DE69529323T2 - Digitaler Videodekoder zum Dekodieren von digitalen hochauflösenden und/oder standardauflösenden Fernsehsignalen - Google Patents

Digitaler Videodekoder zum Dekodieren von digitalen hochauflösenden und/oder standardauflösenden Fernsehsignalen

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DE69529323T2
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dct coefficients
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    • H04N9/8227—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback the individual colour picture signal components being recorded simultaneously only involving the multiplexing of an additional signal and the colour video signal the additional signal being at least another television signal

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Decodierschaltung gemäß Anspruch 1 und ebenso auf ein Verfahren zum Decodieren gemäß Anspruch 5.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Verwendung von digitalen Signalen im Gegensatz zu analogen Signalen für Fernsehübertragungen und die Übertragung von anderen Typen von Video- und Audio-Signalen ist vorgeschlagen worden als ein Weg zum Ermöglichen erhöhter Bildqualität und effizienterer Verwendung von spektraler Bandbreite über diejenige, welche gegenwärtig möglich ist unter Verwendung von analogen NTSC- Fernsehsignalen.
  • Die internationale Standardisierungsorganisation hat einen Standard für Videodatenkompression gesetzt zum Erzeugen eines komprimierten digitalen Datenstroms, der erwartungsgemäß für digitales Fernsehen verwendet wird. Dieser Standard wird bezeichnet als ISO MPEG (internationale Standardisierungsorganisation - Moving Pictures Experts Group) ("MPEG") Standard. Gemäß dem MPEG-Standard werden Videodaten codiert unter Verwendung von Codierung gemäß diskreter Kosinustransformation und werden angeordnet in Datenpaketen, codiert in variabler Länge, zur Übertragung.
  • Eine Version des MPEG-Standards, MPEG-2, ist beschrieben in The International Standards Organization - Moving Picture Experts Group, Draft of Recommendation H.262, ISO/IEC 13818-1 und 13818-2 mit dem Titel "Information Technologie - Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio" (im Folgenden "November 1993 ISO = MPEG-Komitee-Entwurf"), hierdurch explizit durch Bezugnahme einbezogen. Jegliche Bezugnahmen, die in der vorliegenden Patentanmeldung gemacht werden auf MPEG-Videodaten ist zu verstehen, dass er sich auf Videodaten bezieht, welche MPEG-2-Standard entsprechen, wie in den November 1993 ISO-MPEG-Komitee-Entwürfen definiert ist.
  • MPEG-Videodaten können verwendet werden, um entweder Hochauflösungsfernsehen ("HDTV") zu unterstützen, bei welchem die Videorahmen von höherer Auflösung sind als diejenigen, die in gegenwärtigen NTSC-Signalen verwendet werden, oder was als Standardauflösungsfernsehen ("SDTV") bezeichnet wird, z. B. Fernsehen, welches etwa die gleiche Auflösung pro Rahmen aufweist wie der existierende analoge NTSC-Standard. Weil HDTV, welcher den vorgeschlagenen US-Amerikanischen Advanced Television Standard ("US-ATV") umfasst, höhere Auflösung als SDTV bietet, sind mehr Daten erforderlich, um einen HDTV- Rahmen darzustellen als benötigt wird, um ein SDTV-Rahmen darzustellen. Demgemäß ist es möglich, mehrfache SDTV-Signale in der gleichen Bandbreite zu übertragen, die erforderlich ist, um ein einzelnes HDTV-Signal zu unterstützen.
  • MPEG-Hauptprofil beim Hauptniveau ("MP@ML") spezifiziert verschieden artige Anförderungen für ein MPEG erfüllendes Standardauflösungsfernsehsignal und zugeordnete Decodierausrüstung. MP@ML erlaubt Bilder von der Größe 720 · 576 pels für ein gesamtes von 414,720 pels pro Bild. Der vorgeschlagene Standard für US-ATV erlaubt Bilder der Größe 1920 · 1080 pels für ein gesamtes von 2,073,600 pels pro Bild.
  • Wegen der relativ großen Datenmenge, die erforderlich ist, um jeden Rahmen eines HDTV-Bilds zu repräsentieren, müssen HDTV-Decoder viel höhere Datenraten unterstützen als SDTV-Decoder. Der zusätzliche Speicher, der durch einen HDTV-Decoder benötigt wird, im Vergleich zu einem normalen SDTV-Decoder und die erhöhte Komplexität, die mit dem inversen DCT-Schaltkreis und anderen Komponenten eines HDTV-Decoders verbunden ist, kann einen HDTV-Decoder beträchtlich teurer machen als einen SDTV-Decoder.
  • Tatsächlich können die Kosten des Speichers alleine ein HDTV-Gerät, welches einen HDTV-Decoder aufweist, prohibitiv teuer machen für manche Verwender. Es wird erwartet, dass ein vollständiger MPEG-gemäßer Decoder für HDTV ein Minimum von 10 MB von RAM für Rahmenspeicherung benötigt, während ein praktischer HDTV-Decoder wahrscheinlich etwa 16 MB relativ teuren synchronen DRAM benötigt.
  • WO-A-93/17523 bezieht sich auf einen Empfänger zum Empfangen von Blockcodierten HDTV-komprimierten digitalen Videosignalen, welcher die Daten dezimiert in jedem Block, um NTSC-Auflösungs-Bilder zu produzieren, jedoch mit signifikanten Einsparungen in der Empfänger-Hardware. Die Ausführungsform bietet Bilder entsprechend einer Dezimierung, um einen Faktor von 2 in sowohl der vertikalen als auch horizontaler Richtung, der übertragenen Information, wobei eine IDCT angeordnet ist, um 4-Mal-4-Matrizen von Ausgabewerten zu berechnen von 8-Mal-8-Matrizen von Eingabekoeffizient. Die IDCT wird versorgt mit 4-Mal-4-Matrizen von Koeffizienten, ausgewählt von den 8-Mal-8-Matrizen von übertragenen Koeffizienten. Diese Auswahl wird erreicht durch eine Koeffizienten-Maskiervorrichtung, die stromaufwärts zu der Eingabe der IDCT angeordnet ist.
  • EP-A-0 577 428 bezieht sich auf Bildsignalen codieren und decodieren, wobei ein Eingabebild von der halben normalen Auflösung bezüglich der vertikalen und horizontalen Richtung in Hochbildqualität reproduziert wird durch Verarbeiten eines codierten Bitstroms von einer normalen Auflösung. Ein Differenzsignal (nicht übereinstimmendes Fehlersignal), welches den Unterschied zwischen einem vorhergesagten Bild der normalen Auflösung und dem vorhergesagten Bild einer halben Auflösung bezüglich der vertikalen und horizontalen Richtung darstellt, wird codiert, und das codierte Differenzsignal wird übertragen. Hierbei werden niedrig Auflösungs-Bilddaten erhalten durch Komprimieren (Ausdünnen) von Hochauflösungs-Bilddaten. Dies wird erreicht durch Extrahieren von 4-Mal-4- DCT-Koeffizienten von 8-Mal-8-DCT-Koeffizienten-Bilddaten.
  • Demgemäß gibt es ein Bedürfnis für ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche erlauben: (1) eine Vereinfachung der Komplexität des Schaltkreisaufbaus, der erforderlich ist, um einen HDTV-Decoder zu implementieren, (2) eine Verringerung in der Speichermenge, die erforderlich ist, um eine HDTV-Decoderschaltung zu implementieren, und (3) einen einzelnen Decoder, der in der Lage ist, sowohl SDTV- als auch HDTV-Signale zu dekodieren. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass die Kosten eines derartigen Decoders gering genug sind, so dass sie in einem Bereich sind, der akzeptabel ist für die meisten Verbraucher, z. B. etwa die Kosten eines SDTV-Decoders.
  • Während verschiedene Vorschläge danach rufen, nur US-ATV-Signale zu übertragen, ist auch vorgeschlagen worden, dass einige digitale SDTV-Signale übertragen werden können. Verschiedene Kombinationen des Übertragens von HDTV- und SDTV-Signalen sind möglich, wobei mehrfache SDTV-Shows übertragen werden während einer bestimmten Zeit des Tages und eine einzelne HDTV-Sendung übertragen wird in derselben Bandbreite, die für die SDTV- Signale zu einer unterschiedlichen Zeit des Tages verwendet wird.
  • Somit, um kompatibel zu bleiben mit sowohl HDTV- und SDTV-Ausstrahlungen, wäre es wertvoll bei einem Fernsehempfänger, wenn er einen Videodecoder enthält, der in der Lage ist, sowohl HDTV- als auch SDTV-Signale zu decodieren, und weiter, das ein derartige Videodecoder in der Lage ist, bei relativ geringen Kosten implementiert zu werden.
  • Zusätzlich gibt eine Notwendigkeit für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Implementieren von Bild-In-Bild-Fähigkeit bei einer digitalen Übertragung ohne die Kosten von mehrfachen Vollauflösungsdecodern mit sich zu bringen. Bei bekannten analogen Bild-In-Bild-Systemen, während Bild-In-Bild-Operation, wird ein Vollauflösungsdecoder normalerweise verwendet, um das TV-Signal zu decodieren, welches verwendet wird zum Produzieren eines Hauptbildes, und ein zweiter Vollauflösungsdecoder wird verwendet, um das Fernsehsignal zu decodieren, welches verwendet wird, um das zweite Bild bereitzustellen, welches innerhalb eines kleinen Bereiches des Hauptbildes angezeigt wird.
    • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Demgemäß ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Decoderschaltung und ein Verfahren zum Decodieren bereitzustellen, bei welchen anpassbares Auflösungsdecodieren durchgeführt wird und nicht das mehrfache Vollauflösungsdecodieren. Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch die Decoderschaltung gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 5. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zum Reduzieren der Komplexität von digitaler Videodecoderschaltung und zum Reduzieren von Videodecoder-Speicheranforderungen. Es wird ein HDTV-Decoder beschrieben, der in der Lage ist, HDTV-Signale bei weniger als vollständiger HDTV-Auflösung zu decodieren, z. B. bei etwa SDTV- Auflösung und/oder zum Decodieren von SDTV-Signalen. Es wird erwartet, das als ein Ergebnis der verschiedenen Datenreduzierungsmerkmale und Schaltungsvereinfachungen der vorliegenden Erfindung ein kombinierter HDTV/SDTV- Decoder, der Bilder mit etwa HDTV-Auflösung ausgibt, gebaut werden kann bei etwa 130% der Kosten eines digitalen SDTV-Decoders.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden die beschriebenen reduzierten Auflösungs-HDTV-Videodecoder verwendet als Teil einer Bild-In-Bild- Decoderschaltung zum Bereitstellen von Bild-In-Bild-Fähigkeit ohne die Verwendung von mehrfachen Vollauflösungs-Videodecodern.
  • Die Decoder der vorliegenden Erfindung können substantielle Verringerungen hinsichtlich der Schaltungskomplexität und Speicheranforderungen erreichen durch die Verwendung einer Mehrzahl von Datenreduktionstechniken inklusive der Verwendung eines Preparsers, abwärtsabtastend und des Abschneidens von. Datenbytes, welche Pixelwerte darstellen, so dass die Pixelwerte dargestellt werden unter Verwendung von nur 5, 6 oder 7 Bits im Gegensatz zu z. B. 8 Bits pro DCT-Wert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Preparser verwendet, um Daten zu streichen, um einen kleineren Kanalpuffer zu erlauben, als andernfalls erforderlich wäre zu verwenden. Zusätzlich kann der Preparser Lauflängen/Amplitudensymbole für jeden Markoblock streichen, wenn die Anzahl von Lauflängen/Amplitudensymbolen eine maximale vorgewählte Anzahl pro Makroblock überschreitet. In einer Ausführungsform limitiert der Preparser auch die Anzahl von Bits, die pro Einheitszeitperiode ausgegeben werden, z. B. durch Limitieren der Anzahl von Bits pro Makroblock, sodass eine vorbestimmten Datenverarbeitungsrate, die bestimmt wird durch die kombinierte Fähigkeit des codierten Datenspeichers und Syntaxparsers und variable Länge- Decodierschaltung nicht überschritten wird. In dieser Weise erlaubt es die vorliegenden Erfindung, dass ein einfacherer Echtzeit-Syntaxparser und variable Längendecoderschaltung verwendet werden können, als möglich wäre ohne derartiges Preparsing.
  • Des Weiteren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine inverse Quantisierschaltung und eine inverse diskrete Kosinustransformationsschaltung entworfen, um nur einen vorbestimmten Satz von DCT- Koeffizienten entsprechend jedem Makroblock zu verarbeiten und den Rest der Koeffizienten z. B. die DCT-Koeffizienten, die durch den Preparser entfernt wurden, zu Null zu setzen. In dieser Weise werden die Berechnungsanforderungen der inversen Quantisierschaltung und der inversen diskreten Kosinustransformationsschaltung substanziell reduziert, was eine einfachere Schaltungsimplementierung ermöglicht.
  • Zusätzlich zu der Verwendung des Preparsers schaffen die Verwendung eines Abwärtsabtasters und/oder einer Schaltung zum Abschneiden des niedrigstwertigen Bits weitere Reduzierungen in der Menge von Daten, die verwendet werden, um jedes Videobild zu repräsentieren, was in einer signifikanten Reduzierung in den Rahmenpuffer-Speicheranforderungen resultiert.
  • Um für den Effekt von Datenreduktion inklusive Abwärtsabtasten und Dateneliminierung zu kompensieren, kann der Decoder der vorliegenden Erfindung Tief passfilter umfassen.
  • Die oben beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zusammen mit zahlreichen weiteren Merkmalen und Ausführungsformen nachfolgend beschrieben.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Fig. 1 illustriert einen Videodecoder, der die vorliegende Erfindung beispielhaft verkörpert;
  • Fig. 2A illustriert einen Videodecoder, der die vorliegende Erfindung beispielhaft verkörpert;
  • Fig. 2B illustriert eine Videodecoderschaltung, die in der Lage ist, sowohl HDTV- als auch SDTV-Videosignale zu decodieren, und die vorliegende Erfindung beispielhaft verkörpert;
  • Fig. 3A-3E illustrieren 8 · 8-Blocks von DCT-Koeffizienten entsprechend einem HDTV-Makroblock gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 illustriert eine beispielhafte Schaltung zum Decodieren von Videobildern, um Bild-In-Bild-Fernsehoperation zu unterstützen, bei welcher die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können decodierte HDTV-Bilder angezeigt werden mit weniger als voller HD-Auflösung, z. B. bei etwa SD-Auflösung, während SD-Bilder angezeigt werden können mit voller SD-Auflösung. Der Decoder der vorliegenden Erfindung kann implementiert werden als Billig-HDTV-Decoder oder als ein gemeinsamer HD/SD-Fernsehdecoder. Während die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung sich hauptsächlich auf beispielhafte Ausführungsformen von HDTV-, SDTV- und kombinierten HDTV/SDTV-Decoder bezieht, sei verstanden, dass die zahlreichen Merkmale der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um billige digitale Videodecoder mit reduzierter Auflösung zu schaffen, die geeignet sind zum Decodieren von digitalen Bildern im Allgemeinen, und dass diese Offenbarung daher nicht limitiert ist lediglich auf SDTV- und HDTV-Decoder. Des Weiteren, während die beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind als MPEG-kompatible Decoder, sei darauf hingewiesen, dass die Decoder der vorliegenden Erfindung implementiert werden können, um eine Vielzahl von MPEG-ähnlichen Videodatenströmen zu decodieren, die diskrete Kosinustransformations-Datencodierung verwendet.
  • Im Fall von Fernsehgeräten mit relativ kleinen Bildschirmen, z. B. weniger als 20 Inch-Bildschirmen, wird der Unterschied in wahrgenommener Auflösung und Bildqualität zwischen einem HDTV-Signal und einem SDTV-Signal kaum erkennbar sein. Demgemäß sind billige HDTV-Decoder gemäß der vorliegenden Erfindung, welche weniger als volle HDTV-Bildauflösung und Qualität bereitstellen, besonders gut geeignet für derartige Anwendungen wegen ihrer Kostenvorteile. Der Decoder der vorliegenden Erfindung ist auch gut geeignet zum Bereitstellen von Bild-In-Bild-Fähigkeit wegen des kleinen Anzeigefelds des zweiten Bildes, welches angezeigt wird, und der relativ geringen Kosten des Decoders der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit den Kosten eines Voll-HDTV- Decoders.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Decodieren von HD- und SD- Bildern umfasst die Schritte des Reduzierens der Auflösung empfangener HD- Bilder vor dem Decodieren unter Verwendung von z. B. einer Preparser-Einheit und/oder adaptiven Feld/Rahmenabwärtsabtastens, um die Komplexität von späteren Verarbeitungsstufen des Decoders zu reduzieren. Zusätzlich, durch Verwenden einer inversen diskreten Kosinustransformations-("IDCT")-Schaltung, entworfen zum Maximieren des Maßes von allgemeiner Schaltung, verwendet zum Verarbeiten von sowohl reduzierten Auflösungs-HD- als auch SD-Bildern werden die Kosten des Implementierens einer kombinierten HD/SD-Decoderschaltung reduziert.
  • Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 2 ist dort illustriert ein Videodecoder, der allgemein bezeichnet ist durch das Bezugszeichen 100, implementiert gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der illustrierte Decoder 100 ist in der Lage, HD- und/oder SD-Fernsehsignale zu decodieren, z. B. MPEG-gemäße Fernsehsignale. Wenn verwendet als ein HD-Decoder, kann die Decoderschaltung 100 Bilder produzieren von einem HDTV-Signal, welche vergleichbar sind in der Qualität oder etwas besser als SD-Fernsehbilder.
  • Die SD/HD-Videodecoderschaltung 100 umfasst einen Preparser 112, eine Syntaxparser- und variable Längendecoderschaltung 120, einen inversen Quantisierer 122, eine inverse DCT-Schaltung 124, einen Abwärtsabtaster 126, einen Summierer 128, einen Schalter 129, einen Post-Prozessor 136, eine bewegungskompensierte Prädiktions-("MCP")-Schaltung 130 und eine Speicherschaltung 114 mit einem codierten Datenpuffer und einem Rahmenpuffer 118.
  • Verfahren zum Reduzieren der Gesamtkosten eines HDTV-Decoders werden nun beschrieben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der Fig. 1.
  • Im Allgemeinen ist das einzige teuerste Element eines Videodecoders hinsichtlich der Kosten der Rahmenspeicher 118, der umfassen kann z. B. 16 MB von synchronen DRAM in einem HD-Decoder. Der codierte Datenpuffer 116, der verwendet wird für die temporäre Speicherung des komprimierten Bitstroms, repräsentiert geringere aber nicht bedeutungslose Kosten. Ein vollständig MPEG- gemäßer HDTV-Decoder wird erwartungsgemäß mindestens 1 MB von RAM zur Verwendung als ein codierter Datenspeicher benötigen.
  • Weitere Elemente eines Decoders, welche signifikant zu den Kosten des Decoders beitragen, sind die inverse diskrete Kosinustransformationsschaltung ("IDCT") 124 und die inverse Quantisier-("IQ")-Schaltung 122. Die IDCT-Schaltung 124 eines HDTV-Decoders muss eine große Anzahl arithmetischer Berechnungen bei hoher Rate durchführen und stellt daher durchaus einen signifikanten Anteil von Kosten der Decoderschaltung dar. Die IQ-Schaltung 122 führt eine kleinere Anzahl von Berechnungen durch als die IDCT-Schaltung 124, aber wegen der hohen Geschwindigkeit und Komplexität der Berechnungen können die Kosten der IQ- Schaltung 122 auch eine signifikante Komponente der HDTV-Decoder- Gesamtkosten sein.
  • Zusätzlich zu der IDCT-Schaltung 124 und der IQ-Schaltung 122 können Bewegungskompensations- und Interpolationslogik auch einen signifikanten Anteil von logischen Gattern erfordern z. B. kann die Bewegungskompensation und Interpolationslogik mehr logische Gatter erfordern als die IQ-Schaltung zur Implementierung, aber weniger als die IDCT-Schaltung. Der Syntaxparser und die variable Längen-Decodierschaltung 120 können auch eine signifikante Menge logischer Gatter für die Implementierung benötigen.
  • Weil die Kosten und Komplexität eines HDTV-Decoders weitaus eine Funktion der Forderung ist, dass er große Mengen von Daten auf einer Echtzeitbasis verarbeitet, ist es möglich, die Komplexität und somit die Kosten eines HDTV- kompatiblen Decoders zu reduzieren durch Reduzieren der Menge von Daten, die verarbeitet werden müssen. Während das Verwenden von lediglich eines kleinen Anteils der Videodaten, die in einem HDTV-Signal empfangen werden, in reduzierter Auflösung und Bildqualität resultieren, kann durch sorgfältiges Wählen, welche HDTV-Daten zu verarbeiten sind, und das Verfahren, durch welches diese zu verarbeiten sind, Videobildqualität vergleichbar mit oder besser als SD- Fernsehsignale erreicht werden. Wie nachfolgend diskutiert werden wird, dient der Preparser 112 zum dynamischen Limitieren der Menge von Videodaten, die den verbleibenden Elementen der Videoschaltung 100 zugeführt werden inklusive des Syntaxparsers und VLD-Schaltkreises 120, wodurch die Menge von Daten reduziert werden, welche verarbeitet werden müssen durch die nachfolgenden Schaltungselemente auf einer Echtzeitbasis, und die erforderliche Komplexität von solchen Schaltungselementen. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung des Preparsers 112 ist, dass er die Verwendung eines kleineren codierten Datenspeichers 116 erlaubt, als andernfalls erforderlich wäre.
  • Wie in Fig. 2 illustriert ist, hat der Preparser 112 einen ersten Eingang zum Empfang des variablen Längencodierten Bitstroms, der z. B. ein HDTV-Signal darstellt, ausgegeben durch eine Transport-Demultiplexer/Decodierschaltung eines Empfängers, und einen zweiten Eingang zum Empfangen von Datenraten- Steuerinformation. Der Ausgang des Preparser 112 ist gekoppelt mit dem Eingang des codierten Datenpuffers 116, der einen Ratensteuerausgang aufweist, welcher mit dem zweiten Eingang des Preparsers 112 gekoppelt ist.
  • Der Preparser 112 arbeitet, um die Menge von HDTV-Daten zu reduzieren, welche dem codierten Datenpuffer zugeführt werden. Er tut dies durch selektives Abschneiden einiger der empfangenen HDTV-Daten. Unter Verwenden des Preparsers 112 zu Parsen und Abschneiden von Daten vor der variablen Längendecodierung ist es möglich, den Preparser 112 bei einer Datenrate zu betreiben, welche eine Funktion der Datenrate des empfangenen Bitstroms ist. Diese Rate wird beträchtlich geringer sein als die Datenrate, welche die entsprechende Schaltung zur Fähigkeit des Unterstützens hätte, wenn sie nach der variablen Längendecodierschaltung 120 angeordnet wäre. Durch Preparsen der Daten vor dem Speichern in dem codierten Datenpuffer 116 und Syntaxparsen und variabler Längendecodierung wird die Notwendigkeit, die Worst-Case-Verarbeitungsanforderungen zu unterstützen, welche andernfalls durch die SP- und VLD-Schaltung 120 angetroffen würde, vermieden. Weil die maximale Datenrate z. B. die Worst-Case- Datenrate, welche die SP- und VLD-Schaltung 120 normalerweise entwurfsgemäß zu unterstützen hätte, 60 Mal höher als die durchschnittliche Datenrate sein kann, kann eine substantielle Reduzierung in der Komplexität der SP- und VLD- Schaltung 120 erreicht werden durch Verwenden des Preparsers 112, um sicherzustellen, dass Unterstützung für das ähnliche, was normalerweise das Worst- Case-variable Längendecodier-Szenario wäre, nicht bereitgestellt werden muss.
  • Der Preparser 112 parst den hereinkommenden Datenstrom, ohne eine vollständige variable Längendecodieroperation durchzuführen, um Daten zu identifizieren entsprechend verschiedenen Typen von Videorahmen, wie z. B. bidirektional codierte ("B-")Rahmen, prediktiv codierte Videorahmen ("P-")Rahmen und intracodierte ("I-")Rahmen, und um MPEG-Codierelemente zu identifizieren, wie z. B. Makroblöcke mit Bewegungsvektoren und DCT-Koeffizienten zugeordnet zu jedem der identifizierten Rahmen in dem empfangenen Datenstrom.
  • Der Preparser 112 führt mehrere Datenreduktionsoperationen auf einem HDTV- Bitstrom durch wie erforderlich ist, um zu gewährleisten, dass die Verarbeitungskapazität der SP- und VLD-Schaltung 120 und die vollständige Fähigkeit des codierten Datenpuffers 116 nicht überschritten werden. Somit arbeitet der Preparser 112, um zu gewährleisten, dass die Preparser-Ausgabedatenrate innerhalb einer Echtzeit-Decodierenvelope bleibt, die durch die Decodierlimits der anderen Komponenten des Decoders 100 geschaffen wird. Durch Reduzieren der Datenrate wie erforderlich, dient der Preparser 112 auch dazu, die codierten Daten- Puffergrößenanforderungen zu reduzieren, weil der codierte Datenpuffer 116 nur in der Lage sein muss, eine reduzierte Menge von Daten zu speichern.
  • Bei einer Ausführungsform, um zu gewährleisten, dass die Preparser- Ausgabedatenrate innerhalb der vorgewählten Limits der Decodierenvelope bleibt, beschränkt der Preparser 112 die Anzahl von DCT-Koeffizienten, die verwendet werden, um einen Makroblock zu repräsentieren, auf eine vorgewählte Zahl und limitiert auch die Zahl von Bits pro Makroblock durch Entfernen der höchstwertigen DCT-Koeffizienten, die einem empfangenen Makroblock zugeordnet sind, bis die gewünschte Zahl von Bits pro Makroblock, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass die codierte Datenpufferkapazität und die Decodierlimits überschritten werden, erreicht ist. Sowohl die Anzahl von DCT- Koeffizienten pro Makroblock als auch die Anzahl von Bits pro Makroblock können vorgewählt werden, um etwa die gewünschte Datenrate zu erreichen, oder können dynamisch ausgewählt werden durch den Preparser 112.
  • Somit, bei einer Ausführungsform, um seine Ausgabedatenrate zu limitieren auf ein Niveau, welches erforderlich ist, um zu vermeiden, dass der codierte Datenpuffer 116 überläuft, limitiert der Preparser 112 die Anzahl von DCT- Koeffizienten, welche verwendet werden, um jeden Makroblock zu repräsentieren, durch Abschneiden der höheren Frequenz-DCT-Koeffizienten, welche eine vorbestimmte Zahl von DCT-Koeffizienten übersteigen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das Entfernen von AC-DCT-Koeffizienten vorzugsweise durchgeführt werden auf B-Rahmen, dann P-Rahmen und dann I-Rahmen, mit einer Präferenz zum Zurückhalten von Daten in früheren P-Rahmen im Gegensatz zu späteren P-Rahmen, gemessen von dem zuletzt empfangenen I-Rahmen, wie erforderlich ist, um die gewünschte Reduktion in der Preparser-Ausgabedatenrate zu erreichen. Bei den DCT-basierten Videokompressionssystemen sind die DCT- Koeffizienten natürlich geordnet in zwei Dimensionen gemäß vertikalen und horizontalen Frequenzbelegungen. Bei typischen Systemen sind die Koeffizienten einer eindimensionalen Ordnung zugewiesen, um eine sequentielle Übertragung zu erlauben. MPEG erlaubt zwei unterschiedliche Ordnungen, im Allgemeinen genannt Zig-Zag-Abtastung und abwechselnde Abtastung.
  • Es kann auch der Fall sein, dass die Untermenge von DCT-Koeffizienten, welche bewahrt werden, d. h. die DC-DCT-Koeffizienten und AC-DCT-Koeffizienten tieferer Frequenz, nicht abgeschnitten durch den Preparser 112, nicht konsistent sind mit irgendeinem linearen Bereich von Koeffizienten in einem der MPEG- Abtasttypen. In einem derartigen Fall ist es schwierig, die DCT-Koeffizienten zu limitieren auf die gewünschte Menge durch Wegschneiden aller codierten Koeffizienten eines Makroblocks nach einem bestimmten Punkt in dem Datenstrom.
  • Zwei verschiedene Ansätze werden verwendet, um sicherzustellen, dass der Preparser 112 die vorausgewählten DCT-Koeffizienten abschneidet. Gemäß einer ersten Ausführungsform wählt der Preparser 112 den Koeffizientenindex in Abtast-Ordnung aus, nach welchen Koeffizienten abzuschneiden sind. Bei dieser Ausführungsform wird die zurückgehaltene Menge von DCT-Koeffizienten zu nächst alle Koeffizienten umfassen, welche der gewünschten Menge angehören, ebenso wie einige Koeffizienten, welche nicht der gewünschten Menge angehören. Der Preparser 112 sendet dann nur die DCT-Koeffizienten, welche der gewünschten Menge angehören, an den codierten Datenpuffer 116, um an die SP- und VLD-Schaltung 120 weitergereicht zu werden.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform codiert der Preparser 112 den hereinkommenden Bitstrom von neuem. Dies wird getan durch Entfernen von Lauflängen/Amplitudencodes, welche sich auf ungewünschten Koeffizienten beziehen, und durch dann Wiedercodieren der später gewünschte Koeffizienten mit geeigneten modifizierten Lauflängen. Durch Limitieren der Anzahl von DCT- Koeffizienten pro Makroblock schneidet der Preparser 112 effektiv Lauflängen/Amplitudensymbole ab, welche effektiv Null-DCT-Koeffizienten hohe Werte bewirken, was somit eine einfachere IDCT-Schaltung 124 zu verwenden erlaubt, bei einigen Ausführungsformen, im Gegensatz zu der IDCT-Schaltung, die erforderlich wäre, um einen HDVT-Bitstrom vollständig zu decodieren.
  • Das Wegschneiden von Lauflängen/Amplitudensymbolen erlaubt auch einen einfacheren Syntaxparser und variablen Längendecoderschaltkreis 120, die ansonsten erforderlich wären, weil die Verwendung des Preparsers 112 gewährleistet, dass nicht mehr als die vorgewählte Anzahl von Lauflängen/Amplitudenpaaren pro Makroblock ausgegeben werden durch den Preparser 112 für die weitere Verarbeitung.
  • Ein noch weiterer Vorteil des Abschneidens von einigen DCT-Koeffizienten, d. h. das effektive Setzen derartige Koeffizienten auf Null ist, dass der Preparser 112 Tiefpassfilterung durchführt auf einer Makroblockbasis, wodurch die Notwendigkeit für zusätzliches Filtern vor einer Abwärtsabtastungsoperation reduziert oder eliminiert wird, was weiter unten beschrieben werden wird, durchgeführt wird.
  • Bei einer Ausführungsform arbeitet der Preparser 112 auch, um Daten von dem empfangenen Bitstrom zu detektieren und eliminieren, welche einen Einfluss auf spätere Bildqualitäten haben werden. Bei einer derartigen Ausführungsform zerstört der Preparser 112 derartige MPEG-Daten als Bitteilfüllung und Startcode- Nullfüllung, um hierdurch die Datenrate zu reduzieren, ohne die Bildqualität zu beeinflussen. Durch Eliminieren derartiger unnötiger Daten können die Preparser- Ausgabedatenrate und die Größe des codierten Datenpuffers 116 reduziert werden in dieser Weise ohne Einfluss auf die Bildqualität.
  • Gemäß der Erfindung stellt der Preparser 112 die Menge des Abschneidens von Daten ein, durchgeführt als eine Funktion der Speichermenge, die verfügbar ist in dem codierten Datenpuffer 116 zum Speichern der empfangenen Daten. Um ein derartiges dynamisches Datenabschneiden zu ermöglichen, kann der codierte Datenpuffer 116 eine Datenraten-Überwachungsschaltung umfassen, welche ein Signal erzeugt, welches dem zweiten Eingang des Preparsers 112 zugeführt wird, der anzeigt, wie viele Daten gespeichert werden zu einer beliebigen gegebenen Zeit in dem codierten Datenpuffer 116.
  • Bei einer derartigen Ausführungsform unterhält der Preparser 112 ein Modell der codierten Datenpuffer-116-Belegung und arbeitet, um zu gewährleisten, dass der Puffer 116 niemals überläuft. In dem Maße, wie die Pufferbelegung ansteigt, wie angegeben durch das Signal, welches von dem Puffer 116 empfangen wird, wird der Preparser 112 strenger in der Menge von Hochfrequenzinformation, welche abgeschnitten wird, wobei die Anzahl von DCT-Koeffizienten pro Makroblock von einer vorgewählten Maximalzahl zu einer kleineren Zahl weiter verringert wird.
  • Der Preparser 112 kann die Pufferbelegungseigenschaften des empfangenen Bitstroms betrachten, z. B. die Weise, in welcher die Videodaten ursprünglich codiert wurden für die Datenübertragung, und diese Information als ein Faktor verwenden beim Bestimmen, welche Information abgeschnitten werden sollte, um die erforderliche Reduktion in der Datenrate zu erreichen.
  • Als ein Merkmal der dynamischen Steuerung seiner Ausgabendatenrate und somit Puffersteuerung, berechnet der Preparser 112 und speichert die Anzahl von Bits, die verwendet werden, um jede Zeile von Makroblocks zu codieren, welche ein Bild umfassen, wenn die Daten empfangen werden. Während diese Zahl dramatisch variieren kann von Zeile zu Zeile und Bild zu Bild, weil der Decoder in etwa die gleiche Menge von Zeit benötigt, um jede Zeile von Makroblocks zu verarbeiten unabhängig von der Anzahl von Bits, die verwendet werden, um die Zeile von Makroblocks darzustellen, kann der Preparser die Rate von Pufferentleerung voraussagen. Wenn diese Rate als relativ schnell erwartet wird, z. B. weil eine große Anzahl von Bits verwendet werden, um die vorherigen Zeilen von Makroblöcken darzustellen, kann der Preparser 112 weniger Daten von dem empfangenen Datenstrom abschneiden ohne Einfluss auf das Überlaufen des codierten Datenspeichers 116. Jedoch, wenn relativ wenige Bits verwendet werden, um die Makroblöcke zu codieren, welche die vorherigen Zeilen von Makroblöcken repräsentieren, wird der codierte Datenpuffer 116 sich auf einer vergleichsweise langsamen Basis leeren, was erfordert, dass der Preparser 112 mehr Daten von dem empfangenen Datenstrom entfernt, bis der codierte Datenpuffer 116 weniger belegt wird.
  • Bei einer Ausführungsform, um die Implementierungskosten zu minimieren, ist der Preparser 112, der auch als ein Bitstrom-Preprozessor bezeichnet werden kann, entworfen, um mit der hereinkommenden Bitrate zu arbeiten, und ist implementiert unter Verwendung einer Bit-seriellen Architektur. Alternativ kann der Preparser 112 ein ganzes Zeichen auf einmal parsen, und mit einer Rate, die niemals die Datenrate des empfangenen variablen längencodierten Bitstroms, dividiert durch die minimale Länge eines Symbols in dem Bitstrom übersteigt.
  • Wie unten diskutiert werden wird, wenn die Decoderschaltung 100 verwendet wird als ein gemeinsamer HDTV-Decoder und SDTV-Decoder mit reduzierten Kosten, wird der Datendurchsatz gewählt, um das Weiterreichen eines Vollraten- SDTV-Bitstroms zu erlauben.
  • Der codierte Datenpuffer 116, der gekoppelt ist mit dem Preparser 112, in der oben beschriebenen Weise, wird verwendet, um temporär die variablen längencodierten Daten zu speichern, die durch den Preparser 112 ausgegeben werden, bis der Syntaxparser und die variable Längendecodierschaltung 120 bereit ist, die Videodaten zur Verarbeitung anzunehmen.
  • Die Syntaxparser- und variable Längendecodierschaltung 120 hat einen Eingang gekoppelt mit einem Datenausgang des codierten Datenpuffers 116, um von dort die variablen längencodierten Daten, die temporär dort gespeichert sind, zu empfangen. Die Syntaxparser- und variable Längendecodier-("SP und VLD")- Schaltung 120 decodiert die empfangenen Daten zu einem konstanten Längenbitstrom.
  • Durch Verwenden des Preparsers 112 in der oben beschriebenen Weise werden die Berechnungsanforderungen der SP- und VLD-Schaltung 120 substantiell reduziert im Vergleich zu dem Fall, bei welchem alle empfangenen Daten Syntaxgeparst und variabel längendecodiert werden. Der Preparser 112 limitiert effektiv die Anzahl von DCT-Koeffizienten, welche variabel längendecodiert werden müssen für jeden beliebigen gegebenen Makroblock durch Entfernen von Koeffizienten, welche die vorgewählte maximale Zahl überschreiten, die erlaubt ist pro Makroblock, wodurch somit die Last der Echtzeit-SP und VLD-Schaltung 120 reduziert wird durch Setzen einer klaren Grenze hinsichtlich der Menge von Daten, welche für jeden Makroblock zu verarbeiten sein werden.
  • Der Ausgang der SP- und VLD-Schaltung 120 ist gekoppelt mit dem Eingang der inversen Quantisierungs-("IQ")-Schaltung 122, welche ihrerseits einen Ausgang hat, der mit dem Eingang der IDCT-Schaltung 124 gekoppelt ist.
  • IQ- und IDCT-Schaltungen 122 und 124 von reduzierter Komplexität sind implementiert gemäß der vorliegenden Erfindung durch absichtliches Einstellen vorgewählter AC-DCT-Koeffizienten entsprechend jedem Makroblock auf Null. Der IQ-Schaltkreis 122 kann entworfen sein, um diese Funktion durchzuführen.
  • Der IQ-Schaltkreis 122 empfängt Daten, die ausgegeben werden durch die SP- und VLD-Schaltung 120, und arbeitet, um DCT-Werte von Null zu erzeugen für vorgewählte DCT-Koeffizienten unabhängig von dem Eingabewert der vorgewählten DCT-Koeffizienten. In dieser Weise braucht die IQ-Schaltung eigentlich die vorgewählten DCT-Koeffizienten nicht zu verarbeiten, welche an ihrem Eingang empfangen werden, sondern nur die verbleibenden DCT-Koeffizienten.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform stellt die IQ-Schaltung 122 alle mit Ausnahme der oberen linken 4 · 4-Regionen von DCT-Koeffizienten einer Menge von 8 · 8-DCT-Koeffizienten, welche einen HDTV-Makroblock repräsentieren, auf Null ein. Fig. 3A illustriert den resultierenden Effekt auf einem 8 · 8-Bloch von DCT-Koeffizienten, welche einen Makroblock darstellen. In der Illustrierung von Fig. 3 werden Xs verwendet, um DCT-Werte zu repräsentieren, welche eigentlich nicht verarbeitet werden durch die IQ-Schaltung 122, während wie dargestellt, alle anderen DCT-Werte auf Null gesetzt werden.
  • Demgemäß, bei einer derartigen Ausführungsform, muss der IQ-Schaltkreis 122 nur eine Schaltung umfassen zum Durchführen von inverser Quantisierung von 16 der möglichen 64 DCT-Koeffizienten, entsprechend jedem Makroblock und Schaltung zum Ausgeben von Nullen für die verbleibenden DCT- Koeffizientenwerte. In dieser Weise werden die inversen Quantisierungsberechnungsanforderungen reduziert um einen Faktor von 4. Die Komplexität der IDCT- Schaltung 124 ist reduziert in einer ähnlichen Weise, weil eine vorgewählte Anzahl der DCT-Werte auf Null gesetzt werden wird durch den IQ-Schaltkreis 122.
  • MPEG erlaubt die Verwendung von entweder verschränkten Bildern oder nicht verschränkten Bildern. Wenn Videodaten als verschränkte Bilder codiert werden, kann die DCT-Operation durchgeführt worden sein entweder auf einer Feld- oder einer Rahmen-DCT-Basis. Wenn verschränkte Videodaten codiert werden auf einer Rahmen-DCT-Basis, repräsentieren die Hochfrequenzkoeffizienten temporäre wie auch räumliche Informationen. In einem derartigen Fall kann es wünschenswert sein, hohe vertikale Frequenzen beizubehalten, um die Bewahrung temporärer Information zu maximieren.
  • Demgemäß, bei einer beispielhaften Ausführungsform, in welcher zu erwarten ist, dass einige verschränkte Bilder, codiert auf einer Rahmen-DCT-Basis empfangen werden, ist die IQ-Schaltung 120 dazu entworfen, alle DCT-Koeffizienten auf Null zu zwingen mit Ausnahme der DCT-Koeffizienten, welche Zeilen 0, 1, 6 und 7 und Spalte 0, 1, 2, 3 von einem 8 · 8-DCT-Koeffizienten-zweidimensionalen Feld entsprechen, welches einen HDTV-Makroblock repräsentiert. Ein derartiger Fall ist dargestellt in Fig. 3B, wo Xs verwendet werden, um DCT-Koeffizienten- Werte zu repräsentieren, welche verarbeitet werden durch den IQ-Schaltkreis 122, und Nullen verwendet werden, um die vorausgewählten DCT-Koeffizienten zu repräsentieren, welche auf Null eingestellt sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass es möglich ist, andere DCT-Koeffizienten zu wählen als diejenigen, welche bei den Ausführungsformen der Fig. 3A und 3B dargestellt sind, um sie auf Null zu setzen, abhängig von der gewünschten Implementierung.
  • Die IDCT-Schaltung 124 empfängt die Daten, die ausgegeben werden durch die inverse Quantisierungsschaltung 122, und führt eine inverse DCT-Operation auf den empfangenen Daten durch. Weil gemäß der vorliegenden Erfindung vorausgewählte DCT-Koeffizienten absichtlich zu Null gesetzt wurden, braucht die inverse DCT-Schaltung keine Schaltung zum Verarbeiten derartiger Koeffizienten zu umfassen. Somit, wie bei dem inversen Quantisierungsschaltkreis 122, kann die IDCT-Schaltung 124 implementiert werden unter Verwendung eines relativ einfachen Schaltkreises.
  • Der Ausgang der IDCT-Schaltung 124 ist gekoppelt mit dem Eingang des Abwärtsabtasters 126. Der Abwärtsabtaster 126 wird verwendet, um die Daten abwärts zu tasten entsprechend jedem Bild vor der Speicherung in den Rahmenpuffer 118. Als ein Ergebnis der Abwärtsabtastoperation wird die Menge von Daten, die erforderlich ist, um einen Videorahmen darzustellen, substantiell reduziert. Zum Beispiel, wenn der Abwärtsabtaster 126 implementiert ist, um die Hälfte der digitalen Sampels zu entfernen, welche verwendet werden, um ein Bild darzustellen, wird die Menge von Daten, welche zu speichern sein würden, reduziert um einen Faktor von etwa 2, was substantiell die Menge des Speichers reduziert, die erforderlich ist, um den Rahmenpuffer 118 zu implementieren.
  • Bezug nehmend nunmehr kurz auf Fig. 2A, ist dort eine weitere Ausführungsform des Decoders gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wie angegeben durch das Bezugszeichen 200. Gleichbezifferte Elemente in Fig. 1 und 2A sind die gleichen oder ähnliche zueinander und werden somit nicht nochmals im Detail beschrieben werden. In dem Decoder 200 wird ein kleiner Puffer 202, z. B. ein Puffer, der in der Lage ist, die Daten entsprechend einigen Zeilen eines Videorahmens zu speichern, in Kombination mit einem Tiefpassfilter 204 verwendet, um den Ausgang der IDCT-Schaltung 124 mit dem Eingang des Abwärtsabtasters 126 zu koppeln. Der Puffer 202 speichert Videodaten, welche mehrere Abtastlinien eines Bildes repräsentieren, welches dann tiefpassgefiltert wird durch den Tiefpassfilter 204 vor dem Abwärtsabtasten, um die Blockhaftigkeit in dem Bild zu reduzieren, welche sonst resultieren würde von der Abwärtsabtastungsoperation.
  • Bezug nehmend wiederum auf Fig. 1, kann gesehen werden, dass der Ausgang des Abwärtsabtasters 126 gekoppelt ist mit einem ersten Eingang des Summierers 128 und einem ersten Eingang des Schalters 129. Ein zweiter Eingang des Summierers 128 ist gekoppelt mit dem Ausgang der MCP-Schaltung 130, welche Bewegungskompensationsinformation dem Summierer 128 zuführt, um kombiniert zu werden mit empfangenen P- und B-Videorahmen. Die Videodaten, die durch den Summierer 128 ausgegeben werden, repräsentieren einen Videorahmen, der verarbeitet worden ist unter Verwendung von Bewegungskompensationsdaten, uni die relevante Videoinformation zu umfassen von den vorherigen und/oder nachfolgenden Ankerrahmen. Die Ausgabe des Abwärtsabtasters 126 repräsentiert andererseits entweder volldecodierte Bilddaten oder decodierte Prädiktionsüberbleibsel in den Fällen von Intrarahmen-codierten Makroblöcken bzw. nicht- Intrarahmen-codierten Makroblöcken. Der Schalter 129 wird gesteuert, wie im Stand der Technik bekannt ist, um selektiv den Ausgang des Abwärtsabtasters 126 zu koppeln mit dem Eingang des Rahmenpuffers 118, wenn der empfangene Videomakroblock nicht codiert wurde unter Verwendung von Bewegungskompensierter Prädiktion, z. B. wenn die Videodaten, die durch den Abwärtsabtaster ausgegeben werden, Intrarahmen-codiert waren. Wenn jedoch die Videodaten, die ausgegeben werden durch den Abwärtsabtaster 126, codiert wurden unter Verwendung von bewegungskompensierter Prädiktion, z. B. wenn es B-Rahmen- oder P-Rahmendaten sind, wird der Ausgang des Summierers 128 gekoppelt durch den Schalter 129 mit dem Eingang des Rahmenpuffers 118.
  • Die empfangenen abwärtsabgetasteten, dekomprimierten Videorahmen werden gespeichert in dem Rahmenpuffer 118. Der Rahmenpuffer 118 hat einen erstem Ausgang, der gekoppelt ist mit einem Eingang der MCP-Schaltung 130, und einen zweiten Ausgang, der gekoppelt ist mit einem Eingang des Postprozessorsschaltkreises 136. In dieser Weise wird die MCP-Schaltung versorgt mit abwärtsabgetasteten Videorahmen, die zu verwenden sind als Ankerrahmen für Bewegungskompensationszwecke.
  • Bezug nehmend kurz wiederum auf Fig. 2A kann gesehen werden, dass der Decoder 200 eine zusätzliche Schaltung zum Reduzieren der Menge von Daten umfasst, die gespeichert werden müssen durch den Rahmenpuffer 118, d. h. eine Unterdrückungsschaltung 208 für das niedrigswertige Bit ("LSB"). Die LSB- Schaltung 208 koppelt den Ausgang des Schalters 129 mit dem Eingang des Rahmenpuffers 118. MPEG nimmt an, dass 8 Bits verwendet werden pro pel, wenn ein Videorahmen repräsentiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Rahmenpuffer-Speicheranforderungen zu reduzieren, werden eines oder mehrere niedrigstwertige Bits unterdrückt von jedem Satz von Bits, welche ein pel repräsentieren. Zum Beispiel bei einer Ausführungsform, unterdrückt die LSB- Unterdrückungsschaltung 208 die Daten, welche ein pel repräsentieren, von 8 Bits auf z. B. 6 oder 7 Bits. Wenn die Daten, die jedem pel entsprechen, unterdrückt werden auf 6 Bits, resultiert daraus eine Dateneinsparung von etwa 25%.
  • Die Menge durchgeführter Unterdrückung kann implementiert werden als eine Funktion des Typs von Rahmen, welchen die Daten entsprechen. Weil Reduktion in der Auflösung in Ankerrahmen die Qualität von Rahmen beeinflusst, welche diese Rahmen zu Bewegungskompensationszwecken verwendet, kann es wünschenswert sein, die Auflösung dieser Rahmen weniger zu reduzieren als Rahmen, wie z. B. B-Rahmen, welche die Qualität anderer Rahmen nicht beeinflussen.
  • Demgemäß, bei einer Ausführungsform, werden Ankerrahmendaten, z. B. I- und P-Videorahmendaten, abgeschnitten auf 7 Bits pro pel, während Daten, welche nicht verwendet werden für Ankerrahmen, z. B. B-Rahmendaten, abgeschnitten werden auf 5 Bits pro pel.
  • Wenn LSB-Abschneiden verwendet wird, um Rahmenpuffer- Speicheranforderungen zu reduzieren, um MPEG-Kompatibilität aufrechtzuerhalten, ist es nötig, die gespeicherten Daten in einem 8 Bits-pro-pel-Format zu repräsentieren. Demgemäß sind die Ausgänge des Rahmenpuffers 118 gekoppelt mit Auffüllschaltungen 206, 207 zum Auffüllen des niedrigstwertigen Bit, welche die niedrigstwertigen Bits der Datenauffüllung, welche durch den Rahmenpuffer 118 ausgegeben werden, mit Nullen, um sicherzustellen, dass die Daten entsprechend jedem pel von einem Rahmen repräsentiert werden durch 8 Bits. Der Ausgang der LSB-Auffüllschaltung 206 ist gekoppelt mit dem Eingang der MCP- Schaltung, wodurch die MCP-Schaltung mit abwärtsabgetasteten Videorahmendaten versorgt wird. Der Ausgang der LSB-Auffüllschaltung 207 ist gekoppelt mit dem Eingang eines optionalen Tiefpassfilters 209, welcher seinerseits gekoppelt ist mit der Nachverarbeitungsschaltung 136. Der optionale Tiefpassfilter 209 reduziert den Effekt des Quantisierungsrauschens, welches erzeugt wird als ein Ergebnis des Unterdrückungs- und Auffüllungsprozesses, aber auch resultiert in einer leichten Reduzierung in der Auflösung des Videorahmens, welcher der Nachverarbeitungsschaltung 136 zugeführt wird.
  • Der Betrieb der MCP-Schaltung 130, dargestellt in Fig. 1 und 2A, welche entworfen ist, um zu arbeiten unter Verwendung von Bewegungsvektoren, die erzeugt werden gemäß dem MPEG-Standard, wird nun beschrieben werden.
  • MPEG unterstützt die Verwendung von Bewegungskompensation und insbesondere von P-Rahmen und B-Rahmen, deren jede sich auf einen anderen Rahmen als ein Ankerrahmen stützen. Die Bewegungsvektoren, die empfangen werden als Teil des Videodatenstroms, zugeführt zu dem Preparser 112, werden berechnet zur Codierzeit zur Verwendung mit Vollauflösungsvideorahmen im Gegensatz zu abwärtsabgetasteten Videorahmen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die abwärtsabgetasteten Rahmen, die durch den Rahmenpuffer 118 der MCP-Schaltung 130 zugeführt werden, auf 1 wärtsabgetastet, d. h. im Flug interpoliert und dann abwärtsabgetastet vor dem Erzeugen von Prädiktionen auf der Basis der Bewegungsvektoren. In dieser Weise werden die Bewegungsvektoren, welche ursprünglich erzeugt wurden auf der Basis von Vollauflösungsvideorahmen, effektiv auf abwärtsabgetastete Videorahmen angewendet.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst die MCP-Schaltung 130 einen Aufwärtsabtaster 131, der einen Eingang gekoppelt hat mit dem ersten Ausgang des Rahmenpuffers 118 und einen Ausgang, gekoppelt mit dem Eingang einer halb-pel- Interpolationsschaltung 132. Der Ausgang der halb-pel-Interpolationsschaltung 132 ist gekoppelt mit dem Eingang eines bewegungskompensierten Prädiktionsmoduls 135. Der Ausgang des bewegungskompensierten Prädiktionsmoduls 135 ist gekoppelt mit einem Abwärtsabtaster 133, der seinerseits einen Ausgang auf 1 weist, der gekoppelt ist mit dem Eingang der Durchschnittsprädiktionenschaltung 134. Der Ausgang der Durchschnittsprädiktionenschaltung 134, der als der Ausgang der MCP-Schaltung 130 dient, ist gekoppelt mit dem zweiten Eingang des Summierers 128.
  • Verschiedenartige bekannte Aufwärtsabtast- und Abwärtsabtastfilter können verwendet werden für den Aufwärtsabtaster 131, bzw. Abwärtsabtaster 133. Jedoch haben für die besten Ergebnisse Simulationen gezeigt, dass es sehr wichtig ist, dass der Abwärtsabtaster 133 einen Abwärtsabtastungsprozess verwendet, welcher exakt invers zu dem Aufwärtsabtastprozess ist, weil selbst kleine Differenzen bemerkbar gemacht werden in inter-codierten Videorahmen nach vielen Generationen von Prädiktionen.
  • Es gibt verschiedene Arten, wie das erforderliche Aufwärtsabtasten und Abwärtsabtasten durchgeführt werden kann. Zum Beispiel, bei einer Ausführungsform, wird ein bilineares Aufwärtsabtastungsfilter mit einem 3 · 3-Kern und einem Mittenkoeffizienten gleich 1.0 verwendet als der Aufwärtsabtaster 131 und ein Abwärtsabtaster, der kein Filtern durchführt, wird verwendet als der Abwärtsabtaster 133. Diese Auswahl von Filtern ermöglicht ein vernünftig gutes Aufwärtsabtasten mit keiner zusätzliche Unschärfe während des Abwärtsabtastens. Diese Filteranordnung arbeitet besonders gut, wenn das residuelle Bild, welches zu akkumulieren ist während Prädiktion, tiefpassgefiltert worden ist vor den Akkumulationen. Ein derartiges Tiefpassfiltern wird, wie oben diskutiert, erreicht in gewisser Weise als ein Ergebnis des Preparsers 112, der AC-DCT-Koeffizienten höherer Ordnung von Makroblöcken entfernt, welche mehr als die vorgewählte maximale Anzahl von DCT-Koeffizienten pro Makroblock aufweisen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Aufwärtsabtastungsfilter verwendet mit einer Kerngröße von 2 · 2 Pixels als der Aufwärtsabtaster 131 und ein Abwärtsabtastungsfilter wird verwendet mit derselben Kerngröße wie das Aufwärtsabtastungsfilter und einer Transferfunktion, der Art, dass die Faltung der Aufwärtsabtastungsfiltertransferfunktion und der Abwärtsabtastungsfiltertransferfunktion einen 3 · 3-Kern produziert, dessen mittlerer Koeffizient 1.0 ist.
  • Während es vorzuziehen ist, dass identische Abwärtsabtastungsschaltungen verwendet werden für den Abwärtsabtaster 126, 123, ist es nicht nötig, dass dies tatsächlich der Fall ist. Jedoch ist es wichtig, dass der Abwärtsabtaster 133 mit dem Aufwärtsabtaster 131 übereinstimmt, wie oben dargelegt, um gute Resultate zu bieten.
  • MPEG erlaubt es, dass der Anteil eines Bild entsprechend einem zu codierenden Makroblock entweder in einer verschränkten oder nicht verschränkten Weise. Makroblöcke entsprechend nicht verschränkten Bildern werden immer codiert unter Verwendung eines Rahmen-DCT-Formats und mit Makroblöcken entsprechend verschränkten Bildern, die codiert werden unter Verwendung entweder eines Feld- oder Rahmen-DCT-Formats. Abwärtsabtasten kann durchgeführt werden separat auf jedem einzelnen Makroblock. Abwärtsabtasten von Makroblöcken entsprechend nicht verschränkten Bildern wird durchgeführt durch den Abwärtsabtaster 126 auf einer Rahmen-Basis.
  • Jedoch hinsichtlich Makroblöcken entsprechend verschränkten Bildern, kann Abwärtsabtasten durchgeführt werden entweder auf einer Feld- oder Rahmen-Basis für jeden Makroblock.
  • Wie oben dargestellt, führt der Abwärtsabtaster 126 Abwärtsabtasten auf nicht verschränkten Bildern auf einer Rahmen-Basis durch. Jedoch mit Bezug auf verschränkte Bilder, kann es durchgeführt werden entweder auf einer Feld- oder Rahmen-Basis. Somit, in dem Fall von Makroblöcken von verschränkten Bildern ist man konfrontiert mit einer Entscheidung, ob das Abwärtsabtasten, durchgeführt durch die Abwärtsabtaster 126, 133, durchgeführt werden sollte auf einer Feld- oder einer Rahmen-Basis. Feldbasiertes Abwärtsabtasten bewahrt den größten Grad von temporärer Auflösung, während rahmenbasiertes Abwärtsabtasten das Potenzial des Bewahrens des größten Grades von räumlicher Auflösung hat. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Bilder abwärtsabgetastet in einer konsistenten Weise entweder auf einer Feld- oder Rahmen-Basis, wenn verschränkte Bilder empfangen werden. Demgemäß werden bei einer Ausführungsform sowohl verschränkte als auch nicht verschränkte Bilder abwärtsabgetastet auf einer Rahmen-Basis. Während bei einer anderen Ausführungsform nicht verschränkte Bilder abwärtsabgetastet werden auf einer Rahmen- Basis, während verschränkte Bilder abwärtsabgetastet werden auf einer Feld- Basis.
  • Bei einer etwas weiter herausgearbeiteten Ausführungsform führt der Abwärtsabtaster 126 Abwärtsabtasten auf verschränkten Bildern sowohl auf einer Feld- als auch Rahmen-Basis durch mit dem bestimmten Verfahren abhängig von dem gerade verarbeiteten Makroblock.
  • Feldbasiertes Abwärtsabtasten ist am besten geeignet, wenn es nicht viel Hochfrequenzgehalt in dem Makroblock gibt, welcher gerade abwärtsabgetastet wird und/oder es viel Bewegung gibt, welche mit dem Makroblock assoziiert ist. Andererseits ist rahmenbasiertes Abwärtsabtasten am besten geeignet, wenn es signifikanten Hochfrequenzinhalt in dem gerade verarbeiteten Makroblock gibt und/oder wenig Bewegung dem Makroblock zugeordnet ist. Demgemäß bestimmt in einer Ausführungsform der Abwärtsabtaster 126 die beschriebene Charakteristik für jeden Makroblock eines verschränkten Bildes und bestimmt dynamisch die arm besten geeignete Methode zum Abwärtsabtasten des einzelnen Makroblocks.
  • Bei einer noch anderen Ausführungsform, welche Abwärtsabtasten auf sowohl einer Feld- als auch Rahmen-Basis unterstützt, welche jedoch relativ wenig Schaltungsaufwand benötigt zum Bestimmen, welcher Abwärtsabtastungsansatz verwendet werden soll, folgt der Abwärtsabtaster 126 hauptsächlich der Wahl, welche durch den Codierer getroffen wurde, wenn er ursprünglich den Makroblock codiert hat, der gerade abwärtsabgetastet wird, weil das Kriterium, das verwendet wurde zum Zuvorentscheiden, ob der Makroblock auf einer Feld- oder Rahmen-DCT-Basis zu codieren war, ähnlich demjenigen Kriterium ist, welches verwendet werden sollte, um zu entscheiden, ob auf einer Feld- oder Rahmen- Basis abwärtsabgetastet werden sollte.
  • Demgemäß, bei einer Ausführungsform, abwärtsabtastet der Abwärtsabtaster 126 Makroblöcke entsprechend einem verschränkten Bild auf einer Rahmen-Basis, wenn sie codiert waren auf einer Rahmen-DCT-Basis, und abwärtsabtastet diese auf einer Feld-Basis, wenn sie codiert waren auf Feld-DCT-Basis.
  • Während das Abwärtsabtasten von Rahmen vor der Speicherung in dem Rahmenpuffer 114 die Rahmenpuffer-Speicheranforderungen reduziert, hat es einen Nachteil des Erforderns der Verwendung des Abwärtsabtasters 131, halb-pel- Interpolationsschaltung 132 und Abwärtsabtasters 133, um vollen Vorteil der Bewegungsvektoren zu ziehen. Derartige Schaltung erhöht etwas die Verarbeitungserfordernisse im Vergleich zu denjenigen von Standard-MCP-Schaltungen 15, weil die Ankerbilddaten aufwärtsabgetastet werden müssen vor der Interpolation, wenn halb-pel-Auflösung erzielt werden soll. Es sei darauf hingewiesen, dass als eine Alternative zum Aufwärtsabtasten, Interpolieren und dann Abwärtsabtasten ein weniger komplizierter und somit weniger kostenträchtiger Weg, Bewegungskompensation durchzuführen, mit etwas geringeren Qualitätsergebnissen, ist, den Wert jedes originalen Bewegungsvektors zu dividieren durch die Zahl des Auflösungsverlusts und das durchschnittliche Zahlenresultat der Divisionsoperation als den neuen Bewegungsvektorwert zu verwenden.
  • Während Abwärtsabtasten somit dazu tendiert, MCP-Verarbeitungserfordernisse etwas zu erhöhen, hat es den Vorteil des Reduzierens der Komplexität der Eingabe/Ausgabe-Schaltung für die MCP-Schaltung, weil die Datenbandbreite in die und von der MCP-Schaltung 130 reduziert wird als ein Ergebnis des Abwärtsabtastens durch denselben Faktor wie die Pufferrahmen-Speicheranforderungen.
  • Gemäß einer Ausführungsform, um die Verarbeitungs- und Bandbreitenanforderungen der MCP-Schaltung 130 zu reduzieren und somit die Komplexität der MCP-Schaltung 130, wird bidirektionale und dual-primäre Prädiktion vermieden. Somit wird die Notwendigkeit für die durchschnittliche Prädiktionsschaltung auf der Fähigkeit, Ankerrahmen simultan zu verarbeiten, eliminiert. Wenn einmal ein Bild aufwärtsabgetastet worden ist durch den Aufwärtsabtaster 131, wird Interpolation durchgeführt durch die halb-pel-Interpolationsschaltung. Das bewegungskompensierte Prädiktionsmodul führt dann tatsächlich die Bewegungsvektoren dem aufwärtsabgetasteten Bild zu, welches dann abwärtsabgetastet wird durch den Abwärtsabtaster 133. Wenn das gerade verarbeitete Bild ein bidirektional codiertes Bild ist, werden die Aufwärtsabtastungsinterpolation, Bewegung und Prädiktionsoperationen durchgeführt auf zwei Ankerrahmen, welche dann zusammen gemittelt werden durch die Mittelungsprädiktionsschaltung, um eine einzelne Bildausgabe durch die MCP-Schaltung 135 zu erzeugen.
  • Dies wird erreicht durch Verwenden von nur einem einzelnen Referenz- oder Ankerbild für Prädiktionszwecke, selbst wenn der Makroblock-Typ-Flag, der zugeordnet ist einem Makroblock, der verarbeitet wird, angibt, dass es ein bidirektional codierter Makroblock ist, d. h. ein Makroblock, der codiert wurde auf der Basis des Inhalts von zwei verschiedenen Bildern.
  • Bei einer derartigen Ausführungsform, wenn die bidirektional codierten Makroblöcke empfangen werden, führt die MCP-Schaltung 130 Bewegungskompensation durch unter Verwendung von nur einer Referenz trotz der Tatsache, dass das Makroblock-Typ-Flag, welches dem gerade verarbeiteten einzelnen Makroblock zugeordnet ist, in dem Datenstrom angibt, dass Bewegungskompensation durchgeführt werden sollte unter Verwendung von zwei Referenzen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform detektiert die Aufwärtsabtastungsschaltung 131, wenn ein bidirektional oder dual codierter Makroblock verarbeitet wird, selektiert, welches von den zwei möglichen Ankerbildern zugeordnet dem Makroblock zu verwenden ist für Prädiktionszwecke, und aufwärtsabtastet dann nur das ausgewählte Ankerbild.
  • Bei einer Ausführungsform wählt die Aufwärtsabtasterschaltung 131 aus, welches von den zwei möglichen Ankerbildern zu verwenden ist für Prädiktionszwecke, durch Wählen des Ankerbildes, welches das temporär nächstgelegene ist zu dem gegenwärtigen Bild und somit dem gerade verarbeiteten Makroblock. Wenn die zwei Ankerbilder temporär äquidistant sind, wählt die Mittlungsprädiktionsschaltung 134 das frühere der beiden möglichen Ankerbilder aus, um hierdurch das eine von den zwei Ankerbildern zu wählen, welches die geringere Degradierung auf Grund von Drift erlitten hat.
  • Weil Fehler sich nicht von B-Bildern fortpflanzen, weil sie nicht verwendet werden als Anker für nachfolgende Bilder, kann ein ziemlich großer Anteil von Störung, d. h. von dem Typ verursacht durch Verwenden von nur einem einzelnen Ankerbild für Prädiktionszwecke, toleriert werden mit Bezug auf B-Bilder. Jedoch kann die Verwendung eines einzelnen Ankerbildes für Prädiktionszwecke mit dual-primär codierten Sequenzen resultieren in etwas weniger zufriedenstellenden Resultaten, weil Prädiktionsfehler sich fortpflanzen, wenn dual-primär codierte Sequenzen verwendet werden.
  • Bezug nehmend mehr auf Fig. 2B, ist dort dargestellt eine Videodecoderschaltung 300, die in der Lage ist, HDTV-Signale zu decodieren mit weniger als der vollen HDTV-Auflösung und SDTV-Signale bei voller SD-Auflösung. Wie dargestellt, ist die Decoderschaltung 300 ähnlich der Decoderschaltung 100, umfasst jedoch zusätzliche Schaltungen, d. h. eine HDTV/SDTV-Modussteuerschatlung 310 zum Steuern der Betriebsart der Decoderschaltung, einen Satz von Schaltern 301, 302, 303 und einen Multiplexer 341 zum Umgehen des Preparsers 112 des Decoders, Abwärtsabtaster 126, Aufwärtsabtaster 131 und Abwärtsabtaster 133, wenn die HDTV/SDTV-Modussteuerschaltung 310 bestimmt, dass ein SDTV-Signal gerade empfangen wird. Wenn die HDTV/SDTV-Modussteuerschaltung 310 bestimmt, dass ein HDTV-Signal empfangen wird, steuert es Schalter 301, 302, 303 und Multiplexer 341, um die Schaltungselemente anzuschließen im Allgemeinen in derselben Weise, wie illustriert in der Ausführungsform von Fig. 1, so dass die Datenreduzierungseigenschaften der Decoderschaltung 300 von Fig. 2B wirksam sind.
  • Die HDTV/SDTV-Modussteuerschaltung 310 empfängt als ihre Eingabe den variablen längencodierten Bitstrom. Vom Analysieren der Daten in dem Bitstrom z. B. Header-Information, welche die Auflösung der empfangenen Videorahmen angibt, bestimmt sie, ob sie HDTV-Daten empfängt, d. h. Daten einer höheren Auflösung als sie decodieren kann, ohne Datenreduktionsoperationen auf den empfangenen Daten durchzuführen, oder SDTV-Daten, d. h. Daten, welche der Decoder 300 voll decodieren und speichern kann, ohne irgendwelche Datenreduktionsoperationen durchzuführen.
  • Die HDTV/SDTV-Modussteuerschaltung 310 erzeugt ein Modussteuersignal, welches einen Positionssteuereingang des Schalters 301 zugeführt wird, welcher Teil ist des Preparsersmodul 312, einen Positionssteuereingang des Schalters 302, welcher Teil ist des Abwärtsabtastermoduls 326, und einen Positionssteuereingang des Schalters 303 und Multiplexer 341, welcher Teil ist eines Bewegungsvektor-Interpolationsmoduls 333. Wie oben diskutiert, arbeitet das Ausgabesignal der HDTV/SDTV-Modussteuerschaltung 310, um jedes der Module 312, 326 und 333 zwischen einem ersten Betriebsmodus, z. B. einem SDTV-Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus, z. B. einem HDTV-Betriebsmodus umzuschalten. In einer derartigen Weise Wird der Decoder 300 durch die HDTV/SDTV- Modussteuerschaltung gesteuert, um eine Datenreduktion durchzuführen, um die Auflösung der empfangenen Rahmen während des zweiten Modus zu reduzieren, d. h. des HDTV-Betriebsmodus, jedoch nicht während des ersten Betriebsmodus, d. h. des SDTV-Betriebsmodus.
  • Während der Rahmenpuffer 118, codierte Kanalpuffer 116, IQ-Schaltkreis 122, IDCT-Schaltung 124, MCP-Schaltung 330 und SP- und VLD-Schaltung 120 im Allgemeinen die gleichen sind in dem Decoder 300 wie in dem Decoder 100, werden etliche Merkmale jedes dieser Decoderelemente diskutiert werden, weil sie sich auf die besondere Ausführungsform, dargestellt in Fig. 2B beziehen, z. B., wenn sie implementiert sind als ein Teil eines Decoders, der in der Lage ist, sowohl ein Fernsehsignal einer ersten Auflösung als auch ein Fernsehsignal, welches von niedriger Auflösung als das erste Fernsehsignal ist, zu decodieren, z. B. HD- und SD-Fernsehsignale.
  • Der Preparser 112, in der Ausführungsform, dargestellt in Fig. 2B, ist dazu entworfen, die Datenrate eines empfangenen HDTV-Signals auf etwa diejenige eines SDTV-Signals zu reduzieren. Somit limitiert der Preparser 112 die Anzahl von Lauflängen/Amplitudensymbolen pro codiertem Makroblock und die Anzahl von Bits pro Makroblock, so dass die SP- und VLD-Schaltung 120 funktionieren kann bei ungefähr der gleichen Rate, wenn sie HDTV-Signale verarbeitet wie wenn sie SDTV-Signale verarbeitet, z. B. bei der MP@ML-spezifizierten maximalen Datenrate.
  • Dies reduziert die Speicheranforderung für den codierten Datenpuffer 116, der als ein Kanalpuffer dient. Somit verwendet der Decoder 300 einen Kanalpuffer, der die Speicheranforderungen für einen SDTV-Decoder erfüllt, jedoch kleiner ist als derjenige, der erforderlich ist für einen vollständig MPEG-gemäßen HDTV- Decoder. U. S. ATV spezifiziert einen Kanalpuffer von 8 MB wohingegen nur 1.5 MB erforderlich sind, um einen MP@ML-Kanalpuffer zu implementieren. Weil die MP@ML-Spezifikation 830 Kbits mehr benötigt für einen Rahmenpuffer als benötigt werden zum Decodierten reduzierter Auflösungsvideobilder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, können diese 830 Kbits des Rahmenpuffers, die nicht verwendet werden für Bildspeicherung während HDTV- Modusoperation verwendet werden, um den Speicher des Kanalpuffers zu vervollständigen, wenn im HDTV-Modus gearbeitet wird. Somit gemäß der vorliegenden Erfindung wird der codierte Datenspeicher implementiert unter Verwendung von ungefähr 2.33 Mbits, welche auch erforderlich sind, um einen Vollauflösungs-SD-Decoder zu implementieren.
  • Es ist die Verantwortung des Preparsers 112, sicherzustellen, dass der codierte Kanalpuffer 116 nicht überläuft während HDTV-Modusoperaton. Dies wird erreicht z. B. dadurch, dass der Preparser 112 die weniger nützlichen DCT- Koeffizienten abschneidet, um den kleineren als Vollgrößen-HDTV-Kanalpuffer 116 vom Überlaufen zu bewahren.
  • Während die SP- und VLD-Einheit 120 dazu entworfen ist, mit der gleichen allgemeinen Datenrate wie einer SDTV-Datenrate zu arbeiten, ist sie auch dazu entworfen, den größeren Bereich von Parameterwerten aufzunehmen, der erlaubt ist für das HDTV-Codieren im Vergleich zum SDTV-Decodieren, z. B. Rahmenrate, Bildhorizontalgröße und Bildvertikalgröße. Somit ist die SP- und VLD-Schaltung 120 wegen des größeren Bereichs von Parameterwerten, der erforderlich ist, um sowohl HDTV- als auch SDTV-Decodieren zu unterstützen, etwas komplizierter als eine herkömmliche SDTV-Syntaxparser- und variable Längendecodierschaltung in dieser Hinsicht.
  • Wie oben beschrieben, ist der Ausgang des Syntaxparsers 120 gekoppelt mit dem Eingang des IQ-Schaltkreises 122, welcher seinerseits gekoppelt ist mit der IDCT-Schaltung 124. Die IQ- und IDCT-Schaltung 122, 124 des Decoders 300 werden nun beschrieben.
  • MPEG MP@ML erlaubt Pixelraten von bis zu 10.4 Millionen Pixels pro Sekunde. U. S. ATV erlaubt Pixelraten von bis zu 62.2 Millionen Pixels pro Sekunde.
  • IQ-Schaltung, welche MP@ML IQ-Anforderungen erfüllt, wird verwendet für den IQ-Schaltkreis 122 des Decoders 300. Bei einer derartigen Ausführungsfom ist der IQ-Schaltkreis 122 entworfen, um alle der DCT-Koeffizienten eines SDTV-Makroblocks zu verarbeiten, jedoch nur z. B. 10 oder 11 DCT- Koeffizienten eines HDTV-Makroblocks.
  • Das heißt der IQ-Schaltkreis 122 ist entworfen, um eine vorgewählte Gruppe von DCT-Koeffizienten eines HDTV-Makroblocks auf Null zu setzen, während der Verarbeitung der verbleibenden 10 oder 11 DCT-Koeffizienten jedes HDTV- Makroblocks, der gerade verarbeitet wird.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden für HDTV-Makroblöcke, die decodiert sind unter Verwendung von Feld-DCTs, die DCT-Koeffizienten eines 8 · 8-Makroblocks abgeschnitten durch den IQ-Schaltkreis 122, wie in Fig. 3C gezeigt ist, wo Nullen verwendet werden, um abgeschnittene DCT-Koeffizienten darzustellen, und Xs verwendet werden, um DCT-Koeffizienten darzustellen, welche verarbeitet werden durch den IQ-Schaltkreis 122. Für HDTV- Makroblöcke, die decodiert sind unter Verwendung von Rahmen-DCTs, werden die DCT-Koeffizienten eines 8 · 8-Makroblocks abgeschnitten durch den IQ- Schaltkreis 122, wie in Fig. 3D gezeigt ist.
  • Die IDCT-Schaltung 124, wie der IQ-Schaltkreis 122, ist dazu entworfen, nur einen kleinen Prozentsatz der DCT-Koeffizienten zu verarbeiten, die einen HDTV-Makroblock zugeordnet sind, z. B. die gleichen DCT-Koeffizienten, die durch den IQ-Schaltkreis 122 verarbeitet werden.
  • Eine IDCT-Maschine, die in der Lage ist, schnelle eindimensionale 8-Punkt- IDCTs durchzuführen, kann verwendet werden, um die 2-D-IDCT-Operation zu implementieren, die durch die IDCT-Schaltung 124 gefordert wird. Eine herkömmliche MP@ML-IDCT-Maschine kann verwendet werden, um etwa drei 8- Punkt-IDCTs zu berechnen in der Zeit, die erlaubt ist für IDCT-Verarbeiten eines HDTV-Makroblocks. Demgemäß, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, werden nur DCTs in den ersten drei Spalten eines HDTV- Makroblocks verarbeitet durch die IDCT-Schaltung 124, z. B. die DCT- Koeffizienten, die durch Xs indiziert sind in Fig. 3C und 3D.
  • Demgemäß umfasst in einer Ausführungsform die IDCT-Schaltung 124 eine MP@ML-gemäße IDCT-Maschine zum Berechnen von IDCTs der ersten drei Spalten eines HDTV-Makroblocks und aller IDCTs eines SDTV-Makroblocks. Weil gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die DCT-Koeffizienten aller mit Ausnahme der ersten drei Spalten eines 8 · 8-HDTV- Makroblocks zu Null gesetzt sind, gibt es keine Notwendigkeit, die IDCTs zu berechnen für jegliche Koeffizienten außerhalb der ersten drei Spalten.
  • Während die MP@ML-IDCT-Maschine verwendet wird, um die Spalten-IDCTs zu berechnen, ist eine IDCT-Maschine zum Berechnen der Zeilen-IDCTs für einen HDTV-Makroblock auch umfasst in der IDCT-Schaltung 124. Jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung kann dies eine relativ einfache IDCT-Maschine sein, weil 5 der 8 Zeilenkoeffizienten immer Null sein werden durch das vorgewählte Einstellen derartiger Koeffizienten auf Null. Des Weiteren, weil nur die ersten zwei oder drei Spalten Koeffizientenwerte umfassen, welche zu verwenden sind in der Berechnung von Zeilen-DCTs, müssen nur zwei oder drei Punkte berechnet werden für jede Zeilentransformation. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Ausführungsform, welche die 8 · 8-DCT-Anordnung verwendet, dargestellt in Fig. 3C und 3D, nur vier Zeilen zu transformieren sind, wenn kein zusätzliches Filtern durchgeführt wird vor dem Abwärtsabtasten durch den Abwärtsabtaster 126.
  • Als ein alternatives Verfahren zum Implementieren einer IDCT-Schaltung 124, welche eine MP@ML-IDCT-Maschine verwendet als Teil der HDTV-Decoder- IDCT-Schaltung, kann das Niedrigfrequenzrecheck von Koeffizienten von mehreren Makroblöcken kombiniert werden in einen einzelnen Makroblock, wie dargestellt in Fig. 3E, wo "1" verwendet wird, um Niedrigfrequenzkoeffizienten von einem ersten Makroblock darzustellen, "2" wird verwendet, um Niedrigfrequenzkoeffizienten von einem zweiten Block darzustellen, "3" wird verwendet, um Niedrigfrequenzkoeffizienten von einem dritten Makroblock darzustellen, und "4" wird verwendet, um Niedrigfrequenz-DCT-Koeffizienten von einem vierten Makroblock darzustellen.
  • Gemäß dieser alternativen Ausführungsform ordnet die IDCT-Schaltung 124 die DCT-Koeffizienten von vier verschiedenen HDTV-Makroblöcken in einen einzelnen 8 · 8-Block von DCT-Koeffizienten in der beschriebenen Weise an und eine konventionelle 8 · 8-Punkt-IDCT-Maschine wird dann verwendet, um den zusammengesetzten Block von DCT-Koeffizienten zu verarbeiten. Nach Bearbeiten durch die 8 · 8-Punkt-IDCT-Maschine werden verhältnismäßig einfache lineare Operationen, durchgeführt auf dem Ergebnis der IDCT-Operation, verwendet, um eine gute Näherung der IDCTs der Niedrigfrequenzkoeffizienten zu erzeugen von jeder einzelnen der vier Komponenten-HDTV-Makroblöcke, die verwendet werden, um den zusammengesetzten Koeffizientenblock zu bilden.
  • Wie oben diskutiert, werden die Videobilddaten, die von der IDCT-Schaltung 124 ausgegeben werden, abwärtsabgetastet, wenn der Decoder 300 im HDTV-Modus arbeitet, bevor sie gespeichert werden in dem Rahmenpuffer 118, um hierdurch weiter die Speicheranforderung zu reduzieren.
  • MP@ML ermöglicht Bilder der Größe von 720 · 576 pel für ein gesamtes von 414720 pels pro Bild, während US ATV Bilder erlauben der Größe von 1920 · 1080 pels pro Bild. Sequenzen, die empfangen werden in dem 1920 · 1080 pel- Bildformat, können abwärtsabgetastet werden um einen Faktor von 3 horizontal und einen Faktor von 2 vertikal, um eine maximale Auflösung von 640 · 540 pels zu liefern für ein gesamtes von 345,600 pels. Bei einer derartigen Ausführungsform ist dieselbe Menge von Speichern, benötigt zum Implementieren eines Vollauflösungs-SD-Decoders, zufriedenstellend zum Speichern eines abwärtsabgetasteten HDTV-Videobildes. Somit wäre der Speicher, vorgesehen für MP@ML, adäquat ebenfalls für den reduzierten Auflösungs-HDTV-Decoder, mit zusätzlichen 830 Kbits verfügbar für andere Zwecke, z. B. zur Verwendung als Teil des codierten Datenpuffers 116, wenn er im HDTV-Modus, wie oben beschrieben arbeitet.
  • Durch Wählen von Decoderkomponenten, die entworfen sind in der oben beschriebenen Weise, ist es möglich, einen kombinierten Niedrigauflösungs-HDTV- Decoder und einen Vollauflösungs-SD-Decoder zu implementieren mit Kosten, welche voraussichtlich etwa 130% der Kosten eines Vollauflösungs-SDTV- Decoders betragen. Der Decoder 300 kann verwendet werden als Teil eines Fernsehgeräts, welches zu entworfen ist, sowohl HDTV- als auch SDTV-Signale zu decodieren und anzuzeigen, bei relativ niedrigen Kosten im Vergleich zu einem System, welches einen Vollauflösungs-HDTV-Decoder enthält.
  • Die Decoder, dargestellt in jeder der Fig. 1 und 2A-2B, können auch verwendet werden, um Bild-In-Bild-Fähigkeit in einem HDTV- oder SDTV-Gerät zu implementieren, ohne den Aufwand zu erfahren, einen Vollauflösungs-Decoder zu haben für den Decoder, verwendet zum Anzeigen des Bildes, gezeigt innerhalb des Hauptbildes eines Bild-In-Bild-Displays.
  • Damit ein MPEG-kompatibles digitales Fernsehgerät in einem Bild-In-Bild- Modus arbeitet, müssen zwei MPEG-Decoder verwendet werden, ein erster Decoder zum Decodieren des Vollauflösungs-Bildes, welches anzuzeigen ist in einem ersten Abschnitt des Bildschirms, und einen zweiten Decoder, zum Decodieren des Bildes in reduzierter Größe, welches auf einem zweiten kleineren Abschnitt des Bildschirms angezeigt wird.
  • Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 4, ist dort dargestellt ein Bild-In-Bild-("PIP")- Decoder 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der PIP-Decoder 400 empfängt MPEG-gemäße demodulierte digitale Videoinformationen, z. B. entweder ein SB- oder HDTV-Signal, von einem Tuner/Demodulator 399, der den Eingang eines primären, z. B. Vollauflösungs-Decoders 401 zugeführt wird und dem Eingang eines oder mehreren reduzierten Auflösungs-Decodern, d. h. den ersten und zweiten reduzierten Auflösungs-Decodern 402, 403.
  • Der primäre Decoder 401 ist verantwortlich zum Decodieren des Hauptbildes eines Bild-In-Bildes, während die ersten und zweiten Decoder verantwortlich sind zum Erzeugen separater Bilder, welche angezeigt werden in einem zweiten Bereich des Hauptbildes. Ein separater reduzierter Auflösungs-Decoder 402 oder 403 wird verwendet für jedes zusätzliche Bild, welches anzuzeigen ist zusätzlich zu dem Hauptbild.
  • Der Ausgang des primären Decoders 401 und der reduzierten Auflösungs- Decoder 402, 403 ist gekoppelt mit dem Eingang eines Bild-In-Bild- Videoverarbeitungsschaltkreises, welcher arbeitet, um das Hauptbild mit den reduzierten Auflösungs-Bildern zu kombinieren, welche ausgegeben werden durch die reduzierten Auflösungs-Decoder 402, 403, bevor das resultierende kombinierte Bild angezeigt wird.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Größe der reduzierten Auflösungs-Bilder, inkorporiert in das Hauptbild, ausgewählt, 1/4 · 1/4 von der Größe des normalen Bildes zu sein. Bei einer derartigen Ausführungsform braucht jeder MPEG-8 · 8- Pixelblock nur decodiert zu werden zu einer Größe entsprechend einem Block von 2 · 2 Pixels.
  • Die Kosten der IDCT-Schaltung 124, die verwendet wird in den reduzierten Auflösungs-Decodieren 402, 403, können substantiell reduziert werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Durchführen der IDCT-Operation auf nur 2 · 2- Blöcken im Gegensatz zu 8 · 8-Blöcken. Dies wird erreicht durch z. B. Zurückhalten und Verarbeiten von nur dem oberen linken 2 · 2-Block von DCT- Koeffizienten von jedem 8 · 8-DCT-Koeffizientenblock eines HDTV-Bildes, wobei alle anderen DCT-Koeffizienten auf Null gesetzt werden. Demgemäß, in einer derartigen Ausführungsform, sind die IDCT-Schaltungskosten reduziert auf etwa die Kosten einer Schaltung, welche eine 2 · 2-IDCT durchführen kann im Gegensatz zu einer 8 · 8-IDCT.
  • Der IQ-Schaltkreis 122 der reduzierten Auflösungs-Decoder 402, 403 kann vereinfacht sein in einer ähnlichen Weise, wobei der IQ-Schaltkreis 122 nur auf einen 2 · 2-Block von DCT-Koeffizienten arbeitet, d. h. vier Koeffizientenwerte, im Gegensatz zu 64 DCT-Koeffizientenwerten, welche einen 8 · 8-DCT- Koeffizientenblock bilden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die reduzierten Auflösungs-Decoder 402, 403 die Niedrigauflösungsrahmen in ihrer reduzierten Größe speichern. Somit kann durch Verwendung von 2 · 2-DCT-Koeffizientenblöcken die Größe der Rahmenpuffer etwa 1/16tel der Größe sein, welche erforderlich wäre, wenn 8 · 8- DCT-Koeffizientenblöcke, d. h. Vollauflösungsblöcke gespeichert würden.
  • Zusätzlich zum Reduzieren von Rahmenpuffergröße dient der Preparser 112 dazu, Kanalpufferanforderungen zu reduzieren und die Komplexität der SP- und VLD- Schaltung durch, gemäß der PIP-Ausführung, Abschneiden von Amplituden/Lauflängen-Paaren gemäß jedem Makroblock, der die vier Amplitude/Lauflängen-Paare überschreitet, welche verwendet werden durch den reduzierten Auflösungs-PIP-Decoder 402 oder 403.
  • Bei einer PIP-Ausführungsform kann die MCP-Schaltung 130 Interpolation auf den Referenzrahmen für Makroblöcke durchführen, deren Bewegungsvektoren nicht gleich teilbar sind durch vier, um gute Prädiktionsergebnisse zu erhalten. Für eine weniger aufwendige und etwas qualitätsschlechtere Implementierung könnten Bewegungsvektoren gerundet werden auf den nächsten Faktor von vier und angewandt werden ohne Interpolation.
  • Während die obige PIP-Decoderausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist in dem Kontext des Verwendens von 1/4 · 1/4- Größenbildern für die sekundären Bilder, die in das primäre Bild einzufügen sind, könnten auch andere Bildgrößen erzeugt werden zu reduzieren Kosten, beispielsweise 1/2 · 1/2-Größenbilder, unter Verwendung des oben beschriebenen Decoders 100. In einem derartigen Fall müsste das Abwärtsabtasten durchgeführt werden in einer Weise, welche die gewünschte Reduktion in Größe und Datenrate produziert.
  • Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, verwendet werden kann, um Bild-In-Bild-Fähigkeit in einen SDTV- Empfänger ebenso wie einen HDTV-Empfänger zu schaffen. Des Weiteren ist die dargestellte PIP-Decoderanordnung in keiner Weise limitiert auf einen spezifischen Grad von Auflösung bezüglich des primären Decoders 401 und man benötigt nur, dass der oder die sekundären Decoder 402, 403 implementiert werden als reduzierte Auflösungs-Decoder im Vergleich zu der Auflösung, die durch den primären Decoder unterstützt wird.

Claims (8)

1. Dekodierschaltung zum Dekodieren digitaler Videodaten mit Bildern bei einer Auflösung geringer als die volle Auflösung der Bilder, wobei jedes Bild eine Mehrzahl von Makroblöcken aufweist, wobei jeder Makroblock eine Mehrzahl von DCT-Koeffizienten aufweist, wobei die Dekodierschaltung aufweist:
Reparser-Mittel (112) zum Empfangen der digitalen Videodaten und zum Entfernen, von jedem Makroblock DCT-Koeffizienten, die eine vorgewählte maximale Anzahl von DCT-Koeffizienten per Makroblock überschreiten; und
einen Kanalpuffer (116), gekoppelt mit den Preparser-Mitteln (112) zum temporär Speichern der Videodaten, die durch die Preparser-Mittel (112) ausgegeben werden, und
des Weiteren gekoppelt mit den Preparser-Mitteln (112) durch eine Rückkopplungsleitung und
wobei der Kanalpuffer (116) den Preparser-Mitteln (112) signalisiert, die Ausgabedatenrate der Preparser-Mittel (112) zu steuern als eine Funktion der Menge von Daten, die in dem Kanalpuffer (116) gespeichert sind.
2. Dekodierschaltung gemäß Anspruch 1, bei welcher jeder DCT-Koeffizient repräsentiert ist durch eine Anzahl von Bits und bei welcher jeder Makroblock repräsentiert ist durch die totale Anzahl von Bits, welche die DCT-Koeffizienten, repräsentieren, die in dem Makroblock enthalten sind, und
bei welcher die Preparser-Mittel (112) arbeiten, um die DCT-Koeffizienten von jedem individuellen Makroblock zu entfernen, bis die Anzahl von Bits, die verwendet werden, um den individuellen Datenblock zu repräsentieren, nicht mehr eine vorbestimmte maximale Anzahl von Bits überschreitet.
3. Dekodierschaltung gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend:
Syntax-Parser (120) und eine variable Längen-Dekodierschaltung (120), gekoppelt mit dem Kanalpuffer (116); und
eine inverse Quantisierungsschaltung (122), gekoppelt mit dem Syntax- Parser (120) und der variablen Längen-Dekodierschaltung (120) zum invers Quantisieren nur einer beschränkten vorgewählten Anzahl von DCT- Koeffizienten per Makroblock und zum Ausgeben von Nullen entsprechend den DCT-Koeffizienten des Makroblocks, welche nicht invers quantisiert sind, wobei die beschränkte Anzahl von DCT-Koeffizienten per Makroblock kleiner ist als eine maximal mögliche Anzahl von DCT- Koeffizienten per Makroblock.
4. Dekodierschaltung gemäß Anspruch 3, bei welcher die limitierte vorgewählte Anzahl von DCT-Koeffizienten per Makroblock kleiner als 11 ist und bei welcher die maximal mögliche Anzahl von DCT-Koeffizienten per Makroblock 64 ist.
5. Verfahren zum Dekodieren variabler Längen-kodierter digitaler Videodaten mit Bildern, zu einer Auflösung geringer als die volle Auflösung der Bilder, wobei jedes Bild eine Mehrzahl von Makroblöcken aufweist, wobei jeder Makroblock eine Mehrzahl von DCT-Koeffizienten aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen digitaler Videodaten;
Pre-Parsing (112) der variablen Längen-kodierten digitalen Videodaten, um Makroblöcke zu identifizieren, die in den digitalen Videodaten enthalten sind, und der DCT-Koeffizienten, die in den identifizierten Makroblöcken enthalten sind;
Entfernen von den pre-geparsten digitalen Videodaten, der DCT- Koeffizienten, die in jedem Makroblock enthalten sind, die eine vorgewählte Anzahl von DCT-Koeffizienten überschreiten;
Speichern der digitalen Videodaten, die dem Entfernen unterworfen sind, in einem kodierten Datenspeicher (116),
Überwachen der Menge von Daten, die in dem kodierten Datenspeicher gespeichert sind, um die Belegung des kodierten Datenspeichers zu bestimmen; und
dynamisch Einstellen, bei dem Entfernungsschritt, der totalen Anzahl von Bits, die per Makroblock erlaubt sind, von der vorgewählten maximalen Anzahl zu einer kleineren Anzahl, wenn die kodierte Datenspeicherbelegung ansteigt, um sicher zu stellen, dass der kodierte Datenpuffer nicht überläuft.
6. Dekodierverfahren gemäß Anspruch 5, bei welchem jeder DCT- Koeffizient repräsentiert ist durch eine Anzahl von Bits, und bei welcher jeder Makroblock repräsentiert ist durch die totale Anzahl von Bits, die die DCT-Koeffizienten repräsentieren, die in dem Makroblock enthalten sind, wobei das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist:
vor dem Speichern der digitalen Videodaten in dem kodierten Datenpuffer, Entfernen von DCT-Koeffizienten von jedem identifizierten Makroblock, bis jeder identifizierte Makroblock repräsentiert ist durch eine totale Anzahl von Bits, die kleiner ist als eine vorgewählte maximale Anzahl von Bits.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5, weiter den folgenden Schritt aufweisend: Syntax-Parsen (120) und variables Längen-Kodieren (120) der Videodaten, die in dem kodierten Datenpuffer gespeichert sind, um einen variablen Längen-dekodierten Videodaten-Stream zu erzeugen mit Makroblöcken, wobei jeder Makroblock eine Mehrzahl von DCT-Koeffizienten aufweist; und
invers Quantisieren (122) einer vorgewählten Anzahl von DCT- Koeffizienten, die in jedem Makroblock des variablen Längen-dekodierten Video-Streams enthalten sind, und Ausgeben von Null-Werten entsprechend den Makroblock-DCT-Koeffizienten, welche nicht invers quantisiert sind.
8. Dekodierverfahren gemäß Anspruch 7, weiter den folgenden Schritt aufweisend:
Durchführen einer inversen diskreten Kosinus-Transformationsoperation (124) auf den invers quantisierten Videodaten.
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