DE69511570T2

DE69511570T2 - Verfahren und gerät zur kodierung und formatierung von videoprogrammdaten zur bereitstellung sich mehrfach überlappender videoprogramme

Info

Publication number: DE69511570T2
Application number: DE69511570T
Authority: DE
Inventors: Edward Krause; Paul Shen; Adam Tom
Original assignee: Imedia Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1994-10-19
Filing date: 1995-10-19
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JPH10507889A; AU3896695A; EP0787408A1; CA2202350C; CA2202350A1; US5612742A; EP0787408B1; DE69511570D1; WO1996013125A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bereitstellung von Videoprogrammierungen auf Abruf, und insbesondere auf ein Verfahren und Gerät, das ein Videoprogramm darstellende Daten als eine Vielzahl von zeitgleichen, überlappenden Darstellungen des Videoprogramms verschlüsselt, formatiert, speichert und abruft, um einen virtuellen Zugriff auf Abruf auf eine Einzelkopie des Videoprogramms durch praktisch jede beliebige Anzahl von teilnehmenden Zuschauern zu ermöglichen.

2. Beschreibung des verwandten Fachgebiets

In den Vereinigten Staaten geben die Leute jährlich rund 7,5 Milliarden Dollar aus, um Filme und andere fertig aufgenommene Videoprogrammierungen zum privaten Abspielen nach Belieben zu leihen. Solche Videoprogrammierungen können in vielen Formen ausgeliehen werden, beispielsweise als Videokassettenbänder zum Abspielen unter Verwendung eines Videokassettenrecorders (VCR), Videodisks zum Abspielen auf Videodisk-Abspielgeräten, oder als CD-ROMs zum Abspielen unter Verwendung von Personalcomputern und anderen Formen von CD-ROM-Spielern.
Das Ausleihen von Videoprogrammierungen in dieser Art ist angenehm, weil es dem Benutzer ermöglicht, die Programmierung jederzeit und wie er will anzuschauen. Zum Beispiel kann der Benutzer einen Teil des Programms zu einer bestimmten Zeit anschauen und den Rest des Programms zu einer anderen Zeit. Ferner kann der Benutzer bestimmte Teile des Programms noch einmal abspielen oder das gesamte Programm mehrmals anschauen. Der Benutzer kann von jeder beliebigen Stelle des Programms aus auf das Programm zugreifen, indem er das Programm einfach schnell vor- oder zurücklaufen läßt. Dadurch ist der Benutzer von den Zwängen der verfügbaren Netz- oder Kabelfernsehprogrammierung befreit.
Kabelfernseh- und Direkt-Satellitensende-(DBS)- Gesellschaften möchten gern auf diesem Schauplatz konkurrieren, indem sie den Benutzern dieselbe Nutzungsfreiheit zur Verfügung stellen, die sie durch den Videoverleih genießen würden. Diese Dienstleistung wäre als "Video auf Abruf" bekannt. Bei der Bereitstellung eines solchen Dienstes würden diese Gesellschaften einen klaren Vorteil gegenüber den Videoverleihunternehmen genießen, weil die Benutzer die Bequemlichkeit ihres eigenen Heims nicht mehr verlassen müßten, um sich eine Kopie des Videoprogramms auszuleihen (und sie auch nicht zurückbringen müßten, wenn sie fertig sind). Diese Gesellschaften waren jedoch durch die bestehende Abspiel- und Verteilungstechnologie bisher beschränkt.
Es wäre unerschwinglich teuer für eine Kabelfernsehgesellschaft, unter Verwendung der z. Zt. bekannten Technologie echtes Video auf Abruf bereitzustellen. Um die Vorteile von Videoverleih und Abspielen zu Hause nachzumachen, müßte die Gesellschaft für jeden Kabelteilnehmer eine eigene Abspielquelle in Verbindung mit einer teueren Speicheranordnung bereitstellen, in der eine Videoprogrammbibliothek enthalten wäre, aus der der Teilnehmer Programme zum Abspielen über die ihm zur Verfügung gestellte Quelle wählen könnte. Ferner müßte die Kabelverteilungsinfrastruktur genügend Bandbreite zur Verteilung eines unterschiedlichen Videoprogramms oder zumindest unterschiedlichen Abspielens eines Videoprogramms für jeden an das Sendenetz angeschlossenen Teilnehmer aufweisen. Dies wäre natürlich unmöglich ohne einen technologischen Sprung und Verstärkung der gegenwärtigen Verteilungsinfrastruktur.
Ein möglicher Kompromiß wäre die Erzeugung einer Vielzahl von überlappenden Wiedergaben (d. h. Darstellungen) desselben Videoprogramms, so daß z. B. alle fünf Minuten eine neue Präsentation des Programms beginnen würde. Für ein zweistündiges Videoprogramm würden den Teilnehmern insgesamt 24 überlappende Darstellungen des Programms zur Verfügung gestellt. Jeder Teilnehmer hätte dann einen Empfänger, mit dem wahlweise jede beliebige der 24 Darstellungen empfangen werden könnte. Zwar würde ein Teilnehmer nicht vollständig in den Genuß von Video auf Abruf kommen, der Zuschauer müßte jedoch höchstens fünf Minuten warten, um mit der Ansicht des Programms in seiner Gesamtheit zu beginnen (oder auf jede beliebige Stelle im Programm zuzugreifen). Ferner könnte der Teilnehmer das Programm durch Zugreifen auf eine andere der überlappenden Darstellungen schnell vor- oder zurücklaufen lassen, wenn er auch gezwungen wäre, dies über die Fünf-Minuten-Intervalle zu tun.
Obwohl ein derartiger Kompromiß sowohl die erforderliche Anzahl von Abspielhilfsmitteln als auch die notwendige Bandbreite verringern würde, wären die Kosten für die Realisierung eines derartigen Systems in der derzeit bekannten Technologie immer noch unerschwinglich. Für das obige Beispiel wären 24 Abspielquellen erforderlich, um 24 separate Darstellungen zu erzeugen, die jeweils über einen einer limitierten Anzahl von Kanälen übertragen würden, die das Verteilungsmedium umfassen. Ferner könnte ein derartiges System ohne hochentwickelte Servertechnologie 24 separate Kopien des Programms erforderlich machen.
Kürzlich wurden komplexe Plattenlaufwerkanordnungen oder Videoserver vorgeschlagen, in deren Speichern jeweils Tausende von Videoprogrammen gespeichert sind und die jeweils bis zu 200 Teilnehmer bedienen können. Die Einführungskosten für ein Video-Abrufsystem für die momentan 57 Millionen Kabelteilnehmer würden noch Kapitalinvestitionen von schätzungsweise 20 Millarden Dollar erforderlich machen (ca. $ 350.00 pro Teilnehmer), vorausgesetzt daß eine derartig fortgeschrittene Technologie realisiert werden könnte. Ferner würde die vollständige Realisierung eines auf dieser vorgeschlagenen Servertechnologie basierenden Dienstes eine Neustrukturierung und Erweiterung der gegenwärtigen Kabel- und Telefon-Verteilungsnetzinfrastruktur über die nächsten Jahre mit Kosten von zusätzlich zwei Millionen Dollar pro Jahr erforderlich machen, um die Bandbreite zu erhöhen. Die Implementierung VCR-artiger Funktionen, wie schneller Vor- und Rücklauf, würde nicht nur die Komplexität der Server erhöhen, sondern auch auf die verfügbare Bandbreite übergreifen, weil jeder Teilnehmer in der Lage sein muß, Befehle an den für ihn reservierten Server zurückzugeben. Derartige "Rückkanäle" sind nicht einmal im Zusammenhang mit bestehenden DBS-Systemen und den meisten bestehenden Kabelverteilungssystemen verfügbar.
Die beste Dienstleistung, die Kabelfernseh- und DBS- Gesellschaften bisher anbieten konnten, ist ein Abonnementdienst, bei dem die Benutzer die Möglichkeit haben, ein angebotenes Videoprogramm gegen eine Gebühr anzufordern (entweder telefonisch oder direkt über das Kabelnetz). Die Gesellschaft gestattet dem Teilnehmer dann, die gewählte Übertragung des Videoprogramms zu empfangen. Diese Dienstleistungen sind jedoch weit von einem Video auf Abruf entfernt, da die Anzahl verfügbarer Programme und die Anzahl von Anfangszeiten für die Programme streng limitiert sind. Der Teilnehmer muß also immer noch auf eine geplante Anfangszeit warten, zu der ein gewünschtes Programm über das Verteilnetz gesendet wird. Ferner hat der Teilnehmer nicht die Freiheit, die ihm ein Heimabspielgerät wie ein Videorecorder bietet; das Programm wird immer noch lediglich passiv empfangen.
Demzufolge besteht auf diesem Fachgebiet Bedarf für eine Technologie, die praktisch eine unbegrenzte Anzahl von Zuschauern mit praktisch beliebigem Zugriff auf lediglich eine Kopie eines Videoprogramms über lediglich eine Abspielquelle versorgen kann und mit der vorhandenen Telefon- und Kabelverteilungsinfrastruktur betrieben werden kann.
Die US-A-5,216,503 beschäftigt sich mit der Übertragung von Mehrfach-Videoprogrammen. Insbesondere werden N verschiedene Codiereinrichtungen bereitgestellt, um das von N unabhängigen Videoquellen zugeführte Videosignal zu komprimieren. Dies schließt jedoch keine Video-Abruf- Simulation eines einzelnen Videoprogramms ein. Das Ziel ist nur der statistische Multiplexbetrieb von Mehrfach- Videoprogrammen, nicht die Bereitstellung eines Videoabrufs von einem einzigen Videoprogramm.
Ferner haben Gelman A. D. et al. in "Communications - rising to the heights" [Kommunikationstechnik - Aufbruch zum Gipfel], Denver, 23. bis 26. Juni 1991, Band 2 von 3, Institute of Electrical and Electronic Engineers [Institut für Elektro- und Elektronikingenieure] eine Kommunikationsarchitektur für Videoabrufdienste beschrieben. Des weiteren offenbart die WO 91/03112 ein System und Verfahren zur Optimierung der Übertragung eines Programmes an viele verschiedene Benutzer über ein Verteilungssystem mit besonderer Anwendung auf einen Videoabruf bei einem CATV-Netz.

WESEN DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Bereitstellung eines zeitgleichen Zugriffs auf eine geordnete Folge einer Vielzahl von n ein Videoprogramm umfassenden Segmenten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und Gerät zur Codierung und Formatierung von Daten, die eine Einzeldarstellung eines Videoprogramms zur Speicherung und Übertragung repräsentieren, die mehrfach überlappende Darstellungen des Videoprogramms unter Verwendung einer einzigen Abspielquelle simuliert. Anders ausgedrückt, das Videoprogramm wird als digitaler Datenstrom übertragen, der derart formatiert ist, daß es einem Teilnehmer so vorkommt, als ob ständig eine Reihe von Segmenten desselben Programms zeitgleich über eine Vielzahl von Unterkanälen verteilt wird. Durch die Auswahl aufeinanderfolgender Segmente zur Darstellung über den Empfänger (z. B. durch Fördern des Unterkanals, auf den der Empfänger abgestimmt ist), kann eine komplette Darstellung des Videoprogramms zusammengesetzt werden. Ferner kann der Teilnehmer durch Herauf- oder Herunterschalten des gewählten Unterkanals einen schnellen Vor- oder Rücklauf durch das Programm vornehmen und auf diese Weise ein späteres oder früheres Segment des Programms empfangen.
Demzufolge könnte man mit einem einstündigen Programm, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung formatiert ist, beispielsweise 20 überlappende Darstellungen des Programms simulieren lassen, wobei jede Darstellung (d. h. Programmsegment) drei Minuten vor der vorausgehenden liegt. Ein Teilnehmer müßte maximal nur drei Minuten bis zum Empfangsbeginn des vollständigen Programms warten (d. h. bis die Segmente erneut beginnen) und wäre in der Lage, das Programm im Drei-Minuten-Takt schnell vor- oder zurücklaufen zu lassen. Demzufolge wäre die größte Verzögerung, die ein Teilnehmer bei einem beliebigen Zugriff auf irgendeine Stelle in dem Programm hinnehmen müßte (d. h. die Zugriffszeit) drei Minuten. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Fähigkeit, diese Funktionalität mit einem einzigen Abspielhilfsmittel bereitzustellen, das einen einzigen formatierten Datenstrom erzeugt, der eine einzelne Darstellung des Videoprogramms repräsentiert.
Es ist auf diesem Fachgebiet bestens bekannt, daß ein Videoprogramm zwecks Übertragung des Programms an Teilnehmer über ein digitales Verteilungsmedium in einen digitalen Datenstrom umgewandelt werden kann. Videoprogramme sind typischerweise als eine Reihe von Szenen oder Rahmen organisiert, wobei jeder Rahmen einen zweidimensionalen Bereich aus Bildelementen oder Bildpunkten umfaßt. Jeder Bildpunkt bzw. Pixel weist Merkmale wie Farbe und Helligkeit auf, die als Binärdaten quantitativ bestimmt werden können. Dem Videoprogramm zugeordnete Toninformationen können ebenfalls in eine binäre Darstellung umgesetzt werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die Bild- und Tonabschnitte eines Videoprogramms unter Verwendung bekannter Techniken und Standards in digitale Datenströme umgewandelt.
Es ist ebenfalls bekannt, daß viele der in einem Videoprogramm enthaltenen Informationen überflüssig sind (d. h. Bildpunkte in bestimmten Bereichen der Pixelmatrix verändern sich möglicherweise über eine beachtliche Anzahl von Bildrahmen nicht). Ferner können Bereiche, wo Änderungen rasch vor sich gehen, die sich aus dem Abschneiden von Bildpunktmerkmale darstellenden Daten ergebenden Artefakte oft tolerieren. Demgemäß können die zur Darstellung eines Videoprogramms erzeugten Binärdaten oft erheblich komprimiert werden, wodurch die notwendige Speicherablage und Übertragungsbandbreite minimiert werden. Demzufolge werden die Videodatenströme vorzugsweise unter Verwendung einer bekannten Videodaten- Komprimierungstechnik komprimiert (d. h. verschlüsselt), um komprimierte Videodatenströme zu erzeugen. Die diese Datenströme (sowohl vor als auch nach der Komprimierung) umfassenden Binärdaten werden in willkürliche Einheiten eingruppiert, die Elemente genannt werden; ein Element kann sich auf ein oder mehrere Videodatenbits beziehen, wobei sich die Videodaten auf alle Daten beziehen, die zur Darstellung eines Videoprogramms benötigt werden, ob komprimiert oder nicht und einschließlich Bild-, Ton- und anderer zugeordeter Informationen, aber nicht darauf beschränkt.
Die Videodatenströme (komprimiert oder nicht) werden in n Untersequenzen von Elementen aufgeteilt, die Segmente des Videoprogramms darstellen, wobei jedes Segment eine geordnete Folge von m Elementen umfaßt. Die jede Untersequenz bildende geordnete Folge von Elementen wird zur Erzeugung eines einzigen überlappten Datenstroms überlappt, der vorzugsweise mit dem ersten Element jedes der n Segmente beginnt, dann dem zweiten Element jedes Segments usw. in der Segmentreihenfolge, bis er mit dem mten Element des nten Segments endet. Dieser überlappte Datenstrom wird von Anfang bis Ende kontinuierlich über das Verteilungsmedium übertragen.
Ein Teilnehmer mit einem geeigneten Empfänger kann das gesamte Programm rekonstruieren, beginnend, wenn die Übertragung am Anfang des überlappten Datenstroms ist, durch folgerichtiges Auswählen und Zusammensetzen der m Elemente des ersten Segments, während der Empfänger den überlappten Datenstrom seriell analysiert. Der Empfänger setzt die ausgewählten und zusammengesetzten Elemente wieder in Echtzeitbild und/oder -ton um und präsentiert dem Teilnehmer das erste Segment. Wenn die Übertragung des überlappten Datenstroms wieder beginnt, wählt der Empfänger alle Elemente des zweiten Segments zur Rekonstruktion aus und setzt sie zusammen und wiederholt diesen Vorgang, bis er den nten Durchlauf durch den Datenstrom zum Auswählen und Zusammensetzen der m Elemente mit dem nten Segment abschließt. Der Empfänger dekomprimiert (d. h. entschlüsselt) die Daten kontinuierlich und setzt die zusammengesetzten Segmente wieder in Echtzeit um, um das Videoprogramm in der Segmentreihenfolge zu rekonstruieren, damit der Teilnehmer es anschauen kann.
Solange die Übertragungsrate des überlappten Datenstroms zumindest "n" mal der durchschnittlichen Datenrate "r" der Einzelsegmente enspricht, arbeitet das System ordnungsgemäß. Für einen gegebenen Wert r definiert demzufolge der Durchsatz des für die Übertragung des überlappten Datenstroms verwendeten Hilfsmittels die Anzahl möglicher Segmente, in die das Programm geteilt werden kann. Die Betrachtungszeit eines der n Segmente definiert die Zugriffszeit "T" des Systems, die dem kürzestmöglichen Zeitabstand zwischen zugriffsfähigen Punkten in dem Programm entspricht. Ferner muß die notwendige Zeit zur einmaligen Übertragung des ganzen überlappten Datenstroms kürzer als oder gleich T sein.
Auf diese Weise erhält ein Teilnehmer auf eine geordnete Folge von n Segmenten des Videoprogramms zeitgleich Zugriff über n Unterkanäle, was bedeutet, daß eine beliebige Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig n überlappende Darstellungen des Videoprogramms rekonstruieren kann, wobei jede Darstellung eine für die Rekonstruktion eines Videosegments benötigte Zeitspanne T vor ihrem Vorgänger abläuft. Die Formatierung des das Videoprogramm darstellenden Datenstroms funktioniert analog zum Verfahren des Zeitmultiplexbetriebs der von einer Vielzahl von Kommunikationskanälen empfangenen Informationen. Im Zusammenhang mit Kommunikationstechnik befördert jedoch jeder Kanal einen anderen Dialog oder Programm, während die vorliegende Erfindung ähnliche Prinzipien ausschöpft, um ein einzelnes Programm aufzubrechen und über getrennte Unterkanäle desselben Kanals zu übertragen. Genau diese einzigartige Anwendung von Zeitmultiplexbetriebs-(TDM)-Prinzipien im Zusammenhang mit Video auf Abruf bildet die Grundlage für die vorliegende Erfindung.
Eine alternative bevorzugte Ausführung der Erfindung wendet die Idee des statistischen Verschlüsselns auf das Überlappungsverfahren an, so daß Videosegmenten, die mehr Daten zum Aufrechterhalten der gewünschten Bildqualität benötigen, mehr Daten zugeteilt werden, während anderen Segmenten des Programms, die weniger Daten benötigen, weniger Daten zugeteilt werden, so daß die insgesamt zugeteilte Bandbreite dieselbe bleibt. In dieser Ausführung werden die Videodatenströme zuerst in Untersequenzen unterteilt, die die Segmente darstellen, und dann wird jede Untersequenz komprimiert und durch einen Statistikmultiplexer überlappt. Zwar ist diese Ausführung von der Realisierung her komplexer, jedoch liefert sie eine gleichmäßigere Bildqualität über das ganze Programm hinweg.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Komprimierungs- und Überlappungsvorgänge im Dialogverkehr über eine Kombination aus Software und Hardware durchgeführt, und der resultierende verschlüsselte und formatierte (d. h. überlappte) Datenstrom, der das Programm darstellt, wird auf einer Diskette oder einer anderen Form von Massenspeicherung zwischengespeichert. Der überlappte Datenstrom kann dann sequentiell abgerufen und über das Verteilungsmedium durch eine relativ einfache Ausführung eines Videoservers zyklisch an die Teilnehmer übertragen werden.
Es werden insbesondere Dienste bereitgestellt, die den Teilnehmern von Kabelfernsehen und Direktsendersatelliten Video auf Abruf näherbringen, während sie die erforderlichen Abspielmittel so minimal wie möglich halten und auch die notwendige Bandbreite minimieren, um mit der bestehenden Verteilungsinfrastruktur kompatibel zu bleiben.
Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Videodatenstrom formatiert werden, der eine Einzeldarstellung eines Videoprogramms darstellt, so daß vielfach überlappende Darstellungen des Videoprogramms aus der wiederholten Übertragung des formatierten Datenstroms von einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Teilnehmern rekonstruiert werden können.
Ferner werden die Teilnehmer vorzugsweise mit der Möglichkeit versehen, selektiv auf jedes beliebige von n Segmenten des Videoprogramms zuzugreifen und dieses zu rekonstruieren, so daß ein Teilnehmer im schnellen Vorlauf oder Rücklauf zwischen den Segmenten durch das Programm gehen kann wie mit einem Videorecorder.
Insbesondere ist es möglich, beim Verschlüsseln und Formatieren des Datenstroms statistische Techniken zu verwenden, um eine mögliche Abweichung in der Bildqualität über die gesamte Darstellung des Videoprogramms zu minimieren.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung und der Figuren, auf die darin verwiesen wird, verständlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 stellt das Überlappen mit entsprechendem Gegenvorgang eines ein Videoprogramm darstellenden Datenstroms dar.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Datenstruktur-Diagramm zur Darstellung einer überlappten Elementenfolge, die durch das System gemäß Fig. 2 gebildet ist.
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen Anordnung von ein Programm darstellenden Videodaten, wie sie von der ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung formatiert und auf einer Massenspeichervorrichtung gespeichert sind.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung unter Verwendung des statistischen Verschlüsselns und Überlappens.
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung des statistischen Verschlüsselns und Überlappens von Videodaten gemäß der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung.
Fig. 7 ist eine detailliertere Darstellung des statistischen Verschlüsselungs- und Überlappungsverfahrens, wie es von der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung durchgeführt wird.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Codiereinrichtung der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung in größerer Einzelheit zeigt.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer möglichen Anordnung für die Massenspeicherung einer Elementenfolge, wie von der zweiten Ausführung der Erfindung statistisch verschlüsselt und formatiert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie zuvor diskutiert, besteht eine Möglichkeit zur Annäherung an Video auf Abruf darin, den Teilnehmern Zugriff auf vielfach überlappende Darstellungen desselben Videoprogramms geben. Je größer die Anzahl der überlappenden Darstellungen ist, die einem Teilnehmer zur Verfügung stehen, desto mehr Anfangszeiten gibt es und desto näher ist die Annäherung an einen vollkommen beliebigen Zugriff auf das Videoprogramm. Ein vollkommen beliebiger Zugriff könnte unter Verwendung dieses Schemas erreicht werden, wenn die Anzahl überlappender Darstellungen beispielsweise der Anzahl von Vollbildern in dem Videoprogramm gleichgesetzt wird. In der Praxis muß die Anzahl überlappender Darstellungen jedoch nicht annähernd so umfangreich sein. Wie zuvor diskutiert, wäre jedoch selbst eine befriedigende Annäherung an den beliebigen Zugriff auf ein Videoprogramm unter Verwendung dieser Technik bei Einsatz der bekannten oder selbst der vorstellbaren Technologie unerschwinglich teuer.
Die vorliegende Erfindung liegt in einer einzigartigen Anwendung von Prinzipien des Zeitmultiplexbetriebs (TDM) zur Versorgung der Teilnehmer mit einem kontinuierlichen Zugriff auf Mehrfach-Segmente eines Videoprogramms, wodurch die Rekonstruktion von mehrfach überlappenden Darstellungen desselben Videoprogramms erleichtert wird. Diese Funktionsvielfalt wird durch die wiederholte Übertragung eines einzigen, speziell formatierten Datenstroms erreicht, der eine komplette Darstellung des Videoprogramms repräsentiert. Die Anzahl überlappender Darstellungen des Videoprogramms, die aus dem formatierten Datenstrom rekonstruiert werden kann, und demnach die minimale Zugriffszeit zwischen Punkten in dem Programm, ist direkt auf die Geschwindigkeit bezogen, mit der der Datenstrom über das Verteilungsnetz übertragen werden kann sowie auf die Rate bezogen, mit der Daten von dem Empfänger erhalten werden müssen, um eine Echtzeit-Rekonstruktion der Videosegmente mit dem gewünschten Bildqualitätsniveau zu gestatten.
Die vorliegende Erfindung ist einzigartig, weil TDM-Prinzipien typischerweise dort angewendet werden, wo eine Anzahl ungleicher Datenströme, die jeweils einen unterschiedlichen Dialog oder Programm darstellen, über dieselbe Hochgeschwindigkeitsleitung übertragen werden soll, so daß ein Empfänger gleichzeitig auf alle Dialoge oder Programme zugreifen kann. Die vorliegende Erfindung wendet diese Prinzipien jedoch an, um n verschiedene Segmente desselben Programms über n verschiedene Unterkanäle desselben Kanals zu übertragen und macht so jedes Segment des Videoprogramms über denselben Kanal des Verteilnetzes für den Empfänger eines Teilnehmers gleichzeitig zugriffsbereit. Der Teilnehmer kann sich daher jedes beliebige der n Segmente durch den Empfänger rekonstruieren und darstellen lassen, indem er den Unterkanal auswählt, der das gewünschte Segment überträgt.
Die folgende detaillierte Beschreibung wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 9 vorgenommen, wobei gleiche Bezugszeichen identische Elemente in allen Figuren bezeichnen. Fig. 1 stellt die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung dar.
Ein Videoprogramm ist typischerweise als geordnete Folge von Szenen oder Rahmen organisiert, wobei jeder Rahmen durch eine zweidimensionale Anordnung von Bildelementen oder Bildpunkten definiert ist. Ein Bildpunkt bzw. Pixel weist Farb- und Beleuchtungsstärkemerkmale auf, was in Verbindung mit anderen Bildpunkten ein Bild oder Rahmen erzeugt. Für einen gegebenen Rahmen können die Merkmale jedes Bildpunktes digital dargestellt werden. So ist in Fachkreisen bekannt, daß ein Videoprogramm in einen digitalen Datenstrom 10 umgesetzt werden kann, der eine geordnete Bitfolge ist, die Pixelwerte für jedes Pixel der Anordnung während jedes Rahmens des Videoprogramms beschreibt. Es ist auch bekannt, daß dem Programm zugeordneter Ton ebenfalls in digitale Daten umgesetzt werden und mit den Bilddaten auf einer rahmenweisen Basis identifiziert werden kann.
Daher wird ein Videoprogramm in Übereinstimmung mit bekannten Normen und Verfahrensweisen zuerst in einen digitalen Datenstrom 10 umgesetzt. Der Datenstrom 10 kann Bilder, Ton oder beides darstellen, obwohl in der bevorzugten Ausführung separate Datenströme 10 für die Bild- und Tonabschnitte des Programms erzeugt werden. Zur Erleichterung der Diskussion und Darstellung wird angenommen, daß der Datenstrom 10 in allen Figuren den Bildteil des Videoprogramms darstellt, obwohl in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung Tondatenströme genauso verarbeitet werden können, wie für die Bilddaten beschrieben.
Der Datenstrom 10 wird typischerweise zu einer geordneten Folge von Elementen organisiert, wobei ein Element, wie vorher beschrieben, eine willkürliche Datenmenge ist, die ein Bit, die für ein einzelnes Pixel stehende Bitanzahl oder die einen oder mehr Pixelrahmen repräsentierende Bitanzahl sein kann. Beim Ton kann ein Element von einem bis zu mehreren Audiodatenbits reichen.
Das Videoprogramm wird dann in eine Reihe von Videosegmenten n von annähernd gleicher Dauer geteilt. Bevorzugt so viele Segmente wie möglich mit der Geschwindigkeit, mit der der Empfänger Daten erhalten muß, um das Programm in Echtzeit darzustellen, und der maximalen Übertragungsrate, die die Abspiel- und Verteilungshilfsmittel unterstützen können. Die Segmente werden durch Aufteilen des Datenstroms 10 in n geordnete Untersequenzen von m Elemenen erzeugt, wobei jede Untersequenz eines der n Segmente des Videoprogramms repräsentiert. Daher startet das Videoprogramm, wie es durch den Datenstrom 10 dargestellt wird, am Anfang der Elementenfolge (d. h. am ersten Element von Segment 1, wie mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet) und endet mit dem letzten Element von Segment n (d. h. mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet).
In der bevorzugten Ausführung sind die Elemente jedes Segments überlappt, um eine überlappte Sequenz von Elementen herzustellen, die als überlappter Datenstrom 18 bezeichnet wird, wie in Fig. 1 gezeigt. Der überlappte Datenstrom wird dadurch hergestellt, daß identisch numerierte Elemente jedes Segments in der Segmentfolge zu Rahmen angeordnet werden, beginnend mit dem ersten Element jedes Segments und endend mit dem mten Element jedes Segments.
Auf diese Weise werden die n Videosegmente, aus denen sich das Videoprogramm zusammensetzt, im wesentlichen über n "Unterkanäle" des Kanals zeitmultiplex betrieben, über den das Videoprogramm gesendet wird. Der überlappte Datenstrom 18 wird zu einer Reihe von m "Rahmen" 13 geordnet, wobei jeder Rahmen in n "Zeitschlitze" in Segmentreihenfolge unterteilt wird (d. h. jedem Segment wird ein Zeitschlitz zugewiesen). Während jedes Rahmens wird ein zu jedem Segment gehörendes Element während des Zeitschlitzes übertragen, der diesem Segment zugewiesen ist.
Über einen Einzelkanal des TV-Kabels wird der überlappte Datenstrom 18 immer wieder an die Teilnehmer übertragen. Vorausgesetzt, die Übertragungsrate des überlappten Datenstroms 18 entspricht zumindest n mal der durchschnittlichen Datenrate r der einzelnen Segmente, erscheint es so, als ob alle n Segmente des Programms dem Empfänger gleichzeitig zur Verfügung stehen. Jede neue Übertragung des überlappten Datenstroms 18 gibt einem Teilnehmer Gelegenheit, mit der Wiederherstellung des Videoprogramms von dessen Anfang an zu beginnen oder mit der Wiederherstellung des während früherer Übertragungen des überlappten Datenstroms begonnenen Programms fortzufahren.
Der Teilnehmer kann das Programm von Anfang an sehen, indem er den Empfänger einfach so programmiert, daß er dem Segment 1 (d. h. dem ersten "Unterkanal") zugeordnete Elemente auswählt und rekonstruiert, wenn die Übertragung des überlappten Datenstroms am Anfang des überlappten Datenstroms 18 steht (d. h. zum Zeitpunkt t1). Wenn der überlappte Datenstrom 18 übertragen wird, wählt der Empfänger des Teilnehmers die Elemente aus, die das erste Segment 14 bilden und setzt sie zusammen (d. h. er hebt den Überlappungs- oder Multiplexzustand auf). Gleichzeitig setzt der Empfänger die das Segment 1 umfassenden Elemente in eine Darstellung des Segments zur Ansicht durch den Teilnehmer um. Mit Beginn der nächsten Übertragung (oder Durchlauf) des überlappten Datenstroms 18 (d. h. zum Zeitpunkt t2), wird der Empfänger auf den nächsten Unterkanal umgestellt (d. h. abgestimmt), um die das zweite Segment 15 repräsentierenden Elemente auszuwählen und zusammenzusetzen. Zwischenzeitlich kann ein anderer Teilnehmer gleichzeitig mit dem Zugriff auf das Programm beginnen, indem er das erste (oder irgendein anderes) Segment 17 darstellende Daten auswählt und zusammensetzt. Dieser Vorgang wird für den ersten Teilnehmer so lange fortgesetzt, bis der Empfänger alle n Segmente des Videoprogramms empfangen und rekonstruiert hat oder bis der Teilnehmer den Unterkanal, auf den der Empfänger abgestimmt ist, manuell ändert. Die Rekonstruktion geht dann von dem neu ausgewählten Segment aus weiter.
Auf diese Weise kann praktisch jede beliebige Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig auf jedes der n Segmente zugreifen, auf die alle von der Übertragung eines einzigen Datenstroms aus zugegriffen werden kann, der eine einzige Darstellung des Videoprogramms repräsentiert. Demgemäß erzielt die Erfindung das äußerst bedeutende Ergebnis, sehr vielen Teilnehmern praktisch beliebigen Zugriff auf ein Videoprogramm zu geben und gleichzeitig die zur Bereitstellung dieses Zugriffs notwendige Speicherungs- und Verteilungsinfrastruktur zu minimieren.
Wie zuvor diskutiert, kann ein Teilnehmer von jedem beliebigen Segment aus beginnen, auf das Programm zuzugreifen und es zu rekonstruieren, selbst zu einem Zeitpunkt, wo die Übertragung sich gerade in der Mitte des überlappten Datenstroms 18 und daher in der Mitte jedes der n Segmente befindet. Ein Teilnehmer kann einen schnellen Vor- oder Rücklauf durch das Programm durchführen, indem er das momentan vom Empfänger des Teilnehmers ausgewählte Segment hinauf- oder heruntersetzt. Derartige Vorwärts- oder Rückwärtsschritte im Programm sind jedoch an Vielfache der Zugriffszeit T gebunden. Die Körnung von Zugriffspunkten in dem Videoprogramm ist eine direkte Funktion der Anzahl von Videosegmenten, in die das Videoprogramm geteilt ist. Je größer die Anzahl von Videosegmenten n ist, desto kürzer ist ihre Dauer und desto feiner sind folglich die Schritte dazwischen. Daher wird auf n als "Überlappungsfaktor" Bezug genommen. Wie zuvor diskutiert, ist die Anzahl von Videosegmenten, in die ein Programm geteilt werden kann, durch die Bandbreite, die zum Übertragen der n überlappten Segmente zur Verfügung steht und die maximale Datenrate begrenzt, die durch die Abspielquelle unterstützt werden kann.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Datenrate, die die Abspielquelle für einen gegebenen Überlappungsfaktor unterstützen muß, besteht darin, die Gesamtmenge der Daten zu reduzieren, die für eine angemessene Darstellung des Videoprogramms notwendig sind. Zum Komprimieren der für eine angemessene Darstellung des Programms notwendigen Datenmenge können auf dem Fachgebiet bekannte Techniken zur Codierung des Datenstroms 10 gemäß Fig. 1 verwendet werden. Zwei Beispiele für bekannte digitale Komprimierungsstandards für Videodaten sind die Standards MPEG 1 und MPEG 2 für die Auswählbarkeitscodierung von bewegten Bildern und zugehörigem Ton. Die Konzeptempfehlung H. 262 (Freitag, 25. März 1994, 10 : 18 Uhr) der ITU-T (International Telecommunications Union Telecommunications Standardization Sector [Internationale Telekommunikationsunion, Telekommunikation- Standardisierungssektor]) wird durch diesen Querverweis hierin mit aufgenommen. Ein weiterer Vorteil der Datenkomprimierung ist, daß auch der Speicherplatzumfang reduziert wird, der notwendig ist, um überlappte Datenströme 18 zu speichern, die Videoprogramme für eine spätere Übertragung repräsentieren.
Es wird nun eine erste bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, die den Videodatenstrom 10 komprimiert und die resultierenden komprimierten Datenelemente dann überlappt. Eine zweite bevorzugte Ausführung verwendet die Prinzipien des statistischen Multiplexens zur statistischen Verschlüsselung und Überlappung des Videodatenstroms 10, um eine gleichmäßigere Bildqualität des rekonstruierten Videoprogramms für den teilnehmenden Zuschauer zu gewährleisten. Nicht statistisches Verschlüsseln und Überlappen mag mit vorhandenen Codier- und Decodiereinrichtungsprodukten leichter zu realisieren sein und kann auf unabhängig komprimierte Videodatenströme einfach angewendet werden. Statistisches Verschlüsseln und Überlappen führt wohl zu einer spürbar verbesserten Gleichmäßigkeit der Bildqualität, kann aber hochentwickeltere Verschlüsselungsstrukturen erfordern als nicht statistisches Verschlüsseln und Überlappen.

1. Erste bevorzugte Ausführung: Nicht statistisches Verschlüsseln und Überlappen

Fig. 2 stellt eine erste Ausführung zur Durchführung des nicht statistischen Verschlüsselns und Überlappens gemäß der Erfindung dar. In Fig. 2 liefert eine Videoprogrammquelle 20 einen Datenstrom 10, der beispielsweise den Bildanteil des Videoprogramms darstellt. Der Datenstrom 10, der typischerweise eine geordnete Folge digitaler Daten zur Darstellung von Bildpunkten ist, die die Bilder des Videoprogramms verkörpern, wird unter Verwendung irgendeines bekannten Verfahrens zur Komprimierung digitalisierter Videodaten durch eine Digitalcodiereinrichtung 22 komprimiert. Die Digitalcodiereinrichtung 22 erzeugt einen komprimierten Videodatenstrom 23, der als geordnete Elementenfolge aus komprimierten Daten organisiert ist, die das Videoprogramm so darstellen, wie es in dem Datenstrom 10 verkörpert ist. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Elemente aus gleichen Bitmengen, die nicht basierend auf Pixelgrenzen organisiert sein müssen.
Der komprimierte Videodatenstrom 23 wird dann in n Multi- Elementuntersequenzen von Elementen unterteilt, die jeweils eines von n Videosegmenten darstellen. Die Elemente der n Untersequenzen werden dann durch eine Aufteilungs- und Überlappungsschaltung 24 in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Erfindung überlappt, wie oben beschrieben. Die Aufteilungs- und Überlappungsschaltung 24 erzeugt einen überlappten Datenstrom 25, der direkt an die Teilnehmer übertragen werden oder für ein späteres Abrufen und Übertragen von einer Datenspeichereinheit 26 auf ein Massen- Datenspeichermedium 27 gespeichert werden kann. Das Datenspeichermedium 27 kann aus einer oder mehr Festplatten-, optischen, Band- oder elektronischen Speichervorrichtungen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der überlappte Datenstrom 25 für ein späteres Abspielen des in dem überlappten Datenstrom 25 verkörperten Videoprogramms typischerweise auf der Datenspeichervorrichtung 27 gespeichert. Die Datenspeichervorrichtung 27 ist in einem System angeordnet, das eine Abrufvideoprogrammierung mit einem Dienstcomputer bzw. Server 31 und eine Vielzahl von Empfängern 32, 34 bereitstellt, die durch ein geeignetes Verteilnetz 35 an den Server 31 angeschlossen sind. Der Server überträgt die auf der Datenspeichervorrichtung 27 gespeicherte überlappte Elementenfolge wiederholt an alle Empfänger auf dem Verteilnetz 35. Jeder der Empfänger 32, 34 besitzt die notwendige Verarbeitungskapazität zur Rekonstruktion des Videoprogramms auf die oben beschriebene Weise, indem er für jedes Videosegment die Elementenfolge auswählt, die das Segment umfaßt. Diesbezüglich besitzt jeder Empfänger die Verarbeitungskapazität, um die Überlappung des überlappten Datenstroms 25 aufzuheben, den resultierenden komprimierten Datenstrom wieder zusammenzusetzen und zu entschlüsseln und den resultierenden dekomprimierten Datenstrom 10 wieder in die Bildpunktfolge umzusetzen, die die Bilder des Videoprogramms verkörpert.
Fig. 3 stellt die Unterteilung des komprimierten Datenstroms 23 in Untersequenzen dar, die die Videosegmente darstellen. Wenn die Elementenfolge durch die Digitalcodiereinrichtung 22 verschlüsselt (d. h. komprimiert) wird, wird der resultierende komprimierte Datenstrom 23 hergestellt, wie in Fig. 2 dargestellt. Der komprimierte Datenstrom 23 wird dann durch die Aufteilungs- und Überlappungsschaltung 24 in n geordnete Unter- Untersequenzen von Elementen unterteilt, die jeweils eines von n Videosegmenten darstellen. Jede Untersequenz wird ferner in m Elemente unterteilt, so daß die Gesamtanzahl der Videoprogrammelemente n·m beträgt, und jedes Element wird mit Sij bezeichnet, wobei 1 ≤ i ≤ n und 1 ≤ j ≤ m. Wie Fig. 3 zeigt, macht die Unterteilung aus dem komprimierten Datenstrom 23 eine geordnete Folge von n Untersequenzen, wobei jede Untersequenz ein oder mehr Elemente aufweist und jedes Element ein oder mehr komprimierte Videodatenbits einschließt. Fig. 3 stellt auch den überlappten Datenstrom 25 dar, der aus dem Überlappungsvorgang hervorgeht. Fig. 4 zeigt die Speicherung der überlappten Elementenfolge, die den überlappten Datenstrom 25 umfaßt, auf der Datenspeichervorrichtung 27.
Bei nochmaliger Bezugnahme auf den in Fig. 3 und 4 gezeigten überlappten Datenstrom 25 und die in Fig. 2 dargestellte Kombination zum Speichern und Formatieren sollte deutlich sein, daß eine oder mehr Datenspeichervorrichtungen 27 zum Speichern des überlappten Datenstroms 25 verwendet werden können. Die erforderliche Anzahl von Datenspeichervorrichtungen kann von gestalterischen Erwägungen bestimmt sein, wenn die Größe des komprimierten Bitstroms 23, der Überlappungsfaktor n und die Zugriffsgeschwindigkeit und Kapazität der einzelnen Datenspeichervorrichtungen berücksichtigt werden. Unter der Annahme, daß die Datenspeichervorrichtung ein Festplattenlaufwerk ist, kann die überlappte Folge 25 in verschiedene, aber gleich große Abschnitte aufgeteilt werden, und jeder Abschnitt kann auf eine von Nd verschiedenen Festplatten aufgezeichnet werden. Die Kapazität jeder Datenspeichervorrichtung 27 soll ausreichen, um nm/Nd Elemente zu enthalten. Eine ausführlichere Erläuterung dieser Gesichtspunkte wird nachstehend vorgelegt.

2. Zweite bevorzugte Ausführung der Erfindung: Statistisches Verschlüsseln und Überlappen

Fig. 5 stellt eine zweite bevorzugte Ausführung der Erfindung dar, die das statistische Verschlüsseln und Überlappen durchführt. Eine Videoprogrammquelle 60 liefert einen Datenstrom 10, der eine Pixelfolge darstellt, die den Bildanteil des Videoprogramms verkörpert. Der Datenstrom 10 ist als geordnete Folge von Elementen organisiert, wobei jedes Element Daten umfaßt, die eine gleiche Anzahl von Bildpunkten umfassen. Das Videoprogramm wird in n Segmente unterteilt, wobei jedes Videosegment durch eine Untersequenz des Datenstroms 10 dargestellt ist und jede Untersequenz für eine gleiche Anzahl von Bildpunkten steht.
Die die n Videosegmente vertretenden n Untersequenzen werden von der Aufteilungs- und Ausrichtungsschaltung 62 zeitlich ausgerichtet und jede Untersequenz gleichzeitig auf einer Signalleitung 63 einer entsprechenden Digitalcodiereinrichtung 64 zur Verfügung gestellt. Jede Digitalcodiereinrichtung setzt ihre jeweilige Untersequenz in eine komprimierte Untersequenz von Elementen um, wobei jedes Element aus einem oder mehr Bits aus komprimierten Videodaten besteht. Die Elemente des komprimierten Videodatenstroms 65 werden durch eine Überlappungs- bzw. Interleave-Schaltung 66 überlappt, um einen überlappten Datenstrom 67 zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführung empfängt eine Datenspeichereinheit 68 den überlappten Datenstrom 67 und überträgt ihn zur späteren Wiedergewinnung und Übertragung an eine Datenspeichervorrichtung 70. Wie zuvor diskutiert, kann der überlappte Datenstrom 67 über ein Verteilnetz auch in Echtzeit direkt an die Teilnehmer weitergeleitet werden.
Zum Abspielen des in der überlappten Elementenfolge 67 verkörperten Videoprogramms ist die Datenspeichervorrichtung 70 in einem System angeordnet, das eine Videoprogrammierung auf Abruf bereitstellt. Das System weist bevorzugt einen Server 72 und eine Vielzahl von Empfängern 73, 74 auf, die durch ein geeignetes Verteilnetz 75 mit dem Server 72 verbunden sind. Der Server sendet den auf der Datenspeichervorrichtung 70 gespeicherten überlappten Datenstrom 67 wiederholt an alle an das Verteilnetz 75 angeschlossenen Empfänger. Der überlappte Datenstrom 67 wird wiederholt an alle Empfänger übertragen. Jeder der Empfänger 73, 74 besitzt die notwendige Verarbeitungskapazität zur Rekonstruktion des Videoprogramms durch Auswählen und Zusammensetzen, für jedes Videosegment, der das Segment darstellenden Elementuntersequenz. Diesbezüglich besitzt jeder Empfänger die Verarbeitungskapazität, um die Überlappung des überlappten Datenstroms 67 aufzuheben (d. h. zu entschachteln) und dadurch den komprimierten Datenstrom 65 zu regenerieren, um den komprimierten Datenstrom 65 in den Datenstrom 10 zu decodieren und den Datenstrom 10 in die Folge von Bildpunkten umzusetzen, die das Videoprogramm verkörpern. Mit Bezug auf Fig. 6 und 7 wird nun eine detailliertere Erläuterung des statistischen Verschlüsselungs- und Überlappungsverfahrens gegeben, das durch die in Fig. 5 dargestellte Kombination durchgeführt wird. Der Datenstrom 10, der eine digitalisierte Darstellung der Folge von Bildpunkten ist, die die Bilder des Videoprogramms verkörpern, wird in n Elementuntersequenzen unterteilt, die stellvertretend für n Videosegmente stehen. Jedes Element der Untersequenz besteht aus Daten, die dieselbe Anzahl von Bildpunkten darstellen. Jede Untersequenz weist eine gleiche Anzahl von Elementen auf und stellt daher dieselbe Gesamtpixelanzahl dar.
Jedes Pixel der das erste Segment 84 des unterteilten Datenstroms 80 darstellenden Untersequenz weist einen Bildstärkewert s(t) auf, wobei jedes Pixel durch seine Position in der Untersequenz als Zeitfunktion definiert ist. Weil die Dauer eines Segmentes mit T definiert ist, ist der Bildstärkewert für jedes Pixel der das zweite Segment 86 darstellenden zweiten Untersequenz durch s(t + T) definiert und für alle Pixel durch s(t + i·T) definiert, wobei O ≤ i ≤ n. Jede der Untersequenzen des unterteilten Datenstroms 80 wird dann getrennt zusammengesetzt und gleichzeitig in ihre jeweilige Decodiereinrichtung eingegeben, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt. Auf diese Weise werden die Segmente zum Zwecke einer zeitgleichen Verarbeitung zeitversetzt.
Jede Codiereinrichtung 64 gemäß Fig. 7 verarbeitet ihre eigene Untersequenz digitaler Pixeldaten, und die bevorzugte Ausführung einer derartigen Codiereinrichtung ist in Fig. 8 näher dargestellt. Solche Codiereinrichtungen sind in Fachkreisen bekannt, und die Einzelheiten der offenbarten Codiereinrichtung werden nicht als Grundlage für die Patentfähigkeit der Erfindung verwendet. Fachleute werden erkennen, daß im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jede zum Komprimieren von Videodaten geeignete Codiereinrichtung dafür eingesetzt werden kann.
Wie in Fig. 6 dargestellt, komprimiert jede Codiereinrichtung die Daten mit ihrer jeweiligen Pixeluntersequenz und erzeugt eine aus komprimierten Daten bestehende Elementenfolge, die Blöcke 82 genannt werden. Die Codiereinrichtung führt diese Funktion aus, indem sie zuerst ihre Pixeldaten-Untersequenz mittels einer Blockierungsschaltung 100 (Fig. 8) zu Elementen organisiert, die Blöcke genannt werden. Jeder Block besteht aus Daten, die eine gleiche Anzahl von Bildpunkten darstellen. Jeder Block stellt eine gewisse Untermenge der das Segment verkörpernden Gesamtbildpunktanzahl dar. Ein Block kann aus Daten bestehen, die alle Pixel repräsentieren, aus denen sich ein Einzel-Rahmen oder -Bild des Segmentes zusammensetzt. Zum Beispiel kann ein Rahmen 480 Zeilen mit 720 Bildpunkten bzw. eine Gesamtsumme von 345.600 Bildpunkten enthalten. Die Blöcke können nach Belieben aus Bildpunkten bestehen, die Rahmenteile, Einzel-Rahmen oder sogar Mehrfach-Rahmen bilden.
Jedes Pixeldaten-Element oder -Block wird dann durch eine Transformationsschaltung 102 verarbeitet, die bekannte Komprimierungsumformungen verwendet, wie z. B. die diskrete Cosinustransformation (DCT), um die binären Pixeldaten in Transformationskoeffizienten umzusetzen. Die Koeffizienten werden durch eine Anpassungsquantifiziereinrichtung 103 quantifiziert oder normalisiert, was die Codierleistung durch Abschneiden der Koeffizienten in Übereinstimmung mit dem gewünschten Bildqualitätsniveau verbessert, das hergestellt werden soll, wenn die Informationen zur Darstellung dekomprimiert werden. Zuletzt durchlaufen die quantifizierten Koeffizienten eine statistische Codiereinrichtung 110, die die Daten auf Basis einer variablen Längenverschlüsselungstechnik, wie der Huffman- Codiermethode, weiter komprimiert.
Alle Codiereinrichtungen sind synchronisiert, so daß jede gleichzeitig einen komprimierten Datenblock erzeugt, und jede Codiereinrichtung ist auf ein Verschlüsselungsniveau voreingestellt, das die gewünschte Qualitätsstufe des kopierten Bildes widerspiegelt. Obwohl jeder durch eine Codiereinrichtung erzeugte komprimierte Daten-Block (d. h. -Element) immer noch eine gleiche Anzahl von Bildpunkten repräsentiert, kann er in seiner Binärdatenmenge variieren, weil einige Blöcke aus digitalen Pixeldaten leichter zu komprimieren sind als andere. Der Blockmultiplexer 66 (Fig. 7) überlappt dann die Blöcke durch Auswählen eines Blocks von der ersten Codiereinrichtung (und damit aus dem ersten Segment), dann der zweiten usw. bis zur Codiereinrichtung n, und wiederholt das Verfahren dann für die nächste Gruppe von komprimierten Blöcken. Auf diese Weise wird ein überlappter Datenstrom 94 hergestellt, wie in Fig. 6 gezeigt, wobei jeder Block 82 zuerst mit einer Segmentnummer und dann der Block-(d. h. Element-)Nummer bezeichnet ist.
Der überlappte Datenstrom 94 wird dann in einen sog. First- in-first-out-(FIFO)-Kanalpuffer 92 (Fig. 7) eingegeben und mit der für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Übertragungsrate (d. h. n·r) aus dem Puffer herausgetaktet. Wenn der Puffer langsam voll wird, wird über die Leitung 93 (Fig. 7) ein Signal bereitgestellt, das jede der Anpassungsquantifiziereinrichtungen 103 (Fig. 8) in jeder der Codiereinrichtungen 64 (Fig. 7) anweist, das Codierniveau anzuheben, wodurch das Komprimierungsverhältnis angehoben wird (d. h. es ist weniger genau im Hinblick auf die Koeffizientenwerte), bis der Puffer beginnt, sich zu leeren. Gleicherweise kann der Kanalpuffer 92 die Anpassungsquantifiziereinrichtungen über die Signalleitung 93 anweisen, das Codierniveau herabzusetzen, wenn der Puffer zu leer wird, wodurch das Komprimierungsverhältnis herabgesetzt wird.
Wenn die Anzahl von Segmenten "n" und der Kanalpuffer 92 genügend groß sind, dann ist es statistisch wahrscheinlich, daß die Anzahl stark komprimierter Datenblöcke (d. h. diejenigen Blöcke, die schwer zu komprimieren waren) und die komprimierten Blöcke mit weniger Informationen (d. h. diejenigen Blöcke, die leichter komprimiert wurden) über ein Zeitfenster abgeglichen werden. Demzufolge müßte die Bildqualität über das gesamte Videoprogramm hinweg ziemlich gleichbleibend sein, und die Anzahl von Wechseln im Komprimierungsverhältnis während des Verschlüsselns und Überlappens müßte minimal sein.
Ein Beispiel für diese Verschlüsselungstechnik in Anwendung auf Mehrfach-Programme, die über einen Mehrwegkanal im Multiplex-Verfahren betrieben werden, ist in der US-Patentschrift Nr. 5,216,503 von Paik et al. offenbart, die durch diesen Querverweis hierin mit aufgenommen wird. Paik et al. verwenden diese Verfahrenstechnik, um sicherzustellen, daß die Summe der zu irgendeiner Zeit über alle Kanäle einer Leitung übertragenen Daten die Gesamtbandbreite der Leitung nicht übersteigt. Die Anwendung dieser Technik auf die vorliegende Erfindung ist einzigartig, weil sie auf Segmente desselben Programms angewendet wird, um eine einheitliche Bildqualität während des Abspielens des einzelnen Programms zu erzielen.
Dieselbe Codiereinrichtung, die in Fig. 8 dargestellt ist, kann auch in einer nicht statistischen Verschlüsselungskombination wie in der ersten Ausführung verwendet werden. In diesem Fall könnte jede der "n" Codiereinrichtungen gemäß Fig. 7 einen unabhängigen Kanalpuffer unterhalten, und das Komprimierungsverhältnis jeder einzelnen Codiereinrichtung würde eingestellt, um einen vorher zugewiesenen Anteil des Gesamtdurchsatzes beizubehalten. Der Nachteil des nicht statistischen Systems ist, daß die Codiereinrichtungen dazu neigen, manchmal eine unnötig hohe Bildqualität zu liefern, wenn das Videoprogramm leicht komprimiert wird, und eine schlechte Bildqualität während bestimmter komplexer Szenen, wenn die Komprimierung schwierig wird.

3. Zusätzliche Ausführungseinzelheiten, die für beide bevorzugte Ausführungformen gelten

Die Verwendung von Videokomprimierung erfordert keine Echtzeit-Digitalverschlüsselung, wie in der ersten und zweiten Ausführung vorausgesetzt, und benötigt auch keine Mehrfach-Codiereinrichtungen. Ein anderer bevorzugter Weg zum Überlappen und Komprimieren eines ein Videoprogramm repräsentierenden Datenstroms 10 zur Ausnutzung der statistischen Abwandlungen in dem Videoprogramm besteht darin, das Videoprogramm unter Verwendung eines Algorithmus iterativ zu komprimieren und überlappen, der ganz oder teilweise in der Software durchgeführt wird und mehrfache Verschlüsselungsdurchläufe durch das Videoprogramm verwendet. Durch Abstimmen des Komprimierungsalgorithmus während jeder Iteration kann der Algorithmus das Videoprogramm wirksamer komprimieren.
Ein in der Software realisiertes Verschlüsselungsverfahren kann einen Videokomprimierungsstandard verwenden, wie er z. B. durch die Codiereinrichtung gemäß Fig. 8 realisiert ist. Bei der ersten Ausführung komprimiert die Software den Datenstrom 10 in Übereinstimmung mit einem gewünschten Quantifizierungsniveau und mißt dann die Gesamtdatenmenge, die herauskommt. Wenn die Datenmenge über das hinausgeht, was innerhalb der festgelegten Bandbreite übertragen werden kann, wird das Quantifizierungsniveau angehoben und der Datenstrom 10 erneut komprimiert. Dieses Verfahren geht so lange weiter, bis der resultierende komprimierte Datenstrom in die erforderliche Bandbreite fällt. Die Software unterteilt dann den komprimierten Datenstrom und überlappt die Elemente der Segmente der unterteilten Untersequenzen zur Erzeugung eines überlappten Datenstroms, der das Videoprogramm repräsentiert.
Die iterative Komprimierung durch Software ist besonders vorteilhaft beim statistischen Verschlüsseln und Überlappen, weil weder die Verwendung kostspieliger Hardware erforderlich ist, um die geordnete Pixelfolge, die durch den Datenstrom 10 repräsentiert wird, in Videosegmente aufzuteilen, noch Mehrfach-Codiereinrichtungen notwendig sind, um jedes Videosegment gleichzeitig zu komprimieren. Vielmehr wird der Datenstrom 10 zuerst in Element- Untersequenzen unterteilt, die Segmente mit derselben Pixelanzahl darstellen. Der unterteilte Datenstrom wird dann in Übereinstimmung mit einem festgelegten Codierungsniveau komprimiert, wobei ein Standard verwendet wird, wie er z. B. durch die Codiereinrichtung gemäß Fig. 8 realisiert ist. Die Software überlappt dann die komprimierten Elemente der Untersequenzen in Übereinstimmung mit der Erfindung. Wenn die Software die Elemente überlappt, summiert sie die Gesamtdatenmenge über die Segmente in einem bestimmten Fenster, ganz ähnlich wie der Kanalpuffer 92 gemäß Fig. 7. Alle Abschnitte des überlappten Datenstroms, bei denen die Datenmenge die festgelegte Bandbreite über dem definierten Fenster übersteigt, werden unter Verwendung eines höheren Codierniveaus erneut komprimiert. Bei allen Abschnitten, die eine gewisse Mindestdatenmenge überschreiten, kann das Programm den Abschnitt unter Verwendung eines niedrigeren Codierniveaus noch einmal komprimieren.
Eine Möglichkeit, etwas Rechnerzeit einzusparen, wäre die Verwendung einer Hardware-Codiereinrichtung, wie sie z. B. in Fig. 8 gezeigt ist, um den Datenstrom 10 mit einer Reihe verschiedener Codierniveaus zu komprimieren und die verschiedenen komprimierten Versionen zu speichern. Die Software kann die Schritte Überlappen und Summieren durchführen und jeden Abschnitt des überlappten Datenstroms, der weit genug über oder unter der festgelegten Bandbreite erfaßt wird, einfach durch einen Abschnitt eines der gespeicherten überlappten Datenströme ersetzen, der mit dem geeigneten Quantifizierungswert komprimiert wurde.
Während jeder Übertragung des überlappten Datenstroms muß ein Empfänger in der Lage sein, die Elemente des bestimmten Videosegments zu identifizieren, auf das zugegriffen werden soll und das rekonstruiert und angezeigt werden soll. Eine mögliche Realisierung, mit der dies erreicht werden kann, ist das Einsetzen von Videosegment-Identifizierungszeichen in die überlappte Elementenfolge beim Speichern für eine spätere Übertragung. Beispielsweise können Videosegmenten 1 bis n jeweils Sequenznummern (d. h. Unterkanäle) von 1 bis n zugeteilt werden. Die entsprechende Sequenznummer kann den jedes Element umfassenden Videodaten dann vor dem Überlappen und Speichern zugeordnet werden. Wenn ein Empfänger beginnt, ein Videoprogramm von Anfang an zu rekonstruieren, wählt der Empfänger während des ersten Durchlaufs demzufolge alle Elemente mit der Sequenznummer 1 aus und setzt sie zusammen, gefolgt von den Elementen mit der Sequenznummer 2 während des zweiten Durchlaufs usw.. Das Rekonstruktionsverfahren ist abgeschlossen, wenn alle Elemente mit der Sequenznummer "n" während des letzten Durchlaufs ausgewählt sind.
Selbstverständlich könnte ein Teilnehmer den Empfänger programmieren, in dem Programm vorwärts oder zurück zu springen, indem er die gewählte Sequenznummer manuell programmiert (d. h. durch Wechseln des Unterkanals). Eine andere mögliche Realisierung besteht darin, die Abspielquelle so zu programmieren, daß die Videosegment- Identifikationsinformationen in die überlappte Elementenfolge eingesetzt werden, während sie an die Empfänger übertragen werden. Beispielsweise können dieselben Sequenznummern von 1 bis n zuerst jeweils Videosegmenten 1 bis n für eine erste Übertragung zugeteilt werden. Zu Beginn des nächsten Durchlaufs durch den überlappten Datenstrom zählt die Abspielquelle dann die jedem Segment zugeteilte Sequenznummer rückwärts, so daß dem Segment Nr. 2 jetzt die Sequenznummer 1 zugeteilt wird, während dem Segment 1 jetzt die Sequenznummer "n" zugeordnet ist. Daher kann der Empfänger mit Beginn der Rekonstruktion des Videoprogramms gestützt auf einen bestimmten Unterkanal oder Sequenznummer während der gesamten Rekonstruktion auf diese Zahl abgestimmt bleiben.
Ein Nachteil dieser Realisierung besteht darin, daß dem ersten Segment, das immer den Beginn des Videoprogramms darstellt, keine einzelne Sequenznummer mehr zugeordnet ist. Daher muß die Abspielquelle vor der Übertragung zusätzliche Informationen in den überlappten Datenstrom einsetzen, um das erste Segment des Videoprogramms abzugrenzen.
Eine andere mögliche Realisierung wäre, die Elemente am Empfänger synchron zu entschachteln (d. h. 32, Fig. 2 oder 74, Fig. 5), wobei jeder Zeitschlitz in einem Rahmen einem bestimmten Segment des Programms zugeordnet ist.
Wie zuvor erläutert, muß der Empfänger (d. h. 32, Fig. 2 oder 74, Fig. 5) auch in der Lage sein, die komprimierten Daten zu decodieren und die richtigen Pixel in der richtigen Folge und zur richtigen Zeit anzuzeigen. Im Falle von Audiodaten muß der Empfänger auch in der Lage sein, den Ton mit den Bildern zu synchronisieren. Schließlich muß der Empfänger jederzeit das Codierniveau der komprimierten Daten kennen. Wie zuvor erläutert, gibt es für die digitale Darstellung sowie Komprimierung von Videodaten eine Reihe bekannter Standards, die genau angeben, wie derartige Informationen in dem Datenstrom bereitgestellt werden müssen.
Zum Beispiel kann die überlappte Blockfolge, die den überlappten Datenstrom 94 (Fig. 6) umfaßt, wie er mit der zweiten Ausführungskombination erzeugt wird, die in Fig. 6, 7, und 8 gezeigt ist, durch eine Paket- Codiereinrichtung 121 paketiert werden (dargestellt in Fig. 7). Die überlappte Blockfolge 94 kann beispielsweise in Paketgruppen geteilt werden, wobei jedes Paket in der Gruppe komprimierte Videodaten enthält, die während jedes der n Segmente Pixelwerte für dieselbe Bildpunktfolge darstellt. Anders ausgedrückt, jedes Paket könnte aus einem Block von jedem Segment bestehen, wobei jeder Block die Pixelwerte s(t) für entsprechende Pixel der Rahmen enthält, die zum Zeitpunkt t, t+T, t+2T, ... t+(n-1)T vorhanden sind.
Ein einzelnes Paket kann organisiert sein, wie in Fig. 9 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß in der bevorzugten Ausführung die Größe eines Paketes variieren kann, weil manche Videoblöcke schwieriger zu komprimieren sein können als andere, Andere in einem Paket enthaltene Informationen könnten solche sein, die Paket- und Blockgrenzen sowie das Codierniveau der Daten in dem Paket definieren.
Eine andere Möglichkeit, die Daten zu organisieren, ist die Schaffung von Datenpaketen während des Überlappungsvorgangs, so daß jedes Paket eine willkürliche Datenmenge aus einer ein Segment darstellenden Einzel-Untersequenz enthält, die auf Blockgrenzen sein können oder nicht. Es werden eher die Pakete überlappt als die Blöcke, und als Anfangskennung sind Informationen, die das Segment definieren, die speziellen Pixel, die von den Daten repräsentiert werden und eine Zeitmarke enthalten, die eine Anzeigezeit für die von den Daten in dem Paket definierten Pixel definiert. In diesem Fall wird die Überlappungsreihenfolge durch den ansteigenden Zeitmarkenwert anstelle der Segmentnummer bestimmt.
Wie zuvor erläutert, hängt die benötigte Speichermenge und der notwendige Durchsatz der Speichervorrichtung zum Abspielen eines Videoprogramms von mehreren Auslegungsparametern ab. Einer der wichtigsten zu bestimmenden Parameter ist die Zugriffszeit "T", die die Zeitdauer jedes Videosegments angibt, wenn es von einem Empfänger zur Ansicht durch einen Teilnehmer rekonstruiert wird. Dieser Parameter definiert die maximale Verzögerung, die ein Teilnehmer hinnehmen muß, wenn der Teilnehmer zum Abspielen des Programms von Anfang an aufs Geratewohl auf das Programm zugreift.
Das Abspielen ist ein Echtzeitvorgang, der aus einer ständigen Wiedergewinnung und Übertragung desselben überlappten Videodatenstroms und der ständigen Rekonstruktion eines Videoprogramms aus diesem überlappten Datenstrom besteht. Da alle n Videosegmente gleichzeitig für den Zugriff durch einen Empfänger präsentiert werden, folgt daraus, daß auf jedes der n Videosegmente zu jedem Zeitpunkt während des Abspielens zugegriffen werden kann. Das Abspielen aller Videosegmente beginnt zur selben Zeit und ist zur selben Zeit abgeschlossen. Demzufolge definiert die Zugriffszeit T auch die maximale Verzögerung, die beim Zugriff auf eine beliebige Stelle in dem Videoprogramm hinzunehmen ist. Anders ausgedrückt, sie definiert den kleinstmöglichen Zeitabstand, in dem beliebig auf das Programm zugegriffen werden kann.
Ein anderer anzugebender Parameter ist die durchschnittliche Datenrate "r" der komprimierten Videosegmente des Videoprogramms. Dieser Parameter definiert die Geschwindigkeit, mit der Segmentdaten von einem Empfänger erhalten werden müssen, so daß er das Videoprogramm mit dem gewünschten Qualitätsstandard in Echtzeit rekonstruieren kann. Die Datenrate "r" wird durch die ursprüngliche Bildauflösung und Bildwiederholrate des Videoprogramms und durch das Komprimierungsverhältnis bestimmt, das während der Verschlüsselung angelegt wurde. Es wird davon ausgegangen, daß die meisten Anwendungsformen dieser Erfindung keine bessere Bildqualität als VHS benötigen, und es ist nicht übertrieben anzunehmen, daß dies erreicht werden kann, wenn r = 1,5 MBit/Sekunde. Wenn statistisches Multiplexen verwendet wird, dann wird die Datenrate jedes komprimierten Videosegments variieren, weil einige Datensegmente sich leichter komprimieren lassen als andere. Wie zuvor erläutert, sind die kumulativen Datenraten aller n Segmente von einem Programm zum nächsten jedoch tendentiell relativ konstant.
Damit ein Empfänger simultanen Zugriff auf jedes Segment hat, muß die Geschwindigkeit, mit der der überlappte Datenstrom über die Verteilung übertragen wird, gleich der Anzahl von Segmenten n mal der durchschnittlichen Datenrate eines Segments r (d. h. n·r) sein. Demzufolge müssen das Verteilungssystem und die Speichermöglichkeit, aus der das überlappte Datenprogramm wiedergewonnen werden muß (oder die Codierungs- und Überlappungsvorrichtung, die zur Erzeugung des überlappten Datenstroms benutzt wird, falls keine Zwischenspeicherung verwendet wird), in der Lage sein, diese Datenrate zu stützen. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, daß auf die Zylinder und Spuren einer Festplatte sequentiell oder in einer beliebigen Folge zugegriffen werden kann, was die Durchsatzleistung der Einheit maximiert. Der sequentielle Zugriff wird dadurch möglich gemacht, daß das Abspielverfahren immer wieder auf dieselbe überlappte Elementenfolge zugreift, diese wiedergewinnt und überträgt.
Daher gibt es keine Zufallszugriffsbedingung für die Zwischenspeichereinheit. Angenommen, eine bestimmte Diskettenlaufwerkvorrichtung kann eine Datenrate von 30 MBit/Sekunde stützen, wenn r = 1,5 MBit/Sekunde, dann kann n nicht über 20 hinausgehen. Wie weiter oben definiert, beträgt die Gesamtdauer des Videoprogramms n·T. Angenommen, das Videoprogramm weist eine Dauer von zwei Stunden auf, dann ist die Dauer T jedes Segments sechs Minuten. Die benötigte Speicherkapazität für 120 Minuten Video, komprimiert auf eine durchschnittliche Datenrate von r = 1,5 MBit/Sekunde, ist daher 1,35 GByte.
Neben dem Komprimieren der Daten und Maximieren der Datenrate der Zwischenspeicherung kann das Mindestzugriffsintervall ferner verringert werden durch Teilen des überlappten Datenstroms in gleiche Abschnitte, Speichern der Abschnitte auf separaten Platten und dann zeitgleiches Zugreifen auf jede Platte, um jeden Abschnitt des überlappten Datenstroms gleichzeitig wiederzuerlangen und zu übertragen. Tatsächlich ist jedes Videosegment in gleiche Abschnitte unterteilt worden, wobei jeder Abschnitt jedes Segments einem Empfänger gleichzeitig über einen anderen Kommunikationstechnik-Kanal verfügbar gemacht wird.
Zum Beispiel sei vorausgesetzt, daß der das zweistündige Programm des vorigen Beispiels darstellende überlappte Datenstrom in drei gleiche Abschnitte geteilt ist, wobei jeder Abschnitt auf einer separaten Platte gespeichert ist. Wenn die Teilabschnitte von jeder Diskette abgerufen und gleichzeitig über drei getrennte Kanäle übertragen werden, dann ist das erste Drittel jedes Segments auf einem gesonderten Unterkanal des ersten Kanals verfügbar, das zweite Drittel jedes Segments ist auf einem gesonderten Unterkanal des zweiten Kanals verfügbar, und das dritte Drittel jedes Segments ist auf einem gesonderten Unterkanal des dritten Kanals verfügbar. Das Zugriffsintervall wird dadurch von T = 6 Minuten auf Td = 2 Minuten reduziert, wobei Td = T/Nd (Nd = die Anzahl von Platten). Die Mindestkapazität jeder Platte wird gleicherweise reduziert auf 40 Minuten Video, komprimiert auf eine durchschnittliche Datenrate von r = 1,5 MBit/Sekunde oder 450 MByte.
Fachleuten wird verständlich sein, daß auch Mehrfachplatten verwendet werden können, falls die Gesamtheit der den überlappten Datenstrom umfassenden Daten die Speicherkapazität einer einzelnen Speichervorrichtung wie einer Platte übersteigt oder wenn der geforderte Durchsatz einer Einzel-Speichervorrichtung nicht ausreicht, um die Vorgabe n·r zu erfüllen.
Es werden nun zwei bevorzugte Verfahren zur Unterteilung der überlappten Blockfolge zum Schreiben auf Mehrfachplatten beschrieben. Der Zweck dieser Verfahren besteht darin, von jeder Platte aus überlappende Datenströme zu erzeugen, die zeitlich relativ konstant zueinander bleiben. Fachleuten wird verständlich sein, daß es viele mögliche Schemata zur Unterteilung der Daten gibt, die als unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallend angesehen werden.
Ein Unterteilungsverfahren besteht daraus, eine paketierte überlappte Elementenfolge an Paketgrenzen aufzusplitten, so daß auf jede Platte dieselbe Anzahl von Paketen geschrieben wird. Wenn z. B. jedes Paket Daten enthält, die für eine festgelegte Anzahl von Bildpunkten stehen, dann können die ersten K Pakete einer ersten Platte zugeteilt werden, die nächsten K Pakete einer zweiten Platte usw., bis schließlich die letzten K Pakete der letzten Platte zugewiesen werden. Die Gesamt-Paketanzahl muß gleich dem Produkt aus K und der Plattenanzahl sein. Dieses Unterteilungsverfahren kann als "konstante Pixel"-Verfahren bezeichnet werden, weil alle Platten Videodaten enthalten, die dieselbe Anzahl von Bildpunkten repräsentieren.
Ein zweites bevorzugtes Verfahren zum Aufsplitten der paketierten überlappten Blockfolge zum Schreiben auf Mehrfachplatten kann als "konstante Bit"-Verfahren bezeichnet werden. Bei dem Verfahren mit konstanten Bits wird jeder Platte dieselbe Menge komprimierter Videodaten zugeteilt. Die überlappte Blockfolge 94 wird in gleiche Abschnitte geteilt, einer für jede Platte, aber die Unterteilung muß nicht zwangsläufig an einer Paketgrenze stattfinden. Wenn die Videodaten-Gesamtmenge in dem überlappten Datenstrom durch die zu verwendende Plattenzahl nicht glatt teilbar ist, dann kann die Folge durch Einsetzen von Fülldaten am Ende oder an bestimmten Stellen verlängert werden, wo sie den Decodierprozeß nicht beeinträchtigen.
Zweifellos werden dem normalen Fachmann angesichts dieser Lehren leicht andere Ausführungsformen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung einfallen. Zum Beispiel können die in der bevorzugten Ausführung geschilderten Codiereinrichtungen durch solche ersetzt werden, die sich auf andere bekannte Komprimierungstechniken stützen. Außerdem könnte der überlappte Datenstrom ohne die Notwendigkeit einer Zwischenspeicherung erzeugt und in Echtzeit übertragen werden. Die Elemente des überlappten Datenstroms können jede willkürliche Datenmenge sein, deren Grenzen durch jede beliebige Anzahl vorgegebener Standards definiert sein können. Daher soll diese Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt sein, die alle diese Ausführungen und Abwandlungen einschließen.

Claims

1. Verfahren zur Bereitstellung eines zeitgleichen Zugriffs auf eine geordnete Folge einer Vielzahl von n ein Videoprogramm umfassenden Segmenten, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Aufteilen eines Datenstroms (10) mit einer geordneten Datenfolge, die repräsentativ für das Videoprogramm ist, in n Untersequenzen, wobei jede der n Untersequenzen einen Abschnitt des Datenstroms zur Darstellung eines der n Segmente umfaßt und die Daten jeder der n Untersequenzen als geordnete Folge von Elementen organisiert sind;

Überlappen der Elemente der n Untersequenzen zur Erzeugung eines überlappten Datenstroms (18, 25), wobei benachbarte Elemente von verschiedenen der n Untersequenzen stammen;

und ferner den Schritt wiederholtes übertragen des überlappten Datenstroms über ein Videoprogramm- Verteilungsmedium für eine vorbestimmte Zeitspanne umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geordnete Elementenfolge jeder der n Untersequenzen eine Vielzahl von m Elementen umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner den Schritt Komprimieren des Datenstroms umfaßt, wodurch jedes der m Elemente jeder der n Untersequenzen komprimierte Daten umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jedes der m Elemente eine gleiche Menge komprimierter Daten umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Überlappungsschritt ferner den Schritt Zusammengruppieren der ersten Elemente jeder der n Untersequenzen in Segmentreihenfolge, dann gleichermaßen Gruppieren des zweiten bis mten Elementes jeder der n Untersequenzen umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner den Schritt Speichern des überlappten. Datenstroms auf einer Speichervorrichtung umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt Speichern vor der wiederholten Übertragung stattfindet.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, welches ferner die Schritte umfaßt:

Abrufen des überlappten Datenstroms (25) aus der Speichervorrichtung (27);

Übertragen des abgerufenen überlappten Datenstroms über ein Videoprogramm-Verteilungsmedium (31); und

kontinuierliches Wiederholen der Abruf- und Übertragungsschritte für eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei der Schritt wiederholtes Übertragen insbesondere die Abruf- und Übertragungsschritte umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Empfänger die geordnete Elementenfolge einer der n Untersequenzen in einer Rate r empfangen muß, um einem Betrachter das durch die eine der n Untersequenzen dargestellte Segment ohne Unterbrechung in Echtzeit zu präsentieren, und wobei der Schritt wiederholtes übertragen mit einer Rate gleich dem oder größer als das Produkt aus n und r durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Empfänger die geordnete Elementenfolge einer der n Untersequenzen in einer Rate r empfangen muß, um einem Betrachter das durch die eine der n Untersequenzen dargestellte Segment ohne Unterbrechung in Echtzeit zu präsentieren, und wobei der Schritt Übertragen des überlappten Datenstroms mit einer Rate gleich dem oder größer als das Produkt aus n und r durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt Komprimieren des Datenstroms statistisch durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die den Datenstrom umfassenden Daten für eine geordnete Folge von Bildpunkten stehen, die das Videoprogramm umfassen, und wobei jedes der m Elemente jeder der n Untersequenzen einen Abschnitt des Datenstroms zur Darstellung einer gleichen Anzahl von Bildpunkten umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt statistisches Komprimieren ferner den Schritt Verschlüsseln jeder der n Untersequenzen in Übereinstimmung mit einem spezifizierten Komprimierungsverhältnis zur Erzeugung von n verschlüsselten Element-Untersequenzen umfaßt, wobei jedes der Elemente komprimierte Daten umfaßt, die repräsentativ für seine geordnete Bildpunktfolge sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Überlappungsschritt ferner den Schritt Zusammengruppieren der ersten Elemente jeder der n verschlüsselten Untersequenzen in Segmentreihenfolge, dann gleichermaßen Gruppieren des zweiten bis mten Elementes jeder der n verschlüsselten Untersequenzen zur Erzeugung eines überlappten Datenstroms mit m Gruppierungen aus n Elementen umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt statistisches Komprimieren ferner die Schritte umfaßt:

Zusammenfassen der Summe komprimierter Daten in jeder der m Gruppierungen mit den Daten in einer vorbestimmten Anzahl ihrer vorhergehenden Gruppierungen;

Erhöhen des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses, sobald die summierten Daten einen ersten vorbestimmten Durchsatz übersteigen; und

Vermindern des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses, sobald die summierten Daten unter einen zweiten vorbestimmten Durchsatz abfallen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt Verschlüsseln jeder der n Untersequenzen auf jeder der n Untersequenzen zeitgleich durchgeführt wird, und wobei jede der n verschlüsselten Element-Untersequenzen synchron erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Überlappungsschritt, der Zusammenfassungsschritt und die Schritte Erhöhen und Vermindern des Komprimierungsverhältnisses in Echtzeit auf den n verschlüsselten Element-Untersequenzen durchgeführt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt statistisches Komprimieren ferner die Schritte einschließt:

Zusammenfassen der Summe von Daten mit jeweils einer Vielzahl von Abschnitten des überlappten Datenstroms, wobei jeder der Vielzahl von Abschnitten eine andere der m Gruppierungen und eine vorbestimmte Anzahl der folgenden Gruppierungen umfaßt;

Erhöhen des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses für jeden der Vielzahl von Abschnitten mit einer Datensumme, die einen ersten vorbestimmten Durchsatz übersteigt;

Vermindern des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses für jeden der Vielzahl von Abschnitten mit einer Datensumme, die unter einen zweiten vorbestimmten Durchsatz abfällt; und

Wiederholen der Schritte Verschlüsseln, Überlappen, Zusammenfassen, Erhöhen des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses und Vermindern des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses, bis keine weiteren Erhöhungen oder Verminderungen des spezifizierten Komprimierungsverhältnisses mehr erforderlich sind.

19. Verfahren nach Anspruch 5 oder 14, wobei die gruppierten Elemente in Paketen geordnet werden und die Pakete eines oder mehr der gruppierten Elemente des überlappten Datenstroms umfassen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Pakete ferner Informationen zur Erleichterung der Decodierung und Darstellung des Videoprogramms umfassen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, welches ferner den Schritt Speichern der Pakete auf einer oder mehr Speichervorrichtungen umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, welches ferner die Schritte umfaßt:

Aufteilen des überlappten Datenstroms in zwei oder mehr Abschnitte, wobei jeder der Abschnitte eine gleiche Anzahl der Pakete umfaßt; und

Speichern jedes der zwei oder mehr Abschnitte auf einer anderen Speichervorrichtung.

23. Verfahren nach Anspruch 22, welches ferner die Schritte umfaßt:

zeitgleiches Abrufen der zwei oder mehr Abschnitte aus den zwei oder mehr Speichervorrichtungen;

simultanes Übertragen jedes der zeitgleich abgerufenen zwei oder mehr Abschnitte über getrennte Kanäle eines Video-Verteilungsmediums; und

kontinuierliches Wiederholen der Schritte zeitgleiches Abrufen und Übertragen für eine vorbestimmte Zeit.

24. Verfahren nach Anspruch 23, welches ferner die Schritte umfaßt:

25. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Überlappungsschritt ferner die Schritte umfaßt:

Aufteilen jeder der n verschlüsselten Element- Untersequenzen in eine Vielzahl von x Paketen, wobei jedes Paket einen Abschnitt der komprimierten Daten mit den n verschlüsselten Element-Untersequenzen umfaßt und repräsentativ für dieselbe Anzahl von Bildpunkten ist; und

Anordnen der Pakete zunächst durch Auswählen und Gruppieren der ersten Pakete aus jeder der n verschlüsselten Untersequenzen in Segmentreihenfolge, dann gleichermaßen Auswählen und Gruppieren des zweiten bis xten Paketes.

26. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Überlappungsschritt ferner die Schritte umfaßt:

Aufteilen jeder der n Untersequenzen in eine geordnete Folge einer Vielzahl von x Paketen, wobei jedes Paket einen Abschnitt des Datenstroms umfaßt, der repräsentativ für eine gleiche Anzahl von Bildpunkten ist; und

Anordnen der Pakete zunächst durch Auswählen und Gruppieren des ersten Paketes aus jeder der n Untersequenzen in Segmentreihenfolge und gleichermaßen Auswählen und Gruppieren des zweiten bis xten Paketes aus jeder der n Untersequenzen in Segmentreihenfolge.

27. Verfahren nach Anspruch 1, 5 oder 14, wobei der Schritt Überlappen ferner die Schritte umfaßt:

Zuweisen einer einzigartigen Segment-Identifikationsnummer an jede der n Untersequenzen; und

Einsetzen von Daten, die repräsentativ für die einzigartigen Segment-Identifikationsnummern sind, in den überlappten Datenstrom zur Identifizierung, zu welcher der n Untersequenzen jedes der Elemente gehört.

28. Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner die Schritte umfaßt:

Einsetzen von Daten, die repräsentativ für die einzigartigen Segment-Identifikationsnummern sind, in den abgerufenen überlappten Datenstrom zur Identifizierung, zu welcher der n Untersequenzen jedes der Elemente gehört.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die einzigartigen Segment-Identifikationsnummern die Sequenzreihenfolge der das Videoprogramm umfassenden Segmente angeben.

30. Verfahren nach Anspruch 29, welches ferner die Schritte umfaßt:

für jeden Abruf und jede Übertragung des überlappten Datenstroms, Einsetzen eines Kennzeichens zur Bezeichnung der einen von n Untersequenzen, die repräsentativ für das erste Segment des Videoprogramms ist; und

Rückwärtszählen der gegenwärtig zugewiesenen Segment- Identifikationsnummern für jede der n Untersequenzen nach Vollendung jedes Abrufs und jeder Übertragung des überlappten Datenstroms.

31. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner den Schritt wiederholtes Übertragen des überlappten Datenstroms über ein Videoprogramm-Verteilungsmedium für eine vorbestimmte Zeitspanne umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner den Schritt Speichern des überlappten Datenstroms auf einer Speichervorrichtung umfaßt.