對數字視頻信號編碼的方法和裝置的製作方法
2023-06-07 11:23:11 1
專利名稱：對數字視頻信號編碼的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對數字視頻信號編碼的方法和裝置。
為了未來的數位電視廣播(DVB＝Digital Video Broadcasting)和與此相聯繫的交互式通訊服務，藉助於合適的編碼設備視頻數據必須在它們的數據量方面得到實質上的減少。為了能夠經由現存的頻道傳送更多的節目或者在已經存在的窄帶傳輸路徑裡傳播活動圖像序列，這一步驟是必需的。為這個目的所提供的一種編碼方法是MPEG2標準(ISO/IEC 13818)。
為了在編碼期間得到最大可能的壓縮因子，輸入圖像在MPEG情況下被組合為圖像組(GOP)。在這樣的一個圖像組內對各個圖像進行不同的編碼。根據MPEG，一個組總是由一個幀內編碼幀(I幀)以及通常的多個P幀(預測幀)和/或B幀(雙向計算幀)組成，在此處以及在下文中「幀」也可以被「場」替代。
用於從該組傳送一幀所必須的數據率取決於相關的幀類型(I，P或B)以及當前圖像內容。在一圖像組內數據的最大相對容量分配給I幀。它們包含了在解碼器中用於完成重構所要求的所有數據。相反，P幀是從I幀或是一個先前P幀預測的，也就是說相關圖像組中整個I幀的存在對於接收端P幀的重構是必須的。為了這個目的，隨後僅須編碼先前I或P幀的差值。另一方面，B幀基本上是從已經重構的I或P幀計算(內插)的。必須用於B幀傳送的數據量相對較少。某些圖像類型也可以包含其他圖像類型的各個宏塊，例如I宏塊可以出現在圖像摘錄的P和B圖像中，該圖像摘錄另外僅以不足夠的效率編碼。
雖然上述將幀分為不同幀類型的分類使得有一個非常高的編碼效率，但是它給予不同幀類型對於傳輸誤差不同程度的敏感性。這樣，B幀內的傳輸或重構誤差仍然限制在相應的B幀，而錯誤的I和P幀會影響整個的圖像組(GOP)。在最頻繁地選擇每GOP 12幀的MPEG 2參數的情況下，用於這樣做時間持續期間可能延續達接近半秒鐘(在50Hz幀頻率，在60或59.94Hz幀頻率相應短一些)，因此，這對於觀看者有很大的幹擾。
在正片編碼期間當在圖像組內在圖像場景上發生變化時，有關誤差減少的相似效果也會發生。在這種情況下，因為編碼器的內部控制，對於當前的圖像組沒有用於B和P幀預測的合理的基礎存在，相反，新場景的第一個圖像主要是用幀內宏塊編碼。因為用於P幀的數據的分配容量並未大到足夠用好的質量對大部分圖像幀內編碼，所以解碼器重構結果仍將是不滿意的。只有在下面的圖像組中對於編碼處理再次出現穩定的條件下，才可得到滿意的重構。
用於數據簡縮的先前的編碼處理基於數據量(圖像序列)的輸送，這產生於電視電影掃描器，例如持續產生數據簡縮位流的MPEG編碼器。以這種概念，原始膠片的場景剪輯完全人為地與由編碼器確定的幀類型相一致，這可能導致在圖像組內上述誤差減少。
本發明的目的是提出一種編碼過程與當前的場景變化同步的方法。
本發明的另一目的是提供一種應用根據本發明的方法的裝置。
為了這個目的，場景檢測器被連接在圖像發生器(電視電影掃描器，攝像機，記錄設備或另一個信號源)和編碼器之間。所述場景檢測器產生一個合適的控制信號並在場景變化的情況下導致編碼處理，開始一新的圖像組，也就是說一個I編碼圖像。這有益地防止了場景變化落到圖像組的中間，例如使得質量降低的重構不會發生在解碼器上。這個測量有益地不要求在解碼器上有額外的費用而且因此不會導致複雜性的增加，以及在終端單元上，也就是說在頂置盒或電視機/錄像機/DVD播放機(數字視盤)中的解碼器上花費的增加。
原理上，根據本發明的方法事實上包括對數字視頻信號編碼，其中在有一個確定序列的每種情況下，一個幀內編碼圖像和至少一個用於另一個圖像或另外的圖像的其他的圖像編碼類型被用於一組連續的圖像，從一個圖像到另一個圖像變化很大的像素值或有很大變化的圖像內容在檢測器中確定並且以這樣一種方式控制進一步的編碼即對具有很大變化像素值或有很大變化的圖像內容的圖像實行幀內編碼，而與圖像組內這個圖像的位置無關。
原理上，本發明的裝置用於編碼數字視頻信號，其中在有一個確定序列的每種情況下，一個幀內編碼圖像(I)和至少一個用於另一個圖像或另外的圖像的其他的圖像編碼類型(P，B)被用於一組連續的圖像，本發明用於編碼數字視頻信號的裝置包含
一個檢測器，用於確定從一個圖像到另一個圖像有很大變化的像素值或有很大變化的圖像內容；一個編碼器，由檢測器以這樣一種方式控制它，即對具有很大變化像素值或有很大變化圖像內容的圖像實行幀內編碼，而與圖像組內這個圖像的位置無關。
參照附圖描述了本發明的示範實施例，其中
圖1示出一場景控制的MPEG編碼器的例子。
視頻信號從圖像發生器1引出，發生器1可以是電視電影掃描器，電視攝影機或任何要求的模擬圖像源(例如磁帶記錄設備)。這個信號首先饋給一個模/數轉換器2，使得數字輸入數據能夠用於編碼器。如果可得到的信號發生器已經是一個數位訊號源，則這個源能夠經由輸入端3連接到電路裝置。在輸入端3的信號然後饋給場景檢測器10，它包括例如一個幀存儲器4，一個減法級5和一個閾值判定電路6。信號源的當前幀n可在幀存儲器4的輸入端獲得並且被延遲一幀周期的先前幀n-1可以在輸出端獲得。兩幀像素之間的絕對值差值之和，例如藉助於減法級5計算。然後這個總和值饋給閾值判定電路6。根據這個總和值，閾值判定電路產生一個用於MPEG編碼器8的控制信號。在這種情況下閾值判定電路的特性是以這樣一種方式計算的，即由例如移動物體或慢攝像機全景拍攝引起的在同一圖像場景中的差值不觸發控制信號或一個第一控制信號(在一個相對小的總和值的情況下)，然而具有完全不同的圖像信息特徵的場景變化則導致明顯的控制信號或一個第二控制信號(在一個相對大的總和值的情況下)。
為了使控制信號在編碼器8與場景變化同時出現，信號源的幀必須在緩衝器7中相應地延遲一個幀周期。然後編碼器8從控制信號識別出現在它的輸入端的幀是否屬於一個新的圖像場景，並且如果是這種情況則導致編碼算法開始一個新的圖像組而且開始I編碼圖像。數據簡縮輸出信號可以在輸出端9獲得。
例如為了照此識別較大的攝像機全景拍攝，場景檢測器10也能夠在全局預測器11中內部實現一個全局的視頻信號預測。這樣一種全局預測器在例如EP-A-0414133中作了描述。為了這個目的，存儲器4的輸入信號和輸出信號饋給預測器11。如果這個預測器識別出在圖像中的全局運動，則減法級5，閾值判定電路6和/或編碼器8以這樣一種方式被控制，即編碼器8不會脫離正常的I圖像序列。全局運動參數可由預測器11向前送到編碼器8。這樣做的好處是具有全局運動的圖像能夠如P或B圖像一樣以良好的效率編碼，所以，I編碼圖像數和數據率不必做不需要的增長，也就是說可檢測的(全局的)攝像機全景拍攝不被理解為隨場景變化。這有益地使這種全局預測的結果可能被包括在編碼器的「正常」預測期間。這使得在編碼器8的預測被簡化或改進。
在本發明的另一個示範實施例中，可減少場景檢測器的存儲容量。場景變化也能根據場來識別。於是存儲器4和7是場存儲器並且兩個相鄰場的像素值隨後在減法器5中相互作相應地處理。兩個場也可以從相鄰幀中產生。
藉助於存儲器4的輸入前端的視頻數據簡縮能夠在存儲容量上作不同的或進一步縮減，並且藉助於在相應方向上的與二次採樣有關的視頻數據的水平和/或垂直低通濾波，也可能在緩衝器7上實現。
在場景變化的情況下，或者I編碼能夠被另外插入當前序列。或者正常的序列能夠從場景變化再次繼續，換言之，例如每12個圖像一個I圖像，隨著場景變化的圖像是這些I圖像中的第一個。
本發明並不限於攝影室部分，也可以使用在消費者部分的數據媒體上，尤其是包含根據本發明編碼的視頻數據的光碟。例如，以所示出的方式本發明能用於改進數字家庭錄像機或DVD記錄設備上的視頻信號的記錄質量。在這種情況下，場景檢測器不被認為是圖像發生器的部分，而是作為記錄單元的附加電路元件實現。
在接收的視頻信號採用固定的GOP長度編碼的情況下，這些信號可以首先被解碼然後用該記錄的不同GOP長度加以編碼。在數字視頻信號記錄期間根據本發明編碼的這些數字視頻信號被提供相應的，可變的GOP長度信息並且被公開傳送，或者在僅僅再現預記錄的數據媒體的情況中，記錄單元中的場景檢測器被省略或有可能不估計其用於記錄的輸出信號。
本發明不限於MPEG2或MPEG1編碼標準。本發明能夠應用於將視頻數據分段為圖像組的所有編碼過程，例如MPEG4。
權利要求
1.一種用於對數字視頻信號編碼(8)的方法，其中，在具有一確定序列的每種情況下，一個幀內編碼圖像(I)和至少一個用於另一個圖像或另外的圖像的其他的圖像編碼類型(P，B)被用於一組(GOP)連續的圖像，其特徵在於從一個圖像到另一個圖像變化很大的像素值或有很大變化的圖像內容在檢測器(10)中確定，並且以這樣一種方式控制進一步地編碼(8)，即對具有很大變化像素值或有很大變化圖像內容的圖像實行幀內編碼，而與圖像組(GOP)內這個圖像的位置無關。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在檢測器(10)中，兩個相鄰幀(n，n-1)或場的像素之間的絕對值之差的總和被形成(5)並與一個閾值比較(6)以產生一個用於後續編碼(8)的控制信號。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，在絕對值之差形成之前，視頻數據被水平地和/或垂直地低通濾波並在相應方向二次採樣。
4.如權利要求1到3中一個或多個所述的方法，其中，在檢測器(10)中，藉助於預測對全局運動參數進行搜索並且如果這些參數存在，就不實行附加的幀內編碼。
5.如權利要求4所述的方法，其中全局運動參數被使用或在進一步編碼(8)期間被考慮。
6.一種用於對數字視頻信號編碼(8)的裝置，其中在具有一確定序列的每種情況下，一個幀內編碼圖像(I)和至少一個用於另一個圖像或另外的圖像的其他的圖像編碼類型(P，B)被用於一組(GOP)連續的圖像，其特徵在於一個檢測器(10)，用於確定從一個圖像到另一個圖像變化很大的像素值或有很大變化的圖像內容；一個編碼器(8)，其由檢測器以這一種方式控制即對具有很大變化的像素值或有很大變化圖像內容的圖像實行幀內編碼，而與圖像組(GOP)內這個圖像的位置無關。
7.如權利要求6所述的裝置，其中檢測器(10)包含一個確定全局運動參數的預測器(11)，並且如果這些參數存在，以這樣一種方式控制編碼器即不實行附加的幀內編碼。
8.數據媒體，特別是光碟，包含了使用根據權利要求1的方法編碼的視頻數據。
全文摘要
對數字視頻信號編碼的方法和裝置。為了未來的數位電視廣播和與此相聯繫的交互式通訊服務,藉助於合適的編碼設備視頻數據必須在它們的數據容量方面得到實質上的減少。為此規定的一種編碼方法是MPEG2標準。如果在編碼期間在連續的圖像組內在圖像場景中發生變化,則對於當前圖像組沒有用於B和P幀預測的合理的基礎存在。結果,在解碼器中的重構結果仍然是不滿意的。根據本發明,這種場景變化被檢測並且新場景的第一個圖像是幀內編碼的。
文檔編號H04N7/32GK1171017SQ9711397
公開日1998年1月21日 申請日期1997年6月27日 優先權日1996年6月28日
發明者卡斯藤·赫佩爾, 尤威·裡曼 申請人:德國湯姆遜-布朗特公司