CN1111874A - 用于通过一条传输信道发送的多个电视信号的设备 - Google Patents

Abstract

一种同时发送多个电视信号的装置包括一个调 整电路(57)，用于调整每个电视信号的比特率，与相 对于多个电视信号的联合复杂性的这个信号的复杂 性无关。该设备提供数字视频广播系统的质量改 进。也发现在保持图像质量的同时通过给定信道能 发送外部信号。使用光记录设备提供更长放像时间 的可能性。

Description

本发明涉及通过一条传输信道发送多个电视信号的设备。本发明还涉及用于存储电视信号的设备以及所述信号的重放设备。

对于未来数字视频广播（DVB）系统在考虑通过一条传输信道同时地传送多个电视信号。用于这种目的的设备包括一个用于每个电视信号对比特流的这种信号编码的编码器，用于控制每个比特流的比特速率的控制装置和用于组合比特流为信道比特流的装置。

首先，正开发的MPEG2标准适合于编码每个电视信号。在1993年4月出版的ISO/IECCJTC1/SC29/WG11/NO400"测试模式5"中描述了用于这种目的的编码器。已知的MPEG2编码器对该电视信号形成比特流，受控的比特速率符合目标值。存在着一种不达到目标值的危险，例如，当复杂的图像画面出现时，为了使每个图像有较少比特产生，该图像以粗糙的方法量化。因此，在实际中编码电视信号的图像质量将随画面而变化，而且甚至可能是引人注意的差的图像。

当通过一条数字传输信道发送多个电视信号时，可变的信道比特率被分为多个比特率，其中之一被分配给每个电视信号。分配的比特率事先固定好的。对于每个发送的电视信号，它现在保持着复杂图像画面的图像质量可能是经受降级。

本发明的目的是提供一种通过一个传输信道发送多个电视信号的设备，用该设备获得较高图像质量。

因此，根据本发明的设备其特征在于控制装置适合于控制每个信号的比特率，相对于多个电视信号的联合复杂性与所述信号的复杂性无关。

基于本发明认识到，当通过一条传输信道传输多个电视信号时，不是所有电视信号同时地将被复杂化。例如，如果发送两个电视信号A和B，而且如果在给定瞬间，信号A包括一个不太复杂的画面，而信号B包括一个非常复杂的画面，信号B将以信号A比特率为代价临时地以较高比特率发送。这种动态分配比特率的处理以后将称为"联合比特率控制"。

在熟知的一套单独的编码器中，例如MPEG编码器，每个编码器有其自己的控制装置，用于获得比特率的预定目标值。以此为基础设备的实施例包括一个公共调整电路，用于加比特率目标值到每个控制装置，与相应电视信号的复杂性无关。用预分析电路，例如以附加编码器的形式可以测量该复杂性。该复杂性还可以从比特数和平均步长来计算，用该步长所述电视信号的前面的图像已编码。这种可能性具有优点，在MPEG编码器中这样的计算已经是可能了。

该设备的另一个实施例的特征在于，该控制装置对每个编码器适于形成一个联合控制值，与多个电视信号的联合复杂性无关。在这个实施例中每个比特流的比特率直接地代表信号的复杂性。因此，该复杂性不需要分别地测量。

已经发现，联合比特率控制降低了在每个信号中可注意的差的图像质量出现的危险。发送的电视信号的质量大致提高。然而，在保持图像质量的同时，联合比特率控制提供通过相同传输信道传送更多电视信号的可能性。已经发现，以相同的图像质量，通过20Mbit/s信道能够发送5个电视信号，而与四个电视信号一样具有固定的5Mbit/s的速率。

通过划分电视节目为多个等长部分并由联合比特率控制装置通过同时地存储这些部分为光盘上的一个信道比特流，获得使用联合比特率控制的具有吸引力的可能性。通过重复读取存储的信道比特流并由每个时间解码不同的部分重放该电视信号。然后得到或是较长的播放的时间或较高的图像质量。

图1表示根据本发明发送多个电视信号的设备的可能实施例。

图2表示该设备的另一个实施例。

图3表示图2所示调整电路的替代实施例。

图4表示该设备的另一个实施例。

图5表示根据本发明用于存储电视信号的设备。

图6表示根据本发明电视信号的重放设备。

图1表示根据本发明发送多个电视信号的设备。利用发送两个电视信号TV₁和TV₂的设备作为实施例。电视信号TV₁被加到编码器1。这个编码器包括一个离散余弦变换器10，该变换器变换像素信息组的一系列系数。获得的这些系数在量化器11中以给定的步长被量化并且接着该量化的系数在可变长度编码电路12中被编码。获得的码字被加到一个缓冲器13。产生的比特数随图像的不同而波动，这些比特被加到比特控制电路14，响应到那里，该控制电路14以这样的方法控制量化器11的步长，即每个图像所加比特的平均数等于目标值T₁。这样的比特控制电路是已知的电路（perse）。以相应的方式，在编码器2中处理电视信号TV₂。这种编码器还包括一个变换器20，一个量化器21，一个可变长度编码器22，一个缓冲器23和一个比特控制电路24。目标值T₂被加到控制电路24。两个比特流在复用器3中被联合为具有相应于每个图像的T＝T₁+T₂比特的信道比特率的一个信道比特流。该信道比特流被加到传输信道4。

根据本发明，该设备装备有一个联合比特率调整电路5。这个电路确定两个电视信号（X₁为第一电视信号和X₂为第二电视信号）的复杂性的值，该值代表当前图像画面的复杂性，而且以正比例于它们的复杂性在两个信号中间分配可变信道比特率T。

在该设备的可能的实施例中，通过对每个所加的电视信号的预分析，获得复杂性值X₁和X₂。所以，调整电路5包括用于两个各自的电视信号的预分析电路51和52。这样的一个预分析电路包括，例如一个图像变换器，一个具有固定步长的量化器和可变长度编码器，以及用于计数对每个图像得到的比特数的计数器。两个复杂性值X₁和X₂在求和装置53中加在一起。因此，每个电视信号的相对复杂性在除法器54和55中确定，所以除法器的计算：

分别为： (X₁)/(X₁+ X₂) 和 (X₂)/(X₁+ X₂)

最后，用电视信号的相对复杂性，用乘可变信道比特率T（以比特/每图像表示），通过乘法器56和57计算目标值T₁和T₂。现在对于保持目标值：

T₁= (X₁)/(X₁+ X₂) ×T和T₂= (X₂)/(X₁+ X₂) ×T

如果有N个电视信号，保持对于目标值T_n（n＝1…N），该值被加到n次编码器：

$T_n=\frac{X_n}{\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n}\mathrm{\times T}$

该设备以正比于其复杂性分配比特率至每个电视信号。然后得到的图像质量基本上等于所有信号。但是，另一种可能是对电视信号分配不同的图像质量。以预定方式，通过影响信号的相对复杂性来达到这一点。在那种情况下实现除法器54和55，例如计算：

分别为： (α₁X₁)/(α₁X₁+ α₂X₂) 和 (α₂X₂)/(α₁X₁+ α₂X₂)

其中α₁和α₂是常数。对于等复杂性（X₁＝X₂）的信号，现在得到不等的比特率。

图2表示该设备的另一个实施例。在这个实施例中，编码器1和2假定是MPEG编码器。如可能知道的（例如见ISO-IEC    DIS    11172"用于数字存储介质达到约1.5Mbit/s的运动图像和相关声频的编码"），在MPEG标准中的电视信号是以图像组（GOPS）的形式发送。每个GOP包括一个帧内编码图像（I图像），许多预测编码图像（P图像）和许多双向预测编码图像（B图像）。为了简单起见，在图2中没有表示出编码器1和2中构成运动补偿预测图像的通常的预测环路。根据本发明调整电路5现在包括：

（A）计算装置58和59，用于计算被发送的N个电视信号的每一个信号的复杂性X_n。图1中表示了作为替换的预分析电路，现在参考比特的数S和量化参数Q确定复杂的值，S是花费在编码前面的图像，Q代表量化这个图像用的平均步长。S和Q两个值由每个编码器加到调整电路。前述的ISO文件"MPEG2测试模式5"的第10章描述了S和Q的产物是代表电视信号复杂性的测量。通过对图像（I，P和B）的每种类型单独地确定这个产物，对每个电视信号TV_n（n＝1，2）获得三个复杂性数值X_I，X_P和X_B。

X_In＝S_In×Q_In，X_Pn＝S_Pn×Q_PnX_Bn＝S_Bn×Q_Bn

替换公式是可能的。特别明显地强调量化值影响复杂性的值，例如：X_*= S_*×Q_* ^α(α＞1)orin X_*= S_*× $e^{Q_{*}}$

其中标号※指的是图像（I，P，B）类型。

（B）根据下面的方程，求和装置53和除法器54，55对每个类型图像确定每个信号的相对复杂性：

$\frac{X_{\mathrm{I\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{I\; n}}},\frac{X_{\mathrm{P\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{P\; n}}}和\frac{X_{\mathrm{B\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{B\; n}}}$

（C）计算装置50用于对每种类型的图像计算联合信号接着发生的图像的总比特数T。模拟一套单独MPEG解码器（见MPEG2测试模式5的第10章）可执行如下的计算：

$T_I=\frac{R}{\mathrm{1\; +}\frac{n_P{\mathrm{·\; X}}_P}{X_I{\mathrm{·\; K}}_P}+\frac{n_B{\mathrm{·\; X}}_B}{X_I{\mathrm{·\; K}}_B}}{\mathrm{,\; T}}_P=\frac{R}{n_P+\frac{n_B{\mathrm{·\; K}}_P{\mathrm{·\; X}}_B}{K_B{\mathrm{·\; X}}_P}}{\mathrm{和\; T}}_B=\frac{R}{n_B+\frac{n_P{\mathrm{·K}}_B{\mathrm{·X}}_P}{K_P{\mathrm{·\; X}}_B}}$

其中n_P和n_P代表GOP中静止被编码的P和B图像数和k_P和k_B是具体的系统常数。

$X_I\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{I\; n}}{\mathrm{\times Q}}_{\mathrm{I\; n}}\mathrm{,\; X}{}_P=\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{P\; n}}{\mathrm{\times Q}}_{\mathrm{P\; n}}\mathrm{和\; X}{}_B=\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{B\; n}}\mathrm{\times Q}{}_{\mathrm{B\; n}}$

在公式（1）中，X_I，X_P和X_B代表电视信号的联合复杂性，因为如果它们的图像联合形成一个超级图像。由下式可组成这个联合复杂性值：

或由下式：

$X_I\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{I\; n}}\times \underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{I\; n}}\mathrm{,\; X}{}_P=\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{P\; n}}\times \underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{P\; n}}和$

$X_B\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{B\; n}}\times \underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{B\; n}}$

因此，计算装置50从每个编码器接收其花费的比特数S和平均步长Q。

在公式（1）中，R是分配给联合的GOP（超GOP）的剩余比特数。R的初始值是可用的比特数/超GOP。对于一套单独编码器这里用G来标注。在根据本发明的设备中，该初始值是NXG。在用花费比特数（分别为S_I，S_P，S_B）每个超图像的编码之后，R被降低。

（D）乘法器56和57，用于对超图像在N个编码器中间，以正比例于相应电视信号的相对复杂性分配目标值T。用公式，其值表示为：

$T_{\mathrm{I\; n}}=\frac{X_{\mathrm{I\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{I\; n}}}{\mathrm{\times \; T}}_I\mathrm{,\; T}{}_{\mathrm{P\; n}}=\frac{X_{\mathrm{P\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{P\; n}}}{\mathrm{\times \; T}}_P\mathrm{和T}{}_{\mathrm{B\; n}}=\frac{X_{\mathrm{B\; n}}}{\underset{\mathrm{n\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{B\; n}}}{\mathrm{\times \; T}}_B$

在这样描述的方式中，编码器1接收每种类型图像的目标值T_I1，T_P1和T_B1。在另一个自治方式中，编码器的控制电路14试图满足这个目标。以相应的方式，解码器2接收目标值T_I2，T_P2和T_B2。这样，对每个编码器保持着所加的目标值相对于其它电视信号来说取决于相应电视信号的相对复杂性。

图3表示在图2所示设备中使用的调整电路5的可替代的实施例。相同的标号代表在这种情况下的相同功能。该调整电路不同于图2所示的一个电路。在那里计算装置（图2中的标号50）现在被分为两个相同的计算装置501和502。如果整个信道比特率对该信号是可用的，它们对每个电视信号计算下一个图像的比特数。前面描述的公式（1）用于计算，在公式中X_I，X_P和X_B现在代表相应（不是联合）电视信号的复杂性数值。在图3中计算的比特数用T₁′和T₂′标注。它是用相应信号的相对复杂性相乘（56，57）的一个数。以图2所示相同的方法（求和装置53，除法器54和55）获得相对复杂性。

图4表示根据本发明设备的另一个实施例。这个实施例不同于前面描述的实施例，在那个实施例中，联合控制电路60的量化器11和21接收平均步长，该步长对于两个编码器是相等的（如果需要，步长可在图像内从一个宏块到一个宏块的变化，取决于有效性）。控制电路接收相应于信道比特率的目标值T并控制作为比特数函数的平均量化步长，该比特数由编码器联合地产生。这个数由加法器61供给。该控制电路具有与一套单独编码器（图1和2中的标号14和24）的已知控制电路相同的结构，而且不需要任何进一步说明。因为在这个实施例中每个编码器的步长是相等的（即Q＝Q₂＝Q），每个信号（即X_n＝S_nQ）的复杂性直接地用花费的比特数S_n表示。因此，复杂性的单独测量是多余的。因为从下式明显地看出：

S_n= (X_n)/(Q) = (X_n)/(X₁+ X₂) × (X₁+ X₂)/(Q) = (X_n)/(X₁+ X₂) ×(S₁+ S₂)

在这个实施例中，每个信号的比特率还正比例于其复杂性。对于两个信号来说图像质量是相等的，因为两个编码器以相同的步长量化。如果对每个电视信号希望不同的图像质量，由控制电路60产生的步长可被分为两个不同的步长，步长相对于相互之间具有一个预定的固定比。

对于所有前面描述的设备的实施例，应当保持N个电视信号的当前的比特率，对每个图像或每个GOP，以适当参数的形式，能被发送到接收的解码器。MPEG标准已经提供了这种可能性。

使用联合比特率控制，每个电视信号的图像质量提高。对广播系统来说这是一个重要优点。联合比特率控制还提供发送外部信号的可能性。例如，代替两个一套单独5Mbit/s的电视编码器，具有9Mbit/s的联合比特率的两个中心控制编码器能够耦合10Mbit/s信道，而保持图像质量。剩余的1Mbit/s，例如可发送外部数据信号。理论考虑和实际经验已进一步证明，保持图像质量的同时能发送更多数目的电视节目，例如5个节目代替4个，或27个节目代替20个。

除了广播之外，联合比特率还提供应用于记录的有趣可能性。图5表示用于在存储介质上存储电视节目的设备。该设备包括用于分离电视节目为等长的两部分A和B的装置100。这些装置例如可能是由两个录像机构成，该录像机分别重放节目的第一和第二个的一半。两部分A和B加到设备101，以在此之前描述的方法，设备101形成该两部分的一个信道比特流A+B，该信道比特流被存储在一个光盘102上。图6表示光盘重放的相应装置。从光盘102上读取的信道比特流A+B被加到一个选择器103，该选择器首先选择比特流A并把它加到MPEG2解码器104。解码的信号在图像监视器105上显示。在控制电路106的控制下，在结束部分A之后相同的信道比特流接着再被读取。然而，现在选择比特流B并被编码。在读头的重置期间（在实际中约0.8秒）部分A的最后的图像可作为静止图像显示。这里有些麻烦，可使用一个缓冲器作为这个期间的桥。联合比特率控制在记录中的这种应用要求光盘以（基本上）两倍的速率旋转和比较复杂的光盘控制，无论如何，这是用较好的图像质量或较长的放像时间来弥补。

Claims (10)

1、一种用于通过具有预定信道比特率的一个传输信道传送多个电视信号的设备，包括：

编码器(1，2)，用于编码每个比特流电视信号；

控制装置(14，24，5)，用于控制每个比特流的比特速率；

用于联合比特流为信道比特流的装置(3)，

其特征在于，控制装置适于控制每个信号的比特流，与相对于多个电视信号联合复杂性的所述信号复杂性无关。

2、根据权利要求1的设备，其中每个编码器（1，2）提供相应的控制装置（14，24），其特征在于，该设备包括一个公共调整电路（5），用于加一个比特率目标值（T₁，T₂）到每个控制装置，与相应电视信号的复杂性（X₁，X₂）无关。

3、根据权利要求2的设备，其特征在于，该调整电路（5）提供一个预分析电路（51，52），用于确定每个电视信号的复杂性。

4、根据权利要求2的设备，其特征在于，该调整电路（5）提供装置（58，59），用于从比特数（S）和平均步长（Q）确定电视信号的复杂性，用平均步长（Q）编码所述电视信号的前面的图像。

5、根据权利要求2，3或4的设备，其特征在于，该调整电路包括乘法器（56，57），用于以相对于总复杂性的相应信号的相对复杂性（X_n/∑X_n）乘对于多个电视信号的可变比特数（T）。

6、根据权利要求1的设备，其特征在于该控制装置（60，61）适合于对每个编码器形成一个联合控制值，与多个电视信号的联合复杂性无关。

7、根据前述权利要求的任何一个权利要求，其特征在于该编码器是MPEG的编码器。

8、一种用于存储电视信号的设备，其特征在于该设备包括：

用于分离信号为等长度的多个部分（A，B）的装置（100）;

用于在存储介质（102）上同时存储该部分的装置（101），该装置由前面权利要求的任何一个权利要求限定的设备构成。

9、一种存储介质，用于存储信道比特流形式的电视信号，其特征在于，存储的信道比特流包括多个同时出现的信号，每个信号的比特率取决于相对于多个信号联合复杂性的所述信号的复杂性。

10、一种从存储介质重放电视信号的设备，其特征在于，该设备包括：

用于重复读取存储信道比特流的装置（106），该比特流包括多个同时出现的信号，每个信号的比特率取决于相对于多个信号联合复杂性的所述信号的复杂性;

用于从读取信道比特流选择并编码同时出现信号的预定的一个信号的装置（103，104）。

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