JP3668556B2 - ディジタル信号符号化方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動画像信号及び音響信号等を、例えば光磁気ディスクや磁気テープ等の記録媒体に記録し、これを再生してディスプレイに表示したり、テレビ会議システム、テレビ電話システム、放送用機器等、動画像信号及び音響信号等を伝送路を介して送信側から受信側に伝送し、受信側において、これを受信し、表示する場合等に用いて好適なディジタル信号符号化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年において、例えば、画像信号や音響信号を、所定の標準規格の圧縮方式を用いて圧縮してディジタルのビットストリームデータを生成し、必要に応じてこれらを多重化して伝送することが行われる。
【0003】
上記標準規格の具体例としては、MPEG(Moving Picture Coding Experts Group )規格を挙げることができる。このMPEGとは、ISO/IEC JTC1/SC29(International Organization for Standardization / International Electrotechnical Commission, Joint Technical Committee 1 / Sub Committee 29:国際標準化機構/国際電気標準会議 合同技術委員会1/専門部会29)の蓄積用動画像符号化の検討組織の略称であり、MPEG1標準としてISO11172が、MPEG2標準としてISO13818がある。これらの国際標準において、マルチメディア多重化の項目でISO11172-1及びISO13818-1が、映像の項目でISO11172-2及びISO13818-2が、また音声の項目でISO11172-3及びISO13818-3がそれぞれ標準化されている。
【0004】
ここで、画像圧縮符号化規格としてのISO11172-2又はISO13818-2においては、画像信号を、画像(フレーム又はフィールド)単位で、画像の時間および空間方向の相関を利用して、圧縮符号化を行うものである。
【0005】
このような画像信号を圧縮符号化して、ディジタルの符号化ビットストリームを生成し、記録媒体あるいは伝送媒体などのメディアを介して、得られたビットストリームを復号するために用いられる装置全体の概略構成を、図5に示している。
【0006】
この図5において、入力端子101に供給された画像信号は、上述したいわゆるMPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に対応した符号化部102に送られて圧縮符号化される。この場合に、各画像が圧縮の単位となるが、この圧縮符号化された画像データの大きさは一定ではないので、出力段に送信バッファ103を設けて、このバッファの占有量を符号化装置にフィードバックさせることによって、送信バッファ103をオーバーフロー/アンダーフローさせないように画像の符号量を調整している。また、この符号量の調節によって、送信バッファ103の出力段からは、安定したビットレートでのビットストリームが出力される。
【0007】
出力された符号化ビットストリームは、伝送媒体や蓄積媒体等のメディア105を介して、復号側に送られる。復号側では、符号化と全く逆の操作を行う。すなわち、一定レートで送られてきたビットストリームを受信バッファ106が受け取り、復号装置107が受信バッファ106から符号化単位である符号化画像データ(アクセスユニット:AU)単位で読み出しを行う。従って、受信バッファ106からの読み出しは間欠的になる。この読み出された画像データは、復号装置107によって元の画像データに復元され、出力端子108より取り出される。
【0008】
次に、図6は、上記図5の復号側の受信バッファ(デコーダバッファ)106の動作を説明するための図である。この図6は、受信バッファ106に入力された画像ビットストリームの占有率を図示したものである。この受信バッファ106には、一定レートで画像データが入力され、この一定レートの入力が右上がりの直線で示されている。それぞれの画像データP1,P2,P3,…は、基本的には、予め決められた各々の復号時刻t1,t2,t3,…に、符号化単位(アクセスユニット単位:AU単位)でバッファから引き抜かれる。このため、バッファ占有量は、図6に示すように鋸歯状の軌跡を描くことになる。
【0009】
このようなデコーダバッファをオーバーフローやアンダーフローさせないように符号化する、という内容が、上記規格ISO11172-2又はISO13818-2のAnnex C に規定されるVBV(Video Buffer Verifier) の規定である。この内容は、ビットストリームが上記MPEGの条件を満足していると認定されるための必要条件となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなMPEG1(ISO11172-2)、MPEG2(ISO13818-2)の規格に基づいて符号化された画像信号を複数扱う場合に、別々の系で独立に符号化されたビットストリームを結合することは、一般的に困難である。特に、結合点において、連続して画像が静止(フリーズ)せずに結合される、いわゆるシームレスな結合というのは、何ら制限を加えないで生成したビットストリームでは殆ど不可能である。
【0011】
図7は、単純に2つのビットストリームを結合した例を示している。この図7の例においては、時間的に前の第1のビットストリームBSの表示終了の直後に、次の第2のビットストリームBSの復号を開始した場合を示している。一般にビットストリームの先頭では、バッファにある程度のデータを蓄積してから復号を開始するためのスタートアップディレイという待ち時間が必要である。このため、結合点Jでは、このディレイの分、次の復号画像の復号/表示が遅れることになり、表示フレームが数フレーム分静止(フリーズ)するという現象が生じる。従って、このような場合、いわゆるシームレスな再生が行えない。なお、この図7において、図中の時点xでデータ供給が停止して、結合点Jで第1のビットストリームBSの最後のピクチャが引き抜かれ、時点xでフレームをフリーズ(静止)してビットストリームを結合し、次の時点xで第2のビットストリームBSの最初のピクチャが引き抜かれている。ここで、上記第2のビットストリームBSのスタートアップディレイは、図6、図7から明らかなように、第2のビットストリームBSの最初のピクチャに対するVBV_delayに相当し、VBV_delayとは、後述するように、上記MPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に規定されるVBV(Video Buffer Verifier)の規定により、デコーダ側のバッファにおいて引き抜かれるピクチャに対して必要とされるバッファ蓄積量を時間で示したものである。
【0012】
次に、図8は、上記図7と同様なビットストリームをシームレスに再生するために、上記スタートアップディレイの分だけバッファへのデータ入力を前倒しした例を示している。この図8の例では、シームレスな再生を優先したため、時間的に後のビットストリームBS2 の先頭の画像の復号が、時間的に前のビットストリームBS1 の最後の画像の復号(図8中の結合点J)から、1/FR分(ただし、FRはフレームレート)の時間後(図8中の時点x2 に復号されるようになっている。この場合、ビットストリームBS1 の最後の画像(結合点Jで引き抜かれるピクチャ)の復号より前(図8中の時点x1 に、ビットストリームBS2 がバッファに入力されるために、ビットストリームBS1 の最後の画像の復号時(結合点J)に、デコーダバッファの占有量がオーバーフローを引き起こすことになる。
【0013】
すなわち、従来の符号化方法で符号化された画像信号のビットストリームをシームレスに結合することは、一般的にほぼ不可能であった。
【0014】
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、2つの画像信号のビットストリームを結合する場合に、デコーダバッファの占有量がオーバーフローやアンダーフローすることなく、また静止画を挟むことなくシームレスに結合が行えるようなディジタル信号符号化方法の提供を目的とするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、ディジタル信号を符号化するディジタル信号符号化方法において、圧縮符号化された複数のビットストリームを結合する場合、時間的に前となる第1のビットストリームの制限開始時刻から終端までの送信バッファに設定されるデコーダバッファ占有量に第1の制限を設け、上記バッファ占有量を符号化部にフィードバックすることにより上記第1の制限を守るように該符号化部で符号化される画像の符号量を調整するようにし、上記第1のビットストリームに結合される時間的に後の符号化された第2のビットストリームの最初のVBV_delayに必要な上記デコーダバッファのバッファ占有量を1フレーム後に確保するためのバッファ量をαとし、上記制限開始時刻は、符号化ビットレートをR とし、上記第1のビットストリームの最後の画像の上記送信バッファからの引き抜き時刻をTとするとき、T−(α/R)であり、上記第1の制限は、上記受信バッファの全容量をBFとするとき、上記第1のビットストリームの制限開始時刻をt=0とするときの終端までの上記送信バッファのバッファ占有量の制限値BO(t) として、BO(t)=BF−R×t 以下とすることを特徴としている。
【0016】
ここで、上記第2のビットストリームの先頭での送信バッファのバッファ占有量に対して、上記第2のビットストリームの最初の画像のVBVバッファからの引き抜き時刻の1フレーム前のバッファ占有量を上記αより少ないβとする第2の制限を設け、上記送信バッファのバッファ占有量を符号化部にフィードバックすることにより上記第2の制限を守るように該符号化部で符号化される画像の符号量を調整することが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0020】
図1は、本発明の実施の形態を説明するための図である。この図1に示す実施の形態においては、入力端子11に供給された第1の画像信号を符号化装置10で符号化して得られた第1のビットストリームの後に、入力端子21に供給された第2の画像信号を符号化装置20で符号化して得られた第2のビットストリームを結合する場合を想定している。
【0021】
図1の符号化装置10の入力端子11に供給された第1の画像信号は、上述したいわゆるMPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に対応した符号化部12に送られて圧縮符号化され、第1のビットストリームとして取り出される。この場合に、各画像が圧縮の単位となるが、この圧縮符号化された画像データの大きさは一定ではないので、出力段に送信バッファ13を設けて、このバッファの占有量を符号化部12にフィードバックさせることによって、送信バッファ13をオーバーフロー/アンダーフローさせないように画像の符号量を調整している。このとき、上記第1の画像信号を符号化して得られる第1のビットストリームの終端付近のデコーダバッファ占有量に対して制限を設けて符号化しており、特に、第1のビットストリームの後に連結される第2のビットストリームのスタートアップに必要とされるデコーダバッファ量を確保するための制限を、第1のビットストリームの終端付近のバッファ占有量に対して設けている。この制限については、端子14からの制御信号に応じて施されるものであるが、その内容については図2を参照しながら後述する。
【0022】
また、符号化装置20の入力端子21に供給された第2の画像信号は、上述と同様にMPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に対応した符号化部22に送られて圧縮符号化され、第2のビットストリームとされるが、出力段に送信バッファ23を設けて、このバッファの占有量を符号化装置にフィードバックさせることによって、送信バッファ23をオーバーフロー/アンダーフローさせないように画像の符号量を調整している。このとき、第2のビットストリームの先頭付近のバッファ占有量に対して制限を設けており、特に、上記第2のビットストリームのスタートアップに必要とされるバッファ量を確保するための制限を、第2のビットストリームの先頭付近のバッファ占有量に対して設けている。この制限については、端子24からの制御信号に応じて施されるものであるが、その内容については図3を参照しながら後述する。
【0023】
これらの符号化装置10からの第1のビットストリーム及び符号化装置20からの第2のビットストリームは、ビットストリーム結合部30において第1のビットストリームの後に第2のビットストリームの順に結合され、出力端子36より取り出される。この結合については、図4を参照しながら後述する。
【0024】
すなわち、結合部30で結合する第1、第2のビットストリームの時間的に前の第1のビットストリームの終端近傍でのバッファ占有量にある制限を設けて符号化装置10で符号化しておき、なおかつ時間的に後ろの第2のビットストリームの先頭部分でのバッファ占有量にある制限を設けて符号化装置20で符号化しておくことによって、上記MPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に規定されるVBV(Video Buffer Verifier) の規定を守り、かつシームレスに、すなわち画像の表示がフリーズ等を伴わず連続して行えるように結合するわけである。
【0025】
これは、結合点においてシームレスな結合を行った場合、上述した従来例に説明したようなデコーダバッファのオーバーフローが起きる可能性があるため、シームレス結合に必要なスタートアップに必要とされるバッファ量を予め見込んで、結合点の前後における符号化制御を行うものである。
【0026】
具体的には、結合点Jの前に位置する第1のビットストリームBS1 の終わり付近のビットレートを、図2に示すように制限する。ここで、予め決められた、連結される後ろの第2のビットストリームをシームレスに連結した場合のスタートアップに必要なバッファ量をαとする。このバッファ量αは、現実の運用において適当な値を設定する。符号化ビットレートをRB で表し、バッファの全容量をBFとし、最後の画像のバッファからの引き抜き時刻をTとする。
【0027】
この場合、結合点Jの時刻をTとすると、バッファ占有量の制限としては、
T−(α/R
の時刻から開始され、この時刻をt=0として、時間が進む方向を正とし、バッファの占有量はtの関数として表されるため、これをBO(t) とすると、
BO(t)=BF−R ×t
となるような制限を加えて、結合よりも時間的に前のビットストリームの終端近傍を符号化する。これが結合点の前における第1のビットストリームBS への制限となる。図1においては、端子14からの制御信号が符号化部12に与えられることにより、ビットストリームの終端付近の符号化の際に、上述したような制限が加えられる。
【0028】
同様に、結合点Jの後ろに位置する第2のビットストリームBSの先頭付近のビットレートを、図3に示すように制限する。最初のフレームの表示時刻の1/R前のバッファ占有量が上記αより小さいように、スタートアップ時のビットレートを制限しておくわけである。すなわち、後ろの第2のビットストリームBSの先頭のピクチャのバッファからの引き抜き時刻をT’とし、フレームレートをRとした場合に、(T’−1/R)の時刻におけるバッファ占有量βが、予め決められた第2のビットストリームBSをシームレスに連結した場合のスタートアップに必要なバッファ量αに対して、β<αとなるような制限を加えて、後ろの第2のビットストリームBSの先頭部分を符号化する。図1においては、端子24からの制御信号が符号化部22に与えられることにより、ビットストリームの先頭付近の符号化の際に、上述したような制限が加えられる。このとき、上述したように図1の送信バッファ23のバッファ占有量を符号化部22にフィードバックさせることによって、送信バッファ23に対して上記制限をオーバーフローさせないように符号化部22での画像の符号量を調整するものである。
【0029】
この図3中のVBV_delayとは、上記MPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)に規定されるVBV(Video Buffer Verifier)の規定により、デコーダ側のバッファにおいて引き抜かれるピクチャに対して必要とされるバッファ蓄積量を時間で示したものであり、デコーダにビットストリームが供給が開始されてVBV_delayの期間が経過した時刻(T’)に、最初の表示単位のピクチャがバッファから引き抜かれ、復号される。
【0030】
以上の図2、図3と共に説明したような制限が加えられて符号化された第1、第2のビットストリームを、図1のビットストリーム結合部30に送って結合する場合の具体例について、図4を参照しながら説明する。
【0031】
図4は、上述した条件に従ってエンコードしたものを結合した具体例を示している。この場合、前の第1のビットストリームBS1 の最後の部分では、上記αの分のバッファ占有量と、これを時間換算したα/RB の分のスタートアップディレイをマージンとして持っているために、後ろの第2のビットストリームBS2 を結合しても、バッファのオーバーフローを引き起こすことはない。また、実際の結合では、前の第1のビットストリームBS1 の最後の部分のsequence_end_code (シーケンスエンドコード)を削除し、削除されたsequence_end_code と(α−β)の分については、ビット充填(bit stuffing)を行うことで、整合性の保たれた結合が可能となる。
【0032】
すなわち、第1のビットストリームBS1 の最後のレートコントロールを、上記αを用いたオーバーフローレベルBO(t) に抑え込むように第1の符号化装置10で符号化し、第2のビットストリームBS2 の先頭で、時刻(T’−1/RF )でのバッファ占有量βが上記αより小さくなる(β<α)ように第2の符号化装置20で符号化することにより、シームレスな結合を行ってもバッファがオーバーフローしないことが保証され、αとβとの差分及び上記削除された第1のビットストリームBS1 び終端の部分のsequence_end_code については、無効データ(例えば0等)を充填することで、MPEGのVBV(Video Buffer Verifier) の規定の整合性を保ったままでビットストリームの結合を実現している。
【0033】
ここで、図1のビットストリーム結合部30においては、符号化装置10からの第1のビットストリームBS1 の最後の部分のsequence_end_code をデマルチプレクサ31で検出してCPU35に送っており、符号化装置20からの第2のビットストリームBS2 の先頭の部分のsequence_start_code (シーケンススタートコード)をデマルチプレクサ32で検出してCPU35に送っている。これらのデマルチプレクサ31、32からの第1、第2のビットストリームBS1 、BS2 は、切換スイッチ34の被選択端子a,bにそれぞれ送られており、切換スイッチ34の第3の被選択端子cには、ビット充填回路33からの充填用ビットが供給されている。この切換スイッチ34は、CPU35からの制御信号により切換制御されており、CPU35は、デマルチプレクサ31、32からの第1のビットストリームBS1 の最後の部分のsequence_end_code や、第2のビットストリームBS2 の先頭の部分のsequence_start_code に基づいて、切換スイッチ34を被選択端子aからcを介してbに順次切換接続することにより、第1のビットストリームBS1 の最後の部分のsequence_end_code を削除すると共に、このsequence_end_code と上記α−βの分を、ビット充填回路33からの充填ビット(スタッフィングビット)STで補充して、第2のビットストリームBS2 に連結している。切換スイッチ34からの出力ビットストリームは、出力端子36を介して取り出される。
【0034】
ところで、以上は符号化装置10から出力された第1のビットストリームの後に符号化装置20から出力された第2のビットストリームを連結した場合の例であるが、符号化装置20から出力されたビットストリームの後に符号化装置10から出力されたビットストリームを結合する場合には、符号化装置20から出力されるビットストリームの終端付近で上記バッファ量αに基づくオーバーフローレベルBO(t) に抑え込むように符号化装置20での符号化を制限し、符号化装置10から出力されるビットストリームの先頭で、時刻(T’−1/RF )での上記バッファ占有量βが上記αより小さくなる(β<α)ように符号化装置10での符号化を制限すればよい。この場合には、ビットストリーム結合部30は、デマルチプレクサ32が符号化装置20から出力されたビットストリームの終端の部分のsequence_end_code を検出してCPU35に送り、デマルチプレクサ31が符号化装置10から出力されたビットストリームの先頭の部分のsequence_start_code を検出してCPU35に送ることになる。これらの情報に基づいて、CPU35は、切換スイッチ34の被選択端子bからcを経てaの順に切換制御し、符号化装置20から出力されたビットストリームの終端の部分のsequence_end_code を削除して、ビット充填回路33からの充填ビットをこのsequence_end_code と(α−β)の分だけ充填した後に、符号化装置10から出力されたビットストリームを連結して、出力端子36に送る。
【0035】
また、符号化装置10から出力される1つのビットストリームについて、当該ビットストリームの先頭部分に上記図3の制限を加えた符号化を施し、該ビットストリームの終端部分に上記図2の制限を加えた符号化を施すことにより、当該ビットストリームの前後にそれぞれ他のビットストリームを結合することができるようになる。
【0036】
上述したような図1の構成が適用されるシステムの具体例としては、例えば放送衛星等を介してメインの放送局とローカルの放送局とが結ばれて成るような放送ネットワークを挙げることができる。この放送ネットワークにおいて、メインの放送局からの番組を符号化装置10で符号化して各ローカル局に提供し、各ローカル局では、それぞれの地域毎のローカルニュースやCM等を符号化装置20で符号化したものを結合して出力端子36より取り出し、それぞれの地域内に送出する。このとき、メインの局からの放送番組のビットストリームの終端部分については、バッファ占有量が上記図2と共に説明したBO(t)=BF−RB t を越えない制限が加えられた符号化が施されており、この後に結合されるローカル局からの信号のビットストリームの先頭部分については、上記図3と共に説明したように、上記時刻(T’−1/RF )でのバッファ占有量βが上記バッファ量αを越えない(β<α)ような制限が加えられた符号化が施されており、これらが結合部30でビット充填を含めてシームレスに結合されて得られたビットストリームについては、デコード時にバッファの破綻がない、すなわちバッファのオーバーフローやアンダーフローが生じない。
【0037】
以上説明したような実施の形態によれば、画像信号を上記MPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)を用いて圧縮符号化された2本のビデオのビットストリームを結合する場合に、上記VBV(Video Buffer Verifier) の規定を守り、かつ画像の表示がフリーズ(静止)などを伴わずに連続して行えるようなシームレスに結合することがができる。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のビットストリームを結合する場合に、結合点の前の第1のビットストリームの終端付近のデコーダバッファ占有量に対して、第1の所定の制限を設けて符号化し、また、結合点の後の第2のビットストリームの先頭付近のデコーダバッファ占有量に対して、第2の所定の制限を設けて符号化しているため、シームレスな結合をバッファの破綻無く行うことができる。
【0039】
ここで、第1、第2の制限は、第2のビットストリームのスタートアップに必要なデコーダバッファ量を確保するための制限であり、このような制限を加えて符号化された第1、第2のビットストリームを結合することにより、MPEG1(ISO11172-2)又はMPEG2(ISO13818-2)を用いて圧縮符号化された2本のビデオのビットストリームを、VBV(Video Buffer Verifier) の規定を守り、かつ画像の表示がフリーズ(静止)などを伴わずに連続してビットストリームの結合が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を説明するための2系統の符号化装置からのビットストリームを結合するシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態における結合点の前の第1のビットストリームの符号化の際の制限を説明するための図である。
【図3】本発明の実施の形態における結合点の後の第2のビットストリームの符号化の際の制限を説明するための図である。
【図4】本発明の実施の形態における第1のビットストリームと第2のビットストリームとの結合を説明するための図である。
【図5】画像信号符号化装置及び復号装置から成るシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図6】受信バッファ(デコーダバッファ)のバッファ占有量の変化を示す図である。
【図7】2つのビットストリームのフレームのフリーズ(静止)を伴う結合の例を説明するための図である。
【図8】2つのビットストリームをシームレスに結合する場合の例を説明するための図である。
【符号の説明】
10,20 符号化装置、 12,22 符号化部、 13,23 送信バッファ、 30 ビットストリーム結合部、 31,32 デマルチプレクサ、 33 ビット充填回路、 34 切換スイッチ、 35 CPU

Claims (2)

  1. ディジタル信号を符号化するディジタル信号符号化方法において、
    圧縮符号化された複数のビットストリームを結合する場合、
    時間的に前となる第1のビットストリームの制限開始時刻から終端までの送信バッファに設定されるデコーダバッファ占有量に第1の制限を設け、上記バッファ占有量を符号化部にフィードバックすることにより上記第1の制限を守るように該符号化部で符号化される画像の符号量を調整するようにし、
    上記第1のビットストリームに結合される時間的に後の符号化された第2のビットストリームの最初のVBV_delayに必要な上記デコーダバッファのバッファ占有量を1フレーム後に確保するためのバッファ量をαとし、
    上記制限開始時刻は、符号化ビットレートをR とし、上記第1のビットストリームの最後の画像の上記送信バッファからの引き抜き時刻をTとするとき、T−(α/R)であり、
    上記第1の制限は、上記デコーダバッファの全容量をBFとするとき、上記第1のビットストリームの制限開始時刻をt=0とするときの終端までの上記送信バッファのバッファ占有量の制限値BO(t) として、BO(t)=BF−R×t 以下とする
    ことを特徴とするディジタル信号符号化方法。
  2. 上記第2のビットストリームの先頭での送信バッファに設定される上記デコーダバッファ占有量に対して、上記第2のビットストリームの最初の画像のデコーダバッファからの引き抜き時刻の1フレーム前のバッファ占有量を上記αより少ないβとする第2の制限を設け、上記送信バッファのバッファ占有量を符号化部にフィードバックすることにより上記第2の制限を守るように該符号化部で符号化される画像の符号量を調整することを特徴とする請求項1記載のディジタル信号符号化方法。
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