JP2011503947A - Fec符号化及び復号化の方法及び装置 - Google Patents

Fec符号化及び復号化の方法及び装置 Download PDF

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Abstract

送信機における順方向誤り訂正(FEC)符号化方法であって、本方法は、データソースからデータストリームを受信し、データストリームの第一のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第一のFECデータを生成し、データストリームの第二のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第二のFECデータを生成することを含み、第二のブロックサイズは、第一のブロックサイズと異なり、第一のブロックサイズのデータブロックはデータストリームを形成し、第二のブロックサイズをもつデータブロックはデータストリームを形成する。

Description

本発明は、符号化及び復号化システムに関し、より詳細には、システムにおける順方向誤り訂正(FEC)符号化及び復号化の方法及び装置に関する。
アナログ放送通信におけるようなアナログビデオ通信では、新たなチャネルにおけるビデオ情報は、現在のチャネルが新たなチャネルに変化したときに即座に見ることができる。しかし、デジタルビデオ通信では、ビデオコンテンツは、ネットワーク帯域幅を節約するように符号化された方式で通常送信される。係るスキームにおいて、発信元のビデオコンテンツは、ネットワークを通して送信される前に一連のパケットにエンコードされ、目的地では、受信機は、再生のためにビデオパケットを受信してデコードする。さらに、パケットロスを保護するため、順方向誤り訂正(FEC)のようなチャネル符号化スキームが通常使用される。ビデオソース符号化及びチャネル符号化の両者は、一度に処理されるべきデータのブロックを必要とし、したがって、チャネル切り替えが必要とされるとき、少なくとも1つのデータのブロックに対応する遅延が必要とされる。したがって、新たなチャネルからの情報が現れるまで、ビデオブランキングが生じる間の期間が存在する。本発明は、特にFECであるチャネル符号化により引き起こされる遅延に対処するものでああり、遅延、したがってチャネル切り替えでのブランキング期間を低減するためのソリューションを提案するものである。
良好なFEC符号化は、ビデオ情報の大きなブロックサイズを必要とし、FEC効率は、FEC符号化のブロックサイズに依存する。より大きなブロックサイズは、冗長度の少ない良好な誤り訂正のパフォーマンスを有することができる。しかし、ビデオの少なくとも1つのブロックサイズに対応する遅延は、ビデオの最初のフレームを取得するために必要とされるため、大きなブロックサイズは、新たなチャネルのビデオストリームについて多くの初期の遅延を意味する。スタートアップ及び/又はチャネル切り替えでのTV番組の初期の遅延が余りに長い場合、視聴者を不愉快にさせる。視聴者は、通常、2〜3秒のチャネル切り替え時間に耐えることができる。効率的なチャネル符号化は10秒を必要とする場合がある一方で、より多くの初期遅延(バッファリング)が必要とされる。
従来技術における方法及びビデオ信号プロセッサは、あるプログラムチャネルから別のプログラムチャネルへの切り替えの間のブランキング時間を低減するために提供されている。この方法では、現在のチャネルのビデオ情報は、メモリにバッファリングされ、チャネル切り替えの間にバッファリングされたビデオ情報をブロードキャストし続けることで、ビデオブランキングを置き換える。しかし、この方法は、チャネル切り替え時間を正確に低減しない。さらに、チャネルを切り替えるコマンドが送信された後に、古いチャネルからのビデオ情報を見ることができるので、ユーザは混乱し、このコマンドが作用されているかを知らない。
従来技術における別の方法は、チャネル切り替えの間にビデオブランキングを除去するために提供される。この方法では、ビデオブランキングを置き換えるため、テキスト情報、広告又は電子サービスガイド情報のような各種情報が提供される。しかし、先の方法に類似して、この方法は、チャネル切り替え時間を低減するものではなく、ユーザは、これらの情報は不要であると考える場合がある。
したがって、プログラムスタートアップ及び/又はチャネル切り替え時間を低減するだけでなく、チャネル切り替え効率を保証するように、従来技術における先の問題点を克服する方法を提供することが必要とされる。
本発明は、多数のレベルで順方向誤り訂正(FEC)符号化の方法及び装置に関する。 また、本発明は、送信機における順方向誤り訂正(FEC)符号化の方法に関するものであり、本方法は、データソースからデータストリームを受信するステップ、複数のレベルのデータブロックにデータストリームを構成するステップを含み、それぞれのレベルのデータブロックは、他のレベルのデータブロックとは異なるブロックサイズを有し、データストリームをカバーする。本方法は、さらに、データストリームの複数のレベルのそれぞれのデータブロックについてFECデータを生成する。
また、本発明は、送信機における順方向誤り訂正(FEC)符号化の方法に関するものであり、本方法は、データソースからデータストリームを受信するステップ、データストリームの第一のサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第一の順方向誤り訂正データを生成するステップ、データストリームの第二のサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第二の順方向誤り訂正データを生成するステップを含み、第二のサイズは、第一のサイズとは異なり、第一のサイズのデータブロックは、データストリームを形成し、第二のサイズをもつデータブロックは、データストリームを形成する。
また、本発明は、受信機における順方向誤り訂正FEC復号化の方法に関するものであり、本方法は、送信機からのデータストリームに合わせてFECデータを受信するステップを含み、FECデータは、データストリームの第一及び第二のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックから生成され、第二のブロックサイズは、第一のブロックサイズとは異なる。本方法は、さらに、データストリームのそれぞれのブロックのFECデータによりデータストリームを復号化するステップを含む。
また、本発明は、上述されたFEC符号化方法を実現する送信機に関する。
また、本発明は、上述されたFEC復号化方法を実現する受信機に関する。
本発明のこれらの態様、特徴及び利点、並びに他の態様、特徴及び利点は、添付図面と共に以下の記載から明らかとなるであろう。
本発明の実施の形態に係る例示的な送信機を例示するブロック図である。 送信機における2つのレベルのFEC符号化を例示する図である。 送信機におけるマルチレベルのFECパケットを生成する方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る例示的な受信機を例示するブロック図である。 受信機における2つのレベルのFEC復号化を例示する図である。 受信機におけるマルチレベルパケット訂正の方法を示すフローチャートである。
以下、本発明の様々な例示的な実施の形態に従って、本発明の多くの利点/特徴を例示するために添付図面を参照して説明される。
図1は、本発明の実施の形態に係る例示的な送信機100を例示するブロック図である。送信機100は、ビデオストリームを符号化し、符号化されたビデオストリームを、TV受信機のようなビデオ受信機に送信するために使用され、このビデオ受信機は、ビデオエンコーダ101及びマルチレベルFECエンコーダ102を含む。ビデオエンコーダ101は、ビデオソース(図示せず)からのビデオストリームを受信し、送信のためにビデオストリームを圧縮するように、従来技術におけるMPEGビデオ符号化又は他のビデオ符号化技術のようなビデオ符号化を実行する。マルチレベルFECエンコーダ102は、FECパケットを形成するため、ビデオエンコーダ101から出力される符号化ビデオストリームのFEC符号化を実行する。FECパケットと共に符号化ビデオストリームは、ビデオブロードキャストネットワーク又はIPネットワーク等のようなアウトサイド(外部)ネットワークに出力される。符号化ビデオストリームは、複数のチャネルに送信することができ、それぞれのチャネルは、TVプログラムのような異なるビデオストリームを送信することができる。
FECエンコーダ102では、符号化されたビデオストリームは、異なるブロックサイズをもつ複数のレベルのデータブロックを含むように構成される。このレベルは、FECエンコーダ102においてブロック毎にFEC符号化を実行するために構成され、符号化されたビデオストリームは、変更されない。例示的な記載は、2つのレベルのビデオストリームについてFEC符号化プロセスを例示するために提供される。
図2は、送信機100における2レベルのFEC符号化を例示する図である。図2では、レベル1及びレベル2である2つのレベルがFEC符号化プロセスを実行するために使用される。レベル1では、ビデオパケットは、1つのビデオパケットである、ブロックサイズAをもつビデオブロックを含むように構成される。レベル2では、ビデオパケットは、4つのビデオパケットである、ブロックサイズ4Aをもつビデオブロックを含むように構成される。すなわち、データストリームのそれぞれ1つのビデオパケット、ブロックサイズAをもつデータブロックについて、レベル1におけるFECデータを得るためにFEC符号化が実行され、同時に、データストリームのそれぞれ4つのビデオパケット、ブロックサイズ4Aをもつデータブロックについて、レベル2におけるFECデータを得るためにFEC符号化が実行される。それぞれのブロックは、複数のビデオパケットを含み、それぞれのブロックにおけるビデオパケットの数は、必要に応じて当業者により選択することができる。
次いで、FEC符号化は、2つのレベルのそれぞれのブロックについて使用される。本実施の形態で選択される誤り訂正機能は、1つのFECパケットをもつ失われたパケットのうちの1つを回復する機能を有するXORである。FECパケットを生成するために多くの方法を使用することができ、本実施の形態では詳細な説明が省略される。本実施の形態では、レベル1におけるそれぞれのブロックに対する冗長度としてFECパケットの8%がエンコードされ、レベル2におけるそれぞれのブロックに対する冗長度としてFECパケットの16%がエンコードされる。
FEC符号化の後、FECデータパケットは、ビデオパケットブロックを含むビデオストリームと共にアウトサイドネットワークに送信される。なお、本発明の実施の形態では、レベル1は、たとえばビデオ受信機をスタートアップするか、あるチャネルから別の新たなチャネルに切り替わるときといった、ビデオ受信機においてあるチャネルのビデオストリームの受信を開始するとき、ビデオ受信機でビデオストリームを最初に復号化するために使用される小さいブロックサイズを有する。従って、ビデオブロックにおける幾つかのパケットロスは、迅速に回復され、ビデオ受信機は、2〜3秒といった、迅速にビデオストリームを再生することができる。
さらに、レベル2は、ビデオ受信機においてあるチャネルのビデオストリームの受信を開始するか又は再生の時間の間、高い品質をもつビデオストリームが受信機において再生されるように、ビデオブロックにおける多くのパケットのロスが完全に回復されるように大きなブロックサイズを有する。
図3は、送信機においてマルチレベルのFECパケットを生成する方法を示すフローチャートである。ステップ301で、ビデオストリームのビデオパケットは、ビデオソースから受信され、バッファリングされる。係るビデオパケットは、ビデオエンコーダにより符号化される。次いで、ステップ302で、ビデオストリームは、異なるブロックサイズをもち複数のレベルのデータブロックを含むために構成され、ステップ303で、それぞれのレベルiのブロックに関連するFECパケットが生成され、この場合、1→i<N+1であり、Nはレベル数である。本実施の形態では、2つのレベルのFECパケットが使用され、したがってN=2及びi=1,2である。すなわち、レベル1及び2のFECパケットは、このステップで生成される。ここで、ブロックに関連するFECパケットは、それぞれのレベルのそれぞれのブロックのFECパケットを意味する。このFECパケットは、アウトサイドネットワークに対応するビデオパケットのブロックと共に送出される。
ステップ304で、バッファリングされたビデオパケットの数はSNを超えるかが判定される。この場合、SNは、レベルNのブロックサイズを示し、本実施の形態では、S1=A,S2=4Aである。結果がNoであるとき、プロセスは、ステップ301に戻り、ビデオパケットを受信及びバッファリングする。結果がYesのとき、プロセスはステップ305に進む。ステップ305で、ビデオパケットバッファは、到来するビデオパケットを受信するためにクリアされる。次いで、ステップ306で、ビデオストリームが終了されたかが判定される。結果がNoであるとき、プロセスは、ステップ301に戻り、ビデオパケットを受信及びバッファリングする。
図4は、本発明の実施の形態に係る例示的な受信機200を例示するブロック図である。受信機200は、ビデオデコーダ201、FECデコーダ205、ビデオバッファ204、FECバッファ202、パケットディスパッチャ203及びビデオプレーヤ206を含む。
パケットディスパッチャ203は、ビデオパケット及びFECパケットにアウトサイドネットワークから受信されたビデオデータを分離する。受信されたビデオストリームは、(図示せず)チューナにより選択することができ、これにより、ユーザは、チャネルにおける様々なTVプログラムのような異なるチャネルから異なるビデオストリームを再生することができる。チューナ及び先の選択は本発明において必要とは限らないことは、当業者にとって知られる。代替的に、あるチャネルからのビデオストリームは、受信機200で受信される。
FECバッファ202は、パケットのロスを回復するためのFECデコーダ205によるデコードのため、FECデータパケットを記憶する。ビデオバッファ204は、ビデオデコーダ201によるデコードのため、ビデオパケット及び回復されたビデオデータを記憶する。デコードされたビデオデータは、再生のためにビデオプレーヤ206に出力される。ビデオデコーダ201におけるデコードプロセスは、当該技術分野で知られており、その詳細な説明は、本実施の形態で省略される。FECバッファ202及びFECデコーダ205におけるプロセスは、以下のように詳細に記載される。
FECバッファ202は、あるチャネルのビデオストリーム及びFECパケットを再生するのを開始したとき、あるチャネルのFECパケットを蓄積するのを開始する。チャネルは、受信機をスタートアップするときのチャネルであるか、又はあるチャネルから別のチャネルに切り替えるときの新たなチャネルである。ビデオパケットのロスが検出された場合、FECデコーダ205は、同じブロックにおける受信されたビデオパケットとそれぞれのレベルのブロックに関連するFECパケットとの組み合わせを使用することで、欠けているビデオパケットをデコード及び回復し始め、次いで、回復されたビデオパケットは、ビデオストリームを復号化するためにビデオデコーダ201に供給される。受信機におけるビデオ復号化について上述されるように、レベル1でブロックを復号化するために必要とされるに十分なビデオパケットの数はAであり、レベル2でブロックを復号化するために必要とされるに十分なビデオパケットの数は4Aである。したがって、レベル1でブロックを復号化するための時間遅延は、レベル2でのそれよりも短く、レベル1は、ビデオストリームをはじめに復号化するために使用され、次いで、レベル2は、ビデオストリームを完全に復号化するために使用される。したがって、時間遅延は、レベル1を使用することで減少され、復号化の品質は、レベル2を使用することで保証される。
代替的に、2を超えるレベルが存在する場合、最小のブロックサイズをもつレベルがはじめに使用され、次いで、多くのブロックサイズをもつ別のレベルが使用され、最後に、最も大きなブロックサイズを持つレベルは、必要とされるパフォーマンスを実現するために使用される。
図5は、受信機200における2レベルのFEC復号化を例示する図である。図5では、ビデオバッファ204における幾つかの欠けているパケットが示される。本実施の形態では、失われたパケットがFECのレベル1により回復することができる場合、回復されたブロックは、(t1で)レベル1で約1ブロック(Aパケット)の遅延を有し、さもなければ、(t2で)レベル2で約1ブロック(4Aパケット)の遅延が存在するとき、ブロックは、FECのレベル2により回復することができる。
図4では、ビデオプレーヤ206は、ビデオストリームを再生するため、ビデオデコーダ201から復号化されたビデオストリームを読取る。ビデオパケットがビデオプレーヤ206により読取られた後、バッファから即座に除かれる。レベル2の復号化について十分なパケットを蓄積するため、リアルタイムレートよりも低い再生レートは、レベル2でブロックサイズの十分な数のパケットをバッファが蓄積するまで、ビデオを再生するために使用される。バッファリングされたパケットが通常(リアルタイム)速度で再生される場合、蓄積されるべきレベル2のFEC復号化について十分なブロックが存在しない。
この実施の形態では、再生レートがリアルタイムレートよりも低い限り、バッファの占有は増加し続ける。最小のバッファリングは、レベル1(Aパケット)で1ブロックであり、レベル1でのFECパケットは、所定量の誤りを回復することができる。バッファの占有は、レベル2での1ブロック(4Aパケット)まで増加し、レベル2でFECパケットにより回復されたブロックは、ドロップされる前に使用することができる。
なお、リアルタイムレートは、バッファが所与のレベル(レベル2)について必要とされるサイズ(4A)に満たされた後に、ビデオストリームを再生するために再開されるべきである。低速の再生のために時間期間(T)は、1)スローレートとノーマルレートとの差(delta_R)、2)2つのレベル間のバッファ要件の差(delta_B)に依存する。T=delta_B/delta_Rである。
チャネル切り替えの時間からT1を考慮してレベル2のFECのためのターゲットとなる遅延が与えられると、データ蓄積のために使用されるべきスローレートR0を発見することができる。
本方法は、以下に示される。
1.通常の再生レートRが与えられると、レベル1のブロックサイズはAであり、レベル2は4Aである。
2.チャネル切り替え時間は、T0=A/Rである。
3.4Aへのバッファの蓄積は、T1−T0=delta_B/(R−R0)である。
4.したがって、スローレートは、R0=R−delta_B/(T1−T0)である。
期間Tの後、2レベルのFEC符号化は、良好な品質を得るために使用される。代替的に、レベル2のみが使用され、このレベル2は、良好な品質を得ることができ、FEC符号化の複雑度を低減することができる。
図6は、受信機におけるマルチレベルパケットの訂正の方法を示すフローチャートである。ステップ601で、ビデオパケットは、アウトサイドネットワークから受信され、受信機200においてバッファリングされる。次いで、ステップ602で、ビデオパケットバッファは、FECデコーダにより消費され、欠けているパケットがあれば回復される。
ステップ603で、FEC復号化後のビデオパケットは、プレーヤ206で再生される。ステップ604で、ビデオパケットバッファは、次のブロックの到来するビデオパケットで満たされる。次いで、ステップ605で、ビデオストリームが終了であるかが判定される。結果がNoであるとき、プロセスはステップ601に戻り、ビデオパケットを受信及びバッファリングする。
上述されたチャネル符号化のために予め決定されたマルチレベルFECを使用する代わりに、再送信(ARQ)メカニズムを要求する結果、ダイナミックマルチレベルFEC方法を有する。たとえば、チャネルの品質が良好である場合、レベル1のFECパケットのみが送信される。チャネルの品質が悪くなる場合、受信機は、ARQ要求を送信機に送出する。受信機側での誤り訂正のパフォーマンスを改善するため、レベル2のFECパケットが送信機により送出される場合がある。
上述されたように、本発明の実施の形態における方法及び装置によれば、ひとたびユーザがTVプログラムチャネルをスイッチすると、新たなTVプログラムがDECの第一のレベルに対応する短い遅延による見ることができる。しかし、チャネルの状態が十分に良好ではない場合、パケットのロスは、しばらくの間に全て回復されない場合がある。したがって、ビデオの品質は、幾つかのマイクロブロック又はドロップフレームにより同時に苦しむ。しかし、時間の経過につれて、ビデオ品質は、たとえば〜10秒といった、第二のレベルのFECが効力を生じた期間後に増加される。適応的なパケットロスの回復アプローチは、FECブロックサイズとチャネル切り替え時間との間のトレードオフを解決する。
本発明の原理に基づく特定のプロセスが上述されたが、本発明に対する限界であると考慮すべきではない。たとえば、上述されたように、TV送信機及び受信機は、本発明の実施の形態を例示するために使用される。しかし、他のビデオ送信及び再生システムを使用することができること、更に他のデータ送信及び受信システムを使用することができることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、データストリームを迅速に復号化して、復号化されたデータストリームが必要とされる品質を有するように、受信の時間遅延が余りに長いという課題を解決するため、FEC符号化による符号化及び復号化システムで使用することができる。
上述した内容は、本発明の原理を単に例示するものであって、本明細書で明示的に記載されていないが、当業者であれば、本発明の原理を実施し、且つ本発明の精神及び範囲にある様々な代替的なアレンジメントを創作することができることを理解されたい。様々な変更が実施の形態を例示するために行われ、他のアレンジメントが特許請求の範囲により定義されるように本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに創作される場合があることを理解されたい。

Claims (12)

  1. 送信機における順方向誤り訂正(FEC)符号化を行う方法であって、
    データソースからデータストリームを受信するステップと、
    前記データストリームの第一のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第一のFECデータを生成するステップと、
    前記データストリームの第二のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックについて第二のFECデータを生成するステップとを含み、
    前記第二のブロックサイズは、前記第一のブロックサイズと異なり、前記第一のブロックサイズのデータブロックは、前記データストリームを形成し、前記第二のブロックサイズをもつデータブロックは、前記データストリームを形成する、方法。
  2. 複数のチャネルを介して受信機に前記データストリームと共に前記FECデータを送信するステップを更に含む、
    請求項1記載の方法。
  3. 前記第一のブロックサイズは、前記第二のブロックサイズよりも小さく、前記受信機においてあるチャネルのデータストリームを受信し始めるとき、前記第一のブロックサイズをもつデータブロックのFECデータは、前記データストリームをはじめにデコードするために使用される、
    請求項2記載の方法。
  4. 前記受信機においてあるチャネルのデータストリームを受信し始めるとき、前記第二のブロックサイズのデータブロックのFECデータは、データストリームを完全にデコードするために使用される、
    請求項2又は3記載の方法。
  5. 受信機において順方向誤り訂正(FEC)復号化を行う方法であって、
    送信機からデータストリームと共にFECデータを受信するステップと、前記FECデータは、前記データストリームの第一及び第二のブロックサイズをもつそれぞれのデータブロックから生成され、前記第一のブロックサイズのデータブロックは、前記データストリームを形成し、前記第二のブロックサイズのデータブロックは、前記データストリームを形成し、前記第二のブロックサイズは、前記第一のブロックサイズとは異なり、
    前記データストリームのそれぞれのブロックについてFECデータにより前記データストリームを復号化するステップと、
    を含む方法。
  6. 前記FECデータは、前記データストリームと共に、複数のチャネルを介して受信される、
    請求項5記載の方法。
  7. 前記第一のブロックサイズは、前記第二のブロックサイズよりも小さく、前記復号化ステップは、あるチャネルのデータストリームを受信し始めるとき、前記FECデータにより前記第一のブロックサイズをもつデータブロックをはじめにデコードするステップを含む、
    請求項6記載の方法。
  8. 前記復号化ステップは、あるチャネルのデータストリームを受信し始めるとき、前記FECデータにより前記第二のブロックサイズのデータブロックを完全にデコードするステップを含む、
    請求項6又は7記載の方法。
  9. 前記データストリームはビデオストリームであり、当該方法は、前記FECデータにより復号化されたデータストリームをビデオプレーヤで再生するステップを更に含む、
    請求項8記載の方法。
  10. 前記再生ステップは、前記ビデオストリームの第二のブロックサイズをもつデータブロックがバッファリングされ、前記FECデータによりデコードされるまで、ノーマルレートよりも低速の再生レートにより前記第一のブロックサイズをもつデータブロックについて前記FECデータによりデコードされたビデオストリームをはじめに再生するステップと、前記FECデータによりデコードされたビデオストリームのデータブロックの第二のサイズを最後に再生するステップとを含む、
    請求項9記載の方法。
  11. 請求項1乃至4の何れか記載のFEC符号化方法を実現する送信機。
  12. 請求項5乃至10の何れか記載のFEC復号化方法を実現する受信機。
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