TW201637442A - 用於具有增強動態範圍之超高傳真信號的向後相容編碼 - Google Patents

用於具有增強動態範圍之超高傳真信號的向後相容編碼 Download PDF

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Abstract

具有超高傳真(UHD)解析度和高或增強動態範圍(EDR)資料兩者的視頻資料被編碼在一向後相容分層流中，其允許傳統解碼器提取一HD標準動態範圍(SDR)信號。回應於一基本層HD SDR信號，使用單獨的亮度和色度預測模型來產生一預測信號。在亮度預測器中，預測信號的亮度像素值係僅基於基本層的亮度像素值來計算出，而在色度預測器中，預測信號的色度像素值係基於基本層的亮度和色度像素值兩者來計算出。殘留信號係基於輸入UHD EDR信號和預測信號來計算出。基本層和殘留信號被單獨地編碼以形成編碼的一位元流。也提出一種相容雙層解碼器。

Description

用於具有增強動態範圍之超高傳真信號的向後相容編碼 【交叉參考相關應用】
本申請書主張於2013/1/2申請之美國臨時申請書第61/748,411號；於2013/5/8申請之美國臨時申請書第61/821,173號；及於2013/9/26申請之美國臨時專利申請書第61/882,773號的優先權，於此藉由引用其全文來合併所有這些內容。
本發明一般關於影像。尤其是，本發明之實施例關於向後相容編碼和解碼具有增強動態範圍的高傳真信號。
音頻和視頻壓縮在多媒體內容的發展、儲存、分佈、及消費方面是關鍵元素。壓縮方法的選擇涉及在編碼效率、編碼複雜性、與延遲之間的折衷。隨著處理功率對計算成本之比增加，允許發展能更有效壓縮之較複 雜的壓縮技術。作為一實例，在視頻壓縮中，來自國際標準組織(ISO)的動態圖形專家小組(MPEG)已藉由發表MPEG-2、MPEG-4(第2部分)、及H.264/AVC(或MPEG-4，第10部分)編碼標準來繼續改進原本的MPEG-1視頻標準。
儘管H.264的壓縮有效率和成功，但稱為「高效視頻編碼(HEVC)」的新一代視頻壓縮技術目前正在發展。草稿在2012年7月之由B.Bross、W.-J.Han、G.J.Sullivan、J.-R.Ohm、及T.Wiegand的「High efficiency video coding(HEVC)text specification draft 8」ITU-T/ISO/IEC聯合合作團隊視頻編碼(JCT-VC)文件JCTVC-J1003(其藉由引用其全部內容而併入本文中)中可得知的HEVC預計將透過發表為「Advanced Video Coding for generic audio-visual services」ITU T Rec.H.264和ISO/IEC 14496-10(本文中併入其全部內容)之現有的H.264(也稱為AVC)標準來提供提高的壓縮能力。
視頻信號可以多個參數為特徵，如位元深度、色彩空間、色域、及解析度。現代的電視和視頻錄放裝置(例如，藍光播放器)支援各種解析度，包括標準傳真(例如，720×480i)和高傳真(HD)(例如，1920×1080p)。超高傳真(UHD)是具有至少3,840×2,160解析度(稱為4K UHD)和高達7680×4320(稱為8K UHD)之選項的下一代解析度格式。超高傳真也可稱為Ultra HD、UHDTV、或超高視域。如本文所使用，UHD表示高於HD解析度的任何解析度。
視頻信號之特徵的另一種態樣是動態範圍。動態範圍(DR)是影像中的強度(例如，光度、亮度)之範圍，例如，從最暗的暗色到最亮的亮色。如本文所使用，「動態範圍」(DR)之術語可有關人類精神性視覺系統(HVS)的能力以感知影像中的強度(例如，光度、亮度)之範圍，例如，從最暗的暗色到最亮的亮色。就此意義而言，DR有關「涉及情境」的強度。DR也可有關顯示裝置的能力以充分地或大致地呈現特定寬度的強度範圍。就此意義而言，DR有關「涉及顯示」的強度。除非明確地指明特定意義在本文之說明中的任何點上具有特別重要的意義，否則應推論可以任一意義(例如，可互換地)來使用此術語。
如本文所使用，高動態範圍(HDR)之術語有關跨距人類視覺系統(HVS)之一些14-15個量階的DR寬度。例如，具有基本上正常之適應良好的人類(例如，就統計、生物特徵量測或眼科之一或更多意義而言)具有跨距約15個量階的強度範圍。適應的人類可感知少到僅僅少量光子之昏暗的光源。然而，這些相同的人類在沙漠、海洋或雪地中可感知正中午太陽之接近痛苦的明亮強度(或甚至匆匆一瞥太陽，但非常簡短地以防止損傷)。雖然此跨距可用於「適應的」人類，例如，其HVS具有其中用以重設和調整之時間週期的那些人類。
反之，人類可透過其同步地感知強度範圍之擴展寬度的DR可能相對於HDR稍微縮短。如本文所使用，「增強動態範圍」(EDR)、「視覺動態範圍」、或「可變動態範圍」(VDR)之術語可單獨地或互換地關於可被HVS同步地感知的DR。如本文所使用，EDR可有關跨距5-6個量階的DR。因此，儘管也許相對於涉及真實情境的HDR稍微較窄，但EDR仍然代表寬廣的DR寬度。如本文所使用，「同步動態範圍」之術語可有關EDR。
為了支援與傳統錄放裝置的向後相容性以及新HDR或UHD顯示技術，可使用多個層以將UHD和HDR(或EDR)視頻資料從上游裝置傳送至下游裝置。給定上述多層流，傳統解碼器可使用基本層來重建HD SDR的內容版本。進階解碼器可使用基本層與增強層兩者來重建UHD EDR的內容版本以將其呈現於更相容的顯示器上。如由這裡的發明人所了解，渴望用於編碼UHD EDR視頻的改進技術。
在本章節中說明的方法是可被實行的方法，但不一定是先前已設想出或被實行的方法。因此，除非另有說明，否則不應假設在本章節中說明的任一方法僅因其包括在本章節中而稱為習知技術。同樣地，針對一或更多方法所識別的問題不應假設為已基於本章節而在任何習知技術中被認出，除非另有說明。
100‧‧‧編碼器
130‧‧‧基本層編碼器
160‧‧‧增強層編碼器
102‧‧‧EDR信號
104‧‧‧SDR信號
128‧‧‧SDR信號
132‧‧‧位元流
140‧‧‧色度預測器
145‧‧‧亮度預測器
150‧‧‧升取樣器
167‧‧‧殘留信號
155‧‧‧非線性量化器
200‧‧‧解碼器
215‧‧‧BL解碼器
217-Y‧‧‧亮度成分
240‧‧‧亮度預測器
250‧‧‧色度預測器
245‧‧‧降取樣器
210‧‧‧EL解碼器
212‧‧‧EDR殘留信號
220‧‧‧非線性解量化器
300‧‧‧編碼系統
320-A‧‧‧交錯器
332‧‧‧基本層信號
320-B‧‧‧交錯器
350‧‧‧反交錯器
400‧‧‧解碼器系統
460‧‧‧反交錯器
602-624‧‧‧步驟
650‧‧‧程序
本發明之實施例在附圖之圖中係經由舉例而非限制方式來繪示出，且其中相同參考數字係指類似元件，且其中：第1圖描繪根據本發明之實施例之UHD EDR編碼系統的示範實作；第2圖描繪根據本發明之實施例之UHD EDR解碼系統的示範實作；第3圖描繪根據本發明之實施例之第1圖所示的系統之變化，其中基本層包含交錯信號；第4圖描繪根據本發明之實施例之第2圖的解碼系統之變化，其中基本層包含交錯視頻信號；第5圖描繪根據本發明之實施例之用於增強層中的殘留信號之非線性量化器的示範實作；第6A圖描繪根據本發明之實施例之殘留像素的適應性預量化程序；及第6B圖描繪根據本發明之實施例之用以對殘留信號設定非線性量化器的下或上輸入邊界的適應性程序。
本文說明了具有增強動態範圍的超高傳真信號之向後相容編碼。給定輸入視頻信號，其可以兩個信號來表示：一個信號，具有超高傳真(UHD)解析度和高或 增強動態範圍(EDR)、及另一信號，具有UHD(或較低)解析度和標準動態範圍(SDR)，這兩個信號被編碼在向後相容分層流中，其允許傳統解碼器提取HD標準動態範圍(SDR)信號及允許新式解碼器提取UHD EDR信號。
在下面的說明中，為了說明之目的，提出許多具體細節以提供本發明的全面性了解。然而，將清楚明白無需這些具體細節便可實現本發明。在其他情況下，未詳盡說明熟知的結構和裝置以免不必要地模糊本發明。
概要
本文所述之示範實施例關於具有增強動態範圍的超高傳真信號之向後相容編碼和解碼。給定由兩個信號表示之輸入視頻信號：一個信號，具有超高傳真(UHD)解析度和高或增強動態範圍(EDR)、及另一信號位於UHD(或較低)解析度和標準動態範圍(SDR)，這兩個信號被編碼在向後相容分層流中，其允許傳統解碼器提取HD標準動態範圍(SDR)信號及允許新式解碼器提取UHD EDR信號。回應於基本層HD SDR信號，使用單獨的亮度和色度預測模型來產生預測信號。在亮度預測器中，預測信號的亮度像素值係僅基於基本層的亮度像素值來計算出，而在色度預測器中，預測信號的色度像素值係基於基本層的亮度和色度像素值兩者來計算出。殘留信號係基於輸入UHD EDR信號和預測信號來計算出。基本 層信號和殘留信號被單獨地編碼以形成編碼的位元流。
在另一實施例中，接收器解多工收到的分層位元流以產生在HD解析度和標準動態範圍(SDR)中之編碼的基本層(BL)流、及在UHD解析度和增強動態範圍(EDR)中之編碼的增強層流。使用BL解碼器來解碼編碼的BL流以產生HD解析度和標準動態範圍中之解碼的BL信號。回應於解碼的BL信號，產生預測EDR信號，其中預測信號之亮度成分的像素值係僅基於解碼的BL信號之亮度像素值來預測，且預測信號之至少一個色度成分的像素值係基於解碼的BL信號之亮度和色度值兩者來預測。使用EL解碼器來解碼編碼的EL流以產生解碼的殘留信號。回應於解碼的殘留信號和預測信號，也可產生輸出UHD EDR信號。
在另一實施例中，增強層中的殘留信號在被非線性量化器量化之前被適應性地預處理。在一實施例中，若圍繞殘留像素值之像素的標準差低於臨界值，則殘留像素值被預量化為零。
在另一實施例中，非線性量化器的輸入範圍係根據具有非常大或非常小的像素值之殘留像素的像素連接性之測量來限制；在另一實施例中，非線性量化器的參數係基於跨場景中的連續訊框序列之殘留像素的極值來設定。
用於超高傳真EDR信號的編碼器
現有的顯示和錄放裝置(如HDTV、機上盒、或藍光播放器)通常支援高達1080p HD解析度(例如，每秒60個訊框1920×1080)的信號。針對消費者應用，這類信號現在通常使用為亮度-色度色彩格式的每色彩成分每像素8位元之位元深度來壓縮，其中色度成分通常具有比亮度成分更低的解析度(例如：YCbCr或YUV 4：2：0色彩格式)。由於8位元深度及對應低動態範圍，因此這類信號通常稱為具有標準動態範圍(SDR)的信號。
隨著發展新的電視標準(如超高傳真(UHD))，可能希望將具有增強解析度及/或增強動態範圍的信號編碼為傳統HDTV解碼器和較新式UHD解碼器皆能處理的格式。
第1圖描繪支援具有增強動態範圍(EDR)之UHD信號之向後相容編碼的系統之示範實作的實施例。編碼器包含基本層(BL)編碼器(130)和增強層(EL)編碼器(160)。在一實施例中，BL編碼器130是傳統編碼器，如MPEG-2或H.264編碼器，且EL編碼器160是新式標準編碼器，如HEVC編碼器。為了支援傳統BL解碼器，BL編碼器130通常是8位元編碼器；然而，EL編碼器160可支援具有較高位元深度(如10位元)的輸入流，如H.264和HEVC標準所規範。然而，此系統可適用於已知或未來編碼器(無論是標準為基或專用的)的任何組合。
如第1圖所示，輸入信號(如電影或電視廣播)可表示為兩個信號：UHD EDR輸入(102)和UHD SDR輸入(104)。例如，UHD EDR信號(102)可以是HDR照相機所擷取且對EDR顯示色彩分級的4K(例如，3840×2160)解析度信號。也可對4K SDR顯示色彩分級相同的信號以產生對應4K SDR信號104。另外，可藉由對EDR信號施用本領域中已知之色調映射或顯示管理技術的任一技術來產生SDR信號104。不失一般性，這些輸入信號通常都可使用16位元或相同(例如，浮點)位元深度表示來表現於RGB色彩空間中。如本文所使用，N位元信號之詞表示具有一或更多色彩成分(例如，RGB或YCbCr)的影像或視頻信號，其中這些色彩成分之任一者(例如，Y)中的每個像素係以N位元像素值來表示。給定N位元表示，每個上述像素可取0與2N-1之間的值。例如，在8位元表示中，針對每個色彩成分，每個像素能取0與255之間的值。
在一實施例中，UHD SDR信號104可被降取樣成HD SDR信號(例如，1080p)，其接著被色彩轉換成適用於使用傳統8位元編碼器編碼的色彩格式，例如，為8位元YCbCr 4：2：0色彩格式。上述轉換可包含色彩轉換(如RGB至YCbCr轉換115-C)及色度次取樣(例如，4：4：4至4：2：0轉換120-C)。因此，HD SDR信號128代表原始UHD EDR信號102的向後相容信號表示。信號128可被BL編碼器130編碼以產生向後相容編 碼的位元流132。BL編碼器130可使用任何已知或未來視頻壓縮演算法(如MPEG-2、MPEG-4、part2、H.264、HEVC、VP8等等)來壓縮或編碼HD SDR信號128。
給定UHD EDR信號102，降取樣(110-A)和色彩轉換程序(115-B和120-B)可將UHD EDR信號102轉換成參考預測HD EDR信號124。在一較佳實施例中，在此階段中的降取樣和色彩轉換程序(110-A、115-B、和120-B)(例如，選定濾波器和色彩空間)應等同於或儘可能地接近用以產生基本層中之HD SDR信號128的降取樣和色彩轉換程序(110-B、115-C、和120-C)。
在UHD EDR至HD EDR轉換之後，HD EDR信號124的輸出被分成亮度(Y 124-Y)和色度(CbCr 124-C)成分，其可適用於為亮度預測器145和色度預測器140決定預測係數。
給定HD SDR信號128，BL編碼器130不僅產生編碼的BL位元流132，而且產生當被對應BL解碼器解碼時表示HD SDR信號128的BL信號126。在一些實施例中，可藉由在BL編碼器130之後的分離BL解碼器(未示出)來產生信號126。在一些其他實施例中，可從用以在BL編碼器130中進行移動補償的反饋迴路產生信號126。如第1圖所示，HD EDR信號126的輸出可被分成其亮度(Y 126-Y)和色度成分(CbCr 126-C)，其可施用於亮度預測器145和色度預測器140以預測HD EDR的信號147。
在一實施例中，亮度預測器145可包含多項式預測器，用以基於基本層HD SDR信號126-Y的亮度像素值來預測HD EDR之信號147的亮度成分。在上述預測器中，可預測亮度像素成分而無需考量信號的任何其他色彩成分中的任何像素值。例如，令gi表示BL HD SDR信號(126-Y)的亮度像素值，則，不失一般性，三階多項式預測器可表示為 其中ak、bk、和ck是預測器係數。在一實施例中，可藉由本領域中已知的任何最小化誤差技術來決定預測器係數，如最小化預測值()與參考HD EDR信號(124-Y)中的亮度像素值(s i )之間的均方誤差(例如，∥s i -∥2)。
在一實施例中，色度預測器140也可以是多項式預測器，類似於前面所描述的預測器；然而，在一較佳實施例中，色度預測器140包含多色通道、多元迴歸(MMR)預測器，如G-M Su等人於2012/4/13申請之PCT申請書第PCT/US2012/033605號(公開號為WO2012/142471)的「Multiple color channel multiple regression predictor」中所描述的預測器，於此藉由引用其全文來合併之。MMR預測器使用來自HD EDR參考信號124和基本層HD SDR信號126中的亮度和色度像素值兩者之資訊來預測HD EDR之信號的色度成分。也可使用藉由最小化 預測色度值與參考HD EDR信號124的亮度和色度像素值之間的MSE之均方誤差最小化技術來決定MMR模型中的預測係數。
由於HD SDR信號126和參考HD HDR信號124皆為YCbCr 4：2：0格式，這裡的亮度成分之空間解析度是每個色度成分之空間解析度的兩倍，因此這兩個信號的亮度成分在施用於色度預測器140之前被降取樣(135-A和135-B)。在一較佳實施例中，使用於亮度降取樣135-A和135-B的濾波器與使用於4：4：4至4：2：0處理(120)的色度降取樣濾波器相同。可以各種各樣的有關時間間隔(如每個場景、每組圖片、或每個訊框)來更新亮度和色度預測係數。預測濾波器係數可藉由各種各樣方法(如將其值嵌入位元流中作成輔助資料或元資料)來傳遞至解碼器。
給定預測HD EDR之信號147，升取樣器150產生UHD EDR之信號152，其係用以產生殘留信號167。因為UHD EDR之信號為較佳編碼格式(例如，YCbCr 4：2：0)，因此可能需要額外的色彩轉換(115-A)和色度降取樣(120-A)步驟來將原始UHD EDR信號102從原始格式(例如，RGB)轉換成為較佳編碼格式的UHD EDR信號122。減去信號122和152以建立EL殘留信號167。
在一實施例中，色彩轉換(115-A)和色度次取樣程序(120-A)等同於或儘可能地接近用以產生BL 編碼的信號128和預測信號124的色彩轉換(115-B和115-C)和色度次取樣程序(120-B和120-C)。
在一實施例中，在藉由EL編碼器160來編碼EL信號167之前，信號可被非線性量化器(NLQ)155處理。適當的非線性量化器之實例可在於2012/4/24申請之PCT專利申請書第PCT/US2012/034747號(公開號為WO2012/148883)的「Non-Linear VDR Residual Quantizer」中發現，於此藉由引用其全文來合併之。可使用EL編碼器160來壓縮NLQ 155的輸出以產生可被傳送至適當解碼器之編碼的EL位元流162。再者，在一些實施例中，殘值(167)也可在空間上被降取樣模組(未示出)降取樣。上述降取樣(例如，在這兩個維度上的2或4之因數)提高了編碼效率，特別是以極低的位元率。可在非線性量化器(155)之前或之後進行降取樣。
EL編碼器160可以是任何適當的編碼器，如MPEG-2、MPEG-4、H.264、HEVC規範等等所描述的那些編碼器。在一實施例中，BL編碼的位元流132、EL編碼的位元流162、及有關編碼處理的元資料(例如，預測參數或查找表)可被多工成單一位元流(未示出)。
如第1圖所示，在一較佳實施例中，最好在色彩格式轉換(115-B和120-B或115-C和120-C)之前施用降取樣(110-A或110-B)；然而，在一些實施例中，可在色彩轉換之後進行降取樣。例如，在一實施例中，可直接從UHD EDR YCbCr信號122接收對110-A的 輸入，因此，消除了對進行色彩轉換處理115-B和120-B以產生HD EDR參考信號124的需要。同樣地，能在色彩轉換步驟120-C之後進行降取樣110-B。
在一些實施例中，編碼器100已可得到為正確解析度和色彩格式的基線HD SDR信號128。在這種情況下，可略過降取樣(110-B)和色彩轉換步驟(115-C和120-C)。
在一些實施例中，可得到比16位元更低或更高精度的UHD EDR信號102；然而，預期其精度會高於8位元(例如，10位元或12位元)。同樣地，已可得到低於16位元(例如，8位元或10位元)之精度的UHD SDR信號104。
用於超高傳真EDR信號的解碼器
第2圖描繪支援具有增強動態範圍(EDR)之UHD信號之向後相容解碼的系統之示範實作的實施例。回應於編碼器(例如，100)所傳送的編碼信號，解碼器200接收並解多工編碼的位元流，其包含至少兩個編碼的子流：編碼的BL流132和編碼的EL流162。
編碼的BL流132包含能使用BL解碼器215來解碼的HD SDR信號(217)。在一實施例中，BL解碼器215與BL編碼器130相配。例如，針對具有現有之廣播和藍光標準的向後相容性，BL解碼器215可符合MPEG-2或H.264編碼規範之一或更多者。在BL解碼215 之後，HD SDR解碼器可對解碼的HD SDR信號217施用額外的色彩轉換(270)以將輸入信號從適用於壓縮的色彩格式(例如，YCbCr 4：2：0)轉化成適用於顯示的色彩格式(例如，RGB 4：4：4)。具有增強解析度及/或EDR顯示能力的接收器可結合來自BL和EL位元流(132和162)兩者的資訊以產生如第2圖所示之具有增強動態範圍的UHD信號(例如，232)。
在BL解碼215之後，解碼的信號217被分成其亮度(217-Y)和色度(217-C)成分。亮度成分(217-Y)被亮度預測器240處理以產生用於HD EDR之信號255的亮度估計值。亮度和色度成分也被色度預測器250處理以產生用於HD EDR之信號255的色度估計值。在一實施例中，在藉由色度預測器來處理亮度信號217-Y之前，被降取樣器245次取樣，如此它匹配色度成分的解析度。亮度和色度預測器(240和250)匹配編碼器100中的亮度和色度預測器(145和140)。由此，亮度預測器240可以是多項式預測器，而色度預測器可以是MMR預測器。在一實施例中，可使用嵌入於收到之編碼位元流中的元資料來決定這些預測器的特性和濾波器參數。在亮度和色度預測步驟(240和250)之後，上取樣(260)預測的HD EDR之信號255以產生UHD EDR之信號265。
給定編碼的位元流162，EL解碼器210解碼它以產生UHD EDR殘留信號212。EL解碼器210與EL編碼器160相配。若編碼器100對殘值167施用非線性量 化器155，則藉由施用非線性解量化器(NLDQ)220來反向非線性量化程序以產生解量化殘值222。若編碼器(100)對殘值(167)施用空間降取樣，則在NLDQ(220)之前或之後的空間升取樣器(未示出)可升取樣解碼的殘值(例如，212或222)至其適當的空間解析度。藉由將殘值222加上(225)UHD EDR之估計值265，解碼器200可產生匹配編碼器所傳送的UHD EDR信號122之解析度和色彩格式(例如，4：2：0 YCbCr)的UHD EDR信號227。依據目標應用，一組色彩轉換(230)可將UHD EDR信號232轉換成適用於顯示或其他處理的格式。在一實施例中，給定YCbCr 4：2：0信號227，色彩轉換230在YCbCr至RGB色彩轉換步驟之前，可包含4：2：0至4：4：4色度升取樣步驟。
編碼和解碼混合的漸進式和交錯格式
儘管愈來愈多採用漸進式視頻信號(例如，720p或1080p)，但廣播交錯視頻信號(例如，1080i)在視頻廣播方面仍相當的普遍。在另一實施例中，第3圖描繪UHD EDR編碼系統(300)之另一實例，其使用漸進式與交錯格式之混合來支援層編碼。在一實例中，BL信號(332)被編碼為交錯格式(例如，1080i或2160i)，而EL信號(162)被編碼為漸進式格式(例如，2160p)。
編碼系統(300)共享編碼系統(100)的大 部分功能，因此在此章節中，將只討論這兩個系統之間的主要差異。如第3圖所示，在基本層處理中，SDR信號(104)被色彩轉換成適用於使用BL編碼器(130)編碼的色彩格式(例如，4：2：0 YCbCr)。在一示範實施例中，BL編碼器(130)的輸出(332)可包含交錯SDR信號。交錯器(320-A)可應用本領域所知的任何交錯和降取樣技術以將漸進式輸入(128)轉換成基本層信號(332)之期望編碼解析度的交錯信號(例如，1080i)。
與系統(100)相比，在增強層中，系統(100)的處理元件(110-A)、(115-B)、和(120-B)可全部替換為交錯器(320-B)。交錯器(320-B)可應用本領域所知的任何交錯和降取樣技術以將漸進式輸入(122)轉換成匹配交錯信號(126)之解析度的交錯信號(124)。在一較佳實施例中，(320-A)和(320-B)的降取樣和交錯功能應等同於或儘可能地彼此接近以降低色彩瑕疵並提高整體影像編碼品質。
系統(300)中的亮度和色度預測(145和140)仍與系統(100)中的相同；然而，它們現在操作於其輸入的各別欄位上，因為信號(124)和(126)現在是交錯信號。
反交錯器(350)也具有雙重功能，它反交錯預測HD EDR之信號(347)，且升取樣它以匹配UHD EDR信號(122)的解析度，於是產生具有與信號(122)相同解析度和格式的預測UHD EDR之信號(152)。系 統(300)中的殘值(167)之處理仍與對系統(100)所述之處理相同。
在一些實施例中，SDR信號104可能已為交錯格式，接著交錯器(320-A)可替換為降取樣器。若輸入信號(104)已被交錯且位於適當解析度，則可消除交錯器(320-A)。
在一實施例中，輸入信號(102)和(104)都可以是HD解析度信號(例如，1080p)。然後，系統(300)的輸出可包含編碼的交錯HD(例如，1080i)基本層信號(332)和編碼的漸進式HD(例如，1080p)殘值(162)。
在一實施例中，BL信號(332)和殘值(162)兩者可位於相同解析度但為混合格式。例如，BL信號(332)可編碼為2160i，而EL信號(162)可編碼為2160p。
第4圖描繪用於解碼混合格式編碼器(300)所產生之信號的解碼器系統(400)之示範實作的實施例。系統(400)幾乎與解碼器系統(200)相同，除了下面的差異以外：a)解碼的BL信號(417)現在是交錯視頻信號，b)亮度和色度預測器(240和250)操作於交錯信號(417)和(247)的欄位上，及c)預測HD EDR之信號(455)是交錯信號。
反交錯器(460)符合系統(300)中的反交錯器(350)之功能；因此它反交錯和升取樣交錯HD EDR之信號(455)，使得其輸出、UHD EDR之信號(465)具有與解碼的錯誤殘留信號(222)相同的解析度和格式。
如先前所述，系統(300)在非線性量化器(155)之前或之後也可包括EL路徑中的空間降取樣模組(未示出)。在這種情況下，在解碼器(400)中，在NLDQ(220)之前或之後的空間升取樣器可用以將解碼的殘值(212)復原為其適當的空間解析度。
亮度範圍驅動的適應性升取樣
如第1圖所示，在亮度和色度預測步驟(140、145)之後，預測HD EDR之信號(147)以2的因數來升取樣(150)以產生預測UHD EDR之信號152。也在解碼器(200)中進行類似程序，其中在亮度和色度預測步驟(240、250)之後，預測HD EDR之信號(255)以2的因數來升取樣(260)以產生預測UHD EDR之信號(265)。升取樣器(150)和(260)可包含本領域所知的任何升取樣技術；然而，可藉由採用如本章節所述之亮度範圍驅動的適應性升取樣技術來達到提高的影像品質。
已觀察到原始EDR信號(122)與其預測值(152)之間的預測錯誤(167)可取決於對應SDR信號(104)中的亮度值而不同。亦即，在影像中之明亮或高亮度區域中的殘值(167)顯示與暗色調或中間色調區域 中之殘值不同類型的特性。在一實施例中，SDR輸入的亮度範圍可分成兩個或更多亮度子範圍。適應性升取樣濾波方法可對EDR預測影像的不同像素施用不同的升取樣濾波器，其中每個濾波器係根據SDR影像中的對應像素之亮度子範圍來選擇。識別這些亮度子範圍之各者的臨界值和所使用之濾波器之識別、及/或濾波器係數本身可經由元資料或其他附加資料從編碼器(100)傳遞至解碼器(200)，使得編碼器和解碼器皆可施用相同的升取樣濾波器來提高影像品質。
令表示HD EDR之信號(147)的亮度像素值，這是基於BL編碼器(130)之輸出的亮度值來預測，即，SDR信號sij(126-Y)。令th(i)(i=0、N)表示將像素sij的亮度範圍(0 s ij 1)分成有關N個亮度範圍(N 1)(例如，針對N=3，分成黑色、中間色調、和強光)之一組臨界值。令Hi表示用於在用於有關第i個亮度範圍之步驟(150)或(260)中所使用之第i個(i=1、N)升取樣濾波器的一組濾波器係數，且令f()表示sij或其區域相鄰的函數，則在一實施例中，可根據下面虛擬碼中所表示的演算法1來進行升取樣濾波(例如，150或260)：
演算法1-亮度範圍驅動的升取樣程序//用於N個亮度範圍的升取樣程序
若((f()>=th(0))&&(f()<th(1)))則使用濾波器H1；否則若((f()>=th(1))&&(f()<th(2)))則使用濾波器H2；...否則若((f()>=th(N-1))&&(f()<th(N)))則使用濾波器HN；
在一些實施例中，Hi可表示2-D不可分離濾波器的濾波器係數。在一些其他實施例中，Hi可表示2-D可分離升取樣濾波器的係數，包含但不限於用於水平和垂直升取樣濾波器的係數。濾波器係數Hi可被預先計算且儲存於記憶體中或它們可根據一些影像品質準則被適應性地計算出。例如，在一實施例中，可計算濾波器係數Hi，使得放大濾波器的輸出、預測UHD EDR之信號(152)、與輸入UHD EDR信號(122)之間的均方誤差被最小化。
在一些實施例中，f()可表示有關單一像素值(例如，sij或sij-1)，而在一些其他實施例中，f()可表示圍繞sij之一或更多像素的區域平均或一些其他函數(例如，中位數、最小值、或最大值)。
在一實施例中，可能基於輸入信號的影像統計資料(例如，黑色、中間色調、或強光的平均值)來決定臨界值th(i)。可在每個像素區域基礎、訊框基礎、或在每個場景基礎上計算這些統計資料(例如，具有相似亮度 特性的一組順序圖片)。在一些實施例中，th(i)可迭代地被決定作為濾波設計處理的一部分。例如，考慮濾波器係數Hi係基於一些最佳化準則來計算出的情況，例如，最小化信號(167)的均分誤差(MSE)，則，在一實施例中，演算法2在虛擬碼中說明用以決定被給定兩個邊界臨界值(t_low和t_high)之新臨界值(th*)的示範方法、及臨界值搜尋步驟(步驟)：
演算法2-用於兩個亮度子範圍(N=2)的臨界值決定
Partition_Function(t_low,t_high,step){ j=0；Pth[100]；//可能臨界值的陣列D[100]；//失真值的陣列for(th=t_low,th<=t_high,th=th+step){ Pth(j)=th；將輸入sij像素分成兩個亮度範圍A1和A2，其中針對A1(f()>=t_low)&&(f()<th)及針對A2(f()>=th)&&(f()<t_high)
取得僅考慮A1內之像素的濾波器H1
取得僅考慮A2內之像素的濾波器H2
使用兩個濾波器H1和H2來進行放大以決定放大預測信號(152)
計算D(j)、錯誤殘留信號(167)的MSE
定義D(j)為最小值之Pth(j)的值為最佳臨界值th*：
對所計算的th*計算濾波器係數H1和H2
回傳(th*)；
}
在上面的說明中，t_low和t_high表示可能搜尋臨界值的有關邊界值。例如，在一實施例中，t_low=min(sij)=0且t_high=max(sij)=1(其中1表示標準化最大可能值)，涵蓋可能亮度值的全部範圍；然而，在其他實施例中，邊界值的範圍可能小得多。例如，計算用於在時間t之輸入訊框的臨界值可考慮早先(例如在時間t-1)計算出的臨界值，因此只在以先前臨界值為中心的較小範圍(例如，(th(i)-C、th(i)+C)，其中C是常數)內搜尋。
給定演算法2，在一些實施例中，可使用類似方法來將圖片訊框的亮度範圍再分成使用額外臨界值之亮度範圍的額外分區。在一示範實施例中，可使用下面的演算法(演算法3)來將給定亮度範圍(A,B)再分成兩個或三個亮度子範圍。
演算法3-用於三個亮度子範圍(N=3)的臨界值決定
//對N=2決定臨界值TH*=Partition_Function(A,B,step)D=D(TH*)//使用兩個分區來計算整體失真//嘗試低頻帶中的另一分區TH_L*=Partition_Function(A,TH*,step)DL=D(TH_L*)//使用三個分區來計算整體失真//嘗試高頻帶中的另一分區TH_H*=Partition_Function(TH*,B,step)DH=D(TH_H*)//使用三個分區來計算整體失真若((DL<DH)&&(DL<D))則選擇低頻帶中的分區th[ ]={A,TH_L*,TH*,B}否則若((DH<DL)&&(DH<D))則選擇高頻帶中的分區th[ ]={A,TH*,TH_H*,B}否則兩個分區留在一起th[ ]={A,TH*,B}結束
演算法2和3所計算的臨界值可適用於編碼器(100)和解碼器(200)兩者中的演算法1。在一實施例中，所計算的臨界值可使用元資料來從編碼器(100)傳送至解碼器(200)。
如之前所述，反交錯器(350)和(460)可結合反交錯和升取樣功能兩者。影像處理之領域中的技術人員將了解本文用於升取樣器(150)和(126)的改良設計所述之亮度範圍驅動的方法也可適用於反交錯器(350)和(460)中之升取樣器的設計中。
適應性殘留處理
如第1和3圖所示，在增強層(EL)中，殘留信號(167)可在被EL編碼器(160)壓縮以產生EL流(162)之前被非線性量化等化器(NLQ)(155)處理。不失一般性，第5圖描繪根據本發明之實施例之用於NLQ(155)的示範輸入-輸出關係。
如第5圖所示，令(-Xmax,Xmax)表示將編碼於有關訊框或訊框區中的殘留像素x(167)之像素值範圍。令Level表示量化器之各側中的可用碼字數量(例如，針對x0，Level=128)，則，給定正臨界值T，令
然後，給定輸入殘值x，在範圍(-Xmax,Xmax)內剪輯x之後，第5圖之量化操作可表示為
其中Q(x)表示量化輸出，SL表示(T,Xmax)內的Q(x)斜率，且M表示當殘值x=0時代表輸出碼字的偏移值。臨界值T是相對小的數字且在一些實施例中T=0。
參數T、M、Xmax、和SL可為殘留信號x的每個色彩成分各別定義且可使用元資料來傳遞至接收器。 在一些實施例中，也可為整個訊框、訊框之一或更多分區或子區域、或為一組訊框(例如，場景)定義一或更多的NLQ量化參數。
給定上述量化器，在接收器(例如，(200))上，解量化程序(例如，NLDQ(220))可表示為
其中 R cmp 表示收到(解碼)的殘值(或EL信號(212))，且表示解量化輸出(222)，其也可以是有界限的，例如，在範圍(,)中。
實驗結果已指出結合NLQ(155)之參數的適應性設定的殘留資料(167)之適當預處理可產生EL流的更有效編碼，由此導致降低的編碼瑕疵和更好的整體影像品質。在本章節中，接下來說明三個殘留預處理演算法。
使用標準差度量的殘留預量化
殘留信號(167)的不當量化和編碼(尤其是當以相對低的位元率(例如，0.5Mbits/s)來編碼EL流時)可能導致解碼信號(232)中的塊狀瑕疵。在一實施例中，可藉由適應性地預量化所感知到將位於相對「平 滑」區域中的某些殘留值來減少那些瑕疵。根據本發明之實施例的上述程序實例係描繪於第6A圖中，其中並不限於測量圍繞每個殘留像素之矩形像素區域的平滑度係基於計算此區域中的像素之標準差。
令rfi表示第f個訊框的第i個殘留像素。令此像素位於WσxWσ像素區域中心(例如，Wσ=15)，表示為nfi。之後，在步驟(602)中，用於此像素的標準差σ fi 可被決定為 其中
給定臨界值Tσ，在步驟(606)中，若σ fi <Tσ，則殘留像素rfi可設成預定值(例如，零)。臨界值Tσ可為固定的，或在一較佳實施例中，可依據殘留訊框特性和整體位元率要求被適應性地決定。例如，令Pf表示第f個訊框中的總像素量。令σ fi 表示步驟(602)中計算的標準差值。在步驟(604)中，Tσ可被決定如下：
a)以降序來排序σ fi 以產生排序的列表
b)然後，Tσ是排序列表中的k*Pf值，其中k被定義在範圍(0.0至1.0)中。例如，針對k=0.25，給 定1920×1080訊框，Tσ對應於排序列表中之第518,400個標準差值的值。
用以計算平滑度的其他方法也可包括計算WσxWσ像素的平均數或變異數、或計算基於圍繞每個像素之區域的邊緣圖之度量、或使用本領域所知的任何其他平滑度偵測和決定演算法。
殘留尾端邊界調整
令表示訊框f中的最大正殘留值且令表示訊框f中之最小負殘留值的絕對值。則 且
如第5圖所示，可針對和來決定量化器的輸入邊界(例如，X max=)；然而，實驗結果已顯示出殘留值具有鐘形分佈且通常在接近或的每個訊框中有很少像素。如之前所述，針對第5圖所示之量化器，量化步驟與成比例。針對固定數量的碼字(例如，Level之值)，由於量化造成的失真會直接與Xmax值成比例；因此較小的Xmax值是較佳的。在一實施例中，決定新的、更小的範圍[Th f - Th f +]而不根據或來決定Xmax。在施用NLQ(155)之前，殘留像素值被限制 (或被剪輯)以符合在新範圍[Th f -Th f +]內；其中針對訊框f，Th f +表示用於正殘值的邊界且Th f -表示用於負殘值的邊界。亦即，r fi =clip3(r fi ,Th f -,Th f +),其中clip3( )函數表示大於Th f +的殘留像素值被剪輯成Th f +，且小於Th f -的殘留像素值被剪輯成Th f -。
儘管用於NLQ程序的較小輸入範圍由於量化而產生較小誤差，但殘留信號的無限制剪輯可能產生顯著的瑕疵，因此，有必要根據殘留信號的特性來適應新範圍的選擇。在一實施例中，基於殘留像素值之觀察到的連接性(或稀疏)來適應性地決定這兩個臨界值。亦即，具有極大值的隔離殘留像素可以整體品質的最小影響來剪輯；然而，應適當地編碼所連接殘留像素的像素值。第6B圖中描繪藉由程序(650)之根據本發明之實施例之上述邊界決定程序的示範實作。
程序(650)計算臨界值Th，其滿足等於或大於Th之殘留像素值被認為是稀疏地連接的情況，因此，它們能被剪輯。程序(650)可用以依據輸入殘留值來計算Th f -或Th f +邊界。例如，為了決定Th f +=Th，程序僅考慮正殘留像素值，例如，在範圍(0,)中，
為了決定Th f -=Th，程序僅考慮負殘留像素值 的絕對值，例如，在範圍(0,)中，
在步驟(610)中，程序開始於將初始值設成臨界值Th。因此，給定r fi 的原始邊界(例如，Th_L=0及Th_H=或Th_H=)，在一示範實施例中，初始臨界值可設成已知範圍的中間值，例如，Th=(Th_H+Th_L)/2。
給定臨界值Th，在步驟(612)中，產生二元圖Mf，其中二元圖的元素被計算為
M f (i)=m fi 。
給定Mf，在步驟(614)中，能決定每個二元像素的連接性。例如，在MATLAB中，能使用函數bwconncomp來計算相鄰連接性(例如，鄰域連接的4像素或8像素)。令NC f (i)表示二元影像Mf中之每個像素的相鄰數量，在步驟(618)中，可調整臨界值Th，使得若其連接性超過預定連接性臨界值Tcc(例如，Tcc=5個像素)，則不剪輯任何像素。例如，若跨所有像素的最大像素連接性超過預定連接性臨界值Tcc，則臨界值Th可能增加，否則，就可能減少。例如，使用二元搜尋，若(max{NC f (i)}Tcc)//用於每個像素的最大連接性 超過Tcc Th_L=Th；否則Th_H=Th；Th_old=Th；Th=(Th_H+Th_L)/2； 為了降低計算複雜性，在一實施例中，程序可包括收斂測試步驟(620)。例如，收斂步驟(620)可計算先前(或舊)與新臨界值之間的差值。若其差值大於預定收斂臨界值，則程序再次從步驟(612)以新臨界值繼續。否則，終止並輸出將被使用的最終邊界(例如，Th f +=Th)。
場景為基的非線性量化
如之前所論述，在一些實施例中，可針對下面的參數：Xmax、偏移(例如，M)、和Level來表示非線性量化器(155)(也參見關於第5圖所論述)。在一些實施例中，可能有益於針對一連串訊框(例如，場景)中的殘留像素特性來決定這些參數。
給定用於一連串F訊框的和值，令
那麼，非線性量化器的參數可為整個場景設成 Level=max{(2 EL_bitdeplh -1)-Offset,Offset},且X MAX =(1+△)max{X -,X +},其中EL_bitdepth表示EL編碼器(160)的位元深度(例如，EL_bitdepth=8)且△表示小正值(例如，△=0.1)。在一實施例中，針對色度成分，可使用下面的等式來決定量化Level的數量：
在另一實施例中，和值也可替換為對應Th f +或Th f -值，如之前所計算。
示範電腦系統實作
本發明之實施例可以電腦系統、配置於電子電路和元件中的系統、如微控制器的積體電路(IC)裝置、現場可程式閘陣列(FPGA)、或另一可配置或可程式邏輯裝置(PLD)、離散時間或數位信號處理器(DSP)、專用積體IC(ASIC)、及/或包括上述系統、裝置或元件之一或更多者的設備來實作。電腦及/或IC可 進行、控制或執行關於編碼UHD EDR信號的指令，如本文所述之那些指令。電腦及/或IC可計算關於如本文所述之編碼UHD EDR信號的各種參數或值之任一者。編碼和解碼實施例可以硬體、軟體、韌體及以上之各種組合來實作。
本發明之某些實作包含執行使處理器進行本發明的方法之軟體指令的電腦處理器。例如，顯示器、編碼器、機上盒、轉碼器或之類中的一或更多處理器可藉由執行在可被處理器存取之程式記憶體中的軟體指令來實作關於如上述之編碼UHD EDR信號的方法。本發明也可以程式產品的形式來提出。程式產品可包含攜帶一組電腦可讀信號的任何媒體，這組電腦可讀信號包含當被資料處理器執行時會使資料處理器執行本發明之方法的指令。根據本發明之程式產品可以是各種各樣形式之任一者。例如，程式產品可包含如包括軟碟、硬碟機的磁性資料儲存媒體、包括CD ROM、DVD的光學資料儲存媒體、包括ROM、快閃RAM的電子資料儲存媒體、或之類的實體媒體。程式產品上的電腦可讀信號可選擇性地被壓縮或加密。
除非另有指明，否則這裡的元件(例如，軟體模組、處理器、組件、裝置、電路等)係指上面提到元件(包括提到「工具」)應被解釋為包括與進行所述元件之功能的任何元件等效(例如，功能上等效)的元件，包括不在結構上與進行本發明之所示示範實施例中的功能之 所揭露結構相等的元件。
等效、延伸、替代及雜項
由此說明關於向後相容編碼和解碼UHD EDR信號之示範實施例。在上述說明書中，已說明本發明之實施例關於從實作到實作可能不同的許多具體細節。於是，本發明是什麼、及由申請人擬定成本發明的唯一和排除指示係如在從本申請書發佈的申請專利範圍中所述地規定(以上述申請專利範圍發佈的特定形式)，包括任何後續校正。本文針對包含在上述申請專利範圍中的術語所述之任何明確的定義應規定如使用於申請專利範圍之上述術語的意義。因此，並非限制地，未明確地陳述於申請專利範圍中的元件、特性、特徵、優點或屬性應以任何方式來限定上述申請專利範圍的範圍。由此，本說明書和圖被視為說明性而非限制性意義。
100‧‧‧編碼器
130‧‧‧基本層編碼器
160‧‧‧增強層編碼器
102‧‧‧EDR信號
104‧‧‧SDR信號
128‧‧‧SDR信號
132‧‧‧位元流
140‧‧‧色度預測器
145‧‧‧亮度預測器
150‧‧‧升取樣器
167‧‧‧殘留信號
155‧‧‧非線性量化器

Claims (7)

  1. 一種用於針對在一分層視頻編碼器之一增強層中之殘留像素資料的一非線性量化器以為了針對該殘留像素資料之殘留像素值決定邊界值的方法，其中該邊界值包含一下邊界值和一上邊界值，該方法包含：a)在一殘留圖片訊框中存取該殘留像素值，該殘留像素值用以由該非線性量化器處理；b)設定一臨時上邊界值(Th_H)、一臨時下邊界值(Th_L)以及一第一臨界值，其中該第一臨界值係基於該臨時上邊界值與該臨時下邊界值之平均；c)依據該殘留值是否大於或等於該第一臨界值產生該殘留圖片訊框之一二元圖；d)針對在該二元圖中的像素計算一最大像素連接性；e)依據該最大像素連接性調整該第一臨界值、該臨時上邊界值以及該臨時下邊界值，其中該調整步驟包含：若該最大像素連接性等於或大於一最大連接性臨界值，則設定該臨時下邊界值等於該第一臨界值；若該最大像素連接性低於該最大連接性臨界值，則設定該臨時上邊界值等於該第一臨界值；設定舊的第一臨界值作為該第一臨界值；以及將該第一臨界值設定成該經調整的臨時上及下邊界之平均，用以產生一調整的第一臨界值；f)若經決定該舊的第一臨界值與該調整的第一臨界 值之間的差大於一收斂臨界值，則重復步驟c)、d)及e)，或否則依據該調整的第一臨界值決定該下邊界值或該上邊界值。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該臨時下邊界值為0且該臨時上邊界為在該殘留圖片訊框中的最大正殘留值。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，更包含決定該上邊界值以等於該調整的第一臨界值。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該臨時下邊界為0且該臨時上邊界為在該殘留圖片訊框中最小負殘留值的絕對值。
  5. 如申請專利範圍第4項的方法，更包含決定該下邊界值以等於該調整的第一臨界值。
  6. 一種針對殘留像素資料之正殘留像素值決定一範圍上邊界值的方法，以用於針對在一分層視頻編碼器之一增強層中之該殘留像素資料的一非線性量化器，該方法包含：a)在一殘留圖片訊框中存取該殘留像素值，該殘留像素值用以由該非線性量化器處理；b)設定一第一臨界值，將一臨時上邊界值設定成該最大正殘留值，將一臨時下邊界值設定成0，以及將負殘留像素值設定成0；c)依據該殘留像素值是否大於或等於該第一臨界值產生該殘留圖片訊框之一二元圖； d)針對在該二元圖中的像素計算一最大像素連接性；e1)若該計算的最大像素連接性大於一連接性臨界準則，則增加該第一臨界值，使得該增加的第一臨界值為該第一臨界值與該臨時上邊界值之間的中間點，並且在該增加之前將該第一臨界值設定成該臨時下邊界值，或e2)若該計算的最大像素連接性小於該連接性臨界準則，則減少該第一臨界值，使得該減少的第一臨界值為該第一臨界值與該臨時下邊界值之間的中間點，並且在該減少之前將該第一臨界值設定成該臨時上邊界值；以及f)若經決定在該增加或減少之前該增加的或減少的第一臨界值與該第一臨界值之間的差大於一收斂臨界值，則重復步驟c)、d)、e1)及e2)，或否則將該第一臨界值輸出為用於該非線性量化器之正殘留像素值的一輸入範圍上邊界值。
  7. 一種針對殘留像素資料之負殘留像素值的絕對值決定一範圍上邊界值的方法，以用於針對在一分層視頻編碼器之一增強層中之殘留像素資料的一非線性量化器，該方法包含：a)在一殘留圖片訊框中存取該殘留像素值，該殘留像素值用以由該非線性量化器處理；b)設定一第一臨界值，將正殘留像素值設定為0，採用該殘留像素值的絕對值，將臨時上邊界值設定成該最大絕對值以及將一臨時下邊界值設定成0； c)依據該殘留像素值是否大於或等於該第一臨界值產生該殘留圖片訊框之一二元圖；d)針對在該二元圖中的像素計算一最大像素連接性；e1)若該計算的最大像素連接性大於一連接性臨界準則，則增加該第一臨界值，使得該增加的第一臨界值為該第一臨界值與該臨時上邊界值之間的中間點，並且在該增加之前將該第一臨界值設定成該臨時下邊界值，或e2)若該計算的最大像素連接性小於該連接性臨界準則，則減少該第一臨界值，使得該減少的第一臨界值為該第一臨界值與該臨時下邊界值之間的中間點，並且在該減少之前將該第一臨界值設定成該臨時上邊界值；以及f)若經決定在該增加或減少之前該增加的或減少的第一臨界值與該第一臨界值之間的差大於一收斂臨界值，則重復步驟c)、d)、e1)及e2)，或否則將該第一臨界值輸出為用於該非線性量化器之負殘留像素值之絕對值的一輸入範圍上邊界值。
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