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CN101223785A - 改进视频错误隐藏的编解码方法及装置 - Google Patents

改进视频错误隐藏的编解码方法及装置 Download PDF

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CN101223785A
CN101223785A CN200680021618.XA CN200680021618A CN101223785A CN 101223785 A CN101223785 A CN 101223785A CN 200680021618 A CN200680021618 A CN 200680021618A CN 101223785 A CN101223785 A CN 101223785A
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smoothing
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王进
张大庆
张家纲
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

本发明提供一种改进视频错误隐藏的编解码方法及装置，其中该编码方法包括步骤：获取一个视频流的一个宏块的宏块平滑信息，该宏块平滑信息用于表示该宏块的边界是否平滑；将该宏块平滑信息编入一个编码的视频流中。该解码方法包括步骤：根据一个视频流中的一个丢失宏块的宏块平滑信息，判断该丢失宏块的边界是否平滑；如果边界平滑，对该丢失宏块的一个替代宏块进行平滑化处理。经过平滑化处理后的替代宏块与原有宏块更加接近，图像整体更加自然，编码代价小，图像质量却可以得到明显的提高；而且计算量很小，实现的成本也较低。

Description

改进视频错误隐藏的编解码方法及装置
技术领域
本发明涉及一种视频编解码方法及装置，特别的涉及一种改进视频错误隐藏的编解码方法及装置。
背景技术
在数字电视(SDTV/HTV)以及多媒体应用方面，为了满足不同的需求，出现了许多的视频压缩标准，例如MPEG(Motion Picture Experts Group，运动图像专家组)，H.263或Quicktime标准。这些标准的主要目的在于使得被压缩后视频流可以有更低的比特率(bit rate)和更好的质量。然而，由于编码视频流中单独的或者脉冲的比特错误(bit errors)，即比特流错误(bit-stream errors)，经常会使得解码装置的同步失败，从而直到下一个同步点之前无法进行解码，因此造成部份图像的变形。
避免这种不希望的图像变形的一个可能的方法，就是在解码装置中，利用错误隐藏技术在解码后的图像上遮蔽这些变形的部分。然而，在解码装置的这些错误隐藏技术的效果也是有限的。
Y.Wang and Q.-F.Zhu，“Error control and concealment for Videocommunication：A review，”Proc.IEEE，vol.86，no.5，pp.975-775，May 1998公开了一类的错误隐藏技术。该类错误隐藏技术包括了在编码装置通过添加冗余来提高编码后的视频流对错误的恢复能力的方法。但是，这类错误隐藏方法需要对编码装置做出调整并且大幅增加比特流的额外信息。此外，由于传统的视频编码装置对错误隐藏的后段处理的考虑较少，通过上述的错误隐藏技术达到满意的图像质量是困难的。
在传统的视频解码装置执行错误隐藏时，如果连续宏块中丢失了一个宏块，解码装置会通过创建一个运动矢量，并用参考图像中被该运动矢量所指向的区域来代替丢失的宏块，完成错误隐藏。但是很多情况下，从用来代替丢失宏块的替代宏块的边界到该丢失宏块四周其他宏块的边界之间的变化会很大，从而使替代宏块在整个图像中变得非常明显，严重的影响到错误隐藏的效果。因此，如何解决替代宏块的边界突出的问题非常值得关注。
发明内容
本发明提供一种改进的错误隐藏的编解码方法及装置，可以在用替代宏块取代丢失宏块后，使得替代宏块与已丢失的原有宏块更加接近，图像的整体更加自然。
根据本发明的一实施例提供一种改进视频错误隐藏的编码方法，该方法包括：获取一个视频流的一个宏块的宏块平滑信息，该宏块平滑信息用于表示该宏块的边界是否平滑；将该宏块平滑信息编入一个编码的视频流中。
根据本发明的另一实施例还提供一种改进视频错误隐藏的解码方法，该方法包括：根据一个视频流中的一个丢失宏块的宏块平滑信息，判断该丢失宏块的边界是否平滑；如果边界平滑，对该丢失宏块的一个替代宏块进行平滑化处理。
根据本发明的再一实施例，提供了一种编码装置，包括：一个获取装置，用于获取一个视频流的一个宏块的宏块平滑信息，该宏块平滑信息用于表示该宏块的边界是否平滑；以及一个写入装置，用于将该宏块平滑信息编入一个编码的视频流中。
根据本发明的再一实施例，提供了一种解码装置，包括：一个判断装置，用于根据一个视频流中的一个丢失宏块的宏块平滑信息，判断该丢失宏块的边界是否平滑；以及一个平滑化装置，用于如果边界平滑，对该丢失宏块的一个替代宏块进行平滑化处理。
根据本发明的实施例，经过平滑化处理后的替代宏块与原有宏块更加接近，图像整体更加自然，编码代价小，图像质量却可以得到明显的提高；而且计算量很小，实现的成本也较低。并且，硬件的改动很小，成本较低。
通过下文中参照附图，对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例改进错误隐藏的编码方法流程图；
图2是一个MPEG编码图像的语法结构示意图；
图3是根据本发明的一实施例的MPEG编码图像的语法结构示意图；
图4是根据本发明的一实施例，将长度为1位的宏块平滑信息编码入组头信息段的示意图；
图5是根据本发明的一实施例错误隐藏边界处理的解码方法流程图；
图6是根据本发明的一实施例的宏块边界平滑化处理的示意图；
图7是根据本发明的一实施例的编码装置的结构示意图；
图8是根据本发明的一实施例的解码装置的结构示意图。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
本发明提供一种改进的错误隐藏的方案，在用替代宏块取代丢失宏块后，利用编码时编入组头的宏块边界平滑信息，对替代宏块的边界进行处理，从而使得替代宏块与已丢失的原有宏块更加接近，图像的整体更加自然。
图1是根据本发明的一个实施例，提供一种改进错误隐藏的编码方法流程图，使得编码后的视频流中实质上包含反映了所有编码宏块的边界与其周围的宏块的边界是否平滑的宏块平滑信息。
在步骤S110，按照预先设定的标准(例如MPEG，H.263或Quicktime标准)对视频数据进行编码。例如在MPEG中，先将整体图像分成多个N×N像素块，然后对每一个N×N像素块逐一进行DCT(离散余弦变换，DiscreteCosine Transform)变换，接下来，进行量化和可变长编码。
在每一图像编码进行时，如在进行可变长编码时，在步骤S120，将每一个宏块与周围的宏块相比较，判断其边界是否平滑。之后，根据判断的结果获得宏块是否平滑的信息，例如，在图1所示的实施例中，在步骤S130，如果宏块的边界平滑，将标记值设定为0；否则，在步骤S140，将标记值设定为1。然后，在步骤S150，将这些标记值，即反映宏块边界是否平滑的信息编入编码的视频流中。
根据本发明的一个实施例，反映每一个宏块的4个边界是否平滑的宏块平滑信息为一个长度为1位的标记值。该标记值可以为0或1。由于大多数连续宏块的边界也都是连续的，所以根据本发明的一个实施例，可以定义当该标记值为0时表示宏块的3个或4个边界是平滑的，而该标记值为1时表示宏块的1个或2个边界是平滑的，以利于提高编码效率。
当然也可以采用其他的标记值来表征宏块的边界是否平滑，例如该标记值的长度可以为2位，其可以为00，01，10和11，并定义00表示宏块的4个边界都平滑，11表示4个都不平滑，而01表示左右边界不平滑，10表示上下边界不平滑。  由于标记值的长度越长，编码率越低。一般而言，对于替代宏块的边界处理，长度为1位的标记值的效果已经足够好了。
根据本发明的一个实施例，可以通过宏块的离散余弦变换系数来判断宏块的边界是否平滑。如果对应相邻宏块的两个DCT系数的差别大于一个预定的阈值，说明在两个连续的宏块之间，它们的平滑性和一致性较低，边界不平滑。这时，可以将标记值设定为1；否则，直接将标记值设定为0。
一个宏块(16 16像素)包括4个DCT块(8 8像素)，一个DCT块包括64个系数，由于大多数图像的高频分量较小，相应于图像高频成分的系数经常为零，加上人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化，因此传送变换系数所用的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。可以仅利用第一个DCT系数进行判断，也可以利用前面低频的10个DCT系数进行判断，这取决于计算量以及图像质量的要求。
根据本发明的另一个实施例，也可以不利用DCT系数，直接在像素域(pixel_domain)做判断，例如，分析相邻宏块边界区域的像素值，以相邻宏块边界区域的像素值之差为判断的标准。假定P0...P15，和p0...p15分别代表相邻宏块的边界区域的像素值亮度分量，若
Figure S200680021618XD00041
的值小于32，即可判断该边界为平滑；否则，为不平滑。
下面以MPEG作为例子，说明如何在编码装置将宏块平滑信息编入视频流中的过程。图2是通常的MPEG编码图像的语法结构示意图。如图2所示，除了完全为视频信息的宏块以外，每个图像还包括：图像头信息段、组头信息段和宏块头信息段。
如图3所示，根据本发明的一个实施例，将反映一个组内的全部宏块是否平滑的信息编码入每一个组(Slice)的组头信息中。在MPEG标准中，组头信息段除了标准规定的必要的信息外，还包括一段保留字段，可以用来根据需要编入其他的信息。在本实施例中，利用这一保留字段将反映该组内每一个宏块的4个边界是否平滑的宏块平滑信息编入视频流中。
图4是将长度为1位的宏块平滑信息编码入组头信息段的示意图。所有的宏块平滑信息形成一个2进制序列，将每8位构成一个字节(byte)，成为一额外信息段，即extra_information_slice，最后不足8位的用填充位(比如0)补充完整，例如：一个组包括45个宏块，每个宏块对应1位的宏块平滑信息，即45个比特，用3个填充位(比如0)补充完整，形成48个比特，共6个字节。然后按MPEG的语法编入组头信息中。关于extra_information_slice以及相关语法可以参考MPEG的相关标准。
以上通过一个具体MPEG标准的实例，说明了如何在视频流中包含相应的宏块平滑信息。当然，在上述实施例中，也可以将宏块平滑信息编入到图像头段或者宏块头段，但是受标准本身的限制以及宏块头段也可能与宏块同时丢失的影响，一般而言，对MPEG标准，宏块平滑信息被编入到组头字段中。对于其他的视频压缩标准，例如H.263或Quicktime，其语法及相关的要求各不相同，宏块平滑信息可以适应于不同的标准而编入视频流的不同位置中。
图5是本发明的一个实施例进行视频解码的流程图。在现有技术中的错误隐藏方案的基础上，根据视频流中的宏块平滑信息，对替代宏块的边界进行平滑化处理。
在步骤S510，按照预先设定的标准对压缩视频数据进行解码，压缩视频流经过可变长解码(VLD)解码后，获得宏块平滑信息，并进行错误隐藏。例如，如果一个宏块丢失，解码装置会创建一个运动矢量，并用图像中被该运动矢量所指向的区域(替代宏块)来代替丢失的宏块。
在步骤S530，从视频流中获取宏块平滑信息，并检测丢失宏块的标记值，如果标记值的设定为0，表示宏块的边界平滑。在步骤S540中，判断丢失宏块的标记值是否等于0，也就是判断替换宏块位置的原丢失宏块的边界是否平滑。如果标记值为0，则在步骤S550，对经过反转量化(IQ)及反转离散余弦变换(IDCT)的视频图像序列中替代宏块的边界进行平滑处理。否则，如果宏块的边界不平滑，即标记值的设定为1，则直接转到在步骤S560。在步骤560中，接收所有已进行平滑化处理以及未进行平滑化处理的宏块，形成新的解码图像。
图6是根据本发明一个实施例，进行宏块边界平滑化处理的示意图。如图6所示，即，根据替代宏块四周的宏块，例如顶部宏块、底部宏块、左部宏块和右部宏块对替代宏块的边界像素600进行平滑化处理。平滑处理方法主要就是通过对边界处相邻像素进行滤波插值。不同的方法采用不同的滤波器系数。
参考图6，根据本发明一个实施例，平滑处理方法为用替代宏块的边界像素600与四周宏块的边界像素610的平均值替换原有的替代宏块的边界像素600。例如，如果替代宏块的一个边界像素的亮度是30，与之相邻的属于四周宏块的边界像素的亮度是70，则取它们的平均值50替换原来的替代宏块的边界像素。这样替代宏块与四周宏块中亮度是70的像素相邻的像素的亮度值变为50。边界的平滑度增加，替代宏块与丢失的宏块更为接近，错误隐藏的效果被进一步的强化。由于人眼对亮度信号敏感而对色度信号相对不敏感，所以只平滑化亮度信号Y即可，而对于其它两个色差信号U、V可不进行比较和平滑化。
根据本发明实施例，宏块边界的平滑化处理方式，可以采用替代宏块内像素与替代宏块外像素加权平均的处理方式。或者采用更多的替代宏块内像素与替代宏块外像素参与的平均值算法。
图7是根据本发明的一个实施例的一种编码装置的结构示意图。该编码装置700包括：一个获取装置710和一个写入装置720。该获取装置710用来从原始图像视频序列中获取每一个宏块的边界是否平滑的宏块平滑信息。该写入装置720用来将所述的宏块平滑信息编入编码的视频流中。
根据本发明的一个实施例，获取装置710可以进一步包括一个判断装置730，也可以进一步包括一个设定装置740。参考图7中虚线，在按着预先设定的标准完成每一图像的编码后，判断装置730将每一个宏块与周围的宏块相比较，判断其边界是否平滑；并根据判断的结果获得反映宏块是否平滑的宏块平滑信息。判断装置730可以利用宏块的DCT系数或宏块的像素域(pixel_domain)分析或其他的方式来判断宏块边界是否平滑。这一方面，前文中已有详细说明，这里不在赘述。
设定装置740可用于设定宏块平滑信息，根据判断装置730得出的宏块边界平滑与否，而设定宏块平滑信息。例如：宏块平滑信息可以是长度为1位的标记值，如果宏块的边界平滑，则设定标记值为0；否则，将标记值设定为1。之后，根据本发明的一个实施例，写入装置720将所有的标记值，即反映宏块边界是否平滑的信息编入视频流中，例如将视频流的每一组中包含的全部宏块的宏块平滑信息连续编码入所述组的组头信息段中，完成该图像的编码。
该编码装置700还包括一个离散余弦变换装置(图中简称DCT)750、一个量化器(图中简称Q)以及一个可变长编码装置(图中简称VLC，Variable Length Coding)770。其中离散余弦变换装置750用于接收原始视频图像序列，进行离散余弦变换，同时将每一个宏块的DCT系数传送给判断装置730。
对于得到的DCT系数，量化器760用于根据不同的要求，设置不同的量化等级，从而降低数码率。只是在经过量化后，特别是按人眼的生理特征对低频分量和高频分量设置不同的量化，会使大多数高频分量的系数变为零。一般说来，人眼对低频分量比较敏感，而对高频分量不太敏感。因此对低频分量采用较细的量化，而对高频分量采用较粗的量化。
可变长编码装置770根据量化器760提供的量化幅度将来自量化器的量化系数转换为可变长码，例如Huffman码，利用这样的方法来降低码率。同时写入装置720将所述的宏块平滑信息写入到压缩的视频流中，本领域的技术人员应当理解，写入装置770也可以包含在可变长编码装置770中。
图8是根据本发明一个实施例的一种解码装置的结构示意图。该解码装置800包括：一个运动补偿装置810，用于利用帧间的空间相关性，以减小空间冗余度。由于运动补偿不是本发明的重点，在此不再详述运动补偿的相关技术细节。
该运动补偿装置810包括一个错误隐藏装置820，该错误隐藏装置820可以确定出替代宏块。例如，如果有一个宏块丢失，错误隐藏装置820会通过创建一个运动矢量，并用参考图像中被该运动矢量所指向的区域作为替代宏块，用来代替丢失的宏块，完成错误隐藏。
该错误隐藏装置820包括一个填充装置830，用于用一个替代宏块来代替丢失宏块；一个判断装置840，用于根据所获取的丢失宏块的宏块平滑信息，判断原丢失宏块的边界是否平滑。
错误隐藏装置820可进一步包括一个平滑化装置850，用于对该替代宏块的边界进行平滑化处理。如果丢失宏块的边界平滑，则由平滑化装置850对该替代宏块的边界进行平滑化处理。如果丢失宏块的边界不平滑，可以不对替代宏块进行任何处理。平滑化装置850可以包括一个滤波器(图中未显示)，利用对边界像素进行滤波插值或其他的方式来对替代宏块的边界进行平滑化处理。关于这一部分，前文中已有详细说明，这里不再赘述。
该解码装置800还包括一个可变长解码装置(图中简称VLD，VariableLength Decoding)860、一个反转量化器(图中简称IQ)870以及一个反转离散余弦变换装置(图中简称IDCT)880。相应的解码功能分别与图7中编码装置700的可变长编码装置770、量化器760以及离散余弦变换装置750相对应，此处不再赘述。压缩视频流经过可变长解码装置860解码后，判断装置830获得宏块平滑信息，判断原丢失宏块的边界是否平滑，如果边界平滑，平滑化装置850对经过反转量化及反转离散余弦变换的视频图像序列进行平滑处理，最后输出平滑的视频图像序列，并由一个呈现装置(图中未示出)呈现给用户。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示内容而作出种种不背离本发明精神的替代和修正。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替代和修正，并为下面的权利要求书所涵盖。

Claims (21)

1.一种改进视频错误隐藏的编码方法，包括步骤：
(a)获取一个视频流的一个宏块的宏块平滑信息，该宏块平滑信息用于表示该宏块的边界是否平滑；以及
(b)将该宏块平滑信息编入一个编码的视频流中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的宏块平滑信息为长度为1位的标记值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤：
如果宏块边界平滑，则将所述标记值设定为0；以及
如果宏块边界不平滑，则将所述标记值设定为1。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：通过所述宏块与其相邻宏块的离散余弦变换(DCT)系数来判断所述宏块的边界是否平滑。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：通过对所述宏块与其相邻宏块的像素域分析来判断所述宏块的边界是否平滑。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：将所述宏块平滑信息编码到包含该宏块的一个组的组头信息段中。
7.一种改进视频错误隐藏的解码方法，包括步骤：
根据一个视频流中的一个丢失宏块的宏块平滑信息，判断该丢失宏块的边界是否平滑；
如果边界平滑，对该丢失宏块的一个替代宏块进行平滑化处理。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：将所述的替代宏块填充到所述丢失宏块处。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：获取所述的宏块平滑信息。
10.根据权利要求9所述的解码方法，其中所述平滑化处理的步骤包括：对所述替代宏块的边界处的相邻像素进行滤波插值。
11.根据权利要求9所述的解码方法，其中所述平滑化处理的步骤包括：用替代宏块的边界像素与所述替代宏块的四周宏块的边界像素的平均值替换所述替代宏块的边界像素。
12.一种编码装置，包括：
一个获取装置，用于获取一个视频流的一个宏块的宏块平滑信息，该宏块平滑信息用于表示该宏块的边界是否平滑；以及
一个写入装置，用于将该宏块平滑信息编入一个编码的视频流中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述的宏块平滑信息为长度为1位的标记值。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述的获取装置包括一个设定装置，用于如果宏块边界平滑，则将所述标记值设定为0；如果宏块边界不平滑，则将所述标记值设定为1。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述的获取装置包括一个判断装置，用于通过所述宏块以及其相邻宏块的离散余弦变换(DCT)系数来判断所述宏块的边界是否平滑。
16.根据权利要求12所述的装置，其中所述的获取装置包括一个判断装置，用于通过对所述宏块以及其相邻宏块的像素域分析来判断所述宏块的边界是否平滑。
17.根据权利要求12所述的装置，其中所述的写入装置用于将所述宏块平滑信息编码到包含该宏块的一个组的组头信息段中。
18.一种解码装置，包括：
一个判断装置，用于根据一个视频流中的一个丢失宏块的宏块平滑信息，判断该丢失宏块的边界是否平滑；以及
一个平滑化装置，用于如果边界平滑，对该丢失宏块的一个替代宏块进行平滑化处理。
19.根据权利要求18所述的装置，进一步包括一个填充装置用于将所述的替代宏块填充到所述丢失宏块处。
20.根据权利要求18所述的装置，其中所述的平滑化装置用于对所述替代宏块的边界处的相邻像素进行滤波插值。
21.根据权利要求18所述的装置，其中所述的平滑化装置用于用替代宏块的边界像素与所述替代宏块的四周宏块的边界像素的平均值替换所述替代宏块的边界像素。
CN200680021618.XA 2005-06-17 2006-06-09 改进视频错误隐藏的编解码方法及装置 Pending CN101223785A (zh)

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