SE468736B - Foerfarande och apparat foer bildkodning med oeverhoppning av bilder och/eller komponenter - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 40 I I "i J '7'.7"¿ I i: ikl' C \__)\ 2 mellan varje kodad bild. Antalet skippade bilder väljs så att inte bufferten töms under gränsen (bR/fo) innan nästa bild kodas. Avkodaren i mottagaren kan också fordra att ett visst antal (kÛ) bilder skippas.

Enligt uppfinningen regleras buffertens innehåll också genom att hoppa över (skippa) eller nollställa vissa komponenter i bitströmmen från kodar- kärnan. Det ideala buffertinnehållet beräknas med hänsyn till bithastigheten på utgången från bufferten och jämföres med det faktiska innehållet i bufferten. och komponenter nollställes i beroende av den bildade differensen.

Differensen mellan det faktiska och det ideala innehållet bildas Uppfinningen anger två alternativa eller kompletterande sätt att noll- ställa komponenter. Antingen tar man komponenterna som kommer från kvanti- seraren och nollställer komponenter som representerar frekvenser över en viss frekvens eller gör man först en sicksackavsökning av komponenterna så att de ordnas i frekvensordning, därefter transmitterar man ett visst antal icke- nollkoefficienter medan resten nollställs.

Uppfinningen avser även en apparat för utförande av förfarandet.

Apparaten är företrädesvis utförd som en VLSI-krets.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till åt- följande ritningar, varav fig. 1 är ett blockschema över en traditionell kodare och VMUX, fig. 2 är en VMUX enligt uppfinningen, och fig. 3 är en kurva över buffertinnehållet mot tiden enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÜREDRAGNA UTFÜRINGSFÛRMER AV UPPFINNINGEN I fig. och VMUX. Till kodaren inkommer en videosignal med bildhastigheten fo från 1 visas den principiella konstruktionen av en traditionell kodare ett gränssnitt eller annan ingångskrets. Signalen transformeras i en trans- formkodare T och kvantiseras i en kvantiserare Q. Kodaren utnyttjar vanligt- vis någon form av prediktion, förutsägelse, av bilden som subtraheras från videosignalen. I avkodaren sker därför invers kvantisering och invers trans- formering med en inverskvantiserare IQ respektive invers transformkodare IT.

Vid predikteringen utnyttjas ett bildminne FM samt eventuellt rörelseestime- ring ME.

Efter den s.k. kodarkärnan finns en videomultiplexer VMUX. I VMUX-en behandlas signalen för att kunna sändas så ekonomiskt som möjligt på trans- missionsledningen vid utgången. Signalen skall också anpassas till bithastig- heten på transmissionsledningen. Bithastigheten ges av en klocka på utgången. 10 15 20 25 30 35 40 42- C“\ co -J m c\ 3 VMUX-en innehåller därför en sicksackavsökningsanordning ZIG, en skurlängds- kodningsanordning RL, en anordning EVENTS som stöder skurlängdskodningen, en variabel längdkodningsanordning VLC, en buffert och en felkorrigeringsanord- ning FEC, vars funktioner är kända för en fackman på området. Traditionellt utföres VMUX-ens arbete av en programmerad signalprocesor. Ibland placerar man kvantiseraren Q och inverskvantiseraren IQ i kodarkärnan och ibland i VMUX:en. ingår kvantiseraren och inverskvantiseraren men dessa är förbikopplingsbara I den föredragna utföringsformen av uppfinningen, som visas i fig 2, så att VMUX:en kan användas valfritt tillsammans med kodarkärnor med eller utan kvantiserare.

Buffertens funktion är att släppa ut bitar i en takt som styrs av bit- hastigheten på transmissionsledningen. Eftersom kodningen av videosignalen producerar olika antal bitar per bild beroende på bildens innehåll m.m. varierar buffertens innehåll. Det är viktigt att det inte blir spill i bufferten eftersom information om bilderna då försvinner. Vidare skall buffertens innehåll vara så litet som möjligt för att minska fördröjningen dvs. den tid som bitarna är lagrade i bufferten. Man skall också se till att bufferten sällan blir tom eftersom man då får stoppa in redundanta bitar (bitstuffa) i bitströmmen vilket också orsakar sämre bild.

En bild består av tolv block- grupper GOB och varje blockgrupp består av 33 makroblock MB. Videosignalens Formatet på bitströmmen ges av standarden. bildhastighet fo på ingången är i allmänhet 30 Hz.

I fig. 2 visas en utföringsform av föreliggande uppfinning. Enligt upp- finningen kontrolleras buffertens innehåll B genom att skippa ett antal k bilder, dvs. bilder blir bildhastigheten på utgången fo/(1+k), här 30/(1+k). Valet av k Avkodaren i mottagaren kan fordra att ett ett antal bilder hoppas över och kodas ej. 0m man skippar k tar hänsyn till olika faktorer. visst antal k0 bilder skippas, på grund av att den inte klarar att avkoda bilderna i hög takt. Det kan vara önskvärt ur kodningssynpunkt att hålla låg hastighet på utgången för det måste vara tillräckligt många bitar per bild för att bildkvaliteten skall bli bra. gången. En vanlig hastighet är 64 kbit/s.

Detta beror av bithastigheten på ut- Dm inga bilder skulle skippas får man bildhastigheten 30 Hz även på utgången. Detta ger cirka 2000 bitar per bild, vilket i så fall kräver en ganska grov kvantisering i kvantiseraren Q och ger en brusig bild.

Apparaten enligt uppfinningen innehåller en styranordning som avkänner dels buffertens innehåll B och dels bithastigheten R på utgången. Styranord- ningen styr en brytare S1 som bortkopplar önskat antal bilder. Bildminnet i kodarkärnan måste också informeras om antalet skippade bilder så att predik- tionen stämmer. Därför skickas även en styrsignal till bildminnet i kodar- 10 15 20 25 30 35 40 Û 7'i 5.3 i 1-1- 4 kärnan.

I fig. 3 visas ett exempel på hur buffertens innehåll kan ändras enligt En bild kodas under (1-g)/fo s Under denna tid växer buffertens innehåll till ett värde kallat Be. Under de följande (k+g)fo s (k 2_k0) - produceras inga bitar och buffertens innehåll minskar. Minskningshastigheten en föredragen utföringsform av uppfinningen. där g tar hänsyn till när kodningen avbryts. är R som avkännes på buffertens utgång. Det är då möjligt att beräkna värdet f på k vid slutet av den kodade bilden.

Värdet på k skall vara så att buffertinnehållet Bs när nästa bild skall börja kodas ligger i intervallet bR/fo < Bs_§ (1+b)R/fo dvs.

B k = :Nïßåä -(g+b):l; k = MAX (k,ko) Värdet R/fo mäts av en räknare vid utgången från bufferten. Således utesluts paritetsbitar m.m. från felkorrigeringen i FEC. Mätningen görs i tidsíntervall mellan "ny bild"-signalerna. Således bestämmas antalet skippade bilder k med hjälp av värdet Be som erhålles precis när en bild har kodats.

I stället för att bestämma k med hjälp av ekvationen ovan kan beslutet tas vid slutet av varje bildintervall, dvs. vid varje 30-dels sek. Innehållet i bufferten benämnes då Bs. Um Bs är mindre än (b+g)R/fo kommer bufferten att tömmas under nästa intervall. En ny bild skall då kodas, förutsatt att man har skippat kÜ bilder som fordras av avkodaren. Logiskt uttryckt: Om k < kÛ : skippa nästa bild, sätt k = k+1; BTIFIE-IDS om Bs > (1+b+g)R/fo; skippa nästa bild, sätt k = k+1; annars koda nästa bild, sätt k = U.

Enligt uppfinningen regleras buffertens innehåll B också genom att nollställa eller skippa vissa komponenter som alstras av kvantiseraren. Det ena sättet innebär att komponenterna behandlas när de kommer direkt från kvantiseraren Q till en anordning SKIP 1. I det andra sättet låter man först komponenterna sicksackavsökas i en sicksackavsökare ZIG och därefter behand- las i en anordning SKIP 2.

Transformkodningen och kvantiseringen alstrar komponenter som anger värden för olika frekvenser. Man kan säga att de höga frekvenserna represen- terar fina detaljer i bilden. Om man måste skippa eller nollställa komponen- ter, väljer man därför att nollställa dem med höga frekvenser. 10 15 20 25 30 35 40 4658 7Úš5 5 Från kvantiseraren kommer komponenterna i oordning med avseende på frekvenserna. I anordningen SKIP 1 avkännes frekvenserna och komponenter som representerar frekvenser över en frekvens F nollställs. De nollställda komponenterna belastar sedan inte innehållet i bufferten. Hur frekvensen F bestämmes anges nedan. Om endast SKIP 1 utnyttjas är omkopplaren S2 vid IZIG i det övre läget.

Traditionellt låter man bitströmmen från kvantiseraren sicksackavsökas i en sicksackavsökare ZIG. Sicksackavsökaren lägger in bitströmmens data i ett direktminne och läser ut komponenterna i den ordning som de skall transmit- teras, dvs i frekvensordning.

Den andra anordningen SKIP 2 utnyttjar att komponenterna kommer i ord- ning och räknar antalet icke-nollor av komponenterna. När ett visst antal NÛN icke-nollor har sänts nollställs resten av komponenterna i blocket.

För att bestämma parametrarna F och NÛN avkännes buffertens innehåll B och bithastigheten R på buffertens utgång av styranordningen. Styranordnin- gen skickar styrsignalerna F och NÛN till nollställningsanordningarna SKIP 1 och SKIP 2.

Det är önskvärt att buffertens innehåll är så litet som möjligt för att fördröjningen av bilderna skall bli så liten som möjligt. Dock sätter man en nedre gräns bR/fo på buffertens innehåll. Det är då möjligt att definiera buffertens ideala innehåll Bideal. När Be = Bideal töms bufferten ner till gränsen bR/fo på k+1 bildintervall. Med det givna formatet på bitströmmen blir det ideala buffert1nnehå11et= I Bideal : (GÛB - 1 + MB/33)/12 x (k1 + g) R/fo + bR/fo Bideal är alltså definierat under tidsperioden när bilden kodas, GDB växer från Û till 12 och MB anger 33:edelar av GDB.

Genom att avkänna det verkliga innehållet B i bufferten kan man bilda dvs när differensen B-Bideal. Genom att bilda intervall med intervallgränserna BÛ till B2 kan man definiera olika värden på F och NÛN. Det är också lämpligt att låta steghöjden QUANT i kvantiseraren inverka på parametrarna F och NÛN.

Steghöjden QUANT kan också göras beroende av differensen B-Bideal enligt en teknik som inte behandlas i föreliggande ansökan. Dm QUANT är liten innebär det att fler bitar önskas i bufferten. Således vill man ha ett litet antal skippade komponenter och värdena på F och NÜN sätts högt. Dm steghöjden QUANT är stor önskar man färre bitar i bufferten och således skall man skippa flera komponenter.

Om transformkodningen är i mod INTRA använder man också speciella värden på F och NÛN. 1, f". 0.6 j 10 15 20 25 30 35 40 7.. gi) 'n 6 De olika fallen är angivna i följande uppställning: (B-Bideai) < Bo -> F = Fo NUN = No Bo <= (B-Bideal) < B1 -> F = F1 NUN = N1 B1 <= (B-Bideal) < B2 -> F = F2 NUN = N2 B2 <= (B-Bideal) - -> F = F3 NUN = N3 QUANT <= oo -> F = Fa NUN = Na QUANT >= 01 -> F = F5 NUN = N5 INTRA = ja -> F = Fe NON = N6 Uppfinningen avser även en apparat för utförande av förfarandet.

Apparaten är företrädesvis konstruerad som en VLSI-krets. De olika para- metrarna b, BO-BZ, FO-F6, NU-N6, QÛ-Q1 är lagrade i ett BÛUT-PRUM.

Således löser uppfinningen problemet med buffertkontrollen genom att hoppa över kodningen av ett antal bilder och/eller nollställa vissa komponen- ter i bitströmmen. Metoden (SKIP 1) är mindre effektiv ur bitbesparingssyn- punkt men innebär kortare fördröjning eftersom den utnyttjar data som inte är sicksackavsökt. Det andra sättet (SKIP 2) är mera effektivt för bitbesparing men kräver sioksackavsökt data. Uppfinningen kan även kombineras med andra tekniker. Uppfinningen är endast begränsad av nedanstående patentkrav.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 40 7 PATENTKRAV

1. Förfarande för bildkodning av en videosignal med en given bildhastig- het (fo) innefattande kodning och kvantisering av videosignalen för digitali- sering och komprimering av denna för att bilda en bitström som skall sändas via en transmissionsledning med en given bithastighet (R), varvid bitströmmen lagras i en buffert före sändningen och att buffertens innehåll (B) över- vakas, k ä n n e t e c k n a t av att bithastigheten (R) på utgången avkännes, att buffertens ideala innehåll (Bideal) beräknas, och att vissa komponenter i bitströmmen från kvantíseraren nollställes i beroende av differensen mellan buffertens faktiska och ideala innehåll (B-Bideal) och/eller att ett visst antal (k) bilder skippas mellan varje kodad bild, varvid antalet skippade bilder (k) väljs så att inte buffert- innehållet töms under en gräns (bR/fo) innan nästa bild kodas.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att antalet skippade bilder (k) minst sättes till ett värde (k0) som bestämmes av avkodaren hos mottagaren.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att antalet (k) skippade bilder bestäms efter kodningen av en bild då bufferten har inne- hållet (Be) och bufferten töms så mycket som möjligt utan att komma under minimigränsen (bR/fo), dvs k väljes enligt B k : INT¶WBTÉ -(g+b)l; k : MAX (k,kÜ)

4. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att antalet (k) skippade bilder bestäms vid början av varje bildintervall så att buffer- ten töms och följande bild skippas om buffertens innehåll vid början av intervallet (Bs) är så stort att bufferten inte töms under minimigränsen (bR/fo), dvs Om k < kÛ : annars om Bs > (1 + b - g) R/fo; skippa nästa bild, sätt k = k+1; skippa nästa bild, sätt k = k+1; annars koda nästa bild, sätt k=Û.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att minimigränsen (bR/fo) är mindre än vad som kan tömmas ut ur bufferten på tre bildintervall samt större än eller lika med noll, dvs o5b<3.

6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att de kompo- A4 ”fb 10 15 20 25 30 35 40 2 :J n x-'r-f f / - 3 C- B nenter nollställes som representerar frekvenser högre än ett förutbestämt värde, vilket värde beror av ovannämnda differens.

7. Förfarande enligt krav 1 eller 6, k ä n n e t e c k n a t av att ett visst antal icke-nollkomponenter transmitteras, vilket antal beror av ovan- nämnda differens.

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att bitströmmen sicksackavsöks efter kvantiseringen, varefter komponen- terna sänds vidare i frekvensordning med komponenterna som representerar de lägsta frekvenserna först, att icke-nollkomponenterna räknas, och att när ovannämnda antal icke-nollkomponenter har sänts, resterande komponenter sätts till noll.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att buffertens ideala innehåll beräknas som Bideai = (sne - 1 + MB/33)/12 >< (m + g) R/fo + bR/fa där GÜB är numret på blockgruppen, MB är numret på makroblocket, k1 är antalet skippade bilder som bestämmes av kodaren, bR/fo är det minsta tillåtna innehållet i bufferten.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det förutbestämda värdet av frekvensen respektive antalet transmitte- rade icke-nollor även beror av steghöjden i kvantiseraren.

11. Apparat för bildkodning av en videosignal med en given bildhastighet (fo) innefattande en anordning för kodning och kvantisering av videosignalen för digitalisering och komprimering av denna för att bilda en bitström som skall sändas via en transmissionsledning med en given bithastighet (R), och en buffert för lagring av bitströmmen före sändningen, k ä n n e t e c k- n a d av en anordning för övervakning av buffertens innehåll (B) och av bithastigheten (R) på transmissionsledningen, vilken anordning beräknar buffertens ideala innehåll (Bideal) samt nollställer vissa komponenter i bitströmmen från kvantiseraren i beroende av differensen mellan buffertens faktiska och ideala innehåll (B-Bideal) och/eller ombesörjer att ett visst antal (k) bilder skippas mellan varje kodad bild, varvid antalet (k) skippade bilder väljs så att inte bufferten töms under en gräns (bR/fo) innan nästa bild kodas.

12. Apparat enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d av att nollställ- ningsanordningen (SKIP 1) är inkopplad efter kvantiseraren och före en sicksackavsökningsanordning (ZIG), varvid de komponenter nollställs som representerar frekvenser högre än ett förutbestämt värde, vilket värde beror av ovannämnda differens. 10 15 20 25 30 35 40 468 736 9

13. Apparat enligt krav 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a d nollställningsanordningen (SKIP 2) är inkopplad efter en sicksackavsöknings- anordning (ZIG), varvid ett antal av de första icke-nollkomponenterna från av att sicksackavsökningsanordningen transmitteras, medan resterande komponenter sätts till noll.

14. Apparat enligt något av kraven 11-13, att den är uppbyggd som en VLSI-krets med erforderliga parametrar lagrade i ett BÛÛT-PRÜM. k ä n n e t e c k n a d av