CN1968415A - 对压缩的视频信号的处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于处理压缩的视频信号以除去分块假象的方法和设备，包括：解压缩视频信号以提供原始解码信号和量化参数QP；确定围绕所关注的像素C的像素的样本的平均值、最大值和最小值；将平均值、最大值和最小值、量化参数和随机数A输入到逻辑电路3中，以确定是否对所关注的像素的值施加抖动信号，使得仅在低空间细节的区域中施加抖动信号，其中具有低空间细节的区域由最大值和最小值的差小于第一预定阈值来表示，并且其中量化参数高于第二预定阈值。

Description

对压缩的视频信号的处理
技术领域
本发明涉及对可以是视频和/或音频信号的压缩信号的处理。
背景技术
MPEG是众所周知的信号压缩格式，但是某些版本的MPEG易受分块假象(blocking artefact)的影响。在MPEG压缩/解压缩的视频信号中通常有两种类型的分块假象。在空间上高度活动的图片区域中，当量化达到高水平时会出现分块，并且没有足够的离散余弦变换(DCT)系数来代表图片的完整细节。可以通过可位于编码器和解码器预测回路(prediction loop)内的空间低通滤波器，或者可以通过作为对压缩的视频信号进行解码之后的后处理操作的空间低通滤波器，来减少这种类型的分块。
第二种类型的分块有时被称为最低有效位(LSB)马赛克噪声(block noise)或“色调分离(posterisation)”。这种第二类型的分块出现在空间上不活动的图片区域中，即没有细节但是存在亮度和/或颜色的精细变化的区域，诸如天空。在源信号中，通常存在着倾向于掩藏亮度差和色差信号仅改变一个最低有效位(LSB)的图像区域之间的轮廓的少量噪声。然而，对于除了极低量化因子外的量化因子，在压缩处理中会除去该噪声。在最普通的工作条件下，即在普通比特率下，这些不活动区域中的每个分块是在没有任何AC系数的情况下进行编码的，因而被解码成具有恒定亮度差和色差信号的分块。空间低通滤波器不能消除这种类型的分块假象，因为不存在该滤波器能够除去的频率分量，即，该滤波器的输出将会改变与输入相同的LSB。因此，任何这样的滤波器都无法触及该分块假象。
该问题存在于以小于10比特的数字表示视频分量信号的所有基于分块的压缩系统中，例如，MPEG-2、MPEG-4 part 2、MPEG-4 part 10(主类(main profile))和SMPTE421M(VC-1)全都使用8比特数字用于亮度和色度信号。然而，在压缩算法本身中也存在着能够影响色调分离效果的可见度的差别。已经发现在MPEG-2和MPEG-4 part 2系统中，该问题的严重性要轻于诸如MPEG-4 part 10和VC-1的更高级的编码算法。原因是逆向DCT较小的不精确度以及MPEG-2和MPEG-4 part 2中定义的失配控制(mismatch control)算法，在被解码的图片中重新引入了少量噪声，其中该图片倾向于将LSB分块噪声掩藏到一定程度。由于在MPEG-4 part 10和VC-1中的变换和逆变换是精确定义的整数运算，所以采用这些系统的变换不会受到DCT不精确的影响，因此不需要失配控制。由于MPEG-4 part 10和VC-1具有比特精确的逆变换，所以它们能够经受许多预测阶段(predictiongeneration)而不需要内编码图片。缺点是因为没有在解码处理中加入噪声，所以不能掩藏LSB噪声。
发明内容
本发明试图克服关于MPEG-4 part 10和VC-1编码系统的上述缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种如本文的权利要求1所述的方法。
根据本发明的第二方面，提供了一种如本文的权利要求6所述的设备。
本发明的优选特征由从属权利要求定义。
附图说明
现将参考附图，以举例的方式来描述本发明，在附图中：
图1以图形的形式示出了具有抖动的输出视频信号如何比原始解码视频信号更接近围绕所关注的像素的像素的平均值，并且
图2以示意性框图的形式示出了用于实现根据本发明的方法的设备。
具体实施方式
通过使用称为“抖动”的系统添加少量噪声来掩藏图像中的轮廓假象(contouring artefact)是已知的。抖动是在信号变量的动态范围低于观察者/收听者的感觉的音频和视频处理两者中使用的众所周知的信号处理技术。在已知系统中，在编码信号时采用抖动。
相区别地，本发明针对解码信号。在解压缩之后遭遇的困难是，如果应用抖动，则可能不容易控制抖动的量。即，可能不容易决定应该在图像中的何处以及在什么样的条件下加入特定量的抖动噪声。如果不管图片内容和量化因子如何而加入恒定量的抖动噪声，那么这将会不合需要。
在本发明中，仅在具有低空间细节的区域中并且仅在局部量化因子(local quantization factor)高于预定阈值的情况下施加抖动。局部量化因子被赋给宏块，即四个8×8像素构成的分块。因此，抖动幅度取决于局部量化因子。
是否应该施加抖动以及抖动信号的极性，是以如下方式受到控制的：使得最终输出信号的空间平均值是比原始信号更接近周围像素的平均值的近似值。
图1是具有相对于时间的DC亮度坐标轴的图形表示，其中曲线(a)代表MPEG原始解码信号，曲线(b)代表所关注的像素的周围像素的平均值，而曲线(c)示出了被施加了抖动的输出视频信号。从这些曲线中可以观察出，尽管抖动信号是随机的，但是1和0的概率是取决于周围像素的平均值而变化的，从而产生使最低有效位水平之间变化更平滑的平均值。人类眼睛观察到的正是该平均值，因为人类的视觉系统倾向于“过滤掉”抖动噪声。
现参考图2，其示出了用于执行本发明的硬件的一个实施例。压缩的视频信号在终端1处被施加给MPEG解码器2。使用线延迟(linedelay)和像素延迟10-17的矩阵，来分析以当前像素C为中心而围绕的3×3像素的图像区域，并且逻辑电路21-23计算周围像素的最大值、最小值和平均值。这些值连同当前像素C、局部量化参数QP和由随机数发生器4生成的随机数A一起被馈送给抖动逻辑电路3。
考虑以下3×3像素的矩阵。
S00        S10        S20
S01        C          S21
S02        S12        S22
其中Sxx是当前处理的像素C上方、下方、左边和右边的周围像素。
从这些像素中，计算以下中间变量，它们是8比特的亮度值。
Max＝maximum(S00..S22)
Min＝minimum(S00..S22)
Mean＝∑(S00..S22)/8
P＝Mean-C
If(P＜0)then
    P＝-P
    Sign＝-1
else
    Sign＝1
注意平均值和P都是浮点变量。
这样，P是样本C相对于周围像素的极性的表示，并且将会是正或负值。
在上述实例中，抖动幅度被固定为1 LSB并且可取决于周围像素是正或负值。抖动信号除去LSB噪声。如果当前像素信号在周围像素平均值的1 LSB之内，则P将代表应该施加抖动校正的概率。此外，如果施加了抖动信号，则抖动信号应该等于值“sign”。然而，仅当3×3像素块不包含更高幅度的细节时，即，当max-min＜3，表示存在例如天空的简单景象并且平均像素亮度与像素C亮度的差别很小时，才施加抖动信号。此外，还要求量化参数必须高于预定阈值。这些条件确保仅在将使LSB噪声可视的那些图片区域中施加抖动噪声。
If((P＜1)AND(A＜P)AND((Max-Min)＜3AND(QP＞T))then
    dither＝Sign
else
    dither＝0
其中
A＝在0和1之间具有均匀的概率密度的随机数
QP＝量化参数
T＝为了施加抖动信号，QP必须超过的阈值
这个后面的计算由抖动逻辑电路3执行，然后抖动逻辑电路3在终端5处提供由下式给出的视频输出信号Vop
Vop＝C+dither
注意为了有效地降低LSB分块噪声，应对所有三个视频分量信号Y、Cr和Cb独立地施加上述算法。
由抖动逻辑电路3执行的计算被设置成去除LSB分块噪声。然而，本领域的技术人员将会理解，上面定义的阈值和幅度可以如下方式变化：更高幅度的分块噪声可由更高幅度的抖动信号处理。
在图2中，可以有典型为1个时钟脉冲的各种采样延迟10-15和一条线的延迟16、17，以便提供样本S00-S22的适当的定时(timing)。逻辑电路21计算样本S00-S22的平均值，逻辑电路22计算样本S00-S22的最大值，而逻辑电路23计算样本S00-S22的最小值。来自逻辑电路21-23的输出、当前像素C和从MPEG解码器2输出的量化参数QP，连同上述的随机数A一起全部被输入到抖动逻辑电路3中。

Claims (9)

1.一种处理压缩的视频信号的方法，其包括下列步骤：解压缩所述视频信号以提供具有围绕所关注的像素(C)的像素的亮度样本的原始解码信号(a)，计算所述样本的平均值、最大值和最小值，以及将所述样本的所述平均值、最大值和最小值，连同所关注的像素(C)的值、量化参数(QP)和随机数(A)一起施加到逻辑电路(3)，其中仅在场景中具有低空间细节的区域中对所关注的像素的值施加抖动信号，并且其中，所述量化参数高于预定阈值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述样本是从直接围绕所关注的像素的样本的矩阵中取得的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述抖动信号的幅度被固定为一个有效位。
4.如权利要求1所述的方法，其中，仅在像素矩阵的亮度样本的最大值和最小值之间的差不超过3的情况下，施加所述抖动信号。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述视频信号包括亮度差和色差分量，并且每个分量被解压缩并被施加了所述抖动信号。
6.一种设备，其包括：
视频解码器装置(2)，其被设置成输出原始解码信号(a)和量化参数(QP)；
采样延迟装置(10-15)和线延迟装置(16、17)，其被设置成对围绕所述原始解码信号(a)的感兴趣的像素的像素进行采样；
平均值计算装置(21)，其被设置成计算样本像素的平均值；
第一比较器装置(22)，其被设置成确定所述样本像素的最大值；
第二比较器装置(23)，其被设置成确定所述样本像素的最小值；
随机数发生器装置(4)；和
逻辑装置(3)，其被设置成在以下情况下对感兴趣的像素施加抖动：
所述平均值和感兴趣的像素的值之间的差小于1；
由所述随机数发生器产生的随机数小于所述平均值和感兴趣的像素的值之间的差；
所述最大值和所述最小值之间的差小于第一阈值；并且
所述量化参数(QP)大于第二阈值。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述第一阈值为3。
8.如权利要求6或7所述的设备，其中，所述采样延迟装置和线延迟装置被设置成对直接围绕感兴趣的像素的像素进行采样。
9.如权利要求6所述的设备，其中，所述抖动信号的幅度被固定为一个有效位。
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