CN1795681A - 用于视频压缩的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及处理压缩标准H.264/AVC或其它类似标准的扩展版本中的各种图像分辨率。本发明提供该标准的扩展，以包括类似于上述4∶2∶2和4∶4∶4的格式。该方法基于已在H.264/AVC中处理色度的方式。

Description

用于视频压缩的方法和设备
技术领域
本发明涉及处理压缩标准H.264/AVC或其它类似标准的扩充版本中的各种图像分辨率。
背景技术
在类似于例如电视会议、网络会议、TV广播和视频电话的若干应用中采用活动图像的实时传输。
然而，表示活动图像需要大量信息，因为数字视频通常通过利用8个比特(1字节)或更多比特表示图像中的每个像素来描述。这样的未压缩视频数据导致大的比特量(bit volume)，并且由于有限带宽而不能经由传统通信网络和传输线路实时进行传输。
因此，实现实时视频传输要求大范围的数据压缩。然而，数据压缩可能与图像质量相权衡。因此，人们已经作出巨大努力来开发允许经由带宽受限的数据连接实时传输高质量视频的压缩技术。
在视频压缩系统中，主要目标是利用尽可能小的容量来表示视频信息。容量利用比特来定义为常数值或者比特/时间单位。在这两种情况中，主要目标是降低比特的数量。
在MPEG*和H.26*标准中描述了最普通的视频编码方法。视频数据在传输之前经历4个主要处理，即预测、变换、量化和熵编码。
预测处理显著地降低待传送的视频序列中每个图像所需的比特量。该处理利用序列的部分与序列的其它部分的相类似性。由于预测器部分对于编码器和解码器二者是已知的，因此仅仅需要传递差异。这个差异通常需要非常小的容量用于其表示。预测主要基于代表运动的矢量。通常对正方形块大小(例如，16×16像素)执行预测处理。
请注意，在某些情况下，类似于在H.264/AVC中，使用基于同一图像中的相邻像素的像素预测，而不使用基于在前图像像素的像素预测。这被称为内预测(intra prediction)，与其对照的是互预测(inter prediction)。如图4中黑体标注的像素就是这样的邻近像素。在H.264/AVC中，存在许多不同的模式用于亮度块和色度块的这种预测。预测模式之一称作DC预测。它预测一个块中的所有像素具有相同值。当我们考虑用于剩余(residual)编码的特定变换的特征时，这意味着，与不预测的块数据的变换相比，仅仅改变剩余块数据的DC系数。所有AC系数未改变。由于这个原因，该预测模式被命名为DC预测。
表示为数据块(例如，4×4像素)的剩余部分仍然包含内部相关性。利用此的公知方法是执行二维块变换。在H.263中，8×8离散余弦变换(DCT)被使用，而H.264使用4×4整数类型变换。这将4×4像素变换成4×4变换系数，并且通常可以利用比像素表示更少的比特来表示它们。具有内部相关性的像素4×4阵列的变换将有可能导致变换系数的4×4块，具有比原始4×4像素块少得多的非零值。
宏块是包括用于亮度(luma)以及用于色度(chroma)的若干子块的图像的一部分。
一般存在两个色度分量(Cr，Cb)，与亮度相比，其在水平和垂直方向具有一半的分辨率。这例如与RGB(红、绿、蓝)相对照，RGB通常是摄像机传感器和监视显示器中使用的表示。在图1中，宏块由16×16亮度像素和每个具有8×8像素的两个色度分量组成。每个分量被进一步分解为由小正方形表示的4×4块。为了编码目的，亮度和色度4×4块被一起组合成8×8子块并被表示为Y0-Y3和Cr、Cb。这个格式的色度部分在某些上下文中被表示为4:2:0，并且被显示在图2的左边。缩写不是非常显然的。这意味着，色度在水平和垂直方向具有亮度分辨率的一半。对于传统的视频格式CIF，这意味着，亮度帧具有352×288像素，而每个色度分量具有176×144像素。
在表示为4:2:2并显示在图2的中间部分的可替代格式中，色度在水平方向上具有亮度分辨率的一半和在垂直方向上具有与亮度相同的分辨率。这个格式通常用于高质量隔行扫描TV信号，其中隔行扫描结构对于垂直地半色度分辨率的使用引起某些挑战。
在表示为4:4:4并显示在图2右边的另一个替代格式中，亮度和色度信号在水平和垂直方向上具有相同的分辨率。一个典型的应用领域是其中以某种方式使用彩色的图像材料，以致于期望具有与亮度相同的分辨率用于色度。
根据专利文献，具有披露视频编码/解码以及压缩方法的示例。特别地，应当提到美国专利US 6256347 B1(Yu等人)，其公开了一种图像处理器，该图像处理器以4:2:2或4:2:0格式以包含亮度和色度数据的像素块的形式接收来自解压缩的MPEG编码数字视频信号的预测差错值，并且将这些像素块重新压缩到预定分辨率。在重新压缩期间，利用不同的压缩律来处理亮度和色度数据。亮度数据被再压缩到每像素6比特的平均值，而色度信号被重新压缩到每像素4比特的平均值。因而，该专利公开了用于在4:2:2和4:2:0格式上数据的比特压缩的方法，并因而不是应用多种格式的通用方法。
此外，还应当提到，US 2003/0043921 A1(Dufour等人)公开了一种应用于输入信号IS的视频编码的方法，该输入信号IS包括利用亮度矩阵和两个色度矩阵表示的帧序列。
如上所述，大多数视频编码标准主要是为4:2:0设计的。MPEG2专业profile利用特定的色度块安排覆盖4:2:2。这对于H.263也是这样的。通常，这意味着每种格式需要特定的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种统一方案来编码/解码类似于4:2:0、4:2:2和4:4:4的不同视频格式。
特别地，本发明提供一种视频编码的方法，用于利用第一整数变换函数(integer-transform function)来变换活动图像的剩余色度像素值的第一m×n宏块，生成整数变换系数的相应第二m×n宏块，然后利用第二整数变换函数进一步变换整数变换系数的DC值，生成整数变换的DC系数的第三块，其中该方法还包括以下步骤：通过把kxk整数变换函数用于第一m×n宏块的每个k×k子块上，生成整数变换系数的第二m×n宏块，其中n和m是k的倍数，并且然后通过把第二i×j整数变换函数用于DC值，生成系数的第三块，得到整数变换的DC系数的(m/k)×(n/k)第三块。
本发明还提供了一种视频解码的方法，这是视频编码方法的相反版本。
附图说明
为了使本发明能够更容易地理解，随后的讨论将参考附图。
图1显示了具有16×16亮度像素和两个色度分量的4:2:0格式的宏块如何被划分成4×4块，其中色度分量具有8×8像素，其中这些4×4块又被安排在四个4×4块的子组中。图1还显示了如何从4个色度块之每一个中提取DC系数，以形成构成2×2块的分离的色度dc元素；
图2显示了在不同图像格式的宏块中色度像素的一个分量；
图3显示了用于不同格式的DC值的第二级变换；
图4显示了8×16块的DC预测的基础。
具体实施方式
本发明提供H.264/AVC视频编码标准的扩展，以包括类似于上述4:2:2和4:4:4的格式。该方法基于已经在H.264/AVC中处理色度的方式。宏块包括具有16×16亮度像素和每个具有8×8像素的两个色度分量的图像的一部分。这在图2中被图示标注为4:2:0。
本说明书主要涉及编码处理。然而，这具有必须如何执行解码的暗示。这意味着，例如，如果在编码器上在两级上执行变换，则解码器必须在两级上执行逆变换。通常，单词“编码”经常被用作包括编码和解码的整个处理的简短表达。本发明覆盖被定义为包含编码和解码的整个编码处理过程。
本发明的第一方面涉及描述剩余信号的编码。在H.264/AVC中，利用两级变换来描述色度剩余信号。图2中的4:2:0框显示：8×8像素色度块被分成4×4像素子块。4×4子块之每一个中的剩余信号经历4×4变换，得到一个DC系数和15个AC系数。DC系数表示4×4块上的平均值。
根据本发明的第一方面，色度剩余信号的第一变换的4×4块大小被保持。这种子块的数量对于不同的图像格式则将是不同的。在一般表示中，k×k变换被用在m×n(水平方向中的m，垂直方向中的n)色度像素的宏块上。
4×4块之每一个的DC系数的进一步变换经历如图3所示的2×2变换。在一般情况下，对于DC系数，使用i×j变换。i×j将具有这样的值，使得i×k＝宏块中色度像素的水平数目，以及j×k＝宏块中色度像素的垂直数目。变换类型最好选择为二维Hadamard(哈达玛)变换。
本发明还涉及编码的内预测部分。在本发明的优选实施例中，提供了用于4:2:2格式的DC预测。DC预测对于整个块预测一个值。在这一种情况下，我们要从相邻的已编码和解码的像素中预测用于8×16块中所有像素的一个值。这表示在图4中，其中应从黑体的24个相邻像素中预测8×16。
自然预测将利用所有24个黑体像素的平均值：
预测＝Sum(24个邻近像素)/24
然而，希望避免24的除法。
因此，我们使用以下定义：
预测＝(2×Sum(上方的8个像素)+Sum(左边的16个像素))/32
以这样的方式，可以容易地利用移位运算来实施除32的除法。
为了在一般情况下利用移位运算，必须对尺寸为2q×2r(其中，q和r是整数)的矩形块执行DC预测。q＞r，以及q被定义为代表此块的第一维(dimension)，而r被定义为表示此块的第二维。第一维可以代表垂直尺寸，而第二维可以代表块的水平尺寸，或反之亦然。此块的DC预测被形成为：
预测＝(Sum(第一维的相邻像素)+2(q-r)×(Sum(第二维的相邻像素))/22q。
从上述讨论中得出m＝2q和n＝2r。
利用本发明，在宏块的色度像素被分成如图2的4:2:2和4:4:4中所示的4×4子块以及每个子块经历4×4变换的意义上，使第一级变换保持不变。DC系数的第二级变换对于图3所示的两个较高格式将具有的尺寸为2×4和4×4。因此，编码不同格式之间的主要差异是第二阶(级)剩余色度变换。
请注意，本发明的范围并不限于H.264/AVC。还可以结合其它的视频编码标准类似于SIP有利地利用本发明。

Claims (16)

1、一种视频编码的方法，用于利用第一整数变换函数来变换活动图像的剩余色度像素值的第一mxn宏块，生成整数变换系数的相应第二mxn宏块，然后利用第二整数变换函数进一步变换整数变换系数的DC值，生成整数变换DC系数的第三块，其特征在于：
通过把kxk整数变换函数用于第一mxn宏块的每个kxk子块，生成整数变换系数的第二mxn宏块，其中n和m是k的倍数；
通过把第二ixj整数变换函数用于DC值，生成系数的第三块，得到整数变换的DC系数的(m/k)x(n/k)第三块。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝8和n＝8。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝16和n＝8。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝16和n＝16。
5、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，i＝m/k，以及j＝n/k。
6、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据H.264标准，实施视频编码。
7、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，整数变换函数是Hadamard变换。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据以下表达式，利用m个位于上部的相邻像素(alnp)和n个位于左边的相邻像素(llnp)，预测与第一mxn宏块相关联的一个DC值：
(2x(m个alnp之和)+(n个llnp之和)/2x(m+n)。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，m＝8和n＝16，并且通过移位运算来执行表达式中的除法。
10、一种视频解码的方法，用于利用第一逆整数变换函数来变换整数变换的DC系数的第一块，生成整数变换系数的第一mxn宏块的多个DC值，又利用第二逆整数变换函数进行变换，生成活动图像的剩余色度像素值的第二mxn宏块，其特征在于：
通过把第一ixj逆整数变换函数用于整数变换的DC系数的第一块，生成整数变换系数的第一mxn宏块的多个DC值；
通过把kxk逆整数变换函数用于整数变换系数的第一mxn宏块的每个kxk子块，生成剩余色度像素值的第二mxn宏块，其中n和m是k的倍数，以及整数变换的DC系数的第一块具有尺寸(m/k)x(n/k)。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝8和n＝8。
12、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝16和n＝8。
13、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，k＝4，m＝16和n＝16。
14、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，i＝m/k，以及j＝n/k。
15、根据权利要求10-14之一所述的方法，其特征在于，根据H.264标准，实施视频编码。
16、根据权利要求10-15之一所述的方法，其特征在于，整数变换函数是Hadamard变换。
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