JP4628535B2 - ディジタルトランスコーダシステム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１のプレアンブルの特徴による、第１のビットレートのデータビットストリームを受信し、該第１のビットレートと比較して異なり、特に減少せしめられた第２のビットレートのデータビットストリームを出力するためのディジタルトランスコーダシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタルトランスコーダシステムは、データビットストリームのビットレートが、例えば帯域幅で制限された(bandbreitenbegrenzten) 伝送チャネルを通して伝達されるように、転換される。相互符号化の例は、とりわけ、ＷＯ９７／４９２０６及びＤＥ１９６２３９０４Ａ１に記載されている。その他のこれに関する論文は、IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 44, No. 1,１９９８年２月、８８頁乃至９８頁、論文「ビデオコーディング用トランスコーダ構造(Transcoder Artitecutures For Video Coding) 」及びIEEE International Conference On Imaging processing, Vol. 3, １９９５年、４０８頁乃至４１１頁、論文「再量子化過程によるMPEGコード化ビデオの速度変換(Rate conversionof MPEG Coded Video by Re-Quantization Process) 」にある。
【０００３】
ディジタルトランスコーダの主な利用分野は、ビデオビットストリームを処理することである。それ故、例えばＤＶＤビデオ（ＤＶＤ：Digital Video Disc order Digital Versatile Disc = ディジタルビデオディスク又はディジタルバーサタイルディスク）に、ビデオビットストリームがＭＰＥＧ−２−ビデオコーダスタンダードによって記憶される。このビットストリームは、例えば９．８Mbit/s(Mビット/秒) までのビットレートを有し、その場合においてビットレートは時間的に一定又は可変である。しかし、前記の最大のビットレートは、例えば自動車におけるオプチカルバスのように、一定の伝送線内で分配するためには、バスシステムは限られた、大抵一定のビットレートだけを自由に使えるだけであるので、あまりにも高すぎる。それ故、ＤＶＤ技術の自動車における利用のための適応は、平均のビットレートもビデオビットストリートのビットレート特性も変化させるディジタルトランスコーダによってだけ成功しているに過ぎない。
【０００４】
ＤＶＤビデオには、通常、例えばビデオビットストリーム、複数のオーディオビットストリーム、サブタイトルインフォメーション及びナビゲーションインフォメーションを含むＭＰＥＧ−２−プログラムストリームが記憶される。ビデオビットストリームは、通常、ビデオコーダスタンダードＭＰＥＧ−１又はＭＰＥＧ−２に従って、データ整理され(datenreduziert)、符号化される。大抵ビデオコーダスタンダードＭＰＥＧ−２が使用されるので、表１はＤＶＤビデオ用のＭＰＥＧ−２−ビデオビットストリームの幾つかの特性を示す。
【０００５】
【表１】
Figure 0004628535
【０００６】
自動車に使用するためのＤＶＤ技術の適応の必要性は、オプティカルバスを通して自動車にビデオビットストリームは分配されることを考察すれば明らかである。ビデオビットストリームを伝送するために、オプティカルバスは３乃至４Mbit/sのビットレートを供給するにすぎない。供給されたビットレートは時間的に一定であり、それ故、同期間の各時間間隔で同一のデータ量が輸送される。これらの２つのバスの特性は伝送すべきビデオビットストリームの必要条件になる。それ故、ビデオビットストリームは３乃至４Mbit/sのビットレートを有するだけでよく、またこのビットレートは時間的に一定でなければならない。表１に記載の内容を前記必要条件と比較して明らかなことはＤＶＤビデオへのビデオビットストリームは前記必要条件を満たしていないことである。ビデオビットストリームは９．８Mbit/sまでのビットレートを有する必要があるので、ＤＶＤビデオへの平均のビットレート及び最大のビットレートははあまりにも高すぎる。更に、ＶＢＤビデオへのビデオビットストリームは、一定のビットレート(CBR) のほかに可変のビットレート(VBR) が必要である。可変のビットレートを有するビットストリームは、時間的にかなり変動するビットレートを有し、概して、一定のビットレートでは伝送されない。それ故、ＤＶＤビデオへのビデオビットストリームは、ビットレート水準及びビットレート特性に関して、自動車のオプティカルバス特性に適合せしめられなければならない。この適合はディジルトランスコーダによって行われる。
【０００７】
図１は自動車のオプティカルバスを通してのビデオビットストリームの分配の結果として生ずる構成を例示的に示す。このディジタルトランスコーダは、明らかなように、異なる特性を有する２つの領域間の切断部分を形成する。それ故、トランスコーダ用変換アルゴリズムの開発及びビデオプロセッサプラットプォームにおけるアルゴリズムの実行は種々の開発作業の目的である。
【０００８】
トランスコーダへの２つの要求は、既に前述の部分で表され、図１から読み取ることができる。トランンスコーダの出力側が一定のビットレートを有するＣＢＲビットストリームに隣接するように、ディジタルトランスコーダは、送られたビデオビットストリームのビットレートを減少させ、場合によりそのビットレート特性を変化させる。
【０００９】
第１の要求は、送られたビデオビットストリームのデータ量を後から少なくするプロセスが見いだされねばならないことを意味する。第２の要求は、上記の見いだされたプロセスを相互に符号化されたビデオストリームが所望の一定のビットレートを有するように設定するビットレート調整によって満たされる。
【００１０】
トランスコーダの機能に関する上記の要求のほかにこの機能が実現されるような方法に関する要求が更に存在する。機能の実現に関するその他の要求は、ビデオプロセッサによる意図された実現化によって明らかにされる。前記実現化を簡素化するために、トランスコーダのアルゴリズムは少ない複雑性だけを有するだけでなく、少ない記憶装置の要求を有しなければならない。ビットレート調整によって引き起こされる遅延時間は、ビットストリームの走行時間が図１に示すシステムによって余りにも大きくならないように、極力少なければならない。
【００１１】
最後に相互符号化されたビデオストリームの画像品質は当然に考慮されなければならない。それとういうのも、その画像品質によってかなり前記システムの受入れが左右されるからである。画像品質は上記の必要条件を満たして極力良好でなければならない。極力良好な画像品質、極力少ない費用及び極力少ない遅延時間に基づく有意義な妥協を示すトランスコーダのアルゴリズムが求められる。
【００１２】
ディジタルトランスコーダの既知の実施形態は先に述べた論文「ビデオコーディング用トランスコーダ構造(Transcoder Artitecutures For Video Coding) 」の３頁にそこに示されたブロック回路図に関連して説明している。このブロック回路図をここで図２に同様に再現する。この既知のトランスコーダ４は完全なＭＰＥＧ−２−ビデオデコーダ１０及び完全ＭＰＥＧ−２−ビデオコーダ２０からなる。ＭＰＥＧ−２−ビデオデコーダ１０は、入力バッファ１１、ＶＬＣ−デコーダ１２（ＶＬＣ：Code variabler Laenge ＝符号可変長）、復量子化器１３、逆−ＤＣＴ−ステップ１４（ＤＣＴ：Disklete Cosinus- Transformation＝離散的コサイン変成）及び後続の加算ユニット１５からなる直列回路を有する。前記加算ステップ１５の出力信号は、ＭＰＥＧ−２−ビデオコーダ２０の加算器３０の入力部に送られ、同時に画像記憶装置１６及びその出力側に接続された移動補償ステップ(Bewegungskompensationstufe)１７を通って追加のステップ１５の第２の入力部に加えられる。
【００１３】
ＭＰＥＧ−２−ビデオコーダ２０は、ＤＣＴステップ２４、それに後続する量子化器２１、その出力側に接続されたＶＬＣコーダ２２及び出力バッファ２３からなる直列回路を備える。量子化器２１の出力部は復量子化器２５の入力部と連絡しており、その復量子化器２５の出力部に別のＩＤＣＴステップ２６が接続されている。前記ＩＤＣＴステップの出力部は加算器ステップ２７と連絡している。加算器ステップ２７の出力は、画像記憶装置２８及びその出力側にに接続された移動補償ステップ２９を介して加算器ステップの第２の入力に帰還され、加算器３０の第２の入力部に送られる。更に移動補償ステップ２９は移動評価ステップ(Bewegungsschaetzungsstufe) ２９ａに接続されている。
【００１４】
送られたビデオビットストリームは前記の既知のディジタルトランスコーダによって完全に復号化され、次いで完全に新たに符号化される。ＭＰＥＧ−２−ビデオコーダ２０のビットレート調整ステップ３１は、そのとき、所望の少ない一定のビットレートが得られるように調節される。
【００１５】
前記トランスコーダは、先に述べた所望のトランスコーダの機能に関する要求を満たすが、しかし、そのトランスコーディングの実行費用(Implementierungs-aufwand)があまりにも高すぎる。ＤＣＴ及びＩＤＣＴの数度にわたる計算によって、移動補償、とりわけ移動評価は、ハードウェア実現のまともな費用を可能にするためにはしばしば複雑過ぎる。移動補償の実行のためにそのときどきに２つの画像を記憶しなければならないので、記憶の要求も同様に大きい。
【００１６】
一般のトランスコーダの大きな複雑性の原因は、デコーダとコーダの間の通信がないことである。コーダは入力ビットストリームのデコーダにある符号化パラメータを利用することができず、全ての符号化パラメータを新たに決めなければならない。特にコーダは更新された移動評価を実行する。
【００１７】
全ての符号化パラメータが新たに決められずに入力ビットストリームの相応するパラメータが利用されるならば、一般のトランスコーダの複雑性及び費用は減少できる。入力ビットストリームから受け取られる符号化パラメータの数と選択に応じて簡単なトランスコーダが生まれる。
【００１８】
図２に図示した上に記載した帰還のない、既知の簡単なディジタルトランスコーダは、単に図２に示す単調に下に配置されたブロックからなるだけであり、例えば先に述べた論文「再量子化過程によるMPEGコード化ビデオの速度変換(Rate conversion of MPEG Coded Video by Re-Quantization Process)の４１１頁の図２から知られている。適当な再量子化及びビットレート調整は、新たな再量子化ファクタが、複数の基礎量子化ファクタの積及び入力量子化ファクタと平均の入力量子化ファクタの商として決定されることによって、提供される。
【００１９】
これは、量子化ファクタは相応高いデータ量に関係付けられるので、問題である。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、はじめに述べたディジタルの、帰還されないトランスコーダを、非常に簡単な仕方で、その相互符号化を実行するとき(bei der Implement- ierung) 多くの記憶場所を必要とせずに実現可能であるように、改良することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有するディジタルトランスコーダによって解決される。
【００２２】
更に下位の請求項に記載の発明によって解決される。
【００２３】
前記した本発明のトランスコーダの利用は、請求項１１乃至１４に記載の発明である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明を、実施例に基づいて図面に関連して更に詳細に説明する。図面において、
図１は、既に説明をした、自動車のオプティカルバスを介してビデオビットストリームを分配するためのブロック回路図である。
【００２５】
図２は、既に説明をした、既知のディジタルトランスコーダのブロック回路図である。
【００２６】
図３は、本発明のディジタルトランスコーダのブロック回路図である。
【００２７】
図４は、図３のブロック回路図の回路の構成要素の詳細図である。
【００２８】
図５は、図３又は図４に示すディジタルトランスコーダの具体的実施例において生ずる入力ビットストリームにおける量子化ファクタQS及び相互符号化されたビットストリームにおける量子化ファクタQSの図表である。
【００２９】
図６は、前記具体的実施例において生ずる入力ビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄ及び相互符号化されたビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄの図表である。
【００３０】
図７は、画像品質の量としての本発明のトランスコーダを用いて発生させた画像の、ピーク信号対雑音比（ＰＳＮＲ）の図表である。
【００３１】
図８は、本発明のトランスコーダを含むデータ記録装置のブロック回路図である。
【００３２】
図９は、復量子化及び量子化過程が一段階で実施可能なトランスコーダのステップを実現するためのブロック回路図である。
【００３３】
図１０は、新しい再量子化ファクタを研鑽するための種々の回路ブロックを有するブロック回路図である。
【００３４】
図３は、本発明による帰還なしのディジタルトランスコーダのブロック回路図を示す。入力側においてトランスコーダ４には入力バッファ１１にデータストリームＲ１が供給される。この入力バッファ１１は、データストリームＲ１の部分を中間記憶するのに利用される。入力バッファ１１の出力側はＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ１２に連絡しており、このＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ１２の出力側に復量子化器１３の入力部につながれている。復量子化器１３の出力部は前記出力部に後続する量子化器２１の入力部に直接連絡しており、量子化器２１の出力部はＶＬＣコーダにつながっている。ディジタルトランスコーダ４の出力側に更に出力バッファ２３が設けられている。受信されたビットストリームＲ１のビットレートが可変であっても、出力バッファ２３の出力部から例えば入力側のデータストリームＲ１に比較してそのビットレートが減少せしめられた、一定の第２のデータストリームＲ２を出すことができる。
【００３５】
更に図３に示すように、ＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ１２の移動データはもとのままＶＬＣコーダ２２に送られる。量子化器２１は、、ビットレート調整ステップ５０に連絡している。このビットレート調整ステップは、本発明により、出力側のデータビットストリームＲ２のビットレートは一定であり、しかも前記ビットストリームは予定の目標ビットレートを有するようになっている。
【００３６】
図４に示し、詳述した、本発明によるディジタルトランスコーダの実施例のブロック回路図について説明する前に、先ず図３に示す帰還のないトランスコーダの機能を示す。
【００３７】
係数データ範囲は、選択した量子化による。多くの係数が零に量子化され、即ち脱落し、残る係数は量的に小さいので、大きな量子化ファクタを有する粗い量子化は、係数のデータ量を少なくする。僅かな小さな係数はＶＬＣユニットにおいて能率的に符号化され、より小さいデータ量を生ぜしめる。
【００３８】
高速の入力ビットストリームＲ１は、細密に量子化された係数を有する。この細密に量子化された係数は、再量子化プロセスにおいてより粗く量子化される。これによって係数のデータ量及びビットストリームのトランスコーダのビットレートは下がる。再量子化ファクタが十分に粗く選択されるとき、全ての係数は消滅する。この特別の場合は、トランスコーディングの過程で認識され、ＭＰＥＧ−２−スタンダードに対応して既知のやり方で処理される。
【００３９】
トランスコーダ４のビットレート調整は、相互符号化されたビットストリームが平均のビットレート及び最大のビットレートの所望の必要条件及びビットレート特性を満たすように、なっている。このために、再量子化ファクタは単一の調整器具である。トランスコーダの各々のビットレート調整は遅延時間を有している。この特性はビットレート調整の一般的なモデルによって説明される。このビットレート調整は先ず入力ビットストリームの一部分を、それを解析するために、読み取る。そのとき、例えば、入力ビットストリームにおける画像ごとに係数のデータ量及び量子化ファクタが評価される。解析の後最初に、同様に、入力ビットストリームの記憶された部分に対応する遅延時間によって、記憶された係数データが再量子化される。トランスコーダの調整は僅かの遅延時間を有することを要求されているので、解析のために入力ビットストリームの小さな部分だけを中間記憶するだけでよい。遅延時間を最小にするために、トランスコーダの調整は、記憶及び入力ビットストリームの解析に関しては、完全に見合わせられる。それ故前記調整はマクロブロックの基礎に基づいて働く。マクロブロックは、１６×１６画像ドットだけの大きな画像部分の係数も移動データも含むＭＰＥＧ−２−ビデオビットストリーム内のデータ領域である。１マクロブロックは入力ストリームから読み取られ、遅延なく再量子化され、相互符号化された出力ビットストリーム内に記録せしめられる。
【００４０】
ビットレート調整は入力ビットストリームの事前解析を行わないので、ビットレート調整は、再量子化ファクタを決定をするとき、既に相互符号化されたビットストリームのデータ量及び最後に利用された再量子化ファクタに添う。この調整の幾つかの調整パラメータが事前解析が行われないために分からないので、経験的且つ統計的な調査事実に基づく、有意義な高い評価が作り出されなければならない。
【００４１】
ビットレート調整の本質的な課題は、可変のビットレートの入力ビットストリーム（ＶＢＲ−ビットストリーム）を一定のビットレートの相互符号化されたビットストリーム（ＣＢＲ−ビットストリーム）に変えることにある。ＤＶＤ−ビデオのビデオビットストリームは大抵ＶＢＲ−ビットストリームである。ＶＢＲ−ビットストリームは、幾つかの点で明らかにＣＢＲ−ビットストリームと異なる。名が既に表しているように、ＶＢＲ−ビットストリームは、ある時間にわたって可変のビットレートを有する。即ちＶＢＲ−ビットストリームの伝送のために必要とされる帯域幅は時間と共に変動する。それに対してＣＢＲビットストリームは、ビットレートは時間の経過につれて一定であるので、全ての時間に対して同一の帯域幅を必要とする。ビットレート特性は画像ごとのデータ量に映し出される。少ないアクティビティを有する単純な画像、たとえば黒色画像は、非常に僅かなデータ量を発生させる。一方、より大きなアクティビティを有する複雑な画像、例えば素早い運動をするスポーツ録画は、非常に大きなデータ量を含む。ＶＢＲ−ビットストリームにおいて、各画像は、非常に良好な画像品質を可能にする、分配されたデータ量を受け取る。それ故、画像品質はＶＢＲ−ビットストリームの画像品質は、時間の経過につれて一定であり、高い水準で一定不変である。ＣＢＲビットストリームは、各時点に対して同一のビットレートを有するように制限を受ける。画像ごとのデータ量は、どうやら一定のビットレートが保持される程度に特定の領域内で変動するだけでよい。その結果、簡単な画像は比較的大きなデータ量で符号化され、複雑な画像は比較的少ないデータ量で符号化されねばならない。本発明によるトランスコーダ４におけるビットレート調整は、上記のＶＢＲ−入力ビットストリームの特性を考慮に入れて、ＣＢＲ−特性を利用する相互符号化されたビットストリームを発生させる。
【００４２】
図４には、図３のブロック回路図に比べて詳述した回路図が図示されている。ビットレート調整ステップ５０は接続回路５１乃至５７の列からなり、この接続回路の列には、出力側のデータビットストリームＲ２が予め決定した一定の目標ビットレートを有するように量子化ステップ２１における再量子化ファクタを調整するように、更に詳しく説明される信号乃至調整パラメータａ）乃至ｊ）が供給される。
【００４３】
ビットレート調整ステップ５０は１ビットに対する目標データ量を決定するためのビット配分ステップ５１を有する。このステップ５１は、評価ステップ５３に連絡している。評価ステップ５３は、ビット配分ステップ５１に画像グループ（＝ＧＯＰ）用の評価された調整パラメータａを任意に使わせる。評価価値は、例えばＧＯＰの長さ及び／又はＧＯＰの構造を内容的に含んでいる。検査ユニット５４は評価部５３に接続され、受信したデータビットストリームＲ１の情報に基づいて評価を検査する。別の信号ｂは、ビット配分ステップ５１に部分識別ステップ( Schnitterkennungstufe)５５から供給される。部分識別ステップ５５において画像の一部分乃至シーンの一部分が検出される。別の信号として、ビット配分ステップ５１は、最新の画像の相互符号化のとき発生せしめられるビット数に関する情報（＝信号ｃ）及び最新の画像の再量子化ファクタの平均値に関する情報（＝信号ｄ）を保持する。最後にビット配分ステップ５１は更に目標ビットレートに関する情報（＝信号ｅ）及び画像反復数（＝信号ｆ）を供給する。
【００４４】
信号ａ乃至ｆから、ビット配分ステップ５１は一画像の目標データ量の信号ｊを発生し、この信号を所謂レート制御ステップ５２に供給する。このレート制御ステップ５２は、直接にトランスコーダ４の量子化器２１に連絡しており、トランスコーダ４の量子化器２１に画像の各マクロブロックに対する再量子化ファクタを自由に使わせる。このためレート制御ステップ５２においては目標データ量ｊのほかに画像反復数に関する情報及び目標ビットレートに関する情報（信号ｅ及びｆ）が自由に使われる。更にレート制御ステップ５２は画像ごとのマクロブロック数に関する情報信号ｇ（信号ｇ）及び個々のマクロブロックを相互符号化するとき発生せしめられるビット数に関する情報（信号ｈ）を保持する。最後にレート制御ステップ５２は、ＶＢＶ記憶装置５７に連絡する監視ユニット５６からの信号ｉを保持する。信号ｉは、ＶＢＶ記憶装置（ＶＢＶ：Video-Buffering-Verifier、ビデオバッファ検定器）５７がオーバーフローしていないし、空になってもいないことを示す。ビット配分ステップ５１においては画像グループ（ＧＯＰ構造）のＧＯＰ長及び構成についての評価値が自由に使われる。これは必要であり、それによってビット配分ステップ５１は画像の目標データ量の有意義な値を計算することができる。
【００４５】
図４のブロック回路図で既に点線で示したように、復量子化器１３及び量子化器２１は共通ステップ４０と置き換えることができる。このような共通ステップ４０の例を図９に示す。共通ステップ４０は乗算器４１を自由に使うことができる。この乗算器には、ＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ１２から係数データQFalt が供給され、また古い再量子化ファクタqsalt の新しい再量子化ファクタqsnew への分割結果が供給される。qsalt のqsnew への分割果はディバイダ４５において行われる。新しい再量子化ファクタqsnew は、図４に関連してビット調整ステップ５０に関して説明されるように又は手で、自由に使われる。古い再量子化ファクタqsalt は直接にＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ１２からディバイダ４５へ送られる。乗算器４１の出力は浮動−整数変成ステップ４２に連絡している。この浮動−整数変成ステップ４２の出力には新しい係数データQFnew が供給され、ＶＬＣコーダ２２の入力部に送られる。
【００４６】
即ち、この回路装置によって、量子化ファクタ及び再量子化ファクタは、互いに関係なく、２つの過程で決定はされるのではなく、１つの過程で一緒に決定される。ＤＣＴ係数、即ち係数データの量子化は量子化マトリックス及び量子化ファクタqsによって決定される。前記量子化マトリックスは、１ブロックの６４のＤＣＴ係数の各々に対して１つの値を含む。量子化ファクタqsは、全てのブロックに対して一定であり、それ故マクロブロックの全ての係数に対しても同様に一定である。本発明の再量子化過程の特徴は、量子化マトリックスが変化しないことである。相互符号化されたビットストリームは入力ビットストリームＲ１のように同じ量子化マトリックスを含む。量子化マトリックスはずっと変わらないので、下記の再量子化式は量子化マトリックスの要素を何ら含まない。
【００４７】
【数３】
Figure 0004628535
【００４８】
一つのマクロブロックの全てのＤＣＴ係数についての商qsalt / qsnew は一定であるので、この商は必然的にマクロブロックごとに１つだけ、しかも、qsalt 又はqsnew が先行するマクロブロックに比較して変化しているときだけ算出されるだけでよい。新しい係数QSnew はqsalt / qsnew の商を古い係数データQFalt と単に掛け合わせることによって算出される。この掛け算は有利にQFalt が零に等しくないときにだけ実施されるだけでよい。
【００４９】
上記の再量子化式は、ハードウェアの実現化の場合のように運算の費用を最小にしなければならないとき、その完全な有利性を示す。上記再量子化式はせいぜいマクロブロックごとの割り算だけを生じさせ、またせいぜいＤＣＴ係数ごとの掛け算を生じさせるだけである。
【００５０】
図１０に、新しい再量子化ファクタqnnew を計算するための回路装置のブロック回路図を示す。この計算の仕方は各トランスコーダに使用することができる（図２及び３に示す既知のトランスコーダにも使用することができる。）それ故、この計算の仕方はＤＣＴ係数を決定するための回路装置によらない。しかし、好ましくは、図１０のブロック回路図は図９に示す装置と組合せて使用される。
【００５１】
図１０に示すブロック回路図は、種々の計算ステップ６０乃至６７からなる。これらの計算ステップは異なる計算パラメータが供給される。この計算方法を理解するために先ず実現化のための理論的背景を説明する。
【００５２】
トランスコーダのためのビットレート調整は複雑さの度合い(Komplexitaet-mass) 、略して複雑さ(Komplexitaet)を参照する。複雑さは下記の複雑さに区別される。
【００５３】
相互符号化すべきビットストリームのマクロブロックの複雑さ
【００５４】
【数４】
Figure 0004628535
【００５５】
相互符号化すべきビットストリームのスライス（マクロブロックグループ）の複雑性
【数５】
Figure 0004628535
【００５６】
相互符号化すべきビットストリームの画像の複雑さ
【数６】
Figure 0004628535
【００５７】
相互符号化すべきビットストリームの複数のピクチャ（ＧＯＰ、画像グループ）のうちの一グループの複雑さ
【数７】
Figure 0004628535
【００５８】
ここで、上に添えた添字は"in"及び"out" は相互符号化すべき入力ビットストリーム及び相互符号化すべき出力ビットストリームを示す。インデックス"i" は個々のマクロブロックを示す。更にＣは複雑さを示し、
dMB in［ｉ］は入力ビットストリームのｉ−テン(ten) ・マクロブロックのビットのデータ量を示し、
qsalt［ｉ］は入力ビットストリームのｉ−テン・マクロブロックの量子化ファクタを示す。
【００５９】
調整は各マクロブロックに対して再量子化ファクタqsnew［ｉ］を決定する。
【００６０】
更に重要な数量については、
tdMB［ｉ］は相互符号化されたマクロブロックの目標データ量であり、
tdslice［ｉ］は相互符号化されたスライスの目標データ量であり、
tdBild［ｉ］は相互符号化された画像の目標データ量であり、
tdGOP［ｉ］は相互符号化されたＧＯＰの目標データ量である。
【００６１】
ここで、目標データ量は、調整によって決定された再量子化ファクタによる相互符号化の後マクロブロック、スライス、画像又はＧＯＰが相互符号化されたビットストリーム内に有するデータ量である。
【００６２】
簡単な書き方に関して詳しい説明のために以下のように取決めをする。
【００６３】
インデックス"BO"（基準対象物）は、スライス、画像、又はＧＯＰに対するもので、即ち、BOэ｛スライス、画像、ＧＯＰ｝である。それ故次に述べる方程式が種々の基準対象物BOに適用され、種々の基準対象物BOに関する規則が実現され得るものとする。次に述べる方程式においてBOは常に同一の基準対象物、即ちスライス、画像又はＧＯＰに対するものである。
【００６４】
ビットレートの調整は相互符号化すべきビットストリームの事前解析のため記憶場所を必要とする。それ故、調整は遅延時間を持つ。事前解析のとき本発明により、部分的に記憶された入力ビットストリーム内の下記の数量が求められる。
【００６５】
dMB in〔ｉ〕 相互符号化すべき入力ビットストリームにおけるｉ−テン・マクロブロックのビットのデータ量
dBO in〔ｉ〕 相互符号化すべきビットストリームにおける参照対象物のビットのデータ量
qsMB in〔ｉ〕 入力ビットストリームにおけるｉ−テン・マクロブロックの量子化ファクタ
【００６６】
別の入力量としてビットレート調整は入力ビットストリームのビットレートrinを必要とする。このビットレート rinを求めるために入力ビットストリームの一部分が記憶される。この入力ビットストリームの一部分は一つのインター画像(Intra-Bild)（このＩ−画像を含めて）からそれに続くインター画像（このＩ−画像を除いて）にわたる。前記ビットレートrinはＧＯＰベースでも求めることができる。
【００６７】
【表２】
Figure 0004628535
【００６８】
ビットレート調整の目的は、相互符号化された出力ビットストリームが一定ビットストリームrout （＝目標ビットレート）を有し、入力ビットストリームrinが一定か又は可変かに依存しないことである。この調整の経過は以下の通りである。
【００６９】
１ステップ
下記の式による基準対象物ごとの目標データ量の計算
【００７０】
【数８】
Figure 0004628535
【００７１】
上の式においてΔdBOは、前述の基準対象物のビットの実際に発生したデータ量の目標データ量との差であり、また
dBO out ＞tdBOのとき、ΔdBO＞０
dBO out ＜tdBOのとき、ΔdBO＜０
である。
【００７２】
２ステップ
基準対象物BOの量子ファクタの補正項Ａの計算
【００７３】
【数９】
Figure 0004628535
【００７４】
上の式において
【００７５】
【数１０】
Figure 0004628535
【００７６】
３ステップ
下記の式による全てのマクロブロックについての再量子化ファクタ
【数１１】
Figure 0004628535
【００７７】
ファクタrin/rout には、再量子化ファクタ／相互符号化の場合マクロブロックの複雑性は同様に存在し、即ち一定であるという仮定が隠れている。これらのファクタは場合によっては再量子化ファクタを計算するときに省略することができる。Ｒは加重(Gewichtung)ファクタを示し、ＳはＶＢＶ記憶装置がオーバーフローしたり空になることを回避するためのファクタを示す。この調整はＶＢＶ記憶装置のオーバーフローが今にも起こりそうなとき所謂スタッフビット( stuffing bytes) をビットストリームに挿入する。ＳはＶＢＶ記憶装置の充填水準に依存しない関数である。一例においてＳの関数は線型になる。この関数は低い充填水準のときqsMB in〔ｉ〕を高めるようにＳの値＞１．０μm を提供する。高い充填水準のとき関数はqsMB out〔ｉ〕を少なくするようにＳの値＜１．０μm を提供する。Ｓは画像又はマクロブロックの相互符号化の後（場合によっては一定の充填水準を越えたときまたは下回ったとき）現実化される。
【００７８】
それ故再量子化ファクタqsnew の計算のための回路装置は、図１０に示すようになる。中央の計算装置６７においては予め定められたファクタＲ、Ａ及びＳ並びに受信する、それ故入力側のデータビットストリームのビットレートrin及び所望の出力側のビットレートrout が自由に使われる。この結果前記計算装置６７は新しい再量子化ファクタqsnew を決定する。ステップ６５において上に述べた式によってＡが決定される。前記ステップ６５は、出力側で計算装置６７に連絡しており、入力側でステップ６２からパラメータ CBO inを受け取りステップ６０からtdBOの値を受け取る。ステップ６５は CBO in/tdBOの商から補正ファクタＡの値を計算する。
【００７９】
ステップ６０は、上に述べた計算過程によってΔdBO、dBO in、 rin及びrout からtdBOを発生しこれをステップ６５に供給する。dBO inと rinの値はステップ６４から供給される。更にステップ６４は dMB in〔ｉ〕の値をステップ６２に自由に使わせ、また rinを計算装置６７に自由に使わせる。ステップ６２は入力量として古い再量子化ファクタqsalt 〔ｉ〕を受け取り、ステップ６５に CBO>inの値を供給する。最後に補正ファクタＳがステップ６３から計算装置６７へ到着する。
【００８０】
ビットレート調整を有するトランスコーダについてのトランスコーディングアルゴリズムは上述の実施の形態によって開発され、調査される。このアルゴリズムの機能性は実施例によって示される。名称"Susie" を有する既知の画像テストシーケンス（注：このテストシーケンスは電話中の婦人を示す）は７２０×５７６画像ドットの解像度を有し、２５Hzの画像反復数を有する。ＭＰＥＧ−コーダは、６Mbit/sの平均ビットレートを有するビデオビットストリームが生ずるように、構成される。このビットストリームは、本発明のトランスコーダの入力部に入れられ３Mbit/sに相互符号化される。本発明のトランスコーダの出力部における相互符号化されたビットストリームは所望のように一定のビットレートを有する。選択されたビットレートは典型的に、透明の問題提起に対して選択されるが、しかし、違ったやり方で選択することもできる。ＤＶＤビデオが９．８Mbit/sの最大のビットレートを許容するけれども、平均のビットレートはそれに記憶されたＶＢＲビットストリームの６Mbit/s以下でしかない。本発明のトランスコーダにおけるデータ量の減少は粗い量子化ファクタを有する再量子化によって成功する。
【００８１】
図５は再量子化過程を実例で説明する。図表の縦軸に、QSで、入力ビットストリームにおける量子化ファクタQS（細線で図示された曲線推移）が示され、相互符号化されたビットストリームにおける量子化ファクタQS（太線で図示された曲線推移）が示されている。水平に連続するマクロブロックが図示されている。明らかに分かることは、再量子化過程によって相互符号化されたビットストリームにおける量子化ファクタは、入力ビットストリームにおける量子化ファクタよりも大きいことである。入力ビットストリームは比較的小さい量子化ファクタを含む。６Mbit/sから３Mbit/sに入力ビットストリームのビットレートを減少させるために、再量子化過程で量子化ファクタが増加せしめられる。
【００８２】
これはより粗い量子化に相当する。相互符号化されたビットストリームにおける量子化ファクタを示す曲線は、それ故、入力ビットストリームにおける量子化ファクタが再現する曲線の上方に推移している。相互符号化されたビットストリームのより粗い量子化及びそれ故より小さなビットレートは画像ごとのデータ量を映し出している。
【００８３】
図６は、相互符号化されたビットストリームにおける個々の画像が、より高いレートの入力ビットストリームよりも少ないデータ量を有することを示す。相互符号化されたビットストリームはそのより小さなビットレートに基づき、太線で示す曲線から明らかなように、画像ごとのより小さなデータ量を有する。図示の図表には、入力ビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄと相互符号化されたビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄが示されている。
【００８４】
相互符号化されたビットストリームの画像品質を評価するために、所謂ピーク信号対雑音比（ＰＳＮＲ）が算出される。より大きなＰＳＮＲは大抵より良い画像品質を保証する。相互符号化された例のビットストリームを図７に図示する。その場合、各個々の画像についてのＰＳＮＲ並びに全シーケンスにわたる平均値が図示されている。本発明のトランスコーダによって３Mbit/sに相互符号化されたビットストリームは４０．３９dBの平均のＰＳＮＲを有する。この値を評価するために、同じ入力ビットストリームが前に述べたように普通のトランスコーダで画像２において３Mbit/sに相互符号化され、ＰＳＮＲが計算される。普通のトランスコーダで３Mbit/sに相互符号化されたビットストリームは４０．３５dBの平均のＰＳＮＲを有する。それ故、本発明のトランスコーダは普通のトランスコーダとほぼ同一の画像品質を提供する。この成果は、非常に明確である。何故ならば、より少ない複雑性とより少ない記憶の要求にもかかわらず、本発明のトランスコーダは普通のトランスコーダとほぼ同一の能力を有し、場合により普通のトランスコーダよりも良いことを前記成果は意味するからである。それ故、図２に示すトランスコーダの極めて高い実現化費用は回避することができる。この例の成果は、代表的なものであり、他のテストシーケンスとビットレートによって再現することができる。
【００８５】
本発明のトランスコーダの必要条件はビデオプロセッサによる極力簡単な実現を考慮に入れている。前に述べた説明で、本発明のトランスコーダは、この必要条件を満たすのみならず既知の非常に高価な、図２に示すトランスコーダに匹敵する画像品質も提供する。それ故、本発明のビデオプロセッサによるトランスコーダの実現は、少ない記憶費用で可能であり、例えば自動車内部のオプティカルバスシステムにおいて実現可能である。
【００８６】
入力ビットストリームは、部分的に入力バッファ１１に記録される。ＶＬＤユニット１２は入力ビットストリームＲ１をそのシンタクスの要素に分解し、可変長を有するコードワードに復号化する。シンタクスの要素により、係数データの特徴を示すコードワードのみを更に加工する。係数データのもとで離散的コサイン変成（ＤＣＴ）によって周波数領域において変成された全ての画像の画像ドットが解釈される。係数データは復量子化され(Q-1）、次いで再量子化過程で処理される（-Q）。ビットレート調整は再量子化ファクタを、出力部における相互符号化されたビットストリームが、所望の低い一定のビットストリームを有するように、調整する。再量子化された係数データはＶＬＣユニット２２においてコードワードに変えられる。ＶＬＣユニット２２は同様に変わらない移動データを入力ビットストリームＲ１から相互符号化されたビットストリームに挿入する。完全に相互符号化されたビットストリームは出力バッファ２３に記憶され、出力される。本発明のトランスコーダは、図２に示す普通のトランスコーダに比べて変成（ＩＤＣＴ、ＤＣＴ）は何ら行われず、帰還ループにおける移動補償（ＭＣ）は何ら行われず、移動評価（ＭＥ）は何ら行われないので、低い複雑性を有する。移動補償に関しては見合わせられているので、本発明のトランスコーダは画像記憶装置（ＦＳ）を何ら利用しない。それ故、記憶の要求は少ない。ビットレート調整はより少ない遅延時間で働く。それ故、本発明のトランスコーダは、ビデオプロセッサによる有利な実現のために必要な全ての必要条件を満たす。
【００８７】
図８にディジタルトランスコーダの具体的な利用例がブロック回路部で示されている。ビデオレコーディングシステムにおいて、データビットストリームＲ１のビットレートに左右されない一定ビットレートのデータビットストリームＲ２により記憶媒体８０にディジタルデータを記録するために、トランスコーダ４が使用される。このために、トランスコーダ４は、入力側で、ディジタルビデオ放送信号（ＤＶＢＳ、ＤＶＢＣ、ＤＶＢＴ）が供給されるディジタルビデオ源、例えばディジタルビデオディスク６５又は信号源６０に接続される。スイッチ７０を介して相応する信号源６０又は６５が選択される。切換え装置７１を介して、信号源６０又は６５の信号は、直接に連絡線７２を介して、或いは切換え装置７１のスイッチが図８に示す位置にあるときはビットレートが減少せしめられて記憶媒体８０に記憶される。このスイッチの位置で、受信データビットストリームＲ１又はＲ１′はトランスコーダ４を介して導かれビットレートが減少せしめられ、一定のビットレートで記憶媒体８０に記憶せしめられる。図８に示すスイッチの位置で、記憶媒体８０はビットレートが減少せしめられた記憶データを保持するので、長時間レコード機能(Longplay-Aufnahmefunktion) が得られる。例えば磁気テープ又は半導体記憶装置である記憶媒体８０の録画時間又は記録時間は、それ故、本発明のトランスコーダ４によって本質的に増やされる。
【００８８】
データの記録のためにトランスコーダ４を使用する本質的な利点は、トランスコーダ４の出力にどんな場合でも一定ビットレートが提供され、入力側のデータビットストリームが可変か又は一定かにより左右されないことである。
【００８９】
出力側で、記憶媒体８０はデコーダ８５、例えばＭＰＥＧ−２−デコーダに接続される。更にトランスコーダ４が、それが録画モードで相互符号化プログラムを実施し、再生モードで復号化プログラムを実施するように、使用することも可能である。これはマイクロプロセッサ制御により可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】既に説明をした、自動車のオプティカルバスを介してビデオビットストリームを分配するためのブロック回路図である。
【図２】既に説明をした、既知のディジタルトランスコーダのブロック回路図である。
【図３】本発明のディジタルトランスコーダのブロック回路図である。
【図４】図３のブロック回路図の回路の構成要素の詳細図である。
【図５】図３又は図４に示すディジタルトランスコーダの具体的実施例において生ずる入力ビットストリームにおける量子化ファクタQS及び相互符号化されたビットストリームにおける量子化ファクタQSの図表である。
【図６】前記具体的実施例において生ずる入力ビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄ及び相互符号化されたビットストリームにおける画像ごとのデータ量Ｄの図表である。
【図７】画像品質の量としての本発明のトランスコーダを用いて発生させた画像の、ピーク信号対雑音比（ＰＳＮＲ）の図表である。
【図８】本発明のトランスコーダを含むデータ記録装置のブロック回路図である。
【図９】復量子化及び量子化過程が一段階で実施可能なトランスコーダのステップを実現するためのブロック回路図である。
【図１０】新しい再量子化ファクタを研鑽するための種々の回路ブロックを有するブロック回路図である。
【符号の説明】
４ トランスコーダ
Ｒ１ データストリーム
Ｒ２ 第２のデータストリーム
１０ デコーダ装置
１１ 入力バッファ
１２ ＶＬＤデコーダ及びデマルチプレクサ
１３ 復量子化器
２１ 量子化器
２２ ＶＬＣコーダ
２３ 出力バッファ
４０ 共通ステップ
４１ 乗算器
４２ 浮動−整数変成ステップ
４５ ディバイダ
５０ ビットレート調整ステップ
５１ ビット配分ステップ
５２ レート制御ステップ
５３ 評価ステップ
５４ 検査ユニット
５５ 部分識別ステップ
５６ 監視ユニット
５７ ＶＢＶ記憶装置
６０ 信号源
６５ デジタルビデオディスク
７０ スイッチ
７１ 切換え装置
７２ 連絡線
８０ 記憶媒体
８５ デコーダ
６０ ステップ
６１ ステップ
６２ ステップ
６３ ステップ
６４ ステップ
６５ ステップ
６７ 計算装置

Claims (13)

  1. 第１のビットレート（Ｒ１）のデータビットストリームを受信し、該第１のビットレート（Ｒ１）と比較して異なり、特に減少せしめられた第２のビットレート（Ｒ２）のデータビットストリームを出力するためのディジタルトランスコーダシステムであり、入力バッファとその出力側に続くＶＬＤデコーダを有する入力側のデコーダ装置及び出力側のコーダ装置を備え、前記出力側のコーダ装置は、前記デコーダ装置において復量子化したデータを再量子化ファクタを用いて再量子化するための量子化器と、該量子化器の出力側に続くＶＬＣコーダ及び出力バッファを備えるディジタルトランスコーダシステムであって、第２のビットレート（Ｒ２）をマクロブロック指向で調整するために、前記ＶＬＣコーダに送られる新しいＤＣＴ係数QFnew(neu) が下記の数式１によって決定され、
    Figure 0004628535
    上の式においてqsalt は古い量子化ファクタを示し、qsnew は新しい量子化ファクタを示し、QFaltは前記ＶＬＤデコーダの出力におけるＤＣＴ係数を示す。
    前記再量子化ファクタqs new の値が下記の数式２によってマクロブロック指向で算出されることを特徴とするディジタルトランスコーダシステム。
    Figure 0004628535
     上の式において、Ｓ、Ａ及びＲは予め与えられた補正係数であり、 r in は受信されたデータビットストリーム（Ｒ１）の求められたビットレートであり、r out は相互符号化されたデータビットストリームの所望の出力ビットレート（Ｒ２）である。
  2. qsnew の値が、マニュアルで又は制御アルゴリズムによって調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  3. 共通ステップ手段が乗算器を備え、この乗算器には前記ＶＬＤデコーダからQFaltの値及び商qsalt / qsnew が送られ、前記乗算器の出力が浮動ステップ／整数ステップを介して前記ＶＬＣコーダの入力に連絡していることを特徴とする請求項１又は２の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  4. qsalt の値が入力側のデータビットストリーム（Ｒ１）で決定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  5. 前記ＶＬＣコーダが入力側のデータビットストリーム（Ｒ１）からのもとのままの移動データを相互符号化されたビットストリームに挿入されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  6. 画像ごとのまたは基準対象物ごとの目標データ量を求めるための装置が設けられ、この装置は、画像のシーン部分を検出するシーン部分検出装置と連絡しており、且つ前記装置には、別の制御量として、同一画像型の前の画像の再量子化ファクタの平均値及び直前の画像を相互符号化するときに発生するビット数の値が供給されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  7. 再量子化ファクタqsnew が、さらに、受信された画像ごとの現存するマクロブロックの数及び受信されたデータビットストリームにおける画像反復数に応じて変えることができることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  8. ＶＢＶ記憶装置がオーバーフローすること又は空になることを監視するための監視装置が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  9. 第２のビットレート（Ｒ２）が第１のビットレート（Ｒ１）の可変性に左右されずに一定に調整されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステム。
  10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のディジタルトランスコーダシステムをディジタルビデオ記録システムに用いて、ディジタルデータを記憶媒体に、受信されたデータビットストリーム（Ｒ１）のビットレートに左右されない、一定ビットレート（Ｒ２）のデータビットストリームで記録するディジタルトランスコーダシステムの利用方法。
  11. 受信されたデータビットストリーム（Ｒ１）をもとのまま記憶媒体に記録するために、切替装置によってトランスコーダシステムと並列に伝送線を連結可能であることを特徴とする請求項１０に記載の利用方法。
  12. トランスコーダシステムが再生モードにおいてデコーダシステムとして使用されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の利用方法。
  13. 受信されたデータビットストリーム（Ｒ１）がビデオビットストリーム、特にＭＰＥＧ−２−ビデオスタンダードによるＤＶＤビデオビットストリームであることを特徴とする請求項１１乃至１２の何れか一項に記載の利用方法。
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