CN1889687A - 一种无预测循环的抗误码视频编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视频编码领域，其特征在于：基于H.264/MPEG－4 AVC标准编码的含有以下步骤：对第一帧图像作帧内编码；对当前帧图像和已编码的第一帧图像作运动估计，得到运动矢量；对该矢量用变长编码器作熵编码，得到运动矢量比特流；对当前帧图像用步长量化后，用LDPC编码器作信道编码，得到校验比特流；对量化结果作反量化，并用当前帧图像与反量化结果求差，得到残差图像；该图像经过整数变换及量化后得到变换量化系数，该系数用变长编码器编码后得到残差比特流，该比特流与运动矢量共同构成码流，然后再与校验比特流共同生成输出码流。本发明避免了编解码端预测不匹配，又具有误差恢复特性强、编码效率高的优点。

Description

一种无预测循环的抗误码视频编码方法

技术领域

本发明属于计算机多媒体技术领域，特别涉及视频编码设计技术。

背景技术

随着Internet和无线通信技术的飞速发展，人们在网络上实时获取多媒体数据，特别是信息丰富的视频数据已经成为了可能。然而由于网络的异构性、信道带宽的波动和信道的误码等因素的存在，使得原来面向存储的压缩算法很难满足实时视频通信的要求。所以，在当前的网络时代，视频通信应用对视频编码的要求是：生成的码流应具有抗信道误码和信道波动的能力，应具有较强的误码回复能力。

最新的国际视频编码标准H.264/MPEG-4AVC与先前的标准(如H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等)相比，在编码效率上已有显著的提高，它仍然采用传统的预测循环混合视频编码方法，通过预测循环来充分利用视频序列的时域相关性达到高效压缩的目的。但是，预测循环的存在使得生成的码流在传输过程中很容易受到信道误码或波动的影响，产生预测不匹配和误差的传播积累问题。预测不匹配是指在解码端重建的预测参考帧与编码端使用的预测参考帧不同，所引起的当前帧的解码错误。错误会沿着时域传播，引起所有后续预测帧的解码错误。

作为MPEG-4视频编码标准的一部分，精细可伸缩性(fine granularityscalability，FGS)是一种广为人知的可伸缩视频编码方案。它以传统基于块的混合编码框架为基础，将运动补偿后的残差在连续的比特平面上编码，从而产生可伸缩性码流。但其最大的一个问题就是其编码效率太低，因此它在实际应用中很难与非可伸缩编码器竞争。目前视频编码领域急需从理论和技术上突破性地解决视频传输中的抗误码问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种无预测循环的抗误码视频编码方法。本发明的特征在于：该方法含有编码和解码两个部分，其中编码部分在FPGA实现时依次含有以下步骤：

步骤(a)：对第一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4 AVC帧内编码方式编码；

步骤(b)：对后续帧按以下方式编码

步骤(b1)：用一个运动估计器对对待编码的当前帧图像F_k和已编码的前一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4 AVC国际视频编码标准中采用的运动估计算法进行运动估计，得到相应的运动矢量；

步骤(b2)：对步骤(b1)中得到的运动矢量用变长编码器按H.264/MPEG-4AVC中的熵编码器进行熵编码，得到运动矢量比特流(B₁)；

步骤(c)：用一个量化器对所述待编码的当前帧图像F_k按步骤(b1)中所述的H.264/MPEG-4 AVC中采用的量化方法进行量化，量化步长为Q₁(取值范围为4～128)，量化后的结果采用低密度奇偶校验编码器进行信道编码，并输出校验比特流(B2)；

步骤(d)：对量化器Q₁的输出用一个反量化器Q₁ ^-1进行反量化，并用待编码的当前帧图像F_k与该反量化Q₁ ^-1的输出结果求差得到残差图像；

步骤(e)：对步骤(d)得到的残差图像按H.264/MPEG-4 AVC国际视频编码标准中采用的整数变换方式用一个整数变换器变换，再对变换系数按步骤(c)所述的量化方法进用量化器Q₂按步长Q₂(取值范围为8～32)进行量化，得到的变换量化系数按步骤(b2)中的熵编码算法进行熵编码，得到残差比特流(B3)，并与步骤(b2)所述的运动矢量比特流(B1)一起构成码流(1)；

步骤(f)：步骤(e)所述的码流1与步骤(c)所述的校验比特流(B2)共同构成最终的输出码流。

解码部分在FPGA中实现时依次含有以下步骤：

步骤(g)：对第一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4 AVC中的帧内解码方式解码，解码后的图像 送到一个帧存储器，作为下一帧运动补偿时的参考，其中运动补偿是指通过编码端传过来的运动矢量信息，在参考帧中找到对应的预测块，最后重建出整个预测帧；

步骤(h)：对其余各帧按如下方式进行解码；

步骤(i)：把所述码流(1)送到执行步骤(b2)所述算法的变长解码器进行解码，得到运动矢量信息和变换量化系数；

步骤(j)：对步骤(i)得到的变换量化系数依次用反量化器Q₂ ^-1和反变换T^-1，得到残差系数；

步骤(k)：用步骤(i)得到的运动矢量信息对所述帧存储器中的前一帧解码图像

进行运动补偿，得到当前帧的估计图像F_k′，重用所述量化器Q₁对该图像F_k′用量化步长为Q₁进行量化，量化结果即为低密度奇偶校验解码器用的边沿信息；

步骤(1)：把步骤(c)得到校验比特流(B2)和步骤(k)得到的边沿信息作为低密度奇偶校验解码器的输入，然后低密度奇偶校验解码器的输出结果用反量化器Q₁ ^-1进行反量化，得到反量化值(F_k″)；

步骤(m)：把步骤(j)得到的残差系数与步骤(1)得到的当前帧的估计图像F_k″求和，得到当前帧的解码图像 并把该解码图像

存储到帧存储器作为下一帧运动补偿的参考。

使用证明：

1.编码端没有预测循环避免了编解码端预测不匹配问题；

2.采用Wyner-Ziv编码思想，生成的码流具有很强的误差恢复特性；

3.结构清晰；

4.具有较高的编码效率。

附图说明

图1本发明编码器原理框图

图2本发明解码器原理框图

图3本发明编码器实例图

图4本发明解码器实例图

具体实施方式

本发明根据当前的视频通信对视频编码技术提出的抗误码要求，依据Wyner-Ziv编码原理，提供一种具有抗误码能力的无预测循环视频编码方法。本方法的编解码器原理结构框图如图1和图2所示，其中F_k和F_k-1分别代表待编码的当前帧和已经编码的前一帧图像，

和

分别代表当前帧和前一帧的解码图像，B₁、B₂和B₃分别代表运动矢量编码比特流、信道编码器输出的校验比特流和残差编码器输出的编码比特流。

本发明提出的一种无预测循环的抗误码视频编码方法，包括以下步骤：

(1)如图1所示，待编码的当前帧图像F_k和已编码的前一帧图像F_k-1送到运动估计器进行运动估计，得到的运动矢量信息送到运动矢量编码器进行编码，输出运动矢量比特流B₁；

(2)待编码的当前帧图像F_k经量化器量化后送到信道编码器编码，信道编码器生成校验比特流B₂；

(3)量化器的输出同时送到反量化器，F_k与反量化结果求差得到的残差图像送到残差编码器编码生成残差比特流B₃。

(注：以上为编码器工作流程)

(4)如图2所示，运动矢量比特流B₁送到运动矢量解码器解码得到运动矢量信息，并与前一帧的解码图像 一起送到运动补偿器中进行运动补偿，得到当前帧的估计图像F_k′，并把F_k′送到量化器中进行量化，量化结果作为信道解码器的边沿信息；

(5)校验比特流B₂和上一步得到边沿信息送到信道解码器中解码，解码得到的信息再送到反量化器中进行反量化；

(6)残差比特流B₃送到残差解码器中解码，解码得到的残差与上一步反量化得到的数值求和得到当前帧的解码图像

本发明提出的采用H.264/MPEG-4 AVC标准的无预测循环的抗误码视频编码设计方法实施例结合附图详细说明如下：

编码器工作流程如下：

(1)对第一帧图像进行帧内编码方式进行编码，对后续帧进行如下方式编码；

(2)如图3所示，对待编码的当前帧图像F_k和已编码的前一帧图像F_k-1进行H.264标准中采用的运动估计算法进行运动估计，得到的运动矢量，用变长编码器(VLC，Vary Length Code)进行熵编码；

(3)对待编码的当前帧图像F_k应用H.264标准的量化方法进行量化，量化步长为Q₁，量化后的结果采用LDPC(Low Density Parity Check)编码器进行信道编码，并输出校验码流(Parity Bitstream)；

(4)对Q₁的输出用Q₁ ^-1进行反量化，并用F_k与反量化结果求差，得到残差图像，对残差图像进行整数变换，对变换系数采用与第3步相同的量化方法进行量化，量化步长为Q₂，得到的变换量化系数用变长编码器进行熵编码，并与运动矢量一起构成码流1；

(5)码流1与校验码流构成最终的输出码流。

解码器工作流程如下：

(6)对第一帧图像按帧内解码方式进行解码，解码后的图像送到如图4所示的帧存储器(Frame Memory)中作为下一帧运动补偿的参考，对其余各帧按如下方式进行解码；

(7)如图4所示，用变长解码器从码流1中解码出运动矢量和变换量化系数；

(8)对变换量化系数进行反量化Q₂ ^-1和反变换T^-1，得到残差系数，作为第11步重建图像的一部分；

(9)用第7步得到的运动矢量对帧存储器中的前一帧解码图像

进行运动补偿，得到当前帧的估计图像F_k′，并对F_k′进行量化，量化步长为Q₁，量化结果作为下一步LDPC解码的边沿信息；

(10)校验码流和上一步得到的边沿信息作为LDPC解码器的输入，再对LDPC的解码输出进行反量化，得到反量化值F_k″，作为下一步重建图像的一部分；

(11)第8步得到的残差系数与上一步得到的F_k″求和得到当前帧的解码图像

并把此解码图像存储到帧存储器中作为下一帧运动补偿的参考。

Claims (1)

1、一种无预测循环的抗误码视频编码方法，其特征在于，该方法含有编码和解码两个部分，其中编码部分在FPGA中实现时依次含有以下步骤：

步骤(a)：对第一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4AVC帧内编码方式编码；

步骤(b)：对后续帧按以下方式编码

步骤(b1)：用一个运动估计器对对待编码的当前帧图像F_k和已编码的前一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4 AVC国际视频编码标准中采用的运动估计算法进行运动估计，得到相应的运动矢量；

步骤(b2)：对步骤(b1)中得到的运动矢量用变长编码器按H.264/MPEG-4AVC中的熵编码器进行熵编码，得到运动矢量比特流B₁；

步骤(c)：用一个量化器对所述待编码的当前帧图像F_k按步骤(b1)中所述的H.264/MPEG-4AVC中采用的量化方法进行量化，量化步长为Q₁，取值范围为4～128，量化后的结果采用低密度奇偶校验编码器进行信道编码，并输出校验比特流B2；

步骤(d)：对量化器Q₁的输出用一个反量化器Q₁ ^-1进行反量化，并用待编码的当前帧图像F_k与该反量化Q₁ ^-1的输出结果求差得到残差图像；

步骤(e)：对步骤(d)得到的残差图像按H.264/MPEG-4 AVC国际视频编码标准中采用的整数变换方式用一个整数变换器变换，再对变换系数按步骤(c)所述的量化方法进用量化器Q₂按步长Q₂，取值范围为8～32进行量化，得到的变换量化系数按步骤(b2)中的熵编码算法进行熵编码，得到残差比特流B3，并与步骤(b2)所述的运动矢量比特流B1一起构成码流1；

步骤(f)：步骤(e)所述的码流1与步骤(c)所述的校验比特流B2共同构成最终的输出码流。

解码部分在FPGA中实现时依次含有以下步骤：

步骤(g)：对第一帧图像F_k-1按H.264/MPEG-4 AVC中的帧内解码方式解码，解码后的图像

送到一个帧存储器，作为下一帧运动补偿时的参考，其中运动补偿是指通过编码端传过来的运动矢量信息，在参考帧中找到对应的预测块，最后重建出整个预测帧；

步骤(h)：对其余各帧按如下方式进行解码；

步骤(i)：把所述码流1送到执行步骤(b2)所述算法的变长解码器进行解码，得到运动矢量信息和变换量化系数；

步骤(j)：对步骤(i)得到的变换量化系数依次用反量化器Q₂ ^-1和反变换T^-1，得到残差系数；

步骤(k)：用步骤(i)得到的运动矢量信息对所述帧存储器中的前一帧解码图像

进行运动补偿，得到当前帧的估计图像F_k′，重用所述量化器Q₁对该图像F_k′用量化步长为Q₁进行量化，量化结果即为低密度奇偶校验解码器用的边沿信息；

步骤(1)：把步骤(c)得到校验比特流B2和步骤(k)得到的边沿信息作为低密度奇偶校验解码器的输入，然后低密度奇偶校验解码器的输出结果用反量化器Q₁ ^-1进行反量化，得到反量化值F_k″；

步骤(m)：把步骤(j)得到的残差系数与步骤(l)得到的当前帧的估计图像F_k″求和，得到当前帧的解码图像 并把该解码图像 存储到帧存储器作为下一帧运动补偿的参考。

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