从不可分级编码视频信号 产生可分级编码视频信号的方法和装置 本发明的领域
本发明涉及的第一个修改输入编码视频信号数据的方法，用于产生可分级视频输出信号，这个输出由一个基本视频信号和至少一个增强视频信号的一组信号组成。上述方法至少包括：
—一个误差解码步骤，用于从上述输入编码视频信号产生解码数据信号。
—一个首次再编码步骤，用于从一个中间数据信号产生上述基本视频信号，这个中间数据信号由一个运动补偿信号和一个上述解码数据信号相加而得到。
—一个重构步骤，用于产生上述基本视频信号的编码误差。
—一个运动补偿步骤，用于从上述编码误差产生上述运动补偿信号。
本发明还涉及第二个修改输入编码视频信号数据的方法，用于产生可分级视频输出信号，这个输出由一个基本视频信号和至少一个增强视频信号的一组信号组成，上述方法至少包括：
—一个误差解码步骤，用于从上述输入编码视频信号产生解码数据信号。
—一个首次再编码步骤，用于从上述解码数据信号产生上述基本视频信号。
—一个重构步骤，用于产生上述基本视频信号的编码误差。
本发明还涉及一个自动译码装置，用于执行上述第一个或第二个方法。例如，本发明可用于视频广播或视频存储领域。
本发明的背景
随着新的信息技术的出现，压缩视频被用于各种领域，如专业应用和/或消费产品，这意味着传输的编码视频信号的比特率必须适应于通讯网络的带宽容量，为此目的，自动译码装置被用于获得上述数据处理。
欧洲专利申请书EP0690392A1已提出一个自动译码的方法。这个方法用于实现按MPEG-2标准编码的输入视频信号的比特率压缩。这个专利申请书描述了一种方法及其对应的装置，用于修改一个输入编码视频信号，以便从这个信号产生可分级视频信号，该信号由一组不同质量等级的编码视频信号组成。
用上述现有技术方法产生的可分级视频信号，由一个低质量的基本视频信号和一个带有高质量视频信息的增强视频信号组成。这个增强视频信号是靠在运动补偿环路的一序列步骤中插入一个再编码步骤而产生的，即作用于上述基本视频信号地编码误差。这个再编码步骤还产生一个修正的编码误差，作为运动补偿步骤中的视频信号。这个再编码步骤包含一个量化步骤用于上述编码误差，随后是一个可变长度编码步骤，产生上述增强视频信号。同时，上述量化步骤的输出信号被逆量化，而产生一个逆量化信号，从这信号中减去上述编码误差从而产生上述修正的编码误差。还描述了以级联方式重复类似的再编码步骤能获得其它的质量等级。
然而，按照以上技术修改数据的方法受到以下限制。
首先，上述再编码步骤需要量化和逆量化，由于这些处理步骤要消耗大量计算资源，使这种方法限于专业产品，而不是消费产品的实现。屹今为止，这种局限被证明是有道理的，由于这种方法产生出多个具有不同质量的视频信号，在此情形下，人们必须面对与不同质量的视频信号一样多的量化和逆量化步骤。
其次，按照上述再编码步骤的建立，如果增强视频信号的质量等级下降，那么修正的编码误差的幅度会以大的比例改变。的确，编码误差在运动补偿之前被上述编码步骤修正的事实，会扰乱上述基本视频信号的比特率的调整，从而导致难于保持上述基本视频信号的目标比特率。
最后，按照上述技术方法所产生的基本视频信号的内容，依赖于产生增强视频信号的再编码步骤，因为上述基本视频信号是在运动补偿之后，至少是从上述修正的编码误差产生的。结果，在和基本视频信号联合传输期间，若上述增强视频信号丢失，那么，上述基本视频信号的解码将引入质量漂移，因为在编码期间所用的参考帧在解码方面不能重构。
本发明概述
本发明的目的是解决现有技术方法的局限性，提供第一个和第二个成本-效果方法，用于修正输入编码视频信号，从而产生由一个基本视频信号和一组增强视频信号组成的可分级输出视频信号。
为此目的，按照本发明修正数据的第一个方法的特征可描述为，上述的第一个方法包含一个二次再编码步骤，用于从上述编码误差产生上述增强视频信号。
上述输入编码视频信号的处理，产生可分级视频信号。的确，当从输入编码视频信号以给定比特率产生基本视频信号时，第一个方法允许同时产生至少一个增强视频信号。上述基本视频信号的编码误差以更精细的粒度再编码(即包含更精细的视频数据信息)，它比用于产生上述基本视频信号的粒度更精细，这样，在处理之后，输入编码视频信号按多个编码视频信号进行分解；基本视频信号对应于上述输入编码视频信号的低质量版本，并且，至少有一个增强视频信号的一组信号，用于改善上述基本视频信号的质量。
按上述编码误差直接实现再编码步骤，这意味着，在运动补偿步骤中所用的编码误差没有被修正，以避免上述基本视频信号的编码混乱。
更进一步，与现有技术相反，传输期间，在丢失一个或多个增强视频信号的情况下，基本视频信号的解码不受影响(即不存在质量漂移)，因为这种解码所用的参考帧完全独立于增强层。
按本发明修正数据的第二个方法的特征可描述为，所述的第二个方法，包含一个二次再编码步骤，用于从上述编码误差产生上述增强视频信号。
与按照本发明的上述第一个方法相比，包含运动补偿步骤的编码环路是开环的。结果，无需执行更多的运动补偿步骤，当实现时，允许减少用第二个方法所需的计算负载。
编码误差的再编码导致增强视频信号的产生，从而补偿了基本视频信号的质量漂移，因为，编码误差可以部分地或全部地与上述基本视频信号同时传输。
在一种首选的方式中，按本发明修正数据的第一个和第二个方法，每一个方法的特征可描述为，其中，上述二次再编码步骤包括：
—一个移位子步骤，用于对包含上述编码误差的数据的比特平面进行移位。
—一个子步骤，用于在包含上述已移位比特平面的数据中求取最大值，并且推导出要再编码的已移位比特平面的数量。
—一个上述已移位比特平面的可变长度编码子步骤，用于产生可变长度编码比特平面，每个可变长度编码比特平面定义一个增强视频信号。
这些顺序的子步骤允许从单个增强视频信号的上述编码误差产生，而增强视频信号可用选择比特平面如最重要的比特平面的方式进行降质或标度。上述增强视频信号的比特率可以在二进制流的任何位置改变，这就允许对发送视频数据的通讯通道的带宽约束进行瞬时自适应。这也导致一个成本有效的解决方案，因为，这意味着成本有效的子步骤，只要求较少的计算资源，并且还因为再编码步骤是在频域直接作于产上述编码误差。
本发明还涉及第一个视频自动译码装置，用于修正输入编码视频信号的数据，以便产生可分级输出视频信号，它包含基本视频信号和至少一个增强视频信号的一组信号，上述自动译码装置至少包括：
—误差解码装置，用于从上述输入编码视频信号产生解码数据信号。
—首次再编码装置，用于从一个中间数据信号产生上述基本视频信号，该中间数据信号是由运动补偿信号和上述解码数据信号相加而产生。
—重构装置，用于产生上述基本视频信号的编码误差。
—运动补偿装置，用于从上述编码误差产生上述运动补偿信号。
第一个自动译码装置的特征可描述为，它包含二次再编码装置，用于从上述编码误差产生上述增强视频信号。
这个视频自动译码装置包含软件和硬件的手段，用于实现与本发明一致的第一个方法的不同步骤和子步骤。
本发明还涉及第二个视频自动译码装置，用于修正输入编码视频信号的数据，从而产生可分级输出视频信号，它包含基本视频信号和至少一个增强视频信号的一组信号，上述自动译码装置至少包括：
—误差解码装置，用于从上述输入编码视频信号产生解码数据信号。
—首次再编码装置，用于从上述解码数据信号产生上述基本视频信号。
—重构装置，用于产生上述基本视频信号的编码误差。
这个自动译码装置的特征可描述为，它包含二次再编码装置，用于从上述编码误差产生上述增强视频信号。
这个视频自动译码装置由软件和硬件手段组成，用于实现与本发明一致的第二个方法的不同步骤和子步骤。
在与本发明一致的特殊实现方式中，第一个自动译码装置和第二个自动译码装置是这样的，上述二次再编码装置包括：
—移位装置，用于移动包含上述编码误差数据的比特平面。
—在包含上述已移位的比特平面的数据中间求取最大值，以及导出要再编码的已移位的比特平面的数量的装置。
—上述移位比特平面的可变长度编码装置，用于产生可变长度编码比特平面，每个可变长度编码比特平面定义一个增强视频信号。
本发明还涉及用于接收输入编码视频信号的机顶盒产品，上述机顶盒产品包含一个与本发明一致的上述自动译码装置，用于修正上述输入编码视频信号数据，以便产生由一个基本视频信号和至少一个增强视频信号组成的可分级输出视频信号。
本发明还涉及由一个基本视频信号和至少一个增强视频信号组成的编码视频信号，上述编码视频信号以实现修正输入编码视频信号数据的第一个或第二个方法的方式产生。
这个可分级信号反映了与本发明一致的第一个或第二个方法中各步骤和子步骤的技术特征。
本发明还涉及存有编码视频信号的存储介质，上述编码视频信号由一个基本层和一组增强层组成，上述编码视频信号以实现修正输入编码视频信号数据的第一个或第二个方法的方式产生。
存储介质最好是硬盘或可擦除数字视盘(如可读/写盘)。
本发明还涉及一个计算机程序，它所包含的代码指令用于实现与本发明一致的第一个或第二个方法的步骤和子步骤
这个计算机程序包含一组指令，当装载到硬件中如联接到信号处理器的存储器时，允许执行上述与本发明一致的第一个或第二个方法中的任何步骤和子步骤。
下面给出本发明的详细解释和其它方面的情况。
附图的简要描述
下面将解释本发明的特点，参照此后描述的实施例并连同考虑相应的图，其中，相同的部分或子步骤以相同的方式标识：
图1描绘了根据本发明的方法的第一个实施例
图2描绘了根据本发明的方法的第二个实施例
图3描绘了一个方法的实施例，该方法允许对视频信号解码，而该视频信号是根据本发明的方法产生的。
本发明的详细描述
本发明非常适于MPEG-2输入编码视频信号的数据修正，但对于熟练的视频处理技术人员来说，那也是很明显的，即这样的方法适用于基于数据块压缩而编码的任何编码信号，如，MPEG-4，H.216或H.263视频标准中所描述的方法。
下面将详细描述本发明，假设被修正的输入编码视频信号符合MPEG-2国际视频标准，(活动图象专家组ISO/IEC13818-2)。也就是假设视频帧被分成为16×16象素的相邻的正方形面积，叫作宏块(MB)。
按本发明的方法，允许对输入编码视频信号的修正，用于同时产生符合MPEG-2编码语法的基本视频信号和一组增强视频信号。为此目的，多亏基本视频信号由自动译码步骤产生。这个自动译码步骤包含减少上述输入编码视频信号的比特率，和上述输入编码视频信号相比，这就降低了视频质量。按本发明的方法把这个质量损失作为优点，用于产生上述增强的视频信号。这个编码误差即上述质量损失，用编码步骤进行再编码，产生上述增强视频信号。编码误差被再编码，用于产生一个或多个增强视频信号，它包含附加的更精细的视频数据信息，而不包含上述基本视频信号。这样，基本视频信号和增强视频信号的重新结合，允许形成一个比基本视频信号质量更好的视频信号。
图1描绘了根据本发明的方法的第一个实施例。这个实施例基于一个自动译码方案，它至少包含一个解码步骤101，用于从当前的输入编码视频信号103产生解码数据信号102。这个误差解码步骤101实现输入视频信号103的部分解码，因为在上述输入信号中，仅有减少了数量的数据类型被解码。这个步骤包含至少有DCT系数和含于信号103中的运动矢量的可变长度解码(VLD)，用参考号104标识。这个步骤包含一个熵解码(如借助于含有Huffman码的逆向查表法)用于获得解码的DCT系数105和运动矢量106。与上述步骤104串联，对上述解码步骤105执行用107标识的逆量化，用于产生上述解码数据信号102。逆量化107主要包含用上述输入信号103的量化因子乘上述DCT解码系数105。大多数情况下，在宏块级执行逆量化107，因为从一个宏块到另一个宏块，上述量化因子可能会改变。解码信号102由频域数据组成。
自动译码方案还包含一个再编码步骤108，用于产生输出视频信号109，它对应于从上述输入视频信号103的自动译码而产生的信号。这个视频信号109被指定为基本视频信号。信号109符合MPEG-2视频标准，正如输入信号103一样。上述再编码108作用于中间数据信号110，借助于相加子步骤，把上述解码数据信号102加到修正的运动补偿信号112就产生中间数据信号110。上述再编码步骤108包含标识为113的量化。这个量化113包含用新的量化因子除信号110中的DCT系数，用于产生量化的DCT系数114。这个新量化因子表征着用上述输入编码视频信号103的自动译码而实现的修正，因为，例如，比步骤107所用的量化因子更大的量化因子会产生上述输入编码视频信号103的比特率减少。与上述量化113串联，标识为115的可变长度编码(VLC)用于上述系数114，从而获得熵编码DCT系数116。类似于VLD处理，VLC处理包含着查表，给每一个系数114定义一个Huffman码。然后，系数116在标识为117的缓存(BUF)中累加，如运动矢量106(图中未画出)一样，用于构成由上述基本视频信号109所携带的已自动译码的帧。
这个方案还包含一个重构步骤118，用于产生上述基本视频信号109在频域的编码误差119。这个重构步骤允许对量化113引入的编码误差进行定量分析。在此后要详细描述的运动补偿步骤中，当前的已自动译码的视频帧的编码误差要被计入，用于下一个视频帧的自动译码，以避免基本视频信号109中从一个帧到另一个帧的质量漂移。借助于标识为120的逆量化(IQ)和对上述信号114的处理产生信号121，上述编码误差119被重构。然后对信号110和121执行相减子步骤122，在DCT域即在频域产生上述编码误差119。这样一个编码误差119对应于上述输入编码视频信号103和上述基本视频信号109之差。在频域的上述编码误差119通过标识为123的离散余弦反变换(IDCT)用于产生在象素域的对应的编码误差124。
这个方案还包括一个运动补偿步骤126，用于从存储在标识为125的存储器(MEM)中的编码误差产生上述运动补偿信号112，并且还涉及上述为信号109所带的已自动译码的视频帧。存储器125至少由两个子存储器组成：第一个专用于存储修正的编码误差124，该误差涉及被自动译码的视频帧，并且，第二个专用于存储修正的编码误差124涉及的前一个已自动译码的视频帧。首先，在一个预测步骤中对上述第二个子存储器(被信号124所访问)的内容执行标识为128的运动补偿(COMP)。这个预测步骤包含从上述存储器的编码误差127计算预测信号129：预测信号也叫作运动补偿信号，它对应于存储在上述存储装置125中的部分信号，与被自动译码的输入视频信号102的部分相关的运动矢量106指向该存储装置。正如视频处理的熟练技术人员所知道的，上述的预测通常是在宏块级执行，那意味着对信号102所携带的每一个输入MB进行，求出预测的MB并用在DCT域的相加子步骤111与上述输入MB相加用于减弱从一帧到另一帧的质量漂移。由于运动补偿信号129是在象素域，通过DCT步骤130产生在DCT域的上述运动补偿信号112。
这个方案还包含一个再编码步骤131，用于从上述编码误差119产生增强视频信号137。这个再编码步骤基于比特平面编码法，它包含一个用于移位比特平面的移位子步骤，或者移位数据的比特平面的更适合的部分，该数据包含上述编码误差119。考虑对输入编码视频信号103按基于块的技术用8×8 DCT块进行编码，如对上述编码误差119所作的一样。一个比特平面由具有同样秩的64位数组构成，该数组从8×8编码误差块组成的64个数据中提取。例如，第一个比特平面由对应于上述64个数据的最高位(MSB)的64位组成，第二个比特平面由对应于上述64个数据的次高位的64位组成，……等等。若采用加权的方法，则在MB级进行移位，即包含上述MB的数据的所有比特向左移位同样的值。例如，处理420视频格式，涉及亮度数据和两组彩色数据的四组64个系数将被定义并这样移位。已移位的比特平面133用子步骤134进行分析，该步骤对上述已移位比特平面的数据求取最大值。上述最大值直接用于推导已移位比特平面133的数量。例如，若在用子步骤132移位之后，已移位的比特平面133包含如下这组64个数据(10，0，6，0，0，3，0，2，2，0，0，2，0，0，1，0，…0，0)，可找出这个块的最大值是10，并且以二进制格式(1010)表示10的最小位数是4。用4位二进制数写下每一个值，4比特平面构成如下：
(1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，…0，0)(MSB平面)
(0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，…0，0)(第二MSB平面)
(1，0，1，0，0，1，0，1，1，0，0，1，0，0，0，0，…，0，0)(第三MSB平面)
(0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，…0，0)(第四MSB平面)
在以下的子步骤中，用可变长度编码步骤136对已移位的比特平面编码，用于产生包含上述增强视频信号137的可变长度编码数据。为此目的，比特平面可首先变换为2-D符号(RUN，EOP)如下：
—在一个1之前的连续的0的数目(RUN)
—是否有任何一个1位于比特平面的左边，即是End-of-plane平面包含全0，就用专用符号ALL-ZERO代表一个全零的比特平面。
把4比特平面的各比特变换为(RUN，EOP)符号，就有：
(0，1，) (MSB平面)
(2，1) (第二MSB平面)
(0，0)，(1，0)，(2，0)，(1，0)，(0，0)，(2，1) (第三MSB平面)
(5，0)，(8，1) (第四MSB平面)
借助于查找一个把每个2-D符号与VLC代码相关联的表，这样，每个2-D符号就是VLC编码。
若全部比特平面作为一个信号和上述基本视频信号同时传输，则上述信号137可视为单个增强视频信号。若在传输期间或传输之前比特平面减少的数量可以忽略，如最不重要的比特平面(LSB)平面，则上述信号137本身也可视为和上述基本视频信号同时传输的可分级视频信号。增强视频信号137的数量可用增加向左移位的方式来增加，上述移位最好对较重要的数据进行，以便当LSB平面被忽略时，不丢失相应的信息。结果，若比特平面的数量增加，信号137的可分级性有更精细的粒度，这允许目标比特率可更准确的达到，所述目标比特率是基本视频信号比特率与信号137中所选择的一组比特平面的比特率之和。
多亏8×8加权矩阵包含存储在图象标题中的移位值，对包含信号119的数据施加的移位可在帧一级进行。构成8×8数据块的每个值按照移位值进行移位，该移位值在上述加权矩阵中具有同样的行和列。以这种方式，在8×8块内的frequential区可以比其它的frequential区进行更多的移位，若它们被考虑用于构成更重要的系数。
移位也可以对给定帧内的部分区域有选择的进行，该帧为信号119所携带。为此目的，其值含于MB标题中的移位对构成MB的所有数据进行，该MB定义了上述的部分区域。这个移位方法尤其适用于：上述部分区域是视频序列中感兴趣的必须保存的区域。
图2描绘了按照本发明的方法的第二个实施例，这个实施例是基于图1，在那里包括运动补偿步骤的编码环路是开环的。这样就允许减少符合本发明的方法的计算负载，因基本视频信号109中从一帧到另一帧出现漂移而有损于视频质量。的确，这自动译码的方法导致基本视频信号109漂移，因为，由量化步骤113引出的编码误差119在下一帧的自动译码中不再重新引入。
这个方法的优点是用再编码步骤单独对编码误差119进行再编码，产生一个或多个增强视频信号137。这样基本视频信号和增强视频信号的重新结合允许形成一个比基本视频信号质量更好的视频信号。
由于编码误差119部分地或全部地与上述基本视频信号同时传输，使得信号137的可分级性防止了上述的质量漂移。
图3描绘了一个按本发明的方法得到的视频信号解码原理，它不是本发明的一部分，因为它在以下文件中已被描述：INTERNATIONALORGANISATION FOR STANDARDISATION ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 CODINGOF MOVING PICTURES AND AUDIO，ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，N3317，March2000，FGS证实模型。这个解码过程分别对基本视频信号和增强视频信号解码。基本视频信号301用符合MPEG-2视频标准的标准解码器302解码，从而产生已解码的基本视频信号303，而增强视频信号304的比特平面用混合解码器305解码。若增强视频信号已经由图1或图2的实施例所产生，则上述混合解码305由一系列子步骤组成，包括：可变长度解码子步骤307，用于移动可变长度解码比特平面回到右边的子步骤308，离散余弦反变换309产生基于象素的增强视频信号310。这样，借助于相加子步骤311，把信号303和310相加，产生已解码的增强视频信号308。
按本发明的修正数据的方法可在不同的含意上以自动译码装置实现。
这样一个自动译码装置可对应于视频广播或视频流设备。在这个意义上，按MPEG-2视频标准编码的输入视频信号可以在处理整个通讯通道之后发送，该通道由于可变的增强视频信号的数量(即重要性或高或低的比特平面的数量)与基本视频信号相联系而具有不同的带宽容量。
这样一个自动译码装置也可对应于消费产品如机顶盒或数字视盘(DVD)。在这个意义上，在对按MPEG-2视频标准编码的输入视频信号进行处理之后，基本视频信号及相关的增强视频信号存于本地存储器。在存储空间不足的情况下，可从上述存储器中移走一个或多个增强视频信号，而无须压缩视频序列的总数。这个装置尤其适用于可伸缩的存储应用。
修正输入编码视频信号数据的方法可在一个视频自动译码装置中以几种方式实现。首先，用硬件实现时，这个可分级方法可借助布线电子电路实现(如移位寄存器用于执行移位子步骤，RAM存储器在运动补偿步骤和数据缓存时用于存储视频帧)。其次，借助于存储在计算机可读介质上的指令集用软件实现时，上述指令至少可代替上述电路的一部分，在计算机或数字处理器的控制下是可执行的，目的是实现所替换的电路的同样功能。
因此，本发明还涉及计算机可读介质，它含有计算机可执行指令的软件模块，用于完成上述第一个或第二个方法的全部或局部步骤。