[发明专利]视频信号处理

说明书

技术领域

本发明涉及数字视频压缩，尤其涉及可变比特率处理。

背景技术

视频流可以用在移动IP网络(3G、GPRS、Wimax、WLAN等)、固定网络(如DSL、有线电视、PSTN等)以及数字电视服务中，并且不断开发出诸如DVD录像机、用于数字视频存储的个人视频播放器(PVP)，以及数字摄像机之类的新产品。所有这些服务和产品都在竞争最佳视频质量和最佳固定(best-fixed)存储空间管理。

视频压缩技术已经成为数字视频通信中的关键技术。已经创建了一些视频压缩的国际标准，如MPEG-2、MPEG-4、H263，以及最新的标准，H264。这些国际标准的一个共同特征是，它们只提供压缩后视频流的语义(syntax)。输出比特流可以使用恒定比特率编码处理(CBR)或可变比特率处理(VBR)。由于许多数字视频应用程序受限于恒定信道带宽或固定存储(缓冲器)大小的，所以CBR编码由于其比较实用而被广泛采用。但是，CBR编码有一些缺陷。

首先，它导致不一致的视觉质量。所需要的压缩量可能在一帧画面与另一帧画面，或者甚至在同一帧画面中的宏块(macro-block)之间有很大的不同。结果，解码后的视频序列表现出不一致的视觉质量。其次，它可能导致低的编码效率。所选择的比特率必须足够大以便为传输的所有部分都提供可接受的画质。但是，该比特率必须比传输中的大部分所需的比特率要高。

真实的视频序列通常由许多场景组成，每个场景都可以描述显著不同的活动性和运动特征。因此，应该为那些高活动性的场景分配更多的比特而为那些低活动性的场景分配较少的比特。这就是可变比特率编码(VBR)的基础。与CBR编码相比，VBR可以为很多视频序列提供更小的延迟、一致的视觉质量和更高的编码效率。但是，VBR编码存在非常严格的比特率和缓冲器大小限制，具体原因是，由于瞬间比特率可能显著地波动，所以非受限VBR编码器可能不满足信号要在其上传输的媒介的带宽限制。此外，VBR很难在多流链路(multi-streaming link)上工作，这是因为流的各个部分不能像例如简单的时分复用器那样被一致地分配给每个流。

大多数标准压缩处理是对帧的每个8×8像素(或者一组几个相邻的块，被称作“宏块”)进行的。识别出上一帧中与当前考虑的块类似程度最相近的块(一般为同一位置或者相邻位置的块)，并识别出当前考虑的块的每个像素的亮度和色度值与所选的之前块的相应值的差。对所得数据进行离散余弦变换，随后在传输之前将所得值除以量化因子Q。量化因子将各个值减小，使这些数据能够以可变比特率进行传输。Q值越大，它所容许的值的范围就越大(某一块与和它进行比较的块之间的差异就越大)，但结果是细节的丢失，因为实际值的小差异会导致相同的量化级别。故Q值与画质成反比。在VBR系统中，Q值在整个传输中是恒定的，然而在CBR系统中，它在各帧之间是可变的。

欧洲专利申请EP0742674描述了一种系统，在该系统中，对每一帧进行分析以决定适于对该帧进行编码的量化级别。但是，这导致了一帧与下一帧之间频繁的质量变化，因而使观众分心。

发明内容

本发明提供了一种视频信号压缩处理，其中将视频序列分为若干多帧段，确定以非压缩形式对每个视频段进行编码所需的比特数，并且选择用于传输每一段的量化级别，使得这些段的总体比特率落入预定限度内。本发明还提供了一种适于执行本发明的处理的编码器。

通过对几个帧的段应用相同的量化级别，降低了量化级别的令人分心的变化，进而降低了图像质量的这种变化。本发明还降低了信令开销，因为量化级别的改变并不频繁，并且降低的可变性使得缓冲器控制管理变得更容易。

在优选结构中，所述段被定义为：在每个段中，以未压缩形式对每个帧进行编码所需的比特数都落入具有预定大小的范围，并且为每个段都确定了量化级别。这就使得段的长度可变，在适当的编码率不变时进行较少的转换(transition)，但在需要时也有能力对更迅速的变化作出响应。

为了使量化级别的令人分心的变化进一步最小化，提供了一优选实施例：如果在三个连续的段中，第一和第三段都选择了相同的量化级别，则该量化级别同样适用于中间段。此外，在该优选实施例中，对一个段和下一个段之间的量化级别的明显变化进行平滑处理。这可以通过对位于两个段之间的边界上的若干帧上逐步增量调节量化级别来实现。优选的是，对量化级别的逐步调节降低了具有较高比特率的段中的帧的比特率。