CN1926874B - 对视频流传输业务进行视频编码、预解码和视频解码的方法和设备以及图像滤波方法 - Google Patents

对视频流传输业务进行视频编码、预解码和视频解码的方法和设备以及图像滤波方法 Download PDF

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Abstract

一种用于视频编码、预编码以及视频流传输业务进行视频解码的方法和设备。该视频编码方法包括：使用可分级视频编码将第一视频序列和第二视频序列编码为第一比特流和第二比特流，其中，第二视频序列的分辨率，帧率和图像质量中的至少一个不同于第一视频序列的分辨率，帧率和图像质量；以及将第一比特流和第二比特流组合为超比特流。

Description

对视频流传输业务进行视频编码、预解码和视频解码的方法和设备以及图像滤波方法
技术领域
本发明涉及一种对视频流传输业务进行视频编码、预解码和重构原始视频序列的方法和设备、一种比特流结构以及一种图像滤波方法
背景技术
随着包括互联网的信息通信技术的发展，新近提出了各种通信业务。视频点播(VOD)是这些通信业务中的一种。视频点播指的是当用户请求时将诸如电影或新闻的视频内容在电话线、缆线或互联网上提供给用户的业务。允许用户在不离开住地的情况下观看电影。此外，允许用户经由运动图像课程访问各种类型的知识，而无需去到学校或私人教育机构。
必须满足各种要求来实现这样的VOD业务，包括进行宽带通信和运动图像压缩来发送和接收大量数据。具体地说，运动图像压缩通过有效减少数据传输所需的带宽来使VOD成为可能。例如，具有640×480的分辨率的24位真彩色图像需要每帧640×480×24比特，即大约7.37M比特的数据的容量。当以每秒30帧发送该图像时，需要221M比特/秒的带宽来提供VOD业务。当存储基于这样的图像的90分钟的电影时，大约需要1200G比特的存储空间。因此，由于未压缩的运动图像需要用于传输的大量带宽和大容量存储介质，因此需要压缩编码方法在当前网络环境下提供VOD业务。
数据压缩的基本原理是移除数据冗余。当在图像中重复相同色彩或对象时，或当在运动图像中的相邻帧之间改变较小时，可执行运动图像压缩。
对运动图像压缩的已知视频编码算法包括运动图像专家组(MPEG)-1，MPEG-2、H.263和H.264(或AVC)。在这样的视频编码方法中，通过基于运动估计和补偿进行运动补偿来移除时间冗余，通过离散余弦变换(DCT)来移除空间冗余。这些方法具有高压缩率，但由于它们在主要算法中使用递归方法，因此它们不具有满意的可分级性。近年来，已经积极进行对具有可分级性的数据编码方法的研究，诸如小波视频编码和运动补偿时间滤波(MCTF)。可分级性表示以不同质量级别、分辨率或帧率部分地对单个压缩的比特流解码的能力。
图1示出使用支持低可分级性的视频编码方案的视频流传输业务提供器100的配置。为了便于解释，将描述用于单个视频序列的视频流传输业务。
参照图1，视频流传输业务提供器100接收视频序列并使用诸如MPEG-1，MPEG-2、H.263和H.264的编码算法对视频序列执行编码。通过以这些编码算法对视频序列编码获得的比特流是不可分级的，或不支持可分级性。因此，为了以各种空间分辨率和帧率提供视频流传输业务，需要对每一个分辨率和帧率生成比特流。为了完成该操作，视频流传输业务提供器100包括：多个转换器110-2至110-n，每一个将视频序列转换为具有较低空间分辨率和(或)较低帧率的另一视频序列；多个编码器120-1至120-n，以视频编码算法将经历转换的视频序列编码为比特流；以及选择器130，选择具有不同空间分辨率和帧率的比特流以将其发送到视频解码器140。
更具体地说，第二转换器110-2通过下采样或帧率减少而将接收的视频序列转换为具有较低空间分辨率和(或)较低帧率的视频序列。基于MPEG下采样产生平滑的图像。其后，将得到的视频序列发送到第二视频编码器120-2。相似地，第三转换器110-3转换视频序列，并将得到的序列发送到第三视频编码器120-3，第n转换器110-n在转换之后将视频序列发送到第n编码器120-n。
第一视频编码器120-1以最高空间分辨率和最高帧率对视频序列执行视频编码。例如，第一视频编码器120-1可接收具有704×576分辨率和60Hz帧率的视频序列，并将视频序列编码为具有704×576分辨率和60Hz帧率的比特流。当有充足的网络带宽来支持通过编码同时保持与原始视频序列相同的分辨率和帧率获得的比特流时，可将其提供给用户。例如，如果可稳定地获得6Mbps的网络带宽，则可将由第一视频编码器120-1生成的比特流提供给用户。由视频解码器140对提供给用户的比特流解码来重构具有704×576分辨率和60Hz帧率的原始视频序列。
与由第一视频编码器120-1将视频序列编码为比特流相比，第二视频编码器120-2以较低的分辨率和(或)较低帧率对视频序列编码。相似地，第三视频编码器120-3以不同于第一和第二视频编码器120-1和120-2的空间分辨率和(或)帧率执行视频编码，并生成比特流。按照该方式，第一到第n视频编码器120-1至120-n从相同视频序列中以不同空间分辨率和(或)帧率生成比特流。
选择器130将具有由用户(视频解码器140)请求的空间分辨率和帧率的比特流提供给视频解码器140。当可使用充足的带宽时，用户可请求具有高空间分辨率和高帧率的视频，视频流传输业务提供器100将具有由用户选择的高空间分辨率和高帧率的比特流传递给用户。如果网络带宽不稳定，则在回放期间可能容易地中断来自以高分辨率和高帧率编码的比特流的由视频解码器130重构的视频序列。在此情况下，用户可从视频流传输业务提供器100请求以较低分辨率和(或)较低帧率编码的视频序列。
视频解码器140从视频流传输业务提供器100接收与每一视频序列对应的比特流以进行解码。例如，为了重构视频序列，可在使用H.264解码方案解码H.264编码的比特流的同时使用MPEG-2解码算法对MPEG-2编码的比特流解码。
使用类似图1的不可分级或低可分级性视频编码算法的视频流传输业务提供器必须根据网络环境或用户的请求以各种空间分辨率和帧率对相同的视频序列执行多个视频编码处理。结果，对相同视频序列生成多个比特流。以每一个分辨率和帧率生成比特流需要大量计算容量。此外，通常称为联播业务的以各种空间分辨率和帧率将视频流传递给用户的业务需要高容量存储介质来存储生成的比特流。
图2示意性地示出使用基于小波的可分级视频编码方案的视频流传输业务提供器200的配置。为了便于解释，将描述用于单个视频序列的视频编码。
参照图2，视频流传输业务提供器200包括对视频序列编码的可分级视频编码器210以及预解码器220。可分级视频编码器210使用具有可分级性的视频编码算法来生成可分级比特流。在当前已知的可分级视频编码算法中，可通过小波变换获得空间可分级性，可通过运动补偿时间滤波(MCTF)、无约束运动补偿时间滤波(UMCTF)或连续时间近似参照(STAR)获得时间可分级性，可通过嵌入的量化获得信噪比(SNR)可分级性。
由预解码器220对通过经由可分级视频编码器210对视频序列编码获得的比特流解码。预解码是截断可分级比特流的某些比特的处理。可将比特流预解码为具有比原始比特流低的空间分辨率、帧率或图像质量的比特流。当在用户方的视频解码器230从视频流传输业务提供器200请求具有特定分辨率和帧率的视频序列时，视频流传输业务提供器200中的预解码器220截断比特流的某些比特，并将得到的比特流发送到视频解码器230。视频解码器230对比特流解码，并重构具有请求的分辨率和帧率的视频序列。
发明公开
技术问题
使用用于视频流传输业务的可分级视频编码算法，以此方式来允许以各种分辨率和帧率对从单个视频序列中获得的单个比特流进行联播。然而，当前已知的可分级(scalable)视频编码算法不提供在所有分辨率的高质量比特流。例如，可用高质量来重构最高分辨率视频，但不能以满意的质量来重构低分辨率的视频。可对低分辨率的视频编码分配更多比特来改善其质量。然而，这样将降低编码效率。
如上所述，图1所示的视频流传输业务可提供以每一分辨率优化的比特流，但可能浪费计算性能和存储空间。另一方面，图2所示的视频流传输业务可使用单个比特流提供具有各种分辨率和帧率的比特流，但可能以某些分辨率来提供差的图像质量或降低编码效率来改善图像质量。因此，急需一种通过在编码效率和重构的图像之间实现良好折中的传递满意的图像并进行高效视频编码的视频流传输业务的视频编码方案，
技术方案
本发明提供一种用于对视频流传输业务进行视频编码、预编码以及视频解码的方法。
本发明还提供一种用于对视频流传输业务提高视频编码算法的效率的方法。
本发明还提供一种用于改善由视频流传输业务提供的视频序列的图像质量的方法。
当阅读以下说明书、附图和权利要求时，本发明的上述和其它目的、特点和优点对本领域技术人员将变得清楚。
根据本发明一方面，提供一种视频编码方法，包括：使用可分级视频编码将第一视频序列和第二视频序列编码为第一比特流和第二比特流，其中，第二视频序列的分辨率，帧率和图像质量中的至少一个不同于第二视频序列的分辨率，帧率和图像质量；以及将第一比特流和第二比特流组合为超比特流。
根据本发明另一方面，提供一种视频编码方法，包括：将第一到第n视频序列编码为第一到第n比特流，其中，n是大于1的自然数，第二到第n视频序列的分辨率，帧率和图像质量中的至少一个不同于第一视频序列的分辨率，帧率和图像质量；以及将第一到第n比特流一起组合为超比特流。
根据本发明另一方面，提供一种超比特流格式，包括：通过对具有最高分辨率的视频序列编码生成的第一比特流；以及通过分别对具有分辨率、帧率和图像质量的第二到第n视频序列编码生成的第二到第n比特流，所述分辨率、帧率和图像质量中的至少一个不同于第一视频序列的有分辨率、帧率和图像质量，其中，n是大于1的自然数。
根据本发明另一方面，提供一种视频编码器，包括：视频编码单元，对第一到第n视频序列编码，其中，第二到第n视频序列中的每一个的分辨率、帧率和图像质量中的至少一个不同于第一视频序列的分辨率、帧率和图像质量；以及超比特流生成器，生成超比特流，所述超比特流包括由视频编码单元生成的第一到第n比特流以及所需的头信息。
根据本发明另一方面，提供一种预解码方法，包括：接收对具有预定的分辨率、帧率和图像质量的视频序列的请求；截断部分超比特流，从而超比特流具有与请求的分辨率、帧率和图像质量相同的分辨率、帧率和图像质量，其中，所述超比特流包括具有与请求的视频序列相关的不同的分辨率和帧率；以及将得到的超比特流发送到解码器。
根据本发明另一方面，提供一种预解码器，包括：请求接收器，接收对具有预定的分辨率、帧率和图像质量的视频序列的请求；超比特流截断部，用于截断部分超比特流，从而超比特流具有与请求的分辨率、帧率和图像质量相同的分辨率、帧率和图像质量，其中，所述超比特流包括具有与请求的视频序列相关的不同的分辨率和帧率；以及发送器，将得到的超比特流发送到解码器。
根据本发明另一方面，提供一种重构视频序列的方法，包括：接收压缩的视频序列，对压缩的视频序列执行逆量化和逆变换，并重构内帧；对内帧进行滤波，从而在重构间帧中将内帧用作参考帧；以及通过使用内帧的滤波的版本作为参考来重构间帧。
根据本发明另一方面，提供一种从压缩的视频序列中重构原始视频序列的设备，该设备包括：接收器，接收压缩的视频序列；解码器，通过对压缩的视频序列解码来重构内帧；以及滤波器，对重构的内帧滤波，从而在重构间帧中使用内帧作为参考，其中，解码器通过使用内帧的滤波的版本对压缩的视频序列解码来重构间帧。
根据本发明的另一方面，提供一种对通过基于小波的下采样获得的图像滤波的方法，包括：对通过基于小波的下采样获得的图像执行基于小波的上采样；以及使用预定的方案对图像的上采样的版本下采样。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的详细描述，本发明的上述和其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出传统视频流传输业务的概念；
图2示出另一传统视频流传输业务的概念；
图3示出根据本发明示例性实施例的视频流传输业务的概念；
图4和图5示意性地示出可分级视频编码器和高级视频编码(AVC)视频编码器的配置；
图6至图9示出根据本发明实施例的使用不可分级和可分级视频编码方案以及其它编码方案的视频流传输业务之间的比较；
图10是解释根据本发明第一实施例的共享内帧的示图；
图11是解释根据本发明第二实施例的共享内帧的示图；
图12是解释根据本发明实施例的生成平滑参考帧的方法的示图；
图13示出根据本发明实施例的用于提供视频流传输业务的处理；以及
图14示出根据本发明实施例的超比特流的结构。
具体实施方式
现在将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中显示本发明示例性实施例。
在本发明的实施例中，可分级视频编码用于产生具有各种空间分辨率和帧率的比特流。即，可分级编码允许单一可分级比特流分割为具有各种空间分辨率和帧率的比特流。
当前已知的可分级编码算法不能保证重构每个分辨率级的高质量的视频序列。因此，当本发明基本上使用可分级编码算法来对视频序列执行视频编码时，其不会从单一可分级编码的比特流获得具有所有分辨率和帧率的视频序列。在一个实施例中，对于单一视频序列产生两个或多个可分级比特流。在另一实施例中，对于单一视频序列产生可分级比特流和基于MPEG的比特流。产生的比特流被组合在一起成为超比特流。
图3示出根据本发明实施例的视频流传输业务的概念。假设对单一视频序列(内容)提供视频流传输业务。
参照图3，视频流传输业务提供器300产生多个可分级比特流，并将它们组合成为单一超比特流以发送给视频解码器350。
视频流传输业务提供器300包括转换器310、视频编码器320、超比特流产生器330以及预解码器340。
视频编码器320将具有各种分辨率、帧率以及图像质量的多个视频序列编码为比特流。在一个实施例中，视频编码器320仅使用可分级视频编码算法以从视频序列产生比特流。在另一实施例中，视频编码器使用可分级视频编码方案和基于离散余弦变换(DCT)的非可分级视频编码方案以产生比特流。
如图3所示，仅使用可分级编码方案的视频编码器320由第一至第n可分级视频编码单元320-1至320-n构成，它们接收通过变换单一视频序列(内容)获得的具有不同空间分辨率和帧率的数量n的视频序列，并且产生n个比特流。第一至第n可分级视频编码单元320-1至320-n可以是单独的装置，或者被集成为单一装置。
第一可分级视频编码单元320-1以最高空间分辨率和最高帧率对视频序列执行可分级视频编码，第二可分级视频编码单元320-2以较第一可分级视频编码单元320-1低的分辨率和低的帧率执行可分级视频编码。以同样的方式，剩余可分级视频编码单元320-3至320-n以不同的空间分辨率和帧率执行可分级视频编码。由于构造具有比产生的可分级比特流更低分辨率的视频序列比构造具有更低帧率的视频序列将更严重地降低图像质量，因此期望可分级视频编码单元320-1至320-n的每一个产生具有不同分辨率的可分级比特流。
接收视频序列的转换器310将该视频序列转换为具有更低分辨率或更低帧率的视频序列。更具体地讲，第二转换单元310-2将视频序列转换为具有与将被第二可分级视频编码单元320-2产生的可分级比特流相同空间分辨率和帧率的另一视频序列。相似地，剩余转换单元310-3至310-n分别将视频序列转换为具有不同分辨率和帧率的视频序列，以在第三至第n可分级视频编码单元320-3至320-n编码。通过基于小波的下采样或基于MPEG的下采样可将视频序列转换为更低的分辨率。另一方面，可使用基于小波的方法对帧进行下采样，可使用基于小波的方法来对下采样版本的帧进行上采样，并且可使用基于MPEG的方案来对上采样的版本进行下采样。基于小波的下采样是指使用基于小波的方法在通过空间压缩图像获得的低通和高通子带中选择低通子带。这种基于小波的下采样(上采样)也可与通过可分级编码单元320-1至320-n每一个的编码操作一起执行。
由可分级视频编码单元320-1至320-n将n个视频序列转换为具有不同空间分辨率和帧率的n个可分级比特流。视频流传输业务提供器300还包括将产生的n个可分级比特流组合为单一超比特流的超比特流产生器330。
预解码器340将具有请求的分辨率和帧率的比特流发送到视频解码器350。在一个实施例中，预解码器340在n个比特流中选择具有请求的分辨率的比特流，截除不必要的比特，从而选择的比特流具有与请求的相同的帧率，并将得到的比特流发送到视频解码器350。预解码器340可从视频解码器350直接接收或从视频流传输业务提供器300接收视频序列，以及对于与将被重构的视频序列相关的分辨率和帧率的请求，所述视频流传输业务提供器300从视频解码器350接收视频序列以及所述请求。为了实现所述接收，预解码器340包括接收所述请求的请求接收器(未显示)，以及切割比特流的比特的比特流截取部分(未显示)。
在另一实施例中，预解码器340在包含n个比特流的超比特流中选择匹配具有由请求接收器接收的与视频序列相关的分辨率和帧率的视频序列的比特流，截除除了选择的比特流之外的比特流和选择的比特流的不必要的比特，并将得到的超比特流发送到视频解码器350。如果在超比特流中不存在具有请求的分辨率的可分级比特流，则选择较高分辨率可分级比特流之一，并且截除选择的比特流的不必要比特，以发送到视频解码器350。在这种情况下，选择的可分级比特流可具有与请求的分辨率最接近的分辨率。此外，如果在超比特流中存在具有请求的分辨率和帧率的可分级比特流，则预解码器340可通过在将选择的比特流发送到视频解码器350之前将其截取，来将选择的比特流转换为较低SNR的比特流。
在一个实施例中，可与视频编码器320分离地实现预解码器340。在这种情况下，预解码器340用作视频流传输业务提供器300。即，预解码器340从视频解码器350接收对具有特定分辨率和帧率的视频序列的请求，并在包含多个预先编码的比特流的超比特流中选择一个，截除选择的比特流的一些比特以及剩余比特流，并将得到的超比特流发送到视频解码器，以重构具有请求的分辨率和帧率的视频序列。
在另一实施例中，预解码器340可以与视频解码器350一起位于用户方。在这种情况下，从视频流传输业务提供器300接收超比特流的视频解码器350将超比特流发送到预解码器340，随后预解码器340从超比特流中选择比特流，并截除选择的比特流的一些比特以及剩余不必要的比特，以这样的方式来重构具有视频解码器350期望的分辨率和帧率的视频序列。
上述部件是功能模块并执行上述任务。这里使用的术语‘模块’是指，但不限于软件或硬件组件，诸如执行特定功能的现场可编程逻辑阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。模块可被有利地配置驻留在可寻址的存储介质中或被配置以执行一个或者多个处理器。因此，模块可包含组件，诸如软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件、进程、函数、属性、程序、子程序、程序代码段、驱动程序、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表、数组和变量。在组件和模块中提供的功能可被组合到较少的组件和模块，或者可分离到附加的组件和模块。另外，组件和模块可以以它们在通信系统中执行一个或多个计算机的方式来实现。
图4和5示意性地分别显示可分级视频编码器410和高级视频编码(AVC)视频编码器460。
参照图4，可分级视频编码器410包括：运动补偿时间滤波器420、小波变换器430以及嵌入式量化器440。可分级视频编码器410接收分割为几个画面组(GOP)的输入的视频序列，每个画面组是最小的可编码单元。GOP由多个帧构成，例如2、4、8、16或32个帧构成。随着GOP中的帧数量(‘GOP大小’)的增加，通常所说的可分级视频编码方案的各种算法提供较高的视频压缩效率。然而，增加GOP大小也增加从视频编码到解码的算法延迟。另一方面，减小GOP大小以牺牲压缩效率为代价减小算法延迟。
运动补偿时间滤波器420使用例如运动补偿时间滤波(MCTF)、非限制MCTF(UMCTF)或者连续时间逼近参考(STAR)的公共所知的算法来去除每一GOP中的帧之间的时间冗余。这些算法不仅去除帧之间的时间冗余，而且实现提供时间可分级的视频编码。
小波变换器430使用小波变换算法转换已经去除了时间冗余的帧，并且从其去除空间冗余。小波变换算法也使用在JPEG2000标准中，并且将帧解压缩为低通和高通子带。低通子带图像与原始图像的简化版本相似。
嵌入式量化器440对通过对帧应用小波变换获得的变换系数执行嵌入式量化。执行熵编码以将经历嵌入式量化的变换系数转换为比特流。
本发明还使用另一视频编码算法来产生视频序列的一些或所有的比特流。另外通常所说的H.264或MPEG-4部分10的AVC算法使用用于变换的DCT，并传送当前可以获得的最高的压缩效率。在使用不可分级视频编码方案的本发明的实施例中，ACV是所希望的。
AVC视频编码器460包括运动补偿预测器470、DCT变换器480以及量化器490。运动补偿预测器470去除出现在构成视频序列的帧内部的时间冗余。AVC支持各种块大小，例如4×4、4×8、8×4、8×8、16×8、8×16以及16×16子块，以去除时间冗余，从而实现高压缩效率。
DCT变换器480执行DCT变换以将每个帧分为多个宏块，已经由运动补偿预测器470从所述每个帧去除了时间冗余。与使用小波变换的可分级视频编码方案相反，由于AVC方案将DCT变换应用到每一宏块，因此AVC方案不能支持空间可分级性。量化器490量化经历了DCT的变换系数，随后将变换系数熵编码为比特流。图3中所示的视频编码器320可包括可分级视频编码器410、AVC视频编码器460或其他视频编码器。
同时，解码器(未显示)执行编码器410或460的逆操作以重构视频序列。即，接收比特流(压缩的视频序列)的解码器对比特流顺序执行逆量化(或逆嵌入式量化)、逆空间变换(小波变换或DCT变换)以及逆运动补偿时间滤波或逆运动补偿预测，以重构视频序列。
图6至9分别显示根据本发明第一至第二实施例的使用非可分级编码方案、可分级视频编码方案以及其他编码方案的视频流传输业务。
对于使用非可分级视频编码方案的视频流传输业务，需要每一分辨率和帧率的比特流以将视频序列(内容)以各种分辨率和帧率提供给用户。例如，为了提供具有704×576分辨率和60Hz帧率、352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率的三种视频流传输业务，以704×576分辨率和60Hz帧率、352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率对视频序列执行视频编码以分别产生第一至第三比特流511至513。例如，当用户请求704×576分辨率和60Hz帧率、352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率时，视频流传输业务提供器提供分别具有704×576分辨率和60Hz帧率、352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率的第一至第三比特流511至513。
如图6所示，提供第一至第三比特流511至513，分别需要6Mbps、750Kbps以及128Kbps的网络带宽。因此，用户应选择具有匹配可用网络带宽的分辨率和帧率的比特流。即，当保证高于6Mbps的稳定网络带宽时，用户能够接收具有704×576分辨率和60Hz帧率、352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率的视频流传输业务。另一方面，当可用网络带宽高于750Kbps小于6Mbps时，用户仅能够接收具有352×288分辨率和30Hz帧率以及176×144分辨率和15Hz帧率的视频流传输业务。相似地，当保证128Kbps的带宽时，用户仅能够接收具有176×144分辨率和15Hz帧率的视频流传输业务。
当5Mbps的稳定带宽可用时，用户不能够接收具有704×576分辨率和60Hz帧率的视频流传输业务。因此，为了满足用户对于高分辨率和帧率的需求，视频流传输业务提供器需要以最适宜5Mbps带宽的分辨率和帧率对视频序列编码。即，使用非可分级视频编码算法的流服务表现出的局限性在于：必须对每一分辨率和帧率执行视频编码，以根据网络条件或用户的偏好提供具有各种分辨率和帧率的视频流传输业务。现在将描述使用可分级视频编码算法的对于此局限性的替换方案。
参照图7，对于可分级视频流传输业务，对于单一内容(视频序列)产生单一可分级比特流520。可分级比特流520可被预解码器容易地预先解码为具有较低分辨率和较低帧率的任何一个或两者的比特流。
例如，要求6Mbps带宽的具有704×576分辨率和60Hz帧率的可分级比特流520可被预先解码为具有30Hz或15Hz的帧率而不改变分辨率的比特流。
此外，要求稳定6Mbps带宽的具有704×576分辨率和60Hz帧率的可分级比特流520可被预先解码为具有较低分辨率且较低帧率的比特流，例如要求稳定750Kbps带宽的352×288分辨率和30Hz帧率的比特流、要求稳定192Kpbs带宽的352×288分辨率和15Hz帧率的比特流、或者要求稳定128Kbps带宽的176×144分辨率和15Hz帧率的比特流。
另外，可分级比特流520可被预先解码为不改变分辨率和帧率的较低图像质量的比特流。例如，当可分级比特流520在被发送到用户之前被转换为具有要求384Kpbs的稳定带宽的具有352×288分辨率和30Hz帧率的比特流，从该比特流重构的视频序列具有比相同分辨率和帧率但是要求750Kbps带宽的比特流更低的图像质量。相似地，可分级比特流在被发送到用户之前可被转换为具有要求128Kpbs的稳定带宽的176×144分辨率和15Hz帧率的比特流，或者具有要求64Kbps的稳定带宽的相同分辨率和帧率的更低质量的比特流。
与使用如图6所示的非可分级视频编码算法的视频流传输业务相反，使用可分级视频编码算法的视频流传输业务使用单一可分级比特流520就能够实现具有各种分辨率、帧率和图像质量的比特流的传输。即，使用可分级视频编码算法使得根据网络条件或用户装置的性能提供各种视频流传输业务变得容易。然而，当前已知的可分级视频编码算法不能获得所有分辨率的高质量的重构的视频序列。例如，可分级视频编码算法可获得704×576分辨率的高质量的重构的视频序列，但不能获得176×144分辨率的高质量的重构的视频序列。
为了解决这个问题，根据本发明第一实施例的视频流传输业务使用包括产生多个可分级比特流并将它们一起组合为单一超比特流，而不是预先解码可分级比特流的编码方案，以提供各种分辨率、帧率和图像质量的视频序列。
参照图8，从单一视频序列以不同分辨率产生第一至第三可分级比特流531至533，随后将它们组合为超比特流530。另一方面，对于单一视频序列可产生具有不同分辨率的一个或多个可分级比特流以及一个或多个非可分级比特流，将在稍后参照图9来描述。
以更高分辨率和帧率(例如，704×576分辨率和60Hz帧率)从视频序列产生第一可分级比特流531。以较第一可分级比特流531低的分辨率和低的帧率(例如，352×288分辨率和30Hz帧率)从相同的视频序列产生第二可分级比特流532。第三比特流具有更低分辨率和帧率(176×144分辨率和15Hz帧率)。在一个实施例中，当用户请求通过384Kbps的可用带宽的具有352×288分辨率的帧的传输时，在发送到用户之前通过使用预解码器截除第二可分级比特流532的不必要的比特来将第二可分级比特流532转换为具有相同分辨率和帧率的较低质量的比特流。
当然，可从第一可分级比特流531获得将通过384Kbps带宽传输的具有352×288分辨率和30Hz帧率的比特流。然而，得到的比特流可具有较从第二可分级比特流532获得的质量更低的质量。尽管描述了第二和第三可分级比特流532和533的分辨率和帧率是第一可分级比特流531的一半、四分之一和八分之一，但是它们可以是它的三分之一或六分之一。
在另一实施例中，第一和第二可分级比特流531和532可分别具有704×576分辨率和600×480分辨率。在这种情况下，可通过对第一可分级比特流531预先解码来获得具有352×288分辨率的比特流，而可通过对第二可分级比特流532预解码来获得具有300×240分辨率的比特流。
如图8所示的视频流传输业务采用可分级视频编码来实现可分级性，并且使用多个可分级比特流，与图7所示的视频流传输业务相比降低了图像质量，在图7中，单一比特流被转换为具有各种分辨率和帧率的比特流。因此，在保证对于每一分辨率级的合适和可接受的图像质量的同时，使用根据本发明第一实施例的编码方案允许对于视频序列的各种分辨率、帧率和图像质量的视频流传输业务，这被称为联播。
参照图9，使用根据第二实施例的编码方案来产生包含非可分级比特流的多个比特流。即，超比特流540包括第一和第二可分级比特流541和542以及第三非可分级比特流543。使用可分级视频编码方案产生第一和第二可分级比特流541和542，而使用例如AVC的非可分级视频编码方案来产生第三比特流543。
同时，根据本发明实施例的视频流传输业务需要较使用如图7所示的单一可分级视频流更多的数据存储空间。现在将参照图10和11来描述降低此过载的方法，假设超比特流包含两个可分级比特流。
图10是用于解释根据本发明第一实施例的内帧的共享的示图。在视频编码中使用的视频序列中的帧可被分为无需参考另一帧编码的内帧以及使用另一帧作为参考编码的间帧。内帧还被称为基于STAR的可分级视频编码或MPEG视频编码中的I帧或者基于UMCTF的可分级视频编码中的A帧。MPEG视频编码使用两种类型的间帧：使用一个帧作为参考编码的预测(P)帧以及使用两个帧作为参考编码的双向(B)帧。间帧还成为可分级视频编码中的H帧。
图10显示包括一个内帧610和三个间帧620的具有最高分辨率(704×576)的第一比特流。图10显示与第一比特流共享内帧610的具有352×288分辨率的第二比特流。第二比特流仅包括间帧640。图10显示第一比特流和第二比特流一起重新组织的第二比特流。重新组织的第二比特流包括第一比特流中的从共享的内帧610获得的内帧630和第二比特流中的间帧640。
在第一和第二比特流之间共享内帧610是指第二比特流不包含任何内帧，并且共享的内帧610被用于从第二比特流重构视频序列。即，超帧包含图10的第一和第二比特流，并且当接收到对于具有352×288分辨率的视频序列时，视频流传输业务提供器创建通过截除第一比特流和第二比特流中的除了内帧610之外的比特流而重新组织的重组第二比特流。
图11是用于解释根据本发明第二实施例的内帧的共享的示图。与第一实施例的差别在于图11的第二比特流具有比图11的第一比特流更低的帧率。低分辨率比特流具有比高分辨率比特流更低的帧率，但与高分辨率比特流具有相同的GOP大小。换句话说，通过增加连续GOP之间的时间间隔来最小化图11的重新组织的第二比特流中的内帧的数量。因此，由于在预先解码之后被发送的图11的重新组织的第二比特流中的内帧的数量与图10的重新组织的第二比特流相比减小了，因此为视频流传输业务提供更小的带宽是可能的。参照图11，由于第二比特流具有第一比特流的一半帧率，但是在每一GOP中具有与第一比特流相同数量的帧，因此第二比特流中GOP之间的时间间隔是第一比特流中GOP之间的时间间隔的两倍。在这种情况下，通过帧间编码获得第二比特流中的H(2)帧。与在第一实施例中相同，对于第一比特流的每两个GOP，第二比特流与第一比特流共享内帧710。超比特流包含第一和第二比特流。当接收到对具有352×288分辨率的视频序列的请求时，视频流传输业务提供器通过截除共享的内帧710的一些比特来创建内帧730，通过在第一比特流中截除间帧720和非共享的内帧750来创建在第二比特流中包括内帧730和间帧740的重新组织的第二比特流，随后将重新组织的第二比特流发送到视频解码器。尽管以上描述了使用GOP之间的时间间隔并且共享内帧来调整将被发送的比特流中的内帧的数量，但是可根据帧率而不共享任何内帧仅通过改变比特流中的GOP之间的时间间隔来调整内帧的数量。
如图10和11所示的共享内帧是用于去除具有不同分辨率和(或)帧率的多个比特流之间的冗余的有效途径。由于通常不取决于视频编码算法来执行根据本发明第一或第二实施例的技术，因此使用内帧和间帧编码方案将所述技术应用到大多数的可分级视频编码算法。
尽管以上描述了通过截除第一比特流中的内帧的一些比特来获得重新组织的第二比特流中的内帧以下采样或降低分辨率，在保持第一比特流中的内帧的分辨率的同时，也可获得包括第一比特流中的内帧和第二比特流中的间帧的重新组织的第二比特流。该方法在非可分级AVC视频编码算法中是有用的，在非可分级AVC视频编码算法中很难调整帧的分辨率。当使用AVC视频编码产生图11的第一和第二比特流时，重新组织的第二比特流可包括第一比特流中的内帧710和第二比特流中的间帧740。在这种情况下，视频解码器重构并下采样内帧710，并且在重构间帧740中将间帧用作参考帧。
如上所述，单一视频序列被转换为具有不同分辨率的至少一个视频序列，随后使用可分级视频编码来编码所述至少一个视频序列，并且可分级比特流的所有或一些(除了内帧)被组合为超比特流。可分级视频编码算法从小波变换的帧中的低通子带中获得低分辨率视频序列。实际上，通过执行小波变换获得的低分辨率帧趋向于清晰图像，使得MCTF很难，从而降低视频编码效率。因此，传统的基于MPEG的下采样可被用于获得较柔和的低分辨率视频序列。在这种情况下，对于使用基于小波方法的基于MPEG的下采样的最佳组合，可使用基于小波方法下采样和上采样帧，随后使用基于MPEG的视频编码下采样帧。
同时，在图10和11中显示的本发明第一和第二实施例中，通过对用于产生第一比特流的视频序列执行基于小波的下采样来获得的视频序列，使用可分级视频编码将获得的视频序列编码为第二比特流。在这种情况下，为了以第二分辨率(352×288分辨率)提供视频流传输业务，视频流传输业务提供器截除超比特流的不必要的比特，留下不包括内帧的第二比特流和包含在第一比特流中的整个间帧或者其部分。随后，为了从第一比特流中的内帧获得第二分辨率内帧，视频流传输业务提供器从第一分辨率(704×576)内帧去除高通子带，第一分辨率内帧包括通过执行小波变换获得的具有第二分辨率的四个子带(一个低通子带以及三个高通子带)。然而，由于使用基于MPEG的方案下采样视频序列中的每一帧引起较基于小波的下采样更柔和的图像，因此从通过基于MPEG的下采样获得视频序列产生第二比特流可提供获得比从通过基于小波下采样获得视频序列更好的编码效率和提高的图像质量。
在这种情况下，可通过使用基于小波的下采样和基于MPEG的下采样，而不是通过仅使用基于MPEG的下采样对视频编码产生视频序列。即，使用基于小波的方法可将帧下采样为更低分辨率并且上采样为更高分辨率，随后使用基于MPEG的方案将帧下采样为更低分辨率。现在将参照图12来描述此方法的细节。
图12是用于解释根据本发明实施例的产生平滑参考帧的方法的示图。
在图12中，D和U分别表示下采样和上采样，下标W和M分别表示基于小波和基于MPEG的方案。F、FS和FL分别表示高分辨率帧、低分辨率帧以及高分辨率帧中的低通子带。
为了获得低分辨率比特流，使用基于小波的方法，紧接着使用基于MPEG的下采样，视频序列首先被下采样为较低分辨率，随后下采样的版本被上采样为较高分辨率。随后使用可分级视频编码对通过执行基于MPEG的下采样获得的低分辨率视频序列编码。当低分辨率帧Fs是帧内编码帧时，低分辨率帧Fs不被包含在比特流(超比特流)中，而是从包含在超比特流中的高分辨率内帧F中获得。即，为了获得平滑低分辨率内帧Fs，使用基于小波的方案对高分辨率内帧F进行下采样随后进行上采样，以获得接近原始高分辨率间帧F，紧接着进行基于MPEG的下采样。高分辨率内帧F经受小波变换和量化，随后被组合为超比特流。在发送到解码器之前由预解码器截除超比特流的一些比特。通过截除高分辨率内帧F的高通子带，获得高分辨率内帧F中的低通子带FL。换句话说，低通子带FL是高分辨率内帧F的下采样版本DW(F)。接收了低通子带FL的解码器使用基于小波的方法对其进行上采样，并且使用基于MPEG的方案对上采样的版本进行下采样，从而获得平滑内帧。
此概念被如下概括。在使用下采样方案A从高分辨率视频序列获得低分辨率视频序列之后，高分辨率和低分辨率视频序列被分别编码为高分辨率和低分辨率比特流，随后它们被组合为超比特流。在这种情况下，超比特流包括高分辨率比特流中的所有帧以及仅低分辨率比特流中的间帧(除了内帧)。为了从低分辨率超比特流重构低分辨率视频序列，截除超比特流的不必要的比特。不必要的比特包括高分辨率比特流中的间帧、非共享的内帧以及共享的内帧的高通子带。在截除之后，高分辨率比特流中的共享的内帧以及低分辨率比特流的间帧的低通子带留在超比特流中。在从接收的超比特流中的低通子带重构内帧之后，视频解码器使用方案A对重构的内帧上采样，对上采样的版本进行下采样，从而创建将在重构低分辨率间帧中使用的参考帧。这里，下采样方案A可以是在Doc.N3908中描述的基于MPEG的下采样滤波，或者是通常在图像滤波中使用的双三次滤波器。
此技术应用到视频以及静止图像的编码。例如，为了使通过基于小波的下采样获得的清晰图像看上去柔和，可使用基于小波的方案对图像进行上采样，随后使用基于MPEG的方案对其进行下采样。
图13示出根据本发明实施例的用于提供视频流传输业务的处理。
参照图13，该处理包括以下步骤：
1、在示例性实施例中，可分级视频编码器910将单个视频序列转换为多个具有各种分辨率和(或)帧率的视频序列，并将所述多个视频序列编码为多个可分级比特流。
2、将所述多个可分级比特流一起组合为单个超比特流。稍后将参照图14更详细地描述比特流的结构。
3、将超比特流发送到预解码器920。
4、用户使用视频解码器930请求视频序列，以及与视频序列相关的分辨率、帧率和图像质量。可按相反的顺序执行步骤3和4。
5、接收对分辨率、帧率和图像质量的请求的预解码器920根据请求截断超比特流的不必要的比特。
6、其后，预解码器将得到的超比特流发送到视频解码器930。
7、视频解码器从接收到的超比特流中重构视频序列。
可根据视频流传输业务的类型改变预解码器920的位置。在一个实施例中，当预解码器920位于视频流传输业务提供器一方时，视频流传输业务提供器包括可分级视频编码器910和预解码器920。当使用视频解码器930从用户接收对视频序列以及与视频序列相关的分辨率、帧率和图像质量的请求时，预解码器920对与用于发送到视频解码器930的视频序列对应的超比特流进行预解码。因此，穿过流传输业务提供器和用户之间的网络来发送移除了不必要的比特的超比特流。
在另一实施例中，视频流传输业务提供器包括预解码器920，并从包括可分级视频编码器910的内容提供器接收超比特流。可基于有线或无线来在线发送超比特流，或通过存储介质离线发送超比特流。在视频流传输业务提供器处在存储装置(未示出)中存储接收的超比特流。当使用视频解码器930从用户接收到对视频序列的请求时，视频流传输业务提供器对用于与请求的视频序列匹配的超比特流的存储装置进行搜索，并截断找到的用于向用户发送的超比特流的不必要的比特。
在另一实施例中，预解码器920位于用户方。当视频流传输业务提供器还包括预解码器920时，以与当预解码器920位于视频流传输业务提供器方相同的方式运行预解码器920。当视频流传输业务提供器不包括预解码器920时，在视频流传输业务提供器方的可分级视频编码器910从视频序列中生成超比特流。当接收用户对视频序列的请求时，视频流传输业务提供器基于有线或无线将与视频序列对应的超比特流发送到用户。
在另一实施例中，预解码器920根据期望的分辨率、帧率和图像质量截断超比特流的不必要的比特，并从得到的超比特流中重构视频序列。当超比特流中不存在具有期望的分辨率和帧率的视频序列时，截断不包括较高分辨率和帧率比特流的剩余比特流的比特。选择的比特流可具有最接近于期望的分辨率的分辨率。
图14示出根据本发明实施例的超比特流的结构。
为了获得超比特流，首先将一个视频序列转换为具有各种分辨率的多个视频序列，其后使用可分级视频编码方案将其压缩为多个比特流。将多个比特流一起组合成为超比特流。每个比特流包含在视频压缩期间获得的运动矢量以及关于以及经历嵌入式量化的小波系数的信息。
超比特流包括超比特流头1000和第一到第n比特流1010-1到1010-n。超比特流头1000包括关于超比特流的各种所需信息。例如，所述信息可包括超比特流中的比特流的数量以及关于内帧的共享的信息。
第一比特流1010-1包含对原始最高分辨率视频序列编码获得的信息。比特流头1020包含关于包括长度、分辨率、帧率和GOP的数量的第一比特流的各种所需信息。GOP头1030包含诸如每一个GOP中的帧的数量或GOP大小的GOP信息。GOP头1030之后跟随帧#1至帧#n(1040-1至1040-n)。当GOP结束时，还以帧跟随的GOP头开始下一GOP。
帧#11040-1是在最多的可分级视频编码算法中作为帧间编码的帧(称为I帧或A帧)的GOP的第一帧。帧头1050包含指定帧类型的信息和关于诸如长度的帧的所需信息，在后面跟随低通子带1060和高通子带1070。低通子带1060表示通过对经过将小波变换应用于帧获得的低频分量(LL图像)执行嵌入的量化获得的纹理图像。高通子带1070表示通过对使用小波变换获得的高频分量(LH和HH图像)执行嵌入的量化获得的纹理图像。帧#11040-1还包括运动矢量信息(未示出)。
现将结合超比特流的结构来描述图10和图11所示的低频内帧的共享。具有最高分辨率的第一比特流1010-1包含关于初始视频序列中的所有帧的信息，而具有较低分辨率的第二比特流1010-2不包含内帧。可按各种方式将超比特流处理为第二比特流1010-2。在一个实施例中，截断不包括第一比特流1010-1和第二比特流1010-2的内帧的超比特流的剩余部分。在重构和下采样第一比特流的内帧之后，在解码器方重构第二比特流的帧。
在另一实施例中，截断不包括第一比特流1010-1和第二比特流1010-2的内帧的超比特流的剩余部分，并截断来自第一比特流1010-1中的内帧中的每一个的高通子带。在解码器部分，重构第一比特流1010-1中的内帧中的剩余低通子带，其后上采样并下采样重构的低通子带，以创建用于重构其它间帧的参考帧。与前者相比，后者减少了需要发送到解码器方的比特流中的数据量。
产业上的可利用性
如上所述，本发明能够以良好的图像质量和高视频编码效率对联播进行视频编码，并可使用视频编码进行视频流传输业务。
此外，根据本发明，可改善用于视频流传输业务的视频编码算法的效率。
此外，本发明改善诸如由视频流传输业务提供的视频流以及各个(静止)图像的质量。
根据详细描述，本领域技术人员应理解，在基本不脱离本发明的原理的情况下，可对示例性实施例进行许多改变和修改。虽然使用多个可分级视频编码算法参照视频流传输业务提供器示出和描述了本发明，但可使用可分级视频编码和非可分级视频编码方案的组合传递视频流传输业务。因此，公布的本发明的示例性实施例仅用于一般的描述性意义，而非限制的目的。应理解，在不以任何方式脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种替换、修改和替代。

Claims (7)

1.一种重构视频序列的方法，包括：
接收压缩的视频序列，对压缩的视频序列执行逆量化和逆变换，并对内帧进行重构；
对内帧进行滤波，从而在重构间帧中将内帧用作参考帧；以及
通过使用内帧的滤波的版本作为参考来重构间帧。
2.如权利要求1所述的方法，其中，通过下采样或上采样内帧来执行内帧的滤波。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过使用基于小波的方法对重构的内帧上采样并使用基于MPEG的方案对内帧的上采样的版本下采样来执行内帧的滤波。
4.一种从压缩的视频序列中重构原始视频序列的设备，该设备包括：
接收器，接收压缩的视频序列；
解码器，通过对压缩的视频序列解码来对内帧进行重构；以及
滤波器，对重构的内帧滤波，从而在重构间帧中使用内帧作为参考，
其中，解码器通过使用内帧的滤波的版本对压缩的视频序列解码来重构间帧。
5.如权利要求4所述的设备，其中，通过下采样或上采样内帧来执行内帧的滤波。
6.如权利要求5所述的设备，通过使用基于小波的方法对重构的内帧上采样，并使用基于MPEG的方案对内帧的上采样的版本下采样。
7.如权利要求6所述的设备，其中，解码器通过对压缩的视频序列执行逆量化并对通过执行逆量化获得的变换系数执行逆空间变换来重构内帧，滤波器对重构的内帧滤波，在对压缩的视频序列执行逆量化并对通过执行逆量化获得的变换系数执行逆空间变换之后，解码器使用内帧的滤波的版本作为参考来重构间帧。
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