DE19643915A1 - Verfahren und Schaltung zur Bestimmung eines Quantisierintervalls in einem Bildkodierer - Google Patents
Verfahren und Schaltung zur Bestimmung eines Quantisierintervalls in einem BildkodiererInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildkodie
rer, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Schaltung
zur Bestimmung von Quantisierintervallen, wobei die Eigen
schaften des visuellen menschlichen Sinns voll berücksichtigt
werden.
Ein digitales Videosignal, das viel Information enthält, soll
für eine Übertragung auf einer Übertragungsleitung mit be
grenzter Kapazität kodiert werden. Als wirksame Kodierverfah
ren für das Minimieren einer Verschlechterung der Bildquali
tät und der Information, gibt es Transformationskodiertechni
ken, wie die differentielle Pulskodemodulation (DPCM) für das
Erzielen eines Differenzbildes, unter Verwendung einer Bewe
gungsschätzung und einer Bewegungskompensation eines Video
signals, und die diskrete Cosinustransformation (DCT). Solche
Techniken richten sich auf die Minimierung der Redundanz in
Videosignalen, das Komprimieren von Information durch Quanti
sieren. Somit ist es sehr wichtig, wie man ein Videosignal
quantisiert, um die Verschlechterung der Qualität eines wie
dergewonnen Bildes zu minimieren, und die Informationskom
pression zu maximieren.
Bei der Minimierung der Qualitätsverschlechterung eines wie
dergewonnen Bildes und der Maximierung der Informationskom
pression gibt es zwei Erfordernisse.
- (1) Die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes soll ten bei der Bestimmung der Quantisierintervalle berücksich tigt werden. Das heißt, eine Information eines Videosignals, auf die ein menschliches Auge nicht empfindlich anspricht, wird mit einem großen Quantisierinterval quantisiert und in starkem Maße komprimiert, während Information eines Video signals, auf die das menschliche Auge empfindlich reagiert, in einem kleinen Quantisierintervall quantisiert wird und nur wenig komprimiert wird.
- (2) Ein Quantisierintervall sollte so bestimmt werden, daß die Zahl der Bits, die sich aus der Kodierung ergibt, kompa tibel ist mit einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit.
Bei einem konventionellen Bildkodierverfahren, wird ein Rah
men im allgemeinen in 16×16 Makroblöcke unterteilt und es
wird ein Quantisierintervall für jeden Block bestimmt. Im
allgemeinen werden Pufferanforderungen für eine vorgegebene
Übertragungsgeschwindigkeit berechnet, um das Quantisierin
tervall zu bestimmen. Es wird ein Referenzquantisierintervall
erhalten im Verhältnis zu den berechneten Pufferanforderun
gen, und ein schließliches Quantisierintervall wird bestimmt
durch Einstellen des Referenzquantisierintervalls, unter Ver
wendung des Verteilungswertes eines Videosignals innerhalb
des Makroblocks. Die Eigenschaften des visuellen menschlichen
Sinns werden jedoch beim Stand der Technik nicht genügend
widergespiegelt und die Zahl, der sich aus dem Kodieren er
gebenden Bits ist nicht kompatibel mit der Übertragungsge
schwindigkeit.
Um das obige Problem zu überwinden, besteht eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Bestimmung
eines Quantisierintervalls für das volle Widerspiegeln der
Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes für die Ver
wendung in einem Bildkodierer bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegende Erfindung besteht darin,
eine Schaltung anzugeben, die geeignet ist für das obige Be
stimmungsverfahren für eine Quantisierintervall.
Um obige Aufgaben zu lösen, ist ein Verfahren zur Bestimmung
eines Quantisierintervalls angegeben, das folgende Schritte
umfaßt: (a) Klassifizierung eines Videosignals auf der Basis
der Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinnes; (b) Be
stimmung eines Referenzquantisierintervalls, das für jede
Klasse geeignet ist, die in Schritt (a) klassifiziert wurde;
(c) Vorhersage der Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn
jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquantifi
zierintervall quantifiziert wird; (d) Einstellen des Referen
zquantifizierintervalls unter Verwendung der vorhergesagten
Zahl der erzeugten Bits; (e) adaptives Zuweisen eines Ziel
bits, unter Berücksichtigung der Verteilung des Videosignals,
um ein Quantifizierintervall zu bestimmen, daß für eine vor
gegebene Übertragungsgeschwindigkeit geeignet ist; und (f)
Bestimmen eines endgültigen Quantisierintervalls aus dem ein
gestellten Referenzquantifizierintervall, einer Pufferanfor
derung und dem Zielbit.
Um eine andere Aufgabe zu lösen, ist eine Bestimmungsschal
tung für ein Quantifizierintervall angegeben, die folgendes
umfaßt: einen Teil zur Berechnung einer Quantifiziermatrix,
um ein Quantifizierintervall durch die Eigenschaften des vi
suellen menschlichen Sinns in diskreten Cosinustransformati
ons Blöcken (DCT) der Größe 8×8, gemäß der Position eines DCT
Koeffizienten zu erhalten; ein Klassifizierteil zur Klassifi
zierung eines Makroblocks gemäß den Eigenschaften des visuel
len menschlichen Sinns eines Videosignals im Makroblock; ein
Referenzquantifizierintervallspeicherungsteil zur Speicherung
eines Referenzquantifizierintervalls, das für die Eigenschaf
ten des menschlichen visuellen Sinns jedes Makroblocks, der
im Makroblockklassifizierungsteil klassifiziert wurde, geeig
net ist; einen Blockklassifizierungsteil zur Klassifizierung
eines Blocks durch einen Verteilungswert eines Videosignals
im Block; ein Bittabellenspeicherteil zur Speicherung der
Zahl der Bits, die erzeugt wird, wenn Blöcke jeder Block
klasse, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden,
durch unterschiedliche Quantisierintervalle quantifiziert
werden; einen Histogrammberechnungsteil zur Berechnung der
Frequenz der Blöcke, die in einem Rahmen erzeugt werden, für
jede Kombination der Makroblockklassen, die im Makroblock
klassifizierteil klassifiziert wurden, und der Blockklassen,
die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden; einen Rah
menbiterzeugungsvorhersageteil für das Vorhersagen der Zahl
der Rahmenbits, die unter Verwendung eines Histogramms, das
im Histogrammberechnungsteil berechnet wurde erzeugt werden,
wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquanti
fizierintervall quantifiziert wird; einen Referenzquantifi
zierintervalleinstellteil für das Einstellen eines Referenz
quantifizierintervalls, das im Referenzqantifizierintervall
speicherteil gespeichert wurde durch Verwendung der Anzahl
der Rahmenbits, die im Rahmenbiterzeugungsvorhersageteil vor
hergesagt wurden; einen Zielbitzuweisungsteil für die Zuwei
sung eines Zielbits, unter Berücksichtigung eines Fehlers
zwischen einem Rahmenzielbit, das mit einer Übertragungsge
schwindigkeit kompatibel ist und der vorhergesagten Zahl der
erzeugten Rahmenbits für jede Kombination der Makroblockklas
sen und der Blockklassen; und einen Bitratesteuerteil für das
Bestimmen eines endgültigen Quantifizierintervalls aus dem
eingestellten Referenzquantifizierintervall und einer Puffer
anforderung, die aus der Zahl der Bits berechnet wird, die
bei der Kodierung eines vorhergehenden Makroblocks erzeugt
werden.
Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden deutlicher durch eine detaillierte Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beglei
tenden Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines allgemeinen Bildkodierers,
auf den eine Quantifizierintervallbestimmungsschaltung der
vorliegenden Erfindung angewandt wird; und
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Quantifizierintervallbestim
mungsschaltung der vorliegenden Erfindung in einem Bildkodie
rer.
Fig. 1 zeigt einen Kodierer für bewegte Bilder nach interna
tionalem Standard, das heißt, einen MPEG2-Kodierer, als all
gemeinen Bildkodierer, auf den eine Quantifizierintervallbe
stimmungsschaltung der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
Der Bildkodierer der Fig. 1 umfaßt einen ersten Feld/Rahmen-
Speicher 1, einen Subtrahierer 2, einen Modusbestimmer 3, ei
nen diskreten Cosinustransformierer (DCT) 4, einen Quantifi
zierer (Q) 5, einen inversen Quantifizierer (Q-1) 6, einen
inversen DCT (DCT-1) 7, einen Addierer 8, einen zweiten
Feld/Rahmen-Speicher 9, einen ersten Bewegungsschätzer 10,
einen zweiten Bewegungsschätzer 11, einen adaptiven Vorhersa
ger 12, einen Kodierer/Multiplexer variabler Länge (VCL/MUX)
13, einen Puffer 14 und einen Quantifizierintervallbestimmer
15.
Fig. 2 zeigt den Quantifizierintervallbestimmer 15.
Die Quantifizierintervallbestimmungsschaltung der Fig. 2 hat
einen Quantifiziermatrixberechner 20, einen Makroblockklassi
fizierer 21, einen Referenzquantifizierintervallspeicher 22,
einen Blockklassifizierer 23, einen Bittabellenspeicher 24,
einen Histogrammberechner 25, einen Rahmenbiterzeugungsvor
hersager 26, einen Referenzquantifizierintervalleinsteller
27, einen Zielbitzuweiser 28 und eine Bitratensteuerung 29.
Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug
auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
In Fig. 1 empfängt der Feld/Rahmen-Speicher 1 ein Quellvideo
signal, in welchem Rahmen durch eine Farbkoordinatentransfor
mation, ein Unterabtasten und eine Blockteilung neu angeord
net werden, und speichert das Videosignal durch Feldeinheiten
im Falle einer Zwischenrahmenkodierung oder in Rahmeneinhei
ten im Fall einer Inrahmenkodierung.
Der Subrahierer 2 subtrahiert ein vorher bewegungskompensier
tes Videoausgangssignal vom adaptiven Vorhersager 12 vom ak
tuellen Videosignal der Feldeinheiten oder Rahmeneinheiten,
die vom ersten Feld/Rahmen-Speicher 1 ausgegeben werden, und
erzeugt ein Differenzvideosignal.
Der Modusbestimmer 3 bestimmt einen DCT-Modus und der DCT 4
führt eine DCT-Operation auf dem Differenzvideosignal durch,
das vom Subtrahierer 2 im entsprechenden Modus ausgegeben
wurde, und gibt einen Transformationskoeffizient des Diffe
renzvideosignals aus.
Der Quantifizierer 5 quantifiziert den Transformationskoeffi
zient des Differenzvideosignals, das vom DCT 4 ausgegeben
wird, mit einem Quantifizierintervall, das im Quantifizierin
tervallbestimmer 15 bestimmt wird.
Der inverse Quantifizierer 6 stellt das quantifizierte Sig
nal, das vom Quantifizierer 5 ausgegeben wird, auf sein Vor
quantifiziersignal wieder her.
Der inverse DCT 7 stellt das invers quantifizierte Signal,
das vom inversen Quantifizierer 6 ausgegeben wird, auf sein
Vor-DCT-Signal wieder her.
Der Addierer 8 addiert das wiederhergestellte Videosignal,
das vom inversen DCT 7 ausgegeben wird zu einem bewegungskom
pensierten Videosignal, das vom adaptiven Vorhersager 12 aus
gegeben wird. Der zweite Feld/Rahmen-Speicher 9 speichert das
wiederhergestellte Videosignal, das vom Addierer 8 ausgegeben
wird in Feldeinheiten oder Rahmeneinheiten gemäß einem Ko
diermodus.
Die ersten und zweiten Bewegungsschätzer 10 und 11 erzeugen
einen Bewegungsvektor für das Herstellen eines aktuellen Bil
des, das sich auf ein vorhergehendes Bild bezieht, das aus
dem ersten Feld/Rahmen-Speicher 1 ausgegeben wird. Um Bewe
gungsvektoren zu konstruieren, wird in den meisten Kodierern
ein vorbestimmter Bereich vollständig durch feste Blockein
heiten durchsucht, unter Verwendung eines minimalen absoluten
Fehlers (MAE) als Referenz. Der Bewegungsvektor, der im zwei
ten Bewegungsschätzer 11 erzeugt wird, wird an den adaptiven
Vorhersager 12 und den VCL/MUX 13 ausgegeben.
Der adaptive Vorhersager 12 kompensiert eine Bewegungsposi
tion des vorherigen Bildes, das im zweiten Feld/Rahmen-Spei
cher 9 gespeichert ist, durch den Bewegungsvektor und die Mo
dusdaten, die vom zweiten Bewegungsschätzer 11 ausgegeben
werden, und gibt die bewegungskompensierten Daten an den Sub
trahierer 2 und den Addierer 8 aus.
Der VCL/MUX 13 kodiert das Signal mit variabler Länge, das im
Quantifizierer 5 quantifiziert wurde und multiplext das Sig
nal, das vom Kodierer variabler Länge ausgegeben wird und den
Bewegungsvektor, der vom zweiten Bewegungsschätzer 12 ausge
geben wird.
Der Puffer 14 speichert temporär die Daten, die vom VCL/MUX
13 ausgegeben werden, da die Länge der Daten variiert, und
überträgt die gespeicherten Daten zu einem Empfangsanschluß
mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit.
Der Quantifizierintervallbestimmer 15 bestimmt ein Quantifi
zierintervall gemäß der Anforderung an den Puffer 14. Das
heißt, wenn eine große Anforderung an den Puffer 14 besteht,
wird der Umfang der Daten, die vom Quantifizierer 5 ausgege
ben werden, reduziert, indem das Quantifizierintervall ver
größert wird, wogegen bei kleinen Pufferanforderungen der Um
fang der Daten, die vom Quantifizierer 5 ausgegeben werden,
erhöht wird, durch eine Verminderung des Quantifizierinter
valls. Der Quantifizierintervallbestimmer 15 wird detailliert
unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
In Fig. 2 erhält der Quantifiziermatrixberechner 20 eine
Quantifiziermatrix durch Verwendung kontrastmarkierender Ef
fekte, abhängig von der mittleren Luminanz und den Positio
nen der DCT-Koeffizienten, die bestimmt werden, wenn ein 8×8
Blockvideosignal DCT-bearbeitet wird. Die Quantifiziermatrix
wird erstellt, um eine Quantifizierung durchzuführen, die ge
eignet ist für die optischen Kennzeichen durch Variierung der
Quantifizierintervalle gemäß den 8×8 Blöcken und deren DCT-
Koeffizientenpositionen. Es gibt vier Arten von Quantifizier
matrizen gemäß der Luminanz/Chrominanz-Signale und der In
tra/Inter-Makroblock-Verarbeitung. Zusätzlich wird eine neue
Quantifiziermatrix berechnet und gespeichert, wenn nur eine
Variation in einem Bild auftritt, und als zusätzliche Infor
mation am Beginn eines Rahmens übertragen, was zu einer klei
nen Erhöhung bei der Zahl der erzeugten Bits führt. Diese
Quantifiziermatrix wird nach dem folgenden Verfahren gewon
nen:
- (1) Beim Bestimmen optisch kennzeichnender Kontrasteffekte, sind der Kontrast (CT), der von einem räumlich Frequenzband eines Bildblockes abhängt, die Luminanz und Helligkeitsdiffe renz in den Farbenkomponenten wie folgt definiert: CTu,v,s = H(u,v,s,l,Θ,t,d) (1)wobei u und v DCT-Referenzfrequenzen sind, s ein YUV-Farbko ordinatensystem ist, 1 die Summe einer mittleren Luminanz l eines Bildes und einer mittleren Luminanz lb eines Bildblocks ist und als cd/m² definiert ist, Θ die Gerichtetheit zwi schen DCT-Frequenzkomponenten ist, t ein wirklicher Kontrast wert eines Monitors gemäß Θ ist, und d ein Faktor ist, der die Differenz zwischen einer DCT-Referenzfrequenz und einer Frequenz anzeigt, die den maximalen Kontrasteffekt auf dem Monitor zeigt. Diese sieben Parameter werden mit den Eigen schaften des Monitors variiert.
- (2) Bei der Bestimmung optisch kennzeichnender Maskiereffek te, wenn ein DCT-Maskierer, der eine Frequenzbandkomponenten größe von 1 hat, mit Testsignalen überlappt wird, die Fre quenzbandkomponenten mit variierenden Größen haben, variieren die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns mit der Frequenzbandkomponentengröße des Maskierers mit der Frequenz bandkomponentengröße. Das beendet die Kontrastmaskierung und die Kontrastmaskierung (CM) ist gegeben durch CMu,v,s = CTu,v,s × ME(T,M,m, (T,M,Ct),Mc,W) (2)wobei ME eine Funktion ist, die die Kontrastmaskierung einer Größenkomponente M des Maskierers bezüglich einer Größenkom ponente T des Testsignals festlegt und eine Funktion m(T,M) eine Näherung der Kontrastmaskierung des Maskierers ist für die indizierte Verteilung bei Verwendung einer Funktion Ct, die den maximalen Kontrastwert von ||T-M|| angibt und ein Frequenzband, das einen Wert von 1 hat im Falle, daß M=T. Mc ist das Verhältnis der Größe von ||T-M|| zu der von CT und wird als Referenzwert für das Bestimmen der Erzeugung der Maskierung und der Kontrastmaskierung verwendet. W ist ein Faktor, der die Maskierungsdifferenz zwischen Frequenzbändern bestimmt, wenn eine Maskierung erzeugt wird, das heißt, ein Faktor der die Neigung einer Maskierungsoptikeigenschafts kurve definiert, die sich von 0 (keine Maskierung) bis zu ei nem maximalen Wert bewegt, auf den das Weber-Gesetz anwendbar ist.
- (3) Beim Bestimmen einer Quantifiziermatrix wird die optische
Eigenschaft, daß das menschliche Auge einen Quantifizierfeh
ler euv eines wiedergewonnen Bildes nicht wahrnehmen kann,
der durch folgende Gleichung definiert ist, wird eine Quanti
fiziermatrix QM definiert, unter Verwendung einer gerade
wahrnehmbaren Differenz JND der folgenden Gleichung (4):
D′uv = Round (Duv/QMuv = 0.49999)env = Duv - D′uv × QMuv (3)JNDuv = euv/CMuv (4)Im Falle, daß JND in den Gleichungen (3) und (4) gleich 1
oder weniger ist, was einen objektiven Referenzwert dar
stellt, bei dem ein menschliches Auge keinen Quantifizierfeh
ler in einem wiedergewonnen Bild erkennen kann, wird eine
Quantifiziermatrix, die einen maximalen Quantifizierfehler
erfüllt, folgendermaßen bestimmt:Max [euv] = QMuv/2
QMuv 2 CMuv (5)Der Makroblockklassifizierer 21 klassifiziert einen Makro block als einen von sechzehn Makroblockklassen m, basierend auf den optischen Eigenschaften eines Videosignals des Makro blocks. Hier wird die Makroblockklasse m gemäß den Eigen schaften des Chrominanz- und Luminanzsignals klassifiziert. Makroblöcke werden in sechzehn Klassen klassifiziert durch Kombinieren der beiden Klassifikationsergebnisse. Eine solche Chrominanz- und Luminanzsignaleigenschaftsklassifikation wird im Detail beschrieben.
Als erstes wird die Chrominanzsignaleigenschaftsklas
sifikation beschrieben.
Da ein Farbkoordinatensystem, das für MPEG verwendet wird,
kein gleichförmiger Farbraum ist und somit eine Grenze zwi
schen der Farbe eines Punktes und seiner benachbarten Farbe
nichtlinear ist, sollte bei einem Quantifizierintervall, das
durch eine konventionelle Helligkeitskomponente Y bestimmt
wird, eine Aktivität bei der Farbbetrachtung berücksichtigt
werden, um eine Farbdifferenz zwischen einem Originalbild und
einem wiedergewonnenen Bild zu vermindern. Deswegen werden
konventionelle YCbCr-Koordinaten transformiert in einen ein
heitlichen Farbraum CIE lxaxb oder CIE lxuxvx, wobei eine
Farbdifferenz zwischen dem Originalbild und dem komprimier
ten/wiedergewonnen Bild erhalten wird, und dann ein Quantifi
zierintervall ermittelt wird. Somit werden die optischen Ei
genschaften weiterhin widergespiegelt. Es ist jedoch unmög
lich, in Echtzeit das YCbCr in das CIE lxaxbx während der
MPEG-Kodierung in Termen der Komplexität zu transformieren,
und es wird viel Zeit verbraucht für eine Farbdifferenzbe
rechnung.
Somit werden bei der vorliegenden Erfindung Empfindlichkeiten
der Farben in einer Tabelle aufgelistet, unter Verwendung von
Farbdifferenzgleichungen, die die Eigenschaften des visuellen
menschlichen Sinns berücksichtigen. Mittlerweile werden die
Signale Y, Cb und Cr des YCbCr Koordinatensystems in 8×8×8
Abschnitte (Y, Cb und Cr werden jeweils geteilt) aufgeteilt,
maximale Farbdifferenzen entlang 6 Richtungen, -Y, +Y, -Cb,
+Cb, -Cr und +Cr werden berechnet mit der Mitte jedes Ab
schnittes als Basis, und dann werden die Entfernungen zu den
maximalen Farbdifferenzen gegenüber Y, Cb und Cr in der LUT
gespeichert. Somit beträgt die Größe der LUT 512 Byte, die im
Vorhinein experimentell berechnet wird, und dann in Echtzeit
verarbeitet werden kann. Da die Empfindlichkeit auf Farben
aus der erhaltenen LUT bekannt ist, können die optischen Ei
genschaften eines Farbsignals eines Makroblocks wie folgt
klassifiziert werden:
wobei LUT (Px, y) ein Farbdifferenzwert ist, der in der LUT
gespeichert ist, und die Farbklasse (Color Class) das Ergeb
nis der Farbsignalklassifikation eines Makroblocks ist.
Anschließend wird die Luminanzsignaleigenschaftsklassi
fikation beschrieben.
Um die Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns voll
wiederzuspiegeln, verwendet die vorliegende Erfindung eine
Texturmaskierungsmessung, das heißt, eine Kombination aus
räumlicher Frequenzberechnung und der Weber-Regel. Die Weber-
Regel zeigt, daß das Verhältnis der Luminanz eines Signals,
das vom menschlichen Auge gegenüber der Luminanz eines Umge
bungssignals nicht wahrgenommen werden kann, konstant ist und
durch folgende Gleichung wiedergegeben wird:
Wenn die Luminanz des Umgebungssignals in Gleichung (7) L
ist, so beträgt eine wahrnehmbare Luminanz eines Signals ΔL
oder mehr, und das menschliche Auge kann kein Signal unter
halb ΔL wahrnehmen.
Bei der Texturmaskierungsmessung, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, wird die räumliche Frequenz eines
Makroblocks wie folgt berechnet, wobei ein Schwellwert ver
wendet wird, der aus der Weber-Regel abgeleitet wurde.
Das heißt, wenn die Luminanzdifferenz der Luminanzsignale
zwischen benachbarten Bildpunkten größer als der Schwellwert
ist, kann das menschliche Auge keine Luminanzvariation eines
Luminanzsignals wahrnehmen. Somit spiegelt sich die Luminanz
variation beim Berechnen einer räumlichen Frequenz wieder.
Wenn die Luminanzdifferenz zwischen benachbarten Bildpunkten
kleiner ist als der Schwellwert, so wird die Variation bei
der Berechnung der räumlichen Frequenz nicht widergespie
gelt.
Somit werden im Fall, daß vier Chrominanzsignaleigenschafts
klassifikationsergebnisse und vier Luminanzsignaleigen
schaftsklassifikationsergebnisse vorhanden sind, insgesamt
sechzehn Makroblockklassen erzielt, und eine der sechzehn
Makroblockklassen wird ausgewählt gemäß jedem Klassifika
tionsergebnis.
Der Referenzquantifizierintervallspeicher 22 speichert ein
Referenzquantifizierintervall Qr, das geeignet ist für die
optischen Eigenschaften jeder Makroblockklasse. Das Referenz
quantifizierintervall hat einen unterschiedlichen Wert gemäß
einer Makroblockklasse und einem Makroblockverarbeitungsver
fahren eines Rahmens. Beispielsweise sollten, wenn sechzehn
Makroblockklassen und drei Makroblockverarbeitungsverfahren
der I, B und P Rahmen, wie beim MPEG vorhanden sind, 40
(=16×3) Referenzquantifizierintervalle bestimmt werden.
Vor der Beschreibung des Blockklassifizierers 23 ist es not
wendig das Quantifizierintervall einzustellen unter Berück
sichtigung einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit, da
das Referenzquantifizierintervall nur optisches Eigenschaften
eines Videosignals widerspiegelt. Zu diesem Zweck wird die
Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn das Videosignal mit
dem Referenzquantifizierintervall quantifiziert wird, vorher
gesagt werden. Somit wird der Blockklassifizierer 23 verwen
det, um die Zahl der Bits vorherzusagen, die während der
Quantifizierung eines Videosignals eines Blocks mit einem Re
ferenzquantifizierintervall erzeugt werden. Im allgemeinen
kann die Zahl der erzeugten Bits grob aus den Quantifizierin
tervallen, dem Verteilungswert eines Signals innerhalb eines
Blocks und der Beziehungen zur Bitzahl geschätzt werden. Eine
genaue Schätzung ist jedoch unmöglich durch die Nichtlineari
tät und Unregelmäßigkeiten. Somit wird die Zahl der erzeugten
Bits genau geschätzt durch Teilung des Verteilungswertes ei
nes Blocks in sechzehn Abschnitte und durch Berechnung des
Quantifizierintervalls und der Zahl der Bits jedes Ab
schnitts. Hierbei wird um den Verteilungswert des Blocks in
sechzehn Abschnitte zu teilen ein Schwellwert des Vertei
lungswertes von jedem Abschnitt benötigt. Dieser Schwellwert
wird experimentell im Voraus ermittelt. Der Blockklassifizie
rer 23 vergleicht den Verteilungswert jedes Blocks und den
Schwellwert und wählt eine der Blockklassen aus.
Der Bittabellenspeicher 24 speichert eine Bittabelle, in wel
cher die Beziehung zwischen einem Referenzquantifizierinter
vall und der Zahl der Bits für jeden Abschnitt einer Block
klasse experimentell ermittelt und aufgelistet wird. Im vor
liegenden Fall gibt es sechs zehn Makroblockklassen und sech
zehn Blockklassen und drei Rahmen von I, B und P, wobei die
Größe der Bittabelle 16×16×3 Worte beträgt.
Wenn die sechzehn Makroblockklassen (m=0-15) und die sechzehn
Blockklassen (b=0-15) da sind, gibt es insgesamt 256 Block
klassen. Der Histogrammberechner 25 berechnet eine akkumu
lierte Erzeugungsfrequenz in einem Blockrahmen für jeden
Fall, das heißt, ein Histogramm. Hierbei wird, wenn das be
rechnete Histogramm definiert ist als H(m) (b), H(1) (2), ange
zeigt wie viele Blöcke mit m=1 und B=2 in einem Rahmen er
zeugt werden. Das Histogramm eines gerade verarbeiteten Rah
mens wird vollständig berechnet nach Eingabe des aktuellen
Rahmens in den Bilddekodierer. Somit wird das Ergebnis des
Histogramms des aktuellen Rahmens für das Kodieren des näch
sten Rahmens verwendet.
Der Rahmenbiterzeugungsvorhersager 26 sagt die Gesamtzahl von
Bits vorher, die in einem Rahmen erzeugt werden, wenn jeder
Makroblock in dem Rahmen durch ein Referenzquantifizierinter
vall quantifiziert wird, das für das Klassifikationsergebnis
jedes Makroblocks geeignet ist. Hier wird die Zahl der Rah
menbits, die erzeugt werden, aus einer Bittabelle
(nachfolgend als B(m) (b) bezeichnet) und einem Histogramm be
rechnet. Wenn ein vorhergesagter Wert von erzeugten Rahmenbits
Fe ist, so kann Fe angegeben werden als
Der Referenzquantifizierintervalleinsteller 27 stellt das Re
ferenzquantifizierintervall Qr ein, wie das in Fig. 1 gezeigt
ist, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rah
menzielbit Ft, das mit einer Übertragungsgeschwindigkeit kom
patibel ist und dem vorhergesagten Wert Fe der erzeugten Rah
menbits. Ein eingestelltes Referenzquantifizierintervall ist
Qr′.
wobei Qr(m) ein Referenzquantifizierintervall für eine Makro
blockklasse m anzeigt, S die Größe des Puffers 14 der Fig. 1
ist und W₁ und WD Gewichte von m sind.
Der Zielbitzuweiser 28 weist Zielblockbits für eine 256 Block
Klassifikation zu, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwi
schen Ft und Fe und einer Bittabelle. Solche Blockzielbits
sind Werte, die die Eigenschaften des visuellen menschlichen
Sinns, die Verteilung eines Videosignals in einem Rahmen und
die Übertragungsgeschwindigkeit widerspiegeln. Hier ist,
wenn ein Zielbit zur Makroblockklasse m und zur Blockklasse b
zugeordnet werden soll Bt(m) (b):
Andererseits ist, wenn das Zielbit eines j-ten Blocks im i-
ten Makroblock Bt(i, j) ist, die Makroblockklasse m ist und
die Blockklasse b ist
Bt(i,j) = Bt(m)(b) (12)
wobei ein Zielmakroblockbit des i-ten Makroblocks als die
Summe der Zielbits der Blöcke im Makroblock ausgedrückt wer
den kann.
Die Bitratensteuerung 29 berechnet die Anforderungen für den
Puffer 14 der Fig. 1 aus der Zahl der Bits, die während des
Kodierens des vorhergehenden Makroblocks erzeugt wurden und
berechnet ein endgültiges Quantifizierintervall durch Verwen
dung der Pufferanforderung und des Referenzquantifizierinter
falls Qr. Wenn man annimmt, daß das endgültige Quantifizierin
tervall des n-ten Makroblocks in einem Rahmen Qf(n) ist und
die Pufferanforderung nach dem Kodieren des (n-1)-ten Makro
blocks B(n-1) ist, so ist das endgültige Quantifizierinter
vall gegeben durch
wobei BR(i) die Zahl der Bits ist, die sich aus dem Kodieren
des i-ten Makroblocks ergibt, B₁ eine Pufferanforderung vor
der Verarbeitung des aktuellen Rahmens ist, S die Größe des
Puffers 14 der Fig. 1 ist und K eine Konstante ist.
Wie oben beschrieben wurde, klassifiziert das Quantifizierin
tervallbestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung ein
Videosignal, basierend auf den Eigenschaften des visuellen
menschlichen Sinns, bestimmt ein Referenzquantifizierinter
vall, das für jede Klasse geeignet ist, weist adaptiv ein
Zielbit zu unter Berücksichtigung der Verteilung des Video
signals, um ein Quantifizierintervall zu bestimmen, das mit
einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit kompatibel
ist, gleichzeitig mit der Referenzquantifizierintervallbe
stimmung und bestimmt dann ein endgültiges Quantifizierinter
vall. Somit wird beim Kodieren eines Videosignals unter Ver
wendung eines nach der oben beschriebenen Weise erhaltenen
Quantifizierintervalls die Kompressionsrate eines Videosig
nals und die Qualität des wiedergewonnen Bildes verbessert.
Claims (2)
1. Quantifizierintervallbestimmungsverfahren mit folgenden
Schritten:
- (a) Klassifizierung eines Videosignals basierend auf den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns;
- (b) Bestimmung eines Referenzquantifizierintervalls, das für jede der in Schritt (a) klassifizierten Klassen geeignet ist;
- (c) Vorhersagen der Zahl der Bits, die erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquanti fizierintervall quantifiziert wird;
- (d) Einstellen des Referenzquantifizierintervalls durch Verwendung der vorhergesagten Zahl der erzeugten Bits;
- (e) adaptives Zuweisen eines Zielbits unter Berücksich tigung der Verteilung des Videosignals, um ein Quantifizier intervall zu bestimmen, das für eine vorgegebene Übertra gungsgeschwindigkeit geeignet ist; und
- (f) Bestimmen eines endgültigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenzquantifizierintervall, einer Pufferanforderung und dem Zielbit.
2. Quantifizierintervallbestimmungsschaltung mit:
einen Teil zur Berechnung einer Quantifiziermatrix, um ein Quantifizierintervall durch die Eigenschaften des visuel len menschlichen Sinns in diskreten Cosinustransformations blöcken (DCT) der Größe 8×8, gemäß der Position eines DCT Koeffizienten zu erhalten;
einem Klassifizierteil zur Klassifizierung eines Makro blocks gemäß den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns eines Videosignals im Makroblock;
einem Referenzquantifizierintervallspeicherungsteil zur Speicherung eines Referenzquantifizierintervalls, das für die Eigenschaften des menschlichen visuellen Sinns jedes Makro blocks, der im Makroblockklassifizierungsteil klassifiziert wurde, geeignet ist;
einem Blockklassifizierungsteil zur Klassifizierung ei nes Blocks durch einen Verteilungswert eines Videosignals im Block;
einem Bittabellenspeicherteil zur Speicherung der Zahl der Bits, die erzeugt wird, wenn Blöcke jeder Blockklasse, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden, durch un terschiedliche Quantisierintervalle quantifiziert werden;
einem Histogrammberechnungsteil zur Berechnung der Fre quenz der Blöcke, die in einem Rahmen erzeugt werden, für je de Kombination der Makroblockklassen, die im Makroblockklas sifizierteil klassifiziert wurden, und der Blockklassen, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden;
einem Rahmenbiterzeugungsvorhersageteil für das Vorher sagen der Zahl der Rahmenbits, die unter Verwendung eines Hi stogramms, das im Histogrammberechnungsteil berechnet wurde, erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquantifizierintervall quantifiziert wird;
einem Referenzquantifizierintervalleinstellteil für das Einstellen eines Referenzquantifizierintervalls, das im Refe renzquantifizierintervallspeicherteil gespeichert wurde durch Verwendung der Anzahl der Rahmenbits, die im Rahmenbiterzeu gungsvorhersageteil vorhergesagt wurden;
einem Zielbitzuweisungsteil für die Zuweisung eines Zielbits, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rahmenzielbit, das mit einer Übertragungsgeschwindigkeit kom patibel ist und der vorhergesagten Zahl der erzeugten Rahmen bits für jede Kombination der Makroblockklassen und der Blockklassen; und
einem Bitratesteuerteil für das Bestimmen eines endgül tigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenz quantifizierintervall und einer Pufferanforderung, die aus der Zahl der Bits berechnet wird, die bei der Kodierung eines vorhergehenden Makroblocks erzeugt werden.
einen Teil zur Berechnung einer Quantifiziermatrix, um ein Quantifizierintervall durch die Eigenschaften des visuel len menschlichen Sinns in diskreten Cosinustransformations blöcken (DCT) der Größe 8×8, gemäß der Position eines DCT Koeffizienten zu erhalten;
einem Klassifizierteil zur Klassifizierung eines Makro blocks gemäß den Eigenschaften des visuellen menschlichen Sinns eines Videosignals im Makroblock;
einem Referenzquantifizierintervallspeicherungsteil zur Speicherung eines Referenzquantifizierintervalls, das für die Eigenschaften des menschlichen visuellen Sinns jedes Makro blocks, der im Makroblockklassifizierungsteil klassifiziert wurde, geeignet ist;
einem Blockklassifizierungsteil zur Klassifizierung ei nes Blocks durch einen Verteilungswert eines Videosignals im Block;
einem Bittabellenspeicherteil zur Speicherung der Zahl der Bits, die erzeugt wird, wenn Blöcke jeder Blockklasse, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden, durch un terschiedliche Quantisierintervalle quantifiziert werden;
einem Histogrammberechnungsteil zur Berechnung der Fre quenz der Blöcke, die in einem Rahmen erzeugt werden, für je de Kombination der Makroblockklassen, die im Makroblockklas sifizierteil klassifiziert wurden, und der Blockklassen, die im Blockklassifizierteil klassifiziert wurden;
einem Rahmenbiterzeugungsvorhersageteil für das Vorher sagen der Zahl der Rahmenbits, die unter Verwendung eines Hi stogramms, das im Histogrammberechnungsteil berechnet wurde, erzeugt werden, wenn jeder Makroblock in einem Rahmen mit dem Referenzquantifizierintervall quantifiziert wird;
einem Referenzquantifizierintervalleinstellteil für das Einstellen eines Referenzquantifizierintervalls, das im Refe renzquantifizierintervallspeicherteil gespeichert wurde durch Verwendung der Anzahl der Rahmenbits, die im Rahmenbiterzeu gungsvorhersageteil vorhergesagt wurden;
einem Zielbitzuweisungsteil für die Zuweisung eines Zielbits, unter Berücksichtigung eines Fehlers zwischen einem Rahmenzielbit, das mit einer Übertragungsgeschwindigkeit kom patibel ist und der vorhergesagten Zahl der erzeugten Rahmen bits für jede Kombination der Makroblockklassen und der Blockklassen; und
einem Bitratesteuerteil für das Bestimmen eines endgül tigen Quantifizierintervalls aus dem eingestellten Referenz quantifizierintervall und einer Pufferanforderung, die aus der Zahl der Bits berechnet wird, die bei der Kodierung eines vorhergehenden Makroblocks erzeugt werden.
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