DE69222332T2 - Kodierungsgerät zur Kompression von bewegten Bilddaten - Google Patents

Kodierungsgerät zur Kompression von bewegten Bilddaten

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Codiervorrichtung zur Bewegtbild-Datenkompression zum Komprimieren einer Datenmenge durch nacheinander erfolgendes Durchführen einer Orthogonaltransformation, einer Quantisierung und einer variabellangen Codierung von Bewegtbilddaten eines Bilds sowie ein Codierverf ahren zur Bilddatenkompression zur Verwendung in einem Bewegtbild-Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem.
  • Gegenwärtig werden Aufzeichnungs- und Wiedergabesysteme entwickelt, wobei in diesen Systemen Bildstrukturen von Bewegtbilddaten fur Spiele, Bildungszwecke o. a. zum Komprimieren der Datenmenge codiert und die codierten Daten auf einem Aufzeichnungsmedium mit großer Kapazität, z. B. einer CD-ROM o. ä., aufgezeichnet oder von diesem wiedergegeben werden.
  • Als äußerst leistungsfähiges System verschiedener Codiersysteme zur Datenkompression ist herkömmlich ein Hybridcodiersystem bekannt, wobei in diesem System eine gleichmäßige Aufteilung eines Bilds aus Bilddaten in Blöcke, eine Orthogonaltransformation, z. B. eine diskrete Cosinus-Transformation (DCT) o. a., eine Quantisierung und eine variabellange Codierung (VLC) zum Einsatz kommen. Dieses Hybridcodiersystem ist im einzelnen in der JP-A-87313850 "DCT-VQ compression motion image data transmission system" und in der JP-A-90184242 "DCT compressed motion image data recording and reproducing system" offenbart
  • Bei diesem herkömmlichen Hybridcodiersystem ändert sich mit Änderung der Datenmenge und Kompressionswirksamkeit je nach Bildbedingungen auch die Datenmenge (Erzeugungscodemenge) nach Kompression je Bild. Dadurch sind bei der Wiedergabe eine Pufferschaltung mit relativ großer Kapazität und ein kompliziertes Steuersystem für die Pufferung erforderlich.
  • Um beim Codieren gemäß der vorstehenden Beschreibung die Pufferspeichergröße zu verringern und die Synchronisationssteuerung im Wiedergabeteil zu vereinfachen, ist es wünschenswert, ein Bild aus komprimierten Daten möglichst weitgehend zu glätten, wozu zahlreiche Verfahren vorgeschlagen wurden, z. B. wird ein Bild mit der gesamten Codemenge berechnet, und in die Richtung zu seiner Beibehaltung wird die Schrittgröße der Quantisierung dynamisch variiert. Eine solche Technik ist in der früheren Europäischen Patentanmeldung EP-A-0469648, veröffentlicht am 5. Februar 1992, offenbart.
  • Aber auch bei solchen herkömmlichen verschiedenen Glättungsverfahren mit der dynamischen Änderung der Schrittgröße der Quantisierung ist die Datenglättung immer noch unzureichend, weshalb Bedarf an einem wirksameren Glättungsverfahren besteht.
  • Angesichts der Probleme der bekannten Ansätze besteht daher eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Codiervorrichtung zur Bewegtbild-Datenkompression bereitzustellen, die eine Erzeugungscodemenge zwischen Bildern und komprimierte Daten zwischen den Bildern glätten kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
  • Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten zeichnungen deutlicher hervor. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Codiervorrichtung zur Bewegtbild-Datenkompression gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 2A und 2B Quantisierungs-Matrizenfaktoren für ein Luminanz- bzw. Chrominanzsignal zur Verwendung zur Quantisierung in der Vorrichtung von Fig. 1; und
  • Fig. 3 eine graphische Darstellung von Kennlinien zur Verwendung zum Bestimmen eines Skalierfaktors anhand eines wechselpegels eines Bilds und einer Soll-Erzeugungscodemenge in der Vorrichtung von Fig. 1.
  • In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche oder entsprechende Teile in den Ansichten bezeichnen, so daß auf deren wiederholte Beschreibung der Kürze halber verzichtet werden kann, zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Codiervorrichtung zur Bewegtbild-Datenkompression.
  • Gemäß Fig. 1 weist die Codiervorrichtung zur Bewegtbild- Datenkompression auf: ein DCT-Teil (diskretes Cosinus-Transformationsteil) 1, das mit einem Eingabeanschluß IN für zu komprimierende Bewegtbilddatengekoppelt ist, einen Bildpufferspeicher 2, ein Quantisierungsteil (Q-Teil) 3 mit variabler Schrittgröße, ein variabellanges Codierteil (VLC-Teil) 4, das mit einem Ausgabeanschluß OUT verbunden ist, ein Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5, einen Wechselpegeldetektor 6, ein Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7, ein Schrittgrößen-Einstellteil 8, ein vorgeschaltetes Quantisierungsteil 9, ein vorgeschaltetes variabellanges Codierteil 10, ein vorgeschaltetes Erzeugungscodemengen-Rechenglied 11 und ein vorgeschaltetes Schrittgrößen-Einstellteil 12.
  • In dieser Ausführungsform werden im DCT-Teil 1 die Bewegtbilddaten der Bildstruktur, die vom Eingabeanschluß IN zugeführt werden, in mehrere Blöcke je Bildeinheit unterteilt, und es erfolgt eine diskrete Cosinus-Transformation je Block, um wirksame Transformationsgruppen mit Wechsel- und Gleichanteilen zu erhalten. Diese diskrete Cosinus-Transformation erfolgt auf herkömmliche Weise gemäß der Offenbarung in der vorgenannten JP-A-87313850 und JP-A-90184242. Die vom DCT-Teil 1 ausgegebenen Transformationskoeffizienten werden zum Quantisierungsteil 3 über den Bildpufferspeicher 2 gesendet und mit einer variablen Schrittgröße quantisiert, die dynamisch entsprechend der Erzeugungscodemenge u. ä. geändert wird. Bei diesem Quantisierungsverfahren kommt kein Vektorquantisierungsverfahren gemäß der Offenbarung in der JP-A- 87313850 zum Einsatz, sondern es kann ein gewöhnliches skalares Quantisierungsverfahren gemäß der Offenbarung in der JP- A-90184242 verwendet werden. Die vom Quantisierungsteil 3 ausgegebenen Daten werden im variabellangen Codierteil 4 in variabellange Codes umgewandelt, und die erhaltenen variabellangen Codes werden zum Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5 sowie zu einem Aufzeichnungsgerät, z. B. einer CD-ROM, über den Ausgabeanschluß OUT ausgegeben.
  • Im Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5 wird die Codemenge eines Bilds, die durch eine Hybridcodierung mit einer Kombination aus der vorgenannten diskreten Cosinus-Transformation, der Quantisierung mit der variablen Schrittgröße und der variabellangen Codierung erzeugt wird, mit der Codemenge bis zum aktuellen Bild summiert, um die Erzeugungscodemenge zu berechnen, und das Berechnungsergebnis wird zum Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7 geführt. Im Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7 wird eine Soll-Erzeugungscodemenge, die für das nachfolgende Bild zu erzeugen ist, anhand des Berechnungsergebnisses im Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5 und eines von einem externen Teil erteilten Befehls berechnet und zum Schrittgrößen-Einstellteil 8 sowie zum vorgeschalteten Schrittgrößen-Einstellteil 12 geführt.
  • In den Wechselpegeldetektor 6 wird ein Bild mit den aus dem Bildpufferspeicher 2 ausgelesenen diskreten Cosinus- Transformationskoeffizienten k(u, v) vor der Vorquantisierung in das vorgeschaltete Quantisierungsteil 9 eingegeben, und eine Summe P von Absolutwerten aller Wechselanteile mit Ausnahme von Gleichanteilen wird gemäß der folgenden Formel berechnet, um sie als Wechselpegel ihres Bilds zu detektieren:
  • P = Σ Σ (u, v) (1)
  • Der detektierte Wechselpegel wird zum Schrittgrößen-Einstellteil 8 und zum vorgeschalteten Schrittgrößen-Einstellteil 12 geführt.
  • Im Quantisierungsteil 3 wird mit der durch das Schrittgrößen-Einstellteil 8 bestimmten variablen Quantisierungsschrittgröße der aus dem Bildpufferspeicher 2 ausgelesene Transformationskoeffizient quantisiert. Unter der Annahme, daß die Eingabe in das Quantisierungsteil 3 gleich A und die Quantisierungsschrittgröße gleich Qs ist, stellt sich die Ausgabe A' vom Quantisierungsteil 3 durch die folgende Formel dar:
  • A' = A / Qs (2)
  • Wird bei der Quantisierung der diskreten Cosinus-Transformationskoeffizienten die Quantisierungsschrittgröße Qs vergrößert, verringert sich die Codemenge (Bitsumme) der komprimierten Daten nach der variabellangen Codierung, und die Datenkompressionsrate steigt. Dies ist der Grund, weshalb mit steigendem Wert der Quantisierungsschrittgröße Qs die Ausgabe A' des Quantisierungsteils 3 sinkt und weshalb mit sinkendem Wert der Ausgabe A' bei geringer Häufigkeit des Auftretens im nachfolgenden variabellangen Codierteil 4 die Bitanzahl des zugewiesenen Codes zurückgeht. Wird gemäß der vorstehenden Beschreibung die Quantisierungsschrittgröße Qs vergrößert, erhöht sich die Datenkompressionsrate; steigt dagegen das Quantisierungsrauschen, sinkt die Bildqualität des Wiedergabebilds. Obwohl es also notwendig ist, die Quantisierungsschrittgröße unter Berücksichtigung der Datenkompressionsrate und der zulässigen Verschlechterung der Bildqualität zu bestimmen, werden im erfindungsgemäßen Kompressions-Codiersystem ferner die Steuerung und Glättung der Erzeugungscodemenge berücksichtigt.
  • Bei den Bewegtbilddaten gilt bekanntlich aufgrund der physiologischen Kennwerte eines Betrachters, daß mit höherer Raumfrequenz des Wechselanteils die wahrgenommene Verschlechterung der Bildqualität durch Quantisierungsrauschen sinkt. In dieser Ausführungsform wird die Quantisierungsschrittgröße Qs durch Beachtung der vorgenannten visuellen Kennwerte so bestimmt, daß sie mit höherer Raumfrequenz des Wechselanteils einen großen Wert annimmt. Folglich ist die Quantisierungsschrittgröße Qs in einen Quantisierungs-Matrizenfaktor q, der von der Ordnung einer Raumharmonischen abhängt, und einen Quantisierungs-Skalierfaktor f zerlegt, was durch die folgende Formel dargestellt ist:
  • Qs = q f/k (3),
  • worin k konstant ist.
  • Zunächst hängt der Quantisierungs-Matrizenfaktor q nur von der Ordnung (u, v) der Raumharmonischen ab und wird als Festwert bestimmt, der sich mit steigender Ordnung der Raumharmonischen erhöht, was in Fig. 2A und 2B gezeigt ist. Beispielsweise wird gemäß Fig. 2A ein Quantisierungs-Matrizenfaktor q für ein Luminanzsignal (Y) als relativ kleiner Wert bestimmt, und gemäß Fig. 28 wird ein weiterer Quantisierungs- Matrizenfaktor q für ein Chrominanzsignal (R-Y, B-Y), bei dem die Bildqualitätsverschlechterung unauffällig ist, als relativ großer Wert bestimmt. Die dynamische Steuerung der Quantisierungsschrittgröße Qs erfolgt durch die dynamische Steuerung des Quantisierungs-Skalierfaktors f im Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5.
  • Als nächstes wird gemäß Fig. 3 der Quantisierungs-Skalierfaktor f als Wert bestimmt, der sich nicht nur bei einem bestimmten Wechselpegel verringert, wenn die Soll-Erzeugungscodemenge steigt, sondern der sich auch bei einer bestimmten Soll-Erzeugungscodemenge erhöht, wenn der Wechselpegel des diskreten Cosinus-Transformationskoeffizienten steigt. Dies ist der Grund, weshalb mit der Erhöhung des Wechselpegels die Menge der zu quantisierenden Daten zunimmt, und die Zunahme der Bitmenge der komprimierten Daten nach der variabellangen Codierung unterdrückt wird, um diese zu glätten. Durch Bestimmen der Quantisierungsschrittgröße Qs, die sich mit der Zunahme des Wechselpegels erhöht, kann auch dann, wenn das Bewegtbildmuster fein wird und sich der Wechselpegel erhöht, gemäß der vorstehenden Beschreibung die Gesamtbitmenge der komprimierten Bilddaten nach der variabellangen Codierung auf nahezu einem vorbestimmten Wert gehalten werden.
  • Im Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7 wird auf der Grundlage der Berechnungsergebnisses des Erzeugungscodemengen-Rechenglieds 5 und des vom externen Abschnitt zugeführten Befehls die für das nächste Bild zu erzeugenden Soll-Erzeugungscodemenge wie folgt berechnet:
  • Vom Eingabeanschluß IN wird eine Gesamtanzahl F0 der Bilder zum DCT-Teil 1 mit einer festen Bildrate zugeführt, z. B. 30 Bilder/Sekunde. Die erforderliche Zeit zur Datenkompression durch die Hybridcodierung, d. h., die erforderliche Gesamtzeit zur Aufzeichnung oder Wiedergabe, wird F0/30 Sekunden. Ferner wird davon ausgegangen, daß ein Teil der aufzuzeichenden Eingabebilder mit einer vorbestimmten Ausdünnungsrate entfernt wird, um vom Kompressionsgegenstand im DCT-Teil 1 ausgeschlossen zu sein, wodurch eine Bildrate und eine Bitrate der vom Ausgabeanschluß OUT ausgegebenen komprimierten Bilddaten gleich Fr bzw. Br sind. Damit werden eine Gesamtanzahl F1 und eine Gesamtbitmenge Bt der Bilder nach der Datenkompression durch die Codierung jeweils durch die folgenden Formeln ausgedrückt:
  • F1 = Fr(F0/30) (4)
  • Bt = Br(F0/30) (5)
  • Gleichzeitig mit dem Codierbeginn für die Daten werden die Berechnungen der Gesamtanzahl F1 der codierten Bilder und der durch die Codierung erzeugten Gesamtbitmenge B1 begonnen, und es wird davon ausgegangen, daß diese beiden Werte F2 bzw. Bc an dem Punkt erreichen, an dem die Kompression eines bestimmten Bilds beendet ist, wobei eines Restbildanzahl F3 und eine erzeugte zulässige Restbitmenge Bn des Kompressionsgegenstands durch die folgenden Formeln erhalten werden:
  • F3 = F1 - F2 (6)
  • Bn = Bt - Bc (7)
  • Wird ein zulässiger Wert der durch die Kompression des nächsten Bilds erzeugten Bitmenge als Soll-Erzeugungscodemenge Bm definiert, erhält man die Soll-Erzeugungscodemenge nach folgender Formel:
  • Bm = Bn/F3 (8)
  • Die Berechnung der Soll-Erzeugungscodemenge Bm erfolgt auf der Grundlage der Gesamtbitmenge Bc, die im Erzeugungscodemengen-Rechenglied 5 berechnet wird, der Bildrate gemäß dem Befehl vom externen Abschnitt, der Bitrate und der vorgenannten Formeln.
  • Gemäß der vorstehenden Beschreibung erfolgt mit der durch das Schrittgrößen-Einstellteil 8 eingestellten Quantisierungsschrittgröße Qs die Quantisierung im Quantisierungsteil 3, und anschließend erfolgt die variabellange Codierung im variabellangen Codierteil 4. Infolge der Unvollständigkeit der Kennlinien gemäß Fig. 3 u. ä. verschiebt sich jedoch die tatsächliche Erzeugungscodemenge gegenüber dem Sollwert, und es kann zu einer Schwankung der Erzeugungscodemengen zwischen den Bildern kommen.
  • Um in dieser Ausführungsform die Schwankung von Erzeugungscodemengen zwischen den Bildern zu vermeiden, erfolgt vor der Endcodierung durch das Schrittgrößen-Einstellteil 8, das Quantisierungsteil 3 und das variabellange Codierteil 4 eine Vorcodierung durch das vorgeschaltete Schrittgrößen-Einstellteil 12, das vorgeschaltete Quantisierungsteil 9 und das vorgeschaltete variabellange Codierteil 10. Bei dieser Vorcodierung erfolgt die Bestimmung der Schrittgröße durch das vorgeschaltete Schrittgrößen-Einstellteil 12 auf der Grundlage des detektierten Werts, der im Wechselpegeldetektor 6 erhalten wird, und des berechneten Werts, der sich durch das Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7 ergibt. Die tatsächlich durch die Vorcodierung erzeugte Codemenge wird im vorgeschalteten Erzeugungscodemengen-Rechenglied 11 berechnet, und das Berechnungsergebnis wird zum Schrittgrößen-Einstellteil 8 geführt.
  • Im Schrittgrößen-Einstellteil 8 wird die Schrittgröße, die durch den im Wechselpegeldetektor 6 erhaltenen detektierten Wert und das im Soll-Erzeugungscodemengen-Rechenglied 7 erhaltene Berechnungsergebnis bestimmt wird, d. h., die in der Vorquantisierung eingestellte Schrittgröße, auf der Grundlage eines Fehlers E zwischen dem Berechnungswert im vorgeschalteten Erzeugungscodemengen-Rechenglied 11 und der Soll-Erzeugungscodemenge korrigiert, und die korrigierte Schrittgröße wird im Quantisierungsteil 3 eingestellt. Ein Beispiel für dieses Korrekturverfahren wird im folgenden beschrieben.
  • Wie als Beispiel in Fig. 3 gezeigt ist, wird von einem Schnittpunkt (gekennzeichnet durch einen weißen Kreis in Fig. 3) zwischen einem detektierten Wert eines Wechselpegels und einer Soll-Erzeugungscodemenge als Skalierfaktor f 5 eingestellt, und anschließend erfolgen eine Vorquantisierung und eine variabellange Vorcodierung durch das vorgeschaltete Quantisierungsteil 9 bzw. das vorgeschaltete variabellange Codierteil 10, um einen Fehler E (gekennzeichnet durch einen dunklen Kreis) zu erhalten, dessen Berechnungswert im vorgeschalteten Erzeugungscodemengen-Rechenglied 11 den Sollwert übersteigt. Angenommen wird, daß ein solcher auftretender Fehler auf die Schwäche der Beziehung zwischen dem Wechselpegel und dem Skalierfaktor f zurückzuführen ist, und der detektierte Wert des Wechselpegels wird auf einen Wert (Abgleichwert) abgeglichen, der einen Schnittpunkt (gekennzeichnet durch ein Dreieck) zwischen einer Kennlinie des Skalierfaktors 5 und dem berechneten Wert festlegt. Folglich wird ein Skalierfaktor 6, der einem Schnittpunkt (gekennzeichnet durch ein Rechteck) zwischen dem Abgleichwert und der Soll- Erzeugungscodemenge am nächsten liegt, bei der Endquantisierung bestimmt.
  • In dieser Ausführungsform sind gemäß der vorstehenden Beschreibung zwei Systeme für das Quantisierungsteil und das variabellange Codierteil für die End- und Vorcodierung vorgesehen, und die Endcodierung für das aktuelle Bild sowie die Vorcodierung für das nachfolgende Bild werden gleichzeitig verarbeitet, damit die Verarbeitungszeit verkürzt werden kann. Ist jedoch ein verringerter Hardwareumfang gegenüber einer verkürzten Verarbeitungszeit bevorzugt, können das Quantisierungsteil, das variabellange Codierteil u. ä. gemeinsam für die End- und Vorcodierung durch einen Betrieb im Zeitlagenviel fach verwendet werden.
  • Wie zuvor beschrieben wurde, können in dieser Ausführungsform die Erzeugungscodemengen zwischen den Bildern geglättet werden, so daß sich wiedergabeseitig Kosten einsparen lassen.

Claims (2)

1. Codiervorrichtung zur Bewegtbild-Datenkompression mit:
einer Orthogonaltransformationseinrichtung (1) zum Durchführen einer Orthogonaltransformation von Bewegtbilddaten einer Bildstruktur, um Transformationskoeffizienten zu erhalten;
einer Quantisierungseinrichtung (3) zum Quantisieren der von der Orthogonaltransformationseinrichtung (1) über einen Pufferspeicher (2) gesendeten Transformationskoeffizienten mit einer variablen Quantisierungsschrittgröße, um quantisierte Daten zu erhalten;
einer variabellangen Codiereinrichtung (4) zum Durchführen einer variabellangen Codierung der quantisierten Daten, um komprimierte codierte Daten zu einem Ausgabeanschluß auszugeben;
einer Codemengen-Berechnungseinrichtung (5) zum Berechnen einer Codemenge der je Bild erzeugten komprimierten codierten Daten;
einer vorgeschalteten Quantisierungseinrichtung (9) zum Quantisieren der aus dem Pufferspeicher (2) ausgelesenen Transformationskoeffizienten eines Bilds mit einer zweiten variablen Quantisierungsschrittgröße, um zweite quantisierte Daten vor der Quantisierung der Quantisierungseinrichtung (3) und der variabellangen Codierung der variabellangen Codiereinrichtung zu erhalten;
einer vorgeschalteten variabellangen Codiereinrichtung (10) zum Durchführen einer zweiten variabellangen Codierung der zweiten quantisierten Daten, um zweite komprimierte codierte Daten auszugeben;
einer vorgeschalteten Codemengen-Berechnungseinrichtung (11) zum Berechnen einer zweiten Codemenge der je Bild erzeugten zweiten komprimierten codierten Daten;
einer Wechselpegel-Detektoreinrichtung (6) zum Detektieren eines Wechselpegels als Darstellung einer Amplitudengröße von Wechselanteilen der Transformationskoeffizienten je Bild;
einer Sollcodemengen-Berechnungseinrichtung (7) zum Berechnen einer Sollcodemenge als Sollwert einer Codemenge eines nächsten Bilds auf der Grundlage der durch die Codemengen-Berechnungseinrichtung (5) berechneten Codemenge und einer Befehlseingabe von einem externen Teil;
einer vorgeschalteten Schrittgrößen-Einstelleinrichtung (12) zum Berechnen eines Skalierfaktors anhand des berechneten Werts der Sollcodemengen-Berechnungseinrichtung (7) und des detektierten Werts der Wechselpegel-Detektoreinrichtung (6), Berechnen einer zweiten Quantisierungsschrittgröße anhand eines Produkts des Skalierfaktors und von Quantisierungs-Matrizenfaktoren, die für die Wechselanteile der Transformationskoeffizienten eingestellt werden, und Einstellen der zweiten Quantisierungsschrittgröße für die vorgeschaltete Quantisierungseinrichtung (9); und
einer Schrittgrößen-Einstelleinrichtung (8) zum Berechnen einer Quantisierungsschrittgröße anhand des berechneten Werts der Sollcodemengen-Berechnungseinrichtung (7), des detektierten Werts der Wechselpegel-Detektoreinrichtung (6) und des berechneten Werts der vorgeschalteten Codemengen-Berechnungseinrichtung (11) sowie Einstellen der Quantisierungsschrittgröße für die Quantisierungseinrichtung (3), wodurch der detektierte Wert des Wechselpegels abgeglichen wird, um den Fehler (E) zwischen dem berechneten Wert der Vorcodemenge und dem berechneten Wert der Sollcodemenge zu korrigieren, und die Quantisierungsschrittgröße auf der Grundlage des abgeglichenen Wechselpegels und des berechneten Werts der Sollcodemenge berechnet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wechselpegel-Detektoreinrichtung (6) eine Summe von Absolutwerten von Pegeln der Wechselanteile der Transformationskoeffizienten als den Wechselpegel detektiert.
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