DE3926154A1 - SIGNAL PROCESSING SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungssystem für digitale Signale.The invention relates to a signal processing system for digital Signals.
Bei der Anwendung von digitalen Speichermedien, z. B. Bewegtbild auf CD (compact disc) oder digitaler Video-Magnetband- Rekorder, ist es wünschenswert, daß man auch solche Betriebsarten wie "Suchlauf vorwärts" oder "Suchlauf rückwärts" ermöglicht, wenn auch mit verminderter Bildqualität. Weil in diesem Fall Informationen des vorhergehenden Bilds bzw. der vorhergehenden Bilder fehlen können, sollten in gewissen Abständen Informationen gespeichert sein, die ohne die Informationen direkt vorangehender Bilder decodierbar sind, z. B. die Informationen für je ein komplettes Vollbild. Auf diese Bilder kann man dann z. B. im Suchlauf direkt zugreifen.When using digital storage media, e.g. B. Moving image on CD (compact disc) or digital video magnetic tape Recorder, it is desirable that you can also use such modes like "search forward" or "search backward" enables, albeit with reduced image quality. Because in this case information from the previous picture or the previous pictures may be missing, should in certain Intervals can be saved without information the information from directly preceding images can be decoded are, e.g. B. the information for a complete full screen. On these pictures you can z. B. access directly in the search.
Im Normal-Betrieb werden die Bilder zwischen den als vollständige Bilder codiert gespeicherten (dies entspricht einer "intraframe"-Codierung) nur in einer Art Codierung gespeichert, die die Änderungen des aktuellen Bilds gegenüber dem vorhergehenden codiert (dies entspricht einer "interframe"-Codierung). Um die gleiche subjektive Bildqualität in intra- und interframe-codierten Bildern zu erreichen, müssen für intraframe-codierte Bilder mehr Daten gespeichert werden als für interframe-codierte.In normal operation, the images between the as complete Images coded saved (this corresponds to one "intraframe" coding) only stored in one type of coding, which changes the current image from the previous coded (this corresponds to an "interframe" coding). To achieve the same subjective image quality in intra- and to achieve interframe encoded images for intraframe encoded images store more data than for interframe encoded.
Um eine zeitlich variierende Datenrate eines codierten digitalen Signals gegenüber einem Speichermedium mit zeitlich konstanter Schreib- oder Lese-Datenrate auszugleichen, ist normalerweise im Coder bzw. Decoder ein Pufferspeicher vorgesehen. Eine Datenreduktion im Coder wird z. B. durch eine Quantisierung der Daten erreicht. Durch eine Steuerung der entsprechenden Quantisierungskennlinie kann der Füllstand des Pufferspeichers geregelt werden.To a time-varying data rate of a coded digital Signals compared to a storage medium with time constant write or read data rate is to be balanced normally a buffer memory is provided in the encoder or decoder. A data reduction in the coder is e.g. B. by a Data quantization achieved. By controlling the The fill level can correspond to the corresponding quantization characteristic of the buffer storage can be regulated.
Durch die nachfolgend genannten Schriften, die ein Codierungsverfahren für Videokonferenzübertragung und Bildtelefon nennen, ist es bekannt, daß die Quantisierungskennlinie linear vom Füllstand des Pufferspeichers abhängt und daß bei einem Szenenschnitt, bzw. bei sich stark änderndem Bildinhalt zwischen Bild n-1 und n, die Codierung für das Bild n+1 bei der Aufzeichnung weggelassen, das Bild n mit der doppelten Datenrate intraframe-codiert (sonst interframe) und bei der Wiedergabe als Bild n+1 ausgegeben wird sowie das vorhergehende Bild n durch Wiederholung des davor liegenden Bilds n-1 ersetzt wird. Diese Diskontinuität wird durch die zeitliche Maskierungsfunktion des Auges überdeckt. Die Datenrate bei einem Szenenwechsel bleibt dadurch prinzipiell unverändert.By the fonts mentioned below, which is a coding method for video conference transmission and videophone call, it is known that the quantization curve is linear depends on the level of the buffer memory and that at one Scene cut, or when the image content changes significantly between image n-1 and n, the coding for image n + 1 at omitted the recording, the image n with double Data rate intraframe-coded (otherwise interframe) and at Playback as image n + 1 is output as well as the previous one Image n by repeating the image in front of it n-1 is replaced. This discontinuity is caused by the temporal Masking function of the eye covered. The data rate when a scene changes, it remains basically unchanged.
- - CCITT Study Group XV, Dokument Nr. 446, 1988, "Description of Reference Model 7" (RM7)- CCITT Study Group XV, Document No. 446, 1988, "Description of Reference Model 7" (RM7)
- - CCITT Study Group XV, Temporary Document 10, März 1989, "Reference Model 8 and Action Points" (RM8)- CCITT Study Group XV, Temporary Document 10, March 1989, "Reference Model 8 and Action Points" (RM8)
Das RM8-Codec (Codec bedeutet: Coder und Decoder) und die vorhergehenden (RM1-RM7) weisen den Nachteil auf, daß sich die subjektiv empfundene Bildqualität zwischen inter- und intraframe-codierten Bildern ändert, ein direkter Zugriff sich nur auf Bilder nach einem Szenenwechsel beschränkt und dadurch praktisch kein Suchlauf möglich ist, wenn kein Szenenwechsel vorhanden ist.The RM8 codec (codec means: encoder and decoder) and the previous (RM1-RM7) have the disadvantage that the subjectively perceived image quality between inter and intraframe encoded pictures changes, direct access limited to pictures after a scene change and practically no search is possible if there is no scene change is available.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Signalverarbeitungssystem für digitale Signale, z. B. ein Codec, anzugeben, das eine subjektiv gleichmäßige Bildqualität bei Szenenwechseln bietet und Betriebsarten wie "Suchlauf vorwärts" oder "Suchlauf rückwärts" bei der Anwendung von digitalen Speichermedien ermöglicht.The invention has for its object a signal processing system for digital signals, e.g. B. to specify a codec subjectively uniform image quality when changing scenes offers and operating modes such as "search forward" or "Search backwards" when using digital storage media enables.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the specified in claim 1 Features solved. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Bei Codierverfahren, bei denen das codierte Videosignal auf einem Medium digital gespeichert wird, kann man in periodischen Abständen, nicht nur bei Szenenwechseln, intraframe-codierte Bilder in die Sequenz von interframe-codierten Bildern einfügen. Wenn nicht gerade ein Szenenwechsel vorliegt, kann aber die zeitliche Maskierungsfunktion des Auges hier nicht ausgenutzt werden.In coding processes in which the coded video signal is based on a medium is stored digitally, you can in periodic Intervals, not only when changing scenes, intraframe-coded Images in the sequence of interframe encoded images insert. Unless there is a scene change, but can do the temporal masking function of the eye here not be exploited.
Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, einen sehr großen Pufferspeicher zu verwenden, der die erhöhte Datenrate, die durch die intraframe-Codierung von Bildern entsteht, verarbeiten kann.One solution is to have a very large buffer memory to use the the increased data rate that processed by the intraframe coding of images can.
Jedoch hat die Größe des Pufferspeichers einen direkten Einfluß
auf die minimale Decodierungsverzögerung. Der Decoder-
Pufferspeicher muß nämlich mindestens die Größe des Coder-
Pufferspeichers haben. Wenn die normale Wiedergabe-Betriebsart
beginnt, z. B. nach dem Einschalten des Geräts oder nach
einem Suchlauf, wird der Decoder-Pufferspeicher zunächst mit
einer bestimmten Datenmenge gefüllt, bevor am Ausgang des
Decoders ein Bild sichtbar wird. Je größer der
Pufferspeicher ist, desto größer ist demnach die Decodierungsverzögerung.
Ein Pufferspeicher, der eine sinnvolle Codierung mit periodischen
Intraframe-Bildern erlaubt, sollte bei einer Datenrate
von 1,15 Mbit/s in der Größenordnung von 300 kbit liegen.However, the size of the buffer memory has a direct impact on the minimum decoding delay. The decoder buffer memory must namely have at least the size of the coder buffer memory. When normal playback mode begins, e.g. B. after switching on the device or after a search, the decoder buffer memory is first filled with a certain amount of data before an image is visible at the output of the decoder. The larger the buffer memory, the greater the decoding delay.
A buffer memory that allows a meaningful coding with periodic intra-frame pictures should be in the order of 300 kbit with a data rate of 1.15 Mbit / s.
Außerdem hat man bei einer einfachen Vergrößerung des Pufferspeichers noch keine Kontrolle über die Datenraten-Verteilung zwischen inter- und intraframe-codierten Bildern.You also have a simple increase in the buffer memory no control over data rate distribution yet between interframe and intraframe encoded images.
Eine Lösung dieser Probleme bietet eine spezielle Pufferspeichersteuerung, die das Prinzip eines virtuellen Pufferspeichers benutzt. Die Abhängigkeit der Quantisiererschrittweite vom Füllstand des physikalischen Pufferspeichers im Coder wird teilweise entkoppelt.A solution to these problems is provided by a special buffer memory controller, which is the principle of a virtual buffer memory used. The dependence of the quantizer step size the level of the physical buffer memory in the encoder is partially decoupled.
Der virtuelle Pufferspeicher repräsentiert die codierte, aber nicht übertragene Datenmenge. Tatsächlich steuert nun der Füllstand dieses virtuellen Pufferspeichers die Quantisiererschrittweite.The virtual buffer memory represents the encoded, but not transferred amount of data. Actually controls now the fill level of this virtual buffer memory the quantizer step size.
Im folgenden wird unter "Macro-Block" ein Block verstanden,
der z. B. aus vier im Quadrat angeordneten
8×8-DCT-Luminanz-Blöcken und den dazugehörigen zwei
8×8-DCT-Chrominanz-Blöcken (U und V) besteht. Die Chrominanz
hat hierbei die halbe horizontale und vertikale Auflösung
der Luminanz.
DCT bedeutet: discrete cosine transform.In the following, "macro block" is understood to mean a block which, for. B. consists of four 8 × 8 DCT luminance blocks arranged in a square and the associated two 8 × 8 DCT chrominance blocks (U and V). The chrominance has half the horizontal and vertical resolution of the luminance.
DCT means: discrete cosine transform.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigen in An embodiment of the invention is described below of the drawings explained. These show in
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Coders, Fig. 1 is a block diagram of a coder according to the invention,
Fig. 2 eine bekannte Funktion zwischen einer Quantisiererschrittweite und dem Füllstand des Pufferspeichers, Fig. 2 is a known function between a quantizer step size and the filling level of the buffer memory,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Funktion zwischen der Quantisiererschrittweite und dem Füllstand des virtuellen Pufferspeichers, Fig. 3 is a function according to the invention between the quantizer and the fill level of the virtual buffer,
Fig. 4 eine Funktion zur Ermittlung eines ersten der Parameter für die Funktion aus Fig. 3, Fig. 4 is a function to determine a first one of the parameters for the function of Fig. 3,
Fig. 5 eine Funktion zur Ermittlung eines zweiten der Parameter für die Funktion aus Fig. 3, Fig. 5 is a function to determine a second one of the parameters for the function of Fig. 3,
Fig. 6 eine Funktion bei niedrigem Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 3 geänderten Parametern, Fig. 6 is a function with a low level buffer memory with respect to FIG. 3 modified parameters,
Fig. 7 eine Funktion bei erhöhtem Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 6 geänderten Parametern, Fig. 7 is a function at elevated buffer fill level changed with respect to FIG. 6 parameters,
Fig. 8 eine Funktion bei weiter erhöhtem Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 7 geänderten Parametern, Figure 8 is a modified function at a further increased buffer-fill level with respect to FIG. 7 parameters.,
Fig. 9 eine zeitliche Gegenüberstellung der Coder-Eingangs- und der Coder-Ausgangs-Daten. Fig. 9 is a time comparison of the coder input and the encoder output data.
Fig. 1 zeigt einen Coder, dessen Eingangs-Videosignal einer
Schaltung 10 zugeführt wird, die zwischen einer inter- und
einer intraframe-Codierung umschaltet, und einem Block-Vergleicher
172, der überprüft, in welchem Maß ein geschätzter
Block von Bildpunkten mit dem entsprechenden Original-Block
von Bildpunkten übereinstimmt. Ein erstes Ausgangssignal der
Schaltung 10 wird in der Schaltung 111 DCT-transformiert, in
Schaltung 121 gescannt, in Schaltung 131 gewichtet, in Schaltung
14 quantisiert, erste Ausgangssignale in Schaltung 132
invers gewichtet, in Schaltung 122 invers gescannt, in Schaltung
112 invers DCT-transformiert und in Schaltung 19 zusammen
mit einem ersten Ausgangssignal einer Filterschaltung
171 und gesteuert durch ein Schaltsignal aus Schaltung 10,
wieder zu einem Block von Bildpunkten zusammengestellt. Die
Bildpunktblöcke aus Schaltung 19 werden in einem Bildspeicher
18 zwischengespeichert und zum entsprechenden Zeitpunkt
dem Block-Vergleicher 172 zugeführt. Der Block-Vergleicher
172 berechnet Bewegungsvektoren, die in Schaltung 152 mit
variabler Wortlänge codiert werden.
Das am Ausgang des Block-Vergleichers 172 entsprechend dem
ermittelten Bewegungsvektor bereitgestellte Bildsignal wird
der Filterschaltung 171 zugeführt. Das gegebenenfalls gefilterte
Signal wird der Schaltung 10 und der Schaltung 19 zugeführt. Fig. 1 shows a coder whose input video signal is fed to a circuit 10 which switches between interframe and intraframe coding and a block comparator 172 which checks to what extent an estimated block of pixels corresponds to the corresponding one Original block of pixels matches. A first output signal of circuit 10 is DCT-transformed in circuit 111 , scanned in circuit 121 , weighted in circuit 131 , quantized in circuit 14 , first output signals in circuit 132 inversely weighted, scanned in circuit 122, inverse in circuit 112, DCT- transformed and put together in circuit 19 together with a first output signal of a filter circuit 171 and controlled by a switching signal from circuit 10 to form a block of pixels. The pixel blocks from circuit 19 are buffered in an image memory 18 and fed to the block comparator 172 at the appropriate time. Block comparator 172 computes motion vectors that are encoded in variable word length circuit 152 .
The image signal provided at the output of the block comparator 172 in accordance with the determined motion vector is fed to the filter circuit 171 . The possibly filtered signal is fed to circuit 10 and circuit 19 .
Die ersten Ausgangssignale des Quantisierers 14 werden auch einer Schaltung 151 zugeführt, wo sie (d. h. DCT-Koeffizienten und ihre Adressen) mit variabler Wortlänge codiert werden und in den Videomultiplexer mit physikalischem Pufferspeicher 16 weitergeleitet werden. Die Ausgangssignale der Schaltung 152 werden ebenfalls dieser Schaltung 16 zugeführt. Erste Ausgangssignale der Schaltung 16 werden dann übertragen bzw. gespeichert. Die Schaltung 16 erhält als weitere Eingangssignale das Ausgangssignal der Schaltung 10 mit der Intra/Inter-Entscheidung, ein zweites Ausgangssignal der Schaltung 171 mit der Filter-ein/aus-Entscheidung und ein zweites Ausgangssignal des Quantisierers 14, das die jeweilige Quantisiererschrittweite angibt, um damit die Daten aus Schaltung 151 entsprechend zu codieren. Der Quantisierer 14 wird seinerseits durch ein zweites Ausgangssignal der Schaltung 16 gesteuert. Die Schaltung 16 und der Quantisierer 14 mit Schaltung 151 bilden eine Regelschleife.The first output signals of the quantizer 14 are also fed to a circuit 151 , where they (ie DCT coefficients and their addresses) are coded with variable word lengths and are forwarded to the video multiplexer with a physical buffer memory 16 . The output signals of circuit 152 are also fed to this circuit 16 . First output signals of the circuit 16 are then transmitted or stored. The circuit 16 receives as further input signals the output signal of the circuit 10 with the intra / inter decision, a second output signal of the circuit 171 with the filter on / off decision and a second output signal of the quantizer 14 , which indicates the respective quantizer step size to encode the data from circuit 151 accordingly. The quantizer 14 is in turn controlled by a second output signal from the circuit 16 . The circuit 16 and the quantizer 14 with circuit 151 form a control loop.
Fig. 2 zeigt eine lineare Funktion der Quantisiererschrittweite 21 in Abhängigkeit von dem Füllstand 22 des Pufferspeichers in der Schaltung 16. Die Quantisiererschrittweite 21 kann zwischen Qmin und Qmax liegen. Der Füllstand 22 kann zwischen null und Fmax liegen. FIG. 2 shows a linear function of the quantizer step size 21 as a function of the fill level 22 of the buffer memory in the circuit 16 . The quantizer step size 21 can be between Q min and Q max . The fill level 22 can be between zero and F max .
Füllstand 22, Quantisiererschrittweite 21, Qmax, Qmin und Fmax haben in den Fig. 3 bis 8 die entsprechende Bedeutung wie in Fig. 2.Level 22, quantizer 21, Q max, Q min and F max are shown in Figs. 3 to 8 the corresponding meaning as in Fig. 2.
Fig. 3 zeigt eine Funktion der Quantisiererschrittweite 31, die aus einem linearen Teil 33 mit der Gleichung Q=Qmin+C₁×F und aus einem nichtlinearen Teil 34 mit der Gleichung Q=C₂×F×F+C₃×F+C₄ besteht, in Abhängigkeit von dem Füllstand 32 eines virtuellen Pufferspeichers. Die Verbindungsstelle 35 zwischen linearem Teil 33 und nichtlinearem Teil 34 der Funktion hat die Koordinaten (Fc, Qc). C₁ bis C₄ sind vom Coder variierbare Konstanten. Der virtuelle Pufferspeicher kann als in der Schaltung 16 enthalten gedacht werden. Fig. 3 shows a function of the quantizer step 31 , which consists of a linear part 33 with the equation Q = Q min + C₁ × F and a non-linear part 34 with the equation Q = C₂ × F × F + C₃ × F + C₄ , depending on the fill level 32 of a virtual buffer memory. The connection point 35 between the linear part 33 and the non-linear part 34 of the function has the coordinates (F c , Q c ). C₁ to C₄ are constants which can be varied by the coder. The virtual buffer memory can be thought of as being included in circuit 16 .
Aus dem virtuellen Pufferspeicher wird eine bestimmte Anzahl Bx von Bits pro Macroblock bzw. Frame als zum Speichermedium übertragen gedacht. Für intraframe-codierte Bilder hat Bx den Wert Bi und für interframe-codierte Bilder den Wert Bd. Bi kann z. B. dem Ni-fachen der mittleren Bitrate Ba Bits pro Macroblock bzw. Frame entsprechen. Ni wird z. B. so gewählt, daß eine subjektiv ausgewogene Bildqualität zwischen intra- und inter-frame-codierten Bildern entsteht.From the virtual buffer memory, a certain number B x of bits per macroblock or frame is thought to be transferred to the storage medium. B x has the value B i for intraframe-coded pictures and B d for interframe-coded pictures. B i can e.g. B. N i times the average bit rate B a bits per macroblock and frame meet. N i is e.g. B. selected so that a subjectively balanced image quality between intra- and inter-frame coded images.
Bei einer aufzuzeichnenden Netto-Video-Bitrate von 1,15 Mbit/s, einer Bildwechselfrequenz von 25 Hz und einem Faktor Ni=3 werden z. B. 138 kbit für ein intraframe-codiertes Bild benötigt. Durch die gedachte gesendete Datenrate Bi Bits pro Macroblock wird weder der Füllstand des virtuellen Pufferspeichers während der intraframe-Codierung eines Bilds wesentlich ansteigen, noch die Quantisiererschrittweite.With a recordable net video bit rate of 1.15 Mbit / s, a frame rate of 25 Hz and a factor N i = 3, e.g. B. 138 kbit is required for an intraframe-encoded image. The imaginary transmitted data rate B i bits per macro block will neither significantly increase the fill level of the virtual buffer memory during the intraframe coding of an image, nor will the quantizer step size.
Für die Bitrate Bd ist nur ein Wert kleiner als Ba zulässig. Bd ist definiert alsOnly a value smaller than B a is permissible for the bit rate B d . B d is defined as
Bd = (Nfr × Ba - Bi)/(Nfr - 1),B d = (N fr × B a - B i ) / (N fr - 1),
wobei Nfr die Periode der intraframe-codierten Bilder innerhalb
der interframe-codierten ist.
Bei einer aufzuzeichnenden Netto-Video-Bitrate von
1,15 Mbit/s, einer Bildwechselfrequenz von 25 Hz, Nfr=30
und einer Benutzung von 138 kbit für ein intraframe-codiertes
Bild stehen z. B. im Mittel 46 kbit für jedes Bild und
ca. 42,8 kbit für ein interframe-codiertes Bild zur Verfügung.
Der virtuelle Pufferspeicher hat z. B. eine Größe von
Fmax=92 kbit. Dann muß der physikalische Pufferspeicher
bei den gegebenen Werten eine Mindestgröße vonwhere N is coded for interframe-the period of intraframe encoded pictures within the.
With a recordable net video bit rate of 1.15 Mbit / s, a frame rate of 25 Hz, N fr = 30 and a use of 138 kbit for an intra-frame coded picture, e.g. B. available on average 46 kbit for each picture and about 42.8 kbit for an interframe-coded picture. The virtual buffer memory has e.g. B. a size of F max = 92 kbit. Then the physical buffer memory must have a minimum size of given values
Fphmax = Fmax + 138 kbit - 46 kbit = 184 kbitF phmax = F max + 138 kbit - 46 kbit = 184 kbit
haben.to have.
Die Regelschleife zwischen Quantisierer 14 mit Schaltung 151 und dem Pufferspeicher in Schaltung 16 ist vorteilhaft so ausgelegt, daß der Füllstand 32 des Pufferspeichers nach Nfr-1 interframe-codierten Bildern so niedrig ist, daß die Daten des nächsten intraframe-codierten Bildes im virtuellen Pufferspeicher gespeichert werden können. The control loop between quantizer 14 with circuit 151 and the buffer memory in circuit 16 is advantageously designed such that the fill level 32 of the buffer memory after N fr -1 interframe-coded pictures is so low that the data of the next intraframe-coded picture in the virtual buffer memory can be saved.
Der lineare Teil 33 der Funktion der Quantisiererschrittweite 31 ermöglicht es vorteilhaft, daß der Pufferspeicher einen gewissen Füllstand ohne eine signifikante Änderung der Quantisiererschrittweite und damit der Bildqualität erreichen kann. Der vorteilhaft progressiv ansteigende Teil 34 schützt den Pufferspeicher trotzdem vor einem Überlaufen. Grundsätzlich bildet der nichtlineare Teil 34 der Kennlinie eine quadratische Funktion.The linear part 33 of the function of the quantizer step size 31 advantageously enables the buffer memory to reach a certain fill level without a significant change in the quantizer step size and thus in the image quality. The advantageously progressively increasing part 34 nevertheless protects the buffer store against overflow. Basically, the non-linear part 34 of the characteristic curve forms a quadratic function.
Die minimale Quantisiererschrittweite Qmin hat z. B. den Wert
4/2048 und die maximale Quantisiererschrittweite Qmax den
Wert 64/2048.
Durch die Verwendung eines virtuellen Pufferspeichers kann
der Coder vorteilhaft die gleiche Kennlinie für intra- und
interframe-codierte Bilder verwenden, wobei eine gute Bildqualität
erreichbar ist.The minimum quantizer step size Q min has z. B. the value 4/2048 and the maximum quantizer step size Q max the value 64/2048.
By using a virtual buffer memory, the coder can advantageously use the same characteristic curve for intra- and interframe-coded pictures, a good picture quality being achievable.
Die Funktion der Quantisiererschrittweite 33 und 34 kann vorteilhaft
an die Charakteristik des jeweiligen Bildinhalts
angepaßt werden, indem die Konstanten C₁ bis C₄ variiert und
damit die Verbindungsstelle 35 verschoben wird. Um die Werte
von C₁ bis C₄ für das aktuelle Bild k zu bestimmen, wird der
mittlere Pufferspeicherfüllstand Fa, k-kx und die mittlere
Quantisiererschrittweite Qa, k-kx für das Bild k-kx jeweils
gemessen.
Vorteilhaft kann zur Erreichung einer weiter gesteigerten
Bildqualität dadurch jeweils eine optimale Kennlinie für den
Intra- sowie den Inter-Mode gebildet werden.
Im Intra-Mode ist kx=Nfr, sonst ist kx=1 bzw. kx=2,
falls das letzte Bild k-1 im Intra-Mode codiert wurde.The function of the quantizer step size 33 and 34 can advantageously be adapted to the characteristics of the respective image content by varying the constants C₁ to C₄ and thus shifting the connection point 35 . In order to determine the values from C₁ to C₄ for the current image k, the average buffer fill level F a, k-kx and the average quantizer step width Q a, k-kx for the image k-kx are measured in each case.
In order to achieve a further increased image quality, an optimal characteristic curve for the intra- and inter-mode can advantageously be formed.
In intra mode, kx = N fr , otherwise kx = 1 or kx = 2 if the last picture k-1 was encoded in intra mode.
Aus Fig. 4 werden die Koordinaten (Fc, k, Qc) der Verbindungsstelle 35 für Bild k aus dem mittleren virtuellen Pufferspeicherfüllstand Fa, k-kx eines vorhergehenden Bilds k-kx, welches im selben Mode codiert wurde, ermittelt. Der Wert Qc bleibt dabei vorteilhaft konstant.The coordinates (F c, k , Q c ) of the connection point 35 for image k are determined from FIG. 4 from the average virtual buffer fill level F a, k-kx of a previous image k-kx, which was coded in the same mode. The value Q c advantageously remains constant.
Fig. 5 zeigt eine Funktion 56 eines zusätzlichen Offsets Qo, k für die Quantisiererschrittweite 31 des aktuellen Bildes k in Abhängigkeit von der mittleren Quantisiererschrittweite Qa, k-kx des vorhergehenden Bildes k-kx. FIG. 5 shows a function 56 of an additional offset Q o, k for the quantizer step size 31 of the current image k as a function of the average quantizer step size Q a, k-kx of the previous image k-kx.
Das Ziel einer Adaption der Quantisiererschrittweitenfunktion 33 und 34 ist es, eine größere Variation des Pufferspeicherfüllstands F ohne wesentliche Änderung der Quantisiererschrittweite Q zuzulassen, wenn ein Bild aufgrund der Charakteristik des vorhergehenden voraussichtlich mit einer die Bildqualität steigernden kleinen Quantisiererschrittweite Qa, k codiert werden kann.The aim of an adaptation of the quantizer step size functions 33 and 34 is to allow a greater variation of the buffer memory fill level F without a substantial change in the quantizer step size Q, if an image can presumably be coded with a small quantizer step size Q a, k which increases the image quality due to the characteristics of the preceding one.
Wenn der virtuelle Pufferspeicherfüllstand Fa aber trotzdem deutlich ansteigt, muß die Quantisiererschrittweite Q angehoben werden, vorteilhaft durch eine Verkürzung des linearen Teils 33 der Funktion.If the virtual buffer storage level F a nevertheless rises significantly, the quantizer step size Q must be increased, advantageously by shortening the linear part 33 of the function.
Fig. 6 zeigt eine vom Coder angestrebte Quantisiererschrittweiten- Funktion. Fig. 6 shows a target from the coder Quantisiererschrittweiten- function.
Fig. 7 zeigt eine gegenüber Fig. 6 geänderte Funktion mit verkürztem linearen Teil 73 bei einem erhöhten mittleren Pufferspeicher- Füllstand Fa, k-kx. FIG. 7 shows a function changed from FIG. 6 with a shortened linear part 73 with an increased mean buffer storage level F a, k-kx .
Wenn aufgrund der Charakteristik des Bilds k-kx, z. B. durch feine Bilddetails im gesamten Bild, der Pufferspeicher- Füllstand schon deutlich erhöht ist, wird zusätzlich ein Offset Qo zur Quantisiererschrittweite Qc und zur minimalen Quantisiererschrittweite Qmin addiert. Wenn bei einem Bild nämlich der Pufferspeicher-Füllstand F bereits erhöht und damit die Quantisierung größer ist, wird vorteilhaft in diesem Bild eine sehr feine Quantisierung nicht zugelassen.If due to the characteristics of the image k-kx, e.g. B. by fine image details in the entire image, the buffer level is already significantly increased, an offset Q o is added to the quantizer step size Q c and the minimum quantizer step size Q min . If the buffer level F in an image is already increased and the quantization is therefore greater, very fine quantization is advantageously not permitted in this image.
Fig. 8 zeigt eine Funktion nach Fig. 7 mit zusätzlichem Offset Qo für die Quantisiererschrittweite Qc bzw. Qmin. Durch den Offset Qo bleibt die Funktion vorteilhaft nichtlinear und begrenzt Variationen der Quantisiererschrittweite Q im Bild. FIG. 8 shows a function according to FIG. 7 with an additional offset Q o for the quantizer step width Q c or Q min . Due to the offset Q o , the function advantageously remains non-linear and limits variations in the quantizer step width Q in the image.
Weil der zulässige Füllstand Fphmax des physikalischen Pufferspeichers größer ist als der zulässige Füllstand Fmax des virtuellen Pufferspeichers, ist einerseits sichergestellt, daß bei einem plötzlichen, unvorhersehbar starken Datenratenanstieg der physikalische Pufferspeicher nicht überläuft, andererseits wird die Quantisiererschrittweite Q beim Ansteigen des virtuellen Pufferfüllstands bis in die Nähe von Fmax frühzeitig hochgeregelt und damit ein deutlich sichtbarer Bildqualitätssprung vermieden. Außerdem wird ein nicht prädizierbarer starker Datenratenanstieg vorteilhaft nur bei Szenenwechseln auftreten, wo er vom Betrachter eher toleriert wird (Maskierungsfunktion des Auges).Because the permissible fill level F phmax of the physical buffer memory is greater than the permissible fill level F max of the virtual buffer memory, it is ensured on the one hand that the physical buffer memory does not overflow in the event of a sudden, unpredictably high increase in data rates, and on the other hand the quantizer step size Q increases as the virtual buffer fill level increases early in the vicinity of F max, thus avoiding a clearly visible jump in image quality. In addition, an unpredictable, strong data rate increase will advantageously only occur when there are scene changes, where it is more tolerated by the viewer (masking function of the eye).
Die maximale Pufferspeicher-Verzögerung Tmax ergibt sich zu Tmax=Fphmax/R. Für Fphmax=184 kbit und R=1,15 Mbit/s ist die maximale Pufferspeicher-Verzögerung Tmax demnach 0,16 s. Dies entspricht der Zeit für 4 Bilder bei einer Bildwechselfrequenz von 25 Hz.The maximum buffer memory delay T max results in T max = F phmax / R. For F phmax = 184 kbit and R = 1.15 Mbit / s, the maximum buffer memory delay T max is therefore 0.16 s. This corresponds to the time for 4 pictures at a frame rate of 25 Hz.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für das ungefähre zeitliche Verhältnis
zwischen den Bilddaten am Codereingang und den codierten
Daten am Eingang des Pufferspeichers in der Schaltung
16.
Intraframe-codierte Bilder sind mit i bezeichnet, interframe-
codierte mit d. Die Verteilung der Datenraten zwischen
i- und d-Bildern muß so sein, daß wie bei den zeitlich ersten
sich nach Nfr Bildern wieder zwei i-Bilder gegenüberstehen. Fig. 9 is an example of the approximate temporal relationship between the image data at the encoder input and the coded data at the input of the buffer memory is in the circuit 16.
Intra-frame encoded pictures are labeled i, interframe-encoded pictures are labeled d. The distribution of data rates between I and D images must be such that, as two back face in the first time after N i fr images images.
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