專利名稱：數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的編碼或譯碼方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對具有給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)媒體中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼和譯碼方法和裝置。
ISO/IEC 13818“信息技術(shù)-運(yùn)動(dòng)圖像及相關(guān)音頻信息的普通編碼視頻”(MPEG2)公開了一種關(guān)于編碼數(shù)字視頻和音頻數(shù)據(jù)流的國際標(biāo)準(zhǔn)。不斷變化的圖像內(nèi)容所產(chǎn)生的代碼數(shù)量是隨時(shí)間而變化的。然而，對于固定的信道容量來說，通常需要用恒定比特率(CBR)的MPEG編碼器來控制，這種控制可以用發(fā)送側(cè)的編碼緩沖器和接收側(cè)的譯碼緩中器來實(shí)現(xiàn)，在上述國際標(biāo)準(zhǔn)的附件C和D.4中對此有更詳細(xì)的解釋。另一種方式是采用可變比特率(VBR)的編碼。
如果能有一種象DVD(數(shù)字視盤)那樣的能夠用可變比特率工作的數(shù)字存儲(chǔ)媒體，就有可能用可變比特率編碼代替恒定比特率編碼，從而改善編碼質(zhì)量。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可變比特率編碼的方法，該方法可用于固定容量的存儲(chǔ)媒體，使其中的編碼質(zhì)量比恒定比特率編碼的質(zhì)量有根本上的改善。這一目的是用權(quán)利要求1中所述的方法來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可變比特率譯碼的方法，該方法可用于固定容量的存儲(chǔ)媒體，使其中的譯碼質(zhì)量比恒定比特率譯碼的質(zhì)量有根本上的改善。這一目的是用權(quán)利要求2中所述的方法來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的再一目的是提供一種編碼和譯碼裝置，該裝置分別采用了本發(fā)明的編碼和譯碼方法。該目的是用權(quán)利要求3和4中所述的裝置來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的又一目的是提供一種按照本發(fā)明的方法進(jìn)行編碼或譯碼的數(shù)字視頻信號。這一目的是用權(quán)利要求5中所述的信號來實(shí)現(xiàn)的。
“恒定比特率”的意思應(yīng)該是在每個(gè)場周期(在50Hz TV信號中是20ms)中向信道(或是系統(tǒng)的多路復(fù)用器)輸出恒定的比特?cái)?shù)，而“可變比特率”的意思應(yīng)該覆蓋所有的其他比特傳送規(guī)范。
在一種CBR環(huán)境中，核心的MPEG編碼器電路后面有一個(gè)一定容量的緩沖器。這一緩沖器被用來平滑核心MPEG編碼器所固有的可變比特率輸出。在編碼器控制中采用了一種視頻緩沖檢驗(yàn)器VBV的概念，它提供了可使用的編碼緩沖器容量的上限以及由譯碼器對依照這種分布@層次(P@L)的全部比特流譯碼時(shí)所需的最小緩沖器容量。對于所有確定的分布@層次來說，在ISO/IEC13818-2的條款8中規(guī)定了最大的VBV緩中器容量值。較小的值也是允許的，并且可以在每個(gè)比特流中用VBV_緩沖器_容量單元信號化。
在采用可變比特率時(shí)不迫切需要使用編碼緩沖器來平滑比特率，然而，如下文中所述，保留緩沖器仍然是有用的。這樣帶來的變化是信道的比特率是可變的。
無論是采用CBR還是VBR,MPEG編碼器和MPEG譯碼器都是按照公知的混合DPCM/DCT結(jié)構(gòu)來工作的。
在采用有能力處理可變比特率數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)裝置的應(yīng)用中，控制比特率的目標(biāo)與CBR的情況是不同的。在這種情況下需要·在時(shí)間上保持一致的質(zhì)量·在給定容量的媒體上使存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到最大。
因此，需要采用適合這種條件的編碼器控制對策。
為了便于理解編碼器的控制，首先需要回顧C(jī)BR的情況。
常規(guī)的編碼器控制對策包括三個(gè)階段或是控制等級1)比特分配(總體控制)分配給不同編碼類型的幀(I,P,B幀)的比特是按照其相對復(fù)雜性Xi,Xp,Xb來確定的。其目地是均衡各類幀的主觀質(zhì)量。在下述的不采用任何預(yù)分析的反饋方案中，假設(shè)電視畫面在某一段時(shí)間內(nèi)是足夠靜止的，因而可以按照編碼結(jié)構(gòu)把來自過去幀的信息用于對未來幀或是場的比特分配。在以下的說明中，“幀”通常可以用來表示一個(gè)幀或是一個(gè)場，或者是大于一個(gè)單位(如下所述)的一個(gè)GOP中的任何其他部分。
可以用在給定的圖像質(zhì)量下能夠反映出I,P,和B幀的相對編碼成本的任何準(zhǔn)則來估算復(fù)雜性。然而，還應(yīng)當(dāng)考慮到是否能獲得必要的測定方法，而不會(huì)在編碼器復(fù)雜性上有太多麻煩。
首先需要測定“圖像質(zhì)量”。然而，目前并沒有一種普遍認(rèn)為可行的足夠簡單的度量單位。因此，通常是把重組后的幀的信噪比(SNR)作為對圖像質(zhì)量的一種近似。在MPEG編碼器控制方面，由于這種度量單位包括了要計(jì)算每個(gè)編碼幀的SNR，其成本可能更高。因此，可以改用一幀編碼中使用的平均量化器步長(Qi,Qp,Qb)作為一種質(zhì)量標(biāo)志。在定義了關(guān)于“質(zhì)量”的度量單位之后，一個(gè)幀的“復(fù)雜性”可以用所產(chǎn)生的比特的乘積和使用的量化器步長來表示。換句話說，即使是量化器步長不夠精確，如果產(chǎn)生了許多比特，幀的編碼就是復(fù)雜的。針對每個(gè)單位m(例如宏塊，或是分塊或片段，或者是小于一幀的任一部分)形成這一乘積，然后在一幀上相加Xm=bm*qm(1a)Xc=∑xm(1b)其中的bm是對單位m編碼的比特?cái)?shù)，qm是單位m中采用的平均量化器步長，而c=i，p或b是編碼類型。
在每一圖像組GOP的開頭，也考慮到前一GOP的進(jìn)位BG(g-1)的當(dāng)前圖像組g的可利用比特聚積BG(g)為BF(n=0)=BG(g)=(比特率)*(每GOP的幀)/(幀速率)-BG(g-1)(2)對于當(dāng)前GOP中的每個(gè)幀n，根據(jù)其編碼類型c，按照計(jì)算的復(fù)雜性和當(dāng)前GOP內(nèi)每一種編碼類型(Ni,Np,Nb)的剩余幀數(shù)來確定一個(gè)目標(biāo)比特?cái)?shù)Tc?？紤]對GOP的幀n-1進(jìn)行編碼之后的剩余比特BF(n)，可以采用以下公式Tc=BF(n)*(Xc*Kc)/(Ni*Xi*Ki+Np*Xp*Kp+Nb*Xb*Kb)(3)系數(shù)Kc被用來反映幀編碼類型的不同視覺重要性，典型的Ki=Kp=1，并且Kb＜1。
按照公式(1a)和(1b)的復(fù)雜性計(jì)算通常在每一幀之后用最近的I,P和B幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，以確保對畫面的變化作出合理的響應(yīng)。在減去用于當(dāng)前幀的比特?cái)?shù)∑bm之后，把Ni,Np,Nb設(shè)定為每一類型的剩余幀數(shù)，利用公式(3)來重新分配GOP中剩余幀的比特聚積BF(n+1)=BF(n)-∑bm(4)在完成了GOP中最后一幀N的編碼之后，把剩余比特BG(g)=BF(N)進(jìn)位到下一個(gè)GOP g+1。這種方式也可以引伸到每個(gè)GOP中比特?cái)?shù)不是恒定的情況，而是僅僅維持長時(shí)間的平均比特率恒定。其具體做法是在每個(gè)幀后利用BF(n)=BF(n-1)-∑bm+(比特率)/(幀速率)(5)來再充填比特聚積BF(n)，而不是僅僅在GOP的開頭用公式(2)來再充填比特聚積。這種聚積在一個(gè)GOP中始終是按照I,P,和B幀的數(shù)量來分配的，而不是僅僅根據(jù)當(dāng)前GOP中剩余的幀。在GOP中間的畫面發(fā)生變化的情況下，這種變化的效果體現(xiàn)在畫面變化的P幀可以獲得更多的比特，這樣就能改善畫面的質(zhì)量。然而，由于VBV的充滿和/或比特聚積的減少，下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I幀很可能得不到應(yīng)有的比特?cái)?shù)，這樣就會(huì)降低下一個(gè)GOP的整體質(zhì)量。因此，在用于CBR的場合最好采用“每個(gè)GOP中恒定的比特聚積”的概念。
每一幀需要一最小比特聚積以能夠至少對總開銷信息進(jìn)行編碼。這一點(diǎn)對于最簡單所以分配的比特?cái)?shù)很少的B幀來說最為重要。CBR速率控制可以使用固定的最小比特聚積，然而，還要根據(jù)過去的幀來估算必要的總比特聚積。
可以分配給一幀(通常是I幀)的最大比特?cái)?shù)是由VBV的狀態(tài)來約束的。如果編碼緩沖器最初是空的，在一個(gè)幀中不能消耗超過VBV_緩中器_容量的比特。
2)緩沖器控制(局部控制)對于每一個(gè)幀來說，用一種虛擬緩沖器的概念將比特的產(chǎn)生控制在分配的目標(biāo)比特?cái)?shù)范圍之內(nèi)，這種虛擬緩沖器相當(dāng)于控制理論中的P-控制器。在圖5中表示了這種虛擬緩沖器。虛擬緩沖器VBUc是用MPEG2編碼器MEN中的每個(gè)單位(宏塊)產(chǎn)生的比特bm之間的差em和用于該單位的目標(biāo)部分tm=Tc/M來填充的，其中的M是每一幀的單位數(shù)。
對每一種幀編碼類型c=i,p,b采用具有不同容量VCO的獨(dú)立的虛擬緩沖器VBUc，因?yàn)樵谄ヅ湟环N幀類型的目標(biāo)上的困難不應(yīng)該擴(kuò)散到其他幀類型。虛擬緩中器VBUc在一幀結(jié)尾的狀態(tài)dm作為do被擴(kuò)散到同一編碼類型的下一個(gè)幀dm=do+∑(bm-tm)(6)在計(jì)算裝置QC中根據(jù)這一虛擬緩沖器dm相對其容量Vco的充滿度來計(jì)算每一個(gè)單位m的量化器步長qm。
在ISO/IEC 13818-2中的表7-6(該表不涉及非線性量化)，即所謂“非線性量化器”表用來獲得，量化器_標(biāo)度_代碼的有效31碼字至實(shí)際的量化器步長qm的充分的漸進(jìn)非線性映射。量化器_標(biāo)度_代碼可以簡單設(shè)定為32*dm/Vco。當(dāng)緩沖器接近充滿時(shí)可以用這種表中非常粗略的量化來處理“緊急”情況。
虛擬緩沖器的容量Vco在控制理論中被稱為P-控制器的“反應(yīng)”參數(shù)，它決定著控制的嚴(yán)密性。如果產(chǎn)生的比特?cái)?shù)與目標(biāo)值相距很遠(yuǎn)是可接受的，該容量可以做得很大(甚至大于VBV)。例如對P幀可以使用大的虛擬緩沖器，這是因?yàn)椴荒茴A(yù)先知道在當(dāng)前GOP中是否會(huì)出現(xiàn)畫面變化。如果畫面發(fā)生變化，比特的產(chǎn)生可能大得無法預(yù)料。然而，只有在虛擬緩沖器被填充到使量化器步長急劇增加的程度時(shí)才會(huì)對質(zhì)量造成不利影響。
對于大得無法預(yù)料的比特產(chǎn)生的反應(yīng)最好是盡量延遲，而小得無法預(yù)料的比特產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致量化器步長的立即減小。這一點(diǎn)可以用不同的反應(yīng)參數(shù)Vco,Vdco(即虛擬緩沖器容量)來實(shí)現(xiàn)，這種參數(shù)例如取決于編碼單位m的虛擬緩沖器充滿度dm和一幀開始時(shí)的初始充滿度do之間的關(guān)系如果dm＞do量化器_標(biāo)度_代碼=32*dm/Vco，(7)否則量化器_標(biāo)度_代碼=32*(do/Vco-(do-dn)/VdcoVdco是dm下降時(shí)的反應(yīng)，它應(yīng)該比Vco小。qm是通過查詢ISO/IEC 13818-2的表7-6而獲得的。
除了根據(jù)虛擬緩沖器進(jìn)行控制之外，VBV的狀態(tài)應(yīng)該受到監(jiān)視，特別是在控制“不穩(wěn)定”時(shí)，即虛擬緩沖器很大。盡管一幀的目標(biāo)和整個(gè)GOP的目標(biāo)可能被超過，代表譯碼器實(shí)際緩沖器的VBV卻不會(huì)下溢或是溢出。
另外，MPEG不允許頻繁地出現(xiàn)超過一定比特?cái)?shù)(ISO/IEC 13818-2，表8-6)的單位(宏塊)。對這種情況必須加以監(jiān)視和控制。
3)內(nèi)容自適應(yīng)量化為了反映圖像中不同部分的變化的局部復(fù)雜性，可以計(jì)算出每個(gè)單位的局部復(fù)雜性量度。目前這一量度是根據(jù)該單位的亮度塊的AC能量而獲得的。
由此獲得的復(fù)雜性系數(shù)被用來對以往計(jì)算出的量化器步長進(jìn)行一定程度的修改，例如采用0.5到2.0范圍的系數(shù)。每當(dāng)這一最終的量化器步長信息(編碼為量化器標(biāo)度代碼)與先前單位(宏塊)的不同時(shí)，就在比特流中僅傳送這一信息。其作用是對比特進(jìn)行這樣的分配，即使得幀內(nèi)的主觀質(zhì)量是均勻的。此處可以采用的另一種方案是利用人類視覺系統(tǒng)的特性。
在粗略量化的情況下最好是禁止控制等級3)，因?yàn)榉駝t就不能嚴(yán)格地控制比特的產(chǎn)生。
如果在等級1)中完成了比特分配，等級2)就應(yīng)該在整個(gè)一幀中保持基本上恒定的虛擬緩沖器狀態(tài)，也就是恒定的量化器步長。
然而，比特分配有可能失敗，和/或幀內(nèi)的復(fù)雜性可能分布得很不均勻，因而在實(shí)際中這是不可能完全成立的。
該控制方案的次最佳性能的另一個(gè)原因是，在步驟1)中計(jì)算的復(fù)雜性值對一個(gè)給定圖像來說并不是恒定的，而是取決于量化步長，這種復(fù)雜性是難以模擬的。在圖6中表示了用于I幀的12種不同順序的量化器步長Q的復(fù)雜性X。即使畫面在時(shí)間上是完全均勻的，在對自然圖像序列進(jìn)行編碼時(shí)，在連續(xù)P幀的比特分配中可以觀察到一定的振蕩。如果采用與所運(yùn)用的量化器步長無關(guān)的復(fù)雜性量度，這種情況是能夠避免的。
在VBR應(yīng)用中，從編碼和譯碼緩沖器開始還必須作如下一些其他考慮。
如上所述，即使是在VBR的情況下實(shí)際緩沖器仍是優(yōu)越的。這是因?yàn)镮幀與其它類型的幀相比會(huì)產(chǎn)生大型數(shù)量的比特。如果用5Mbit/s的CBR以合理的質(zhì)量對標(biāo)準(zhǔn)的TV圖像(CCIR 601分辨率)進(jìn)行編碼，I幀的典型瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率就可能大于15Mbit/s，這種“瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率”定義為(一幀產(chǎn)生的比特)/(一幀的周期)。
只要存儲(chǔ)裝置的峰值數(shù)據(jù)速率低于這個(gè)值，為了能用VBR編碼方式獲得比CBR編碼方式更高的質(zhì)量，就仍然需要緩沖器。用于Main Profile(主分布)@Main Level(主層級)的1.75Mbit的VBV_緩沖器_容量會(huì)對峰值瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率形成限制，例如假設(shè)緩沖器最初是空的，該限制就足以達(dá)到45Mbit/s。
編碼緩沖器的VBR輸出和譯碼緩沖器的VBR輸入能模仿漏斗的情況。數(shù)據(jù)總是在信道的峰值速率下泄漏。只要數(shù)據(jù)出現(xiàn)編碼緩沖器中，它就隨時(shí)從中漏出，同時(shí)，只要是譯碼器緩沖器沒有充滿，數(shù)據(jù)就流入譯碼緩沖器。
為了進(jìn)行控制，可以每幀(場)周期僅監(jiān)測實(shí)際緩沖器的狀態(tài)一次。然而，這就意味著需要一個(gè)容量為[(峰值數(shù)據(jù)速率)/(幀周期)]的緩沖器部分來應(yīng)付該幀周期內(nèi)可能不均勻的比特產(chǎn)生。這進(jìn)一步限制峰值瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率。采用以逐個(gè)單位(逐個(gè)宏塊)為基礎(chǔ)的緩沖器控制方式可以避免這種情況。
VBR控制應(yīng)該達(dá)到以下的目標(biāo)假定在起始處，VBR編碼器控制應(yīng)以均衡在存儲(chǔ)媒體上記錄的總持續(xù)時(shí)間之內(nèi)的質(zhì)量為目標(biāo)。特別是不應(yīng)把比特用盡，除非還可以期待另外的(可見的)質(zhì)量增益。從速率控制的角度來看，可以區(qū)別為兩種情況。
情況1)在給定容量的存儲(chǔ)媒體上提供視頻信號的最大持續(xù)時(shí)間設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)控制步驟2)把量化器步長設(shè)定成適當(dāng)?shù)闹?，從而選擇一種足夠的質(zhì)量。仍然需要完成內(nèi)容自適應(yīng)量化的步驟3)，因?yàn)樵摬襟E的作用是在每一幀內(nèi)部協(xié)調(diào)主觀質(zhì)量。事實(shí)上，如果觀眾采用較好地反映人工制品能見度的視覺模型，這方面的改進(jìn)完全是可能的。
現(xiàn)在僅需要速率控制來避免編碼緩沖器溢出。在VBR的應(yīng)用中不會(huì)發(fā)生下溢，因?yàn)榭勺兊男诺罃?shù)據(jù)速率可以暫時(shí)為零。
情況1a)保證視頻的最小持續(xù)時(shí)間采用以下情況2)中所述的速率控制方式可以進(jìn)一步保證在媒體上的最小記錄持續(xù)時(shí)間。根據(jù)視頻的復(fù)雜性，記錄持續(xù)時(shí)間也可以大于這一最小值。
情況2)在給定容量的媒體上提供給定持續(xù)時(shí)間的視頻仍然假設(shè)沒有預(yù)先對全部圖像資料進(jìn)行復(fù)雜性分布的分析。只要不存在與量化器步長無關(guān)并且可從很容易用相當(dāng)?shù)统杀镜木幋a器獲得的變量中導(dǎo)出的可用的復(fù)雜性量度，在整個(gè)持續(xù)時(shí)間上均衡圖像質(zhì)量的控制方案中就必須使用某些直觀推斷，而這不是最佳的。
VBR控制方法的基本思想是在開始時(shí)對可變的比特率采用松散的控制，而在接近存儲(chǔ)媒體的容量盡頭時(shí)采用逐漸嚴(yán)格的控制，或是在有待編碼的圖像資料的剩余持續(xù)時(shí)間為整個(gè)這一剩余持續(xù)時(shí)間上不能保證預(yù)先選擇的最小比特率時(shí)采用嚴(yán)格的控制。
然而需要注意，這種方案只能在記錄的開頭具有恒定質(zhì)量的情況下使用，而越是接近結(jié)束，恒定比特率就越是不能保證質(zhì)量。
如果在記錄接近結(jié)束時(shí)把使用的恒定比特率Re選擇在大于整個(gè)記錄過程中的平均比特率R平均，就可以有利地在一定程度上消除這種缺陷。平均比特率可以這樣來計(jì)算R平均=B/T(8)其中的B是存儲(chǔ)媒體的總?cè)萘?，T是圖像資料的持續(xù)時(shí)間。
有利的是，這樣來選擇比特率Re，使結(jié)尾處的大部分圖像內(nèi)容呈現(xiàn)可以接受的質(zhì)量，而前一部分記錄的質(zhì)量仍然比整個(gè)記錄都采用CBR編碼時(shí)的質(zhì)量要好。
因此，如上所述，對于每一種類型的記錄來說，在編碼起點(diǎn)處的量化器步長和接近結(jié)束時(shí)的恒定比特率Re是未知的變量。不幸的是，由于不知道視頻的復(fù)雜性，難以估算出在給定量化器步長下它的比特產(chǎn)生，所以不容易找到合適的量化器步長開始著手進(jìn)行。另外，總是難以形成一種能夠隨時(shí)監(jiān)視實(shí)際緩沖器填充量，并且能夠從恒定量化器過渡到恒定比特率操作的控制方案。這種過渡取決于直到時(shí)間點(diǎn)t時(shí)為止所產(chǎn)生的比特量以及為編碼保留的時(shí)間期間。早先產(chǎn)生的不成比例地高的比特量以及短的剩余持續(xù)時(shí)間是需要對速率進(jìn)行嚴(yán)格控制的標(biāo)志。
因此建議采用以下修改的速率控制方案最好是在整個(gè)記錄期間保持對比特率的控制。如果采用很松的控制(也就是很大的虛擬緩沖器)，并且在每個(gè)GOP的開頭去掉比特聚積BG(g)，就可以允許瞬時(shí)比特率有相當(dāng)大的變化(也就是準(zhǔn)恒定的量化器步長)，因此至少畫面變化和幾秒鐘持續(xù)時(shí)間的復(fù)雜畫面可由這種松控制獲得益處。這樣就需要對速率控制方案隨時(shí)間的狀態(tài)變化加以定義。首先需要在記錄的起點(diǎn)和結(jié)尾對平均比特率的合理數(shù)值作出定義。把R平均當(dāng)作這一記錄的平均比特率，用等式(8)進(jìn)行計(jì)算，最好是得到例如R開始=0.95*R平均(9a)R結(jié)束=1.5* R平均(9b)如果整個(gè)圖像序列在時(shí)間上具有恒定的復(fù)雜性，0.95倍的平均比特率在最壞情況下造成的損失也是微不足道的，而結(jié)束時(shí)的1.5倍平均比特率足以對正好在結(jié)尾出現(xiàn)的最差情況的圖像內(nèi)容正確地進(jìn)行編碼。
在整個(gè)時(shí)間(從R開始到R結(jié)束的線性過渡)內(nèi)，可以認(rèn)為R平均為R平均=R開始*τ1+0.5*(R開始+R結(jié)束)*τ2+R結(jié)束*τ3(10a)時(shí)間期間τ1，τ2，和τ3被歸一化成τ1+τ2+τ3=1(存儲(chǔ)媒體的總時(shí)間)(10b)按照以上的設(shè)想，需要多選擇一個(gè)參數(shù)。把τ3設(shè)定在0.01反映可以在很短時(shí)間內(nèi)重新對總比特生成進(jìn)行精確的控制。例如，給定一個(gè)小時(shí)的圖像持續(xù)時(shí)間T，這對應(yīng)于τ3*T=36秒。τ3可以作為總比特?cái)?shù)自適應(yīng)周期。對公式(9a)到(10b)求解，得到τ1=0.79和τ2=0.20。
采用這些數(shù)字，松控制將出現(xiàn)在記錄時(shí)間的大約前79％期間，而過渡階段需要總時(shí)間的大約20％。也可以實(shí)現(xiàn)其他的過渡特性，以便進(jìn)一步增加松控制所占的時(shí)間百分比。
現(xiàn)可將速率控制的時(shí)間變化參數(shù)描述為樣，芯層中PEN樹脂的Ⅳ與表層中的Ⅳ相同。流延片的總厚度約為625微米，其中總厚度的約三分之二為芯層，其余為厚度大致相等的兩個(gè)表層。如表1所示制備芯層中的PEN和sPS的各種混合物。如表1所示在不同溫度下，以約6∶1的拉伸比在縱向(MD)或橫向(TD)拉伸膜。一些試樣在垂直于拉伸方向的方向上受到約束(C)，以防止試樣在拉伸時(shí)頸縮。表1中用“U”標(biāo)記的試樣沒有受約束，它可在非約束方向上頸縮。沿平行和交叉(即垂直)于拉伸方向的方向測定經(jīng)拉伸的試樣的某些光學(xué)性能，包括透射、反射和吸收百分?jǐn)?shù)。結(jié)果列于表1。
如實(shí)施例24-27所示，通過人工約束拉伸后試樣的兩個(gè)垂直于拉伸方向的邊緣，即將其夾固在適當(dāng)尺寸的剛性框架上，并將夾固的試樣在指定溫度的烘箱內(nèi)放置1分鐘來進(jìn)行熱定形。平行于拉伸方向的試樣兩側(cè)沒有受約束(U)，或者沒有被夾固，可以頸縮。實(shí)施例29中的熱定形采用相同的方法，只是拉伸試樣的所有四個(gè)邊緣均是受約束(C)的，即夾固的。實(shí)施例28沒有進(jìn)行熱定形。
表Ⅰ
<p>原理上，本發(fā)明的方法適用于對存儲(chǔ)在具有給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)譯碼，并且允許譯碼緩沖器的可變瞬時(shí)讀比特率，其特征是-在上述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，用稍微小于平均譯碼緩沖器輸入比特率的速率對數(shù)據(jù)譯碼，并且明顯地大于允許的平均緩沖器填充層級變化-在上述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，用大于平均譯碼緩沖器輸入比特率的速率對數(shù)據(jù)譯碼，并且小于允許的平均緩沖器填充層級變化。
本發(fā)明方法的其他有益實(shí)施例是由各項(xiàng)從屬權(quán)利要求構(gòu)成的。
原理上，本發(fā)明的裝置適用于對存儲(chǔ)在具有給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器或記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并且允許可變的瞬時(shí)存儲(chǔ)比特率，采用的編碼環(huán)路包括離散余弦變換裝置，量化裝置，逆量化裝置，逆離散余弦變換裝置，圖像存儲(chǔ)裝置，和熵編碼裝置，該熵編碼裝置提供編碼輸出信號并連接到所述量化裝置輸出端，其中所述量化裝置，所述逆量化裝置，以及所述熵編碼裝置是按照以下方式來控制的-對于所述存儲(chǔ)容量的第一部分，數(shù)據(jù)是采用稍微小于平均比特率的速率來編碼的，并且明顯比平均比特率控制更加放松；-對于所述存儲(chǔ)容量的第二部分，數(shù)據(jù)是采用大于平均比特率的速率來編碼的，并且采用嚴(yán)格的比特率控制。
原理上，本發(fā)明的裝置適用于對存儲(chǔ)在具有給定數(shù)據(jù)容量的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)譯碼，并且允許譯碼緩沖器的可變瞬時(shí)讀比特率，采用熵譯碼裝置，逆量化裝置，逆離散余弦變換裝置和加法裝置構(gòu)成的一個(gè)鏈路來提供譯碼輸出信號，該信號同時(shí)被提供給圖像存儲(chǔ)裝置，圖像存儲(chǔ)裝置的輸出信號被提供給所述加法裝置的第二輸入端，其中所述譯碼緩沖器是按照以下方式來控制的-在所述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，用稍微小于平均譯碼緩沖器輸入比特率的速率對數(shù)據(jù)譯碼，并且明顯地大于允許的平均緩沖器填充層級變化；-在所述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，用大于平均譯碼緩沖器輸入比特率的速率對數(shù)據(jù)譯碼，并且小于允許的平均緩沖器填充層級變化。
本發(fā)明裝置的其他有益實(shí)施例是由各項(xiàng)從屬權(quán)利要求構(gòu)成的。
原理上，本發(fā)明的數(shù)字視頻信號適合存儲(chǔ)在具有給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中，并且允許可變的瞬時(shí)存儲(chǔ)比特率，其特征是
-在所述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，信號是采用稍微小于平均比特率的速率來編碼的，并且明顯比平均比特率控制更加放松；-在所述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，信號是采用大于平均比特率的速率來編碼的，并且采用嚴(yán)格的比特率控制。
本發(fā)明的數(shù)字視頻信號最好是MPEG2或是MPEG1或是H261編碼視頻信號。
本發(fā)明的存儲(chǔ)媒體、尤其是光盤，在上面包含或記錄有本發(fā)明的數(shù)字視頻信號。
以下要參照附圖來說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中

圖1是恒定比特率系統(tǒng)；圖2是可變比特率系統(tǒng)；圖3是MPEG編碼器的基本框圖圖4是MPEG譯碼器的基本框圖；圖5是一個(gè)控制環(huán)的結(jié)構(gòu)；圖6表示量化器步長的復(fù)雜性函數(shù)。
在一個(gè)CBR和一個(gè)VBR應(yīng)用中，用一個(gè)MPEG2編碼器MENC產(chǎn)生可變比特率的數(shù)據(jù)VBRD，將其過渡性地存儲(chǔ)在編碼緩沖器ENCB中。這種緩沖器的填充層級可以用來控制MENC中的編碼過程。在接收機(jī)一側(cè)，過渡性地存儲(chǔ)在譯碼緩沖器DECB中的可變比特率數(shù)據(jù)VBRD提供給MPEG2譯碼器MDEC。在MDEC的控制下從DECB中讀出數(shù)據(jù)。
在圖1中，編碼緩沖器ENCB向譯碼緩沖器DECB提供恒定比特率的數(shù)據(jù)流CBR。然而，在圖2中，編碼緩沖器ENCB向譯碼緩沖器DECB提供可變比特率的數(shù)據(jù)流VBR。
在圖3中，編碼器視頻數(shù)據(jù)輸入信號IE包括準(zhǔn)備編碼的宏塊數(shù)據(jù)。對于幀內(nèi)數(shù)據(jù)，減法器SUB直接通過離散余弦變換計(jì)算裝置DCT和量化裝置Q把數(shù)據(jù)提供給熵編碼裝置ECOD，后者可以包括ENCB，并且提供編碼器視頻數(shù)據(jù)輸出信號OE。對于幀間數(shù)據(jù)，減法器SUB從輸入信號中減去預(yù)測宏塊數(shù)據(jù)PMD，并且通過離散余弦變換計(jì)算裝置DCT和量化裝置Q把差值數(shù)據(jù)提供給熵編碼裝置ECOD。量化裝置Q的輸出信號還提供給逆量化裝置QE-1，它的輸出信號通過逆離散余弦變換計(jì)算裝置DCTE-1，以重構(gòu)宏塊差值數(shù)據(jù)RMDD的形式提供給加法器ADDE。ADDE的輸出信號過渡性地存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置FS_MC_E中，該裝置還要對重構(gòu)宏塊數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并且把這種預(yù)測的宏塊數(shù)據(jù)PMD提供給SUB和加法器ADDE的另一個(gè)輸入端。按照前述本發(fā)明的方式，量化裝置Q，逆量化裝置QE-1，以及ECOD是由編碼緩沖器ENCB的填充層級來控制的。FS_MC_E也可以不執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
當(dāng)可從編碼緩沖器獲得數(shù)據(jù)時(shí)，輸出給存儲(chǔ)媒體的可變比特率可以用可能的最大比特率實(shí)現(xiàn)，也可以暫停。
在圖4中，譯碼器視頻數(shù)據(jù)輸入信號ID通過可包括DECB的熵譯碼裝置EDEC，逆量化裝置QD-1，以及逆離散余弦變換計(jì)算裝置DCTD-1提供給加法器ADDD，由加法器提供譯碼器視頻數(shù)據(jù)輸出信號OD。ADDD的輸出信號傳送給幀存儲(chǔ)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置FS_MC_D，該裝置還要對重構(gòu)的宏塊數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并且，在幀間宏塊數(shù)據(jù)的情況下，就把這種預(yù)測的宏塊數(shù)據(jù)PMD提供給加法器ADDD的另一個(gè)輸入端。在幀內(nèi)宏塊數(shù)據(jù)的情況下，加法器ADDD就直接提供DCTD-1的輸出信號。
逆量化裝置QD-1和EDEC是按照QE-1和ECOD的控制類型來控制的。在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置FS_MC_D和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置FS_MC_E中使用的運(yùn)動(dòng)矢量信息通常是相同的。FS_MC_D也可以不執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
為了滿足高比特率情況下的要求，例如在畫面變化和畫面內(nèi)容復(fù)雜的情況下，從存儲(chǔ)媒體對譯碼緩沖器DECB的填充最好是以可能的最大比特率進(jìn)行。這種方式在DECB沒有充滿的情況下通常是可以實(shí)現(xiàn)的，如果DECB被充滿了，來自存儲(chǔ)媒體的數(shù)據(jù)就不會(huì)被存入DECB。作為一種替換方案，可以用相當(dāng)于在存儲(chǔ)器或記錄裝置中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)的相應(yīng)比特率對DECB進(jìn)行填充。無論是哪種情況，從DECB中讀出的比特率都對應(yīng)著編碼時(shí)的比特率，也就是說，允許的和有時(shí)實(shí)際出現(xiàn)的平均緩沖器填充層級變化在總?cè)萘康牡谝徊糠?≈80％)中比較大，而在總?cè)萘康淖詈蟛糠?≈20％)中比較小?！霸试S的平均緩沖器填充層級變化”的意思是指在某些GOP的長度上的變化。
本發(fā)明可以用于象DVD，其他光盤或磁光盤或鐵光盤，電子或光學(xué)的RAM或ROM，以及用給定容量來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)的磁帶系統(tǒng)一類的任何裝置。
本發(fā)明并非僅限于MPEG2編碼器和譯碼器，還可以用于MPEG1(ISO/IEC11172-2),H261(ISO/IEC)，以及在例如標(biāo)準(zhǔn)的TV,HDTV和可視電話應(yīng)用中的其他編碼和譯碼方法。
權(quán)利要求
1．一種數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼方法，所述數(shù)字視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在具有給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量并允許具有一種可變瞬時(shí)存儲(chǔ)比特率(VBR)的存儲(chǔ)器或是記錄裝置上，其特征是-對于所述存儲(chǔ)容量的第一部分，數(shù)據(jù)是采用稍微小于平均比特率的速率并且比平均比特率控制更加放松的方式來編碼(MENC；Q,QF-1,ECOD)的；-對于所述存儲(chǔ)容量的第二部分，數(shù)據(jù)是采用大于平均比特率的速率并且采用嚴(yán)格的比特率控制來編碼(MENC；Q,QF-1,ECOD)的。
2．對存儲(chǔ)在具有給定容量并提供可變瞬時(shí)讀取比特率(VBR)給譯碼緩中器(DECB)的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)譯碼的的方法，其特征是-在所述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，用稍微小于平均譯碼緩沖器(DECB)輸入比特率并且明顯地大于允許的平均緩沖器填充層級變化的速率對數(shù)據(jù)譯碼(MDEC)；-在所述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，用大于平均譯碼緩沖器(DECB)輸入比特率并且小于允許的平均緩沖器填充層級變化的速率對數(shù)據(jù)譯碼(MDEC)。
3．用于對存儲(chǔ)在具有給定容量并允許具有可變瞬時(shí)存儲(chǔ)比特率(VBR)的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼的裝置，其中的編碼環(huán)路包括離散余弦變換裝置(DCT)，量化裝置(Q)，逆量化裝置(QF-1)，逆離散余弦變換裝置(DCTE-1)，圖像存儲(chǔ)裝置(FS MC E)，以及提供編碼輸出信號(OE)并連接到所述量化裝置輸出端的熵編碼裝置(ECOD)，其特征是所述量化裝置(Q)，所述逆量化裝置(QEE-1)，以及所述熵編碼裝置(ECOD)是按照以下方式來控制的-對于所述存儲(chǔ)容量的第一部分，數(shù)據(jù)是采用稍微小于平均比特率的速率并且比平均比特率控制更加放松的方式來編碼的；對于所述存儲(chǔ)容量的第二部分，數(shù)據(jù)是采用大于平均比特率的速率及嚴(yán)格的比特率控制來編碼的。
4．對存儲(chǔ)在具有給定容量并提供可變瞬時(shí)讀取比特率(VBR)給譯碼緩沖器(DECB)的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)譯碼的裝置，采用熵譯碼裝置(EDEC)，逆量化裝置(QD-1)，逆離散余弦變換裝置(DCTD-1)和加法裝置(ADDD)構(gòu)成的一個(gè)鏈路來提供譯碼輸出信號(OD)，該信號同時(shí)被提供給圖像存儲(chǔ)裝置(FS_MC_D)，圖像存儲(chǔ)裝置的輸出信號被提供給所述加法裝置的第二輸入端，其特征是所述譯碼緩沖器(DECB)是按照以下方式來控制的-在所述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，用稍微小于平均譯碼緩沖器(DECB)輸入比特率，并且明顯地大于允許的平均緩中器填充層級變化的速率對數(shù)據(jù)譯碼(MDEC)；-在所述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，用大于平均譯碼緩沖器(DECB)輸入比特率并且小于允許的平均緩沖器填充層級變化的速率對數(shù)據(jù)譯碼(MDEC)。
5．一種數(shù)字視頻信號適合存儲(chǔ)在具有給定容量并允許具有可變瞬時(shí)存儲(chǔ)比特率的存儲(chǔ)器或是記錄裝置中，其特征是-在所述存儲(chǔ)容量的第一部分期間，信號是采用稍微小于平均比特率的速率來編碼的，并且比平均比特率控制更加放松；-在所述存儲(chǔ)容量的第二部分期間，信號是采用大于平均比特率的速率來編碼的，并且采用嚴(yán)格的比特率控制。
6．按照權(quán)利要求5的信號是MPEG2或是MPEG1或是H261編碼視頻信號。
7．一種光盤存儲(chǔ)媒體，其特征是在上面記錄有如權(quán)利要求5或6所述的信號。
8．按照權(quán)利要求1到7之一的方法、裝置、信號、或是存儲(chǔ)媒體，其特征是，在所述存儲(chǔ)容量的第一部分中，所述編碼和譯碼是分別按照一種平均數(shù)據(jù)速率來執(zhí)行的，它是基本平均數(shù)據(jù)速率的95％左右，如果所述存儲(chǔ)器沒有分為第一部分和第二部分，就可以對所述存儲(chǔ)器或是存儲(chǔ)裝置采用這種基本平均數(shù)據(jù)速率，以及在所述存儲(chǔ)容量的第二部分中所述編碼和譯碼是分別按照一種平均數(shù)據(jù)速率來執(zhí)行的，它是基本平均數(shù)據(jù)速率的15％。
9．按照權(quán)利要求1到8之一的方法、裝置、信號、或是存儲(chǔ)媒體，其特征是，所述存儲(chǔ)容量的第一部分占有所述數(shù)字視頻數(shù)據(jù)總有效存儲(chǔ)容量的80％，而所述存儲(chǔ)容量的第二部分占有所述總有效存儲(chǔ)容量的20％。
10．按照權(quán)利要求1至9之一的方法、裝置、信號、或是存儲(chǔ)媒體，其特征是，在所述存儲(chǔ)容量的所述第一部分和所述第二部分之間有另一個(gè)部分，在該部分中對于編碼而言，改變平均比特率和比特率控制，以及對于譯碼而言，改變平均譯碼緩中器(DECB)輸入比特率和允許的平均緩沖器填充層級變化，以形成平滑的過渡。
全文摘要
在恒定比特率編碼器中,核心MPEG編碼器電路后跟有一具有一定實(shí)際容量的緩沖器。該緩沖器用來平滑核心MPEG編碼器的可變比特率輸出。在編碼器控制中采用一種視頻緩沖檢驗(yàn)器(VBV)的概念,它給出了有效編碼緩沖器容量上限及譯碼器對所有比特流譯碼所需的最小緩沖器容量。如果用大于實(shí)際緩沖器容量的虛擬緩沖器容量,量化器控制參數(shù)可變化更大,從而改善所得圖像質(zhì)量。在使用能處理可變比特率數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)裝置的應(yīng)用(DVD)中可采用這種比特率控制。因此編碼器控制對策適于這種情形。例如在總播放時(shí)間的前80%中產(chǎn)生平均比特率,它僅是正常平均比特率的95%。對于總播放時(shí)間的剩余20%把所需平均比特率值提高到正常值的150%。在前80%期間把虛擬緩沖器容量增加例如100倍,而在最后的20%期間把虛擬緩沖器容量減少到正常值。
文檔編號H04N7/32GK1212811SQ97192684
公開日1999年3月31日 申請日期1997年2月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月2日
發(fā)明者梅諾爾夫·布拉瓦特, 卡斯坦·赫佩爾 申請人:德國湯姆遜-布朗特公司