CN1751518A - 图像编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于缓冲多媒体信息的方法,其中定义一个参数来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。本发明还涉及一种系统、一种发送装置、一种接收装置、一种计算机程序产品、一种信号和一种模块。

Description

图像编码方法
技术领域
本发明涉及一种用于缓冲多媒体信息的方法。本发明还涉及一种在解码器中解码已编码图像流的方法,其中的编码图像流被当作包括多媒体数据的传输单元接收。本发明进一步涉及一种系统、一种发送装置、接收装置、一种计算机程序产品、一种信号和一种模块。
背景技术
已经公布的视频编码标准包括ITU-T H.261、ITU-T H.263、ISO/IEC MPEG-1、ISO/IEC MPEG-2和ISO/IEC MPEG-4第二部分。这些标准在此被称为传统的视频编码标准。
视频通信系统
视频通信系统可被划分为对话式和非对话式系统。对话式系统包括视频会议和视频电话。这种系统的例子包括指定分别在ISDN、IP和PSTN网络中运行的视频会议/电话系统的ITU-T建议H.320、H.323和H.324。对话式系统的特征在于目的是最小化端对端延时(从音频-视频获得到远端音频-视频呈现)以便改善用户体验。
非对话式系统包括存储内容的回放,例如数字化多功能盘(DVD)或在回放装置的大容量存储器中存储的视频文件、数字电视和流。下面给出在这些技术领域中最重要的标准的简短回顾。
在当今数字视频消费电子产品中主要的标准是MPEG-2,其包括用于视频压缩、音频压缩、存储和传输的规范。已编码视频的存储和传输是基于基本码流的概念的。基本码流由来自于单个源(例如视频)的编码数据加上需要用于源信息的同步、标识和表征的辅助数据而组成。基本码流被打包为恒定长度或可变长度的包以构成打包的基本流(PES),每个PES包由报头及其后被称为有效负载的流数据组成。来自于各种基本码流的PES包被组合以构成节目流(PS)或传输流(TS)。PS是针对具有可忽略的传输误差的应用的,例如存储和播放(store-and-play)类型的应用。TS是针对容易受传输误差影响的应用的。但是,TS假设网络的流通量被确保是恒定的。
由ITU-T和ISO/IEC组成的联合视频组(JVT)已经发布了一个标准草案,其包括与ITU-T建议H.264和ISO/IEC国际标准14496-10(MPEG-4 Part 10)相同的标准文本。在本文中,该草案标准被称作JVT编码标准,并且根据草案标准的编解码器被称作JVT编解码器。
编解码器规范本身在概念上区别视频编码层(VCL)和网络抽象层(NAL)。VCL包括编解码器的信号处理功能,例如转换、量化、运动搜索/补偿和环路滤波。它遵循当前的视频编解码器中的大多数的一般概念,利用具有运动补偿的图像间预测的基于宏块的编码器以及残留信号的变换编码。VCL的输出是片(slice):包括一个整数数量的宏块的宏块数据的位串和该片报头的信息(包括在片中第一个宏块的空间地址、初始量化参数以及类似信息)。在片中的宏块被安排为扫描顺序,除非利用所谓的弹性宏块排序语法来指定不同的宏块分配。图像内预测仅仅在片中使用。
NAL将VCL输出的片封装成网络抽象层单元(NALU),其适合于通过包网络传输或在面向包的多路复用环境中使用。JVT的附件B定义了一个通过面向字节流的网络传输该NALU的封装过程。
H.263的可选的参考图像选择模式和MPEG-4 Part 2的NEWPRED编码工具能够实现用于每个图块的运动补偿的参考帧的选择,所述每个图块例如在H.263中的每片。此外,H.263的可选增强参考图像选择模式和JVT编码标准能够实现分别用于每个宏块的参考帧的选择。
参考图像选择能够实现多种时间分级(temporal scalability)方案。附图1示出了一个时间分级方案的例子,在此其被称作一个递归的时间分级。该示例的方案可以以三个恒定的帧率进行解码。附图2描述了被称作视频冗余编码的方案,其中的图像序列被以交错的方式划分为两个或更多的独立的编码线程。在这些和所有随后的附图中的箭头表示运动补偿的方向,以及帧下的值相应于帧的获得和显示的相对时间。
传输顺序
在传统的视频编码标准中,除了B图像以外,图像的解码顺序和显示顺序是一样的。在传统的B图像中的一个块可以根据两个参考图像被双向时间预测,在显示顺序上,其中的一个参考图像在时间上是在先的,而另一个参考图像在时间上是在后的。在解码顺序中只有最近的参考图像才能在显示顺序上接着B图像发生(例外:在H.263中的交织编码,其中一个时间上随后的参考帧的两个场图像在解码顺序中都能够在一个B图像之前)。传统的B图像不能够被用作时间预测的参考图像,并且因此传统的B图像可以被处理而不会影响任何其它图像的解码。
JVT编码标准与早期的标准相比包括下面新颖的技术特点;
-图像解码顺序被去耦于显示顺序。图像编号指示解码顺序,而图像顺序计数指示显示顺序。
-用于B图像中的块的参考图像在显示顺序上可以在B图像之前或之后。因此,B图像表示双向预测图像而非双向图像。
-没有被用作参考图像的图像被明确地标记。任何类型的(帧内、帧间、B等等)图像可以是参考图像也可以是非参考图像。(因此,可以使用B图像作为其它图像的时间预测的参考图像。)
-图像可以包括采用不同编码类型编码的片。换句话说,例如一个编码图像可以由一个帧内编码片和一个B编码片构成。
使解码顺序同显示顺序分离从压缩效率和差错弹性(errorresiliency)观点来看是有益的。
附图3示出了一个潜在地改善压缩效率的预测结构的例子。方框表示图像,方框中的大写字母表示编码类型,方框中的数字是根据JVT编码标准的图像编号,以及箭头表示预测相关性。可以注意到图像B17是图像B18的参考图像。与传统的编码相比较压缩效率被潜在地改善了,因为B18的参考图像与传统的采用PBBP或PBBBP编码图像模式的编码相比在时间上更接近。与传统的PBP编码图像模式相比压缩效率被潜在地改善了,因为部分参考图像被双向预测。
附图4示出了一个可以用于改善差错弹性的内部图像延迟方法的例子。传统上,一个内部图像在一个场景剪切之后立即就被编码或者作为例如对一个期满的内部图像刷新周期的响应而被编码。在内部图像延迟方法中,在出现要编码一个内部图像的需要之后并不是立即编码内部图像,而是选择一个在时间上随后的图像作为一个内部图像。在编码的内部图像和内部图像的传统位置之间的每个图像根据下一个时间上随后的图像被预测。如附图4所示,内部图像延迟方法产生两个独立的图像间预测链,而传统的编码算法产生一个单独的图像间的链。很显然,双链方案比单链传统方案具有更强健的消除错误能力。如果一个链发生了包丢失,则另一个链仍然能够被正确地接收。在传统编码中,一个包的丢失通常会导致将错误传播给其余的图像间的预测链。
两种类型的排序和定时信息已经被传统地与数字视频相关联:解码和显示顺序。下面将会对相关技术进行更详细的描述。
解码时间戳(DTS)指示相对于参考时钟编码数据单元应该被解码的时间。如果DTS被编码和传输,则它用于两个目的:第一,如果图像的解码顺序不同于它们的输出顺序,则DTS明确地指示解码顺序。第二,假如在任意时刻接收率都接近传输率,则DTS保证某一解码器之前的缓冲操作。在端对端等待时间变化的网络中,DTS的第二种使用不产生或仅产生一点作用。代替的,假如在解码器之后缓冲器中具有用于未压缩图像的空间,则接收到的数据就被尽快地解码。
DTS的传输取决于使用的通信系统和视频编码标准。在MPEG-2系统中,DTS可以可选地作为PES包的报头中的一项被传输。在JVT编码标准中,DTS可以可选地作为辅助增强信息(SEI)的一部分被传输,并且在可选的假设参考解码器的操作中被使用。在ISO基础媒体文件格式中,DTS专用于其特有的逻辑单元(box)类型,即对于抽样逻辑单元的解码时间。在很多系统中,例如基于RTP的流系统,DTS根本不被传输,因为解码顺序被认为和传输顺序相同,并且精确的解码时间并不会起重要的作用。
H.263可选的附件U和附件W.6.12指定一个在解码顺序中相对于先前图像以1递增的图像编号。在JVT编码标准中,帧编号编码单元被相似地指定给H.263中的图像编号。JVT编码标准指定一个被称为瞬时解码器刷新(IDR)图像的特殊类型的内部图像。没有后续图像可以参考在解码顺序中比IDR图像更早的图像。IDR图像通常作为对场景变化的响应而被编码。在JVT编码标准中,在如附图5a和5b所示的IDR图像丢失的情况下,在IDR图像处帧编号被重置为0,以便改善差错弹性。但是,应该注意到JVT编码标准的场景信息SEI消息也可以被用于检测场景变化。
H.263图像编号可以被用于恢复参考图像的解码顺序。类似地,JVT帧编号可以被用于恢复在解码顺序中的IDR图像(包括在内)和下一个IDR图像(不包括在内)之间的帧的解码顺序。但是,因为辅助的参考场对(被编码为具有不同奇偶性的场的连续图像)共享相同的帧编号,所以不能根据帧编号重建它们的编码顺序。
非参考图像的H.263图像编号或JVT帧编号被规定为等于解码顺序中前一参考图像的图像或帧编号加1。如果若干非参考帧在解码顺序中连续,则它们共享相同的图像或帧编号。非参考图像的图像或帧编号也与解码顺序中下一参考图像的图像或帧编号相同。也可以利用在H.263中的时间参考(TR)编码单元或JVT编码标准中的图像顺序计数(POC)的概念来恢复连续非参考图像的解码顺序。
呈现时间戳(PTS:presentation timestamp)指示相对于参考时钟图像应该被显示的时间。呈现时间戳还被称为显示时间戳、输出时间戳以及合成时间戳。
PTS的传输取决于使用的通信系统和视频编码标准。在MPEG-2系统中,PTS能够可选地作为PES包的报头中的一项被传输。在JVT编码标准中,PTS能够可选地作为辅助增强信息(SEI)的一部分被传输。在ISO基础媒体文件格式中,PTS专用于其特有的逻辑单元类型,即对于抽样逻辑单元的合成时间,其中呈现时间戳相对于相应的解码时间戳被编码。在RTP中,在RTP包报头中的RTP时间戳对应于PTS。
传统的视频编码标准具有时间参考(TR)编码单元,其在多个方面类似于PTS。在一些传统的视频编码标准中,例如在MPEG-2视频中,TR在图像组(GOP)的开始被重置为零。在JVT编码标准中,在视频编码层中没有时间的概念。图像顺序计数(POC)被指定用于每一帧和场,并且其与TR相似地用于例如B片的直接时间预测。POC在IDR图像处被重置为0。
缓冲
流客户典型地具有一个能够存储比较大数量的数据的接收器缓冲器。最初,当建立一个流对话时,客户并没有立即开始播放数据流,而是典型地将输入的数据缓冲几秒钟。这一缓冲有助于维持连续的回放,因为,在偶然增强的传输延时或网络流通量下降的情况下,客户可以解码并播放缓冲的数据。否则,没有最初的缓冲,客户不得不冻结显示,停止解码,并且等待输入数据。该缓冲对于在任何一个协议层的自动或选择性地重发也是必需的。如果图像的任何一部分丢失了,就会采用一个重发机制来重新发送丢失的数据。如果在安排的解码或回放时间之前接收到重发的数据,该丢失就被完全恢复了。
编码图像可以根据其在解码的序列的主观质量中的重要性而被排序。例如,诸如传统的B图像之类的非参考图像被主观地认为最不重要,因为它们的不存在不会影响任何其它图像的解码。主观排序也可以在数据段或片组的基础上进行。主观上认为最重要的编码的片和数据段可以早于它们的解码顺序的指示而被发送,而主观上认为最不重要的编码片和数据段可以晚于它们的自然编码顺序的指示而被发送。因此,任何一个最重要的片和数据段相对于最不重要的片和数据段更可能在它们的安排的解码或回放时间之前被接收。
解码器之前的缓冲
解码器之前的缓冲指的是在解码之前缓冲编码的数据。初始缓冲指的是在一个流对话开始时的解码器之前缓冲。传统上进行初始缓冲是由于下面解释的原因。
在对话式包交换多媒体系统中,例如在基于IP的视频会议系统中,不同种类的媒体通常在单独的包中传输。此外,典型地在不能保证恒定传输延迟的尽力型(best-effort)网络的上面传输包,而是延迟可以在包与包之间变化。因此,具有相同的呈现(回放)时间戳的包可能不在同一时间被接收,并且两个包的接收间隔与它们的呈现间隔可能是不同的(在时间上)。因此,为了维持在不同的媒体类型之间的回放同步和维持正确的回放速率,多媒体终端典型地将接收到的数据缓冲一个短暂的时间(例如小于半秒)来消除延迟变化。在此,这种缓冲器部件被称为延迟抖动缓冲器。缓冲可以在解码媒体数据之前和/或之后进行。
延迟抖动缓冲还被应用于流系统。由于流是非对话式应用,所以需要的延迟抖动缓冲可能比对话式应用要大得多。当流播放器已经建立了与服务器的连接并且请求了要下载的多媒体流时,服务器开始传输所需要的流。该播放器不会立即开始回放该流,而是典型地缓冲输入数据一定的时间,典型的是几秒钟。在此,该缓冲被称作初始缓冲。初始缓冲提供了以与由延迟抖动缓冲在对话式应用中提供的方式类似的方式消除传输延迟变化的能力。此外,它可以实现丢失的协议数据单元(PDU)的链路、传输和/或应用层重发。播放器可以解码和播放缓冲的数据,同时重发的PDU可以被及时接收以在安排的时刻被解码和回放。
在流客户的初始缓冲提供了在对话式系统中无法实现的另一个优点:它允许从服务器传输的媒体的数据率变化。换句话说,只要接收器缓冲器没有上溢或下溢,媒体包就可以在时间上比它们的回放速率快或慢地传输。在数据速率上的波动可以由两个原因引起。
第一,在诸如视频之类的一些媒体类型中可以实现的压缩效率取决于源数据的内容。因此,如果需要一个稳定的质量,则所得的压缩比特流的比特率是变化的。典型地,主观认为一个稳定的音频-视频质量比一个变化的质量更令人满意。因此,初始缓冲与一个不具有初始缓冲的系统比如视频会议系统相比较能够实现一个更令人满意的音频-视频质量。
第二,通常已知在固定的IP网络中的包丢失是突发的。为了避免突发的错误和高峰值比特及包速率,设计周到的流服务器小心地安排数据包的传输。包不会正好以它们在接收端回放的速率被发送,然而服务器可以尝试着实现一个在传输的包之间的稳定的间隔。服务器还可根据主要的网络情况调整包传输率,例如当网络变得拥挤时降低包传输率以及当网络情况允许时增加传输率。
多媒体流的传输
多媒体流系统由一个流服务器和多个通过网络访问服务器的播放器组成。网络典型地是面向包的,并且很少提供或不提供装置来保证服务质量。播放器从服务器中取出预先存储的或实况多媒体内容并且在下载内容的同时实时播放该内容。通信的种类可以是点对点或者是多播的。在点对点流中,服务器为每一个播放器提供一个单独的连接。在多播流中,服务器传送单个数据流给多个播放器,并且只有在需要的时候,网络单元才复制该流。
当播放器已经建立了一个与服务器的连接并且请求了多媒体流时,服务器开始传输所需的流。播放器并没有立即开始回放该流,而是典型地缓冲输入数据几秒钟。在此,该缓冲被称作初始缓冲。初始缓冲有助于维持不间断的回放,因为,在偶然增加传输延迟或网络流通量下降的情况下,播放器可以解码并播放缓冲的数据。
为了避免无限的传输延迟,在流系统中通常不支持可靠的传输协议。代替地,系统更喜欢不可靠的传输协议,例如UDP,其一方面继承了更稳定的传输延迟,但是另一方面也存在着数据毁坏或丢失。
RTP和RTCP协议可以用于UDP的上面来控制实时通信。RTP提供了装置来检测传输包丢失,在接收端重编包的正确顺序,以及将抽样时间戳与每一个包相关联。RTCP传送关于包的多大部分被正确接收的信息,并且因此其能够被用于流控制目的。
在传统的视频编码标准中,解码顺序被与输出顺序结合。换句话说,I和P图像的解码顺序和它们的输出顺序是一样的,而B图像的解码顺序直接遵循在输出顺序中的B图像的随后的参考图像的解码顺序。因此,基于已知的输出顺序来恢复解码顺序是可能的。输出顺序典型地在时间参考(TR)场中的基本视频比特流中以及还在系统多路复用层(例如在RTP报头)中被传送。
一些RTP有效负载规范允许编码数据不以解码顺序传输。无序的数量通常用一个值来表征,所述值在多种相关规范中都有类似的定义。例如,在用于MPEG-4基本码流的传输的RTP有效负载格式的草案中,最大位移参数被如下指定:
访问单元(AU,相应于编码图像)在时间上的最大位移是在模式中AU的时间戳和最早的已不再出现的AU的时间戳之间的最大差别。换句话说,当考虑一个交织的AU序列时,则:
最大位移=max{TS(i)-TS(j)},对于任何i和j>i,
其中的i和j表示AU在交错模式中的下标以及TS表示AU的时间戳
在本发明中已经注意到,在该方法中具有一些问题,并且其给出了过大的缓冲值。
发明内容
接下来是一个方案的例子,其中最大位移的定义不能指定缓冲需求(在缓冲空间和初始缓冲持续时间方面)。序列被拼接为15个AU的片段,并且在该15个AU的片段中解码和输出顺序中的最后的AU被首先传输,而所有其它的AU都被以解码和输出顺序传输。因此,AU的传输序列是:
14  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  1329  15  16  17  18  19...
这一序列的最大位移是AU(14+k*15)(k是所有非负整数值)的14。
但是,该序列需要仅用于一个AU的缓冲空间和初始缓冲。
在用于H.264的RTP有效负载格式的草案(draft-ietf-avt-rtp-h264-01.txt)中,参数num-reorder-VCL-NAL-units被指定如下:该参数可用来表明NAL单元流的特性或者发送器或接收器执行的能力。该参数指定VCL NAL单元的最大数量,该单元在NAL单元解码顺序中的NAL单元流中的任何VCL NAL单元之前,并且跟随着以RTP序列编号顺序或以包含VCL NAL单元的集合包的合成顺序的VCL NAL单元。如果不出现该参数,就意味着num-reorder-VCL-NAL-units等于0。num-reorder-VCL-NAL-units的值必须是在0到32767的范围之内的整数,包含0和32767。
根据H.264标准,VCL NAL单元被指定为具有na1_unit_type等于1到5(1和5也包括在内)的NAL单元。在该标准中定义下面的NAL单元类型1到5:
1非IDR图像的编码片
2编码片的数据段A
3编码片的数据段B
4编码片的数据段C
5IDR图像的编码片
该num-reorder-VCL-NAL-units参数产生一个与上述最大位移参数出现的问题相似的问题。也就是,不可能基于该参数推断出缓冲空间和初始缓冲时间的需求。
本发明能够表明到解码器的接收缓冲器的大小。
在下面,一个独立的GOP由在解码顺序中从一个IDR图像(包括在内)到下一个IDR图像(不包括在内)的图像构成。
在本发明中,比现有技术的系统更精确地定义了一个表明需要的缓冲的最大数量的参数。在下面的描述中,通过利用一个基于编码器-解码器的系统来描述本发明,但是显然本发明也可以在其中存储视频信号的系统中实现。存储的视频信号可以是在编码之前存储的未编码信号、作为在编码之后存储的编码信号,或作为在编码和解码处理之后存储的解码信号。例如,编码器在传输序列中产生位流。文件系统接收被例如以解码顺序封装并被存储为文件的音频和/或视频位流。该文件可以被存储到一个数据库中,流服务器可以从该数据库中读出NAL单元并将它们封装为RTP包。
此外,在下面的描述中通过利用基于编码器-解码器的系统来描述本发明,但是显然本发明也可以在下述系统中实现,在该系统中编码器以第一顺序输出并发送编码数据给另外的部件比如流服务器,在该系统中其它部件将编码数据从第一顺序重新排序为另一顺序,定义所需的用于该另一顺序的缓冲器大小,并且以重新排序的格式将编码数据转发给解码器。
根据本发明的第一方面,提供一种用于缓冲多媒体信息的方法,其中定义一个参数来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第二方面,提供一种用于在解码器中解码被编码的图像流的方法,其中编码的图像流作为包括多媒体数据的传输单元被接收,还进行编码图像的缓冲,其中的缓冲需要作为一个参数被指示给解码过程,该参数指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第三方面,提供一种包括用于编码图像的编码器和用于缓冲编码图像的缓冲器的系统,其中的一个参数被安排来定义指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第四方面,提供一种发送装置,其中的一个参数被安排来定义指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第五方面,提供一种用于接收作为包括多媒体数据的传输单元的编码图像流的接收装置,其中的一个参数被安排来用于指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第六方面,提供一种包括用于缓冲编码图像的机器可执行步骤的计算机程序产品,其中该计算机程序产品进一步包括用于定义一个指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量的参数的机器可执行步骤,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第七方面,提供一种信号,其中该信号包括一个指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
根据本发明的第八方面,提供一种用于接收作为包括多媒体数据的传输单元的编码图像流的模块,其中一个参数被安排用来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
在本发明的一个示例实施例中,包括多媒体数据的传输单元是VCLNAL单元。
本发明改善了编码系统的缓冲效率。通过使用本发明,能够使用一个合适的事实上所需要的缓冲数量。因此就不需要分配比所需的还多的存储器给在编码装置中的编码缓冲器和在解码装置中的解码前缓冲器。同样,可以避免解码前缓冲器的上溢。
附图说明
附图1示出了一个递归的时间分级方案,
附图2描述了一个被称为视频冗余编码的方案,其中一个图像序列以交织的方式被分为两个或更多独立的编码线程,
附图3示出了一个潜在地改善压缩效率的预测结构的例子,
附图4示出了一个可以被用于改善差错弹性的内部图像延迟方法的例子,
附图5描述了一个根据本发明的系统的有利的实施例,
附图6描述了一个根据本发明的编码器的有利的实施例,
附图7描述了一个根据本发明的解码器的有利的实施例,
具体实施方式
下面将参考附图5的系统、附图6的编码器1和附图7的解码器2来更详细地描述本发明。将要编码的图像可以是例如来自诸如摄像机视频记录器等之类的视频源3的视频流的图像。视频流的图像(帧)可以被分为更小的部分比如片。片可以进一步被分为块。在编码器1中,视频流被编码来减少通过传输信道4传输或到一个存储介质(未示出)的信息。视频流的图像被输入到编码器1中。该编码器具有用于暂时存储一些要被编码的图像的编码缓冲器1.1(附图6)。编码器1还包括存储器1.3和其中可以执行根据本发明的编码任务的处理器1.2。存储器1.3和处理器1.2可以被发送装置6共用,或者发送装置6可以具有另一个用于发送装置6的其它功能的处理器和/或存储器(未示出)。编码器1执行运动估计和/或一些其它的任务来压缩视频流。在运动估计中,在要编码的图像(当前图像)和前面的和/或后面的图像之间的相似性被搜索。如果发现了相似性,则所比较的图像或其一部分可以用作要编码图像的参考图像。在JVT中,图像的显示顺序和解码顺序不必相同,其中参考图像必须被存储在缓冲器中(例如在编码缓冲器1.1中),只要其被用作参考图像的话。编码器1还在传输流中插入关于图像的显示顺序的信息。
从编码处理开始,如果需要的话,编码图像被移动到编码图像缓冲器5.2。通过传输信道4将编码图像从编码器1传输到解码器2。在解码器2中,编码图像被解码,以形成尽可能与编码图像一致的未压缩图像。
解码器1还包括存储器2.3和其中可以执行根据本发明的解码任务的处理器2.2。存储器2.3和处理器2.2可以被接收装置8共用,或者接收装置8可以具有另一个用于接收装置8的其它功能的处理器和/或存储器(未示出)。
编码
现在让我们更详细地考虑编码-解码处理。来自于视频源3的图像被输入到编码器1,并且有利地被存储在编码缓冲器1.1中。没有必要在第一个图像被输入到编码器之后就立即开始编码处理,而是在编码缓冲器1.1具有一定数量的可利用图像之后。然后编码器1从图像中试图找到将要被用作参考帧的合适的候选者。编码器1然后进行编码以形成编码图像。编码图像可以是例如预测图像(P)、双向预测图像(B)和/或帧内编码图像(I)。可以不使用任何其它图像来解码帧内编码图像,但是其它类型的图像在它们被解码之前至少需要一个参考图像。上面提及的图像类型中的任何一种图像都可以用作参考图像。
编码器有利地给图像附加上两个时间戳:解码时间戳(DTS)和输出时间戳(OTS)。解码器可以使用时间戳来确定正确的解码时间和输出(显示)图像的时间。但是,这些时间戳并非一定要传输给解码器或者它并不使用它们。
可以以不同种类的包来传输NAL单元。在这一有利的实施例中,不同的包格式包括简单包和集合包。集合包进一步被分为单一时间集合包和多时间集合包。
RTP包的有效负载格式被定义为依赖于需求的很多不同的有效负载结构。但是,接收到的RTP包包含的结构明显的是来自于有效负载的第一字节。该字节通常被构造为一个NAL单元报头。NAL单元类型字段指示存在哪个结构。可能的结构是:单一NAL单元包、集合包和分段包。单一NAL单元包在有效负载中仅包含一个单一NAL单元。NAL报头类型字段将等于原始NAL单元类型,即在1到23的范围内(含1和23)。集合包类型用于集合多个NAL单元成为一个单一RTP有效负载。该包存在四个版本:单一时间集合包类型A(STAP-A)、单一时间集合包类型B(STAP-B)、具有16比特偏移(MTAP16)的多时间集合包(MTAP:Multi-Time Aggregation Packet)、具有24比特偏移(MTAP24)的多时间集合包(MTAP)。被指定用于STAP-A、STAP-B、MTAP16、MTAP24的NAL单元类型的编号分别是24、25、26和27。分段单元被用于在多个RTP包上分段一个单一NAL单元。它存在两个由NAL单元类型编号28和29所标识的版本。
有三种被定义用于RTP包传输的打包模式的情况:
-单一NAL单元模式,
-非交织模式,和
-交织模式。
单一NAL单元模式被用于遵守ITU-T建议H.241的对话式系统。非交织模式被用于不遵守ITU-T建议H.241的对话式系统。在非交织模式中,NAL单元以NAL单元解码顺序传输。交织模式被作为用于不需要很低的端对端等待时间的系统。交织模式允许NAL单元以NAL单元解码顺序以外的顺序传输。
使用的打包模式可以通过可选的打包模式MIME参数的值或通过外部装置来标识。所使用的打包模式控制着在RTP有效负载中允许的NAL单元类型。
在交织打包模式中,允许NAL单元的传输顺序与NAL单元的解码顺序不同。解码顺序编号(DON)是在有效负载结构中的一个字段或一个指示NAL解码顺序的导出的变量。
传输和解码顺序的结合被如下的可选择的交织深度MIME参数所控制。当可选择的交织深度MIME参数的值等于0并且外部装置不允许以它们的解码顺序之外的顺序传输NAL单元时,NAL单元传输顺序与NAL单元解码顺序一致。当可选择的交织深度MIME参数的值大于0或外部装置允许以它们的解码顺序之外的顺序传输NAL单元时,
-在多时间集合包16(MTAP16)和多时间集合包24(MTAP24)中的NAL单元顺序不必是NAL单元解码顺序,和
-通过去封装单一时间集合包B(STAP-B)、MATP和在两个连续包中的分段单元(FU)所组成的NAL单元的顺序不必是NAL单元解码顺序。
用于一个单一NAL单元包、一个STAP-A和一个FU-A的RTP有效负载结构不包括DON。STAP-B和FU-B结构包括DON,并且MTAP的结构能够导出DON。
如果发送器想要每包封装一个NAL单元并且以它们的解码顺序之外的顺序传输包,则可以使用STAP-B包类型。
在单一NAL单元打包模式中,NAL单元的传输顺序与它们的NAL单元解码顺序相同。在非交织打包模式中,在单一NAL单元包和STAP-A和FU-A中的NAL单元的传输顺序与它们的NAL单元解码顺序相同。在一个STAP中的NAL单元以NAL单元解码顺序呈现。
由于H.264允许解码顺序与显示顺序不同,所以RTP时间戳的值可能不会随着RTP序列编号的变化单调地不减少(non-decreasing)。
在传输顺序中的第一NAL单元的DON值可以被设置为任何值。DON的值在0到65535的范围之内(含0和65535)。在达到最大值之后,DON的值回转为0。
根据这一规范的视频序列可以是能够独立于NALU流的其它部分被解码的NALU流的任何部分。
下面是一个强健的包安排的例子。
在下面例子的图中,时间从左向右推移,I表示IDR图像,R表示参考图像,N表示非参考图像,并且数字指示一个与在解码顺序中的前一IDR图像成比例的相关输出时间。在图像序列下面的值指示缩放的系统时钟时间戳,并且在该例子中它们被任意初始化。与前一处理步骤相比,每个I、R和N图像被映射到相同的时间线,如果有的话,假设编码、传输以及解码不占用时间。
下面以输出顺序描述在多个视频序列中的图像子集。
...N58 N59 I00 N01 N02 R03 N04 N05 R06...N58 N59 I00 N01 N02...
...--|---|---|---|---|---|---|---|---|... |   |   |   |   | ...
...58  59  60  61  62  63  64  65  66 ...128 129 130 131 132...
这些图像的编码(和解码)顺序是如下从左到右:
...N58 N59 I00 R03 N01 N02 R06 N04 N05...
...-|---|---|---|---|---|---|---|---|-...
...60  61  62  63  64  65  66  67  68...
图像的解码顺序编号(DON)等于在解码顺序中前一图像的DON的值加上一。
为了简单,我们假设:
-序列的帧率是恒定的,
-每个图像只由一个片构成,
-每个片被封装在一个单一NAL单元包中,
-以解码顺序传输图像,和
-以恒定的间隔传输图像(也就是等于1/帧率)。
因此,图像是以解码顺序接收的:
...N58 N59 I00 R03 N01 N02 R06 N04 N05...
...-|---|---|---|---|---|---|---|---|-...
...60  61  62  63  64  65  66  67  68 ...
num-reorder-VCL-NAL-units参数被设置为0,因为不需要缓冲来从传输(或接收顺序)中恢复出正确的解码顺序。
解码器必需最初在它的解码图像缓冲器中缓冲一个图像间隔,以便从解码顺序到如下所示的输出顺序来组织图像:
.. N58  N59  I00  N01  N02  R03  N04  N05  R06  ...
...-|——|——|——|——|——|——|——|————...
... 61   62   63   64   65   66   67   68   69  ...
在解码的图像缓冲器中所需的初始缓冲的数量可以以缓冲周期SEI消息或以H.264视频可利用信息的num_reorder_frames语法元素的值来表示。num_reorder_frames指示在解码顺序中的序列中的帧、补充字段对或非成对字段的最大数量,并且以输出顺序跟随它。
为了简单,假设num_reorder_frames被用于指示在解码的图像缓冲器中的初始缓冲。在该例子中,num_reorder_frames等于1。
可以注意到,如果在传输期间丢失了IDR图像100,并且在系统时钟的值为62时发出一个重发请求,则有一个用于接收重发的IDR图像100的图像时间间隔(直到系统时钟到达时间戳63)。
于是让我们假设IDR图像比它们的解码位置早两个帧间隔地传输,即以下面的顺序传输图像:
...I00 N58 N59 R03 N01 N02 R06 N04 N05...
..--|---|---|---|---|---|---|---|---|-...
...62  63  64  65  66  67  68  69  70 ...
根据现有技术(如在draft-itef-avt-rtp-h264-01.txt所公开的)指定变量id1,即它指定VCL NAL单元的最大数量,这些单元在NAL单元解码顺序中先于NAL单元流中的任何VCL NAL单元,并且在RTP序列编号顺序中或在包含VCL NAL单元的集合包的合成顺序中落后于VCL NAL单元。根据本发明指定变量id2,即它指定VCL NAL单元的最大数量,这些单元在传输顺序中先于NAL单元流中的任何VCLNAL单元,并且在解码顺序中落后于VCL NAL单元。
在例子中,id1的值等于2,而id2的值等于1。如已在第二部分中示出的,id1的值与用于从接收顺序到解码顺序重新排列包的初始缓冲所需要的时间或缓冲空间不成比例。在该例子中,需要一个等于一个图像间隔的初始缓冲时间来恢复如下所示的解码顺序(附图示出了接收器缓冲处理的输出)。该例子还证明可以根据本发明推断出初始缓冲时间和缓冲空间的值。
...N58 N59 I00 R03 N01 N02 R06 N04 N05...
...-|---|---|---|---|---|---|---|---|-...
...63  64  65  66  67  68  69  70  71 ...
此外,需要一个图像间隔的初始缓冲延迟来从解码顺序组织为如下所述的输出顺序:
...N58 N59 I00 N01 N02 R03 N04 N05 R06...
...-|---|---|---|---|---|---|---|---|-...
...64  65  66  67  68  69  70  71  72 ...
可以注意到,在传输期间IDR图像能够承受的最大延迟,包括可能的应用、传输或链路层的重发,等于num_reorder_frames+id2。因此,在支持重发的系统中改进了IDR图像的丢失弹性。
接收器能够基于与每个图像关联的DON值来以解码顺序组织图像。
传输
在第一个编码图像已经就绪之后可以立即开始传输和/或存储编码图像(和可选的虚拟解码)。这一图像不必是在解码器输出顺序中的第一个图像,因为解码顺序和输出顺序可能不相同。
当视频流的第一个图像被编码时,可以开始传输。编码的图像可选地被存储到编码图像缓冲器1.2中。后来也可以开始传输,例如在视频流的某一部分被编码之后。
解码器2也应该以正确的顺序输出解码图像,例如通过利用图像顺序计数的排序。
解包
解包过程是与执行相关的。因此,下面描述的是一个合适的非限制性的执行的例子。也可以使用其它的方案。关于上述算法的优化也是可行的。
在这些解包规则背后的一般概念是将NAL单元从传输顺序重新排序到NAL单元传送顺序。
解码
接着将描述接收器8的操作。接收器8收集属于一个图像的所有包,从而使它们有一个合理的顺序。顺序的严格性取决于所采用的简档(profile)。接收到的包被存储在接收缓冲器9.1(解码前缓冲器)中。接收器8丢弃任何不可用的东西,并且将剩余的传送到解码器2。通过转存它们的有效负载到携带NALU的单独的RTP包来处理集合包。这些NALU就像在单独的RTP包中以它们在集合包中安排的顺序被接收的一样被处理。
以下,令N为可选的num-reorder-VCL-NAL-units参数(交织深度参数),其指定VCL NAL单元的最大数量,这些单元在NAL单元传输顺序中先于包流中的任何VCL NAL单元,并在解码顺序中落后于VCLNAL单元。如果不出现该参数,可能意味着0值编号。
当初始化一个视频流传送对话时,接收器8给接收缓冲器9.1分配用于存储至少N个VCL NAL单元片断的存储器。随后接收器开始接收视频流并且将接收到的VCL NAL单元存储到接收缓冲器中。初始缓冲持续到:
-直到至少N个VCL NAL单元片断被存储到接收缓冲器9.1中,或
-如果出现max-don-diff  MIME参数,则直到函数don_diff(m,n)的值大于max-don-diff的值,其中n等于在接收的NAL单元中具有AbsDON的最大值的NAL单元,并且m等于在接收的NAL单元中具有AbsDON的最小值的NAL单元,或
-直到初始缓冲持续等于或大于可选的init-buf-time MIME参数的值的持续时间。
指定函数don_diff(m,n)如下:
如果DON(m)==DON(n),则don_diff(m,n)=0
如果(DON(m)<DON(n)并且DON(n)-DON(m)<32768),
则don_diff(m,n)=DON(n)-DON(m)
如果(DON(m)>DON(n)并且DON(m)-DON(n)>=32768),
则don_diff(m,n)=65536-DON(m)+DON(n)
如果(DON(m)<DON(n)并且DON(n)-DON(m)>=32768),
则don_diff(m,n)=-(DON(m)+65536-DON(n))
如果(DON(m)>DON(n)并且DON(m)-DON(n)<32768),
则don_diff(m,n)=-(DON(m)-DON(n))
其中DON(i)是在传输顺序中具有下标i的NAL单元的解码顺序编号。
don_diff(m,n)的正值指示具有传输顺序下标n的NAL单元在解码顺序中跟随着具有传输顺序下标m的NAL单元。
AbsDON表示在65535之后不会回转到0的NAL单元的这种解码顺序编号。换句话说,如下计算AbsDON:
令m和n是在传输顺序上连续的NAL单元。对于在传输顺序中真正的第一个NAL单元(其下标是0),AbsDON(0)=DON(0)。对于其它的NAL单元,如下计算AbsDON:
如果DON(m)==DON(n),则AbsDON(n)=AbsDON(m)
如果(DON(m)<DON(n)并且DON(n)-DON(m)<32768),
则AbsDON(n)=AbsDON(m)+DON(n)-DON(m)
如果(DON(m)>DON(n)并且DON(m)-DON(n)>=32768),
则AbsDON(n)=AbsDON(m)+65536-DON(m)+DON(n)
如果(DON(m)<DON(n)并且DON(n)-DON(m)>=32768),
则AbsDON(n)=AbsDON(m)-(DON(m)+65536-DON(n))
如果(DON(m)>DON(n)并且DON(m)-DON(n)<32768),
则AbsDON(n)=AbsDON(m)-(DON(m)-DON(n))
其中DON(i)是在传输顺序中具有下标i的NAL单元的解码顺序编号。
当接收缓冲器9.1包括至少N个VCL NAL单元时,NAL单元被从接收器缓冲器9.1中一个接一个地移出并且传输到解码器2。NAL单元不必以与它们存储的顺序相同的顺序从接收器缓冲器9.1中移出,而是根据如下所述的NAL单元的DON。向解码器2传送包一直持续到缓冲器包含少于N个VCL NAL单元,即N-1个VCL NAL单元。
如下确定将要从接收器缓冲器中移出的NAL单元:
-如果接收器缓冲器至少包括N个VCL NAL单元,则NAL VCL单元被从接收器缓冲器中移出并以下面指定的顺序被传输到解码器,直到缓冲器包括N-1个VCL NAL单元。
-如果出现max-don-diff,则所有其don_diff(m,n)比max-don-diff大的NAL单元被从接收器缓冲器中移出,并以下面指定的顺序被传输到解码器。在此,n等于在接收到的NAL单元中具有AbsDON的最大值的NAL单元。
-当接收到NAL单元流的第一个包时,变量ts被设置为初始化为0的系统计时器的值。如果接收器缓冲器包含一个其接收时间tr满足ts-tr>ini-buf-time的NAL单元,则NAL单元就以下面指定的顺序被传输到解码器(并且从接收器缓冲器中被移出),直到接收器缓冲器不包含其接收时间tr满足指定条件的NAL单元。
如下指定NAL单元被传输给解码器的顺序。
令PDON是一个在一个RTP对话开始时被初始化为0的变量。对于每一个与DON值相关的NAL单元,将计算DON距离如下。如果NAL单元的DON的值大于PDON的值,则DON距离就等于DON-PDON。否则,DON距离就等于65535-PDON+DON+1。
以DON距离的升序顺序将NAL单元传输给解码器。如果若干NAL单元共享相同的DON距离的值,则可以以任何顺序将它们传送到解码器。当所需数量的NAL单元已经被传送给解码器时,PDON的值被设定为传输给解码器的最后一个NAL单元的DON的值。
DPB 2.1包含用于存储多个图像的存储器位置。这些位置在描述中也被称为帧存储器。解码器2以正确的顺序解码接收到的图像。
本发明可以应用于多种系统和装置中。有利的是,包括编码器1的发送装置6还包括给传输信道4传输编码图像的发送器7。接收装置8包括接收编码图像的接收器9、解码器2和在其上可显示解码的图像的显示器10。传输信道可以是例如陆上通信线通信信道和/或无线通信信道。发送装置和接收装置还包括一个或多个能够运行用于根据本发明控制视频流的编码/解码处理的必需步骤的处理器1.2、2.2。因此,根据本发明的方法主要实现为处理器的机器可执行步骤。图像的缓冲可以在装置的存储器1.3、2.3中执行。编码器的程序代码1.4可以被存储在存储器1.3中。解码器的程序代码2.4可以被相应地存储到存储器2.3中。

Claims (15)

1、一种用于缓冲多媒体信息的方法,其中定义一个参数来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
2、根据权利要求1的方法,其中所述的多媒体数据包括编码图像的片。
3、根据权利要求1的方法,其中所述的包括多媒体数据的传输单元是VCL NAL单元。
4、一种用于在解码器中解码已编码的图像流的方法,其中编码图像流作为包括多媒体数据的传输单元被接收,进行传输单元的缓冲,其中缓冲需要作为一个参数被指示给解码处理,该参数指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
5、一种包括用于编码图像的编码器的系统,其中一个参数被设置定义来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
6、根据权利要求5的系统,其中它包括用于解码已编码图像的解码器和用于缓冲解码的图像的存储器,其中所述的参数被设定来用于确定在存储器中预留的用于缓冲解码图像的存储器位置的所需数量。
7、根据权利要求5的系统,其中所述的多媒体数据包括编码图像的片。
8、根据权利要求5的方法,其中所述的包括多媒体数据的传输单元是VCL NAL单元。
9、一种发送装置,其中一个参数被设置定义来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
10、一种用于接收作为包括片数据的传输单元的编码图像流的接收装置,其中一个参数被设置用于指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
11、根据权利要求10的接收装置,其中它包括存储器以及用于检查所述的参数和用于根据所述的参数从所述存储器中预留用于缓冲的存储器位置的定义器。
12、根据权利要求11的接收装置,其中它包括用于解码来自于接收的编码图像流中的图像的解码器以及用于使用用于缓冲编码图像的预留存储器位置的装置。
13、一种包括用于缓冲编码图像的机器可执行步骤的计算机程序产品,其中计算机程序产品进一步包括用于定义一个参数来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量的机器可执行步骤,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
14、一种信号,其中它包括一个参数来指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述传输单元在传输单元传输顺序中先于在包流中包括多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
15、一种用于接收作为包括多媒体数据的传输单元的编码图像流的模块,其中一个参数被设置用于指示包括多媒体数据的传输单元的最大数量,所述单元在传输单元传输顺序中先于在所述包流中包含多媒体数据的任何传输单元,并且在解码顺序中跟随在包括多媒体数据的传输单元之后。
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