EP1413142A2 - Optimal snr scalable video coding - Google Patents

Optimal snr scalable video coding

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Publication number
EP1413142A2
EP1413142A2 EP01984734A EP01984734A EP1413142A2 EP 1413142 A2 EP1413142 A2 EP 1413142A2 EP 01984734 A EP01984734 A EP 01984734A EP 01984734 A EP01984734 A EP 01984734A EP 1413142 A2 EP1413142 A2 EP 1413142A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
prediction error
video
video coding
error signal
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01984734A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen PANDEL
Robert Kutka
Andreas Hutter
Klaus Illgner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10121259A external-priority patent/DE10121259C2/en
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1413142A2 publication Critical patent/EP1413142A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/30—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using hierarchical techniques, e.g. scalability
    • H04N19/36—Scalability techniques involving formatting the layers as a function of picture distortion after decoding, e.g. signal-to-noise [SNR] scalability
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/50—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using predictive coding
    • H04N19/503—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using predictive coding involving temporal prediction
    • H04N19/51—Motion estimation or motion compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/60—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using transform coding
    • H04N19/61—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using transform coding in combination with predictive coding

Definitions

  • the information that a subscriber is a mobile subscriber is not necessarily known to the transmitter / initiator. From a technical point of view, a rapid adaptation of the generated or transmitted bit rate to very different transmission bandwidths must be possible in such a scenario (e.g. transmission in the fixed network as opposed to wireless transmission).
  • An increasingly important scenario is represented by so-called streaming applications, both in
  • a service provider (which can also be a private individual) provides video material for retrieval.
  • the client requests the compressed video data while the decoded image material is being displayed.
  • the provider has to take very different customer requirements into account.
  • SNR short term evolution
  • local and temporal scalability common to all methods is that by varying certain coding parameters, the same picture sequence is coded at different bit rates.
  • SNR scaling different quality levels and bit rates are achieved by varying the quantization.
  • Local scalability describes methods that code the image sequence with different spatial resolutions (image sizes).
  • image sequences with different image frequencies are scalable over time. It should be noted that any combination of the three types is possible.
  • Claim 1 defines a method for SNR-scalable video coding, in which an input signal with video image information is fed to a plurality of codecs, the codecs quantize the video signal at different resolution levels with different quality, wherein motion compensation can be carried out in each codec on the basis of motion vectors , which are determined by a motion estimation, and. the codecs each output an output signal with video signals quantized at the different resolution levels.
  • the invention is characterized in that the motion estimation takes place only at the highest quality level and for
  • Motion compensation can use the same estimated motion vectors at all levels of resolution.
  • only a single motion compensation is carried out at the highest quality level, which is used by the codecs of the lower resolution levels.
  • the method is characterized by the fact that it is based on the hybrid coder concept and is therefore fundamentally compatible with existing standards for video coding. The objection often made that new processes are not compatible with existing processes does not apply here.
  • the basic principle of the hybrid encoder concept is the coding of a prediction error signal, which results from the difference between the input signal and (quantized) motion-compensated reconstruction of the previous image.
  • the prediction error is often encoded after execution of a Transformation to decorrelation (taking advantage of local statistical dependencies).
  • the intensities of the prediction error signal are quantized directly in the spatial region or else the transformation coefficients are quantized and then compressed losslessly via entropy coding and mapped onto a binary signal.
  • the prediction errors of the coarser quantizing codecs must be contained in the prediction error of the highest quality level. In other words, by successively quantizing the prediction error of the highest quality level, the prediction errors of the lower quality levels are obtained identically. Such a connection cannot generally be guaranteed, since motion compensation and the choice of quantization result in a deviation between the quantized prediction error signal of a lower quality level and the correspondingly quantized prediction error signal of the highest quality level. If the transmitter uses a different signal than the one that the receiver can reconstruct for prediction, the reconstructed images between the transmitter and receiver deviate, which is generally referred to as drift.
  • the most coarsely quantized prediction error signal is first coded in order to implement scalability and a difference signal between the two resolution levels is coded for coding the next better resolution level.
  • the quantization levels of the individual resolution levels are advantageously selected such that embedded quantization is produced.
  • the proposed method achieves optimal performance.
  • an INTER coding according to FIG. 2 or 5 even if the condition that the prediction error of the next lower resolution level should be equal to the quantized prediction error of the next higher resolution level, but the difference signals to be transmitted are embedded, achieves a performance that is close to the optimum.
  • the method can be used not only in the local area (with several or only one MC unit), but in principle also in the spectral area. It will be described in detail below.
  • Input signal undergoes a linear transformation and the prediction error signal is quantized and encoded in the spectral range.
  • the method according to the invention is compatible with application-specific video standards, such as MPEG-2, MPEG-4 or H.263 (quantization and coding of the DCT coefficients of the prediction error signal) or else to the video standard H.26L (quantization and coding of the ICT coefficients) (Integer-Cosine-Transform) of the prediction error signal).
  • application-specific video standards such as MPEG-2, MPEG-4 or H.263 (quantization and coding of the DCT coefficients of the prediction error signal) or else to the video standard H.26L (quantization and coding of the ICT coefficients) (Integer-Cosine-Transform) of the prediction error signal).
  • the essence of the invention is that in a hybrid coding method the quantization of the prediction error is identical to the difference between the quantized input signal and the quantized prediction signal (the mathematical proof of this can be provided by the inventors). This proof is successful under assumptions that only marginally restrict the general case.
  • Fig. 1 is a structural flow diagram of a simulcast encoder.
  • FIG. 2 shows a structure and flow diagram of an optimally SNR-scalable video encoder which is based on the hybrid coder concept.
  • 3A, 3B and 3C show the structures of the corresponding video decoders for the individual levels.
  • Fig. 4 shows the structure of the corresponding complete video decoder, which can decode and output all resolutions simultaneously.
  • Fig. 5 shows the structure of an optimally SNR scalable
  • FIG. 6 shows an SNR-scalable encoder system that can be used in the spectral range, including one
  • codec a “codec”, also referred to in the literature as a coder / decoder or as a compression and decompression algorithm, coded (synonymously compressed) and decoded (synonymously decompressed) different types of data, such encoding / decoding is particularly necessary in connection with data that otherwise requires a lot of memory or
  • codecs are those which convert digital or digitized analog video signals into compressed video files (e.g. MPEG) or digitized analog or digital sound signals into digital sound (e.g. MP3, RealAudio). Basically, codecs can be used in real time (streaming files or conferencing) or based on storage files.
  • the Simulcast encoder is briefly discussed here. Basically, these are N (three are shown in FIG. 1) completely independently operating codecs. The input signal is fed to all N codecs and coded. The main difference is the different strength
  • the quantized signal is fed to the entropy coding (VLC- variable length coding) for lossless coding after each quantization block.
  • VLC- variable length coding VLC- variable length coding
  • an SNR-scalable video codec (FIG. 2) can be constructed which, in the case of INTRA coding, has an optimal performance and in the case of INTER coding has a performance which is close to the optimum among the following Requirements fulfilled:
  • the prediction error signal is not transformed. A similarly good coding efficiency can be achieved by using clever context-based entropy coding methods. • The quantization levels of the individual resolution levels must be selected so that a so-called embedded quantization is created.
  • the most coarsely quantized prediction error signal is first coded. To code the next better resolution level, it is now sufficient to code the difference signal between the two resolution levels.
  • the prediction error signal is successively reconstructed from the decoded error signals of lower resolution. It should be noted that a complete reconstruction of the image of the lower resolution levels is not necessary. The decoding of the motion vectors is also only required once.
  • Optimality is given by the fact that the prediction error signal of a given resolution level is identical to the prediction error signal which is obtained when the prediction error signal of the next higher resolution level is quantized with the quantizer of the given resolution levels.
  • 3A shows the structure of the corresponding video decoder for the coarse resolution level.
  • 3B shows the structure of the corresponding video decoder for the next higher, medium resolution level.
  • Fig. 3C all three levels of resolution are involved.
  • Figure 4 shows the structure of the corresponding full video decoder for all resolutions.
  • the previous method can be simplified in such a way that only one motion compensation at the highest
  • the resulting structure is the SNR-scalable codec shown in FIG Quantitation in the local area and only one MC unit. The optimality remains.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

The invention relates to an optimal SNR scalable video coding. The novel coding scheme is characterised by a seamless SNR scalability without introducing a divergence between reconstruction in the emitter and the receiver. The efficiency of the inventive system is even greater than the efficiency of a simulcast. The novel codecs in the different levels of resolution and the corresponding connection of the codecs enables the level of the resolution to be switched over at any given time without the need to wait for a new synchronisation.

Description

Beschreibungdescription
Optimale SNR-S alierbare VideocodierungOptimal SNR-switchable video coding
In immer mehr Anwendungen ist es erforderlich codierteIn more and more applications it is required to be coded
Videosequenzen so aufzubereiten, daß diese mit Geräten sehr unterschiedlicher Leistungsfähigkeit decodiert werden können. Anwendungsszenarien sind im Besonderen mobile Endgeräte, auf denen Bildsequenzen, die eigentlich für Desktop-Applikationen codiert wurden, wiedergebbar sein sollen. AuchPrepare video sequences so that they can be decoded with devices of very different capacities. Application scenarios are, in particular, mobile devices on which image sequences that were actually coded for desktop applications should be reproducible. Also
Videokonferenzen zwischen Teilnehmern mit Desktop und mobilen Endgeräten erfordern eine geschickte Anpassung. Hierbei ist die Information, daß ein Teilnehmer ein mobiler Teilnehmer ist, dem Sender / Initiator nicht notwendigerweise bekannt. Aus technischer Sicht muß in einem solchen Szenario eine schnelle Adaption der generierten bzw. übertragenen Bitrate an sehr unterschiedliche Übertragungsbandbreiten möglich sein (z.B. Übertragung im Festnetz im Gegensatz zu drahtloser Übertragung) . Ein zunehmend wichtiger werdendes Szenario stellen sogenannte Streaming-Applikationen, sowohl imVideo conferences between participants with desktop and mobile devices require skillful adjustment. The information that a subscriber is a mobile subscriber is not necessarily known to the transmitter / initiator. From a technical point of view, a rapid adaptation of the generated or transmitted bit rate to very different transmission bandwidths must be possible in such a scenario (e.g. transmission in the fixed network as opposed to wireless transmission). An increasingly important scenario is represented by so-called streaming applications, both in
Festnetz als auch im drahtlosen Netz, dar. Hierbei stellt ein Service-Provider (der auch eine private Einzelperson sein kann) Videomaterial zum Abruf bereit. Der Client fordert die komprimierten Videodaten an, während gleichzeitig das decodierte Bildmaterial dargestellt wird. Auch hierbei muß der Provider sehr unterschiedlichen Kundenanforderungen Rechnung tragen.Fixed network as well as in the wireless network. Here, a service provider (which can also be a private individual) provides video material for retrieval. The client requests the compressed video data while the decoded image material is being displayed. Here, too, the provider has to take very different customer requirements into account.
Prinzipiell erfordern solche Problemstellungen skalierbare Codierverfahren. Senderseitig (serverseitig) wird nur ein einziger Bitstrom generiert, aus dem aber Bildsequenzen geringerer Qualität und / oder Auflösung decodiert werden können. Damit kann der Client (Empfänger) für Streaming- Applikationen entscheiden, welche Auflösungsqualität er empfangen möchte. Im Fall variierender Terminaleigenschaften decodiert der Client nur den relevanten Teil, der darstellbar ist. Im Bereich mobiler Applikationen mit zeitlich stark schwankenden Kanaleigenschaften ergibt sich die Möglichkeit einer sehr schnellen Adaption des Senders, bzw. eine elegante Schnittstelle für UEP (unequal error protection) .In principle, such problems require scalable coding methods. Only a single bit stream is generated on the transmitter side (server side), from which, however, image sequences of lower quality and / or resolution can be decoded. This allows the client (receiver) for streaming applications to decide which resolution quality they want to receive. In the case of varying terminal properties, the client decodes only the relevant part that can be displayed. This is possible in the field of mobile applications with channel characteristics that fluctuate over time a very fast adaptation of the transmitter or an elegant interface for UEP (unequal error protection).
Grundsätzlich kann zwischen SNR, örtlicher und zeitlicher Skalierbar eit unterschieden werden. Allen Verfahren gemeinsam ist, daß durch Variation bestimmter Codierparameter die gleiche Bildsequenz bei verschiedenen Bitraten codiert wird. Im Fall der SNR-Skalierung werden durch Variation der Quantisierung unterschiedliche Qualitätsstufen und Bitraten erzielt. Örtliche Skalierbarkeit beschreibt Verfahren, die die Bildsequenz mit unterschiedlichen Ortsauflösungen (Bildgrößen) codieren. Eine zeitliche Skalierbarkeit schließlich stellt die Bildsequenzen mit unterschiedlichen Bildfrequenzen zur Verfügung. Es sei darauf hingewiesen, daß durchaus beliebige Kombinationen der drei Arten möglich sind.A basic distinction can be made between SNR, local and temporal scalability. Common to all methods is that by varying certain coding parameters, the same picture sequence is coded at different bit rates. In the case of SNR scaling, different quality levels and bit rates are achieved by varying the quantization. Local scalability describes methods that code the image sequence with different spatial resolutions (image sizes). Finally, the image sequences with different image frequencies are scalable over time. It should be noted that any combination of the three types is possible.
Skalierbare Videocodierverfahren wurden in der . wissenschaftlichen Literatur bereits vielfach untersucht, allerdings häufig mit einer Ausrichtung auf bestehende oder in der Entwicklung befindliche Standards (MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.26L). Auch wenn die Verfahren Eingang in die Standards gefunden haben, so finden diese Verfahren bislang keine breite Anwendung, da deren Performance (erzielbares peak signal to noise ratio (PSNR) bei gegebener Bitrate) sehr unbefriedigend ist. Eine sogenannte Simulcast-Codierung, bei der die gewünschten Bitströme mit unterschiedlich parametrisierten parallelen und unabhängig voneinander arbeitenden Codecs generiert werden, erreichen eine bessere Qualität bei gleicher Bitrate. Dies ist um so bemerkenswerter, als daß im Fall der Simulcast-Codierung eine nicht unerhebliche Redundanz zwischen den einzelnen Bitströmen erhalten bleibt.Scalable video coding methods were used in the. Scientific literature has been widely studied, but often with an orientation towards existing or developing standards (MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.26L). Even if the methods have found their way into the standards, so far these methods have not been widely used because their performance (peak signal to noise ratio (PSNR) that can be achieved at a given bit rate) is very unsatisfactory. So-called simulcast coding, in which the desired bit streams are generated with differently parameterized parallel and independently working codecs, achieve better quality at the same bit rate. This is all the more remarkable because in the case of simulcast coding, a not inconsiderable redundancy between the individual bit streams is retained.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung ein Verfahren, entsprechende Programme und entsprechende Datenträger vorzuschlagen, die eine SNR-Skalierung erlauben und dennoch prinzipiell die gleiche Performance eines Unicast-Codecs erreichen. Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Dabei definiert Anspruch 1 ein Verfahren zur SNR-skalierbaren Videocodierung, bei dem ein Eingangssignal mit Videobildinformation je einer Mehrzahl von Codecs zugeführt wird, die Codecs das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen mit unterschiedlicher Qualität quantisieren, wobei in jedem Codec eine Bewegungskompensation durchgeführt werden kann aufgrund von Bewegungsvektoren, die durch eine Bewegungsschätzung ermittelt werden, und. die Codecs je ein Ausgangssignal mit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgeben. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsschätzung nur auf der höchsten Qualitätsstufe stattfindet und zurIt is the object of this invention to propose a method, corresponding programs and corresponding data carriers, which permit SNR scaling and nevertheless in principle achieve the same performance of a unicast codec. These objects are achieved by the features specified in the claims. Claim 1 defines a method for SNR-scalable video coding, in which an input signal with video image information is fed to a plurality of codecs, the codecs quantize the video signal at different resolution levels with different quality, wherein motion compensation can be carried out in each codec on the basis of motion vectors , which are determined by a motion estimation, and. the codecs each output an output signal with video signals quantized at the different resolution levels. The invention is characterized in that the motion estimation takes place only at the highest quality level and for
Bewegungskompensation auf allen Auflösungsebenen dieselben geschätzten Bewegungsvektoren verwendet werden.Motion compensation can use the same estimated motion vectors at all levels of resolution.
In einer bevorzugten Ausführung wird nur eine einzige Bewegungskompensation auf der höchsten Qualitätsstufe ausgeführt, die von den Codecs der niedrigeren Auflösungstufen mitverwendet wird.In a preferred embodiment, only a single motion compensation is carried out at the highest quality level, which is used by the codecs of the lower resolution levels.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es auf dem hybriden Coderkonzept aufbaut, und damit grundsätzlich kompatibel zu existierenden Standards zur Videocodierung ist. Der oft gemachte Einwurf, daß neue Verfahren nicht kompatibel zu existierenden Verfahren sind, trifft hier nicht zu.The method is characterized by the fact that it is based on the hybrid coder concept and is therefore fundamentally compatible with existing standards for video coding. The objection often made that new processes are not compatible with existing processes does not apply here.
Das Grundprinzip des hybriden Coderkonzepts besteht in der Codierung eines Prädiktionsfehlersignals, welches sich aus der Differenz zwischen Eingangssignal und (quantisierter) bewegungskompensierter Rekonstruktion des vorherigen Bildes ergibt. Im Bezug auf die Berechnung der Prädiktion gibt es sehr viele Varianten, denen allen die zeitliche Prädiktion gemeinsam ist. Darüberhinaus erfolgt die Codierung des Prädiktionsfehlers vielfach nach Ausführung einer Transformation zur Dekorrelation (Ausnutzen örtlicher statistischer Abhängigkeiten) . Um die für eine Videoübertragung erforderlichen Kompressionsraten zu erzielen, werden entweder die Intensitäten des Prädiktionsfehlersignals direkt im Ortsbereich oder aber die Transformationskoeffizienten quantisiert und anschließend über eine Entropiecodierung verlustlos komprimiert, sowie auf ein binäres Signal abgebildet.The basic principle of the hybrid encoder concept is the coding of a prediction error signal, which results from the difference between the input signal and (quantized) motion-compensated reconstruction of the previous image. With regard to the calculation of the prediction, there are very many variants that all have the temporal prediction in common. In addition, the prediction error is often encoded after execution of a Transformation to decorrelation (taking advantage of local statistical dependencies). In order to achieve the compression rates required for video transmission, either the intensities of the prediction error signal are quantized directly in the spatial region or else the transformation coefficients are quantized and then compressed losslessly via entropy coding and mapped onto a binary signal.
Um eine optimale Codiereffizienz des skalierbaren Codecs im Vergleich zum Simulcast-Coder zu erzielen, müssen die Prädiktionsfehler der gröber quantisierenden Codecs im Prädiktionsfehler der höchsten Qualitätsstufe enthalten sein. Oder mit anderen Worten, durch sukzessive Quantisierung des Prädiktionsfehlers der höchsten Qualitätsstufe erhält man identisch die Prädiktionsfehler der niedrigeren Qualitätsstufen. Ein solcher Zusammenhang kann im Allgemeinen nicht garantiert werden, da durch Bewegungskompensation und Wahl der Quantisierung eine Abweichung zwischen dem quantisierten Prädiktionsfehlersignal einer geringeren Qualitätsstufe und dem korrespondierend quantisierten Prädiktionsfehlersignal der höchsten Qualitätsstufe entsteht. Verwendet der Sender zur Prädiktion ein anderes Signal als das, das der Empfänger rekonstruieren kann, so kommt es zu einer Abweichung der rekonstruierten Bilder zwischen Sender und Empfänger, die im allgemeinen als Drift bezeichnet wird.In order to achieve optimal coding efficiency of the scalable codec compared to the simulcast coder, the prediction errors of the coarser quantizing codecs must be contained in the prediction error of the highest quality level. In other words, by successively quantizing the prediction error of the highest quality level, the prediction errors of the lower quality levels are obtained identically. Such a connection cannot generally be guaranteed, since motion compensation and the choice of quantization result in a deviation between the quantized prediction error signal of a lower quality level and the correspondingly quantized prediction error signal of the highest quality level. If the transmitter uses a different signal than the one that the receiver can reconstruct for prediction, the reconstructed images between the transmitter and receiver deviate, which is generally referred to as drift.
Nach einer Weiterentwicklung wird zur Realisierung der Skalierbarkeit zunächst das am gröbsten quantisierte Prädiktionsfehlersignal codiert und zur Codierung der nächst besseren Auflösungsstufe ein Differenzsignal zwischen beiden Auflösungsstufen codiert. Vorteilhafterweise werden die Quantisierungsstufen der einzelnen Auflösungsebenen so gewählt, dass eine embedded quantization ensteht. Im Fall einer INTRA-Codierung, bei der keine zeitliche Prädiktion erfolgt, erreicht das vorgeschlagene Verfahren eine optimale Performance. Im Falle einer INTER-Codierung gemäß Fig. 2 bzw. 5 wird selbst dann, wenn die Bedingung, daß der Prädiktionsfehler der nächstniedrigeren Auflösungsebene gleich dem quantisierten Prädiktionsfehler der nächsthöheren Auflösungsebene sein soll, die zu übertragenen Differenzsignale aber embedded sind, eine nahe am Optimum liegende Performance erzielt.According to a further development, the most coarsely quantized prediction error signal is first coded in order to implement scalability and a difference signal between the two resolution levels is coded for coding the next better resolution level. The quantization levels of the individual resolution levels are advantageously selected such that embedded quantization is produced. In the case of INTRA coding, in which no time prediction is made, the proposed method achieves optimal performance. In the case of an INTER coding according to FIG. 2 or 5, even if the condition that the prediction error of the next lower resolution level should be equal to the quantized prediction error of the next higher resolution level, but the difference signals to be transmitted are embedded, achieves a performance that is close to the optimum.
Das Verfahren kann nicht nur im Ortsbereich (mit mehreren oder nur einer einzigen MC-Einheit) , sondern prinzipiell auch im Spektralbereich verwendet werden. Dabei wird dasThe method can be used not only in the local area (with several or only one MC unit), but in principle also in the spectral area. It will
Eingangssignal einer linearen Transformation unterzogen und das Prädiktionsfehlersignal im Spektralbereich quantisiert und codiert.Input signal undergoes a linear transformation and the prediction error signal is quantized and encoded in the spectral range.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist kompatibel mit anwendungsspezifischen Videostandards, wie zum Beispiel MPEG- 2, MPEG-4 oder H.263 (Quantisierung und Codierung der DCT- Koeffizienten des Prädiktionsfehlersignals ) oder aber auf den Videostandard H.26L (Quantisierung und Codierung der ICT- Koeffizienten (Integer-Cosine-Transform) des Prädiktionsfehlersignals ) .The method according to the invention is compatible with application-specific video standards, such as MPEG-2, MPEG-4 or H.263 (quantization and coding of the DCT coefficients of the prediction error signal) or else to the video standard H.26L (quantization and coding of the ICT coefficients) (Integer-Cosine-Transform) of the prediction error signal).
Kernpunkt der Erfindung ist, daß in einem hybriden Codierverfahren die Quantisierung des Prädiktionsfehlers identisch ist zur Differenz aus quantisiertem Eingangssignal und quantisiertem Prädiktionssignal (der mathematische Nachweis dafür kann von den Erfindern geliefert werden) . Dieser Nachweis gelingt unter Annahmen, die den allgemeinen Fall nur geringfügig einschränken.The essence of the invention is that in a hybrid coding method the quantization of the prediction error is identical to the difference between the quantized input signal and the quantized prediction signal (the mathematical proof of this can be provided by the inventors). This proof is successful under assumptions that only marginally restrict the general case.
Dieses Prinzip läßt sich auf verschiedene Art und Weise in fundamental neuartige Realisierungen SNR-skalierbarer Videocodierverfahren umsetzen:This principle can be implemented in various ways in fundamentally new implementations of SNR-scalable video coding methods:
• Quantisierung im Ortsbereich mit mehreren ME/MC - Einheiten; • Quanitisierung im Ortsbereich mit nur einer ME/MC - Einheit; (ME-MC auf einer beliebigen Auflösungsebene)• quantization in the local area with several ME / MC units; • Quantitation in the local area with only one ME / MC unit; (ME-MC at any resolution level)
• Quantisierung im Bildbereich einer linearen Transformation;• quantization in the image area of a linear transformation;
• Quantisierung im Bildbereich einer linearen Transformation einschließlich Bewegungskompensation im Ortsbereich.• Quantization in the image area of a linear transformation including motion compensation in the spatial area.
Die Besonderheit dieses Ansatzes besteht darin, daß jede Form der Realisierung für sich optimal (INTRA vollständig, INTER nahe am Optimum) in dem Sinne ist, daß sie die gleicheThe peculiarity of this approach is that each form of implementation is optimal in itself (INTRA complete, INTER close to the optimum) in the sense that it is the same
Perfomance wie die eines üblichen Unicast-Coders aufweist, darüberhinaus aber zusätzlich noch die Funktionalität der SNR-Skalierbarkeit bietet.Has the same performance as a conventional unicast encoder, but also offers the functionality of SNR scalability.
Der mathematische Nachweis gelang bislang für die ersten drei Verfahren. Details finden sich im folgenden Text.The mathematical proof has so far been successful for the first three methods. Details can be found in the following text.
Zuerst sollen die bislang identifizierten Realisierungen im Detail beschrieben werden. Dabei wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren.First, the realizations identified so far will be described in detail. Reference is made to the accompanying drawing figures.
Dabei zeigenShow
Fig. 1 ein strukturelles Ablaufdiagram eines Simulcast Coders.Fig. 1 is a structural flow diagram of a simulcast encoder.
Fig. 2 ein Struktur- und Ablaufdiagram eines optimal SNR- skalierbaren Video-Encoders der auf dem hybriden Coderkonzept basiert.2 shows a structure and flow diagram of an optimally SNR-scalable video encoder which is based on the hybrid coder concept.
Fig. 3A, 3B und 3C zeigen die Strukturen der korrespondierenden Videodecoders für die einzelnen Ebenen. Fig. 4 zeigt die Struktur des korrespondierenden vollständigen Videodecoders, der alle Auflösungen simultan decodieren und ausgeben kann.3A, 3B and 3C show the structures of the corresponding video decoders for the individual levels. Fig. 4 shows the structure of the corresponding complete video decoder, which can decode and output all resolutions simultaneously.
Fig. 5 zeigt die Struktur eines optimal SNR-skalierbarenFig. 5 shows the structure of an optimally SNR scalable
Codecs mit Quanitisierung im Ortsbereich und nur einer MC-Einheit.Codecs with localization and only one MC unit.
Fig. 6 zeigt ein im Spektralbereich anwendbares SNR- skalierbares Codersystem inklusive einer6 shows an SNR-scalable encoder system that can be used in the spectral range, including one
Bewegungsschätzung und -ko pensation im Ortsbereich.Motion estimation and compensation in the local area.
Bevor auf die Ausführungsbeispiele eingegangen wird, sei hier noch kurz erwähnt, was unter dem Ausdruck Codec zu verstehen ist: Ein „Codec", in der Literatur auch als Coder/Decoder oder als Kompressions- und Dekompressionsalgorithmus bezeichnet, codiert (synonym komprimiert) und decodiert (synonym dekomprimiert) verschiedene Arten von Daten. Solche Codierung/Decodierung ist besonders im Zusammenhang mit Daten notwendig, die ansonsten sehr viel Speicherplatz oderBefore going into the exemplary embodiments, it should be briefly mentioned what is meant by the term codec: a “codec”, also referred to in the literature as a coder / decoder or as a compression and decompression algorithm, coded (synonymously compressed) and decoded (synonymously decompressed) different types of data, such encoding / decoding is particularly necessary in connection with data that otherwise requires a lot of memory or
Transmissionsbandbreite beanspruchen würden, wie zum Beispiel Video- und Sounddateien. Allgemein gebräuchliche Codecs sind solche die digitale oder digitalisierte analoge Videosignale in komprimierte Videodateien (z.B. MPEG) oder digitalisierte analoge oder digitale Soundsignale in Digitalsound (z.B. MP3, RealAudio) umwandeln. Grundsätzlich können Codecs in Echtzeit (Streaming files oder Conferencing) oder auf Grundlage von Speicherdateien verwendet werden.Would take up transmission bandwidth, such as video and sound files. Commonly used codecs are those which convert digital or digitized analog video signals into compressed video files (e.g. MPEG) or digitized analog or digital sound signals into digital sound (e.g. MP3, RealAudio). Basically, codecs can be used in real time (streaming files or conferencing) or based on storage files.
Zum besseren Verständnis und der Vollständigkeit halber sei hier kurz auf den Simulcast-Coder eingegangen. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um N (drei sind in Fig. 1 dargestellt) vollkommen unabhängig operierende Codecs. Das Eingangssignal wird allen N Codecs zugeführt und codiert. Der wesentliche Unterschied ist die unterschiedlich starkeFor a better understanding and for the sake of completeness, the Simulcast encoder is briefly discussed here. Basically, these are N (three are shown in FIG. 1) completely independently operating codecs. The input signal is fed to all N codecs and coded. The main difference is the different strength
Quanitiserung der Transformationskoeffizienten innerhalb der einzelnen Codecs. Die Schätzung der Bewegungsvektoren selbst ist für die Parameterisierung der Codecs unter dem hier interessierenden Aspekt nicht von Bedeutung. Es sei nur darauf hingewiesen, daß innerhalb eines jeder Codecs eine unabhängige Schätzung durchgeführt wird, und damit die zur Kompensation eingesetzten Bewegungsvektorfelder unterschiedlich sein werden.Quantitation of the transformation coefficients within the individual codecs. The estimation of the motion vectors themselves is not important for the parameterization of the codecs from the point of interest here. It should only be pointed out that an independent estimate is carried out within each codec, and thus the motion vector fields used for the compensation will be different.
Das quantisierte Signal wird nach jedem Quantisierungsblock der Entropiecodierung (VLC- variable length coding) zur verlustlosen Codierung zugeführt. Der Unterschied zwischen den drei dargestellten VLC Signalen liegt in ihren jeweiligen Auflösungsdetails .The quantized signal is fed to the entropy coding (VLC- variable length coding) for lossless coding after each quantization block. The difference between the three VLC signals shown lies in their respective resolution details.
Unter Verwendung der eingangs erwähnten gefundenen mathematischen Zusammenhänge, "läßt sich ein SNR-skalierbarer Videocodec (Fig. 2) aufbauen, der im Falle einer INTRA- Codierung eine optimale Performance und im Falle der INTER- Codierung eine nahe am Optimum liegende Performance unter den folgenden Voraussetzungen erzielt:Using the mathematical relationships found at the outset, " an SNR-scalable video codec (FIG. 2) can be constructed which, in the case of INTRA coding, has an optimal performance and in the case of INTER coding has a performance which is close to the optimum among the following Requirements fulfilled:
• Das Eingangssignal wird vor der Berechnung des Prädiktionsfehlers quantisiert.• The input signal is quantized before the prediction error is calculated.
• Die Bewegungsschätzung findet ausschließlich auf der höchsten Qualitätsstufe statt. Zur Bewegungskompensation werden auf allen Auflösungsebenen dieselben geschätzten Bewegungsvektoren verwendet. Durch diese Einschränkung entsteht in der Regel kein signifikanter Qualitätsverlust der niedrigeren Auflösungsstufen.• The movement estimation takes place only at the highest quality level. The same estimated motion vectors are used for motion compensation at all resolution levels. As a rule, this restriction does not result in a significant loss of quality at the lower resolution levels.
• Auf eine Transformation des Prädiktionsfehlersignals wird verzichtet. Durch Einsatz geschickter kontext-basierter Entropiecoderverfahren kann eine ähnlich gute Codiereffizient erreicht werden. • Die Quantisierungsstufen der einzelnen Auflösungsebenen müssen so gewählt werden, daß eine sogenannte embedded quantiza tion ensteht.• The prediction error signal is not transformed. A similarly good coding efficiency can be achieved by using clever context-based entropy coding methods. • The quantization levels of the individual resolution levels must be selected so that a so-called embedded quantization is created.
Zur Realisierung der Skalierbarkeit wird zunächst das am gröbsten quantisierte Prädiktionsfehlersignal codiert. Zur Codierung der nächst besseren Auflösungsstufe genügt es nun das Differenzsignal zwischen beiden Auflösungsstufen zu codieren.To achieve scalability, the most coarsely quantized prediction error signal is first coded. To code the next better resolution level, it is now sufficient to code the difference signal between the two resolution levels.
Decoderseitig folgt daraus, daß das Prädiktionsfehlersignal sukzessive aus den decodierten Fehlersignalen geringerer Auflösung rekonstruiert wird. Anzumerken ist, daß eine vollständige Rekonstruktion des Bildes der niedrigeren Auflösungsstufen nicht erforderlich ist. Auch die Decodierung der Bewegungsvektoren ist nur einmal erforderlich.On the decoder side, it follows that the prediction error signal is successively reconstructed from the decoded error signals of lower resolution. It should be noted that a complete reconstruction of the image of the lower resolution levels is not necessary. The decoding of the motion vectors is also only required once.
Optimalität ist dadurch gegeben, daß das Prädiktionsfehlersignal einer gegebenen Auflösungsebene identisch ist zum Prädiktionsfehlersignal, das man erhält, wenn man das Prädiktionsfehlersignal der nächsthöheren Auflösungsebene mit dem Quantisierer der gegebenen Auflösungsebenen quantisiert.Optimality is given by the fact that the prediction error signal of a given resolution level is identical to the prediction error signal which is obtained when the prediction error signal of the next higher resolution level is quantized with the quantizer of the given resolution levels.
In Fig. 3A wird die Struktur des korrespondierenden Videodecoders für die grobe Auflösungsebene gezeigt. In Fig. 3B wird die Struktur des korrespondierenden Videodecoders für die nächsthöhere, medium Auflösungsebene gezeigt. In Fig. 3C werden alle drei Auflösungsebenen involviert.3A shows the structure of the corresponding video decoder for the coarse resolution level. 3B shows the structure of the corresponding video decoder for the next higher, medium resolution level. In Fig. 3C, all three levels of resolution are involved.
Fig. 4 zeigt die Struktur des korrespondierenden vollständigen Videodecoders für alle Auflösungen.Figure 4 shows the structure of the corresponding full video decoder for all resolutions.
Das vorherige Verfahren kann derart vereinfacht werden, daß nur noch eine Bewegungskompensation auf der höchstenThe previous method can be simplified in such a way that only one motion compensation at the highest
Qualitätsstufe erforderlich ist. Die resultierende Struktur ist der in Fig. 5 dargestellte SNR-skalierbare Codec mit Quanitisierung im Ortsbereich und nur einer MC-Einheit. Die Optimalität bleibt dabei erhalten.Quality level is required. The resulting structure is the SNR-scalable codec shown in FIG Quantitation in the local area and only one MC unit. The optimality remains.
Die obigen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Konzepte, in denen Prädiktionsfehler im Ortsbereich codiert werden. Das Grundprinzip bleibt aber auch im Spektralbereich unter Verwendung einer beliebigen linearen Transformation gültig. Bleibt die Bewegungskompensation zunächst unberücksichtigt, ergibt sich das in Fig. 6 dargestellte optimale SNR- skalierbare Codersystem. Durch Simulationen durch dieThe above exemplary embodiments relate to concepts in which prediction errors are coded in the local area. However, the basic principle remains valid in the spectral range using any linear transformation. If the motion compensation is initially disregarded, the optimal SNR-scalable encoder system shown in FIG. 6 results. By simulations through the
Erfinder konnte inzwischen nachgewiesen werden, daß das Verfahren grundsätzlich auch bei gleichzeitiger Anwendung der IGT und der Bewegungskompensation funktioniert. In the meantime, inventors have been able to prove that the method basically works even when IGT and motion compensation are used simultaneously.
AbkürzungsglossarGlobal Legislation
SNR signal to noise ratioSNR signal to noise ratio
PSNR peak signal to noise ratioPSNR peak signal to noise ratio
UEP unequal error protectionUEP unequal error protection
VLC variable length codeVLC variable length code
MPEG moving picture experts groupMPEG moving picture experts group
ME motion estimation unitME motion estimation unit
MC motion compensationMC motion compensation
DCT diskrete Cosinus-TransformationDCT discrete cosine transformation
ITC InterfaceCodingTable ITC InterfaceCodingTable

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur SNR-skalierbaren Videocodierung bei dem ein Eingangssignal mit Videobildinformation je einer Mehrzahl (N) von Codecs zugeführt wird, die Codecs das Videosignal auf unterschiedlichen Auflösungsebenen (0,1,2, ..., N-l) mit unterschiedlicher Qualität quantisieren, wobei in jedem Codec eine Bewegungskompensation durchgeführt werden kann aufgrund von Bewegungsvektoren die durch eine Bewegungsschätzung ermittelt werden, und die Codecs je ein Ausgangssigrialmit auf den unterschiedlichen Auflösungsebenen quantisierten Videosignalen ausgeben,1. Method for SNR-scalable video coding in which an input signal with video image information is supplied to a plurality (N) of codecs, the codecs quantize the video signal at different resolution levels (0,1,2, ..., Nl) with different quality, wherein motion compensation can be carried out in each codec on the basis of motion vectors which are determined by a motion estimation, and the codecs each output an output signal with video signals quantized at the different resolution levels,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e tcharacterized
dass die Bewegungsschätzung auf der höchsten Qualitätsstufe stattfindet und zur Bewegungskompensation auf allenthat the motion estimation takes place at the highest quality level and for motion compensation on all
Auflösungsebenen dieselben geschätzten Bewegungsvektoren verwendet werden.Resolution levels using the same estimated motion vectors.
2. Verfahren zur Videocodierung nach Anspruch 1, bei dem die Bewegungskompensation für alle Codecs gemeinsam nur auf der höchsten Qualitätsstufe durchgeführt wird.2. A method for video coding according to claim 1, wherein the motion compensation for all codecs is carried out together only at the highest quality level.
3. Verfahren zur Videocodierung nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem ein Prädiktionsfehlersignal errechnet wird und das Eingangssignal (g) mit dem Prädiktionsfehlersignal verknüpft wird.3. A method for video coding according to one of claims 1 and 2, in which a prediction error signal is calculated and the input signal (g) is linked to the prediction error signal.
4. Verfahren zur Videocodierung nach Anspruch 3, wobei auf eine Transformation des Prädiktionsfehlersignals verzichtet wird.4. The method for video coding according to claim 3, wherein a transformation of the prediction error signal is dispensed with.
5. Verfahren zur Videocodierung nach Anspruch 3, wobei zur Realisierung der Skalierbarkeit zunächst das am gröbsten quantisierte Prädiktionsfehlersignal codiert wird und zur Codierung der nächstbesseren Auflösungsstufe ein Differenzsignal zwischen beiden Auflösungsstufen codiert wird.5. The method for video coding according to claim 3, wherein to realize the scalability, the coarsest quantized prediction error signal is first encoded and a to encode the next better resolution level Differential signal between the two resolution levels is encoded.
6. Verfahren zur Videocodierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantisierungsstufen der einzelnen Auflösungsebenen so gewählt werden, dass eine embedded quantiza tion ensteht.6. A method for video coding according to one of the preceding claims, wherein the quantization levels of the individual resolution levels are selected so that an embedded quantization is created.
7. Verfahren zur Videocodierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingangssignal einer linearen Transformation unterzogen wird und das Prädiktionsfehlersignal im Spektralbereich quantisiert und codiert wird.7. The method for video coding according to one of the preceding claims, wherein the input signal is subjected to a linear transformation and the prediction error signal is quantized and encoded in the spectral range.
8. Codec zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prädiktionsfehlersignal mit Bezug auf den Videostandard MPEG-2, MPEG-4 oder H.263 mit diskreter Cosinus-Transformation berechnet wird.8. Codec for performing the method according to any one of the preceding claims, wherein the prediction error signal is calculated with reference to the video standard MPEG-2, MPEG-4 or H.263 with discrete cosine transformation.
9. Codec zur Durchführung des Verfahrens nach einem der9. Codec for performing the method according to one of the
Ansprüche 1 - 7, wobei das Prädiktionsfehlersignal mit Bezug auf den Videostandard H.26L durch einer Integer Cosine Transform (ICT) bestimmt wird. Claims 1-7, wherein the prediction error signal is determined with reference to the video standard H.26L by an integer cosine transform (ICT).
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