DE69730419T2

DE69730419T2 - System zur Verteilung komprimierter Videosignale, mit statistischem Multiplexer mit Transkodierern

Info

Publication number: DE69730419T2
Application number: DE69730419T
Authority: DE
Inventors: A. Edward KRAUSE; Paul Shen
Original assignee: Imedia Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: CA2249606C; AU2453897A; CA2249606A1; US20010055336A1; EP0893027B1; WO1997039584A1; EP0893027A1; JP2000508855A; DE69730419D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verschlüsselung und Verteilung von komprimierten Videoprogrammen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Abänderung des Komprimierungsverhältnisses digital verschlüsselter Videosignale.
2. Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verschlüsselung und Verteilung komprimierter Videoprogramme. Sie ist besonders zur Verwendung mit einer Videokomprimierungstechnik geeignet, die als Verschlüsselung mit variabler Bitrate (VBR-Verschlüsselung) bekannt ist (vgl. EP-A-0 685 971). VBR-Verschlüsselung kann zur Beseitigung des hinlänglich bekannten Problems der meisten Videokomprimierungs-Codiereinrichtungen verwendet werden, bei denen die Bildqualität in Abhängigkeit von der Bildkomplexität zum Schwanken neigt. Typischerweise enthält ein Videoprogramm ja viele verschiedene Szenen. Vielen dieser Szenen fehlt es an Bewegung oder Detail, und sie sind daher leicht zu komprimieren, während viele andere Szenen komplexe Details enthalten, die i. A. schwieriger zu komprimieren sind, besonders wenn es eine komplexe oder willkürliche Bewegung gibt. Daher besteht die Tendenz, dass die wahrgenommene Qualität der dekomprimierten und rekonstruierten Bilder von einer Szene zur nächsten schwankt, außer die verfügbare Bandbreite ist sehr hoch. Dieses Problem wird schwerwiegender, wenn die verfügbare Bandbreite verringert wird, bis die Videoqualität schließlich inakzeptabel wird, oft lediglich wegen ein paar Problemszenen.
Die VBR-Verschlüsselung überwindet dieses Problem, indem sie den Szenen, die schwierig zu komprimieren sind, mehr Bits zuteilt und den Szenen, die leichter komprimiert werden, weniger Bits zuteilt. Auf diese Weise können die dekomprimierten und rekonstruierten Bilder mit konsistent gleichförmiger Qualität sichtbar gemacht werden und sind daher den rekonstruierten Bildern überlegen, die von einer Codiereinrichtung mit konstanter Bitrate (CBR-Codierer) abgeleitet sind, die auf dieselbe durchschnittliche Komprimierungsrate eingestellt ist. Infolgedessen ist es möglich, ein Videoprogramm unter Verwendung der VBR-Verschlüsselungstechnik effizienter zu komprimieren. Dies erhöht nicht nur die Anzahl und Vielfalt von Programmen oder Programmströmen, die über einen Kommunikationskanal mit einer gegebenen Kapazität geliefert werden können, sondern reduziert auch den Speicherplatzbedarf am Kopfende oder einem anderen Ort, wo die Programmbibliothek unterhalten wird.
Ein Nachteil der VBR-Verschlüsselungstechnik ist, dass sie den Umgang mit einem komprimierten Datenstrom und seine Aufbereitung schwierig macht. Insbesondere ist es schwierig, einen Kommunikationskanal mit fester Kapazität effizient zu nutzen, weil der Strom mit variabler Bitrate die Kapazität des Kanals zuweilen übersteigen kann, während er andere Male eventuell nur von einem Bruchteil der verfügbaren Kanalkapazität Gebrauch macht.
Eine bekannte Verfahrenstechnik, die zur Linderung dieses Problems eingesetzt wird, besteht darin, den komprimierten Bitstrom am Übertragungsende des Kommunikationskanals zu puffern, um den Strom mit variabler Bitrate in einen Strom mit konstanter Bitrate umzuwandeln. Bei dieser Verfahrenstechnik ist es auch notwendig, das am Empfangsende des Kanals empfangene Signal zu puffern, um den Strom mit variabler Rate wiederherzustellen, der für eine geeignete zeitliche Regulierung der rekonstruierten Videobilder notwendig ist. Leider wäre der erforderliche Pufferumfang für VBR-verschlüsselte Ströme unerschwinglich teuer und würde lange Verzögerungen in das Verteilsystem einbringen. Darüber hinaus legen existierende Videokomprimierungsstandards, wie z. B. die Normen der Expertengruppe für bewegte Bilder (MPEG), eine Zusammenstellung von Normen der Internationalen Organisation für Standardisierung/Internationalen elektrotechnischen Organisation (ISO/IEC), Beschränkungen beim benötigten Pufferumfang fest, um Decodiereinrichtungen in Übereinstimmung zu bringen. Daher ist es wichtig, dass die empfangenen Bitströme decodierbar sind, ohne diese Grenzen zu überschreiten. MPEG ist in den ISO/IEC-Publikationen 11172 bzw. 13818 dokumentiert, die als Standard MPEG-1 und MPEG-2 bekannt sind. Im nachfolgenden Gebrauch ist "MPEG" so zu verstehen, dass es entweder MPEG-1 oder MPEG-2 betrifft.
Ein Verfahren zum Senden eines VBR-Stroms über einen Kanal mit fester Kapazität ist die Umwandlung eines VBR-Stroms in einen CBR-Strom, wobei die CBR-Rate mindestens genauso hoch ist wie die maximale variable Rate. Abhängig von der Streuung der Datenrate kann dies zu einer sehr niedrigen Kanalauslastung führen. Eine Verfahrenstechnik, die zur Verringerung der Unwirtschaftlichkeit der Übertragung VBR-verschlüsselter (und nicht VBR-verschlüsselter) Programme über einen Kanal mit fester Kapazität verwendet werden kann, ist die Kombination einer Vielzahl von Programmströmen zu einem einzigen Multiplex. Es ist besser, mehrere VBR-Ströme zusammenzubündeln und dann das Multiplex auf eine konstante Datenrate umzusetzen, als jeden Einzelstrom einzeln auf eine konstante Datenrate umzusetzen. Obwohl jeder zusätzliche Programmstrom die Gesamtdatenrate des Bündels erhöht, neigt dabei die Streuung der durchschnittlichen Datenrate pro Strom dieses Bündels zu einer Abnahme ungefähr proportional zur Anzahl der Programmströme, wobei eine annähernde Statistikunabhängigkeit der Programme angenommen wird. Wenn daher die Kanaldatenrate erheblich größer ist als die Durchschnittsrate eines Einzelprogrammstroms, dann kann eine große Anzahl von Programmströmen kombiniert werden und damit die Kanalauslastung erheblich verbessert werden. Diese Verfahrenstechnik ist auf dem Fachgebiet als statistischer Multiplexbetrieb bekannt (vgl. EP-A-0 685 971).
Eine Methode, um sicherzustellen, dass beim Puffern kein Überlaufen des Puffers vorkommt, ist das Hinzufügen einer Rückkopplung zwischen dem Codiereinrichtungspuffer und der Codiereinrichtung (vgl. EP-A-0 680 221). Wenn der Puffer langsam voll wird, informiert ein von dem Puffer ausgehendes Signal "Puffer voll" die Codiereinrichtung, das Komprimierungsverhältnis zu erhöhen, damit der Puffer nicht überläuft. Wenn der Puffer mehr Platz hat, aktiviert das Rückkopplungssignal vom Puffer zur Codiereinrichtung die Codiereinrichtung, das Komprimierungsverhältnis zu verringern, um die Bildqualität zu maximieren. Eine derartige Rückkopplungstechnik ist besonders wirksam, wenn sie mit statistischem Multiplexbetrieb kombiniert ist. Es können einzelne Puffer am Ausgang jeder Codiereinrichtung vor den Eingängen in den Multiplexer vorgesehen sein, oder es kann ein einziger Puffer am Ausgang des Multiplexers vorgesehen sein. In jedem Fall wird ein Rückkopplungssignal zur Anzeige des Füllstands des einzigen Puffers oder des zusammengefassten Gesamtfüllstands der einzelnen Puffer als Eingangssignal an jede der Codiereinrichtungen geliefert. Durch Anpassen des Komprimierungsverhältnisses in Abhängigkeit von der durch die Vielzahl von Codiereinrichtungen erzeugten Gesamtdatenrate wird es möglich, Ausmaß und Häufigkeit der Komprimierungsverhältnis-Nachregelungen zu verringern.
Die Kombination aus Codiererpufferung und statistischem Multiplexbetrieb mehrfacher verschlüsselter Programmströme über Kanäle mit fester Kapazität kann wirkungsvoll sein, kann aber nicht immer angewendet werden. Es gibt gewisse Situationen, wo keine Rückkopplung zwischen dem/den Ausgangspuffer/n und den einzelnen Codiereinrichtungen möglich ist. Eine derartige Situation ergibt sich beim Multiplexen bereits verschlüsselter Datenströme. Eine andere kommt vor, wenn die Codiereinrichtungen in einem körperlich vom Multiplexer entfernten Bereich gelegen sind. Auf diese beiden Situationen wird hierin als Fernverschlüsselung Bezug genommen, was andeutet, dass Codieren und Multiplexen zu getrennten Zeiten oder an getrennten Orten ausgeführt werden, so dass keine Rückkopplung vom Multiplexer zu den Codiereinrichtungen der zu bündelnden Programmströme möglich ist.
Das Problem, die Datenrate verschlüsselter Programme an die maximale Datenrate eines Sendekanals anzupassen, ist nicht auf den statistischen Multiplexbetrieb mehrfacher VBR-verschlüsselter Programme beschränkt. Beispielsweise kann anfänglich ein einziges Programm mit einer ersten konstanten Datenrate (CBR) zur Verteilung über einen Kanal mit fester Bandbreite verschlüsselt werden. Wenn das komprimierte Programm an einem bestimmten Ort empfangen und nachfolgend über einen zweiten Kanal mit fester Bandbreite neu verteilt werden soll, wobei die Bandbreite des zweiten Kanals geringer ist als diejenige des ersten, dann wird die Datenrate des komprimierten Programms verringert werden müssen. Dies ist notwendig, um eine Überschreitung der zweiten konstanten Datenrate zu vermeiden, die der Bandbreite des zweiten Kanals entspricht. Für diesen Zweck ist die Verwendung von Transcodierern bekannt, wie sie in der WO-A-95/29561, EP-A-0 637 893, EP-A-0 682 454, EP-A-0 690 392 offenbart sind.
WESEN DER ERFINDUNG
Aus dem Vorstehenden kann nachvollzogen werden, dass es wünschenswert ist, ein Funktionssystem zur möglichst engen Anpassung der Datenrate verschlüsselter Videoprogramme an eine maximale Datenrate eines nachfolgenden Sendekanals bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung stellt ein System vor, wie in Anspruch 1 definiert, das ein Kopfende-Verteilsystem für komprimierte Videosignale bereitstellt, wobei gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die einem oder mehr, z. B. CBR- oder VBR-Datenströmen entsprechende Datenrate verringert wird, um ein Überschreiten der maximalen Datenrate eines nachfolgenden Kanals mit fester Bandbreite zu vermeiden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die einem oder mehr, z. B. CBR- oder VBR-Datenströmen entsprechende Datenrate so eingestellt, dass sie eine konstante Bildqualität liefert, wobei das Qualitätsniveau so festgelegt sein kann, dass die Anforderungen einer bestimmten Anwendung erfüllt werden.
In dem System gemäß Anspruch 1 wird ein komprimiertes Videoprogramm mit einer ersten Datenrate zur Anpassung an eine Kanalbandbreite in eine zweite Datenrate übersetzt. Ein erstes Funktionssystem mit unabhängigen Komponenten zum Variieren des Komprimierungsverhältnisses des digital verschlüsselten Videoprogramms kann von unabhängigen Decodierer- und Codiererkomponenten Gebrauch machen: Das empfangene Videoprogramm mit der ersten Datenrate wird durch eine unabhängige Decodiereinrichtung für komprimierte Videosignale verarbeitet, wobei das komprimierte Videoprogramm entschlüsselt wird. Das entschlüsselte Programm wird dann von einer nachfolgenden unabhängigen Videocodiereinrichtung verschlüsselt, wobei das Komprimierungsverhältnis in Übereinstimmung mit der gewünschten Ausgabedatengeschwindigkeit eingestellt ist.
Das unabhängige Decodiereinrichtung/Codiereinrichtung-Wiedercodierersystem, das ein unabhängiges Ent- und Verschlüsseln anwendet, ist zwar wirkungsvoll, aber eine wenig elegante, teure Lösung für das Verändern des Komprimierungsverhältnisses eines komprimierten Videoprogramms. In Übereinstimmung mit zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Erfindung stellen beispielhafte Wiedercodierersysteme, die zur Verwendung mit den MPEG-Komprimierungsstandards beschrieben sind, sukzessive Verbesserungen am Wiedercodierersystem mit entkoppelten Komponenten vor. Gemäß einem ersten verbesserten Aspekt wird erkannt, dass Dateikopfinformationen und Bewegungsvektoren in dem wiederkomprimierten Videoprogramm mit den mit der ersten Komprimierungsrate empfangenen Dateikopfinformationen und Bewegungsvektoren identisch sein können. In so einem Fall sollen die Dateikopfinformationen und Bewegungsvektoren ja statische Informationen sein, Informationen, die sich während des Wiederverschlüsselungsprozesses nicht ändern. Demzufolge wird ein Dateikopf-Übermittlungsweg eingeführt, der die Decodierer- und Codiererteile des Wiedercodierersystems während der Komprimierung verbindet. Dies reduziert die erforderliche Datenverarbeitung durch den Codiererteil des Systems und eliminiert die Dateikopf-Rechenschaltung aus der Codiereinrichtung. Es wird eine Logik eingeführt zum Erkennen der Dateikopfinformation an der Decodiereinrichtung und Weiterleiten derselben zur Codiereinrichtung und mit einer zusätzlichen Logik zum Wiedereinsetzen der Dateikopfinformation in den abgehenden komprimierten Bitstrom.
Ein bedeutsamer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine zur Verwendung mit MPEG-Komprimierungstechniken geeignete Decodierer/Codierer-Kombination, die geeignet ist, nur einen einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleicher zu verwenden. Ein bedeutsamer Teil der mit dem unabhängigen Decodierer/Codierer-Verfahren verbundenen Kosten betrifft die Speicherkomponenten, die separate Bewegungsausgleicher für jede Stufe benötigen. Das verbesserte Wiedercodierersystem verwendet einen gemeinsamen Bewegungsausgleicher in einer fest verbundenen Anordnung, die auf eine Art und Weise arbeitet, dass sowohl die Entschlüsselungsfunktion als auch die Wiederverschlüsselungsfunktion des Wiedercodierersystems angemessen unterstützt werden, während die für einen zweiten Bewegungsausgleicher erforderliche Ausgabe und Hardware gestrichen werden.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt wird ein Wiedercodierersystem gelehrt, das einen gemeinsamen Bewegungsausgleicher verwendet, wobei die Prophetensubtraktion im DCT-Bereich ausgeführt wird. Bei der MPEG-Realisierung dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine inverse diskrete Cosinustransformationseinheit (IDCT-Einheit) aus dem Verbundsystem gestrichen, wodurch wiederum die Kosten und Komplexität des Wiedercodierersystems verringert werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann das den gemeinsamen Bewegungsausgleicher verwendende Verbund-Wiedercodierersystem auf eine Art und Weise realisiert sein, dass es eine konstante Bildqualität sicherstellt, indem es das Komprimierungsverhältnis in Übereinstimmung mit bestimmten Eigenschaften eines Stroms beim Wiederkomprimieren verändert. Dies kann durch Spezifizieren einer vorgeschriebenen Wunschqualität und Einstellen eines Parameters an dem zur Wiederkomprimierung der verschlüsselten Videodaten verwendeten Quantifizierer erfolgen.
Die vorliegende Erfindung wird verwirklicht durch einen statistischen Multiplexer, der von mehreren der Verbund-Wiedercodiereinrichtungen der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht. Der statistische Multiplexer empfängt zahlreiche komprimierte Datenströme mit einer ersten Datenrate und verbindet sie zu einem Datenstrombündel. Das Statistikmultiplexersystem kann die Komprimierungsverhältnisse der Ausgangssignale der Wiedercodiereinrichtungen durch Messen einer Puffertiefe in Verbindung mit dem erzeugten Datenstrombündel abändern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Systemarchitektur für eine Erde/Satellit-Übertragungsstation und Kabelverteilung eingeführt, in der ein Kopfende die statistischen Multiplexverfahrenstechniken anwendet, die das Verbund-Wiedercodierersystem der vorliegenden Erfindung einbinden. Mit einem derartigen System könnten ausgewählte Bestandteile von einem oder mehr Statistikmultiplexern der von der Satellit/Erde-Übertragungsstation empfangenen, komprimierten Videosignale wieder zu unterschiedlichen statistischen Multiplexkombinationen verbunden und über ein Kabelsystem verteilt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung sichtbar werden, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines Wiedercodierersystems für komprimierte Videosignale darstellt, das unabhängige Decodiereinrichtungs- und Codiereinrichtungselemente verwendet.
2 ein Wiedercodierersystem für komprimierte Videosignale darstellt, in dem die Dateikopf- und Unterdateikopf- bzw. Header- und Subheader-Informationsübermittlung zwischen einem Decodiererteil und einem Codiererteil realisiert ist.
3 ein Flussdiagramm der Logik darstellt, die für die Erfassung und Übermittlung der Header- und Subheader-Informationen in Übereinstimmung mit dem Wiedercodierersystem gemäß 2 verantwortlich ist.
4 ein Flussdiagramm der Logik zum Einfügen übermittelter Header- und Subheader-Informationen in einen Ausgangsdatenstrom für komprimierte Videosignale darstellt.
5 ein Blockdiagramm eines Teils einer Bewegungsausgleicherschaltung für komprimierte Videosignale darstellt, die die Überlagerungen der darin integrierten Rahmen- bzw. Framespeicher aufzeigt.
6 ein Wiedercodierersystem für komprimierte Videoprogramme darstellt, das sowohl die Header-/Subheader-Übermittlung als auch eine gemeinsame Bewegungsausgleicherarchitektur zur Verwendung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert.
7 ein alternatives Wiedercodierersystem darstellt, das die Header-/Subheader-Übermittlung und eine gemeinsame Bewegungsausgleicherarchitektur realisiert.
8 ein Blockdiagramm eines Quantifizierers zur Verwendung in dem Wiedercodierersystem der vorliegenden Erfindung zur Steuerung des Komprimierungsverhältnisses eines Ausgangsdatenstroms für komprimierte Videosignale darstellt.
9 ein Statistikmultiplexersystem darstellt, das Wiedercodierersysteme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einsetzt.
10 eine Systemarchitektur für ein Verteilsystem für komprimierte Videosignale darstellt, einschließlich eines Erde/Satellit-Übertragungssystems (Uplinksystem) und eines Kabelverteilsystem-Kopfendes, worin das Wiedercodierersystem der vorliegenden Erfindung integriert sein kann.
11A–11D zur Darstellung eines Beweises dafür verwendet werden, dass der einzige gemeinsame Bewegungsausgleicher der vorliegenden Erfindung mehrfache Bewegungsausgleicher aus anderen Konfigurationen ersetzen kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Modifizieren des Komprimierungsverhältnisses digital verschlüsselter Videoprogramme in einem Verteilsystem für komprimierte Videosignale offenbart. Obwohl die vorliegende Erfindung überwiegend bezogen auf Komprimierungstechniken für Videoinformationen beschrieben wird, die in Übereinstimmung mit dem MPEG-Standard verschlüsselt sind, sind die Konzepte und Methoden weit genug gefasst, um auch Videokomprimierungssysteme zu umfassen, die andere Verfahrenstechniken verwenden. Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf mit konstanter Bitrate (CBR) als auch mit variable Bitrate (VBR) verschlüsselte Datenströme anwendbar. Durch die ganze detaillierte Beschreibung hindurch werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, wie z. B. Quantifizierungsstufen und Frame-Arten etc., um für ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Dem Fachmann wird jedoch verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind wohlbekannte Steuerstrukturen und Codierer-/Decodiererschaltungskomponenten nicht im Detail gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht zu verschleiern.
In vielen Fällen sind die innerhalb der vorliegenden Erfindung eingesetzten Bestandteile auf einem baulichen, funktionellen Niveau beschrieben. Viele der Elemente sind hinlänglich bekannte Strukturen, besonders jene, die als mit MPEG-Komprimierungstechniken in Verbindung stehend gekennzeichnet sind. Außerdem werden für die in das System der vorliegenden Erfindung einzuschließende Logik Flussdiagramme auf eine solche Art und Weise verwendet, dass der Durchschnittsfachmann in der Lage sein wird, die speziellen Verfahren ohne übermäßiges Experimentieren umzusetzen. Es sollte ferner verständlich sein, dass die Verfahrenstechniken der vorliegenden Erfindung unter Verwendung zahlreicher Technologien realisiert werden können. Beispielsweise könnte das gesamte System in auf einem Computersystem laufender Software implementiert sein oder entweder über einen besonders ausgelegten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder programmierbare Logikvorrichtungen in der Hardware implementiert sein. Dem Fachmann auf diesem Gebiet wird verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Implementierungstechnik beschränkt ist, und nach der Beschreibung der durch solche Komponenten auszuführenden Funktionalität werden normale Fachleute in der Lage sein, die Erfindung ohne unangemessenes Experimentieren mit verschiedenen Technologien zu realisieren.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, wo ein Wiedercodierersystem gezeigt ist, das ein Verfahren zum Abändern der Datenrate eines verschlüsselten Videoprogrammstroms von einer ersten Rate auf eine zweite Rate in Übereinstimmung mit dem ersten bzw. zweiten Komprimierungsverhältnis mit einer unabhängigen Decodier-/Codiereinrichtung realisiert. Dabei wird ein komprimiertes Videoprogramm durch Koppeln einer Decodiereinrichtung 110 an eine Codiereinrichtung 150 wiederverschlüsselt. Das heißt, das zusammengesetzte Wiedercodierersystem entschlüsselt zuerst das zuvor verschlüsselte Videoprogramm und verschlüsselt es dann unter Verwendung eines anderen Komprimierungsverhältnisses noch einmal. In den meisten Fällen wird das andere Komprimierungsverhältnis höher sein, aber in einer alternativen Ausführungsform kann ein niedrigeres Komprimierungsverhältnis verwendet werden. In dem System gemäß 1 sind sowohl die Decodiereinrichtung 110 als auch die Codiereinrichtung 150 mit den Standards der MPEG-Spezifikationen kompatibel. Die Decodiereinrichtung 110 benutzt zuerst einen Inversionscodierer für variable Längen (IVLC) 112, um verschieden lange Codewörter in quantifizierte DCT-Koeffizienten zu übersetzen. Die quantifizierten DCT-Koeffizienten werden dann von einem Inversionsquantifizierer (IQ,) 114 und einem inversen diskreten Cosinustransformator (IDCT) 116 verarbeitet, um die Vorhersagefehler entsprechend jedem Bildpunkt aufzuarbeiten. Der abschließende Decodierungsschritt besteht darin, durch Summieren der durch eine Bewegungsausgleichereinheit (MC) 118 gelieferten Vorhersagefehler an einem Addierwerk 117 und der Bildpunktvorhersagen eine Annäherung der ursprünglichen Bildpunkte zu rekonstruieren.
Sobald der Datenstrom entschlüsselt und die Bildpunkte rekonstruiert sind, kann die Bildsequenz unter Verwendung eines anderen Komprimierungsverhältnisses noch einmal komprimiert werden. Der erste Schritt in dem Verschlüsselungsprozess besteht darin, an einem Subtrahierwerk 151 die Bildpunktvorhersagen zu subtrahieren, die durch eine zweite Bewegungsausgleichereinheit (MC) 152 aus den rekonstruierten Bildpunkten geliefert werden, um ein Vorhersagefehlersignal zu erhalten. Dieses Signal wird dann von einer diskreten Cosinustransformationseinheit (DCT) 154 zu einer Folge von DCT-Koeffizienten umgeformt, diese Koeffizienten werden dann durch eine Quantifizierereinheit (Q₂) 156 quantifiziert, und schließlich werden den quantifizierten DCT-Koeffizienten von dem Variable-Längen-Codierer (VLC) 158 Codewörter mit variabler Länge zugeordnet. Zusätzliche Codiererverarbeitungseinheiten, bestehend aus einem Inversionsquantifizierer (IQ₂) 160, einer inversen diskreten Cosinustransformationseinheit (IDCT) 162 und dem Bewegungsausgleicher (MC) 152, werden zum Duplizieren des Decodierprozesses benötigt, wodurch sichergestellt wird, dass von dieser Codiereinrichtung 150 und allen nachfolgenden Decodiereinrichtungen dieselben Bildpunktvorhersagen erzeugt werden, wie in der oben genannten ISO/IEC-Publikation 13818-2 erwähnt. Es wird verständlich sein, dass diese Architektur zur Aufrechterhaltung der Synchronisierung zwischen MPEG-Codiereinrichtungen und -Decodiereinrichtungen notwendig ist. In der mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform sollte erkannt werden, dass der Quantifizierer eine Kombination aus einem Quantifizierer und einem Skalierer ist. Das heißt, die DCT-Koeffizienten werden zuerst quantifiziert und dann die quantifizierten Ergebnisse durch Teilen durch die Größe des Quantifizierungsschritts normalisiert. Ähnlich kehren die Inversionsquantifizierer die Normalisierung durch Multiplizieren der quantifizierten und skalierten Koeffizienten mit derselben Quantifizierungsschrittgröße um.
Das Komprimierungsverhältnis für die Codiereinrichtung 150 wird durch den Quantifizierer (Q₂) 156 und den VLC 158 bestimmt. Die Leistung des VLC 158 wird durch die Amplitude und Charakteristik der quantifizierten DCT-Koeffizienten bestimmt und da die den VLC spezifizierenden Tabellen i. A. fest sind, kann der VLC nicht zur Abänderung der Komprimierungsrate verwendet werden. Stattdessen wird die Genauigkeit des Quantifizierers abgeändert, entweder durch Erhöhen der Genauigkeit, um die Koeffizientenamplitude und damit die Datenrate zu erhöhen, oder durch Herabsetzen der Genauigkeit, um die Koeffizientenamplitude und damit die Datenrate herabzusetzen. Auf diese Weise kann die Datenrate am Ausgang der Codiereinrichtung 150 durch Einstellen der Quantifizierungsgenauigkeit von Q₂ 156 niedriger gemacht werden als die Datenrate am Eingang der Decodiereinrichtung 110.
Nachteile des Wiedercodierersystems gemäß 1 sind dessen Komplexität und Kosten. Obwohl Decodiereinrichtungen immer besser integrierbar und vergleichsweise preiswerter werden, bleiben Codiereinrichtungen weiterhin komplex und kostspielig, nicht nur aufgrund kleinerer Produktionsmengen, sondern auch wegen der Rechenkomplexität des Bewegungsauswertungsprozesses und des Bedarfs an komplexen Algorithmen zur Bestimmung des besten Verschlüsselungsverfahrens, das in verschiedenen Phasen der Implementierung zu verwenden ist. Diese Schritte sind in den entsprechenden Decodiereinrichtungen nicht erforderlich.
Ein Verfahren zur Reduzierung der Kosten des Wiedercodierersystems gemäß 1 ist die Verwendung eines Teils derselben Informationen, die während des ursprünglichen Codiervorgangs abgeleitet wurden. Aus dem komprimierten Datenstrom können Informationen extrahiert werden, die die Bewegungsvektoren und die während des ursprünglichen Codiervorgangs getroffenen Entscheidungen spezifizieren. Beispielsweise können während des Verschlüsselungsschritts gemäß 1 dieselben Bewegungsvektoren verwendet werden und dadurch den Bedarf für einen anderen Bewegungsauswertungsschritt beseitigen. Dieselben Bewegungsvektoren, wie sie in dem ursprünglichen Datenstrom enthalten sind, können von dem in der Codiereinrichtung 150 gemäß 1 gezeigten Bewegungsausgleicher (MG) 152 verwendet werden. Daneben können bestimmte Codierungsentscheidungen, wie z. B. die Wahl betreffend Zwischencodierung, Vorwärtsvorhersage, Rückwärtsvorhersage, Zweirichtungsvorhersage, kein Bewegungsausgleich und Gebiets- oder Framecodierung, während der Verschlüsselungsphase der Wiedercodiereinrichtung alle weggelassen und stattdessen in Übereinstimmung mit den während des ursprünglichen Codiervorgangs ausgewählten Modi durchgeführt werden. Informationen, die die Bewegungsvektoren und die während des ursprünglichen Codiervorgangs getroffenen Entscheidungen spezifizieren, können aus dem komprimierten Datenstrom extrahiert werden.
Die Verschlüsselungsphase der Wiedercodiereinrichtung kann ferner durch Auslassen des Schritts Verschlüsseln der höheren Formatierungsdaten vereinfacht werden. Zum Beispiel spezifizieren die MPEG-Standards eine Hierarchie von Dateikopf- und Dateikopferweiterungsschichten, die jeweils aus einem einzigartigen Startcode bestehen, gefolgt von einer Reihe von Codewörtern mit fester Länge und/oder variabler Länge. Diese sog. Header und Headererweiterungen gehen jedem Bilddatenrahmen voran und liefern Informationen, die zur ordnungsgemäßen Decodierung der Bilddaten benötigt werden. Im Allgemeinen bräuchten diese Header und Headererweiterungen während des Wiederverschlüsselungsprozesses nicht modifiziert werden. Im Fall von MPEG ist eine Ausnahme ein Codewort in jedem Bilddateikopf, das zuweilen von Decodiereinrichtungen verwendet wird, um eine ordnungsgemäße Synchronisierung ihrer entsprechenden Kanalpuffer aufrechtzuerhalten. Da der Wiederverschlüsselungsprozess die Anzahl der Bits ändern kann, die zur Darstellung jedes Frames verwendet werden, muss dieses Codewort angepasst werden, um zu gewährleisten, dass der Ausgangsbitstrom den MPEG-Standard weiterhin ganz erfüllt. Bei Verwendung der VBR-Verschlüsselung wird dieses Codewort jedoch nicht benötigt und bleibt gleich, und in diesem Fall ist keine Anpassung des Dateikopfes und der Dateikopferweiterungen notwendig. Mehr Informationen zu MPEG-Dateiköpfen (MPEG-Header) sind in Paragraph 6.2 der ISO/IEC-Spezifikation 13818-2 zu finden.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, wo ein Wiedercodierersystem dargestellt ist, in das der Aspekt Übermitteln des Dateikopfes, des sog. Headers (statische Information), der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist. Das in 2 gezeigte Wiedercodierersystem enthält einen Header-Übermittlungsweg oder Bus 230 zur Weiterleitung einer Kopie der Header- und Headererweiterungsschichten von der Eingangsseite des Decodiererteils 210 zur Ausgangsseite des Codiererteils 250. Für Hardware-Implementierungen kann entweder ein serieller oder ein paralleler Datenweg in Kombination mit einer Verzögerungsvorrichtung verwendet werden, wie z. B. ein sog. First-In-First-Out-(FIFO-)Speicher, bei dem zuerst eingegangene Daten auch zuerst weitergeleitet werden. Die FIFO-Methode kann zum Ausgleich der Verarbeitungsverzögerung zwischen der Decodiereinrichtung 210 und der Codiereinrichtung 250 verwendet werden.
Der Inversionscodierer für variable Längen (IVLC) 212 erfasst diese Header-Schichten und leitet sie auf den Übermittlungsweg 230. Am Ausgang setzt der Variable-Längen-Codierer (VLC) 258 die vorverschlüsselte Header-Information zur richtigen Zeit in den Ausgabestrom ein.
Ein Flussdiagramm, das die Funktionen beschreibt, die die in den IVLC 212 zu integrierende Logik ausführen soll, ist in 3 als IVLC-Header-Übermittlungsprozedur 300 gezeigt. In dem MPEG-Beispiel wird das Ende der Header- und Erweiterungsschichten und der Anfang der verschlüsselten Bilddaten durch die Erfassung des ersten Teil-Headers signalisiert. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden alle Daten anfangs zum Header-Übermittlungsweg 230 geleitet, bis in Schritt 320 der dem ersten Teil-Header entsprechende Startcode erfasst wird. Der modifizierte IVLC 212 fügt dann in Schritt 340 einen einzigartigen 'Endmarken'-Code in den übermittelten Strom ein, so dass diese Stelle von der empfangenden VLC-Einheit 258 leicht zu ermitteln ist. Diese einzigartige Endmarke kann als einer der reservierten Startcodes gewählt werden, die nicht von einem der MPEG-Standards verwendet werden. Alle nachfolgenden Daten werden dann von dem Decodiererteil 210 intern verarbeitet und bis zur Erfassung des nächsten Startcodes, der nicht Teil eines Teil-Headers ist, nicht auf den Header-Übermittlungsweg 230 kopiert. Ein derartiger Startcode wird nicht erfasst werden, bis sämtliche Bilddaten empfangen worden sind.
Ein Flussdiagramm, das die Funktionen beschreibt, die von der in die entsprechende VLC-Einheit 258 integrierten Logik ausgeführt werden sollen, ist in 4 als VLC-Header-Einfügungsprozedur 400 gezeigt. Der VLC 258 kopiert in Schritt 430 alle Daten vom Header-Übermittlungsweg 230 zum Ausgabestrom, bis am Auswahlblock 420 eine Endmarke erfasst wird. Die Endmarke wird dann abgelegt, und der VLC 258 beginnt in Schritt 440, Daten von dem Primärstrom zu empfangen. Der VLC 258 arbeitet konventionell weiter, bis das gesamte Bild verarbeitet ist. Nachdem das Bild abgeschlossen ist, beginnt der VLC 258 in Schritt 410 dann wieder, Daten von dem Header-Übermittlungsweg 230 anzunehmen, bis wieder eine Endmarke am Auswahlblock 420 erfasst wird.
Obwohl die mit Bezug auf 3 und 4 beschriebene Funktionalität als Logik beschrieben ist, die von der in den IVLC 212 bzw. VLC 258 integrierten Schaltung durchgeführt werden soll, wird von einem Durchschnittsfachmann erkannt werden, dass auch alternative Ausführungsformen realisiert werden können. Beispielsweise kann statt der Aufnahme der Logik zur Durchführung der Funktionalität innerhalb der IVLC- und VLC-Einheit auch eine Header-Erfassungs- und -Weiterleitungslogik vor dem IVLC am Datenempfangspunkt für den Decodiererteil 210 integriert sein. Ähnlich kann die Header-Empfangs- und -Einfügungslogik zum Einfügen der Header-Informationen in den Ausgabedatenstrom aus dem Codiererteil 250 des zusammengesetzten Wiedercodierersystems gemäß 2 auch außerhalb der VLC-Einheit eingebaut sein. In einer anderen alternativen Ausführungsform kann statt der Aufnahme der Header-Empfangs- und -Einfügungslogik eine Verzögerungsleitung in den Header-Übermittlungsweg 230 integriert sein, so dass die übermittelten Header-Informationen zeitlich so bestimmt sind, dass sie empfangen und in den Ausgabestrom eingefügt werden, wenn sie zur Ausgabe aus dem Wiedercodierersystem benötigt werden.
Ein erheblicher Teil der Kosten des in 2 gezeigten Wiedercodierersystems ist auf die mit jedem der zwei Bewegungsausgleicher 118 und 152 verbundenen Speicherkomponenten zurückzuführen. Jeder Bewegungsausgleicher muss zumindest einen Speicherrahmen enthalten, wenn B-Frames nicht unterstützt werden, und zwei Speicherrahmen, wenn B-Frames unterstützt werden.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines B-Frames unterstützenden Bewegungsausgleichers 500 ist in 5 gezeigt. Die Sequentialisierung der Steuersignale, bestehend aus einem Schreib/Lese-Selektor (WR1) für Framespeicher 1 (505), einem Schreib/Lese-Selektor (WR2) für Framespeicher 2 (510) und Multiplexerselektorsignalen (SLCT_A, SLCT_B und SLCT_C), ist in Tabelle 1 unten aufgezeigt:
Tabelle I: Bewegungsausgleicher-Steuersignale
Frames, die zur Vorhersage anderer Frames benötigt werden, müssen in einem der beiden Framespeicher gespeichert sein. Diese Frames sind die I- und P-Frames, da B-Frames nie zur Vorhersage verwendet werden. Daher werden nur die I- und P-Frames vom 'Schreibdaten'-Anschluss zu einem der beiden Framespeicher übertragen. Wenn der erste der beiden Framespeicher zum Speichern eines speziellen I- oder P-Frames ausgewählt wird, dann wird der zweite Framespeicher zum Speichern des nächsten I- oder P-Frames ausgewählt, und die Selektion geht dann für jeden folgenden I- oder P-Frame danach weiter hin und her. Jeder ankommende Bildpunkt wird in dem ausgewählten Framespeicher auf den Platz geschrieben, der von dem Schreibadressengenerator 520 angegeben wird. In diesem Fall ist die Adressierfolge fest und mit der Reihenfolge synchronisiert, in der die Bildpunkte am Schreibdatenanschluss empfangen werden.
Während des Datenlesevorgangs aus den Framespeichern wird ein Bewegungsausgleich durchgeführt. Beim Verarbeiten eines I-Frames ist keine Vorhersage notwendig, und die Ausgabe vom Lesedatenanschluss des Bewegungsausgleichers wird abgelegt. Wenn P-Frames empfangen werden, wird eine Vorwärtsvorhersage unter Verwendung des Framespeichers durchgeführt, der den I- oder P-Frame enthält, der dem aktuellen Frame vorangeht. Dieser Framespeicher wird vom ersten der beiden Leseadressengeneratoren 530 unter Verwendung der aus dem empfangenen Bitstrom entschlüsselten Bewegungsvektoren adressiert. Dies geschieht in derselben Zeit, in der der ankommende P-Frame unter der Steuerung des Schreibadressengenerators 520 in den anderen Framespeicher geschrieben wird.
Wenn ein B-Frame empfangen wird, werden zwei Frames zum Erzeugen einer Zweirichtungsvorhersage benötigt. In diesem Fall wird der den vorangehenden I- oder P-Frame enthaltende Framespeicher von dem ersten Leseadressengenerator 530 adressiert und der den folgenden I- oder P-Frame enthaltende Framespeicher von dem zweiten Leseadressengenerator 540 adressiert. Der Schreibadressengenerator 520 wird nicht für B-Frames verwendet, weil B-Frames nicht zur Vorhersage verwendet werden und daher nicht gespeichert werden brauchen.
Die während der B-Frames verwendeten Vorhersagen sind am häufigsten bidirektionaler Art. Dabei muss die Vorwärtsvorhersage, die aus dem vom ersten Leseadressengenerator 530 adressierten Framespeicher abgeleitet wird, mit der Rückwärtsvorhersage, die aus dem anderen, vom zweiten Leseadressengenerator 540 adressierten Framespeicher abgeleitet wird, gemittelt werden. Die Steuersignale SLCT_A und SLCT_B wählen dann die Vorwärts- bzw. Rückwärtsvorhersage aus, so dass sie vom Ausgabe-Addierwerk 550 gemittelt werden können.
Das Wiedercodierersystem gemäß 2 kann unter Verwendung lediglich eines einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleichers anstelle von zwei unabhängigen Bewegungsausgleichern konstruiert werden. Die in 6 gezeigte Wiedercodiereinrichtung, bei der nur ein einziger Bewegungsausgleicher 630 verwendet wird, ist als Ersatz für das Wiedercodierersystem gemäß 2 funktionskompatibel. Ein Beweis, der diese neuartige und nicht naheliegende Austauschbarkeit stützt, wird am Ende dieser detaillierten Beschreibung geliefert.
In 6 gibt ein einziger gemeinsamer Bewegungsausgleicher 630 die Differenz zwischen den einzelnen Vorhersagen aus, die von der Decodierer- bzw. Codierereinheit des in 2 gezeigten Wiedercodierersystems geliefert werden. Auf diese Weise werden jegliche Fehler, die auf die Differenz zwischen der ursprünglichen Quantifizierung und der vom Quantifizierer Q₂ 656 durchgeführten Quantifizierung zurückzuführen sind, in allen künftigen Frames ausgeglichen, die entweder direkt oder indirekt von der Information in dem aktuellen Frame abgeleitet werden.
Das in 6 gezeigte Wiedercodierersystem mit gemeinsamem Bewegungsausgleicher kann weiter vereinfacht werden, aber nicht ohne für manche Implementierungen einen bedeutenden Vorteil zu opfern, dahingehend dass die resultierende Wiedercodiereinrichtung nicht länger als Adaptierung einer vorhandenen Decodiererarchitektur verwirklicht werden könnte. Der komplizierteste Teil dieser Struktur ist einer Grund-Decodiereinrichtung ähnlich. Dies bedeutet, dass eine Decodiereinrichtung durch Hinzufügen eines DCT, IDCT, Quantifizierers, Inversionsquantifizierers und VLC entweder in derselben IC-Vorrichtung oder in einem oder mehr externen Geräten an diese Anwendungsform angepasst werden kann. Idealerweise würde die Decodiereinrichtung so modifiziert, dass sie einen Header-Übermittlungsstrom direkt an die VLC-Einheit ausgibt. Die Decodiereinrichtung könnte auch so modifiziert werden, dass sie ihre Eingabe in den Bewegungsausgleicher von einem externen Subtrahierwerk annimmt, aber dies ist nicht wesentlich, weil das Subtrahierwerk seine Ausgabe direkt in den Framespeicher des Bewegungsausgleichers schreiben könnte. Es sei daran erinnert, dass nur die I- oder P-Frames an dem Bewegungsausgleicher gespeichert werden brauchen, und während dieser Frames wird nur einer der beiden Framespeicher zur Vorhersage verwendet und lässt somit den zweiten Framespeicher zur Annahme des neuen Frames verfügbar. Selbst in hochintegrierten Implementierungen sind die Framespeicher i. A. separaten IC-Packungen zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass als Alternative zur Durchführung der Subtraktion vor dem Bewegungsausgleicher 630 die Subtraktion vor dem IDCT 162 durchgeführt werden kann. Dieser Fall ist durch die gestrichelte Linie in 6 dargestellt.
Ein alternatives gemeinsames Bewegungsausgleicher-Wiedercodierersystem 700 ist in 7 dargestellt. Das Wiedercodierersystem 700 wurde durch Ausführen der Vorhersagesubtraktion im DCT-Bereich anstatt im Bildpunktbereich weiter modifiziert. Diese Struktur ist von der Implementierung der Wiedercodiereinrichtung gemäß 6 abgeleitet. Wie in der vorausgehenden Implementierung werden die Bildpunktfehler in den Framespeichern des Bewegungsausgleichers gespeichert, obwohl in diesem Fall nur ein IDCT 762 anstatt zwei erforderlich ist.
Das in 7 gezeigte gemeinsame Bewegungsausgleicher-Wiedercodierersystem 700 veranschaulicht, dass der Quantifizierer Q₂ 756 einen externen Qualitätsstufenparameter zur Steuerung der Genauigkeit des Videosignals nach der Rekonstruktion annehmen kann. In einer Implementierung wird der Requantifizierungsprozess der rekonstruierten DCT-Koeffizienten basierend auf einem konstanten Bildqualitätskriterium durchgeführt, und in diesem Fall bleibt der Qualitätsstufenparameter während des gesamten Wiederverschlüsselungsprozesses fest oder ändert sich nur leicht. Bei manchen Anwendungen ist es jedoch wichtiger, dass die Ausgabedatengeschwindigkeit konstant bleibt. In solchen Fällen kann der Qualitätsstufenparameter nach Bedarf eingestellt werden, um sicherzustellen, dass diese Ausgabedatengeschwindigkeit beibehalten wird. Wie nachstehend mit Bezug auf 8 beschrieben wird, beeinflusst der Qualitätsstufenparameter die resultierende wahrgenommene Bildqualität, welcher der Art nach subjektiv ist, aber wohl keine Eins-zu-eins-Übereinstimmung mit der resultierenden Genauigkeit der Wiedergabe aufweist.
Ein Verfahren zur Implementierung eines Quantifizierers, der ein spezifiziertes Bildqualitätsniveau liefert, ist in 8 gezeigt. Typischerweise nimmt ein MPEG-Quantifizierer einen Parameter an, auf den hierin als Quantifiziererskalierungscode verwiesen wird. Der Quantifizierer 830 bildet den Quantifiziererskalierungscode auf einen Skalierungsfaktor ab, der als Eingabe in einen Multiplikator verwendet wird, der auf den ankommenden DCT-Koeffizientenstrom wirkt. Der Quantifiziererskalierungscode könnte direkt von dem eingegebenen Qualitätsstufenparameter abgeleitet werden, aber dies würde die Wahrnehmungssensitivitätsschwankung des Betrachters auf unterschiedliche Arten von Szenen nicht erklären. Beispielsweise ist es während komplexer Bewegungsszenen unwahrscheinlicher, dass ein Betrachter die Quantifizierungsfehler bemerkt, als in einfachen Szenen mit sehr wenig Bewegung. Daher ist es vorteilhaft, in den komplexen beweglichen Bereichen eines Bildes relativ große Quantifizierungsfehler zuzulassen und in den einfacheren, ortsfesten Bereichen relativ kleine Quantifizierungsfehler. Der in 8 gezeigte Makroblockanalysator 810 identifiziert solche komplexe und einfache Bereiche und gibt ein Signal aus, das bezeichnend für die Fehlermaskierungsqualitäten des Bereiches ist. In einer typischen MPEG-Realisierung würden die Bereiche durch nicht überlappende Blöcke von 16 × 16 Bildpunkten definiert, auf die auch als Makroblöcke Bezug genommen wird. Es gibt zahlreiche auf diesem Fachgebiet bekannte Systeme zur Analyse der Komplexität und anderer Merkmale eines ankommenden Datenstroms und Bestimmung eines annehmbaren Quantifiziererskalierungscodes zur Lieferung an einen Standard-MPEG-Quantifizierer. Demgemäß werden die Einzelheiten einer derartigen Implementierung hierin nicht im Einzelnen erörtert.
Häufig wären der ideale Quantifiziererskalierungscode, der normalerweise von dem als Eingabe in den Quantifizierer empfangenen Qualitätsstufenparameter abgeleitet würde, und die von dem Makroblockanalysator 810 empfangene Szenenkomplexitätsanzeige ähnlich, aber nicht identisch mit dem während des jüngsten Codiervorgangs verwendeten Quantifiziererskalierungscode. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, denselben Quantifiziererskalierungscode zu verwenden, wie er während des letzten Codiervorgangs verwendet wurde, weil dies die Ansammlung von Quantifizierungsfehlern minimiert, was normalerweise geschieht, wenn Mehrfach-Codierprozesse angewendet werden. Ebenso minimiert auch die Verwendung eines Quantifiziererskalierungscodes, der ein ganzes Vielfaches des während des ursprünglichen Codiervorganges verwendeten ist, die Ansammlung von Quantifizierungsfehlern. Der vorausgehende Quantifiziererskalierungscode kann von einem Datenstrom-Syntaxanalysierer 840 leicht aus dem Eingabedatenstrom extrahiert werden. Die Nachschlagetabelle (LUT) 820 weist dann dem Quantifizierer basierend auf dem als Eingabe empfangenen Qualitätsstufenparameter, der von dem Makroblockanalysator 810 empfangenen Szenenkomplexitätsanzeige und dem vom Datenstrom-Syntaxanalysierer 840 empfangenen letzten Quantifiziererskalierungscode einen neuen Quantifiziererskalierungscode zu. Die Quantifizierung wird dann unter Verwendung des von der LUT 820 empfangenen neuen Quantifiziererskalierungscodes auf herkömmliche Art und Weise von dem Quantifizierer 830 durchgeführt.
Beim Korrigieren der Datenrate durch Anpassen des Quantifiziererskalierungscodes ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, mit der Editierung lediglich der B-Frames zu beginnen. Da B-Frames nie zur Vorhersage anderer Frames verwendet werden, werden irgendwelche Fehler, die durch Ändern der Quantifizierung für B-Frames eingebracht werden, nicht auf andere Frames ausgebreitet. Falls die Editierung lediglich der B-Frames die Datenrate nicht ausreichend korrigiert, dann sollten als Nächstes P-Frames editiert werden und nur zum Editieren von I-Frames gegriffen werden, wenn sich dies immer noch als unzureichend erweist.
Es ist möglich, ein statistisches Multiplexbetriebssystem unter Verwendung von Mehrfach-Wiedercodiereinrichtungen zu realisieren, z. B. solchen, wie mit Bezug auf 2, 6 und 7 beschrieben. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn keine Rückkopplung zwischen dem Multiplexer und den Codiereinrichtungen möglich ist, wie es der Fall ist, wenn einige oder alle der Programme an einem entfernten Ort vorverschlüsselt oder verschlüsselt werden, auf den der Multiplexer nicht zugreifen kann. Ein Beispiel eines solchen statistischen Multiplexbetriebssystems 900 ist in 9 gezeigt. Jede der xN Wiedercodiereinrichtungen 901–9xN regeneriert einen entsprechenden Bitstrom unter Verwendung eines Qualitätsstufenparameters, der von einer Vorrichtung abgeleitet wird, die den Füllstand der Ausgangspuffer der Wiedercodiereinrichtung überwacht. In diesem Beispiel ist die Vorrichtung eine Nachschlagetabelle (LUT) 910, welche die den Daten in einem der xN Ausgangspuffer entsprechende Zeitdauer überwacht. In diesem Fall wird angenommen, dass der Multiplexbetrieb auf einem Algorithmus basiert, der das nächste Paket aus einem der N Ausgangspuffer basierend auf der Reihenfolge auswählt, in der die Pakete entschlüsselt werden sollen. Wenn ein derartiger Algorithmus verwendet wird, neigt jeder Puffer dazu, eine demselben Zeitintervall entsprechende Datenmenge zu enthalten, und daher braucht nur einer der xN Puffer überwacht werden. Ein Beispiel eines solchen Statistikmultiplexersystems ist in einer ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Method and Apparatus for Multiplexing Video Programs for Improved Channel Utilization" [Verfahren und Vorrichtung zum Multiplexen von Videoprogrammen für eine verbesserte Kanalauslastung] beschrieben, angemeldet am 21.11.95 unter der Nummer 08/560,219, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übergegangen und z. B. unter WO-A-97/19561 veröffentlicht ist.
10 stellt eine Ausführungsform einer kompletten Systemarchitektur für ein System zur Verteilung komprimierter Videosignale dar, in dem der Statistikmultiplexer auf Basis einer Wiedercodiereinrichtung gemäß 9 realisiert sein kann. In diesem System ist eine Reihe von Videoprogrammquellen (nur eine Untergruppe einer Untergruppe ist gezeigt) jeweils mit einem erwünschten Videokomprimierungsstandard verschlüsselt. Die Videoquellen A₁ bis A_N 1001–100n können Videocassetten- oder Laserplattenspieler sein, die unterschiedliche Programme oder dasselbe Programm mit unterschiedlichen Anfangszeiten abspielen. Jedes Programm wird jeweils durch Videocodiereinrichtungen 1011, 1012 bis 101n verschlüsselt. Die Ausgaben der Videocodierersysteme werden von einem ersten Multiplexer 1020 kombiniert, um einen ersten Multiplexstrom 1025 aus verschlüsselten Videoprogrammen zu erzeugen. Es kann zahlreiche Bündel verschlüsselter Videoprogramme geben, die jeweils durch Multiplexer 1020, 1030 bis 10M0 für komprimierte Videosignale entsprechend gebündelt werden, um jeweils komprimierte Videomultiplexe 1025, 1035 bis 10M5 zu erzeugen.
Die komprimierten Videoprogramm-Multiplexe 1025–10M5 können dann zu einem Satellitentransmittersystem 1040 weitergeleitet und zur Wiederverteilung zu einem Satelliten 1050 hinauf übertragen werden. In einer Ausführungsform des Verteilsystems würde jedes Multiplex 1025, 1035 bis 10M5 zu einem anderen Transponder des Satelliten 1050 hinauf übertragen. Der Satellit 1050 überträgt die komprimierten Videomultiplexe zu einem beliebigen einer Vielzahl von Kopfende-Verteilsystemen hinunter, wie z. B. das Kopfendesystem 1100. Die Kopfendesysteme, wie z. B. das Kopfendesystem 1100, können im Downlinkbereich des Satelliten 1050 weit verstreut sein.
Das beispielhafte Kopfendesystem 1100 schließt einen Satellitenempfänger 1110 zum Empfang der Downlinksignale von einem oder mehr Transpondern des Satelliten 1050 ein. Die Downlinksignale werden dann an die verschiedenen Tuner/Demodulatoren 1120, 1130 bis 11M0 geliefert. Diese Tuner/Demodulatoren stellen die Multiplexe von komprimierten Videoprogrammen aus den modulierten Signalen wieder her, die von dem einen oder mehr Transpondern des Satelliten 1050 übertragen wurden und liefern die Multiplexe an Selektor/Demultiplexer 1200, 1210 bis 12Q0. Die Selektor/Demultiplexer 1200, 1210 bis 12Q0 sind verantwortlich für das Entschachteln einer beliebigen Anzahl oder Kombination ausgewählter Videoprogramme aus den verschiedenen Multiplexen, die von den Tuner/Demodulatoren 1120, 1130 bis 11M0 empfangen wurden. Die entschachtelten, zuvor verschlüsselten und komprimierten Videoprogramme 1 bis N; werden an statistische Multiplexer 900, 910 bis 9Q0 geliefert, wie z. B. demjenigen, der weiter oben mit Bezug auf 9 beschrieben ist. Die Statistikmultiplexer verbinden die gewünschten Videoprogramme zu statistisch gebündelten Datenströmen zur Verteilung über verschiedene Verteilsysteme 1310, 1320 bis 13Q0. Jedes dieser Verteilsysteme kann unterschiedliche Kombinationen statistisch gebündelter Videoprogrammströme übertragen, die aus den ursprünglich verschlüsselten Videoquellen ausgewählt werden. Diese können dann selektiv an Teilnehmer 1401 bis 140I verteilt werden (I kann natürlich größer sein als 9), von denen jeder eine Videoprogramm-Decodiereinrichtung besitzt, die zum Entschlüsseln der komprimierten Bildinformation mit dem zum Verschlüsseln der Daten verwendeten Standard geeignet ist, z. B. die oben beschriebenen MPEG-Decodiereinrichtungen.
In das Kopfendesystem 1100 ist das statistische Multiplexbetriebssystem 900 integriert, wie z. B. dasjenige, das mit Bezug auf 9 beschrieben wurde. Wie oben erwähnt, kann das Statistikmultiplexersystem 900 in vorteilhafter Weise zahlreiche der Wiedercodierersysteme mit gemeinsamem Bewegungsausgleicher der vorliegenden Erfindung integrieren, um die Komplexität und Kosten eines derartigen statistischen Multiplexbetriebssystems zu reduzieren. So sind die mit Bezug auf 2, 6 und 7 beschriebenen Systeme mit gemeinsamem Bewegungsausgleicher in vorteilhafter Weise in ein komplettes System zur Verteilung komprimierter Videosignale integriert.
Implementierung eines einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleichers
Im Folgenden wird die Effektivität der einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleicherarchitektur der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 11A–11D aufgezeigt.
Ein Teil von 2 ist in 11A wiedergegeben, mit an Schlüsselpunkten a bis e angebrachten Kennzeichnungen. Es ist zweckmäßig, die an den Punkten b, c und d auftretenden Signale in mathematischen Termen auszudrücken: b = a + MC(b) (1) c = b – d (2) d = MC(d + e) (3)
wobei MC( ) der Bewegungsausgleichsoperator ist, der durch Verzögern des Eingangssignals um ein Frame-Intervall und räumliches Neuordnen der Bildpunkte dieses Frames gemäß einer gegebenen Menge von Bewegungsvektoren eingesetzt wird. In diesem Fall verwenden die Bewegungsausgleicher in (1) und (3) dieselbe Menge Bewegungsvektoren, und daher sind beide MC-Operationen identisch.
Das Einsetzen von (1) und (3) in (2) ergibt: c – a + MC(b) – MC(d + e). (4)
Da die Bewegungsvektoren dieselben sind, ist der Bewegungsausgleicher eine Linearfunktion und daher ist: c = a + MC(b – d – e). (5)
Wenn (2) in (5) eingesetzt wird, dann ist: c = a + MC(c – e). (6)
Daher kann dieses Ergebnis unter Verwendung der in 11B gezeigten Struktur verwirklicht werden, und es kann daraus geschlossen werden, dass diese Struktur funktionsgleich mit der in 11A veranschaulichten Struktur ist, wenn das Signal am Punkt C oder irgendeinem anderen Punkt zwischen Punkt C und Punkt E beobachtet wird. Auf dieser Basis kann ferner darauf geschlossen werden, dass die in 2 und 6 gezeigten Strukturen ebenfalls funktionsgleich sind, wenn sie an ihren jeweiligen Ausgängen verglichen werden.
Dasselbe Ergebnis könnte auch unter Verwendung der in 11C gezeigten Struktur verwirklicht werden, die aus 11B abgeleitet wurde. In diesem Fall wird die Subtraktion im DCT-Bereich statt im Bildpunktbereich durchgeführt.
Zur weiteren Vereinfachung der 11C wird das Addierwerk vom Ausgang zum Eingang des IDCT verschoben. Dies kann einfach durch Einfügen eines zusätzlichen DCT am Ausgang des Bewegungsausgleichers erfolgen. Dann jedoch negieren der in Reihe geschaltete IDCT und DCT am Ausgang des Addierwerks einander, und daher können beide Blöcke gestrichen werden, wie in 11D gezeigt. Diese resultierende Struktur ist nun identisch mit der in 7 gezeigten.
Es ist somit ein vorteilhaft realisiertes Verfahren und eine Vorrichtung für ein komprimiertes Video-Wiedercodierersystem beschrieben worden, das nur einen einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleicher verwendet. Ein solches gemeinsames Bewegungsausgleichersystem kann vorteilhaft in eine komplette Systemarchitektur für ein System zur Verteilung komprimierter Videosignale integriert werden. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte beispielhafte und implementierte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte verständlich sein, dass der Durchschnittsfachmann verschiedene Alternativen zur vorliegenden Erfindung leicht erkennen wird. Demgemäß sollte der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung mit den Bedingungen der nachfolgenden Ansprüche bemessen werden.

Claims

Kopfende-Verteilsystem (1100) für komprimierte Videosignale zur Verwendung in einem Satelliten-Videoverteilsystem, das umfasst: – einen Satellitenempfänger (1110) zum Empfangen von Downlinksignalen von Transpondern eines Satelliten; – eine Vielzahl von Tuner/Demodulatoren (11M0), die zum Empfang der Downlinksignale von dem Satellitenempfänger angeschlossen sind, um aus von einem oder mehr Transpondern eines Satelliten übertragenen modulierten Signalen Multiplexe komprimierter Videoprogramme wiederherzustellen; – eine Vielzahl von Selektor/Demultiplexern (12Q0), die jeweils an jeden der Tuner/Demodulatoren angeschlossen sind und jeweils eine ausgewählte Kombination (1 ... N1; ...; 1 ... NQ) von Videoprogrammen aus den Multiplexen selektiv entschachteln und ausgeben; und – zumindest einen statistischen Multiplexer (900; ...; 9Q0) zum Kombinieren gewünschter Videoprogramme einer solchen ausgewählten Kombination aus den von dem entsprechenden der Selektor/Demultiplexer ausgegebenen Multiplexen zu einem entsprechenden statistisch gebündelten Datenstrom zur Verteilung, wobei der statistische Multiplexer eine Vielzahl von Wiedercodiereinrichtungen für komprimierte Videosignale einschließt, um ein solches gewünschtes Videoprogramm mit einem komprimierten Datenstrom in einem ersten Komprimierungsverhältnis zu einem wiederverschlüsselten Datenstrom in einem zweiten Komprimierungsverhältnis variabel zu modifizieren, und wobei in dem statistischen Multiplexer die Datenrate eines oder mehr der mit einem ersten Komprimierungsverhältnis empfangenen komprimierten Datenströme bei der Wiederverschlüsselung reduziert oder angepasst wird, um die Überschreitung einer vorgegebenen Kanalbandbreite für einen solchen statistisch gebündelten Datenstrom zu vermeiden oder um eine konstante Bildqualität zu liefern.
Kopfende-Verteilsystem für komprimierte Videosignale nach Anspruch 1, wobei jede der Wiedercodiereinrichtungen für komprimierte Videosignale eine Decodierschaltung, eine Codierschaltung und einen einzigen gemeinsamen Bewegungsausgleicher (MC; 630) umfasst, um sowohl für die Decodier- als auch die Codierschaltung eine Bewegungskompensation bereitzustellen.
Kopfende-Verteilsystem für komprimierte Videosignale nach Anspruch 2, wobei jede der Wiedercodiereinrichtungen für komprimierte Videosignale eine Decodierschaltung, eine Codierschaltung und einen Datenübermittlungsweg (230) zum Übermitteln statischer Informationen von der Decodierschaltung an die Codierschaltung umfasst.