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基于多层的视频编码方法及其装置

阅读:696发布:2020-05-12

IPRDB可以提供基于多层的视频编码方法及其装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供了用于在使用支持帧内预测的多层结构来编码视频时、减少从帧内预测获得的差别信号的层间冗余的方法和装置。该方法包括:获得第一层的块与用来对所述块执行帧内预测的第一预测块之间的第一差别块;获得对应于所述第一层的块的第二层的块与用来对所述块执行帧内预测的第二预测块之间的第二差别块;以及获得在所述第一差别块和第二差别块之间的最终差别块。,下面是基于多层的视频编码方法及其装置专利的具体信息内容。

1.一种对具有多层的视频帧进行编码的方法,该方法包括:获得第一层的块与用来对所述块执行帧内预测的第一预测块之间的第一差别块;

获得在时间和空间上对应于第一层的块的第二层的块与用来对所述块执行帧内预测的第二预测块之间的第二差别块;

获得第一差别块与第二差别块之间的最终差别块;

量化所述最终差别块;

设置标记,该标记指示所述视频编码方法包括获得第一差别块和第二差别块之间的差;以及对量化结果和所述标记执行无损编码,

其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。

2.根据权利要求1所述的编码方法,其中,第一层的块和第二层的块具有相同的时间和空间位置。

3.根据权利要求1所述的编码方法,其中,所述帧内预测是参考要预测的帧中的其他区域执行的方向帧内预测,第一预测块是通过根据第一层的块的相邻像素执行方向帧内预测而产生的块,而第二预测块是通过根据第二层的块的相邻像素执行方向帧内预测而产生的块。

4.根据权利要求3所述的编码方法,其中,所述相邻像素是通过量化和逆量化而重建的像素。

5.根据权利要求1所述的编码方法,其中,所述帧内预测是参考与要预测的帧具有相同时间位置的低层帧执行的基层内预测,第一预测块是第二层的块,第二预测块是在时间和空间上与所述第二层的块相对应的第三层的块。

6.根据权利要求5所述的编码方法,其中,用作第一预测块的第二层的块和用作第二预测块的第三层的块是通过量化和逆量化重建的块。

7.一种视频解码方法,该方法包括:

从包括在输入比特流中的第一层的编码数据中重建第一差别块;

从包括在输入比特流中的第二层的编码数据中重建最终差别块;

通过将第一差别块加到所述最终差别块来重建第二差别块;

产生针对包括在视频帧中的第二层的块的预测块,以便通过帧内预测进行重建;以及通过将产生的预测块加到重建的第二差别块来重建第二层的块,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。

8.根据权利要求7所述的视频解码方法,其中,所述帧内预测是参考要预测的帧中的其他区域执行的方向帧内预测,并且所述预测块是通过根据第二层的块的相邻像素执行方向帧内预测而产生的块。

9.根据权利要求7所述的视频解码方法,其中,所述帧内预测是参考与要预测的帧具有相同时间位置的低层帧执行的基层内预测,并且所述预测块是在时间和空间上与所述第二层的块相对应的第一层的块。

10.根据权利要求9所述的视频解码方法,其中,第一层的块和第二层的块具有相同的时间和空间位置。

11.根据权利要求9所述的视频解码方法,其中,第一层的块是通过将包括在比特流中的第三层的编码数据加到重建的第一差别块而获得的。

12.根据权利要求7所述的视频解码方法,还包括读出指示所述比特流通过执行差别预测来编码的标记,该差别预测是执行通过帧内预测产生的每层的差别块的残差预测。

13.根据权利要求7所述的视频解码方法,还包括组合重建的第二层的块,并配置要重建的视频帧。

14.根据权利要求7所述的视频解码方法,其中,所述重建第一差别块和重建最终差别块分别包括熵解码过程、逆量化过程和逆变换处理。

15.一种用于编码具有多个块的视频帧的视频编码器,该视频编码器包括:用于获得第一层的块与用来对所述块执行帧内预测的第一预测块之间的第一差别块的装置;

用于获得在时间和空间上与第一层的块相对应的第二层的块和用来对所述块执行帧内预测的第二预测块之间的第二差别块的装置;

用于获得第一差别块与第二差别块之间的最终差别块的装置;

用于量化所述最终差别块的装置;

用于设置标记的装置,该标记指示所述视频编码器包括用于获得第一差别块和第二差别块之间的差的装置;以及用于对量化结果和所述标记执行无损编码的装置,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。

16.一种视频解码器,包括:

用于从包括在输入比特流中的第一层的编码数据中重建第一差别块的装置;

用于从包括在输入比特流中的第二层的编码数据中重建最终差别块的装置;

用于通过将第一差别块加到所述最终差别块来重建第二差别块的装置;

用于产生针对包括在视频帧中的第二层的块的预测块、以便通过帧内预测进行重建的装置;以及用于通过将产生的预测块加到重建的第二差别块来重建第二层的块的装置,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。

说明书全文

基于多层的视频编码方法及其装置

技术领域

[0001] 符合本发明的方法和装置涉及视频压缩,并且更具体地说,涉及在使用支持帧内预测(intra-prediction)的多层结构来编码视频时,减少从帧内预测获得的差别信号的层间冗余。

背景技术

[0002] 诸如因特网的通信技术的发展导致了对除文本和语音通信之外的视频通信的增加。但是,消费者对于已有基于文本的通信方案并不满足。为了满足不同消费者的需求,越来越多地提供了用于包含文本、图像、音乐等多媒体数据的服务。多媒体数据通常数量庞大,因此需要大容量存储介质。而且,还需要较宽的带宽来传送多媒体数据。因此,当传送多媒体数据时,需要压缩编码方案。
[0003] 数据压缩的基本原理是消除数据中的冗余。可以通过去除空间冗余、时间冗余和视觉感知(perceptual-visual)冗余来压缩数据,所述空间冗余是图像中颜色或者物体的重复,所述时间冗余是运动画面中相邻帧之间的微小或没有变化或者在音频中相同声音的连续重复,所述视觉感知冗余是指人类视觉的限制以及没有听见高频的能力。 [0004] 迄今为止,已经建议了诸如MPEG-2、MPEG-4、和H.254的多种标准作为视频压缩方法。此外,联合视频组(Joint Video Team,JVT)正致力于标准化(以下称为“H.264SE”(Scalable Extension,可缩放扩展))的工作,以便在基于多层的H.264中实现可缩放性(scalability),所述联合视频组是运动图像专家组(MPEG)和国际电信联盟(ITU)的联合工作组。
[0005] 图1示出了根据可缩放视频编码(SVC)标准的可缩放视频编码方法的原理。作为可缩放视频编码的示例,基层(base layer)可以被设置为四分之一公共中间格式(QCIF),并具有15Hz的帧速率,第一增强层可以被设置为公共中间格式(CIF),并具有30Hz的帧速率,而第二增强层可以被设置为标准定义(SD),并具有60Hz的帧速率。
[0006] 层间相关可以被用来编码多层视频帧。例如,通过从包括在基层的视频帧中的相应区域13执行的预测(prediction),可以有效地编码第一增强层的视频帧中的特定(certain)区域12。类似地,通过从第一增强层的区域12执行的预测,可以有效地编码第二增强层视频帧中的区域11。如果在多层视频中每一层的分辨率不同,则在预测之前需要对基层的图像进行上采样(up-sampled)。
[0007] 在SVC标准中,支持对传统单一层的、参考具有类似时间位置的帧执行的帧内预测、以及参考具有不同时间位置的帧执行的帧间预测。在帧内预测中,支持参考要预测的帧中的其他区域执行的方向(directional)帧内预测、以及参考与要预测的帧具有相同时间位置的低层帧(lower layer frame)执行的帧内预测(也称为“intra-base-layer prediction,基层内预测”)。
[0008] 发明内容
[0009] 技术问题
[0010] 图2是示出三个预测方法的概念图。参考图2,通过使用关于相邻块的信息,可以对当前帧1的特定块4执行方向帧内预测,或者通过使用具有不同于当前帧1的时间位置的帧2(先前或将来的帧),可以对块4执行帧间预测。通过使用低层帧3中包括的相应区域6的信息,可以对块4执行基层内预测(intra-base prediction),其中所述低层帧3具有与当前帧1相同的时间位置。
[0011] 一般,预测意味着通过从要编码的帧或块(编码对象)中减去可在视频编码器和视频解码器中获得的预测块、来减少要编码的信号的复杂度的过程。从编码对象中减去预测块的结果被称为差别信号(difference signal)。最后,在图2中三个预测方法之间的差别是获得预测块的方式。
[0012] 技术方案
[0013] 本发明提供用于改善视频编码器的压缩效率和由视频解码器再现的图像的画面质量的方法和装置。
[0014] 根据本发明的一个方面,提供一种编码具有多层的视频帧的方法,该方法包括:获得在第一层的块与用于对该块执行帧内预测的第一预测块之间的第一差别块;获得在时间和空间上对应于所述第一层的块的第二层的块与用于对该块执行帧内预测的第二预测块之间的第二差别块;获得在第一差别块 与第二差别块之间的最终差别块;量化所述最终差别块;设置标记,该标记指示所述视频编码方法包括获得第一差别块和第二差别块之间的差;以及对量化结果和所述标记执行无损编码,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。
[0015] 根据本发明的另一个方面,提供一种解码视频的方法,该方法包括:从包括在输入比特流中的第一层的编码数据中重建第一差别块;从包括在比特流中的第二层的编码数据中重建最终差别块;通过将第一差别块加到最终差别块来重建第二差别块;针对包括在视频帧中的第二层的块产生预测块,以便通过帧内预测进行重建;以及通过将产生的预测块加到重建的第二差别块来重建第二层的块,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。
[0016] 根据本发明的再一个方面,提供一种用于编码具有多个块的视频帧的视频编码器,该视频编码器包括:获得第一层的块与对该块执行帧内预测的第一预测块之间的第一差别块的单元;获得在时间和空间上对应于第一层的块的第二层的块与对该块执行帧内预测的第二预测块之间的第二差别块的单元;以及获得在第一差别块和第二差别块之间的最终差别块的单元;用于量化所述最终差别块的单元;用于设置标记的单元,该标记指示所述视频编码器包括用于获得第一差别块和第二差别块之间的差的装置;以及用于对量化结果和所述标记执行无损编码的单元,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。
[0017] 根据本发明的又一个方面,提供一种视频解码器,包括:从包括在输入比特流中的第一层的编码数据中重建第一差别块的单元;从包括在比特流中的第二层的编码数据中重建最终差别块的单元;通过将第一差别块加到最终差别块来重建第二差别块的单元;针对包括在视频帧中的第二层的块产生预测块、以便通过帧内预测进行重建的单元;以及通过将产生的预测块加到重建的第二差别块来重建第二层的块的单元,其中,所述块是具有预定大小并包括在所述视频帧中的图像区域。
[0018] 附图说明
[0019] 通过参考附图对本发明的示例实施例进行详细描述,本发明的上述和其它方面将变得更加清楚,其中:
[0020] 图1示出了根据SVC标准的可缩放视频编码方法的原理;
[0021] 图2是描述三个预测方法的原理图;
[0022] 图3描述了根据本发明的第一示例实施例的差别预测方法的原理; [0023] 图4是示出根据本发明的第一示例实施例的视频编码器的框图; [0024] 图5示出了根据方向帧内预测模式产生预测块的方法;
[0025] 图6是示出根据本发明的第一示例实施例的视频解码器的配置的框图; [0026] 图7描述了根据本发明的第二示例实施例的差别预测方法的原理; [0027] 图8是示出根据本发明的第二示例实施例的视频编码器的配置的框图;以及 [0028] 图9是示出根据本发明的第二示例实施例的视频解码器的配置的框图。 具体实施方式
[0029] 本发明公开了执行通过帧内预测产生的每层的差别块的残差预测(residual prediction)(以下称为“差别预测”)的方法。现在将参考其中示出了本发明的示例实施例的附图更加全面地描述本发明。
[0030] 如上所述,帧内预测意味着通过使用与要编码的块具有相同时间位置的帧执行的预测方法,诸如方向帧内预测(directional-intra-prediction)或基层内预测。以下,在本说明书中,将以应用针对方向帧内预测的差别预测的示例实施例(以下称为“第一示例实施例”)和应用针对基层内预测的差别预测的示例实施例(以下称为“第二示例实施例”)的次序进行描述。在示例实施例中,块是视频帧的图像区域,并可以具有各种大小,如4×4、8×8和16×16。
[0031] 图3描述了根据本发明的第一示例实施例的差别预测方法的原理。本发明的目的是为了更有效地示(express)在当前层帧31中要编码的块33。
[0032] 首先,产生针对低层帧32上与块33相对应的块34的预测块(预测信号)36(S1)。预测块36通过针对块34的方向帧内预测来获得。然后,通过从块34中减去预测块36来产生差别块38(S2)。
[0033] 类似地,产生针对当前层帧的块33的预测块(预测信号)35(S3)。预测块35通过针对块33的方向帧内预测来获得。然后,通过从块33中减去预测块35来产生差别块(差别信号)37(S4)。在当前层中产生的差别块37和在低层中产生的差别块38是不同于原始图像的图像,并且主要由高频分量组成。但是,高频分量中的冗余(图像中的相似性)仍然会保留。
[0034] 因此,为了去除冗余,通过执行从由当前层产生的差别块37中减去由低层产生的差别块38的残差减法(residual subtracting)而产生的最终差别块39(S5),这意味着即使减法过程中存在的冗余也能够大部分被去除。最后,产生的最终差别块39被量化(S6)。 [0035] 图4是示出根据本发明的第一示例实施例的视频编码器100的框图。参考图4,输入帧被输入减法器115、方向帧内预测单元110和下采样器105。
[0036] 下采样器105基于分辨率、帧率(frame rate)和比特率(bit ratio)之一对输入帧进行下采样。例如,下采样器105可以在分辨率方面(side)按照 1/2转换输入帧的大小,在帧方面按照1/2转换输入帧的数量,以及按照1/2转换输入帧的比特率。照此,通过下采样器的输出被改变为原始输入帧的低层帧。
[0037] 下采样器105的输出能够被输入到减法器155和方向帧内预测单元150。方向帧内预测单元150通过使用低层中要编码的块(图3的34)的相邻图像(通过方向帧内预测)产生针对块34的预测块。
[0038] 方向帧内预测是通过使用向上或向左方向的相邻像素、将单一块(4×4块)复制到预定方向来预测当前块的值的方法。作为针对4×4块的预测模式,在如图1所示的SVC标准中总共支持9种模式。在图5中,阴影区域表示要编码的块的位置,A到M表示块的相邻像素,并且在各模式中所述块的预测块可以通过向箭头方向的内插或外插来获得。 [0039] 方向帧内预测单元150通过选择图5中的最佳模式、根据相应模式产生预测块,并将预测块提供给减法器155。减法器155通过减去由块34提供的预测块来产生第一差别块D1。
[0040] 类似地,方向帧内预测单元110通过使用当前层中要编码的块(图3的33)的相邻块(通过方向帧内预测)产生针对块33的预测块。减法器115通过从块33中减去由方向帧内预测单元110产生的预测块来产生第二差别块D2。
[0041] 开关135根据是否使用依据本发明的差别预测、将第一差别块D1提供给减法器120。如果使用了差别预测,减法器120从第二差别块D2中减去第一差别块D1,以获得用于当前层的块33的最终差别块DF。
[0042] 最终差别块DF通过变换器125和量化单元130被提供给熵编码单元145。如果包括在最终差别块DF中的每个值低于特定阈值,则所述值被视为0,并且它们不必通过变换器125和量化单元130。
[0043] 变换器125针对最终差别块DF执行空间变换以产生变换系数。离散余弦变换(DCT)或小波变换可以被用于空间变换方法。如果DCT被用于空间变换,则该变换系数指示DCT系数。如果小波变换被使用,则变换系数指示小波系数。
[0044] 量化单元130量化变换系数。量化是指将具有预定实数值的变换系数表示(express)为离散值、并将其与预定索引(index)进行匹配的过程。量化方法包括标量量化和矢量量化。
[0045] 第一差别块D1通过变换器160和量化单元165被提供给熵编码单元145。类似于最终差别块DF,第一差别块D1不必通过变换器125和量化单元130。
[0046] 标记设置单元140设置指示是否使用了根据本发明的差别预测的标记,并将其提供给熵编码单元145。例如,如果标记的设置值为1,则其指示使用了差别预测,如果为0,则其指示没有使用差别预测,而是使用了传统方法。标记可以以宏块、片段(slice)或帧为单位进行设置。
[0047] 熵编码单元145通过对分别由量化单元130和量化单元165量化的变换系数Q2和Q1、以及由标记设置单元140设置的标记值F执行无损编码来产生比特流。无损编码方法包括算术编码和可变长度编码。
[0048] 图4的视频编码器100被实现为开环类型。一般,为了减小视频编码器和视频解码器之间产生的漂移误差,视频编码器在两侧都使用对称结构(闭环类型)。视频编码器100可以不像图4那样从原始帧、而是从通过量化和逆量化重建的帧中获得用于执行经编码的块33、34的方向帧内预测的相邻图像,以便具有闭环类型。
[0049] 图6是示出根据本发明的第一示例实施例的视频解码器200的配置的框图。熵解码单元205对输入比特流执行无损解码,以便提取当前层的量化系数Q2、低层的量化系数Q1和标记F。与熵编码单元145中的无损编码逆向地(inversely)执行无损解码。 [0050] 逆量化单元250逆量化低层的量化系数Q1。逆量化过程对应于在量化单元165中执行的量化过程的逆过程(inverse),并且重建与表示为预定索引的量化系数相对应的实系数(变换系数)。
[0051] 逆变换器255逆变换去量化(de-quantization)的结果以重建第一差别块D1。重建的第一差别块D1′是通过量化和逆量化产生的,它与第一差别块D1并不完全相同。以下,每个符号(′)指示重建数据,意味着其可能与原始数据不完全相同。逆变换对应于在变换器160中执行的变换过程的逆过程。
[0052] 标记读取单元235读出提取的标记F以确定差别预测是否已经被应用到输入比特流。如果应用了差别预测,则开关240将重建的第一差别块D1′提供给减法器220。 [0053] 逆量化单元210逆量化当前层的量化系数Q1,而逆变换器215逆变换去量化的结果,并重建最终差别块DF′。
[0054] 然后,减法器220通过将重建的最终差别块DF′加到重建的第一差别块 D1′来重建第二差别块D2′。
[0055] 方向帧内预测单元245通过使用当前层中要解码的块的相邻图像(通过方向帧内预测)产生针对该要解码的块的预测块。这时,相邻图像是存储在预重建缓冲器230中的数据。
[0056] 加法器225将重建的第二差别块D2′和产生的预测块相加,重建要解码的块,并将其存储在缓冲器230中。在缓冲器230中,多个块被包括在单一帧中,缓冲器230从它们中重建完整的帧。
[0057] 图7描述了根据本发明的第二示例实施例的差别预测方法的原理。 [0058] 基层内预测在两个层之间执行,并且作为结果,产生单一的差别块。本发明的第二示例实施例用于针对冗余在从基层内预测的结果中获得的差别块之间执行残差减法,并且需要至少三个层来应用第二示例实施例。因此,在本发明中例示了由三层组成的视频帧,但是本领域的普通技术人员应当能够完全理解,视频帧也可以由四层或更多层组成。 [0059] 根据图7,当前层帧71的块74是要通过差别预测进行编码的块。块74在时间和空间上对应于第二低层帧73的块76。
[0060] 首先,使用相应的第二低层的块76作为预测信号来预测第一低层的块75。也就是,通过从第一低层的块75中减去相应块76来产生第一差别块78(S1)。 [0061] 类似地,使用相应第一低层的块75作为预测信号来预测当前层的块74。也就是,通过从当前层的块74中减去相应块75来产生第二差别块77(S2)。
[0062] 通过从第二差别块77中减去第一差别块78来产生最终差别块79,以便去除第一差别块78和第二差别块77的冗余(S3)。最后,量化所产生的最终差别块79(S4)。 [0063] 图8是示出根据本发明的第二示例实施例的视频编码器的配置的框图。参考图8,输入帧被输入到加法器310和下采样器305。
[0064] 下采样器305基于分辨率、帧率和比特率之一将输入帧下采样到第一低层帧的水平(level)。下采样器305的输出被输入到减法器350和下采样器345。类似地,下采样器345基于分辨率、帧率和比特率之一将第一低层帧下采样到第二低层帧的水平。 [0065] 减法器350从由下采样器305提供的第一低层帧的块A中减去由下采样器345提供的第二低层帧的块B。类似地,加法器310通过从要由当前层帧 编码的块O中减去由下采样器305提供的第一低层帧的块A来产生第二差别块D2。
[0066] 开关330根据是否使用依据本发明的差别预测来将第一差别块D1提供给减法器315。当使用差别预测时,减法器315从第二差别块D2中减去第一差别块D1以获得针对在本层中要编码的块O的最终差别块DF。
[0067] 由下采样器345提供的第二低层帧的块B通过变换器365和量化单元370Q0被提供给熵编码单元340,由减法器350提供的第一差别块D1通过变换器355和量化单元Q1被提供给熵编码单元340,并且所获得的最终差别块DF通过变换器320和量化单元325Q2被提供给熵编码单元340。如上所述,当输入变换器320、355、365的值小时,其可能不通过变换器320、355、365和量化单元325、360、370。
[0068] 标记设置单元335设置指示是否使用根据本发明的差别预测的标记(一比特标记),并将其提供给熵编码单元340。
[0069] 熵编码单元340通过对分别由量化单元325、360、370量化的变换系数Q2、Q1、Q0和由标记设置单元335设置的标记值F执行无损编码来产生比特流。
[0070] 图8的视频编码器300通过开环类型来实现。但是,其可以通过闭环类型来实现。为此,视频编码器300在加法器中使用A的重建图像A′而不是A,而减法器350可以使用A的重建图像B′而不是B。
[0071] 图9是示出根据本发明第二示例实施例的视频解码器400的配置的框图。 [0072] 参考图9,熵解码单元405提取当前层的量化系数Q2、第一低层的量化系数Q1、以及第二底层的量化系数Q0和标记F。
[0073] 标记读取单元435读出提取的标记F,并确定差别预测是否被应用到输入比特流。如果应用了差别预测,则开关440将重建的第一差别块D1′提供给加法器420。 [0074] 当前层的量化系数Q2通过逆量化单元410和逆变换器415被重建为最终差别块DF,第一低层的量化系数Q1通过逆量化单元445和逆变换器450被重建为第一差别块D1′,而第二底层的量化系数Q0通过逆量化单元455和逆变换器460被重建为第二低层帧的块B′。
[0075] 加法器465通过将重建的第二低层帧的块B′加到重建的第一差别块D1来重建第一低层帧的块A′。此外,加法器420通过将重建的最终差别块DF′ 加到重建的第一差别块D1′来重建第二差别块D2′。然后,加法器425通过将重建的第二差别块D2′加到第一低层帧的块A′来重建当前层帧的块O′,并将其存储在缓冲器中。
[0076] 在缓冲器430中,存储了包括在单一帧中的多个块,缓冲器430从它们中重建完整的帧(当前层帧)。
[0077] 以上参考图5和图8描述的每个元件可以通过在存储器的预定区域执行的软件(诸如任务、类、子例程、进程、对象、执行线程、或程序)、硬件(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))或这样的软件和硬件的组合来实现。这些元件可以包括在计算机可读的存储介质中,或者分布在多个计算机中。
[0078] 工业实用性
[0079] 根据本发明的示例实施例,视频编码器的压缩效率和具有相同比特率的视频的画面质量能够得到改善。
[0080] 为了说明的目的已经描述了本发明的示例实施例,本领域技术人员将理解,在不脱离所附权利要求书中公开的本发明的原理和精神的情况下,能够进行各种修改、添加和替换。因此,本发明的范围应当由所附权利要求书及其合法等同物来限定。
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