键盘，输入设备或通信端口，在不需要重新编译的基础代码的情况下，使用该管理接口为编码器/解码器140或通信模块150选择性地修改配置参数。
在运行中，依照中断指定的优先权，配置处理器220响应来自相关联的中断控制器230的中断。这些中断可以导致处理器220执行存储在存储器系统240内的计算机代码。例如，中断可以导致处理器220周期性地呼叫通信模块150，以便测量与特定无线连接相关联的链接参数，确定用于连接的可用传输速率，调整与连接相关联的传输功率或调制方案，传输从编码器/解码器140接收的数字多媒体信息到指定的接收设备，或抽取编码多媒体信息的选择帧。处理器220也可以呼叫编码器/解码器140周期性地重新得到由通信模块150确定的更新的传输速率，为数字多媒体信息计算最大编码率，或编码(或解码和再编码)数字多媒体信息以便数字多媒体信息的编码率符合计算的最大编码率。
参照图3，依照本发明的一个实施方案，在300一般表示了实例编码器和通信模块的一个方块图。正如所表示的，编码器140包含余弦变换单元210，量化器320和哈夫曼编码器330，依照有损压缩算法，例如MPEG-1，MPEG-4或MPEG-1，层III，可以使用该编码器编码(或压缩)数字多媒体信息。使用余弦变换单元320将接收的数据划分为许多帧并且再转化在每个帧内的数据为它的相应的频率系数。然后应用频率系数到量化器320和哈夫曼编码器330中，量化器320和哈夫曼编码器330反复地量化和哈夫曼编码频率系数直到最终的编码数据符合目标可变位速率/固定位速率参数(VBR/CBR)360和最大编码率参数(Rmax)370。用户或基础多媒体应用可以初始化VBR/CBR参数360。Rmax参数370在编码率上设置一个上限并且超过由VBR/CBR参数360设定的值。正如在下面更详细的讨论，同样基于由通信模块150确定的可用传输速率(Tx)，也可以周期性地更新Rmax参数370(例如通过Tx除以与通信协议相关的预先确定的开销因数来更新)。
在运行中，编码器140，可以使用Rmax为多媒体信息的每个帧设定最大编码率。如果多媒体信息的给定帧超过Rmax的值，编码器140可以导致量化器320使用较高比例的系数或导致哈夫曼编码器330使用含粗量化的哈夫曼表直到帧的编码率减弱到Rmax之下。这个实施方案提供了一些优点，在于它确保没有帧超过Rmax的值。在一个可替换的实施方案中，编码器140可以编码多媒体信息的选择帧以便用于帧序列的平均编码率小于Rmax。例如，如果Rmax有2Mbit/s的当前值，编码器140以1Mbit/s的速率编码在帧序列中的前两帧并且以3Mbit/s的速率编码在帧序列中的第三帧。这个可替换的实施方案优点在于它能使编码器140为含较高熵的帧比含较低的熵的帧分配较高编码率(或较低的压缩比)，因此，能使编码器140最大化编码信息的感知质量。
一旦编码器140编码每一个帧，则传送帧到通信模块150用于传输。正如图3所示，通信模块150包含通信驱动器340，该通信驱动器接收来自编码器140的编码多媒体信息，增加适当的头信息到每个帧并且传送格式化数据到物理接口350。然后物理接口350调制格式化数据并且发送数据到天线用于传输。
同样物理层350也测量与无线连接相关联的链接参数，例如接收的信号强度，误码率或接收的确认信号的速率，并且将测量的参数返回通信驱动器340。通信驱动器340然后使用测量的参数确定无线连接的可用传输速率(Tx)。这个过程可以有利地利用由许多网络通信协议例如IEEE802.11a或IEEE802.11b使用的算法，响应于到达一定预定阈值的测量的链接参数，这些算法在可允许的传输速率之间进行动态地转换。如果可用传输速率已经改变，通信驱动器340传递新的传输速率(Tx)到编码器140，以便编码器140能调整Rmax的值。同样通信驱动器340也将传送控制参数到物理层350以调整传输功率水平和相关联的调制方案以执行新的传输速率。
因为编码器140可以使用旧的Rmax预先编码帧，并且将这些帧存储在传输缓存器中，同样配置通信驱动器340抽取缓冲帧以便使抽取的帧符合新的可用传输速率并且使编码器140能够平滑地转换为新的Rmax。例如，许多数据格式标准，如MPEG-1，MPEG-4或MPEG-1，层III，从最高频率到最低频率安排每个帧内的频率系数。通过删除在每个帧末端的高频码字直到帧的所需传输速率(或用于一序列帧的平均所需传输速率)小于可用的传输速率，通信驱动器340能使数字多媒体信息的编码率符合可用传输速率，该可用的传输速率在计算复杂性上含有相对小的增加。这个过程基本上通过过滤出高频成分减少了用于缓冲帧的所需传输速率，这将对最终数据的整体质量有较少的可感知的影响。
一个可替换的实施方案可以配置通信驱动器340，以映射在每个帧内的哈夫曼码字到含粗量化的相应哈夫曼码字。因为在MPEG相关标准中使用的哈夫曼表是众所周知的并且为每个表提供一个预测压缩比，通信驱动器340能有效地选择含期望压缩比的哈夫曼表，并且使用预定的映射关系有效地映射在每个帧内的码字到含选择哈夫曼表的相应码字。另外，如果映射执行之后帧的所需传输速率仍超过可用的传输速率，则通信驱动器340可以删除如上述所讨论的高频码字，直到帧的所需传输速率(或对于一序列帧的平均所需传输速率)小于可用传输速率。这个实施方案的优点在于它保留在每个帧内的一些高频信息，虽然对于其他频率成分，以较低的分辨率为代价。
然而，另一个实施方案使用的事实是：根据MPEG编码视频的感知质量，I帧成分通常被认为不如B帧成分重要。因此，可以配置通信设备驱动器340删除在缓冲帧内的I帧成分直到帧的所需传输速率(或对于一序列帧的平均所需传输速率)小于可用传输速率。
如果数字多媒体信息以第一压缩比已经被压缩(例如，因为信息以压缩形式被存储在内容源上)，另一实施方案仍然配置通信驱动器340使用上述所描述的实施方案的其中一个来抽取在帧序列内的第一组帧，直到用于一序列帧的平均所需传输速率小于可用传输速率。然后使用解码器解码在帧序列内的第二组帧并且使用编码器140重新编码在帧序列内的第二组帧并且如上述描述的升级Rmax。通过提供一个装置以有效地减少所需的数据量，传输该数据量用于帧序列内的初始帧，这个实施方案可以减少计算速率，另外解码和再编码全部的数据流需要这个速率。
参照图4，依照本发明的一个实施方案，在400一般表示了用于数字多媒体信息自适应编码的流程图形式的实例方法。正如所表示的，通过测量链接参数，例如接收的信号强度，误码率或接收的确认信号速率，这些参数与检测下的通信链路相关联，该实例方法在步骤410初始化。在步骤420，通过例如基于测量的参数是否达到预定的阈值选择可允许的传输速率，使用测量的连接参数来确定通信链接的可用传输速率(Tx)。通过可用的传输速率除以与有关通信协议相关联的开销因数α，然后在步骤430确定最大编码率(Rmax)。在步骤440使用调整的Rmax来调整数字多媒体信息的编码以使数字多媒体信息的编码率符合于调整的Rmax。这个调整过程可以利用关于图1-3的实施方案的上述所描述的任何过程。步骤440后，实例方法然后通过可选延时步骤450继续进行返回到步骤410以允许可用的传输速率(Tx)停留为平稳状态。
在参照实施例所描述的本发明时，本发明并不局限于所公开和所表示的实施方案，这对于本领域的技术人员是很显而易见的。相反，本发明想要覆盖许多其他修改，代替和变动和广泛的等同排列，这些都包含在下面权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于数字多媒体信息的自适应性编码的方法，该方法包含：测量与在发送器(160)和接收器(130)之间的通信链路(135)相关联的链接参数；确定基于测量的链接参数的通信链路(135)的可用传输速率；计算基于可用传输速率的数字多媒体信息的最大编码率；和如果数字多媒体信息的编码率超过计算的最大编码率，自适应数字多媒体信息的编码以使数字多媒体信息的编码率符合计算的最大编码率。
2.权利要求1所述的方法，其中测量步骤包含测量接收的信号强度、误码率和接收的确认信号的速率的至少其中一个。
3.权利要求1所述的方法，其中计算的步骤包含可用的传输速率除以预先确定的开销因数。
4.权利要求1所述的方法，其中自适应性的步骤包含压缩数字多媒体信息以便压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。
5.权利要求1所述的方法，其中数字多媒体信息包含一序列帧，和其中自适应步骤包含压缩在帧序列内的选择帧以便用于帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。
6.权利要求5所述的方法，其中在帧序列内的含较低熵的帧比含较高熵的帧以较高压缩比被压缩。
7.权利要求5所述的方法，其中压缩步骤包含删除在选择帧内的较高频率成分。
8.权利要求5所述的方法，其中压缩步骤包含映射在选择帧内的值到含粗量化的相应值。
9.权利要求5所述的方法，其中在帧序列内的帧包含I帧和B帧，和其中压缩步骤包含删除在选择帧内的I帧。
10.权利要求1所述的方法，其中数字多媒体信息包含以第一压缩比压缩的一序列帧，和其中自适应的步骤包含：为在帧序列内的第一组帧删除较高频率成分以便用于第一帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率；解压缩在帧序列内的第二组帧；和以第二压缩比再压缩第二组帧以便再压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。
11.一种用于自适应编码数字多媒体信息的系统，该系统包含：处理器(220)和存储器单元(240)，该存储器单元可操作地与处理器(220)耦合，用于存储指令，当处理器执行所述指令时，所述指令导致处理器操作以致：测量与在发射器(160)和接收器(130)之间的通信链路(135)相关联的链接参数；基于测量的链接参数确定通信链路(135)的可用传输速率；基于可用传输速率计算数字多媒体信息的最大编码率；和如果数字多媒体信息的编码率超过计算的最大编码率，自适应数字多媒体信息的编码，以使数字多媒体信息的编码率符合计算的最大编码率。
12.权利要求11所述的系统，其中测量的链接参数包含接收的信号强度、误码率和接收的确认信号的速率的至少其中一个。
13.权利要求11所述的系统，其中计算的最大编码率包含可用传输速率，该可用传输速率除以预先确定的开销因数。
14.权利要求11所述的系统，其中通过压缩数字多媒体信息执行数字多媒体信息的编码的自适应，以便压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。
15.权利要求11所述的系统，其中数字多媒体信息包含一序列帧，和其中通过压缩在帧序列内的选择帧执行数字多媒体信息的编码的自适应，以便用于帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率。
16.权利要求15所述的系统，其中压缩在帧序列内的含较低熵的帧的压缩比高于压缩含较低熵的帧的压缩比。
17.权利要求15所述的系统，其中通过删除在选择帧内的较高频率成分执行选择帧的压缩。
18.权利要求15所述的系统，其中通过映射在选择帧内的值到含粗量化的相应值执行选择帧的压缩。
19.权利要求15所述的系统，其中在帧序列内的帧包含I帧和B帧，和其中通过删除在选择帧内的I帧执行选择帧的压缩。
20.权利要求11所述的系统，其中数字多媒体信息包含以第一压缩比压缩的一序列帧，和其中数字多媒体信息的编码的自适应通过下述执行：为在帧序列内的第一组帧删除较高频率成分以便用于第一帧序列的平均所需传输速率小于计算的最大编码率；解压在帧序列内的第二组帧；和以第二压缩比再压缩第二组帧，以便再压缩的数字多媒体信息的所需传输速率小于计算的最大编码率。
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