CN101336549B - 基于多层的可缩放视频编码方法及装置 - Google Patents

基于多层的可缩放视频编码方法及装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种基于多个层的可缩放视频编码方法和装置。该用于对具有多个层的视频序列进行编码的视频编码方法包括：对存在于所述多个层中的第一层内的第一块的残差进行编码；如果利用该第一块对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在比特流的不可丢弃区域中，所述第二块存在于所述多个层中的第二层内并且与所述第一块对应；以及如果不利用所述第一块而对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在所述比特流的可丢弃区域中。

Description

基于多层的可缩放视频编码方法及装置
技术领域
与本发明一致的方法和装置涉及视频编码，更具体地，涉及基于多层的可缩放视频编码方法及装置。
背景技术
随着包括因特网的信息通信技术的发展，视频通信以及文本和语音通信已得到快速增长。传统的文本通信不能满足各种用户要求，因而可以提供诸如文本、图片和音乐的各种类型的信息的多媒体服务得以增加。由于多媒体数据量相对于其它类型的数据来说通常较大，所以多媒体数据需要大容量的存储介质和宽带宽来进行传输。因此，需要压缩编码方法来发送包括文本、视频和音频的多媒体数据。
在这样的压缩编码方法中，数据压缩的基本原理在于去除数据冗余。典型地，将数据冗余定义为空间冗余、时间冗余或心理视觉冗余：所述空间冗余是指，相同的色彩或对象在图像中重复；所述时间冗余是指，在运动图像的相邻帧之间存在很少的变化或在音频中重复相同的声音；而所述心理视觉冗余考虑了人类视觉和感觉对高频不敏感。在一般的视频编码技术中，通过基于运动补偿的时间域滤波来去除时间冗余，并通过空间变换来去除空间冗余。
为了发送在去除了数据冗余之后所生成的多媒体，传输介质是必要的。传输性能依赖于传输介质而有所不同。当前使用的传输介质具有各种传输速率。例如，超高速通信网络每秒可以发送几十兆比特的数据，而移动通信网络具有每秒384千比特的传输速率。因此，为了支持具有各种速度的传输介质或以适合于传输环境的数据速率来发送多媒体，诸如小波视频编码或子带视频编码或其它类似的编码方法的、具有可缩放性的数据编码方法可能适合于多媒体环境。
可缩放视频编码是这样一种技术，其通过根据诸如传输比特率、误码率和***资源的周围环境条件来截取部分比特流，从而允许以不同的分辨率、帧速率和信噪比(SNR)级别，来对所压缩的比特流进行解码。
关于可缩放视频编码(SVC)的运动图像专家组4(MPEG4)标准化正在由联合视频组(JVT)来进行，所述联合视频组是MPEG和国际电信联盟(ITU)的联合工作组。具体地，正在对基于H.264标准来获得多层可缩放性的标准化做出许多努力。
图1是示出通过现有技术的代码转换(transcode)处理的同时联播(simulcast)过程的示图。编码器11生成非可缩放的比特流，并且将其提供给作为流服务器的路由器/代码转换器12、13和14。连接到终端客户设备(诸如高清电视(HDTV)15、数字多媒体广播(DMB)接收器16、个人数字助理(PDA)17和移动电话18或类似设备)的路由器/代码转换器13和14根据终端客户设备的性能或网络带宽来发送具有各种质量级别的比特流。由于代码转换器12、13和14执行的代码转换处理涉及对输入比特流进行解码以及使用其它参数对所解码的比特流重新进行编码，所以导致了某些时间延迟，并且无法避免视频质量的恶化。
考虑到上述问题，SVC标准提供考虑了空间维度(空间可缩放性)、帧速率(时间可缩放性)或比特率(SNR可缩放性)的可缩放比特流，其在多个客户接收同一视频的情况下具有相当有利的可缩放特点，同时具有不同的空间/时间/质量参数。因此，由于可缩放的视频编码不需要代码转换器，所以可实现有效的多播。
根据SVC标准，如图2中所示，编码器11生成可缩放的比特流，并且已从编码器11接收到该可缩放的比特流的路由器/提取器22、23和24简单地提取所接收的可缩放比特流中的一些，从而改变比特流的质量。因而，路由器/提取器22、23和24使得能够更好地控制流式内容，从而实现对可用带宽的有效利用。
图3示出了采用多层结构的可缩放视频编解码器的示例。参考图3，基层具有四分之一公用中间格式(QCIF)分辨率和15Hz的帧速率，第一增强层具有公用中间格式(CIF)分辨率和30Hz的帧速率，而第二增强层具有标准清晰度(SD)分辨率和60Hz的帧速率。例如，为了获得具有CIF分辨率和0.5Mbps比特率的流，可以截取具有CIF分辨率、30Hz帧速率和0.7Mbps的比特率的增强层比特流，以满足0.5Mbps的比特率。以此方式，可以实现空间、时间和SNR可缩放性。
发明内容
技术问题
然而，这样的可缩放性可能经常导致额外开销(overhead)。图4和图5是用于将依据H.264标准而编码的非可缩放比特流的质量与依据SVC标准而编码的可缩放比特流的质量进行比较的图的图解表示。在可缩放比特流中，观察到大约为0.5dB的峰值信噪比(PSNR)损失。在图5中所示的这样的极端情况下，PSNR损失几乎是1dB。参考图4和图5，分析结果显示SVC编解码器的性能(例如对于空间可缩放性)接近或稍高于MPEG-4编解码器的性能，该MPEG-4编解码器的性能比H.264编解码器的性能低。在这种情况下，依赖于可缩放性，造成大约20％的比特率额外开销。
再次参考图2，最后的链路(即在最后一个路由器和最后一个客户端之间的链路)也使用可缩放比特流。然而，在大多数情况下，仅有单个客户端接收该链路中的比特流，这表明不需要可缩放性特征。因而，在最后的链路中产生了带宽额外开销。因此，需要提出一种当不需要可缩放性时自适应地降低额外开销的技术。
技术方案
本发明提供了一种具有改进的编码性能的多层视频编解码器。
本发明还提供了一种当在可缩放比特流中不需要可缩放性时去除可缩放比特流的额外开销的方法。
通过下面对示范性实施例的描述，本发明的这些和其它方面将被描述或变得明显。
根据本发明的一方面，提供了一种用于对具有多个层的视频序列进行编码的视频编码方法，该方法包括：对存在于多个层中的第一层内的第一块的残差进行编码；如果利用该第一块对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在比特流的不可丢弃区域中，所述第二块存在于多个层中的第二层内并且与所述第一块对应；以及如果不利用第一块而对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在所述比特流的可丢弃区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于对包括具有不可丢弃区域和可丢弃区域的至少一层的视频比特流进行解码的视频解码方法，该方法包括：从所述不可丢弃区域读取第一块；如果所述第一块的数据存在，则对所述第一块的数据进行解码；如果所述第一块的数据不存在，则从所述可丢弃区域读取具有与所述第一块相同的标识符的第二块的数据；以及对所读取的第二块的数据进行解码。
根据本发明的还一方面，提供了一种用于对具有多个层的视频序列进行编码的视频编码器，该视频编码器包括：编码单元，其对存在于所述多个层中的第一层内的第一块的残差进行编码；记录单元，如果利用所述第一块对第二块进行编码，则其将所编码的所述第一块的残差记录在比特流的不可丢弃区域中，所述第二块存在于所述多个层中的第二层内并且与所述第一块对应；以及记录单元，如果不利用所述第一块而对第二块进行编码，则其将所编码的所述第一块的残差记录在所述比特流的可丢弃区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于对包括具有不可丢弃区域和可丢弃区域的至少一个层的视频比特流进行解码的视频解码器，该视频解码器包括：读取单元，其从所述不可丢弃区域读取第一块；解码单元，如果所述第一块的数据存在，则其对所述第一块的数据进行解码；读取单元，如果所述第一块的数据不存在，则其从所述可丢弃区域读取具有与所述第一块相同的标识符的第二块的数据；以及解码单元，其对所述第二块的读取数据进行解码。
附图说明
通过参考附图对本发明的某些示范性实施例进行详细描述，本发明的上述和其它方面将变得明显，其中：
图1是示出了通过现有技术的代码转换处理的同时联播过程的示图；
图2是依据现有技术的SVC标准的比特流传输过程的示图；
图3是示出了使用多层结构的可缩放视频编解码器的示例的示图；
图4和图5是用于将依据H.264标准而编码的非可缩放比特流的质量与依据SVC标准而编码的可缩放比特流的质量进行比较的图解表示；
图6是示出了依据本发明的示范性实施例的比特流传输过程的示图；
图7示意性地示出了依据现有技术的H.264标准或SVC标准的比特流的总体格式；
图8示意性地示出了依据本发明的示范性实施例的比特流的总体格式；
图9是用于解释帧间预测、帧内预测和基层内预测(Intra base prediction)的概念的示图；
图10是示出了依据本发明的示范性实施例的视频编码处理的流程图；
图11示出了图8中所示的比特流的详细结构的示例；
图12是示出了由依据本发明的示范性实施例的视频解码器所执行的视频解码处理的流程图；
图13是示出了由三个层构成的视频序列的示图；
图14是示出了可对其应用多适配(multiple adaptation)的精细可缩放性(FGS)视频中的比特流的例子的示图；
图15是示出了不可对其应用多适配的FGS视频中的死子流(deadsubstream)的例子的示图；
图16是示出了利用时间级别(temporallevel)的多适配的例子的示图；
图17是示出了依据本发明的示范性实施例的利用时间级别的多适配的例子的示图；
图18是示出了在粗糙可缩放性(CGS)层之间的时间预测的例子的示图；
图19是示出了在CGS层和FGS层之间的时间预测的例子的示图；
图20是依据本发明的示范性实施例的视频编码器的框图；以及
图21是依据本发明的示范性实施例的视频解码器的框图。
具体实施方式
下面参考附图来描述示范性实施例，以解释本发明。
可缩放性通常导致额外开销。然而，在流***中，如果客户端不需要可缩放比特流，则向客户端发送比特流的路由器可以选择非可缩放比特流，并将其发送给客户端，该非可缩放比特流具有比可缩放比特流低的比特率。
图6是示出了依据本发明的示范性实施例的比特流传输过程的示图。编码器11生成可缩放比特流，并且将其提供给作为流服务器的路由器/提取器32、33和34。连接到终端客户设备(诸如HDTV 15、DMB接收器16、PDA17和移动电话18)的提取器33和34根据终端客户设备的性能或用于传输的网络带宽，适当地执行将它们相应的可缩放比特流转换成非可缩放比特流。由于在执行转换的同时去除了用于保持可缩放性的额外开销，所以可以增强在终端客户设备15、16、17和18处的视频质量。
通常也将这样的基于客户需要的比特流转换称为“多适配”。为了使得能够进行这样的比特流转换，可缩放比特流有利地具有使得可缩放比特流能够被容易地转换成非可缩放比特流的格式。现在将简要描述在本说明书中使用的术语。
可丢弃信息
可丢弃信息是解码当前层需要、但是解码增强层不需要的信息。
不可丢弃信息
不可丢弃信息是解码增强层所需要的信息。
在本发明的示范性实施例中，可缩放比特流包括可丢弃信息和不可丢弃信息，这两者可以容易地相互分离。换句话说，应通过两个不同的编码单元(例如H.264中所使用的NAL单元)来使可丢弃信息和不可丢弃信息相互分离。如果确定客户端不需要最终的路由器，则丢弃可缩放比特流的可丢弃信息。
将根据本发明的这样的可缩放比特流称为“切换后的可缩放比特流”(switched scalable bitstream)。切换后的可缩放比特流具有可丢弃比特和不可丢弃比特可以彼此分离的形式。比特流提取器被配置为当确定客户端不需要可丢弃信息时容易地丢弃可丢弃信息。因此，有助于从可缩放比特流到非可缩放比特流的转换。
图7示意性地示出了依据现有技术的H.264标准或SVC标准的比特流的总体格式。在现有技术的H.264标准或SVC标准中，比特流70包括多个网络抽象层(NAL)单元71、72、73和74。通过提取器(未示出)来提取比特流70中的NAL单元71、72、73和74中的一些，以改变视频质量。多个NAL单元71、72、73和74中的每一个都包括其中记录压缩视频数据的NAL数据字段76和其中记录关于压缩视频数据的附加信息的NAL报头75。
通常将非固定的NAL数据字段76的大小记录在NAL报头75中。NAL数据字段76可以包括一个或多个(n个)宏块MB1、MB2和MBn。宏块包括诸如运动向量、宏块模式(macroblock pattern)、参考帧编号等的运动数据和诸如量化残差等的纹理数据。
图8示意性地示出依据本发明的示范性实施例的比特流100的总体格式。依据本发明的示范性实施例的比特流100包括不可丢弃NAL单元区域80和可丢弃NAL单元区域90。不可丢弃NAL单元区域80的NAL单元81、82、83和84的NAL报头被设置为0，作为指示NAL单元81、82、83和84是否可丢弃的discardable_flag(可丢弃标记)，而将可丢弃NAL单元区域90的NAL单元91、92、93和94的NAL报头设置为1。
被设置为0值的discardable_flag表示在增强层的解码处理中使用在NAL单元的NAL数据字段中记录的数据，而被设置为1值的discardable_flag表示在增强层的解码处理中不使用在NAL单元的NAL数据字段中记录的数据。
为了以提高的压缩效率来表现纹理数据，SVC标准描述了4种预测方法，包括在现有的H.264标准中也使用的帧间预测、被简称为帧内预测的定向帧内预测(directional intra prediction)、仅可用于多层结构的基层内预测、以及残差预测。在此所使用的术语“预测”是指，使用从编码器和解码器共同使用的信息中取得的预测数据，以压缩的方式描述原始图像的技术。
图9是用于解释帧间预测、帧内预测和基层内预测的概念的示图。
帧间预测是一般用于现有的单层视频编解码器的方案。参考图9，帧间预测是这样的方案：从参考图片(picture)中搜索与当前图片的当前块最类似的块，以获得可以最佳描述当前块的预测块，然后对预测块和当前块之间的残差进行量化。根据参考参考图片的方法而存在三种类型的帧间预测：使用两个参考图片的双向预测、使用在前的参考图片的前向预测、以及使用在后的参考图片的后向预测。
帧内预测是这样的方案：使用当前块的相邻块中的当前块的邻近像素来预测当前块。帧内预测与其它预测方案的不同之处在于：仅使用来自当前图片的信息，而不参考给定层的不同图片或不同层的图片。
当当前图片具有位于时间上与下层的宏块同时的帧的块中的一个块时，使用基层内预测。如图2中所示，可以根据与宏块对应的基层图片的宏块来有效地预测当前图片的宏块。也就是说，对当前图片的宏块和基层图片的宏块之间的差进行量化。
当下层的分辨率与当前层的分辨率不同时，在获得宏块差之前，对基层图片的宏块进行上采样。特别是当帧间预测方案没有效时，例如当图片图像运动得非常快或存在具有场景改变的图片图像时，使用基层内预测是有效的。
最后，尽管在图9中未示出，但是作为用于单层的现有帧间预测的扩展的残差预测适合用于多层。也就是说，不对在当前层的帧间预测处理期间产生的差进行量化，而是对该差和在下层的帧间预测处理期间产生的差的相减结果进行量化。
基于从在对与当前图片的宏块对应的增强层的宏块进行编码中使用的4种预测方案中选择的一个方案，可以将discardable_flag设置为特定值，该值可以是预定的。例如，如果使用帧内预测或帧间预测对增强层的宏块进行编码，则当前宏块仅用于支持可缩放性，而不用于对增强层的宏块进行解码。因此，在这种情况下，可以将当前宏块包括在可丢弃NAL单元中。另一方面，如果使用基层内预测或残差预测对增强层的宏块进行编码，则当前宏块对于对增强层的宏块进行解码来说是需要的。因此，在这种情况下，可以将当前宏块包括在不可丢弃NAL单元中。通过读取基于SVC标准的intra_base_flag(基层内标记)和residual_prediction_flag(残差预测标记)，可以知道在对增强层的宏块进行编码期间使用了哪种预测方案。换句话说，如果增强层的宏块的intra_base_flag被设置为1，则可以知道在对增强层的宏块进行编码时使用了基层内预测。另一方面，如果residual_prediction_flag被设置为1，则可以知道在对增强层的宏块进行编码时使用了残差预测。
使用关于不同层的宏块的信息的预测方案(例如基层内预测或残差预测)被称为层间预测。
图10是示出了依据本发明的示范性实施例的视频编码处理的流程图。在操作S1中，输入当前宏块的残差，在操作S2中，视频编码器确定对残差进行编码是否必要。通常，当残差能量(残差的绝对值或平方值的和)小于阈值时，确定对残差的编码是不必要的，也就是说，将残差认为是0，并且不执行编码。所述阈值可以是预定的。
在操作S2中，如果确定对残差的编码是不必要的(即操作S2中的“否”)，则在操作S7中将当前宏块的编码块模式(Coded Block Pattern，CBP)标记设置为0。根据SVC标准，在每个宏块中设置CBP标记，以指示给定的块是否已被编码。视频解码器读取所设置的CBP标记，以确定给定宏块是否已被解码。
在操作S2中，如果确定对残差的编码是必要的(即操作S2中的“是”)，则在操作S3中，视频编码器对当前宏块的残差进行编码。编码技术可以包括诸如离散余弦变换(DCT)或小波变换的空间变换、或诸如可变长度编码或算术编码等的其它类似的变换、量化、熵编码。
在操作S4中，视频编码器确定与当前宏块对应的增强层的宏块是否已被层间预测。如上所述，可以通过读取intra_base_flag和residual_prediction_flag来获得关于与当前宏块对应的增强层的宏块是否已被层间预测的信息。
在操作S4中，如果确定与当前宏块对应的增强层的宏块已被层间预测(即操作S4中的“是”)，则在操作S5中，视频编码器将当前宏块的CBP标记设置为1。在操作S6中，编码后的当前宏块的残差被记录在不可丢弃NAL单元区域80上。
在操作S4中，如果确定与当前宏块对应的增强层的宏块未被层间预测(即操作S4中的“否”)，则在操作S8中，视频编码器将当前宏块的CBP标记设置为0，并且将其记录在不可丢弃NAL单元区域80上。然后，在操作S9中，编码后的当前宏块的残差被记录在不可丢弃NAL单元区域90上，并且对应的CBP标记被设置为1。
图11示出了具有通过图10所示流程图中描述的处理编码的宏块(MBn)的残差的比特流100的详细结构的示例，其中假定每个NAL单元包含5个宏块数据元素MB1～MB5。
例如，假设：MB1是对残差的编码不必要的情况下(即在图10的操作S2中是“否”)的宏块数据，MB2和MB5是对应的增强层的宏块被层间预测的情况中(即在图10的操作S4中是“是”)的宏块，MB3和MB4是对应的增强层的宏块未被层间预测的情况中(即在图10的操作S4中是“否”)的宏块。
将关于不可丢弃NAL单元区域的信息信令记录在NAL单元81的NAL报头上，例如，这可以通过在NAL单元81的NAL报头中将discardable_flag设置为0来实现。
将MB1的CBP标记设置为0，并且对MB1既不编码也不记录。也就是说，仅将包括关于MB1的CBP标记的信息和运动信息的宏块报头记录在NAL单元81上。然后，将MB2和MB5记录在NAL单元81上，并且将它们每个的CBP标记设置为1。
此外，由于MB3和MB4也是要实际记录的宏块数据，所以应将它们的CBP标记设置为1。然而，为了实现切换后的可缩放比特流，将MB3和MB4的CBP标记设置为0，并且不将它们记录在NAL单元81上。因此，从视频解码器的角度来看，MB3和MB4被当作好像是不存在已编码宏块的数据。然而，即使在本发明中，MB3和MB4也不是被绝对丢弃，而是被记录在NAL单元91上进行存储。因此，将关于可丢弃NAL单元区域的信息信令记录在NAL单元91的NAL报头上，例如，这可以通过在NAL单元91的NAL报头中将discardable_flag设置为1来实现。
NAL单元91至少包括在NAL单元81中包含的宏块数据中的可丢弃数据。也就是说，MB3和MB4被记录在NAL单元91中。在这种情况下，如果将MB3和MB4的标记被设置为1则将是有利的。然而，考虑到具有0值的CBP标记的宏块数据不必要记录在NAL单元91上，所以MB3和MB4的CBP标记为1还是为0没有差别。
图11中所示的比特流100的特征在于：可以将它分离为可丢弃信息和不可丢弃信息。实现比特流100的该特征可以避免附加开销。为了在视频编码器中生成的比特流100的传输期间保持可缩放性，将在比特流100中包括的可丢弃信息和不可丢弃信息完整保留。相反，当在比特流100的传输期间不必要保持可缩放性时，例如，当传输路由器位于最后的链路时，删除可丢弃信息。即使删除了可丢弃信息，也只是放弃了可缩放性，并且可以毫无困难地恢复增强层的宏块。
图12是示出了由依据本发明的示范性实施例的视频解码器对图11中所示的比特流100执行的视频解码处理的流程图。在视频解码器接收的比特流100包括可丢弃信息和不可丢弃信息的情况下，比特流100中包含的层(即当前层)对应于最上层，因为当视频解码器对当前层的增强层的比特流进行解码时，可丢弃的NAL单元区域应当已经被从当前层的比特流中删除。
在操作S11中，视频解码器接收比特流100，然后在操作S21中从比特流100中读取在可丢弃NAL单元区域中包括的当前宏块的CBP标记。通过读取记录在NAL单元的NAL报头上的discardable_flag，可以获得关于NAL单元是否可丢弃的信息。
如果在操作S22中确定所读取的CBP标记是1(即操作S22中的“否”)，则在操作S26中视频编码器读取记录在当前宏块上的数据，并且在操作S25中对所读取的数据进行解码，以恢复与当前宏块对应的图像。
如果在操作S22中确定所读取的CBP标记是0，这意味着不存在实际编码的数据或甚至实际编码的数据被记录在可丢弃NAL单元区域中，那么，在操作S23中，视频解码器确定在可丢弃NAL单元区域中是否存在具有与当前宏块的标识符相同的标识符的宏块。标识符表示用于识别宏块的编号。在图11中，尽管记录在NAL单元81上的MB3(具有标识符3)的CBP标记被设置为0，但是其实际的编码数据被记录在在NAL单元91上记录的MB3上(具有标识符3)。
因而，如果在操作S23中确定在可丢弃NAL单元区域中存在具有与当前宏块的标识符相同的标识符的宏块(即操作S23中的“是”)，则在操作S24中，视频解码器读取可丢弃NAL单元区域中的该宏块的数据。然后，在操作S25中对所读取的数据进行解码。
当然，确定在可丢弃NAL单元区域中存在具有与当前宏块的相同的标识符的宏块的情况(即操作S23中的“否”)对应于在当前宏块中不存在实际编码的数据的情况。
当视频编码器实际编码当前块的宏块时，很难知道在预测与当前块的宏块对应的增强层的宏块时是否使用当前块的宏块。因此，修改现有的视频编码方案是有利的。存在两种可能的方法来解决现有视频编码方案的问题。
方法1：修改编码处理
方法1是在一定程度上修改编码处理。图13是通过示例的方式示出由三层组成的视频序列的示图。在当前层的增强层通过了预测处理(帧间预测、帧内预测、基层内预测或残差预测)之前，不能对当前层进行编码。
参考图13，视频编码器通过预测处理(帧间预测或帧内预测)获得层0的宏块121的残差，并且量化/反向量化所获得的残差。该预测处理可以是预先确定的。然后，视频编码器通过预测处理(帧间预测、帧内预测、基层内预测或残差预测)获得层1的宏块122的残差，并且量化/反向量化所获得的残差。该预测处理可以是预先确定的。之后，对层0的宏块121进行编码。以这样的方式，在对层0的宏块121进行编码之前，层1的宏块122已经过了预测处理。因而，可以获得关于在预测处理中是否已使用了层0的宏块121的信息。因此，可以确定将层0的宏块121记录为可丢弃信息还是不可丢弃信息。
同样地，视频编码器通过预测处理(帧间预测、帧内预测、基层内预测或残差预测)获得层2的宏块123的残差(该预测处理可以是预先确定的)，并且量化/反向量化所获得的残差。此后，对层1的宏块122进行编码。最后，对层2的宏块123进行编码。
方法2：利用残差能量
方法2是计算当前宏块的残差能量，并且将其与阈值进行比较。所述阈值可以是预先确定的。宏块的残差能量可以被计算为宏块内的系数的绝对值或平方值的和。残差能量越大，要编码的数据越多。
如果当前宏块的残差能量小于阈值，则限制与当前宏块对应的增强层的宏块，以便不采用层间预测方案。在这种情况下，将当前宏块的残差编码到可丢弃NAL单元中。相反，如果当前宏块的残差能量大于阈值，则将当前宏块的残差编码到不可丢弃NAL单元中。
与方法1相比，方法2的缺点在于可能导致PSNR略微下降。
如在本发明中所提出的，丢弃几个残差可以使得在视频解码器部分的计算复杂度降低。这是因为可以对其残差被丢弃的所有宏块跳过解析和反向变换。存在另一种无需对宏块中的附加标记进行编码而降低计算复杂度的方法。也就是说，为了指示在增强层的残差预测处理中不使用的宏块，视频编码器向视频解码器发送补充增强信息(SEI)。SEI不包括在视频比特流中，而是依据SVC标准包括在数据中作为与视频比特流一起发送的附加数据或元数据。
在当前的SVC标准下，在对当前层进行估计时未考虑基层信息的率失真(rate-distortion，RD)成本，这是因为基层信息是不可丢弃信息，并且认为它在任何情况下都存在。
然而，在关于当前层(基于增强层的基层)的残差信息是可丢弃的情况下，与本发明类似，有必要在执行增强层中的残差预测时考虑用于对当前层的残差进行编码的RD成本。这通过在执行RD估计的同时将当前宏块的比特加到基层的残差比特来完成。RD估计可以使得在丢弃基层的残差之后当前层中的RD性能更高。
通过扩展本发明的概念，可以实现使用多层率失真(MLRD)的精细可缩放性(FGS)层的死子流(dead substream)优化。死子流是对增强层进行解码所必要的子流。在SVC标准中，也将死子流称为非必要图片或可丢弃子流，并且可以用NAL报头中的discardable_flag来识别它。可选地，间接确定子流是否是死子流的方法是检查所有增强层中的每一个的base_id_plusl的值，并且确定该base_id_plusl的值是否参考所述子流。
图14是示出不能对其应用多适配的FGS视频中的死子流的示例的示图。参考图14，FGS层0对于层1和层0的解码是必要的。这里，CGS层是FGS实现所需要的基础质量层，并且其也被称为离散层(discrete layer)。
图15是示出可以对其应用多适配的FGS视频中的比特流的示例的示图。参考图15，由于FGS层不用于帧间预测，所以当仅对层1进行解码时其可以被丢弃。简单而言，在应用于层1的比特流中可以丢弃FGS层0。然而，当客户端需要对层0和层1二者进行解码时，FGS层0不可被丢弃。
当多适配是有必要的时，这允许实现码率和失真之间的最佳折衷。
为了实现要预测的层的RD优化，可以使用在MLRD中采用的原理。
步骤1：层间预测的使用从基础质量级别(CGS层0)开始。计算CGS层0中的帧的RD成本。
FrameRd0＝FrameDistortion+Lambda*FrameBits
步骤2：层间预测的使用从质量级别1(CGS层0)开始。计算CGS层0中的帧的RD成本。
FrameRd1＝FrameDistortion+Lambda*(FrameBits+FGSLayer0Bits)
注意，为了实现多适配，本发明的概念对从FGS层的层间预测造成了损失(penalty)。
步骤3：计算RD成本，以选择最佳成本。如果FrameRD1比FrameRD0小，则可以将帧应用于多适配(在所示出的示例中，是适配到层1)，以便仅降低层1的比特流的比特率。
也可以从时间级别观点来扩展死子流和多RD成本的概念。图16是示出了使用时间级别的多适配的示例的示图，示出了在SVC标准下的分层的B结构和层间预测的概念。
相比而言，参考示出了依据本发明的示范性实施例使用时间级别的多适配的示例的图17，层间预测不是从最高时间级别(即层0)使用。这意味着最高时间级别(即层0)仅仅对于层1的比特流是不需要的，其被应用于适配以仅仅对层1进行解码，并且然后可被丢弃。可以通过多RD估计来完成对于是否使用层间预测的确定。
图18是示出了在CGS层之间的时间预测的示例的示图。图18中所示的比特流可以在层0中被解码，这是因为在层0的时间预测中不使用FGS层0。也就是说，应用于适配以对层1进行解码的比特流仍然可以在层0中被解码，然而，这并非在所有情况下都是正确的。在图19中所示的情况下，它可能就不是正确的。
层0使用用于时间预测的闭环预测方案。这意味着对FGS层0的截取或丢弃导致对层0进行解码时的漂移(drift)/失真。在这样的情况下，如果通过将帧1的FGS层0丢弃而将比特流应用于适配为对层1进行解码，则当使用该比特流来对层0进行解码时可能导致诸如漂移误差或PSNR下降的问题。
通常，客户端将不基于层1所采用的比特流对层0进行解码。然而，如果没有展现出层1采用了该比特流，则可能基于层1所采用的比特流而对层0解码。因此，本发明另外提出使用下述信息作为补充增强信息(SEI)消息的单独部分。
scalability_info(payloadSize){
multiple_adaptation_info_flag[i]
if(multiple_adaptation_info_flag[i ]){
can_decode_layer[i]
if(can_decode_layer[i])
{
decoding_drift_info[i]
}
}
}
“can_decode_layer[i]”标记指示给定的层是否可以被解码。如果给定的层可以被解码，则可以发送关于可能发生的漂移的信息。
在SVC标准中，使用关于质量层信息的SEI消息来指示FGS层的RD性能。RD性能显示访问单元的FGS层对截取或丢弃处理的敏感程度。例如，在分层的B(hierarchical-B)结构中，I和P图片对于截取或丢弃处理是相当敏感的。然而，在较高的时间级别中，图片对于截取或丢弃处理将不敏感。因而，提取器可以使用作为SEI消息的单独部分提出的上述信息来在各种访问单元中最优地截取FGS层。本发明提出了具有下述格式的关于质量层信息的SEI消息：
quality_layers_info(payloadSize){
dependency_id
num_quality_layers
for(i＝0；i＜num_quality_layers；i++){
quality_layer[i]
delta_quality_layer_byte_offset[i]
}
}
将当前质量层的消息定义为当前层的质量/码率性能，即当当前层的FGS层被丢弃时的质量/码率性能。然而，如前所述，在多适配的情况下，基层的FGS层可被丢弃。因而，可以在层之间传输下面的层间质量层SEI消息。对于时间预测来说，由于FGS层的截取而发生的漂移误差取决于层间预测性能。
interlayer_quality_layers_info(payloadSize){
dependency_id
base_dependency_id
num_quality_layers
for(i＝0；i＜num_quality_layers；i++){
interlayer_quality_layer[i]
interlayer_delta_quality_layer_byte_offset[i]
}
}
当有必要对比特流进行截取时，比特流提取器可以依赖于quality_layers_info和interlayer_quality_layers_info SEI消息来确定是否要截取当前层的FGS层或基层的FGS层。
图20是示出了依据本发明的示范性实施例的视频编码器300的框图。
分别将层0的宏块MB0输入到预测器110，并将时间上和空间上与层0的宏块MB0对应的层1的宏块MB1输入到预测器210。
预测器110使用帧间预测或帧内预测获得预测块，并且从MB0中减去所获得的预测块，以获得残差R0。帧间预测包括获得运动向量和宏块模式的运动估计处理以及用于对运动向量所参考的帧进行运动补偿的运动补偿处理。
编码确定器120确定是否有必要对所获得的残差R0进行编码。也就是说，当残差R0的能量小于阈值时，确定将落入残差R0的范围内的值都认为是0，并且编码确定器120向编码单元130通知确定结果。所述阈值可以是预先确定的。
编码单元130对残差R0执行编码。为此，编码单元130可以包括空间变换器131、量化器132和熵编码单元133。
空间变换器131对残差R0执行空间变换，以生成变换系数。可以使用离散余弦变换(DCT)或小波变换技术或其它这样的技术来进行空间变换。当使用DCT来进行空间变换时生成DCT系数，而当使用小波变换时生成小波系数。
量化器132对变换系数执行量化。这里，量化是将以任意实数表示的变换系数表示为离散值的方法。例如，量化器132通过用预定量化步长来除以变换系数并且将结果取整为整数值来执行量化。
熵编码单元133无损地对从量化器132提供的量化结果进行编码。诸如霍夫曼编码、算术编码以及可变长度编码的各种编码方案或其它类似方案都可以用来进行无损编码。
为了使得从量化器132提供的量化结果可以用于层1的预测器210中的层间预测，对量化结果施行由反向量化器134执行的反向量化处理和由反向空间变换器135执行的反向变换处理。
由于存在与MB1对应的层0的宏块MB0，所以预测器210可以使用层间预测(例如基层内预测或残差预测)以及帧间预测或帧内预测。预测器210在各种预测方案中选择提供最小RD成本的预测方案，使用所选择的预测方案获得MB1的预测块，从MB1中减去预测块来获得残差R1。这里，如果预测器210使用层间预测，则将intra_base_flag设置为1(如果不是，则将intra_base_flag设置为0)。如果预测器210使用残差预测，则将residual_prediction_flag设置为1(如果不是，则将residual_prediction_flag设置为0)。
与层0类似，编码单元230对残差R1进行编码。为此，编码单元230可以包括空间变换器231、量化器232和熵编码单元233。
此外，根据本发明的示范性实施例，比特流生成器140生成切换后的可缩放比特流。为此，如果编码确定器120确定不必对当前宏块的残差R0进行编码，则比特流生成器140将CBP标记设置为0，同时从当前宏块的比特流中排除残差R0。同时，如果残差R0在编码单元230中实际进行了编码，并且随后被提供给比特流生成器140，则比特流生成器140确定MB1是否已由预测器210进行了层间预测(使用基层内预测或残差预测)，这可以通过读取从预测器210提供的residual_prediction_flag或intra_base_flag来实现。
作为确定结果，如果MB1已被层间预测，则比特流生成器140将所编码的宏块的数据记录在不可丢弃单元区域上。如果MB1未被层间预测，则比特流生成器140将所编码的宏块的数据记录在可丢弃单元区域上，并且将其CBP标记设置为0，然后记录在不可丢弃NAL单元区域上。在不可丢弃单元区域(图11的80)中，将discardable_flag设置为0。在可丢弃NAL单元区域(图11的90)中，将discardable_flag设置为1。以此方式，比特流生成器140生成层0的比特流，如图11所示，并且根据从编码单元230提供的编码数据生成层1的比特流。所生成的层1和层2的比特流被组合，然后被作为单个比特流输出。
图21是示出了根据本发明的示范性实施例的视频解码器400的框图。参考图21，与图11类似，输入比特流包括可丢弃信息和不可丢弃信息。
比特流解析器410从指示是否是可丢弃的discardable_flag来读取在不可丢弃信息中包含的当前宏块的CBP标记。如果所读取的CBP标记是1，则比特流解析器410读取记录在当前宏块上的数据，并且将所读取的数据提供给解码单元420。
如果在可丢弃NAL单元中不存在具有与当前宏块的标识符相同的标识符的宏块，则通知反向预测器424当前宏块不可用，即所读取的数据都是0。
解码单元420对从比特流解析器410提供的宏块数据进行解码，以恢复预定层的宏块的图像。为此，解码单元420可以包括熵解码器421、反向量化器422、反向空间变换器423以及反向预测器424。
熵解码器421对比特流执行无损解码。无损解码是在视频编码器300中执行的无损编码的反向操作。
反向量化器422对从熵解码器421接收的数据执行反向量化。反向量化是量化的反向操作，以使用与已在视频编码器300中执行量化时相同的量化表来恢复与索引匹配的值。
反向空间变换器423执行反向空间变换，以根据反向量化之后获得的系数为每个运动块重建残差图像。反向空间变换是由视频编码器300执行的反向空间变换操作。反向空间变换可以是逆DCT变换、逆小波变换等。作为反向空间变换的结果，残差R0被恢复。
也就是说，反向预测器424以与在视频编码器300的预测器110中相应的方式来反向恢复残差R0。与在预测器110中执行的预测类似，通过将残差R0加到预测块来执行反向预测。
可以以软件、硬件或软件与硬件的组合来实现在图20和图21中所述的各个组件：所述软件例如包括任务、类、过程、对象、执行线程或程序代码，所述软件被配置为存在于存储器的预定区域；所述硬件执行某些任务，诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。组件可以被存储在计算机可读存储介质上，或可以被实现为使得它们运行一个或多个计算机。
工业实用性
如上所述，根据本发明概念，可以提高基于多层的视频的编码性能。
此外，当不必支持可缩放比特流的可缩放性时，本发明可以降低可缩放比特流的额外开销。
尽管已参考其示范性实施例具体示出和描述了本发明概念，但是本领域普通技术人员应当明白，在不背离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出各种形式上和细节上的改变。因而，应当理解，提供上述示范性实施例仅仅是描述性的，并且不应认为是对本发明的范围进行任何限制。

Claims (21)

1.一种用于对具有多个层的视频序列进行编码的视频编码方法，该方法包括：
对存在于所述多个层中的第一层内的第一块的残差进行编码；
如果利用该第一块对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在比特流的不可丢弃区域中，所述第二块存在于所述多个层中的第二层内并且与所述第一块对应；以及
如果不利用所述第一块而对第二块进行编码，则将所编码的第一块的残差记录在所述比特流的可丢弃区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一块和所述第二块是宏块。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不可丢弃区域包括discardable_flag被设置为0的多个网络抽象层单元，并且所述可丢弃区域包括discardable_flag被设置为1的多个网络抽象层单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对残差的编码包括执行空间变换、量化和熵编码。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所编码的第一块的残差记录在所述不可丢弃区域上的步骤包括：将关于所记录的第一块的残差的编码块模式标记设置为1。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所编码的第一块的残差记录在所述可丢弃区域上的步骤包括：将关于所记录的第二块的残差的编码块模式标记设置为0，并且将该编码块模式标记记录在所述不可丢弃区域上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，如果利用所述第一块对第二块进行编码，则所述第二块被层间预测。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，如果不使用所述第一块而对第二块进行编码，则所述第二块被帧间预测或帧内预测。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过补充增强信息消息来表示所述不可丢弃区域和可丢弃区域。
10.一种用于对包括具有不可丢弃区域和可丢弃区域的至少一层的视频比特流进行解码的视频解码方法，该方法包括：
从所述不可丢弃区域读取第一块；
如果所述第一块的数据存在，则对所述第一块的数据进行解码；
如果所述第一块的数据不存在，则从所述可丢弃区域读取具有与所述第一块相同的标识符的第二块的数据；以及
对所读取的所述第二块的数据进行解码。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过所述第一块的编码块模式来确定所述第一块的数据的存在。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一块和第二块是宏块。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述标识符是用于识别宏块的编号。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，如果所述第一块的数据存在，则将记录在所述不可丢弃区域上的所述第一块的编码块模式标记设置为1，并且如果所述第一块的数据不存在，则将记录在所述不可丢弃区域上的所述第一块的编码块模式标记设置为0。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一层包括多个层中的最上层。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述不可丢弃区域包括discardable_flag被设置为0的多个网络抽象层单元，并且所述可丢弃区域包括discardable_flag被设置为1的多个网络抽象层单元。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，通过补充增强信息消息来表示所述不可丢弃区域和可丢弃区域。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述补充增强信息消息是由视频编码器生成的。
19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述对第一块数据进行解码和对第二块数据进行解码的每个包括执行空间变换、量化和熵编码。
20.一种用于对具有多个层的视频序列进行编码的视频编码器，该视频编码器包括：
编码单元，其对存在于所述多个层中的第一层内的第一块的残差进行编码；
记录单元，如果利用所述第一块对第二块进行编码，则该记录单元将所编码的所述第一块的残差记录在比特流的不可丢弃区域中，所述第二块存在于所述多个层中的第二层内并且与所述第一块对应；以及
记录单元，如果不利用所述第一块而对第二块进行编码，则该记录单元将所编码的所述第一块的残差记录在所述比特流的可丢弃区域。
21.一种用于对包括具有不可丢弃区域和可丢弃区域的至少一层的视频比特流进行解码的视频解码器，该视频解码器包括：
读取单元，其从所述不可丢弃区域读取第一块；
解码单元，如果所述第一块的数据存在，则其对所述第一块的数据进行解码；
读取单元，如果所述第一块的数据不存在，则其从所述可丢弃区域读取具有与所述第一块的标识符相同的标识符的第二块的数据；以及
解码单元，其对所述第二块的读取数据进行解码。
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