DE69432933T2 - Vorrichtung zur dynamischen zuweisung begrenzt verfügbarer mittel - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur dynamischen Zuordnung von begrenzt verfügbaren Ressourcen zu mehreren konkurrierenden Benutzern aufgrund von Bedarfsanzeigen von den Benutzern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist häufig notwendig, dass begrenzt verfügbare Ressourcen unter mehreren Benutzern aufgeteilt werden. Zum Beispiel können mehrere Videosignale von jeweiligen Quellen, die Fernseh-Nutzeinspeisungen sein können, Fernstationen oder andere Videoquellen kombiniert und für eine Sendung zu jeweiligen Fernsehempfängern in den Häusern der Benutzern über eine Satellitenstrecke übertragen werden. Eine beispielhafte Satellitenstrecke enthält einen digitalen Übertragungsweg, der 24 Megabit je Sekunde (Mbps) übertragen kann. Um die Effizienz und die Nützlichkeit einer derartigen Strecke zu maximieren, ist es notwendig, dass mehrere Videosignale an der Strecke beteiligt sind. Es kann zum Beispiel erwünscht sein, dass an der obigen Satellitenübertragungsstrecke wenigstens sechs Videosignalkanäle beteiligt sind. In diesem Fall sind die begrenzt verfügbaren Ressourcen die Bandbreite oder die Bitrate in der Satellitenübertragungsstrecke. Diese Ressourcen sind in dem Übertragungssystem durch Zuordnung bestimmter Teile oder der Bandbreite oder der Bitrate der Übertragungsstrecke an jedem der Videosignale beteiligt.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Durchführung der Multiplexierfunktion benutzt Coder mit konstanter Bitrate (CBR = constant bit rate) für jeden Kanal. In einem derartigen System wird das Videosignal von jedem Kanal einem CBR-Coder zugeführt. Ein CBR-Coder erzeugt einen digital codierten Bitstrom, der das ihm zugeführte Videosignal darstellt, bei einer vorbestimmten konstanten Bitrate. Zur Erzeugung eines Signals mit einer konstanten Bitrate ändert ein CBR-Coder ständig die Anzahl der Quantisierwerte, in die das Videosignal codiert wird. Die Anwendung von weniger Quantisierwerten erfordert weniger Bit zur Darstellung dieser Werte, und die Gesamtzahl der Bit, die zur Darstellung des Videosignals benötigt werden, wird verringert. Andererseits erfordert die Anwendung von mehr Quantisierwerten mehr Bit zur Darstellung dieser Werte, und die Gesamtzahl der für die Darstellung des Bildes benötigten Bit wird erhöht.
  • Jedoch bewirkt eine Änderung der Quantisierwerte in einem ein Bild darstellenden codierten Signal eine entsprechende Änderung in der Qualität des aus dem codierten Signal erzeugten Bildes. Die Anwendung von weniger Quantisierwerten resultiert in einem wiedergegebenen Bild mit einer geringeren Qualität als bei der Anwendung von mehr Quantisierwerten. Somit werden in einem CBR-Coder Videosignale, die räumlich und/oder zeitlich komplexere Bilder darstellen in einer solchen Weise codiert, dass die Qualität des wiedergegebenen Bildes geringer ist als die der weniger komplexen Bilder.
  • Da CBR-Coder eine konstante Bitrate erzeugen, wird die Steuerung der Multiplexierung der Videosignale von mehreren derartigen Codern vereinfacht. Jedem Decoder ist a priori eine Bitrate zugeordnet, die ihre Quote der insgesamt verfügbaren Bitrate der Übertragungsstrecke darstellt. Ein bekanntes Zuordnungsverfahren bewirkt eine Zuordnung gleicher Teile der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke zu jedem Coder. Jedoch haben unterschiedliche Programmtypen darstellende Videosignale naturgemäß unterschiedliche Komplexitäten. Zum Beispiel hat ein ein Basketballspiel übertragender Videokanal eine wesentlich höhere Komplexität als einer, der eine Podiumsdiskussion überträgt. Somit ist die Qualität des Bildes, das aus dem das Basketball darstellende Videosignal erzeugt wird, geringer (möglicherweise nennenswert geringer) als die der Podiumsdiskussion.
  • Ein anderes bekanntes Zuordnungsverfahren, das dieses Problem zu lösen versucht, bewirkt a priori eine Zuordnung verschiedener Bitraten zu jedem CBR-Coder aufgrund der erwarteten Bildkomplexität des zu codierenden Signals. Somit würde einem ein Basketballspiel übertragenden Kanal ein größerer Teil der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke zugeordnet als dem Kanal, der die Podiumsdiskussion überträgt. Ein derartiges Zuordnungsverfahren kann in der Qualität der Bilder resultieren, die aus den codierten Signalen erzeugt werden, die sowohl ein Basketballspiel als auch eine Podiumsdiskussion darstellen, die im wesentlichen gleich sind.
  • Ein weiteres bekanntes Zuordnungsverfahren bewirkt eine Zuordnung des Teils der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke zu Kanälen aufgrund einer Bezahlung durch den Anbieter des Signals. Je mehr der Anbieter für die Übertragung des Kanals zahlt, umso größer ist der Anteil der Gesamtbitrate der diesem Kanal zugeordneten Übertragungsstrecke, und umso besser ist die Qualität des Bildes, das aus dem durch diesen Kanal codierten Bild erzeugt wird.
  • Der Artikel "Rate Control for VBR MPEG Video in Local Networks" in Proceedings of the SPIE – The International Society for Optical Engineering, Band 2188, 8.–10. Februar 1994, USA, Seiten 153–162, zeigt einen Ratensteuerungs-Algorithmus für die Lieferung eines digitalen Videoverkehrs auf LANs, der in einen gleichmäßigen Videoqualität während normaler Verkehrsbedingungen und einer tragbaren Verschlechterung während der Stauperioden resultiert. Es wird ein Codiermodus gewählt aufgrund der Pufferbelegung, die den Codern über eine explizite Rückkopplungs-Stauungs-Mitteilung bekannt ist. Während der Stauperioden regelt ein Steuermechanismus für die Verbindungsrate die Bitrate des Coders, um eine gleichmäßige Qualität unter den Benutzern zu erreichen und den Puffer auf einen normalen Belegungswert zu bringen.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUGN DER ERFINDUNG
  • Der Erfinder hat erkannt, dass die Komplexität eines Videosignals nicht immer a priori angegeben werden kann. Zum Beispiel enthalten Nachrichtensendungen Szenen mit sehr geringer Komplexität (z. B. ein Nachrichtensprecher sitzt hinter einem Pult und liest Nachrichten), vermischt mit Szenen mit sehr hoher Komplexität (z. B. ein Videoclip eines Basketballspiels). Wenn einem derartigen Videokanal a priori ein höherer Anteil der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke zugeordnet würde, dann würde die Szene des Basketballspiels mit akzeptabler Qualität wiedergegeben, jedoch würde die Szene mit dem Nachrichtensprecher mit einer zu hohen Qualität wiedergegeben, oder, in anderen Worten, mehr Bit als notwendig benutzen. Wenn andererseits einem derartigen Videokanal ein geringerer Anteil der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke zugeordnet würde, dann würde die Szene des Nachrichtensprechers mit einer akzeptablen Qualität unter Anwendung einer vernünftigen Zahl von Bit wiedergegeben, jedoch wäre die zugeordnete Bitrate unzureichend, die Szene mit dem Basketballspiel mit akzeptabler Qualität wiederzugeben.
  • Der Erfinder erkennt außerdem, dass jede Videoquelle im Mittel in derselben Weise wie die obigen Nachrichtensendungen gekennzeichnet sein kann. Das heißt, nahezu jedes Videosignal von kommerziellem Interesse enthält Szenen mit hoher Komplexität, vermischt mit Szenen mit niedriger Komplexität. Er erkennt auch, dass die Szenen mit unterschiedlicher Komplexität in der Zeit unkorreliert sind. Außerdem hat er herausgefunden, dass, innerhalb einer bestimmten Vollbildperiode die Bilder der verschiedenen Kanäle unterschiedliche Komplexitäten haben und dass diese Komplexitätsänderungen ebenfalls zeitlich unkorreliert sind.
  • Es wurde als wünschenswert gefunden, dass die begrenzt verfügbaren Ressourcen der Bitrate der Übertragungsstrecke dynamisch entsprechend den Anforderungen durch einen Benutzer zugeordnet werden. In dem obigen Beispiel ist es erwünscht, dass die Bitraten dynamisch, aufgrund der laufenden Bildkomplexität dieser Kanäle verschiedenen Kanälen zugeordnet werden. Die Komplexität der derzeit für alle Kanäle übertragenen Bilder wird ausgewertet und ein Teil der Gesamtbitrate der Übertragungsstrecke wird jedem Kanal zugeordnet, und zwar entsprechend in bestimmter Weise dem Verhältnis der Komplexität des laufenden Bildes dieses Kanals zu der Gesamtkomplexität der Bilder aller Kanäle.
  • Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung der Qualität der codierten Signale.
  • Gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält ein digitales Kommunikationssystem, wie es im Anspruch 1 angegeben ist und in vorteilhafter Weise in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 2 bis 10 mehrere Ressourcen-Benutzer und Ressourcen mit einem maximalen Ausnutzungswert, der unter den mehreren Ressourcen-Benutzern aufteilbar ist. Mehrere Bedarfs-Analysierer für die jeweiligen Ressourcen-Benutzer erzeugen dynamisch jeweilige Signale, von denen jedes die relative Notwendigkeit für die Ressourcen durch den zugehörigen Ressourcen-Benutzer darstellt. Mehrere Zugriffssteuereinheiten für die jeweiligen Ressourcen-Benutzer steuern den Zugriff zu den Ressourcen durch den zugehörigen Benutzer aufgrund eines Zuordnungssignals. Ein Ressourcen-Zuordner erzeugt dynamisch Zuordnungssignale, die zugeordnete Ressourcen-Benutzungswerte für die zugehörigen Benutzer darstellen, aufgrund der mehreren den Bedarf darstellenden Signale von den Bedarfs-Analysierern.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Blockschaltbild eines Multiplexersystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 ist ein Blockschaltbild eines Kanalprocessors, der in dem in 1 dargestellten Multiplexersystem benutzt werden kann,
  • 3 ist ein Blockschaltbild eines Teils eines MPEG-Coders, der in dem in 2 dargestellten Kanalprocessor benutzt werden kann,
  • 4 ist ein Blockschaltbild eines Bitraten-Zuordners, der in dem in 1 dargestellten Multiplexersystem benutzt werden kann,
  • 5 ist ein detaillierteres Blockschaltbild eines Reglers, der in dem in 3 dargestellten MPEG-Coder benutzt werden kann, und
  • 6, 7 und 8 sind Zeitdiagramme und zeigen die Abtastung der Komplexitätsinformationen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • 1 ist ein Blockschaltbild eines Multiplexersystems mit der vorliegenden Erfindung. In 1 sind alle Signalwege als einzelne Signalleitungen dargestellt. Jedoch wird der Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass die dargestellten Signalwege digitale Multibit-Signale übertragen können, entweder parallel, in welchem Fall die Signalwege aus mehreren Signalleitungen zusammengesetzt wären, oder seriell, in welchem Fall die Signalwege eine einzige Datenleitung sein und/oder eine Daten- und Taktsignalleitung enthalten könnten. Weitere Steuer- und Taktsignalwege, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung sind, wurden zur Vereinfachung in der Figur weggelassen.
  • In 1 sind mehrere Eingangsklemmen 5 mit (nicht dargestellten) Quellen von Videosignalen verbunden (KANAL 1 – KANAL K), die zusammen über eine Datenstrecke übertragen werden sollen. Die mehreren Eingangsklemmen 5 sind jeweils mit Dateneingangsklemmen von mehreren entsprechenden Kanalprocessoren 10 verbunden. Jeweilige Datenausgangsklemmen der mehreren Kanalprocessoren 10 sind mit entsprechenden Dateneingangsklemmen 1 – K eines Multiplexers (MUX) 20 verbunden. Eine Datenausgangsklemme des Multiplexers 20 ist mit einer Ausgangsklemme 15 des Multiplexersystems verbunden. Eine Ausgangsklemme 15 ist mit der (nicht dargestellten) Verwertungsschaltung zur Übertragung des gemultiplexten Datenstroms (MUX'ED DATA) über die Übertragungsstrecke verbunden.
  • Jeder der mehreren Kanalprocessoren 10 enthält außerdem eine Komplexitäts-Ausgangsklemme und eine Steuereingangsklemme. Die jeweiligen Komplexitäts-Ausgangsklemmen jedes der mehreren Kanalprocessoren sind mit entsprechenden Komplexitäts-Eingangsklemmen eines Bitraten-Zuordners 30 verbunden, und jeweilige Quotenausgangsklemmen des Bitraten-Zuordners 30 sind mit den entsprechenden Steuereingangsklemmen der mehreren Kanalprocessoren 10 verbunden.
  • Im Betrieb empfängt jeder Kanalprocessor ein Signal an seiner Steuereingangsklemme, das die ihm zugeordnete Bitrate für die nächste Quotenperiode darstellt. Der Kanalprocessor codiert dann das Signal an seiner Dateneingangsklemme für die nächste Quotenperiode in ein digital codiertes Signal mit der zugeordneten Bitrate. Das codierte Datensignal wird der entsprechenden Eingangsklemme des Multiplexers 20 zugeführt. Der Multiplexer 20 arbeitet in bekannter Weise und kombiniert die Signale von allen Kanalprocessoren in einen gemultiplexten Datenstrom. Der gemultiplexte Datenstrom wird dann der Schaltung zugeführt, die die Datenstrecke für die Übertragung enthält, alles in bekannter Weise.
  • Während des Codiervorgangs erzeugt der Kanalprocessor 10 ein Signal an seiner Komplexitäts-Ausgangsklemme, das die Codierkomplexität des codierten Signals darstellt. Der Bitraten-Zuordner 30 empfängt die Signale von den Komplexitäts-Ausgangsklemmen der Kanalprocessoren 10 und stellt aufgrund aller Komplexitätssignale die Bitratenquoten für die nächste Quotenperiode unter den mehreren Kanalprocessoren 10 dynamisch ein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden komplexere Signale bei einer relativ höheren Bitrate als die weniger komplexen Signale dynamisch zugeordnet. Verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Komplexität des Videosignals und für die Zuordnung der Bitraten aufgrund der Komplexitäten werden im folgenden beschrieben.
  • 2 ist ein Blockschaltbild eines Kanalprocessors, der in dem in 1 dargestellten Multiplexersystem benutzt werden kann. In 2 sind Elemente ähnlich zu denen in 1 mit derselben Bezugsziffer versehen und werden im folgenden nicht im Detail beschrieben. In 2 ist eine Dateneingangsklemme 5 mit einer (nicht dargestellten) Videosignalquelle verbunden. Die Dateneingangsklemme 5 ist mit einer Dateneingangsklemme eines Coders mit konstanter Bitrate (CBR) 14 und einem Komplexitätsanalysierer 16 verbunden. Eine Datenausgangsklemme des CBR-Coders 14 ist mit einer Eingangsklemme des Multiplexers (MUX) 20 (von 1) verbunden. Eine Steuereingangsklemme (CONTROL) des Kanalprocessors 10 ist mit einer Quoteneingangsklemme Q des CBR-Coders 10 verbunden. Eine Ausgangsklemme des Komplexitätsanalysierers 16 ist mit der Komplexitäts-Ausgangsklemme (COMPLEXITY) des Kanalprocessors 10 verbunden.
  • Im Betrieb analysiert der Komplexitätsanalysierer 16 die Komplexität des Videosignals an der Dateneingangsklemme 5. Ein Signal wird an der Ausgangsklemme des Komplexitätsanalysierers 16 erzeugt, das die Komplexität des Eingangssignals darstellt. Das die Komplexität darstellende Signal wird dem Bitraten-Zuordner 30 (von 1) zugeführt. Aufgrund dieses Komplexitätssignals (und dem der anderen Kanalprocessoren (10)) liefert der Bitraten-Zuordner 30 ein Signal zu der Steuereingangsklemme (CONTROL) dieses Kanalprocessors 10 (und der anderen Kanalprocessoren 10), das die diesem Kanalprocessor 10 zugeordnete Bitrate darstellt. Der CBR-Coder 14 bildet einen Datenweg zwischen seiner Dateneingangs- und Datenausgangsklemme zur Erzeugung eines bei einer konstanten Bitrate codierten Ausgangssignals. Die konstante Bitrate wird aufgrund des Signals an der Quoteneingangsklemme Q von der Steuereingangsklemme (CONTROL) des Kanalprocessors 10 von dem Bitraten-Zuordner 30 eingestellt.
  • Es ist möglich, dass die Schaltung in dem CBR-Coder 14 auch durch den Komplexitätsanalysierer 16 bei der Durchführung seiner Analyse benutzt werden kann. In einem derartigen Fall werden Daten von dem CBR-Coder 14 direkt dem Komplexitätsanalysierer 16 zugeführt, wie es in 2 gestrichelt dargestellt ist. Derartige Daten von dem CBR-Coder 14 können die Daten von der Eingangsklemme 5 ergänzen oder gänzlich ersetzen. In diesem Fall gibt es keine direkte Verbindung des Komplexitätsanalysierers mit der Dateneingangsklemme 5.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird jeder CBR-Coder 14 ein Coder, der ein Videosignal gemäß einer Norm, die durch die Moving Picture Expert Group (MPEG) verkündet wird, komprimiert und codiert, als MPEG-Coder bezeichnet. 3 ist ein Blockschaltbild und zeigt einen Teil eines MPEG-Coders 14. Die bekannten Komponenten des MPEG-Coders 14 werden im folgenden nicht im Detail beschrieben. Die MPEG-Coder enthalten weitere Elemente, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung sind und zur Vereinfachung in der Figur weggelassen wurden.
  • In 3 ist eine Dateneingangsklemme 5 (DATA IN) des MPEG-Coders 14 mit einer (nicht dargestellten) Quelle eines zu komprimierenden und zu codierenden Videosignals verbunden. Die Eingangsklemme 5 ist mit einer Eingangsklemme eines Bildspeichers 41 verbunden. Der Bildspeicher 41 enthält mehrere Bildperioden-Puffer oder Verzögerungsleitungen und mehrere Ausgangsklemmen für jeweilige Signale, die Teile von verschiedenen, jedoch zeitlich aneinandergrenzenden Vollbildern oder Bildern darstellen. Die mehreren Ausgangsklemmen des Bildspeichers 41 sind mit entsprechenden Eingangsklemmen eines Bewegungsschätzers 42 verbunden. Eine Ausgangsklemme des Bewegungsschätzers ist mit einer Schaltung 43 für eine diskrete Cosinustransformation (DCT) verbunden. Eine Ausgangsklemme der DCT-Schaltung 43 ist mit einer Dateneingangsklemme einer variablen Quantisier (Qu)-Schaltung 46 verbunden. Eine Ausgangsklemme der variablen Quantisierschaltung 46 ist mit einer Eingangsklemme eines Coders mit variabler Länge (VLC) 47 verbunden. Eine Ausgangsklemme des VLC 47 ist mit einer Eingangsklemme eines Ausgangspuffers 48 verbunden. Eine Datenausgangsklemme des Ausgangspuffers 48 ist mit einer Datenausgangsklemme (DATA OUT) des MPEG-Coders 14 verbunden. Die Datenausgangsklemme (DATA OUT) des MPEG-Coders 14 ist mit einer entsprechenden Eingangsklemme des Multiplexers 20 (von 1) verbunden.
  • Eine Statusausgangsklemme des Ausgangspuffers 48 ist mit einer Statuseingangsklemme eines Bitratenreglers 49 verbunden. Eine Steuerausgangsklemme des Bitra tenreglers 49 ist mit einer Steuereingangsklemme eines variablen Quantisierers 46 verbunden. Eine Quoteneingangsklemme Q des MPEG-Coders 14 ist mit einer entsprechenden Quotenausgangsklemme des Bitraten-Zuordners 30 verbunden. Die Quoteneingangsklemme Q des MPEG-Coders 14 ist mit einer Steuereingangsklemme des Reglers 49 verbunden.
  • Im Betrieb arbeitet der MPEG-Coder 14 in bekannter Weise zur Komprimierung und Codierung des Videosignals an seiner Eingangsklemme für die nächste Quotenperiode bei einer Bitrate, die durch das Signal an seiner Eingangsklemme Q bestimmt ist. In dem folgenden Beispiel wird ein MPEG-Coder, der ein Video-signal codiert, das in Gruppen (GOPs) aus zwölf Bildern oder Vollbildern zusam-mengesetzt ist codiert, beschrieben. Das sollte jedoch so verstanden werden, das die Anzahl von Bildern oder Vollbildern in einer GOP sich ändern kann. In dem folgenden Beispiel wird außerdem angenommen, dass die Bitratenzuordnung für jeden MPEG-Coder einmal je GOP aktualisiert wird, d. h. die Quotenperiode ist die GOP-Periode. Das sollte jedoch auch so verstanden werden, dass die Quotenperiode anders sein und sich auch mit der Zeit ändern kann.
  • Der Bildspeicher 41 empfängt und speichert Daten, die den Teil der zwölf Vollbilder in der derzeit codierten beispielhaften GOP darstellt, die zur Durchführung der Bewegungsschätzung benötigt werden, in einer später beschriebenen Weise. Die Daten werden dem Bewegungsschätzer 42 zugeführt. In der bevorzugten Ausführungsform dienen das erste der zwölf Vollbilder oder Bilder als ein Referenzvollbild (I-Vollbild) und wird über den Bewegungsschätzer der DCT-Schaltung 43 zugeführt. Für den übrigen Teil der Vollbilder wird ein Bewegungsvektor in dem Bewegungsschätzer 42 für jedes der mehreren 16 Pixel durch 16 Zeilenblöcke in jedem Bild oder Vollbild erzeugt, in dem MPEG-Norm Dokument mit Makroblöcken bezeichnet, entweder von den vorangehenden Vollbildern alleine (P-Vollbilder) oder aus dem vorangehenden und dem darauffolgenden Vollbild (B-Vollbilder) interpoliert. Wie oben beschrieben, hält der Bildspeicher 41 die für den Bewegungsschätzer benötigten Daten zur Durchführung der Schätzung aus den vorangehenden Vollbildern und oder der Interpolation aus den vorangehenden und den folgenden Vollbildern. Die für ein bestimmtes Vollbild erzeugten Bewegungsvektoren werden dann mit den aktuellen Daten in dem Vollbild verglichen, die geschätzt werden, und es wird ein Bewegungsdifferenzsignal erzeugt und der DCT-Schaltung 43 zugeführt.
  • In der DCT-Schaltung 43 werden die räumlichen Daten für die Makroblöcke mit 16 Pixeln mal 16 Zeilen von dem I-Vollbild und die Bewegungsdifferenzsignale von den P-Vollbildern und B-Vollbildern in Blöcke von 8 Pixeln mal 8 Zeilen aufgeteilt (vier Luminanzblöcke und zwei unterabgetastete Chrominanzblöcke), im folgenden Teil der Anwendung mit Mikroblöcken bezeichnet, gemäß dem MPEG-Normdokument. Eine diskrete Cosinustransformation erfolgt bei jedem Mikroblock. Die resultierenden 8 mal 8-Blöcke von DCT-Koeffizienten werden dann dem variablen Quantisierer 46 zugeführt. Die 8 mal 8-Blöcke von Koeffizienten werden quantisiert, in einer Zick-Zack-Reihenfolge abgetastet und dem VLC 47 zugeführt. Die quantisierten DCT-Koeffizienten und andere Seiteninformationen (für die Parameter der codierten GOP), die die GOP darstellen, werden durch Anwendung der sogenannten Runlength-Codierung in dem VLC 47 codiert und dem Ausgangspuffer 48 zugeführt.
  • Es ist bekannt, dass der direkteste Weg zur Steuerung der Ausgangsbitrate des VLC 47 und somit zur Aufrechterhaltung der zugeordneten konstanten Bitrate für den MPEG-Coder 14 darin besteht, die Anzahl der Quantisierwerte (oder, in anderer Weise, die Quantisierschrittgröße) zu steuern, die für die Quantisierung jedes Blocks von DCT-Koeffizienten in dem variablen Quantisierer 46 benutzt werden sollen. Das dem variablen Quantisierer 46 von dem Bitratenregler 49 zugeführte Steuersignal bewirkt diese Steuerfunktion. Innerhalb einer Quotenperiode, das ist die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Bitraten-Quoten-Aktualisierungssignalen von dem Bitratenzuordner 30 (von 1) liefert der Bitratenregler 49 in bekannter Weise ein Steuersignal zu dem variablen Quantisierer 46, der die Anzahl der Werte ändert, in die jeder 16 mal 16-Makroblock in der GOP quantisiert wird, um die dieser Quotenperiode zugeordnete Bitrate aufrecht zu erhalten. Die Bitraten-Zuordnung für den Bitratenregler 49 in dem vorliegenden Beispiel ändert sich für jede GOP-Periode in Abhängigkeit von den Codierkomplexitätswerten der Videosignale in jedem der mehreren Kanäle in einer später beschriebenen Weise.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bitraten-Zuordner 30 (von 1) ein Computersystem mit Anschlüssen, die mit verschiedenen Schaltungskomponenten in den mehreren 10 Kanalprocessoren verbunden sind. 4 ist ein Blockschaltbild einer den Bitraten-Zuordner 30 bildenden Hardware. In 4 ist ein Mikroprocessor (μP) 31 mit einem Lese/Schreib-Speicher (RAM) 32, einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 33 und einer Eingangs/Ausgangs-(I/O)-Steuereinheit 34 über einen Computer-Systembus 35 verbunden. Es gibt weitere Komponenten des Computersystems, wie Massenspeichereinheiten und Benutzerterminals, die zur Vereinfachung der Figur nicht dargestellt sind. Die I/O-Steuereinheit 34 hat mehrere Eingangsklemmen (COMPLEXITY), die mit entsprechenden Komplexitäts-Ausgangsklemmen der mehreren 10 Kanalprocessoren (von 1) und mit mehreren Ausgangsklemmen (QUOTA) verbunden sind, die entsprechenden Quoteneingangsklemmen der mehreren 10 Kanalprocessoren verbunden sind.
  • Der Mikroprocessor 31, das RAM 32, das ROM 33 und die I/O-Steuereinheit 34 arbeiten als ein Computersystem in bekannter Weise, um die in dem ROM 33 gespeicherten Programme durchzuführen, Daten in dem RAM 32 zu speichern und zurückzugewinnen und Daten von den Einheiten zu empfangen oder zu diesen zu übertragen, die der I/O-Steuereinheit 34 angefügt sind. Die Daten, die die laufende Codierkomplexität in den Videosignalen darstellen, die in den mehreren 10 Kanalprocessoren (von 1) codiert werden, werden von den entsprechenden Ausgangsklemmen dieser Kanalprocessoren bei der I/O-Steuereinheit 34 über die COMPLEXITY-Eingangsklemmen in einer später beschriebenen Weise empfangen. Der Mikroprocessor 31 wird in bekannter Weise über den Empfang dieser Daten benachrichtigt, zum Beispiel auf Aufrufen oder Pollen, Unterbrechung, usw. Der Mikroprocessor 31 gewinnt diese Signale von der I/O-Steuereinheit 34 über den Computersystembus 35 zurück, ermittelt die Quoten der Bit für die nächste Quotenperiode für jeden der Coder und liefert diese Quoten darstellenden Signale zu den mehreren 10 Kanalprocessoren über die QUOTA-Ausgangsklemmen bei der nächsten Quotenperiode.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Bestimmung der Codierkomplexität eines Videosignals, das durch einen MPEG-Coder 14 (von 3) codiert wird, verwendet den Quantisier-Skalierungsfaktor (bezeichnet mit QMB) für jeden Makroblock 16 mal 16 und die Anzahl der Bit (bezeichnet mit TMB), die zur Codierung dieses Makroblocks dienen, für alle Makroblöcke in jedem Bild oder Vollbild der GOP. 5 ist ein Blockschaltbild eines Bitratenreglers 49 des MPEG-Coders 14 (von 3) und des Komplexitätsanalysierers 16 (von 2), der gemäß diesem Verfahren ein die Codierkomplexität anzeigendes Signal erzeugt. Verschiedene Takt- und Steuersignale wurden zur Vereinfachung in der 5 weggelassen. Jedoch ist gut verständlich, welche Signale benötigt werden sowie das notwendige Timing und die Spannungseigenschaften dieser Signale.
  • Der in 5 dargestellte Komplexitätsanalysierer 16 ist ein Beispiel eines Komplexitätsanalysierers, der nur Informationen von dem CBR-Coder 14 benutzt, wie es gestrichelt in 2 dargestellt ist. In 5 enthält der Bitratenregler 49 eine Status-Eingangsklemme TMB, die mit der Status-Ausgangsklemme des Ausgangspuffers 48 (von 3) verbunden ist. Die Steuerausgangsklemme QMB des Bitratenreglers 49 ist mit der Steuereingangsklemme eines variablen Quantisierers 46 (von 3) verbunden. Der Regler 49 enthält außerdem eine Steuereingangsklemme (Q), die mit einer entsprechenden Quoten-Ausgangsklemme des Bitraten-Zuordners 30 (von 1) verbunden ist.
  • Die Statuseingangsklemme TMB des Bitratenreglers 49 ist außerdem mit einer ersten Eingangsklemme einer ersten Addierstufe 92 verbunden. Eine Ausgangsklemme der ersten Addierstufe 92 ist mit einer Eingangsklemme eines ersten Latch 93 verbunden. Eine Ausgangsklemme des ersten Latch 93 ist mit einer ersten Eingangsklemme eines Multiplizierers 94 und mit einer zweiten Eingangsklemme der ersten Addierstufe 92 verbunden. Eine Ausgangsklemme des Multiplizierers 94 ist mit einer Eingangsklemme eines zweiten Latch 95 verbunden. Eine Ausgangsklemme des zweiten Latch 95 ist mit einer Codierkomplexitäts-Ausgangsklemme Xpic verbunden. Die Komplexitäts-Ausgangsklemme Xpic ist mit einer entsprechenden Kompexitäts-Eingangsklemme des Bitraten-Zuordners 30 (von 1) verbunden.
  • Die Steuerausgangsklemme QMB des Bitratenreglers 49 ist außerdem mit einer ersten Eingangsklemme einer zweiten Addierstufe 96 verbunden. Eine Ausgangsklemme der zweiten Addierstufe 96 mit einer Eingangsklemme eines dritten Latch 97 verbunden. Eine Ausgangsklemme des dritten Latch 97 ist mit einer Zähler-Eingangsklemme N eines Teilers 98 und mit einer zweiten Eingangsklemme der zweiten Addierstufe 96 verbunden. Eine Ausgangsklemme des Teilers 98 ist mit einer zweiten Eingangsklemme des Multiplizierers 94 verbunden. Ein Register 99 ent hält eine Ausgangsklemme, die mit der Nenner-Eingangsklemme D des Teilers 98 verbunden ist.
  • Im Betrieb erzeugt der Bitratenregler 49 für jeden Makroblock ein Quantisier-Skalierfaktorsignal QMB für den variablen Quantisierer 46 in bekannter Weise aufgrund der laufenden Bitratenquote und der Zahl der Bit, die zur Codierung der vorangehenden Bilder benutzt werden, und empfängt dann ein Signal von dem Ausgangspuffer 48, der die Zahl der Bit TMB anzeigt, die zur Codierung dieses Makroblocks benutzt werden. Der variable Quantisierer 46 (von 3) quantisiert die DCT-Koeffizienten in jedem Makroblock entsprechend dem Quantisier-Skalierfaktor QMB. Der Quantisier-Skalierfaktor QMB bezeichnet die Quantisier-Schrittgröße oder den Prozentsatz des vollständigen Dynamikbereichs der DCT-Koeffizienten in jedem Quantisierwert. Ein hoher Wert für QMB bedeutet, dass es einen größere Quantisierschrittgröße und demzufolge weniger Quantisierschritte gibt. Andererseits bedeutet ein niedriger Wert für QMB, dass es eine kleinere Quantisierschrittgröße und demzufolge mehr Quantisierwerte gibt. In der bevorzugten Ausführungsform ist QMB eine ganze Zahl mit fünf Bit (mit Werten zwischen 1 und 31).
  • Ein mittlerer Quantisier-Skalierfaktor für alle Makroblöcke in einem vollständigen Bild oder Vollbild (bezeichnet mit Qpic) wird dann folgendermaßen berechnet. Zu Beginn jedes Vollbildes oder Bildes werden die Latche 93 und 97 durch ein (nicht dargestelltes) Löschsignal auf null gelöscht. Die Kombination der zweiten Addierstufe und des dritten Latch 97 arbeitet als ein Akkumulator zur kontinuierlichen Summierung der Makroblock-Quantisier-Skalierfaktoren QMB von dem Bitratenregler 49. Zur selben Zeit arbeitet die Kombination der ersten Addierstufe 92 und des ersten Latch 93 als ein Akkumulator zur ständigen Summierung der Anzahl von Bit, die soweit für die Codierung des Vollbildes oder Bildes benutzt werden.
  • Nachdem alle Makroblöcke in einem Vollbild oder Bild (eine mit NMB bezeichnete Zahl) verarbeitet worden sind, enthält das Latch 97 die Summe aller Makroblock-Quantisier-Skalierfaktoten QMB, die durch den Bitratenregler 49 erzeugt werden, und das Latch 93 enthält die Summe aller Bit, die zur Codierung des Bildes oder des Vollbildes Tpic benutzt werden. Der Teiler 98 erzeugt den Quotienten der Summe aller Makroblock-Quantisier-Skalierfaktoren QMB in dem Bild oder Vollbild, geteilt durch die Anzahl der Makroblöcke in dem Bild oder Vollbild NMB. Dieser Quotient ist der mittlere Quantisier-Skalierfaktor Qpic für dieses Vollbild oder Bild. Der Multiplizierer 94 erzeugt das Produkt von Qpic und Tpic, das die Codierkomplexität für dieses Bild (bezeichnet mit Xpic) ist, d. h.
    Figure 00140001
    = _Tpic – Qpic. Am Ende des Bildes oder Voll-Bildes wird das Codier-Komplexitätssignal Xpic durch ein (nicht dargestelltes) Taktsignal in dem zweiten Latch 95 zwischengespeichert. Der oben beschriebene Zyklus wiederholt sich dann für jedes Vollbild oder Bild in dem codierten Videosignal.
  • Die Codierkomplexität Xpic wird dann von dem Latch 95 einer Komplexitäts-Eingangsklemme der I/O-Steuereinheit 34 des Bitratenzuordners 30 (von 4) zugeführt, der die übrige Verarbeitung durchführt, zur Gewinnung der Codierkomplexität für die GOP. Die Codierkomplexität für eine GOP (bezeichnet mit XGOP) ist die Summe der Xpic's für alle Bilder in der GOP. (Siehe Gleichung (1)).
  • Figure 00140002
  • Der μP 31 wirkt als ein Akkumulator durch Zurückgewinnung jedes Xpic-Werts von der I/O-Steuereinheit 34 und ihre Summierung über alle Vollbilder oder Bilder in der GOP.
  • Die Anzahl der Vollbilder oder Bilder in einer GOP (bezeichnet mit N) bleibt im allgemeinen konstant. Während N konstant ist, kann XGOP auf der Basis eines gleitenden Fensters durch Addition des Codierkomplexitätswerts Xpic des letzten Bildes und durch Subtraktion des Codierkomplexitätswerts von dem ältesten Bild in der GOP berechnet werden. In diesem Fall ist ein aktualisierter Wert von XGOP nach jedem Vollbild oder Bild verfügbar. Jedoch kann sich N ändern. Wenn N sich ändert, dann muß XGOP für die neu definierte GOP durch Summierung der Codierkomplexitätswerte Xpic von der neuen Anzahl der vorangehenden Bilder in der neu definierten GOP berechnet werden, wie in Gleichung (1).
  • Wie oben beschrieben, ist es möglich, dass verschiedene Kanäle bei verschiedenen Halbbild- oder Bildraten arbeiten. Z.B. beträgt die genormte Videovollbildrate (in den USA) 29,97 Vollbilder je Sekunde für Filmbilder und 24 Vollbilder je Sekunde, und für Trickfilme beträgt sie 15 Vollbilder je Sekunde. Es ist auch möglich, dass verschiedene Kanäle verschiedene Anzahlen von Bildern oder Vollbildern in einer GOP aufweisen. Somit ist es möglich, dass verschiedene Kanäle verschiedene GOP-Zeitperioden aufweisen. Um unter derartigen Bedingungen die Bit genau den Kanälen zuzuordnen, werden die GOP-Codierkomplexitätswerte der mehreren Kanäle in derartigen Situationen in den Bitratenzuordner 30 in der Zeit durch Teilung des GOP-Komplexitätswertes von der Gleichung (1) für jeden Kanal durch die GOP-Zeitperiode dieses Kanals (bezeichnet mit GOPtime) normiert. (Siehe Gleichung (2)). Der normierte GOP-Codierkomplexitätswert XnormGOP = XGOP/GOPtime (2)(bezeichnet mit XnormGOP) dient dann zur Zuordnung der Bit zu den verschiedenen Kanälen. Das Timing der Abtastung der Komplexitätswerte und die Erzeugung der Quotenwerte für jedes System werden später detaillierter erläutert.
  • In 5, wie sie oben beschrieben wurde, erzeugt der Bitratenregler 49 für jeden Makroblock ein Quantisier-Skalierfaktorsignal QMB für den variablen Quantisierer 46 und empfängt dann ein Signal von dem Ausgangspuffer 48, das die Anzahl der zur Decodierung dieses Makroblocks benutzten Bit TMB anzeigt. Diese Signale können alternativ direkt der I/O-Steuereinheit 34 in dem Bitratenzuordner 30 (von 4) zugeführt werden. Der μP 31 kann dann das Maß der richtigen Codierkom-plexität (von der Gleichung (1) oder den Gleichungen (1) und (2)) intern berechnen.
  • Außerdem können zur Vereinfachung der Übertragung der Codierkomplexitätswert für jedes Bild Xpic skaliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Wert nach dem Multiplexer 94 in eine Zahl mit acht Bit skaliert. Dieser skalierte Wert wird dann dem Bitratenzuordner 30 (von 4) zugeführt. Es kann für das Computersystem auch erwünscht sein, eine Datei der Bildkomplexitätswerte Xpic aufrechtzuerhalten, zum Beispiel in einer (nicht dargestellten) Massenspeichereinheit, aus anderen Gründen, wie die Ermöglichung einer Neuberechnung des Codierkomplexitätswertes in dem Fall, wo N sich ändert. Die Speicherung einer Stunde von 8 Bit Xpic-Werten erfordert 108 Kilobyte (kB) für ein genormtes Videosignal und 86 kB für einen Film.
  • In der folgenden Beschreibung bezeichnet Xi den derzeit geeigneten XGOP (wenn alle Kanäle dieselbe GOP-Zeitperiode aufweisen) oder XnormGOP von dem i-ten Kanalprocessor. Der Bitratenzuordner 30 (von 1) erzeugt jeweilige Quoten (Q)-Signale, die Zuordnungen der verfügbaren Bit in der Übertragungsstrecke für die nächste Quotenperiode aufgrund der Codierkomplexitätswerte Xi von allen K Kanalprocessoren darstellen, die die mehreren Kanalprocessoren 10 bilden. Die vorbestimmte Übertragungsstrecken-Bitrate von der Ausgangsklemme des Multiplexers 20 (von 1) (bezeichnet mit R) wird den mehreren 10 Kanalprocessoren zugeordnet, so dass der i-te Kanalprocessor eine mit Ri bezeichnete Bitratenzuordnung empfängt.
  • Ein Verfahren zur Zuordnung der Bitraten in der Übertragungsstrecke zu den verschiedenen Kanälen ist eine lineare Zuordnung aufgrund der derzeit verfügbaren Codierkomplexität Xi der vorangehenden GOP-Periode (auf der Basis eines gleitenden Fensters, wie oben beschrieben) für alle die mehreren 10 Kanalprocessoren (von 1). In diesem Verfahren empfängt jeder Processor i denselben Anteil Ri der Gesamtbitratenkapazität R, da die Codierkomplexität dieses Coders Xi zu der Gesamtcodierkomplexität aller Coder beiträgt. (Siehe Gleichung (3)).
  • Figure 00160001
  • Es wurde jedoch herausgefunden, dass es eine niedrigere Bitratenzuordnung gibt, unterhalb der die Qualität des wiedergegebenen Bildes steil abnimmt. Außerdem sindin der dargestellten Ausführungsform die Bitratenzuordnungen für die nächste Quotenperiode abhängig von den Komplexitätsmaßen von der vorangehenden GOP. Wenn somit ein Szenenwechsel von einem einfachen Bild zu einem komplexen Bild erfolgt, können unzureichend viele Bit der Codierung der neuen, komplexen Szene zugeordnet werden, da die Zuordnung für die neue Szene auf der vorangehenden, einfachen Szene beruht.
  • Ein alternatives Verfahren zur Zuordnung der Bitraten in der Übertragungsstrecke zu verschiedenen Kanälen garantiert eine minimale Bitratenzuordnung RGi zu jedem Coder i und ordnet die übrigen Bit linear zu, wie in Gleichung (3). (Siehe Gleichung (4)).
  • Figure 00170001
  • Jeder Kanal kann eine andere garantierte minimale Bitrate aufweisen, abhängig von der vorangehenden Gesamtkomplexität des über den Kanal übertragenen Videokanals und/oder der Preisgestaltung des Kanals für die Anbieter der Videosignale.
  • Ein weiteres alternatives Verfahren zur Zuordnung von Bit in der Übertragungsstrecke zu verschiedenen Kanälen liefert einen Wichtungsfaktor pi für jeden Coder i und eine proportionale Bitzuordnung gemäß den Codierkomplexitätswerten Xi, gewichtet durch die Wichtungsfaktoren Pi. (Siehe Gleichung (5)). Wie in dem Verfahren für die garantierte minimale Zuordnung der Gleichung (4) können die Wichtungsfaktoren Pi abhängig sein von der vorangehenden Gesamtkomplexität des über den Kanal übertragenen Videosignals und/oder der Preisgestaltung des Kanals für den Anbieter der Videosignale.
  • Figure 00170002
  • Ein bevorzugtes Verfahren für die Zuordnung von Bit in der Übertragungsstrecke zu verschiedenen Kanälen ist eine Kombination des Verfahrens mit der gewichteten Zuordnung der Gleichung (5) und des Verfahrens der garantierten minimalen Zuordnung von Gleichung (4). In diesem Verfahren wird jedem Kanal eine minimale Zuordnung garantiert, und die übrigen Bit werden auf einer gewichteten Anteilsbasis zugeordnet. (Siehe Gleichung (6)).
  • Figure 00180001
  • Wie oben, können die garantierte minimale Zuordnung und die Wichtungsfaktoren abhängig sein von der vorangegangenen Gesamtkomplexität des über den Kanal übertragenen Videosignals und/oder der Preisgestaltung des Kanals für den Anbieter der Videosignale.
  • Es ist möglich, die Bitzuordnungen Ri durch andere Parameter des Systems weiter zu verfeinern. Es wurde zum Beispiel herausgefunden, dass es einen oberen Wert der Bitratenzuordnung gibt, oberhalb dessen keine Verbesserung in der Qualität des wiedergegebenen Bildes sichtbar ist. Somit ist eine Zuordnung von Bit über diesen oberen Zuordnungswert hinaus eine Verschwendung von Bit in der Übertragungsstrecke. Außerdem kann der Operateur der Übertragungsstrecke eine maximale Bitratenzuordnung Rmax (die den oberen Wert der Bitratenzuordnung berücksichtigen kann) und/oder eine minimale Bitratenzuordnung Rmin für jeden Kanal vornehmen.
  • Zusätzlich kann zur Minimierung des Potentials für die Bitraten-Steuerschwingungen und somit für die Maximierung der Bitraten-Steuerstabilität ein maximales Inkrement oder Zunahme α und/oder eine Abnahme β in der Bitratenzuordnung von einer Quotenperiode zu der nächsten für einen Kanal vorgenommen werden. Wie oben, können die Werte des oberen Wertes der Bitratenzuordnung, die maximale und die minimale Bitratenzuordnung und die maximalen Inkrementierungen der Zunahme und der Abnahme für die verschiedenen Kanäle unterschiedlich sein und können von der vorangehenden Gesamtkomplexität des über diesen Kanal übertragenen Videokanals und/oder der Preisgestaltung für den Kanal für den Anbieter der Videosignale abhängig sein. Zusätzlich ist es möglich, dass die maximale und die minimale Inkremente der Zunahme und der Abnahme sich dynamisch entsprechend dem Maß der Leerung oder der Füllung der Puffer in dem Kanal ändern.
  • Außerdem können die zugeordneten Bitraten weiter verfeinert werden, um eine Pufferverwaltung zu bilden, zum Beispiel um sicherzustellen, dass die Ausgangspuffer der CBR-Coder 10 (von 1) und die Eingangspuffer der entsprechenden (nicht dargestellten) Empfängerdecoder nicht überlaufen oder unterlaufen (underflow). Eine explizite Pufterverwaltung ist nicht notwendig, wenn die Größe E des Coderpuffers so gesteuert wird, wie es in der Ungleichung (7) dargestellt ist, wo D die feste Größe des Decoderpuffers ist.
  • Figure 00190001
  • Wenn die Größe des Coderpuffers entsprechend der Ungleichung (7) gewählt wird, kann sich die Bitratenzuordnung von Rmin bis Rmax ändern, ohne dass ein Überfließen oder Unterlaufen in dem Coderpufter oder dem Decoderpuffer erfolgt. Jedoch begrenzt dieses Verfahren übermäßig die Größe des Coderpuffers und begrenzt somit übermäßig die Raten-Steuer-Flexibilität.
  • Ein alternatives Puffer-Verwaltungsschema ist adaptiv und benutzt die laufenden, unverzüglichen Bitraten für die Pufferverwaltung und nicht die festen Parameter Rmin und Rmax. Da die Größe des Decoderpuffers so gewählt wurde, dass sie in der Lage ist, mit der höchsten Rate Rmax übertragene Daten zu verarbeiten, kann die Bitratenzuordnung immer erhöht werden (bis zu dem Systemmaximum Rmax) ohne Überlaufen des Decoderpuffers. Es gibt jedoch eine unverzügliche minimale Bitrate, die aufrechterhalten werden muß, um sicherzustellen, dass die bereits in dem Coderpufter enthaltenen Daten vor ihrer Decodierzeit zu dem Decoderpuffer übertragen werden. Somit muß eine minimale Bitratenzuordnung zur Sicherstellung, dass der Decoderpuffer nicht unterläuft, dynamisch berechnet werden.
  • Bei der dynamischen Berechnung dieser minimalen Bitratenzuordnung, wenn die Bitratenzuordnung abnimmt, müssen eine neu ermittelte Coderpuftergröße und die Datenmenge, die bereits in den Coderpuffer in einer vorausgehenden Zeit angeordnet worden sind, berücksichtigt werden. Die neu ermittelte Coderpuftergröße für das Vollbild n, bezeichnet mit En, wird entsprechend der Gleichung (8) ermittelt, in der Δ die Systemverzögerungszeit ist, mit einer konstanten Verzögerungszeit zwischen der Ankunft eines Videovollbildes bei dem Coder und der Wiedergabe des Vollbildes bei dem Decoder.
  • Figure 00200001
  • D ist die feste Decoderpuftergröße, und Rnew ist die neue vorgeschlagene Bitratenzuordnung. Diese Puffergröße bewirkt, dass im eingeschwungenen Zustand und bei der neuen Bitratenzuordnung es kein Überfließen oder Unterlaufen in dem Coder- und dem Decoderpuffer gibt.
  • Wenn jedoch, wie oben beschrieben, die neu vorgeschlagene Bitratenzuordnung abgenommen hat, dann gibt es eine Übergangsperiode gleich der Systemverzögerungszeit Δ, in der bereits zu viele Bit in dem Coderpuffer anwesende, um erfolgreich bei der neuen niedrigeren Rate zu dem Decoder übertragen zu werden. Ein vorgeschlagenes Verfahren für die Verfeinerung der neu vorgeschlagenen Bitratenzuordnung ist zunächst eine Prüfung der Anzahl der Bit, bezeichnet mit e, die tatsächlich in dem Coderpuffer (Pufferfüllung) für die Anzahl der vorangehenden Vollbilder in der Systemverzögerungszeit Δ plaziert wurden, bezeichnet mit Γ. Dann wird die maximale Pufferfüllungszahl für die vorangehenden Γ-Vollbilder (bezeichnet mit emax Γ) mit der neu ermittelten Coderpuffergröße En aus der Gleichung (8) verglichen. Die minimale verringerte Bitratenzuordnung Rreduced für den Kanal i, die garantiert, dass alle Bit von den vorangehenden T-Vollbildern zu dem Empfängerdecoder übertragen werden, ist dann in der Gleichung (9) angegeben. Ri reduced = emaxΓ/Δ (9)
  • Wenn derartige Grenzen in einem Multiplexersystem gebildet werden, dann werden diese Bitratenzuordnungen, nachdem Bitratenzuordnungen gemäß den Gleichungen (3), (4), (5) und (6) berechnet wurden, geprüft, um zu ermitteln, ob sie zwischen der laufenden oberen und unteren Grenze für diesen Kanal liegen. Zunächst werden die obere und die untere Grenze für jeden Kanal i ermittelt. Die obere Grenze der Bitratenzuordnung für jede Quotenperiode k (bezeichnet mit Ri upper[k]) ist das Minimum von: der maximal zulässigen erhöhten Zuordnung über die vorangehende Quotenperiode k – 1 und die maximale Bitratenzuordnungs-Grenze. (Siehe Gleichung (10)). Ri upper[k] = min{Ri max,(1 + α)Ri[k – 1]} (10)
  • Die untere Grenze der Bitzuordnung für jede Quotenperiode k, Ri lower[k] ist das Maximum von: der minimalen Bitratenzuordnungsgrenze, der minimalen zulässigen verringerten Zuordnung über die vorangehende Quotenperiode k – 1 und der minimalen verringerten Bitratenzuordnung von der Gleichung (9). (Siehe Gleichung (11)). Dann erfolgen Einstellungen in den Bitratenzuordnungen für die Kanäle. Ri lower[k] = max{Rimin,(1 – β)Ri[k – 1],emaxΓ/∆} (11)
  • Wenn die zugeordnete Bitrate für jeden Kanal einen der Grenzwerte übersteigt, wird die Bitratenzuordnung für diesen Kanal so eingestellt, dass der Begrenzungs-wert und die verfügbare verbleibende Bitrate den anderen Kanälen neu zugeordnet wird. Wenn zum Beispiel die einem Kanal i zugeordnete Bitrate, wie sie in den Gleichungen (3), (4), (5) und (6) berechnet wurde, größer ist als die obere Grenze für diesen Kanal, wie sie in der Gleichung (10) berechnet wurde, dann wird die Bitrate für den Kanal i auf diese obere Grenze Ri upper eingestellt. Wenn einerseits die Bitrate niedriger ist als die in der Gleichung (11) berechnete untere Grenze, dann wird die Bitrate auf diese untere Grenze Ri lower eingestellt. (Siehe Gleichung (12)).
  • Figure 00210001
  • Wenn eine der Bitratenzuordnungen durch die Begrenzungsvorgänge der Gleichungen (10), (11) und (12) geändert wird, dann wird die übrige verfügbare Bitrate den nicht-begrenzten Kanälen entsprechend den Gleichungen (3), (4), (5) oder (6) neu zugeordnet. Dann werden diese Kanäle erneut gegenüber den Grenzen in den Gleichungen (10), (11) und (12) geprüft. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis alle Bitratenzuordnungen beendet sind. In der obigen Ausführungsform ist die Codierkomplexitätsperiode die GOP-Periode, ermittelt Bild für Bild auf der Basis eines gleitenden Fensters, das eine ausreichende Dauer hat, dass die Änderungen in den Bitratenzuordnungen in einem Kanal von einer Quotenperiode zu der nächsten im allgemeinen relativ klein sind. Folglich sollten die Gleichungen den (10), (11) und (12) nur selten angewendet werden.
  • Das Timing der Codierkomplexitätsabtastung und der Erzeugung der aktualisier-ten Bitratenquoten aufgrund der Codierkomplexitäten wird verkompliziert, wenn die Kanäle mit unterschiedlichen GOP-Zeitperioden arbeiten. Es gibt zwei Lösungen, die in dieser Situation eine genaue Codierkomplexitätsabtastung und Bitratenquotenzuordnung ergeben. In der ersten Lösung wird eine konstante Quotenperiode in einer derartigen Weise berechnet, dass jeder Kanal eine gleiche Anzahl von Quotenperioden in jeder GOP aufweist. In dieser Lösung kann die Anzahl der Abtast- und Quotenperioden je GOP sich von Kanal zu Kanal ändern, jedoch ist für jeden Kanal die Anzahl derartiger Abtast- und Quotenperioden innerhalb einer GOP konstant. In der zweiten Lösung erfolgt eine Abtastung, und eine neue Zuordnung wird immer dann erzeugt, wenn ein Kanal eine neue GOP beginnt, und die Anzahl der in der neuen Quote zugeordneten Bit wird unter Berücksichtigung der Länge der Zeitperiode von der vorausgehenden Abtastung zu der laufenden Abtastung berechnet.
  • 7 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die Abtastung und die Quoten-Aktualisierungen in einem die erste Lösung benutzenden Systems. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind nur zwei Kanäle dargestellt. In 7 ist der Kanal 1 ein Beispiel eines Kanals, der ein genormtes Videosignal mit einer Vollbildrate von 30 Vollbildern je Sekunde (in den USA) überträgt. Der Kanal 2 ist ein Beispiel eines Kanals, der einen Film mit einer Vollbildrate von 24 Vollbildern je Sekunde überträgt. Es wird angenommen, dass jeder der Kanäle 12 Vollbilder je GOP aufweist. Der Kanal 1 beginnt somit eine neue GOP alle 0,4 Sekunden oder 2,5 GOPs je Sekunde, während der Kanal 2 eine neue GOP alle 0,5 Sekunden oder 2 GOPs je Sekunde beginnt. Die gewählte Abtastrate ist eine Abtastung alle 0,1 Sekunden. Somit gibt es im Kanal 1 vier Abtastungen und Quotenaktualisierungen in jeder GOP, und im Kanal 2 gibt es fünf Abtastungen und Quotenaktualisierungen in jeder GOP. Die Abtastzeiten ts sind durch vertikale gestrichelte Linien dargestellt. Da die Zeitperioden zwischen den Abtastungen Δt konstant sind (0,1 Sekunde), können die obigen Gleichungen (3) bis (12) ohne Änderung bei der Berechnung der Bitratenzuordnungen für die nächste Abtastperiode benutzt werden. Diese Bitratenzuordnungen können akkumuliert und in den Kanalprocessoren 10 (von 1) entsprechend in dem bekannten Schema benutzt werden, das als sogenanntes "token and leaky bucket"-Schema bezeichnet wird.
  • 8 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die Abtastung der Codierkomplexitätswerte und die Quotenaktualisierung in einem die zweite Lösung benutzenden System, wie oben beschrieben. Die jeweiligen in 8 dargestellten Kanäle übertragen dieselben Signale wie in 7. In 8 werden Abtastungen der Codierkomplexitätswerte von allen Kanälen genommen, immer wenn ein Kanal eine neue GOP beginnt. Neue Zuordnungen werden aufgrund der Werte dieser Abtastungen und der Zeitperiode Δt seit der letzten Abtastung erzeugt. Diese Abtastzeiten sind in 8 als vertikale gestrichelte Linien t1–t8 dargestellt, wobei t2, t3, t4, t6 und t8 den Anfängen der GOPs im Kanal 1 und t1, t3, t5 und t7 den Anfängen der GOPs im Kanal 2 entsprechen. Obwohl t3 eine Abtastzeit entsprechend den Anfängen der GOPs in beiden Kanälen 1 und 2 zeigt, besteht keine Forderung, dass eine derartige Zeit auftritt.
  • Bei jeder Abtastzeit werden die laufenden Codierkomplexitätswerte (von der vorangehenden GOP, dem verfügbaren Bild für Bild auf der Basis eines gleitenden Fensters) in allen Kanälen abgetastet. Die Gleichungen (3) bis (12) können zur Berechnung der nächsten Bitraten-Quoten-Proportionen berechnet werden, jedoch muß bei der Ermittlung der tatsächlichen Zahl der für die Zuordnung verfügbaren Bit der Zeitbetrag Δt seit der letzten Abtastung berücksichtigt werden. Für eine richtige Kompensation der unterschiedlichen Abtastperioden wird die insgesamt verfügbare Bitrate R in den Gleichungen (3) bis (12) durch die Anzahl der für die Zuordnung verfügbaren Bit ersetzt, bezeichnet mit C, die das Produkt der insgesamt verfügbaren Bitrate R und der Abtastperiode Δt, d. h. C = RΔt, ist. Die Anzahl der durch die Gleichungen (3) bis (12) berechneten Bit wird dann den jeweiligen Kanalprocessoren 10 (von 1) zugeordnet, die, wie oben, das sogenannte Schema "token and leaky bucket" für die Akkumulation und die Anwendung der zugeordneten Bit benutzen. Eine der obigen zwei Lösungen bewirkt eine genaue Zuordnung der Bitraten zu den entsprechenden Kanalprocessoren 10, wenn die Videosignale von den verschiedenen Kanälen 5 verschiedene GOP-Zeitperioden aufweisen.
  • Das Timing der Abtast- und Codier-Komplexitätswerte und die Erzeugung der aktualisierten Bitratenquoten für die verschiedenen Kanäle können vereinfacht werden, wenn alle Kanäle bei derselben Vollbildfrequenz arbeiten und dieselbe Zahl von Vollbildern in einer GOP aufweisen, d. h. alle Kanäle haben dieselbe GOP-Zeitperiode GOPtime. 6 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die Codierkomplexitätsabtastung und Quoten-Aktualisierungs-Timing in einem derartigen System. In 6 entspricht jede horizontale Linie einem entsprechenden Kanal 1 – K. Die kurzen vertikalen Linien, die sich von den horizontalen Linien nach oben erstrecken, bezeichnen die Zeit, wenn die Codierung eines I-Vollbildes für diesen Kanal begonnen hat, was als der Beginn einer GOP für diesen Kanal angesehen wird. Die Zeitperiode für eine GOP, GOPtime, ist in allen Kanälen gleich, jedoch können, wie ersichtlich ist, die Anfangszeiten der GOPs für die jeweiligen Kanäle unterschiedlich sein. Tatsächlich wurde es als wünschenswert herausgefunden, verschiedene Startzeiten für die GOPs für die jeweiligen Kanäle zu haben, so dass die Codierung der I-Vollbilder einander nicht überlappen. Das erhöht die Komplexitätsänderungen über verschiedene Kanäle.
  • Es wurde herausgefunden, dass, solange dieselbe Anzahl von I-Vollbildern, P-Vollbildern und B-VoIIbildern bei der Berechnung des Codierkomplexitätswerts berücksichtigt wird, es nicht ausmacht, dass diese Vollbilder von verschiedenen GOPs kommen. Somit kann, wie es durch die ausgezogenen Linien, die sich über alle Zeitachsen der Kanäle erstrecken, gezeigt ist, eine Codierkomplexitäts-Wertabtastung gleichzeitig von allen Kanälen zu jeder Zeit in einer GOP genommen werden. Die Aktualisierungen der Bitratenquoten für alle Kanäle kann aus dieser Abtastung erzeugt und zu den Kanalprocessoren 10 (von 1) zurückübertragen werden.
  • Das obige Multiplexersystem wurde als ein Zuordnungssystem beschrieben. Jedoch könnten die mehreren 10 Kanalprocessoren an von dem Bitratenzuordner 30 und dem Multiplexer 20 entfernten Stellen liegen. In einem derartigen System würden Kommunikationsstrecken zwischen den Codern und den Bitratenzuordner gebildet. In diesem Fall könnte ein bestimmter Teil der zwischen den Processoren 10 und dem Multiplexer übertragenen Bit der Übertragung der Komplexitätsinformationen von den Processoren gewidmet werden.

Claims (10)

  1. Digitales Kommunikationssystem mit: – mehreren Informationssignalquellen (5), – einem digitalen Kommunikationskanal (15, 20) mit einer maximalen Bitrate, die unter den mehreren Informationssignalquellen (30) aufteilbar ist, – mehreren Bedarfs-Analysierern (10, 16) für die jeweiligen Informationssignalquellen (5) mit einer Schaltung zur dynamischen Erzeugung jeweiliger Signale (COMPLEXITY), von denen jedes den relativen Bedarf für die Bitrate in dem Kanal durch die zugehörige Signalquelle (5) darstellt, – mehreren digitalen Codern (10, 14) für jeweilige Signalquellen (5) mit einer Schaltung zur Codierung des zugehörigen Informationssignals in ein digitales Signal mit einer Bitrate, die durch ein Bitraten-Zuordnungssignal (CONTROL) eingestellt ist, und – einem Bitraten-Zuordner (30) mit einer Schaltung zur dynamischen Erzeugung jeweiliger Bitraten-Zuordnungssignale (CONTROL), die zugeordnete Bitraten, aufgrund der mehreren, den Bedarf darstellenden Signale (COMPLEXITY) von den Bedarfs-Analysierern (10, 16) darstellen, gekennzeichnet durch: – eine Signalquelle (5), die einer jeweiligen vorbestimmten minimalen Bitrate zugeordnet ist, und – wobei der Bitraten-Zuordner eine Schaltung zur Erzeugung der jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale enthält, derart, dass einer Signalquelle (5) ihre zugeordnete vorbestimmte minimale Bitrate und außerdem ein Teil einer übrigen Kanalbitrate zugeordnet wird, die übrige Kanalbitrate gleich der maximalen Kanalbitrate, abzüglich der vorher zugeordneten vorbestimmten minimalen Bitraten, ist, dass der ferner zugeordnete Teil gleich dem Teil des Bedarfs ist, der durch das den Bedarf darstellende Signal (COMPLEXITY) der Signalquelle (5) zugeordnet wird, um mit dem Bedarf kombiniert zu werden, der durch alle den Bedarf darstellenden Signale (COMPLEXITY) dargestellt wird.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Signalquelle (5) ein entsprechender, vorbestimmter Wichtungsfaktor zugeordnet ist und – der Bitraten-Zuordner (30) außerdem eine Schaltung enthält, die jeweilige Bitraten-Zuordnungssignale (CONTROL) derart erzeugt, dass einer Signalquelle (5) ein Teil der übrigen Kanalbitrate zugeordnet wird, der gleich dem Teil des Bedarfs ist, der durch das den Bedarf darstellende Signal (COMPLEXITY) für diese Signalquelle (5) ist, um mit dem Bedarf kombiniert zu werden, der durch alle den Bedarf darstellenden Signale (COMPLEXITY) dargestellt wird, gewichtet durch den vorbestimmten Wichtungsfaktor für die zugehörige Signalquelle (5).
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jeder Signalquelle (5) eine jeweilige vorbestimmte maximale Bitraten-Zuordnungsgrenze zugeordnet ist und – der Bitratenzuordner (30) eine Schaltung enthält, die nach der Erzeugung der jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale (CONTROL) die jeweiligen Bitratenzuordnungen mit den jeweiligen vorbestimmten Bitraten-Zuordnungsgrenzen vergleicht und dann, wenn eine Bitratenzuordnung eine zugeordnete, vorbestimmte, maximale Bitraten-Zuordniangsgrenze übersteigt, ein Zuordnungssignal (CONTROL) erzeugt, das die vorbestimmte Bitraten-Zuordnungsgrenze anstelle der vorher erzeugten Bitratenzuordnung für den jeweiligen Benutzer anzeigt.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jeder Signalquelle (5) eine jeweilige vorbestimmte Bitraten-Zuordnungs-Inkrementgrenze zugeordnet ist und – der Bitraten-Zuordner (30) eine Schaltung enthält, die nach der Erzeugung der jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale (CONTROL) die jeweiligen Bitraten-Zuordnungen mit den entsprechenden Bitratenzuordnungen vergleicht, die durch die unmittelbar vorangehenden jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale (CONTROL) dargestellt werden, um jeweilige Bitraten-Zuordnungs-Inkremente zu bestimmen, und dann, wenn ein Bitraten-Zuordnungs-Inkrement eine zugeordnete vorbestimmte Bitraten-Zuordnungsinkrementierungs-Grenze übersteigt ein Zuordnungssignal (CONTROL) erzeugt, das die Bitraten-Zuordnung darstellt, die durch das unmittelbar vorangehende Bitraten-Zuordnungssignal dargestellt wird, geändert durch die vorbe stimmte Bitraten-Zuordnungs-Inkrementgrenze, anstatt der vorher erzeugten Bitratenzuordnung für die jeweilige Signalquelle.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Bitraten-Zuordnungs-Inkrement ein maximales Inkrement der Zunahme der Bitrate ist.
  6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Bitraten-Zuordnungs-Inkrement-Grenze ein maximales Inkrement der Abnahme der Bitrate ist
  7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – die mehreren Signalquellen (5) jeweilige Videosignalquellen sind und jedes Videosignal aufeinanderfolgende Vollbild-Zeitintervalle aufweist, – die mehreren Bedarfs-Analysierer (10, 16) eine Schaltung zur Schätzung der Komplexität des Bildes, das durch das Videosignal von der zugehörigen Videosignalquelle (5) dargestellt wird, und zum Erzeugen der den Bedarf darstellenden Signale (COMPLEXITY) enthalten, die die geschätzte Bildkomplexität darstellen, – die Coder (10, 14) MPEG-Coder für die Codierung des zugehörigen Videosignals in ein digital codiertes MPEG-Videosignal sind, das eine Gruppe von Bild (GOP) Zeitintervall gleich einer ganzen Anzahl von Vollbildzeiten des zugehörigen Videosignals aufweist und eine Schaltung enthält, die auf das Videosignal von der zugehörigen Videosignalquelle (5) und das Bitraten-Zuordnungssignal von dem Bitraten-Zuordner (30) anspricht, zur Erzeugung des MPEG-codierten Videosignals im wesentlichen bei der zugeordneten Bitrate, und – der Bitraten-Zuordner (30) eine Schaltung zur Erzeugung der jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale bei aufeinanderfolgenden Zuordnungs-Zeitintervallen für die GOP-Zeitintervalle, enthält.
  8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – die jeweiligen GOP-Intervalle alle gleich sind, und – der Bitraten-Zuordner (30) eine Schaltung zur Erzeugung der jeweiligen Bitraten-Zuordnungssignale bei einem Zuordnungs-Zeitintervall erzeugt, das gleich dem GOP-Zeitintervall ist.
  9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – die jeweiligen GOP-Intervalle voneinander abweichen und – der Bitraten-Zuordner (30) eine Schaltung zur Erzeugung der jeweiligen Zuordnungssignale bei aufeinanderfolgenden Zuordnungs-Zeitintervallen enthält, die so ausgewählt sind, dass jedes der jeweiligen GOP-Intervalle eine jeweilige konstante ganze Zahl von Zuordnungs-Zeitintervallen enthält.
  10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – die jeweiligen GOP-Intervalle voneinander abweichen und – der Bitraten-Zuordner (30) folgendes enthält: – eine Schaltung zur Erzeugung der jeweiligen Zuordnungssignale bei aufeinanderfolgenden Zuordnungs-Zeitintervallen, die mit jedem der jeweiligen GOP-Zeitintervalle ausgerichtet sind, die durch die MPEG-Coder (10, 14) erzeugt werden, und – eine Schaltung zur Erzeugung der Bitraten-Zuordnungssignale aufgrund der Dauer des vorangehenden Zuordnungs-Zeitintervalls.
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