DE19718802C2 - Verfahren zum Analysieren von bildinhaltsabhängig qualitätsmindernden Eigenschaften eines bitratenreduzierenden digitalen Videosystems - Google Patents
Verfahren zum Analysieren von bildinhaltsabhängig qualitätsmindernden Eigenschaften eines bitratenreduzierenden digitalen VideosystemsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1. Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP 284 161 A2 bekannt.
Die Entwicklung und Standardisierung digitaler Videosysteme, denen eine erhebliche
Reduzierung der Bitrate nach dem MPEG-2-Standard zugrunde liegt, ist sehr weit
fortgeschritten und unter ISO/IEC 13818-1 und ISO/IEC 13818-2 veröffentlicht. Die
Einführung solcher neuen Systeme sowohl für terrestrische als auch vor allem für
Satelliten- und Kabelübertragung sowie für die Bildspeicherung ist bereits im Gange.
Der durchschnittliche Benutzer unterhaltungselektronischer Geräte, der üblicherweise seine
ersten Erfahrungen in Sachen Digitaltechnik mit der digitalen Audio-CD gemacht hat,
verbindet mit dem Begriff "digital" vorwiegend die Eigenschaften "qualitativ besser als
analog" und auch "weniger störanfällig". Aber inzwischen ist ein wesentliches Merkmal
bestimmter Digitalsysteme hinzugekommen, das man als "höhere Dichte" bzw. "mehr
Programme über einen gleich großen Informationsträger" umreißen könnte. Diese sehr
vorteilhafte Eigenschaft ist jedoch nur über einen Kompromiß erzielbar, d. h. auf Kosten
der Parameter "hohe Qualität" und "geringe Störanfälligkeit".
Bei Videosystemen mit starker Bitratenreduzierung ist die Bildqualität nämlich nicht mehr
als konstant zu betrachten, sie schwankt vielmehr in Abhängigkeit vom momentanen und
vom unmittelbar vorhergehenden "spektralen Inhalt" der Bildvorlage. Sie verschlechtert
sich immer dann, wenn in einer Bildfolge für eine bestimmte Zeit eine stark erhöhte
temporale und/oder spatiale "Aktivität" vorliegt und kann im Einzelfall kurzzeitig auch
deutlich schlechter werden als bei vergleichbaren Analogsystemen. Zur Erzielung einer
verbesserten Bildqualität ist es aus der EP 284 161 A2 bekannt, den Quantisierungsfaktor
in Abhängigkeit von der Zeit nach Erreichen des maximalen Füllstandes eines
Pufferspeichers am Encodiererausgang und/oder in Abhängigkeit von der aktuellen Größe
der Quantisierungsintervalle zu steuern.
Es ist indessen im Bereich des sendenden Studios bzw. bereits bei der Produktion von
Programmbeiträgen, von denen man weiß, daß sie überwiegend oder ausschließlich über
bitratenreduzierende Systeme verteilt werden, wichtig zu wissen, ob und wie oft Passagen
schlechter Bildqualität bei einer bestimmten Video-Bitrate auftreten. Man könnte auch
daran denken, schon bei der Produktion in Kenntnis derartiger Effekte durch gezielte
Änderungen in der Szene (z. B. Vermeidung temporal bzw. spatial hochfrequenter
Bildsequenzen, sofern künstlerisch bzw. programmlich möglich), solche Effekte gezielt zu
vermeiden oder aber ansonsten eine Ausstrahlung mit erhöhter Bitrate ins Auge zu fassen.
Hierzu müssen derartige Qualitätseinbrüche natürlich zuvor über eine Meßeinrichtung
detektiert und signalisiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei bitratenreduzierenden
Videosystemen mit vorgegebener Video-Bitrate Passagen bildinhaltsabhängig verminderter
Bildqualität zu signalisieren. Besonders vorteilhaft wäre eine Lösung, welche die
Signalisation einer bildinhaltsabhängig verminderten Bildqualität aus dem ohnehin
vorhandenen bzw. übertragenen Datenstrom ableiten kann, also keine zusätzliche
Information vom Encoder benötigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent
anspruchs gelöst. Weitergehende Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Es zeigt: Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anhand von Fig. 1 werden die den Patentansprüchen bzw. deren Kombinationen
entsprechenden Verfahren in einem einzigen Diagramm schematisch dargestellt.
Gestrichelt gezeichnete Verfahrensschritte bzw. Funktionsblöcke stellen fakultative,
also nur für bestimmte Unteransprüche wirksame Systemelemente dar. Wenn sie als
nicht vorhanden zu betrachten sind, liegt eine unmittelbare direkte Verbindung
zwischen ihren Hauptsignaleingängen und -ausgängen vor. Hauptsignale sind in Fig. 1
durch eine dickere Strichstärke hervorgehoben.
Die nachfolgende Funktionsbeschreibung erfolgt beispielhaft anhand einer
DVB/MPEG-2-Empfangseinrichtung und verwendet auch die diesbezügliche,
inzwischen relativ weit verbreitete und geläufige Terminologie, ohne sie in allen Fällen
- da als bekannt vorausgesetzt - detailliert zu definieren.
Obwohl im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung häufig von Ausgangs- oder
Eingangssignalen bestimmter Funktionsblöcke die Rede ist, ist in aller Regel eine
Software-Realisierung der Funktionen anzunehmen, bei der solche Zwischensignale
physikalisch meist nicht existieren.
Alle dem erfindungsgemäßen System entsprechend Fig. 1 zugeführten Eingangssignale
liegen innerhalb eines MPEG-2-Videodecoders vor, sind aber bei höchstintegrierter
Ausführung eines solchen u. U. nicht zugänglich. Für diesen Fall lassen sie sich aus
dem stets zugänglichen Video-Elementary-Stream mittels eines Demultiplexers
DEMUX extrahieren.
Man unterscheidet prinzipiell zwischen verlustloser und verlustbehafteter
Datenreduktion. Bei letzterer ergibt sich ein Qualitätsverlust durch eine Verringerung
der Orts-, Zeit- oder Amplitudenauflösung. Bei Videosystemen mit starker
Bitratenteduktion wie beispielsweise MPEG-2/DVB bewirkt insbesondere das
Vorliegen extremer temporaler und/oder spatialer "Aktivität" in einer Bildfolge, daß
der Encoder zwangsläufig die Amplituden-Quantisierung stark vergröbern muß, um so
die momentane Datenrate zu verringern und dadurch ein Überlaufen seines
Pufferspeichers zu vermeiden.
Der im Elementary Stream mitübertragene Quantisierungsfaktor QSC
(quantiser_scale_code) ist das Hauptkriterium für die Erkennung solcher Perioden
mit zeitweise reduzierter Videoqualität. Er ist 5 bit breit, sein Wert 00001 bedeutet
maximale Amplitudenauflösung, also beste Bildqualität, wogegen der Wert 11111
den schlechtesten weil "gröbsten" Fall darstellt. Werte in der Nähe dieses Endwertes
bedeuten auch schon deutlich reduzierte Auflösung und Qualität.
Mittels eines Digitalvergleichers wird zunächst der Bereich schlechterer
Amplitudenauflösung detektiert. Nach Wahl des Anwenders wird hierzu dem
Digitalvergleicher ein erster Schwellwert SW1 als Vergleichswert angelegt.
Zustände, die sich als QSC_SW1 bzw. als QSC < SW1 qualifizieren, lösen
dabei, ggf. unter Einbeziehung weiterer Parameter, die Signalisierung einer
Zeitperiode verrringerter Bildqualität aus.
Das Ausgangssignal des Digitalvergleichers kann nicht nur binär, sondern alternativ
auch mehrstufig ausgeführt sein, so daß sich als System-Ausgangssignal dann statt
einer binären eine dementsprechend mehrstufige Signalisierung ergibt, die den
Verschlechterungsgrad graduell anzeigt. Nur in der einfachsten Ausführungsform
stellt das Ausgangssignal des Digitalvergleichers bereits das Systemausgangssignal
dar.
Eine erste Verbesserung der "Treffsicherheit" der Signalisierung verminderter
Bildqualität kann durch Einbeziehung des Signals QST (q_scale_type) erfolgen, ein
Status-Bit, welches das Vorliegen entweder einer fest vorgegebenen nichtlinearen oder
aber einer linearen Codierung anzeigt.
Die nichtlineare Amplitudenquantisierung ist eine Betriebsart, die im Encoder fallweise
auftreten kann und im Sinne einer Komprimierung ebenfalls Bitrate einspart. Der
gleiche Wert von QSC bedeutet im Fall einer nichtlinearen Quantisierung eine gröbere
Amplitudenauflösung als im linearen Fall. Um beim erfindungsgemäßen Verfahren den
tatsächlich wirksamen Wert der Amplitudenquantisierung zu erfassen, kann im Falle
der über QSC signalisierten nichtlinearen Quantisierung dem Digitalvergleicher ein
erster Umcodierer mit einer zum Encoder gegenläufigen, aus dem ersten
Kennlinienspeicher entnommenen, nichtlinearen Kennlinie vorgeschaltet werden. Die
lineare und die nichtlineare Betriebsart werden dadurch bezüglich ihrer Störwirkung
gleich bewertet.
Aus der im zugrunde gelegten Datenreduktionsverfahren eingesetzten Diskreten
Cosinus-Transformation resultieren Koeffizienten, welche Indikatoren für die
Amplitude bestimmer Ortsfrequenzen (z. B. diagonale, horizontale, vertikale
Ortsfrequenzen) im zugehörigen Bildblock darstellen. Der Encoder ist in der Lage,
diese Koeffizienten entsprechend ihrer zugehörigen Ortsfrequenz unterschiedlich in der
Amplitude zu quantisieren. Diesbezügliche Faktoren NIQM werden im Elementary
Stream mitübertragen und im Decoder ausgewertet. Sie können dementsprechend zu
einer weiteren Erhöhung der Treffsicherheit beim erfindungsgemäßen Verfahren durch
exakte Bestimmung der letztendlich wirksamen Amplitudenauflösung benutzt werden.
Dies geschieht mittels eines zweiten Umcodieres, welcher ebenfalls dem
Digitalvergleicher vorgeschaltet ist. Die dem zweiten Umcodierer zugeführte Kennlinie
ist ortsfrequenzabhängig und wird anhand der für alle Ortsfrequenzen definierten
NIQM-Codes aus einer im zweiten Kennlinienspeicher abgelegten Kurvenschar
ausgewählt.
In der einfachsten Betriebsweise eines Encoders kann auch auf die Übertragung von
NIQM-Codes verzichtet werden, insbesondere, wenn es sich um "unkritisches", leicht
zu codierendes Bildmaterial handelt. Für diesen Fall sind Defaultwerte verabredet und
auch als ortfrequenzabhängige Kennlinien im erfindungsgemäßen zweiten
Kennlinienspeicher abgelegt. Sie werden für den zweiten Umcodierer dann wirksam,
wenn kein NIQM-Signal übertragen wird.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die erste Umcodierung, gespeist aus dem ersten
Kennlinienspeicher, und die zweite Umcodierung, dementsprechend versorgt vom
zweiten Kennlinienspeicher, auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen können, ohne
daß dies Auswirkungen auf das Resultat hätte.
Bei dem zugrunde gelegten Datenreduktionsverfahren ist auch der Fall vorgesehen, daß
für manche Macroblöcke überhaupt keine Information übertragen wird. (Der
sogenannte Macroblock faßt mehrere 8 × 8 Bildpunkte große Blöcke aus Luminanz und
Chrominanz-Information zusammen und repräsentiert einen 16 × 16 Bildpunkte großen
Bildausschnitt des Luminanzbildes.) Die Informationsübertragung für einen Macroblock
kann in zwei Fällen unterbleiben. Zum einen, wenn sich bei unkritischem Bildmateriel
entweder keine oder nur geringe Änderungen gegenüber der zuvor übertragenen
Macroblock-Information ergeben haben. Andererseits kann bei extrem kritischem
Bildmaterial die Vergröberung des Quantisierungsfaktors QSC, die NIQM-Codes und
die Nichtlinearisierung durch die Kennung QST nicht ausreichen, um die Bitrate im
erforderlichen Unfang zu reduzieren. In diesen Fall muß "der Not gehorchend" auf die
Übertragung von Macroblock-Informationen verzichtet werden, obwohl sie eigentlich
dringend erforderlich wäre, was natürlich die Bildqualität gegenüber einer "nur" groben
Quantisierung zusätzlich vermindert. In beiden Fällen wird eine Information SMB
("Skipped Macro-Blocks"), die das Nichtübertragen von Macroblöcken kennzeichnet,
encoderseitig dem Elementary Stream in Form eines Adress-Increment-Wertes
hinzugefügt.
Es ist klar, daß der letztere Betriebszustand eine extreme Bildqualitätsverschlechterung
darstellt und bei einer verbesserten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
einbezogen werden sollte. Um ihn vom harmlosen ersteren zu unterscheiden, genügt es
nicht, das Nicht-Inkrementieren der Macroblock-Adresse zu detektieren, man muß
vielmehr zusätzlich anaylsieren, ob der in diesem Bildbereich wirksame
Quantisierungsfaktor QSC eine extrem grobe Quantisierung signalisert. Dieser
wirksame Quantisierungsfaktor kann mit Hilfe einer Vorverarbeitung aus örtlich
und/oder zeitlich benachbarten Macroblöcken abgeschätzt werden. Er wird einem
Schwellwertvergleicher zugeführt, dessen Vergleichswert SW2 im allgemeinen sehr
nahe am Grenzwert für die gröbste Quantisierung, d. h. QSC ~ 11111, eingestellt wird.
Das gleichzeitige Auftreten eines mit Hilfe der Vorverarbeitung geschätzen, den
Schwellwert SW2 überschreitenden Quantisierungsfaktors und der Information SMB
(Skipped Macro-Block) signalisiert somit das Vorliegen einer zusätzlich verminderten
Bildqualität. Diese kann separat zur Anzeige gebracht werden.
Zeiten (zusätzlich) verminderter Bildqualität können in einer Bildsequenz mehr oder
weniger häufig und für kürzere oder längere Zeit auftreten. Zum Erzielen einer
pauschalen Beurteilung kann es daher vorteilhaft sein, eine Nachbearbeitung der diese
Betriebszustände anzeigenden Statussignale in Form einer örtlichen und/oder zeitlichen
Gewichtung bzw. einer Integration durchzuführen. Auch alle Methoden der statistischen
Auswertung können hier Anwendung finden.
Während alle bisher für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Informationen
zur Detektion einer bildinhaltsabhängigen Qualitätsminderung dem Elementary Stream
entnommen werden können, bietet es sich insbesondere bei empfangsseitiger
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an, auch ein Status-Bit TEI (Transport
Error Indicator) des Transport Streams auszuwerten, welches das Vorliegen einer
übertragungsabhängigen Störung bzw. Qualitätsminderung signalisiert. Es zeigt
unkorrigierte Übertragungsfehler an und kann optional dazu verwendet werden,
vorsorglich die Anzeige bildinhaltsabhängiger Qualitätsverminderung zu unterbinden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Analysieren von bildinhaltsabhängig qualitätsmindernden
Eigenschaften eines bitratenreduzierenden digitalen Videosystems, bei dem für die
bitratenreduzierende Codierung eine variable Amplitudenquantisierung verwendet
wird, wobei ein Quantisierungsfaktor (QSC) das Maß der variablen
Amplitudenquantisierung repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß der
Quantisierungsfaktor (QSC) in einem Digitalvergleicher mit einem ersten
Schwellwert (SW1) verglichen wird, und daß das Überschreiten oder das Ausmaß
des Überschreiten dieses Schwellwertes (SW1) als Kriterium für eine verminderte
Bildqualität signalisiert wird, wobei eine Kennung (QST), welche angibt, ob eine
lineare oder nichtlineare Quantisierung vorliegt, dazu verwendet wird, daß der
variable Quantisierungsfaktor (QSC) vor dem Vergleich mit dem ersten
Schwellwert (SW1) mit einer der jeweiligen Kennung (QST) zugeordneten
Kennlinie umcodiert wird, und wobei ferner ortsfrequenzabhängige Quanti
sierungsfaktoren (NIQM) dazu verwendet werden, daß der variable
Quantisierungsfaktor (QSC) vor dem Vergleich mit dem ersten Schwellwert (SW1)
zusätzlich zu der von der Kennung (QST) abhängigen Kennlinie mit einer weiteren
Kennlinie umcodiert wird, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen
ortsfrequenzabhängigen Quantisierungsfaktor (NIQM) aus einer Kennlinienschar
ausgewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten nicht
codierter Bildblöcke (SMB) detektiert wird, daß ferner in einem
Schwellwertvergleicher detektiert wird, ob der Quantisierungsfaktor (QSC) einen
zweiten Schwellwert (SW2) überschritten hat, und daß nur dann, wenn dieses
Überschreiten in zeitlichem Zusammenhang steht mit dem Auftreten nicht
codierter Bildblöcke (SMB), eine zusätzlich verminderte Bildqualität signalisiert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung
eines globalen Qualitätskriteriums das aus den ortsfrequenzabhängigen
Quantisierungsfaktoren (NIQM) und/oder dem Quantisierungsfaktor (QSC) und
ggf. aus dem Auftreten nicht codierter Macroblöcke (SMB) abgeleitete Kriterium
für die verminderte Bildqualität vor seiner Ausgabe als Signalisierung eine
Nachbearbeitung in Form einer örtlichen und/oder zeitlichen Gewichtung und/oder
einer Integration durchläuft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der durch die
bitratenreduzierende Codierung erzeugte Datenstrom einer Fehlerkorrektur
unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem fehlerkorrigierten
Datenstrom eine Kennzeichnung (TEI) entnommen wird, welche das Auftreten
nicht korrigierter Fehler anzeigt, und daß bei deren Auftreten die Signalisierung
einer bildinhaltsabhängig verminderten Bildqualität unterdrückt wird.
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