DE69605117T2

DE69605117T2 - Verfahren zur aufteilung und kodierung von daten

Info

Publication number: DE69605117T2
Application number: DE69605117T
Authority: DE
Inventors: Tihao Thomson Multimedia Licensing And Int Chiang; Huifang Sun; Joel Zdepski
Original assignee: Thomson Multimedia SA
Current assignee: Vantiva SA
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: AU6315396A; CN1189954A; EP0835590A1; JPH11508738A; KR19990028545A; HK1015590A1; KR100471583B1; MX9800246A; EP0835590B1; DE69605117D1; WO1997001935A1; JP4001914B2; US5828788A; CN1144468C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der digitalen Bildsignalverarbeitung und insbesondere ein System zur hierarchischen Verarbeitung von Videodaten.
Eine Aufgabe in der Entwicklung von digitalen Video-Kodier- und Dekodier-Formaten bestand darin, eine Norm zu schaffen, die sich an verschiedene Video- Übertragungs- und Empfangssysteme anpaßt. Eine weitere Aufgabe bestand darin, eine Zwischen- und Rückwärts-Kompatibilität zwischen verschiedenen Generationen und Typen von Video-Kodier- und Dekodier-Anordnungen zu fördern. Um ein derartiges Zusammenarbeiten und eine Kompatibilität dieser Art zu fördern, ist es erwünscht, Kodier- und Dekodier-Lösungen zu bestimmen, die sich an unterschiedliche Typen der Videobildabtastung (z. B. verschachtelt/progressiv), Vollbildfrequenz, Bildauflösung, Bildgröße, Chrominanzkodierung und Übertragungsbandbreite anpassen können.
Eine zum Erreichen der Funktionsfähigkeit verwendete Lösung arbeitet mit einer Trennung der Videodaten in einen oder mehrere Werte einer Datenhierarchie (sogenannte Ebenen oder Schichten), organisiert als ein geordneter Satz von Bitströmen für die Kodierung und die Übertragung. Die Bitströme erstrecken sich von einer Basisschicht, das heißt einen Datenstrom, der die einfachsten Videodarstellungen bildet (zum Beispiel geringste Auflösung) über darauffolgende verbesserte Schichten, sogenannte Schicht für höhere Auflösungen (enhancement layers), die erhöhte Video-Bildfeinheiten darstellen. Die Videodaten werden in einem Empfänger aus den sortierten Bitströmen durch einen Dekoder rekonstruiert. Diese Lösung ermöglicht eine Verringerung der Komplexität der Dekoder für die gewünschte Video/Bildqualität. Ein Dekoder kann sich von der höchstwertigen Konfiguration, die den Gesamtinhalt des Bitstroms dekodiert, das heißt alle Schichten für höhere Auflösung, bis zu dem einfachsten, der nur die Basisschicht dekodiert, erstrecken.
Eine verbreitet eingeführte Norm, die eine derartige Datenhierarchie anwendet, ist die sogenannte MPEG (Moving Pictures Expert Group)-Bildkodiernorm (ISO/IEC 13818-2,10. Mai 1994), im folgenden bezeichnet mit "MPEG-Standard". Der MPEG-Standard legt fest, wie die Basisdaten und die Daten der höherwertigen oder Schicht für höhere Auflösungen abgeleitet und wie die Videodaten durch einen Dekoder aus den Schichten rekonstruiert werden können. Es wird hier erkannt, daß es erwünscht ist, ein System zu schaffen, das Koder- und Dekoder- Aufbauten für eine rationelle Aufteilung der Daten zwischen den verschiedenen Schichten und zur dynamischen Konfiguration eines derartigen Systems für diesen Zweck beinhaltet.
Der Artikel von "SIGNAL PROCESSING. IMAGE COMMUNICAION", Band 4, Nummer 3, 01. Juni 1992, Seiten 195-225, BOSVELD F. et al. "Hierarchial Coding of HDTV" betrifft die Verteilung der Daten zwischen den EDTV- und HDTV- Kanälen, was äquivalent ist zu dem Kodierbereich B in der vorliegenden Anmeldung. Bosveld entwickelt nicht die Fälle, äquivalent zu den Koderibereichen A und C in der vorliegenden Anmeldung, bei denen die Erfinder einen Vorteil erkannt haben in der Kodierung einer einzigen Schicht oder eines einzigen Kanals. Bosveld erachtet diese Fälle als "nicht gültig" (Hierarchical Coding of HDTV, Seite 207, Zeilen 2-3).
Bosveld beschreibt jedoch keine "Aufteilung" der Daten in eine "Anzahl von Datensegmenten" aufgrund von Verzerrungsfaktoren, gewonnen durch eine "Voraussage eines ersten Verzerrungsfaktors für eine erste Anzahl von Segmenten... als Funktion der Datenrate" und durch "Voraussage eines zweiten Verzerrrungsfaktors für eine zweite Anzahl an Segmenten... als Funktion der Datenrate" (siehe Anspruch 1).
Auf ähnliche Weise beschreibt Bosveld nicht (siehe Anspruch 10) eine "Kodierung" von Daten bei einer "festgelegten Datenauflösung" aufgrund von Verzerrungsfaktoren, gewonnen durch eine "Voraussage eines ersten Verzerrungsfaktors für... Daten mit einer ersten Datenauflösung... als Funktion der Datenrate" und durch "Voraussage eines zweiten Verzerrungsfaktors für... Daten mit einer zweiten Datenauflösung... als Funktion der Datenrate".
Bosveld erwägt keine Änderung der Datenauflösung. Bosveld befaßt sich mit der Aufteilung von Daten zwischen dem EDTV- und dem HDTV-Kanal äquivalent zu der Kodierung des Bereiches B in der vorliegenden Anmeldung.
Gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung teilen dynamisch veränderbare Videosignal-Verarbeitungssyteme Daten auf und kodieren sie unter Anwendung einer veränderbaren Anzahl an Datensegmenten sowie einer veränderbaren Datenauflösung.
Ein Verfahren zur Aufteilung von Daten, insbesondere auf dem Gebiet der digitalen Bildsignal-Verarbeitung, und das Verfahren zur Kodierung von Eingangsdaten, insbesondere auf dem Gebiet der digitalen Bildsignal- Verarbeitung, sind in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 angegeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel eines Aufbaus für eine dynamisch konfigurierbare Videosignal-Kodierung und-Dekodierung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine beispielhafte Kurvenschar des Verhältnisses zwischen dem Spitzensignal und dem Rauschen (PSNR = Peak Signal to Noise Ratio), dargestellt über der Bitrate, die verschiedene Kodierbereiche darstellt, gemäß der Erfindung,
Fig. 3 ein Flußdiagramm einer Steuerfunktion zur Bestimmung des Aufbau von Fig. 1 gemäß der Erfindung,
Fig. 4 das Kodier- und Dekodier-System von Fig. 1 im Zusammenhang mit einem zu MPEG kompatiblen Kodier- und Dekodier-System,
Fig. 5 den Koder- und Dekoder-Aufbau gemäß der Erfindung für die Kodierung und Dekodierung für den Bereich vom Typ A,
Fig. 6 den Koder- und Dekoder-Aufbau gemäß der Erfindung für die Kodierung und Dekodierung für den Bereich vom Typ B,
Fig. 7 den Koder- und Dekoder-Aufbau gemäß der Erfindung für die Kodierung und Dekodierung für den Bereich vom Typ C,
Fig. 8 eine Abwandlung von Fig. 1 mit einer zusätzlichen Aufbaukonfiguration für die Dekodierung im Bereich A gemäß der Erfindung.
Fig. 9 ist eine Abwandlung von Fig. 1 mit einer zusätzlichen Aufbaukonfiguration für die Dekodierung im Bereich C gemäß der Erfindung.
Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen des Bereichstyps der Eingangsdaten gemäß der Erfindung.
Der MPEG-Standard betrifft die Verarbeitung von hierarchisch geordneten Bitstrom-Schichten in Ausdrücken von "Skalabilität" (scalability). Eine Form der MPEG-Skalabilität bezeichnet mit "räumliche Skalabilität", ermöglicht, daß Daten in verschiedenen Schichten unterschiedliche Bildgrößen, Bildraten und Chrominanzkodierung haben. Eine andere Form der MPEG-Skalabilität, bezeichnet mit "zeitliche Skalabilität" ermöglicht, daß Daten in verschiedenen Schichten unterschiedliche Bildraten haben, jedoch identische Bildgröße und Chrominanzkodierung erfordern. Zusätzlich ermöglicht die "zeitliche Skalabilität" eine Schicht für höhere Auflösung zur Aufnahme von Daten, die durch bewegungsabhängige Voraussagen gebildet werden, während die "räumliche Skalabiltät" dieses nicht tut. Diese Typen einer Skalabilität und ein weiterer mit "SNR Skalabilität" bezeichneter Typ (SNR ist das Signal/Rausch- Verhältnis = Signal to Noise Ratio) sind im Abschnitt 3 des MPEG-Standards näher definiert.
Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet ein "räumliche" und eine "zeitliche" MPEG-Skalabilität in einer Hierarchie mit 2 Schichten (Basisschicht und eine einzige Schicht für höhere Auflösung). Die Daten der Schicht für höhere Auflösung passen sich an unterschiedliche Bildgrößen, jedoch eine einzige Bildrate und ein einziges Chrominanz-Kodierformat an. Die beispielhaften Bildgrößen entsprechen dem HDTV (High Definition Television)- und SDTV (Standard Definition Television) Signalformat, wie sie zum Beispiel durch die Grand Alliance HDTV-Spezifikation in den Vereinigten Staaten vorgeschlagen wurden. Die HDTV-Bildgröße beträgt 1080 Zeilen mit 1920 Abtastungen je Zeile (ergibt 1080 · 1920 Pixel je Bild) und die SDTV-Bildgröße beträgt 720 Zeilen mit 1280 Abtastungen je Zeile (ergibt 720 · 1280 Pixel je Bild). Das HDTV- und das SDTV-Signal verwenden eine verschachtelte Vollbildrate mit 30 Hz und dasselbe Chrominanz-Kodierformat.
Wenngleich das dargestellte System im Zusammenhang mit einer derartigen, zu MPEG kompatiblen HDTV- und SDTV räumlich und zeitlich skalierbaren Anwendung mit zwei Schichten beschrieben wurde, so ist dieses nur beispielhaft. Das beschriebene System kann durch den Fachmann auf diesem Gebiet leicht auf mehr als zwei Schichten einer Videodaten-Hierarchie und auf andere Videodaten-Auflösungen ausgedehnt werden (nicht nur eine Auflösung mit 720 und 1080 Zeilen). Außerdem können die Prinzipien der Erfindung auf andere Formen der Skalabilität angewendet werden, wie eine SNR-Skalabilität, und können auch dazu benutzt werden, einen festgesetzten Koder- und Dekoder- Aufbau zu bestimmen. Die Prinzipien der Erfindung finden eine besondere Anwendung in der Fernsehkodierung (HDTV oder SDTV), bei der Kodierung mit einer sehr niedrigen Datenrate(z. B. Videokonferenzen) und dem digitalen terrestrischen Senden für die Optimierung einer Koder- und Dekoder-Vorrichtung für eine gewünschte Übertragungsbandbreite.
Fig. 1 zeigt einen dynamisch konfigurierbaren Videosignal-Kodier und Dekodier- Aufbau gemäß der Erfindung. In einem Überblick: ein Eingangs-Video-Datenstrom wird durch den Koder 100 komprimiert und zwischen einer Basis (SDTV)-Datenschicht und einer (HDTV)-Datenschicht für höhere Auflösung aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgt gemäß Prinzipien der Erfindung unter Steuerung durch die Steuereinheit 120 für die Bandbreite und den Aufbau. Die resultierenden, komprimierten Daten von dem Koder 100 in der Form eines einzelnen oder eines dualen Bitstroms werden durch einen Formatierer 110 in Datenpakete geformt, die Identifikations-Header enthalten. Der formatierte Datenausgang von der Einheit 110 wird nach der Übertragung über einen Datenkanal von dem Transportprozessor 115 empfangen. Der Übertragungs- und Empfangs-Vorgang wird später im Zusammenhang mit dem in Fig. 4 dargestellten Kodier- und Dekodiersystem beschrieben.
Der Transportprozessor 115 (Fig. 1) trennt die Daten des formatierten, komprimierten Bitstroms entsprechend dem Typ der Schicht, das heißt Daten für die Basis- oder die Schicht für höhere Auflösung, aufgrund einer Analyse der Header-Informationen. Der Datenausgang von dem Transportprozessor 115 wird durch den Dekoder 105 dekomprimiert. Der Aufbau des Dekoders 105 wird unter Steuerung durch die Steuereinheit 145 für die Bandbreite und den Aufbau gemäß Prinzipien der Erfindung bestimmt. Ein resultierender, dekomprimierter Datenausgang von dem Dekoder 105, in der Form eines einzelnen oder dualen dekomprimierten Bitstroms, ist für die Kodierung als ein Signal nach der NTSC- Norm sowie für eine darauffolgende Wiedergabe geeignet.
Es sei jetzt der dynamisch konfigurierbare Aufbau der Fig. 1 im Detail betrachtet. Ein Eingangs-Video-Datenstrom wird durch den Koder 100 komprimiert und zwischen einer Basis-SDTV-Datenschicht und einer HDTV-Schicht für höhere Auflösung aufgeteilt. Die Steuereinheit 120 für die Bandbreite und den Aufbau konfiguriert den Aufbau des Koders 100 so, daß die Daten in geeigneter Weise zwischen den HDTV- und SDTV-Ausgangsschichten von den Einheiten 125 bzw. 135 aufgeteilt werden. Die jeweilige Datenaufteilung ist abhängig von einer Zahl von Systemfaktoren, einschließlich Bandbreite, Einschränkungen für die System- Ausgangs-Datenrate, der Datenrate und der Bildauflösung (Zahl an Pixeln je Bild) der Eingangs-Videodaten sowie der Qualität und der Auflösung des Bildes (Zahl an Pixeln je Bild), die in jeder Schicht gefordert wird. In dem beschriebenen System wird die Bildauflösung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Koders 100 und des Dekoders 105 geändert, indem die Anzahl an Pixeln je Bild geändert wird, wie später näher im Detail beschrieben wird.
Die Strategie für die Aufteilung und die Kodierung der Daten wird dadurch abgeleitet, indem die minimale Zahl an Bit je Zeiteinheit bestimmt wird, die notwendig ist, für eine bestimmte Verzerrung die Video-Eingangsfolge an dem Ausgang des Koders 100 darzustellen. Das ist die sogenannte Raten- Verzerrungs-Funktion (Rate Distortion Function) für den Koder 100. Die Raten- Verzerrungs-Funktion wird unter der Annahme ausgewertet, daß die Eingangsfolge ein Quellensignal mit einer Gauss-Verteilung mit dem Mittelwert u und der Standardabweichung a ist. Außerdem ergibt ein Quadratfehler-Kriterium für die Raten-Verzerrungs-Funktion, R, einer derartigen Gauss-Eingangsfolge, entsprechend der Theorie, wie sie in dem Abschnitt 13.3.2 von "Elements of Information Theor" von T. M. Cover und J. A. Thomas, veröffentlicht durch Wiley & Sons 1991, folgendes:
R = 1/2max (0,1/2log&sub2;(σ²/D)) (Bit je Sekunde)
= 1/2log&sub2;(σ2/D) wenn 0 ≤ D ≤ σ²
oder
= 0 wenn D > σ²
Daher ist die Verzerrungs-Raten-Funktion, D, gegeben durch
D = σ² 2-2R
die, wenn sie als Verhältnis zwischen dem Spitzensignal und Rauschen (PSNR) dargestellt wird, folgendermaßen ist:
DPSNR = 10log(255²/σ²) + 20log(2 · R)
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Spitzensignal/Rausch-Verhältnisses DPSNR in Decibel (dB), dargestellt über der Bitrate der Schicht für höhere Auflösung (Bit je Sekunde) für ein räumlich kodiertes System mit zwei Schichten. Die Kurven sind dargestellt für eine Basisschicht-Verzerrungsfunktion, eine Verzerrungsfunktion für eine Schicht für höhere Auflösung und eine Verzerrungsfunktion für eine beispielhafte überabgetastete Basisschicht für eine Interpolation mit 1080 Zeilen eines Bildes mit 720 Zeilen. Die Kurven für die Basisschicht und die überabgetastete Basisschicht haben eine negative Steigung, da, wenn die Bitrate der Schicht für höhere Auflösung ansteigt, die Bitrate der Basisschicht abfällt. Die zusammengesetzte Verzerrungskurve für das System mit zwei Schichten ist durch die dicke schwarze Linie von Fig. 2 dargestellt. Diese zusammengesetzte Verzerrungskurve ist eine linearisierte Annäherung an die minimale Verzerrung, die unter Verwendung einer überabgetasteten Basisschicht für das System mit zwei Schichten erreicht werden kann.
Eine Kodier- und Dekodier-Strategie wird von den in Fig. 2 dargestellten Ergebnissen des Systems mit zwei Schichten abgeleitet. Insbesondere werden drei Bereiche A, B und C identifiziert, in denen durch Anwendung verschiedener Kodier- und Dekodier-Lösungen ein Vorteil gewonnen werden kann. Die Grenzen dieser drei Bereiche können sich in Abhängigkeit von der Systembandbreite, den Einschränkungen der System-Ausgangs-Datenrate, der Datenrate und der Bildauflösung der Eingangs-Videodaten und der für jede Schicht geforderten Bildqualität und Bildauflösung ändern. Diese Bereiche werden folgendermaßen identifiziert.

Bereich A.

In Bereich A gibt es eine unzureichend zuteilbare Bandbreite zum Erreichen der geforderten Bildqualität unter Verwendung entweder einer Kodierung mit zwei Schichten oder einer Kodierung einer einzigen Schicht mit hoher Auflösung. In diesem Bereich ist die Vidoequalität einer dekodierten, überabgetasteten Basisschicht gleich oder größer als die Qualität eines dekodierten Bildes, das aus den Daten der kombinierten Basisschicht und der Schicht für höhere Auflösung abgeleitet ist. Dieser Bereich ist an seinem oberen Ende bei einem Punkt X auf der Kurve für die Schicht für höhere Auflösung begrenzt, die eine Bildqualität (DPSNR Wert) äquivalent zu der Kurve für die überabgetastete Basisschicht bei dem Nullpunkt Y der Bitraten-Schicht für höhere Auflösung.
In dem Bereich A besteht ein Vorteil in der Aufteilung der vollen verfügbaren Systembandbreite zu der Kodierung und Komprimierung einer einzigen Schicht (der Basisschicht) bei einer verringerten räumlichen Auflösung mit einer verringerten Anzahl an Pixeln je Bild. Diese Strategie kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Eine Weise besteht zum Beispiel darin, einen Eingangs-Datenstrom unterabzutasten, um eine einzige Basisschicht (SDTV) für die Übertragung zu bilden, und dann die entsprechende, empfangene Basisschicht zu dekodieren, um beim Empfang einen SDTV-dekodierten Ausgang zu bilden. Ein HDTV-dekodierter Ausgang mit einer höheren Auflösung kann am Empfänger durch Überabtastung (Überabtastung) des dekodierten SDTV- Ausgangs zusätzlich zu dem SDTV-dekodierten Ausgang erzeugt werden. Der Vorteil dieser Strategie tritt auf, weil eine mangelhafte Bandbreite wirkungsvoller genutzt wird, wenn sie zur Kodierung eines Bitstroms für eine einzige Schicht mit geringerer Auflösung angewendet wird, als wenn sie zur Kodierung einer von zwei Schichten einer einzigen Schicht mit hoher Auflösung angewendet wird. Das ist zum Beispiel der Fall, weil diese letztgenannten Lösungen ein größeres Kodier- Overhead für den erforderlichen zusätzlichen Fehlerschutz und Daten- Management-Kode aufweisen. Der Bereich mit der Situation vom Typ A kann zum Beispiel auftreten, wenn die gesamte verfügbare Systembandbreite für eine Kodierung mit voller Auflösung nicht ausreichend ist. Der Vorteil der Kodier- Lösung des Bereiches A kann auch in anderen Situationen auftreten, z. B., wenn ein zu kodierender Eingangs-Datenstrom keine Translations-Bewegung enthält. Dann kann eine räumliche Unter- und Überabtastung (down and up sampling) im Bereich A eine bessere Bildqualität in einem System mit beschränkter Bandbreite liefern, als sie durch eine bewegungskompensierte Voraussage-Kodierung geliefert werden kann. Das ist der Fall wegen des zu einer derartigen Bewegungskompensation gehörenden Overhead. Der Betrieb im Bereich A wird im Zusammenhang mit Fig. 5 mehr im Detail erläutert.

Bereich B.

In Bereich B besteht eine ausreichende Systembandbreite, um die geforderte Ausgangs-Bildqualität unter Verwendung einer Kodierstrategie mit zwei Schichten einzuhalten. In diesem Bereich wird die verfügbare Systembandbreite so zwischen den Schichten aufgeteilt, daß die Qualitätsanforderungen der dekdodierten Ausgänge mit der hohen und der niedrigen Auflösung erfüllt werden. Dieser Bereich liegt zwischen dem Bereich A und dem Bereich C.
Im Bereich B wird die Systembandbreite entsprechend den Anforderungen an die Bildqualität zwischen den Ausgangsschichten mit dem Signal mit der hohen Auflösung und der niedrigen Auflösung aufgeteilt. Die beiden Ausgangsschichten können für die Übertragung auf verschiedene Weise kodiert werden. Eine Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, den Eingangs-Datenstrom mit der hohen Auflösung unterabzutasten und zu kodieren, um eine Schicht mit einer niedrigen Auflösung (SDTV) für die Übertragung zu bilden, und diese Schicht mit der niedrigen Auflösung beim Empfang zu dekodieren, um ein SDTV-Signal mit der niedrigen Auflösung zu liefern. Die zu übertragende Schicht für höhere Auflösung mit der hohen Auflösung (HDTV) kann aus einer Kombination einer überabgetasteten Version der kodierten SDTV-Schicht und vorangehenden Bildern der kodierten HDTV-Schicht abgeleitet werden. Der HDTV-dekodierte Ausgang kann aus einer Kombination einer überabgetasteten Version des dekodierten SDTV-Ausgangs und der empfangenen kodierten HDTV-Schicht abgeleitet werden. Dieser Betrieb wird mehr im Detail anhand der Fig. 6 erläutert.

Bereich C.

In Bereich C kann die geforderte Bildqualität nicht dadurch erreicht werden, daß die Systembandbreite entweder der Kodierung von zwei Schichten oder der Kodierung einer einzigen Schicht (niedrige Auflösung) zugeordnet wird. In diesem Bereich kann ein Ausgangs-Videosignal mit hoher Qualität bei gegebener Einschränkung der Systembandbreite durch Kodierung einer einzigen Schicht mit einer hohen Auflösung gewonnen werden. Dieser Bereich ist begrenzt durch einen Punkt V auf der Kurve der Schicht für höhere Auflösung, der den Wert der Bildqualität angibt, die als ein Minimum für die Basisschicht allein gefordert wird (gleich dem Wert W von DPSNR von Fig. 2).
Im Bereich C besteht ein Vorteil in der Zuordnung der vollen Systembandbreite zu der Kodierung und Komprimierung einer einzigen Schicht (der Schicht für höhere Auflösung) bei einer vollen räumlichen Auflösung mit einer vollen Anzahl an Pixeln je Bild. Diese Strategie kann in verschiedenen Wegen durchgeführt werden. Ein Weg besteht zum Beispiel darin, den Eingangs-Datenstrom bei einer vollen räumlichen Auflösung als eine einzige Schicht für höhere Auflösung (HDTV) mit hoher Auflösung für die Übertragung zu kodieren und die entsprechend empfangene Schicht für höhere Auflösung zu dekodieren und dadurch den HDTV- Ausgang mit der hohen Auflösung zu bilden. Am Empfänger kann ein Ausgang mit einer niedrigen Auflösung (SDTV) durch Unterabtastung in dem komprimierten oder dekomprimierten Bereich aus dem empfangenen Signal mit hoher Auflösung abgeleitet werden, wie später noch beschrieben wird. Der Vorteil dieser Strategie im Bereich C tritt auf, weil, sofern der geforderte Qualitätswert des Ausgangsbildes vorliegt, die verfügbare Bandbreite wirkungsvoller ausgenutzt wird, als wenn sie zur Kodierung einer einzigen Schicht mit hoher Auflösung angewendet und nicht dazu benutzt wird, zwei Schichten für die Übertragung zu kodieren. Das ist der Fall, weil die Kodierung von zwei Schichten einen zusätzlichen Fehlerschutz sowie Daten-Management-Overhead-Informationen benötigt. Dieser Betrieb im Bereich C wird mehr im Detail anhand der Fig. 7 beschrieben.
Die drei Bereiche (A, B und C), die für das System von Fig. 2 mit zwei Schichten identifiziert wurden, können nicht alle in jedem System mit zwei Schichten anwesend sein. Zum Beispiel können nur ein oder zwei Bereiche identifiziert werden, abhängig von der Systembandbreite, den Einschränkungen der Datenrate des Systems sowie der für jede Schicht geforderten Qualität und Auflösung des Bildes. Umgekehrt können in Systemen mit mehr als zwei Schichten mehr als drei Bereiche gemäß Prinzipien der Erfindung identifiziert werden. Jedoch kann, ungeachtet der Anzahl von in einem System identifizierbaren Datenbereichen eine angemessene Qualität des dekodierten Bildes durch Anwendung von Kodier- und Dekodier-Aufbauten erreicht werden, die nur für eine begrenzte Anzahl an identifizierbaren Bereichen konfigurierbar sind.
Die unterschiedlichen Kodier- und Dekodier-Strategien für die Bereiche A, B und C werden in dem dynamisch konfigurierbaren Aufbau von Fig. 1 durchgeführt. In dem Koder 100 werden die geeignete Strategie sowie der geeignete Aufbau für die Aufteilung der Daten zwischen den Ausgangsschichten HDTV und SDTV durch die Steuereinheit 120 bestimmt. Die Steuereinheit 120, die zum Beispiel einen Mikroprozessor enthält, konfiguriert den Aufbau des Koders 100 unter Verwendung des in dem Flußdiagramm von Fig. 3 dargestellten Vorgangs. Die Steuereinheit 120 identifiziert zunächst den Bereichstyp der Eingangsdaten im Schritt 315 von Fig. 3, folgend auf den Start im Schritt 310. Der Bereichstyp wird entsprechend den vorangehend beschriebenen Prinzipien bestimmt, basierend auf Faktoren einschließlich der verfügbaren Systembandbreite, der Datenrate des Eingangs-Datenstroms und der Bildqualität, die für jede dekomprimierte Ausgangsschicht gefordert wird. Diese Faktoren können vorprogrammiert und durch Daten angezeigt werden, die in dem Speicher in der Steuereinheit 120 enthalten sind, oder die Faktoren können aus den Eingängen zu der Steuereinheit 120 bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Datenrate unmittelbar aus dem Eingangs-Datenstrom ermittelt werden. Ebenso können extern gespeiste Eingänge zum Beispiel aus der Auswahl durch einen Benutzer stammen und zum Beispiel über eine Computer-Schnittstelle in die Steuereinheit 120 eingegeben werden. Bei einer Ausführung kann zum Beispiel die Steuereinheit 120 Schwellwerte für die Eingangs-Datenrate ableiten, die die Grenzen zwischen den Bereichen A, B und C bilden, basierend auf den vorprogrammierten Werten, die die Systembandbreite und die geforderte Bildqualität jeder dekomprimierten Ausgangsschicht anzeigen. Dann nimmt die Steuereinheit 120 die geeignete Kodierstrategie für den Bereich A, B oder C an, basierend auf der Datenrate des Eingangs-Datenstroms, der einen bestimmten Schwellwert erreicht. Alternativ können die Schwellwerte der Eingangs-Datenrate selbst in der Einheit 120 vorprogrammiert werden.
Der Bereichstyp der Eingangsdaten wird im Schritt 315 von Fig. 3 unter Anwendung des in dem Flußdiagramm von Fig. 10 dargestellten Verfahrens identifiziert. Im Schritt 515, der auf den Start beim Schritt 510 folgt, werden zunächst eine einzige hierarchische Schicht und eine Bildauflösung mit 1080 Zeilen für die Kodierung der Daten in dem Kodierbereich gewählt. Der vorausgesagte Verzerrungsfaktor für die Eingangsdaten, wenn diese als eine einzige Schicht für eine Übertragung mit einer Auflösung von 1080 Zeilen kodiert wurde, wird im Schritt 525 berechnet. Der Schritt 530 bestimmt, daß die Schritte 515 und 525 wiederholt werden, um die Verzerrungsfaktoren für die Ausführung der Kodierung mit einer einzigen Schicht mit einer Auflösung von 720 Zeilen zu berechnen. Der Schritt 530 bestimmt außerdem, daß die Schritte 515 und 525 weiter wiederholt werden, um die Verzerrungsfaktoren für die Ausführung einer Kodierung mit zwei Schichten mit Auflösungen von 720 und 1080 Zeilen zu berechnen. Die sich ergebenden Verzerrungsfaktoren werden miteinander verglichen, und die Bildauflösung und die Anzahl von hierarchischen Schichten für die Kodierung werden im Schritt 540 bestimmt. Der Auswahlvorgang endet beim Schritt 550. Die Anzahl an Schichten und die Bildauflösung werden im Schritt 540 ausgewählt, um den minimalen Verzerrungsfaktor zu ergeben. Dieser Vorgang für die Auswahl der Schicht und der Auflösung bewirkt die Identifikationsfunktion für die Bereichskodierung des Schritts 315 (Fig. 3). Es sei bemerkt, daß dieses Verfahren der Aufteilung kodierter Eingangsdaten auch für eine Vielfalt von Anwendungen anwendbar ist, in denen Daten für eine Übertragung aufbereitet werden, und ist nicht auf die Bildverarbeitung beschränkt. Der Vorgang kann zum Beispiel benutzt werden für den Fernsprechverkehr, eine Satelliten- oder terrestrische Kommunikation einschließlich einer Kommunikation mit Mikrowellen und Glasfaseroptik. Dieser Vorgang kann außerdem andere Datentypen und die Aufteilung von Daten in andere Typen von Datensegmenten oder Datenpaketen umfassen, nicht nur hierarchische Schichten von kodierten Daten. Der Vorgang kann ebenso verschiedene Anzahlen von Datensegmenten und Datenauflösungen umfassen, nicht nur die beiden Schichten und die beiden Datenauflösungen, die für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurden.
Wenn der Bereich A gewählt wird, bestimmt der Schritt 320 (Fig. 3), daß der Schritt 325 durchgeführt wird, und der Koder 100 wird für einen Aufbau vom Typ A konfiguriert. Zusätzlich kodiert der Formatierer 110 den übertragenen Bitstrom, um den Bereichstyp der Daten und den geeigneten Dekodier-Aufbau unter Verwendung der Informationen von der Steuereinheit 120 anzuzeigen. Der Dekoder 105 ist kompatibel konfiguriert, um die Daten des übertragenen Bereichstyps A aufgrund der kodierten Aufbauinformationen zu dekodieren. Wenn die Daten vom Bereichstyp C sind, bestimmt der Schritt 330, daß der Schritt 335 durchgeführt wird. Der Schritt 335 bewirkt, daß der Koder 100 für einen Aufbau des Bereichs C konfiguriert wird, und der übertragene Bitstrom wird aktualisiert, um die Daten und den Dekodier-Aufbautyp in der Weise anzuzeigen, wie sie für den Bereich A beschrieben wurde. Wenn die Daten nicht vom Typ des Bereichs C sind, bestimmt der Schritt 330, daß der Schritt 340 durchgeführt wird. Der Schritt 340 bewirkt, daß der Koder 100 für einen Aufbau des Schritts vom Typ B konfiguriert und der übertragene Bitstrom aktualisiert wird, um die Daten und den Typ des Dekodier-Aufbaus in der Weise anzuzeigen, wie sie für den Bereich A beschrieben wurde.
Die Steuereinheit 120 konfiguriert den Koder 100 über ein Konfigurationssignal C1, das zu jedem Grundelement des Koders 100 geliefert wird. Die Steuereinheit 120 aktualisiert die Konfiguration des Koders 100 für individuelle Eingangs- Datenpakete, wobei jedes Datenpaket aus einer Folge von Kodewörtern besteht und eine Gruppe von Bildern, zum Beispiel eine Gruppe von Bildern gemäß dem MPEG-Standard darstellt. Jedoch kann die Steuereinheit 120 die Konfiguration des Koders 100 für unterschiedliche Längen der Datenpakete aktualisieren, wie sie für ein betimmtes System geeignet sind. Zum Beispiel kann die Konfiguration bei eingeschalteter Betriebsspannung für jedes Bild, für jeden Bildstrom (z. B. Programm), für jeden Pixelblock (z. B. Makroblock) oder bei unterschiedlichen Zeitintervallen durchgeführt werden.
Im Betriebsmodus im Bereich A sperrt die Steuereinheit 120 über das Konfigurationssignal den HDTV-Komprimierer 125 und den 2 : 3 Überabtaster 130. In der resultierenden Konfiguration des Koders 100 wird eine einzige SDTV- Ausgangsschicht über eine Einheit 135 der Einheit 100 zur Übertragung an den Formatierer 110 geliefert. Diese Konfiguration ist im Zusammenhang mit Fig. 5 dargestellt und erläutert. Wieder zu Fig. 1: Zur Erzeugung des SDTV- Schichtausgangs verringert der Unterabtaster 140 die räumliche Auflösung des Eingangs-Datenstroms mit einer Auflösung von 1080 Zeilen um einen Faktor von 2/3 und liefert einen Ausgang mit 720 Zeilen. Dies kann durch eine Vielfalt bekannter Verfahren erfolgen einschließlich zum Beispiel durch einfaches Weglassen jeder dritten Zeile oder vorzugsweise durch Durchführung eines Interpolations- und Mittelungs-Vorgangs, um zwei interpolierte Zeilen für jede dritte ursprüngliche Zeile zu bilden. Der Ausgang mit 720 Zeilen von dem Unterabtaster 140 wird durch den SDTV-Komprimierer 135 komprimiert und liefert komprimierte Daten der SDTV-Schicht zu dem Formatierer 110. Die durch die Einheit 135 durchgeführte Komprimierung verwendet einen zeitlichen Voraussagevorgang, der Vollbilder einer früheren SDTV-Schicht benutzt, die in dem Koder 135 gespeichert sind. Ein derartiger Komprimiervorgang, der eine zeitliche Voraussage und eine Komprimierung mit einer sogenannten Diskreten Cosinus-Transformation (DCT) enthält, ist bekannt und wird zum Beispiel beschrieben im Abschnitt 3 der Grand Alliance HDTV System Specifikation vom 14. April 1994, veröffentlicht durch die National Association of Broadcasters (NAB) Office of Science and Technology in ihren 1994 Proceedings of the 48th annual conference.
Der resultierende SDTV-Bitstrom wird in Datenpakete geformt, die Identifizierungs-Header und Aufbau-Informationen von dem Formatierer 110 enthalten. Die Informationen über den Aufbau werden von der Steuereinheit 120 geliefert und durch den Formatierer 110 unter Verwendung des "Hierarchy Descriptor" in den übertragenen Bitstrom kodiert, beschrieben in den Abschnitten 2.6.6 und 2.6.7 des MPEG-Bildkodiersystem-Standard (ISO/IEC 13818-1, 10. Juni 1994). Die Informationen über den Aufbauwerden daraufhin durch den Dekoder 105 dazu benutzt, den Dekoder 105 für den geeigneten Dekodier-Modus kompatibel zu konfigurieren (z. B. Modus im Bereich A, B oder C). Die Konfiguration des Dekoders 105, wie auch des Koders 100, wird für jedes übertragene Datenpaket aktualisiert. Ein Datenpaket enthält in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Gruppe von Bildern.
Wenngleich die Anwendung des MPEG-"Hierarchy Discriptor" das bevorzugte Verfahren ist, um sicherzustellen, daß der Koder 100 und der Dekoder 105 kompatibel konfiguriert werden, sind auch andere Verfahren möglich. Die Informationen über den Aufbau können zum Beispiel im MPEG-Syntax in dem "User Data"-Feld kodiert werden, das im Abschnitt 6.2.2.2.2 des MPEG-Standard festgelegt ist. Alternativ kann der Dekoder 105 den geeigneten Dekodiermodus aus der Bitrate des kodierten empfangenen Datenstroms ableiten, der von dem Bitraten-Feld des Folgeheaders durch den Abschnitt 6.2.2.1 des MPEG-Standard bestimmt ist. Der Dekoder kann diese Informationen über die Bitrate zusammen mit vorprogrammierten Daten verwenden, die die Anforderungen an die Bandbreite und die Videoqualität des dekodierten Ausgangs begrenzen, um den geeigneten Dekodiermodus gemäß den vorher beschriebenen Prinzipien der Erfindung abzuleiten. Der Dekodiermodus kann zum Beispiel geändert werden, wenn die empfangene Bitrate vorprogrammierte Schwellwerte erreicht.
Der formatierte, komprimierte Datenstrom-Ausgang von der Einheit 110 wird über einen Übertragungskanal übertragen, bevor er in den Transportprozessor 115 eingegeben wird. Fig. 4 zeigt ein Gesamtsystem einschließlich der Bauteile von Fig. 1 sowie Bauteile 410-435 für die Übertragung und den Empfang. Diese Bauteile für die Übertragung und den Empfang sind bekannt und zum Beispiel beschrieben in dem Artikel Digital Communication, Lee und Messerschmidt (Kluwer Academic Press, Boston, MA, USA, 1988). Der Übertragungskoder 410 kodiert den formatierten Ausgang von der Einheit 110 (Fig. 1 und 4) für die Übertragung. Normalerweise werden die formatierten Daten durch den Koder 410 sequentiell verschachtelt, fehlerkodiert und verschachtelt, um die Daten für die Übertragung vor der Modulation durch den Modulator 415 aufzubereiten. Der Modulator 415 moduliert dann eine Trägerfrequenz mit dem Ausgang des Koders 410 in einem besonderen Modulationsformat, zum Beispiel Quadratur-Amplituden- Modulation (QAM). Der resultierende Ausgang mit einem modulierten Träger von dem Modulator 415 wird dann in der Frequenz verschoben und durch einen Hochkonverter und Sender 420 gesendet, der zum Beispiel ein Sender für einen lokalen Sendebereich sein kann. Es sei bemerkt, daß die Bitstrom-Informationen, wenngleich als ein Übertragungssystem mit einem einzigen Kanal beschrieben, ebenso in einem Übertragungssytem mit mehreren Kanälen übertragen werden können, wobei zum Beispiel ein Kanal jeder Bitstrom-Schicht zugeordnet ist.
Das gesendete Signal wird durch eine Antenne und einen Eingangsprozessor 425 am Empfänger empfangen und verarbeitet. Die Einheit 425 enthält im allgemeinen einen Hochfrequenz (HF)-Tuner und eine Zwischenfrequenz (ZF)-Mischstufe und Verstärkerstufen zum Heruntersetzen des empfangenen Eingangssignals auf ein niedrigeres Frequenzband, das für die weitere Verarbeitung geeignet ist. Der Ausgang von der Einheit 425 wird durch eine Einheit 430 demoduliert, die an die Trägerfrequenz angepaßt ist und die übertragenen Daten sowie die zugehörigen Zeitsteuer-Daten (z. B. eine Taktfrequenz) zurückgewinnt. Der Übertragung- Dekoder 435 verübt Vorgänge invers zu den durch den Koder 410 durchgeführten Vorgängen. Die Ausgangsdaten von der Einheit 430 werden durch Anwendung der Taktdaten von der Einheit 430 durch den Dekoder 435 sequentiell entschachtelt, dekodiert und entschlüsselt. Zusätzliche Informationen über diese Funktionen sind zum Beispiel in dem obengenannten Aufsatz von Lee und Messerschmidt zu finden.
Der Transportprozessor 115 (Fig. 1 und 4) extrahiert die Informationen für die Synchronisierung und die Fehleranzeige aus den komprimierten Daten von der Einheit 435. Diese Informationen werden in der darauffolgenden Dekomprimierung benutzt, die durch den Dekoder 105 des komprimierten Videodaten-Ausgangs von dem Prozessor 115 durchgeführt wird. Der Prozessor 115 extrahiert auch die Informationen über den Dekodier-Aufbau aus dem MPEG-Hierarchy Descriptor-Feld innerhalb der komprimierten Daten von der Einheit 435. Diese Informationen über den Aufbau werden der Steuereinheit 145 (Fig. 1) für die Dekoder-Bandbreite und den Aufbau zugeführt. Die Einheit 145 verwendet diese Informationen, um den Dekoder 105 für den geeigneten Dekodiermodus (z. B. Modus A, B oder C) kompatibel zu konfigurieren. Die Steuereinheit 145 konfiguriert den Dekoder 105 über ein zweites Konfigurationssignal C2, das jedem Grundbauteil des Dekoders 105 zugeführt wird.
In dem Modus im Bereich A sperrt die Steuereinheit 145 von Fig. 1 über das zweite Konfigurationssignal den HDTV-Dekomprimierer 150 und die Adaptionseinheit 165. In der resultierenden Konfiguration des Dekoders 105 wird der komprimierte Videoausgang der SDTV-Schicht von dem Prozessor 115 durch den SDTV-Dekomprimierer 160 dekomprimiert und liefert eine SDTV- Ausgangsfolge mit einer Auflösung von 720 Zeilen. Der Dekomprimiervorgang ist bekannt und in dem vorher genannten MPEG-Standard festgelegt. Zusätzlich bewirkt der Überabtaster 155 eine Überabtastung des SDTV-Ausgangs mit der Auflösung von 720 Zeilen um einen Faktor von 3/2 und liefert einen HDTVdekomprimierten Ausgang mit einer Auflösung von 1080 Zeilen. Dies kann durch eine Vielfalt von bekannten Verfahren erfolgen, einschließlich zum Beispiel einer Interpolation und Mittelwertbildung zur Bildung von drei interpolierten Zeilen für jede zweite ursprüngliche Zeile. Der dekomprimierte Ausgang mit der Auflösung von 1080 Zeilen von dem Überabtaster 160 wird aufgrund des zweiten Konfigurationssignals durch den Multiplexer 180 als die HDTV-dekomprimierte Ausgangsfolge ausgewählt. Die resultierenden, dekomprimierten HDTV- und SDTV-Datenausgänge von dem Dekoder 105 sind geeignet für die Kodierung als ein Signal gemäß der NTSC-Norm, zum Beispiel durch die Einheit 440 von Fig. 4, und für eine darauffolgende Wiedergabe.
Fig. 5 zeigt die Koder- und Dekoder-Vorrichtung der Fig. 1, konfiguriert für eine Kodierung und Dekodierung für einen Bereich vom Typ A. Die Funktionen der dargestellten Bauteile sind so, wie sie vorher beschrieben worden sind. Der Überabtaster 130 und der HDTV-Komprimierer 125, die in dem Koder 100 von Fig. 1 dargestellt sind, fehlen in Fig. 5, da diese Bauteile, wie oben beschrieben, in dem Modus im Bereich A gesperrt sind. Auf ähnliche Weise fehlen in Fig. 5 der HDTV-Dekomprimierer 150 und die Adaptionseinheit 165, die in dem Dekoder 105 von Fig. 1 dargestellt sind, da diese Bauteile, wie ebenfalls oben beschrieben, in dem Modus im Bereich A gesperrt sind.
Wenn die Eingangsdaten in Fig. 1 vom Bereichstyp B sind, konfiguriert die Steuereinheit 120 den Koder 100 für einen Aufbau im Bereich B. Das erfolgt durch Anwendung des Konfigurationssignals in einer Weise, die ähnlich ist zu der, die vorangehend für den Bereich A beschrieben wurde. Im Bereich B komprimiert jedoch der Koder 100 für die Übertragung die Ausgangsschichten mit der hohen Auflösung und der niedrigen Auflösung, im Gegensatz zu dem für den Bereich A komprimierten einzigen Ausgang mit der niedrigen Auflösung. Diese Konfiguration ist im Zusammenhang mit der Fig. 6 dargestellt und erläutert. Wieder zu Fig. 1: Die Steuereinheit 120 verteilt die Systembandbreite zwischen den Ausgangsschichten mit der hohen Auflösung und der niedrigen Auflösung durch Konfigurierung des Koders 100, die Daten für höhere Auflösung als eine HDTV- Ausgangsschicht mit hoher Auflösung zusätzlich zu einem SDTV-Ausgang mit niedriger Auflösung komprimieren. Diese HDTV-Schicht liefert Bild- Verfeinerungsdaten und ermöglicht dem Dekoder 105, von der SDTV-Schicht mit einer Auflösung von 720 Zeilen einen Ausgang für ein Bild mit einer Auflösung von 1080 Zeilen zu erzeugen.
Der Ausgang der SDTV-Schicht im Bereich B wird auf dieselbe Weise erzeugt, wie sie für den Bereich A beschrieben wurde. Der Ausgang mit 720 Zeilen von dem Unterabtaster 140 wird durch den SDTV-Komprimierer 135 komprimiert und liefert komprimierte Daten der SDTV-Schicht zu dem Formatierer 110. Im Bereich B wird jedoch die HDTV-Schicht für höhere Auflösung mit der hohen Auflösung für die Übertragung durch den HDTV-Komprimierer 125 abgeleitet. Der Komprimierer 125 leitet den HDTV-Ausgang durch eine Kombination und Komprimierung einer überabgetasteten, dekomprimierten Version der SDTV-Schicht ab, die durch den Überabtaster/Dekomprimierer 130 und die vorangehenden Vollbilder der HDTV- Schicht erzeugt sind, die in dem Komprimierer 125 gespeichert ist. Ein derartiger Vorgang mit einer Kombination und einer Komprimierung, enthaltend eine zeitliche Voraussage durch den Komprimierer 125, ist bekannt und zum Beispiel vorgesehen in dem Abschnitt über die räumliche Skalabilität (Abschnitt 7.7) des MPEG-Standards. Die resultierenden komprimierten HDTV- und SDTV-Ausgänge von dem Koder 100 werden zu dem Formatierer 110 geliefert.
Die HDTV- und SDTV-Bitströme von dem Koder 100 werden durch den Formatierer 110 in Datenpakete geformt, die sogenannte Header- und Aufbauinformationen in dem sogenannten "Hierarchy Discriptor"-Feld enthalten. Wie für den Bereich A beschrieben, werden die formatierten Daten von der Einheit 110 zu dem Transportprozessor 115 übertragen, der die Aufbau-Informationen für eine Konfigurierung des Dekoders 105 (hier für Bereich B) zu der Dekomprimier- Steuereinheit 145 liefert.
Am Empfänger sperrt im Modus im Bereich B die Steuereinheit 145 die Adaptiereinheit 165 unter Verwendung des zweiten Konfigurationssignals. In der resultierenden Konfiguration des Dekoders 105 wird der komprimierte SDTV- Ausgang von dem Prozessor 115 durch die Einheit 160 dekomprimiert und ergibt im Bereich A einen SDTV-Ausgang mit einer Auflösung von 720 Zeilen. Der HDTV-Dekompri-mierer 150 leitet einen dekomprimierten HDTV-Ausgang mit einer Auflösung von 1080 Zeilen durch Kombination und Dekomprimierung einer überabgetasteten Version dieses dekodierten SDTV-Ausgang, der durch den Überabtaster 155 erzeugt wird, und die vorangehenden Vollbilder der HDTV- Schicht, die in dem Dekomprimierer 150 gespeichert ist, ab. Der Vorgang der Kombination der überabgetasteten und gespeicherten Daten und der Bildung eines dekomprimierten Ausgang, wie er durch den Dekomprimierer 150 erfolgt, ist bekannt und zum Beispiel beschrieben in dem Bereich (Bereich 7.7) über die räumliche Skalabilität des MPEG-Standard. Der dekomprimierte Ausgang von dem Dekomprimierer 150 mit der hohen Auflösung von 1080 Zeilen wird über den Multiplexer 180 aufgrund des zweiten Konfigurationssignals als der HDTVdekomprimierte Ausgang ausgewählt. Die resultierenden, dekomprimierten HDTV- und SDTV-Datenausgänge von dem Dekoder 105 sind für die weitere Verarbeitung und die darauffolgende Wiedergabe geeignet, wie vorangehend beschrieben.
Fig. 6 zeigt die Koder- und Dekoder-Vorrichtung von Fig. 1, konfiguriert für die Kodierung und Dekodierung im Bereich vom Typ B. Die Funktionen der dargestellten Bauteile sind so, wie vorangehend beschrieben. Die in dem Dekoder 105 von Fig. 1 dargestellte Adaptiereinheit 165 fehlt in Fig. 6, da dieses Bauteil im Modus im Bereich B gesperrt ist, wie ebenfalls vorangehend beschrieben.
Wenn die Eingangsdaten in Fig. 1 im Bereich vom Typ C liegen, konfiguriert die Einheit 120 den Koder 100 für einen Aufbau im Bereich C. Dies erfolgt durch Anwendung des Konfigurationssignals in einer Weise, die ähnlich ist zu der, die vorangehend für den Bereich A beschrieben wurde. Jedoch kodiert im Bereich C der Koder 100 einen einzigen Ausgang mit hoher Auflösung und nicht einen Ausgang mit niedriger Auflösung wie für den Bereich A oder zwei Ausgänge wie für den Bereich B. Die Steuereinheit 120 teilt die volle Systembandbreite, sofern erforderlich, auf, um einen Ausgang mit hoher Auflösung zu kodieren, und konfiguriert über das Konfigurationssignal die Einheit 100, die Schicht für höhere Auflösung bei einer vollen (1080 Zeilen) HDTV-Auflösung zu kodieren.
Im Modus im Bereich C sperrt die Steuereinheit 120 den Unterabtaster 140, den SDTV-Komprimierer 135 und den Überabtaster 130 durch das Konfigurationssignal. In der resultierenden Konfiguration des Koders 100 wird die Eingangsfolge durch den HDTV-Komprimierer 125 unter Anwendung der vollen Systembandbreite komprimiert, wie sie erforderlich ist, um einen HDTV-Ausgang mit einer Auflösung von 1080 Zeilen zu dem Formatierer 110 zu liefern. Diese Konfiguration ist im Zusammenhang mit der Fig. 7 dargestellt und erläutert. Wieder zu Fig. 1: Der Komprimierer 125 leitet den HDTV-Ausgang unter Verwendung der vorangehenden Vollbilder der in dem Komprimierer 125 gespeicherten HDTV-Schicht ab. Der durch den Komprimierer 125 im Bereich C vorgenommene Komprimiervorgang ist ähnlich zu dem, der für die Bereiche A und B beschrieben wurde, und ist ebenfalls bekannt.
Der HDTV-Bitstrom von der Einheit 100 wird durch den Formatierer 110 in Datenpakete geformt, die in dem "Hierarchy Descriptor"-Vollbild Identifikationsheader- und Informationen über den Aufbau enthalten. Wie für den Bereich A beschrieben, werden die formatierten Daten von der Einheit 110 zu dem Transportprozessor 115 übertragen, der die Aufbau-Informationen für die Konfigurierung des Dekoders 105 zu der Dekoder-Steuereinheit 145 liefert (hier für Bereich C).
Am Empfänger sperrt die Steuereinheit 145 im Modus im Bereich C den Überabtaster 155 unter Anwendung des zweiten Konfigurationssignals. In der resultierenden Konfiguration des Dekoders 105 wird der konfigurierte HDTV- Ausgang von dem Prozessor 115 durch die Einheit 150 dekomprimiert und ergibt einen HDTV-Ausgang mit einer hohen Auflösung von 1080 Zeilen. Dieser dekomprimierte Ausgang mit 1080 Zeilen von dem Dekomprimierer 150 wird über den Multiplexer 180 als der HDTV-dekodierte Ausgang des Dekoders 105 aufgrund des zweiten Konfigurationssignal ausgewählt. Zusätzlich wird der komprimierte HDTV-Ausgang von dem Prozessor 115 dafür angepaßt, daß er durch eine Anpassung der Einheit 165 die Anforderungen an den Eingang des SDTV-Dekomprimierers 160 erfüllt. Dies erfolgt durch Verringerung der räumlichen Auflösung des komprimierten HDTV-Ausgangs von dem Prozessor 115 auf eine effektive Auflösung mit 720 Zeilen in dem komprimierten (Frequenz) Bereich. Das kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß die höherfrequenten Koeffizienten der diskreten Cosinustransformation (DCT)-Koeffizienten beseitigt werden, die die Videoinformationen des komprimierten HDTV-Ausgangs von dem Prozessor 115 darstellen. Dieser Vorgang ist bekannt und zum Beispiel beschrieben in "Manipulation and Composifing of MC-DCT Compressed Video" von S. Chang et al. veröffentlicht in den I. E. E. E. Journal of Selected Area in Communications (JSAC), Januar 1995. Der räumlich verringerte komprimierte Ausgang von der Adaptionseinheit 165 wird durch die Einheit 160 dekomprimiert und ergibt einen SDTV-Ausgang mit einer Auflösung von 720 Zeilen. Die Dekomprimier-Vorgänge durch die Einheiten 160 und 150 sind ähnlich zu denen, die für den Bereich A beschrieben wurden, und sind auch auf ähnliche Weise bekannt. Die resultierenden, dekodierten HDTV- und SDTV-Datenausgänge von dem Dekoder 105 sind für eine weitere Verarbeitung und darauffolgende Wiedergabe geeignet, wie vorher beschrieben.
Fig. 7 zeigt die Koder- und Dekoder-Vorrichtung von Fig. 1, konfiguriert für die Kodierung und die Dekodierung im Bereich vom Typ C. Die Funktionen der dargestellten Bauteile sind so, wie vorangehend beschrieben. Der Unterabtaster 140, der SDTV-Komprimierer 135 und der Überabtaster 130, die in dem Koder 100 von Fig. 1 dargestellt sind, fehlen in Fig. 7, da diese Bauteile im Modus im Bereich C, wie vorangehend beschrieben, gesperrt sind. Auf ähnliche Weise fehlt der in dem Dekoder 105 von Fig. 1 dargestellte Überabtaster 155 in Fig. 7, da dieses Bauteil im Betrieb im Bereich C gesperrt ist.
Fig. 8 ist eine Abwandlung von Fig. 1 und zeigt eine zusätzliche Konfiguration des Aufbaus für die Dekodierung im Bereich A. Die durch den Koder 100, den Formatierer 110 und den Transportprozessor 115 von Fig. 8 durchgeführten Funktionen sind so, wie sie für Fig. 1 beschrieben wurden. Außerdem sind die Funktionen des Dekoders 109 von Fig. 8 dieselben wie diejenigen des Dekoders 105 von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß bei der Dekodierung im Bereich A der HDTV-dekomprimierte Ausgang mit der Auflösung von 1080 Zeilen in einer anderen Weise geliefert wird.
Im Modus im Bereich A sperrt die Dekoder-Steuereinheit 149 von Fig. 8 über das zweite Konfigurationssignal den Überabtaster 155 und die Adaptionseinheit 165. In der resultierenden Konfiguration des Dekoders 109 wird der komprimierte Videoausgang der SDTV-Schicht von dem Prozessor 115 durch den SDTV- Dekompri-mierer 160 dekomprimiert und liefert den SDTV-Ausgang des Dekoders 109. Dies erfolgt in derselben Weise, wie sie für Fig. 1 beschrieben wurde. Jedoch wird der dekomprimierte HDTV-Ausgang von dem Dekoder 109 dadurch erzeugt, daß die SDTV-Schicht im Frequenzbereich überabgetastet wird, im Gegensatz zu der im Dekoder 105 von Fig. 1 durchgeführten Abtastung im Zeitbereich. Der komprimierte Ausgang von dem Prozessor 115 in Fig. 8 wird durch Adaption der Einheit 168 (fehlt in Fig. 1) im komprimierten (Frequenz)- Bereich überabgetastet. Das kann zum Beispiel erfolgen durch "Null-Auffüllung" (zero padding) der Frequenzkoeffizienten höherer Auflösung der diskreten Cosinustransformation (DCT), die die Videoinformationen in dem komprimierten SDTV-Ausgang von dem Prozessor 115 darstellen. Tatsächlich werden die ausgewählten DCT-Koeffizienten höherer Ordnung Nullwerten zugeordnet. Die hinter diesem Vorgang stehende Theorie ist bekannt und zum Beispiel beschrieben in der obengenannten "Manipulation and Composifing of MC-DCT Compressed Video" von S. Chang et al. veröffentlicht in den I. E. E. E. Journal of Selected Area in Communications (JSAC), Januar 1995. Der resultierende, überabgetastete Ausgang von der Adaptionseinheit 168 wird durch den HDTV- Dekomprimierer 152 dekomprimiert und liefert den HDTV-Ausgang von dem Dekoder 109. Die resultierenden, dekomprimierten HDTV- und SDTV-Datenausgänge von dem Dekoder 109 sind für die Verarbeitung und die darauffolgende Wiedergabe geeignet, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde.
Fig. 9 ist eine Abwandlung von Fig. 1 und zeigt eine zusätzliche Aufbau-Konfiguration für die Dekodierung im Bereich C. Die durch den Koder 100, den Formatierer 110 und den Transportprozesor 115 von Fig. 9 durchgeführten Funktionen sind so, wie sie für Fig. 1 beschrieben wurden. Außerdem sind die Funktionen des Dekoders 107 von Fig. 9 dieselben wie diejenigen des Dekoders 105 von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß bei der Dekodierung im Bereich C der SDTV-dekomprimierte Ausgang mit der Auflösung von 720 Zeilen auf eine andere Weise gewonnen wird.
Im Modus im Bereich C sperrt die Steuereinheit 147 von Fig. 9 über das zweite Konfigurationssignal den Überabtaster 155 und den SDTV-Dekomprimierer 162. In der resultierenden Konfiguration des Dekoders 107 wird der komprimierte Videoausgang der HDTV-Schicht von dem Prozessor 115 durch den HDTV- Dekompri-mierer 150 dekomprimiert und liefert den HDTV-Ausgang des Dekoders 107. Dies erfolgt in derselben Weise, wie sie für Fig. 1 beschrieben wurde. Jedoch wird der dekomprimierte Ausgang SDTV von dem Dekoder 107 durch Unterabtastung der HDTV-Schicht im Zeitbereich erzeugt, im Gegensatz zu der Abtastung im Frequenzbereich in dem Dekoder 105 von Fig. 1. Der dekomprimierte HDTV-Ausgang von dem Multiplexer 180 in Fig. 9 wird durch den (in Fig. 1 fehlenden) Unterabtaster 170 um einen Faktor von 2/3 unterabgetastet und liefert einen Ausgang mit 720 Zeilen. Das kann durch eine Vielfalt von bekannten Verfahren erfolgen, wie es für den Unterabtaster 140 des Koders 100 in Fig. 1 beschrieben wurde. Der dekomprimierte Ausgang mit einer Auflösung von 720 Zeilen von dem Unterabtaster 170 wird als der SDTVdekodierte Ausgang des Dekoders 107 über den (in Fig. 1 fehlenden) Multiplexer 175 aufgrund des zweiten Konfigurationssignals ausgewählt. Die resultierenden, dekomprimierten HDTV- und SDTV-Datenausgänge von dem Dekoder 107 sind für eine Verarbeitung und eine darauffolgende Wiedergabe geeignet, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.
Die anhand der Fig. 1-9 beschriebenen Aufbauten für den Koder und den Dekoder sind nicht ausschließlich. Es können andere Aufbauten für die einzelnen Bereiche (A, B und C) abgeleitet werden, die dieselben Aufgaben erfüllen können. Außerdem können die Funktionen der Bauteile der verschiedenen Aufbauten insgesamt oder teilweise in den programmierten Instruktionen eines Mikroprozessors ausgeführt sein.

Claims

1. Verfahren zur Aufteilung von Daten, insbesondere auf dem Gebiet der digitalen Bildsignal-Verarbeitung, enthaltend folgende Schritte:

(a) Voraussage (515-530) eines ersten Verzerrungsfaktors für eine erste Anzahl von Segmenten der Daten, wobei die Voraussage in Abhängigkeit von der Datenrate der Daten erfolgt,

(b) Voraussage (515-530) eines zweiten Verzerrungsfaktors für eine zweite Anzahl von Segmenten der Daten, wobei die Voraussage in Abhängigkeit von der Datenrate der Daten erfolgt,

gekennzeichnet durch

(c) gegenseitiges Vergleichen (540) des ersten und des zweiten Verzerrungsfaktors,

(d) Ermittlung (540), welche der ersten und der zweiten Anzahl von Segmenten den niedrigeren Wert für den Verzerrungsfaktor aufweist, basierend auf dem gegenseitigen Vergleich, und

(e) Aufteilung der Daten (120) in die ermittelte Anzahl von Datensegmenten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in den Schritten (a) und (b) die Voraussage eine Funktion einer vorbestimmten Qualitätsanforderung der aufgeteilten Daten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

der Voraussageschritt (a) den Schritt enthält, daß die Daten in der Form der ersten Anzahl von Segmenten entsprechend der Voraussage angeordnet werden und

der Voraussageschritt (b) den Schritt enthält, daß die Daten in der Form der zweiten Anzahl von Segmenten entsprechend der Voraussage angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, enthaltend den Schritt von (f) Komprimieren der aufgeteilten Daten.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

der Voraussageschritt (a) folgende Schritte enthält:

Auswahl einer ersten Anzahl von Datensegmenten,

Formen der Daten in hierarchisch geordnete Datensegmente mit der ersten Anzahl entsprechend der Voraussage,

Berechnen eines ersten Verzerrungsfaktors für die Daten in der Form der ersten Anzahl von hierarchisch geordneten Datensegmenten als eine Funktion der Datenrate der Daten, und wobei

der Voraussageschritt (b) die folgenden Schritte enthält:

Auswahl einer zweiten Anzahl von Datensegmenten,

Formen der Daten in hierarchisch geordnete Datensegmente mit der zweiten Anzahl gemäß der Voraussage,

Berechnen eines zweiten Verzerrungsfaktors für die Daten in der Form der zweiten Anzahl von hierarchisch geordneten Datensegmenten als eine Funktion der Datenrate der Daten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Daten Bilddaten sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Formungsschritte die Bilddaten in eine oder mehrere hierarchische Schichten von komprimierten Daten entsprechend der Voraussage formen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Berechnungsschritte entsprechend der Voraussage die Verzerrungsfaktoren für die dekomprimierten, hierarchischen Schichten der komprimierten Daten berechnen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei alle Voraussageschritte im räumlichen Bereich durchgeführt werden, und die Aufteilung der Daten im räumlichen Bereich durchgeführt wird.

10. Verfahren zur Kodierung von Eingangsdaten, insbesondere auf dem Gebiet der digitalen Bildsignal-Verarbeitung, enthaltend folgende Schritte:

(a) Voraussage (515-530) eines ersten Verzerrungsfaktors für die Eingangsdaten mit einer ersten Datenauflösung, wobei die Voraussage in Abhängigkeit von der Datenrate der Eingangsdaten erfolgt,

(b) Voraussage (515-530) eines zweiten Verzerrungsfaktors für die Eingangsdaten mit einer zweiten Datenauflösung, wobei die Voraussage in Abhängigkeit von der Datenrate der Eingangsdaten erfolgt, gekennzeichnet durch

(c) gegenseitiges Vergleichen (549) des ersten und des zweiten Verzerrungsfaktors,

(d) Ermittlung (540), welche der ersten und der zweiten Datenauflösung den niedrigsten Wert für den Verzerrungsfaktor aufweist, basierend auf dem gegenseitigen Vergleich, und

(e) Kodieren (100) der Eingangsdaten bei der vorbestimmten Datenauflösung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Voraussageschritt (a) folgende Schritte enthält:

Auswahl der Daten mit der ersten Auflösung,

Umsetzen der Eingangsdaten auf die erste Datenauflösung entsprechend der Voraussage,

Berechnen eines ersten Verzerrungsfaktors für die Daten mir der ersten Datenauflösung als eine Funktion der Datenrate der Eingangsdaten, und wobei der Voraussageschritt (b) die folgenden Schritte enthält:

Auswahl einer zweiten Datenauflösung,

Umsetzen der Eingangsdaten auf die zweite Datenauflösung gemäß der Voraussage,

Berechnen eines zweiten Verzerrungsfaktors für die Daten mit der zweiten Datenauflösung als eine Funktion der Datenrate der Eingangsdaten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Eingangsdaten Bilddaten sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Kodierschritt die Bilddaten bei der ermittelten Datenauflösung umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in den Schritten (a) und (b) die Voraussage eine Funktion einer vorbestimmten Qualitätsanforderung der kodierten Bilddaten ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-14, wobei alle Voraussageschritte im räumlichen Bereich erfolgen und alle angezeigten Datenauflösungen räumliche Datenauflösungen sind.