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CN1110966C - 编码数字视频信号的方法和数字视频信号编码装置 - Google Patents

编码数字视频信号的方法和数字视频信号编码装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种方法和装置，用于以视频剪切片断(A，B)的形式编码数字视频信号使它们能够无缝地连接而不要求解码器复位到开始状态。该系统使用具有一个编码级和一个编码器缓冲器的编码器，和包括根据预定的编码方案(适合地根据MPEG标准)连续地编码剪切的图像，将编码的图像读入该缓冲器和以基本上恒定的比特率从该缓冲器读出该编码的剪切片断。为了能够简单的连接剪切片断，以用于编码图像的可控制地变化的目标比特数规定预定的编码器缓冲器占用。该目标产生基本上等于在该段的最后图像被读入该缓冲器的时刻的预定缓冲器占用。特别是该技术是在交互式视频系统中的，使用者可影响所述的流程而在所述流程的显示中没有不连续性。

Description

编码数字视频信号的方法和数字视频信号编码装置
技术领域
本发明涉及音频和视频信号的编码和编辑，特别涉及产生可即时地连在一起的视频材料的段。
背景技术
典型地在两个视频剪切片断一个接一个地播放时，解码器在解码第二剪切片断之前被复位到其开始状态。这导致在解码器重新初始化它本身和开始解码下一个剪切片断时该使用者看到固定在屏幕上的第一剪切片断的最后一帧。这类字幕特性对使用者是有妨碍的，在该字幕内减少他们热衷的感情。
因此，需要无缝的连接，在其中一个剪切片断的末尾和下一个剪切片断的开头之间的转换对于解码器是不明显的。这意味着从使用者的观点，在观看的帧速率中没有可觉察到的变化和声音是连续不中断的。无缝图像的应用是很多的，从CD-i方面的一些例子包括子图面(计算机传送的图像)的视频序列背景；使用这个技术的一个例子是在MPEG编码的视频序列前面运行的活动字符。另一个例子是以短的无缝剪切片断表示的一系列字符-使用者相互作用，该相互作用的结果将确定下面出现哪一个剪切片断。这个例子的发展是交互式运动图像，使用者(观看者)可影响故事概况。使用者沿着该路径选择通过交互式影片的分支点应是无缝的，否则使用者将丢失通常与观看影片有关的怀疑的悬念。
发明内容
因此，本发明的一个目的是允许以这样的方式编码视频帧序列：这种方式允许它们接合而不产生可觉察到的干扰。
根据本发明提供以段的形式在一个编码装置中编码数字视频信号的方法，每段包括两个或多个图像，该编码装置有一个编码级和一个编码器缓冲器，该方法包括步骤：根据预定的编码方案连续地编码一段的图像；将该编码的图像读入该缓冲器；和以基本上恒定的比特率从该缓冲器读出编码的段；其特征在于：预定的缓冲器占用是规定的，和用于编码一个图像的目标比特数是可控制地变化的，使得在该段的最后图像已被读入该缓冲器的时刻产生基本上等于所述预定缓冲器占用的一个编码器缓冲器占用。
通过确定所有段的缓冲器占用的目标，不管它们的长度，在任何段的开头的占用基本上相同，使得无缝连接是相当简单的任务。
不改变一段的最后图像，可对一段的最后k图像的每个图像规定相应的目标比特数，这里k是整数。这可允许在多个图像中引入变化以避免看得见的失真，如果要求只对改该段的最后图像进行大的改变，可能出现这种失真。
适当地，该编码器根据MPEG标准和以很多量化电平可操作地编码图像，所用的量化电平选择与目标电平设定相关。如果需要的话，例如，如果这样的量化电平被限制，则该编码级可将一个或多个零值比特加在编码的图像中以达到该目标数，如果该编码的图像中的比特数低于该目标数的话。
而且根据本发明提供一种数字视频信号编码器装置，它被构成用于图像段的编码，每段包含两个或多个图像，该装置包括：一个编码级，被安排用于接收一段的连续图像和根据预定的编码方案将它们编码；和一个缓冲器，被连接用于以该编码级接收连续的编码图像和被安排以基本上恒定的比特率输出一个编码的段；其特征在于：该编码级以可控制的变化的比特数可操作地编码图像，该装置还包括目标设定装置，被安排用于监视编码级输出和在该基础上控制编码级的每个图像的比特数，以便在一段的最后图像被读入该缓冲器的时刻产生预定的缓冲器占用。
目标设定装置可适当地安排控制如上所述的一段的最后k图像的每个图像的比特数，而编码级可适当地构成将零值比特加到一个编码的图像构成由目标设定装置规定的数目。
附图说明
现在仅仅通过举例和参照附图叙述优选的实施例，其中：
图1表示MPEG编码器/解码器关系的理想化的模型；
图2代表一序列图像的编码器及解码器缓冲器内容；
图3代表在两个序列的连续处编码器及解码器缓冲器内容；和
图4是实现本发明的编码器装置的方框图。
具体实施方式
下面的叙述根据MPEG标准(对于MPEG1为ISO 11172-2，而对于MPEG2为ISO 13818-2)考虑视频编码器操作，虽然熟练的技术人员认识到本发明在其它视频编码方案的应用性与MPEG标准不相符。
任何编码标准必须以编码器和解码器彼此如何接口的模型进行开发。当编码器运行时，它必须模拟在该解码器中将出现什么情况，使得它绝不传送该解码器到非法(溢出或下溢)状态。类似地，解码器必须支持该解码器使用的相同模型，以致它仍在合法状态并且产生编码器想要的输出。MPEG是这个规则不希望的。在MPEG中的解码器的模型称为视频缓冲检验程序(VBV)。
图1表示MPEG编码器/解码器关系的理想化模型。假定系统是实时地工作和信道延迟是可忽略的，则出现以下事件序列：
1.数字化的帧以恒定的帧速率F馈送到编码器。
2.编码器编码这些帧，引入tc秒的可变延迟。
3.编码的帧以恒定的比特率R转移到该解码器。
4.解码器解码这些帧，引入td秒的可变延迟。
5.解码的帧以相同的恒定的帧速率F被显示。
现在应该懂得为了上述系统工作，在编码-解码周期中引入的延迟必须是恒定的，以便保持解码器输出的恒定帧速率.这以等式1表示为：
    tc+td＝T                  (1)
式中T是常数。
图2表示缓冲器占用B与时间t的关系曲线图，表示编码器和解码器是如何相关的。下面的讨论将集中在由粗线表示的包含P比特的图像。该系统的数据速率是每秒恒定R比特。注意，P是在编码的序列内的任意图像和当它被引入时，认为缓冲器是不空的。而是该缓冲器包含很多比特，代表在已完全注满的缓冲器中存放的先前的图像。
首先讨论编码器缓冲器，在软件编码器中使用的模型是：编码器瞬时地引入图像到其输出缓冲器，和该缓冲器以每秒恒定的R比特注入。考虑图像P，编码器将图像P引入缓冲器，使其占用达到BC比特，缓冲器以每秒R比特排空，而在一定的时间tc之后，在P中的所有比特都从该缓冲器中除去。出现的时间在图2中为te。因此，图像P的编码器缓冲器的延迟可从缓冲器占用和排空率计算出。
利用时间te，构成P的所有比特已离开该编码器的缓冲器并且进入解码器的缓冲器。在进入解码器的缓冲器所有比特和被除去的图像之间有应该延迟td，如果Bd是P在已被除去之后的解码器缓冲器的占用，则解码器缓冲器延迟也可从该缓冲器占用和排空率进行计算。
将这些延迟值代入等式(1)，我们可写成：
        tc+td＝T＝Bc/R+Bd/R            (2)
为了得到T的值，假定td接近于零。在这时，tc必须具有其最大值并且等于T。查看图2我们可看到最大值(tc.max)为
       tc.max＝T＝Bmax/R               (3)
式中Bmax是该编码器所用的最大缓冲器容量。
联解(2)和(3)得到：
        Bmax＝Bc+Bd                    (4)
等式(4)表示在图像已引入之后的时刻编码器缓冲器的状态和在该相同的图像已移去之后的时刻的解码器缓冲器的状态之间的关系。这称为互补缓冲器关系。
在MPEG标准的(ISO 11172-2)2.4.3.4节规定VBV延迟为在其初始的空状态以目标比特率R填充VBV缓冲器到紧在当前图像从该缓冲器移去之前的正确电平所需要的时间。参见图2，可看到，VBV延迟可被认为是两个值T和td的和。已知td并记住T是它以比特率R传递构成P的比特所用的时间，VBV延迟由下式给出：
     T+td＝VBV延迟＝(P+Bd)/R            (5)
它相应于ISO的VBV延迟定义。考虑另一个方式，VBV延迟是它传递构成加到缓冲器中引入的延迟的图像的比特所用的时间。
图3表示在一序列图像A结束和另一个序列图像B开始时编码器和解码器缓冲器状态会出现什么情况的曲线图。LA指示序列A的最后的图像；FB指示序列B的第一图像。从序列A到序列B传递数据的变化以缓冲器占用线的宽度的变化表示，而点划线指示从序列A来的图像。在某个时间tx，序列A的所有数据已被传递(即从编码器缓冲器清除)和解码器缓冲器具有Bx比特的占用。从这个时间开始，传递到该解码器缓冲器的所有数据是给序列B的。虽然从序列A末尾的一些图像仍在解码器缓冲器中，但是在该缓冲器具有Bl比特的占用时所有的图像都由时间tl移去。
术语(编码器确定)目标是指当编码器试图取得在VBV缓冲器中的一定占用时它所经过的过程。在确定编码器的目标时假定在它已编码的第一图像放入该缓冲器时VBV缓冲器具有一定的目标占用。这提出了第一图像尺寸的上限。在编码运行结束时，编码器确定刚好在下一序列的第一图像该缓冲器移去的时间(在图3中的点Bt)的VBV占用目标。编码器通过在它编码最后的或最后几个图像时改变它们的尺寸确定这个状态的目标。
现在叙述当产生具有确定目标的VBV状态的编码的视频块时编码器通过的过程。在图3所示的例子中，编码器已被设定确定编码器缓冲器的目标状态Bt。这个状态代表刚好在新序列的第一图像被移去之前的时间VBV缓冲器的占用。假定先前的序列以相同的比特率和帧速率工作，则刚好在先前序列的最后图像被移去之后的时间的缓冲器的占用由以下得到：
             Bl＝Bt-RT               (6)
式中：Bl和Bt如在图3中所示的，R是比特率，而T是帧周期。
使用式(4)我们可以得到Bt和Bl在编码器输出缓冲器中的相应状态：
             Btc＝Bmax-Bt            (7)
             Blc＝Bmax-Bl            (8)
由于恒定的比特率R，与这些状态相关的延迟为：
             ttc＝Btc/R              (9)
             tlc＝Blc/R              (10)
当编码器运行时，它通常从解码器分开并且根据其输出缓冲器的状态管理图像尺寸而不是转变到VBV缓冲器状态和从该状态转变。因此，下面的讨论是指缓冲器电平Btc和Blc(图3)。
当确定开始状态目标时，在它引入第一图像时的点上编码器在其缓冲区中呈现一定的占用。这个缓冲区占用为Btc比特，如在式(7)中所导出的，它代表从先前序列的末尾的驻留比特。这些比特的出现限制第一图像的最大尺寸Bt为比特并且继续对另外的图像尺寸的限制有影响，直到在时间ttc之后所有的比特已被移去为止。
从编码器的观点，开始状态确定目标是非常简单的，因为对它的所有的要求是设定它的初始占用为Btc而不是常规的开始状态为空的。
当该编码器接近一段的末尾时，它尝试确定点Blc目标。换句话说，该编码器迫使最后图像的尺寸为：在它将图像放入该缓冲器时该占用将增加到Blc比特。为了达到正确的图像尺寸可通过交互式的过程得到：
1.编码器首先进行编码该图像。
2.如果该图像太大，它以增加量化重新编码。
3.如果该图像太小，它可以用零字节填充。
如将会知道的，如果要求大量的固定尺寸和全都出现在最后的图像上，则将产生质量差的图像。为了避免这种情况，编码器可具有在该段内的最后的GOP(图像组)的目标比特数和在GOP内K图像的每个图像的的目标比特数。这允许编码器逐渐地接近希望的缓冲器状态。
缓冲器占用目标必须是足够地大，以致对于构成该目标的图像，图像量化甚至于不具有对图像质量的不利的影响。该目标必须足够地大，使得编码器实际上能够使图像适应个缓冲器而不产生缓冲器下溢。
解码器缓冲器目标尺寸正比于到达那个目标它所用的时间，因为在该模型中我们是以恒定的比特率工作的。对于一些交互式的应用中，填充时间是重要的，因为这是出现在屏幕上的剪切片断和图像的开始播放之间的延迟。从对使用者的交互作用的反应速度的观点，该目标越小越好。实验已经表明确定VBV占用目标的最大充满度为大约75％给出好的结果。根据限定的系统参数流(覆盖CD应用的MPEG标准的子集)转换为典型序列的约245760比特。但是，在实际上，在较低级确定目标是可能的，典型地为204000比特。
在图4中表示该解码器的图解表示。接收的视频信号(以恒定的帧速率F)传送到编码级10，以便根据MPEG标准编码。输入视频信号的帧控制FC也输入到目标设定级12。该目标设定级确定由编码级10加到当前图像的量化电平(或零比特插入的数量)，以便得到在该段末尾的缓冲器占用Blc。以GOP形式具有控制比特分配的编码信号被读入编码器缓冲器16和输出到数据传输率R的传输信道。从编码器输出到目标设定级12的反馈通路14使能够确认目标电平得到了。
阅读本说明，其它变化对于本领域的技术人员是明显的。这样的变化涉及其它的特性，这些特性在用于编辑音频和/或视频信号以及其分量部分的方法和装置中已经知道了，和可以使用这些特性代替或者增加到这里已叙述的特性中。虽然在本申请中权利要求书已提出这些特性的特定组合，应该懂得，本申请的公开范围也包括任何新颖特性或这里隐含地或明确地公开的任何新颖特性的组合或者其任何综合，总之它涉及在任何权利要求在目前提出的相同发明和它与本发明一样减轻了任一个或所有的相同技术问题。因此本申请给予注意，在本申请或由此导出的任何进一步的申请的实现期间可以对这些特性和/或这些特性的组合提出新的权利要求。

Claims (8)

1.一种以段的形式在一个编码装置中编码数字视频信号的方法，每段包括两个或多个图像，该编码装置有一个编码级和一个编码器缓冲器，该方法包括步骤：
根据预定的编码方案连续地编码一段的图像；
将该编码的图像读入该缓冲器；和
以恒定的比特率从该缓冲器读出编码的段；
其特征在于：预定的缓冲器占用是规定的，和用于编码一个图像的目标比特数是可控制地变化的，使得在该段的最后图像已被读入该缓冲器的时刻产生等于所述预定缓冲器占用的一个编码器缓冲器占用。
2.根据权利要求1的方法，其中可对一段的最后k个图像的每个图像规定相应的目标比特数，这里k是整数。
3.根据权利要求1的方法，其中编码级以多个量化电平可操作地编码图像，和所用的量化电平的选择与目标电平的设定相关。
4.根据权利要求1的方法，其中该编码的图像中的比特数低于该目标数，该编码级将一个或多个零值比特加在编码的图像中以达到该目标数。
5.根据权利要求1的方法，其中按照MPEG标准编码一段的图像。
6.一种数字视频信号编码装置，它被构成用于图像段的编码，每段包含两个或多个图像，该装置包括：
一个编码级，被安排用于接收一段的连续图像和根据预定的编码方案将它们编码；和
一个缓冲器，被连接用于从该编码级接收连续的编码图像，和被安排以恒定的比特率输出一个编码的段；
其特征在于：该编码级以可控制的变化的比特数可操作地编码图像，该装置还包括目标设定装置，被安排用于监视编码级输出和在该基础上控制编码级的每个图像的比特数，以便在一段的最后图像被读入该缓冲器的时刻产生预定的缓冲器占用。
7.根据权利要求6的装置，其中该目标设定装置被安排用于控制一段的最后k个图像的每个图像的比特数，这里k是整数。
8.根据权利要求6的装置，其中该编码级把零值比特加在编码的图像，以构成由该目标设定装置规定的数量，这里该预定的编码方案要求的比特比用于编码那个图像的目标设定装置规定的比特少。
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