DE69518226T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der bitzuordnung in einem videokompressionssystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der bitzuordnung in einem videokompressionssystem

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Videokompression und insbesondere auf die Bestimmung der Bitzuordnung in einem Videokompressionssystem.
  • Videosysteme beinhalten bekanntermaßen mehrere Kommunikationsvorrichtungen und Übertragungskanäle, die die Kommunikationsmedien für die Kommunikationsvorrichtungen bereitstellen. Ein Übertragungskanal kann zum Beispiel eine Leitungsverbindung oder ein Funkübertragungsmedium sein. Um die Effizienz des Videosystems zu verbessern, wird das Video, welches über ein Übertragungsmedium übermittelt werden soll, digital komprimiert. Die digitale Kompression reduziert die Anzahl der Bits, die zur Darstellung des Videos benötigt wird, während sie gleichzeitig die wahrgenommene Qualität des Videos aufrechterhält. Die Reduktion der Bits ermöglicht einen effizienteren Gebrauch der Kanalbandbreiten und vermindert die Anforderungen an Speicherplatz. Für eine digitale Videokompression kann jede Kommunikationsvorrichtung einen Codierer und einen Decoder beinhalten. Der Codierer ermöglicht es der Kommunikationsvorrichtung, das Video vor der Übertragung über einen Übertragungskanal zu komprimieren. Der Decoder ermöglicht es der Kommunikationsvorrichtung, ein komprimiertes Video über einen Übertragungskanal zu empfangen und es sichtbar zu machen. Kommunikationsvorrichtungen für die digitale Videokompression sind Sender und Empfänger von hochauflösendem Fernsehen, Sender und Empfänger von Kabelfernsehen, Videotelephone, Computer und tragbare Radios.
  • Es sind einige Standards für digitale Videokompression entstanden, einschließlich etwa die International Telecommunications Union, ITU, -T Empfehlung H.261, der internationale Standard 11172-2, MPEG-1 der International Standards Organization/International Electrotechnical Committee, ISO/IEC, und der bevorstehende ISO/IEC 13818-2 Standard MPEG-2. Diese Standards bezeichnen die Anforderungen an einen Decoder, indem sie die Syntax eines Bitstroms spezifizieren, die der Decoder decodie ren muss. Dies gestattet einige Flexibilität bei der Gestaltung des Codierers, der Codierer muss jedoch in der Lage sein, einen Bitstrom zu erzeugen, der die spezifizierte Syntax und das Decodermodell einhält.
  • Zur Maximierung der Auslastung der verfügbaren Kanalbandbreite und der Qualität des Videos versucht der Codierer, die Anzahl der von ihm erzeugten Bits mit der verfügbaren Kanalbandbreite in Übereinstimmung zu bringen. Dies wird oft dadurch erreicht, dass eine Zielanzahl von Bits gewählt wird, die für die Darstellung eines Videorahmens oder Bildes benutzt werden soll. Diese Zielanzahl von Bits wird als Bitzuordnung bezeichnet. Eine weitere Erwägung für den Codierer bei der Erzeugung von Bits ist die Kapazität der Puffer im System. Nachdem im Allgemeinen die Bitraten des Codierers, des Decoders und des Kanals nicht konstant sind, werden an beiden Enden des Kanals Puffer vorgesehen, einer nach dem Codierer vor dem Kanal und einer am Ende des Kanals vor dem Decoder. Die Puffer absorbieren die Schwankungen in den Bitraten. Der Codierer muss oft sicherstellen, dass die Puffer am Codierer und Decoder nicht aufgrund des erzeugten Bitstroms überlaufen oder unterlaufen.
  • Im Allgemeinen, insbesondere aber auch im Falle der entstandenen Standards zur Videokompression, wird für das Codieren der Bilder mehr als ein Bildtyp benutzt. MPEG benutzt zum Beispiel intracodierte Bilder, vorhergesagte Bilder und bidirektional vorhergesagte Bilder. Intracodierte Bilder benutzen zum Codieren nur die Information, die im gegenwärtigen Bild selbst enthalten ist. Vorhergesagte Bilder benutzen das gegenwärtige Bild und den unmittelbar vorher codierten Rahmen als Referenz zum Codieren des gegenwärtigen Bildes. Durch die Benutzung eines unmittelbar vorher codierten Bildes als Referenz werden im Allgemeinen weniger Bits erzeugt, da nur die Unterschiede zwischen dem gegenwärtigen Bild und dem unmittelbar vorher codierten Bild codiert werden müssen. Ähnlich können bidirektional codierte Bilder früher und/oder unmittelbar vorher codierte Bilder zusätzlich zum gegenwärtigen Bild als Referenz benutzen, um das gegenwärtige Bild zu codieren. Die unterschiedlichen Bildtypen erzeugen inhärent eine unterschiedliche Anzahl von Bits. Da intracodierte Bilder kein Referenzbild zur Erzeugung des gegenwärtigen Bildes benutzen, benötigen sie inhärent mehr Bits als bidirektional codierte Bilder, und vorhergesagte Bilder erzeugen im Allgemeinen mehr Bits als bidirektional codierte Bilder, aber weniger Bits als intracodierte Bilder. Durch die verschiedenen Bildtypen kommt zu dem Problem, die Rate des Codierers mit der Kanalrate in Übereinstimmung zu bringen, eine Komplexitätsebene hinzu, da die verschiedenen Bilder inhärent mehr oder weniger Bits benötigen. Würde der Codierer nur einen Bildtyp benutzen, so könnte er die Bitzuordnung für jedes Bild auf einen Mittelwert erzwingen, der mit der Kanalrate übereinstimmt. Nachdem es verschiedene Bildtypen mit inhärent verschiedenen Bitraten gibt, würde durch das Erzwingen, dass jedes Bild mit einem einzigen Mittelwert übereinstimmt, die Qualität zerstören, da die intracodierten Bilder gezwungen würden, eine geringere Bitzuordnung zu haben, und die bidirektional codierten Bilder gezwungen würden, eine höhere Bitzuordnung zu haben.
  • Daher besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Bestimmen der Bitzuordnung für das Codieren mehrerer Bildtypen, so dass die mittlere Bitrate des Codierers mit der Kanalrate kompatibel ist und eine gute visuelle Qualität erreicht und aufrechterhalten wird. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind in den Ansprüchen 1 bzw. 6 definiert.
  • Fig. 1 ist ein Flussdiagramm mit den Verfahrensschritten zum Bestimmen der Bitzuordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Videokompressionssystems einschließlich einer Vorrichtung zum Bestimmen der Bitzuordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 3 ist ein Beispiel einer Sequenz von Videorahmen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung codiert werden können,
  • Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der zyklischen Videovariation, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann,
  • Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der bevorzugten parametrischen Ratenstörungsmodelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Auswirkung einer Szenenänderung in einer zyklischen Videovariation.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Zuordnen von Bits zu Videobildern in einem Videokompressionssystem. Dies wird auf der Basis eines Rahmens nach dem anderen erreicht. Eine Sequenz von Videorahmen oder Bildern wird empfangen. Die Anzahl von Bits wird bestimmt, die benutzt wurde, um einen unmittelbar vorher codierten Rahmen zu komprimieren, und Ratenstörungsmodellparameter werden aktualisiert. Wenn kein vorheriger Rahmen komprimiert worden war, wird ein passender Schätzwert benutzt. Dann wird eine erste Abweichung auf Grund wenigstens der Anzahl von Bits bestimmt, die zum Komprimieren eines vorher codierten Videorahmens benutzt wurden, sowie eine Anzahl von Bit-Parametern, die mit der Kanal-Bitrate zusammenhängt. Dann wird eine zweite Abweichung auf Grund der gewünschten Bildqualität bestimmt, sowie eine dritte Abweichung auf Grund eines Parameters, der aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Änderungen der Anzahl der Bits und Änderungen des Signalrauschverhältnisses abgeleitet wurde. Zuletzt wird auf Grund der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung die Bitzuordnung für den Rahmen bestimmt. Mit einem solchen Verfahren werden jedem Bild Bits zugeordnet, so dass die mittlere Bitrate des Codiererausgangs beibehalten wird und eine subjektiv gute visuelle Bildqualität am Codiererausgang ebenfalls erhalten bleibt.
  • Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen mit Bezug auf die Fig. 1-6 beschrieben. Fig. 1, Bezugsziffer 100, ist ein Flussdiagramm mit den Verfahrensschritten zum Bestimmen der Bitzuordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird eine Sequenz von Videobildern empfangen (102). Die Sequenz von Videobildern wird in einem Videokompressionssystem verarbeitet. Eine erste Anzahl von Bits, die zum Komprimieren eines unmittelbar vorher codierten Videorahmens benutzt wurde, und ein Signalrauschverhältnis für den unmittelbar vorher codierten Videorahmen werden bestimmt (104). Die Parameter mehrerer vorgegebener Ratenstörungsmodelle werden aktualisiert (106). Eine erste Abweichung wird auf Grund wenigstens der ersten Anzahl von Bits bestimmt, und einer Anzahl von Bit-Parametern, die auf einer Anzahl von Bits beruhen, die bei der Kompression einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen benutzt wurden (108). Eine zweite Abweichung wird aufgrund wenigstens des Signalrauschverhältnisses bestimmt, und aufgrund eines Signalrauschparameters, der sich aus dem Signalrauschverhältnis der Kompression der vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen ergibt (110). Eine dritte Abweichung wird auf Grund eines Parameters bestimmt, der aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Änderungen in der Anzahl der Bits und Änderungen des Signalrauschverhältnisses abgeleitet wurde (112). Die Bitzuordnung für das Komprimieren des vorliegenden Videorahmens wird bestimmt auf Grund der ersten Anzahl von Bits, der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung (114).
  • Jeder empfangene Videorahmen, d. h. jedes Bild, wird als ein Bildtyp klassifiziert. MPEG zum Beispiel benutzt intracodierte Bilder I, vorhergesagte Bilder P, und bidirektional vorhergesagte Bilder B. Der Bildtyp X repräsentiert eines von I, P oder B. Die Bitzuordnung RX zum Bildtyp X ist die Summe aus einer ersten Anzahl von Bits rX, und einer ersten, zweiten und dritten Abweichung. Eine nähere Beschreibung des Verfahrens wird weiter unten gegeben.
  • Fig. 2, Bezugsziffer 200, ist ein Blockdiagramm eines Videokompressionssystems einschließlich einer Vorrichtung zum Bestimmen der Bitzuordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Videokompressionssystem (202) besteht aus einer Parameteraktualisierungsvorrichtung (204), einem Videokompressor (206), einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208) und einer Bit- Zuordnungsbestimmungsvorrichtung (210).
  • Der Videokompressor (206) komprimiert eine Sequenz von Videorahmen (212) auf Grund einer Bitzuordnung (220) und erzeugt einen komprimierten Strom von Videodaten (222). Der Videokom pressor (206) bestimmt ebenfalls eine erste Anzahl von Bits (216), die zum Komprimieren eines unmittelbar vorher codierten Videorahmens benutzt wurden, und ein Signalrauschverhältnis für den unmittelbar vorher codierten Videorahmen (217). Die Sequenz von Videorahmen (212) ist eine Sequenz digitaler Videobilder. Die digitalen Bilder können wie im MPEG-1 Standard fortlaufend abgetastet werden. Sie können außerdem wie im MPEG-2 Standard im Halbbildverfahren oder fortlaufend abgetastet werden. Die Parameteraktualisierungsvorrichtung (204) erzeugt aktualisierte Parameter (214) von mehreren vorbestimmten Ratenstörungsmodellen auf Grund der ersten Anzahl von Bits (216) und des Signalrauschverhältnisses der unmittelbar vorher codierten Videorahmen (217). Die Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208) bestimmt eine erste, eine zweite und eine dritte Abweichung (218) auf Grund der aktualisierten Parameter (214). Die erste Abweichung beruht auf wenigstens der ersten Anzahl von Bits und einer Anzahl von Bit-Parametern, die auf einer Anzahl von Bits beruhen, die bei der Kompression einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen benutzt wurden. Die zweite Abweichung beruht wenigstens auf dem Signalrauschverhältnis und einem Signalrauschparameter, der auf dem Signalrauschverhältnis der Kompression der vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen beruht. Die dritte Abweichung beruht auf einem Parameter, der aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Änderungen in der Anzahl der Bits und Änderungen des Signalrauschverhältnisses abgeleitet wurde. Die Bit- Zuordnungsbestimmungsvorrichtung (210) erzeugt auf Grund der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung (218) die Bitzuordnung (220), die vom Videokompressor (206)benutzt wird. Eine ausführlichere Beschreibung wird weiter unten gegeben.
  • Fig. 3, Bezugsziffer 300, ist ein Beispiel einer Sequenz von Videorahmen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung codiert werden können. Die Bilder in einer Bildersequenz werden gemäß mehreren Bildtypen klassifiziert. Die Bilder in MPEG-1 sind zum Beispiel in I, B, P-Typen klassifiziert, wobei I intracodiert ist, B bidirektional codiert und P vorhergesagt ist. Das Videokompressionssystem (202) verarbeitet dann jedes Bild gemäß seinem Bildtyp. Das Videokompressionssystem (202) segmentiert und ordnet die Bildersequenz in eine Reihe von Bildgruppen (Group of Pictures, GOP) um (302). Jede GOP enthält daher eine Reihe von Bildern. Die GOP-Struktur kann für die ganze Bildsequenz fest sein, oder sie kann innerhalb der Bildsequenz dynamisch verändert werden. Eine feste GOP- Struktur kann durch die Anzahl von I-Bildern NI, die Anzahl von P- Bildern NP und die Anzahl von B-Bildern NB in einer GOP charakterisiert werden. Eine bevorzugte feste GOP-Struktur für MPEG-1 beinhaltet vor der Umordnung eine Reihe von 12 Bildern mit den aufeinanderfolgenden Bildtypen BBIBBPBBPBBP.
  • Fig. 3, Bezugsziffer 300, zeigt ebenfalls, dass die umgeordnete Videosequenz, die vom Kompressionssystem (202) komprimiert wurde, zu jedem Zeitpunkt ein vorliegendes Videobild (304) enthält, das zu diesem Zeitpunkt empfangen wurde, und eine Reihe von vorher codierten Videobildern (306), die vor diesem Zeitpunkt codiert wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform beruht die Anzahl von Bits, die zum Codieren des vorliegenden Videobildes (304) erforderlich sind, auf der von den vorher codierten Videobildern (306) gesammelten Statistik, wie etwa die Anzahl der Bits für das Komprimieren eines vorher codierten Videobildes und dem Signalrauschverhältnis der vorher codierten Bilder.
  • Fig. 4, Bezugsziffer 400, ist eine graphische Darstellung der zyklischen Videovariation gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die zyklische Videovariation wird bevorzugt in der vorliegenden Erfindung benutzt, um gute visuelle Qualität zu erreichen. Das Signalrauschverhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) (402) in dB ist als Funktion der zyklischen Videovariation (405) gezeigt, die auf der Position (404) dex Sequenz der Videorahmen (212) beruht. Das SNR der I-Bilder sI (406) und das SNR der P-Bilder sP (408)ist höher als das SNR der B-Bilder sB (410). Die zyklische Variation nutzt die inhärent unterschiedliche Anzahl der Bits aus, die von den verschiedenen Bildtypen erzeugt werden, und nutzt ebenfalls aus, dass das menschliche Auge nur die Spitzen der zyklischen Variation wahrnimmt. Der Betrag der zyklischen Variation wird von den relativen Beträgen ΔI (412), Δp (414) und ΔB (416) so gesteuert, dass sI (406), sP (408) und sB (410) dementsprechend von einer ge meinsamen Referenz-SNR (418) abweichen können. Der bevorzugte Wert für ΔI (412), ΔP (414) und ΔB (416) ist 0,5 dB.
  • Fig. 5, Bezugsziffer 500, ist eine graphische Darstellung der bevorzugten parametrischen Ratenstörungsmodelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung steuert das Ausmaß der Änderungen in der Bildqualität und maximiert insgesamt die Bildqualität einer Videosequenz, indem sie die Beziehung der Ratenstörung für jedes Bild mit parametrischen Modellen modelliert. Das Signalrauschverhältnis SNR (402) in dB ist als Funktion der Bits pro Rahmen (502) gezeigt. Das SNR (402) wird mit SX bezeichnet und die Bits pro Rahmen werden mit RX bezeichnet, wobei X eines von I, P und B ist. Die bevorzugten parametrischen Ratenstörungsmodelle (504), (506), (508) für die I-Bilder, P-Bilder bzw. B-Bilder sind dargestellt. Jedes bevorzugte parametrische Modell ist eine Gerade, die durch ihre Steigung und einen Punkt auf der Geraden identifiziert ist. Das parametrische Modell der I-Bilder (504) ist eine Gerade,
  • SI = λI(RI - rI) + sI
  • die durch ihre Steigung λI (510) und einen Punkt (sI, rI) (406,516) auf der Geraden identifiziert ist. Das parametrische Modell des P-Bildes (506) ist eine Gerade,
  • SP = λP(RP - rP) + SP
  • die durch ihre Steigung λP (512) und einen Punkt (sP, rP) (408,518) auf der Geraden identifiziert ist. Das parametrische Modell des B-Bildes (508) ist eine Gerade,
  • SB = λB(RB - rB) + sB
  • die durch ihre Steigung λB (514) und einen Punkt (sB, rB) (410,520) auf der Geraden identifiziert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Steigungen der parametrischen Modelle a priori bestimmt, und die Punkte werden adaptiv auf Grund der Statistik der vorher codierten Videobilder (306) be stimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Punkt (sP, rP) zu (sp, rp) geschätzt, dem SNR und Bild-Bitzählwert, gemessen von dem nächstgelegenen vorher codierten P-Bild. Ähnlich wird der Punkt (sB, rB) zu (sb, rb) geschätzt, dem SNR und Bild- Bitzählwert, gemessen vom nächstgelegenen vorher codierten 8- Bild. Ähnlich wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Punkt (sI, rI) vom nächstgelegenen vorher codierten I-Bild bestimmt.
  • Fig. 6, Bezugsziffer 600, ist eine graphische Darstellung der Auswirkung einer Szenenänderung auf eine zyklische Videovariation. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Punkt (sI, rI) (406,516) angepasst, um die Auswirkung einer Szenenänderung oder eines Szenenschnitts zu kompensieren. Fig. 6, Bezugsziffer 600, zeigt die Funktion der zyklischen Videovariation (405), die ein Maß für das SNR (402) ist, als Funktion der Bildposition (404). Eine Szenenänderung/-schnitt (602) tritt an der Bildposition Nummer 4 auf. Das mittlere SNR (418) ist gezeigt. Nach der Szenenänderung/-schnitt ist das SNR um sd dB auf ein neues mittleres SNR verändert.
  • Mit der Erläuterung der zyklischen Videovariation (400), der parametrischen Ratenstörungsmodelle (500) und der Auswirkung von Szenenänderungen (600) können das Verfahren (100) und die Vorrichtung (200) zum Bestimmen der Bitzuordnung weiter beschrieben werden. Die Parameter rI, rP, rB (516, 518, 520) und sI, sP, sB (406,408,410) der parametrischen Modelle (500) werden gemäß den folgenden Gleichungen aktualisiert:
  • rI = ri
  • rP = rp
  • rs = rs
  • sI = si - (sp-1 - sp)
  • Sp = Sp
  • sB = Sb
  • wobei rI, rp, rB und sI, sP, sB die Anzahl von Bits und das SNR sind, gemessen von den nächstgelegenen vorher codierten Bildern, und sp-1 das SNR ist, gemessen von dem vorher codierten P- Bild unmittelbar vor dem vorher codierten I-Bild. Wenn Szenenänderungen und Szenenschnitte auftreten, werden die Signalrauschverhältnisse kompensiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Korrekturwert sd in dB abgeschätzt zu:
  • sd = sp-1 - sp
  • wobei sP-1 das gemessene SNR des vorher codierten P-Bild ist, das unmittelbar vor dem vorher codierten I-Bild liegt. Um die Änderung des SNR sd zu kompensieren, wird der Punkt (sI, rI) (406,516) für das parametrische Modell des I-Bildes (509) bestimmt durch:
  • sI = si - sd
  • und
  • rI = ri'
  • wobei (sI, rI) das SNR und der Bitzählwert sind, gemessen vom nächstgelegenen vorher codierten I-Bild.
  • Die vorliegende Erfindung ordnet dem vorliegenden Videobild (304) Bits zu, indem sie eine gewichtete erwartete mittlere Störung über eine Bildgruppe (group of pictures, GOP) (302) minimiert und indem sie die erwartete mittlere Anzahl von Bits pro GOP auf einer gegebenen Konstanten hält. Das Maß für die bevorzugte gewichtete erwartete mittlere Störung ist
  • wobei die mittlere Störung DX pro Pixel mit seinem SNR SX in dB zusammenhängt durch:
  • SX = 20log&sub1;&sub0;(255/DX)
  • und die Wichtung ΔX mit der relativen Größe der zyklischen Störung ΔX in dB zusammenhängt durch:
  • SX = 20log&sub1;&sub0;(255/δX).
  • Die angestrebte mittlere Anzahl von Bits per GOP ist:
  • NIRI + NPRP + NBRB = R
  • wobei SX und RX durch die parametrischen Modelle zusammenhängen. Als Ergebnis ist die optimale Bitzuordnung für das gegenwärtige Bild die Summe aus der ersten Anzahl von Bits, der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung. Die Bitzuordnung ist:
  • RX = rx + deν&sub1; + deν&sub2; + deν&sub3;'
  • wobei X der gegenwärtige Bildtyp ist.
  • Die erste Abweichung ergibt sich aus der Differenz der angestrebten mittleren Anzahl von Bits R und der aktualisierten mittleren Anzahl von Bits pro GOP NIrI + NPrP + NBrB = R. Die Abweichung ist:
  • Wenn λI = λP = λB ist, wird die Abweichung:
  • Die erste Abweichung erhöht die Anzahl der Bits, die dem gegenwärtigen Bild zugeordnet werden, wenn die erwartete mitt lere Anzahl von Bits pro GOP kleiner ist als die angestrebte mittlere Anzahl von Bits pro GOP.
  • Die zweite Abweichung ergibt sich aus der Differenz des normalisierten SNR Sx - Δx und einem geschätzten normalisierten Referenz-SNR. Die Abweichung ist:
  • Wenn λI = λP = λB = λ ist, wird die Abweichung:
  • Die Abweichung vermindert die Zahl der Bits, die dem gegenwärtigen Bild zugeordnet werden, wenn das normalisierte SNR größer als das normalisierte Referenz-SNR ist. Die zweite Abweichung schafft ein zyklische Videovariation.
  • Die dritte Abweichung ergibt sich aus den verschiedenen Steigungen der parametrischen Modelle.
  • wobei λX mit X {I,P,B} mit ΛX zusammenhängt durch:
  • ΛX = 20log&sub1;&sub0;(255/λX).
  • Wenn λI = λP = λB = λ ist, so dass ΛI = ΛP = ΛB = Λ ist, wird die Abweichung Null. Die Abweichung ist ein Versatz um die Differenzen in den Steigungen der parametrischen Modelle zu kom pensieren. Wenn die Steigungen für alle Bildtypen gleich sind, verschwindet die Abweichung.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren für die Zuordnung von Bits zu Videorahmen in einem Videokompressionssystem. Die vorliegende Erfindung kann sich schneller an eine sich ändernde Statistik einer Videosequenz, wie etwa einen Szenenschnitt, anpassen. Sie kann ebenfalls die Größe der Änderungen des SNR steuern und so eine subjektiv gute visuelle Bildqualität schaffen, das Gesamt-SNR maximieren und so die durchschnittliche Bildqualität verbessern und Bits zuordnen, um die mittlere Bitrate aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung ergibt eine bessere Bildqualität als TM5 und SM3. Sowohl TM5 als auch SM3 passen sich langsam an die sich ändernde Statistik der Videosequenzen an. Sie haben auch keine direkten Möglichkeiten, die Größe der Änderungen der SNR zu steuern und so die mittlere Bildqualität zu verbessern.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen einer Bitzuordnung bei einem vorliegenden Videorahmen einer Sequenz von Videorahmen in einem Videokompressionssystem, das die Schritte umfasst:
1A) Bestimmen einer ersten Anzahl von Bits für die Verwendung zum Komprimieren eines unmittelbar vorher codierten Videorahmens und eines Signalrauschverhältnisses für den unmittelbar vorher codierten Videorahmen durch einen Videokompressor (206) bei Empfang der Sequenz von Videorahmen,
1B) Aktualisieren mehrerer vorgegebener Ratenstörungsmodellparameter durch eine Parameteraktualisierungsvorrichtung (204),
1C) Bestimmen einer ersten Abweichung in Abhängigkeit wenigstens der ersten Anzahl von Bits und einer Anzahl von Bit- Parametern, die auf einer Anzahl von Bits für die Verwendung bei einer Kompression einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen beruhen, durch eine Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208),
1D) Bestimmen einer zweiten Abweichung in Abhängigkeit von wenigstens dem Signalrauschverhältnis und einem Signalrauschparameter, der auf dem Signalrauschverhältnis aus der Kompression der vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen beruht, durch die Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208),
1E) Bestimmen einer dritten Abweichung in Abhängigkeit von einem Parameter, der aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Änderungen der Anzahl der Bits und Änderungen des Signalrauschverhältnisses abgeleitet wurde, durch die Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208),
1F) Bestimmen einer Bit-Zuordnung für das Komprimieren des vorliegenden Videorahmens in Abhängigkeit von der ersten Anzahl von Bits, der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung durch eine Bit- Zuordnungsbestimmungsvorrichtung (210).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt 1B), Aktualisieren der mehreren vorgegebenen Ratenstörungsmodellparameter, ein Kompensieren des Signalrauschverhältnisses bei Szenenänderungen und Szenenschnitten beinhaltet und bei dem bei Aus wahl bei dem Kompensieren des Signalrauschverhältnisses bei Szenenänderungen und Szenenschnitten ein Korrekturwert verwendet wird, der sich aus einer Änderung des Signalrauschverhältnisses über eine vorgegebene Anzahl von Videorahmen ergibt, und bei dem bei zusätzlicher Auswahl der Korrekturwert bestimmt wird durch eine Gleichung der Form:
sd = sx-1 - sx,
wobei sd der Korrekturwert in dB ist, sx-1 ein Signalrauschverhältnis eines vorher codierten Videorahmens ist und sx ein Signalrauschverhältnis eines vorliegenden Videorahmens ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Abweichung ein Produkt aus einem vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktor und einer Differenz zwischen einer angestrebten mittleren Anzahl von Bits und einer aktualisierten mittleren Anzahl von Bits ist und bei dem bei Auswahl wenigstens eines der Merkmale 3A und 3B gilt:
3A) die erste Abweichung wird bestimmt mit einer Gleichung der Form:
wobei R die angestrebte mittlere Anzahl von Bits ist, NX eine Anzahl von Bildern des Typs X ist, rX eine Anzahl von Bits eines Bildes des Typs X ist und λx eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildes des Typs X ist, und bei zusätzlicher Auswahl wird die angestrebte mittlere Anzahl von Bits in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schema für mehrere Bildtypen angepasst, und
3B) die aktualisierte mittlere Anzahl von Bits wird in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schema für mehrere Bildtypen unter Verwendung der Bit-Zuordnung von einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen bestimmt.
4 Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Abweichung ein Produkt eines vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktors und einer Störungsdifferenz zum Bereitstellen einer zyklischen Videovariation ist und bei dem bei Auswahl wenigstens eines der Merkmale 4A und 4B gilt:
4A) die zweite Abweichung wird bestimmt mit einer Gleichung der Form:
wobei λx eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildtyps X ist, NX eine Anzahl von Bildern vom Typ X ist, SX ein Signalrauschverhältnis für den Bildtyp X in dB ist und ΔX eine zyklische Störung in dB für den Bildtyp X ist, und
4B) die Störungsdifferenz ist eine Differenz zwischen einem normalisierten Signalrauschverhältnis eines vorher codierten Videorahmens in einer vorgegebenen Anzahl von Videorahmen und einem gewichteten, abgeschätzten mittleren normalisierten Signalrauschverhältnis für die vorgegebene Anzahl von Videorahmen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine dritte Abweichung ein Produkt eines vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktors und einer Konversionsfaktorparameterdifferenz ist und bei dem bei Auswahl wenigstens eines der Merkmale 5A und 5B gilt:
5A) die dritte Abweichung wird bestimmt mit einer Gleichung der Form:
ΛX = 20log&sub1;&sub0;(255/λX),
wobei λx eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildtyps X ist und NX eine Anzahl von Bildern vom Typ X sind, und 5B) die Konversionsparameterdifferenz ist eine Differenz zwischen einem log-Wert für einen vorgegebenen Bit- Signalrauschverhältniskonversionsfaktor und einen gewichteten Mittelwert eines log-Werts vorgegebener Konversionsfaktoren für eine vorgegebene Anzahl von Videorahmen.
6. Vorrichtung zum Bestimmen einer Bitzuordnung bei einem vorliegenden Videorahmen einer Sequenz von Videorahmen in einem Videokompressionssystem, das umfasst:
6A) einen Videokompressor (206) zum Bestimmen einer ersten Anzahl von Bits bei Empfang der Sequenz von Videorahmen, wobei die erste Anzahl von Bits zum Komprimieren eines unmittelbar vorher codierten Videorahmens und ein Signalrauschverhältnis für den unmittelbar vorher codierten Videorahmen verwendet wird,
6B) eine Parameteraktualisierungsvorrichtung (204), die funktionell mit der Videokompressionsvorrichtung verbunden ist, zum Empfangen der ersten Anzahl von Bits und zum Aktualisieren mehrerer vorgegebener Ratenstörungsmodellparameter,
6C) eine Abweichungsbestimmungsvorrichtung (208), die funktionell mit der Parameteraktualisierungsvorrichtung verbunden ist zum:
6C1) Bestimmen einer ersten Abweichung in Abhängigkeit von wenigstens der ersten Anzahl von Bits und einer Anzahl von Bit- Parametern, die auf einer Anzahl von Bits für die Verwendung bei einer Kompression einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen beruhen,
6C2) Bestimmen einer zweiten Abweichung in Abhängigkeit von wenigstens dem Signalrauschverhältnis und einem Signalrauschparameter, der auf dem Signalrauschverhältnis aus der Kompression der vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen beruht,
6C3) Bestimmen einer dritten Abweichung in Abhängigkeit von einem Parameter, der aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Änderungen der Anzahl der Bits und Änderungen des Signalrauschverhältnisses abgeleitet wurde,
6D) eine Bit-Zuordnungsbestimmungsvorrichtung (210), die funktionell mit der Abweichungsbestimmungsvorrichtung und der Videokompressionsvorrichtung verbunden ist, zum Bestimmen einer Bit-Zuordnung für das Komprimieren des vorliegenden Videorah mens in Abhängigkeit von der ersten Anzahl von Bits, der ersten Abweichung, der zweiten Abweichung und der dritten Abweichung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Parameteraktualisierungsvorrichtung zum Aktualisieren der mehreren vorgegebenen Ratenstörungsmodellparameter ein Kompensieren des Signalrauschverhältnisses bei Szenenänderungen und Szenenschnitten beinhaltet und bei der bei Auswahl bei dem Kompensieren des Signalrauschverhältnisses bei Szenenänderungen und Szenenschnitten ein Korrekturwert verwendet wird, der sich aus einer Änderung des Signalrauschverhältnisses über eine vorgegebene Anzahl von Videorahmen ergibt, und bei der bei zusätzlicher Auswahl der Korrekturwert bestimmt wird durch eine Gleichung der Form:
sd = sχ-1 - sχ,
wobei sd der Korrekturwert in dB ist, sx-1 ein Signalrauschverhältnis eines vorher codierten Videorahmens ist und sx ein Signalrauschverhältnis eines vorliegenden Videorahmens ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste Abweichung ein Produkt aus einem vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktor und einer Differenz zwischen einer angestrebten mittleren Anzahl von Bits und einer aktualisierten mittleren Anzahl von Bits ist und bei der bei Auswahl die erste Abweichung bestimmt wird mit einer Gleichung der Form:
wobei R die angestrebte mittlere Anzahl von Bits ist, NX eine Anzahl von Bildern des Typs X ist, rX eine Anzahl von Bits eines Bildes des Typs X ist und λX eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildes des Typs X ist, und bei der bei zusätzlicher Auswahl wenigstens eines der Merkmale 8A und 8B gilt:
8A) die angestrebte mittlere Anzahl von Bits wird in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schema für mehrere Bildtypen angepasst, und
8B) die aktualisierte mittlere Anzahl von Bits wird in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schema für mehrere Bildtypen unter Verwendung der Bit-Zuordnung von einer vorgewählten Anzahl von vorher codierten Videorahmen bestimmt.
9 Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die zweite Abweichung ein Produkt eines vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktors und einer Störungsdifferenz zum Bereitstellen einer zyklischen Videovariation ist und bei der bei Auswahl wenigstens eines der Merkmale 9A und 9B gilt:
9A) die zweite Abweichung wird bestimmt mit einer Gleichung der Form:
wobei λX eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildtyps X ist, NX eine Anzahl von Bildern vom Typ X ist, SX ein Signalrauschverhältnis für den Bildtyp X in dB ist und ΔX eine zyklische Störung in dB für den Bildtyp X ist, und
9B) die Störungsdifferenz ist eine Differenz zwischen einem normalisierten Signalrauschverhältnis eines vorher codierten Videorahmens in einer vorgegebenen Anzahl von Videorahmen und einem gewichteten, abgeschätzten mittleren normalisierten Signalrauschverhältnis für die vorgegebene Anzahl von Videorahmen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der eine dritte Abweichung ein Produkt eines vorgegebenen Signalrauschverhältniskonversionsfaktors und einer Konversionsfaktorparameterdifferenz ist und bei der bei Auswahl wenigstens eines der Merkmale 10A und 10B gilt:
10A) die dritte Abweichung wird bestimmt mit einer Gleichung der Form:
ΛX = 20log&sub1;&sub0;(255/λX).
wobei λX eine Steigung eines parametrischen Modells eines Bildtyps X ist und NX eine Anzahl von Bildern vom Typ X ist, und
10B) die Konversionsparameterdifferenz ist eine Differenz zwischen einem log-Wert für einen vorgegebenen Bit- Signalrauschverhältniskonversionsfaktor und einen gewichteten Mittelwert eines log-Werts vorgegebener Konversionsfaktoren für eine vorgegebene Anzahl von Videorahmen.
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