DE19643915A1 - Verfahren und Schaltung zur Bestimmung eines Quantisierintervalls in einem Bildkodierer - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Bestimmung eines Quantisierintervalls in einem Bildkodierer

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Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildkodie­ rer, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Bestimmung von Quantisierintervallen, wobei die Eigen­ schaften des visuellen menschlichen Sinns voll berücksichtigt werden.
Ein digitales Videosignal, das viel Information enthält, soll für eine Übertragung auf einer Übertragungsleitung mit be­ grenzter Kapazität kodiert werden. Als wirksame Kodierverfah­ ren für das Minimieren einer Verschlechterung der Bildquali­ tät und der Information, gibt es Transformationskodiertechni­ ken, wie die differentielle Pulskodemodulation (DPCM) für das Erzielen eines Differenzbildes, unter Verwendung einer Bewe­ gungsschätzung und einer Bewegungskompensation eines Video­ signals, und die diskrete Cosinustransformation (DCT). Solche Techniken richten sich auf die Minimierung der Redundanz in Videosignalen, das Komprimieren von Information durch Quanti­ sieren. Somit ist es sehr wichtig, wie man ein Videosignal quantisiert, um die Verschlechterung der Qualität eines wie­ dergewonnen Bildes zu minimieren, und die Informationskom­ pression zu maximieren.
Bei der Minimierung der Qualitätsverschlechterung eines wie­ dergewonnen Bildes und der Maximierung der Informationskom­ pression gibt es zwei Erfordernisse.
  • (1) Die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes soll­ ten bei der Bestimmung der Quantisierintervalle berücksich­ tigt werden. Das heißt, eine Information eines Videosignals, auf die ein menschliches Auge nicht empfindlich anspricht, wird mit einem großen Quantisierinterval quantisiert und in starkem Maße komprimiert, während Information eines Video­ signals, auf die das menschliche Auge empfindlich reagiert, in einem kleinen Quantisierintervall quantisiert wird und nur wenig komprimiert wird.
  • (2) Ein Quantisierintervall sollte so bestimmt werden, daß die Zahl der Bits, die sich aus der Kodierung ergibt, kompa­ tibel ist mit einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit.
Bei einem konventionellen Bildkodierverfahren, wird ein Rah­ men im allgemeinen in 16×16 Makroblöcke unterteilt und es wird ein Quantisierintervall für jeden Block bestimmt. Im allgemeinen werden Pufferanforderungen für eine vorgegebene Übertragungsgeschwindigkeit berechnet, um das Quantisierin­ tervall zu bestimmen. Es wird ein Referenzquantisierintervall erhalten im Verhältnis zu den berechneten Pufferanforderun­ gen, und ein schließliches Quantisierintervall wird bestimmt durch Einstellen des Referenzquantisierintervalls, unter Ver­ wendung des Verteilungswertes eines Videosignals innerhalb des Makroblocks. Die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns werden jedoch beim Stand der Technik nicht genügend widergespiegelt und die Zahl, der sich aus dem Kodieren er­ gebenden Bits ist nicht kompatibel mit der Übertragungsge­ schwindigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Um das obige Problem zu überwinden, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Bestimmung eines Quantisierintervalls für das volle Widerspiegeln der Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes für die Ver­ wendung in einem Bildkodierer bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegende Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, die geeignet ist für das obige Be­ stimmungsverfahren für eine Quantisierintervall.
Um obige Aufgaben zu lösen, ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Quantisierintervalls angegeben, das folgende Schritte umfaßt: (a) Klassifizierung eines Videosignals auf der Basis der Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes; (b) Be­ stimmung eines Referenzquantisierintervalls, das für jede Klasse geeignet ist, die in Schritt (a) klassifiziert wurde; (c) Vorhersage der Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquantifi­ zierintervall quantifiziert wird; (d) Einstellen des Referen­ zquantifizierintervalls unter Verwendung der vorhergesagten Zahl der erzeugten Bits; (e) adaptives Zuweisen eines Ziel­ bits, unter Berücksichtigung der Verteilung des Videosignals, um ein Quantifizierintervall zu bestimmen, daß für eine vor­ gegebene Übertragungsgeschwindigkeit geeignet ist; und (f) Bestimmen eines endgültigen Quantisierintervalls aus dem ein­ gestellten Referenzquantifizierintervall, einer Pufferanfor­ derung und dem Zielbit.
Um eine andere Aufgabe zu lösen, ist eine Bestimmungsschal­ tung für ein Quantifizierintervall angegeben, die folgendes umfaßt: einen Teil zur Berechnung einer Quantifiziermatrix, um ein Quantifizierintervall durch die Eigenschaften des vi­ suellen menschlichen Sinns in diskreten Cosinustransformati­ ons Blöcken (DCT) der Größe 8×8, gemäß der Position eines DCT Koeffizienten zu erhalten; ein Klassifizierteil zur Klassifi­ zierung eines Makroblocks gemäß den Eigenschaften des visuel­ len menschlichen Sinns eines Videosignals im Makroblock; ein Referenzquantifizierintervallspeicherungsteil zur Speicherung eines Referenzquantifizierintervalls, das für die Eigenschaf­ ten des menschlichen visuellen Sinns jedes Makroblocks, der im Makroblockklassifizierungsteil klassifiziert wurde, geeig­ net ist; einen Blockklassifizierungsteil zur Klassifizierung eines Blocks durch einen Verteilungswert eines Videosignals im Block; ein Bittabellenspeicherteil zur Speicherung der Zahl der Bits, die erzeugt wird, wenn Blöcke jeder Block­ klasse, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden, durch unterschiedliche Quantisierintervalle quantifiziert werden; einen Histogrammberechnungsteil zur Berechnung der Frequenz der Blöcke, die in einem Rahmen erzeugt werden, für jede Kombination der Makroblockklassen, die im Makroblock­ klassifizierteil klassifiziert wurden, und der Blockklassen, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden; einen Rah­ menbiterzeugungsvorhersageteil für das Vorhersagen der Zahl der Rahmenbits, die unter Verwendung eines Histogramms, das im Histogrammberechnungsteil berechnet wurde erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquanti­ fizierintervall quantifiziert wird; einen Referenzquantifi­ zierintervalleinstellteil für das Einstellen eines Referenz­ quantifizierintervalls, das im Referenzqantifizierintervall­ speicherteil gespeichert wurde durch Verwendung der Anzahl der Rahmenbits, die im Rahmenbiterzeugungsvorhersageteil vor­ hergesagt wurden; einen Zielbitzuweisungsteil für die Zuwei­ sung eines Zielbits, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rahmenzielbit, das mit einer Übertragungsge­ schwindigkeit kompatibel ist und der vorhergesagten Zahl der erzeugten Rahmenbits für jede Kombination der Makroblockklas­ sen und der Blockklassen; und einen Bitratesteuerteil für das Bestimmen eines endgültigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenzquantifizierintervall und einer Puffer­ anforderung, die aus der Zahl der Bits berechnet wird, die bei der Kodierung eines vorhergehenden Makroblocks erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beglei­ tenden Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines allgemeinen Bildkodierers, auf den eine Quantifizierintervallbestimmungsschaltung der vorliegenden Erfindung angewandt wird; und
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Quantifizierintervallbestim­ mungsschaltung der vorliegenden Erfindung in einem Bildkodie­ rer.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Kodierer für bewegte Bilder nach interna­ tionalem Standard, das heißt, einen MPEG2-Kodierer, als all­ gemeinen Bildkodierer, auf den eine Quantifizierintervallbe­ stimmungsschaltung der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
Der Bildkodierer der Fig. 1 umfaßt einen ersten Feld/Rahmen- Speicher 1, einen Subtrahierer 2, einen Modusbestimmer 3, ei­ nen diskreten Cosinustransformierer (DCT) 4, einen Quantifi­ zierer (Q) 5, einen inversen Quantifizierer (Q-1) 6, einen inversen DCT (DCT-1) 7, einen Addierer 8, einen zweiten Feld/Rahmen-Speicher 9, einen ersten Bewegungsschätzer 10, einen zweiten Bewegungsschätzer 11, einen adaptiven Vorhersa­ ger 12, einen Kodierer/Multiplexer variabler Länge (VCL/MUX) 13, einen Puffer 14 und einen Quantifizierintervallbestimmer 15.
Fig. 2 zeigt den Quantifizierintervallbestimmer 15.
Die Quantifizierintervallbestimmungsschaltung der Fig. 2 hat einen Quantifiziermatrixberechner 20, einen Makroblockklassi­ fizierer 21, einen Referenzquantifizierintervallspeicher 22, einen Blockklassifizierer 23, einen Bittabellenspeicher 24, einen Histogrammberechner 25, einen Rahmenbiterzeugungsvor­ hersager 26, einen Referenzquantifizierintervalleinsteller 27, einen Zielbitzuweiser 28 und eine Bitratensteuerung 29.
Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
In Fig. 1 empfängt der Feld/Rahmen-Speicher 1 ein Quellvideo­ signal, in welchem Rahmen durch eine Farbkoordinatentransfor­ mation, ein Unterabtasten und eine Blockteilung neu angeord­ net werden, und speichert das Videosignal durch Feldeinheiten im Falle einer Zwischenrahmenkodierung oder in Rahmeneinhei­ ten im Fall einer Inrahmenkodierung.
Der Subrahierer 2 subtrahiert ein vorher bewegungskompensier­ tes Videoausgangssignal vom adaptiven Vorhersager 12 vom ak­ tuellen Videosignal der Feldeinheiten oder Rahmeneinheiten, die vom ersten Feld/Rahmen-Speicher 1 ausgegeben werden, und erzeugt ein Differenzvideosignal.
Der Modusbestimmer 3 bestimmt einen DCT-Modus und der DCT 4 führt eine DCT-Operation auf dem Differenzvideosignal durch, das vom Subtrahierer 2 im entsprechenden Modus ausgegeben wurde, und gibt einen Transformationskoeffizient des Diffe­ renzvideosignals aus.
Der Quantifizierer 5 quantifiziert den Transformationskoeffi­ zient des Differenzvideosignals, das vom DCT 4 ausgegeben wird, mit einem Quantifizierintervall, das im Quantifizierin­ tervallbestimmer 15 bestimmt wird.
Der inverse Quantifizierer 6 stellt das quantifizierte Sig­ nal, das vom Quantifizierer 5 ausgegeben wird, auf sein Vor­ quantifiziersignal wieder her.
Der inverse DCT 7 stellt das invers quantifizierte Signal, das vom inversen Quantifizierer 6 ausgegeben wird, auf sein Vor-DCT-Signal wieder her.
Der Addierer 8 addiert das wiederhergestellte Videosignal, das vom inversen DCT 7 ausgegeben wird zu einem bewegungskom­ pensierten Videosignal, das vom adaptiven Vorhersager 12 aus­ gegeben wird. Der zweite Feld/Rahmen-Speicher 9 speichert das wiederhergestellte Videosignal, das vom Addierer 8 ausgegeben wird in Feldeinheiten oder Rahmeneinheiten gemäß einem Ko­ diermodus.
Die ersten und zweiten Bewegungsschätzer 10 und 11 erzeugen einen Bewegungsvektor für das Herstellen eines aktuellen Bil­ des, das sich auf ein vorhergehendes Bild bezieht, das aus dem ersten Feld/Rahmen-Speicher 1 ausgegeben wird. Um Bewe­ gungsvektoren zu konstruieren, wird in den meisten Kodierern ein vorbestimmter Bereich vollständig durch feste Blockein­ heiten durchsucht, unter Verwendung eines minimalen absoluten Fehlers (MAE) als Referenz. Der Bewegungsvektor, der im zwei­ ten Bewegungsschätzer 11 erzeugt wird, wird an den adaptiven Vorhersager 12 und den VCL/MUX 13 ausgegeben.
Der adaptive Vorhersager 12 kompensiert eine Bewegungsposi­ tion des vorherigen Bildes, das im zweiten Feld/Rahmen-Spei­ cher 9 gespeichert ist, durch den Bewegungsvektor und die Mo­ dusdaten, die vom zweiten Bewegungsschätzer 11 ausgegeben werden, und gibt die bewegungskompensierten Daten an den Sub­ trahierer 2 und den Addierer 8 aus.
Der VCL/MUX 13 kodiert das Signal mit variabler Länge, das im Quantifizierer 5 quantifiziert wurde und multiplext das Sig­ nal, das vom Kodierer variabler Länge ausgegeben wird und den Bewegungsvektor, der vom zweiten Bewegungsschätzer 12 ausge­ geben wird.
Der Puffer 14 speichert temporär die Daten, die vom VCL/MUX 13 ausgegeben werden, da die Länge der Daten variiert, und überträgt die gespeicherten Daten zu einem Empfangsanschluß mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit.
Der Quantifizierintervallbestimmer 15 bestimmt ein Quantifi­ zierintervall gemäß der Anforderung an den Puffer 14. Das heißt, wenn eine große Anforderung an den Puffer 14 besteht, wird der Umfang der Daten, die vom Quantifizierer 5 ausgege­ ben werden, reduziert, indem das Quantifizierintervall ver­ größert wird, wogegen bei kleinen Pufferanforderungen der Um­ fang der Daten, die vom Quantifizierer 5 ausgegeben werden, erhöht wird, durch eine Verminderung des Quantifizierinter­ valls. Der Quantifizierintervallbestimmer 15 wird detailliert unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
In Fig. 2 erhält der Quantifiziermatrixberechner 20 eine Quantifiziermatrix durch Verwendung kontrastmarkierender Ef­ fekte, abhängig von der mittleren Luminanz und den Positio­ nen der DCT-Koeffizienten, die bestimmt werden, wenn ein 8×8 Blockvideosignal DCT-bearbeitet wird. Die Quantifiziermatrix wird erstellt, um eine Quantifizierung durchzuführen, die ge­ eignet ist für die optischen Kennzeichen durch Variierung der Quantifizierintervalle gemäß den 8×8 Blöcken und deren DCT- Koeffizientenpositionen. Es gibt vier Arten von Quantifizier­ matrizen gemäß der Luminanz/Chrominanz-Signale und der In­ tra/Inter-Makroblock-Verarbeitung. Zusätzlich wird eine neue Quantifiziermatrix berechnet und gespeichert, wenn nur eine Variation in einem Bild auftritt, und als zusätzliche Infor­ mation am Beginn eines Rahmens übertragen, was zu einer klei­ nen Erhöhung bei der Zahl der erzeugten Bits führt. Diese Quantifiziermatrix wird nach dem folgenden Verfahren gewon­ nen:
  • (1) Beim Bestimmen optisch kennzeichnender Kontrasteffekte, sind der Kontrast (CT), der von einem räumlich Frequenzband eines Bildblockes abhängt, die Luminanz und Helligkeitsdiffe­ renz in den Farbenkomponenten wie folgt definiert: CTu,v,s = H(u,v,s,l,Θ,t,d) (1)wobei u und v DCT-Referenzfrequenzen sind, s ein YUV-Farbko­ ordinatensystem ist, 1 die Summe einer mittleren Luminanz l eines Bildes und einer mittleren Luminanz lb eines Bildblocks ist und als cd/m² definiert ist, Θ die Gerichtetheit zwi­ schen DCT-Frequenzkomponenten ist, t ein wirklicher Kontrast­ wert eines Monitors gemäß Θ ist, und d ein Faktor ist, der die Differenz zwischen einer DCT-Referenzfrequenz und einer Frequenz anzeigt, die den maximalen Kontrasteffekt auf dem Monitor zeigt. Diese sieben Parameter werden mit den Eigen­ schaften des Monitors variiert.
  • (2) Bei der Bestimmung optisch kennzeichnender Maskiereffek­ te, wenn ein DCT-Maskierer, der eine Frequenzbandkomponenten­ größe von 1 hat, mit Testsignalen überlappt wird, die Fre­ quenzbandkomponenten mit variierenden Größen haben, variieren die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns mit der Frequenzbandkomponentengröße des Maskierers mit der Frequenz­ bandkomponentengröße. Das beendet die Kontrastmaskierung und die Kontrastmaskierung (CM) ist gegeben durch CMu,v,s = CTu,v,s × ME(T,M,m, (T,M,Ct),Mc,W) (2)wobei ME eine Funktion ist, die die Kontrastmaskierung einer Größenkomponente M des Maskierers bezüglich einer Größenkom­ ponente T des Testsignals festlegt und eine Funktion m(T,M) eine Näherung der Kontrastmaskierung des Maskierers ist für die indizierte Verteilung bei Verwendung einer Funktion Ct, die den maximalen Kontrastwert von ||T-M|| angibt und ein Frequenzband, das einen Wert von 1 hat im Falle, daß M=T. Mc ist das Verhältnis der Größe von ||T-M|| zu der von CT und wird als Referenzwert für das Bestimmen der Erzeugung der Maskierung und der Kontrastmaskierung verwendet. W ist ein Faktor, der die Maskierungsdifferenz zwischen Frequenzbändern bestimmt, wenn eine Maskierung erzeugt wird, das heißt, ein Faktor der die Neigung einer Maskierungsoptikeigenschafts­ kurve definiert, die sich von 0 (keine Maskierung) bis zu ei­ nem maximalen Wert bewegt, auf den das Weber-Gesetz anwendbar ist.
  • (3) Beim Bestimmen einer Quantifiziermatrix wird die optische Eigenschaft, daß das menschliche Auge einen Quantifizierfeh­ ler euv eines wiedergewonnen Bildes nicht wahrnehmen kann, der durch folgende Gleichung definiert ist, wird eine Quanti­ fiziermatrix QM definiert, unter Verwendung einer gerade wahrnehmbaren Differenz JND der folgenden Gleichung (4): D′uv = Round (Duv/QMuv = 0.49999)env = Duv - D′uv × QMuv (3)JNDuv = euv/CMuv (4)Im Falle, daß JND in den Gleichungen (3) und (4) gleich 1 oder weniger ist, was einen objektiven Referenzwert dar­ stellt, bei dem ein menschliches Auge keinen Quantifizierfeh­ ler in einem wiedergewonnen Bild erkennen kann, wird eine Quantifiziermatrix, die einen maximalen Quantifizierfehler erfüllt, folgendermaßen bestimmt:Max [euv] = QMuv/2
    QMuv 2 CMuv (5)Der Makroblockklassifizierer 21 klassifiziert einen Makro­ block als einen von sechzehn Makroblockklassen m, basierend auf den optischen Eigenschaften eines Videosignals des Makro­ blocks. Hier wird die Makroblockklasse m gemäß den Eigen­ schaften des Chrominanz- und Luminanzsignals klassifiziert. Makroblöcke werden in sechzehn Klassen klassifiziert durch Kombinieren der beiden Klassifikationsergebnisse. Eine solche Chrominanz- und Luminanzsignaleigenschaftsklassifikation wird im Detail beschrieben.
Als erstes wird die Chrominanzsignaleigenschaftsklas­ sifikation beschrieben.
Da ein Farbkoordinatensystem, das für MPEG verwendet wird, kein gleichförmiger Farbraum ist und somit eine Grenze zwi­ schen der Farbe eines Punktes und seiner benachbarten Farbe nichtlinear ist, sollte bei einem Quantifizierintervall, das durch eine konventionelle Helligkeitskomponente Y bestimmt wird, eine Aktivität bei der Farbbetrachtung berücksichtigt werden, um eine Farbdifferenz zwischen einem Originalbild und einem wiedergewonnenen Bild zu vermindern. Deswegen werden konventionelle YCbCr-Koordinaten transformiert in einen ein­ heitlichen Farbraum CIE lxaxb oder CIE lxuxvx, wobei eine Farbdifferenz zwischen dem Originalbild und dem komprimier­ ten/wiedergewonnen Bild erhalten wird, und dann ein Quantifi­ zierintervall ermittelt wird. Somit werden die optischen Ei­ genschaften weiterhin widergespiegelt. Es ist jedoch unmög­ lich, in Echtzeit das YCbCr in das CIE lxaxbx während der MPEG-Kodierung in Termen der Komplexität zu transformieren, und es wird viel Zeit verbraucht für eine Farbdifferenzbe­ rechnung.
Somit werden bei der vorliegenden Erfindung Empfindlichkeiten der Farben in einer Tabelle aufgelistet, unter Verwendung von Farbdifferenzgleichungen, die die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns berücksichtigen. Mittlerweile werden die Signale Y, Cb und Cr des YCbCr Koordinatensystems in 8×8×8 Abschnitte (Y, Cb und Cr werden jeweils geteilt) aufgeteilt, maximale Farbdifferenzen entlang 6 Richtungen, -Y, +Y, -Cb, +Cb, -Cr und +Cr werden berechnet mit der Mitte jedes Ab­ schnittes als Basis, und dann werden die Entfernungen zu den maximalen Farbdifferenzen gegenüber Y, Cb und Cr in der LUT gespeichert. Somit beträgt die Größe der LUT 512 Byte, die im Vorhinein experimentell berechnet wird, und dann in Echtzeit verarbeitet werden kann. Da die Empfindlichkeit auf Farben aus der erhaltenen LUT bekannt ist, können die optischen Ei­ genschaften eines Farbsignals eines Makroblocks wie folgt klassifiziert werden:
wobei LUT (Px, y) ein Farbdifferenzwert ist, der in der LUT gespeichert ist, und die Farbklasse (Color Class) das Ergeb­ nis der Farbsignalklassifikation eines Makroblocks ist.
Anschließend wird die Luminanzsignaleigenschaftsklassi­ fikation beschrieben.
Um die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns voll wiederzuspiegeln, verwendet die vorliegende Erfindung eine Texturmaskierungsmessung, das heißt, eine Kombination aus räumlicher Frequenzberechnung und der Weber-Regel. Die Weber- Regel zeigt, daß das Verhältnis der Luminanz eines Signals, das vom menschlichen Auge gegenüber der Luminanz eines Umge­ bungssignals nicht wahrgenommen werden kann, konstant ist und durch folgende Gleichung wiedergegeben wird:
Wenn die Luminanz des Umgebungssignals in Gleichung (7) L ist, so beträgt eine wahrnehmbare Luminanz eines Signals ΔL oder mehr, und das menschliche Auge kann kein Signal unter­ halb ΔL wahrnehmen.
Bei der Texturmaskierungsmessung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird die räumliche Frequenz eines Makroblocks wie folgt berechnet, wobei ein Schwellwert ver­ wendet wird, der aus der Weber-Regel abgeleitet wurde.
Das heißt, wenn die Luminanzdifferenz der Luminanzsignale zwischen benachbarten Bildpunkten größer als der Schwellwert ist, kann das menschliche Auge keine Luminanzvariation eines Luminanzsignals wahrnehmen. Somit spiegelt sich die Luminanz­ variation beim Berechnen einer räumlichen Frequenz wieder. Wenn die Luminanzdifferenz zwischen benachbarten Bildpunkten kleiner ist als der Schwellwert, so wird die Variation bei der Berechnung der räumlichen Frequenz nicht widergespie­ gelt.
Somit werden im Fall, daß vier Chrominanzsignaleigenschafts­ klassifikationsergebnisse und vier Luminanzsignaleigen­ schaftsklassifikationsergebnisse vorhanden sind, insgesamt sechzehn Makroblockklassen erzielt, und eine der sechzehn Makroblockklassen wird ausgewählt gemäß jedem Klassifika­ tionsergebnis.
Der Referenzquantifizierintervallspeicher 22 speichert ein Referenzquantifizierintervall Qr, das geeignet ist für die optischen Eigenschaften jeder Makroblockklasse. Das Referenz­ quantifizierintervall hat einen unterschiedlichen Wert gemäß einer Makroblockklasse und einem Makroblockverarbeitungsver­ fahren eines Rahmens. Beispielsweise sollten, wenn sechzehn Makroblockklassen und drei Makroblockverarbeitungsverfahren der I, B und P Rahmen, wie beim MPEG vorhanden sind, 40 (=16×3) Referenzquantifizierintervalle bestimmt werden.
Vor der Beschreibung des Blockklassifizierers 23 ist es not­ wendig das Quantifizierintervall einzustellen unter Berück­ sichtigung einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit, da das Referenzquantifizierintervall nur optisches Eigenschaften eines Videosignals widerspiegelt. Zu diesem Zweck wird die Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn das Videosignal mit dem Referenzquantifizierintervall quantifiziert wird, vorher­ gesagt werden. Somit wird der Blockklassifizierer 23 verwen­ det, um die Zahl der Bits vorherzusagen, die während der Quantifizierung eines Videosignals eines Blocks mit einem Re­ ferenzquantifizierintervall erzeugt werden. Im allgemeinen kann die Zahl der erzeugten Bits grob aus den Quantifizierin­ tervallen, dem Verteilungswert eines Signals innerhalb eines Blocks und der Beziehungen zur Bitzahl geschätzt werden. Eine genaue Schätzung ist jedoch unmöglich durch die Nichtlineari­ tät und Unregelmäßigkeiten. Somit wird die Zahl der erzeugten Bits genau geschätzt durch Teilung des Verteilungswertes ei­ nes Blocks in sechzehn Abschnitte und durch Berechnung des Quantifizierintervalls und der Zahl der Bits jedes Ab­ schnitts. Hierbei wird um den Verteilungswert des Blocks in sechzehn Abschnitte zu teilen ein Schwellwert des Vertei­ lungswertes von jedem Abschnitt benötigt. Dieser Schwellwert wird experimentell im Voraus ermittelt. Der Blockklassifizie­ rer 23 vergleicht den Verteilungswert jedes Blocks und den Schwellwert und wählt eine der Blockklassen aus.
Der Bittabellenspeicher 24 speichert eine Bittabelle, in wel­ cher die Beziehung zwischen einem Referenzquantifizierinter­ vall und der Zahl der Bits für jeden Abschnitt einer Block­ klasse experimentell ermittelt und aufgelistet wird. Im vor­ liegenden Fall gibt es sechs zehn Makroblockklassen und sech­ zehn Blockklassen und drei Rahmen von I, B und P, wobei die Größe der Bittabelle 16×16×3 Worte beträgt.
Wenn die sechzehn Makroblockklassen (m=0-15) und die sechzehn Blockklassen (b=0-15) da sind, gibt es insgesamt 256 Block­ klassen. Der Histogrammberechner 25 berechnet eine akkumu­ lierte Erzeugungsfrequenz in einem Blockrahmen für jeden Fall, das heißt, ein Histogramm. Hierbei wird, wenn das be­ rechnete Histogramm definiert ist als H(m) (b), H(1) (2), ange­ zeigt wie viele Blöcke mit m=1 und B=2 in einem Rahmen er­ zeugt werden. Das Histogramm eines gerade verarbeiteten Rah­ mens wird vollständig berechnet nach Eingabe des aktuellen Rahmens in den Bilddekodierer. Somit wird das Ergebnis des Histogramms des aktuellen Rahmens für das Kodieren des näch­ sten Rahmens verwendet.
Der Rahmenbiterzeugungsvorhersager 26 sagt die Gesamtzahl von Bits vorher, die in einem Rahmen erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in dem Rahmen durch ein Referenzquantifizierinter­ vall quantifiziert wird, das für das Klassifikationsergebnis jedes Makroblocks geeignet ist. Hier wird die Zahl der Rah­ menbits, die erzeugt werden, aus einer Bittabelle (nachfolgend als B(m) (b) bezeichnet) und einem Histogramm be­ rechnet. Wenn ein vorhergesagter Wert von erzeugten Rahmenbits Fe ist, so kann Fe angegeben werden als
Der Referenzquantifizierintervalleinsteller 27 stellt das Re­ ferenzquantifizierintervall Qr ein, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rah­ menzielbit Ft, das mit einer Übertragungsgeschwindigkeit kom­ patibel ist und dem vorhergesagten Wert Fe der erzeugten Rah­ menbits. Ein eingestelltes Referenzquantifizierintervall ist Qr′.
wobei Qr(m) ein Referenzquantifizierintervall für eine Makro­ blockklasse m anzeigt, S die Größe des Puffers 14 der Fig. 1 ist und W₁ und WD Gewichte von m sind.
Der Zielbitzuweiser 28 weist Zielblockbits für eine 256 Block Klassifikation zu, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwi­ schen Ft und Fe und einer Bittabelle. Solche Blockzielbits sind Werte, die die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns, die Verteilung eines Videosignals in einem Rahmen und die Übertragungsgeschwindigkeit widerspiegeln. Hier ist, wenn ein Zielbit zur Makroblockklasse m und zur Blockklasse b zugeordnet werden soll Bt(m) (b):
Andererseits ist, wenn das Zielbit eines j-ten Blocks im i- ten Makroblock Bt(i, j) ist, die Makroblockklasse m ist und die Blockklasse b ist
Bt(i,j) = Bt(m)(b) (12)
wobei ein Zielmakroblockbit des i-ten Makroblocks als die Summe der Zielbits der Blöcke im Makroblock ausgedrückt wer­ den kann.
Die Bitratensteuerung 29 berechnet die Anforderungen für den Puffer 14 der Fig. 1 aus der Zahl der Bits, die während des Kodierens des vorhergehenden Makroblocks erzeugt wurden und berechnet ein endgültiges Quantifizierintervall durch Verwen­ dung der Pufferanforderung und des Referenzquantifizierinter­ falls Qr. Wenn man annimmt, daß das endgültige Quantifizierin­ tervall des n-ten Makroblocks in einem Rahmen Qf(n) ist und die Pufferanforderung nach dem Kodieren des (n-1)-ten Makro­ blocks B(n-1) ist, so ist das endgültige Quantifizierinter­ vall gegeben durch
wobei BR(i) die Zahl der Bits ist, die sich aus dem Kodieren des i-ten Makroblocks ergibt, B₁ eine Pufferanforderung vor der Verarbeitung des aktuellen Rahmens ist, S die Größe des Puffers 14 der Fig. 1 ist und K eine Konstante ist.
Wie oben beschrieben wurde, klassifiziert das Quantifizierin­ tervallbestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung ein Videosignal, basierend auf den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns, bestimmt ein Referenzquantifizierinter­ vall, das für jede Klasse geeignet ist, weist adaptiv ein Zielbit zu unter Berücksichtigung der Verteilung des Video­ signals, um ein Quantifizierintervall zu bestimmen, das mit einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit kompatibel ist, gleichzeitig mit der Referenzquantifizierintervallbe­ stimmung und bestimmt dann ein endgültiges Quantifizierinter­ vall. Somit wird beim Kodieren eines Videosignals unter Ver­ wendung eines nach der oben beschriebenen Weise erhaltenen Quantifizierintervalls die Kompressionsrate eines Videosig­ nals und die Qualität des wiedergewonnen Bildes verbessert.

Claims (2)

1. Quantifizierintervallbestimmungsverfahren mit folgenden Schritten:
  • (a) Klassifizierung eines Videosignals basierend auf den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns;
  • (b) Bestimmung eines Referenzquantifizierintervalls, das für jede der in Schritt (a) klassifizierten Klassen geeignet ist;
  • (c) Vorhersagen der Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquanti­ fizierintervall quantifiziert wird;
  • (d) Einstellen des Referenzquantifizierintervalls durch Verwendung der vorhergesagten Zahl der erzeugten Bits;
  • (e) adaptives Zuweisen eines Zielbits unter Berücksich­ tigung der Verteilung des Videosignals, um ein Quantifizier­ intervall zu bestimmen, das für eine vorgegebene Übertra­ gungsgeschwindigkeit geeignet ist; und
  • (f) Bestimmen eines endgültigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenzquantifizierintervall, einer Pufferanforderung und dem Zielbit.
2. Quantifizierintervallbestimmungsschaltung mit:
einen Teil zur Berechnung einer Quantifiziermatrix, um ein Quantifizierintervall durch die Eigenschaften des visuel­ len menschlichen Sinns in diskreten Cosinustransformations­ blöcken (DCT) der Größe 8×8, gemäß der Position eines DCT Koeffizienten zu erhalten;
einem Klassifizierteil zur Klassifizierung eines Makro­ blocks gemäß den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns eines Videosignals im Makroblock;
einem Referenzquantifizierintervallspeicherungsteil zur Speicherung eines Referenzquantifizierintervalls, das für die Eigenschaften des menschlichen visuellen Sinns jedes Makro­ blocks, der im Makroblockklassifizierungsteil klassifiziert wurde, geeignet ist;
einem Blockklassifizierungsteil zur Klassifizierung ei­ nes Blocks durch einen Verteilungswert eines Videosignals im Block;
einem Bittabellenspeicherteil zur Speicherung der Zahl der Bits, die erzeugt wird, wenn Blöcke jeder Blockklasse, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden, durch un­ terschiedliche Quantisierintervalle quantifiziert werden;
einem Histogrammberechnungsteil zur Berechnung der Fre­ quenz der Blöcke, die in einem Rahmen erzeugt werden, für je­ de Kombination der Makroblockklassen, die im Makroblockklas­ sifizierteil klassifiziert wurden, und der Blockklassen, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden;
einem Rahmenbiterzeugungsvorhersageteil für das Vorher­ sagen der Zahl der Rahmenbits, die unter Verwendung eines Hi­ stogramms, das im Histogrammberechnungsteil berechnet wurde, erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquantifizierintervall quantifiziert wird;
einem Referenzquantifizierintervalleinstellteil für das Einstellen eines Referenzquantifizierintervalls, das im Refe­ renzquantifizierintervallspeicherteil gespeichert wurde durch Verwendung der Anzahl der Rahmenbits, die im Rahmenbiterzeu­ gungsvorhersageteil vorhergesagt wurden;
einem Zielbitzuweisungsteil für die Zuweisung eines Zielbits, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rahmenzielbit, das mit einer Übertragungsgeschwindigkeit kom­ patibel ist und der vorhergesagten Zahl der erzeugten Rahmen­ bits für jede Kombination der Makroblockklassen und der Blockklassen; und
einem Bitratesteuerteil für das Bestimmen eines endgül­ tigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenz­ quantifizierintervall und einer Pufferanforderung, die aus der Zahl der Bits berechnet wird, die bei der Kodierung eines vorhergehenden Makroblocks erzeugt werden.
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