-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verteilung von Videoprogrammierungen.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
und Gerät
zum Verschlüsseln,
Formatieren, Speichern und Abrufen von ein Videoprogramm darstellenden
Daten als eine Vielzahl von zeitgleichen, überlappenden Darstellungen
des Videoprogramms, um einen virtuellen Zugriff auf Abruf auf eine
Einzelkopie des Videoprogramms durch praktisch jede beliebige Anzahl
von teilnehmenden Zuschauern zu ermöglichen.
-
2. Beschreibung des verwandten
Fachgebiets
-
Milliarden
von Dollar werden von Verbrauchern jährlich ausgegeben, um Filme
und andere fertig aufgenommene Videoprogrammierungen zum privaten
Abspielen nach Belieben zu leihen. Solche Videoprogrammierungen
können
in vielen Formen ausgeliehen werden, beispielsweise als Videokassettenbänder zum
Abspielen unter Verwendung eines Videokassettenrecorders (VCR),
Videodisks zum Abspielen auf Videodisk-Abspielgeräten oder
als CD-ROMs zum Abspielen unter Verwendung von Personalcomputern
und anderen Formen von CD-ROM-Spielern.
-
Das
Ausleihen von Videoprogrammierungen in dieser Art ist angenehm,
weil es dem Benutzer ermöglicht,
die Programmierung jederzeit und wie er will anzuschauen. Zum Beispiel
kann der Benutzer einen Teil des Programms zu einer bestimmten Zeit anschauen
und den Rest des Programms zu einer anderen Zeit. Ferner kann der
Benutzer bestimmte Teile des Programms noch einmal abspielen oder das
gesamte Programm mehrmals anschauen. Der Benutzer kann von jeder
beliebigen Stelle des Programms aus auf das Programm zugreifen,
indem er das Programm einfach schnell vor- oder zurücklaufen
lässt.
Dadurch ist der Benutzer von den Planungszwängen der verfügbaren Netz-
oder Kabelfernsehprogrammierung befreit.
-
Kabelfernseh-
und Direkt-Satellitensende-(DBS)-Gesellschaften möchten gern
auf diesem Schauplatz konkurrieren, indem sie den Benutzern dieselbe
Nutzungsfreiheit zur Verfügung
stellen, die sie durch den Videoverleih genießen. Diese zukunftsträchtige Dienstleistung
ist "Video auf Abruf" getauft worden.
Bei der Bereitstellung dieses Dienstes würden diese Gesellschaften einen
klaren Vorteil gegenüber
den Videoverleihunternehmen genießen, weil die Benutzer die
Bequemlichkeit ihres eigenen Heims nicht mehr verlassen müssten, um
sich eine Kopie des Videoprogramms auszuleihen (und sie auch nicht
zurückbringen müssten, wenn
sie damit fertig sind). Diese Gesellschaften waren jedoch durch
die bestehende Abspiel- und Verteilungstechnologie bisher beschränkt.
-
Es
wäre unerschwinglich
teuer für
eine Kabelfernsehgesellschaft, unter Verwendung der z. Zt. bekannten
Technologie echtes Video auf Abruf bereitzustellen. Um die Vorteile
von Videoverleih und Abspielen zu Hause nachzumachen, müsste die
Gesellschaft für
jeden Kabelteilnehmer eine eigene Abspielquelle in Verbindung mit
einer teuren Speicheranordnung bereitstellen, in der eine Videoprogrammbibliothek
enthalten wäre,
aus der der Teilnehmer Programme zum Abspielen über die ihm zur Verfügung gestellte
Quelle wählen
könnte.
Ferner müsste
die Kabelverteilungsinfrastruktur genügend Bandbreite zur Verteilung
eines unterschiedlichen Videoprogramms oder zumindest unterschiedlichen
Abspielens eines Videoprogramms für jeden an das Sendenetz angeschlossenen
Teilnehmer aufweisen. Dies wäre
natürlich
unmöglich
ohne einen technologischen Sprung und Verstärkung der gegenwärtigen Verteilungsinfrastruktur.
-
Ein
möglicher
Kompromiss wäre
die Erzeugung einer Vielzahl von überlappenden Wiedergaben (d.
h. Darstellungen) desselben Videoprogramms, so dass z. B. alle fünf Minuten
eine neue Präsentation des
Programms beginnen würde.
Für ein
zweistündiges
Videoprogramm würden
den Teilnehmern insgesamt 24 überlappende
Darstellungen des Programms zur Verfügung gestellt. Jeder Teilnehmer hätte dann
einen Empfänger,
mit dem wahlweise jede beliebige der 24 Darstellungen empfangen
werden könnte.
Zwar würde
ein Teilnehmer nicht vollständig in
den Genuss von Video auf Abruf kommen, der Zuschauer müsste jedoch
höchstens
fünf Minuten
warten, um mit der Ansicht des Programms in seiner Gesamtheit zu
beginnen (oder auf jede beliebige Stelle im Programm zuzugreifen).
Ferner könnte
der Teilnehmer das Programm durch Zugreifen auf eine andere der überlappenden
Darstellungen schnell vor- oder zurücklaufen lassen, wenn er auch
gezwungen wäre,
dies über
die Fünf-Minuten-Intervalle
zu tun.
-
Obwohl
ein derartiger Kompromiss sowohl die erforderliche Anzahl von Abspielhilfsmitteln
als auch die notwendige Bandbreite verringern würde, wären die Kosten für die Realisierung
eines derartigen Systems in der derzeit bekannten Technologie immer
noch unerschwinglich. Für
das obige Beispiel wären
24 Abspielquellen erforderlich, um 24 separate Darstellungen zu
erzeugen, die jeweils über
einen einer limitierten Anzahl von Kanälen übertragen würden, die das Verteilungsmedium
umfassen. Ferner könnte
ein derartiges System ohne hoch entwickelte Servertechnologie 24
separate Kopien des Programms erforderlich machen.
-
Kürzlich wurden
komplexe Plattenlaufwerkanordnungen oder Videoserver vorgeschlagen,
in deren Speichern jeweils Tausende von Videoprogrammen gespeichert
sind und die jeweils bis zu 200 Teilnehmer bedienen können. Die
Einführungskosten
für ein
Video-Abrufsystem für
die Millionen gegenwärtiger
Kabelteilnehmer würden
noch Kapitalinvestitionen von Milliarden von Dollar erforderlich
machen, vorausgesetzt dass eine derart fortgeschrittene Technologie
realisiert werden könnte.
Ferner würde
die vollständige
Realisierung eines auf dieser vorgeschlagenen Servertechnologie
basierenden Dienstes eine Neustrukturierung und Erweiterung der
gegenwärtigen
Kabel- und Telefon-Verteilungsnetzinfrastruktur über die nächsten Jahre mit Kosten von
zusätzlich
zwei Milliarden Dollar pro Jahr erforderlich machen, um die Bandbreite
zu erhöhen.
Die Implementierung VCR-artiger Funktionen, wie schneller Vor- und
Rücklauf,
würde nicht
nur die Komplexität der
Server erhöhen,
sondern auch auf die verfügbare Bandbreite übergreifen,
weil jeder Teilnehmer in der Lage sein muss, Befehle an den für ihn reservierten Server
zurückzugeben.
Derartige "Rückkanäle" sind nicht einmal
im Zusammenhang mit bestehenden DBS-Systemen und den meisten bestehenden
Kabelverteilungssystemen verfügbar.
-
Die
beste Dienstleistung, die Kabelfernseh- und DBS-Gesellschaften bisher
anbieten konnten, ist ein Abonnementdienst, bei dem die Benutzer
die Möglichkeit
haben, ein angebotenes Videoprogramm gegen eine Gebühr anzufordern
(entweder telefonisch oder direkt über das Kabelnetz). Die Gesellschaft
gestattet dem Teilnehmer dann, die gewählte Übertragung des Videoprogramms
zu einer vorbestimmten Zeit zu empfangen. Diese Dienstleistungen sind
jedoch weit von einem Video auf Abruf entfernt, da die Anzahl verfügbarer Programme
und die Anzahl von Anfangszeiten für die Programme streng limitiert
sind. Der Teilnehmer muss auch immer noch auf eine geplante Anfangszeit
warten, zu der ein gewünschtes
Programm über
das Verteilnetz übertragen
wird. Ferner hat der Teilnehmer nicht die Freiheit, die ihm ein
Heimabspielgerät
wie ein Videorecorder bietet; das Programm wird immer noch lediglich
passiv empfangen.
-
Demzufolge
besteht auf diesem Fachgebiet Bedarf für eine Technologie, die Verbraucher
mit praktisch beliebigem Zugriff auf lediglich eine Kopie eines
Videoprogramms über
lediglich eine Abspielquelle versorgen kann und mit der vorhandenen
Telefon- und Kabelverteilungsinfrastruktur betrieben werden kann.
-
Die
WO-A-91 03 112 offenbart eine Programmübertragungsvorrichtung, in
welcher das Programm in Segmente (Pakete) mit Elementen (Blöcken) aufgeteilt
ist. Ganze Segmente werden durch einen Ablaufplanungsalgorithmus
weiter überlappt und übertragen.
Die Elemente selbst überlappen
sich jedoch nicht.
-
WESEN DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und Gerät zur Codierung
und Formatierung von Daten einer Einzeldarstellung eines Videoprogramms
zur Speicherung und Übertragung
in Form von sich mehrfach überlappenden
Darstellungen des Videoprogramms unter Verwendung einer einzigen Abspielquelle.
Ein Verfahren, Gerät
und Empfänger gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
1, 8 bzw. 16 festgelegt. Das Videoprogramm kann als digitaler Datenstrom übertragen
werden, der derart formatiert ist, dass es einem Teilnehmer so vorkommt, als
ob ständig
eine Reihe von Segmenten desselben Programms zeitgleich über eine
Vielzahl von Unterkanälen
verteilt wird. Durch die Auswahl aufeinander folgender Segmente
zur Darstellung über
den Empfänger
(z. B. durch Fördern
des Unterkanals, auf den der Empfänger abgestimmt ist), kann
eine komplette Darstellung des Videoprogramms zusammengesetzt werden.
Ferner kann der Teilnehmer durch Herauf- oder Herunterschalten des
gewählten
Unterkanals einen schnellen Vor- oder Rücklauf durch das Programm vornehmen
und auf diese Weise ein späteres oder
früheres
Segment des Programms empfangen.
-
Mit
einem einstündigen
Programm, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung formatiert ist, kann man zum Beispiel
20 überlappende Darstellungen
des Programms simulieren lassen, wobei jede Darstellung (d. h. Programmsegment) drei
Minuten vor der vorausgehenden liegt. Ein Teilnehmer bräuchte maximal
nur drei Minuten bis zum Empfangsbeginn des vollständigen Programms
warten (d. h. bis die Segmente erneut beginnen) und wäre in der
Lage, das Programm im Drei-Minuten-Takt schnell vor- oder zurücklaufen
zu lassen. Demzufolge wäre
die größte Verzögerung,
die ein Teilnehmer bei einem selektiven Zugriff auf irgendeine beliebige
Stelle in dem Programm hinnehmen müsste (d. h. die Zugriffszeit),
drei Minuten. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Fähigkeit,
diese Funktionalität
mit einem einzigen Abspielhilfsmittel bereitzustellen, das einen
formatierten Datenstrom erzeugt, der sich mehrfach überlappende
Darstellungen des Videoprogramms repräsentiert.
-
Es
ist auf diesem Fachgebiet bestens bekannt, dass ein Videoprogramm
zwecks Übertragung des
Programms an Teilnehmer über
ein digitales Verteilungsmedium in einen digitalen Datenstrom umgewandelt
werden kann. Videoprogramme sind typischerweise als eine Reihe von
Szenen oder Rahmen organisiert, wobei jeder Rahmen einen zweidimensionalen
Bereich aus Bildelementen oder Bildpunkten umfasst. Jeder Bildpunkt
bzw. Pixel weist Merkmale wie Farbe und Helligkeit auf, die als
digitale Daten quantitativ bestimmt werden können. Dem Videoprogramm zugeordnete
Toninformationen können
ebenfalls in eine digitale Darstellung umgesetzt werden. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden die Bild- und Tonabschnitte
eines Videoprogramms unter Verwendung bekannter Techniken und Standards
in digitale Informationen umgewandelt.
-
Es
ist ebenfalls hinlänglich
bekannt, dass viele der in einem Videoprogramm enthaltenen Informationen überflüssig sind
(d. h. Bildpunkte in bestimmten Bereichen der Pixelmatrix verändern sich möglicherweise über eine
beachtliche Anzahl von Bildrahmen nicht). Ferner können Bereiche,
wo Änderungen
rasch vor sich gehen, die sich aus dem Abschneiden von Bildpunktmerkmale
darstellenden Daten ergebenden Artefakte oft tolerieren. Demgemäß können die
zur Darstellung eines Videoprogramms erzeugten digitalen Daten oft
erheblich komprimiert werden, wodurch die notwendige Speicherablage und Übertragungsbandbreite
minimiert werden. Demzufolge werden die Videodaten vorzugsweise unter
Verwendung einer bekannten Videodaten-Komprimierungstechnik komprimiert
(d. h. verschlüsselt),
um komprimierte Videodaten zu erzeugen. Die Bildinformationen umfassenden
digitalen Daten (sowohl vor als auch nach der Komprimierung) werden
in willkürliche
Einheiten eingruppiert, die Elemente genannt werden; ein Element
kann sich auf ein oder mehrere Videodatenbits beziehen, wobei sich
die Videodaten auf alle Daten beziehen, die zur Darstellung eines
Videoprogramms benötigt
werden, ob komprimiert oder nicht und einschließlich Bild-, Ton- und anderer zugeordneter
Informationen, aber nicht darauf beschränkt.
-
Die
Videodaten (komprimiert oder nicht) werden in n Untersequenzen oder
Segmente von Elementen aufgeteilt, die unterschiedliche Zeitabschnitte
des Videoprogramms darstellen, wobei jedes Segment eine geordnete
Folge von m Elementen umfasst. Die jede Untersequenz bildende geordnete Folge
von Elementen wird zur Erzeugung eines einzigen überlappten Datenstroms überlappt,
der in einer Ausführungsform
mit dem ersten Element jedes der N Segmente beginnt, dann dem zweiten
Element jedes Segments usw. in Segmentreihenfolge, bis er mit dem
m-ten Element des N-ten Segments endet. Dieser überlappte Datenstrom wird kontinuierlich über das
Verteilungsmedium übertragen.
-
Ein
Teilnehmer mit einem geeigneten Empfänger kann das gesamte Programm
rekonstruieren, indem er die Übertragung
beginnend mit dem ersten Segment des überlappten Datenstroms decodiert und
die m Elemente des ersten Segments folgerichtig auswählt und
zusammensetzt, während
der Empfänger
den überlappten
Datenstrom seriell analysiert. Der Empfänger setzt die ausgewählten und
zusammengesetzten Elemente wieder in Echtzeitbild und/oder -ton
um und präsentiert
dem Teilnehmer das erste Segment. Wenn die Übertragung des überlappten
Datenstroms wieder beginnt, wählt
der Empfänger
alle Elemente des zweiten Segments zur Rekonstruktion aus und wiederholt
diesen Vorgang, bis er die Decodierung der m Elemente mit dem N-ten Segment
abschließt.
Der Empfänger
dekomprimiert (d. h. entschlüsselt)
die zusammengesetzten Segmente kontinuierlich und setzt sie wieder
in Echtzeit um, um das Videoprogramm wieder in der Segmentreihenfolge
zu rekonstruieren, damit der Teilnehmer es anschauen kann.
-
Solange
die Übertragungsrate
des überlappten
Datenstroms zumindest "N"-mal der Datenrate "r" der Einzelsegmente entspricht, arbeitet
das System ordnungsgemäß. Für einen
gegebenen Wert r definiert demzufolge der Durchsatz des für die Übertragung
des überlappten
Datenstroms verwendeten Hilfsmittels die Anzahl von Segmenten, in
die das Programm geteilt werden kann. Die Betrachtungszeit eines
der N Segmente definiert die Zugriffszeit "T" des
Systems, die dem Abstand zwischen Anfangspunkten des Programms in
dem Intervallstrom entspricht. Ferner muss die notwendige Zeit zur
einmaligen Übertragung
des gesamten überlappten
Datenstroms kürzer
als oder gleich T sein.
-
Auf
diese Weise erhält
ein Teilnehmer auf eine geordnete Folge von N Segmenten des Videoprogramms
zeitgleich Zugriff über
N Unterkanäle, was
bedeutet, dass eine beliebige Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig
N überlappende
Darstellungen des Videoprogramms rekonstruieren kann, wobei jede
Darstellung eine für
die Rekonstruktion eines Videosegments benötigte Zeitspanne T vor ihrem
Vorgänger
abläuft.
Die Formatierung des das Videoprogramm darstellenden Datenstroms
funktioniert analog zum Verfahren des Zeitmultiplexbetriebs der
von einer Vielzahl von Kommunikationskanälen empfangenen Informationen.
Im Zusammenhang mit Kommunikationstechnik befördert jedoch jeder Kanal einen
anderen Dialog oder Programm, während
die vorliegende Erfindung ähnliche
Prinzipien ausschöpft,
um ein einziges Programm aufzubrechen und über getrennte Unterkanäle desselben
Kanals zu übertragen.
-
Eine
alternative bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wendet die Idee des statistischen Multiplexbetriebs
auf das Überlappungsverfahren
an, so dass Videosegmenten, die mehr Daten zum Aufrechterhalten
der gewünschten
Bildqualität
benötigen,
mehr Daten zugeteilt werden, während
anderen Segmenten des Programms, die weniger Daten benötigen, weniger
Daten zugeteilt werden, so dass die insgesamt zugeteilte Bandbreite
dieselbe bleibt. In dieser Ausführungsform
werden die Videodatenströme
zuerst in Untersequenzen unterteilt, die die Segmente darstellen,
und dann wird jede Untersequenz komprimiert und durch einen Statistikmultiplexer überlappt.
Zwar ist diese Ausführungsform
von der Realisierung her komplexer, jedoch liefert sie eine gleichmäßigere Bildqualität über das
ganze Programm hinweg.
-
In
einer Ausführung
der Erfindung werden die Komprimierungs- und Überlappungsvorgänge gemeinsam über eine
Kombination aus Software und Hardware durchgeführt, und der resultierende
verschlüsselte
und formatierte (d. h. überlappte)
Datenstrom, der das Programm darstellt, kann auf einer Diskette
oder einer anderen Form von Massenspeicherung gespeichert werden.
Der überlappte
Datenstrom kann sofort übermittelt
oder sequentiell aus dem Speicher abgerufen und über das Verteilungsmedium durch
eine relativ einfache Ausführungsform eines
Videoservers zyklisch an die Teilnehmer übertragen werden.
-
Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Dienste bereitzustellen,
die den Teilnehmern von Kabelfernsehen und Direktsendersatelliten
Video auf Abruf auf vorteilhafte Weise näher bringen, während sie
die erforderlichen Abspielmittel so minimal wie möglich halten
und auch die notwendige Bandbreite minimieren, um mit der bestehenden
Infrastruktur kompatibel zu bleiben.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus den folgenden detaillierten Beschreibungen ersichtlich, in denen:
-
1 das Überlappen mit entsprechendem Gegenvorgang
eines ein Videoprogramm darstellenden Datenstroms darstellt.
-
2 ein Blockdiagramm zur
Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
-
3 ein Datenstruktur-Diagramm
zur Darstellung einer überlappten
Elementenfolge ist, die durch das System gemäß 2 gebildet ist.
-
4 ein Diagramm zur Darstellung
einer Anordnung von ein Programm darstellenden Videodaten ist, wie
sie von der ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung formatiert
und auf einer Massenspeichervorrichtung gespeichert sind.
-
5 ein Blockdiagramm zur
Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist.
-
6 ein Diagramm zur Darstellung
des Überlappens
von Videodaten gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist.
-
7 eine detailliertere Darstellung
des statistischen Multiplex- und Überlappungsverfahrens ist, wie
es von der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung durchgeführt wird.
-
8 ein Blockdiagramm ist,
das eine Codiereinrichtung der zweiten bevorzugten Ausführung der
Erfindung in größerer Einzelheit
zeigt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung macht Gebrauch von einer einzigartigen Anwendung
von Prinzipien des Zeitmultiplexbetriebs (TDM) zur Versorgung der Teilnehmer
mit einem kontinuierlichen Zugriff auf Mehrfach-Segmente eines Videoprogramms,
wodurch die Rekonstruktion von mehrfach überlappenden Darstellungen
desselben Videoprogramms erleichtert wird. Diese Funktionsvielfalt
wird durch die wiederholte Übertragung
eines speziell formatierten Datenstroms erreicht, der mehrfach überlappende Darstellungen
desselben Videoprogramms umfasst. Die Anzahl überlappender Darstellungen
des Videoprogramms, das aus dem formatierten Datenstrom rekonstruiert
werden kann, und demnach die minimale Zugriffszeit zwischen Punkten
in dem Programm, ist direkt auf die Geschwindigkeit bezogen, mit
der der Datenstrom über
das Verteilnetz übertragen
werden kann sowie auf die Rate bezogen, mit der Daten von dem Empfänger erhalten
werden müssen,
um eine Echtzeit-Rekonstruktion
der Videosegmente mit dem gewünschten
Bildqualitätsniveau
zu gestatten.
-
Die
vorliegende Erfindung wendet TDM-Prinzipien an, um n verschiedene
Segmente desselben Programms über
n verschiedene Unterkanäle
desselben Kanals zu übertragen
und macht so jedes Segment des Videoprogramms über denselben Kanal des Verteilnetzes
für den
Empfänger
eines Teilnehmers gleichzeitig zugriffsbereit. Der Teilnehmer kann
sich daher jedes beliebige der n Segmente durch den Empfänger rekonstruieren
und darstellen lassen, indem er den Unterkanal auswählt, der
das gewünschte
Segment überträgt.
-
Die
folgende detaillierte Beschreibung wird mit Bezug auf 1 bis 9 vorgenommen,
wobei gleiche Bezugszeichen identische Elemente in allen Figuren
bezeichnen. 1 stellt
die Datenüberlappungsprinzipien
der vorliegenden Erfindung dar.
-
Ein
Videoprogramm ist typischerweise als geordnete Folge von Szenen
oder Rahmen organisiert, wobei jeder Rahmen durch eine zweidimensionale
Anordnung von Bildelementen oder Bildpunkten definiert ist. Ein
Bildpunkt bzw. Pixel weist Farb- und Beleuchtungsstärkemerkmale
auf, was in Verbindung mit anderen Bildpunkten ein Bild oder Rahmen erzeugt.
Für einen
gegebenen Rahmen können
die Merkmale jedes Bildpunktes digital dargestellt werden. So ist
in Fachkreisen hinlänglich
bekannt, dass ein Videoprogramm in einen digitalen Datenstrom 10 umgewandelt
werden kann, der eine geordnete Bitfolge ist, die Pixelwerte für jedes
Pixel der Anordnung während
jedes Rahmens des Videoprogramms beschreibt. Es ist auch bekannt,
dass dem Programm zugeordneter Ton ebenfalls in digitale Daten umgesetzt
werden und mit den Bilddaten auf einer rahmenweisen Basis identifiziert
werden kann.
-
Daher
wird ein Videoprogramm in Übereinstimmung
mit hinlänglich
bekannten Normen und Verfahrensweisen zuerst in einen digitalen
Datenstrom 10 umgesetzt. Der Datenstrom 10 kann
Bilder, Ton oder beides darstellen, obwohl in der bevorzugten Ausführung separate
Datenströme 10 für die Bild- und
Tonabschnitte des Programms erzeugt werden. Zur Erleichterung der
Diskussion und Darstellung wird angenommen, dass der Datenstrom 10 in
allen Figuren den Bildteil des Videoprogramms darstellt, obwohl
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung Tondatenströme genauso verarbeitet werden können, wie
für die
Bilddaten beschrieben.
-
Der
Datenstrom 10 wird typischerweise zu einer geordneten Folge
von Elementen organisiert, wobei ein Element, wie vorher beschrieben,
eine willkürliche
Datenmenge ist, die ein Bit, die für ein einzelnes Pixel stehende
Bitanzahl oder die einen oder mehr Pixelrahmen repräsentierende
Bitanzahl sein kann. Beim Ton kann ein Element von einem bis zu mehreren
Audiodatenbits reichen.
-
Wie
in 1 dargestellt, ist
das Videoprogramm in eine Reihe von Videosegmenten N von annähernd gleicher
Dauer geteilt. Die Segmente werden durch Aufteilen des Datenstroms 10 in
N geordnete Untersequenzen von m Elementen erzeugt, wobei jede Untersequenz
eines der n Segmente des Videoprogramms repräsentiert. Daher startet das
Videoprogramm, wie es durch den Datenstrom 10 dargestellt
wird, am Anfang der Elementenfolge (d. h. am ersten Element von
Segment 1, wie mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet)
und endet mit dem letzten Element von Segment n (d. h. mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Elemente jedes Segments überlappt, um eine überlappte
Sequenz von Elementen herzustellen, die als überlappter Datenstrom 18 bezeichnet
wird, wie in 1 gezeigt.
Der überlappte
Datenstrom wird dadurch hergestellt, dass identisch nummerierte
Elemente jedes Segments in der Segmentfolge zu Gruppen angeordnet
werden, beginnend mit dem ersten Element jedes Segments und endend
mit dem m-ten Element jedes Segments.
-
Auf
diese Weise werden die N Videosegmente, aus denen sich das Videoprogramm
zusammensetzt, im Wesentlichen über
N "Unterkanäle" des Kanals zeitmultiplex
betrieben, über
den das Videoprogramm gesendet wird. Der überlappte Datenstrom 18 wird
zu einer Reihe von m Gruppen 13 geordnet, wobei jede Gruppe
in n "Zeitschlitze" in Segmentreihenfolge
unterteilt wird (d. h. jedem Segment wird ein Zeitschlitz zugewiesen).
Während
der Übertragung
jeder Gruppe 13 wird ein zu jedem Segment gehörendes Element
während
des Zeitschlitzes übertragen,
der Elementen aus diesem Segment zugewiesen ist.
-
Über einen
Einzelkanal des TV-Kabels wird der überlappte Datenstrom 18 immer
wieder an die Teilnehmer übertragen.
Vorausgesetzt, die Übertragungsrate
des überlappten
Datenstroms 18 entspricht zumindest N-mal der Datenrate
r der einzelnen Segmente, erscheint es so, als ob alle N Segmente
des Programms dem Empfänger
weitgehend zur selben Zeit zur Verfügung stehen. Jede neue Übertragung
des überlappten
Datenstroms 18 gibt den Teilnehmern die Gelegenheit, mit
der Wiederherstellung des Videoprogramms von dessen Anfang an zu
beginnen oder mit der Rekonstruktion des während früherer Übertragungen des überlappten
Datenstroms begonnenen Programms fortzufahren.
-
Ein
Teilnehmer kann das Programm von Anfang an sehen, indem er den Empfänger einfach
so programmiert, dass er dem Segment 1 (d. h. dem ersten "Unterkanal") zugeordnete Elemente
auswählt und
rekonstruiert, wenn die Übertragung
des überlappten
Datenstroms am Anfang des überlappten Datenstroms 18 steht
(d. h. zum Zeitpunkt t1). Wenn der überlappte Datenstrom 18 wiederholt übertragen wird,
wählt der
Empfänger
des Teilnehmers die Elemente aus, die das erste Segment 14 bilden
und setzt sie zusammen (d. h. er hebt den Überlappungs- oder Multiplexzustand
auf). Gleichzeitig setzt der Empfänger die das Segment 1 bildenden
Elemente in eine Darstellung des Segments zur Ansicht durch den
Teilnehmer um. Mit Beginn der nächsten Übertragung
des überlappten
Datenstroms 18 (d. h. zum Zeitpunkt t2) wählt der
Empfänger
den nächsten
Unterkanal aus und setzt die das zweite Segment 15 repräsentierenden
Elemente zusammen. Zwischenzeitlich kann ein anderer Teilnehmer
gleichzeitig mit dem Zugriff auf das Programm beginnen, indem er das
erste (oder irgendein anderes) Segment 17 darstellende
Daten auswählt
und zusammensetzt. Dieser Vorgang wird für den ersten Teilnehmer so
lange fortgesetzt, bis der Empfänger
alle N Segmente des Videoprogramms empfangen und rekonstruiert hat oder
bis der Teilnehmer den Unterkanal, auf den der Empfänger abgestimmt
ist, manuell ändert.
-
Auf
diese Weise können
viele Teilnehmer gleichzeitig auf jedes der n Segmente zugreifen,
auf die alle von der Übertragung
eines einzigen Datenstroms aus zugegriffen werden kann, der die
mehrfach überlappenden
Darstellungen des Videoprogramms repräsentiert. Demgemäß erzielt
die Erfindung das äußerst bedeutende
Ergebnis, sehr vielen Teilnehmern selektiven Zugriff auf ein Videoprogramm
zu geben und gleichzeitig die zur Bereitstellung dieses Zugriffs
notwendige Speicherungs- und Verteilungsinfrastruktur zu minimieren.
-
Wie
zuvor diskutiert, kann ein Teilnehmer von jedem beliebigen Segment
aus beginnen, auf das Programm zuzugreifen und es zu rekonstruieren, selbst
zu einem Zeitpunkt, wo die Übertragung
sich gerade in der Mitte des überlappten
Datenstroms 18 und daher in der Mitte jedes der n Segmente
befindet. Ein Teilnehmer kann einen schnellen Vor- oder Rücklauf durch
das Programm durchführen,
indem er das momentan vom Empfänger
des Teilnehmers ausgewählte
Segment hinauf- oder heruntersetzt. Derartige Vorwärts- oder
Rückwärtsschritte
im Programm sind jedoch an Vielfache der Zugriffszeit T gebunden.
Die Körnung
von Zugriffspunkten in dem Videoprogramm ist ein direkte Funktion
der Anzahl von Videosegmenten, in die das Videoprogramm geteilt ist.
Je größer die
Anzahl von Videosegmenten N ist, desto kürzer ist ihre Dauer und desto
feiner sind folglich die Schritte dazwischen. Daher wird auf N als "Überlappungsfaktor" Bezug genommen.
-
Eine
Möglichkeit
zur Verringerung der Datenrate, die die Abspielquelle für einen
gegebenen Überlappungsfaktor
unterstützen
muss, besteht darin, die Gesamtmenge der Daten zu reduzieren, die
für eine Darstellung
des Videoprogramms notwendig sind. Zum Komprimieren der für eine Darstellung
des Programms notwendigen Datenmenge können auf dem Fachgebiet bekannte
Techniken zur Codierung des Datenstroms 10 gemäß 1 verwendet werden. Zwei
Beispiele für
bekannte digitale Komprimierungsstandards für Videodaten sind die Standards MPEG
1 und MPEG 2 für
die Auswählbarkeitscodierung
von bewegten Bildern und zugehörigem
Ton. Die Konzeptempfehlung H. 262 (Freitag, 25. März 1994,
10:18 Uhr) der ITU-T (International Telecommunications Union Telecommunications
Standardization Sector [Internationale Telekommunikationsunion,
Telekommunikation-Standardisierungssektor]) wird durch diesen Querverweis
hierin mit aufgenommen. Ein weiterer Vorteil der Datenkomprimierung ist,
dass auch der Speicherplatzumfang reduziert wird, der notwendig
ist, um den überlappten
Datenstrom 18 zu speichern, der Videoprogramme für eine spätere Übertragung
repräsentiert.
-
Mit
Bezug auf 2 wird nun
eine erste bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung beschrieben, die den Videodatenstrom 10 komprimiert und
die resultierenden komprimierten Datenelemente dann überlappt.
In 2 liefert eine Videoprogrammquelle 20 einen
Datenstrom 10, der beispielsweise den Bildanteil des Videoprogramms
darstellt. Der Datenstrom 10, der typischerweise eine geordnete
Folge digitaler Daten zur Darstellung von Bildpunkten ist, die die
Bilder des Videoprogramms verkörpern,
wird unter Verwendung irgendeiner Verfahrensweise zur Komprimierung
digitalisierter Videodaten durch eine Digitalcodiereinrichtung 22 komprimiert.
Die Digitalcodiereinrichtung 22 erzeugt einen komprimierten
Videodatenstrom 23, der als geordnete Elementenfolge aus
komprimierten Daten organisiert ist, die das Videoprogramm so darstellen,
wie es in dem Datenstrom 10 verkörpert ist. In dieser Ausführung bestehen
die Elemente aus gleichen Bitmengen, die nicht basierend auf Pixelgrenzen
organisiert sein müssen.
-
Der
komprimierte Videodatenstrom 23 wird dann in N Multielement-Untersequenzen
von Elementen unterteilt, wobei jede Untersequenz eines von n Videosegmenten
darstellt. Die Elemente der N Untersequenzen werden dann durch eine
Aufteilungs- und Überlappungsschaltung 24 in Übereinstimmung
mit der Struktur überlappt,
wie vorher beschrieben. Die Aufteilungs- und Überlappungsschaltung 24 erzeugt
einen überlappten
Datenstrom 25, der direkt an die Teilnehmer übertragen
werden oder für
ein späteres
Abrufen und Übertragen
von einer Datenspeichereinheit 26 auf ein Massen-Datenspeichermedium 27 gespeichert
werden kann. Das Datenspeichermedium 27 kann aus einem
oder mehr Magnet- oder Bildplattenlaufwerken oder anderen hinlänglich bekannten
Speichervorrichtungen bestehen.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der überlappte
Datenstrom 25 für
ein späteres
Abspielen des in dem überlappten
Datenstrom 25 verkörperten
Videoprogramms typischerweise auf der Datenspeichervorrichtung 27 gespeichert.
Die Datenspeichervorrichtung 27 ist in einem System angeordnet,
das eine Abruf-Videoprogrammierung mit einem Dienstcomputer bzw.
Server 31 und eine Vielzahl von Empfängern 32, 34 bereitstellt,
die durch ein geeignetes Verteilnetz 35 zur Kommunikation
mit dem Server 31 angeschlossen sind. Der Server 31 überträgt die auf
der Datenspeichervorrichtung 27 gespeicherte überlappte
Elementenfolge wiederholt an alle Empfänger auf dem Verteilnetz 35.
Jeder der Empfänger 32, 34 besitzt
die notwendige Verarbeitungskapazität zur Rekonstruktion des Videoprogramms
auf die oben beschriebene Weise, indem er für jedes Videosegment die Elementenfolge
auswählt,
die das Segment umfasst. Diesbezüglich
besitzt jeder Empfänger
die Verarbeitungskapazität,
um die Überlappung
des überlappten
Datenstroms 25 aufzuheben, den resultierenden komprimierten
Datenstrom wieder zusammenzusetzen und zu entschlüsseln und
den resultierenden dekomprimierten Datenstrom 10 wieder
in die Bildpunktfolge umzusetzen, die die Bilder des Videoprogramms
verkörpert.
-
3 stellt die Unterteilung
des komprimierten Datenstroms 23 in Untersequenzen dar,
die die Videosegmente darstellen. Wenn die Elementenfolge durch
die Digitalcodiereinrichtung 22 verschlüsselt (d. h. komprimiert) wird,
wird der resultierende komprimierte Datenstrom 23 erzeugt,
wie in 2 dargestellt.
Der komprimierte Datenstrom 23 wird dann durch die Aufteilungs-
und Überlappungsschaltung 24 in
N geordnete Untersequenzen von Elementen aufgeteilt, die jeweils
eines von N Videosegmenten darstellen. Jede Untersequenz wird ferner
in m Elemente unterteilt, so dass die Gesamtanzahl der Videoprogrammelemente
N·m beträgt, und
jedes Element wird mit ejSi bezeichnet,
wobei 1 ≤ i ≤ N und 1 ≤ j ≤ m. Wie 3 zeigt, macht die Unterteilung
aus dem komprimierten Datenstrom 23 eine geordnete Folge von
N Untersequenzen, wobei jede Untersequenz ein oder mehr Elemente
aufweist und jedes Element ein oder mehr komprimierte Videodatenbits
einschließt. 3 stellt auch den überlappten
Datenstrom 25 dar, der aus dem Überlappungsvorgang hervorgeht. 4 stellt die logisch geordnete
Folge eines Datenstroms 25 auf den zylindrischen Speicherspuren
einer Festplatten-Datenspeichervorrichtung 27 dar.
-
Bei
nochmaliger Bezugnahme auf den in 3 und 4 gezeigten überlappten
Datenstrom 25 und die in 2 dargestellte
Kombination zum Speichern und Formatieren sollte deutlich sein,
dass eine oder mehr Datenspeichervorrichtungen 27 zum Speichern
des überlappten
Datenstroms 25 verwendet werden können. Die erforderliche Anzahl
von Datenspeichervorrichtungen kann von gestalterischen Erwägungen bestimmt
sein, wenn die Größe des komprimierten
Bitstroms 23, der Überlappungsfaktor
N und die Zugriffsgeschwindigkeit und Kapazität der einzelnen Datenspeichervorrichtungen
berücksichtigt
werden. Unter der Annahme, dass die Datenspeichervorrichtung ein
Festplattenlaufwerk ist, kann die überlappte Folge 25 in
verschiedene, aber gleich große
Abschnitte aufgeteilt werden, und jeder Abschnitt kann auf eine
von Nd verschiedenen Festplatten aufgezeichnet
werden. Die Kapazität
jeder Datenspeichervorrichtung 27 soll ausreichen, um Nm/Nd Elemente zu enthalten. Eine ausführlichere
Erläuterung dieser
Gesichtspunkte wird nachstehend vorgelegt.
-
5 stellt eine alternative
Ausführung
der vorliegenden Erfindung dar, die das Verschlüsseln und Überlappen von Videoprogrammdaten
durchführt.
Eine Videoprogrammquelle 60 liefert einen Datenstrom 10,
der eine Pixelfolge darstellt, die den Bildanteil des Videoprogramms
verkörpert.
Der Datenstrom 10 ist als geordnete Folge von Elementen
organisiert, wobei jedes Element Daten umfasst, die eine gleiche
Anzahl von Bildpunkten darstellen. Das Videoprogramm wird in N Segmente
unterteilt, wobei jedes Videosegment durch eine Untersequenz des Datenstroms 10 dargestellt
ist und jede Untersequenz für
eine gleiche Anzahl von Bildpunkten steht.
-
Die
die n Videosegmente vertretenden n Untersequenzen werden von der
Aufteilungs- und Ausrichtungsschaltung 62 zeitlich ausgerichtet
und jede Untersequenz auf einer einfachen Leitung 63 einer entsprechenden
Digitalcodiereinrichtung 64 zur Verfügung gestellt. Jede Digitalcodiereinrichtung
setzt ihre jeweilige Untersequenz in eine komprimierte Untersequenz
von Elementen um, wobei jedes Element aus einem oder mehr Bits aus
komprimierten Videodaten besteht. Die Elemente des komprimierten
Videodatenstroms 65 werden durch eine Überlappungs- bzw. Interleave-Schaltung 66 überlappt,
um einen überlappten
Datenstrom 67 zu erzeugen. In dieser bevorzugten Ausführung empfängt eine
Datenspeichereinheit 68 den überlappten Datenstrom 67 und überträgt ihn zur
späteren
Wiedergewinnung und Übertragung
an eine Datenspeichervorrichtung 70. Wie zuvor diskutiert,
kann der überlappte
Datenstrom 67 über
ein Verteilnetz auch in Echtzeit direkt an die Teilnehmer weitergeleitet
werden.
-
Zum
Abspielen des in der überlappten
Elementenfolge 67 verkörperten
Videoprogramms ist die Datenspeichervorrichtung 70 in einem
System angeordnet, dass eine Videoprogrammierung auf Abruf bereitstellt.
Das System weist bevorzugt einen Server 72 und eine Vielzahl
von Empfängern 74 auf,
die durch ein geeignetes Verteilnetz 75 mit dem Server 72 verbunden
sind. Der Server sendet den auf der Datenspeichervorrichtung 70 gespeicherten überlappten
Datenstrom 67 wiederholt an alle an das Verteilnetz 75 angeschlossenen
Empfänger.
Jeder der Empfänger 74 besitzt
die notwendige Verarbeitungskapazität zur Rekonstruktion des Videoprogramms durch
Auswählen
und Zusammensetzen für
jedes Videosegment der das Segment darstellenden Elementuntersequenz.
Diesbezüglich
besitzt jeder Empfänger
die Verarbeitungskapazität,
um die Überlappung
des überlappten
Datenstroms 67 aufzuheben (d. h. zu entschachteln) und
dadurch den komprimierten Datenstrom 65 zu regenerieren,
um den komprimierten Datenstrom 65 in den Datenstrom 63 zu
decodieren und den Datenstrom 63 in die Folge von Bildpunkten 10 umzusetzen,
die das Videoprogramm verkörpern.
-
Mit
Bezug auf 6 und 7 wird nun eine detailliertere
Erläuterung
des Verschlüsselungs- und Überlappungsverfahrens
gegeben, in diesem Fall unter Verwendung des statistischen Multiplexbetriebs, der
durch die in 5 dargestellte
Kombination durchgeführt
wird. Der Datenstrom 10, der eine digitalisierte Darstellung
der Folge von Bildpunkten ist, die die Bilder des Videoprogramms
verkörpern,
wird in N Elementuntersequenzen unterteilt, die stellvertretend
für N Videosegmente
stehen. Jedes Element besteht aus Daten, die dieselbe Anzahl von
Bildpunkten darstellen. In diesem Beispiel weist jedes Segment eine
gleiche Anzahl von Elementen auf und stellt daher dieselbe Gesamtpixelanzahl
dar.
-
Jedes
das erste Segment 84 des unterteilten Datenstroms 80 darstellende
Pixel weist einen Bildstärkewert
S(t) auf, wobei der Intensitätswert
als Zeitfunktion variiert. Weil die Dauer eines Segmentes mit T
definiert ist, ist der Bildstärkewert
für jedes
das zweite Segment 86 darstellende Pixel durch S(t + T) definiert
und für
alle Pixel durch S(t + i·T)
definiert, wobei O ≤ i ≤ N. Die Segmente
des unterteilten Datenstroms 80 werden dann getrennt zusammengesetzt
und in ihre jeweiligen Decodiereinrichtungen eingegeben, wie in 6 und 7 gezeigt. Auf diese Weise werden die
Segmente zum Zwecke einer zeitgleichen Verarbeitung zeitversetzt.
-
Wie
in 6 dargestellt, komprimiert
jede Codiereinrichtung die Daten und erzeugt eine Elementenfolge 82.
Die Codiereinrichtung führt
diese Funktion aus, indem sie zuerst die Pixeldaten mittels einer
Blockierungsschaltung 100 (8)
zu Elementen organisiert. Im Beispiel dieser dargestellten Ausführungsform
besteht jedes Element aus Daten, die eine gleiche Anzahl von Bildpunkten
darstellen, die eine gewisse Untermenge der das Segment verkörpernden
Gesamtbildpunktanzahl sein können.
In einigen Fällen
kann ein Element aus Daten bestehen, die alle Pixel repräsentieren,
aus denen sich ein Einzel-Rahmen oder -Bild des Segmentes zusammensetzt.
Zum Beispiel kann ein Rahmen 480 Zeilen mit 720 Bildpunkten bzw.
eine Gesamtsumme von 345.600 Bildpunkten enthalten. Die Elemente
in diesem Beispiel können
nach Belieben aus Bildpunkten bestehen, die Rahmenteile, Einzel- Rahmen oder sogar
Mehrfach-Rahmen bilden.
-
Jedes
Pixeldatenelement wird dann durch eine Transformationsschaltung 102 verarbeitet,
die bekannte Komprimierungsumformungen verwendet, wie z. B. die
diskrete Cosinustransformation (DCT), um die binären Pixeldaten in Transformationskoeffizienten
umzusetzen. Die Koeffizienten werden durch eine Anpassungsquantifiziereinrichtung 103 quantifiziert
oder normalisiert, was die Codierleistung durch Abschneiden der
Koeffizienten in Übereinstimmung mit
dem gewünschten
Bildqualitätsniveau
verbessert, das hergestellt werden soll, wenn die Informationen
zur Darstellung dekomprimiert werden. Zuletzt durchlaufen die quantifizierten
Koeffizienten eine statistische Codiereinrichtung 110,
die die Daten auf Basis einer variablen Längenverschlüsselungstechnik, wie der Huffman-Codiermethode,
weiter komprimiert.
-
Alle
Codiereinrichtungen sind synchronisiert, so dass jede gleichzeitig
einen komprimierten Datenblock erzeugt, und jede Codiereinrichtung
ist auf ein Verschlüsselungsniveau
voreingestellt, das die gewünschte
Qualitätsstufe
des kopierten Bildes widerspiegelt. Obwohl jedes durch eine Codiereinrichtung erzeugte
komprimierte Datenelement immer noch eine gleiche Anzahl von Bildpunkten
repräsentiert, kann
es in der Digitaldatenmenge variieren, weil einige Elemente aus
digitalen Pixeldaten leichter zu komprimieren sind als andere. Der
Elementmultiplexer 66 (7) überlappt
dann die Elemente durch Auswählen
eines Elementes von der ersten Codiereinrichtung (und damit aus
dem ersten Segment), dann der zweiten usw. bis zur Codiereinrichtung
N und wiederholt dann das Verfahren für die nächste Gruppe von komprimierten
Elementen. Auf diese Weise wird ein überlappter Datenstrom 94 hergestellt,
wie in 6 gezeigt, wobei
jedes Element 82 zuerst mit einer Segmentnummer und dann
der Elementnummer bezeichnet ist.
-
Der überlappte
Datenstrom 94 wird dann in einen sog. First-in-first-out-(FIFO)-Kanalpuffer 92 (7) eingegeben und mit der
für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
erforderlichen Übertragungsrate (d.
h. N·r)
aus dem Puffer herausgetaktet. Wenn in dem Beispiel für den statistischen
Multiplexbetrieb der Puffer langsam voll wird, wird über die
Leitung 93 (7)
ein Signal bereitgestellt, das jede der Anpassungsquantifiziereinrichtungen 103 (8) in jeder der Codiereinrichtungen 64 (7) anweist, das Codierniveau
anzuheben, wodurch das Komprimierungsverhältnis angehoben wird (d. h.
es ist weniger genau im Hinblick auf die Koeffizientenwerte), bis
der Puffer beginnt, sich zu leeren. Gleicherweise kann der Kanalpuffer 92 die
Anpassungsquantifiziereinrichtungen über die Signalleitung 93 anweisen,
das Codierniveau herabzusetzen, wenn der Puffer zu leer wird, wodurch
das Komprimierungsverhältnis
herabgesetzt wird. Wenn die Anzahl von Segmenten (N) und der Kanalpuffer 92 genügend groß sind,
dann ist es statistisch wahrscheinlich, dass die Anzahl datenstarker
komprimierter Blöcke
(d. h. diejenigen Blöcke,
die schwer zu komprimieren waren) und die komprimierten Blöcke mit
weniger Informationen (d. h. diejenigen Blöcke, die leichter komprimiert
wurden) über
ein Zeitfenster ausgeglichen werden.
-
Diese
Form der Verschlüsselung
auf Basis einer Rückkopplung
von einem Kanalpuffer ist im US-Patent 5,216,503 von Paik et al.
beschrieben. Auf diese Art Multiplexschema mit Rückkopplung an eine Vielzahl
von Codiereinrichtungen wird häufig
als statistisches Multiplexschema Bezug genommen.
-
Dieselbe
Codiereinrichtung, die in 8 dargestellt
ist, kann auch in einer nicht statistischen Multiplexkombination
wie in der ersten Ausführungsform verwendet
werden. In diesem Fall könnte
jede der n Codiereinrichtungen gemäß 7 einen unabhängigen Kanalpuffer unterhalten,
und das Komprimierungsverhältnis
jeder einzelnen Codiereinrichtung würde eingestellt, um einen vorher
zugewiesenen Anteil des Gesamtdurchsatzes beizubehalten. Der Nachteil
des nicht statistischen Multiplexsystems ist, dass die Codiereinrichtungen
dazu neigen, manchmal eine unnötig
hohe Bildqualität
zu liefern, wenn das Videoprogramm leicht komprimiert wird, und
eine schlechte Bildqualität
während
bestimmter komplexer Szenen, wenn die Komprimierung schwierig wird.
-
Zusätzliche
Ausführungseinzelheiten
-
Die
Verwendung von Videokomprimierung erfordert keine Echtzeit-Digitalverschlüsselung,
wie in der ersten und zweiten Ausführungsform vorausgesetzt, und
benötigt
auch keine Mehrfach-Codiereinrichtungen. Ein anderer bevorzugter
Weg zum Überlappen
und Komprimieren eines ein Videoprogramm repräsentierenden Datenstroms 10 zur
Ausnutzung der statistischen Abwandlungen in dem Videoprogramm besteht
darin, das Videoprogramm unter Verwendung eines Algorithmus iterativ
zu komprimieren und überlappen,
der ganz oder teilweise in der Software durchgeführt wird und mehrfache Verschlüsselungsdurchläufe durch
das Videoprogramm verwendet. Durch Abstimmen des Komprimierungsalgorithmus
während
jeder Iteration kann der Algorithmus das Videoprogramm wirksamer
komprimieren.
-
Ein
in der Software realisiertes Verschlüsselungsverfahren kann einen
Videokomprimierungsstandard verwenden, wie er z. B. durch die Codiereinrichtung
gemäß 8 realisiert ist. Bei der
ersten Ausführung
komprimiert die Software den Datenstrom 10 in Übereinstimmung
mit einem gewünschten
Quantifizierungsniveau und misst dann die Gesamtdatenmenge, die
herauskommt. Wenn die Datenmenge über das hinausgeht, was innerhalb
der festgelegten Bandbreite übertragen
werden kann, wird das Quantifizierungsniveau angehoben und der Datenstrom 10 erneut
komprimiert. Dieses Verfahren geht so lange weiter, bis der resultierende
komprimierte Datenstrom in die erforderliche Bandbreite fällt. Die
Software unterteilt dann den komprimierten Datenstrom und überlappt
die Elemente der Segmente der unterteilten Untersequenzen zur Erzeugung
eines überlappten
Datenstroms, der das Videoprogramm repräsentiert.
-
Die
iterative Komprimierung durch Software ist besonders vorteilhaft,
wenn keine Echtzeit-Verschlüsselung
benötigt
wird, weil weder die Verwendung kostspieliger Hardware erforderlich
ist, um die geordnete Pixelfolge, die durch den Datenstrom 10 repräsentiert
wird, in Videosegmente aufzuteilen, noch Mehrfach-Codiereinrichtungen
nötig sind,
um jedes Videosegment gleichzeitig zu komprimieren. Vielmehr wird
der Datenstrom 10 zuerst in Elementuntersequenzen unterteilt,
die Segmente mit derselben Pixelanzahl darstellen. Der unterteilte
Datenstrom wird dann in Übereinstimmung
mit einem festgelegten Codierungsniveau komprimiert, wobei ein Standard
verwendet wird, wie er z. B. durch die Codiereinrichtung gemäß 8 realisiert ist. Die Software überlappt
dann die komprimierten Elemente der Untersequenzen in Übereinstimmung
mit der Erfindung. Wenn die Software die Elemente überlappt, summiert
sie die Gesamtdatenmenge über
die Segmente in einem bestimmten Zeitfenster. Das Ergebnis ist eine
Summe, die die Datenmenge in einem hypothetischen Kanalpuffer darstellt,
ganz ähnlich
wie der Kanalpuffer 92 gemäß 7. Alle Abschnitte des überlappten
Datenstroms, bei denen die Größe des Kanalpuffers überschritten
wird, werden unter Verwendung eines höheren Codierniveaus erneut
komprimiert. Bei allen Abschnitten, bei denen eine Mindestpuffergröße nicht
erreicht wird, kann das Programm den Abschnitt unter Verwendung
eines niedrigeren Codierniveaus noch einmal komprimieren.
-
Eine
Möglichkeit,
Rechnerzeit zu minimieren, ist die Verwendung einer Hardware-Codiereinrichtung,
wie sie z. B. in 8 gezeigt
ist, um den Datenstrom 10 mit einer Reihe verschiedener
Codierniveaus zu komprimieren und die verschiedenen komprimierten
Versionen zu speichern. Die Software kann die Schritte Überlappen
und Summieren durchführen
und jeden Abschnitt des überlappten
Datenstroms, der weit genug über
oder unter der festgelegten Bandbreite erfasst wird, einfach durch
einen Abschnitt eines der gespeicherten überlappten Datenströme ersetzen,
der mit dem geeigneten Quantifizierungswert komprimiert wurde.
-
Während jeder Übertragung
des überlappten Datenstroms
muss ein Empfänger
in der Lage sein, die Elemente des bestimmten Videosegmentes zu identifizieren,
auf das zugegriffen werden soll und das rekonstruiert und angezeigt
werden soll. Eine mögliche
Realisierung, mit der dies erreicht werden kann, ist das Einsetzen
von Videosegment-Identifizierungszeichen in die überlappte Elementenfolge beim
Speichern für
eine spätere Übertragung.
Beispielsweise können
Videosegmenten 1 bis N jeweils Sequenznummern (d. h. Unterkanäle) von
1 bis N zugeteilt werden. Die entsprechende Sequenznummer kann den
jedes Element umfassenden Videodaten dann vor dem Überlappen
und Speichern zugeordnet werden. Wenn ein Empfänger beginnt, ein Videoprogramm
von Anfang an zu rekonstruieren, wählt der Empfänger während des
ersten Durchlaufs demzufolge alle Elemente mit der Sequenznummer
1 aus und setzt sie zusammen, gefolgt von den Elementen mit der
Sequenznummer 2 während
des zweiten Durchlaufs usw. Das Rekonstruktionsverfahren ist abgeschlossen,
wenn alle Elemente mit der Sequenznummer "N" während des
letzten Durchlaufs ausgewählt
sind. Selbstverständlich
könnte
ein Teilnehmer den Empfänger
programmieren, in dem Programm vorwärts oder zurück zu springen,
indem er die gewählte
Sequenznummer manuell programmiert (d. h. durch Wechseln des Unterkanals).
-
Eine
alternative Realisierung besteht darin, die Abspielquelle so zu
programmieren, dass die Videosegment-Identifikationsinformationen
in die überlappte
Elementenfolge eingesetzt werden, während sie an die Empfänger übertragen
werden. Beispielsweise können
dieselben Sequenznummern von 1 bis N zuerst jeweils Videosegmenten 1 bis
N für eine
erste Übertragung
zugewiesen werden. Zu Beginn des nächsten Durchlaufs durch den überlappten
Datenstrom zählt
die Abspielquelle dann die jedem Segment zugeteilte Sequenznummer
rückwärts, so
dass dem Segment Nr. 2 jetzt die Sequenznummer 1 zugeteilt wird,
während
dem Segment 1 jetzt die Sequenznummer "N" zugeordnet
ist. Daher kann der Empfänger
mit Beginn der Rekonstruktion des Videoprogramms gestützt auf
einen bestimmten Unterkanal oder Sequenznummer während der gesamten Rekonstruktion
auf diese Zahl abgestimmt bleiben.
-
Ein
Nachteil dieser Realisierung besteht darin, dass dem ersten Segment,
das immer den Beginn des Videoprogramms darstellt, keine einzelne Sequenznummer
mehr zugeordnet ist. Daher muss die Abspielquelle vor der Übertragung
zusätzliche
Informationen in den überlappten
Datenstrom einsetzen, um das erste Segment des Videoprogramms abzugrenzen.
-
Eine
andere alternative Realisierung wäre, die Elemente am Empfänger synchron
zu entschachteln (d. h. 32, 2 oder 74, 5), wobei jeder Zeitschlitz
in einem Rahmen einem bestimmten Segment des Programms zugeordnet
ist.
-
Wie
zuvor erläutert,
muss der Empfänger
(d. h. 32, 2 oder 74, 5) auch in der Lage sein, die
komprimierten Daten zu decodieren und die richtigen Pixel in der
richtigen Folge und zur richtigen Zeit anzuzeigen. Im Falle von
Audiodaten muss der Empfänger
auch in der Lage sein, den Ton mit den Bildern zu synchronisieren.
Schließlich
muss der Empfänger jederzeit
das Codierniveau der komprimierten Daten kennen. Wie zuvor erläutert, gibt
es für
die digitale Darstellung sowie Komprimierung von Videodaten eine
Reihe bekannter Standards, die genau angeben, wie derartige Informationen
in dem Datenstrom bereitgestellt werden müssen.
-
Eine
andere Möglichkeit,
die Daten zu organisieren, ist die Schaffung von Datenpaketen während des Überlappungsvorgangs,
so dass jedes Paket eine willkürliche
Datenmenge aus einem Segment enthält, die auf Blockgrenzen sein
können
oder nicht. Es werden eher die Pakete überlappt als die Blöcke, und
als Anfangskennung sind Informationen, die das Segment definieren,
die speziellen Pixel, die von den Daten repräsentiert werden und eine Zeitmarke
enthalten. Die Zeitmarke definiert entweder eine Zeit zur Decodierung
der Paketdaten am Empfänger
oder eine Zeit zur Vorlage (Anzeige) der decodierten Paketdaten
(Pixel) am Empfänger.
In einigen Fällen
sind sowohl eine Decodierungszeitmarke als auch eine Darstellungszeitmarke
in der Paketanfangskennung enthalten. In diesem Fall wird die Überlappungsreihenfolge
durch Vergleichen des Zeitmarkenwerts entsprechend dem nächsten Paket jedes
Segments und Auswählen
des Pakets mit der frühesten
Zeitmarke bestimmt.
-
Wie
zuvor erläutert,
hängt die
benötigte
Speichermenge und der notwendige Durchsatz der Speichervorrichtung
zum Abspielen eines Videoprogramms von mehreren Auslegungsparametern
ab. Einer der wichtigsten zu bestimmenden Parameter ist die Zugriffszeit "T", die die Zeitdauer jedes Videosegments
angibt, wenn es von einem Empfänger
zur Ansicht durch einen Teilnehmer rekonstruiert wird. Dieser Parameter
definiert die maximale Verzögerung,
die ein Teilnehmer hinnehmen muss, wenn der Teilnehmer zum Abspielen
des Programms von Anfang an selektiv auf das Programm zugreift.
-
Das
Abspielen ist ein Echtzeitvorgang, der aus einer ständigen Wiedergewinnung
und Übertragung
desselben überlappten
Videodatenstroms und der ständigen
Rekonstruktion eines Videoprogramms aus diesem überlappten Datenstrom besteht.
Da alle n Videosegmente gleichzeitig für den Zugriff durch einen Empfänger präsentiert
werden, folgt daraus, dass auf jedes der N Videosegmente zu jedem
Zeitpunkt während
des Abspielens zugegriffen werden kann. Das Abspielen aller Videosegmente beginnt
zur selben Zeit und ist zur selben Zeit abgeschlossen. Demzufolge
definiert die Zugriffszeit T auch die maximale Verzögerung,
die beim Zugriff auf eine beliebige Stelle in dem Videoprogramm
hinzunehmen ist. Anders ausgedrückt,
sie definiert den kleinstmöglichen
Zeitabstand, in dem beliebig auf das Programm zugegriffen werden
kann.
-
Ein
anderer anzugebender Parameter ist die durchschnittliche Datenrate "r" der komprimierten Videosegmente des
Videoprogramms. Dieser Parameter definiert die Geschwindigkeit,
mit der Segmentdaten von einem Empfänger empfangen werden müssen, so
dass er das Videoprogramm mit dem gewünschten Qualitätsstandard
in Echtzeit rekonstruieren kann. Die Datenrate "r" wird
durch die ursprüngliche
Bildauflösung
und Bildwiederholrate des Videoprogramms und durch das Komprimierungsverhältnis bestimmt,
das während
der Verschlüsselung
angelegt wurde. Es wird davon ausgegangen, dass die meisten Anwendungsformen
dieser Erfindung keine bessere Bildqualität als VHS benötigen, und
es ist nicht übertrieben
anzunehmen, dass dies erreicht werden kann, wenn r = 1,5 MBit/Sekunde.
Wenn statistisches Multiplexen verwendet wird, dann wird die Datenrate
des komprimierten Videosegments variieren, weil einige Datensegmente
sich leichter komprimieren lassen als andere.
-
Damit
ein Empfänger
simultanen Zugriff auf jedes Segment hat, muss die Geschwindigkeit,
mit der der überlappte
Datenstrom über
das Verteilnetz übertragen
wird, gleich der Anzahl von Segmenten N mal der durchschnittlichen
Datenrate eines Segments r (d. h. N·r) sein. Demzufolge müssen das
Verteilungssystem und die Speichermöglichkeit, aus der das überlappte
Datenprogramm wiedergewonnen werden muss (oder die Codierungs- und Überlappungsvorrichtung,
die zur Erzeugung des überlappten
Datenstroms benutzt wird, falls keine Zwischenspeicherung verwendet
wird), in der Lage sein, diese Datenrate zu stützen. Einer der Vorteile der
vorliegenden Erfindung ist, dass auf die Zylinder und Spuren einer
Festplatte sequentiell oder in einer beliebigen Folge zugegriffen
werden kann, was die Durchsatzleistung der Einheit maximiert. Der
sequentielle Zugriff wird dadurch möglich gemacht, dass das Abspielverfahren
immer wieder auf dieselbe überlappte Elementenfolge
zugreift, diese wiedergewinnt und überträgt.
-
Demzufolge
gibt es keine Zufallszugriffbedingung für die Zwischenspeichereinheit.
Angenommen, eine bestimmte Diskettenlaufwerkvorrichtung kann eine
Datenrate von 30 MBit/Sekunde stützen, wenn
r = 1,5 MBit/Sekunde, dann kann N nicht über 20 hinausgehen. Wie weiter
oben definiert, beträgt die
Gesamtdauer des Videoprogramms N·T. Angenommen, das Videoprogramm
weist eine Dauer von zwei Stunden auf, dann ist die Dauer T jedes
Segments sechs Minuten. Die benötigte
Speicherkapazität
für 120
Minuten Video, komprimiert auf eine durchschnittliche Datenrate
von r = 1,5 MBit/Sekunde ist daher 1,35 GByte.
-
Neben
dem Komprimieren der Daten und Maximieren der Datenrate der Zwischenspeicherung kann
das Mindestzugriffsintervall ferner verringert werden durch Teilen des überlappten
Datenstroms in gleiche Abschnitte, Speichern der Abschnitte auf
separaten Platten und dann zeitgleiches Zugreifen auf jede Platte,
um jeden Abschnitt des überlappten
Datenstroms gleichzeitig wiederzuerlangen und zu übertragen.
Tatsächlich
ist jedes Videosegment in gleiche Abschnitte unterteilt worden,
wobei jeder Abschnitt jedes Segments einem Empfänger gleichzeitig über einen
anderen Kommunikationstechnik-Kanal verfügbar gemacht wird.
-
Zum
Beispiel sei vorausgesetzt, dass der das zweistündige Programm des vorigen
Beispiels darstellende überlappte
Datenstrom in drei gleiche Abschnitte geteilt ist, wobei jeder Abschnitt
auf einer separaten Platte gespeichert ist. Wenn die Teilabschnitte
von jeder Diskette abgerufen und gleichzeitig über drei separate Kanäle übertragen
werden, dann ist das erste Drittel jedes Segments auf einem gesonderten
Unterkanal des ersten Kanals verfügbar, das zweite Drittel jedes
Segments ist auf einem gesonderten Unterkanal des zweiten Kanals
verfügbar,
und das dritte Drittel jedes Segments ist auf einem gesonderten
Unterkanal des dritten Kanals verfügbar. Das Zugriffsintervall
wird dadurch von T = 6 Minuten auf Td =
2 Minuten reduziert, wobei Td = T/Nd (Nd = die Anzahl
von Platten). Die Mindestkapazität jeder
Platte wird gleicherweise reduziert auf 40 Minuten Video, komprimiert
auf eine durchschnittliche Datenrate von r = 1,5 MBit/Sekunde oder
450 MByte.
-
Fachleuten
wird verständlich
sein, dass auch Mehrfachplatten verwendet werden können, falls
die Gesamtheit der den überlappten
Datenstrom umfassenden Daten die Speicherkapazität einer einzigen Speichervorrichtung
wie einer Platte übersteigt
oder wenn der geforderte Durchsatz der Einzel-Speichervorrichtung
nicht ausreicht, um die Vorgabe N·r zu erfüllen.
-
Es
werden nun zwei Verfahren zur Unterteilung der überlappten Blockfolge zum Schreiben
auf Mehrfachplatten beschrieben. Der Zweck dieser Verfahren besteht
darin, von jeder Platte aus überlappte Datenströme zu erzeugen,
die zeitlich relativ konstant zueinander bleiben. Fachleuten wird
verständlich
sein, dass es viele mögliche
Schemata zur Unterteilung der Daten gibt, die unter den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung fallen.
-
Ein
Unterteilungsverfahren besteht daraus, eine paketierte überlappte
Elementenfolge an Paketgrenzen aufzusplitten, so dass auf jede Platte
dieselbe Anzahl von Paketen geschrieben wird. Wenn z. B. jedes Paket
Daten enthält,
die für
eine festgelegte Anzahl von Bildpunkten stehen, dann können die
ersten K Pakete einer ersten Platte zugeteilt werden, die nächsten K
Pakete einer zweiten Platte usw., bis schließlich die letzten K Pakete
der letzten Platte zugewiesen werden. Die Gesamt-Paketanzahl muss gleich
dem Produkt aus K und der Plattenanzahl sein. Dieses Unterteilungsverfahren
kann als "konstante Pixel"- Verfahren bezeichnet werden, weil alle
Platten Videodaten enthalten, die dieselbe Anzahl von Bildpunkten
repräsentieren.
-
Ein
zweites bevorzugtes Verfahren zum Aufsplitten der paketierten überlappten
Blockfolge zum Schreiben auf Mehrfachplatten kann als "konstante Bit"-Verfahren bezeichnet
werden. Bei dem Verfahren mit konstanten Bits wird jeder Platte
dieselbe Menge komprimierter Videodaten zugeteilt. Die überlappte
Blockfolge 94 wird in gleiche Abschnitte geteilt, einer
für jede
Platte, aber die Unterteilung muss nicht zwangsläufig an einer Elementgrenze
stattfinden. Wenn die Videodaten-Gesamtmenge in dem überlappten
Datenstrom durch die zu verwendende Plattenzahl nicht glatt teilbar
ist, dann kann die Folge durch Einsetzen von Fülldaten am Ende oder an bestimmten
Stellen verlängert
werden, wo sie den Decodierprozess nicht beeinträchtigen.
-
Zweifellos
werden dem normalen Fachmann angesichts dieser Lehren leicht andere
Ausführungsformen
und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung einfallen. Zum Beispiel
können
die in der bevorzugten Ausführung
geschilderten Codiereinrichtungen durch solche ersetzt werden, die
sich auf andere bekannte Komprimierungstechniken stützen. Außerdem könnte der überlappte
Datenstrom ohne die Notwendigkeit einer Zwischenspeicherung erzeugt
und in Echtzeit übertragen
werden. Die Elemente des überlappten
Datenstroms können
jede willkürliche Datenmenge
sein, deren Grenzen durch jede beliebige Anzahl vorgegebener Standards
definiert sein können.
Daher soll der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die
folgenden Ansprüche
bestimmt werden.