JP4156040B2 - 送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信する装置 - Google Patents

送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信する装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信するための装置に関する。また、本発明は、テレビジョン信号を記憶するための装置及び該信号を再生するための装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
将来のディジタルビデオ放送（ＤＶＢ）システムに関して、単一ディジタル送信チャネルを介して同時に複数のテレビジョン信号を送信することが考えられる。この目的のために使用される装置は、各テレビジョン信号をビットストリームに符号化するための該テレビジョン信号用のエンコーダ、各ビットストリームのビットレートを制御するための制御手段及びこれらビットストリームをチャネルビットストリームに結合するための手段を有する。
【０００３】
とりわけ、開発されているＭＰＥＧ２標準規格が各テレビジョン信号の符号化を行うために適している。この目的のために使用されるエンコーダは、ISO/IECCJTC1/SC29/WG11/N0400 "Test Model 5", April 1993に記載されている。この既知のＭＰＥＧ２エンコーダは、当該テレビジョン信号に対してビットストリームを形成し、該ビットストリームのビットレートは目標値に基づいて制御される。例えば、複雑な画像シーンが発生する場合等の上記目標値が実現されない危険性がある場合は、この画像は、より少ないビットが画像当たり発生するようにより粗く量子化される。実際、この結果として前記符号化されたテレビジョン信号の画像品質は、シーンからシーンに変化するどころか、顕著に低くなるかもしれない。
【０００４】
単一ディジタル送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信する場合、使用できるチャネルビットレートは複数のビットレートに分割され、これらビットレートの一つが各テレビジョン信号に割当てられる。この割当てられるビットレートは予め固定される。前記各送信されるテレビジョン信号に関して、ここで、複雑な画像シーンの画像品質が劣化を受ける可能性は依然保持している。
【０００５】
【発明の目的及び概要】
本発明は、より高い画像品質が実現される送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信するための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
この目的のために本発明による装置は、前記制御手段が各信号のビットレートを該信号の前記複数のテレビジョン信号の結合複雑性に対する複雑性に依存して制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明は、単一送信チャネルを介する複数のテレビジョン信号の送信において、全てのテレビジョン信号が同時に複雑ではないことの認識に基づいている。例えば、２つのテレビジョン信号Ａ及びＢが送信される場合、且つある所定の瞬間に信号Ａはそれほど複雑ではないシーンを有し、信号Ｂは非常に複雑なシーンを有する場合、信号Ｂは信号Ａのビットレートを犠牲にして一時的により高いビットレートで送信されるであろう。このビットレートの動的割振りの処理はこれより先”結合ビットレート制御”として参照される。
【０００８】
例えばＭＰＥＧエンコーダ等の、既知の単独型のエンコーダにおいて、各エンコーダは前記ビットレートの所定の目標値を実現するために該エンコーダ自身の制御手段を持つ。これに基づく装置の実施例は、対応するテレビジョン信号の複雑性に依存して各制御手段にビットレート目標値を供給するための共通の調整回路を有する。この複雑性は、例えば、付加的なエンコーダの形態の事前分析回路により計測可能である。またこの複雑性は、前述のテレビジョン信号の過去の画像を符号化するのに用いられたビット数及び平均ステップサイズから演算しても良い。この可能性は、上述のような演算がＭＰＥＧエンコーダにおいて既に可能である利点を有している。
【０００９】
当該装置の他の実施例は、前記制御手段が前記複数のテレビジョン信号の結合複雑性に依存して各エンコーダに対する結合制御値を形成することを特徴とする。この実施例において、各ビットストリームのビットレートが当該信号の複雑性を直接表している。それ故、前記複雑性を個別に計測する必要がない。
【００１０】
結合ビットレート制御は、各信号における顕著に低い画像品質の発生の危険性を減少することが発見された。従って、前記送信されるテレビジョン信号の画像品質はおおよそ向上する。しかしながら、結合ビットレート制御はまた、画像品質を維持すると同時に前記同一の送信チャネルを介してより多くのテレビジョン信号を送信する可能性を提供する。５個のテレビジョン信号を、５Ｍｂｉｔ／ｓの定ビットレートを持つ４個のテレビジョン信号と同一の画像品質で２０Ｍｂｉｔ／ｓチャネルを介して送信することが可能であることが発見された。
【００１１】
結合ビットレート制御を使用する他の興味深い可能性が、テレビジョンプログラムを等しい長さの複数の部分に分割することにより、及び結合ビットレート制御により光ディスク上に単一チャネルビットストリームとしてこれらの部分を同時に記憶することにより得られる。テレビジョン信号は、上記記憶されたチャネルビットストリームを繰り返し読取ることにより、及びその都度異なる部分を復号することにより再生される。この場合、より長い再生時間またはより高い画像品質が実現される。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明による複数のテレビジョン信号を送信するための装置を示す。２つのテレビジョン信号ＴＶ1及びＴＶ2を送信するための装置が実施例として選択されている。テレビジョン信号ＴＶ1はエンコーダ１に供給される。このエンコーダは、ピクセルのブロックを一連の係数に変換する離散コサイン変換器１０を有している。得られた係数は量子化器１１において所定のステップサイズで量子化され、次いでこの量子化された係数は可変長符号化回路１２において符号化される。得られたコード語はバッファ１３に供給される。画像から画像に変動するこれら作り出されるビット数は、ビットレート制御回路１４に供給され、該ビット数に応じて、画像当たりの供給されるビットの平均数が目標値Ｔ1に等しくなるように量子化器１１のステップサイズが制御される。このようなビットレート制御回路は本質的に既知である。対応する方法で、テレビジョン信号ＴＶ2はエンコーダ２において処理される。このエンコーダも、変換器２０、量子化器２１、可変長エンコーダ２２、バッファ２３及びビットレート制御回路２４を有している。目標値Ｔ2は上記制御回路２４に供給される。これら２つのビットストリームはマルチプレクサ３において、Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2ビット／画像に対応するチャネルビットレートを持つ単一チャネルビットストリームに結合される。このチャネルビットストリームは送信チャネル４に供給される。
【００１３】
本発明によると、当該装置には結合ビットレート調整回路５が設けられている。この回路は、現在の画像シーンの複雑性を表す両テレビジョン信号に関する複雑性の値（Ｘ1は前記第１のテレビジョン信号に関し、Ｘ2は前記第２のテレビジョン信号に関する）を決定し、これら複雑性に比例して前記２つのテレビジョン信号に使用できるチャネルビットレートＴを分配する。
【００１４】
当該装置の可能な実施例においては、前記複雑性の値Ｘ1及びＸ2は、各テレビジョン信号に事前分析を受けさせることにより得られる。この目的のために、前記調整回路５は、前記２つの各々のテレビジョン信号に対して事前分析回路５１及び５２を有している。このような事前分析回路は、例えば、画像変換器、固定ステップサイズを持つ量子化器及び可変長エンコーダ並びに各画像に関してここで得られるビット数をカウントするカウンタを有している。この実施例においては、前述のビット数は前記複雑性の値Ｘを構成する。前記２つの複雑性の値Ｘ1及びＸ2は加算装置５３において共に加算される。次いで、各テレビジョン信号の相対的な複雑性が除算器５４及び５５において決定される。この目的のために、これら除算器は式（１）及び式（２）を各々演算する。
【００１５】
【数１】
Figure 0004156040
【００１６】
【数２】
Figure 0004156040
【００１７】
最終的に、前記目標値Ｔ1及びＴ2が、乗算器５６及び５７により、使用できるチャネルビットレートＴ（ビット／画像）に前記テレビジョン信号の相対的な複雑性を乗算することにより演算される。ここで、上記各目標値に対して式（３）及び式（４）が成り立つ。
【００１８】
【数３】
Figure 0004156040
【００１９】
【数４】
Figure 0004156040
【００２０】
テレビジョン信号がＮ個ある場合には、ｎ番目のエンコーダに供給される目標値Ｔn（n=1、...、N）に関して以下の式が成り立つ。
【００２１】
【数５】
Figure 0004156040
【００２２】
当該装置は、各テレビジョン信号に対し該信号の複雑性に比例してビットレートを割当てる。この場合、画像品質は全ての信号に対して略々等しく得られる。しかしながら、他の例においては、当該テレビジョン信号に対して明瞭な画像品質を割当てることも可能である。これは、所定の方法において、前記信号の相対的な複雑性に影響を与えることにより実現される。この場合、前記除算器５４及び５５は、例えば、式（６）及び式（７）の演算が各々実行される。ここで、α1及びα2は定数である。
【００２３】
【数６】
Figure 0004156040
【００２４】
【数７】
Figure 0004156040
【００２５】
ここで、複雑性が等しい（Ｘ1＝Ｘ2）信号に関して、異なるビットレートが得られる。
【００２６】
図２は当該装置の他の実施例を示している。この実施例において、前記エンコーダ１及び２は、ＭＰＥＧエンコーダであると仮定する。既知のように（例えば、ISO-IEC DIS 11172 "Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media up to about 1.5 Mbit/s"参照）、ＭＰＥＧ標準規格におけるテレビジョン信号はグループ・オブ・ピクチャーズ（Group Of Pictures:ＧＯＰs）の形態で送信される。各ＧＯＰは、Ｉ画像（Intraframe coded picture:I picture）、多数のＰ画像（Predictively coded pictures:P pictures）及び多数のＢ画像（Bidirectionally predictive coded pictures:B pictures）を有している。簡単化のために、エンコーダ１及び２における動き補償予測画像を形成するための通常の予測ループは図２において示されていない。本発明によると、前記調整回路５はここでは、送信されるべきＮ個のテレビジョン信号の各々の複雑性Ｘnを演算するための演算手段５８及び５９を有している。図１に示される事前分析回路に対する他の例として、ここでは、前記複雑性の値は、当該過去の画像の符号化に費やされたビット数Ｓ及び該画像の量子化に用いられた平均ステップサイズを表す量子化パラメータＱを参照して決定される。Ｓ及びＱの値は共に各エンコーダにより前記調整回路に供給される。前述のＩＳＯ論文"MPEG2 Test Mpdel 5"の第１０章では、Ｓ及びＱの積が当該テレビジョン信号の複雑性の代表的な尺度であることが記載されている。各画像の形式（Ｉ、Ｐ及びＢ）に関してこの積を個別に決定することにより、式（８）、式（９）及び式（１０）のように３つの複雑性の値ＸI、ＸP及びＸBが各テレビジョン信号ＴＶn（n=1,2）に関して得られる。
【００２７】
【数８】
Figure 0004156040
【００２８】
【数９】
Figure 0004156040
【００２９】
【数１０】
Figure 0004156040
【００３０】
他の形態も可能である。例えば、式（１１）又は式（１２）のように前記量子化値の影響を前記複雑性の値に強調することが特に好ましい。ここで、インデックス＊は画像（Ｉ、Ｐ及びＢ）の形式を示す。
【００３１】
【数１１】
Figure 0004156040
【００３２】
【数１２】
Figure 0004156040
【００３３】
また、本発明による調整回路５は、各画像の形式に対して、式（１３）、式（１４）及び式（１５）により各信号の相対的な複雑性を決定するための加算装置５３並びに除算器５４及び５５を有している。
【００３４】
【数１３】
Figure 0004156040
【００３５】
【数１４】
Figure 0004156040
【００３６】
【数１５】
Figure 0004156040
【００３７】
さらに、本発明による調整回路５は、各画像の形式に対して、前記結合信号の次の映像に関する全ビット数Ｔを演算するための演算手段５０を有している。単独型のＭＰＥＧ２デコーダに類似して（"MPEG2 Test Mpdel 5"の第１０章参照）、式（１６）、式（１７）及び式（１８）の演算を実行することが可能である。ここで、ｎP及びｎBは前記ＧＯＰにおいてまだ符号化されしなければならないＰ及びＢ画像の数を表し、ＫP及びＫBは特定のシステム定数である。
【００３８】
【数１６】
Figure 0004156040
【００３９】
【数１７】
Figure 0004156040
【００４０】
【数１８】
Figure 0004156040
【００４１】
式（１６）、式（１７）及び式（１８）において、ＸI、ＸP及びＸBは、前記Ｉ、Ｐ及びＢ画像が結合してスーパーピクチャ（superpicture）を形成するように、当該テレビジョン信号の結合複雑性を表している。この結合複雑性の値は、式（１９）、式（２０）及び式（２１）または式（２２）、式（２３）及び式（２４）により構成することが可能である。
【００４２】
【数１９】
Figure 0004156040
【００４３】
【数２０】
Figure 0004156040
【００４４】
【数２１】
Figure 0004156040
【００４５】
【数２２】
Figure 0004156040
【００４６】
【数２３】
Figure 0004156040
【００４７】
【数２４】
Figure 0004156040
【００４８】
この目的のために、前記演算手段５０は、各エンコーダから、該エンコーダで費やされたビット数Ｓ及び平均ステップサイズＱを入力する。
【００４９】
式（１６）、式（１７）及び式（１８）において、Ｒは結合（jointly）ＧＯＰs（スーパーＧＯＰ:superGOP）に割当てられた残りのビット数である。Ｒの初期値は、スーパーＧＯＰ当たりの利用できるビット数である。単独型のエンコーダに関して、これはＧにより示される。本発明による装置においては、初期値はＮ×Ｇである。Ｒは、各スーパーピクチャの符号化の後に各費やされたビット数ＳI、ＳP及びＳBにより減少される。
【００５０】
さらに、前記調整回路５は、対応する前記テレビジョン信号の相対的な複雑性に比例してＮ個のエンコーダにスーパーピクチャに関する前記目標値Ｔを分配するための乗算器５６及び５７を有している。この式は以下のように表される。
【００５１】
【数２５】
Figure 0004156040
【００５２】
【数２６】
Figure 0004156040
【００５３】
【数２７】
Figure 0004156040
【００５４】
上記記載の方法において、エンコーダ１は各画像（Ｉ、Ｐ及びＢ）の形式に関して目標値ＴI1、ＴP1及びＴB1を入力する。更に自己制御的な方法において、前記エンコーダの制御回路１４はこの目標値を達成するであろう。対応する方法において、デコーダ２は目標値ＴI2、ＴP2及びＴB2を入力する。このようにして、各エンコーダに関して、供給される前記目標値は、対応する前記テレビジョン信号の相対的な複雑性が他のテレビジョン信号に関連して依存することが成り立つ。
【００５５】
図３は、図２に示される装置において使用される調整回路５の他の実施例を示している。同一の参照番号はこの場合同一の機能を表している。図２の参照番号５０で示される前記演算手段がここでは、２つの同一の演算手段５０１及び５０２に分割されている点で、前記調整回路は図２に示される調整回路とは異なっている。これら演算手段は、各テレビジョン信号に対して、全てのチャネルビットレートが該信号に対して使用できるように、次回の画像に対するビット数を演算する。前述の式（１６）、式（１７）及び式（１８）がこの演算に使用される。ここで、ＸI、ＸP及びＸBは、前記結合信号の代わりに、対応する前記テレビジョン信号の複雑性の値を表している。ここで、演算されたビット数は図３においてＴ1’及びＴ2’により示される。これらビット数Ｔ1’及びＴ2’は、乗算器５６及び５７により対応する前記テレビジョン信号の相対的な複雑性に乗算される数である。この相対的な複雑性は、図２において説明したのと同様に、加算装置５３並びに除算器５４及び５５による同一の方法で得られる。
【００５６】
図４は本発明による装置の更に他の実施例を示している。この実施例は、結合制御回路６０の量子化器１１及び２１が、各エンコーダに対して等しい平均ステップサイズを入力する（所望ならば、このステップサイズは、活動性に依存して、画像内のマクロブロックからマクロブロックに変化させても良い）点で先に記載の実施例とは区別される。この制御回路は、前記チャネルビットレートに対応する目標値Ｔを入力し、前記各エンコーダにより結合して作り出されるビット数の関数として平均量子化ステップサイズを制御する。このビット数は加算器６１により供給される。上記制御回路は、図１及び図２の参照番号１４及び２４で各々示される単独型のエンコーダの既知の制御回路と同様の構造を持ち、故に、更に如何なる説明も必要としないであろう。各エンコーダに対するステップサイズがこの実施例において等しい（Ｑ1＝Ｑ2＝Ｑ）ため、各信号の複雑性（即ち、Ｘn＝Ｓn×Ｑ）は費やされたビット数Ｓnにより直接表される。それ故、上記複雑性の個別の計測は不要である。以下の式から明白なように、各信号に対するビットレートもこの実施例においては該信号の複雑性に比例する。
【００５７】
【数２８】
Figure 0004156040
【００５８】
両エンコーダが同一のステップサイズで量子化を行うために、画像品質は両信号に対して等しい。明瞭な画像品質が各テレビジョン信号に対して望ましいならば、前記制御回路６０により発生されるステップサイズを、互いに所定の固定比を持つ２つの異なるステップサイズに分割しても良い。
【００５９】
当該装置の先に説明した全ての実施例に関して、Ｎ個のテレビジョン信号の現在のビットレートを、各画像に関するまたは各ＧＯＰに関する適切なパラメータの形態で受信デコーダに送信することが可能である。既に、ＭＰＥＧ標準規格はこの可能性を提供している。
【００６０】
結合ビットレート制御を使用することにより、各テレビジョン信号の画像品質は向上する。これは、放送システムに関して重要な利点である。また、結合ビットレート制御は、特定の信号を送信する可能性も備えている。例えば、２つの単独型の５Ｍｂｉｔ／ｓテレビジョンエンコーダの代わりに、９Ｍｂｉｔ／ｓの結合ビットレートを持つ２つの集中制御されるエンコーダを、１０Ｍｂｉｔ／ｓのチャネルに結合すると同時に画像品質を維持することが可能である。残りの１Ｍｂｉｔ／ｓを介して、例えば、特定のデータ信号を送信することが可能である。理論的考察及び実際の経験から、より多くのテレビジョンプログラム、例えば４個のプログラムの代わりに５個のプログラム、または２０個のプログラムの代わりに２７個のプログラムを送信すると同時に画像品質を維持することが可能であることが更に証明されている。
【００６１】
放送に加え、結合ビットレート制御は、記録に関する装置に対しても興味深い可能性を提供している。図５は、記憶媒体上にテレビジョンプログラムを記憶するための装置を示している。この装置は、上記テレビジョンプログラムを等しい長さの２つの部分Ａ及びＢに分割するための手段１００を有している。この手段は、例えば、上記プログラムの第１の半部及び第２の半部を各々再生する２つのビデオレコーダにより構成しても良い。これら２つの部分Ａ及びＢは装置１０１に供給される。以上で説明した方法において、装置１０１は前記２つの部分の単一チャネルビットストリームＡ＋Ｂを形成し、該チャネルビットストリームは光ディスク１０２上に記憶される。図６は、上記光ディスクの再生に関する対応装置を示している。ディスク１０２から読取られるチャネルビットストリームＡ＋Ｂは、最初にビットストリームＡを選択し、該ビットストリームＡをＭＰＥＧ２デコーダ１０４に供給するセレクタ１０３に供給される。復号された信号は画像モニタ１０５上に表示される。制御回路１０６の制御の下で、前記同一のチャネルビットストリームが次いで、前記部分Ａが完了した後に再び読取られる。しかしながら、ここでは、ビットストリームＢが選択され復号される。読取りヘッドのリセットの間（実際には略々０．８秒）に、部分Ａの最後の画像を静止画像として表示しても良い。これが面倒であるならば、バッファを上記期間に橋渡し（bridging）のために使用しても良い。この記録における結合ビットレート制御の応用は、（略々）２倍の速度のディスク回転及びより複雑なディスク制御を必要とする。しかしながら、このことは、より良い画像品質またはより長い再生時間により相殺されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による複数のテレビジョン信号を送信するための装置の第１の実施例を示す。
【図２】図２は、当該装置の第２の実施例を示す。
【図３】図３は、図２に示される調整回路の他の実施例を示す。
【図４】図４は、当該装置の第３の実施例を示す。
【図５】図５は、本発明によるテレビジョン信号を記憶するための装置を示す。
【図６】図６は、本発明によるテレビジョン信号の再生のための装置を示す。
【符号の説明】
１、２…エンコーダ ３…マルチプレクサ
４…送信チャネル ５…調整回路
１０、２０…離散コサイン変換器 １１、２１…量子化器
１２、２２…可変長エンコーダ １３、２３…バッファ
１４、２４…制御回路 ５１、５２…事前分析回路
５３…加算装置 ５４、５５…除算器
５６、５７…乗算器 ５８、５９…演算手段
５０…演算手段 501,502…演算手段
６０…制御回路 ６１…加算器
１００…分割手段 １０１…演算手段
１０２…光ディスク １０３…セレクタ
１０４…デコーダ １０５…モニタ
１０６…制御手段 Ｘ1、Ｘ2…複雑性
Ｔ、Ｔ1、Ｔ2、Ｔ1’、Ｔ2’…目標値

Claims (4)

  1. 所定のチャネルビットレートを持つ送信チャネルを介して複数のテレビジョン信号を送信する方法であって、
    前記複数のテレビジョン信号の各々をビットストリームに符号化するステップと、
    これらビットストリームをチャネルビットストリームに結合するステップと、
    各ビットストリームのビットレートを、前記複数のテレビジョン信号の各々の複雑性の和に対する当該ビットストリームに対応するテレビジョン信号の複雑性に比例して制御するステップと、
    各テレビジョン信号の複雑性を、当該テレビジョン信号の各画像を符号化し、当該画像の符号化に費やされたビット数をカウントすることにより決定するステップであって、符号化されるべき画像を、画像変換器、固定ステップサイズを持つ量子化器、可変長エンコーダ及びカウンタを有する事前解析回路に供給するステップを有する、各テレビジョン信号の複雑性を決定するステップとを有し、前記画像の符号化に費やされたビット数が、前記複雑性の値を構成することを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、
    前記符号化は、Ｉ形式の画像のイントラ符号化、Ｐ形式の画像の予測符号化及びＢ形式の画像の双方向予測符号化を含むＭＰＥＧ符号化であり、前記複雑性を決定するために用いられる画像は、符号化されるべき画像と同じ形式の画像であることを特徴とする方法。
  3. 記憶媒体にテレビジョン信号を記憶する方法であって、
    前記テレビジョン信号を等しい長さの複数の信号部分に分割するステップと、
    各信号部分をビットストリームに符号化するステップと、
    これらビットストリームをチャネルビットストリームに結合するステップと、
    前記チャネルビットストリームを前記記憶媒体に記憶するステップと、
    各ビットストリームのビットレートを、前記複数の信号部分の各々の複雑性の和に対する当該ビットストリームに対応する信号部分の複雑性に比例して制御するステップと、
    各信号部分の複雑性を、当該信号部分の各画像を符号化し、当該画像の符号化に費やされたビット数をカウントすることにより決定するステップであって、符号化されるべき画像を、画像変換器、固定ステップサイズを持つ量子化器、可変長エンコーダ及びカウンタを有する事前解析回路に供給するステップを有する、各信号部分の複雑性を決定するステップとを有し、前記画像の符号化に費やされたビット数が、前記複雑性の値を構成することを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法を用いて記憶媒体に記憶されたテレビジョン信号を再生する方法であって、
    複数の同時に発生する信号を有し、各信号のビットレートが前記複数の同時に発生する信号の各々の複雑性の和に対する当該信号の複雑性に比例している、記憶されたチャネルビットストリームを繰返し読取るステップと、
    前記読取られたチャネルビットストリームから前記複数の同時に発生する信号の所定の一つを選択し且つ復号するステップとを有することを特徴とする方法。
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