CN1943241A - 用于接收视频数据的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的设备和方法防止在通信信道上发生传输速率波动时对图像质量的一致性造成负面影响。本发明依赖于这样的观念：从全质量视频信号到基本质量视频信号、从基本质量视频信号到全质量视频信号的转变应该是逐渐转变而不是突然转变。在基本层和增强层(或多个增强层)的解码视频信号被合并以形成单个输出视频信号之前，可以通过将混合因子应用到这些解码视频信号的电路来实现混合处理。由于解码处理的延迟时间，在接收视频数据中发生转变的时刻与全质量视频信号中发生转变的时刻之间将存在自然延迟。在该时间间隔期间，该混合因子可以被逐渐改变，以便降低所述转变的可视性。优选地，在这个自然延迟之外提供额外的延迟。这样使得该设备能够进一步平滑所接收视频数据中的质量转变的影响。

Description

用于接收视频数据的设备和方法
本发明涉及一种用于接收视频数据的设备，该视频数据包括基本层数据和至少一个增强层数据，该设备被设置成对基本层数据和增强层数据进行延迟，该设备还被设置成将基本层数据和增强层数据解码成全质量视频信号，该设备还被设置成仅将基本层数据解码成基本质量视频信号。
本发明还涉及一种包含这样一种设备的家庭无线连接系统。
本发明还涉及一种接收视频数据的方法，该视频数据包括基本层数据和至少一个增强层数据，其中，基本层数据和增强层数据被延迟，其中基本层数据和增强层数据被解码成全质量视频信号，并且其中基本层数据被解码成基本质量视频数据。
大家都广泛地认识到数字电视技术变得越来越重要。利用数字电视技术，所传输的电视节目的图像质量可以得到明显的增强。这样的改善可以通过提高所传输图像的分辨率来实现。例如，普通模拟电视的有效分辨率大约是512×400像素，而数字电视的分辨率可以达到1920×1080像素或者更高。
数字电视信号的传输由对带宽并且对数字电视发送器和接收器的存储要求造成很大负担的大数据流组成。为了减小这些带宽和存储要求，人们尝试对数据流进行压缩，以便在不损失图像质量的情况下发送更少的数据。例如，广泛采用的压缩方案是MPEG-2和MPEG-4，它们是由运动图像专家组(MPEG)推广的国际标准。MPEG-2和MPEG-4压缩方案降低了视频流的比特率，因而可以在给定的通信和存储能力的情况下传输最大数量的视频信息。
这样的压缩方案的问题在于，高分辨率视频的解码要求的计算复杂度比低分辨率视频所要求的大得多。其结果是高分辨率解码器比低分辨率解码器的价格高很多，并且如今低分辨率解码器依然具有可观的市场份额。此外，高分辨率视频要求更高的比特率，如果传输能力受限的话，这可能是一个主要的问题。其中传输能力有限并且可用带宽可能发生波动的典型应用是家庭无线连接和在因特网上流送视频。由于这些原因，人们期望提供对于以低分辨率视频格式和高分辨率视频格式传送相同视频内容的支持。
以两种格式实现视频内容传输的技术的示例是所谓的空间可扩展视频编码方案或者双层视频编码方案。双层视频编码采用表示低分辨率视频内容的基本层和一个或更多表示高分辨率视频内容的增强层。基本层可以在比增强层比特率低得多的情况下传输，因此基本层的通信和存储要求非常低。较低能力的接收器可以例如接收基本层，而较高能力的接收器可以额外地接收增强层。概括地说，期望拥有一种具有多层的系统，该系统包括一个基本质量层和至少一个附加层，其中每一个附加层为前一层增加一个质量级。
US 6,510,177公开了一种双层视频编码方案，其被增强以便降低高分辨率视频表示的压缩效率的损失，该损失与利用相同总比特率但没有双层结构对高分辨率视频进行单独编码相对。这是通过利用在基本层中传输的运动矢量对增强层进行解码来实现的。
应当注意，被限定为比特流的视频流或视频数据流必须被解码，从而产生包括图像序列的解码视频信号。双层视频编码方案的好处是，当传输速率波动时，例如在第一时刻显示全质量视频信号(基本层+增强层)并且由于在第二时刻通信信道不能传输整个视频流而接着在第二时刻显示基本质量视频信号(仅有基本层)时，在接收侧会有显著的质量转变。不久后，当通信信道又可以传输整个视频流，还会有从基本质量视频信号到全质量视频信号的显著质量转变。特别是在使用传输能力受限的连接(例如家庭无线连接)时，这些质量转变可能对用户感知的图像质量一致性产生负面影响。
本发明的一个目的是提供一种用于接收所阐述类型的视频流的设备和方法，该设备和方法防止在发生传输速率波动时对图像质量一致性造成负面影响。该目的是通过提供一种以权利要求1的特征部分为特征的设备来实现的。该目的还通过提供一种以权利要求9的特征部分为特征的方法来实现。
本发明所依赖的观念是：从全质量视频信号到基本质量视频信号以及从基本质量视频信号到全质量视频信号的转变应该是逐渐的转变而不是突然的转变。该混合处理可以通过电路来实现，在基本层和增强层(或多个增强层)的解码视频信号被合并以形成单个输出视频信号之前，该电路在这些解码视频信号上应用混合因子。
由于解码处理的延迟时间，因此在所接收视频数据发生转变的时刻与全质量视频信号发生转变的时刻之间存在一个自然的延迟。在这个时间间隔期间，所述混合因子可以逐渐地改变，以便降低所述转变的可见度。最好在这个自然的延迟之外还提供一个额外的延迟。这使该设备能够进一步平滑所接收视频数据中的质量转变的影响。
权利要求2中限定的实施例被设置成：当在第一时刻仅接收到基本层数据并且在随后的时刻既接收到基本层数据又接收到增强层数据时，将该基本质量视频信号与该全质量视频信号相混合。
权利要求3中限定的实施例提供了额外的延迟元件，所述元件被设置成对基本层数据和增强层数据进行延迟。这对进一步平滑传输波动期间的质量转变是有益的；所述延迟元件引入了除了已经由解码处理导致的“自然的”延迟之外的额外延迟。
权利要求4中限定的实施例提供了实现根据权利要求1的设备的一个示例。这个实施例包括第一乘法单元、第二乘法单元和加法单元，其中第一乘法单元被设置成将混合因子应用于基本质量视频信号，其中第二乘法单元被设置成将互补混合因子应用于全质量视频信号，并且该加法单元被设置成将所得到的基本质量输出信号与所得到的全质量输出信号组合成单个输出信号。
权利要求5中限定的实施例提供了根据权利要求4的设备的另一种实现方式，该设备进一步被设置成随着时间的推移来适配混合因子，其中当不再接收到增强层数据时，该设备被触发以增大该混合因子；并且其中当再次接收到增强层数据时，该设备被触发以减小该混合因子。
在权利要求6中限定的实施例中，基本质量视频信号表示相对低分辨率的图像序列，并且全质量视频信号表示相对高分辨率的图像序列。
在权利要求7中限定的实施例包括空间锐度增强单元，该空间锐度增强单元被设置成扩展(scale-up)基本质量视频信号，并且该空间锐度增强单元进一步被设置成改善由该基本质量视频信号表示的图像的空间锐度。通过这种方式，基本质量视频信号的质量被改善，从而全质量视频信号和基本质量视频信号之间的质量转变将不那么显著。
由于根据本发明的设备特别适合应用于家庭无线连接系统，因此权利要求8限定的家庭无线连接系统包含这样一个设备。
下面将结合附图对本发明进行详细的说明，其中：
图1描述了一种用于传输数字视频流的已知系统；
图2描述了已知的双层视频解码器；
图3描述了根据本发明的双层视频解码器；
图4描述了已知的双层视频解码器，其包括用于改善锐度的电路；
图5描述了根据本发明的双层视频解码器，其包括用于改善锐度的电路；
图6描述了与图5描述的双层视频解码器相应的时序图。
图1描述了一种已知的传输数字视频流的系统。在发送侧有发送器100，其包括分层视频编码器102。该分层视频编码器102包括基本层模块106和增强层模块108。基本层模块106对视频流进行编码以便以相对较低的比特率传输该视频流并且提供所谓的基本层，同时保持视频流中的已编码图像的基本质量。增强层模块108通常关于对图像的补充信息(例如比基本层更多的像素)进行编码，并且提供至少一个增强层。代替地，该系统中可以存在多个增强层模块，每一个对与视频流中的图像有关的补充信息进行编码。发送器100从视频源104接收其输入，该视频源可以是数字视频摄影机或者是能够产生数字视频图像的另一个设备。
发送器100通过通信信道110将编码的视频流发送到接收器112。编码的视频流可以由各种信号组成，每一个信号表示视频流的一层(基本层或增强层)。可以在某一时间单位内传输的层的数量取决于通信信道110的可用带宽。在某些时刻，所有层可以被成功地发送，而在其他时刻，只有基本层可以被发送。采用适当的通信协议来保证基本层总是被正确地发送到接收器112，从而接收器总是能够对至少基本质量图像流进行解码。假设存在基本层并且只有一个增强层，那么通信协议可以具有如下形式：
-发送基本层；
-如果确认基本层被接收，然后发送增强层，否则重新发送所丢失的基本层分组直到确认基本层被接收或者直到时间用完；
-如果确认增强层被接收，那么继续发送视频流中的连续图像，否则重新发送所丢失的增强层分组，直到确认增强层被接收或者时间用完。
在接收侧，由包括分层视频解码器114的接收器12接收携带视频流的相应层的信号。分层视频解码器114包括基本层解码器模块118和增强层解码器模块120。基本层解码器模块118将基本层流解码成包括具有基本质量的图像序列的解码基本层视频信号。增强层解码器模块120对一个或多个包含补充图像信息的增强层流进行解码，得到一个或多个解码增强层视频信号。分层视频解码器114将解码基本层视频信号与解码增强层视频信号(或多个解码增强层视频信号)合并，即分层视频解码器将基本层解码器模块118的输出和增强层解码器模块的输出合并成包含全质量图像序列的单个输出视频信号。
视具体情况而定，传输速率波动可能发生，并且某一时刻的可用带宽不足以既传输基本层流也传输增强层流(或多个流)。在实时应用(例如流送视频)中，如果在某一时间段内传输速率相当低，那么上述通信协议确定仅基本层流被传输。在图像序列中，可能出现第一图像具有全质量并且随后的图像仅具有基本质量的情况。这对于输出视频信号的图像质量一致性上具有明显的负面效果。从具有基本质量的图像转变回到具有全质量的图像可能也具有这样的负面效果，虽然由于视频质量的改善没有视频质量的下降那么烦人因而这个效果不是很强。尽管如此，在后面的情况中，最好平滑质量转变，以使视频信号具有相对恒定的图像质量。
图2描述了已知的双层视频解码器114a，其是分层视频解码器114的示例。该双层视频解码器114a包括：
-基本层解码器200，其对作为输入信号B接收的基本层流进行解码，从而得到解码基本层视频信号；
-扩展单元202，其将解码基本层视频信号扩展到更高分辨率；
-增强层解码器204，其对作为输入信号E来接收的增强层流进行解码，从而得到解码增强层视频信号；
-加法单元206，其将扩展后的解码基本层视频信号与解码增强层视频信号合并，以便形成具有全质量的单个输出视频信号。
最终得到的视频信号作为输出信号O被输出。应当注意，信号E优选地被传输，但不总是被传输。如果信号E由于例如可用带宽不足而未被传输，那么输出信号O仅由基本质量视频信号形成，该基本质量视频信号由扩展后的解码基本层视频信号形成。从具有全质量的第一图像到具有基本质量的后续图像的质量转变可能非常突然并且可能在具有其他恒定质量的图像序列中表现为粗糙的变化。
图3描述了根据本发明的双层视频解码器114b。在这种情况下，双层视频解码器114b包括现有技术解码器114a的所有部件200、202、204和206。另外，双层视频解码器114b包括乘法单元300和302以及另一个加法单元306。或者，该双层视频解码器可以包括另一种类型的混合设备(未图示)。第一乘法单元300接收扩展后的解码基本层视频信号以作为第一输入信号(其表示基本质量图像)，并且其接收表示混合因子的第二输入信号β。混合因子β的值可以在一个表中限定；该混合因子β被定义为时间的函数。第二乘法单元302接收与解码增强层视频信号合并在一起的扩展后的解码基本层视频信号以作为第一输入信号(其表示全质量图像)，并且其接收表示互补混合因子的第二输入信号1-β。
从全质量视频信号逐渐转变到基本质量视频信号(并反之亦然)可以通过随时间的推移不断地调节所述混合因子来实现。这个技术可以通过下面简化的示例(未图示)来说明：
-在第一时刻(即T1)既接收信号B也接收信号E，在这种情况中，β的值被设置为0：一个完整的全质量视频信号被输出，以作为第一输出信号O1；
-在第二时刻(即T2)仅接收信号B，在这种情况中，β的值可以被设置为“0.5”：一半全质量视频信号与一半基本质量视频信号合并在一起，以形成第二输出信号O2(应当注意，全质量视频信号必须是借助于例如被包括在基本层解码器200和增强层解码器204中的缓冲器单元(未示出)、利用从T1保留的解码基本层和增强层视频信号构成的)；
-在第三时刻(即T3)再次仅接收信号B，在这种情况中，β的值可以被设置为1：完整的基本质量视频信号被输出以作为第三输出信号O3。
从上面的示例可以看出，质量转变现在在两个步骤中发生，而利用现有的视频解码器114a将在单个步骤中发生。这使得输出视频信号的质量转变更为平缓。很明显，可以利用更多步骤来使质量转变尽可能平缓。实际上，混合因子β将在许多小步骤中变化，从而该变化类似于连续的变化而不是多个离散的调节步骤。
根据本发明的视频解码器114b实现了质量转变的精细调节；所述精细调节的程度取决于具体流送视频应用的质量要求。
图4描述了已知的双层视频解码器114c，其包括用于改善锐度的电路402。这是视频解码器的一个示例，其利用空间锐度改善技术来改善输出图像的锐度。这些技术可以采用峰化和瞬态改善的形式。市场上可以获得用于此目的的已知技术，例如商标为Pixel Plus的技术。与解码增强层视频信号组合在一起的扩展后的解码基本层视频信号与经过扩展并且经过空间锐度改善的解码基本层视频信号合并。
图5描述了根据本发明的包括用于锐度改善的电路402的双层视频解码器114d。在该例中，双层视频解码器114d还包括乘法单元300和302。第一乘法单元300接收经过扩展并且经过空间锐度改善的解码基本层视频信号以作为第一输入信号(其表示经过锐度改善的基本质量图像)，并且接收表示混合因子的第二输入信号β。第二乘法单元302接收与解码增强层视频信号组合在一起的扩展后的解码基本层视频信号以作为第一输入(其表示全质量图像)，并且还接收表示互补混合因子的第二输入信号1-β。同样地，从全质量视频信号逐渐转变到经过锐度改善的基本质量视频信号(反之亦然)可以通过随着时间的推移稳定地调节该混合因子来实现。
此外，双层视频解码器114d可以配备有延迟元件308和310。这些延迟元件308和310通过延迟基本层信号B和增强层信号E来促进所述混合处理。经延迟的信号可以被用来进一步改善从全质量视频信号到基本质量视频信号(反之亦然)的平缓转变。
图6描述了与图5所示的双层视频解码器114d相对应的时序图。基本层输入信号B和增强层输入信号E被延迟了相同的时间量τ1。当增强层输入信号E被中断(例如由于可用带宽不足)时，视频解码器114d被触发，以便逐渐把混合因子β从0增加到1，从而实现上述的从全质量视频信号到基本质量视频信号的逐渐转变。如上所述，通过利用延迟τ1来延迟基本层输入信号B和增强层输入信号E，可以使质量转变更加平缓。延迟后的增强层输入信号E’表示被延迟了τ1的增强层输入信号E。
延迟后的增强层输入信号E’(也被称为延迟增强层流)被解码成解码增强层视频信号E’dec。这个解码处理还引入一个延迟τd，其是由解码和缓冲处理引起的“自然”延迟。由于其中出现质量转变的时间间隔被减小，因此质量转变变得不那么明显，并且图像质量的一致性得到明显的提高。由于明确的延迟τ1和“自然”延迟τd，实际的质量转变将在时间间隔τ2中发生，而不是在时间间隔τ1+τd+τ2中发生，正如从时序图中看到的那样。通过在时间间隔τ3内逐渐减小混合因子β，可以使得从基本质量视频信号回到全质量视频信号的质量转变不那么明显。
在此描述的技术可以与其他技术组合，例如可以与将基本层信息分解为两个或更多包以及将增强层分解为两个或更多包的方法组合。因此，通信协议被适配成单独传输这些基本层包和增强层包。再次假设存在基本层并且只有一个增强层，则通信协议可以具有以下形式：
-发送基本层的第一包；
-如果确认基本层的第一包已被接收，接着发送基本层的第二包，否则重新发送基本层的第一包中的丢失分组，直到确认基本层的第一包已被接收或者直到时间用完；
-如果确认基本层的第二包已被接收，接着发送增强层的第一包，否则重新发送基本层的第二包中的丢失分组，直到确认基本层的第二包已被接收或者直到时间用完；
-如果确认增强层的第一包已被接收，接着发送增强层的第二包，否则重新发送增强层的第一包中的丢失分组，直到确认增强层的第一包已被接收或者直到时间用完；
-如果确认增强层的第二包已被接收，接着继续到视频流中的后续图像，否则重新发送增强层的第二包中的丢失分组，直到确认增强层的第二包已被接收或者直到时间用完。
应当注意，本发明的保护范围不限于在此描述的实施例。本发明的保护范围也不受权利要求中的附图标记限制。“包括”一词不排除权利要求中描述的那些部件以外的其他部件。元件前的“一个”不排除多个这样的元件。形成本发明的一部分的装置可以以专用硬件的形式或者以编程的通用处理器的形式来实现。本发明在于每一个新颖特征或者特征组合。

Claims (9)

1、一种用于接收视频数据的设备(114b、114d)，该视频数据包括基本层数据(B)和至少一个增强层数据(E)，该设备(114b、114d)被设置成延迟该基本层数据(B)和该增强层数据(E)，该设备(114b、114d)还被设置成将该基本层数据(B)和该增强层数据(E)解码成全质量视频信号，该设备(114b、114d)还被设置成仅将该基本层数据(B)解码成基本质量视频信号，其特征在于：该设备(114b、114d)被设置成在第一传输波动发生时逐渐混合所述全质量视频信号和基本质量视频信号，所述第一传输波动被定义为在第一时刻接收该基本层数据(B)和该增强层数据(E)并且在随后的时刻仅接收该基本层数据(B)。
2、如权利要求1所述的设备(114b、114d)，其中，当在第一时刻仅接收所述基本层数据(B)并且在随后的时刻接收基本层数据(B)和增强层数据(E)时发生第二传输波动，该设备(114b、114d)被设置成当第二传输波动发生时逐渐混合所述基本质量视频信号和全质量视频信号。
3、如权利要求1所述的设备(114b、114d)，该设备(114b、114d)包括第一延迟元件(308)和第二延迟元件(310)，其中第一延迟元件(308)被设置成延迟所述基本层数据(B)，并且其中第二延迟元件(310)被设置成延迟所述增强层数据(E)。
4、如权利要求1所述的设备(114b、114d)，该设备包括第一乘法单元(300)、第二乘法单元(302)和加法单元(306)，其中第一乘法单元(300)被设置成将混合因子(β)应用到所述基本质量视频信号，第二乘法单元(302)被设置成将互补混合因子(1-β)应用到所述全质量视频信号，该加法单元(306)被设置成将所得到的基本质量输出信号与所得到的全质量输入信号组合在一起以形成单个输出信号。
5、如权利要求4所述的设备(114b、114d)，该设备还被设置成随着时间的推移适配所述混合因子(β)，其中当不再接收到增强层数据(E)时，该设备被触发以便增大该混合因子(β)，并且当再次接收到增强层数据(E)时，该设备被触发以便减小该混合因子(β)。
6、如权利要求1所述的设备(114b、114d)，其中，所述基本质量视频信号表示分辨率相对较低的图像序列，并且其中所述全质量视频信号表示分辨率相对较高的图像序列。
7、如权利要求1所述的设备(114b、114d)，该设备(114b、114d)进一步包括空间锐度改善单元(402)，该空间锐度改善单元(402)被设置成扩展所述基本质量视频信号，该空间锐度改善单元(402)还被设置成改善由该基本质量视频信号表示的图像的空间锐度。
8、一种家庭无线连接系统，其包括根据权利要求1的设备(114b、114d)。
9、一种用于接收视频数据的方法，该视频数据包括基本层数据(B)和至少一个增强层数据(E)，其中该基本层数据(B)和该增强层数据(E)被延迟，其中该基本层数据(B)和该增强层数据(E)被解码成全质量视频信号，并且其中该基本层数据(B)被解码成基本质量视频信号，其特征在于：该方法在第一传输波动发生时逐渐混合所述全质量视频信号和基本质量视频信号，第一传输波动被定义为在第一时刻接收所述基本层数据(B)和增强层数据(E)并且在随后的时刻仅接收基本层数据(B)。
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