ES2350664A1 - Método de control de bit-rate en sistemas de compresión de video digital basados en mjpeg. - Google Patents
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Abstract
Método de control de bit-rate en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, del tipo de métodos que encadena la codificación de varias imágenes consecutivas mediante el estándar JPEG, el cual comprende un bloque de Transformada Discreta de Coseno, un bloque de Cuantificación y un bloque de Codificación de Longitud Variable VLC, y que tiene por objeto garantizar un bajo y constante retraso en la transmisión a lo largo de la comunicación, estando orientado a plataformas basadas en microprocesadores para aplicaciones de bajo coste en las que la rápida respuesta a un evento y la interactividad entre los extremos de la comunicación tiene prioridad sobre la calidad de Imagen, por lo que es de especial aplicación en ambientes Industriales en los que se debe permitir tanto interactividad entre los extremos de la comunicación como una rápida respuesta ante un posible evento, como en caso de una video conferencia y un vídeo portero.
Description
Método de control de bit-rate en
sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG.
La siguiente invención, según se expresa en el
enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un método
de control de bit-rate en sistemas de compresión de
vídeo digital basados en MJPEG, teniendo por objeto garantizar un
bajo y constante retraso en la transmisión a lo largo de la
comunicación.
Además, el método de control de
bit-rate en sistemas de compresión de vídeo digital
basados en MJPEG, esta orientado a plataformas basadas en
microprocesadores para aplicaciones de bajo coste en las que la
rápida respuesta a un evento y la interactividad entre los extremos
de la comunicación tiene prioridad sobre la calidad de ima-
gen.
gen.
\vskip1.000000\baselineskip
En la presente memoria se describe un método de
control de bit-rate en sistemas de compresión de
vídeo digital basados en MJPEG, siendo de especial aplicación en
ambientes industriales en los que se debe permitir tanto
interactividad entre los extremos de la comunicación como una rápida
respuesta ante un posible evento, como en caso de una vídeo
conferencia y un vídeo portero.
\vskip1.000000\baselineskip
Como es conocido, el algoritmo de comprensión de
vídeo MJPEG basado en el estándar JPEG no forma parte de ninguna
normativa internacional.
Además, el estándar JPEG está definido para
imágenes aisladas y no para vídeo. En consecuencia el algoritmo
MJPEG realiza la compresión de secuencias de imágenes sin considerar
la dimensión temporal.
Así, el algoritmo MJPEG consiste en la
codificación JPEG de cada una de las imágenes que componen un vídeo,
de forma que este algoritmo solamente contempla la compresión
espacial que reduce la redundancia dentro de una imagen. Así, no
existe comprensión temporal, es decir, no tiene en cuenta la
redundancia entre imágenes consecu-
tivas.
tivas.
El nivel de comprensión alcanzado por el
algoritmo JPEG depende de la complejidad de la propia imagen, de
manera que cuando se quiere transmitir esta información por un canal
de comunicación se producen fluctuaciones en el
bit-rate, no siendo admisible este hecho en canales
del tipo de Bit Rate constante (CBR: Constant Bit
Rate).
Rate).
Así, se han identificado un gran número de
sistemas de compresión de vídeo cuya transmisión se basa en el uso
de buffers elásticos de gran tamaño y cuyo funcionamiento absorbe
las fluctuaciones de bit-rate que se producen en la
comunicación, al almacenar en memoria un número variable de imágenes
y transmitirlas de forma continua. Esta solución, que puede ser
adecuada para aplicaciones de difusión multimedia, sin embargo,
produce retrasos muy elevados e inadmisibles en sistemas que
precisan de interactividad y de una respuesta instantánea a un
evento, tal como sucede en numerosas aplicaciones industriales.
Asimismo, podemos considerar diferentes
documentos de patente que hacen referencia a procedimientos de
compresión de imágenes, tales como US 20030160799 en el que se
describe un método de compresión y de control de
bit-rate que tiene en cuenta el proceso de
segmentación del fondo de la imagen, el US 6724817 en el que se
describe un método de control de bit-rate basado en
la eliminación de las componentes frecuenciales menores que un
cierto umbral, y el EP 1892965 en el que se actúa sobre los niveles
de cuantificación de las componentes frecuenciales mediante la
normalización adaptativa de la matriz de cuantificación.
\vskip1.000000\baselineskip
En la presente memoria se describe un método de
control de bit-rate en sistemas de compresión de
vídeo digital basados en MJPEG, siendo del tipo de métodos que
encadena la codificación de varias imágenes consecutivas mediante el
estándar JPEG, el cual comprende un bloque de Transformada Discreta
de Coseno, un bloque de Cuantificación y un bloque de Codificación
de Longitud Variable VLC, el cual es de utilidad para su
incorporación en plataformas basadas en microprocesadores para su
uso en aplicaciones industriales que precisan interacción entre los
extremos de la comunicación o una rápida respuesta a eventos
externos, de forma que el sistema comprende un doble buffer (memoria
de almacenamiento) en el extremo de transmisión cuyo estado se
realimenta para cuantificar, de forma adaptativa, la imagen a la
salida de la Transformada Discreta del Coseno (DCT) o descartar la
imagen a la salida del modulo VLC cuando el doble buffer se
encuentra ocupado con una imagen transmitiéndose y una imagen
pendiente de ser transmitida, llevándose a cabo la cuantificación en
función del tamaño de la imagen en el doble buffer mediante matrices
de cuantificación, obteniéndose los. valores de la cuantificación
por la expresión:
siendo:
"u" y "v" índices entre 0 y 7 que
representan la fila y la columna de cada elemento de la matriz de
cuantificación que está, asociado a los coeficientes del bloque 8x8
salida de la Transformada Discreta del Coseno (DCT).
- \bullet
- y "q" el valor de la pendiente de los planos descritos por la expresión citada y que indican el grado de calidad de la imagen. Cuanto mayor sea q mayor cuantificación se realizará y menor será la calidad de la imagen.
La implementación de un doble buffer en
transmisión simultanea la transmisión de una imagen con el procesado
de la siguiente. La transmisión y el procesado de imágenes en un
buffer son variables excluyentes, de forma que mientras procesa una
imagen no puede transmitir y a la inversa.
Además, la transmisión y el procesado de
imágenes son variables alternas, de forma que un buffer no puede
procesar o transmitir varias imágenes consecutivas, esto es, procesa
y luego transmite y así sucesivamente.
La cuantificación de la imagen se adapta cuando
su tamaño es mayor o menor a un valor máximo (L_{max}) o a un
valor mínimo (L_{min}) predeterminado, respectivamente mediante la
modificación del valor "q".
Así, cuando el tamaño de la imagen es mayor al
valor máximo (L_{max}) se aumenta el nivel de cuantificación y
cuando el tamaño es menor al valor mínimo (L_{min}) se disminuye
el valor de la cuantificación.
Por otra parte, cuanto mayor sea el valor de
"q" mayor será la pendiente de los planos descritos y el nivel
de cuantificación, mientras que la calidad de la imagen será
menor.
El valor de "q" se irá aumentando o
disminuyendo de una imagen a otra en incrementos discretos
"dq", actualizándose de imagen a imagen.
Para complementar la descripción que
seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a una mejor
comprensión de las características de la invención, se acompaña a la
presente memoria descriptiva, de un juego de planos, en cuyas
figuras de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los
detalles más característicos de la invención.
Figura 1. Muestra una vista de un esquema básico
de transmisión de imágenes, habiendo representado el elemento que se
encarga del control de bit-rate, Este elemento
analiza el estado del doble buffer para actuar por un lado en la
modificación de los coeficientes de cuantificación y por otro en
eliminación de las imágenes rechazadas.
Figura 2. Muestra una vista del control de
bit-rate objeto de la invención el cual esta basado
en un doble buffer, habiendo representado la metodología de
actuación.
Figura 3. Se muestran los coeficientes de la
matriz de cuantificación obtenidas mediante la expresión propuesta
para los valores de q = 10, 20 y 30.
Figura 4. Se muestra el ratio de compresión
(tamaño de imagen real/tamaño de imagen comprimido) para una
secuencia de imágenes (18 imágenes). Se comparan los valores
obtenidos con y sin la activación del algoritmo de control de
bit-rate y se muestran los valores umbral asociados
a L_{max} y L_{min}.
La presente invención reivindica un método de
control de bit-rate en sistemas de compresión de
vídeo digital basados en MJPEG, de forma que el módulo de control de
bit-rate incorpora un algoritmo de cuantificación
que actúa sobre los coeficientes resultantes de la Transformada
Discreta de Coseno (DCT en adelante).
El método compara el nivel de compresión
alcanzado con una referencia y recalcula los niveles de
cuantificación correspondientes a la imagen siguiente.
El nivel de compresión alcanzado se obtiene
inspeccionando el tamaño de la imagen comprimida.
Finalmente la imagen comprimida es almacenada en
una estructura basada en doble buffer (elemento de memoria) en el
extremo transmisor si alguno de los buffers se encuentra libre si
este no es el caso dicha imagen es descartada.
El presente método permite mantener la latencia
(retraso acumulado entre captura y transmisión) a niveles bajos en
canales de transmisión tipo CBR (Constant Bit Rate) por lo que es
muy adecuado en escenarios industriales donde la interactividad y
la respuesta a eventos es muy importante.
Tal como hemos indicado, el algoritmo MJPEG
aunque basado en el estándar JPEG no forma parte de ninguna
normativa internacional. Además, el estándar JPEG está definido
para imágenes aisladas y no para vídeo En consecuencia el algoritmo
MJPEG contempla la compresión de secuencias de imágenes sin
considerar la dimensión temporal (La redundancia existente entre
imágenes consecutivas).
El hecho de no ser parte de ningún estándar
permite introducir ciertas libertades con respecto del algoritmo
JPEG en si mismo. De hecho se han considerado para la presente
invención los códigos de longitud variable del MPEG2.
El algoritmo se compone de una serie de etapas
donde se realiza algún tipo de procesamiento sobre la imagen
capturada por la cámara segmentada en subimágenes de 8x8 píxeles.
Las operaciones realizadas en transmisión tienen siempre su inversa
en recepción.
De acuerdo a la figura 1 de los diseños, el
elemento 1 realiza la Transformada Discreta de Coseno, (DCT), que
convierte la imagen capturada en imagen de frecuencias.
El elemento 2 se encarga de realizar la
cuantificación de la imagen de frecuencias salida del elemento
DCT.
El elemento 3 se encarga de realizar la
codificación de longitud variable donde se utilizan códigos de
longitud variable.
El elemento 4 realiza un empaquetado de bits de
manera que se produzca un flujo continuo de datos a transmitir.
Por último, tenemos el doble buffer (memoria de
almacenamiento) que almacena la imagen comprimida y empaquetada para
disponerse a transmitir por el medio de comunicación.
La existencia de este doble bufer es necesaria
para poder paralelizar el proceso de compresión y de
transmisión.
El elemento 10 se encarga del control de
bit-rate, encargándose del control de cantidad de
información a transmitir mediante dos actuaciones relacionadas pero
diferenciadas.
Por un lado se actualizan los niveles de
cuantificación aplicados al elemento 2 y por otro lado se adopta una
técnica de descarte de imágenes: cuando el doble bufer está
ocupado, es decir, cuando se está transmitiendo una imagen desde un
bufer y en el otro se encuentra una imagen pendiente de transmitir,
entonces si en esta situación viene una nueva imagen comprimida ésta
se descarta.
De esta forma, en la figura 2 de los diseños se
representa la metodología que se adopta, y, así: se cuantifica
adaptativamente la imagen en frecuencias resultado de la operación
DCT teniendo en cuenta el tamaño de la imagen inmediatamente
anterior una vez comprimida, de forma que dependiendo de la esta
imagen comprimida se actualiza el nivel de "q" de calidad que
determina el nivel de cuantificación mediante la fórmula
\vskip1.000000\baselineskip
Así, el nuevo nivel de cuantificación se aplica
a la siguiente imagen.
Además, una vez comprimida la imagen se
inspecciona el estado del doble bufer, de manera que si ninguno de
los dos bufers está libre la imagen se descarta.
Este caso se produce cuando uno de los buffers
contiene una imagen que se está transmitiendo y el otro contiene una
imagen pendiente de ser transmitida.
El control de bit- rate se realiza a dos
niveles:
1.- Adaptación del nivel de cuantificación
2.- Descarte de imágenes cuando la memoria
dedicada a la transmisión se encuentra ocupada por imágenes
anteriores transmitiéndose o pendientes de ser transmitidas.
De acuerdo a la figura 2 de los diseños el valor
"q" de la expresión generadora de los coeficientes de
cuantificación se incrementa o decrementa por "dq" teniendo en
cuenta los valores Lmin y Lmax que indican el rango objetivo de
compresión.
De acuerdo a la figura 3 de los diseños se puede
ver varios ejemplos de matriz de cuantificación resultante mediante
el uso de la ecuación generadora para varios valores de "q":
10, 20 y 30.
De acuerdo a la figura 4 de los diseños se puede
observar el resultado de utilizar el presente procedimiento a una
secuencia de 18 imágenes. La variabilidad del ratio de compresión y
por tanto del bit-rate se ve considerablemente
reducida.
Claims (8)
1. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, siendo
del tipo de métodos que encadena la codificación de varias imágenes
consecutivas mediante el estándar JPEG, el cual comprende un bloque
de Transformada Discreta de Coseno, un bloque de Cuantificación y un
bloque de Codificación de Longitud Variable VLC, el cual es de
utilidad a para su incorporación en plataformas basadas en
microprocesadores para su uso en aplicaciones industriales que
precisan interacción entre los extremos de la comunicación o una
rápida respuesta a eventos externos, caracterizado porque el
sistema comprende un doble buffer (memoria de almacenamiento) en el
extremo de transmisión cuyo estado se realimenta para cuantificar,
de forma adaptativa, la imagen a la salida de la Transformada
Discreta del Coseno (DCT) o descartar la imagen a la salida del
modulo VLC cuando el doble buffer se encuentra ocupado con una
imagen transmitiéndose y una imagen pendiente de ser transmitida,
llevándose a cabo la cuantificación en función del tamaño de la
imagen en el doble buffer mediante matrices de cuantificación,
obteniéndose los valores de la cuantificación por la expresión:
siendo:
- \bullet
- "u" y "v" índices entre 0 y 7 que representan la fila y la columna de cada elemento de la matriz de cuantificación que está asociado a los coeficientes del bloque 8x8 salida de la Transformada Discreta del Coseno (DCT)
- \bullet
- y "q" el valor de la pendiente de los planos descritos por la expresión citada y que indican el grado de calidad de la imagen.
2. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque la implementación de
un doble buffer en transmisión simultanea la transmisión de una
imagen con el procesado de la siguiente.
3. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque la transmisión
y el procesado de imágenes en un buffer son variables excluyentes,
de forma que mientras procesa una imagen no puede transmitir y a la
inversa.
4. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque la transmisión
y el procesado de imágenes son variables alternas, de forma que un
buffer no puede procesar o transmitir varías imágenes
consecutivas.
5. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque la cuantificación de
la imagen se adapta cuando su tamaño es mayor o menor a un valor
máximo (L_{max}) o a un valor mínimo (L_{min}) predeterminado,
respectivamente, (será conveniente aportar una figura).
6. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicaciones 1ª y 5ª, caracterizado porque cuando el
tamaño de la imagen es mayor al valor máximo se aumenta el nivel de
cuantificación y cuando el tamaño es menor se disminuye el valor de
la cuantificación.
7. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque cuanto mayor sea el
valor de "q" mayor será la pendiente de los planos descritos y
el nivel de cuantificación, mientras que la calidad de la imagen
será menor.
8. Método de control de bit-rate
en sistemas de compresión de vídeo digital basados en MJPEG, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque el valor de "q"
se irá aumentando o disminuyendo de una imagen a otra en incrementos
discretos, actualizándose de imagen a imagen.
Priority Applications (2)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2350664 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20111116 |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20181011 |