DE10313149B4 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen sowie Verwendungen dieses Verfahrens und ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen sowie Verwendungen dieses Verfahrens und ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen sowie Verwendungen dieses Verfahrens und ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, welche insbesondere einsetzbar sind, um in mobilen Endgeräten den durch die Prozessorleistung verursachten Stromverbrauch zu senken.
  • In naher Zukunft werden zunehmend mehr mobile Endgeräte über die Möglichkeit verfügen digital codierte Videodatenströme für diverse Multimediaapplikationen, wie z. B. Multi-Media-Messaging (MMS), zu empfangen und darzustellen. Hierfür sind spezielle Decoder notwendig, die die Decodierung der, mit einem entsprechenden Standard, codierten Daten vornehmen. Typischerweise sind diese Decoder auf der Basis sog. Applikationsprozessoren implementiert, die als zusätzlicher Baustein einem Mobilfunkbasisbandbaustein hinzugefügt werden. Applikationsprozessoren bestehen aus eingebetteten Prozessoren und entsprechenden Peripheriekomponenten zur Ausgabe der decodierten Daten. Die eigentliche Decoderfunktionalität wird ein diesen Systemen mit Hilfe spezielle Software realisiert, die auf dem Applikationsprozessor ausgeführt wird. Hierfür existieren z. B. Decoder für MPEG-4, H.263 und H.264. Aufgrund der speziellen Charakteristik der entsprechend codierten Datenströme kann festgestellt werden, dass die benötigte Rechenzeit für die Decodierung extremen Schwankungen unterliegt, d. h. die benötigte Rechenzeit kann von Bild zu Bild einer Sequenz z. B. um den Faktor 2-3 variieren.
  • 2 und 3 geben exemplarisch den jeweils benötigten Prozessortakt pro Bild einer Sequenz wieder. Weiterhin kann festgestellt werden, dass die für die Decodierung benötigte Rechenzeit stark von der jeweils verwendeten Datenrate des Videodatenstroms abhängig ist. Aufgrund des linearen Zusammenhangs von Prozessortakt und erzielbarer Rechenleistung eines Prozessors, ist es möglich die Taktfrequenz an den jeweiligen Rechenleistungsbedarf anzupassen, wenn vor der Decodierung eine Ermittlung der erforderlichen Rechenleistung möglich ist. In der Regel wird der Applikationsprozessor somit nie mit der maximalen Obergrenze der Taktfrequenz betrieben, stattdessen findet eine drastische Absenkung dieser statt. Nach Gleichung (1) besteht für CMOS-Schaltungen ein linearer Zusammenhang zwischen dem dynamischen Leistungsverbrauch Pdynamic und der verwendeten Taktfrequenz fk. Weiterhin kann durch eine Absenkung der Taktfrequenz eine Absenkung der Versorgungsspannung VDD vorgenommen werden, die quadratisch in Gleichung (1) und (2) eingeht und ebenfalls eine wesentliche Reduzierung der Leistungsaufnahme herbeiführen.
  • Figure 00020001
  • Die Ermittlung der benötigten Rechenzeit vor der eigentlichen Decodierung eines Bildes kann anhand einer speziellen Voruntersuchung (Komplexitätsvorhersage) des Datenstromes erfolgen. Hierbei werden entsprechende Performanceparameter abgeleitet, die die benötigte Rechenzeit vorhersagen lassen.
  • Zur Vorhersage der Decodierungskomplexität für den Codierungsstandard H.263 wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das diese Vorhersage anhand der Datenmenge eines codierten Bildes vornimmt. Für die Standards MPEG-4 und H.264 ist dieses Verfahren jedoch ungeeignet, da aufgrund der zunehmenden Komplexität der Verfahren wesentlich stärkere Schwankungen in der Decodierkomplexität auftreten können.
  • Daneben ist aus der US-Patentschrift US 5,719,961 eine adaptive Technik für die Signaltransformation bei Encodern bzw. Decodern bekannt. Dabei erfolgt eine Klassifizierung von „coefficient transform" Block-Signalen. In Abhängigkeit der so ermittelten Klasse wird anschließend eine an die ermittelte Klasse adaptierte diskrete Kosinus-Transformation der „coefficient transform" Block-Signale vorgenommen. Weiterhin werden die transformierten Signale ausgewertet hinsichtlich ihrer assoziierten „coefficient transform" Block-Signale, um eine entsprechend adaptierte inverse diskrete Kosinus-Transformation auf die transformierten„coefficient transform" Block-Signale anzuwenden.
  • In einer anderen US-Patentschrift, US 5,479,211 , wird eine Vorrichtung zum Decodieren von Bild-Signalen beschrieben. Die dort beschriebene Vorrichtung decodiert komprimierte Video-Daten. Die Vorrichtung umfaßt dazu einen Schaltkreis, welcher die komprimierten Video-Daten decodiert und die Video-Daten sowie einen Bewegungs-Vektor je Block ausgibt. Ferner umfaßt die Vorrichtung einen Schaltkreis, welcher die Block-Distortion der Video-Daten eliminiert. Dieser Schaltkreis eliminiert die Block-Distortion gemäß einer Distortion-Eliminierungs-Charakteristik, welche den jeweiligen Eigenschaften der Video-Daten angepaßt wird, indem ein weiterer, sogenannter Beurteilungs-Schaltkreis den Bewegungs-Vektor und das Signal-Band jedes Blocks sowie den Block-Typ auswertet.
  • Weiter ist aus der US-Patentschrift US 5,892,522 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Adressieren von Speicherbereichen eines MPEG-Decoders bekannt. Hierbei wird eine spezielle Speicherung der durch den Decoder decodierten Bilder vorgeschlagen, wobei die in den Makroblöcken enthaltenen Daten-Blöcke der Bilder in Halbblöcke aufgeteilt werden, von denen jeder die Daten für entweder die ungeraden bzw. geraden Bildzeilen enthält. Die so generierten Halbblöcke werden anschließend in „ungeraden" bzw. „geraden" Reihen der Makroblöcke gruppiert und abgespeichert.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen sowie Verwendungen dieses Verfahrens und ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium bereitzustellen, welche die oben genannten Mängel beheben und insbesondere eine Herabsetzung des Stromverbrauchs von Applikationsprozessoren bei der Decodierung von blockbasiert codierten Videodaten erreichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Ansprüchen 1, 8, 12 sowie 14 bis 22 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  • Eine Anordnung zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen ist vorteilhafterweise so eingerichtet, daß sie mindestens einen Prozessor und/oder Chip umfaßt, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß die Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen ermittelbar ist, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  • Ein Computerprogramm zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen ist dadurch ausgezeichnet, daß es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, die Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen zu ermitteln, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  • Um die Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen zu ermitteln, wird vorteilhafterweise ein computerlesbares Speichermedium eingesetzt, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen durchzuführen, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß Blocktypen, Auftrittshäufigkeit von Blocktypen und/oder Decodierungskomplexität jeweils für ein einzelnes Bild ermittelt werden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß jedes Bild des Videodatenstroms bei der Ermittlung von Blocktypen und der Auftrittshäufigkeit von Blocktypen analysiert wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Blocktypen ein Performancekoeffizient CBlocktyp zugeordnet wird, wobei der Performancekoeffizient CBlocktyp die für die Verarbeitung des Blocktyps erforderliche Leistung des Prozessors beschreibt.
  • Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Decodierungskomplexität unter Berücksichtigung der Performancekoeffizienten CBlocktyp ermittelt wird.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Decodierungskomplexität CFrame eines Bildes durch folgende Gleichung bestimmt wird:
    Figure 00080001
    wobei
    • Cj
    den Performancekoeffizienten für einen Block vom Typ j,
    Mj
    die Anzahl der im Bild Frame vorhandenen Blöcke vom Typ j und
    N
    die Anzahl der zu berücksichtigenden Blocktypen
    angeben.
  • Speziell erweist es sich als Vorteil, wenn für MPEG-4 codierte Datenströme die Performancekoeffizienten für
    Inter-codierte Blöcke (CInter),
    Inter4v-codierte Blöcke (CInter4v) und
    Intra-codierte Blöcke (CIntra)
    berücksichtigt werden, und die Decodierungskomplexität KFrame wie folgt bestimmt wird:
    Figure 00090001
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen liegt in der Verwendbarkeit dieses Verfahrens für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern, indem die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird. Eine derartige Anpassung der Prozessortaktfrequenz bringt insbesondere den Vorteil einer Absenkung der Verlustleistung des Prozessors mit sich.
  • Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Verarbeitungsleistung des Prozessors für in blockbasierten codierten Videodatenströmen auftretende Blocktypen ermittelt und durch einen Performancekoeffizienten CBlocktyp charakterisiert wird. Durch dieses Vorgehen wird die Anpassung der Taktfrequenz für den jeweils eingesetzten Prozessor optimiert.
  • Außerdem erweist es sich für die Anpassung der Taktfrequenz als vorteilhaft, wenn nach der Ermittlung der Decodierungskomplexität KFrame des aktuellen Bildes die Decodierung des vorangehenden Bildes erfolgt, wobei die in Pufferspeichern gehaltenen, decodierten Zwischenergebnisse des vorangehenden Bildes vollständig decodiert werden. Bei diesem Vorgehen wird ein zweimaliges Parsen der Bitstromdaten vermieden.
  • Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern erweist es sich als Vorteil, wenn die an die Decodierungskomplexität KFrame angepasste Taktfrequenz fCore des Prozessors durch folgende Gleichung bestimmt wird:
    Figure 00100001
    wobei
    • Kmax
    die maximale Decodierungskomplexität bei maximalem Prozessortakt fmax,
    fmax
    die maximale Prozessortaktfrequenz und
    SPLL
    den maximalen Frequenzteiler der Prozessor-PLL
    angeben. Damit wird eine Taktbeeinflussung sichergestellt, welche an die Beeinflussungsmöglichkeiten der verwendeten Prozessorplattform angepasst ist.
  • Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen ist seine Verwendung für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen hervorzuheben. Eine solche Verwendung ist dadurch ausgezeichnet, daß die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet. Insbesondere ist es hierbei von Vorteil, wenn der vorgegebene Wert die maximale Decodierungskomplexität Kmax des Prozessors angibt.
  • Für die erwähnten, möglichen Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind – wie für das Verfahren selbst – auch entsprechende Anordnungen, Computerprogramme sowie computerlesbare Speichermedien einsetzbar.
  • Dabei ist eine Anordnung, mit welcher eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern unter Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 realisierbar ist, vorteilhafterweise so eingerichtet, daß sie mindestens einen Prozessor und/oder Chip umfaßt, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anwendbar ist, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  • Ganz analog ist eine Anordnung zur Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen unter Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch ausgezeichnet, daß sie mindestens einen Prozessor und/oder Chip umfaßt, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anwendbar ist, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  • Es erweist sich darüber hinaus als vorteilhaft, zur Ausführung einer dynamischen Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern ein Computerprogramm einzusetzen, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anzuwenden, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  • Zur Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen kann ebenso ein Computerprogramm eingesetzt werden, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anzuwenden, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  • Beispielsweise können diese Computerprogramme (gegen Gebühr oder unentgeltlich, frei zugänglich oder passwortgeschützt) downloadbar in einem Daten- oder Kommunikationsnetz bereitgestellt werden. Die so bereitgestellten Computerprogramme können dann durch ein Verfahren nutzbar gemacht werden, bei dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 17 bis 19 aus einem Netz zur Datenübertragung wie beispielsweise aus dem Internet auf eine an das Netz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird.
  • Alternativ kann, zur dynamischen Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern ein Computerprogramm eingsetzt werden, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anzuwenden, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  • Ebenso erweist sich als vorteilhaft, zur Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen ein computerlesbares Speichermedium einzusetzen, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anzuwenden, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen wert überschreitet.
  • Durch die Erfindung wird die Herabsenkung des Stromverbrauchs von Applikationsprozessoren erreicht bei der Decodierung von blockbasiert codierten Videodaten, indem durch Vorhersage der Decodierungskomplexität die Taktfrequenz des Prozessors an den benötigten Rechenleistungsbedarf angepasst wird.
  • Proportional zur Absenkung der Taktfrequenz kann somit eine Absenkung der dynamischen Leistungsaufnahme herbeigeführt werden. Durch die Absenkung der Taktfrequenz ist wiederum eine Absenkung der Versorgungsspannung des Prozessors möglich.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Auftrittshäufigkeit unterschiedlicher Blocktypen in einem MPEG-4 Simple-Profile Datenstrom,
  • 2 benötigter Prozessortakt pro Bild für MPEG-4-codierte Videosequenzen bei 32kBit/s, QCIF, 12,5 Frames/sec,
  • 3 benötigter Prozessortakt pro Bild für H.264-codierte Videosequenzen bei 64kBit/s, QCIF, 7 Frames/sec,
  • 4 Taktfrequenzreduktion bei verschiedenen Taktteilverhältnissen für eine Bildsequenz mit starker Bildänderung,
  • 5 Taktfrequenzreduktion bei verschiedenen Taktteilverhältnissen für eine Bildsequenz mit geringer Bildänderung
  • 6 Veranschaulichung der prozentualen durchschnittlich erzielten Taktreduktion für zwei H.264-codierte Datenströme.
  • Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft an einer speziellen Ausführungsform der Erfindung näher erläutert werden.
  • Ein besonders wichtiger Bereich, in dem die Vorhersage der Decodierungskomplexität Verwendung findet, sind mobile Endgeräte, die über die Möglichkeit verfügen, digital codierte Videodatenströme für diverse Multimediaapplikationen, wie z. B. Multi-Media-Messaging (MMS), zu empfangen und darzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, hierfür die notwendigen Parameter für die Bestimmung der erforderlichen Prozessorleistung aus dem Datenstrom abzuleiten. Hierzu werden die Videodaten vor der eigentlichen Decodierung einer Analyse unterzogen, indem die unterschiedlichen Blocktypen des entsprechenden Bildes untersucht und gezählt werden. Da die verschiedenen Blocktypen unterschiedliche Prozessorleistungen für die Decodierung erfordern, kann durch Zählen der Auftrittshäufigkeit der jeweiligen Blocktypen der Leistungsbedarf in Bezug auf Rechenleistung des verwendeten Prozessors ermittelt werden. Das Diagramm in 1 stellt für eine typische MPEG-4-codierte Bildsequenz die Auftrittshäufigkeit der verwendeten Blocktypen dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass, je nach Bildinhalt, die Häufigkeit der verschiedenen Blocktypen stark voneinander abweichen kann.
  • Nach der Ermittlung der notwendigen Prozessorleistung kann der Prozessortakt entsprechend angepasst werden. Um eine möglichst effiziente Verarbeitung zu gewährleisten, erfolgt die Verarbeitung beider Schritte in zwei Pipelinezyklen, d. h. nach der Ermittlung der Prozessorleistung für das aktuelle Bild beginnt die Decodierung des vorhergehend untersuchten Bildes, um ein zweifaches Parsen der Bitstromdaten zu vermeiden. Hierfür werden die bei der Analyse der Bitstromdaten zwangsläufig decodierten Zwischenergebnisse in entsprechenden Pufferspeichern gehalten, die somit in dem zweiten Verarbeitungszyklus der Pipelinestufe entgültig decodiert werden können. Bei genügend hoher Leistungsfähigkeit oder Speicherplatzmangel kann die Verarbeitung auch in einem Schritt erfolgen, jedoch reduziert sich dementsprechend die zu erwartende Taktzyklenreduktion.
  • Um eine genaue Anpassung der ermittelten Performancekriterien zu erreichen und damit die Taktfrequenz des Prozessors möglichst niedrig zu halten, ist eine genaue Untersuchung der Leistungsfähigkeit des Prozessors in Bezug auf die Verarbeitungsleistung unterschiedlicher Blocktypen durchzuführen. Dabei werden entsprechende Performancekoeffizienten CBlocktype für die unterschiedlichen Blocktypen abgeleitet, die aufsummiert über die Auftrittshäufigkeit innerhalb eines Bildes die benötigte Decodierungskomplexität KFrame eines Bildes ergeben.
  • In Gleichung (3) ist exemplarisch die Decodierungskomplexität für MPEG-4 codierte Datenströme angegeben. Hierbei werden im wesentlichen drei verschiedene Blocktypen unterschieden, die stark in ihrem Performancebedarf voneinander abweichen. Die Blocktypen Stuffing und not_coded gehen indirekt in die Ermittlung der Komplexität ein, da sie zwar in die Gesamtzahl der zu codierenden Makroblöcke mit einbezogen werden, jedoch keine Rechenleistung erfordern.
    Figure 00170001
    mit
    • CInter:
    Performancekoeffizient für Inter-codierte Blöcke
    CInter4v:
    Performancekoeffizient für Inter4v-codierte Blöcke
    CIntra:
    Performancekoeffizient für Intra-codierte Blöcke
  • Die Ermittlung der Decodierungskomplexität für H.264-Datenströme erfolgt in gleicher Weise, jedoch müssen hier eine größere Anzahl von unterschiedlichen Blocktypen berücksichtigt werden. Das Verfahren ist auf jedes blockbasierte Codierungsverfahren anwendbar, bei dem verschiedenartige Blocktypen mit unterschiedlicher Decodierungskomplexität verwendet werden.
  • Zur Erzeugung einer gewünschten Taktfrequenz in Prozessoren wird eine als „Phase Locked Loop" (PLL) bezeichnete Schaltung verwendet. Dieser elektronische Regelkreis, generiert aus einem Eingangstakt mit einer festen Frequenz (sog. Referenz-Takt) eine andere Frequenz. Die dabei erreichbaren Frequenzen werden durch den maximalen Frequenzteiler der PLL eingeschränkt. Je nach verwendeter Prozessorplattform und den entsprechenden Möglichkeiten der Taktbeeinflussung muss somit eine entsprechende Quantisierung der ermittelten Decodierungskomplexität vorgenommen werden, um die resultierende Taktfrequenz zu ermitteln. Die eigentliche Taktfrequenz des Prozessor ergibt sich somit nach Gleichung (4).
    Figure 00180001
    mit
    • Kmax:
    maximale Decodierungskomplexität bei maximalem Prozessortakt fmax
    fmax:
    maximale Prozessortaktfrequenz
    SPLL:
    maximaler Frequenzteiler der Prozessor-PLL
  • Auf der Basis des beispielhaft beschriebenen Verfahrens wurde ein Softwaremodell entwickelt, mit dem das Verfahren auf einem Prozessorsimulator untersucht wurde. Dabei wurden verschiedene Schrittweiten zur Taktänderung untersucht. Die Diagramme in den 4 und 5 geben die Ergebnisse der Untersuchung wieder. Neben den drei untersuchten PLL-Teilverhältnissen geben die Diagramme auch den jeweils benötigten Worst-Case-Takt und den eigentlichen Rechenleistungsbedarf der jeweiligen Sequenz wieder.
  • Für die Simulation wurde der Prozessorsimulator ARMULATOR des Prozessorherstellers ARM für den Prozessor ARM922T eingesetzt. Das Diagramm in 6 stellt die durchschnittlich erzielte Taktreduktion für zwei H.264-codierte Datenströme dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Taktreduktion besonders hoch bei Sequenzen mit geringerer Bildänderung ist und hierbei eine Reduktion von bis zu 74% bei einem Taktteilerverhältnis von 12 zu erzielen ist. Die Sequenz mit stärkerer Bildänderung ergibt jedoch immer noch eine durchschnittliche Reduktion von ca. 33%.
  • Wird der Zusammenhang von Taktfrequenz und Verlustleistung einer CMOS-Schaltung nach Gleichung (1) und (2) für den verwendeten Prozessor ARM922T zugrundegelegt, so ist die Taktfrequenzreduktion gleichzusetzen mit der erzielten Verlustleistungsreduktion. Hierbei sind nicht die statischen Verlustleistungen betrachtet, die ebenfalls bei einer Gesamtbetrachtung der Leistungsaufnahme berücksichtigt werden müssen.
  • Die Vorhersage der Decodierungskomplexität kann auch für weitere Anwendungen eingesetzt werden. Z. B. kann die Decodierung von Datenströmen verhindert werden, die eine höhere Decodierungskomplexität erfordern als das jeweilige System ermöglicht. Durch geeignete Maßnahmen kann dabei ein Verwerfen der entsprechenden Frames erfolgen bzw. entsprechende komplexitätssenkende Verfahren eingesetzt werden, wie z. B. Frequency Domain Sub-Sampling.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (23)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Blocktypen, Auftrittshäufigkeit von Blocktypen und/oder Decodierungskomplexität jeweils für ein einzelnes Bild ermittelt werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bild des Videodatenstroms bei der Ermittlung von Blocktypen und der Auftrittshäufigkeit von Blocktypen analysiert wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Blocktypen ein Performancekoeffizient CBlocktyp zugeordnet wird, wobei der Performancekoeffizient CBlocktyp die für die Verarbeitung des Blocktyps erforderliche Leistung des Prozessors beschreibt.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierungskomplexität unter Berücksichtigung der Performancekoeffizienten CBlocktyp ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierungskomplexität KFrame eines Bildes durch folgende Gleichung bestimmt wird:
    Figure 00220001
    wobei Cj den Performancekoeffizienten für einen Block vom Typ j, Mj die Anzahl der im Bild Frame vorhandenen Blöcke vom Typ j und N die Anzahl der zu berücksichtigenden Blocktypen angeben.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für MPEG-4 codierte Datenströme die Performancekoeffizienten für Inter-codierte Blöcke (CInter), Inter4v-codierte Blöcke (CInter4v) und Intra-codierte Blöcke (CIntra) berücksichtigt werden, und die Decodierungskomplexität KFrame wie folgt bestimmt wird:
    Figure 00230001
  8. Verwendung eines Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsleistung des Prozessors für in blockbasierten codierten Videodatenströmen auftretende Blocktypen ermittelt und durch einen Performancekoeffizienten CBlocktyp charakterisiert wird.
  10. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ermittlung der Decodierungskomplexität KFrame des aktuellen Bildes die Decodierung des vorangehenden Bildes erfolgt, wobei die in Pufferspeichern gehaltenen, decodierten Zwischenergebnisse des vorangehenden Bildes vollständig decodiert werden.
  11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Decodierungskomplexität KFrame angepasste Taktfrequenz fCore des Prozessors durch folgende Gleichung bestimmt wird:
    Figure 00240001
    wobei Kmax die maximale Decodierungskomplexität bei maximalem Prozessortakt fmax, fmax die maximale Prozessortaktfrequenz und SPLL den maximalen Frequenzteiler der Prozessor-PLL angeben.
  12. Verwendung eines Verfahrens zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert die maximale Decodierungskomplexität Kmax des Prozessors angibt.
  14. Anordnung mit mindestens einem Prozessor und/oder Chip, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen durchführbar ist, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  15. Anordnung mit mindestens einem Prozessor und/oder Chip, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anwendbar ist, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  16. Anordnung mit mindestens einem Prozessor und/oder Chip, der (die) derart eingerichtet ist (sind), daß ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anwendbar ist, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  17. Computerprogramm, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen durchzuführen, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  18. Computerprogramm, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anzuwenden, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  19. Computerprogramm, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anzuwenden, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  20. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen durchzuführen, wobei in dem Videodatenstrom enthaltene Blocktypen und für wenigstens einen Teil der in dem Videodatenstrom enthaltenen Blocktypen die die Auftrittshäufigkeit eines Blocktyps beschreibende Anzahl der jedem Blocktyp zugeordneten Blöcke zumindest näherungsweise bestimmt werden und die Decodierungskomplexität des Videodatenstroms durch Auswertung der Auftrittshäufigkeit der Blocktypen ermittelt wird.
  21. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine dynamische Anpassung der Prozessortaktfrequenz in Videodecodern anzuwenden, wobei die Taktfrequenz des Prozessors in Abhängigkeit der Decodierungskomplexität gesteuert wird.
  22. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Decodierungskomplexität von blockbasiert codierten Videodatenströmen für eine Steuerung der Decodierung von Videodatenströmen anzuwenden, wobei die Decodierung von Videodaten abgebrochen wird, sobald die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet, oder die Decodierung von Videodaten unterbrochen oder mit komplexitätsreduzierten Verfahren wie Frequency Domain Sub-Sampling durchgeführt wird, solange die Decodierungskomplexität der Videodaten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  23. Verfahren, bei dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 17 bis 19 aus einem Netz zur Datenübertragung wie beispielsweise aus dem Internet auf eine an das Netz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird.
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