DE10200901A1 - Effiziente Codierung von Videosignalen für skalierbare Simul-cast-Speicherung und -Übertragung sowie zugehöriger Codec - Google Patents
Effiziente Codierung von Videosignalen für skalierbare Simul-cast-Speicherung und -Übertragung sowie zugehöriger CodecInfo
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Abstract
Der erfindungsgemäße Codec hat den Vorteil einer wesentlichen Datenratenersparnis. Dies ergibt sich daraus, dass nicht mehr wie bei dem herkömmlichen Simulcastverfahren die quantisierten Transformationskoeffizienten X¶1¶, die durch "Level" L repräsentiert werden, einer Entropiecodierung unterzogen werden, sondern statt dessen die quantisierten Differenzsignale DELTAX¶i¶, die eine geringere Entropie aufweisen als die Level L¶i¶. Bemerkenswert ist, dass der Decoder nur eine Einheit zur Durchführung der inversen Transformation IT und nur einen Bildspeicher SP benötigt. Lediglich Entropiecodierung ED¶i¶ und inverse Quantisierung IQ¶i¶ müssen für jeden Datenstrom D¶i¶ separat durchgeführt werden.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur skalierbaren Videocodierung, bei dem ein Eingangssignal mit Videobildinformation je einer Mehrzahl von Encodern zugeführt wird, wobei die Encoder das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen mit unterschiedlicher Qualität quantisieren, sowie auf eine korrespondierende Vorrichtung.
- Für viele Anwendungen sind heutzutage Videosignale in unterschiedlichen Qualitätsstufen bereitzustellen, denn in immer mehr Anwendungen ist es erforderlich, codierte Videosequenzen so aufzubereiten, dass diese mit Geräten sehr unterschiedlicher Leistungsfähigkeit decodiert werden können. Beispiele dafür sind:
- - Digitales TV in mehreren Qualitätsstufen für unterschiedliche Empfänger (Heim-TV-Geräte, PC, Organizer, multimediafähige Mobilfunkendgeräte)
- - Individuelle Videodienste für unterschiedliche Endgeräte und Zugangsnetze (Breitband-Kabel, xDSL, ISDN, UMTS)
- - Pay-TV und andere Videodienste für unterschiedliche Gebührenklassen
- - Verteildienste für Videoinhalte auf unterschiedlichen Endgeräten und Netzen.
- Anwendungsszenarien sind im Besonderen mobile Endgeräte, auf denen Bildsequenzen, die eigentlich für Desktop-Applikationen codiert wurden, wiedergebbar sein sollen. Auch Videokonferenzen zwischen Teilnehmern mit Desktop und mobilen Endgeräten erfordern eine geschickte Anpassung. Hierbei ist die Information, dass ein Teilnehmer ein mobiler Teilnehmer ist, dem Sender/Initiator nicht notwendigerweise bekannt.
- Darüber hinaus ist es bei schwankender Netzgüte (Bandbreite, Fehlerrate etc.) hilfreich, mehrere Datenraten für Videoanwendungen bereitzustellen, damit im Fehlerfall die Qualität nur graduell abnimmt und wenigstens eine Mindestqualität eingehalten werden kann. Aus technischer Sicht muss in einem solchen Szenario deshalb eine schnelle Adaption der generierten bzw. übertragenen Bitrate an sehr unterschiedliche Übertragungsbandbreiten möglich sein (z. B. Übertragung im Festnetz im Gegensatz zu drahtloser Übertragung).
- Ein zunehmend wichtiger werdendes Szenario stellen sogenannte Streaming-Applikationen dar (sowohl im Festnetz als auch im drahtlosen Netz). Hierbei stellt ein Service-Provider (der auch eine private Einzelperson sein kann) Videomaterial zum Abruf bereit. Der Client fordert die komprimierten Videodaten an, während gleichzeitig das decodierte Bildmaterial dargestellt wird. Auch hierbei muss der Provider sehr unterschiedlichen Kundenanforderungen Rechnung tragen.
- Prinzipiell erfordern solche Problemstellungen skalierbare Codierverfahren. Senderseitig (serverseitig) wird nur ein einziger Bitstrom generiert, aus dem aber Bildsequenzen geringerer Qualität und/oder Auflösung decodiert werden können. Damit kann der Client (Empfänger) für Streaming- Applikationen entscheiden, welche Auflösungsqualität er empfangen möchte. Im Fall variierender Terminaleigenschaften decodiert der Client nur den relevanten Teil, der darstellbar ist. Im Bereich mobiler Applikationen mit zeitlich stark schwankenden Kanaleigenschaften ergibt sich die Möglichkeit einer sehr schnellen Adaption des Senders, bzw. eine elegante Schnittstelle für UEP (unequal error protection).
- Grundsätzlich kann zwischen SNR (signal noise ratio), örtlicher und zeitlicher Skalierbarkeit unterschieden werden. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass durch Variation bestimmter Codierparameter die gleiche Bildsequenz bei verschiedenen Bitraten codiert wird. Im Fall der SNR-Skalierung werden durch Variation der Quantisierung unterschiedliche Qualitätsstufen und Bitraten erzielt. Örtliche Skalierbarkeit beschreibt Verfahren, die die Bildsequenz mit unterschiedlichen Ortsauflösungen (Bildgrößen) codieren. Eine zeitliche Skalierbarkeit schließlich stellt die Bildsequenzen mit unterschiedlichen Bildfrequenzen zur Verfügung. Es sei darauf hingewiesen, dass durchaus beliebige Kombinationen der drei Arten möglich sind.
- Bisher erfolgt die Bereitstellung der Videoinhalte dadurch, dass entweder die Videodaten in einem skalierbaren Format codiert werden oder dass für jede Qualitätsstufe ein eigener Datenstrom bereitgehalten wird (Simulstore) bzw. ausgesendet wird (Simulcast).
- Eine sogenannte Simulcast-Codierung, bei der die gewünschten Bitströme mit unterschiedlich parametrisierten parallelen und unabhängig voneinander arbeitenden Codecs generiert werden, erreichen eine bessere Qualität bei gleicher Bitrate. Dies ist um so bemerkenswerter, als dass im Fall der Simulcast- Codierung eine nicht unerhebliche Redundanz zwischen den einzelnen Bitströmen erhalten bleibt.
- Dieses Verfahren geht nämlich sehr verschwenderisch mit Netzressourcen um. Werden z. B. drei Qualitätsstufen benötigt, die Datenraten von 4B kbit/s, 64 kbit/s und 128 kbit/s entsprechen, so beträgt die erforderliche Netzkapazität bei gleichzeitiger Übertragung aller Ströme 240 kbit/s. Außerdem ist die erforderliche Speicherkapazität für die unterschiedlichen Ströme wesentlich größer. Deutlich effizienter sind deshalb skalierbare Verfahren.
- Skalierbare Videocodierverfahren wurden in der wissenschaftlichen Literatur bereits vielfach untersucht, allerdings häufig mit einer Ausrichtung auf bestehende oder in der Entwicklung befindliche Standards (MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.26L). Beispiele hierzu finden sich in:
- - ITU-T Rec. H.263 "Video Coding for low bit rate communication", Annex 0: "Temporal, SNR, and spatial scalability".
- - ISO/TEC JTC1/5C29/WG11 "Generic coding of moving pictures and associated audio", ISO/IEC 13818-2 Draft International Standard.
- Auch wenn die Verfahren Eingang in die Standards gefunden haben, so finden diese Verfahren bislang keine breite Anwendung, da deren Performance (erzielbares peak signal to noise ratio (PSNR) bei gegebener Bitrate) sehr unbefriedigend ist.
- Hierbei wird bei niedriger Datenrate im Basislayer eine Mindestqualität bereitgestellt, mit dem Empfang und Decodierung der Enhancement-Layer kann die Bildqualität stufenweise verbessert werden. Besonders effizient ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur optimalen SNR-Skalierbarkeit wie es von der Anmelderin in der deutschen Patentanmeldung 10121259.3 vorgeschlagen worden ist. Weitere Verfahren existieren zur feingranularen Skalierbarkeit, die zwar die Möglichkeit zu einer feinstufigen Einstellung der Qualität bieten, jedoch ist allen diesen bekannten Verfahren zueigen, dass diese noch relativ ineffizient bzgl. der Kompressionseigenschaften sind.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine effizientere Codierung von Videosignalen für skalierbare Simulcast-Speicherung und -übertragung zu schaffen. Eine weitere Aufgabe besteht in der effizienten Decodierung solcher Signale.
- Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem das Eingangs genannte Verfahren dadurch weitergebildet wird, dass die Encoder untereinander derart verkoppelt sind, dass anstelle einer Entropiecodierung von quantisierten Transformationskoeffizienten zumindest teilweise quantisierte Differenzsignale von Transformationskoeffizienten einer Entropiecodierung unterzogen werden und als Ausgangssignale mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen dienen.
- Dies lässt auf besonders vorteilhafte Weise erreichen, indem jeweils eine Quantisierung und eine Entropiecodierung der Differenz aus einem Transformationssignal vor der zugeordneten Quantisierung und einem Transformationssignal einer niedrigeren Qualitätsstufe nach zugeordneter Quantisierung und inverser Quantisierung erfolgt. Dies gilt vor allem dann, wenn die Quantisierer ineinander eingebettet sind.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung arbeiten die Encoder synchronisiert. Zur Synchronisierung arbeitet vorzugsweise ein Encoder als Master, dem die übrigen Encoder als Slaves folgen, indem für den Master-Encoder ein optimaler Codiermodus ermittelt wird, der auf die Slave-Encoder übertragen wird.
- Weitere Vorteile ergeben sich, wenn in jedem Encoder eine Bewegungskompensation durchgeführt wird aufgrund von Bewegungsvektoren, die durch eine Bewegungsschätzung ermittelt werden. Vorzugsweise findet eine Bewegungsschätzung auf der höchsten Qualitätsstufe statt.
- Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Bewegungskompensation auf allen Auflösungsebenen dieselben geschätzten Bewegungsvektoren verwendet werden.
- Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Bewegungsschätzung beim Master-Encoder stattfindet und für diesen optimale Bewegungsvektoren ermittelt werden, die im Rahmen der Synchronisierung auf die Slave-Encoder übertragen werden.
- Dabei besteht ein großer Vorteil des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung in der Möglichkeit, eine Auswahl des Master-Encoders anwendungsbezogen anhand der besten Codierparameter vorzunehmen.
- Eine Decodierung von auf diese Weise codierten Videosignalen erfolgt vorzugsweise, indem die codierten Eingangssignale mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen jeweils einer separaten Entropiedecodierung und inversen Quantisierung unterzogen werden, worauf die jeweils erhaltenen Signale verknüpft werden und das resultierende Gesamtsignal einer gemeinsamen inversen Transformation unterzogen wird.
- Eine besonders vorteilhafte Kombination von erfindungsgemäßer Codierung und Decodierung erfolgt, indem ein Eingangssignal mit Videobildinformation je einer Mehrzahl von Encodern zugeführt wird, wobei die Encoder das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen mit unterschiedlicher Qualität quantisieren und untereinander derart verkoppelt sind, dass jeweils eine Quantisierung und eine Entropiecodierung der Differenz aus einem Transformationssignal vor der zugeordneten Quantisierung und einem Transformationssignal einer niedrigeren Qualitätsstufe nach zugeordneter Quantisierung und inverser Quantisierung erfolgt. Die resultierenden Signale dienen dann als Ausgangssignale mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen, die zur Videodecodierung jeweils einer separaten Entropiedecodierung und inversen Quantisierung unterzogen werden, worauf die jeweils erhaltenen Signale verknüpft werden und das resultierende Gesamtsignal einer gemeinsamen inversen Transformation (IT) unterzogen wird.
- Besonders effektiv erfolgt die Decodierung, wenn die Verknüpfung der durch jeweils eine separate Entropiedecodierung und inverse Quantisierung erhaltenen Signale durch Summierung erfolgt.
- Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung mit einer Mehrzahl von Encodern, denen jeweils ein Eingangssignal mit Videobildinformation zugeführt wird, und durch die das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen mit unterschiedlicher Qualität quantisierbar ist, indem die Encoder untereinander derart verkoppelt sind, dass zumindest teilweise quantisierte Differenzsignale von Transformationskoeffizienten Entropiecodierbar sind und als Ausgangssignale mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgebbar sind.
- Eine vorteilhafte Ausprägung einer solchen Vorrichtung realisiert die Verkopplung der Encoder untereinander derart, dass jeweils eine Quantisierung und eine Entropiecodierung der Differenz aus einem Transformationssignal vor der zugeordneten Quantisierung und einem Transformationssignal einer niedrigeren Qualitätsstufe nach zugeordneter Quantisierung und inverser Quantisierung durchführbar ist. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Quantisierer ineinander eingebettet sind.
- Die Encoder arbeiten vorzugsweise synchronisiert, z. B. indem ein Encoder als Master dient, dem die übrigen Encoder als Slaves folgen, wobei ein für den Master-Encoder optimaler Codiermodus auf die Slave-Encoder übertragbar ist.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist jeder Encoder einen Bildspeicher zur Durchführung einer Bewegungskompensation auf, der durch mit einem Mittel zur Bewegungsschätzung ermittelte Bewegungsvektoren ansteuerbar ist.
- Eine korrespondierende erfindungsgemäße Vorrichtung zur Decodierung von Videosignalen, insbesondere von mit einer Vorrichtung zur Videocodierung gemäß der Erfindung codierten Videosignalen, zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils separate Entropiedecodierer und inverse Quantisierer für codierte Eingangssignale mit auf unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen vorgesehen sind, deren Ausgangssignale verknüpft sind und eine gemeinsame Einheit zur inversen Transformation des verknüpften Gesamtsignals vorgesehen ist.
- Ein entsprechender Codec gemäß der Erfindung zur skalierbaren Videocodierung und Videodecodierung zeichnet sich dadurch aus, dass die Encoder untereinander derart verkoppelt sind, dass jeweils eine Quantisierung und eine Entropiecodierung der Differenz aus einem Transformationssignal vor der zugeordneten Quantisierung und einem Transformationssignal einer niedrigeren Qualitätsstufe nach zugeordneter Quantisierung und inverser Quantisierung durchführbar ist, wobei daraus resultierende Signale als Ausgangssignale mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgebbar sind und wobei zur Decodierung jeweils separate Entropiedecodierer und inverse Quantisierer für codierte Signale mit auf unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen vorgesehen sind, deren Ausgangssignale verknüpft sind und eine gemeinsame Einheit zur inversen Transformation des verknüpften Gesamtsignals vorgesehen ist.
- Wesentliche Vorteile der Erfindung ergeben sich somit aus den folgenden Maßnahmen:
- - Verkopplung von mehreren Videoencodern für die Entropiecodierung der quantisierten Transformationskoeffizienten
- - Anwendung von eingebetteten Quantisierern
- - Verwendung eines einfachen Decoders für mehrere Qualitätsstufen
- - Synchronisation von mehreren Encodern nach dem Master- Slave-Prinzip
- - Anwendungsspezifische Auswahl des Master-Encoders.
- Insbesondere die Synchronisation und Verkopplung von mehreren Videoencodern führt zu einer erheblichen Reduktion der Gesamtdatenrate.
- Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand von im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt jeweils in Prinzipdarstellung:
- Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines hybriden Video-Encoders und -Decoders nach dem Stand der Technik,
- Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Codec) aus drei Encodern und Decodern und
- Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Synchronisierung mehrerer Encoder gemäß der Erfindung.
- Bevor näher auf das Ausführungsbeispiel eingegangen wird, sei hier noch kurz erwähnt, was unter dem Ausdruck Codec zu verstehen ist: Ein "Codec", in der Literatur auch als Coder/Decoder oder als Kompressions- und Dekompressionsalgorithmus bezeichnet, codiert (synonym komprimiert) und decodiert (synonym dekomprimiert) verschiedene Arten von Daten. Solche Codierung/Decodierung ist besonders im Zusammenhang mit Daten notwendig, die ansonsten sehr viel Speicherplatz oder Transmissionsbandbreite beanspruchen würden, wie zum Beispiel Video- und Sounddateien. Allgemein gebräuchliche Codecs sind solche die digitale oder digitalisierte analoge Videosignale in komprimierte Videodateien (z. B. MPEG) oder digitalisierte analoge oder digitale Soundsignale in Digitalsound (z. B. MP3, RealAudio) umwandeln. Grundsätzlich können Codecs in Echtzeit (streaming files oder Conferencing) oder auf Grundlage von Speicherdateien verwendet werden.
- Das im Folgenden detailliert dargestellte Verfahren gemäß der Erfindung lehnt sich an ein Verfahren zur optimalen SNR- Skalierbarkeit an, kann jedoch auch auf andere existierende Codierschemata angewendet werden. Unterschiede beziehen sich im wesentlichen auf die Gestaltung der Quantisierer. Der Vorteil gegenüber den herkömmlichen Simulcastverfahren ist eine deutliche Reduktion der erforderlichen Datenrate durch Verkopplung der Entropiecodierung der Transformationskoeffizienten.
- Dieser Vorteil gilt insbesondere dann, wenn die Quantisierer wie bei der optimalen SNR-Skalierbarkeit in der deutschen Patentanmeldung 101 21 259.3 vorgeschlagen ineinander eingebettet sind. Prinzipiell könnten einige Codierschemata auch ohne Modifizierung der Quantisierer eingesetzt werden, jedoch ergibt sich dann nicht mehr unbedingt eine deutliche Reduktion der Datenrate.
- Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es auf dem hybriden Coderkonzept aufbaut, und damit grundsätzlich kompatibel zu existierenden Standards zur Videocodierung ist. Der oft gemachte Einwurf, dass neue Verfahren nicht kompatibel zu existierenden Verfahren sind, trifft hier nicht zu.
- Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines hybriden Videocoders und -decoders.
- Beim herkömmlichen Simulcastverfahren mit n Qualitätsstufen werden n solche Coder mit entsprechenden Quantisierungsparametern bzw. anderweitigen Parametern benötigt. In Fig. 1 bedeuten:
T: Transformationseinheit (z. B. DCT, Integer- Transformation)
IT: Einheit zur Durchführung der inversen Transformation
Q: Quantisierer
IQ: Einheit zur Durchführung der inversen Quantisierung
EC: Entropiecoder
ED: Entropiedecoder
Sp: Bildspeicher
MV: Bewegungsvektoren
MS: Bewegungsschätzer. - Das Grundprinzip des hybriden Coderkonzepts besteht in der Codierung eines Prädiktionsfehlersignals, welches sich aus der Differenz zwischen Eingangssignal und (quantisierter) bewegungskompensierter Rekonstruktion des vorherigen Bildes ergibt. Im Bezug auf die Berechnung der Prädiktion gibt es sehr viele Varianten, denen allen die zeitliche Prädiktion gemeinsam ist.
- Darüber hinaus erfolgt die Codierung des Prädiktionsfehlers vielfach nach Ausführung einer Transformation zur Dekorrelation (Ausnutzen örtlicher statistischer Abhängigkeiten). Um die für eine Videoübertragung erforderlichen Kompressionsraten zu erzielen, werden entweder die Intensitäten des Prädiktionsfehlersignals direkt im Ortsbereich oder aber die Transformationskoeffizienten quantisiert und anschließend über eine Entropiecodierung verlustlos komprimiert, sowie auf ein binäres Signal abgebildet.
- Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt in diesem Zusammenhang auf der linken Seite der gestrichelten Linie einen solchen Encoder, auf der rechten Seite den zugehörigen Decoder. Dem Encoder eingangsseitig beaufschlagte Videodaten durchlaufen eine Transformation T und eine Quantisierung Q. Dieses Signal wird zum einen einem Entropiecodierer EC zugeführt, der einen komprimierten Videodatenstrom bereitstellt. Zum anderen erfolgt Encoder intern eine inverse Quantisierung IQ und eine anschließende inverse Transformation IT. Dieses Signal gelangt in einen Bildspeicher Sp, dessen Ausgang einmal auf den Eingang rückgekoppelt ist, zum anderen negativ auf den Eingang der Transformation T gelangt.
- Der Bildspeicher Sp steuert einen Bewegungsschätzer MS, der seinerseits eingangsseitig mit den Videoeingangsdaten beaufschlagt wird und Bewegungsvektoren MV bereitstellt zur Ansteuerung des Bildspeichers SP im Encoder. Außerdem werden diese Bewegungsvektoren auch zum Decoder übertragen und dienen dort ebenfalls zur Ansteuerung eines decoderseitigen Bildspeichers Sp.
- Decoderseitig erfolgt zunächst eine Entropiedecodierung ED der komprimierten Videodaten, anschließend eine inverse Quantisierung IQ und eine inverse Transformation IT. Die so ermittelten decodierten Videodaten stellen den Ausgang des Decoders dar und werden außerdem dem decoderseitigen Bildspeicher Sp zugeführt, dessen Ausgang ebenfalls auf den Eingang des Speicher zurückgeführt ist.
- Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt nun eine neue Anordnung aus drei Encodern und Decodern, deren Signale miteinander verknüpft sind. Die drei Encoder, die auf der linken Seite des Blockschaltbildes übereinander angeordnet sind, erzeugen drei Datenströme D1, D2 und D3, die zum Decoder übertragen werden.
- Encoder 1 codiert die Videodaten in einer niedrigen Qualitätsstufe, Encoder 2 in mittlerer Qualitätsstufe und Encoder 3 in hoher Qualitätsstufe.
- Die Signale in Fig. 2 bedeuten:
X: Eingangsbildsignal
Xi: Transformationssignal vor der Quantisierung, i = 1; 2; 3
Li: Repräsentant des quantisierten Transformationssignals, i = 1; 2; 3
Xi': Transformationssignal nach Quantisierung und inverser Quantisierung, i = 1; 2; 3
DXi: Differenz aus Xi und Xi-1' mit i = 2; 3
ΔXi': Signal nach Quantisierung und inverser Quantisierung von ΔXi mit i = 2; 3
ΔXDi: Summe der Signale ΔXi' und ΔXDi-1, i = 2; 3. - Das Eingangsbildsignal X wird allen drei Encodern zugeleitet. In jedem Encoder erfolgt eine Transformation T, woraus Xi als Transformationssignal vor der Quantisierung Qi erhalten wird. Aus der Quantisierung erhält man Li, welches nur bei Encoder 1 (niedrige Qualitätsstufe) direkt einer Entropiecodierung EC1 zugeführt wird, aus der der erste komprimierte Datenstrom D1 resultiert.
- Im übrigen erfolgt für Encoder 1 eine Rückführung von Li über eine inverse Quantisierung IQ1 und inverse Transformation IT und einen Bildspeicher Sp auf den Eingang von Encoder 1 wie in Fig. 1 gezeigt. Eine solche negative Rückkopplung erfolgt auch bei den weiteren Encodern.
- Das ausgangsseitige Signal X1' der inversen Quantisierung IQ1 von Encoder 1 dient nun aber einer Verknüpfung mit dem Transformationssignal vor der Quantisierung X2 von Encoder 2. Das Signal X1' wird negativ mit X2 verknüpft zu ΔX2 als der Differenz aus Xi und Xi-1' für 1 = 2. Anders als bei Encoder 1 erfolgt eine Entropiecodierung dieses Differenzsignales ΔX2 nach vorheriger Quantisierung Q2 zum komprimierten Ausgangssignal D2. Für den dritten Encoder erfolgt die Codierung analog zum Encoder 2, wobei auf die entsprechenden Signale von Encoder 2 zugegriffen wird.
- Decoderseitig (rechte Seite in Fig. 2) wird nun der Datenstrom D1 einer Entropiedecodierung ED1 und einer darauffolgenden inversen Quantisierung IQ1 unterzogen, woraus ein Signal XD1 wiedergewonnen wird.
- Für die Encoder 2 und 3 erfolgt ebenfalls jeweils eine Entropiedecodierung EDi und einer darauffolgenden inversen Quantisierung IQi für 1 = 2 oder 1 = 3. Daraus erhält man jeweils ΔXi' als Signal nach Quantisierung und inverser Quantisierung von ΔXi. Das Signal ΔX2' wird zu XD1 addiert, woraus XD2 resultiert, welches seinerseits mit dem Signal ΔX3' addiert das Signal XD3 erhält. Decoderseitig erfolgt nun besonders einfach und damit sehr effektiv eine inverse Transformation ausschließlich des Signals XD3, welches das decodierte Ausgangssignal ergibt. Dieses durchläuft im Fall einer Bewegungskompensation einen decoderseitigen Bildspeicher Sp, indem es diesem zusätzlich als Eingangssignal dient, dessen Ausgang dem Signal XD3 hinzuaddiert wird.
- Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass XD1 = X1' gilt; ferner lässt sich im Folgenden zeigen, dass XD1 = Xi', i = 2; 3 gilt. In den folgenden Gleichungen bedeutet die rechteckige Klammer angewandt auf eine gebrochene Zahl die Schneideoperation auf die nächst niedrige ganze Zahl, also z. B. [2,9] = 2 und [-2,1] = -3.
- Hierbei ist Qi ganzzahlig und stellt die Stufenhöhe des jeweiligen Quantisierers dar und αi eine quantisiererabhängige Konstante mit 0 ≤ αi < 1.
- Mit der Vorraussetzung, dass
N = Menge der natürlichen Zahlen, folgt:
- Daraus folgt
ΔX2' = X2' - X1'
Daraus lässt sich nun wie folgt bestimmen:
ΔD2 = DX2' + XD1 = X2'
- Analog dazu ergibt sich auch, dass XD3 = X3' gilt.
- Aufgrund dieser Eigenschaften ist es möglich, mit einem einfachen Decoder aus dem Empfang des Datenstroms D1 das Videosignal der untersten Qualitätsstufe zu codieren, beim Empfang der Datenströme D1 und D2 wird das Videosignal der mittleren Qualitätsstufe codiert und Empfang der Datenströme D1, D2 und D3 wird das Videosignal der oberen Qualitätsstufe codiert.
- Bemerkenswert ist, dass der Decoder nur eine Einheit zur Durchführung der inversen Transformation IT und nur einen Bildspeicher SP benötigt. Lediglich Entropiedecodierung EDi und inverse Quantisierung IQi müssen für jeden Datenstrom separat durchgeführt werden.
- Der Vorteil der Datenratenersparnis ergibt sich nun daraus, dass nicht mehr wie bei dem herkömmlichen Simulcastverfahren die quantisierten Transformationskoeffizienten X1, die durch "Level" L repräsentiert werden, einer Entropiecodierung unterzogen werden, sondern statt dessen die quantisierten Difterenzsignale ΔX1, die eine geringere Entropie aufweisen als die Level Li.
- Die Datenratenersparnis kommt vor allem dann zur Wirkung, wenn alle Encoder synchronisiert die gleichen Codiermodi (z. B. Prädiktionsmodi bei der Intra-Codierung, Makroblockzerlegung bei der Inter-Codierung) und die gleichen Bewegungsvektoren verwenden. Für eine effiziente Codierung werden diese vielfach nach einem Rate-Distortion-Kriterium ausgewählt. Ohne Synchronisierung ergeben sich aber bei unterschiedlichen Qualitätsstufen auch unterschiedliche Codiermodi und Bewegungsvektoren.
- Dies wird dadurch vermieden, dass die Encoder nach einem sogenannten "Master-Slave-Prinzip" arbeiten, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei wird von den drei Encodern ein "MasterEncoder" ME bestimmt und werden bei diesem die optimalen Codiermodi und Bewegungsvektoren ermittelt. Diese Codiermodi und Bewegungsvektoren werden dann auf die übrigen Encoder, die "Slave-Encoder" SE, übertragen. Der Nachteil, dass die Slave-Encoder nun suboptimal arbeiten, wird durch den Vorteil der höheren Datenratenersparnis durch die Synchronisierung mehr als ausgeglichen.
- Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der freien Auswahl des Master-Encoders. Die besten Codierparameter können anwendungsbezogen entweder bei niedriger, mittlerer oder hoher Datenrate ausgewählt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist kompatibel mit anwendungsspezifischen Videostandards, wie zum Beispiel MPEG2, MPEG-4 oder H.263 (Quantisierung und Codierung der DCTKoeffizienten des Prädiktionsfehlersignals) oder aber auf den Videostandard H.26L (Quantisierung und Codierung der ICTKoeffizienten (Integer-Cosine-Transform) des Prädiktionsfehlersignals.
- Abkürzungsglossar:
SNR: Signal to noise ratio
PSNR: peak signal to noise ratio
UEP: unequal error protection
VLC: variable length code
MPEG: moving picture experts group
ME: motion estimation unit
MC: motion compensation
DCT: diskrete Cosinus-Transformation
ICT: Integer Cosine Transform
Claims (22)
1. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung, bei dem ein
Eingangssignal mit Videobildinformation je einer Mehrzahl (i)
von Encodern (ECi) zugeführt wird, wobei die Encoder (ECi)
das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen
(0, 1, 2, . . ., i) mit unterschiedlicher Qualität quantisieren
(Q),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Encoder (ECi) untereinander derart verkoppelt sind, dass
anstelle einer Entropiecodierung von quantisierten
Transformationskoeffizienten (Li) zumindest teilweise quantisierte
Differenzsignale (ΔX1) von Transformationskoeffizienten einer
Entropiecodierung unterzogen werden und als Ausgangssignale
(Di) mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen
quantisierten Videosignalen dienen.
2. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils eine Quantisierung (Qi) und eine Entropiecodierung
(ECi) der Differenz (ΔX1) aus einem Transformationssignal
(Xi) vor der zugeordneten Quantisierung (Qi) und einem
Transformationssignal (Xi-1') einer niedrigeren Qualitätsstufe (i-1)
nach zugeordneter Quantisierung (Qi-1) und inverser
Quantisierung (IQi-1) erfolgt.
3. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 1
oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Quantisierer ineinander eingebettet sind.
4. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 1,
2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Encoder (ECi) synchronisiert arbeiten.
5. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Synchronisierung ein Encoder als Master (ME) arbeitet,
dem die übrigen Encoder als Slaves folgen, indem für den
Master-Encoder (ME) ein optimaler Codiermodus ermittelt wird,
der auf die Slave-Encoder übertragen wird.
6. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in jedem Encoder (ECi) eine Bewegungskompensation
durchgeführt wird aufgrund von Bewegungsvektoren (MV), die durch
eine Bewegungsschätzung ermittelt werden.
7. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bewegungsschätzung auf der höchsten Qualitätsstufe
stattfindet.
8. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 6
oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bewegungskompensation auf allen Auflösungsebenen
dieselben geschätzten Bewegungsvektoren (MV) verwendet werden.
9. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch 5
und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bewegungsschätzung beim Master-Encoder (ME) stattfindet
und für diesen (ME) optimale Bewegungsvektoren (MV) ermittelt
werden, die im Rahmen der Synchronisierung auf die Slave-
Encoder (SE) übertragen werden.
10. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung nach einem der
Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Auswahl des Master-Encoders (ME) anwendungsbezogen
anhand der besten Codierparameter erfolgt.
11. Verfahren zur Decodierung von nach einem der
vorangehenden Ansprüche codierten Videosignalen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die codierten Eingangssignale (Di) mit auf den
unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen jeweils
einer separaten Entropiedecodierung (EDi) und inversen
Quantisierung (IQi) unterzogen werden, worauf die jeweils
erhaltenen Signale (XDi) verknüpft werden und das resultierende
Gesamtsignal (XD3) einer gemeinsamen inversen Transformation
(IT) unterzogen wird.
12. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung und
Videodecodierung, wobei eine Videocodierung nach einem der Ansprüche 1
bis 10 und eine Videodecodierung nach Anspruch 11 erfolgt.
13. Verfahren zur skalierbaren Videocodierung und
Videodecodierung, bei dem ein Eingangssignal mit Videobildinformation
je einer Mehrzahl (i) von Encodern (ECi) zugeführt wird,
wobei die Encoder (ECi) das Videosignal auf unterschiedlichen
Auflösungsebenen (0, 1, 2, . . ., i) mit unterschiedlicher
Qualität quantisieren (Q) und untereinander derart verkoppelt
sind, dass jeweils eine Quantisierung (Qi) und eine
Entropiecodierung (ECi) der Differenz (ΔX1) aus einem
Transformationssignal (Xi) vor der zugeordneten Quantisierung (Qi) und
einem Transformationssignal (Xi-1') einer niedrigeren
Qualitätsstufe (i-1) nach zugeordneter Quantisierung (Qi) und
inverser Quantisierung (IQi-1) erfolgt, wobei die resultierenden
Signale als Ausgangssignale (Di) mit auf den
unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen dienen, die
zur Videodecodierung jeweils einer separaten
Entropiedecodierung (EDi) und inversen Quantisierung (IQi) unterzogen
werden, worauf die jeweils erhaltenen Signale (XDi) verknüpft
werden und das resultierende Gesamtsignal (XD3) einer
gemeinsamen inversen Transformation (IT) unterzogen wird.
14. Verfahren zur Decodierung nach einem der vorangehenden
Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verknüpfung der durch jeweils eine separate
Entropiedecodierung (EDi) und inverse Quantisierung (IQi) erhaltenen
Signale (XDi) durch Summierung (+) erfolgt.
15. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung mit einer
Mehrzahl (i) von Encodern (ECi), denen jeweils ein
Eingangssignal mit Videobildinformation zugeführt wird, und durch die
das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen
(0, 1, 2, . . ., i) mit unterschiedlicher Qualität quantisierbar
(Q) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Encoder (ECi) untereinander derart verkoppelt sind, dass
zumindest teilweise quantisierte Differenzsignale (ΔX1) von
Transformationskoeffizienten Entropiecodierbar sind und als
Ausgangssignale (Di) mit auf den unterschiedlichen
Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgebbar sind.
16. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch
15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verkopplung der Encoder (ECi) untereinander derart ist,
dass jeweils eine Quantisierung (Qi) und eine
Entropiecodierung (ECi) der Differenz (ΔXi) aus einem
Transformationssignal (Xi) vor der zugeordneten Quantisierung (Qi) und einem
Transformationssignal (Xi-1') einer niedrigeren Qualitätsstufe
(i-1) nach zugeordneter Quantisierung (Qi-1) und inverser
Quantisierung (IQi-1) durchführbar ist.
17. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch
15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Quantisierer ineinander eingebettet sind.
18. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch
15, 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Encoder (ECi) synchronisiert arbeiten.
19. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung nach Anspruch
18,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Encoder als Master (ME) dient, dem die übrigen Encoder
als Slaves folgen, indem ein für den Master-Encoder (ME)
optimaler Codiermodus auf die Slave-Encoder (SE) übertragbar
ist.
20. Vorrichtung zur skalierbaren Videocodierung nach einem
der vorangehenden Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Encoder (ECi) einen Bildspeicher (Sp) zur Durchführung
einer Bewegungskompensation aufweist, der durch mit einem
Mittel zur Bewegungsschätzung ermittelte Bewegungsvektoren
(MV) ansteuerbar ist.
21. Vorrichtung zur Decodierung von Videosignalen,
insbesondere von mit einer Vorrichtung zur Videocodierung nach einem
der vorangehenden Ansprüche 15 bis 20 codierten
Videosignalen,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils separate Entropiedecodierer (EDi) und inverse
Quantisierer (IQi) für codierte Eingangssignale (Di) mit auf
unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen
vorgesehen sind, deren Ausgangssignale (XDi) verknüpft sind
und eine gemeinsame Einheit zur inversen Transformation (IT)
des verknüpften Gesamtsignals (XD3) vorgesehen ist.
22. Codec zur skalierbaren Videocodierung und
Videodecodierung mit einer Mehrzahl (i) von Encodern (ECi), denen jeweils
Videobildinformation als Eingangssignal dient, und durch die
das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen
(0, 1, 2, . . ., i) mit unterschiedlicher Qualität quantisierbar
(Q) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Encoder (ECi) untereinander derart verkoppelt sind, dass
jeweils eine Quantisierung (Qi) und eine Entropiecodierung
(ECi) der Differenz (ΔX1) aus einem Transformationssignal
(Xi) vor der zugeordneten Quantisierung (Qi) und einem
Transformationssignal (Xi-1') einer niedrigeren Qualitätsstufe
(i-1) nach zugeordneter Quantisierung (Qi-1) und inverser
Quantisierung (IQi-1) durchführbar ist, wobei daraus resultierende
Signale als Ausgangssignale (Di) mit auf den
unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgebbar
sind und wobei zur Decodierung jeweils separate
Entropiedecodierer (EDi) und inverse Quantisierer (IQi) für codierte
Signale (Di) mit auf unterschiedlichen Auflösungsebenen
quantisierten Videosignalen vorgesehen sind, deren Ausgangssignale
(XDi) verknüpft sind und eine gemeinsame Einheit zur inversen
Transformation (IT) des verknüpften Gesamtsignals (XD3)
vorgesehen ist.
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