DE69735756T2 - Dynamische steuerung der kodierrate in einem blockbasierten videokodierungssystem - Google Patents

Dynamische steuerung der kodierrate in einem blockbasierten videokodierungssystem Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine blockbasierte Videocodiertechnik und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für das dynamische Steuern der Codierrate eines blockbasierten Videocodiersystems.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND DER BESCHREIBUNG
  • Blockbasierte Videocodiersysteme benutzen typischerweise eine Codiertechnik, die die Vorteile von sowohl der räumlichen als auch der zeitlichen Redundanz innerhalb eines Bildes (Intra-Bild) und zwischen Bildern (Inter-Bild) innerhalb einer Sequenz von Bildern ausnutzt. Solche blockbasierten Bildcodiersysteme beinhalten diejenigen, die den bekannten Moving Pictures Experts Group (MPEG) Standard der Videocodierung, nämlich die Internationale Normen ISO/EC 11172-2 (1994) (im allgemeinen als MPEG-1 bezeichnet) und 13818-2 (20. Januar 1995 Entwurf) (im allgemeinen als MPEG-2 bezeichnet) verwenden. Um die Redundanzen in einer Eingangssequenz auszunutzen und eine Videosequenz in einen übertragbaren Bitstrom effizient zu codieren, nehmen blockbasierte Codiertechniken an, daß die sequentiellen Bilder innerhalb einer Videoeingangssequenz im wesentlichen ähnliche Information enthalten, d.h. die abgebildete Szene verändert sich sehr wenig von Bild zu Bild. Ein Szeneschnitt, der in der Bildsequenz auftritt, verletzt die zugrundeliegende Annahme für die effiziente Codierung. Folglich muß eine blockcodierte Technik nach einer Szenenänderung (Szenenschnitt) eine wesentliche Anzahl von Bits verwenden, um das erste Bild zu codieren, das der Szenenveränderung folgt. Da die Anzahl von Bits, die verfügbar sind, um irgendein Bild zu codieren, typischerweise begrenzt ist, kann ein Szeneschnitt erhebliche Fehler in der Codierung verursachen und zu einer substantiellen Störung des decodierten Bildes führen.
  • In blockbasierten Videocodiersystemen gibt es im allgemeinen Geschwindigkeits- bzw. Ratensteueralgorithmus oder -prozeß, der verschiedene Aspekte des Codierprozesses steuert. Die Hauptaufgabe des Ratensteuerprozesses ist es, eine konstante Ausgangsbitrate in den Übertragungskanal beizubehalten. Die konstante Bitrate muß beibehalten werden, auch wenn die Codierrate signifikant variieren kann abhängig von dem Inhalt jedes Bildes und der Abfolge bzw. Sequenz von Bildern.
  • Ein anderer wichtiger Aspekt eines Ratensteuerprozesses ist es, sicherzustellen, daß der Bitstrom, der von dem Codierer erzeugt wurde, nicht einen Überlauf oder Unterlauf des Eingangspuffers des Decoders verursacht. Die Überlauf- und Unterlaufsteuerung wird verwirklicht durch Beibehalten und Überwachen eines virtuellen Puffers innerhalb des Codierers. Dieser virtuelle Puffer ist als der Videopufferverifizierer (VBV) bekannt. Um die korrekte Decodereingangspufferbitsteuerung sicherzustellen, errichtet der Ratensteuerprozeß des Codierers für jedes Bild und ebenso für jeden Makroblock aus Pixeln, den jedes Bild aufweist, ein Bitkontingent (ebenso hier als Bitbudget bezeichnet). Durch Codieren der Blöcke und des Gesamtbildes unter Verwendung der jeweiligen Anzahl von Bits, die innerhalb der entsprechenden Bitbudgets sind, kommt es zu keinem Überlauf oder Unterlauf des VBV. Da der VBV die Funktion des Eingangspuffers des Decoders spiegelt, wird, wenn der VBV keinen Überlauf oder Unterlauf zeigt, der Eingangspuffer des Decoders dies ebenfalls nicht tun.
  • Um solche eine Puffersteuerung zu verwirklichen, macht der Ratencontroller die Standardannahme in der Videocodierung, daß das gegenwärtige Bild eine gewisse Ähnlichkeit zu dem vorherigen Bild aufweist. Wenn diese Annahme zutrifft, werden die Pixelblöcke in dem Bild bewegungskompensiert durch die Codiertechnik, und erfordern, sobald sie kompensiert sind, sehr wenige Bits, um codiert zu werden. Dieses Verfahren arbeitet gut solange die tatsächliche Anzahl von Bits, die benötigt wird, um das Bild zu codieren, nahe der Zielanzahl von Bits ist, die dem Bild zugewiesen sind, d.h., daß die Anzahl von tatsächlich verwendeten Bits in dem Bitkontingent für dieses Bild liegt.
  • Diese Annahme ist jedoch falsch, wenn ein Szenenschnitt auftritt oder es einen wesentlichen Unterschied zwischen dem vorherigen Bild und dem gegenwärtigen Bild gibt. Da die Bewegungskompensation wenig Nutzen bringt, wenn zwei aufeinanderfolgende Bilder sich wesentlich unterscheiden, werden die Blöcke codiert unter Verwendung eines Codiertechnikzwischenmodus, der eine viel größere Anzahl von Bits erfordert, um irgendein Bild oder einen Block von Pixeln zu codieren. In solchen Situationen wird das Bitbudget für das Bild im allgemeinen überschritten. Folglich ist die Bildqualität für die nächsten paar Bilder wesentlich beeinträchtigt und es gibt eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der VBV nahe an einen Unterlaufzustand kommen kann. Wenn der VBV dabei ist, einen Unterlauf zu zeigen, und es keine weiteren zugewiesenen Bits gibt, um dem Ratencontroller zu erlauben, die letzten paar Blöcke, die in dem zu codierenden Bild verbleiben, zu codieren, wird folglich gesagt, daß das blockbasierte Videocodiersystem einen „Panik"-Zustand erreicht hat. Um einen Panik-Zustand zu vermeiden, verwendet der Stand der Technik im allgemeinen ein sehr großes Puffersystem. Solch ein Puffer ist teuer und verkompliziert das gesamte blockbasierte Videocodiersystem.
  • Es besteht daher im Stand der Technik die Notwendigkeit nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, die dynamisch den Codierprozeß steuert, so daß das Auftreten von Szeneschnitten oder anderen wesentlichen Szenenveränderungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern keinen Panikzustand oder auf andere Art einen Unterlauf oder Überlauf des VBV erzeugt.
  • Nam J. Y. et al. "An adaptive rate control scheme with scene changed detection", Signal Processing of HDTV, VI, Proceedings of the International Workshop on HDTV, 1994, Proceedings of the International Workshop on Signal Processing of HDTV, VI, Turin, 26. bis 28. Oktober 1994, Seiten 99 bis 107 beschreiben ein blockbasiertes Codiersystem für das Erfassen einer Szenenveränderung, d.h. einem großen Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Bildern in einer Reihe von Bildern und das Erhöhen der Anzahl von verfügbaren Bits für das Codieren des Bildes nach der Szenenveränderung. Das System verwendet das Konzept einer „Unter-GOP", die zwei bis drei Einzelbilder einer GOP ist. Das System schaut auf die gegenwärtige, die vorherige und die nächste Unter-GOP und abhängig davon, welche der Unter-GOPs die Szenenveränderung enthält und auf den Positionen der P-Bilder in den verschiedenen Unter-GOPs werden die Bitzuweisungen für die gegenwärtige und die nächste Unter-GOP berechnet.
  • Wenn das letzte Einzelbild der gegenwärtigen Unter-GOP ein P-Einzelbild ist, dann wird die Bitzuweisung für das P-Einzelbild des gegenwärtigen Sub-GOP erhöht, jedoch wird die Bitzuweisung für ein B-Einzelbild der gegenwärtigen Unter- bzw. Sub-GOP nicht verändert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird in einem blockbasierten Videocodiersystem ein Verfahren bereitgestellt für das Durchführen der dynamischen Ratensteuerung in Antwort auf eine Szenenveränderung zwischen einem ersten Bild und einem zweiten Bild, wobei das erste Bild und das zweite Bild zwei aufeinanderfolgende Bilder in einer Abfolge von Bildern sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    Erfassen einer substantiellen Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild, die eine Szenenveränderung anzeigt,
    Berechnen eines Bitzuweisungserhöhungs- bzw. -vergrößerungswertes,
    Vergrößern der nominellen Bitzuweisung, die mit dem ersten Referenzbild verknüpft ist, das auf das Auftreten der Szenenveränderung folgt, um den Bitzuweisungserhöhungswert, um eine erhöhte Bitzuweisung zu erzeugen,
    Bestimmen einer Quantisierungsskala für das Codieren des ersten Referenzbildes innerhalb der erhöhten Bitzuweisung.
  • Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird in einem blockbasierten Videocodiersystem eine Vorrichtung für das Durchführen der dynamischen Ratensteuerung in Antwort auf einen deutlichen Unterschied zwischen einem ersten Bild und einem zweiten Bild bereitgestellt, wobei das erste Bild und das zweite Bild zwei aufeinanderfolgende Bilder in einer Sequenz von Bildern sind, wobei die Vorrichtung aufweist:
    eine Einrichtung, die einen wesentlichen Unterschied zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild als Anzeige einer Szenenveränderung erfaßt,
    eine Einrichtung für das Berechnen eines Bitzuweisungserhöhungswertes,
    eine Einrichtung, die mit der Berechnungseinrichtung verbunden ist, für das Vergrößern der nominellen Bitzuweisung, die mit dem ersten Referenzbild verknüpft ist, das dem Auftreten der Szenenveränderung folgt, und zwar um den Bitzuweisungserhöhungswert, um eine vergrößerte Bitzuweisung zu erzeugen,
    eine Einrichtung, die mit der Erhöhungseinrichtung verbunden ist, für das Bestimmen einer Quantisierungsskala für das Codieren des ersten Referenzbildes innerhalb der erhöhten Bitzuweisung,
    eine Einrichtung für das Anwenden einer Ratensteuerung und das Zuweisen von Bits zu dem ersten Referenzbild in Übereinstimmung mit der erhöhten Bitzuweisung, während eine entsprechende Reduktion zu B-Bildern zugewiesen wird, die mit dem ersten Referenzbild verknüpft sind, wobei jedoch die Zuweisung von Bits zu irgendeinem Referenzbild, das der Szenenveränderung vorhergeht, nicht verändert wird.
  • Vorzugsweise ist das erste Referenzbild, das der Szenenänderung folgt, ein P-Bild.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen dynamischen Ratencontroller für ein blockbasiertes Videocodiersystem zur Verfügung. Der Ratencontroller reagiert auf einen Szeneschnittanzeiger, der von einem Szeneschnitterfasser erzeugt wurde. Sobald eine Szeneschnittanzeige erfaßt wird, stellt der Ratencontroller das Bitbudget für das Referenzeinzelbild, das dem Szeneschnitt folgt, ein, bevor die Codierung auf diesem Einzelbild beginnt. Zusätzlich errichtet der Ratencontroller ein optimales Bitverwendungsprofil, das mit der tatsächlichen Bitverwendung verglichen wird, so daß die Bitzuweisung optimiert werden kann, während die Codierung fortschreitet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Lehren der vorliegenden Erfindung können leicht verstanden werden durch Betrachten der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines blockbasierten Codiersystems darstellt, das den dynamischen Ratencontroller der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung verwendet, und
  • 2 stellt den Effekt von Szeneschnitten auf einer MPEG-Gruppe von Bildern (GOP) dar,
  • 3 stellt die korrekte Ausrichtung der 3A und 3B dar, und
  • 3A und 3B stellen zusammen ein detailliertes Flußdiagramm dar, das den Betrieb des dynamischen Ratencontrollers der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • Um das Verständnis zu erleichtern, wurden identische Bezugszahlen verwendet, wo dies möglich war, um identische Elemente, die in den Figuren gleich sind, zu bezeichnen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 stellt ein Blockdiagramm eines blockbasierten Codiersystems 100 (genauer gesagt ein MPEG-Codierer) dar, das die vorliegende Ausführungsform der Erfindung beinhaltet. Das Eingangssignal für das System an Anschluß 102 soll ein vorverarbeitetes Bild sein, daß in eine Mehrzahl von Blöcken aufgeteilt wurde, wobei die Blöcke sequentiell als eine Eingabe in das System bereitgestellt werden. Nach der MPEG-Norm sind diese Pixelblöcke allgemein bekannt als Makroblöcke, z. B. ein 16 × 16 Pixelblock. Die folgende Beschreibung verwendet die MPEG-Normterminologie. Es versteht sich jedoch, daß der Begriff Makroblock dafür vorgesehen ist, einen Block aus Pixeln irgendeiner Größe zu beschreiben, der als Basis für die Bewegungskompensation verwendet wird.
  • Das System berechnet aus dem Systemausgangssignal eine Reihe von vorhergesagten Markroblöcken (P). Jeder vorhergesagte Makroblock wird anschaulich erzeugt durch Decodieren des Ausgabesignals am Anschluß 104, genau wie der Empfänger des übertragenen Ausgangssignals das empfangene Signal decodieren würde. Der Subtrahierer 106 erzeugt auf dem Pfad 107 ein Restsignal (ebenso im Stand der Technik einfach als Rest oder Restmakroblock bezeichnet) durch Subtrahieren des vorhergesagten Makroblockes von dem Eingangsmakroblock. Falls der vorhergesagte Makroblock im wesentlichen gleich dem Eingabemakroblock ist, sind die Reste relativ klein und werden unter Verwendung von sehr wenigen Bits leicht codiert. In solch einem Szenario wird gesagt, daß der Eingangsmakroblock bewegungskompensiert ist. Falls jedoch die Differenz zwischen dem vorhergesagten Makroblock und dem Eingabemakroblock erheblich ist, sind die Reste schwierig zu codieren. Folglich ist das System besser dran, wenn es den Eingangsmakroblock direkt codiert anstatt den bewegungskompensierten Restmakroblock zu codieren. Diese Auswahl ist bekannt als eine Auswahl des Codiermodus. Das Codieren des Eingangsmakroblockes (I) wird als Intracodierung bezeichnet, während das Codieren der Reste als Intercodierung bezeichnet wird. Die Auswahl zwischen diesen beiden Modi ist als die Intra-Inter-Entscheidung (IID) bekannt.
  • Die IID wird von dem IID-Schaltkreis 110 durchgeführt, der den Codiermodusschalter 108 einstellt. Die IID wird berechnet durch zunächst berechnen der Varianz des Restmakroblockes (Var R) und der Varianz des Eingangsmakroblockes (Var I). Die Codierentscheidung wird auf diesen Werten begründet. Es gibt verschiedene Funktionen, die verwendet werden können, um diese Entscheidung zu treffen. Beispielsweise wählt, unter Verwendung der einfachsten Funktion, falls Var R kleiner als Var I ist, die IID den Inter-Modus. Umgekehrt, falls Var I geringer als Var R ist, wählt die IID den Intramodus.
  • Der ausgewählte Block wird in einem diskreten Cosinustransformations-(DCT-)Block 112 verarbeitet. Die DCT erzeugt Koeffizienten, die das Eingangssignal an dem DCT repräsentieren. Der Quantisierer 114 quantisiert die Koeffizienten, um den Ausgangsblock am Anschluß 104 zu erzeugen. Der dynamische Ratencontroller 116 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung steuert die Quantisierungsskala (Schrittgröße), die verwendet wird, um die Koeffizienten zu quantisieren. Optional steuert der Ratencontroller ebenso die Anzahl von DCT-Koeffizienten, die von dem System codiert werden. Die Details des Ratensteuerblocks werden in Bezug auf 3 unten erörtert.
  • Um korrekt vorhergesagte Blöcke zu erzeugen und die effiziente Halb-pel-Bewegungsvektorerzeugung zu verwirklichen, benötigt der Codierer Zugriff auf die decodierten Bilder. Um solch einen Zugriff zu verwirklichen, wird der Ausgang des Quantisierers 114 über sowohl den inversen Quantisierer 118 als auch die inverse DCT 120 geleitet. Der Ausgang der inversen DCT ist idealerweise identisch zu dem Eingang des DCT 112. In dem Intermodus wird der decodierte Makroblock produziert durch Summieren des Ausgangs des inversen DCT und des vorhergesagten Markoblocks. Während des Intramodus ist der decodierte Makroblock einfach der Ausgang des inversen DCT. Die decodierten Makroblöcke werden dann in dem Einzelbildspeicher 124 gespeichert. Der Einzelbildspeicher sammelt eine Mehrzahl dieser „rekonstruierten" Makroblöcke, die ein gesamtes rekonstruiertes Einzelbild der Bildinformation bilden. Der Bewegungsvektonrorhersager 126 verwendet das rekonstruierte Einzelbild, um Bewegungsvektoren zu erzeugen, die verwendet werden bei der Erzeugung von vorhergesagten Makroblöcken für bevorstehende Eingangsbilder.
  • Um Bewegungsvektoren zu erzeugen, weist der Bewegungsvektorvorhersager 126 drei Komponenten auf: ein Voll-pel-Bewegungsschätzer 128, ein Halb-pel-Bewegungsschätzer 130 und ein Bewegungsmodusblock 132. Der Voll-pel-Bewegungsschätzer 128 ist ein „grober" Bewegungsvektorerzeuger, der eine grobe Übereinstimmung zwischen einem Makroblock in einem vorherigen Bild und dem gegenwärtigen Eingangsmakroblock sucht. Das vorherige Bild wird als ein Ankerbild bezeichnet. Nach den MPEG-Normen ist das Ankerbild als ein I- oder P-Einzelbild innerhalb einer Bildsequenz bekannt, die als eine Gruppe von Bildern (GOP) bezeichnet wird. Der Bewegungsvektor ist ein Vektor, der die relative Position bezeichnet, wo die grobe Übereinstimmung zwischen den beiden Makroblöcken aufgefunden wurde. Der grobe Bewegungsvektorgenerator erzeugt einen Bewegungsvektor, der für ein Bildelement (pel) genau ist.
  • Die Genauigkeit des Voll-pel-Bewegungsschätzers wird in dem Halb-pel-Bewegungsschätzer verbessert. Der Halb-pel-Bewegungsschätzer verwendet die Voll-pel-Bewegungsvektoren und die rekonstruierten Makroblöcke von dem Einzelbildspeicher 124, um Bewegungsvektoren zu berechnen mit einer Halb-pel-Genauigkeit. Die Halb-pel-Bewegungsvektoren werden dann zu dem Bewegungsmodiblock 132 gesendet. Typischerweise gibt es mehrere Bewegungsvektoren, die mit jedem Markoblock verbunden sind. Der Modiblock 132 wählt den besten Bewegungsvektor für das Darstellen der Bewegung für jeden Eingangsmakroblock aus.
  • Der Voll-pel-Schätzer ist eine rechenintensive Aufgabe verglichen mit dem Halb-pel-Schätzer. Aus diesem Grund wird in verschiedenen Implementierungen dieser getrennt auf speziell angefertigter Hardware berechnet. Häufig werden alle Voll-pel-Bewegungsvektoren berechnet bevor die Halb-pel-Verarbeitung beginnt.
  • Das MPEG-Codiersystem, das oben erörtert wurde, ist ein konventionelles System, das verfügbar ist als Satz von integrierten Schaltkreisen, wie z. B. das Modell L64120 von LSI Logic, Inc. aus Milpitas, Kalifornien. Es ist wesentlich, daß diese MPEG-Codierer ein gesamtes Einzelbild aus Voll-pel-Bewegungsvektoren speichert, bevor der Halb-pel-Schätzer mit seiner Operation beginnt.
  • Die Konzepte der Bewegungsschätzung und der Bewegungskompensation basieren auf der zugrundeliegenden Annahme, daß sich das gegenwärtige Bild nicht sehr stark von einem vorher aufgetretenen Bild (dem Ankerbild) unterscheidet. Wenn jedoch eine wesentliche Szenenveränderung (ebenso als Szenenschnitt bezeichnet) auftritt, sind die Ankerbilder deutlich anders als das gegenwärtige Bild. Somit sind die vorhergesagten Makroblöcke sehr ungenau und die Reste sehr groß. Im Grunde genommen wählt für die meisten Eingangsmakroblöcke eines Bildes die IID den Eingangsmakroblock (Intra-Modus) für das Codieren aus anstelle des Codierens der Reste (Inter-Modus). Es soll erwähnt werden, daß diese Codierentscheidung selbst in dem Fall aufritt, wo es keine Szenenveränderung gibt, und daß ein normal codiertes Bild eine Mischung aus intra- und inter-codierten Makroblöcken aufweisen kann. Der Prozentsatz der intra-codierten Makroblöcke innerhalb eines gegebenen Bildes erhöht sich jedoch signifikant nachdem ein Szenenschnitt aufgetreten ist. Der Szenenschnittdetektor der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung analysiert alle Makroblöcke in einem Bild und bestimmt dann, ob ein Szenenschnitt aufgetreten ist. Dies wird verwirklicht durch Zählen der Anzahl von intra-codierten Makroblöcken und Vergleichen der Zahl mit einem Grenzwert. Genauer gesagt, falls der prozentuale Anteil der intra-codierten Makroblöcke in irgendeinem gegebenen Einzelbild den Grenzwert überschreitet, wird dieses Einzelbild als folgend auf einen Szenenschnitt angesehen.
  • In einem typischen MPEG-Codierer wird die tatsächliche IID-Entscheidung getroffen, nachdem die Halb-pel-Bewegungsvektoren erzeugt wurden und der beste Bewegungsvektor ausgewählt wurde. Da der Voll-pel-Schätzer 128 Bewegungsvektoren für das gesamte Einzelbild erzeugt, bevor der erste Makroblock von dem Codierer codiert wird, ist die erfindungsgemäße Szeneschnittdetektorvorrichtung 134, die diese Voll-pel-Ergebnisse überwacht, in der Lage, eine IID-Abschätzung für alle Makroblöcke zu erzeugen, d.h. zu schätzen, wie die IID ausfallen würde, wenn sie die Reste analysiert. Der Szeneschnittdetektor weist einen IID-Schätzer 136 auf, der in Reihe mit einem Intracode-Makroblockzähler 138 angeschlossen ist. Der Zähler 138 erzeugt eine Szeneschnittentscheidung (einen Anzeiger), der anzeigt, daß der Szeneschnittdetektor bestimmt hat, daß ein Szeneschnitt aufgetreten ist.
  • Diese anschauliche Form des Szeneschnittdetektors ist im Detail beschrieben. Im US-Patent mit der Anmeldungsnummer 08/606,613, eingereichet in den Vereinigten Staaten am 26. Februar 1996, US-A-5,724,100. In Antwort auf diesen Szeneschnittindikatoranzeiger stellt der erfindungsgemäße dynamische Ratencontroller die Quantisierungsskala der Quantisierung ein, so daß jede Möglichkeit einer Paniksituation vermieden wird. Im Grunde genommen hat der dynamische Ratencontroller einen Codieranzeiger bereitgestellt, der vor bevorstehenden Szeneschnitten warnt und zwar bevor das Einzelbild, das dem Szeneschnitt folgt, codiert wird. Im Grunde genommen kann der dynamische Ratencontroller die Bitzuweisungen neu einstellen und die Bitverwendung überwachen, um die Möglichkeit einer sehr großen Bitverwendung und einer Paniksituation zu verhindern.
  • Im Betrieb erhöht der dynamische Datencontroller 116 die Bitzuweisung zu dem P-Bild, was sicherstellt, daß die neue Zuweisung den Puffer nicht in einen Unterlauf bringt, und somit die Bildqualität beibehält. Entsprechend der MPEG-Norm ist es wünschenswert, genau codierte P-Bilder zu haben, da Fehler in den P-Bildern dazu neigen, in andere P- und B-Bilder, die danach codiert werden, überzugehen. 2 stellt die P-Bilder (P1 und P3) dar, die am meisten durch Szeneschnitte 202 und 204 innerhalb der MPEG-Gruppe von Bildern (GOP) 200 betroffen sind. Eine vergrößerte P-Bildbitzuweisung, die einen VBV-Unterlauf vermeidet, erfordert die Reduktion der Bits, die den benachbarten B-Bildern zugewiesen sind. Diese Bitreduktion kann sicher über mehrere B-Bilder ausgebreitet werden. Es sei bemerkt, daß B-Bildfehler sich nicht auf andere Bilder innerhalb der Gruppe von Bildern übertragen.
  • 3 stellt ein detailliertes Flußdiagramm dar, daß den Betrieb des dynamischen Ratencontrollers 116 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der Prozeß 300 beginnt am Startblock 302 und setzt mit Schritt 304 fort, wo der Prozeß eine nominale Anzahl von Bits (T) berechnet, die verwendet wird, um das gegenwärtige Bild zu codieren. Ebenso initialisiert Schritt 304 die vergrößerte Bitzuweisung (ΔT) auf null. In Schritt 306 fragt der Prozeß ab, ob ein Szeneschnittanzeiger ausgegeben wurde durch den Szeneschnittdetektor. Falls die Abfrage negativ beantwortet wird, setzt der Prozeß mit Schritt 308 fort, wo das gegenwärtige Bild mit T-Bits (d.h. der Nominalzahl von Bits) codiert wird. Wenn statt dessen der Szeneschnittanzeiger erfaßt wird, setzt der Prozeß von Schritt 306 zu Schritt 310 fort. In Schritt 310 berechnet der Prozeß eine Vergrößerung (ΔT) für die Bitzuweisung (T). Die Bitzuweisungsvergrößerung hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich: 1) dem Abstand des P-Bildes, das zu codieren ist, von dem Ende der Gruppe von Bildern, 2) der Anzahl von 1-Mode-Makroblöcken in dem P-Bild, 3) der Einfachheit der Codierung der I-Mode-Makroblöcke und 4) der Anzahl von Bits, die gegenwärtig in der VBV sind. Diese Information Mode-Makroblöcke und 4) der Anzahl von Bits, die gegenwärtig in der VBV sind. Diese Information wird in verschiedenen Registern innerhalb des Ratencontrollers gespeichert und sie werden als Blöcke 312, 314, 316 bzw. 318 in 3 gezeigt. Jeder der Faktoren, die verwendet werden, um ΔT zu berechnen, werden unten im Detail erläutert.
  • Genauer gesagt, falls das erste P-Bild in der neuen Szene nahe dem Ende der Gruppe von Bildern ist, wird der Ratencontroller keine Vergrößerung in der Bitzuweisung für das P-Bild erfordern. Im Grunde genommen wird die Bitzuweisung zu den P-Bildern proportional zu deren Abstand von dem I-Bild der nächsten Gruppe von Bildern durchgeführt, d.h. der Wert von ΔT kann kleiner sein, wenn das P-Bild näher an dem Ende der Gruppe von Bildern ist.
  • Man betrachte beispielsweise das P3 in 2, welches das letzte P-Bild in der GOP ist. Dieses P-Bild wird nicht verwendet, um irgendwelche P-Bilder vorherzusagen und wird verwendet, um nur zwei B-Bilder vorherzusagen, die direkt nach dem Szeneschnitt auftreten. Dies führt zu Bildern schlechter Qualität für nur die ersten zwei oder drei Bilder in der neuen Szene. Psychovisuelle Experimente haben gezeigt, daß das menschliche Auge Schwierigkeiten hat, sich schnell auf eine neue Szene einzustellen und daß, selbst wenn die ersten zwei oder drei Bilder der neuen Szene schlechte Qualität haben, die Abweichung für das menschliche Auge nicht bemerkbar ist. Es sei bemerkt, daß die B-Bilder, die P3 folgen, aus dem I-Bild (I2) vorhergesagt werden und daher nicht an einer signifikanten Verschlechterung aufgrund des Szeneschnittes leiden. Im Grunde genommen kann das P3-Bild schlecht codiert sein, ohne andere Bilder signifikant zu verschlechtern. Somit wird ΔT auf einen relativ kleinen Wert für die P-Bilder, die am Ende einer GOP auftreten, eingestellt.
  • Da die Anzahl von Intra-Mode-(I-Mode-)Makroblöcken in dem P-Bild bekannt ist oder abgeschätzt wird, bevor das Bild codiert wird, kann ΔT proportional zu dem Prozentsatz der intra-codierten Makroblöcke in dem Bild eingestellt werden. In manchen Szeneschnitten ist die neue Szene leicht zu codieren, d.h. es benötigt wenige Bits für die Codierung, so daß die tatsächliche Anzahl von Bits, die verwendet werden, sogar geringer als die Zielbitzuweisung sein kann. Falls im Vorhinein bestimmt wird, daß die neue Szene so einfach wie Intra-Mode-Makroblöcke codiert werden kann, kann die Vergrößerung (ΔT) klein sein. Beispielsweise kann dies verwirklicht werden durch Analysieren der Varianzen der Makroblöcke innerhalb des Bildes, das zu codieren ist, und durch Bestimmen, wie leicht das Bild zu codieren ist.
  • Eine andere Beschränkung der Größe von ΔT ist die Anzahl von Bits in dem VBV. Der Puffer wird einen Unterlauf erfahren, falls T + ΔT die Anzahl von Bits in dem VBV überschreitet. Somit wird ΔT festgelegt abhängig von dem Potential eines Unterlaufs. Dieses Potential für einen Pufferunterlauf wird leicht berechnet durch Bilden der Differenz zwischen der Anzahl von Bits in dem VBV und dem Wert von (T + ΔT). Dann wir der Wert von ΔT eingestellt, um eine negative (–) Differenz zu vermeiden.
  • In Schritt 308 wird die nominelle Bitzuweisung T um die Bitzuweisungsvergrößerung ΔT erhöht, z. B. T = T + ΔT. In Schritt 320 berechnet der Prozeß das Potential für einen Unterlauf unter Verwendung des gegenwärtigen Wertes von ΔT. Dieser Schritt vergleicht die VBV-Größe mit dem gegenwärtigen Füllgrad des Puffers für diesen Wert von T erhöht um den Wert von ΔT. Falls die erwartete Pufferfüllung nahe des Überschreitens der VBV-Größe wird, dann wird die Abfrage in Schritt 322 bestätigend beantwortet und der Prozeß stellt in Schritt 324 einen möglichen Unterlaufanzeiger (ebenso bezeichnet als ein möglicher Panikanzeiger) ein. Ein möglicher Unterlaufanzeiger zeigt an, daß es eine Möglichkeit gibt, daß während des Codierens des gegenwärtigen Bildes eine Paniksituation auftreten kann. Wenn eine Paniksituation nicht als drohend angesehen wird, wird die Abrage in Schritt 322 negativ beantwortet und der Prozeß setzt entlang des Nein-Pfades mit Schritt 326 fort.
  • In Schritt 326 bestimmt der Prozeß basierend auf dem Wert von ΔT eine ursprüngliche Quantisierungsskala, die dafür vorgesehen ist, einen Unterlauf des VBV zu vermeiden. In Schritt 328 errichtet der Prozeß eine Anzahl von DCT-Koeffizienten, die mit der ursprünglichen Quantisierungsskala codiert werden. Wie unten erörtert, sind sowohl die Quantisierungsskala als auch die Anzahl von DCT-Koeffizienten, die codiert werden, einstellbar, so daß ein VBV-Unterlauf vermieden werden kann.
  • In Schritt 330 erzeugt der Prozeß ein Zielbitnutzprofil. Im allgemeinen wird dieses Nutzprofil festgelegt abhängig von dem Bildtyp, der codiert wird, d.h. ob es ein P-Bild, ein B-Bild oder ein I-Bild ist. Typischerweise ist das Nutzprofil linear über die gesamte Bildcodierung. Alternativ kann das Profil nicht linear sein, das mehr oder weniger zu verwendende Bits bei einigen Punkten in dem Bild als an anderen Punkten erlaubt. Im Grunde genommen kann dem Zentrum irgendeines gegebenen Bildes mehr Bits oder eine feinere Quantisierungsskala zugewiesen werden als außenliegenden Bereichen des Bildes. Eine Alternative ist es, das Zielbitnutzprofil dynamisch zu erzeugen durch Verwenden von Information, die aus dem Codieren von vorherigen Bildern desselben Typs gewonnen wurde. Beispielsweise kann das tatsächliche Zielbitprofil, das verwendet wird, um das vorherige P-Bild zu codieren, verwendet werden als das Zielbitnutzprofil für das gegenwärtige P-Bild. Sobald das Zielbitnutzprofil erzeugt ist, beginnt der Prozeß in Schritt 332 mit dem Codieren des Bildes. Wenn das Bild in Schritt 334 codiert ist, wird die tatsächliche Bitverwendung mit dem Zielbitnutzprofil verglichen, nachdem jeder Makroblock codiert wird. In Schritt 336 stellt der Prozeß die Quantisierungsskala ein, wie dies notwendig ist, um sicherzustellen, daß die tatsächliche Bitverwendung zu dem Zielbitnutzprofil paßt. Die Geschwindigkeit, mit der die Einstellung der Quantisierungsskala verwirklicht wird, kann variiert werden abhängig von der Differenz zwischen dem tatsächlichen Bitnutzprofil und dem Zielbitnutzprofil. In anderen Worten könnte die Antwort schnell sein für große Unterschiede zwischen den beiden Profilen oder langsam für kleinere Differenzen zwischen den beiden Profilen. Die Antwortgeschwindigkeit kann ebenso davon abhängen, ob der mögliche Panikanzeiger gesetzt ist. Falls beispielsweise sowohl der mögliche Panikanzeiger und der Szeneschnittanzeiger gesetzt sind, muß die Anzahl von Bits, die verwendet werden, um das nächste Bild zu codieren, genau gesteuert werden oder eine Unterlaufsituation ist möglich. Wenn somit diese Anzeiger gesetzt sind, steuert die Ausführungsform der Erfindung die Bitverwendung und die Antwortgeschwindigkeit der Quantisierungsskalaveränderungen genau. Zusätzlich zu dem Einstellen der Quantisierungsskala können die DCT-Koeffizienten, die codiert werden, ebenso verändert werden. Beispielsweise wenn das tatsächliche Bitverwendungsprofil beginnt, deutlich von dem Zielbitverwendungsprofil abzuweichen, und es erwartet wird, daß die gegenwärtige Bitverwendung den VBV überschreiten wird (d.h. der mögliche Panikanzeiger ist gesetzt). Die DCT-Koeffizienten höherer Ordnung können weggelassen werden und nicht codiert werden. Die Anzahl von DCT-Koeffizienten, die codiert werden, wird von dem Grad abhängen, um den das Zielbitnutzprofil überschritten wird. Typischerweise wird die Anzahl von DCT-Koeffizienten nur eingestellt, wenn sowohl der mögliche Panikanzeiger in Schritt 324 gesetzt ist und ein Szeneschnittanzeiger in Schritt 306 identifiziert wird.
  • In Schritt 338 fragt der Prozeß ab, ob alle Makroblöcke für das gegenwärtige Bild codiert wurden. Falls die Abfrage negativ beantwortet wird, setzt der Prozeß entlang des Nein-Pfades zu Schritt 332 fort, wo der nächste Makroblock codiert wird. Falls die Abfrage in Schritt 338 betätigend beantwortet wird, setzt der Prozeß mit Schritt 340 fort, wo der Codierprozeß gestoppt wird.
  • Es ist wichtig, daß der vorhergehende Ratensteuerprozeß versucht, die Gesamtqualität aller Bilder in einer Sequenz auszugleichen. Im Grunde genommen versucht der Ratensteuerprozeß, die Fehler über eine Anzahl von Bildern zu verteilen, anstatt eine wesentlichen Anzahl von Fehlern in einem Bild zu haben. Darüber hinaus versucht der erfindungsgemäße Ratencontroller die Qualität von unterschiedlichen Bereichen innerhalb eines Bildes konstant zu halten, so daß innerhalb eines gegebenen Bildes, wenn es codiert ist, Codierfehler und Anomalien nicht in einem Bereich des Bildes erscheinen.
  • Obgleich eine einzelne Ausführungsform die Lehren der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, gezeigt und im Detail beschrieben wurde, können Fachleute leicht viele andere variierte Ausführungsformen ableiten, die immer noch diese Lehren enthalten.

Claims (16)

  1. Verfahren für das Durchführen einer dynamischen Geschwindigkeitssteuerung in einem blockbasierten Videokodiersystem in Antwort auf eine Szenenveränderung zwischen einem ersten Bild und einem zweiten Bild, wobei das erste Bild und das zweite Bild zwei aufeinanderfolgende Bilder in einer Abfolge von Bildern sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen (306) eines erheblichen Unterschiedes zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild als Anzeige einer besagten Szenenveränderung, Berechnen (310) eines Bitzuweisungsvergrößerungswertes (ΔT), Erhöhen (308) der nominellen Bitzuweisung, die mit dem ersten Referenzbild verknüpft ist, das auf das Auftreten der Szenenveränderung folgt, um den Bitzuweisungsvergrößerungswert (ΔT), um eine vergrößerte Bitzuweisung zu erzeugen, und Bestimmen (326) einer Quantisierungsskala für das Kodieren des ersten Referenzbildes innerhalb der vergrößerten Bitzuweisung, und Anwenden einer Geschwindigkeitsregelung und Bitzuweisung zu dem vorgenannten ersten Referenzbild in Übereinstimmung mit der vergrößerten Bitzuweisung während dem Zuweisen einer entsprechenden Reduktion auf B-Bilder, die mit dem vorgenannten ersten Referenzbild verknüpft sind, wobei die Bitzuweisung zu irgendeinem Referenzbild, das dem vorgenannten Szenenwechsel vorausgeht, jedoch nicht verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Referenzbild ein P-Bild ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin die Schritte aufweist: Erzeugen (330) eines Zielbitverwendungsprofils für das erste Referenzbild, Kodieren (332) einer Mehrzahl von Makroblöcken des besagten ersten Referenzbildes, Vergleichen (334) des Zielbitverwendungsprofils mit einer tatsächlichen Anzahl von Bits, die verwendet werden, um jeden der Makroblöcke zu kodieren, und Einstellen (336) der Quantisierungsskala, um zu veranlassen, daß die tatsächliche Anzahl von Bits, die verwendet werden, um die Makroblöcke zu kodieren, näherungsweise dem Zielbitverwendungsprofil entsprechen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, das weiterhin aufweist den Schritt (328) des Errichtens einer Anzahl von diskreten Kosinustransformationskoeffizienten für das Kodieren des ersten Referenzbildes innerhalb der vergrößerten Bitzuweisung.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Schritt (310) des Berechnens des Bitzuweisungsvergrößerungswertes weiterhin aufweist den Schritt des Einstellens der Bitzuweisungsvergrößerung abhängig (312) von dem Ort des ersten Referenzbildes innerhalb einer Gruppe aus Bildern.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Schritt (310) des Berechnens des Bitzuweisungsvergrößerungswertes (ΔT) weiterhin aufweist den Schritt (314) des Einstellens der Bitzuweisungsvergrößerung abhängig von einer geschätzten Zahl (314) von intramoduskodierten Makroblöcken, die in dem ersten Referenzbild enthalten sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei der Schritt (310) des Berechnens des Bitzuweisungsvergrößerungswertes weiterhin aufweist den Schritte (316) des Einstellens der Bitzuweisungsvergrößerung abhängig von der geschätzten Einfachheit der Kodierung Intramodusmakroblöcken innerhalb des ersten Referenzbildes.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (310) des Berechnens des Bitzuweisungsvergrößerungswertes weiterhin aufweist den Schritt (318) des Einstellens der Bitzuweisungsvergrößerung abhängig von der Anzahl von Bits in einem virtuellen Pufferverifizierer.
  9. Vorrichtung für das Durchführen einer dynamischen Geschwindigkeitssteuerung in einem blockbasierten Videokodiersystem in Antwort auf eine Szenenveränderung zwischen einem ersten Bild und einem zweiten Bild, wobei das erste Bild und das zweite Bild zwei aufeinanderfolgende Bilder in einer Abfolge von Bildern sind, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Einrichtung (306), die einen erheblichen Unterschied zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild als Anzeige einer Szenenveränderung erfaßt, eine Einrichtung (310) für das Berechnen eines Bitzuweisungsvergrößerungswerts (ΔT), eine Einrichtung (308), die mit der Berechnungseinrichtung verbunden ist für das Vergrößern der nominalen Bitzuweisung, die mit dem ersten Referenzbild verknüpft ist, das auf das Auftreten der Szenenveränderung folgt, und zwar um den Bitzuweisungsvergrößerungswert (ΔT), um eine vergrößerte Bitzuweisung zu erzeugen, und eine Einrichtung (326), die mit der Vergrößerungseinrichtung verbunden ist, für das Bestimmen einer Quantisierungsskala für das Kodieren des ersten Referenzbildes innerhalb der vergrößerten Bitzuweisung, und eine Einrichtung (116) für das Anwenden einer Geschwindigkeitskontrolle und einer Bitzuweisung zu dem ersten Referenzbild in Übereinstimmung mit der vergrößerten Bitzuweisung während dem Zuweisen einer entsprechenden Reduktion auf B-Bilder, die mit dem vorgenannten ersten Referenzbild verknüpft sind, wobei die Bitzuweisung zu irgendeinem Referenzbild, das dem vorgenannten Szenenwechsel vorausgeht, jedoch nicht verändert wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das erste Referenzbild ein P-Bild ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, die weiterhin aufweist: eine Einrichtung (330) für das Erzeugen eines Zielbitverwendungsprofils für das erste Referenzbild, eine Einrichtung (332) für das Kodieren einer Mehrzahl von Makroblöcken des ersten Referenzbildes, eine Einrichtung (334) für das Vergleichen des Zielbitverwendungsprofils mit einer tatsächlichen Anzahl von Bits, die verwendet werden, um jeden der Makroblöcke zu kodieren, und eine Einrichtung (336) für das Einstellen der Quantisierungsskala um zu veranlassen, daß die tatsächliche Anzahl von verwendeten Bits die Makroblöcke kodieren, annähernd mit dem Zielbitverwendungsprofil übereinstimmt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, die weiterhin aufweist eine Einrichtung für das Aufstellen (328) einer Anzahl von diskreten Kosinustransformationskoeffizienten für das Kodieren des ersten Referenzbildes innerhalb der vergrößerten Bitzuweisung.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei die Berechnungseinrichtung weiterhin eine Einrichtung für das Einstellen (312) des Bitzuweisungsvergrößerungswertes aufweist und zwar abhängig von dem Ort des ersten Referenzbildes innerhalb einer Gruppe von Bildern.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, bei der die Berechnungseinrichtung weiterhin eine Einrichtung für das Einstellen (314) des Bitzuweisungsvergrößerungswertes abhängig von einer geschätzten Anzahl von intramodkodierten Makroblöcken, die in dem ersten Referenzbild enthalten sind, aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, wobei die Berechnungseinrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist für das Einstellen (316) des Bitzuweisungsvergrößerungswertes abhängig von der geschätzten Einfachheit der Kodierung von Intramodmakroblöcken innerhalb des ersten Referenzbildes.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Berechnungseinrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist für das Einstellen (318) des Bitzuweisungswertes abhängig von der Anzahl von Bits in einem virtuellen Pufferverifizierer.
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