CN1266335A - 用在多路复用系统中调节比特率的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节在多路复用的系统中的比特率的装置,该统计多路复用系统包括一个分配比特率的装置(1),每个数据流的每个编码器E(i)包括第一编码装置(20)和第二编码装置(30),存储装置(12)存储最后图像的复杂性Xlst- I,最后图像组的复杂性(X- GOP)实际由第二编码装置(30)编码,最后比特率Ri由比持率分配装置(1)分配,装置(10)为每个编码器E(i)调节比特率以确定下一幅图像的复杂性值,并且发送复杂性值给比特率分配器(1)。

Description

用在多路复用系统中调节比特率的装置和方法
本发明涉及到一种装置和一种方法，其根据MPEG 2编码标准，为编码图像数据流的统计多路传输，用于调节一个系统中的比特率。这种方法和这种装置是集成在一起的，例如集成在一个统计多路复用系统的每个编码器中。
根据MPEG 2视频标准的一个编码系统利用信号的特性来减少比特率。
这种实现的编码算法描述利用要编码图像的空间和时间码冗余度的图像按组编码。
空间冗余度主要是依靠三种操作的连续性处理；一种操作一般被称作离散余弦变换并且表示为DCT，一种量化起源于DCT系数的操作以及一种用于描述量化起源于DCT系数的可变长度编码操作VLC。
DCT变换能够使一个构成数字视频图像的两维空间表示法变换到一个相位未知的光谱表示法。这种DCT变换导致一个块状维数矩阵的产生，在此每个系数对应于两个频率的结合，水平的和垂直的，对于低频段给出的系数位于该矩阵的左上部。
起源于DCT变化的矩阵系数的量化在于根据采用量化间隔是多重数值而表示这些系数。在这方面，小于量化间隔或量化级别的那些系数用零值编码。最后，可变长度编码在于矩阵的每个系数，该矩阵曾经被根据与具有量化系数的最常用值的最小二进制代码有关的熵编码类型而量化。该矩阵的系数从位于该矩阵的上左角的单元开始“之”字形地行进，并且在该矩阵的底右角结束(最大水平和垂直频率)。
当所有系数都被经过后，或者当到达最后的非零系数后，矩阵的系数的编码结束(使用特定的退出字符)。因此，在完成量化时，在该矩阵中有更多的零系数，用于编码图像的二进制序列更小，也就是说发送的数据量更小。另一方面，数据量越小，关于要被编码的图像的信息量越小，因此导致由解码器重构图像过程中出现可见的人为量化。
通过运动补偿操作分析时间冗余性，其中包括通过对当前图像的每个块的位移操作搜索位于参考图像中的最相似块。时间冗余性的分析导致位移矢量的区域的确定，该位移矢量通常称为运动矢量，以及导致作为当前图像的信号和由运动补偿所预测的图像的信号之间的差的预测误差的确定。然后，根据空间冗余的原理分析该预测误差。
MPEG 2编码是预测型编码。它跟随着，相关联的解码过程必须有规律地重新开始，以防止由于解码器从一个程序切换到另一个程序所造成的任何传输错误或任何信号中断。
为此目的，MPEG标准定期地要求该图像必须以空间模式编码，也就是说，仅仅根据利用空间冗余的模式。在空间模式中编码的图像通常称为INTRA图像或I图像。
通过利用时间冗余编码的图像有两种类型：一方面是通过参照在时间上更早的图像构成的图像，另一方面是通过参照时间上更早的图像和时间上更后的图像所构成的图像。
通过参照时间上更早的图像所构成的图像通常称为预测图像或P图像，并且通过参照时间上更早的图像和时间上更后的图像所构成的图像通常称为双向图像或B图像。
I图像被编码而参考除了它本身之外的其他图像。P图像是通过参照在其之前的P或I图像而解码的。B图像是通过调用在其之前的I或P图像和在其之后的I或P图像而解码的。
I图像的周期性确定一组通称为GOP(“图像组”的缩写)的图像组。
如本领域内的专业技术所知，在单个GOP中，包含在I图像中的数据量通常大于包含在P图像中的数据量，并且包含在P图像中的数据量通常大于包含在B图像中的数据量。
根据图像类型，为了处理数据量中的分散，一个MPEG 2编码器包括用于从属数据位率的装置。
这样一个从属的装置能够控制编码的数据流。它包括一个缓存存储器，用于存储该编码数据，并它且模拟一个称作参考解码器的双重缓存存储器的状态。该从属装置，以这样一种包含在解码器中数据总数而在参考解码器是常量的形式，平滑输出缓存存储器数据的比特率。
因此，作为图像(I，P或B)类型的一个函数包括事实上其处理I类图像产生一个大于平均比特率的比特率(一般等于3到4倍的平均比特率)，事实上其处理P类图像产生一个接近平均比特率的比特率以及事实上处理B类图像产生一个小于平均比特率的比特率(一般等于0.1到0.5倍平均比特率)。
此外，当一个节目的编码视频信号打算与来自其它节目类型相同的信号多路复用时，众所周知实际是共享各种信号之间多路复用的共用比特率。例如，通过卫星的电视节目广播期间，发现这种配置。在这种情况下，多路复用的比特率可以达到40MB/s，因此允许同时传输几个节目(例如在每40MB/s上传输10个节目)。
一个源于MPEG 2编码类型的电视节目，在解码之后，以固定比特率展示出存储图像质量的变化。这起源于视频信号超时的平均信息量的可变性，这种可变性通过DCT系数量化电平中的波动来证实。
一个与电视节目相关合适的比特率分配则能够全面增加电视节目的质量作为一个整体与/或提高节目广播的数量。根据已有技术，k次数编码GOP的结果则用作相对k+1次数GOP的期望编码难度的预测。
编码每个图形的费用是可变的。调节环路的任务是修正由于图像复杂性(下面定义)中的变化引起的数据流变化，并且以符合输出数据流规定比特率形式发送。这个调节一般表现在量化间隔上，该量化间隔取决于在编码器输出的缓存存储器的填充电平。这个缓存存储器能够吸收根据其类型(I，P或B)的编码图像由于数量上变化引起的比特率漂移，如同吸收由调节环路的响应时间引起的比特率漂移一样。
在视频信号源的编码器输出的数据流是可变的。这的确是有益的，例如，几个视频信号源在一个信道上传输的情况下，以一种动态的方式在各种视频信号源之间分配信道的合适“全局”比特率，这就是说对每个编码要视频信号源，作为这些图像复杂性发展的一个函数。与现有的一些处理方法比较，这种处理能够改进发射图像的整个质量，例如，那些指定固定比特率给视频信号源，作为发射节目类型的一个函数。
图2描绘一个采用这样一种处理的整个发射过程。这包括在一个单独发射信道上用恒定的全局比特率发射几个编码视频信号源。这个比特率对应于它的容量，例如，一个转发器信道的容量。用于编码视频信号源的一些电路(E′(i))连接到多路复用器(2.a)的输入，多路复用器(2.a)的输出提供要在这个信道上发射的数据流。它们还连接到一个接口电路(14)，该接口电路发射关于视频信号源复杂性的数据给一个比特率分配器(1.a)并且接收由这个比特率分配器(1.a)分配给每个源的比特率。后者，因此就具有了分配一个比特率给每个源(E′(i))的责任，以及控制多路复用电路或者多路复用器(2.a)的责任。信息是经由一个比特率分配器(1.a)或接口电路(14)认定的高速总线交换的。一个监控电路(15)连接到这个总线以致于确保整个发射的管理。同样地，每个解码器E′(i)包含一个根据上述原理计算下一幅图像的期望复杂性的比特率调节装置(10.a)。
多路复用的实现，例如，图像接图像，作为一个相同信道上由比特率分配器分配给每个发射视频信号源的比特率的函数。该比特率取决于对一个给定量化间隔，考虑产生信息量的视频信号源复杂性的一个系数。该系数为每个视频信号源的每个GOP测量的。例如，它符合用于编码一个GOP的比特位数量，符合恒定的量化间隔否则就符合标准化的比特计数，如果该间隔是可变的该比特计数符合由量化间隔乘上比特数量。可变比特率编码过程的工作方式由调节环路来保证，该调节环路使用一种大家知道的方式本身中编码器的缓存器。
取决于上面所述每个信号源比特率的与统计多路复用相关的可变比特率编码器的使用是众所周知的，并且是一种优化转发器信道容量的装置。
然而，这些统计多路复用系统有大量缺点。尤其是，对于一个给定的量化电平时，人们发现一些序列与原来的相同，同时其它序列将表现出退化。这证明要表现一幅图像质量的量化电平不足。
同时，已有技术的统计多路复用系统往往分配一个相同的量化间隔给该系统所有的解码器。然而，不管视频信号源能够使量化间隔相同而造成一个编码质量的不良分布。因此，简单的序列将大大地处于不利位置而复杂序列将获得太多的比特率。
本发明的目的是减轻已有技术的缺点，这是用提供一种为编码图像数据流统计多路复用而用来调节系统比特率的装置，根据MPEG 2编码标准能够均匀统计多路复用系统所有节目各自质量的再现，不管序列的类型。
这个第一目标事实上是，根据MPEG 2编码在由编码器编码的几个图形数据流多路复用的一个系统中，通过用于调节比特率的装置集成到每个编码器来达到的，该统计多路复用系统包括一个利用比特率调节装置计算的复杂性来分配比特率的装置，每个数据流的每个编码器包括一个实现所有图像的第一空间编码的第一编码装置，如果它必须空间地编码并且预先对应通过第二编码装置的第二实际编码时，以便确定对每个图像的编码费用，具有存储装置特点的调节装置存储由第一编码装置空间编码的最后图像的复杂性，最后图像组的复杂性实际由第二编码装置编码，最后比特率由比特率分配装置分配，依靠集成电路制成的一个预先记录的程序和利用存储的数值，该装置来为每个编码器的调节比特率确定由第二编码器编码的下一幅图像的复杂性值，为了确定发送给该编码器的下一个规定比特率，该比特率调节装置还包括用于传送该复杂性给比特率分配器的装置。
根据另一个特点，在第一编码装置编码期间，比特率调节装置确定要编码图像复杂性所用的量化间隔是由比特率调节装置确定的最近三个量化间隔之间最大量化间隔。
根据另一个特点，该比特率调节装置包括一个用于确定复杂性平均值的模块，该复杂性平均值是为了确定前述图像的数量调节装置发送给比特率分配器的，于是，包括一个利用比较器来确定该平均值与计算的和存储的最近复杂性数值之间的最大值，这个值符合比特率调节装置通过发送装置发送给比特率分配器的值。
根据另一个特点，该比特率调节装置包括计算该程序先前已经计算复杂性数值的平方根的第一装置，这个值符合比特率调节装置通过发送装置发送给比特率分配器的值。
根据另一个特点，该比特率调节装置包括用于取复杂性值的最大阈值和最小阈值的第二装置。
根据另一个特点，复杂性的阈值通过一个比较器来实现的，它来确定一方面最大值，另一方面最小值之间的最大值与由确定系数相乘计算的最近复杂性之间的最小值。
根据另一个特点，第一和第二装置分别由一个记录在存储装置的程序模块组成。
根据另一个特点，该比特率调节装置连接到一个预处理装置，该预处理装置包括至少一个用于检测场景的变化与/或重叠的渐渐消失测量装置，该检测是通过执行一个图像的象素线与下面图相同等级线之间的两个连续图像之间的相关(互相关)的分析，或者通过执行一幅图像内该图像与同样图像象素线之间相关(内相关)的分析来实现的，分析的结果发送给一个包括确定适应于场景的变化与/或重叠渐渐消失的复杂性数值的装置的比特率调节装置，该数值符合比特率调节装置通过发送装置发送给比特率分配器的数值。
根据另一个特点，包括用于测量内相关的一个装置的预处理装置，在已经成功地检测到一个未相关一个再相关在一幅图像内(内相关)之后，就发送一个信号给比特率调节装置，这是作为一个重叠的渐渐消失的分析，而该比特率调节装置指定关于下面要编码图像的一个确定数量，一个复杂性数值符合最大阈值，下面要编码图像的数量符合包含在由一个画面增加的一组画面中的图像数量，这个数值符合比特率调节装置通过发送装置发送给比特率分配器的数值。
根据另一个特点，包括用于测量内相关的一个装置的预处理装置，在已经成功地检测到两幅连续图像之间的一个强烈未相关(互相关)之后，就发送一个信号给代表两幅图像之间未相关电平测量的比特率调节装置，这个信号是由比特率调节装置作为场景变化检测来分析的，以便估算将要应用于确定下面图像数量的复杂性，作为一个由预处理装置计算的未相关电平的函数。
本发明的第二目的由一个用于调节统计多路复用系统的编码器的比特率的方法构成，该系统能够对所有统计多路复用系统的节目保证主观质量的同样再现，而不管序列的类型。
这个目的事实上是通过用于为一个统计多路复用系统调节每个编码器比特率的方法来达到的，该统计多路复用系统包括一个连接到每个编码器的每个比特率调节装置的比特率分配装置，每个编码器包括一个执行空间编码，以及对所有由第二编码装置随后实际编码的图像使用引导时间的第一编码装置，该方法包括：
-一个存储步骤，它在每个编码器的比特率调节装置的存储装置上存储表示第一编码装置编码的最后图像的复杂性数值，代表第二编码装置编码最近画面组的复杂性数值，和代表由调节装置接收自比特率分配器的比特率的数值，
-一个计算步骤，根据先前存储的数值计算由第二编码装置编码的下一幅图像复杂性的估算，
-一个发送步骤，发送第二编码装置编码的下一幅图像的估算复杂性数值给比特率分配装置。
根据另一个特点，该比特率调节方法包括：
-一个第二计算步骤，确定第二编码装置编码的下一幅图像的复杂性作为由第一计算步骤确定复杂性的平方根。
根据另一个特点，该比特率调节方法包括：
-一个分析两个连续图像相关的一个测量的步骤，这能够确定场景变化的存在和代表两个图像之间未相关电平的数量，
-一个发送步骤，发送给比特率调节装置一个代表场景变化的信号和代表两个图像之间未相关电平的数量，
-一个估算步骤，由比特率调节装置估算一个确定第二编码装置编码后来图像数量复杂性的数值，作为一个代表两幅图像之间未相关的电平数量的函数，
-一个发送步骤，由比特率调节装置发送对确定图像数量的复杂性数值给比特率分配器。
根据另一个特点，该比特率调节方法包括：
-一个分析步骤，分析一幅图像与相同图像的象素线之间相关的测量，以便确定图像的一个序列中重叠渐渐消失的存在，
-一个发送步骤，发送一个代表重叠渐渐消失的检测的信号给比特率调节装置，并且符合一个图像的象素线与相同图像直接较高等级的象素线之间再相关后未相关的检测，
-一个发送步骤，由比特率调节装置发送对确定第二编码装置随后编码的图像数量的复杂性数值给比特率分配器，该复杂性的数值符合比特率分配器允许复杂性的最大阈值。
附图描述：
本发明的其他特点和优点在参考下面附图时阅读给定的描述中将变得更清楚。
图1描绘一个根据本发明采用比特率调节装置的统计多路复用系统的框图。
图2描绘一个已有技术的统计多路复用系统的框图。
图3描绘一个在统计多路复用系统中信息交换的框图。
图4描绘根据本发明用于计算该调节装置的复杂性的程序算法。
图5描绘根据本发明用于检测比特率调节装置的场景变化和重叠渐渐消失的程序的逻辑流程图。
本发明详细描述：
在详细描述本发明之前，让我们回顾编码器中的MPEG 2编码原理和回顾已有技术的统计多路复用系统中比特率分配原理。
在一个编码器的输入端，有一个用于在压缩之前存储图像的系统。这些存储的图像是预先分析。每次一个图像输出以便被编码，一个图像被存储。在这个存储期间，执行这些操作。这些操作在于特别是图像之间的测量差别和一幅图像的数据块之间的差别。正是在这个预处理阶段表现运动的形式被确定。
一个来源于视频信号源的视频图像包括一些被技术上熟知人称为宏模块的数据块。每个宏模块代表一个16×16象素的矩阵。在NTSC制式中的一幅图像包含1350宏模块在每秒30幅的图像中。在PAL/SECAM制式中的一幅图像包括1620宏模块在每秒25幅的图像中，以致于实际地代表如NTSC制式中图像相同的数据量。每个模块加入一个DCT变换模块，在此变化由每个宏模块代表的空间表示变换到一个相位是未知的频谱表示。因此变换的图像而后被量化，通过一个用于量化DCT变换系数的阶段。然后该量化的图像利用可变-长度编码(VLC，HUFFMANN编码类)来编码。在输出端，产生一个包括描述图像的每个宏模块信息项连续性的二进制字符串，来源于量化的每个矩阵系数以8比特编码。费用的减少，即减少了二进制字符串的长度，是通过量化来实现的。的确，通过量化，16*16的DCT矩阵的某些系数(具有1＜i＜16和l＜j＜16的Aij)将是零。尤其是，在水平轴(i)和垂直轴(j)中的相应高阶元素(i，j)的矩阵系数，因为这些系数对应于高的频率。现在，一个视频信号基本由低频信号组成。DCT变换把有用的信息集中在具有低值元素的矩阵系数上。
如果编码器输出端的比特率是恒定的，则量化电平就以确保在输出端产生的费用与比特率规定一致的这样一种方式改变。要做到这一点，编码器利用一个比特率调节模块，通过观察宏模块到宏模块产生的费用，调节量化电平以便在比特率超过图像应该遵守的规定时结束。对于一个给定的比特率，信息的质量，或图像光谱密度将提示必要条件给变化的量化间隔以便编码后的费用是固定的。这个表示复杂的图像被严格地量化以便满足低比特率的限制，以及连续地产生可视量化人为现象。作为输入图像的一个特殊测量，使用如下面的一个简单关系：
a)X＝C×Q
在这个公式中，X是要编码图像的复杂性，C是它的费用而Q是该图像编码使用的平均量化间隔。作为一个第一近似值，对于量化中变化小时这个量是恒定的。的确，通过增加量化电平，编码的费用就减少。因此，信息源的特性是独立于量化电平获得的。这个复杂的测量利用统计多路复用的分配原理建立基本的测量。
图3描绘一个统计多路复用系统中信息交换的框图。每个编码器E(i)(其中i从1到N)将发送一个用基本公式(a)计算的复杂测量Xi给比特率分配器(1)。在已有技术中这个计算是由集成到每个编码器E′(i)的比特率调节装置(图2中10.a)实现的。该比特率调节装置(图2中10.a)发送这个复杂性的计算数值给分配器。分配器(1)收集每个编码器E(i)的复杂性Xi并且将一个再分配比例应用于这些要求。 R i = X i Σ j = 1 N Xj · MR
在这个公式中，Ri是由比特率分配器(1)响应编码器E(i)的要求Xi分配给编码器E(i)的比特率。分配比特率总和符合该信道的比特率规定MR。在一个稳定的状态下，这表示比特率已经稳定，这就是说每个编码器(E(i))的比特率中的变化是小的，因此由编码器E(i)编码的节目具有相同的量化电平。该假设仅仅是在如果图像的质量是由量化电平确定的以及在如果量化电平保证，不管编码的图像，主观质量的一个持续再现的情况下才有效。
这个原则是很难相关的。的确，一个体育类型节目能够比一个简单节目(例如，固定-焦距的拍摄)较严格地量化。
更精确地，一个固定-焦距的拍摄几乎不包含任何运动，包括相同的区域但是很好的细节。对于这种类型的拍摄，人的眼睛对作用在统一区域上的最小量化往往变得敏感。因此，顺序地，主观地，为了要满足编码的再现，需要一个非常低的量化电平以致于不抵偿或者不减小矩阵系数编码的精度，以致于不引进任何量化的影响。相反地，对于有大量运动的体育场景，在该场景中存在大量的细节，人的眼睛没有时间去完整化这些细节，这就意味可能用一个较高的量化电平更严格地量化它，以致于抵偿大量的矩阵系数，而不存在任何明显的量化影响。现在，在稳定状态下对所有类型的图像应用一个同样的量化电平，必然导致在简单图像和复杂图像之间的质量上结果的不同或离散。
本发明的原理在于介绍一种通过再现复杂性功能的修改，它不直接地依靠量化间隔，如在已有技术中，但是一个测量表示依靠量化电平的编码质量。
根据本发明，计算下一幅要编码图像复杂性的原理，根据MPEG 2标准，利用来源于打算要编码的所有图像执行第一编码的信息。这第一编码对所有图像被空间地实现，这就是说不存在运动补偿或者时间冗余搜索。因此，在第一编码的输出端只有I图像存在。再者，第一编码是用几幅导引图像实现，因此这意味当一幅图像由第一编码来编码时，实际它将不实际用与MPEG 2标准一致的任意组图像结构编码，直到几幅后面的图像，例如后面的两幅图像。因此，例如两幅图像，如果它不得不根据空间方式编码，对于该编码的费用和量化间隔，本发明的计算原理使其能够增加访问。
根据本发明的原理，下一幅实际编码的复杂性Xst(n)，由统计多路复用系统的每个编码器利用根据本发明的计算复杂性原理计算是由公式(b)定义的：
Xst(n)＝Qlst I(2+k)·R(n-1)                         (b)
在这个公式中，n是一个时间量，例如一个画面或视频图像元素，R(n-1)是比特率分配器(1)分配给编码器的最后比特率，而Qlst I(n+k)是对将要由第一编码连续编码的图像的量化间隔并且由下面公式确定：
Qlst I(n)＝Xlst- I/TI(n)                                 (c)
在这个公式中，Xlst- I是关于当前图像预先空间编码的最后图像的复杂性。而TI(n)是关于当前图像，预先空间编码的下一幅图像的期望编码费用，并且由下面公式(d)来确定： T 1 ( n ) = X lst - I X - GOP · N f pict · R ( n - 1 ) · G 3 : 2 ( n ) - - - - - ( d )
在这个公式中，X- GOP是最后一组编码图像的复杂性，并且由下面公式(e)来确定：
X- GOP＝Xlst- I+NPZPX- P+NBZBX- B                  (e)
在这个公式中，NP是该组图像中P图像的数量，NB是该组图像中B图像的数量，而ZP和ZB是在编码过程中根据它们的重要性使其能够给出或多或少权重的权重系数，例如ZP＝1.1和ZB＝0.75。
在公式(e)中，X- P和X- B分别是最近的P和B图像的复杂性，并且根据公式(a)的原理，在实际编码期间根据与MPEG 2标准相关的GOP结构计算的。
在公式(d)中，N是一组图像的数量并且等于：
1+NP+NB
在公式(d)中，Rate(n-1)是由编码器接收比特率的最近规定并且被描述为每秒比特的数量，fpict是每秒图像的频率，G3∶2是在两个连续图像中冗余画面的数量并且一般标准是在1.0和1.5之间。
图1描绘一个根据本发明采用比特率调节装置的统计多路复用系统的框图。
为了应用前面描述的计算原理，统计多路复用系统的每个编码器E(i)(或者编码器)包括一个预处理器(40)，承认依据标准4.2.2(CCIR601标准)格式数字化图像的输入数据流(41)的分析。该装置(40)本质上是已知的并且包括一个能够存储一定数量图像以及能够识别着眼于编码的图像数据流的缓存存储器。首先，这个预处理器(40)由第一链路(42)连接到装置(50)，其本质上是，用于寻找每幅图像的运动矢量而使它能够找出图像的冗余度。第二，预处理器(40)由第二链路(46)连接到第一编码器(20)来以空间方式实现对应于图像实际编码的预先第一编码。预处理器(40)提供在输入端收到的数字图像给第一编码器(20)。第三，预处理器(40)由第三链路(47)连接到第二编码器(30)来实现应用根据MPEG 2标准的确定组图像结构的第二编码。两个编码器(20，30)每个都包括，以一种已知可变长度编码的方式，一个执行离散余弦变换或者DCT的模块(21，31)，一个执行对来源于DCT的系数量化操作的模块(22，32)，和一个执行VLC操作的模块。在一种明显的方式中，预处理器(40)提供n阶图像I(n)给第二编码器(30)并且同时提供n+k阶图像I(n+k)给第一编码器(20)，其中k至少等于2。因此关于它们由第二编码器(30)的实际编码，进入第一编码器(20)的输入图像用一个引导时间进行空间编码。
第二编码器(30)的量化模块(32)连接到一个模块(34)，执行连接其本身到执行反向DCT变换的反向量化，以致于通过一个包含在特别是存储器中的重建模块(36)来重建图像。该重建图像将作为一种由运动估算器(50)执行的运动估算中的支持。重建图像经过链路(51)从重建模块(36)传送到运动估算器(50)。重建模块(36)还通过一个链路(54)接收前述图像的运动矢量，其中这些矢量由运动估算器(50)来确定。
在预处理器(40)和第二编码器(30)之间的链路(47)通过一个减法器(60)来达到目的，该减法器接收预处理器输出的图像和经过链路(52)存储在存储器(36)中的参考图像作为输入图像。这个减法器(60)在来源于预处理器(40)的图像和参考图像之间，一个模块接一个模块地执行减法操作，并且在其连接到第二编码器(30)的输出端发送这个根据前面描述的原理(DCT，量化，VLC)编码的差结果。减法器(60)仅对P和B图像执行差运算。
运动估算器(50)还依靠链路(53)连接到第二编码器(30)。该链路允许运动估算器(50)发送来自参考图像与由第二编码器(30)编码的P和B图像比较结果的运动矢量。
第二编码器(30)输出一个根据MPEG 2标准编码图像的数据流(300)给多路复用器(2)。第一编码器(20)连接到一个比特率调节器(10)。该比特率调节器(10)构成每个编码器E(i)的元素，该编码器E(i)使其能够应用本发明先前确定的原理。该装置(10)分析通过链路(24)来源于第一编码器(20)的空间编码图像的数据流，并且根据一个预先记录的节目来确定编码费用CI(n+k)，如同对每个由第一编码器(20)编码的图像量化间隔(QI(n+k))一样。元素n+k表示涉及到在要编码的图像之前接收的k个图像的费用，其中k至少等于2。同时，为了以已知方式构造一个调节环路，还要连接比特率调节器(10)，一方面对于第二编码器(30)的量化模块(32)通过链路(132)连接，以便为当前图像的编码提供合适的量化电平QS(n)给这个量化模块(32)，而另一方面对于第二编码器(30)的输出聚集发送给多路复用器(2)的编码图像的有关费用CS(n)的信息。该调节器装置(10)还通过一个双向总线(11)连接到比特率分配装置(1)或者统计多路复用系统的比特率分配器，以便一方面利用发送装置，为每幅图像的分配器发送一个包含根据公式(b)为这幅图像计算的期望复杂性Xst的值的请求，而另一方面，为每幅图像以便接收来自分配器的响应先前发送请求的比特率约束R(i)。
要根据公式(b)计算复杂性的值，比特率调节器(10)包括，一个预先记录在存储器(12)中的程序P2，根据公式(b)到(d)，基于涉及由第一编码器(20)编码的最后图像的复杂性Xlst- I，由第二编码器编码的最近P图像和B图像的复杂性，和接收自比特率分配器的最后比特率约束Rate(n-1)为基础等信息，用来计算复杂性的数值。例如，这个信息存储在存储器(12)中。对于常用计算实际编码的下一幅图像复杂性的第一编码器(20)编码的图像量化间隔，是对将由第二编码器(30)编码k个图像稍后图像的量化间隔，其中k等于2。例如，以前引用的数值通过一个预先记录在调节器(10)的存储装置(12)的程序收集，并且存储在这些相同的装置(12)或者不同的存储器。
程序(P2)计算公式(b)定义的复杂性Xst并且根据图4的算法工作。例如，这个程序包括一些由一个集成电路实现的模块。
第一模块(M1)存储第一编码器(20)编码最后图像的复杂性Xlst- I的数值。
第二模块(M2)通过公式(e)的算法计算，然后存储第二编码器(30)编码的最近一组图像(GOP)的整个复杂性X- GOP，一方面利用编码和存储的P和B图像的复杂性数值(X- P，X- B)，例如在比特率调节装置的存储器(12)中，而另一方面例如，预先记录在比特率调节装置的存储器(12)中的常量NP，ZP，NB，ZB，表现GOP的构成。以这个复杂性值X- GOP为基础，以第一编码器(20)编码的最后图像的复杂性Xlst- I为基础，程序(P2)的第三模块(M3)计算然后将由公式(d)确定并且对应于第一编码器(20)编码下一幅图像的编码费用的值TI(n)存储在，例如比特率调节装置(10)的存储器(12)中。常量N，flict和G3∶2(n)存储在比特率调节装置的存储器(12)中。同时，由比特率分配器(1)分配的最后比特率R(i)也被收集并且由用于计算复杂性程序(P2)的第四模块(M4)存储在比特率调节装置的存储器(12)中。
一个用于计算复杂性的程序(P2)的第五模块(M5)，通过公式(c)，以值TI(n)和先前由第一(M1)模块和第三(M3)模块计算与/或存储的Xlst- I为基础，来计算量化间隔或者关于第一编码器(20)编码下一幅图像的电平Qlst I。最后，第六模块(M6)，以由第五模块存储的量化间隔Qlst I的计算值和由第四模块(M4)收集和存储的最后比特率R(i)为基础，来计算复杂性Xst的值。一旦计算完后，这个复杂性值Xst被比特率调节装置(10)经过发送装置发送给比特率分配器(1)。
因此，这个由对应比特率分配器(1)的比特率调节装置(10)采用的复杂性Xst的特别计算，能够提供一个由第二编码装置(30)用引导时间编码的下一幅图像的复杂性估值给比特率分配器(1)。同时，公式(b)能够提出一些修正以便改进复杂性的确定。
在比特率调节装置(10)的第二个不同的实施例中，对于量化电平的低值，第一调节用于限制复杂性中的变化这样一种方式。的确，当量化电平从数值1变到数值2时，根据公式(b)，复杂性的值将加倍。响应这个复杂性要求，分配器将因此而提供双倍的比特率值。现在，这个比特率不必须与量化电平是2的图像的内容相关。因此，为了避免响应一个复杂性要求而分配比特率中太大变化，公式(B)的量化电平Qlst I(n+k)的值由下面的替换，例如从k等于2；
Qmst(n)＝MAX(Qlst I(n)，Qlst I(n+1)，Qlst I(n+2))
因此公式(b)就变成：
Xmst(n)＝Qmst(n)·R(n-1)
为了实现这个运算，根据本发明用于计算调节装置(10)复杂性的程序P2包括一个能够为第一编码器(20)编码先前的图像而存储量化间隔值的第七模块(M7)，例如存储在比特率调节装置(10)的存储器(12)中。这些量化间隔是由第五模块计算的。第七模块(M7)还在这些量化间隔之间执行比较以便确定和存储最大值Qmst。第六模块(M6)被修改以致于在其实施期间利用这个数值，以便根据利用结果Qmst的先前公式和目前没有根据初始公式(b)，执行复杂性Xmst的计算。
在上面的例子中，只有第一编码器为最后三幅图像编码的量化间隔被存储。然而，能够设想量化间隔的一个不同的数量。
在一个比特率调节装置(10)的第三个不同的实施例中，第二调节用于在比特率分配期间对振荡现象进行补偿，这个振荡由于比特率分配器的反作用时间。
的确，比特率分配的原理是一个预示的原理，从而，让我们举个例子，在这里具有复杂性高数值的一个常数t是由比特率调节装置(10)发送的。作为反应，比特率分配器(1)将在分配大比特率的常数t+t0处响应。如果在这个常数t+t0处现行图像实际上持有低复杂性，该比特率将不被采纳，而比特率调节装置(10)将修正这个通过发送一个具有低复杂性要求的差别。要避免这些波动，比特率调节装置(10)根据本发明发送的复杂性的数值是： X dmst ( n ) = MAX [ X MST ( n ) , 1 g Σ i = 1 i = g - 1 X mst ( n - i ) ] - - - - ( b . 1 )
为了执行这个计算，根据本发明用于计算比特率调节装置(10)的复杂性的程序P2，包括一个第八模块(M8)使其能够存储由未修改的第六模块(M6)或者由修改的第六模块(M6)计算的最近复杂性值(Xst，Xmst)，例如，在比特率调节装置(10)的存储器(12)中。该第八模块(M8)还执行存储复杂性数值的平均值的计算，以及执行最近复杂性数值与平均值的比较以便确定这两个数值的较大的，这两个数值将是在预定要求中为比特率分配器(1)经过比特率调节装置(10)的发送装置发送的值Xdmst。数值g被确定为一个比特率分配器(1)的反应时间的函数，以便根据本发明响应一个来自比特率调节装置的请求并且最好等于8。
在公式(b.1)中，第一调节也被考虑，这就是说该存储的复杂性值是由修改的第六模块计算的。当复杂性值是由未修改的第六模块计算的时，公式(b.1)变成： X dst ( n ) = MAX [ X ST ( n ) , 1 g Σ i = 1 i = g - 1 X st ( n - i ) ] - - - - - ( b . 1.2 )
如前面所述，大家都知道具有高复杂性的图像可以严格地量化因为人视觉不能够使一幅复杂图像的所有细节整体化。相反，对于一幅低复杂性图像上量化的效果是敏感的。要修正这种心理视觉特征，一个第三调节在复杂性的数值上实现。
Xpdmst(n)＝sqrt(Xdmst(n))                       (b2)
在这个公式中，函数sqrt()对应于平方根运算。这个函数由程序P2的第九模块(M9)为计算复杂性而执行。
在前面的公式中，应用平方根的复杂性是源于第八模块(M8)和修改的第六(M6)执行运算的复杂性。然而，它能够应用这个第三调节到由第八模块(M8)和修改的第六(M6)运算的复杂性，而在这种情况下公式b.2变成：
Xpdst(n)＝sqrt(Xdst(n))                         (b.2.1)
或者再应用这个第三调节到由第八模块(M8)和修改的第六(M6)运算的复杂性，而在这种情况下公式b.2变成：
Xpmst(n)＝sqrt(Xmst(n))                         (b.2.2)
或者最后应用这个第三调节到由第八模块(M8)和修改的第六(M6)运算的复杂性，而在这种情况下公式b.2变成：
Xpst(n)＝sqrt(Xst(n))                           (b.2.3)
为了遵守比特率分配器允许的最大和最小复杂性阈值，该复杂性的阈值由下面公式确定的一个第四调节修改：
Xcpdmst(n)＝MIN(Smax，MAX(Smin，K·Xpdmst(n)))  (b.3)
数值Smax和Smin分别是可以用参数表示的并且表示由分配器允许复杂性的最大和最小阈值。例如，Smax等于100而Smin等于1，以及k等于0.01。
为了应用这个第四调节，根据本发明用于计算复杂性的程序P2包括一个能够根据公式(b.3)执行存储的Smax和Smin数值之间比较的第十模块(M10)，例如存储Smax和Smin的数值在比特率调节装置的存储器(12)中，并且根据公式b.2由第九模块计算复杂性的数值。然而，所用的复杂性能够根据公式b，b.1，b.2.1，b.2.2，b.2.3的任何一个来计算。
当图像数据流稳定时，也就是说当要编码图像的数据流中存在一定的均匀性和连贯性时，对于比特率分配器(1)根据本发明，第四预调节能够调节由比特率调节装置(10)发送的复杂性的值。这种工作方式是调节装置根据本发明的稳定工作方式。
根据本发明的调节装置(10)还可以包括一些能够处理要编码图像的数据流不连续的元素，也就是说处理发生在图像序列中场景的变化(或者场景的剪辑)和重叠部分的渐渐消失。众所周知技术上熟练的人这两种瞬间现象对编码器E(i)是关键的。的确，根据MPEG 2标准的编码是可预测的。因此，场景的变化和重叠部分的渐渐消失干扰了预测机构。大家还知道两种瞬间现象要求一个绝对相当大比特率以便保持满足图像的质量。
本发明的原理存在于为这些瞬间现象制定规则中，并且因此存在于要求一个适应这些现象的比特率中。这些现象的检测是通过编码器的预处理装置(40)来实现的。如前所述，该预处理器(40)能够分别执行两个连续图像之间相关性(互相关)和一个图像的线与相同图像之间相关性(内相关)的测量。这些测量是分别由用于测量互相关的第一装置(400)和用于测量内相关的第二装置(401)来执行。根据这两种装置(400，401)执行的测量，能够检测到场景的变化或者检测到一个重叠部分的渐渐消失。
重叠部分渐渐消失的检测是由第二测量装置(401)实现的并且对应于内相关中的突然变化的检测。该内相关对应于第一条线的第一象素和相邻线的第二象素之间差的线接线总和，第二象素在这条线上如第一条线上的第一象素一样具有相同的水平位置。所以，重叠部分渐渐消失的现象对应于一个迅速地减小，然后在内相关性中迅速增加。第二测量装置(401)包括一段能够检测迅速减小然后在内相关性中迅速增加的程序。根据本发明，第二测量装置(401)还通过链路(43)连接到比特率调节装置(10)，并且一旦第二测量装置(401)检测到一个重叠部分的渐渐消失就发送一个代表重叠部分的渐渐消失信号(F)给比特率调节装置(10)。根据本发明的比特率调节装置(10)一接收到这个信号(F)，为了下一幅h+1图像(其中h是该组画面的图像数量)，它就利用其传输装置发送给比特率分配器(1)，复杂性数值XF(n)等于分配器允许的最大复杂性阈值Smax。而后，就是说对于h+2nd图像，根据本发明的比特率调节装置(10)再依照先前描述的稳定方式工作。
第一测量装置(400)是以预处理器和已有技术为基础来构成，能够检测场景的一个变化。已有技术的这些装置是基于互相关的测量分析，就是说在第一图像的第一象素与第二图像的第二象素之间差别的线到线总和，这个第二象素具有如同第一象素在第一图像中一样在第二图像上的位置。根据本发明的第一测量装置(400)包括一个不计算就能够估算随后场景变化图像的复杂性的设备。该估算装置提供一个互相关的不相关测量值SC。一旦完成估算，这个数值SC就依靠链路(44)传送给比特率调节装置(10)。由根据本发明的比特率调节装置(10)的这个数值SC接收促使计算，然后为下面的图像发送的，由下面公式确定复杂性：
XSC(n)＝MAX(Xcpdmst(n)，f(SC))
在这个公式中，f是一个能够确定一幅图像复杂性的函数，如同不相关SC的数值的函数一样。
数值e符合预处理装置的缓存存储器中所包含图像的数量。而后对于下面的图像，就是说e+1次图像，比特率调节装置(10)再工作于依据前述的稳定方式。
对应于预处理装置(40)发送的表示一个场景变化或重叠渐渐消失的信号，比特率调节装置(10)的反作用是由检测程序P3执行图5的逻辑流程图实现的。这个程序P3存储在比特率调节装置(10)的存储器(12)中。
该检测程序(P3)执行对源于预处理装置(40)的检测装置(400，401)的链路(43，44)的连续监视。当一个信号(场景变化SC或者F重叠的渐渐消失)在前述的链路(43，44)之一上传送时，程序(P3)就执行第一检测(100)查看该信号是否是一个重叠的渐渐消失信号(F)。如果是，为了h数量的下面图像，利用比特率调节装置(10)中的发送装置，该程序发送(101)一个等于最大阈值的复杂性给比特率分配器。另外，程序(P3)就执行第二检测(102)查看该信号(SC)是否是一个场景变化的检测信号。如果是，为了e数量的下面图像，程序P3估算(103)将要发送给比特率分配器的复杂性，其是利用比特率调节装置(10)中的发送装置。这个估算是作为一个互相关的测量SC的函数由第一测量装置(400)执行的，并且通过链路(44)发送。如果不是，该程序P3触发(104)用于计算先前确定的复杂性的程序P2的开始。
很清楚，在本领域技术人员的范围内的其他修改都属于本发明的结构范围。尤其是，根据本发明的比特率调节装置能够用集成到已有技术的调节装置来代替，或者连接到一个执行前面描述新的功能性的特殊装置来代替。

Claims (14)

1.一种用于调节在用于通过根据MPEG 2编码的编码器E(i)编码的几个图形数据流的多路复用的系统中的比特率的装置，它集成到每个编码器E(i)中，该统计多路复用系统包括一个利用比特率调节装置(10)计算的复杂性来分配比特率的装置(1)，每个数据流的每个编码器E(i)包括一个执行要被编码的所有图像的第一空间编码的第一编码装置(20)，如果它必须空间地编码并且预先对应通过第二编码装置(30)的第二实际编码时，以便确定对每个图像的编码费用，其特征在于，存储装置(12)存储由第一编码装置空间编码的最后图像的复杂性Xlst- I，最后图像组的复杂性(X- GOP)实际由第二编码装置(30)编码，最后比特率Ri由比特率分配装置(1)分配，通过由集成电路执行一个预先记录的程序P2和利用存储的数值，用于调节编码器E(i)的装置(10)为由第二编码器(30)编码的下一幅图像确定复杂性值，为了确定发送给该编码器E(i)的下一个规定比特率，该比特率调节装置(10)还包括用于传送该复杂性给比特率分配器(1)的装置。
2.根据权利要求1所述的比特率调节装置，其特征在于在第一编码装置(20)编码期间，比特率调节装置(10)确定要编码图像复杂性所用的量化间隔(Qmst)是由比特率调节装置(10)确定的最近三个量化间隔之间最大量化间隔。
3.根据权利要求1或2所述的比特率调节装置，其特征在于所述比特率调节装置包括一个用于确定复杂性平均值的模块(M8)，该复杂性平均值是为了确定前述图像的数量由调节装置(10)发送给比特率分配器(1)的，而后还包括一个利用比较器来确定该平均值与计算的和存储的最近复杂性(Xdmst)数值之间的最大值，这个值符合比特率调节装置(10)通过发送装置发送给比特率分配器(1)的值。
4.根据权利要求1到3之一所述的比特率调节装置，其特征在于所述比特率调节装置包括计算程序P2先前已经计算复杂性数值的平方根的第一装置(M9)，这个值符合比特率调节装置(10)通过发送装置发送给比特率分配器(1)的值。
5.根据权利要求1到4之一所述的比特率调节装置，其特征在于所述比特率调节装置(10)包括用于取复杂性值的最大阈值和最小阈值的第二装置(M10)。
6.根据权利要求5所述的比特率调节装置，其特征在于取复杂性的阈值通过一个比较器来实现的，它来确定一方面最大值，另一方面最小值之间的最大值与由确定系数相乘计算的最近复杂性之间的最小值。
7.根据权利要求4或5所述的比特率调节装置，其特征在于第一和第二装置分别由一个记录在存储装置(12)的程序(P2)模块(M9，M10)组成。
8.根据权利要求1到7之一所述的比特率调节装置，其特征在于所述比特率调节装置(10)连接到一个预处理装置(40)，该预处理装置包括至少一个用于检测场景的变化与/或重叠的渐渐消失的测量装置(400，401)，该检测是通过执行一个图像的象素线与下面图相同等级线之间的两个连续图像之间的相关(互相关)的分析，或者通过执行一幅图像内该图像与同样图像象素线之间相关(内相关)的分析来实现的，分析的结果发送给一个包括确定适应于场景的变化与/或重叠渐渐消失的复杂性数值的装置的比特率调节装置(10)，该数值符合比特率调节装置(10)通过发送装置发送给比特率分配器(1)的数值。
9.根据权利要求7所述的比特率调节装置，其特征在于包括用于测量内相关的一个装置(401)的预处理装置(40)，在已经成功地检测到一个未相关一个再相关在一幅图像内(内相关)之后，就发送一个信号(F)给比特率调节装置(10)，这是作为一个重叠的渐渐消失的分析的，而该比特率调节装置(10)指定关于下面要编码图像的一个确定数量，一个复杂性数值(XF)符合最大阈值，下面要编码图像的数量符合包含在由一个画面增加的一组画面中的图像数量，这个数值符合比特率调节装置(10)通过发送装置发送给比特率分配器(1)的数值。
10.根据权利要求7或8所述的比特率调节装置，其特征在于所述预处理装置(40)，其包括用于测量内相关的一个装置(401)，在已经成功地检测到两幅连续图像之间的一个强烈未相关(互相关)之后，就发送一个信号(SC)给代表两幅图像之间未相关电平测量的比特率调节装置(10)，这个信号(SC)是由比特率调节装置(10)作为场景变化检测来分析的，以便估算将要应用于确定下面图像数量的复杂性(XSC)，作为一个由预处理装置(40)计算的未相关电平的函数。
11.一种用于调节统计多路复用系统的每个编码器(E(i))比特率的方法，该统计多路复用系统包括一个连接到每个编码器(E(i))的每个比特率调节装置(10)的比特率分配装置(1)，每个编码器(E(i))包括一个执行空间编码，以及对所有由第二编码装置(30)随后实际编码的图像使用引导时间的第一编码装置(20)，该方法包括：
-一个步骤，它在每个编码器(E(i))的比特率调节装置(10)的存储装置(12)上存储表示第一编码装置(20)编码的最后图像的复杂性数值Xlst- I，代表第二编码装置(30)编码最近画面组的复杂性数值X- GOP，和代表由调节装置(20)接收自比特率分配器的比特率(R(i))的数值，
-一个计算步骤，根据先前存储的数值计算由第二编码装置(30)编码的下一幅图像复杂性的估算，
-一个发送步骤，发送第二编码装置(20)编码的下一幅图像的估算复杂性数值给比特率分配装置
12.根据权利要求11所述的比特率调节方法，其特征在于所述方法包括：
-一个第二计算步骤，确定第二编码装置(30)编码的下一幅图像的复杂性作为由第一计算步骤确定复杂性的平方根。
13.根据权利要求11或12所述的比特率调节方法，其特征在于所述方法包括：
-一个分析两个连续图像相关的一个测量的步骤，这能够确定场景变化的存在和代表两个图像之间未相关电平的数量，
-一个发送步骤，发送给比特率调节装置(10)一个代表场景变化的信号和代表两个图像之间未相关电平的数量，
-一个估算步骤，由比特率调节装置(10)估算一个确定第二编码装置编码后来图像数量复杂性的数值，作为一个代表两幅图像之间未相关的电平数量的函数，
-一个发送步骤，由比特率调节装置(10)发送对确定图像数量的复杂性数值给比特率分配器(1)。
14.根据权利要求11到13所述的比特率调节方法，其特征在于所述方法包括：
-一个分析步骤，分析一幅图像与相同图像的象素线之间相关的测量，以便确定图像的一个序列中重叠渐渐消失的存在，
-一个发送步骤，发送一个代表重叠渐渐消失的检测的信号给比特率调节装置(10)，并且符合一个图像的象素线与相同图像直接较高等级的象素线之间再相关后未相关的检测，
-一个发送步骤，由比特率调节装置(10)发送对确定第二编码装置随后编码的图像数量的复杂性数值给比特率分配器(1)，该复杂性的数值符合比特率分配器(1)允许复杂性的最大阈值。
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