專利名稱：一種編碼轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來在第一和第二編碼方案之間進行信號轉換的編碼轉換器。本發(fā)明特別適合轉換視頻信號。
有許多需要通過傳送鏈路來遠距離傳送運動圖象電視的場合。廣播性質的電視在以傳送起來昂貴并且需要高帶寬鏈路的數(shù)字形式傳送時要求大于100Mbit/s。能采用圖象質量降低的一個可接受度來減少被傳送的信息量。而且或另外，可使用壓縮編碼技術，它利用了被編碼的視頻信號中的高次空間和時間冗余。因而，例如對于電視會議的應用壓縮到幾百kbit/s是可能的，而包含聲音的可視電話性質的圖象能壓縮到只有64kbit/s，相當于一根電話線路。
冗余縮減技術假設在相鄰象素或象素塊之間存在空間和/或時間上的相關性。對相關性的細節(jié)以及假設值與實際的象素或塊之間的差值進行編碼。典型地，被編碼的圖象的每一幀包含一列被分為N×M象素的塊的圖象元素(象素)。
預測編碼利用了這樣的假設，即幀內的一個值與同一幀或不同幀里的某些相鄰值相關聯(lián)，并且因此該值可在接收器上計算得出而不必傳送。只需要傳送由這樣的假設產生的預測誤差。例如可準確地傳送一幀的第一個象素而每一隨后象素作為與它前者的差值被傳送。在更復雜的方案中預測可以是許多象素的組合。
變換編碼利用幀由象素值的相關性，它將這些值變換為另一組值，該另一組值大多相對較小并且因而可使用更少的位來編碼。最普通的變換編碼形式采用離散余弦變換(DCT)。一塊N×M象素被變換為一列N×M變換系數(shù)。然后通過每個系數(shù)除以一可變量化因子將最終的系數(shù)陣列量化。量化后的系數(shù)可用可變長度碼例如霍夫曼(Huffman)碼來編碼。
另一種編碼技術是運動補償，在該方法中圖象被分為象素塊，并且當前幀的每一塊同可能是前一幀或后一幀的參照幀的對應塊，以及從那塊上發(fā)生位置移動的區(qū)域相比較，由此識別出該塊最相類似的參照幀上的那一區(qū)域。
在所識別的區(qū)域和所述塊之間的位置上的矢量差被稱之為運動矢量，并用來將參照幀上的識別區(qū)變換為當前幀上相應塊的位置。為當前幀的所有塊均產生運動矢量并利用它們從參照幀導出預測幀。一般說來，當前幀與預測幀之間的差要比當前幀與參照幀之間的差小，因而能使用較低比特率來編碼。因此，已經使參照幀被存儲的解碼器能夠利用運動矢量和差值來再生當前幀。單個或組合起來使用任何前述編碼技術均可對信號編碼。
有這樣的情形，即希望使用編碼轉換器，它能接受收到的按照第一方案編碼的數(shù)據(jù)流而輸出已編碼的按照第二方案編碼的數(shù)據(jù)流。如果有一個按第二編碼方案運行的解碼器，那么這樣的編碼轉換器將允許不對原編碼器修改而接收按第一編碼方案編碼的傳送信號。例如，一個編碼轉變器可用來按照ITU-T標準H.261轉換64kbit/s視頻信號，從ISDN視頻終端到用來在數(shù)字歐洲無繩電話(DECT)網絡上發(fā)送的32Kbit/s信號。
公知的編碼轉換器將按第一編碼方案編碼的視頻解碼為非壓縮的視頻信號，然后用按第二編碼方案的編碼器將它編碼以輸出新的經壓縮的數(shù)據(jù)流。因此，進行一個完全的解碼操作來重新建立初始視頻信號，然后對這一視頻信號編碼以提供新的按照第二編碼方案的編碼數(shù)據(jù)流。由于編碼方法涉及運動補償，不得不為按新的格式編碼的信號生成新的運動矢量，而這占去了傳統(tǒng)編碼轉換器的大部分處理時間。
按照本發(fā)明，提供一種編碼轉換器，它包括一個用來對按照第一編碼方案編碼的視頻信號使用運動補償技術進行解碼的解碼器，以及一個用來按第二編碼方案對解碼的視頻信號進行編碼的編碼器，其特征在于解碼器從視頻信號中提取運動補償信息，并將運動補償信息轉移至從編碼器輸出的編碼視頻信號。
運動補償信息從解碼器到編碼器的輸出被不經改變地轉移，由此減少在編碼轉換器里要求的處理。易言之，運動補償信息可按照兩種編碼方案的壓縮比例來修改。
編碼轉換器的解碼器和編碼器可用非恒定時鐘速率來運行，因而比在傳統(tǒng)編碼轉換器上能減小主數(shù)據(jù)通路上緩沖器的容量。
兩種編碼方案的運動補償塊大小不必相同。如果兩方案的分辨率相同，那么若塊大小改變則運動矢量能不經改變而被轉換，但有些將適當?shù)匦枰獜椭苹騺G棄。例如，如果第一編碼方案的運動補償塊大小是16×16象素而第二編碼方案的是8×8，則一個16×16塊的運動矢量能被第二方案的4個相同位置的8×8塊所用。如果第一編碼方案的塊大小是8×8象素而第二編碼方案的是16×16象素，則對于第二編碼方案有多余的運動矢量。因此，例如可計算并使用四個相關運動矢量的平均值。
如果輸入圖象的分辨率與輸出圖象的分辨率不同，則矢量可適當?shù)匕幢壤s放。例如，如果兩個編碼方案的運動補償塊都是16×16象素，輸入分辨率是352×288象素而輸出分辨率是176×144象素，則輸入到編碼轉換器的矢量在被傳送至為編碼視頻信號之前除以2。同傳統(tǒng)的運動矢量估算相比，這種計算的復雜度要小。
當使用預測編碼時，由于傳送錯誤在從初始編碼器傳送來的數(shù)據(jù)與在目的解碼器里解碼后的數(shù)據(jù)之間會產生不一致。因而在最終的解碼器里形成的解碼圖象將包含人為因素，它會隨時間而增多除非不時地采用非預測編碼來恢復解碼信號的完整性。然而，如果采用其中的初始編碼器不會覺察的編碼轉換器，則初始編碼器不會為了在目的編碼器做成可接受的解碼圖象而足夠經常地采用非預測編碼。這將在編碼轉換器收到的視頻信號和從編碼轉換器輸出的視頻信號之間產生一漂移。
因此有利的是，編碼轉換器包括漂移補償裝置。漂移補償裝置最好包括用來形成表示解碼器的輸出和編碼器的輸出之間的漂移的信號的裝置，用來存儲漂移信號的裝置以及用來將漂移信號和加載到解碼器的輸出上的裝置。
在一個優(yōu)選實施例中，漂移信號在經過一段延時，最好是一個畫面周期后被加載到解碼器的輸出上。這樣的安排補償了漂移而不會在編碼信號中引入延遲。
可要求漂移信號達到一個閾值，這樣只有它超過這一閾值時漂移信號才加載到解碼器的輸出上。
可優(yōu)選的是，解碼器包括一反量化器并且編碼器包括一個與該反量化器的量化步長不同的量化器。
按照本發(fā)明的第二方面，包含有用來對按第一編碼方案編碼的信號進行解碼的解碼器和用來按第二編碼方案對解碼信號進行編碼的編碼器的編碼轉換器包括補償裝置，以補償來自解碼器的輸出與送往編碼器的輸入之間的漂移。
現(xiàn)在本發(fā)明將僅參照附圖通過實施例來進一步說明，這些附圖是


圖1所示是公知的編碼轉換器的示意圖；圖2所示是按照本發(fā)明的一個實施例的編碼轉換器的示意圖；圖3所示是按本發(fā)明的第二實施例的編碼轉換器的示意圖；圖4所示是按本發(fā)明的第三實施例的編碼轉換器的示意圖；圖5所示是按本發(fā)明的另一實施例的編碼轉換器的示意圖；圖6所示是按本發(fā)明的編碼轉換器的應用實例。
如圖1所示的公知編碼轉換器能作出包括解碼器28和編碼器30。解碼器28包括變長解碼器2，該中變長解碼器2接收按照使用運動補償?shù)牡谝痪幋a方案編碼的視頻信呈，以及不同信號的DCT編碼，例如符合CCITT H.261標準的64Kbit/s信號。解碼器2檢測并將收到的數(shù)據(jù)轉換為量化的DCT系數(shù)、量化指數(shù)及運動矢量。DCT系數(shù)經由反量化器4及將DCT系數(shù)轉換為象素差值的反DCT處理器6而通過。
運動矢量被送到運動補償器8，該運動補償器8計算在前一幀里的預測象素塊的地址。然后這一塊從前幀存儲器12里得以恢復并在加法器10里加載到反DCT處理器6的輸出上，以產生當前塊的解碼數(shù)據(jù)流。解碼數(shù)據(jù)流存儲在前幀存儲器12里，作為下一幀的參照。
解碼數(shù)據(jù)流也到達編碼轉換器的編碼器30里，并且運動估算器14在前幀緩沖器16中搜尋與當前塊相類似的象素的漂移塊。計算該最匹配塊的運動矢量并從前幀緩沖器16里恢復該塊并且由裝置15從解碼數(shù)據(jù)流中減去該塊以便形成差值信號。然后當前塊的這一差值信號由DCT處理器18變換到頻率域。由此產生的頻率系數(shù)在帶有適合編碼轉換器的輸出所希望的比特率的步長的量化器20里被量化。變長編碼器22將量化器20的輸出和來自運動估算器14的運動矢量轉換為變長碼，然后以新的格式輸出該數(shù)據(jù)。
編碼轉換器的編碼器30也包括一個包含有反量化器24和反DCT處理器26的局部解碼器。反DCT處理器26和運動估算器及補償器14的輸出被輸入到加法器27中以產生更新的預測幀，將該預測幀存儲到前幀存儲器16中。
按照本發(fā)明的一個實施例的編碼轉換器示于圖2中。編碼轉換器包括變長解碼器40，用來對按照第一格式，例如按照64Kbit/s的CCITT標準H.261編碼的輸入信號進行解碼。解碼器40檢測并將變長碼轉換為DCT系數(shù)及運動矢量，并且后者如數(shù)字42所示不經過任何進一步處理而通過編碼轉換器。這樣的編碼轉換器適合具有相同圖象分辨率、變換塊大小及運動補償塊大小的編碼方案的使用。然后DCT系數(shù)輸入到反量化器44并且由量化器46以不同的適合于輸出格式如32Kbit/s的量化步長將所得的數(shù)據(jù)再量化。新的DCT系數(shù)由變長編碼器48來編碼，然后在多路復用器50里與未改變的運動矢量42再混合。
因此，對直接來自傳送系統(tǒng)的編碼數(shù)據(jù)不經緩沖地進行解碼，并且由于該處理具有低的等待時間(latency)一直到多路復用器50的輸出幾乎沒有延遲。唯一可能必要的緩沖器可能會在多路復用器和編碼轉換器之間，并用于與通常的編碼器中相同的兩項功能；也就是平滑編碼數(shù)據(jù)及提供對量化器46的額外控制。然而，由于量化器46的離散性質，所要求的平滑僅會覆蓋輸出速率的任何局部變數(shù)(Variations)，因而該緩沖器(未示出)及其延遲會是在傳統(tǒng)編碼器的同一個數(shù)量級或比其更小。
圖3所示是按照本發(fā)明的第二實施例的編碼轉換器，它適合具有不同圖象分辨率的編碼方案的使用，例如具有如388×288象素圖象分辨率的第一編碼方案和具有如176×144象素圖象分辨率的第二編碼方案。運動矢量換算器45通過因子0.5對輸入的運動矢量42進行換算，而所得運動矢量42a與VLC的輸出多路復用，正如參考圖2的所述。
量化器46將量化錯誤引入到編碼轉換器的輸出中，這是初始編碼器所不能預知的。這種錯誤或漂移將隨時間而增加除非對這種漂移進行補償。按照本發(fā)明的第二方面，在編碼轉換器自身里可進行糾錯，而不改變的運動矢量42的直通路。其原理是盡可能快地再量化變換系數(shù)，承認在初始編碼器(未示出)和最終的解碼器之間引入錯誤軌道(mistracking)，分派編碼數(shù)據(jù)給最終的解碼器，計算被引入的錯誤并試圖在下一次改正它。當然，當時由于再量化其后的當前系數(shù)將引入新的錯誤。而且，假設兩次量化的法則的離散性質，每次改正極少完美無缺。因而編碼轉換器不停地試圖“抓住”它引起的在先錯誤。
按照圖3的編碼轉換器包括這樣的漂移補償裝置。來自反量化器44的輸出送給反DCT處理器52而量化器46的輸出送給反DCT處理器54。所得的象素差值分別經過加法器56、58而到達各自的幀存儲器60、62，其中的內容分別由初始運動矢量42和換算運動矢量42a來補償。在延遲一幀之后，由減法器63將幀存儲器60、62里的內容相減，以便在收到的數(shù)據(jù)(存儲于幀存儲器60中)和發(fā)送的數(shù)據(jù)(存儲于幀存儲器62中)之間生成漂移信號。然后該漂移信號由DCT處理器64變換回到頻率域，并由加法器65加載到反量化器44的輸出上。因而在延遲一幀之后該漂移得到補償。運動補償后的幀存儲器60、62里的內容也分別構成加法器56、58的第二輸入。
通過將初始編碼數(shù)據(jù)及其比特率縮減后的文本這兩者完全解碼至象素域并產生差值的方法得到了誤差或漂移。然后就是變換并加載回到剛好在量化器之前的主通路。注意到用來生成誤差而重新建立的視頻信號取自圖象存儲器的輸出，因而以主通路為參照延遲了一個圖象。圖4所示是按照本發(fā)明的編碼轉換器的另一實施例，它適合于具有相同圖象分辨率、變換塊大小及運動補償塊大小的編碼方案。類似部分由相同的參照數(shù)字來表示。這一實施例中，漂移信號形成于頻率域而不是象素域。反量化器44和量化器46的輸出被輸入到減法器70中以在收到和發(fā)送的信號的DCT系數(shù)之間生成漂移信號。然后該漂移信號由反DCT處理器72變換到象素域。來自反DCT處理器72的輸出構成加法器74的一個輸入，而它的輸出則被傳到幀存儲器76中。如前所述，在延遲一幀之后，幀存儲器的內容由DCT處理器78變換回到頻率域。幀存儲器的內容也構成加法器74的第二輸入。
圖5所示是按照本發(fā)明的編碼轉換器的又一實施例，它適合于不采用運動補償技術的編碼方案的使用。這樣的編碼轉換器包括漂移補償裝置并適合于視頻信號及其它信號的使用。如前所述，類似部分由同樣的參照數(shù)字來表示。圖5的編碼轉換器以類似于圖3所示的方式運行。當不涉及運動補償時，可完全在變換域里計算漂移補償。
本發(fā)明應用于縮減率不是常數(shù)即被稱為可變比特率(VBR)系統(tǒng)時，同樣運行良好。一個特別與分組視頻(packet Video)相關的例子是在與綜合業(yè)務數(shù)字網(ISDN)相連的終端和局域網(LAN)上的另一端之間的連接，如圖6所示。當LAN的通信量足夠低時，來自ISDN終端的恒定速率的壓縮視頻由網關編碼轉換器80不經改變地被轉送到LAN上。然而，在LAN擁擠的時間里，網關編碼轉換器80能夠減小LAN上所要求的視頻數(shù)據(jù)速率?？刂茩C制不必返回到初始編碼器80。因此，傳送到可能是地球上任何地方的遠程編碼器的延遲時間及其反應時間這樣的潛在問題不會產生。此外，與諸如離散64Kbit/s左右步長在H.320/H.221的可能的20毫秒界限相比，編碼轉換器能夠使速率發(fā)生幾乎任意大小及在任意時刻的變化。
附于可變比特率變換的另一實施例出現(xiàn)在諸如移動式應用之類的網絡上，其中自動重復請求(ARQ)機制動態(tài)地減小有效的通過率。
上述可變比特率的應用實例中，編碼轉換器通常不隨反量化器44的量化指數(shù)而變化，對量化器46也是這樣。因此編碼轉換器不會損害圖象的質量。在相對短期內去緩和傳送問題只地引起編碼轉換器80的比特率減小。任何圖象質量的暫時下降都要比通常在預測算法上數(shù)據(jù)損耗的后果可取得多。
按本發(fā)明的編碼轉換器也適合用于將來自一個終端例如LAN上的終端86的恒定比特率變換為通過ATM網絡傳送的VBR數(shù)據(jù)。
來自本發(fā)明的編碼轉換器的編碼數(shù)據(jù)可傳送到以傳送的數(shù)據(jù)碼速運行的解碼器或者以更高的數(shù)據(jù)速率，例如初編碼器的速率運行的解碼器。
權利要求
1.一種編碼轉換器，包括一個用于使用運動補償技術對按照第一編碼方案編碼的視頻信號進行解碼的解碼器，以及一個用于按第二編碼方案將已解碼的視頻信號進行編碼的編碼器，其特征在于解碼器從視頻信號中提取運動補償信息，并將該運動補償信息轉移至從編碼器輸出的已編碼視頻信號。
2.按照權利要求1的編碼轉換器，還包括漂移補償裝置。
3.按照權利要求2的編碼轉換器，其中漂移補償裝置包括用來形成表示解碼器的輸出和編碼器的輸出之間的漂移的信號的裝置，用來存儲漂移信號的裝置以及用來將漂移信號加載到解碼器的輸出上的裝置。
4.按照權利要求3的編碼轉換器，其中漂移信號在一延遲之后被加載到解碼器的輸出上。
5.按照權利要求4的編碼轉換器，其中漂移信號在一個圖象時段的延遲之后被加載到解碼器的輸出上。
6.按照權利要求4或5的編碼轉換器，其中漂移信號生成裝置在頻率域生成漂移信號，并且編碼轉換器還包括用來將漂移信號變換到象素域的裝置以及用來將漂移信號轉換回到頻率域的裝置。
7.按照權利要求4或5的編碼轉換器，其中漂移補償裝置包括用于在象素域存儲解碼器和編碼器的輸出并在象素域生成漂移信號的裝置以及用來將漂移信號轉換回到頻率域的裝置。
8.按照權利要求3到7中任一項的編碼轉換器，其中只有在漂移信號超過一閾值時漂移信號才加載到解碼器的輸出上。
9.按照任何前述權利要求的編碼轉換器，其中解碼器包括一個反量化器而編碼器包括一個與該反量化器的量化步長不同的量化器。
10.一種編碼轉換器，包括一個用來對按照第一編碼方案編碼的視頻信號進行解碼的解碼器及一個用來按照第二編碼方案對已解碼的視頻信號進行編碼的編碼器，其特征在于提供補償裝置對來自解碼器的輸出和送往編碼器的輸入之間的漂移進行補償。
11.一種編碼轉換器，大體上如這里參照附圖2、3、4、5或6所描述的。
全文摘要
一種編碼轉換器，用來采用運動補償在第一和第二編碼方案之間轉換視頻信號，它包括一個用來對所接收的按照第一編碼方案編碼的數(shù)據(jù)流進行解碼的解碼器(28)及一個用來對來自解碼器的數(shù)據(jù)流按第二編碼方案編碼為一數(shù)據(jù)流的編碼器(30)。解碼器(28)從所接收的數(shù)據(jù)流里提取運動矢量并將它送到編碼器的數(shù)據(jù)流中，這樣避免了運動矢量的重復計算。可提供漂移補償裝置(52-64；70-78)對經過一個圖象幀之后的任何所得漂移進行補償。
文檔編號G06T1/60GK1146840SQ9519269
公開日1997年4月2日 申請日期1995年4月21日 優(yōu)先權日1994年4月21日
發(fā)明者邁克爾·埃爾林·尼爾森, 大衛(wèi)·杰弗里·莫里森, 穆罕默德·甘巴倫 申請人:英國電訊有限公司