JPH09512417A - 伝送チャネルを介して複数のビデオプログラムを同時に送信するシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 予め設定されたビットレートを有する伝送チャネルを介してビデオプログラムを同時に送信するシステムは、直列の復号化アッセンブリ及び符号化アッセンブリを具える。復号化アッセンブリを、前記プログラムに対応する符号化入力信号を復号化するために並列に設けたｎ個の並列復号化手段で構成し、符号化アッセンブリを、前記復号化手段の各々に直列なｎ個の符号化手段で構成し、符号化手段の各々は、可変ステップサイズを有する量子化器と、可変長エンコーダとを具える。このシステムは、各出力ビットレートに依存して前記符号化手段のステップサイズを制御する手段を具え、その制御手段を設けて、複数の符号化入力信号の結合計算量に対する各復号化手段の符号化信号に関連した計算量の値に応じて復号化手段の出力ビットレートを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 伝送チャネルを介して複数のビデオプログラムを同時に送信するシステム 本発明は、予め設定された全ビットレートを有する伝送チャネルを介して複数 のビデオプログラムを同時に伝送するシステムであって、このシステムは、 （ａ）前記プログラムに対応するｎ個の符号化入力信号を復号化するために並 列に設けた同数の復号化手段で構成するとともに各々が直列のデマルチプレクサ 処理回路及びデコーダを具える復号化アッセンブリと、前記復号化手段に直列の 同数の符号化手段で構成するとともに各々が直列の可制御ステップサイズの量子 化器及び可変長エンコーダを具える復号化アッセンブリとを有する直列の復号化 アッセンブリ及び符号化アッセンブリと、 （ｂ）前記復号化手段の出力ビットストリームを出力チャネルビットストリー ムに結合する手段と、 （ｃ）前記符号化手段の各出力ビットレートに依存して複数の前記符号化手段 の各ステップサイズを制御する制御手段とを具えるビデオプログラム伝送システ ムに関するものである。 テレビ番組はしばしば、相違するソースからのビデオ材料の組合せによって構 成され、特に、これらテレビ番組が符号化デジタル形態で利用される場合が生じ ることがある。デジタル信号の各々に対応するビットストリームが単に切り替え られた場合、バッファ状態が一定であることを保証されない。さらに、相違する プログラムが組み合わされると、ビットレートがプログラムごとに非常に相違す るおそれがある。実際には、このような状況によりビットレートピークが生じ、 その結果、符号化テレビジョン信号の画質はしばしば変動し、複雑な画像シーン に対して画質が非常に劣化する。 米国特許出願明細書第5115309 号は、予め設定されたビットレートを有する伝 送チャネル内に複数のデジタルビデオデータを同時に送信するシステムを記載し ている。実際には、このシステムは、複数の並列エンコーダと、これらエンコー ダの出力ビットレートに依存して各エンコーダで行われる量子化ステップのステ ップサイズを符号化ステップ前に制御する回路と、前記エンコーダの出力ビット ストリームを単一ビットストリームに結合する装置とを具える。しかしながら、 伝送すべきビデオデータがデジタルプログラムの形態において非常に相違する出 力ビットレートで利用され、かつ、最終画質を損なうことなく結合ステップが結 果的により困難になる場合、このようなシステムは、このような状況で実現でき る任意の実用技術の解決を示さない。 本発明の目的は、結合すべきプログラムのビットレートと画像シーンの計算量 との間がどれだけ相違しても高画質を達成する、伝送チャネルを介して複数のビ デオプログラムを同時に伝送するシステムを提案することである。 このために、本発明によるシステムは、前記制御手段を設けて、複数の符号化 入力信号の結合計算量に対する各復号化手段の前記符号化入力信号に関連した計 算量の値に依存して前記復号化手段の出力ビットレートを制御するようにしたこ とを特徴とするものである。 本発明は、向上した計算量推定を含む適切で正確なビットレート制御を有する トランスコーダを実現できる場合、プログラムの入力ビットレートが非常に相違 するにもかかわらず、ビットレートピークを回避できるとともに、出力ビットレ ートの和を一定に保持することができるという認識に基づくものである。 第１の好適な形態において、MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画 像を、フレーム間符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした ビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは 、対応するビデオプログラムの複素数に依存して各ビットレート目標値を前記制 御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、ビ ットストリーム及び前記入力ビットストリームで利用できる量子化パラメータを 収集するとともに前記複素数を決定する演算手段と、これら複素数を加算する和 装置と、各計算量をこれらの和で除算する除算器と、前記演算手段の三つのタイ プの画像の各々に対して演算したチャネルビットレートを獲得した比に乗算する 乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段 に送信された目標値としたことを特徴とする。 第２の好適な形態において、MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画 像を、フレーム間符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした 請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログ ラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの計算量に依存して各ビットレ ート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、 この調整回路は、前記マルチプレクサ解除処理化及び前記復号化装置の出力部で 利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複素 数を決定する演算手段と、これら複素数を加算する和装置と、各計算量をこれら の和で除算する除算器と、前記演算手段の三つのタイプの画像の各々に対して演 算したチャネルビットレートを獲得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算 器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値とした ことを特徴とする。 本発明のこれら形態を、後に説明する実施の形態を参照して詳細に説明する。 図面中、 図１は、本発明による複数のビデオプログラムを伝送するシステムの実施の形 態を示し、 図２，３及び４は、このような伝送システムの結合ビットレート調整回路の他 の例を示す。 図１に図示したシステムは、一つのチャネルを横切って二つのデジタルプログ ラムを伝送できるように意図したものであるが、本発明の範囲を逸脱することな く同様に複数のこのようなプログラムを伝送すべきであることを理解する必要が ある。 図示したシステムは、符号化信号Ｐ₁及びＰ₂の形態のデジタルプログラムが供 給される二つのトランスコーディング装置を具える。各トランスコーディング装 置は、直列の復号化装置（１１，６１）及び符号化装置（１２，６２）を具える 。前記復号化装置１１及び６１は、復号化副アッセンブリを構成し、前記符号化 装置１２及び６２は符号化副アッセンブリを構成する。各復号化装置（１１及び ６１）は、直列のデマルチプレクサ処理回路（１３，６３）及びデコーダ（１４ ，６４）を具える。デマルチプレクサ処理回路１３及び６３は、ビットストリー ムBS₁及びBS₂を発生させる。デコーダ１４及び６４を従来のものとし、これ らデコーダは、例えば、直列の可変長デコーダ、逆量子化回路及び動作補償段（ 図示せず）を具える。各符号化装置（１２及び６２）は、例えば、周波数変換器 （１５，２０）と、可変ステップサイズを有する量子化器（１６，２１）と、可 変長エンコーダ（１７，２２）と、出力バッファ（１８，２３）と、ビットレー ト制御回路（１９，２４）とを具える。ビットレート制御回路１９及び２４はそ れ自体既知あり、これらについてこれ以上説明しない。 トランスコーディング装置（１１〜１２）及び（６１〜６２）の二つの出力ビ ットストリームをマルチプレクサ３で結合して、チャネルビットレートＴを有す る一つのチャネルビットストリームにし、これを伝送チャネル４に供給する。こ のビットレートＴは、画像に対する、各符号化装置の目標値Ｔ₁及びＴ₂の和（す なわち各符号化装置１２又は６２に対して画像ごとに供給されるビットの平均値 ）に相当する。 これらトランスコーディング装置（１１〜１２）及び（６１〜６２）に対して 、元のデジタルプログラムのビットレートピークを抑制すなわち最小にするため に、結合ビットレート適合回路５を関連させる。この適合回路５は、各符号化装 置１２又は６２の復号化入力信号に対して計算量の値（第１符号化装置１２に対 するＸ₁及び第２符号化装置６２に対するＸ₂）を決定し、その値は、通常、画像 に対して用いられるビット数とそれ全体に亘る平均ステップサイズとの積に等し く、各プログラムの現在の画像シーンの計算量を表す。この計算量の値は、（単 一伝送チャネル内のＮデジタルプログラムの伝送を考慮した並列なＮ個のトラン スコーディング装置を具えるシステムに対するＮ個のトランスコーディング装置 の各々の）各トランスコーディング装置の目標値を修正する。 調整回路５のあり得る実施の形態において、複素値Ｘ₁及びＸ₂を、予備分析回 路５１及び５２で、供給された各テレビジョン信号に予備分析を課すことによっ て獲得する必要がある。この場合、このような予備分析回路は、例えば、直列の 画像変換器と、固定されたステップサイズを有する量子化器と、可変長変換器と 、各画像に対して獲得したビット数を計数するカウンタ（図示せず）とを具える 。このようにした獲得した二つの複素値Ｘ₁及びＸ₂を、和装置５３を用いて加算 する。次いで、各トランスコーディング装置に対する相対的な計算量を、除 算器５４及び５５で決定し、これら除算器は、Ｘ₁／（Ｘ₁＋Ｘ₂）及びＸ₂／（Ｘ₁ ＋Ｘ₂）をそれぞれ算出する。最後に、目標値Ｔ₁及びＴ₂（システムがＮ個のト ランスコーディング装置を含む場合にはＴ₁〜Ｔ_N）を、（ビット／画像で表され た）利用しうるチャネルビットレートＴに前記相対的な計算量を乗算することに より乗算器５６及び５７によって算出し、これを制御回路１９及び２４に供給す る。この際、目標値は、 Ｔ₁＝Ｘ₁Ｔ／（Ｘ₁＋Ｘ₂）及びＴ₂＝Ｘ₂Ｔ／（Ｘ₁＋Ｘ₂） （１） となる。 Ｎ個のデジタルプログラムがある場合、（ｎ番目のトランスコーディング装置 の）ｎ番目の符号化装置に供給される目標値Ｔ_n（ｎ＝１．．．Ｎ）は、 となる。 したがって送信システムは、一時的に非常に高い又は非常に低いビットレート のプログラムの補償することができ、かつ、現在の計算量に比例するとともに利 用できるチャネルビットレートに応じてこれらプログラムの各々にビットレート を割り当てることができる。この際、全ての信号に対してほぼ等しい画質が得ら れる。明らかに、プログラムに個別の画質を割り当てることができる。これを、 例えば、相対的な計算量を、 α₁Ｘ₁／（α₁Ｘ₁＋α₂Ｘ₂） 及び α₂Ｘ₂／（α₁Ｘ₁＋α₂Ｘ₂） （３） のようにして修正することにより、予め設定された方法で信号の相対的な計算量 に影響を及ぼすことによって達成する。ここで、α₁及びα₂を定数とする。 図２は、２５を付した結合ビットレート調整回路の他の例を示す。（さらに図 示しない）符号化装置及び復号化装置を、例えばMPEGデコーダ及びエンコーダと 仮定する。映像及び関連の音声信号の多重化及び圧縮表示に対する国際規格機構 のMoving Picture Expert Group によって提案されたMPEG規格は、多数の文書、 例えば1995年2 月にfrench review "Electronique International Hebdo"のNo.1 67,pp.20〜21に記載されたような論文"La norme MPEG est prete pour la diffu sion TV....et TVHD" で説明されている。既知のように、この規格によるデジタ ル信号は、画像の群(GOP) の形態で伝送され、各GOP は、フレーム間符号化画像 すなわちＩ画像と、複数の予測符号化画像すなわちＰ画像と、複数の双方向予測 符号化画像すなわちＢ画像とを具える。この場合、調整回路２５は、以下のもの を具える。 （Ａ）エンコーダの各入力信号の計算量Ｘ₁及びＸ₂（Ｎ個のデジタルプログラ ムが存在する場合には計算量Ｘ₁〜Ｘ_N）を算出する算出手段５８及び５９。図１ に図示した予備分析回路５１及び５２の代案として、計算量を、以前の画像の符 号化に費やすビット数Ｓと、この画像を量子化する平均ステップサイズを表す量 子化パラメータＱとを参照して決定する（Ｓ及びＱの積は、前記入力信号の計算 量を表す目安となる。）。両値（Ｓ₁，Ｑ₁）及び（Ｓ₂，Ｑ₂）を、各エンコーダ のビットレート制御回路１９及び２４によって調整回路２５に供給する。画像（ Ｉ，Ｐ及びＢ）の各タイプに対するこの積を個別に決定することにより、三つの 計算量の値Ｘ_I，Ｘ_p及びＸ_Bを、各トランスコーディング装置に対して獲得する （二つのトランスコーディング装置のみを考慮する場合にはｎ＝１，２とし、Ｎ 個のトランスコーディング装置を考慮する場合にはｎ＝１〜Ｎとする。）。 Ｘ_In：Ｓ_In×Ｑ_In, Ｘ_Pn＝Ｓ_Pn×Ｑ_Pn, Ｘ_Bn＝Ｓ_Bn×Ｑ_Bn （４） 他の式も可能である。例えば、 X(D) = S(D)ｘQ(D)^α(α〉1) 又は、 X(D)=S(D)×e^Q(D) （５） のような計算量の値に影響を及ぼす量子化値の影響を強調することができる。こ こで、指標Ｄを画像（Ｉ，Ｐ，Ｂ）のタイプとする。 （Ｂ）式 に従う各入力信号の相対的な計算量の値を画像の各タイプに対して決定する和装 置５３及び除算器５４，５５。 （Ｃ）結合信号の次の像に対する全ビット数Ｔを画像の各タイプに対して算出 する算出装置５０。例えば、以下の算出 を行うことができる。ここで、ｎ_p及びｎ_BはGOP で符号化されたＰ及びＢ画像の 数を表し、Ｋ_p及びＫ_Bを、特定のシステム定数とする。 式（７）において、Ｘ_I，Ｘ_P及びＸ_Bは、プログラムに対応する信号の結合計 算量を表す（この場合、各プログラムに対応する画像は、結合してスーパーピク チャを形成すると考えられる。）。この結合計算量の値を、 によって、又は、 によって構成することができる。 このために、算出手段５０は、各エンコーダからそれの費やしたビット数（Ｓ₁ ，Ｓ₂）及び平均ステップサイズ（Ｑ₁，Ｑ₂）を受信する。前記式（７）におい て、Ｒを、結合GOP 又はスーパーGOD に割り当てた残りのビット数とする（そ の初期値を、利用しうるビット／スーパGOP の数とする。） （Ｄ）対応するプログラムの画像の相対的な計算量に比例して二つのエンコー ダ（Ｎ個のトランスコーディング装置を考慮する場合にはＮ個のエンコーダ）の 間でスーパーピクチャに対して目標値Ｔを分配する乗算器５６及び５７。式（９ ）において、これを によって表す。 このように説明した方法において、符号化装置１２のビットレート制御回路１ ９は、画像（Ｉ，Ｐ又はＢ）の各タイプに対して目標値Ｔ_I1，Ｔ_P1及びＴ_B1を受 信し、この目標に適合しようとを試みる。対応する方法で、符号化装置６２のビ ットレート制御装置２４は、目標値Ｔ_I2，Ｔ_P2及びＴ_B2を受信し、この目標に適 合することを試みる。したがって、各エンコーダに対して、供給された目標値は 、他方に対して（二つより多くのプログラムを考慮する場合には他のＮ−１個の もの）に対して一つのプログラムの画像の相対的な計算量に依存するようになる 。 図３は、図２に図示した回路２５の代わりに使用する調整回路の他の例を示す （同一の参照番号は同一機能を表す。）。３５を付した調整回路は、図２に図示 した回路と異なり、図２の算出手段５０は、全チャネルビットレートを一つのプ ログラムに対して利用できるかのように次の画像に対するビット数を各プログラ ムに対して算出する二つの同一の算出装置５０１及び５０２に分割する。上記式 （７）を算出に適用し、ここでＸ_I，Ｘ_P及びＸ_Bは、対応する信号の（結合計算 量の代わりの）計算量の値を表す。図３において、このように算出したビット数 に、Ｔ’₁，Ｔ’₂を付す。（乗算器５６及び５７で）対応する信号の相対的な計 算量を乗算するのはこの数である。相対的な計算量を、図２と同様に（和装置５ ３、除算器５４及び５５で）獲得する。 調整回路の他の例は、例えば図２又は３に図示した回路の代わりに使用する調 整回路を示す図４に図示したように可能である。各符号化装置１２又は６２は、 符号化すべき現在の画像の各細分に何ビット要求されるかを予測する予備分析を 用いた。トランスコーディング装置は、これらトランスコーディング装置の復号 化装置に送信された符号化信号を既に受信しているので、図２の算出手段（５８ ，５９）又は図３の算出手段（５０１，５０２）を、算出手段４８及び４９を修 正することにより図４の調整回路４５に変えることができ、その入力を、ビット ストリーム及び量子化パラメータを収集するために、例えば入力符号化信号が獲 得される以前のエンコーダの出力バッファ（図示せず）で利用できるＳ及びＱの 値を読み出すことにより、これら符号化信号を受信するよう接続する。その後、 演算手段４８及び４９は、これら値Ｓ₁，Ｑ₁，Ｓ₂，Ｑ₂を用いて、調整回路２５ 又は３５を参照して以前に示したＸ₁及びＸ₂、又は、Ｔ’₁及びＴ’₂を発生させ る。 調整回路の他の変形例も可能である。MPEGに適合したトランスコーディング装 置は、計数ビットストリーム（及びここでは用いられない他の信号）を発生させ るデマルチプレクサ処理回路と、前記ビットストリームに含まれる量子化パラメ ータを用いる復号化装置とを直列に具える復号化副アッセンブリを含むので、こ の場合、図４の算出手段４８及び４９の入力部を、ビットストリーム及び量子化 パラメータを収集するために前記デマルチプレクサ処理回路及び前記復号化装置 の適切な出力部に接続する。その後、演算手段４８及び４９は、Ｓ₁，Ｑ₁，Ｓ₂ ，Ｑ₂を算出し、以前に示したＸ₁及びＸ₂、又は、Ｔ’₁及びＴ’₂を発生させる 。 これら変形例を用いると、必要なデータがトランスコーディング装置の入力部 すなわち復号化部で既に利用できるので、以前の予備分析はもはや必要とされな い。同一参照番号は同一機能を表すので、図４において、算出手段４８及び４９ 以外の回路は、図２の例と同一の符号を有する。 したがって、現在の画像の計算量のより正確な推定を得ることができる。シス テムの入来画像が復号化されるので、これら画像の各々（例えば各画像ｉ）は、 この画像を圧縮するのに用いられる平均ステップサイズＱ_i及びビット数Ｓ_iを獲 得し、その後、 Ｘ_i＝Ｑ_iＳ_i （１０） で規定したような画像ｉの計算量を算出することができる。システムの入力部で 利用できる進んだ情報を用いることにより現在の画像に対して算出したこの数は 、システムそれ自体で推定されるために必要でない。 本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱する ことなく変更又は改善を導き出すことができる。例えば、本発明を有線電子モジ ュールを用いて実現することもでき、また、前記実施の形態の一部又は全部の機 能に相当する一連の命令の実行を満足するマイクロプロセッサを含む実現形態の 下で実現することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．予め設定された全ビットレートを有する伝送チャネルを介して複数のビデオ プログラムを同時に伝送するシステムであって、このシステムは、 （ａ）前記プログラムに対応するｎ個の符号化入力信号を復号化するために 並列に設けた同数の復号化手段で構成するとともに各々が直列のデマルチプレク サ処理回路及びデコーダを具える復号化アッセンブリと、前記復号化手段に直列 の同数の符号化手段で構成するとともに各々が直列の可制御ステップサイズの量 子化器及び可変長エンコーダを具える復号化アッセンブリとを有する直列の復号 化アッセンブリ及び符号化アッセンブリと、 （ｂ）前記復号化手段の出力ビットストリームを出力チャネルビットストリ ームに結合する手段と、 （ｃ）前記符号化手段の各出力ビットレートに依存して複数の前記符号化手 段の各ステップサイズを制御する制御手段とを具えるビデオプログラム伝送シス テムにおいて、 前記制御手段を設けて、複数の符号化入力信号の結合計算量に対する各復号 化手段の前記符号化入力信号に関連した計算量の値に依存して前記復号化手段の 出力ビットレートを制御するようにしたことを特徴とするビデオプログラム伝送 システム。 ２．MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム間符号化画 像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオ プログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応 するビデオプログラムの計算量に依存して各ビットレート目標値を前記制御手段 の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、ビットス トリーム及び前記入力ビットストリームで利用できる量子化パラメータを収集す るとともに前記計算量を決定する算出手段と、これら計算量を加算する和装置と 、各計算量をこれらの和で除算する除算器と、前記算出手段の三つのタイプの画 像の各々に対して算出したチャネルビットレートを、獲得した比に乗算する乗算 器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々 の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とするビデオプログラム伝 送システム。 ３．MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム間符号化画 像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオ プログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応 するビデオプログラムの計算量に依存して各ビットレート目標値を前記制御手段 の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記デマ ルチプレクサ処理回路及び前記復号化装置の出力部で利用できるビットストリー ム及び量子化パラメータを収集するとともに前記計算量を決定する算出手段と、 これら産出量を加算する和装置と、各計算量をこれらの和で除算する除算器と、 前記演算手段の三つのタイプの画像の各々に対して演算したチャネルビットレー トを、獲得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号 化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とするビデオ プログラム伝送システム。