CN1237817C - 视频序列压缩的编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过三维子波变换的方式压缩视频序列的编码方法。该方法以分层子带编码处理为基础，从而产生用于构成分层金字塔的变换系数。一种时空定向树用于定义所述金字塔内的时空关系，在该时空定向树中，树根是以近似子带的像素形成的，并且这些像素中的每个像素的子代是以较高子带的像素来形成的。根据本发明，在编码处理中，通过按照遵循父代-子代相关性的顺序扫描子带，子波变换的初始子带结构被保留。而且，鉴于渐进传输的情况，标记“off/on”被加到每个系数中，它们当中的至少一个标记用于描述一组像素的状态，且至少另一个标记用于描述单个像素的状态。

Description

视频序列压缩的编码方法
发明领域
本发明涉及一种用于压缩划分为帧组的视频序列的编码方法，这些帧组通过三维(3D)子波变换的方式分解产生与所述变换的分解级别相对应的给定数目的连续分辨率级别，所述方法是以分层子带编码处理为基础的，它由每组帧的图像元素(像素)的原始集合产生用于变换分层金字塔的变换系数，并且一种时空定向树用于定义所述分层金字塔内的时空关系，在该时空定向树中，树根是利用由3D子波变换产生的近似子带的像素形成的，并且这些像素中的每个像素的子代是利用与这些根像素所定义的图象体相对应的较高子带的像素来形成的。
发明背景
现在，多媒体应用的发展已经使可缩放性成为视频压缩方案最重要的功能之一。可缩放性允许在嵌入式比特流中向具有不同要求和编码能力的接收机发送多个级别的质量或空间分辨率/帧速率。象MPEG-4这样的现行标准已经通过附加的高成本层在预测的基于DCT的框架中执行可缩放性。基于三维子波分解，继之以时空树的分层编码如分层树中的集合划分算法(SPIHT)的更为有效的解决方法近来被推荐作为静止图象编码技术的扩展(原始的SPIHT算法可见于A.Said和W.A.Pearlman的“基于分层树中的集合划分的快速有效的新型图象编解码器”，见《关于视频技术的电路和***的IEEE会刊》vol.6，no3，June 1996，pp.243-250，而且，该算法对3D情况的扩展可见于B.J.Kim和W.A.Pearlman的“使用分层树的三维集合划分(SPIHT)的嵌入式子波视频编码器”，见《数据压缩会议会刊》March25-27，1997，Snowbird，Utah，USA，pp251-260)。3D子波分解可提供自然的空间分辨率和帧速率的可缩放性，同时，在分层树中获得的系数的深入扫描和比特面编码将会产生具有高压缩比的希望的质量可缩放性。
SPIHT算法是以一个关键概念为基础的：与减少量相应的系数的部分分类，以及跨越利用自然图象中固有的自相似性的子波分解标度(scale)的有效信息不存在的预测。这意味着如果一个系数在子波分解的最低标度是无效的，那么在其它标度与相同区域对应的系数也是无效的概率会非常高。SPIHT基本上是一种迭代算法，其要点在于：从时空分解树中发现的最大显著水平直到0为止，把处于不同分辨率的与相同图象区对应的一组像素与被称作“显著水平”的值相比较。对于一个给定的级别或比特面来说，两个过程(pass)要被执行：分类过程，它寻找零树或子树并分出无效和有效系数；细化过程，它发送有效系数的精确比特。SPIHT算法从分解的最高级别到最低级别来检查子波系数。这相当于随分辨率增加首先考虑与位于分辨率的最小标度子带中的重要细节相对应的系数，然后检查与精确细节相对应的最小系数。这证明了该算法的“分层”指定是正确的：比特是通过降低它们所表示的细节的重要性来传送的，并且由此形成累加的比特流。
被称作空间(或者在3D情况下为时空)定向树的树形结构用于定义子波系数的分层金字塔内的空间(或时空)关系。树根是利用处于最低分辨率的近似子带(“根”子带)的像素形成的，而与根像素所定义的图象面(在3D情况下为图象体)相对应的较高子带的像素形成该像素的子代。在3D形式的SPIHT算法中，除了叶以外，任意子带的每个像素均有8个子代像素，而且每个像素只有一个父代。该规则有一个例外情况：在树根中，8个像素中的一个像素没有子代。下面的符号描述了父代-子代的关系，它们的相关性的图示在图1中(三维情况)给出，这些符号是：TF＝时间帧，TAS＝时间近似子带，CFTS＝在时空近似子带中的系数(或根系数)，TDS.LRL＝在分解的最后分辨率级别的时间细节子带，TDS.HR＝在较高分辨率的时间细节子带：
O(x，y，z)：节点(x，y，z)的直接子代的坐标集合；
D(x，y，z)：节点(x，y，z)的所有后代的坐标集合；
H(x，y，z)：所有时空定向树根的坐标集合(在最高金字塔级别的节点：时空近似子带)；
L(x，y，z)＝D(x，y，z)-O(x，y，z)。
SPIHT算法利用了三个列表：LIS(无效集合的列表)，LIP(无效像素的列表)，和LSP(有效像素的列表)。在所有这些列表中，每个表目由一个坐标(x，y，z)识别。在LIP和LIS中，(x，y，z)表示唯一的系数，而在LIS中，它表示一组系数D(x，y，z)或L(x，y，z)，它们是时空树的子树。为了将它们区别开，LIS入口如果表示D(x，y，z)则为A型，如果表示L(x，y，z)则为B型。在第一过程(分类过程)期间，LIP的所有像素均被检验并且那些变为有效的像素被移到列表LSP。类似地，变为有效的LIS的集合从列表LIS中去除并被分成位于LIS结尾的子集并将依次被检验。LSP包含要被“细化”的有效像素的列表：如果相对于级别n来说系数的第n个比特是有效的，则该比特被发送。
SPIHT方法用于提供与高压缩比相关的质量可缩放性。但是，如果不进行改进的话，利用这种编码策略不能获得时间或空间分辨率的可缩放性。为了提高视频编码***的整体压缩比，通常建议把一种算术编码器添加到零树编码模块中。在其它方法中，该算术编码使用直接应用于无损图象压缩的子带的相关上下文。大多数时候，分层和算术编码模块是单独考虑的。为了有效地将它们组合到一个编码***中，现在已经对原始SPIHT算法进行了一些改进。
为了使算术编码有效，非常重要的一点就是要捕获可能对当前像素有一定影响的所有信息，特别是与相邻像素有关的信息。这些信息由其上下文表示。在扫描零树时执行的深入搜索不使用子带内的冗余信息，而且使算术编码的相关上下文的确定变得更加困难。由一组逻辑条件执行的列表LIS、LIP、LSP的操纵使得像素扫描的顺序几乎不可预测。属于同一个3D子代树但来自不同时空子带的像素被编码并被依次置于列表中，这对于混合外来子带的像素是有好效果的。由此，相同子带的像素间的地理(geographic)相关性丧失。而且，由于时空子带是由时间或空间滤波产生的，因此帧是沿着给出细节定向的特权轴进行滤波的。这种定向相关性在应用SPIHT算法时也会丧失，这是因为扫描未遵循地理顺序。
而且，通过列表LIS、LIP、LSP以及系数符号的检验所产生的比特具有非常不同的统计特征。一个列表的相关上下文可能完全不同于另一个列表。例如，由于LIP表示无效像素的集合，因此合理的假设是：如果一个像素由无效像素围绕，那么它非常可能也是无效的，但对于LSP来说，这种假设似乎是边缘集：如果被检验像素的相邻像素的细化比特是在某个显著水平的比特(或零)，那么并不是必然能推断出该像素的细化比特也是处于某个显著水平的比特(或零)。
面对把熵编码级加到SPIHT算法中的困难，涉及这种实施方案的文献是非常难以理解的，甚至是对推荐使用的解决方案的有效性持怀疑态度的。大多数时候，分层编码方法和基于上下文的无损图象压缩方法会在静止图象的情况下遇到。在视频序列的情况下，SPIHT编码策略是非常有效的，它提供具有高压缩比的完全是质量累进的比特流，但在所述策略中使用的分层结构不仅不利于基于上下文的自适应算术编码的***，也不利于空间或时间分辨率的可缩放性的功能，而这正是不断出现的多媒体应用强烈要求的。
发明概述
因此，本发明的一个目的就是提出一种源自3D-SPIHT的编码时空子波系数的新策略，但它允许较好的上下文选择，同时允许在该编码方案中获得空间或时间分辨率的可缩放性。
由此，本发明涉及一种如在说明书的前序部分中定义的编码方法，并且其特征在于：
(A)通过按照遵循在所述时空树中形成的父代-子代相关性的顺序依次扫描子带，3D子波变换的初始子带结构被保留；
(B)鉴于系数的最高有效比特的渐进传输，标记“off/on”被加到时空树的每个系数中，这些标记中的至少一个标记用于描述一组像素的状态，且至少另一个标记用于描述单个像素的状态。
尽管在原始SPIHT算法中使用列表LIS、LIP和LSP有利于分类任务，但它是系数地理结构的一个障碍。通过使用本技术，3D子波变换的初始子带结构被保留，并且加到每个系数中的标记用来表示该系数属于LIS、LIP或LSP中的哪一个列表。由此，列表扫描被子带扫描和标记说明所替代：SPIHT的分层和逻辑结构被保留，同时，把系数从一个列表移到另一个列表是通过改变其标记来“虚拟”进行的。该“虚拟移动”的意义在于：读出顺序并不是根据SPIHT算法的逻辑所执行的变化来确定的，这对细化过程是特别有意义的，因为细化比特构成了比特流的绝大部分。
附图简述
参考附图将描述本发明，其中：
图1所示为在3D情况下的时空定向树中的父代-子代相关性的例子；
图2示出了在所述时空树中的子带的分层结构；
图3表示时空树的空间驱动扫描；
图4表示可通过有序3D SPIHT获得的比特流的组织结构；
图5所示为时空树的时间驱动扫描；
图6表示利用所述扫描获得的比特流的结构；
图7表示使用空间驱动扫描策略的SNR、空间和时间可缩放性的组合；
图8表示没有分辨率标记的比特流的分层组织结构。
本发明的详细描述
在所考虑的方法中，每个新比特面的整个时空树被全部扫描。在第一比特面的结尾，3D体积的所有子代相关性均被评估。因而该第一扫描相当关键并且必须完全遵循如图2所述的子代相关性的计算顺序，其中符号如下：SA＝空间(s)轴，TA＝时间(t)轴，R＝根，FC＝第一子代，SC＝第二子代，TC＝第三子代。根据本发明，所提出的算法以遵循父代-子代关系的顺序依次扫描子带。至少两个不同标记，最好是四个标记添加到时空树的系数中：
A)它们中的至少一个，最好是两个标记用于描述一组(树或子树)的状态：
-DIRECT_SET_INSIG(或FS1)，如果D(x，y，z)仍然无效的话；
-UNDIRECT_SET_INSIG(或FS2)，如果L(x，y，z)仍然无效的话。
B)至少另一个，最好是至少另外两个标记用于描述单个像素的状态：
-SIG(或FP3)，如果当前像素有效的话；
-INSIG(或FP4)，如果它无效，或者如果其有效位被分析的话(通过缺省置于未包含在零树的像素中)。
在本方法中实施的算法的主要步骤是：
1.初始化：
-把标记FP4置于最低时空子带的所有系数中；
-把标记FS1置于最低时空子带的8个系数当中的7个系数中。
2.计算并输出MSL(在时空分解树中发现的最高显著水平)。
3.从n＝MSL直到0为止，对于时空树的每个系数(x，y，z)来说，利用下面的两个动作来全面探查时空树(如在下面段落中描述的两种主要方法是可能的：空间驱动的分辨率可缩放性和时间驱动的分辨率可缩放性)：
a)集合有效位：
1)如果标记FS1为“on”，则输出＝Sn(D(x，y，z))。
如果Sn(D(x，y，z))＝1，则：
-对于每个(x’，y’，z’)∈O(x，y，z)来说，放置标记FP4；
-从(x，y，z)中去除标记FS1；
-如果L(i，j)≠Φ，则放置标记FS2。
2)如果标记FS2为“on”，则输出＝Sn(L(x，y，z))。
如果Sn(L(x，y，z))＝1，则：
-对于每个(x’，y’，z’)∈O(x，y，z)来说，放置标记FS1；
-从(x，y，z)中去除标记FS2；
b)像素有效位
1)如果标记FP3是on，则输出＝(x，y，z)的第n个比特。
2)如果标记FP4是on，则输出＝Sn(x，y，z)。
如果Sn(x，y，z)＝1，则：
放置标记FP3；
输出符号(x，y，z)；
去除标记FP4。
帧是沿着给出细节定向的特权轴(空间或时间)进行滤波的。沿着相同方向扫描子带，这些定向可被较好地考虑。通过使用这种算法，共有两种主要的方式来根据所选的特权定向探查系数的时间容量，其中该所选特权定向可以是空间轴或时间轴。由此可获得两种类型的“多个可缩放的”比特流，一个由空间分辨率导出，另一个由时间分辨率导出。
(A)空间驱动的分辨率可缩放性：
对于每个比特面来说，树扫描是空间定向的，这是因为在该方案中，如图3所示，空间分辨率依次被完全检查。换言之，时间频率高于空间频率。为了具有跳过一部分比特流的概率，必须在比特流中引入分辨率标记。该扫描策略产生如图4所示进行组织的视频比特流，其中线s和t分别对应空间和时间分解级别(SDL和TDL)，黑旗是分隔两个比特面的旗子，灰旗是分隔两个空间分解级别的旗子。
(B)时间驱动的分辨率可缩放性：
对于每个比特面来说，树扫描是时间定向的，这是因为在该方案中，如图5所示，时间分辨率依次被完全检查。在每个时间标度内，所有时间分辨率被连续扫描，因而所有空间频率均为可用的。该扫描策略产生如图6所示进行组织的视频比特流，它与图4相对比(灰旗现在是分隔两个时间分解级别的旗子)。在这两种情况下，可以获得三种类型的可缩放性(时间、空间分辨率、SNR)：
-由于时空扫描被***比特面迭代环路中，因此仍然可以使用SNR可缩放性；
-时间和空间可缩放性分别具有Tmax可能帧速率和Smax可能显示尺寸(在所述例子中，t＝1至4且s＝1至4)，其中t＝1对应于最小帧速率ratemin，且s＝1对应于最小显示尺寸。
图7中示出了选择性解码的一个例子。
根据本发明的方法的实施方案的优点如下：
上下文的改进：由于固定子带扫描和标记识别的原因，因此可重建每个模型的相干地理上下文(事实上，SPIHT算法的目标在于减少不同标度的子带之间的冗余信息，但它不能真正考虑地理冗余，这一点与基于上下文的编码方法不同)，这特别有利于有效像素及其细化比特的编码(对于有效像素来说，利用所提供的算法可以达到与SPIHT算法相同的效率，并且构建上下文的规则相当简单)。与组合了经典SPIHT算法和熵编码的方法相比，这种方法可更好地利用对当前像素的相邻影响，并且产生“自然的”上下文，它与比特面方法一致是从变换图象直接发出的，而不是来自在细化过程中由原始SPIHT算法所产生的比特。所述方法应当提高压缩比，因为上下文真正与进行编码的比特相关，但由于其整个扫描所有的子带，因此第一级别的计算时间大于前一种方法的计算时间。
(B)多个可缩放性与比特流过载之间的折衷：通过提取比特流的相应片断来重建具有希望帧速率和显示尺寸的视频序列的概率是一个吸引人的概念，但获得它是以编码效率作为代价的，其原因有二：
(a)与特定空间或时间分辨率有关的比特流片断需要由一个标记隔开，以便可以跳过。利用上述的两个可缩放性方案，根据给出的例子，每个比特面至少需要四个分隔符，而目前用于编码子波系数的比特面最多可达12个。
(b)自适应算术编码模块的上下文计算必须在每个新比特面开始时重新初始化，以确保任意比特流片断能在解码器侧利用与编码器侧完全相同的条件进行处理。因此，分隔符的增多将不可避免地减小由算术编码模块编码的连续比特序列的长度，并使概率估计变得更加困难。但是，由于子带可被看作是非平稳信号源或部分平稳信号源，因此这个明显的缺点可以是一个特性。
在全部分辨率的可缩放性和算术编码效率之间必须找到折衷。为此提供了一种折衷的解决方法，该方法提供四个级别的空间和时间可缩放性。最小帧速率ratemin总是与最小显示尺寸(SX min，SY min)相关，以用于构建第一分辨率级别。同样，2*ratemin与显示尺寸(2*SX min，2*SY min)组合，如此等等。图8示出了当在帧组(GOF)的分解中有四个分辨率级别时的这种情况。以前可能的所有组合(16种可能性，有4个空间级别和4个时间级别)现在被限制为四个。

Claims (7)

1.一种用于压缩划分为帧组的视频序列的编码方法，这些帧组通过三维(3D)子波变换的方式分解产生与所述变换的分解级别相对应的给定数目的连续分辨率级别，所述方法是以分层子带编码处理为基础的，它由每组帧的像素的原始集合产生用于变换构成分层金字塔的变换系数，并且一种时空定向树用于定义所述分层金字塔内的时空关系，在所述时空定向树中，树根是利用由3D子波变换产生的近似子带的像素形成的，并且这些像素中的每个像素的子代是利用与这些根像素所定义的图象体相对应的较高子带的像素来形成的，所述编码方法的其它特征在于其包括步骤：
(A)通过按照遵循在所述时空树中形成的父代-子代相关性的顺序依次扫描子带，保留3D子波变换的初始子带结构；
(B)鉴于系数的最高有效位的渐进传输，将标记“off/on”加到时空树的每个系数中，这些标记中的至少一个标记用于描述一组像素的有效位的状态，且至少另一个标记用于描述单个像素的有效位的状态。
2.根据权利要求1的编码方法，其特征在于，对于每个比特面来说，树扫描是空间定向的，在每个空间标度内，所有时间分辨率被连续扫描，并且分辨率标记被引入任意两个空间标度之间。
3.根据权利要求1的编码方法，其特征在于，对于每个比特面来说，树扫描是时间定向的，在每个时间标度内，所有空间分辨率被连续扫描，并且分辨率标记被引入任意两个时间标度之间。
4.根据权利要求1的编码方法，其特征在于，对于每个比特面来说，中间树扫描被执行，相同标度的所有时间和空间分辨率被一起扫描，并且分辨率标记被引入任意两个空间/时间标度之间。
5.根据权利要求2-4任意之一的编码方法，其特征在于，两个标记用于描述一组像素的有效位的状态，并且对于所述时空树的每个系数(x，y，z)来说，它们是：
-FS1，如果D(x，y，z)仍然无效的话；
-FS2，如果L(x，y，z)仍然无效的话；
其中，D(x，y，z)是节点(x，y，z)的所有后代的坐标集合并且L(x，y，z)＝D(x，y，z)-O(x，y，z)，其中O(x，y，z)是节点(x，y，z)的直接子代的坐标集合，而且两个标记用于描述单个像素的状态并且是：
-FP3，如果当前像素有效的话；
-FP4，如果当前像素无效，或者如果其有效位被分析的话。
6.根据权利要求5的编码方法，其特征在于，在标记FP4置于最低时空子带的所有系数中并且标记FS1置于所述最低时空子带的8个系数中的7个系数中并且最高显著水平MSL被计算的初始化步骤之后，以所述扫描顺序执行的时空树的探查包括下面的步骤，这些步骤是从比特面n＝MSL到比特面n＝0并从最低子带分辨率到最高子带分辨率来执行的：
(a)与集合有效位有关的第一组测试：
(1)如果标记FS1为“on”，则输出Sn(D(x，y，z))；
-如果Sn(D(x，y，z))＝1，则：
-对于O(x，y，z)中的每个(x’，y’，z’)来说，放置标记FP4；
-从(x，y，z)中去除标记FS1；
-如果L(x，y，z)不为空，则放置标记FS2；
(2)如果标记FS2为“on”，则输出Sn(L(x，y，z))，
-如果Sn(L(x，y，z))＝1，则：
-对于O(x，y，z)中的每个(x’，y’，z’)来说，放置标记FS1；
-从(x，y，z)中去除标记FS2；
(b)与像素有效位有关的第二组测试
(1)如果标记FP3是on，则输出＝(x，y，z)的第n个比特；
(2)如果标记FP4是on，则输出Sn(x，y，z)，
-如果Sn(x，y，z)＝1，则：
-使标记FP3置于“on”；
-输出符号(x，y，z)；
-并去除标记FP4。
7.根据权利要求6的编码方法，其特征在于用于编码与算术编码模件中的像素有效位有关的每个比特的上下文是使用在相同时空子带中最后扫描的相邻子波系数的相同比特面的比特来构建的，如果相邻系数由标记FP3标出，则这些比特为1，否则为0。
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