專利名稱：一種無預測循環(huán)的抗誤碼視頻編碼方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算機多媒體技術領域，特別涉及視頻編碼設計技術。
背景技術：
隨著Internet和無線通信技術的飛速發(fā)展，人們在網絡上實時獲取多媒體數(shù)據，特別是信息豐富的視頻數(shù)據已經成為了可能。然而由于網絡的異構性、信道帶寬的波動和信道的誤碼等因素的存在，使得原來面向存儲的壓縮算法很難滿足實時視頻通信的要求。所以，在當前的網絡時代，視頻通信應用對視頻編碼的要求是生成的碼流應具有抗信道誤碼和信道波動的能力，應具有較強的誤碼回復能力。
最新的國際視頻編碼標準H.264/MPEG-4AVC與先前的標準(如H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等)相比，在編碼效率上已有顯著的提高，它仍然采用傳統(tǒng)的預測循環(huán)混合視頻編碼方法，通過預測循環(huán)來充分利用視頻序列的時域相關性達到高效壓縮的目的。但是，預測循環(huán)的存在使得生成的碼流在傳輸過程中很容易受到信道誤碼或波動的影響，產生預測不匹配和誤差的傳播積累問題。預測不匹配是指在解碼端重建的預測參考幀與編碼端使用的預測參考幀不同，所引起的當前幀的解碼錯誤。錯誤會沿著時域傳播，引起所有后續(xù)預測幀的解碼錯誤。
作為MPEG-4視頻編碼標準的一部分，精細可伸縮性(fine granularityscalability，F(xiàn)GS)是一種廣為人知的可伸縮視頻編碼方案。它以傳統(tǒng)基于塊的混合編碼框架為基礎，將運動補償后的殘差在連續(xù)的比特平面上編碼，從而產生可伸縮性碼流。但其最大的一個問題就是其編碼效率太低，因此它在實際應用中很難與非可伸縮編碼器競爭。目前視頻編碼領域急需從理論和技術上突破性地解決視頻傳輸中的抗誤碼問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提出一種無預測循環(huán)的抗誤碼視頻編碼方法。本發(fā)明的特征在于該方法含有編碼和解碼兩個部分，其中編碼部分在FPGA實現(xiàn)時依次含有以下步驟步驟(a)對第一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4 AVC幀內編碼方式編碼；步驟(b)對后續(xù)幀按以下方式編碼步驟(b1)用一個運動估計器對對待編碼的當前幀圖像Fk和已編碼的前一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4 AVC國際視頻編碼標準中采用的運動估計算法進行運動估計，得到相應的運動矢量；步驟(b2)對步驟(b1)中得到的運動矢量用變長編碼器按H.264/MPEG-4AVC中的熵編碼器進行熵編碼，得到運動矢量比特流(B1)；步驟(c)用一個量化器對所述待編碼的當前幀圖像Fk按步驟(b1)中所述的H.264/MPEG-4 AVC中采用的量化方法進行量化，量化步長為Q1(取值范圍為4～128)，量化后的結果采用低密度奇偶校驗編碼器進行信道編碼，并輸出校驗比特流(B2)；步驟(d)對量化器Q1的輸出用一個反量化器Q1-1進行反量化，并用待編碼的當前幀圖像Fk與該反量化Q1-1的輸出結果求差得到殘差圖像；步驟(e)對步驟(d)得到的殘差圖像按H.264/MPEG-4 AVC國際視頻編碼標準中采用的整數(shù)變換方式用一個整數(shù)變換器變換，再對變換系數(shù)按步驟(c)所述的量化方法進用量化器Q2按步長Q2(取值范圍為8～32)進行量化，得到的變換量化系數(shù)按步驟(b2)中的熵編碼算法進行熵編碼，得到殘差比特流(B3)，并與步驟(b2)所述的運動矢量比特流(B1)一起構成碼流(1)；步驟(f)步驟(e)所述的碼流1與步驟(c)所述的校驗比特流(B2)共同構成最終的輸出碼流。
解碼部分在FPGA中實現(xiàn)時依次含有以下步驟步驟(g)對第一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4 AVC中的幀內解碼方式解碼，解碼后的圖像 送到一個幀存儲器，作為下一幀運動補償時的參考，其中運動補償是指通過編碼端傳過來的運動矢量信息，在參考幀中找到對應的預測塊，最后重建出整個預測幀；步驟(h)對其余各幀按如下方式進行解碼；步驟(i)把所述碼流(1)送到執(zhí)行步驟(b2)所述算法的變長解碼器進行解碼，得到運動矢量信息和變換量化系數(shù)；步驟(j)對步驟(i)得到的變換量化系數(shù)依次用反量化器Q2-1和反變換T-1，得到殘差系數(shù)；步驟(k)用步驟(i)得到的運動矢量信息對所述幀存儲器中的前一幀解碼圖像 進行運動補償，得到當前幀的估計圖像Fk′，重用所述量化器Q1對該圖像Fk′用量化步長為Q1進行量化，量化結果即為低密度奇偶校驗解碼器用的邊沿信息；步驟(1)把步驟(c)得到校驗比特流(B2)和步驟(k)得到的邊沿信息作為低密度奇偶校驗解碼器的輸入，然后低密度奇偶校驗解碼器的輸出結果用反量化器Q1-1進行反量化，得到反量化值(Fk″)；步驟(m)把步驟(j)得到的殘差系數(shù)與步驟(1)得到的當前幀的估計圖像Fk″求和，得到當前幀的解碼圖像 并把該解碼圖像 存儲到幀存儲器作為下一幀運動補償?shù)膮⒖肌?br> 使用證明1.編碼端沒有預測循環(huán)避免了編解碼端預測不匹配問題；2.采用Wyner-Ziv編碼思想，生成的碼流具有很強的誤差恢復特性；3.結構清晰；4.具有較高的編碼效率。


圖1本發(fā)明編碼器原理框2本發(fā)明解碼器原理框3本發(fā)明編碼器實例4本發(fā)明解碼器實例圖具體實施方式
本發(fā)明根據當前的視頻通信對視頻編碼技術提出的抗誤碼要求，依據Wyner-Ziv編碼原理，提供一種具有抗誤碼能力的無預測循環(huán)視頻編碼方法。本方法的編解碼器原理結構框圖如圖1和圖2所示，其中Fk和Fk-1分別代表待編碼的當前幀和已經編碼的前一幀圖像， 和 分別代表當前幀和前一幀的解碼圖像，B1、B2和B3分別代表運動矢量編碼比特流、信道編碼器輸出的校驗比特流和殘差編碼器輸出的編碼比特流。
本發(fā)明提出的一種無預測循環(huán)的抗誤碼視頻編碼方法，包括以下步驟(1)如圖1所示，待編碼的當前幀圖像Fk和已編碼的前一幀圖像Fk-1送到運動估計器進行運動估計，得到的運動矢量信息送到運動矢量編碼器進行編碼，輸出運動矢量比特流B1；(2)待編碼的當前幀圖像Fk經量化器量化后送到信道編碼器編碼，信道編碼器生成校驗比特流B2；(3)量化器的輸出同時送到反量化器，F(xiàn)k與反量化結果求差得到的殘差圖像送到殘差編碼器編碼生成殘差比特流B3。
(注以上為編碼器工作流程)(4)如圖2所示，運動矢量比特流B1送到運動矢量解碼器解碼得到運動矢量信息，并與前一幀的解碼圖像 一起送到運動補償器中進行運動補償，得到當前幀的估計圖像Fk′，并把Fk′送到量化器中進行量化，量化結果作為信道解碼器的邊沿信息；(5)校驗比特流B2和上一步得到邊沿信息送到信道解碼器中解碼，解碼得到的信息再送到反量化器中進行反量化；(6)殘差比特流B3送到殘差解碼器中解碼，解碼得到的殘差與上一步反量化得到的數(shù)值求和得到當前幀的解碼圖像 本發(fā)明提出的采用H.264/MPEG-4 AVC標準的無預測循環(huán)的抗誤碼視頻編碼設計方法實施例結合附圖詳細說明如下編碼器工作流程如下(1)對第一幀圖像進行幀內編碼方式進行編碼，對后續(xù)幀進行如下方式編碼；(2)如圖3所示，對待編碼的當前幀圖像Fk和已編碼的前一幀圖像Fk-1進行H.264標準中采用的運動估計算法進行運動估計，得到的運動矢量，用變長編碼器(VLC，Vary Length Code)進行熵編碼；(3)對待編碼的當前幀圖像Fk應用H.264標準的量化方法進行量化，量化步長為Q1，量化后的結果采用LDPC(Low Density Parity Check)編碼器進行信道編碼，并輸出校驗碼流(Parity Bitstream)；(4)對Q1的輸出用Q1-1進行反量化，并用Fk與反量化結果求差，得到殘差圖像，對殘差圖像進行整數(shù)變換，對變換系數(shù)采用與第3步相同的量化方法進行量化，量化步長為Q2，得到的變換量化系數(shù)用變長編碼器進行熵編碼，并與運動矢量一起構成碼流1；(5)碼流1與校驗碼流構成最終的輸出碼流。
解碼器工作流程如下(6)對第一幀圖像按幀內解碼方式進行解碼，解碼后的圖像送到如圖4所示的幀存儲器(Frame Memory)中作為下一幀運動補償?shù)膮⒖?，對其余各幀按如下方式進行解碼；(7)如圖4所示，用變長解碼器從碼流1中解碼出運動矢量和變換量化系數(shù)；(8)對變換量化系數(shù)進行反量化Q2-1和反變換T-1，得到殘差系數(shù)，作為第11步重建圖像的一部分；(9)用第7步得到的運動矢量對幀存儲器中的前一幀解碼圖像 進行運動補償，得到當前幀的估計圖像Fk′，并對Fk′進行量化，量化步長為Q1，量化結果作為下一步LDPC解碼的邊沿信息；(10)校驗碼流和上一步得到的邊沿信息作為LDPC解碼器的輸入，再對LDPC的解碼輸出進行反量化，得到反量化值Fk″，作為下一步重建圖像的一部分；(11)第8步得到的殘差系數(shù)與上一步得到的Fk″求和得到當前幀的解碼圖像 并把此解碼圖像存儲到幀存儲器中作為下一幀運動補償?shù)膮⒖肌?br> 權利要求
1.一種無預測循環(huán)的抗誤碼視頻編碼方法，其特征在于，該方法含有編碼和解碼兩個部分，其中編碼部分在FPGA中實現(xiàn)時依次含有以下步驟步驟(a)對第一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4AVC幀內編碼方式編碼；步驟(b)對后續(xù)幀按以下方式編碼步驟(b1)用一個運動估計器對對待編碼的當前幀圖像Fk和已編碼的前一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4 AVC國際視頻編碼標準中采用的運動估計算法進行運動估計，得到相應的運動矢量；步驟(b2)對步驟(b1)中得到的運動矢量用變長編碼器按H.264/MPEG-4AVC中的熵編碼器進行熵編碼，得到運動矢量比特流B1；步驟(c)用一個量化器對所述待編碼的當前幀圖像Fk按步驟(b1)中所述的H.264/MPEG-4AVC中采用的量化方法進行量化，量化步長為Q1，取值范圍為4～128，量化后的結果采用低密度奇偶校驗編碼器進行信道編碼，并輸出校驗比特流B2；步驟(d)對量化器Q1的輸出用一個反量化器Q1-1進行反量化，并用待編碼的當前幀圖像Fk與該反量化Q1-1的輸出結果求差得到殘差圖像；步驟(e)對步驟(d)得到的殘差圖像按H.264/MPEG-4 AVC國際視頻編碼標準中采用的整數(shù)變換方式用一個整數(shù)變換器變換，再對變換系數(shù)按步驟(c)所述的量化方法進用量化器Q2按步長Q2，取值范圍為8～32進行量化，得到的變換量化系數(shù)按步驟(b2)中的熵編碼算法進行熵編碼，得到殘差比特流B3，并與步驟(b2)所述的運動矢量比特流B1一起構成碼流1；步驟(f)步驟(e)所述的碼流1與步驟(c)所述的校驗比特流B2共同構成最終的輸出碼流。解碼部分在FPGA中實現(xiàn)時依次含有以下步驟步驟(g)對第一幀圖像Fk-1按H.264/MPEG-4 AVC中的幀內解碼方式解碼，解碼后的圖像 送到一個幀存儲器，作為下一幀運動補償時的參考，其中運動補償是指通過編碼端傳過來的運動矢量信息，在參考幀中找到對應的預測塊，最后重建出整個預測幀；步驟(h)對其余各幀按如下方式進行解碼；步驟(i)把所述碼流1送到執(zhí)行步驟(b2)所述算法的變長解碼器進行解碼，得到運動矢量信息和變換量化系數(shù)；步驟(j)對步驟(i)得到的變換量化系數(shù)依次用反量化器Q2-1和反變換T-1，得到殘差系數(shù)；步驟(k)用步驟(i)得到的運動矢量信息對所述幀存儲器中的前一幀解碼圖像 進行運動補償，得到當前幀的估計圖像Fk′，重用所述量化器Q1對該圖像Fk′用量化步長為Q1進行量化，量化結果即為低密度奇偶校驗解碼器用的邊沿信息；步驟(1)把步驟(c)得到校驗比特流B2和步驟(k)得到的邊沿信息作為低密度奇偶校驗解碼器的輸入，然后低密度奇偶校驗解碼器的輸出結果用反量化器Q1-1進行反量化，得到反量化值Fk″；步驟(m)把步驟(j)得到的殘差系數(shù)與步驟(l)得到的當前幀的估計圖像Fk″求和，得到當前幀的解碼圖像 并把該解碼圖像 存儲到幀存儲器作為下一幀運動補償?shù)膮⒖肌?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及視頻編碼領域，其特征在于基于H.264/MPEG－4 AVC標準編碼的含有以下步驟對第一幀圖像作幀內編碼；對當前幀圖像和已編碼的第一幀圖像作運動估計，得到運動矢量；對該矢量用變長編碼器作熵編碼，得到運動矢量比特流；對當前幀圖像用步長量化后，用LDPC編碼器作信道編碼，得到校驗比特流；對量化結果作反量化，并用當前幀圖像與反量化結果求差，得到殘差圖像；該圖像經過整數(shù)變換及量化后得到變換量化系數(shù)，該系數(shù)用變長編碼器編碼后得到殘差比特流，該比特流與運動矢量共同構成碼流，然后再與校驗比特流共同生成輸出碼流。本發(fā)明避免了編解碼端預測不匹配，又具有誤差恢復特性強、編碼效率高的優(yōu)點。
文檔編號H04N7/64GK1889687SQ20061001209
公開日2007年1月3日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權日2006年6月2日
發(fā)明者丁貴廣, 戴瓊海, 于志濤, 楊峰 申請人:清華大學