DE4233543A1 - Vorrichtung zur steuerung der quantisierung von videodaten - Google Patents

Vorrichtung zur steuerung der quantisierung von videodaten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf Verfahren zur Steuerung der Quantisierung von Videodaten.
Die Wiedergabe von Videobildern kann bedeutend verbes­ sert werden, wenn die Bildinformation in digitalem Format vorge­ sehen wird. In Echtzeit digital kodierte Videosignale nehmen jedoch beträchtlich mehr Bandbreite als analoge Videosignale in Anspruch. Zusätzlich sind die in vorhandenen Übertragungskanälen nutzbaren Daten-Raten auf Raten beschränkt, die nominell nicht ausreichen, um roh digital kodierte Videosignale zu handhaben. Daher werden die digitalen Videosignale vor der Übertragung kom­ primiert.
Komprimierte Videodaten treten mit verschiedenen Raten auf, d. h. entsprechende Vollbilder enthalten unterschiedliche Mengen von komprimierten Daten. Es ist erwünscht, die komprimier­ ten Daten mit einer konstanten Rate zu übertragen, die äquivalent mit der Kanalkapazität ist, um eine wirksame Nutzung des Kanals zu verwirklichen. Es werden Raten-Puffer eingesetzt, um die va­ riable Rate in eine konstante Rate umzusetzen. Die Menge der den Puffern zugeführten Daten wird gemäß der Pufferbelegung regu­ liert. Dies wird durch Überwachung der Pufferbelegung bewirkt, um Steuersignale zu erzeugen. In der Regel enthalten Kompressoren Vorrichtungen, die komprimierte Daten variabel nach einer gewis­ sen Funktion der Steuersignale quantisieren, um die Menge der den Raten-Puffern zugeführten komprimierten Daten zu regulieren.
Ein erstes allgemein bekanntes Verfahren, das verwendet werden kann, um den zur Komprimierung von Videodaten auf eine be­ stimmte Rate benötigten Quantisierungspegel zu berechnen, berech­ net eine Quantisierungs-Stufengröße, die auf ein ganzes Vollbild angewendet wird. Dieses Verfahren ergibt eine gleichmäßig quanti­ sierte Wiedergabe von entsprechenden Vollbildern, jedoch ist es schwierig, Quantisierungspegel zu bestimmen, die Daten mit genau der gewünschten Rate erzeugen. Ein zweites Verfahren unterteilt jedes Vollbild in Blöcke und erzeugt Quantisierungspegel auf einer Blockbasis. Dieses Verfahren erzeugt komprimierte Daten mit der gewünschten Rate genauer, da jedoch verschiedene Bereiche des Bildes verschieden quantisiert werden, kann das Bild nicht mit gleichmäßiger Qualität wiedergegeben werden.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Vorrichtung zur Quantisierung eines Videosignals auf einer Block-für-Block-Basis auf, um Daten mit einer verhältnismäßig konstanten Rate zu erzeu­ gen, und die nicht dazu neigt, Ungleichmäßigkeiten in die Bild­ qualität einzuführen.
Die vorliegende Erfindung ist in einer Vorrichtung zur adaptiven Steuerung der Quantisierung von Makroblöcken von kom­ primierten Videosignal-Daten verkörpert. Die Vorrichtung enthält einen Digitalisierer, der Daten-Makroblöcke zur Quantisierung kodierter Daten gemäß einer vorgegebenen Quantisierungsfunktion auf einer Makroblock-für-Makroblock-Basis empfängt. Der Digitalisierer spricht auf ein Komplexitäts-Steuersignal zur Änderung der Quantisierungsfunktion an. Es sind ferner Mittel vorgesehen, die auf Blöcke innerhalb und benachbart von entspre­ chenden Daten-Makroblöcken ansprechen, um Komplexitäts-Steuer­ signale für die entsprechenden Makroblöcke zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Video­ signal-Kodiervorrichtung mit einem die vorliegende Erfindung verkör­ pernden Digitalisierer.
Fig. 1b und 1c sind Blockdarstellungen von Vollbil­ dern eines Videosignals, das gemäß der Folge von Kodierarten in Verbin­ dung mit MPEG-gemäßer Kompression kodiert ist.
Fig. 2 und 3 sind bildliche Diagramme, die das Kodierformat eines MPEG-gemäßen Signals darstellen.
Fig. 4 ist ein genaueres Blockdiagramm eines Teils des MPEG-gemäßen Kompressors von Fig. 1.
Fig. 5 ist eine teilweise zeichnerische, teilweise bildliche schematische Darstellung einer Quantisierungsvor­ richtung und -funktion.
Fig. 6 veranschaulicht die relative Lage von Datenblöcken, die bei der Erzeugung des Quantisierungs-Komplexitätssignals für zugeordnete Makroblöcke verwendet werden.
Die Erfindung wird in Verbindung mit einem hochauflö­ senden Fernsehsignal-Kodierer beschrieben, jedoch ist sie im all­ gemeinen bei jedem Videosignal-Kodiersystem anwendbar, das Blöcke von einer Quantisierung unterworfenen Daten vorsieht, z. B. bei einem CD-I-System. Für Zwecke dieser Offenbarung werden die Vi­ deodaten in ein MPEG-gemäßes Format komprimiert. Unter "MPEG- gemäß" wird ein Kodierformat verstanden, das dem von der inter­ nationalen Organisation for Normung festgelegten Kodierformat ähnlich ist. Das Format ist in dem Dokument "International Organization for Standardization", ISO-IEC JT(1/SC2/WG1), Coding of Moving Pictures and Associated Audio, MPEG 90/176 Rev. 2 vom 18. Dezember 1990 beschrieben.
In dem MPEG-System werden ungerade Halbbilder von auf­ einanderfolgenden Video-Vollbildern nach einer von drei Arten von Kompressions-Algorithmen komprimiert: intraframe kodiert I, prediktiv komprimiert P oder in beiden Richtungen prediktiv kodiert B. Gerade Halbbilder werden ausgeschieden. Ein Beispiel dafür, welche aufeinanderfolgenden Vollbilder durch entsprechende Algorithmen kodiert werden, ist in Fig. 1B veranschaulicht. In Fig. 1B entsprechen die bezifferten Kästen entsprechenden aufeinanderfolgenden Vollbild-Intervallen. Die Buchstaben über jedem Kasten entsprechen dem auf das benachbarte Vollbild angewendeten Kodiertyp.
Fig. 1 zeigt als Beispiel ein HDTV-Gerät zur Kodierung eines Videosignals in ein MPEG-gemäßes Format. In dem gezeigten HDTV-System werden sowohl die ungeraden als auch die geraden Halbbilder jedes Vollbildes kodiert. Fig. 1 zeigt, daß das System ein einzelnes Video-Eingangssignal verarbeitet, aber man muß ver­ stehen, daß die Luminanz- und Chrominanzkomponenten getrennt kom­ primiert werden, und daß Luminanz-Bewegungsvektoren dazu verwen­ det werden, komprimierte Chrominanzkomponenten zu erzeugen. Die komprimierten Luminanz- und Chrominanzkomponenten werden ver­ schachtelt, um Makroblöcke für die Übertragung zu bilden.
Eine Folge von Halbbildern/Vollbildern gemäß Fig. 1B wird einem Kompressor 10 zugeführt, der eine komprimierte Folge von Vollbildern gemäß Fig. 1C erzeugt, die entsprechend einem MPEG-gemäßen Format kodiert werden. Die Zahlen in den Kästen stellen aufeinanderfolgende Vollbilder dar, und die Buchstaben I, P, B zeigen die Art der auf das zugehörige Vollbild angewendeten Kompression an. Die für die Vollbilder 1 bis 15 veranschaulichte Kodierfolge I, P, B wiederholt sich zyklisch.
Das hierarchische MPEG-Format, das in abgekürzter Form in Fig. 3A dargestellt ist, enthält eine Vielzahl von Schichten, von denen jede eine entsprechende Kopfinformation aufweist. No­ minell enthält jeder Kopf einen Start-Code, auf die entsprechende Schicht bezogene Daten und die Möglichkeit, Kopferweiterungen hinzuzufügen. Ein Großteil der Kopfinformation (wie in dem er­ wähnten MPEG-Dokument angegeben) wird für Synchronisationszwecke in einem MPEG-System benötigt. Um ein komprimiertes Videosignal für ein digitales HDTV-Doppelkanalsystem (Simulcast-System) vorzusehen, wird nur eine beschreibende Kopfinformation benötigt, d. h. Start-Codes und wahlfreie Erweiterungen können ausge­ schlossen werden. Die entsprechenden Schichten des kodierten Videosignals sind bildlich in Fig. 2 veranschaulicht.
Wenn auf das von dem vorliegenden System erzeugte MPEG- gemäße Signal Bezug genommen wird, bedeutet dies, daß a) auf­ einanderfolgende Halbbilder/Vollbilder des Videosignals gemäß einer I, P, B-Kodierfolge kodiert werden und b) kodierte Daten mit dem Bildpegel in MPEG-gemäße Scheiben oder Gruppen von Blöcken kodiert werden, ungeachtet dessen, daß die Zahl der Scheiben pro Halbbild/Vollbild unterschiedlich sein kann und die Anzahl der Makroblöcke pro Scheibe unterschiedlich sein kann.
Das kodierte Ausgangssignal des vorliegenden Systems wird in Gruppen von Halbbildern/Vollbildern (GOF) segmentiert, was durch die Reihe von Kästen L1 gemäß Fig. 3 veranschaulicht ist. Jede GOF L2 enthält einen Kopf, dem Segmente von Bilddaten folgen. Der GOF-Kopf enthält Daten, die auf die horizontale und vertikale Bildgröße, das Bildseitenverhältnis, die Halbbild/Voll­ bild-Rate, die Bit-Rate usw. bezogen sind.
Die Bilddaten L3, die jeweils Halbbildern/Vollbildern entsprechen, enthalten einen Kopf mit darauffolgenden Scheiben­ daten L4. Der Bildkopf enthält eine Halbbild/Vollbild-Zahl und einen Bild-Code-Typ. Jede Scheibe L4 enthält einen Kopf, dem eine Vielzahl von MBi-Datenblöcken folgt. Der Scheibenkopf enthält eine Gruppenzahl und einen Quantisierungsparameter.
Jeder Block MBi L5 stellt einen Makroblock dar und enthält einen Kopf, dem Bewegungsvektoren und kodierte Koeffi­ zienten folgen. Die MBi-Köpfe enthalten eine Makroblock-Adresse, einen Makroblock-Typ und einen Quantisierungsparameter. Die ko­ dierten Koeffizienten sind in der Schicht L6 veranschaulicht. Zu beachten ist, daß jeder Makroblock aus sechs Blöcken besteht, nämlich vier Luminanzblöcken, einem U-Chrominanzblock und einem V-Chrominanzblock. Siehe Fig. 2. Ein Block stellt eine Matrix von z. B. 8 × 8 Pixeln dar, über der eine diskrete Cosinus-Transforma­ tion (DCT) durchgeführt wird. Die vier Luminanzblöcke sind eine 2 × 2 Matrix von benachbarten Luminanzblöcken, die beispielsweise eine Matrix mit 16 × 16 Pixeln darstellen. Die Chrominanzblöcke (U und V) stellen dieselbe Gesamtfläche dar wie die vier Lumi­ nanzblöcke. Dies bedeutet, daß das Chrominanzsignal vor der Kom­ pression durch einen Faktor 2 horizontal und vertikal in bezug auf das Luminanzsignal unterabgetastet wird. Eine Datenscheibe entspricht Daten, die einen rechteckigen Teil eines Bildes dar­ stellen, der einer Fläche entspricht, die durch eine benachbarte Gruppe von Makroblöcken dargestellt wird.
Die Blockkoeffizienten werden blockweise erzeugt, wobei zuerst die DCT-, DC-Koeffizienten auftreten, denen entsprechende DCT AC-Koeffizienten in der Reihenfolge ihrer relativen Wichtigkeit folgen. An das Ende jedes der nacheinander auftre­ tenden Datenblöcke wird ein Block-Ende-Code EOB angefügt.
Die Menge der von dem Kompressor 10 gelieferten Daten wird durch das Raten-Steuerelement 18 bestimmt. Es ist allgemein bekannt, daß komprimierte Videodaten mit verschiedenen Raten auf­ treten. Raten-Puffer 13 und 14 führen eine Übersetzung von einer variablen Daten-Rate in eine konstante Daten-Rate durch. Die Puffer 13 und 14 enthalten Schaltungen zur Anzeige ihres entspre­ chenden Belegungspegels. Diese Anzeigen werden dem Raten-Steuer­ element 18 zugeführt, um die Durchschnitts-Daten-Rate einzustel­ len, die von dem Kompressor 10 geliefert wird. Die Einstellung wird durch Einstellen der Quantisierung bewirkt, die bei dem DCT- Koeffizienten angewendet wird.
Komprimierte Videodaten, die gemäß Fig. 3 hierarchisch formatiert sind, werden einem Prioritäts-Auswahlelement 11 zuge­ führt, das die kodierten Daten zwischen einem Kanal HP hoher Pri­ orität und einem Kanal LP niedriger Priorität verteilt. Eine In­ formation hoher Priorität sind die wenigsten Daten, die zur Schaffung eines Bildes benötigt werden, wenn auch eines weniger vollkommenen Bildes. Eine Information niedriger Priorität ist die übrige Information.
Die komprimierten HP- und LP-Videodaten werden einem Transportprozessor 12 zugeführt, der a) die HP- und LP-Daten­ ströme in Transportblöcke segmentiert, b) eine Paritätsprüfung oder eine zyklische Redundanzprüfung für jeden Transportblock durchführt und ihm die angemessenen Paritätsprüfungs-Bits zufügt, und c) die Hilfsdaten mit den HP- oder LP-Videodaten gemul­ tiplext.
Die HP- und LP-Datenströme werden vom Transportprozes­ sor 12 den entsprechenden Raten-Puffern 13 und 14 zugeführt, die die komprimierten Videodaten mit variabler Rate von dem Prozessor 12 in Daten umsetzt, die mit einer im wesentlichen konstanten Rate auftreten. Die hinsichtlich ihrer Rate eingestellten HP- und LP-Daten werden Vorwärts-Fehler-Codierelementen 15 und 16 zuge­ führt, die a) eine REED SOLOMON Vorwärts-Fehlerkorrektur-Kodie­ rung unabhängig von den entsprechenden Datenströmen durchführen; b) Datenblöcke verschachteln, um auszuschließen, daß große Feh­ lerblöcke eine große zusammenhängende Fläche eines wiedergegebe­ nen Bildes verfälschen; und c) den Daten z. B. Barker-Codes hin­ zufügen, um den Datenstrom am Empfänger zu synchronisieren. An­ schließend werden die Signale einem Übertragungs-Modem 17 zuge­ führt, in dem die HP-Kanaldaten eine Quadratur-Amplitudenmodula­ tion eines ersten Trägers und die LP-Kanaldaten eine Quadratur- Amplitudenmodulation eines zweiten Trägers durchführen, der ge­ genüber dem ersten Träger um etwa 2,88 MHz versetzt ist. Die 6 dB-Bandbreite des ersten und zweiten modulierten Trägers be­ trägt etwa 0,96 MHz bzw. 3,84 MHz.
Bei der Kompression nach dem I-Modus wird das mit I be­ zeichnete Vollbild beispielsweise in Blöcke von 8 × 8 Pixeln un­ terteilt, und die Pixel in den entsprechenden Blöcken werden einer diskreten Cosinus-Transformation DCT unterworfen. Dann wer­ den die durch die DCT erzeugten Koeffizienten quantisiert, und die quantisierten Koeffizienten bilden die komprimierte Bildin­ formation für das I-kodierte Vollbild.
Die Kompression im P-Mode schließt ein: A) Unterteilen eines entsprechenden, mit P bezeichneten Vollbildes in Makro­ blöcke von beispielsweise vier benachbarten 8 × 8 Pixel-Blöcken; B) Suchen des letzten auftretenden P- oder I-Vollbildes innerhalb der GOF mit einem Makroblock, der eine ähnliche Information ent­ hält; C) Erzeugen von Bewegungsvektoren, um den im früheren I- oder P-Vollbild gefundenen Makroblock an die Stelle des ähnlichen komprimierten Makroblocks in dem P-Vollbild zu setzen; D) Erzeu­ gen eines vorhergesagten Vollbildes aus dem früheren Vollbild unter Verwendung der Bewegungsvektoren; E) Subtrahieren des vor­ hergesagten Vollbildes von dem komprimierten P-Vollbild auf einer Block-für-Block-Basis, um Restblöcke zu erzeugen; F) Durchführen von DCT′s der Restblöcke; G) Quantisierung der Koeffizienten der transformierten Restblöcke; und H) Verknüpfen der quantisierten Restkoeffizienten und der Bewegungsvektoren, um ein komprimiertes Videosignal zu bilden.
Die Kompression von mit B bezeichneten Vollbildern ist ähnlich wie die Kompression von mit P bezeichneten Vollbildern, mit der Ausnahme, daß Bewegungsvektoren und demzufolge vorherge­ sagte B-Vollbilder in bezug auf mit I und/oder mit P bezeichnete Vollbilder gebildet werden, zwischen denen das B-Vollbild in der Folge angeordnet ist. Dies bedeutet, daß die mit P bezeichneten Vollbilder nur in bezug auf das zuletzt auftretende, mit P oder I bezeichnete Vollbild komprimiert werden, während mit B bezeichnete Vollbilder nicht nur in bezug auf das zuletzt auftretende mit P oder I bezeichnete Vollbild, sondern auch in bezug auf das als nächstes auftretende mit P oder I bezeichnete Vollbild komprimiert werden. Somit sind die mit P bezeichneten Vollbilder nach vorn vorausgesagt, und die B-Vollbilder sind nach vorn und nach hinten vorausgesagt.
Je nach dem bestimmten System und der gewünschten Kom­ pression können die quantisierten Koeffizienten und die Bewe­ gungsvektoren einer weiteren Datenverminderung unterworfen werden, beispielsweise über statistische Kodierung oder DPCM- Kodierung oder beide Kodierungen.
Fig. 4 zeigt den Kompressor 10 in etwas größeren Ein­ zelheiten. Der Kompressor enthält ein Kompressionselement 30, das Bewegungsvektoren und DCT-Koeffizienten erzeugt und kann ähnlich aufgebaut sein wie das Kompressionsgerät, das in dem US-Patent Nr. 49 72 260 mit dem Titel APPARATUS FOR CODING A MOVING-PICTURE SIGNAL offenbart ist. Die DCT-Koeffizienten werden einem Quanti­ sierungselement 32 zugeführt, und die Bewegungsvektoren werden einem Kodierer 34 zugeführt. Quantisierte DCT-Koeffizienten von dem Element 32 werden dem Kodierer 34 zugeführt, in welchem sie mit den Bewegungsvektoren und Kopfdaten gemultiplext werden, um das komprimierte Videosignal zu bilden.
Der Quantisierer empfängt die DCT-Koeffizienten gemäß einem vorgegebenen Matrix-Schema für jeden Pixelblock, wobei der Kasten 44 in Fig. 5 als Beispiel für das Schema dient. Das mit DC bezeichnete Quadrat ganz links oben ist der Durchschnittswert der Amplitude aller dem Block zugeordneter Pixel. Die mit A1 bis A63 bezeichneten Quadrate entsprechen AC-Koeffizienten oder verschie­ denen Frequenzspektren. Die Koeffizienten mit höherer Ordnungs­ zahl sind im allgemeinen von weniger Bedeutung für die Bildwie­ dergabe. Die Pfeile zeigen die Reihenfolge an, in der die Koeffi­ zienten auftreten. Der Quantisierer empfängt auch eine Quantisie­ rungs-Steuerinformation, z. B. einen globalen Quantisierungswert GLOBAL_QUANT und einen Makroblock-Komplexitätsfaktor MB_comp.
Der Quantisierer schließt ein allgemeines Quantisie­ rungs-Schema (z. B. Block 45 in Fig. 5) ein, das eine Matrix von relativen Quantisierungswerten ist, die entsprechenden Koeffi­ zienten der DCT-Matrix zugeordnet sind, d. h. g0, g1, g2, g3 sind Koeffizienten DC, A1, A2, A3 usw. zugeordnet. Die Quantisierungs­ werte GLOBAL_QUANT und MB_comp werden gemäß der Gleichung kombiniert
Gi = MB_comp * GLOBAL_QUANT * gi
und die entsprechenden Werte Gi werden verwendet, um die Quanti­ sierung der Koeffizienten DC und Ai zu steuern. In Fig. 5 wird der Wert Gi durch den Vervielfacher 42 erzeugt und dem Quantisie­ rer 43 zugeführt. Der Quantisierer 43 ist so ausgebildet, daß er die gewünschte Quantisierungsfunktion liefert. Ein Beispiel einer bestimmten Quantisierungsfunktion ist gegeben durch:
QAi = (16 * Ai+8) // (2 * Gi); Ai<0
QAi = (16 * Ai-8) // (2 * Gi); Ai<0
QAi = 0; Ai = 0
worin QAi die quantisierte Version des Koeffizienten Ai ist und // eine ganzzahlige Division spezifiziert.
Die Quantisierungsoperation kann verschiedene Funktio­ nen für Vollbilder oder Makroblöcke liefern, die nach unter­ schiedlichen Arten kodiert werden. Beispielsweise können unter­ schiedliche Matrizen von relativen Quantisierungswerten gi für entsprechende I-, P- und B-Vollbilder verwendet werden. Dies ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Was die vor­ liegende Erfindung zu erreichen versucht, ist die Schaffung einer Quantisierungssteuerung für einen Quantisierer derart, daß die Bildqualität eines Vollbildes infolge der Quantisierung nicht un­ gleichmäßig beeinträchtigt wird, während gleichzeitig einzelne Makroblöcke von Koeffizienten, die verhältnismäßig kompliziert zu kodieren sind, verhältnismäßig strikt quantisiert werden. Dies wird durch Errichten eines Zielwertes der Menge an komprimierten Daten für entsprechende Vollbilder erreicht, aus denen globale Quantisierungswerte berechnet werden, und durch Erzeugung eines Komplexitätsfaktors für jeden Makroblock in einem Vollbild, durch den die globalen Quantisierungswerte auf einer Makroblock-Basis modifiziert werden können.
Es wird zunächst die Erzeugung des Komplexitätsfaktors betrachtet. Was hier betrachtet wird, ist die Komplexität eines Makroblocks relativ zu den Blöcken innerhalb des entsprechenden Makroblocks und der den Makroblock umgebenden Blöcke. Wenn alle Makroblöcke gleich komplex sind, können sie gleich quantisiert werden, ohne ungleichmäßige Quantisierungs-Beeinträchtigungen zu verursachen. Wenn andererseits gleich komplexe Makroblöcke ver­ schieden quantisiert werden, können ungleichmäßige Quantisie­ rungseffekte eintreten. Um eine signifikante Kompression zu er­ zielen ist es jedoch notwendig, innerhalb eines Rahmens Blöcke oder Makroblöcke ungleichmäßig zu quantisieren. Das Problem be­ steht dann darin, zu bestimmen, wo Quantisierungseffekte auftre­ ten aber am wenigsten sichtbar sind. Dies wird folgendermaßen be­ wirkt. Für jedes Vollbild wird ein Prozeß mit zwei Durchläufen durchgeführt. Während des ersten Durchlaufs jedes Vollbildes wird dieses in Intraframe-Art komprimiert, und die Koeffizienten werden mit einem konstanten Wert quantisiert, der beispielsweise der durchschnittliche Quantisierungswert für das vorhergehende Vollbild sein kann. Die Zahl der Bits (Zählwert) von komprimier­ ten, quantisierten AC-Koeffizienten für jeden Block wird auf­ gezeichnet (die aktuellen Code-Wörter werden ausgeschieden). Dann wird für jeden Makroblock der Zählwert MB_x für den Block (aus einer zugehörigen Gruppe von Blöcken) mit der kleinsten Anzahl von kodierten Bits bestimmt. Nachdem alle MB_x für das Vollbild bestimmt sind, wird der Durchschnittswert MB_xa des MB_x berech­ net. Der Komplexitätsfaktor MB_comp wird für jeden Makroblock nach Beziehung
MB_compi = ((K1) (MB_xi) + (K3) (MB_xa) ) / ( (K2) (MB_xa) + (K4) (MB_xi) )
berechnet, worin K1, K2, K3 und K4 Konstanten sind, die empirisch bestimmt werden. Es wurde gefunden, daß Werte von K1 = 2; K2 = 2; K3 = 1 und K4 = 1 gute Resultate bringen. Für K3 und K4 = 1 liegt der Wert von MB_comp zwischen 1/K2 (in weniger komplexen Bild-Be­ reichen) und K1 (in sehr komplexen Bildbereichen). Es sei be­ merkt, daß bei Bildern mit gleichmäßiger Struktur MB_comp für jeden Makroblock gleich 1 ist.
Die zugeordneten Blöcke, aus denen MB_x für einen ent­ sprechenden Makroblock ausgewählt wird, sind in Fig. 6 darge­ stellt. In Fig. 6 entspricht die Matrix aus großen Quadraten den Makroblöcken, und die kleineren Quadrate entsprechen individuel­ len Blöcken von kodierten Daten. Das große mittlere Quadrat mit den Blöcken BK4, BK5, BK8 und BK9 stellt den gerade untersuchten Makroblock dar. MB_x wird aus allen Blöcken BK1 bis BK12 ausge­ wählt. Wenn einer der benachbarten Blöcke (BK1, BK2, BK3, BK6, BK7, BK10, BK11, BK12) einfach ist (d. h. eine niedrige Code-Wort- Bit-Zählung aufweist), ist es wahrscheinlich, daß wenigstens ein Block des Makroblocks ebenfalls einfach ist, selbst wenn alle an­ deren Blöcke des Makroblocks komplex sind. In diesem Falle wird angenommen, daß der Makroblock eine niedrige Komplexität aufweist und nicht einem hohen Quantisierungspegel ausgesetzt werden soll­ te. Ein hoher Komplexitätspegel wird nur solchen Makroblöcken zugeordnet, bei denen alle zugeordneten Blöcke komplex sind (eine hohe Code-Wort-Bit-Zählung aufweisen). Ein höherer Quantisie­ rungspegel kann bei den komplexeren Blöcken angewendet werden, ohne daß sichtbare Artefakte auftreten.
Das Raten-Steuerelement 18 enthält einen Zähler und einen Speicher und zählt während des ersten durch das System-Steuerelement ausgelösten Kodierungsdurchlaufs die Menge von quantisierten Bits, die von dem Quantisierer 32 für jeden Block des Vollbildes erzeugt werden und speichert die entsprechenden Zählwerte. Das Raten-Steuerelement prüft anschließend die Zählwerte von Gruppen von Blöcken, die jedem Makroblock zugeordnet sind, um aus jeder Gruppe den Block zu bestimmen, der den niedrigsten Zählwert hat und speichert diesen Wert als MB_xi. Nachdem alle MB_xi bestimmt worden sind, bestimmt das Steuerelement 18 ihren Durchschnitt MB_xa und berechnet die entsprechenden Werte MB_compi. Während des zweiten Kodier-Durchlaufs werden die Werte MB_compi dem Quantisierer 32 zugeführt wie entsprechende Makroblöcke quantisiert werden.
Die globalen Quantisierungswerte sind Werte, die für ein ganzes Vollbild oder einen Teil eines Vollbildes verwendet werden. Die Erzeugung des GLOBAL_QUANT beruht auf einer Gruppe von Vollbildern, d. h. beispielsweise wird der GLOBAL_QUANT7-Wert für Vollbild 7 (Fig. 1B) in bezug auf alle Vollbilder in der sich wiederholenden I-, P-, B-Kodierreihenfolge der Vollbilder 1 bis 15 berechnet. Nominell ist der GLOBAL_QUANTi-Wert für Vollbilder mit unterschiedlichen Kodierarten verschieden. Bei der Erzeugung der Werte GLOBAL_QUANT wird zuerst ein Zielwert GOF_TARGET für eine Gruppe von Vollbildern berechnet. Wenn den Raten-Puffern nur Videodaten zugeführt werden, würde die Menge der Daten GOF_size für eine Gruppe von Vollbildern durch die Übertragungsdaten-Rate begrenzt und gleich der Anzahl von Vollbildern in einer Gruppe von Vollbildern mal der Raten-Puffer-Ausgangs-Bit-Rate geteilt durch die Vollbild-Rate der Video-Eingangsdaten sein. Dieser Wert unterscheidet sich von den aktuellen durch die Raten-Puffer lau­ fenden Daten, da den übertragenen Daten Audio- und/oder Hilfs­ daten hinzugefügt werden können, und er wird daher auf einer GOF- Basis korrigiert. Die Justierung wird in bezug auf die während der vorhergehenden GOF erzeugten Daten berechnet. Die GOF_TARGET- Werte werden wie folgt berechnet:
GOF_TARGETn = GOF_size - (GOF_TARGETn-1-ACTUAL DATAn-1) ,
worin GOF_TARGETn und GOF_TARGETn-1 den TARGET-Werten für die laufende und letzte GOF entsprechen und ACTUAL DATAn-1 die ak­ tuelle Menge von kodierten Daten ist, die den Raten-Puffern wäh­ rend der letzten GOF zugeführt werden. Beim Start des Systems wird der G0F_TARGET-Wert für die erste GOF gleich GOF_size ge­ setzt.
Der GOF_TARGET-Wert wird unter den entsprechenden Voll­ bildern in der GOF gemäß einem Verhältnis und der Menge des tat­ sächlich von den zuvor kodierten Vollbildern innerhalb eines GOF verbrauchten Datenraumes aufgeteilt. Es wird definiert
TSize_I, TSize_P, TSize_B als Zielgrößen für I-, P-, B- Vollbilder jeweils in einer Gruppe von Vollbildern;
LBits_I, LBits_P, LBits_B als tatsächliche Zahl von kodierten Bits, die für die vorhergehenden Vollbilder der entsprechenden Kodier-Typen erzeugt worden sind;
LQ_I, LQ_P, LQ_B als Durchschnitts-Quantisierungswert für die vorhergehenden Vollbilder der entsprechenden Kodier-Typen;
N_I, N_P, N_B als die Zahlen von I-, P-, B-Vollbildern in einer GOF;
K_I, K_P, K_B als Konstante (ein entsprechendes Verhältnis K_I : K_P : K_B ist 15 : 10 : 15): Das Verhältnis wird tatsächlich von dem entsprechenden Entwickler gewählt.
Zwei Werte n_I und n_P, B werden aus den vorangehenden Parametern wie folgt berechnet:
n_I = (N_I) (LBits_I) (LQ_I) (K_I) + (N_P) (LBits_P) (LQ_P) (K_P) + (N_B) (LBits_B) (LQ_B) (K_B);
n_P, B = (N_P) (LBits_P) (LQ_P) (K_P) + (N_B) (LBits_B) (LQ_B) (K_B) ;
Die Zielgrößen für die entsprechenden kodierten Vollbild-Typen werden berechnet aus:
TSize_I = (GOF_TARGET) (LBits_I) (LQ_I) (K_I) / n_I;
TSize_P = ( (GOF_TARGET-LBits_I) (LBits_P) (LQ_P) (K_P) / n_P, B;
TSize_B = ( (GOF_TARGET-LBits_I) (LBits_B) (LQ_B) (K_B) / n_P, B.
Nachdem die Zielwerte TSize_i bestimmt worden sind, werden die Werte EQuant_I, EQuant_P, EQuant_B, die die erwarteten Durchschnitts-Quantisierungswerte für die nächsten I, P und B kodierten Vollbilder sind, gemäß den folgenden Beziehungen be­ rechnet:
EQuant_P = (LQ_P) (LBits_P) / TSize_P;
EQuant_B = (LQ_B) (LBits_B) / TSize_B;
EQuant_I = (LQ_P) (K_P) / K_I .
Entsprechende Werte BS_I, BS_P und BS_B werden durch Skalierung der erwarteten Quantisierungswerte durch entsprechende Konstanten R_I, R_P und R_B erzeugt, d. h.
BS_I = (EQuant_I) (R_I) ;
BS_P = (EQuant_P) (R_P) ;
BS_B = (EQuant_B) (R_B) .
Die Konstante R_I kann gleich R_P und R_B und proportional zu der Kanal-Bit-Rate geteilt durch das Produkt der Vollbild-Rate und des maximalen Quantisierungswertes sein. Ein entsprechender maxi­ maler Quantisierungswert kann gleich 31 gesetzt werden.
Während des Kodierungsprozesses für einen Rahmen kann der Wert BS_i bei allen m Makroblöcken gemäß der Beziehung aktu­ alisiert werden:
BS_ik = BS_ik-1 + mMBs - (m) (TSize_i) / NMB ,
worin der Index i I, P oder B entspricht; BS_ik entspricht dem laufend erzeugten Wert von BS_i BS_ik-1 entspricht dem letzten berechneten Wert von BS_i mMBs ist die Größe der Datenmenge für die vorhergehenden m Makroblöcke (in Bits); m ist eine ganze Zahl von Makroblöcken (vorzugsweise klein); und NMB ist die Gesamtzahl von Makroblöcken in dem kodierten Vollbild. Der Wert GLOBAL_QUANT wird erzeugt aus
GLOBAL_QUANTi = BS_i / R_i ,
worin der Index i I, P oder B als angemessen entspricht. Dieser Wert wird dem Quantisierer bei Beginn jeder entsprechenden Voll­ bildperiode zugeführt.
Zusammenfassend wird der Parameter GLOBAL_QUANT er­ zeugt, indem zuerst ein Zielwert berechnet wird, der der Menge des für eine GOF verfügbaren Datenraums entspricht. Dieser Ziel­ wert ist proportional zur Übertragungsdaten-Rate geteilt durch die Vollbild-Rate und justiert durch den Fehler in dem Zielwert, der für die vorherige GOF berechnet wurde. Das GOF-TARGET wird dann aufgeteilt, um Vollbild-Zielwerte TSize_i für die ver­ schiedenen Vollbilder in der GOF gemäß dem Kodiertyp zu erzeugen. Die Vollbild-Zielwerte TSize_i werden als eine Funktion der Zahl von Vollbildern jedes Kodiertyps in einer GOF und der Menge der kodierten Daten, die für die entsprechenden Typen von kodierten Vollbildern in der vorherigen GOF erzeugt wurden, berechnet. Die GLOBAL_QUANT-Werte für die entsprechenden Vollbilder werden aus den Kehrwerten von TSize_i erzeugt und periodisch während der Kodierung von entsprechenden Vollbildern gemäß der Menge von ko­ dierten Daten, die insoweit für das entsprechende Vollbild er­ zeugt worden sind, justiert.
Während des zweiten Kodierdurchlaufs, wenn das Video­ signal tatsächlich für die Übertragung kodiert wird, zählt das Raten-Steuerelement die Zahl von kodierten Bits, die von dem Quantisierer geliefert werden und sammelt diese Werte als mMBs und LBits_i, um die GLOBAL_QUANT-Werte zu aktualisieren und die Zielwerte zu berechnen. Zusätzlich sammelt das Raten-Steuer­ element die Quantisierungswerte von entsprechenden Vollbildern und erzeugt den Durchschnitts-LQ_i der Quantisierungswerte zur Verwendung bei der Erzeugung nachfolgender Werte von GLOBAL_QUANT. Die Parameter ACTUAL_DATA können durch Zählung der Zahl der Bits gewonnen werden, die den Raten-Puffern in entsprechenden GOF-Intervallen zugeführt werden. Aus Gründen der Bequemlichkeit brauchen diese Daten nicht von einer einzelnen GOF gesammelt zu werden, aber sie können Daten von zwei benachbarten GOFs enthalten, solange die erforderliche Zahl und die Typen von Vollbildern in dem Intervall enthalten sind, in dem Daten gesammelt werden. Im Idealfall sollte beim Auftreten eines Bit- Überlaufs (bit stuffing) in einem der Kodiergeräte zwischen dem Quantisierer und den Raten-Puffern die Menge des Bit-Überlaufs berechnet und von den gesammelten Daten abgezogen werden, die den den Raten-Puffern zugeführten Daten entsprechen.
Vorangehend wurde bemerkt, daß die vorgeschlagene MPEG- Norm ein Halbbild pro Vollbild kodiert, aber daß das beispielhaf­ te HDTV MPEG-gemäße System beide Halbbilder pro Vollbild kodiert. Die Erfindung ist jedoch bei beiden Systemen anwendbar. Wenn da­ her in den Ansprüchen von Vollbildern oder einer Gruppe von Voll­ bildern gesprochen wird, ist der Bezug auf die Menge von Daten gemeint, die tatsächlich pro Bild oder Gruppe von Bildern verar­ beitet wird, sei es ein Halbbild pro Vollbild oder zwei Halbbil­ der pro Vollbild usw.

Claims (9)

1. Quantisierungsvorrichtung für eine Videosignal-Kom­ pressionsanordnung, die komprimierte Vollbilder aus Daten er­ zeugt, die als Makroblöcke angeordnet sind, wobei die Makroblöcke eine Vielzahl von Blöcken mit Daten enthalten, die einer Quanti­ sierung unterworfen werden, gekennzeichnet durch:
einen Quantisierer (32), der die Daten-Makroblöcke empfängt, um kodierte Daten gemäß einer vorgegebenen Quantisie­ rungsfunktion auf einer Makroblock-Basis zu quantisieren, und der auf ein Komplexitäts-Steuersignal anspricht, um die Quantisie­ rungsfunktion zu ändern; und
Mittel (18), die auf Blöcke innerhalb und benachbart zu entsprechenden Makroblöcken ansprechen, um die Komplexitäts­ steuersignale für die entsprechenden Makroblöcke zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
Mittel zur Konditionierung des Quantisierers, um alle Makroblöcke innerhalb eines Vollbildes mit derselben Quantisie­ rungsfunktion innerhalb eines ersten Quantisierungsdurchlaufs zu quantisieren, und um die Makroblöcke innerhalb des Vollbildes mit einer durch das Komplexitäts-Steuersignal geänderten Quantisie­ rungsfunktion während eines zweiten Quantisierungsdurchlaufs zu quantisieren, und wobei die Mittel zur Erzeugung des Komplexi­ täts-Steuersignals auf Blöcke von quantisierten Daten ansprechen, die während des ersten Quantisierungsdurchlaufs erzeugt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Komplexitäts-Steuersignals Mit­ tel enthalten, um: A) die Menge der quantisierten Daten von ent­ sprechenden Vollbildern zu bestimmen; B) für jeden Makroblock die Menge von Daten MB_x in dem Block aus einer dem Makroblock zugeordneten Gruppe von Blöcken zu bestimmen, der die wenigsten Daten hat; C) den Durchschnitt MB_xa einer Vielzahl von MB_x in einem Vollbild zu berechnen; und D) Komplexitäts-Steuersignale für entsprechende Makroblöcke als Funktion des entsprechenden MB_x und des Durchschnitts zu berechnen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Komplexitäts-Signal nach der Beziehung
((K1)(MB_x) + (K3)(MB_xa))/((K2)(MB_xa) + (K4)(MB_x)) berechnet wird, wobei K1, K2, K3 und K4 vorgegebene Konstanten sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der entsprechende Vollbilder aus Daten gemäß einer zyklischen Folge von Kodierarten kodiert werden, wobei jeder Zyklus eine Vielzahl von mit GOF be­ zeichneten Vollbildern enthält, gekennzeichnet ferner durch:
Mittel zur Berechnung eines Zielwertes entsprechend der Menge der erwarteten quantisierten Daten für entsprechende Grup­ pen von Vollbildern, und der eine Funktion des Fehlers zwischen der tatsächlichen Menge von quantisierten Daten, die für das vor­ herige GOF erzeugt wurden und dem für das vorherige GOF berech­ neten Zielwert ist;
Mittel zum Verteilen des Zielwerts unter entsprechenden Vollbildern in einer GOF und zur Erzeugung globaler Quanti­ sierungswerte für entsprechende Vollbilder in einer Gruppe von Vollbildern; und
wobei der Quantisierer auf die beiden globalen Quanti­ sierungs-Werte und das Komplexitäts-Signal anspricht, um die Quantisierungsfunktion zu ändern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verteilen des Zielwertes Mittel enthalten, um die globalen Quantisierungs-Werte innerhalb eines Vollbildes pe­ riodisch zu aktualisieren als Funktion der Menge der quantisier­ ten Daten, die zwischen Aktualisierungsperioden erzeugt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Komplexitäts-Steuersignale Mit­ tel enthalten, um A) die Menge der Daten in entsprechenden Blöc­ ken von entsprechenden Vollbildern zu bestimmen; B) für jeden Makroblock die Menge der Daten MB x in dem Block aus einer Gruppe von dem Makroblock zugeordneten Blöcken zu bestimmen, der die we­ nigsten Daten hat; C) den Durchschnitt MB_xa einer Vielzahl von MB_x in einem Vollbild zu berechnen; und D) Komplexitäts-Steuer­ signale für entsprechende Makroblöcke als Funktion der entspre­ chenden MB_x und des Durchschnitts zu berechnen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Komplexitätssignal nach der Beziehung
((K1)(MB_x) + MB_xa)/((K2)(MB_xa) + MB_x) berechnet wird, worin K1 und K2 vorgegebene Konstanten sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Makroblock gehörende Blöcke die in dem Makroblock enthaltene Blöcke und unmittelbar neben der Peripherie des Makro­ blocks befindliche Blöcke umfassen.
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