JPH08181952A - ビデオ信号送信方法 - Google Patents

ビデオ信号送信方法

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JPH08181952A
JPH08181952A JP7201801A JP20180195A JPH08181952A JP H08181952 A JPH08181952 A JP H08181952A JP 7201801 A JP7201801 A JP 7201801A JP 20180195 A JP20180195 A JP 20180195A JP H08181952 A JPH08181952 A JP H08181952A
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JP
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signal
buffer
distortion
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video
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JP7201801A
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Arun Narayan Netravali
ナラヤン ネトラヴァリー アラン
Eric David Petajan
デイヴィッド ペタジャン エリック
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AT&T Corp
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  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)
  • Television Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変レートの主データストリームに可変レー
トの補データストリームを組み込む。 【解決手段】 まず、入力ビデオ信号を符号化して、選
択された歪みレベルを有する可変ビットレートの符号化
信号を生成する。このビデオ信号はバッファに入力され
る。歪みレベルはバッファの充満度の関数として選択さ
れる。ビデオ信号はバッファから読み出され、所定のビ
デオ出力レートで伝送チャネルに送信される。補信号の
部分は、バッファがアンダーフロー状態にある間にこの
チャネルに入力される。選択された歪みレベルはビデオ
信号の所定の非ゼロ知覚的歪みに応じて変化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は放送チャネルを介し
た主および補デジタルデータストリームの伝送に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ＨＤＴＶのようなシステムにおいては、
符号化技術が、送信器から受信器へのビデオフレームと
して伝送されるビデオ信号の冗長性を圧縮するために用
いられる。この符号化されたビデオ信号に含まれる情報
の量が変わるため、バースト信号が必要となる。例え
ば、バスケットボールの画面のように、多くの運動を含
むシーンの場合には、含まれるフレーム間の冗長な情報
は割に少ないため、符号化後の情報またはデータの量
は、静止画面の引き続きのフレームを伝送するのに必要
な符号化データの量よりも多く生成される。この情報ま
たはデータには主冗長情報を含んでいる。
【０００３】限られたビットレートのチャネルで伝送す
る場合、ＨＤＴＶ符号器は制限された一定ビットレート
を生成しなければならない。この一定ビットレートの出
力を保証するためには、ＨＤＴＶ送信器にバッファを設
けて、このバッファによってバーストビデオ信号を蓄積
し、ビットストリームの伝送レートを制御する。
【０００４】ＨＤＴＶシステムにおいては、ビデオデー
タはデータソースから受信され、ビデオ符号器により圧
縮される。そのほかに、ビデオ符号器はビデオデータス
トリームの量子化粗さのレベルを決める。ビデオデータ
はバッファに伝送される。バッファはビデオデータスト
リームの出力速度を制御する。バッファの充満はフェー
ドバックメカニズムを介した歪み制御により制御され
る。歪み制御は歪みのレベル、すなわち各ビデオフレー
ムに対して、ビデオデータの粗さまたは精細さを制御す
る。各ビデオフレームは符号化ビデオデータの量子化の
レベルを与える。すなわち、ビデオデータをもっと粗く
して、バッファの充満程度を減少させる。バッファの充
満程度はある参照レベル以下に減少すると、歪み制御は
符号器にビデオデータストリームの量子化のレベルを降
下させて、バッファの充満程度を増加させる。バッファ
アンダーフローが発生すると、すなわち、バッファに入
るビットより出る方が多い場合、バッファが空になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
実問題として、静止イメージのような非常に冗長なイメ
ージの場合でも、バッファはめったに空にならないの
で、バッファが送信され続ける。その理由は、静止イメ
ージとなってもノイズが含まれて、このノイズはフレー
ム間の差違を増加させ、符号器の量子化レベルを増大さ
せてしまう。従って、本発明の目的は、許される歪みレ
ベルにおいて下限を確立して、バッファをもっと頻繁に
アンダーフロー状態を実現する方法を提供することであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、電子出版のようなデータサービスを代
表する補データはアンダーフロー状態の間に伝送され
る。歪みレベルで下限を設けると、ビデオデータストリ
ームの量子化レベルを増加させ、なおかつこの下限は人
間の目に認められる画質を得る条件で決まる。従来技術
においては、これは画質を低下させることにより実現さ
れる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１にはビデオシステム、特に高
品位テレビ（High Definition Television:ＨＤＴＶ）
システム１０の全体図、および本発明の原理を示す。Ｈ
ＤＴＶビデオシステムの詳細については、米国特許第
５，１４４，４２３号（Knauer et al."HDTV Encoder w
ith Forward Estimation and Constant Rate Motion Ve
ctors"、１９９２年９月１日発行）、第５，１３６，３
７７号（Johnston et al. "Adaptive Non-linear Quant
izer"、１９９２年８月４日発行）、第５，１３４，４
７５号（Johnston et al. "Adaptive Leak HDTV Encode
r"、１９９２年７月２８日発行）、第５，１３４，４７
７号（Knauer et al. "HDTV Receiver"、１９９２年７
月２８日発行）に開示されている。
【０００８】動作時に、視聴者が中心データサーバ１２
に対して指示を送って、受信希望の１つまたは複数のデ
ータサーバを指定する。指示が視聴者の遠隔位置から中
心データサーバ１２にケーブルまたはファイバ光ネット
ワーク１４を介して伝送される。例えば、この指示はリ
モコンユニット１６を介して赤外線信号としてＨＤＴＶ
受信器３０に付けられるセットトップボックス１８に伝
送される。ＨＤＴＶ受信器３０はファイバ光ネットワー
ク１４を経由して適切な信号を伝送する。あるいは、視
聴者は標準の電話網（図示せず）を経由して指示を中心
データサーバ１２に伝送する。分離したデータサーバコ
ンバータボックス（図示せず）がセットトップボックス
１８の代わりに使用されて、ファイバ光ネットワーク１
４を介して指示を伝送する。
【０００９】中心データサーバ１２は視聴者からの入来
要求を処理し、視聴者の希望されるデータをサーバ２４
のそれぞれの１つから抽出する。データサーバは任意の
種類のビデオまたはオーディオ情報、例えば、蓄積装置
に伝送された電子新聞紙、雑誌、カタログ、映画等、あ
るいはリアルタイムで伝送される必要のない他の種類の
サービスでもよい。データはセットトップボックス１８
に伝送される。このセットトップボックス１８はメモリ
のような蓄積手段を有し、データの蓄積を行う。データ
の一部がセットトップボックス１８に伝送されると、サ
ービスは視聴者により視聴される。セットトップボック
ス１８はファイバ光ネットワーク１４を介して中心のＨ
ＤＴＶ送信器２０からビデオ信号をも受信する。
【００１０】データが視聴者のセットトップボックス１
８に伝送している間でも、視聴者は相変わらずＨＤＴＶ
送信器２０からの番組放送を視聴することができる。本
発明によれば、ＨＤＴＶビデオ信号およびデータ信号は
一体に多重化処理される。この多重化処理では、ＨＤＴ
Ｖビデオ信号はリアルタイムで伝送され、データサービ
ス信号はセットトップボックス１８に遅い速度で伝送さ
れる。この場合、ＨＤＴＶ信号はセットトップボックス
１８に対して主信号放送で、データ信号は補信号として
扱われる。この補信号については以下に詳述する。
【００１１】図２は図１に示したＨＤＴＶ送信器２０の
詳細ブロック図である。リード２０５上にある高品位
（ＨＤ）ビデオ信号はＨＤＴＶ符号器２１０により符号
化される。図示したように、ＨＤＴＶ符号器、実は多く
のビデオ符号器は符号化処理されているビデオ信号の性
質により可変ビットレートの出力を提供する。例えば、
フレーム間に比較的に変化の少ないビデオ信号は、フレ
ーム間の変化の大きいそれよりも少ないビットで符号化
される。シャープなシーンの変化も符号器の出力ビット
レートを増大させる。しかし、小さなシーンの変動は急
激なシーンの変化よりも少ないビットを使用する場合、
ビデオ信号に存在するノイズがイメージの歪みを招く。
その結果として、シーンの変動を符号化するためにかな
りの量のビットは消耗する。
【００１２】前述したように、ＨＤＴＶ符号器２１０の
出力ビットレートの可変性により、その出力は一旦ビデ
オデータバッファ２１５に蓄積され、適切にフォーマッ
トされたＨＤＴＶ信号が形成され、放送チャネル２２０
に送出する。マルチプレクサ２２５がビデオデータバッ
ファ２１５と放送チャネル２２０の間に配置され、その
機能については後述する。
【００１３】このシステムには歪み制御２３０も含み、
歪み制御２３０はリード２０５からの入来ビデオ信号お
よびビデオデータバッファ２１５により提供されたリー
ド２３５上の「バッファ充満」信号を入力として受信す
る。歪み制御２３０の機能および構成については周知で
ある。歪み制御２３０は、例えば、離散余弦変換（ＤＣ
Ｔ）係数、移動ベクトルおよび量子化レベルなどのファ
クタを考慮して、ビデオ信号の符号化レベル、すなわち
その歪みレベルを決める。この符号化された信号には十
分な情報を含むので、符号化されたイメージは最初のイ
メージを保全できる。しかし、この保全の尺度について
は、符号化されたイメージが人間の目で見るため、符号
化イメージ上の些細な歪みに気づかない程度に限定され
る。人間の目でイメージの符号化による歪みを検出でき
ない限り、この歪みレベルが適切な範囲にあると考えら
れる。
【００１４】歪みレベルは知覚的な歪み尺度に依存す
る。知覚的な歪み尺度はビデオ信号の符号化の精細度を
決める尺度を提供し、ビデオイメージを符号化する精細
度をきめるため、符号化されたイメージに現れる歪みは
人間にとって均一に分布する。本発明においては、知覚
的な歪み尺度をレベルとして設定し、レベルの下限は歪
みレベルに対して評価する。このようにして、符号化処
理が人間の観察に知覚的に認められない場合、イメージ
はより精細に符号化される。
【００１５】図５には歪みレベルと符号化されたビデオ
信号のビットレートとの関係を示す。歪みレベルとビッ
トレートは一般的に逆数の関係にある。歪みレベルが高
いほど、レートが低い。逆に歪みレベルが低いほど、レ
ートが高い。ビデオが「無歪み」となるように作られた
限度を知覚的な歪み尺度として設定すると、歪みレベル
の下限、最大の符号化の量（ビデオ信号が符号化される
精細度）は限定される。図４に示すように、時間と伴い
歪みレベルは減少する。しかし、歪みレベルの下限に到
達すると、歪みレベルに関連する符号化処理の精細度
は、ビデオイメージの変化またはシーンの複雑さの増大
が起こるまで一定に保つ。符号化されたビットレートの
増加の結果に合わせるために、この時点で、歪みレベル
が増加される。
【００１６】歪みレベル上に下限を引き続き用いると、
時間につれてバッファの充満度が減少する。本発明にお
いては、歪みの下限は所定のビデオ信号の知覚的な歪み
の非ゼロレベルに対応して、バッファが規則的にアンダ
ーフロー状態に達するようにレベルをセットする。アン
ダーフロー状態になる間、補データバッファ２４５から
の補データが伝送され、ビデオ信号の伝送が一時停止さ
れる。バッファが所定のレベルまで充満すると、補デー
タの伝送は一時停止され、ビデオ信号の伝送は再開す
る。
【００１７】このようにアンダーフロー状態を人為的に
作ることにより、伝送される補データの量は従来技術よ
り増加した。特に、ビデオ信号の符号化処理の各時点、
例えば「静止」または遅い運動の期間で、または、例え
ば２４−３０フレーム／秒の映画のような特殊のビデオ
信号が符号化される時、チャネルの全データレート能力
は、ビデオデータバッファ２１５に提供されていて、最
後に読み出されるビットの数によって達していない。こ
のため、システムは、この期間には別のやり方で処理で
きる補データの伝送を行う。
【００１８】そして、明らかにシステムはリード２４０
上に補データビットストリームを受信する。このデータ
ストリームのビットは補データバッファ２４５に一時保
持される。この補データバッファ２４５はマルチプレク
サ２２５に対して出力する。本発明の一実施例において
は、システムは、ビデオチャネルの一部を排他的に補デ
ータの伝送に専念させることにより、最小の常数ビット
レート能力を提供して補データの最小のビットレートを
確保する。すなわち、補データバッファ２４５からのビ
ットは少なくとも所定の最小のレートで連続的に読み出
され、ＨＤＴＶの符号化された信号と多重化して放送チ
ャネル２２０に送出される。しかし、前述したように、
ビデオデータバッファが空になり（他の実施例において
は、ほぼ空になるかもしれない）、ＨＤＴＶ符号器２１
０と補データバッファ２４５により出力されるビットの
結合されるレベルによってチャネル能力が十分には使わ
れない場合、マルチプレクサ２２５は補データバッファ
２４５からの補データビットレートを増加させる。その
後、ビデオデータバッファ２１５が補充されるにつれ、
補データバッファ２４５から読み出される補データのレ
ートは減少し、最終的に前述の最小常数ビットレートに
なる。
【００１９】図３にはさらにＨＤＴＶ受信器３０の詳細
ブロック図を示す。チャネルの遠端で、ビデオ／補デー
タの複合信号はディマルチプレクサ３０５によりディマ
ルチプレクサされる。受信されたＨＤＴＶビデオ信号は
ビデオデータバッファ３１０、そしてＨＤＴＶ復号器３
１５、最後ディスプレー３２０に入力される。それと同
時に、受信された補データは補データバッファ３２５、
そして記憶装置３３０に入力される。この記憶装置３３
０はＨＤＴＶ信号の表示されるディスプレー３２０でも
よく、または任意のエンドユーザの装置にデータを伝送
できるセットトップボックスでもよい。
【００２０】
【発明の効果】放送産業においては、デジタルデータサ
ービスはＨＤＴＶの重要な部分となる傾向を示してい
る。本発明は前もってこのサービスを伝送する有効な方
法を提供する。特に、ＨＤＴＶ信号とともに補データを
伝送する能力は電子新聞紙、雑誌、電子カタログ、ペー
ジングサービス、株の取引、番組の案内などのサービス
を伝送する可能性、および付加のオーディオまたはビデ
オチャネルを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＨＤＴＶシステムのブロック図で
ある。
【図２】図１のＨＤＴＶシステムのＨＤＴＶ送信器のブ
ロック図である。
【図３】図１のＨＤＴＶシステムのＨＤＴＶ受信器のブ
ロック図である。
【図４】時間ｔにおける歪みレベルの測定結果を表すグ
ラフ図である。
【図５】歪みレベルとビットレートとの関係を表すグラ
フ図である。
【符号の説明】
１０ ＨＤＴＶシステム １２ 中心データサーバ １４ ファイバ光ネットワーク １６ リモコンユニット １８ セットトップボックス ２０ ＨＤＴＶ送信器 ２４ サーバ ３０ ＨＤＴＶ受信器 ２０５ リード ２１０ ＨＤＴＶ符号器 ２１５ ビデオデータバッファ ２２０ 放送チャネル ２２５ マルチプレクサ ２３０ 歪み制御 ２３５ リード ２４０ リード ２４５ 補データバッファ ３０５ ディマルチプレクサ ３１０ ビデオデータバッファ ３１５ ＨＤＴＶ復号器 ３２０ ディスプレー ３２５ 補データバッファ ３３０ 記憶装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリック デイヴィッド ペタジャン アメリカ合衆国，07060 ニュージャージ ー，ワッチャング，メイプル ストリート 22

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力ビデオ信号を符号化して、選択され
    た歪みレベルを有する可変ビットレートの符号化信号を
    生成する符号化ステップと、 前記符号化信号をバッファに入力するステップと、 前記バッファから前記符号化信号を読み出し、所定のビ
    デオ出力レートで伝送チャネルに送出するステップと、 前記バッファがアンダーフロー状態にあるとき、補信号
    を前記チャネルに送出するステップとからなるビデオ信
    号送信方法において、 前記歪みレベルは、前記バッファの充満度の関数として
    選択され、前記ビデオ信号における所定の非ゼロレベル
    の知覚的歪みに対応する下限値を有することを特徴とす
    るビデオ信号送信方法。
  2. 【請求項２】 少なくとも所定の補データレートで前記
    補信号を前記チャネルに送出することができるようにア
    ンダーフロー状態が頻繁に発生するように前記知覚的歪
    みを定めたことを特徴とする請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記符号化ステップは、 符号化信号に対する所望の歪みレベルを示す知覚的歪み
    尺度を、前記バッファの充満度の関数として生成するス
    テップを有することを特徴とする請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 符号化信号に対する所望の歪みレベルを
    示す知覚的歪み尺度を生成し、当該歪みレベルを達成す
    るように入力ビデオ信号を符号化して、可変ビットレー
    トの符号化信号を生成するステップと、 前記符号化信号をバッファに入力するステップと、 前記バッファから前記符号化信号を読み出し、所定のビ
    デオ出力レートで伝送チャネルに送出するステップと、 前記バッファがアンダーフロー状態にあるとき、補信号
    を前記チャネルに送出するステップとからなるビデオ信
    号送信方法において、 前記知覚的歪み尺度は、前記バッファの充満度の関数と
    して選択され、前記補データが前記チャネルへ所定の平
    均ビットレートで入力されるように定められた下限値を
    有することを特徴とするビデオ信号送信方法。
  5. 【請求項５】 前記下限値は、それより低い歪みレベル
    が人間の目には識別されないような、前記ビデオ信号の
    歪みレベルの関数であることを特徴とする請求項４の方
    法。
  6. 【請求項６】 前記下限値を、ほぼ人間の目に識別され
    ない歪みレベルに設定したことを特徴とする請求項４の
    方法。
  7. 【請求項７】 可変レートの主信号に補信号を組み込む
    信号送信方法において、 特定の量子化レベルで主信号を符号化して主符号化信号
    を生成するステップと、 前記主符号化信号をバッファに入力するステップと、 前記主符号化信号を所定の出力レートで伝送チャネルに
    送信するステップと、 前記バッファがアンダーフロー状態になるように量子化
    レベルを設定する量子化レベル設定ステップと、 前記アンダーフロー状態のときに、可変補データストリ
    ームを前記伝送チャネルに送信するステップとからなる
    ことを特徴とする信号送信方法。
  8. 【請求項８】 前記量子化レベル設定ステップは、 バッファの充満度に対応して知覚的歪み尺度を設定する
    ステップと、 主信号の歪みレベルを測定するステップと、 知覚的歪み尺度を下げることにより、歪みレベルの下限
    値を設定して、バッファをアンダーフロー状態にする下
    限値設定ステップとからなることを特徴とする請求項７
    の方法。
  9. 【請求項９】 前記下限値設定ステップは、知覚的歪み
    尺度を調整することにより、バッファがより頻繁に空に
    なり、バッファのアンダーフロー状態がより頻繁に発生
    し、補信号がより頻繁に送信されるようにすることを特
    徴とする請求項８の方法。
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