JPH09510069A - 結合ビットレート制御を用いるディジタルビデオ信号エンコーダのバッファリング - Google Patents

結合ビットレート制御を用いるディジタルビデオ信号エンコーダのバッファリング

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JPH09510069A JP8520318A JP52031896A JPH09510069A JP H09510069 A JPH09510069 A JP H09510069A JP 8520318 A JP8520318 A JP 8520318A JP 52031896 A JP52031896 A JP 52031896A JP H09510069 A JPH09510069 A JP H09510069A
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Abstract

(57)【要約】 ビデオチャネル(A,B)を多重化するのに好適なビデオ信号符号化装置であって、各エンコーダ段(10,12)を有し、これらエンコーダ段は受信したビデオ信号をMPEG基準のような予め定めたコード化スキムに基づき符号化すると共に可変ビットレートデータ流をエンコーダチャネルバッファ(16)に出力する。このエンコーダチャネルバッファは、固定された物理的なサイズを有すると共に各チャネルに割り当てた個別の部分を有する単一のバッファ(16)として結合される。バッファ管理手段(18)は各チャネルに割り当てられている有効バッファ領域のサイズを変化させ、全有効バッファ領域をエンコーダ出力ビットレートの和全体により規定されるバッファの物理的限界内に維持する。エンコーダバッファの出力はマルチプレクサ(28)により適切に単一のデータ流に結合され受信機(30〜36)により復号化される。

Description

【発明の詳細な説明】 結合ビットレート制御を用いるディジタルビデオ信号エンコーダの バッファリング 本発明は、各入力チャネルにおいて受信された2又はそれ以上の伝送信号を符 号化するビデオ信号符号化装置であって、受信したビデオ信号を予め定めたコー ド化スキムに基き符号化されたビデオフレーム当たりのデータビットの特定され た数として符号化し、前記受信したビデオ信号を前記特定された数により決定し たビットレートを有するデータ流として出力するように動作する各チャネルのエ ンコーダ段と、前記エンコーダ段に結合され、各エンコーダ段についてのビデオ フレーム又はフレーム群あたりの前記特定された数を、各エンコーダ段出力ビッ トレートの和がほぼ一定になるように設定するように構成した目標設定手段と、 前記各エンコーダ段からの可変ビットレートデータ流を受信するように結合され 、格納したデータ信号をそれぞれ特定されたビットレートで出力するように構成 した各バッファ手段とを具えるビデオ信号符号化装置に関するものである。 個々のチャネルビットレートの変化にもかかわらず、全エンコーダ出力ビット レートを一定に維持する技術は結合ビットレート制御として既知であり、多重プ ログラムビデオ信号符号化に利用することが有益であり特にMPEG基準に基づ いてコード化されたビデオ信号に有益である。結合ビットレート制御のシステム は2個の課題、すなわちビット割り当てとバッファ管理の課題を処理する技術的 方策が必要である。ビット割り当てを処理するため、プログラム(チャネル信号 )の必要なビットは均一に分布し、有用なビットはプログラムにわたって拡散し ている。一方、この場合、バッファ管理の課題に直面し、このバッファ管理の課 題はそれ自身数個の副次的な問題を含んでいる。これらの副次的な問題は、19 92年の12月に発行されたIEEEトランザクションズ「サーキッツ アンド システムズ フォー ビデオ テクノロジー」第2巻、No.4、第361頁 〜第372頁に記載されている文献“コンストレインツ オン バリャブル ビ ットレート ビデオ フォー ATM−ネットワークス”アミ レイマン及びバ リー ハスケル著、に記載されている。このレイマンとハスケルの文献は、非同 期伝達モード(ATM)におけるエンコーダ及びデコーダバッファリングに起因 する制約、特に可変ビットレートデータチャネルがエンコーダ及びデコーダと関 連する場合のオーバフロー又はアンダフローを防止するために必要な別の制約に ついて検討されている。 上記著者は、各ビデオフレームについての符号化されたビットの数及び可変ビ ットレートチャネルを経て伝送されたビットの数を結合的に選択する方法につい て記述している。この方法は有用な選択を低減するので、エンコーダバッファ及 び特にデコーダバッファにより伝送されるビットレートに課せられる種々の制約 に起因する必要性が示唆されている。 本発明の目的は、デコーダバッファ動作の効率を改善することにある。 本発明の別の目的は、エンコーダバッファ管理の効率をより高くすることにあ る。 本発明によれば、冒頭部で述べた型式のビデオ信号符号化装置において、各バ ッファ手段が単一のメモリ装置中にそれぞれメモリ領域を具え、各チャネルの格 納要件を、各チャネル格納入力ビットレートと出力ビットレートとの間の差異か ら決定すると共に各格納要件により決定した比率でメモリ領域をチャネルに割り 当てるように構成したメモリ管理手段を具えるビデオ信号符号化装置を提供する 。 本発明の好適実施例に基づいて詳細に説明するように、結合ビットレート制御 により課せられる制約に対する利点が得られるので、単一の管理されたバッファ メモリを用いることにより、必要なバッファの容量を相当節約することができる 。全バッファメモリ領域は、好ましくはエンコーダ出力ビットレートの和に関係 し、チャネルの最大瞬時格納要件とチャネル数との積よりも小さくする。一方、 このような節約は、個別のチャネルバッファを用いる場合不可能である。 バッファされたチャネルについての適切な出力ビットレートを取り出すため、 対応するエンコーダ段出力ビットレートからのチャネルに対するレートを取り出 す手段を設けることができる。バッファ出力がエンコーダ出力レートの割合とな り、この割合がエンコーダ出力レートに対して逆比例で関係する適当な取り出し 技術は本願人による米国特許出願第08/366339号に詳細に記載されてお り、その開示内容は本願の内容として援用する。 結合ビットレート制御を行なう目標設定手段は、各チャネルにおいて受信され たビデオ画像フレームの各情報内容に関係する比率を取り出す比較器手段を含む ことができる。チャネル毎のフレーム当たりのビットの特定された数は、上記比 率に基づきチャネル中において得られるビットの全数を分割することにより設定 される。 本発明を用い、各バッファ出力信号を単一データ流に結合する手段を設けその 後分離し受信機によりデコードすることにより単一チャネルビデオ信号符号化装 置に多重チャネルを設けることができる。このバッファ出力を結合する手段はマ ルチプレクサとすることができる。 本発明は、上述した符号化装置と共に用いられ、上記単一のデータ流を受信す ると共に受信したデータ流を符号化された個別のチャネルに対応するデータ流に 分離するように動作する手段を備える受信機装置を提供する。後続するチャネル 段手段、チャネルデータ流を受信すると共に別のデータ流を出力するように結合 したデコーダバッファ、及びバッファ出力データ流を受信すると共にこのデータ 流を予め定めたコード化スキムに基づいてデコードするように結合したデコーダ 段を好ましく設ける。 さらに、本発明は、受信した各ビット信号を予め定めたコード化スキムに基づ いて符号化されたビデオフレーム当たりのデータビットの特定された数として個 別に符号化し、前記受信したビット信号を、前記特定の数により決定したビット レートを有するデータ流として出力する工程と、 チャネル当たりの各ビデオフレーム又はフレーム群を符号化する特定されたビ ットの数を、各符号化された手信号のビットレートの和がほぼ一定になるように 設定する工程と、 各符号化された可変ビットレートデータ流を格納し、格納されたデータ信号を それぞれ特定された出力ビットレートで出力する工程とを具え、各個別のチャネ ルで受信された2個又はそれ以上の伝送ビット信号を符号化するに当たり、 前記各符号化された可変ビットレートデータ流を単一のメモリ装置の各メモリ 領域に格納し、各チャネルの格納要件を各チャネル格納入力ビットレートと出力 ビットレートとの間の差異から決定し、前記メモリ領域を各格納要件により決定 した比率で割り当てることを特徴とする符号化方法を提供する。 この方法は、さらに符号化された信号のビットレートを決定し、前記符号化さ れた信号出力ビットレートに逆比例する割合として別のビットレートを計算し、 各チャネルバッファ出力ビットレートを前記別のビットレートで制御する工程を 有することができる。 後述するように、本発明はMPEG基準に基づいて各チャネル信号が符号化さ れる特有の利点を有する。 以下、図面を参照して本発明の好適実施例を説明する。 図1は符号化及び復号化システムのブロック線図である。 図2は図1のシステムのチャネルのエンコーダ及びデコーダの使用を示す。 図3は結合ビットレート制御により符号化された3個のプログラムのビットレ ートを示す。 図4及び図5は図3の符号化された3個のデコーダバッファ及び3個のエンコ ーダバッファの内容をそれぞれ示す。 以下の説明は一例としてMPEG符号化された信号のの管理に関するものであ るが、本発明はこの符号化基準に限定されるものでないことは当業者にとってあ きらかである。このMPEG基準は、ビット流が仮想バッファをオーバフロー又 はアンダフローしないようにビット流を規制する。この仮想バッファは信号エン コーダ段及びデコーダ段に現れる物理的バッファと関係付けることができる。 結合ビットレート制御の場合、後述するように、より大きなエンコーダバッフ ァを用いることが望ましい。一例として、それぞれ3.5Mビット/秒の平均ビ ットレートで12Mビット/秒(MPEG主プロファイルにより設定される)及 び1.5Mビット/秒の最小ビットレートの5個のプログラムを有する場合、バ ッファメモリについて全体として45.6Mビットが必要になる。この必要なメ モリ容量は問題である。 エンコーダバッファについての必要メモリ量を低減するため、本発明者は全て のプログラムチャネルについて結合バッファを用いることを提案する。これは可 能なことである。その理由は、各プログラムチャネルの個別のビットレートは一 定のビットレートに加算され、これにより各エンコーダチャネルバッファの内容 間にある関係が与えられるからである。すなわち、ある1個のバッファが満杯で も、他の全てのバッファは比較的空の場合がある。この知見を詳細に説明すると 共に展開する。 本発明を実施するエンコーダ及びデコーダシステムを図1に線図形態として示 す。図1の左側に、各エンコーダ10,12に信号を供給する入力チャネルA及 びBの対を有する符号化段を示す。本例では2個のチャネルだけを示すが、以下 の説明から明らかなように本発明は3個又はそれ以上のチャネルを符号化するシ ステムにも適用することができる。 各エンコーダ入力信号は全体の目標を個々のビデオフレームに割り当ててビッ トの数を特定する目標設定ユニットにも供給されるので、このエンコーダはフレ ームを圧縮するように用いる必要がある。画像大域複雑性を用いる技術によるこ れらターゲットの計算は、各エンコーダにおけるフレームの相対情報密度を用い る符号化スキムのようなファクタに関係付ける。例えば、MPEG基準に基づく コード化の場合、大域複雑性はフレームがI−,P−又はB−画像として符号化 れるか否かを考慮する。この技術の結果として、2個のエンコーダ10,12の 出力は前述したように可変ビットレート流となるので、これらビットレートの和 は全時間にわたって一定に維持される。 エンコーダ10,12の出力はメモリ管理ユニット18の制御のもとでバッフ ァメモリ16の各領域に書き込まれ、このメモリ管理ユニットはメモリをチャネ ル間で必要に応じて割り当てる。エンコーダ出力は計算段20にも供給され、こ の計算段は実際にはメモリ管理ユニット18と共に単一の計算ユニットとして結 合することができる。計算ユニット20は各チャネル出力ビットレートについて の値をバッファ16から取り出し、これらビットレートの和を一定に維持すると 共にこれらの値をヘッダ挿入段24,26に供給し、このヘッダ挿入段はバッフ ァから各信号を選択したレートで読み出す。最後に、これらヘッダ挿入段24, 26からのバッファ化されたチャネル信号はマルチプレクサ28のような適当な 手段により単一のビット流に結合され、このマルチプレクサは計算ユニット20 からチャネルビットレート信号も受信する。ビットレートに基づき、マルチプレ クサ28はチャネルからのパケットの選択(時間及びパケットの数に関して)を 決定し、プログラムをMPEG基準ISO13818−1に基づいて一緒にパッ クする。 この多重化された信号の伝送(衛星テレビジョンの場合)及び/又は分布(ケ ーブルテレビジョンの場合)の後、この信号はデマルチプレクサ30に供給され 、このデマルチプレクサにおいてチャネルA及びBに分離される。一般に、受信 機端末において、いかなる時においても信号チャネルだけが必要であり、従って 、外部選択装置32の制御のもとで、デマルチプレクサ30は分離された信号か ら選択されたチャネルにより出力を抑制するように設定される。このデマルチプ レクサの出力はバッファ34及びデコーダ36に供給され表示用のビデオ出力を 発生する。 上述した説明から明らかなように、各プログラムチャネル毎に可変ビットレー トを出力するエンコーダバッファ及びデコーダバッファを選択する。本発明のバ ッファ管理技術をてさらに説明するため図2に示すモデルを用いる。この図2は あるチャネルの任意の時間nにおけるエンコーダバッファ40及びデコーダバッ ファ42の部分を示す。エンコーダバッファ40は物理的サイズBEを有してい るが、その有効な範囲は以下のモデルにおいてEmax及びEminにより限定される 有効サイズBE(破線で示す)として規定される。これに対応して、デコーダバ ッファ42は物理的サイズBD及びDmaxとDminにより規定される有効サイズを 有する。明瞭にするため、介在する多重化段、伝送段及び多重分離段は図面から 削除した。 エンコーダは圧縮された画像を規則的な期間で(例えば、各40m秒)でエン コーダバッファに書き込み、各期間は時間nに対応し、このモデルにおいて以下 の変数を用いるものとする。 ・P(n)は時間nにおける画像中のビットの数とする。 ・R(n)は時間nにおける現在のビット伝送レートとする。 ・エンコーダバッファE(n)の内容は限界Emax及びEminを有する。 ・デコーダバッファD(n)の内容は限界DmaxとDminを有する。 Dmax及びDminの最大値は用いられるMPEGプロファイルにより制限する 。Dmin=Emin=0とすることは極めて一般的であるが(前述したレイマンとハ スケルの文献のATM回路網分析で検討されているように)、後述するように、 この設定は選択を狭め過ぎることが判明した。 バッファは以下のように作動するものとする。 E(n)=E(n−1)−R(n)+P(n) (1)式 D(n)=D(n−1)+R(n)−P(n−d) これは、エンコダバッファにおいてn毎に新しい画像を書き込み、この画像は その後デコーダバッファdサンプルから取り出されることを意味し、ここでdは エンコーダ/デコーダシステム全体のシステム遅延である。 表記を簡単にするため、“擬似スタテック挙動”に限定する。これは、ビット レートがd+1又はそれ以上の時間周期にわたって一定であるとすることを意味 する。バッファ限界間の関係を以下のように設定することができる。 Emax=(d+1)R−Dmin (2)式 Emin=(d+1)R−Dmax (1)式の結果を検討し、従来の問題点を明瞭にするため、一般的な選択Dmi n =Emin=0に設定する。 遅延の関係は、(1)式を置換した形態を用いることにより求められ、以下に 示す。 0=(d+1)R−Dmax (3)式 システム全体の遅延を変化させることが適切でないことを悟ることが重要であ る。この理由は、これにより画像表示に不連続性が生じてしまうからである。従 って、全てのビットレートについて同一のシステム遅延dを持たせることにする 。最も大きな有効デコーダバッファサイズは、ビットレートが最も大きい場合に 与えられること明らかである。最大バッファサイズはMPEGプロファイルによ り限定されるので、この遅延は最大有効バッファサイズおよび最大ビットレート から計算することができる。従って、遅延は以下の(4)式から計算することが できる。 本例の場合でd=7の遅延の場合、テーブル1に示すように、ビットレートの 関数としてのバッファ限界について以下の値が見出されている。 テーブル1 低ビットレートの場合有用な有効バッファスペースが強く制限されてしまう。 これは、低画像品質につながるビデオ圧縮を強制するときを意味し、望ましくな いものである。 上記課題を解決するため、デコーダバッファについてDmin=0及びDmax=1 .12Mビットを選択し、常時同一の有効デコーダバッファをもたせることを提 案する。これを(1)式で置換することにより次式が得られる。 Emin=(d+1)R−Dmax (5)式 この特定のケースにおいて、エンコーダバッファの下側限界Eminは変化し零 に等しくならず、エンコーダバッファの一部が無効であることを意味する。概念 的にこの無効なエンコーダバッファ部分は以下のように解釈することができる。 バッファビットレート変化に対してあるバッファスペースを必要とする。第1の 例において(Dmin=Emin=0)、チャネルビットレート変化のバッファ容量は エンコーダバッファ及びデコーダバッファに対して分割した。後者の例において 、このバッファ容量はエンコーダバッファに対して十分に割当てた。従って、シ ステム全体の遅延は以下の式から計算することができる。 (6)式は、最小ビットレートにおいて値Eminは零よりも大きく又は零に等 しくする必要があり、(5)式による最大エンコーダバッファサイズについては 何んら制限がないという認識に基いている。 Dmax=1.12Mビット且つDmin=0の場合、この特定の例についてビッ トレートとバッファ限界との間の関係はテーブル2に示すようになることを見い 出した。 テーブル2 エンコーダバッファの下側限界は非零であり、より大きいエンコーダバッファ は前述した例と比較する必要がある。 後者の例についてシミュレーションの結果に基いてさらに説明する。図3は、 多数のフレーム周期にわたって結合ビットレート制御によりエンコードされた3 個のプログラムA,B及びCのビットレートを示し、最も下側のトレースはビッ トレートAを表わし、中間のトレースはビットレートAとBの和を表わし、上側 (平坦な)トレースは3個のチャネルビットレートの全ての和を表わす。各プロ グラムは3.5Mビット/秒の平均ビットレートを有し、上側トレースにより示 すように3個のプログラムのビットレートの和は10.5Mビット/秒に等しい 。 図3のビットレートプロファイルを用いて、各プログラムチャネルA,B及び Cのそれぞれについて図4及び5に示すデコーダバッファ内容及びエンコーダバ ッファ内容を得る。3個のチャネルについて示すデコーダバッファ内容は、上述 したように1個のチャネルについてだけデコーディングのためにバッファされた ものとして考えることができる。 図5のエンコーダバッファ段の内容はビデオビット流すなわちI−,P−及び B−画像中のビットレート変化に起因する変化及びチャネルビットレートに起因 する変化を有している。この最後の成分は大域変化である。また、大域(すなわ ち、全体)エンコーダバッファ充填と前述した個々のエンコーダバッファの充填 との間にある関係がある。 第2の実施例において提案されたバッファリング技術(結合ビットレート制御 と共に提案された)を用いる場合、バッファについて以下のメモリ容量が必要に なる。 N・max(Emax)=N・(d+1)・Rmax=45.6Mビット (7)式 ここで、Nは符号化において結合されたプログラムの数を表わす。最大ビット レートが12Mビット/秒で5個のプログラムの場合、全体として45.6Mビ ットのメモリが必要になる。これは相当なメモリ量である。一方、以前に検討し たように、選択されたビットレートの総和は一定のビットレートになり、このメ モリの全てが同時に必要にならないという事実を利用することにより、以下の式 が得られる。 (8)式は、全てのエンコーダバッファ段の上限の総和が、エンコダバッファ メモリの必要量を示す一定値になることを示す。これから、結合バッファを用い ることによりメモリ量が相当節約されること明らかである。 この開示内容を読むことにより、当業者にとって種々の変形が可能である。例 えば、図1のエンコーダ段において、バッファ自身が記憶したデータを制御され るレートでその出力部に送る能力を含む場合、ヘッダ挿入段24,26をマルチ プレクサ28への直接の信号路で置換し計算ユニット20からのチャネルレート 信号をバッファ16に供給して読出レートを設定することができる。 他の変形には、ディジタル信号エンコーディング及びデコーディングシステム 、デバイス及び素子の設計、製造及び使用において既に既知の他の構成を含むこ とでき、本明細書で説明した構成に代えて又は加えて用いることができる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.各入力チャネルにおいて受信された2又はそれ以上の伝送信号を符号化する ビデオ信号符号化装置であって、 受信したビデオ信号を予め定めたコード化スキムに基き符号化されたビデオ フレーム当たりのデータビットの特定された数として符号化し、前記受信したビ デオ信号を前記特定された数により決定したビットレートを有するデータ流とし て出力するように動作する各チャネルのエンコーダ段と、 前記エンコーダ段に結合され、各エンコーダ段についてのビデオフレーム又 はフレーム群あたりの前記特定された数を、各エンコーダ段出力ビットレートの 和がほぼ一定になるように設定するように構成した目標設定手段と、 前記各エンコーダ段からの可変ビットレートデータ流を受信するように結合 され、格納したデータ信号をそれぞれ特定されたビットレートで出力するように 構成した各バッファ手段とを具えるビデオ信号符号化装置において、 前記各バッファ手段が単一のメモリ装置中にそれぞれメモリ領域を具え、各 チャネルの格納要件を、各チャネル格納入力ビットレートと出力ビットレートと の間の差異から決定すると共に各格納要件により決定した比率でメモリ領域をチ ャネルに割り当てるように構成したメモリ管理手段を具えるビデオ信号符号化装 置。 2.請求項1に記載の装置において、前記全メモリ領域が、各エンコーダ段出力 ビットレートの和に関係すると共にチャネルの最大瞬時格納要件とチャネル数と の積以下とした装置。 3.請求項1又は2に記載の装置において、エンコーダ段出力信号を受信するよ うに結合されると共に、この出力信号のビットレートを決定し、前記エンコーダ 段出力ビットレートに逆比例する割合として別のビットレートを計算し、各チャ ネルバッファ出力ビットレートを前記別のビットレートで制御するように動作す るバッファ出力ビットレート取り出し手段を具える装置。 4.請求項1から3までのいずれか1項に記載の装置において、前記目標設定手 段が、各入力チャネルの入力ビデオ信号をて受信するように結合されると共に 、各チャネルで受信されたビデオ画像フレームの各情報内容と関連する比率を取 り出し、前記特定された数を前記比率に基づきビットの予め定めた全数の一部と して設定するように動作する比較手段を含む装置。 5.請求項1から4までのいずれか1項に記載の装置において、各バッファ出力 信号をその後伝送するための単一のデータ流に結合する手段をさらに具える装置 。 6.請求項5に記載の装置匂い手、前記バッファ出力を結合する手段をマルチプ レクサとした装置。 7.請求項1から7までのいずれか1項に記載の装置共に用いられる受信機装置 であって、 信号データ流を受信し、このデータ流を符号化された個別のチャネルに対応 するデータ流に分離するように動作する手段と、 前記データ流をユーザ入力に応じて選択し出力するチャネル選択手段と、 前記選択されたデータ流を受信すると共に別のデータ流を出力するように結 合したデコーダバッファと、 前記バッファデータ流を受信すると共に前記予め定めたコード化スキムに基 づき復号化するデコーダ段とを具える受信機装置。 8.受信した各ビット信号を予め定めたコード化スキムに基づいて符号化された ビデオフレーム当たりのデータビットの特定された数として個別に符号化し、前 記受信したビット信号を、前記特定の数により決定したビットレートを有するデ ータ流として出力する工程と、 チャネル当たりの各ビデオフレーム又はフレーム群を符号化する特定された ビットの数を、各符号化された手信号のビットレートの和がほぼ一定になるよう に設定する工程と、 各符号化された可変ビットレートデータ流を格納し、格納されたデータ信号 をそれぞれ特定された出力ビットレートで出力する工程とを具え、各個別のチャ ネルで受信された2個又はそれ以上の伝送ビット信号を符号化するに当たり、 前記各符号化された可変ビットレートデータ流を単一のメモリ装置の各メモ リ領域に格納し、各チャネルの格納要件を各チャネル格納入力ビットレートと 出力ビットレートとの間の差異から決定し、前記メモリ領域を各格納要件により 決定した比率で割り当てることを特徴とする符号化方法。 9.請求項8に記載の方法において、符号化された信号のビットレートを決定し 、前記符号化された信号出力ビットレートに逆比例する割合として別のビットレ ートを計算し、各チャネルバッファ出力ビットレートを前記別のビットレートで 制御する方法。 10.請求項8又は9に記載の方法において、前記特定された数を、各チャネル で受信されたビデオ画像フレームの各情報内容に関係する比率に基づき予め定め さ全数の一部とした方法。
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