CN1366778A - 视频压缩 - Google Patents

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Abstract

B帧的概念使MPEG视频压缩标准具有较高的编码效率。但是B帧编码使MPEG编码器的复杂程度大致加倍。由此看来,只产生I帧和P帧会使MPEG编码器有所发展。他们不那么复杂,也没有那么高效。为了提高这样的“IPP编码器”的效率,所选的P帧比其它的P帧采用较粗的量化,例如将传统量化参数步长乘以1.4。尽管这导致了单独的帧(视觉B帧)采用低质量编码,但是整个视觉质量没有受影响。也可以发现通过粗糙量化获得的比特率的增加在接下来的P帧当中没有消失,尽管接下来的帧是参考低质量帧进行编码的。

Description

视频压缩
技术领域
本发明涉及一种压缩视频信号的方法，该方法包括参考预测帧对所述视频信号的帧进行预测编码，计算每一编码帧的量化参数，以及根据所述的量化参数量化编码帧。本发明也涉及一种压缩设备，一种传输或记录方法和设备，一种压缩视频信号以及包括该信号的存储介质。
发明的背景
在已公开的段落中定义的视频压缩方法已经被运动帧专家组所标准化，并且以MPEG-1或MPEG-2为人们所熟知。已知的方法包括将视频像素转换成频率系数，量化所述的系数，以及量化系数的可变长度编码。量化是受控的从而可以获得期望的质量或者压缩信号的比特率。
MPEG压缩方法产生了I，P，和B帧。I帧是由自身进行编码的，即没有参考其它帧。P帧是参考前一个(可能运动补偿)I或P帧预测编码的。B帧是参考前一个以及接下来的I或P帧双向预测编码的。B帧自身并不作为编码其它帧的参考。
MPEG中的B帧的概念提供了最大的编码效率。但是，B帧的使用大致上使复杂程度，存储容量，存储带宽加倍。由此看来，MPEG可以通过只产生I和P帧而获得发展(“IP编码”)。IP编码的缺点是它的效率。它比IPB编码器需要大致10％-20％的比特率。
发明目的及概述
本发明的目的是提供一种克服上述现有技术中IP编码器的缺点的设备和方法。
因此，本发明提供一种视频压缩设备和方法，一种压缩信号，一种存储介质以及一种传输或者记录方法和设备，其在独立权利要求中进行描述。优选实施例在从属权利要求中描述。
根据本发明的方法将选择出来的P帧进行比其它P帧更粗的量化。这减少了比特消耗但是降低了所述帧的图像质量。本发明有一个惊人的效果。人们期望比特消耗上相应地增加将由于采用了较低质量帧推算下一P帧而在接下来的P帧中消失。但是，实验已经表明情况并不是这样的。已经发现其中每一个其它P帧的量化参数乘以一个1.4的系数的IPPPP..序列帧实质上与具有相同的视觉质量效果的传统的IBPBP..序列帧的比特率是一样的。因此，低质量的P帧也被称为“视觉B帧”。
附图的简要说明
附图1示出了根据本发明的用于压缩视频信号编码器的优选实施例的设备的示意性框图；
附图2A和2B示出了根据本发明的设备的操作情况与现有技术设备的操作情况的比较图表；
附图3示出了用于传输和接收视频信号的设备实施例的方框图；以及
附图4示出了用于在存储介质中记录视频信号以及从存储介质中回放的设备的实施例的方框图。
实施例的描述
图1示出了根据本发明的MPEG编码器的示意图。附图示出了在编码器中P帧被编码的情况。编码器是传统意义上的MPEG编码器，它包括一个减法电路10，一个离散余弦变换器(DCT)11，一个量化器(Q)12，一个可变长度编码器(VLC)13，一个缓冲器(BUF)14，一个反量化器(iQ)15，个反离散余弦变换器(iDCT)16，一个加法器17，一个帧存储器(MEM)18，一个运动估计与补偿电路(ME/MC)19以及一个量化适配器(QA)20。
简要地说，已知的编码器的操作如下所述。输入的视频帧X被分成8*8像素的块。每一个输入帧X的像素块与相应的预测帧Xp的块之间的差进行离散余弦变换成8*8系数的块。通过可察觉的不相关图像细节被不可逆转地移走(有损压缩)，系数被顺序量化。量化系数进行可变长编码并存储在缓冲器中，信号从缓冲器被提供给传输信道或记录载体。编码帧通过反量化器，反离散余弦变换器在本地解码，并加在预测帧Xp上。重建的帧存储在帧存储器中并提供给运动估计与补偿电路，从而构成用于下一个输入帧的预测帧。
编码器包括一个量化适配器20用于计算量化级，用此量化级DCT系数被量化。在本实施例中，在MPEG2量化装置中采用了一个预定的量化矩阵，它决定了用于8*8系数块的各自系数的步长，并乘以量化比例因子q(以后成为量化参数)。量化参数逐帧进行适应性改变，但是可以作为本地图像细节的函数调制到一帧内。量化参数可以受控表示给定的图像质量(导致可变比特率)或者给定比特率(导致可变质量)。量化适配器(也称为比特控制器)的各种实施例在本领域中是已知的都可以应用在本发明的编码器当中。
根据本发明的设备为所选的帧提高了量化参数q，因此降低了所述帧的图像质量但是减小了它们的比特消耗。在本实施例中，设备包括乘法器23，其用于将量化适配器20计算出来的量化参数q乘以预定参数F(例如F＝1.4)。开关22有一个位置P，传统的量化参数q从该位置提供给量化器12以及位置P’，粗糙量化参数F.q从该位置提供给量化器。开关被控制电路22以一个预定的方式控制。例如控制电路选择每一个其它的P帧进行更为粗糙的量化。
附图2A示出了产生IPPP..(没有B帧)流的传统的MPEG-2编码器的操作示图。每一帧都是根据量化适配器20计算出来的量化参数q量化的。附图的下行表明了每一帧的比特消耗，是以各自I帧的比特消耗的百分比表示的。在本实施例中P帧的比特消耗表现为38％。
附图2B示出了根据本发明的编码器的相似的附图。设置量化适配器20使其产生与附图2A同样的图像质量。因此，用于I帧的比特消耗也与附图2A相同。每一个其它的P帧(附图中以P’表示)现在采用量化参数1.4q量化。因此P’帧的比特消耗从38％下降为26％。所述帧的图像质量是按比例降低的。本发明的惊人的效果就在于比特消耗的增加在接下来的‘传统的’P帧当中没有损失。如图2B所示，‘传统’P帧的比特消耗仅从38％增加到42％。净的结果是以同样的图像质量(或者同样比特率的更高的图像质量)编码视频流的比特率却大为降低。在实际的实验中，以同样的图像质量，典型视频信号的比特率从15.2Mb/s降为12.9Mb/s。
应该注意到根据本发明的MPEG编码器产生的比特流完全符合MPEG标准。也应该注意到尽管本发明是参照IPP..编码器(没有B帧)进行描述的，本发明并不排除B帧编码。例如，编码器可以产生IBPBP..的序列，其中所选的P帧用粗糙量化参数量化。粗糙量化参数在某种程度上甚至可以用在I帧当中，这样I帧可用作下一帧的预测帧。
附图3示出了用于传输和接收视频信号的设备的实施例。编码器100接收输入端102输入的图像信号I。编码器100最好根据附图1示出的实施例构成，但是也可以是任何类型的压缩视频信号编码器，它提供压缩的视频信号，包括表示用于量化预测编码帧的所选第一帧(P)的第一质量或比特率的第一量化参数(q)，以及表示用于量化视频信号的所选第二帧(P’)的低于第质量或比特率的第二质量或比特率的第二量化参数(F.q)。压缩视频信号在输出端106提供给传输器108。然后，传输器108把压缩的视频信号转换成传输信号，并且传输信号被提供给传输介质110。传输器108以及传输介质110可以采用任何已知的形式，例如在广播的情况下，传输器108将压缩的视频信号调制在射频载波上(RF)，传输介质110可以包括包含无线电波的空中波，或者负载无线波的电缆。此外，通过互联网提供数字信号也是已知的。这样，传输器108可以包括在包括互联网的传输介质110上传输压缩视频信号的装置。
接收机112与传输介质110相耦合，接收传输信号并将图像信号提供给显示设备118。
附图4示出了在记录载体上记录和从记录载体上回放压缩视频信号的设备的实施例的方框图。设备基本上与图3示出的相类似，只是编码器100的输出端106输出的压缩视频信号提供给记录设备120。记录设备120将压缩视频信号转换成记录信号，并将记录信号记录在记录载体122上。记录设备120以及记录载体122可以采用任何已知的形式。例如在记录载体122是视频磁带的情况下，记录设备120可以采用螺旋扫描视频磁带记录器的形式。此外，记录载体120也可以是光盘。例如，CD-ROM，CD-R，DVD，DVD-ROM，DVD-R/W，等。在这种情况下，记录设备120可以采用光盘记录器的形式。
为了回放记录信号RS，记录介质122被***到回放设备124中，在其中处理记录信号RS并产生图像信号。如图3的实施例所示，回放设备124将图像信号提供给显示设备118。
本发明可以作如下的简要说明。B帧的概念使MPEG视频压缩标准具有较高的编码效率。但是B帧编码使MPEG编码器的复杂程度大致加倍。由此看来，只产生I帧和P帧会使MPEG编码器有所发展。他们不那么复杂，也没有那么高效。为了提高这样的“IPP编码器”的效率，所选的P帧比其它的P帧采用较粗的量化，例如将传统量化参数步长乘以1.4。尽管这导致了单独的帧(视觉B帧)采用低质量编码，但是整个视觉质量没有受影响。也可以发现通过粗糙量化获得的比特率的增加没有在接下来的P帧当中消失，尽管接下来的帧是参考低质量帧进行编码的。
应当注意上面描述的实施例并不是对本发明的限制，对于本领域的技术人员来说能够在不背离本发明的随后权利要求的精神范围内设计多种替代的变形。在权利要求中，括号内的参考标记都不应作为对权利要求的限制。单词“包括”并不排除没有在权利要求中列举的设备或步骤的出现。在元件之前的单词“一个”并不排除多数这样元件的出现。本发明可以通过包括几个分离元件的硬件设备来实现，也可以通过适当编程的计算机来实现。在设备权利要求中可列举的几个装置中，几个这样的装置可以用一个硬件来实现。事实是，在各个不同的从属权利要求中描述的方法并不表示这些方法结合起来不能带来优势。

Claims (10)

1.一种压缩视频信号的方法，该方法包括：
参考预测帧(Xp)对所述的视频信号帧(X)进行预测编码(10，11)，
为每一编码帧计算(20)量化参数(q)，
根据所述的量化参数量化(12)编码帧，
其特征在于所述的计算量化参数的步骤包括计算表示用于量化所述预测编码帧的所选第一帧(P)的第一质量或比特率的第一量化参数(q)，以及表示用于量化视频信号的所选的帧(P’)的低于所述的第一质量或比特率的第二质量或比特率的第二量化参数(E.q)，该方法还进一步包括：
解压缩(15-18)已压缩的第二帧，重建用于预测编码第一帧的预测帧(Xp)。
2.如权利要求1所述的方法，计算第二量化参数的步骤包括计算所述的第一量化参数(q)以及将所述的第一量化参数乘以(23)一个给定的参数(F)。
3.如权利要求1所述的方法，所述的预测编码帧包括一系列连续帧，第二所选帧是所述序列的每一个其它帧。
4.一种用于压缩视频信号的设备，该设备包括：
编码装置(10，11)，用于参考预测帧(Xp)对所述的视频信号帧(X)进行预测编码，
计算装置(20)，用于为每一编码帧计算量化参数(q)，
量化器(12)，用于根据所述的量化参数量化编码帧，
其特征在于所述的计算装置(20)用于计算表示用于量化所述预测编码帧的所选第一帧(P)的第一质量或比特率的第一量化参数(q)，以及表示用于量化视频信号的所选的帧(P’)的低于所述的第一质量或比特率的第二质量或比特率的第二量化参数(E.q)，该设备还进一步包括：
装置(15-18)，用于解压缩已压缩的第二帧，来构成用于预测编码第一选择帧的预测帧(Xp)。
5.如权利要求4所述的设备，计算装置(20)包括一个乘法器(23)，用于将第一量化参数(q)乘以一个给定的参数(F)。
6.如权利要求4所述的设备，所述的预测编码帧包括一系列连续帧，第二所选帧是所述序列的每一个其它帧。
7.一种压缩视频信号，包括：
一个预测帧(Xp)，
参考预测帧(Xp)，已预测编码的预测编码(10，11)帧(X)，
用于各自编码帧的各自量化参数(q)，编码帧根据各自所述的量化参数进行量化(12)，量化参数包括表示用于量化所述预测编码帧的所选第一帧(P)的第一质量或比特率的第一量化参数(q)，以及表示用于量化视频信号的所选的第二帧(P’)的低于所述的第一质量或比特率的第二质量或比特率的第二量化参数(F.q)。
8.一种存储介质(122)其上存储着权利要求7描述的压缩视频信号。
9.一种传输或记录视频信号的方法，该方法包括：
产生权利要求7中的压缩视频信号；以及
传输或存储压缩视频信号。
10.一种用于传输或记录视频信号的设备，该设备包括：
装置(100)，用于产生权利要求7中的压缩视频信号；以及
装置(108，120)，用于传输或存储压缩视频信号。
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C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication