DE69607696T2

DE69607696T2 - Vorrichtung und verfahren zur transkodierung von videosignalen

Info

Publication number: DE69607696T2
Application number: DE69607696T
Authority: DE
Inventors: Johan Keesman; Johannes Van Otterloo
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Norden AB
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Philips Norden AB
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: DE69607696D1; AU4398496A; AU703049B2; WO1996025823A3; JPH09512410A; EP0755610A1; EP0755610B1; WO1996025823A2; US5805224A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Transcodierung von Videosignalen, die einer Sequenz von Bildern entsprechen, welche in eine Vielzahl von Teilbildern unterteilt sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung eines derartigen Transcodierungsverfahrens.
Hinsichtlich einer Kanalbandbreitenzuordnung von mehreren Teilbildern wird auf die Patentschrift EP-A-0 479 432 verwiesen.
Eine Vorrichtung zum Codieren eines Videosignals, und spezieller von einer Gruppe von Bildern, wobei einige Bilder einer unabhängigen Codierung und andere Bilder einer bewegungskompensierten prädiktiven Codierung unterzogen werden, ist in der europäischen Patentschrift EP-A-0 655 868 beschrieben.
Diese Codiervorrichtung, die in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst einen Speicher 1, in dem jedes Bild in Blöcke von beispielsweise 8 · 8 Pixel aufgeteilt wird. Eine vorgegebene Anzahl von zusammenhängenden Blöcken, zum Beispiel vier Blöcke mit 8 · 8 Luminanz-Abtastwerten und zwei Blöcke mit 8 · 8 Chrominanz-Abtastwerten, stellt ein Teilbild dar. Im Fall der MPEG-Norm, die durch die Moving Picture Experts Group der International Standard Organization für die gemultiplexte, komprimierte Darstellung von Videosignalen und zugehörigen Audiosignalen vorgeschlagen wurde, spezifiziert die herkömmliche Syntax, dass ein solches Teilbild auch als Makroblock bezeichnet wird.
Die Blöcke von 8 · 8 Abtastwerten werden einem Codierer 2 über eine Bildverzögerung 10 zugeführt. Dieser Codierer umfasst eine Subtrahierschaltung 21, einen Bildtransformator 22 zum Transformieren jedes Blocks in 8 · 8 Koeffizienten, einen Quantisierer 23 zum Quantisieren der Koeffizienten mit einer Schrittgröße Q&sub1; (es ist zu beachten, dass nicht jeder Koeffizient eines Blocks unbedingt mit der gleichen Schrittgröße quantisiert wird und dass der Ausdruck "Schrittgröße" als Bezeichnung eines Parameters verstanden werden kann, der die einzelnen Quantisierungsschritte für einen Koeffizientenblock festlegt) und einen variablen Längencodierer 24 zum Codieren der quantisierten Koeffizienten in Codeworte von variabler Länge. Der Codierer umfasst weiterhin eine Vorhersageschleife zum Bilden eines bewegungskompensierten Vorhersagebildes. Diese Schleife be steht aus einem inversen Quantisierer 25, einem inversen Bildtransformator 26, einer Addierschaltung 27, einem Bildspeicher 28 und einen Bewegungseinschätzer 29 (in Fig. 1 sind die Schaltungen 22 bis 26 mit T, Q, VLC, Q&supmin;¹ bzw. T&supmin;¹ bezeichnet).
Die erhaltene Reihe von Codewörtern von variabler Länge stellt einen quantisierungsabhängigen Bitstrom q&sub1; von Koeffizientenbits dar. Dieser Bitstrom wird in einem Multiplexer 3 mit anderen Informationen kombiniert, die unter anderem mit Bewegungsvektoren gebildet werden, welche durch den Bewegungseinschätzer 29 erzeugt wurden. Die anderen Informationen werden im folgenden als "Overhead" bezeichnet und in der Figur mit v&sub1; gekennzeichnet. Der kombinierte Bitstrom wird einem Puffer 4 zugeführt, aus dem aus er mit einer Kanal-Bitrate fch ausgelesen wird.
In einem solchen bekannten MPEG-Codierer wird das Videosignal in Form von Bildergruppen (Groups of Pictures, GOPs) übertragen. Jede GOP umfasst mindestens ein teilbildintern codiertes Bild (intraframe-coded picture, I-Bild), eine Anzahl von prädiktiv codierten Bildern (P-Bilder) und eine Anzahl von bidirektional prädiktiv codierten Bildern (B-Bilder). Bei der Codierung von I-Bildern ist der Subtrahierer 21 nicht aktiv und jeder Pixel-Block wird einzeln codiert. Bei P- und B-Bildern liefert der Bewegungseinschätzer 29 einen Vorhersageblock, und es wird ein Differenzblock codiert. Wenn keine ausreichende Übereinstimmung zwischen einem Block des zugeführten Bildes und seiner Umgebung im Vorhersagebildspeicher 28 vorliegt (d. h. wenn es zu viel Bewegung gibt), können die Blöcke der P- und B-Bilder ebenfalls der teilbildinternen Codierung unterzogen werden. Angaben in Bezug auf den angewendeten Codiermodus eines Blocks sind auch in den Overhead-Informationen v&sub1; enthalten.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Codiervorrichtung außerdem einen zusätzlichen Codierer 8, eine hiermit verbundene Berechnungsschaltung 9 zur Berechnung eines globalen Zielwertes für die Anzahl der Bits zur Codierung des Bildes, eine Regelschaltung 7 und eine Schaltung zur Bestimmung der Schrittgröße 11. Der zusätzliche Codierer wird im folgenden als Voranalysator bezeichnet. Er bildet einen quantisierungsabhängigen Bitstrom q&sub2; und Overhead-Informationen v&sub2;. Dieser Voranalysator erhält von der Schaltung zur Bestimmung der Schrittgröße 11 eine Quantisierungs-Schrittgröße Q&sub2;, die während eines Bildes unveränderlich ist, aber von Bild zu Bild verschieden sein kann. Er kann unterschiedliche Formen haben, zum Beispiel die Form eines MPEG-Codierers ohne Bitratenregelung. Der Voranalysator ist dann vom gleichen Typ wie der Codierer 2 und wird daher nicht ausführlicher dargestellt.
Es ist jedoch bekannt, dass eine Transcodierstruktur von einer gewissen Reduzierung der Komplexität im Vergleich zu der Verbindung eines klassischen Decodierers und Codierers profitiert. In Bezug auf einen Transcodierer wird auf die Patentschrift EP-A- 0 637 893 verwiesen. Der Decodierer benutzt zum Beispiel Bewegungsvektoren, die im Codierer wiederverwendet werden können, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Bewegungseinschätzungsschaltung, die üblicherweise in dem Codierer angeordnet wird, wegzulassen. Auf ähnliche Weise können die Bilder im Fall von MPEG-Signalen auf verschiedene Weisen codiert werden: Der Codierer kann zum Beispiel die im vorhergehenden Decodierer getroffene Entscheidung in Bezug auf die Wahl der Bildcodierung oder Halbbildcodierung als solche wiederverwenden. Es ist auch bekannt, dass innerhalb einer Gruppe von Bildern die Reihenfolge, in der die Bilder an den Codierer gesendet wird, modifiziert wird, um die Vorhersage von Bildern des Typs B zu ermöglichen. Diese Bilder des Typs B werden um zwei Bildperioden verzögert, und diese modifizierte Reihenfolge wird für die Übertragung benutzt, wobei die ursprüngliche Reihenfolge erst am Ausgang des Decodierers wiederhergestellt wird. Im Fall einer Transcodierstruktur mit einem Codierer nach einem Decodierer ist es einfacher, keine solche Wiederherstellung am Ausgang des Decodierers vorzusehen, da eine weitere Modifizierung der Bildreihenfolge innerhalb des Codierers bewerkstelligt werden muss.
Wie auch immer diese Vereinfachungen aussehen mögen, ihre Vorteile werden aufgehoben, wenn die Komplexität der Codier-Baugruppe durch Hinzufügen eines zweiten Codierers erhöht wird und die Kosten des somit gebildeten Transcodierers daher nicht reduziert werden.
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Transcodierverfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Komplexität der herkömmlichen Transcodierverfahren tatsächlich zu reduzieren. Die Erfindung wird in den Ansprüchen 1 und 6 erläutert.
Ein solches Transcodierverfahren erscheint einfacher und kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, und vor allem als ein Verfahren, wie es in der Transcodierstruktur angewendet wird, die in der genannten Patentanmeldung beschrieben wurde.
Gemäß einer ersten Implementierung dieses Verfahrens, umfasst der Teilschritt der Berechnung die folgenden Teiloperationen:
- Zählen der lokalen Anzahl von Bits, die für jedes genannte Teilbild erzeugt werden, und der gesamten Anzahl von Bits für ein vollständiges Bild;
- Multiplizieren der genannten gesamten Anzahl von Bits mit einer Quantisierungs-Schrittgröße;
- Berechnen eines globalen Zielwertes für die Anzahl der Bits zur Codierung des relevanten vollständigen Bildes in Hinblick auf das solchermaßen erhaltene Ausgangssignal und auf einen zuvor gewählten Komplexitätswert;
- Aufteilen des genannten globalen Zielwertes auf die Teilbilder im Verhältnis zur genannten lokalen Anzahl von Bits, die für jedes Teilbild erzeugt werden.
Gemäß einer zweiten Implementierung des genannten Verfahrens umfasst der genannte Teilschritt der Berechnung die folgenden Teiloperationen:
- Zählen der lokalen Anzahl von Bits, die für jedes der genannten Teilbilder erzeugt werden, und der gesamten Anzahl von Bits für ein vollständiges Bild;
- Definieren des genannten lokalen Zielwertes Tn durch Bestimmen dieses Wertes gemäß der Formel Tn = S · Rout/Rin, wobei S die Gesamtzahl der zum Komprimieren jedes eintreffenden Bildes aufgewendeten Bits ist und Rin, Rout die Gesamtzahl der Bits vor der Decodieroperation bzw. nach der Codieroperation ist.
Unabhängig davon, wie diese Implementierung aussieht, kann die Operation zur Modifizierung der Schrittgröße vorteilhafterweise die folgenden Teiloperationen umfassen:
- Bestimmen der Differenz zwischen dem genannten lokalen Zielwert und einem gewünschten durchschnittlichen Zielwert Tav für jedes Teilbild;
- Kumulieren der ermittelten Differenzen in Form einer gewünschten Packungsdichte b' eines Ausgangspuffers;
- Erzeugen eines Regelsignals, das sich auf die Differenz zwischen der genannten Packungsdichte und der tatsächlichen Packungsdichte b bezieht;
- Multiplizieren des genannten Regelsignals mit zwei entsprechenden Regelfaktoren;
- Integrieren von einem der nach der genannten Teiloperation des Multiplizierens erhaltenen Signale;
- Addieren des genannten integrierten Signals und des anderen der nach der genannten Teiloperation des Multiplizierens erhaltenen Signale.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Transcodiervorrichtung vorzuschlagen, in der eine unübliche Implementierung ihres Codierteils, die vor allem für die Verarbeitung von Daten in Übereinstimmung mit der MPEG-Norm geeignet ist, zu einer begrenzten Komplexität ihrer Schaltung führt.
Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Transcodieren codierter Videosignale, die einer Sequenz von in eine Vielzahl von Teilbildern unterteilten Bildern entsprechen, wobei die Vorrichtung folgende Elemente in Kaskadenschaltung umfasst:
- einen Decodierteil zum Decodieren der genannten codierten Signale, die zu jedem Bild in der Sequenz gehören;
- einen Codierteil zum Codieren der ausgegebenen decodierten Signale der genannten Decodier-Baugruppe, mit Quantisierungsmitteln zum Quantisieren der decodierten Signale mit einer zugeführten Schrittgröße, Codiermitteln zum Codieren der quantisierten Signale, und Mitteln zum Regeln der Ausgangsbitrate der auf diese Weise erhaltenen codierten Signale durch Modifizierung der genannten Schrittgröße;
wobei die genannten Mittel des Codierteils zum Regeln der Bitrate vor den genannten Quantisierungsmitteln Mittel zur Berechnung eines lokalen Zielwertes für die Anzahl der Bits zur Codierung jedes Teilbildes und Mittel zum Regeln der genannten Schrittgröße in Abhängigkeit von der genannten Ausgangsbitrate und des genannten berechneten lokalen Zielwertes enthalten.
Eine derartige Transcodierstruktur ist in der Tat einfacher und kostengünstiger als herkömmliche Implementierungen, vor allem diejenigen, in denen der in Kaskadenschaltung mit dem Decodierer angeordnete Codierer eine Struktur gemäß der genannten Patentanmeldung aufweist.
In einer bestimmten Implementierung der genannten erfindungsgemäßen Transcodiervorrichtung umfasst diese Vorrichtung in Kaskadenschaltung:
- eine Decodier-Baugruppe zum Decodieren der genannten codierten Signale;
- eine Codier-Baugruppe zum Codieren der genannten decodierten Signale, mit einem Quantisierer zum Quantisieren der decodierten Signale mit einer zugeführten Schrittgröße und mit Mitteln zum Regeln der Bitrate durch Modifizieren der genannten Schrittgröße;
wobei die genannten Mittel zum Regeln der Bitrate eine Berechnungsschaltung zum Definieren eines lokalen Zielwertes für die Anzahl der Bits zum Codieren jedes der N Teilbilder jedes Bildes und eine Regelschaltung zum Justieren der genannten Schrittgröße in Überein stimmung mit der genannten Ausgangsbitrate und dem genannten berechneten lokalen Zielwert enthalten.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfassen die genannten Berechnungsmittel vorzugsweise:
- Zähler zum Zählen der lokalen Anzahl von Bits Bn, die für jedes der genannten Teilbilder erzeugt werden, und der Gesamtzahl der Bits S = Σ Bn für ein vollständiges Bild;
- einen Multiplizierer zum Multiplizieren dieser Gesamtzahl mit einer Quantisierungs-Schrittgröße Q&sub2;;
- eine Berechnungsschaltung zum Empfangen des Ausgangssignals dieses Multiplizierers und eines zuvor gewählten Komplexitätswertes und zum Berechnen eines globalen Zielwertes T für die Anzahl der Bits zur Codierung des betreffenden vollständigen Bildes;
- eine Verteilungsschaltung zum Verteilen des genannten globalen Zielwertes T auf die Teilbilder.
In einer weiteren Ausführungsform können die genannten Berechnungsmittel auch folgendes umfassen:
- Zähler zum Zählen der lokalen Anzahl von Bits Bn, die für jedes der genannten Teilbilder erzeugt werden, und der Gesamtzahl der Bits S = Σ Bn für ein vollständiges Bild;
- eine Schaltung zum Definieren des genannten lokalen Zielwertes für die Teilbilder entsprechend der Formel
Tn = S · Rout/Rin, wobei Rin und Rout die Gesamtzahl der Bits am Eingang bzw. am Ausgang der genannten Transcodiervorrichtung sind und S die genannte Gesamtzahl der Bits bezeichnet, die zum Komprimieren jedes eintreffenden Bildes aufgewendet werden.
Erfindungsgemäß ist die genannte Transcodiervorrichtung außerdem vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel zum Regeln der Schrittgröße folgendes umfasst:
- einen ersten Subtrahierer, der für jedes Teilbild die Differenz zwischen dem lokalen Zielwert Tn und einem gewünschten durchschnittlichen Zielwert Tav bestimmt;
- einen dritten Zähler zum Kumulieren der erhaltenen Differenzen in der Form einer gewünschten Packungsdichte b' eines Ausgangspuffers der Codier-Baugruppe;
- einen zweiten Subtrahierer, in dem die genannte Packungsdichte mit der tatsächlichen Packungsdichte b des genannten Puffers zum Zuführen eines Regelsignals verglichen wird;
- zweite und dritte Multiplizierer zum Multiplizieren des genannten Ausgangs-Regelsignals des genannten zweiten Subtrahierers mit entsprechenden Regelfaktoren;
- einen Integrator zum Integrieren des Ausgangssignals des genannten dritten Multiplizierers;
- einen Addierer zum Addieren der Ausgangssignale des zweiten Multiplizierers und des Integrators.
In einer verbesserten Implementierung können die genannten Mittel zum Regeln der Bitrate vor dem genannten Quantisierer auch einen Speicher zum Umwandeln des codierten Signals, das der Schrittgröße jedes Teilbildes entspricht, in den genannten Schrittgrößenwert, und einen vierten Multiplizierer zum Multiplizieren des Ausgangssignals des genannten Speichers mit dem Ausgangssignal der genannten Mittel zum Regeln der Schrittgröße enthalten.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Codieren eines Videosignals in Übereinstimmung mit der zuvor genannten europäischen Patentanmeldung;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Transcodiervorrichtung;
Fig. 3 eine Ausführungsform einer Berechnungsschaltung wie in der Transcodiervorrichtung aus Fig. 2 dargestellt;
Fig. 4 eine Ausführungsform der Regelschaltung, wie in der Transcodiervorrichtung aus Fig. 2 dargestellt;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Transcodiervorrichtung;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Berechnungsschaltung, wie in der Transcodiervorrichtung aus Fig. 2 dargestellt.
Bevor diese Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Transcodiervorrichtungen beschrieben werden, wird zunächst das Prinzip dieser Erfindung erläutert. Das vorliegende Verfahren ist vorgesehen, um Signale zu transcodieren, die einer Folge von Bildern entsprechen, welche in eine Vielzahl (zum Beispiel N) Teilbilder (z. B. Makroblöcke) unterteilt sind und zwischen denen eine Bewegung festgestellt werden kann. Diese Videosignale wurden zuvor durch einen Bildcodierer mit einem Quantisierungsmechanismus codiert, der zwischen der Bitrate und der Bildqualität der rekonstruierten Bilder abwägt (der Zusammenhang zwischen diesen Variablen hängt natürlich von dem ursprünglichen Bildinhalt ab, der in einer Bildkomplexität ausgedrückt wird, wobei ein komplexeres Bild eine größere Anzahl von Bits zum Erreichen einer vorgegebenen Qualität erfordert als ein weniger komplexes Bild), zum Beispiel durch einen MPEG-Codierer.
Dieses Transcodierverfahren umfasst die folgenden Schritte. Die codierten Signale, die zu jedem Bild der Eingangsvideosequenz gehören, werden zuerst decodiert, und die auf diese Weise erhaltenen decodierten Signale werden anschließend mit einer zugeführten Schrittgröße quantisiert und codiert. Die genannte Schrittgröße kann entsprechend der Ausgangsbitrate der auf diese Weise erhaltenen codierten Signale modifiziert werden, um die genannte Bitrate zu regeln. Erfindungsgemäß umfasst dieser Modifiziervorgang die folgenden Teilschritte: Berechnen eines lokalen Zielwertes für die Bitzahl zur Codierung jedes der Teilbilder jedes Bildes (dieser Zielwert mit der Bezeichnung Tn ist wie im folgenden beschrieben entsprechend verschiedener möglicher Kriterien definiert) und Modifizieren der zugeführten Schrittgröße in Hinblick auf die Ausgangsbitrate und auf den berechneten lokalen Zielwert.
Gemäß einer bestimmten Weise zur Durchführung dieses Verfahrens wird der genannte Teilschritt der Berechnung in die folgenden Teiloperationen unterteilt. Zuerst werden die lokalen Anzahlen von Bits Bn, die ursprünglich für jedes der Teilbilder eines Bildes erzeugt wurden, nacheinander gezählt, wodurch auch die Zählung und Kenntnis der Gesamtzahl der Bits S = Σ Bn für jedes nachfolgende vollständige Bild möglich wird. Die genannte Gesamtzahl der Bits S wird dann mit einer Quantisierungs-Schrittgröße Q&sub2; multipliziert, die man für jeden Typ I, P, B des Bildes erhalten hat, um als Ergebnis ein Produkt zu bekommen, das für die Komplexität des betreffenden Bildes repräsentativ ist und benutzt wird, um einen globalen Zielwert T für die Anzahl der Bits zur Codierung dieses betreffenden Bildes zu berechnen (gemäß einer der verschiedenen möglichen Formel, die im folgenden angegeben werden). Schließlich wird dieser globale Zielwert auf die Teilbilder verteilt, indem der lokale Zielwert Tn für jedes der N Teilbilder gemäß einer der verschiedenen möglichen Formeln berechnet wird, die an späterer Stelle genannt werden.
Gemäß einer anderen Weise zur Durchführung des Transcodierverfahrens kann der Teilschritt der Berechnung etwas modifiziert werden: Nach einer ähnlichen Teiloperation der Zählung von Bn und S wird der lokale Zielwert Tn jetzt definiert, indem er nach einer einfacheren Formel berechnet wird, die wiederum an späterer Stelle in Zusammenhang mit der Beschreibung einer Ausführungsform der entsprechenden Vorrichtung beschrieben wird.
In all diesen Fällen kann der Vorgang der Schrittgrößenmodifizierung spezieller durchgeführt werden, indem die folgenden Teiloperationen implementiert werden. Zuerst wird die Differenz zwischen dem zuvor erhaltenen lokalen Zielwert und einem gewünschten durchschnittlichen Wert Tav, dessen fester Wert von der Anzahl der Bits R pro GOP, der Anzahl der Bilder in einer GOP und der Anzahl der Teilbilder pro Bild abhängt, für jedes Teilbild berechnet, und die auf diese Weise erhaltenen Differenzen werden in Form einer gewünschten Packungsdichte (mit der Bezeichnung b' und verfügbar in Form von einer Reihe von Bits) eines Ausgangspuffers kumuliert. Diese Dichte b' wird dann mit der tatsächlichen Dichte b verglichen, wobei die Differenz zwischen diesen Signalen ein Regelsignal darstellt, das mit zwei betreffenden Faktoren multipliziert wird. Das erste der nach einer derartigen Multiplizier-Teiloperation erhaltenen Signale wird integriert und das Resultat zu dem zweiten dieser beiden Signale addiert, wobei das schließlich erhaltene Signal ein Signal zur Regelung der Schrittgröße Q&sub1; ist.
Das oben beschriebene Transcodierverfahren kann auf mehrere Weisen implementiert werden, zum Beispiel mit Hilfe von verdrahteten elektronischen Modulen oder in Form von Ausführungsformen mit einem Prozessor oder Mikroprozessor, der für die Durchführung von einer Reihe von den Funktionen entsprechenden Anweisungen, von Berechnungen oder allen Arten von Operationen sorgt, die in bestimmten oder allen Schaltungen, Stufen oder Baugruppen der genannten elektronischen Ausführungsformen ausgeführt werden.
Im letztgenannten Fall einer Ausführungsform mit einem Prozessor oder Mikroprozessor kann das Transcodierverfahren, das ohne Berücksichtigung der Struktur eines Transcodiervorrichtung beschrieben wurde, in einer Vorrichtung implementiert werden, die einen ersten Decodierteil zum Decodieren der zuvor codierten und zu jedem Bild der Sequenz gehörenden Eingangssignale in Kaskadenschaltung mit einem zweiten Codierteil zum Codieren der auf diese Weise erhaltenen decodierten Signale enthält. Dieser Codierteil umfasst hauptsächlich Quantisierungsmittel zum Quantisieren der genannten decodierten Signale, die am Ausgang des Decodierteils ausgegeben werden, Codiermittel, die die genannten quantisierten Signale empfangen und codierte Signale erzeugen, und Regelmittel zum Modifizieren der den Quantisierungsmitteln zugeführten Schrittgröße in Hinblick auf eine Regelung des Ausgangsbitrate dieser codierten Signale. Für diese Modifizierung enthalten die genannten Mittel zur Regelung der Bitrate vor den genannten Quantisierungsmitteln erste Mittel zum Berechnen des lokalen Zielwertes und zweite Mittel zum Regeln der Schrittgröße der Quantisierungsmittel entsprechend der Ausgangsbitrate und dem berechneten lokalen Zielwert.
In dem obigen Fall kann das Transcodierverfahren zum Beispiel in Form einer Transcodiervorrichtung implementiert werden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und bei der der Decodierteil und der Codierteil aus einer Decodier-Baugruppe 201 bzw. aus einer Codier-Baugruppe 202 bestehen. Wie in der Ausführungsform aus Fig. 2 dargestellt, enthält die Decodier-Baugruppe 201 eine Demultiplex-Schaltung 211, die einen Koeffizienten-Bitstrom q&sub2;, einen Overhead-Bitstrom v&sub2; und möglicherweise noch weitere Signale erzeugt, die hier nicht weiter von Nutzen sind, in Kaskadenschaltung mit einer Decodiervorrichtung 212 (DECOD), die von herkömmlicher Art sein kann und daher hier nicht weiter beschrieben wird (ein derartiger Decodierer umfasst zum Beispiel in Reihe einen variablen Längendecodierer, eine inverse Quantisierungsschaltung und eine Bewegungskompensationsstufe).
Die Codier-Baugruppe 202 umfasst bis auf den zusätzlichen Codierer 8 und die Schaltung 11 die gleichen Elemente wie die Codiervorrichtung aus Fig. 1 (mit den gleichen Bezugszeichen). Dieser Codierer 8 und die Schaltung 11 sind in der Codier- Baugruppe aus Fig. 2 nicht mehr vorhanden und durch die Verbindungen 81 und 82 zwischen den Ausgängen q&sub2;, v&sub2; der Demultiplex-Schaltung 211 und den entsprechenden Eingängen der Berechungsschaltung 9 ersetzt.
Die in Fig. 1 dargestellte Codiervorrichtung arbeitet mit einer Voranalyse, die vorhersagt, wie viele Bits für jedes Teilbild des aktuellen zu codierenden Bildes benötigt werden. Eine Transcodiervorrichtung umfasst einen variablen Längendecodierer, mit dem der eintreffende Bitstrom decodiert wird. Während dieser Bitstrom decodiert wird, können gleichzeitig die Daten q&sub2; und v&sub2; als die Anzahlen von Bits pro Teilbild betrachtet werden, die man bei der oben beschriebenen Voranalyse erhalten hat. Aus diesem Grund wird - wie bereits erwähnt - der zusätzliche Codierer 8 nicht länger benötigt, und die Verzögerung der Bildverzögerung 10 kann reduziert werden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Berechnungsschaltung 9. Sie umfasst einen Multiplexer 91 zum Kombinieren des Koeffizienten-Bitstroms q&sub2; und des Overhead-Bitstroms v&sub2;, die durch die Demultiplex-Schaltung 11 erzeugt werden. Der kombinierte Bitstrom wird einem Zähler 92 zugeführt, der die lokale Anzahl der Bits Bn zählt, während ein weiterer Zähler 93 die Gesamtzahl der Bits S = Σ Bn zählt. Diese Anzahl S wird in einem Multiplizierer 94 mit einer Quantisierungs-Schrittgröße Q&sub2; (entweder fest pro Bild oder von Bild zu Bild verschieden) multipliziert. Wie zuvor erhält man die feste Schrittgröße Q&sub2;, die für jede Art von Bild separat definiert ist, durch Bestimmen der durchschnittlichen Schrittgröße der betrachteten Bilder (I, P, B) und Wählen der relevanten Schrittgröße in Abhängigkeit von Szenenwechsel und Bildart. Das Produkt S. Q&sub2; ist ein Komplexitätswert X, der die Komplexität des zugeführten Bildes widerspiegelt. In der Tat werden die Komplexitätswerte XI, XP, XB für jede Bildart (I, P, B) separat bestimmt:
XI = SI · Q2I, XP = SP · Q2P und XB = SB · Q2B (1)
Der Komplexitätswert wird einer Berechnungsschaltung 95 zur Berechnung des globalen Zielwertes T für das vollständige Bild zugeführt. In Bezug auf die durch diese Berechnungsschaltung durchgeführten Berechnungen gelten die folgenden Überlegungen:
(A) Wenn die Gesamtzahl der Bits R für eine GOP mit NI Bildern des Typs I, NP Bildern des Typs P und NB Bildern des Typs B zur Verfügung steht, besteht das Ziel darin, die globalen Zielwerte TI, TP, TB für jeden Bildtyp auf eine solche Weise zu verteilen, dass:
R = NI · TI + NP · TP + NB · TB (2)
erfüllt wird.
(B) Es wird angenommen, dass die verschiedenen Codiertypen (I, P, B) zu einer gleichen Bildqualität führen, wenn die entsprechenden Schrittgrößen QI, QP und QB in einem bestimmten Verhältnis vorliegen, dass durch die Faktoren kP und kB angegeben wird:
QP = kP · QI und QB = kB · Q&sub1; (3)
Der Zusammenhang zwischen den Anzahlen von Bits SP, SB, die man bei der P- und B- Codierung eines Bildes erhält, und der Anzahl von Bits SI, die man bei der I-Codierung dieses Bildes erhält, kann von (1) und (3) abgeleitet werden:
und SB = XB/kB.XI (4)
(C) Es wird davon ausgegangen, dass der gleiche Zusammenhang für die globalen Zielwerte für die verschiedenen Bildarten gilt:
und TB = XB/kB.XI (5)
Für den globalen Zielwert TI für ein I-Bild kann die folgende Formel von (2) und (5) abgeleitet werden:
(D) Nachdem der globale Zielwert TI für das letzte (oder einzige) I-Bild der GOP festgelegt wurde und das Bild in möglichst großer Übereinstimmung hiermit codiert wurde, können die Zielwerte für die anderen P- und B-Bilder auf Wunsch an die verbleibende Anzahl von Bits, die für die GOP zur Verfügung stehen, angepasst werden. In diesem Fall ändert sich Gleichung (2) in:
RI = nP · TP + nB · TB (7)
wobei nP und nB die Anzahl der im GOP noch zu codierenden P- und B-Bilder darstellen und RI die Anzahl der noch verfügbaren Bits darstellt. Die folgenden Formeln können jetzt für die Zielwerte TP und TB abgeleitet werden:
und TB = kP · XB · TP/kB · XP (8)
Der globale Zielwert eines Bildes wird durch die Berechnungsschaltung 95 berechnet, bevor das betreffende Bild über die Bildverzögerung 10 dem Codierer 2 (siehe Fig. 1) zur tatsächlichen Codierung zugeführt wird. Die Berechnung wird wie folgt durchgeführt:
(I) Während der Codierung eines I-Bildes erhält die Berechnungsschaltung 95 vom Multiplizierer 94 den Komplexitätswert XI für dieses Bild. Der Zielwert TI wird mit Hilfe von Gleichung (6) berechnet. Die Komplexitätswerte XP und XB in dieser Gleichung werden durch zuvor berechnete Komplexitätswerte des am kürzesten zurückliegenden P- oder B-Bildes gebildet. Diese zuvor berechneten Komplexitätswerte sind in Fig. 3 mit Xprev bezeichnet. Bei der Codierung des vorhergenden Bildes werden sie in einem Speicher (nicht abgebildet) gespeichert.
(P) Während der Codierung eines P-Bildes erhält die Berechnungsschaltung 95 vom Multiplizierer 94 den Komplexitätswert XP für dieses Bild. Der Zielwert TP wird mit Hilfe von Gleichung (5) oder, wenn die GOP keine weiteren I-Bilder enthält, mit Hilfe von Gleichung (8) berechnet. Die Komplexitätswerte außer XP werden wiederum durch die zuvor berechneten Komplexitätswerte des am kürzesten zurückliegenden Bildes des entsprechenden Typs gebildet.
(B) Während der Codierung eines B-Bildes erhält die Berechnungsschaltung 95 vom Multiplizierer 94 den Komplexitätswert XB für dieses Bild. Der Zielwert TB wird mit Hilfe von Gleichung (5) oder (8) berechnet.
Eine Verteilungsschaltung 96 verteilt schließlich den globalen Zielwert T auf die Makroblöcke des Bildes. Zu diesem Zweck berechnet die Verteilungsschaltung den lokalen Zielwert Tn für jeden Makroblock n. In einer einfachen Ausführungsform kann die Verteilungsschaltung den globalen Zielwert T gleichmäßig auf alle N Makroblöcke des Bildes verteilen, und zwar gemäß folgender Formel:
Tn = T/N (9)
Der lokale Zielwert Tn für jeden Makroblock ist jedoch vorzugsweise gemäß nachstehender Formel proportional zu der Anzahl der Bits Bn, die für diese Makroblöcke erzeugt wurden:
Der lokale Zielwert für einen Makroblock stimmt mit der relativen Komplexität dieses Makroblocks überein: Es werden jetzt mehr Bits für ein Teilbild aufgewendet, da dieses Teilbild detaillierter ist. Dies ergibt eine einheitliche Bildqualität für das gesamte Bild.
Andere Ausführungsformen der Berechnungsschaltung 9 können vorgeschlagen werden. Es ist zum Beispiel möglich, dass die Anzahl der Koeffizientenbits und die Anzahl der Overhead-Bits für jeden Makroblock n separat gezählt werden, indem getrennte Zähler zum makroblockweisen Zählen der Anzahl von Koeffizientenbits in dem quantisierungsabhängigen Bitstrom q&sub2; und der Anzahl der Bits in den Overhead-Daten v&sub2; benutzt werden. Den lokalen Zielwert Tn erhält man anschließend, indem diese Anzahl von Koeffizientenbits Cn für jeden Makroblock n mit einem Skalierfaktor F multipliziert und die Anzahl der Overhead-Bits On hierzu addiert wird, und zwar gemäß folgender Formel:
Tn = F · Cn + On (11)
Der Zielwert gemäß Gleichung (11) ist besser geeignet als der Zielwert gemäß Gleichung (10), weil hier vermieden wird, dass zu viele Bits eines Makroblocks für Overhead-Daten aufgewendet werden. Die Verteilung des globalen Zielwertes auf die Makroblöcke führt damit zu einer einheitlicheren Bildqualität als bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform.
Die Zielwerte Tn werden der Regelschaltung 7 (siehe Fig. 1) zugeführt. Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform dieser Regelschaltung. Sie umfasst einen Subtrahierer 71, der für jeden Makroblock die Differenz zwischen dem lokalen Zielwert Tn und dem gewünschten durchschnittlichen Zielwert Tav bestimmt. Die erhaltene Differenz wird mit Hilfe eines Zählers 72 kumuliert. Das Ausgangssignal des Zählers 72 bildet gleichsam die gewünschte Packungsdichte b' des Ausgangspuffers 4 (siehe Fig. 1) der Vorrichtung. Die Regelschaltung umfasst weiterhin einen Subtrahierer 73, in dem die gewünschte Packungsdichte b' mit der tatsächlichen Packungsdichte b des Puffers verglichen wird. Die Differenz (b' - b) zwischen den beiden Bitanzahlen stellt das Regelsignal dar, das in einem ersten Multiplizierer 74 mit einem Regelfaktor KP multipliziert wird und in einem zweiten Multiplizierer 75 mit einem Regelfaktor KI. Das Ausgangssignal des zweiten Multiplizierers 75 wird einem Integrator 76 zugeführt. Ein Addierer 77 addiert die Ausgangssignale des Multiplizierers 74 und des Integrators 76.
Die Elemente 74-77 der in Fig. 4 dargestellten Regelschaltung bilden einen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), der die Schrittgröße Q&sub1;, die dem Codierer 2 (siehe Fig. 1) zugeführt wird, regelt, ohne einen Rest in dem Regelsignal zu erzeugen. Die Regelfaktoren KP und KI können Konstanten sein. Ein MPEG-Codierer kann jedoch zum Beispiel als ein Prozess mit einer nicht-konstanten Verstärkung betrachtet werden. Die konstanten Faktoren KP und KI sind dann auf eine solche Weise zu bemessen, dass es selbst bei den kompliziertesten Signalen zu keinerlei Instabilität in dem Regelprozess kommt. Der Regelprozess ist unter allen Umständen stabil, wenn Schwankungen in der Verstärkung durch inverse Schwankungen in den Regelfaktoren kompensiert werden, mit anderen Worten, wenn das Produkt von Regelfaktor und Verstärkung konstant ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt, von denen Abwandlungen oder Verbesserungen abgeleitet werden können, ohne vom Um fang der Erfindung abzuweichen. Es ist zum Beispiel klar, dass diese Erfindung in jeder Art von Transcodierer benutzt werden kann, unabhängig von seiner Struktur oder den möglichen Vereinfachungen, die zum Beispiel durch Berücksichtigung der Tatsache in eine solche Struktur eingeführt werden können, dass einige der im Decodierteil benutzten Informationen in dem nachfolgenden Codierteil wiederverwendet werden können.
Es ist auch zu beachten, dass die Mittel zur Regelung der Bitrate eine allgemeinere Form haben können. Es ist zum Beispiel bekannt, dass in den meisten MPEG- Codierern die Schrittgröße nach einer Formel vom Typ Q' = f(A) · Q berechnet wird, wobei sich die Funktion f(A) auf die Aktivität der codierten Teilbilder bezieht, die üblicherweise vom Originalbild berechnet wird. In den Fällen, in denen keine Eingangsbilder zur Verfügung stehen (zum Beispiel bei Transcodierern mit Vereinfachungen, wie sie oben genannt wurden), ist jedoch eine derartige adaptive Quantisierung möglich, weil der Wert der Aktivität der Teilbilder von dem eintreffenden Bitstrom abgeleitet werden kann (mit Ausnahme eines Skalierfaktors). Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transcodiervorrichtung mit einer solchen Abwandlung. Am Ausgang der Demultiplex- Schaltung 211 erhält ein Speicher 151 mit einer Umwandlungstabelle für die Umwandlung von codierten Worten in die entsprechenden Schrittgrößen (wie zum Beispiel in der Norm MPEG-2 vorgesehen) das codierte Signal, das der Schrittgröße jedes Teilbildes entspricht. Das Ausgangssignal des Speichers 151, das proportional zu der Aktivität der codierten Teilbilder ist, wird in einem Multiplizierer 152 mit der Schrittgröße Q&sub1; multipliziert und dem Quantisierer 23 des Codierers 2 zugeführt. Die anderen Elemente von Fig. 5 haben die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 und auch die gleichen Funktionen.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Berechnungsschaltung abgebildet, in der jetzt berücksichtigt ist, dass die einzige Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Transcodierers in der Bitrate liegt. Der lokale Zielwert Tn kann dann folgendermaßen berechnet werden:
In dieser Formel (12) ist Rin die gesamte Anzahl Bits für das eintreffende Bild, Rout die entsprechende gesamte Anzahl Bits am Ausgang des Puffers 4 und S die Anzahl der Bits, die für die Komprimierung des eintreffenden Bildes aufgewendet wird, gegeben von dem eintreffenden Bitstrom. Die modifizierte Berechnungsschaltung 109 von Fig. 6 umfasst daher die gleichen Schaltungen 91 bis 93 wie in Fig. 3 und eine modifizierte Verteilungsschaltung 196, die das Ausgangssignal S vom Zähler 93, die Eingangsbitzahl Rin (Eingangssignal der Decodier-Baugruppe 201) und die Ausgangsbitzahl Rout (Ausgangssignal der Codier-Baugruppe 202) erhält und den lokalen Zielwert Tn erzeugt.

Claims

1. Vorrichtung zum Transcodieren codierter Videosignale, die einer Sequenz von in eine Vielzahl von Teilbildern unterteilten Bildern entsprechen, wobei die Vorrichtung folgende Elemente in Kaskadenschaltung umfasst:

- eine Decodier-Baugruppe (201) zum Decodieren der genannten codierten Signale, die zu jedem Bild in der Sequenz gehören;

- eine Codierteil-Baugruppe (202) zum erneuten Codieren der genannten decodierten Signale, mit einem Quantisierer (23) zum Quantisieren der decodierten Signale mit einer zugeführten Schrittgröße, einem Codierer (24) zum Codieren der quantisierten Signale, und Mitteln zum Regeln der Ausgangsbitrate des genannten Codierers durch Modifizierung der genannten Schrittgröße;

dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zum Regeln der Bitrate folgendes enthalten: eine Berechnungsschaltung (9), um auf der Basis eines quantisierungsabhängigen Bitstroms q&sub2; und einer entsprechenden Overhead-Information v&sub2;, die beide in der genannten Decodier-Baugruppe zur Verfügung stehen, einen lokalen Zielwert (Tn) für die Anzahl der Bits zum Codieren jedes der N Teilbilder jedes Bildes zu definieren; und eine Regelschaltung (7) zum Regeln der genannten Schrittgröße ebenfalls in Abhängigkeit von dem genannten berechneten lokalen Zielwert, wobei man den genannten lokalen Zielwert durch eine gleichmäßige Verteilung eines globalen Zielwertes T, der für jeden Bildtyp I, P, B definiert ist, auf alle Teilbilder des aktuellen Bildes erhält; und um der folgenden Formel zu entsprechen:

R = NI · TI + NP · TP + NB · TB,

wobei die genannten I-Bilder ohne Bezug auf andere Bilder codiert werden, die genannten P-Bilder mit Hilfe einer bewegungskompensierten Vorhersage von einem früheren I- oder P-Bild codiert werden, die genannten B-Bilder sowohl mit vergangenen als auch mit zukünftigen I- oder P-Bildern für die bewegungskompensierte Vorhersage codiert werden, und wobei R die gesamte Anzahl der für eine Bildgruppe mit NI Bildern des Typs I, NP Bildern des Typs P und NB Bildern des Typs B zur Verfügung stehenden Bits ist.

2. Transcodiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Berechnungsschaltung (9) folgendes umfasst:

- Zähler (92, 93) zum Zählen der lokalen Anzahl von Bits Bn, die für jedes der genannten N Teilbilder erzeugt werden, und der Gesamtzahl der Bits S = Σ Bn für ein vollständiges Bild;

- einen Multiplizierer (94) zum Multiplizieren dieser Gesamtzahl mit einer Quantisierungs-Schrittgröße Q&sub2;;

- eine Berechnungsschaltung (95) zum Empfangen des Ausgangssignals dieses Multiplizierers und eines zuvor gewählten Komplexitätswertes und zum Berechnen eines globalen Zielwertes T für die Anzahl der Bits zur Codierung des betreffenden vollständigen Bildes;

- eine Verteilungsschaltung (96) zum Verteilen des genannten globalen Zielwertes T auf die Teilbilder.

3. Transcodiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Berechnungsschaltung (9) folgendes umfasst:

- eine Schaltung (196) zum Definieren des genannten lokalen Zielwertes für die Teilbilder entsprechend der Formel Tn = S · Rout/Rin, wobei Rin und Rout die Gesamtzahl der Bits am Eingang bzw. am Ausgang der genannten Transcodiervorrichtung sind und S die genannte Gesamtzahl der Bits bezeichnet, die zum Komprimieren jedes eintreffenden Bildes aufgewendet werden.

4. Transcodiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die genannte Regelschaltung (7) folgendes umfasst:

- einen ersten Subtrahierer (71), der für jedes Teilbild die Differenz zwischen dem lokalen Zielwert Tn und einem gewünschten durchschnittlichen Zielwert Tav bestimmt;

- einen dritten Zähler (72) zum Kumulieren der erhaltenen Differenzen in der Form einer gewünschten Packungsdichte b' eines Ausgangspuffers der Codier- Baugruppe;

- einen zweiten Subtrahierer (73), in dem die genannte Packungsdichte mit der tatsächlichen Packungsdichte b des genannten Puffers zum Zuführen eines Regelsignals verglichen wird;

- zweite und dritte Multiplizierer (74, 75) zum Multiplizieren des genannten Ausgangs-Regelsignals des genannten zweiten Subtrahierers mit entsprechenden Regelfaktoren;

- einen Integrator (76) zum Integrieren des Ausgangssignals des genannten dritten Multiplizierers;

- einen Addierer (77) zum Addieren der Ausgangssignale des zweiten Multiplizierers und des Integrators.

5. Transcodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die genannten Mittel zum Regeln der Bitrate vor dem genannten Quantisierer (23) auch einen Speicher (151) zum Umwandeln des codierten Signals, das der Schrittgröße jedes Teilbildes entspricht, in den genannten Schrittgrößenwert, und einen vierten Multiplizierer (152) zum Multiplizieren des Ausgangssignals des genannten Speichers mit dem Ausgangssignal der genannten Regelschaltung (7) enthalten.

6. Transcodierverfahren, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.