CN102316321A - 利用非语法重用的视频编码器及其使用的方法 - Google Patents

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CN102316321A CN2011101680776A CN201110168077A CN102316321A CN 102316321 A CN102316321 A CN 102316321A CN 2011101680776 A CN2011101680776 A CN 2011101680776A CN 201110168077 A CN201110168077 A CN 201110168077A CN 102316321 A CN102316321 A CN 102316321A
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Abstract

本公开涉及利用非语法重用的视频编码器及其使用的方法。视频编码器包括非语法处理引擎，所述非语法处理引擎根据第一视频压缩标准将视频输入信号处理为中间信号。语法部分根据第二视频压缩标准变换和量化中间信号以产生经处理的视频信号，其中第二视频压缩标准不同于第一视频压缩标准。

Description

利用非语法重用的视频编码器及其使用的方法
与相关专利的交叉引用
本申请涉及2010年6月30日提交的、题为“VIDEO ENCODERWITH VIDEO DECODER REUSE AND METHOD FOR USETHEREWITH”的美国申请No.______。
技术领域
本发明涉及在诸如视频编码器/解码器的设备中使用的编码。
背景技术
视频编码已经成为现代视频处理设备的重要问题。健壮的编码算法允许以减少的带宽传输视频信号并且以更少的存储器存储视频信号。然而，这些编码方法的准确性面临正在变得习惯于更高分辨率和更好图形质量的用户的详细审查。已经颁布了许多编码方法的标准，包括还被称为MPEG-4部分10或高级视频编码(AVC)的H.264标准，以及由电影与电视工程师学会(SMPTE)提出的VC-1。虽然该标准提出了许多强有力的技术，可能有改进这些方法的实现的性能和速度的进一步改进。以这些编码方法编码的视频信号必须被类似地解码，以便在大部分视频显示设备上回放。
高效且快速地编码和解码视频信号对于许多视频设备的实现来说是重要的，对于最终供家庭使用的视频设备尤其如此。编码方法不时被更新以便改进其性能。在许多情况下，对编码方法的更新包括需要设计改变和更复杂实现的新功能和特征。
通过对这些***和本发明进行比较，本领域技术人员将明了常规和传统方法的其它限制和缺点。
附图说明
图1-3给出了根据本发明的实施例的各种视频设备的图示表示；
图4给出了根据本发明的实施例的视频设备的方框图表示；
图5给出了根据本发明的实施例的视频分发***375的方框图表示；
图6给出了根据本发明的实施例的视频存储***179的方框图表示；
图7给出了根据本发明的实施例的视频编码器102的方框图表示；
图8给出了根据本发明的实施例的视频编码器102的方框图表示；
图9给出了根据本发明的实施例的视频编码操作方框流程图；
图10给出了根据本发明的实施例的视频编码器402的方框图表示；
图11给出了根据本发明的实施例的视频编码器402的方框图表示；
图12给出了根据本发明的实施例的方法的流程图表示；和
图13给出了根据本发明的实施例的方法的流程图表示。
具体实施方式
图1-3给出了根据本发明的实施例的各种视频设备的图示表示。特别地，具有内置数字视频记录器功能的机顶盒10或独立数字视频记录器、视频服务器20和便携计算机30示出了结合有视频设备125的电子设备，视频设备125包括本发明的一个或多个特征或功能。虽然示出了这些特定设备，视频处理设备125包括能够根据结合图4-13和所附权利要求描述的方法和***，对视频内容进行编码和/或转码(transcode)的任意设备。
图4给出了根据本发明的实施例的视频设备的方框图表示。特别地，该视频设备包括接收模块100，诸如电视接收机、有线电视接收机、卫星广播接收机、宽带调制解调器、3G收发器或能够接收接收信号98并且通过时分解多路复用、频分解多路复用或其它解多路复用技术提取一个或多个视频信号110的其它信息接收机或收发器。视频处理设备125包括视频编码器102，并且连接到接收模块100，以将视频信号编码或转码为经处理的视频信号112以供传输或存储。
在本发明的实施例中，接收信号98是广播视频信号，诸如电视信号、高清晰度电视信号、增强高清晰度电视信号或直接或通过一个或多个卫星或其它中继站通过无线介质或通过缆线网络、光网络或其它传输网络传输的其它广播视频信号。另外，可以从存储的视频文件产生接收信号98、从记录介质——诸如磁带、磁盘或光盘——回放接收信号98，并且接收信号98可以包括在公共或私有网络——诸如局域网、广域网、城域网或Internet——上传输的流视频信号。
视频信号110可以包括具有若干视频格式中的任意—种格式的模拟视频信号，所述视频格式包括国家电视***委员会制式(NTSC)、逐行倒相制式(PAL)或顺序传送与存储彩色电视***制式(SECAM)。经处理的视频信号112可以包括符合数字视频编解码器标准的数字视频信号，所述标准诸如H.26x、MPEG-4部分10高级视频编码(AVC)或其它数字格式，诸如运动图像专家组(MPEG)格式(诸如MPEG1、MPEG2或MPEG4)、Quicktime格式、Real Media格式、WindowsMedia Video(WMV)或音视频交错格式(AVI)等。在其它例子中，视频信号110本身可以是未压缩的数字视频信号，其被编码为压缩数字视频格式，或视频信号110是压缩数字视频信号，其被转码为不同的压缩数字视频格式。
图5给出了根据本发明的实施例的视频分发***375的方框图表示。特别地，视频处理设备125产生经处理的视频信号112，以通过传输路径122传输到视频处理设备135。视频处理设备135操作以对经处理的视频信号112解码，以便在诸如电视机12、计算机14或其它显示设备的显示设备上显示。
传输路径122可以包括根据无线局域网协议——诸如802.11协议、WIMAX协议、蓝牙协议等——操作的无线路径。另外，传输路径可以包括根据有线协议——诸如通用串行总线协议、以太网协议或其它高速协议——操作的有线路径。
图6给出了根据本发明的实施例的视频存储***179的方框图表示。特别地，设备11是具有内置数字视频记录器功能的机顶盒、独立的数字视频记录器、DVD记录器/播放器或包括诸如视频编码器102的视频编码器的其它设备。在操作中，设备11接收视频信号110，并且产生经处理的视频信号112以便作为压缩的数字视频文件存储在存储器、硬盘等内。在这个例子中，用户可以命令设备11检索并且解码压缩视频文件，以便在诸如电视12的视频显示设备上回放。虽然示出了这些特定设备，但是视频存储***179可以包括硬盘驱动器、闪存设备、计算机、DVD刻录机或能够根据结合此处描述的本发明的特征和功能描述的方法和***产生、存储、解码和/或显示经处理的视频信号112的视频内容的任意其它设备。
图7给出了根据本发明的实施例的视频编码器102的方框图表示。特别地，视频编码器102包括根据第一视频压缩标准，将诸如视频信号110的视频输入信号处理为中间信号111的非语法处理引擎150。非语法处理引擎150可以包括运动搜索、运动细化和内部模式判定部分等。例如，第一视频处理标准可以是H.26x、MPEG-4部分10高级视频编码(AVC)、VC-1或另一种数字格式。中间信号111可以包括在视频编码处理中产生的多个运动矢量和模式判定或其它中间信号。虽然根据特定标准产生中间信号111，运动矢量和/或模式判定形式的中间结果可以与其它标准兼容，并且因此独立于用于产生中间信号111的特定压缩数字视频格式。
视频编码器102还包括语法部分175，语法部分175根据第二视频压缩标准处理中间信号111以便产生经处理的视频信号112。例如，语法部分175可以计算运动矢量差，诸如残余像素色度和亮度值，将残余像素值变换和量化为变换量化数据，变换量化数据可被重新排序并且熵编码为作为经处理的视频信号112输出的比特流。如上面讨论的，中间信号111可以与其它标准兼容，并且从而独立于用于产生中间信号111的特定压缩数字视频格式。然而经处理的视频信号112的格式取决于第二视频压缩标准的语法。
在操作中，第二视频压缩标准可以与第一视频压缩标准不同。例如，可以使用被用作H.264编码器的一部分的非语法处理引擎150构造VC-1视频编码器。语法部分175可以处理由非语法处理引擎150产生的运动矢量和模式判定，以便产生VC-1格式的经处理的视频信号。以这种方式，可以由仅添加了新的语法部分175的常规H.264编码硬件构造新的VC-1视频编码器。这种实现可以节省新标准实现的开发时间。
图8给出了根据本发明的实施例的视频编码器102的方框图表示。特别地，视频编码器102可以是根据H.264标准、MPEG-4标准、VC-1(SMPTE标准421M)或其它标准的多种功能和特征操作以处理经处理的视频信号112从而对视频信号110进行编码或转码的视频编解码器。可选地，视频信号110由信号接口198格式化以进行编码或转码。
处理模块200和存储器模块202通过总线221耦接到信号接口198和多个其它模块，诸如运动搜索模块204、运动细化模块206、直接模式模块208、帧内预测模块210、模式判定模块212、重构模块214、熵编码/重新排序模块216、正向变换和量化模块220和可选的去块化过滤模块222。如图所示，非语法引擎150包括运动搜索模块204、运动细化模块206、直接模式模块208、帧内预测模块210和模式判定模块212。语法部分175包括重构模块214、熵编码/重新排序模块216、正向变换和量化模块220和可选的去块化过滤模块222以及处理模块200、存储器模块202和信号接口198。虽然特定模块被示出为包括在非语法引擎150或语法部分175内，但是应当注意，根据中间信号111的格式和/或视频编码器102执行的特定数字视频格式的与特定标准相关的部分，非语法引擎150或语法部分175的构成可以不同。另外，虽然示出了特定的总线体系结构，根据本发明同样可以实现使用一个或多个模块之间的直接连接和/或附加总线的替换体系结构。
在本发明的特定实施例中，非语法引擎150以使用单个专用集成电路、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或根据视频信号110产生中间信号111的任意其它硬件设备的硬件实现。语法部分175可通过可以包括单个处理设备或多个处理设备的处理模块200实现。这种处理设备可以是微处理器、协处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件和/或基于存储在存储器(诸如存储器模块202)内的操作指令处理信号(模拟和/或数字信号)的任意设备。存储器模块232可以包括单个存储器设备或多个存储器设备。这种存储器设备可以包括硬盘驱动器或其它盘驱动器、只读存储器、随机访问存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓存存储器和/或存储数字信息的任意设备。然而，在其它实施例中，非语法引擎150和语法部分175可以以硬件、固件或软件的其它组合实现。
可以根据标准选择信号确定视频信号110的格式和经处理的视频信号112的格式，标准选择信号还可以是用户定义的参数、用户输入、寄存器值、存储器值或其它信号。
在一个操作例子中，非语法引擎150根据H.264/AVC操作。运动搜索模块204基于从视频信号110的帧和/或场的列和行到像素值的宏块(诸如，16像素×16像素大小)的划分，处理视频信号110中的图片。在本发明的实施例中，运动搜索模块为视频信号的场和/或帧的每一宏块或宏块对确定表示宏块(或子块)从视频信号的参考帧或参考场到当前帧或场的位移的一个或多个运动矢量。运动搜索模块204在搜索范围内操作，以便以整数像素级精度，诸如，1个像素的分辨率，定位当前帧或场内的宏块(或子块)。基于成本公式估计候选位置，以便确定具有最满意(诸如，最低)成本的位置和对应的运动矢量。
在本发明的实施例中，成本公式基于参考宏块像素值和候选宏块像素值之差的绝对值之和(SAD)和加权速率项，该加权速率项表示对候选运动矢量和预测运动矢量(PMV)或估计的预测运动矢量之差进行编码所需要消耗的比特数目，其中预测运动矢量基于当前宏块右侧的相邻宏块和相对于视频输入信号的前一行的相邻当前宏块的运动矢量，而该估计的预测运动矢量是基于相对于视频输入信号的前一行的相邻当前宏块的运动矢量确定的。在本发明的实施例中，成本计算避免使用当前宏块内的相邻子块。以这种方式，运动搜索模块204能够对宏块操作，以便同时确定宏块的每个子块的运动搜索运动矢量。
运动细化模块206基于运动搜索运动矢量为多个宏块中的每个宏块产生细化运动矢量。在本发明的实施例中，运动细化模块为视频信号110的场和/或帧的每一宏块或宏块对确定表示该宏块从视频信号的参考帧或参考场到当前帧或场的位移的细化运动矢量。
基于像素和插值像素，运动细化模块206将宏块在当前帧或场内的位置细化到更高像素级精度，诸如到1/4像素分辨率或其它子像素分辨率。还基于成本公式估计候选位置，以便确定具有最满意(诸如最低)成本的位置和细化运动矢量。
直接模式模块208基于每一宏块的相邻宏块为该宏块产生直接模式运动矢量。在本发明的实施例中，直接模式模块208诸如以由H.264标准定义的方式操作，以便基于视频信号110的B片的候选直接模式运动矢量的成本，确定直接模式运动矢量和与该直接模式运动矢量相关联的成本。
虽然现有模块集中于运动矢量的帧间预测，帧内预测模块210为多个宏块中的每个宏块产生最佳帧内预测模式。在本发明的实施例中，帧内预测模块210如H.264标准所定义的那样操作，然而同样可以采用其它帧内预测技术。特别地，帧内预测模块210操作，以便基于从相邻宏块确定的运动矢量估计多个帧内预测模式，诸如作为亮度预测模式的帧内-4×4或帧内-16×16、色度预测(8×8)或其它帧内编码，以便确定最佳帧内预测模式和相关成本。
模式判定模块212基于与细化运动矢量、直接模式运动矢量和最佳帧内预测模式相关联的成本，特别是，产生最满意(最低)成本或可接受成本的方法，确定多个宏块中的每个宏块的最终宏块成本。重构模块214通过基于非语法引擎150确定的模式判定和最终运动矢量为多个宏块中的每个宏块产生残余亮度和/或色度像素值来完成运动补偿。
正向变换和量化模块220通过将残余像素值变换编码和量化为量化变换系数，产生经处理的视频信号112，该量化变换系数可诸如通过熵编码模块216内的熵编码而被进一步编码。在本发明的实施例中，可由信号接口198可选择地执行其它格式化和/或缓冲，并且经处理的视频信号112可被表示为是信号接口198的输出。
图9给出了根据本发明的实施例的视频编码操作方框流程图。特别地，示出了一种示例视频编码操作，其使用结合图8描述的多个功能特定模块实现类似的编码操作。运动搜索模块204基于当前帧/场260和一个或多个参考帧/场262为多个宏块中的每个宏块产生运动搜索运动矢量。运动细化模块206基于运动搜索运动矢量为多个宏块中的每个宏块产生细化运动矢量。帧内预测模块210为多个宏块中的每个宏块估计和选择最佳帧内预测模式。模式判定模块212基于与细化运动矢量和最佳帧内预测模式相关联的成本为多个宏块中的每个宏块确定最终运动矢量。
重构模块214通过由差值电路282对当前帧/场260的像素值执行减法来产生与多个宏块中的每个宏块的最终运动矢量相对应的残余像素值，并且通过使用加法电路284重新添加残余像素值(通过变换和量化模块220处理的)产生未过滤的重构帧/场。变换和量化模块220在变换模块270和量化模块272中变换和量化残余像素值，并且通过逆变换模块276和去量化模块274内的逆向变换和去量化来重新形成残余像素值。另外，量化和变换后的残余像素值由重新排序模块278(诸如按照Z字形扫描)重新排序，并且由熵编码/重新排序模块216的熵编码模块280熵编码，以便形成以所选数字视频格式的特定格式的网络抽象层输出281。
去块化过滤模块222根据未过滤的重构帧/场形成当前重构帧/场264。还应当注意，当前重构帧/场264可被缓冲，以便产生用于将来当前帧/场260的参考帧/场262。
图10给出了根据本发明的实施例的视频编码器402的方框图表示。特别地，视频编码器402执行视频编码器102的功能以便从视频信号110产生经处理的视频信号112。特别地，视频编码器102包括正向路径部分305，正向路径部分305基于多个参考图片304根据视频压缩标准处理视频输入信号，以便产生经处理的视频信号112和多个变换量化(Transformed Quantized，TQ)残余像素值306。压缩标准可以是VC-1、H.264或其它数字视频格式。特别地，可以通过非语法引擎150和语法部分175的正向路径部分或常规视频编码器的正向路径部分实现正向路径部分305。
视频编码器402还包括解码引擎310，解码引擎310根据视频压缩标准对多个变换量化残余像素值306解码，以便产生多个参考图片304。如图所示，解码引擎310包括逆变换模块274和逆量化模块276，以便根据TQ残余像素值306产生重构残余像素值。运动补偿模块302根据重构残余像素值产生参考图片304。
应当注意，可以使用现有视频解码器实现重构路径内的解码引擎310。以这种方式，可以通过简单地构造正向路径部分305，以已有视频解码器构造新的视频编码器。例如，解码引擎310可以以硬件实现，而正向路径部分305可以部分或全部地以运行在处理器上的软件或固件实现。
图11给出了根据本发明的实施例的视频编码器402的方框图表示。特别地，视频编码器402与视频编码器102共享以共用参考号指示的许多类似元件。可以通过运动搜索模块204、运动细化模块206、直接模式模块208、帧内预测模块210和模式判定模块212以及重构模块214的正向路径部分，实现运动估计模块300。可以通过解码引擎310实现视频编码器402的重构路径。
图12给出了根据本发明的实施例的方法的流程图表示。特别地，给出了与结合图1-11描述的功能和特征中的一个或多个一起使用的方法。在步骤500，通过非语法处理引擎根据第一视频压缩标准将视频输入信号处理为中间信号。在步骤502，通过处理器根据第二视频压缩标准处理中间信号，以便产生经处理的视频信号，其中第二视频压缩标准不同于第一视频压缩标准。
在本发明的实施例中，步骤500可以包括变换和量化、重新排序和熵编码。中间信号可以包括模式判定和多个运动矢量。第一和第二视频压缩标准可以包括运动图像专家组(MPEG)压缩和电影与电视工程师学会(SMPTE)压缩标准或其它数字视频格式。
图13给出了根据本发明的实施例的方法的流程图表示。特别地，给出了与结合图1-12描述的功能和特征中的一个或多个一起使用的方法。在步骤510，通过处理器根据视频压缩标准并且基于多个参考图片处理视频输入信号，以便产生经处理的视频信号和多个变换量化残余像素值。在步骤512，通过解码引擎根据视频压缩标准对多个变换量化残余像素值解码，以便产生多个参考图片。
在本发明的实施例中，步骤510可以包括基于视频输入信号和多个参考图片产生残余像素值，变换和量化残余像素值以便产生多个变换量化残余像素值。步骤510还可以包括对多个变换量化残余像素值进行重新排序和熵编码，以便产生经处理的视频信号。
在步骤512，解码引擎可以对多个变换量化残余像素值进行逆变换和逆量化，以便产生重构的残余像素值。解码引擎还可以对重构的残余像素值进行运动补偿，以便产生多个参考图片。
视频压缩标准可以包括运动图像专家组(MPEG)压缩、电影与电视工程师学会(SMPTE)压缩标准，或其它数字视频格式。
虽然此处已经明确描述了本发明的各种功能和特征的特定组合，但是可以有这些特征和功能的其它组合，其不受此处公开的特定示例的限制，并且被明确地包括在本发明的范围内。
本领域的技术人员将明了，此处可能使用的术语“大体”或“近似地”给其对应项和/或项之间的相对性提供工业可接受容限。这种工业可接受容限的范围从小于百分之一到百分之二十，并且相应于但不限于组件值、集成电路处理变化、温度变化、上升和下降时间和/或热噪声。这种项之间的相对性的范围从百分之几的不同到量级的不同。本领域的普通技术人员还将明了，此处可能使用的术语“耦接”包括直接耦接和通过另一个组件、元件、电路或模块的间接耦接，其中对于间接耦接，中间组件、元件、电路或模块不改变信号的信息，而是可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。本领域的普通技术人员还将明了，推导耦接(即，根据推导一个元件耦接到另一个元件)包括两个元件之间以与“耦接”相同的方式的直接和间接耦接。本领域的普通技术人员还将明了，此处可能使用的术语“满意地比较”指两个或多个元件、项、信号等之间的比较提供所希望的关系。例如，当所希望的关系是信号1的幅度大于信号2的幅度时，那么当信号1的幅度大于信号2的幅度时或当信号2的幅度小于信号1的幅度时，实现满意的比较。
由于在本发明的各个实施例的描述中使用了术语模块，模块包括执行一个或多个功能(诸如处理输入信号以便产生输出信号)的以硬件、软件和/或固件实现的功能块。如此处使用的，模块可以包括自身是模块的子模块。
因此，此处已经描述了一种用于实现视频处理设备的装置和方法，以及包括优选实施例的若干实施例和使用其的视频编码器。此处描述的本发明的各个实施例具有使得本发明区别于现有技术的特征。
本领域的技术人员将明了，可以按照多种方法修改公开的发明，并且可以采取上面特别提出和描述的优选形式之外的许多实施例。因此，旨在以所附权利要求覆盖本发明的落在本发明的真实精神和范围内的所有修改。

Claims (16)

1.一种视频编码器，包括：
非语法处理引擎，所述非语法处理引擎根据第一视频压缩标准将视频输入信号处理为中间信号；和
耦接到所述非语法处理引擎的语法部分，所述语法部分根据第二视频压缩标准变换和量化所述中间信号以产生经处理的视频信号，其中所述第二视频压缩标准不同于所述第一视频压缩标准。
2.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述语法部分包括重新排序模块。
3.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述语法部分包括熵编码模块。
4.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述语法部分包括用于执行用于实现所述语法部分的操作的多个操作指令的处理器。
5.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述中间信号包括多个运动矢量。
6.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述中间信号包括模式判定。
7.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述第一视频压缩标准是运动图像专家组(MPEG)压缩标准。
8.如权利要求1所述的视频编码器，其中所述第一视频压缩标准是电影与电视工程师学会(SMPTE)压缩标准。
9.一种用于视频编码器的方法，所述方法包括：
通过非语法处理引擎根据第一视频压缩标准将视频输入信号处理为中间信号；和
通过处理器根据第二视频压缩标准处理所述中间信号以产生经处理的视频信号，其中所述第二视频压缩标准不同于所述第一视频压缩标准。
10.如权利要求9所述的方法，其中处理中间信号包括变换和量化。
11.如权利要求9所述的方法，其中处理中间信号包括重新排序。
12.如权利要求9所述的方法，其中处理中间信号包括熵编码。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述中间信号包括多个运动矢量。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述中间信号包括模式判定。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述第一视频压缩标准是运动图像专家组(MPEG)压缩标准。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述第一视频压缩标准是电影与电视工程师学会(SMPTE)压缩标准。
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