DE69815720T2 - Kodierung von bewegten bildern mit variabler bitrate in einem durchgang - Google Patents

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Codieren von Bewegtbildern. Speziell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und ein Gerät zum Durchführen einer variablen Bitratensteuerung für einen Digital-Videocodierer.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Digitale Komprimierung wurde für Bewegtbilder zum Zweck der Reduzierung der Übertragungsbandbreite oder der Speichergröße durchgeführt. Ein dem Stand der Technik entsprechende Komprimierungstechnik kann aus den ISO/IEC MPEG-Normen, der ISO/IEC 11172-3 (MPEG-1), der ISO/IEC 13818-2 (MPEG-2) und der MPEG-2 TM5 (Testmodell 5) abgeleitet werden, welche von der „Expertengruppe für Bewegtbilder" der Internationalen Normenorganisation aufgestellt wurden.
  • In einem Videocodierer, welcher konform mit der Norm MPEG ist, wird eine Folge von Bewegtbildern (z. B. Video) dem Codierer eingegeben, wobei diese mit einer vom Nutzer definierten Zielbitrate komprimiert ist. Die Zielbitrate wird entsprechend der Bandbreite des Kommunikationskanals, in welchem das komprimierte Video zu senden ist, oder der Kapazität des Speichermediums, in welcher die komprimierte Videofolge zu speichern ist, eingestellt.
  • Mehrere unterschiedliche Formen des Codierens können angewandt werden, abhängig von der Charakteristik der Eingangsbilder, welche als I-Bilder, P-Bilder oder B-Bilder bezeichnet werden. Die I-Bilder sind intern codierte Bilder, welche hauptsächlich für Direktzugriff oder zur Szenenaktualisierung benutzt werden. Die P-Bilder nutzen vorhergesagtes Codieren in Vorwärtsbewegung mit Bezug auf vorher codierte I- oder P-Bilder (Ankerbilder), und die B-Bilder nutzen vorhergesagtes/interpolierendes Codieren in sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsbewegung mit Bezug auf vorher codierte I- oder P-Bilder. Außerdem wird eine Bildgruppe (GOP) in codierter Ordnung gebildet, welche mit einem I-Bild startet und mit dem Bild vor dem nächsten I-Bild in der Folge endet.
  • Die Bilder werden in kleinere und nicht überlappende Blöcke von Pixeldaten, die so genannten Makroblöcken (MBe), vor dem Codieren aufgeteilt. Jeder MB eines P- oder B-Bildes wird einem Bewegungsschätzprozess unterzogen, in welchem Vektoren für Vorwärtsbewegung und Vektoren für Rückwärtsbewegung im Fall eines B-Bild-MB bestimmt werden, wobei Referenzbilder aus einem Frame-Puffer bzw. Graphikspeicher genutzt werden. Mit den bestimmten Bewegungsvektoren wird eine Bewegungskompensation durchgeführt, wobei zuerst der Intern- oder Zwischenbild-Vorhersagemodus des MB bestimmt wird, entsprechend der Genauigkeit der gefundenen Bewegungsvektoren, gefolgt vom Erzeugen des notwendig vorhergesagten MB.
  • Der vorhergesagte MB wird dann einer diskreten Cosinus-Transformation (DCT) und DCT-Koeffizienten-Quantisieren unterzogen, welche auf Quantisiermatrizen (QM) und einer Quantisierschrittweite (QS) basieren. Die quantisierten DCT-Koeffizienten des MB werden dann mit variablen Längencodes (VLC) Lauflängen-codiert und mit zusätzlicher Information, wie z. B. ausgewählten Bewegungsvektoren, MB-Codiermoden, Quantisierschrittweite und/oder Bild- und Folgeinformation gemultiplext, um den Bitstrom am Ausgang zu bilden.
  • Lokales Decodieren wird durch inverses Quantisieren der quantisierten DCT-Koeffizienten durchgeführt, welches von inverser DCT und Bewegungskompensation gefolgt wird. Lokales Decodieren wird in der Weise ausgeführt, dass die Referenzbilder, welche in der Bewegungskompensation benutzt werden, identisch mit jenen sind, welche durch einen externen Decodierer vorhanden sein müssen.
  • Die Quantisierschrittweite (QS), welche zum Quantisieren der DCT-Koeffizienten eines jeden MB benutzt wird, hat einen direkten Einfluss auf die Anzahl der Bits, welche am Ausgang des VLC-Codierprozesses hergestellt werden, und damit auf die durchschnittliche Ausgangsbitrate. Sie hat auch direkten Einfluss auf die Codierqualität, welche die Ausgangsbildqualität am entsprechenden Decodierer ist. Im Allgemeinen erzeugt eine größere QS eine geringere Ausgangsbitrate und eine niedrigere Codierqualität. Um die Ausgangsbitrate und Bildqualität zu steuern, so dass der sich ergebende Bitstrom sowohl der Kanalbandbreite oder den Speichergrenzen als auch den Qualitätsanforderungen genügen kann, werden Algorithmen zur Ratensteuerung und Quantisiersteuerung benutzt.
  • Einige Verfahren der Ratensteuerung und Quantisiersteuerung können in dem vorher erwähnten MPEG-2 TM5 (Testmodell 5) gefunden werden. Diese Verfahren umfassen im Allgemeinen einen Bitzuweisungsvorgang, einen Vorgang zur Ratensteuerung und einen adaptiven Quantisiervorgang. Bei dem Bitzuweisungsvorgang wird eine Zielanzahl von Bits einem neuen Bild zugewiesen, welches entsprechend einer Anzahl von vorher festgelegten und voreingestellten Parametern zu codieren ist. Der Ratensteuerschritt berechnet dann eine Referenz-Quantisierschrittweite QSref für jeden MB, basierend auf den Zielbits für das Bild, die Anzahl der Bits, welche bereits von den Zielbits beim Codieren der MBs von dem Bild benutzt wurden, und einem virtuellen Puffermodell, wie es in MPEG-2 TM5 gegeben wird. In dem adaptiven Quantisiervorgang wird dann die berechnete QSref entsprechend den lokalen Aktivitäten des MB skaliert und eine Durchschnitts-MB-Aktivität aus dem zuvor codierten Bild festgelegt. Dieses Skalieren wird entsprechend einem Pegel von Maskiereffekten des Codierrauschens durch menschliche Wahrnehmung für den MB mit hohen oder niedrigen Aktivitäten innerhalb eines Bildes durchgeführt. Ein Beispiel einer adaptiven Quantisiertechnik wird im amerikanischen Patent Nr. US-A-5,650,860 mit dem Titel "Adaptive Quantization" veröffentlicht. Ein Videopuffer-Verifizierer (VBV) kann auch in einer derartigen Weise angewendet werden, dass Unterlaufen und Überlaufen verhindert werden, wie dies durch die MPEG-Norm gefordert wird, um sicherzustellen, dass die Zielbitrate beibehalten wird. Techniken für das Detektieren und Sichern des Unterlaufens werden auch im US-Patent Nr. US-A-5,650,860 veröffentlicht.
  • Es ist offensichtlich, dass die festgelegte Zielbitrate in dem Vorgang, welcher oben dargestellt wurde, wenig oder keinen Bezug auf die aktuelle oder sich ändernde Komplexität der Videoszenen hat, welche in der Eingangsbildfolge beinhaltet ist. Die Zielbitrate wird aktuell durch die Kommunikationskanalbandbreite definiert oder durch die Zielspeicherkapazität für die Bildfolge, jedoch kann sich die wahrnehmbare Qualität der sich ergebenden Bilder, wenn sie decodiert sind, von gut bis störend von Szene zu Szene, entsprechend der Komplexität der Szene, ändern.
  • Bei Anwendungen, bei denen die Bildfolgen für Speicherung und Rückgewinnung komprimiert werden, z. B. DVD (Digital Video Disc oder Digital Versatile Disc), kann eine variable Bitrate (VBR) auf einzelne Segmente von Bitfolgen angewendet werden, abhängig von der Komplexität der Szene, um die Bitratenzuweisung und codierte Bildqualität zu maximieren. Für eine weniger komplexe Szene kann die Bitrate reduziert werden, um Speicherplatz zu sparen und die potenzielle Aufnahmedauer des Mediums zu erhöhen, oder das sich ergebende Sparen von Speicherplatz kann für das Codieren komplexerer Szenen benutzt werden.
  • In ähnlicher Weise kann VBR auch für andere Applikationen, wie z. B. einem Vielkanal-Video-Sendenetzwerk angewandt werden. Eine derartige Kanalbandbreite kann dynamisch einzelnen Videofolgen, welche miteinander zu multiplexen sind, zugewiesen werden, so dass ein höherer Prozentsatz an Bandbreite durch Folgen von komplexen Szenen adaptiv genutzt wird.
  • Bestehende VBR-Steueralgorithmen, wie sie z. B. im US-Patent US-A-5,650,860 veröffentlicht werden, erfordern vielfache Codierdurchläufe, um die Datenbits geeignet zu verteilen. Beim ersten Codierdurchlauf wird die Bitbenutzungsinformation für jede Folge oder jedes Bild in der Eingangs- bzw. Eingabebildfolge festgelegt. Dies kann durch Festlegen der Referenz-Quantisierschrittweite und Sperren der VBV-Steuerung durchgeführt werden.
  • Die festgelegte Bitbenutzungsinformation wird dann benutzt, um ein Bitbudget für jede Szene oder jedes Bild zu erzeugen, so dass eine Gesamtzielanzahl von Bits festgelegt wird, um die Folge zu codieren und derart, dass eine maximale Bitrate nicht verletzt wird. Um dies zu erreichen, wird das Bitbudget für jedes Bild modifiziert, so dass der VBV-Puffer nicht unterläuft. In den Fällen, bei denen die Anfangsbit-Nutzungsinformation, welche erhalten wird, unrealistisch für das Erzeugen des Bitbudgets ist, müssen die Schritte vom ersten Codierdurchlauf mit einer eingestellten Referenz-Quantisierschrittweite wiederholt werden. Die Eingabefolge wird in einem Schlussdurchlauf codiert, wobei die erzeugte Bitbudgetinformation benutzt wird, um die Zielbits oder -bitrate zu erhalten. Diese Form des Vieldurchlauf-VBR-Codierers erfordert einen sehr großen Massenspeicher für das Speichern der dazwischenliegenden Bitbenutzungsinformation und eine große Rechenkapazität für die zusätzlichen Durchläufe und die Bitbudget- Erzeugung. Außerdem kann eine VBR-Technik wie diese die Eingabefolge nicht in Echtzeit bearbeiten.
  • Ein Verfahren und Gerät für eine variable Bitratensteuerung entsprechend der Präambel der Ansprüche 1, 21, 31 wird im EP-A-759 667 beschrieben, wo ein Vielkanalsender veröffentlicht wird, welcher die Bitraten für jeden Codierer einstellt. Jeder Codierer hat eine dynamisch zugewiesene Bitrate, abhängig von der Bildqualität und deren Vergleich mit der Zielqualität. Es wird dort der Gebrauch von vorhergesagten aktuellen Bitraten nicht erwähnt.
  • Der Artikel von Tihao Chiang et al., "A New Rate Control Scheme Using Quadratic Rate Distorsion Model", IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Band 7, Nr. 1, Februar 1997, S. 246–250, veröffentlicht ein Verfahren zum Auswerten der Bildstörung, d. h. der Qualität, wie z. B. einen durchschnittlichen Quantisierschritt, eine quadratische Fehler- und SNR-Vorrichtung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine variable Bitratensteuertechnik in einem Durchlauf zum Codieren von Bewegtbildern zu liefern.
  • Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren zur variablen Bitratensteuerung in einem Codierer für Bewegtbilder in einem einzelnen Durchlauf, wie im Anspruch 1 definiert, geliefert.
  • In einer Form der Erfindung basiert die Bildcodierqualität auf einem mittleren quadratischen Fehler. Alternativ kann die Bildcodierqualität auf einem Signal-Rausch-Verhältnis basieren. Vorzugsweise beinhaltet der Schritt des Vergleichens das Messen einer Differenz in der Bildcodierqualität zwischen entsprechenden Eingabe- und lokal decodierten Bildern.
  • In einer speziellen Form der Erfindung werden die Bilder, welche zu codieren sind, in Gruppen von Bildern angeordnet, welche ein I-Bild und wenigstens ein P-Bild und/oder B-Bild beinhalten, und wobei die Zielbitzuweisung für jedes Bild oder die Mehrzahl der Bilder in jeder Gruppe von Bildern eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Zielbitzuweisung eingestellt, um eine Zielbitrate zu erhalten, welche auf der Basis dieses Vergleiches für jedes Bild oder die Mehrzahl von Bildern in der Gruppe von Bildern eingestellt wird.
  • Die Zielbildcodierqualität kann eine Zielcodier-Quantisierschrittweite aufweisen, wobei unterschiedliche Ziel-Quantisierschrittweiten aus den I-, P- und B-Bildern ausgewählt werden.
  • In einer Form der Erfindung kann das Verfahren das Messen einer durchschnittlichen Quantisierschrittweite für wenigstens ein vorher codiertes Bild, das Vorhersagen einer Bitrate für ein vorher codiertes I-, P- und B-Bild und das Festlegen der Zielbitrate basierend auf der vorhergesagten Bitrate und einer Differenz zwischen der Zielcodier-Quantisierschrittweite und der gemessenen Durchschnitts- bzw. mittleren Quantisierschrittweite beinhalten.
  • Das Verfahren der Erfindung kann das Messen einer durchschnittlichen Bildaktivität für die Bewegtbilder und das Modifizieren der gemessenen Differenz in der Bildcodierqualität auf der Grundlage der durchschnittlichen bzw. mittleren Bildaktivität beinhalten.
  • Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Steuergerät für einen Codierer für Bewegtbilder im Einzeldurchlauf, entsprechend Anspruch 21.
  • Vorzugsweise beinhaltet der Codierer für Bewegtbilder ein Frequenztransformationskoeffizienten-Quantisiergerät zum Quantisieren der codierten Bilddaten, und wobei das Steuergerät ein Bitratensteuergerät aufweist, welches angeschlossen ist, um die Quantisierschrittweite des Quantisiergerätes zu steuern, einen Quantisierschrittweiten-Komparator zum Vergleichen, einer aktuellen Quantisierschrittweite mit einer Zielquantisierschrittweite als Maß für die Codierqualität, basierend auf der Zielbildcodierqualität, einen Bitzuweisungsprozessor, welcher angeschlossen ist, um das Bitratensteuergerät entsprechend einer Anzahl von Bits zu steuern, welche zum Codieren einer Gruppe von Bildern übrig bleiben, und ein Zielbitratenschätzgerät, welches angeschlossen ist, um die oberen und unteren Bitratengrenzen zu empfangen, und welches mit dem Bitzuweisungsprozessor und dem Bitratensteuergerät zum Steuern des Quantisierens verbunden ist, so dass die geforderte Bitrate für die quantisierten Bilddaten innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen liegen.
  • Die vorliegende Erfindung liefert außerdem einen Videobildcodierer für variable Bitraten in einem einzelnen Durchlauf entsprechend Anspruch 31.
  • Der Videobildcodierer kann ferner einen Frame-Bit-Zähler für eine Anzahl von verbleibenden Bits, welche zum Codieren einer Gruppe von Bildern vorhanden sind, und einen Bitzuweisungsprozessor zum Steuern des Bitratensteuergeräts entsprechend der verbleibenden, zur Verfügung stehenden Bits beinhalten.
  • Der Videobildcodierer kann ferner einen Qualitätskomparator zum Vergleichen der Zielqualität mit einer gemessenen Codier qualität beinhalten, und wobei das Bitratensteuergerät die Quantisierschrittweite basierend auf einer Differenz zwischen den Ziel- und den gemessenen Qualitäten steuert.
  • In einer Form des Codierers weist die gemessene Codierqualität die Quantisierschrittweite auf.
  • Der Videobildcodierer kann ferner einen lokalen Decodierer zum Decodieren der quantisierten codierten Bilddaten und einen Prozessor zur Qualitätsmessung zum Bestimmen eines Qualitätsunterschiedes zwischen den entsprechenden Eingangs- und lokal decodierten Bildern beinhalten.
  • In einer anderen Form des Codierers bestimmt der Prozessor zur Qualitätsmessung einen Unterschied im Signal-Rausch-Verhältnis. Alternativ kann der Prozessor zur Qualitätsmessung einen mittleren quadratischen Fehler bestimmen.
  • Bei den meisten Anwendungen ist es möglich, dass nur eine maximale Bitrate und optional eine minimale Bitrate spezifiziert werden. Derartige Anwendungen können ein Aufzeichnungsmedium mit Direktzugriff oder ein paketiertes Kommunikationsnetzwerk mit variabler momentaner Bitrate, aber auch einer maximalen Bandbreitenspezifikation beinhalten. Zusätzlich können derartige Anwendungen auch erfordern, dass der Eingang in Echtzeit komprimiert werden muss; z. B. kann beim Live-Senden oder Live-Aufzeichnen kein Codieren mit Vielfachdurchlauf benutzt werden. Deshalb ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Codierer zu liefern, welcher in Echtzeit in einem variablen Bitratenmodus innerhalb der maximalen und minimalen Bitratengrenze der Zielapplikation betrieben werden kann.
  • Während des Codierens einer eingegebenen Folge von Bewegtbildern misst die vorliegende Erfindung fortlaufend die sich ergebende Codierbildqualität, vergleicht diese mit einer defi nierten Zielqualität und stellt die Codierbitrate entsprechend ein. Durch Variieren der Zielbitrate des Codierers innerhalb einer definierten maximalen Bitrate und einer minimalen Bitrate entsprechend einer definierten Zielcodierbildqualität und der Komplexität der Szene sichert der Codierer, wenn möglich, eine gleich bleibende Bildqualität, und auch, dass die maximale und minimale Bitrate der Zielanwendung nicht verletzt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird detaillierter nachfolgend nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 ist ein Blockschaltbild eines MPEG-konformen Videocodierers mit konstanter Bitrate, welcher entsprechend dem Stand der Technik aufgebaut ist;
  • 2 ist ein Blockschaltbild eines variablen Bitratencodierers für Bewegtbilder, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 ist ein Blockschaltbild eines Codierers für Bewegtbilder entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Blockschaltbild eines generalisierten MPEG-konformen Videocodierers 150 wird in 1 erläutert. Eine Folge von Bewegtbildern (z. B. Video) wird bei 100 in den Codierer 150 eingegeben, wo sie mit einer vom Nutzer definierten Zielbitrate, welche bei 111 geliefert wird, komprimiert wird. Die Zielbitrate wird entsprechend der Kommunikationskanalbandbreite eingestellt, in welcher das komprimierte Video zu senden ist, oder entsprechend der Kapazität des Speichermediums, in welches eine Zieldauer bzw. -länge des komprimierten Videos gespeichert werden soll.
  • Eingabebilder, welche zum Zweck der Rauschreduzierung oder andere Zwecke vorbehandelt werden können, werden entweder als I-Bilder, P-Bilder oder B-Bilder gekennzeichnet und in einem Graphikspeicher 101 entsprechend den Notwendigkeiten des Wiedereinordnens und des Bearbeitens abgespeichert. Die I-Bilder sind intern codierte Bilder, welche hauptsächlich für Direktzugriff oder eine Szenenaktualisierung benutzt werden. Die P-Bilder nutzen prädiktive Codierung in Vorwärtsbewegung mit Bezug auf vorher codierte I- oder P-Bilder (Anker- bzw. Bezugsbilder), und die B-Bilder nutzen prädiktive/interpolierende Codierung sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsbewegung mit Bezug auf vorher codierte I- oder P-Bilder. Außerdem wird eine Gruppe von Bildern (GOP) in einer codierten Ordnung gebildet, welche mit einem I-Bild beginnt und mit dem Bild unmittelbar vor dem nächsten I-Bild in der Folge endet. Im Falle eines MPEG-2-Codierers kann die Eingabebildfolge entweder eine Folge mit Feld- bzw. Teilbild- oder Frame- bzw. Vollbildstruktur sein, welche von einer Zeilensprung- bzw. Halbbild- oder progressiven Quelle abgeleitet ist.
  • Alle Bilder werden vor dem aktuellen Codieren in kleinere und nicht überlappende Blöcke von Pixeldaten, die so genannten Makroblöcke (MBs), aufgeteilt. Jeder MB eines P- oder B-Bildes wird einem Bewegungsschätzprozess 102 ausgesetzt, in welchem der (die) Vorwärtsbewegungsvektor(en) und der (die) Rückwärtsbewegungsvektor(en) für den Fall eines B-Bild-MB bestimmt werden, indem Referenzbild(er) aus dem Graphikspeicher 101 benutzt werden. Mit dem (den) bestimmten Bewegungsvektor(en) wird die Bewegungskompensation 103 durchgeführt, wobei der Vorhersagemodus des MB innerhalb des Bildes oder zwischen den Bildern zunächst entsprechend der Genauigkeit des (der) gefun denen Bewegungsvektors (Bewegungsvektoren) bestimmt wird, gefolgt von dem Erzeugen des notwendig vorhergesagten MB. Für den Fall eines I-Bild-MB oder eines Intern-Mode-MB ist der vorhergesagte MB der Eingangs- bzw. Eingabe-MB (d. h. keine Vorhersage).
  • Der vorausgesagte MB wird auf der Basis von Quantisiermatrizen (QM) und der Quantisierschrittweite (QS) einer diskreten Cosinus-Transformation (DCT) 104 und einem DCT-Koeffizientenquantisieren 105 ausgesetzt, Man beachte, dass für MPEG-2 auf Teilbild- oder Vollbild basierendes DCT in 104 ausgewählt werden kann. Die quantisierten DCT-Koeffizienten des MB werden dann bei 106 mit variablen Längencodes (VLC) Lauflängen-codiert und mit aller notwendigen Nebeninformation gemultiplext, z. B. ausgewählten Bewegungsvektoren, MB-Codiermoden, Quantisierschrittweite, Bild- und Folgeinformation, um den Bitstrom bzw. Datenstrom am Ausgang zu bilden. Der Bitstrom wird am Codiererausgangspuffer 107 für das Ausgeben bei 108 gespeichert.
  • Das lokale Decodieren wird durch inverses Quantisieren der quantisierten DCT-Koeffizienten 109 ausgeführt, gefolgt von inverser DCT 110, notwendiger Bewegungskompensation 103 und schließlich Speichern des rekonstruierten MB im Graphikspeicher 101. Das lokale Decodieren wird so ausgeführt, dass die Referenzbilder, welche von der Bewegungskompensation 103 benutzt werden, identisch zu jenen sind, welche bei einem externen Decodierer zu nutzen sind.
  • Die Quantisierschrittweite QS, welche in 118 zum Quantisieren der DCT-Koeffizienten für jedes MB benutzt werden, hat einen direkten Einfluss auf die Anzahl von Bits, welche am Ausgang des Lauflängen-VLC-Codierprozesses 106 hergestellt werden, und damit auf die durchschnittliche Ausgangsbitrate. Sie hat auch einen direkten Einfluss auf die Codierqualität, welche die Ausgangsbildqualität am entsprechenden Decodierer ist. Im Allgemeinen erzeugt ein größeres QS eine niedrigere Ausgangsbitrate und niedrigere Codierqualität. Um die Ausgangsbitrate und Bildqualität so zu steuern, dass der sich ergebende Bitstrom sowohl der Kanalbandbreite oder den Speicherlimitierungen als auch den Qualitätserfordernissen genügt, werden Algorithmen für die Ratensteuerung und die Steuerung des Quantisierens genutzt.
  • Bisher benutzte Verfahren zur Ratensteuerung und zur Steuerung des Quantisierens können in dem MPEG-2 TM5 (Testmodell 5) gefunden werden, welches in drei Stufen zusammengefasst werden kann. Stufe eins ist der Bitzuordnungsprozess 112, welcher eine Zielanzahl von Bits (TI, TP oder TB jeweils) einem neuen I-, P- oder B-Bild zuweist, welches zu codieren ist. Die Zielanzahl von Bits kann wie folgt berechnet werden:
    Figure 00130001
    wobei
    XI = SIQI, XP = SPQP, XB = SB, QB,
    SI, SP, SB sind die Anzahl von Bits, welche durch vorher codiertes I-, P-, B-Bild jeweils erzeugt wurden, wie dies im Block 114 berechnet wird,
    QI, QP, QB sind durchschnittliche QS, welche durch vorher codiertes I-, P-, B-Bild jeweils benutzt wurde, wie dies durch Block 113 berechnet wird,
    Bit_Rate ist die Zielbitrate, welche bei 111 geliefert wird,
    Picture_Rate ist die Anzahl von Bildern, welche pro Sekunde codiert werden,
    KP und KB sind Konstanten (z. B. jeweils 1,0 und 1,4),
    NP und NB sind die Anzahl von P- und B-Bildern, welche in der aktuellen GOP verbleiben.
  • R ist die verbleibende Anzahl von Bits, welche der GOP zugeordnet sind, wobei R wie folgt aktualisiert wird:
    Nach dem Codieren eines Bildes, R = R – SI,P,B
    wobei SI, P,B die Anzahl von Bits ist, welche in dem gerade codierten Bild erzeugt wird (Bildtyp ist I, P oder B)
    Vor dem Codieren des ersten Bildes in einer GOP (ein I-Bild)
    R = G + R
    G = Bit_Rate*N/Picture_Rate
    N ist die Anzahl von Bildern in der GOP.
  • Im zweiten Schritt wird die Ratensteuerung 115 ausgeführt. Grundsätzlich beinhaltet dieser Schritt das Berechnen einer Referenz-Quantisierschrittweite QSref für jeden MB, basierend auf den Zielbits (TI, TP oder TB) für das Bild, auf der akkumulierten Anzahl von Bits, welche von den Zielbits benutzt werden, und auf einem virtuellen Puffermodell, wie es in MPEG-2 TM5 gegeben ist.
  • Zur Quantisierungssteuerung wird adaptives Quantisieren 118 im dritten Schritt benutzt. In diesem Schritt wird die berechnete QSref entsprechend den lokalen Aktivitäten des MB, wie durch einen MB-Aktivitätskalkulationsprozess 116 erzeugt, und die durchschnittliche MB-Aktivität des vorher kopierten Bildes (oder optional aktuellen Bildes), wie durch einen Halbbild- bzw. Vollbild-Aktivitätsmittlungsprozess 117 hergestellt wird, skaliert. Dieses Skalieren wird entsprechend einem Pegel von Maskiereffekten des Rauschcodierens durch menschliches Wahrnehmen für MBs mit hohen oder niedrigen Aktivitäten innerhalb eines Bildes durchgeführt. Wie vorher erwähnt, kann ein Beispiel einer adaptiven Quantisiertechnik im US-Patent Nr. US-A-5,650,860, "Adaptive Quantization" bzw. "Adaptives Quantisieren", gefunden werden.
  • Der Frame- bzw. Vollbild-Bitzählmodul 114 kann einen Videopuffer-Verifizierer (VBV) beinhalten, welcher ein virtuelles Modell eines Eingangspuffers eines externen Decodierers ist. Der VBV wird in derartiger Weise aufrecht erhalten, dass Unterlauf und Überlauf verhindert werden, wie dies durch den MPEG-Standard gefordert wird, um sicherzustellen, dass die Zielbitrate 111 beibehalten wird. Techniken zum Detektieren und Schützen vor Unterlauf können auch im US-Patent Nr. US-A-5,650,860 gefunden werden.
  • Wie erwähnt, berücksichtigt diese Art des Codierens nicht die aktuelle oder die sich verändernde Komplexität der Videoszenen, welche in der Eingangsbildfolge 100 enthalten ist. Folglich kann die wahrnehmbare Qualität der resultierenden Bilder von gut bis störend von Szene zu Szene sich ändern, entsprechend der Komplexität der Szene. Variables Bitraten-(VBR-)Codieren kann deshalb auf einzelne Segmente der Bildfolgen angewandt werden, abhängig von der Komplexität der Szene, um die Bitratenzuweisung und die codierte Bildqualität und Einsparen der Bandbreite, welche z. B. zum Codieren von komplexe ren Szenen benutzt wird, zu maximieren. Existierende VBR-Steueralgorithmen, wie z. B. diejenigen, welche im US-Patent US-A-5,650,860 veröffentlicht werden, benötigen jedoch viele Codierdurchläufe, um die Datenbits richtig zu verteilen. VBR-Codierer mit Vielfachdurchlauf erfordern große Massenspeicher für das Speichern der dazwischenliegenden Bitnutzinformation und großen Rechenaufwand für die zusätzlichen Durchläufe und das Erzeugen der Bitbudgets, und außerdem können diese Techniken die Eingangsfolge nicht in Echtzeit bearbeiten.
  • Bevor eine Eingangsbildfolge codiert wird, wird ein Codierer entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer maximalen und minimalen Bitrate der Zielanwendung (die minimale Bitrate für einige Anwendungen kann null sein), und einer Zielqualität für codierte Bilder eingestellt. Eine Anfangszielbitrate wird dann eingestellt oder erzeugt. Der Codierer komprimiert die Eingangsfolge entsprechend dieser Zielbitrate, wobei er herkömmliche Steuerverfahren der Bitrate verwendet.
  • Nach dem Codieren eines Bildes oder einer gewissen Anzahl von Bildern wird die Codierqualität (Qualität der codierten Bilder) gegenüber dem Ziel bzw. der Zielvorgabe gemessen. Wenn die Codierqualität niedriger als die Zielqualität ist, wird die Zielcodierbitrate erhöht. Auf der anderen Seite, wenn die Codierqualität höher als die Zielqualität ist, wird die Zielbitrate erniedrigt. Das Einstellen des Pegels der neuen Zielbitrate kann von der aktuellen Zielbitrate und der vorhergesagten Bitrate, welche auf der Codiergeschichte basieren, abhängen, so dass diese nicht unnötigerweise überjustiert wird. Die neue Zielbitrate wird auch gegenüber der maximal und minimal definierten Bitrate geprüft.
  • Der Codierer justiert sein Ratensteuerungssystem mit der neuen Zielbitrate erneut und fährt fort, den Rest der Eingangsfolge zu codieren. Außerdem kann der Codierer den VBV sichern, entsprechend existierender Verfahren, wobei die maximal definierte Bitrate und/oder die Zielbitrate benutzt werden. Der Vorgang des Bestimmens einer neuen Zielbitrate, welche auf der Codierqualität des (der) vergangenen codierten Bildes (Bilder) basiert, wird, soweit nötig, wiederholt.
  • In 2 wird ein Blockschaltbild eines Codierers 250 für Bewegtbilder mit Einmaldurchlauf und variabler Bitrate entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Fachleute werden erkennen, dass eine Anzahl der Funktionsblöcke, welche dargestellt werden, mit dem herkömmlichen MPEG-Codierer gemeinsam sind, welche oben beschrieben wurde. Der Eingang 200 der Bewegtbildfolge wird Bild für Bild entsprechend seinem möglichen zugeordneten Bildcodiertyp (I-, P- oder B-Bild) bearbeitet. Ein Graphikspeicher 201 wird benutzt, um zeitweise die Eingabebilder entsprechend der Notwendigkeit des erneuten Ordnens und Bearbeitens zu speichern. Jedes Eingabebild wird in Makroblöcke (MBe) zum Codieren aufgeteilt. Zeitweilige Redundanz jedes MB kann durch Bewegungsabschätzung 202 und Bewegungskompensation 203 entfernt werden.
  • Nach der notwendigen Bewegungskompensation wird MB einer diskreten Cosinus-Transformation (DCT) 204 und dem DCT-Koeffizientenquantisieren 205, welches auf den Quantisiermatrizen und der Quantisierschrittweite beruht, unterzogen. Der quantisierte MB des I- oder P-Bildes wird invers quantisiert 209, wird invers diskret Cosinus-transformiert 210 und wird einer entsprechenden Bewegungskompensation 203 unterzogen, so dass der quantisierte MB rekonstruiert und lokal im Graphikspeicher 201 für den Bedarf zukünftiger Bewegungsschätzung und Kompensation gespeichert wird. Der quantisierte MB wird mit VLC (variables Längencodieren) bei 206 Lauflängen-codiert, zusammen mit aller notwendigen Nebeninformation, um den codierten Bitstrom der Eingangsfolge zu prüfen. Der codierte Bitstrom wird in einem Ausgangspuffer 207 des Codierers zum Ausgeben bei 208 mit gewünschten Datenraten gespeichert.
  • Die Verfahren der Bewegungsschätzung 202, der Bewegungskompensation 203, der DCT 204, des DCT-Koeffizientenquantisierens 205, des Lauflängen-VLC-Codierens 206, des inversen Quantisierens 209 und der inversen DCT 210 können so beschaffen sein, wie sie in den ISO/IEC MPEG-1- oder MPEG-2-Standards definiert und/oder erlaubt sind.
  • Vor dem Codieren werden die Zielqualität des Codierens 219 und die maximale/minimale Bitrate 211 eingestellt. Die maximalen und minimalen Bitraten (BRmax und BRmin), welche als Bits pro Sekunde gegeben sind, definieren die Grenzbitraten, welche der Codierer zu bearbeiten haben wird, und die Zielqualität definiert die codierte Bildqualität, welche der Codierer durch konstantes Justieren einer Zielbitrate innerhalb der gegebenen Bitratengrenzen erzielen wird. Die minimale Bitrate kann auf null gesetzt werden.
  • Am Anfang kann die Zielbitratenschätzung 222 basierend auf der Zielqualität und den maximalen/minimalen Bitraten durchgeführt werden, um eine Anfangszielbitrate (BTtarget) zu erzeugen. Eine derartige Abschätzung kann auf experimentell bestimmten festen Werten beruhen, welche keinen direkten Bezug auf das zu codierende Bild (Bilder) haben dürfen. Mit der Zielbitrate wird die Bitzuordnung 212 durchgeführt, um eine Zielanzahl von Bits für das Bild, welches zu codieren ist (TI,P,B), zu bestimmen. Ein Ratensteuergerät 215 legt eine Referenz-Quantisierschrittweite (QSref) für jeden MB basierend auf der geschätzten Anzahl von Bits für das Bild (TI,P, B) und die Bitnutzung durch den Lauflängen-VLC-Codierer 206 fest. Die QSref für jeden MB im Bild, welcher zu codieren ist, kann z. B. wie folgt berechnet werden:
    Figure 00190001
    wobei
    DI,P,B die virtuelle Pufferfülle des entsprechenden I-, P- oder B-Bildes ist, aktualisiert (nach dem Codieren jedes MB) aufgrund des Unterschiedes zwischen den durch den MB benutzte Bits und den Bits, welche dem MB zugeordnet sind, auf der Basis des entsprechenden TI,P,B,
    ein Satz von Anfangswerten für DI, DP, DB als Folgestart angenommen werden kann, und
    KI eine Konstante (z. B. 31) ist.
  • Adaptives Quantisieren 218 kann angewendet werden, indem das festgelegte QSref entsprechend der lokalen Aktivitäten des MB, wie es durch den MB-Aktivitätsberechnungsprozess 216 und die durchschnittliche MB-Aktivität für das vorher codierte (oder optional aktuelle) Bild skaliert werden, wie dies durch den Vollbildaktivitäts-Mittlungsprozess 217 hergestellt wird. Beispielhafte Implementierungen der MB-Aktivitätsberechnung 216, der gemittelten Vollbild- bzw. Frame-Aktivität 217 und des adaptiven Quantisiervorgangs 218 sind in MPEG-2 TM5 zu finden. Die Ausgangs-Quantisierschrittweite (QS) wird für die quantisierten DCT-Koeffizienten des MB genutzt.
  • Nach Codieren eines Bildes wird die Anzahl der Bits (SI,P,B entsprechend dem Wert für das I-, P- oder B-Bild), welche durch Codieren des Bildes erzeugt werden, durch den Frame-Bit-Zähler 214 akkumuliert, und die Quantisierschrittweite (QS) wird durch einen Frame-Q-Schrittmittlungsprozess 213 gemittelt. Die codierte Bildqualität wird auch durch den Frame-Qualitätsmessvorgang 220 bestimmt. Ein Verfahren zum Bestimmen der codierten Bildqualität besteht darin, dass der Durchschnittswert der Referenz-Quantisierschrittweite (QSaverage) welcher zum Codieren des Bildes benutzt wird, ungefähr den Betrag des Quantisier rauschens im codierten Bild anzeigt. Bei diesem Verfahren wird die Zielqualität, welche bei 219 eingestellt wird, als die Zielreferenz-Quantisierschrittweite (QStarget) definiert. Drei unterschiedliche QStarget-Werte können bei 219 für entsprechende I-, P- und B-Bilder eingestellt werden; alternativ können die Werte berechnet werden durch:
    QStarget für I-Bilder = QStarget
    QStarget für P-Bilder = KP*QStarget
    QStarget für B-Bilder = KB*QStarget
    wobei
    KP und KB Konstanten sind, welche experimentell bestimmt werden können (Beispiel KP = 1,0 und KB = 1,4).
  • Eine weitere Bedingung kann für das letzte QStarget für B-Bilder so angewendet werden, das es nicht niedriger als das QSaverage des letzten codierten I- oder B-Bildes ist, so dass die Bits effizient benutzt werden können, um die Qualität der Anker-I- oder P-Bilder zuerst zu verbessern, bevor die Qualität der B-Bilder verbessert wird.
  • Bei dem Prozess des Frame-Qualitätsmessvorgangs 220 wird die Zielqualität QStarget mit der Bildqualität QSaverage verglichen. Da ein hoher Wert von QSaverage ein höheres Quantisierrauschen mit sich bringt und deshalb eine niedrigere codierte Bitqualität, wenn der Wert von QSaverage höher als QStarget herausgefunden wird, wird der Unterschied der zwei Werte benutzt, um die Zielbitrate (BRtarget) an der Zielbitraten-Schätzeinrichtung 222 zu erhöhen. Auf der anderen Seite, wenn QSaverage niedriger als QStarget ist, wird BRtarget an der Zielbitraten-Schätzeinrichtung 222 erniedrigt. Optional kann der Wert von QStarget am Ratensteuergerät 215 als eine untere Grenze für den Endausgang QSref-Wert so benutzt werden, dass, wenn dieses Ziel erreicht ist (Zielqualität erreicht ist), Bits sofort für zukünftiges Codieren ge spart werden können. Daher kann die Ausgangsreferenz-Quantisierschrittweite am Ratensteuergerät 215 entsprechend eingestellt werden:
    wenn (QSref < QStarget), dann QSref = QStarget.
  • Für die Zielbitratenschätzung kann ein Raten-Quantisiermodell, z. B. wie es von Wei Ding und Bede Liu, "Rate Control of MPEG Video Coding and Recording by Rate-Quantization Modelling", IEEE Trans. on Circuit and Systems for Video Technology, Band 6, Nr. 1, Februar 1996, entwickelt wurde, angewendet werden. Um große Schätzfehler oder komplexes lokales Anpassen des Ratenquantisiermodells zu vermeiden, kann eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Verfahren der Zielbitratenabschätzung bestehen, welches die Schritte des Vorhersagens einer Bitrate (BRpredicted) an einem Bitraten-Vorhersagegerät 221 aufweist, basierend auf Bits, welche für das Codieren des letzten I-, P- und B-Bildes benutzt wurden, und des Schätzens einer neuen Zielbitrate (BRtarget) am Zielbitraten-Schätzgerät 222 basierend auf der vorhergesagten Bitrate und der Differenz zwischen QSaverage und QStarget. Die vorhergesagte Bitrate (BRpredicted) und die neue Zielbitrate (BRtarget) können wie folgt berechnet werden:
    Figure 00210001

    wenn (BRtarget > BRmax), dann BRtarget = BRmax
    wenn (BRtarget < BRmin), dann BRtarget = BRmin
    wobei
    SI, SP, SB die Anzahl von Bits sind, welche durch vorher codiertes I-, P-, B-Bild erzeugt wurden,
    nP die Gesamtzahl der P-Bilder in der aktuellen GOP ist,
    nB die Gesamtanzahl der B-Bilder in der aktuellen GOP ist, und
    K2 eine Konstante oder ein Faktor von BRpredicted, BRmax oder BRtarget sein kann.
  • Die neue Zielbitrate (BRtarget) kann nach dem Codieren jedes Bildes oder nach Codieren einer gewissen Anzahl von Bildern berechnet werden. Der Bitzuordnungsprozess 212 und das Ratensteuergerät 215 werden mit dem neuen BRtarget-Wert aktualisiert, sobald er berechnet ist. Eine Ausführungsform des Bitzuordnungsprozesses 212 weist die Schritte auf:
    • a) Vor dem Codieren des ersten Bildes in einer Gruppe von Bildern (GOP) Bestimmen von R, welches die verbleibende Anzahl von Bits ist, welche der GOP zugeteilt ist:
      Figure 00220001
      wobei: N ist die Anzahl der Bilder in der GOP, R = 0 vor dem Start der Folge, und + = ist die Akkumulierfunktion.
    • b) Auf der anderen Seite, wenn das Bild, welches zu codieren ist, nicht das erste Bild einer GOP ist und eine neue Zielbitrate (BRtarget) bestimmt wird, dann Aktualisieren von R, wie dies gegeben ist durch:
      Figure 00220002
      dann setze BRoldtarget = BRtarget wobei: NP und NB die Anzahl der P- und B-Bilder sind, welche in der aktuellen GOP verbleiben.
    • c) Erhalten der Durchschnitts-Quantifizierschrittweite (QI, QP oder QB) aus den vorher codierten Bildern (jeweils I-, P- oder B-Bild), wie dies durch den Frame-Q-Schrittmittlungsprozess 213 bestimmt wird.
    • d) Erhalten des Wertes der Anzahl von Bits (SI, SP oder SB), welche benutzt werden, um die letzten I-, P- oder B-Bilder aus dem Frame-Bit-Zählen 214 zu codieren, und Entfernen der Anzahl von Bits, welche von dem letzten codierten Bild (SI,P,B) aus R benutzt wird, folglich ist: R- = SI wenn das letzte codierte Bild ein I-Bild ist, R- = SP wenn das letzte codierte Bild ein P-Bild ist, R- = SB wenn das letzte codierte Bild ein B-Bild ist.
    • e) Schließlich Bestimmen der Zielanzahl von Bits (TI, TP oder TB), welche benutzt werden, um das aktuelle Bild zu codieren. TI, TP oder TB für das jeweilige I-, P- oder B-Bild werden z. B. gegeben durch:
      Figure 00230001
      wobei XI – SIQI, XP – SPQP, XB = SB'QB' KP und KB Konstanten sind.
    • Ein Minimalwert (Tmi n) kann als die untere Grenze für TI, TP, TB gesetzt werden. Zum Beispiel:
      Figure 00240001
      wobei K3 eine Konstante (z. B. 8) ist.
  • 3 ist ein Blockschaltbild, welches eine andere Ausführungsform eines Codierers 350 für Bewegtbilder mit einmaligem Durchlauf bei variabler Bitrate entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform wird die Codierqualität durch Vergleichen des originalen Eingangsbildes, welches vom Eingang 300 genommen wird, und dem lokal decodierten Bild 325 bestimmt. Herkömmliche Verfahren, wie z. B. Messungen mit durchschnittlichem quadratischem Fehler (MSE) oder des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), können zum Vergleich benutzt werden. Diese Messung wird ferner bei der Frame-Qualitätsmessung 320 mit der definierbaren Zielqualität 319 verglichen. Wenn die Codierqualität geringer als die Zielqualität ist, wird das Zielbitraten-Schätzgerät 322 die Zielbitrate höher setzen; auf der anderen Seite, wenn die Codierqualität größer als die Zielqualität ist, wird die Zielbitrate niedriger gesetzt.
  • Ein Eingangsbild oder eine gegebene Anzahl von Eingangsbildern werden zunächst mit einem Initial- bzw. Anfangssatz von Codierparametern codiert. Jedem dieser Bilder kann ein Bildcodiertyp entweder eines I-, P- oder B-Bildes gegeben werden. Es kann die Codiertechnik, wie z. B. diejenige, welche durch MPEG-1- oder durch MPEG-2-Standards definiert ist, genutzt werden. Derartige Techniken beinhalten Bewegungsschätzung 302, Bewegungskompensation 303, diskrete Cosinus-Transformation 304, DCT-Koeffizientenquantisieren 305 und Lauflängen-VLC-Codieren 306 zur zeitlichen, räumlichen und statistisch redundanten Reduktion. Ein Graphikspeicher 301 wird zum Speichern der Eingangsbilder für die Anforderungen des Neuordnens und des Bearbeitens benutzt.
  • Bevor jedes Bild codiert wird, wird dessen Zielbetrag an Bits durch den Bitzuordnungsprozess 312 auf der Basis eines Initialsatzes von Codierparametern als auch durch eine aktualisierte Information vom Frame-Q-Schrittmittlungsprozess 313 und vom Frame-Bit-Zählen 314 gesetzt. Das Ratensteuergerät 315 bestimmt die Referenz-Quantisierschrittweite für jeden MB, während das Bild codiert wird. Das herkömmliche adaptive Quantisieren 318, welche von der MB-Aktivitätsberechnung 316 und dem Frame-Aktivitätsdurchschnitt 317 abhängt, kann für jede Referenz-Quantisierschrittweite angewandt werden, um die End-Quantisierschrittweise für das DCT-Koeffizienten-Quantisiergerät 305 zu erzeugen.
  • Die codierten Bilder werden durch inverses Quantisieren 309, inverses diskretes Cosinus-Transformieren 310, inverse Bewegungskompensation 303 decodiert, um die lokal decodierten Bilder 325 zu bilden. Dies wird in dem Graphikspeicher 301 gespeichert, um, wenn nötig, für zukünftige Vorhersagen (d. h. Ankerbilder) genutzt zu werden. Die lokal decodierten Bilder 325 werden mit Bezug auf die originalen Eingangsbilder 300 zum Codieren der Qualitätsbestimmung 324 genutzt. Die bestimmte Codierqualität wird mit der Zielqualität, welche durch 319 beim Frame-Qualitätsmessprozess 320 gegeben ist, verglichen. Es ist auch möglich, die bestimmte Codierqualität durch die Bildaktivität (ACTaverage) vor dem Vergleich zu versetzen, um somit die Maskiereffekte des menschlichen Sichtsystems gegenüber dem Durchschnittspegel der Aktivität innerhalb des Bildes zu berücksichtigen. Wenn z. B. die Codierqualität durch das Spitzensignal-zu-Rausch-Verhältnis bestimmt wird, dann kann die resultierende Codierqualitätsdifferenz (SNRdiff) am Ausgang der Frame-Qualitätsmessung 320 gegeben werden durch: SNRdiff = SNRtarget – (SNRpicture + K5 × ACTaverage)wobei:
    SNRpicture das Ausgangssignal der Codierqualitätsmessung 324 ist,
    SNRtarget die Zielqualität, welche bei 319 definierbar ist, ist,
    K5 eine Konstante (z. B. 0,018) ist, und
    ACTaverage die durchschnittliche MB-Leuchtstärkenblockvarianz ist.
  • Ein Verfahren zum Justieren von BRtarget basierend auf SNRdiff an dem Zielbitraten-Schätzgerät 322 wird gegeben durch: BRtarget = BRpredicted + K6 × BRcurrent × SNRdiff wenn (BRtarget > BRmax), dann BRtarget = BRmax
    wenn (BRtarget < BRmin), dann BRtarget – BRmin
    wobei
    BRpredicted das Ergebnis des Bitraten-Vorhersagers 321 ist,
    BRcurrent der vorherige Wert von BRtarget ist, welcher am aktuellen Bitratenspeicher 323 gespeichert ist,
    K6 eine gebräuchliche Konstante ist,
    BRmax und BRmin die maximale und minimale Bitrate sind, welche bei 311 eingestellt werden.
  • Der Bitzuordnungsmodul 312 und das Ratensteuergerät 315 nehmen die aktualisierte BRtarget von dem Targetbitraten-Schätzgerät 322 und vollführen die notwendige Bitzuordnung und Bitratensteuerung so durch, dass die sich ergebenden, komprimierten Bewegtbild-Bitströme eine codierte Bitrate nahe zu BRtarget ha ben. Existierende Techniken des Detektierens eines Unterlaufs und der Sicherung des VBV (Videopuffer-Verifizierers) können angewendet werden, indem BRmax als Referenzbitrate benutzt wird, um sicherzustellen, dass die maximale Bitrate des Ausgangsbitstromes nicht überschritten wird.
  • Da die Zielbitrate BRtarget zum Codieren auf der Basis der Rückkopplung der Codierqualität adaptiert wird, wird die Codierqualität immer auf eine definierte Zielqualität hin konvergieren. Auf diese Weise passt das Codieren variable Bitraten in Echtzeit innerhalb eines einzelnen Rechendurchlaufs an, und der Codierprozess kann besser auf Veränderungen in der Komplexität, welche in der Szene von Bewegtbildern enthalten sind, abgestimmt werden. Die gesamt erhältliche Qualität der Folge von codierten Bewegtbildern wird relativ gleichmäßig mit Bezug auf das definierte Ziel sein.
  • Ausführungsformen entsprechend der vorliegenden Erfindung können vereinfachte Modelle zur Schätzung der Zielbitrate anpassen, welche auf Rückkopplung und Vorhersage basieren. Der Gesamteinfluss auf die Komplexität des Implementierens und des Berechnens sowie auf die Anforderungen an den Codierer bezüglich des Speicherns werden minimiert.
  • Die vorhergegangene detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung wurde nur als Beispiel gegeben, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese als einschränkend gegenüber der Erfindung betrachtet werden, wie dies in den hier angehängten Patentansprüchen definiert wird.

Claims (41)

  1. Verfahren zur variablen Bitratensteuerung in einem Codieren zur Bildbewegung in einem einzelnen Arbeitsgang, welches aufweist: Auswählen (219; 319) einer Codierqualität für ein Zielbild; Auswählen (211, 311) oberer und unterer Bitratengrenzen; Codieren (206, 212; 306) wenigstens eines Bildes basierend auf einer Zielbitrate innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen: Vergleichen (220, 320) der Codierqualität des wenigstens einen codierten Bildes mit der Codierqualität für das Zielbild; Gekennzeichnet durch: Codieren in einem einzelnen Arbeitsgang durch: Vorhersagen einer aktuellen Bitrate (221; 321) und einer Codierqualität (220; 324) basierend auf dem Ergebnis des Codierschrittes durch Betrachten der Anzahl von Bits, welche benutzt werden, um die letzten Bilder des gleichen Typs (I, B oder P) zu codieren, und Berücksichtigen der Anzahl jedes Bildtyps in einer Gruppe von Bildern; Einstellen (220; 320) der Zielbitrate innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen entsprechend dem Ergebnis des Vergleiches und der vorhergesagten Bitrate zum Codieren nachfolgender Bilder; und Wiederholen der Codier-, Vorhersage-, Vergleichs- und Einstellschritte für jedes Bild in der Gruppe von Bildern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Codierens wenigstens eines Bildes aufgrund der Zielbitrate das Fest legen (212, 312) einer Zielbitzuweisung für das wenigstens eine Bild beinhaltet, wobei die Zielbitrate benutzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bilder, welche zu codieren sind, in Gruppen von Bildern angeordnet sind, welche ein I-Bild und wenigstens ein P-Bild und/oder B-Bild aufweisen, und wobei die Zielbildzuweisung (212, 312) für jedes Bild oder die Mehrheit der Bilder in jeder Gruppe von Bildern eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bildcodierqualität auf der Codier-Quantisierschrittweite basiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bildcodierqualität auf einem durchschnittlichen quadratischen Fehler basiert.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bildcodierqualität auf einem Signal-Rausch-Verhältnis basiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Schritt des Vergleichens das Messen einer Differenz (324) zwischen den entsprechenden Eingangs- und lokal decodierten Bildern beinhaltet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, welches das Messen (317) einer durchschnittlichen Bildaktivität für die bewegten Bilder und das Modifizieren der gemessenen Differenz in der Bildcodierqualität auf der Grundlage der durchschnittlichen Bildaktivität beinhaltet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, welches das Messen eines Signal-Rausch-Verhältnisses für wenigstens ein vorher codiertes Bild und das Bestimmen der Zielbitrate basierend auf der vorhergesagten aktuellen Bitrate und einer Differenz zwischen dem gemessenen Signal-Rausch-Verhältnis und einem Ziel-Signal-Rausch-Verhältnis als Zielbildcodierqualität beinhaltet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorhergesagte aktuelle Bitrate und die Zielbitrate festlegt werden nach: SNRdiff = SNRtarget – (SNRpicture + K5 × ACTaverage)
    Figure 00300001
    BRtarget – BRpredicted + K6 × BRcurrent × SNRdiff wobei: SNRpicture das gemessene Signal-Rausch-Verhältnis ist, SNRtarget das Ziel-Signal-Rausch-Verhältnis ist, ACTaverage die gemessene Durchschnittspixelaktivität ist, K5 und K6 Konstanten sind, SNRdiff die gemessene Differenz in der Bildcodierqualität ist, BRpredicted die vorhergesagte aktuelle Bitrate ist, Si, Sp, SB die Anzahl von Bits sind, welche durch die jeweils vorher codierten I-, P-, B-Bilder erzeugt werden, nP eine Gesamtzahl von P-Bildern in der Gruppe von Bildern ist, nB eine Gesamtanzahl der B-Bilder in der Gruppe von Bildern ist, BRcurrent ein vorher festgelegtes BRtarget ist, und BRtarget die Zielbitrate ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zielbildcodierqualität auf einer Zielcodier-Quantisierschrittweite basiert.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei unterschiedliche Ziel-Quantisierschrittweiten für I-, P- und B-Bilder ausgewählt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, welches das Messen (312) einer durchschnittlichen Quantisierschrittweite für wenigstens ein vorher codiertes Bild und das Bestimmen (322) der Zielbitrate basierend auf der vorhergesagten aktuellen Bitrate (321) und einer Differenz zwischen der Zielcodier-Quantifizierschrittweite und der gemessenen durchschnittlichen Quantisierschrittweite beinhaltet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei maximale und minimale Bitraten entsprechend den oberen und unteren Bitratengrenzen ausgewählt werden, und wobei die vorhergesagte aktuelle Bitrate und die Zielbitrate festlegt werden nach:
    Figure 00310001
    wenn (BRtarget > BRmax), dann BRtarget = BRmax wenn (BRtarget < BRmin), dann BRtarget = BRmin wobei BRpredicted die vorhergesagte aktuelle Bitrate ist, BRtarget die Zielbitrate ist, BRmax die maximale Bitrate ist, BRmin die minimale Bitrate ist, SI, SP, SB jeweils die Anzahl von Bits sind, welche durch die vorher codierten I-, P-, B-Bilder erzeugt werden, nP eine Gesamtzahl der P-Bilder in der Gruppe der Bilder ist, nB eine Gesamtanzahl der B-Bilder in der Gruppe von Bildern ist, und K2 eine Konstante oder ein Faktor von BRpredicted, BRmax oder BRtarget ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 10 oder 14, welches das Bestimmen einer Anzahl von Bits R beinhaltet, welche für das Codieren der Gruppe von Bildern verbleibt, welches die Schritte aufweist: Vor dem Codieren eines ersten Bildes in der Gruppe von Bildern, das Bestimmen von R entsprechend
    Figure 00320001
    setze dann BRoldtarget = BRtarget wobei: N die Anzahl der Bilder in der Gruppe von Bildern ist, Picture_Rate die Anzahl der Bilder, welche pro Zeiteinheit codiert werden, ist, und BRtarget die Zielbitrate ist, R = 0 beim Start der Gruppe von Bildern, + = ist die Akkumulierfunktion, und vor dem Codieren jedes nachfolgenden Bildes in der Gruppe von Bildern das Bestimmen von R entsprechend:
    Figure 00320002
    setze dann BRoldtarget = BRtarget wobei: NP und NB die Anzahl der P- und B-Bilder sind, welche in der aktuellen Gruppe von Bildern übrig bleiben, BRtarget eine aktuelle Zielbitrate ist, und S eines von SI, SP oder SB entsprechend dem Bildtyp des vorher codierten Bildes ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner die Schritte aufweist: Erhalten von durchschnittlichen Quantisierschrittweiten QI, QP, QB aus jeweils vorher codierten I-, P-, B-Bildern; und Bestimmen der Zielbitzuweisung TI, TP, TB für ein jeweils aktuelles I-, P- oder B-Bild entsprechend
    Figure 00330001
    wobei XI = SIQI, XP = SPQP, XB = SB'QB' KP und KB Konstanten sind.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Zielbitzuweisungen TI, TP, TB einen niedrigeren Grenzwert Tmin besitzt, welcher festlegt wird nach:
    Figure 00330002
    wobei K3 eine Konstante ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Zielbitzuweisung genutzt wird, um ein Eingangsbild zu codieren, welches die Schritte aufweist: Ableiten von Makroblöcken aus dem Eingangsbild; Berechnen einer Quantisierschrittweite für jeden Makroblock entsprechend der Zielbitzuweisung und den benutzten Bits; Ausführen der Bewegungskompensation (203, 303), falls nötig für jeden Makroblock; Frequenztransformation (204, 304) jedes Makroblockes oder jedes bewegungskompensierten Makroblockes; Quantisierung (205, 305) jedes transformierten Makroblockes, wobei die berechnete Quantisierschrittweite benutzt wird; und Codieren (206, 306) des quantisierten Makroblocks.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Zielquantisierschrittweite als eine untere Grenze für die festgelegte Quantisierschrittweite benutzt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die festgelegte Quantisierschrittweite für jeden Makroblock durch einen entsprechenden Makroblock-Aktivitäts-Maskenfaktor moduliert wird und die Quantisierung ausgeführt wird, indem die modulierte Quantisierschrittweite benutzt wird.
  21. Steuergerät für einen Codierer (250; 350) zur Bildbewegung in einem Arbeitsgang, welches aufweist: einen Eingang (219; 319) zum Empfangen einer Zielbildcodierqualität; einen Eingang (211, 311) zum Empfangen oberer und unterer Bitratengrenzen; ein Steuergerät des Codierers (250; 350), wobei der Codierer angepasst ist, um in einem einzelnen Arbeitsgang wenigstens ein Bild entsprechend einer Zielbitrate innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen zu codieren; wobei das Steuergerät eine Vergleichsvorrichtung (220, 320) zum Vergleichen der Codierqualität des wenigstens einen codierten Bildes mit der Zielbildcodierqualität aufweist; das Steuergerät ist gekennzeichnet durch: Einrichtung(221, 220; 321, 324) zum Vorhersagen einer aktuellen Bitrate und einer Codierqualität basierend auf dem Ergebnis des Codierens in einem einzelnen Arbeitsgang durch Ansehen der Anzahl von Bits, welche zum Codieren der letzten Bilder des gleichen Typs (I, B oder P) benutzt wurde, und dem Berücksichtigen der Anzahl eines jeden Bildtyps in einer Gruppe von Bildern; Vorrichtung (220; 320) zum Einstellen der Zielbitrate innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs und der vorhergesagten aktuellen Bitrate zum Codieren nachfolgender Bilder.
  22. Steuergerät nach Anspruch 21, wobei das Codieren des wenigstens einen Bildes aufgrund der Zielbitrate das Bestimmen (212, 312) einer Zielbitzuweisung für das wenigstens eine Bild beinhaltet, wobei die Zielbitrate benutzt wird.
  23. Steuergerät nach Anspruch 22, wobei die Bilder, welche zu codieren sind, in Gruppen von Bildern angeordnet sind, welche ein I-Bild und wenigstens ein P-Bild und/oder B-Bild aufweisen, und wobei das Steuergerät die Zielbildzuweisung (212, 312) für jedes Bild oder die Mehrheit der Bilder in jeder Gruppe von Bildern einstellt.
  24. Steuergerät nach Anspruch 21, 22 oder 23, wobei die Bildcodierqualität auf der Codier-Quantisierschrittweite basiert.
  25. Steuergerät nach Anspruch 21, 22 oder 23, wobei die Bildcodierqualität auf einem durchschnittlichen quadratischen Fehler basiert.
  26. Steuergerät nach Anspruch 21, 22 oder 23, wobei die Bildcodierqualität auf einem Signal-Rausch-Verhältnis basiert.
  27. Steuergerät nach Anspruch 25 oder 26, wobei das Steuergerät einen lokalen Bilddecodierer und einen Komperator (324) zum Messen einer Differenz zwischen den entsprechenden Eingangs- und lokal decodierten Bildern beinhaltet.
  28. Steuergerät nach Anspruch 27, wobei das Steuergerät einen Bildaktivität-Prozessor (317) zum Messen einer durchschnittlichen Bildaktivität für die bewegten Bilder beinhaltet, und wobei das Steuergerät (320) die gemessene Differenz in der Bildcodierqualität auf der Grundlage der durchschnittlichen Bildaktivität modifiziert.
  29. Steuergerät nach Anspruch 28, wobei das Steuergerät einen Signal-Rausch-Prozessor (324) zum Messen eines Signal-Rausch-Verhältnisses für wenigstens ein vorher codiertes Bild und ein Bitrate-Vorhersageeinrichtung (321) zum Vorhersagen der aktuellen Bitrate beinhaltet, und wobei das Steuergerät (320) die Zielbitrate basierend auf der vorhergesagten aktuellen Bitrate und einer Differenz zwischen dem gemessenen Signal-Rausch-Verhältnis und einem Ziel-Signal-Rausch-Verhältnis als die Zielbildcodierqualität einstellt.
  30. Steuergerät nach Anspruch 21, wobei der Codierer für bewegte Bilder einen Frequenz-Transformationskoeffizienten-Quantisierer (304, 305) zum Quantisieren der codierten Bilddaten beinhaltet, und wobei das Steuergerät aufweist: Ein Bitratensteuergerät (315), welches zum Steuern der Quantisierschrittweite des Quantisiergerätes (305) angeschlossen ist, einen Komparator (320) der Quantisierschrittweite zum Vergleichen, als ein Maß für die Codierqualität, eines Mittelwertes der Schrittweite mit einer Zielquantisierschrittweite, d. h. basierend auf der Zielbildcodierqualität, einen Bitzuweisungsprozessor (312), welcher zur Steuerung des Bitratensteuergeräts (315) angeschlossen ist, entsprechend einer Anzahl von Bits, welche für das Codieren einer Gruppe von Bildern übrig bleiben, und ein Zielbitraten-Schätzgerät (322), welches angeschlossen ist, um die oberen und unteren Bitratengrenzen zu empfangen, und welches mit dem Bitzuweisungsprozessor (312) und dem Bitratensteuergerät (315) zum Steuern der Quantisierung verbunden ist, so dass die erforderliche Bitrate für die quantisierten Bilddaten innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen liegt.
  31. Codierer (250; 350) für in einem einzelnen Arbeitsgang erfolgende Bildbewegung, welcher aufweist: einen Bildeingang (200; 300) zum Empfangen von Daten für eine Vielzahl von bewegten Bildern; einen Zielqualität-Eingang (219; 319) zum Empfangen eines Zielqualitätsmaßes für codierte Bilder; einen Codierausgang (208; 308) für das Liefern codierter Bilddaten; einen Bitraten-Grenzwert-Eingang (211, 311) zum Empfangen oberer und unterer Bitratengrenzen für codierte Bilddaten; und gekennzeichnet ist durch: eine Bitraten-Vorhersageeinrichtung (221; 321) zum Vorhersagen einer aktuellen Bitrate basierend auf dem Ergebnis des Codierens in einem Arbeitsgang durch Ansehen der Anzahl von Bits, welche zum Codieren der letzten Bilder des gleichen Typs (I, B oder P) benutzt wurden, und Berück sichtigen der Anzahl eines jeden Bildtyps in einer Gruppe von Bildern; einen Frequenz-Transformationsprozessor (204; 304) zum Frequenztransformieren von Codierbilddaten von dem Bildeingang (200; 300); einen Koeffizientenquantisierer (205; 305) zum Quantisieren der codierten Bilddaten entsprechend einer Quantisierschrittweite; ein Codierqualitätsschätzfunktion (220; 324) zum Messen einer Codierqualität der quantisierten codierten Bilder; ein Bitratensteuergerät (215; 315) zum dynamischen Steuern der Quantisierschrittweite des Koeffizientenquantisiergerätes basierend auf der vorhergesagten aktuellen Bitrate und einem Vergleich der Zielqualität und der gemessenen Qualität, so dass das Ausgangssignal des Codierers innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen verbleibt.
  32. Videobildcodierer nach Anspruch 31, wobei die Bilder, welche zu codieren sind, in Gruppen von Bildern angeordnet sind, welche ein I-Bild und wenigstens ein P-Bild und/oder B-Bild aufweisen, welches ferner einen Frame-Bit-Zähler (214, 314) für eine Anzahl von verbleibenden Bits, welche für das Codieren einer Gruppe von Bildern verfügbar ist, und einen Bitzuweisungsprozessor (212, 312) zum Steuern des Bitratensteuergeräts (215, 315) entsprechend der verbleibenden verfügbaren Bits, um so eine Zielbitzuweisung für jedes Bild einzustellen, beinhaltet.
  33. Videobild-Codiergerät nach Anspruch 31 oder 32, welches ein Qualitätskomparator (220, 320) beinhaltet zum Vergleichen der Zielqualität mit der gemessenen Codierqualität, und wobei das Bitratensteuergerät (215, 315) die Quantisierschrittweite basierend auf einer Differenz zwischen den Ziel- und den gemessenen Qualitäten steuert.
  34. Videobildcodierer nach Anspruch 32, welcher ein Qualitätskomparator (220, 320) für das Vergleichen der Zielqualität mit der gemessenen Codierqualität beinhaltet, wobei das Bitratensteuergerät (215, 315) die Zielbitzuweisung (212, 312) einstellt, um eine Zielbitrate für das Bild zu erreichen, welche auf der Basis eines Ausgangssignals von dem Qualitätskomparator festlegt wird.
  35. Videobildcodierer nach Anspruch 31, 32, 33 oder 34, wobei die gemessene Codierqualität auf der Quantisierschrittweite basiert.
  36. Videobild-Codiergerät nach Anspruch 33, welches einen lokalen Decodierer (303) zum Codieren der quantisierten codierten Bilddaten und einen Qualitätsmessprozessor (324) zum Bestimmen einer Qualitätsdifferenz zwischen den entsprechenden Eingangs- und lokal decodierten Bildern enthält.
  37. Videobildcodierer nach Anspruch 36, wobei der Prozessor (324) zur Qualitätsmessung eine Differenz im Signal-Rausch-Verhältnis festlegt.
  38. Videobildcodierer nach Anspruch 36, wobei der Prozessor (324) zur Qualitätsmessung einen durchschnittlichen quadratischen Fehler festlegt.
  39. Videobildcodierer nach Anspruch 36, 37 oder 38, welcher einen Bildaktivitätsprozessor (317) zum Messen einer durchschnittlichen Bildaktivität für bewegte Bilder beinhaltet, und wobei der Prozessor (320) zur Qualitätsmessung die gemessene Differenz in der Bildcodierqualität auf der Basis der durchschnittlichen Bildaktivität modifiziert.
  40. Videobildcodierer nach Anspruch 37, welcher einen Signal-Rausch-Prozessor zum Messen eines Signal-Rausch-Verhältnisses für wenigstens ein vorher codiertes Bild und ein Vorhersageeinrichtung (321) für Bitraten zum Schätzen einer aktuellen Bitrate beinhaltet, und wobei das Bitratensteuergerät (315) die Zielbitzuweisung (312) basierend auf der geschätzten aktuellen Bitrate und einer Differenz zwischen dem gemessenen Signal-Rausch-Verhältnis und einem Ziel-Signal-Rausch-Verhältnis als Zielbildcodierqualität einstellt.
  41. Videobildcodierer nach Anspruch 31, welcher einen Komparator (220, 320) zum Vergleichen, als ein Maß für die Codierqualität, einer durchschnittlichen Schrittweite mit einer Zielquantisierschrittweite, welche auf der Zielbildcodierqualität basiert, einen Bitzuweisungsprozessor (215, 315), welcher angeschlossen ist, um das Bitratensteuergerät entsprechend einer Anzahl von Bits, welche zum Codieren einer Gruppe von Bildern übrig bleiben, zu steuern, und eine Zielbitratenschätzeinrichtung (220, 320) beinhaltet, welche angeschlossen ist, um die oberen und unteren Bitratengrenzen zu empfangen, und welche mit dem Bitzuweisungsprozessor und dem Bitratensteuergerät zum Steuern der Quantisierung verbunden ist, so dass die erforderliche Bitrate für die quantisierten Bilddaten innerhalb der oberen und unteren Bitratengrenzen liegt.
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