WO1996022657A1 - Procede de regulation du debit de codage par prediction temporelle et compensation de mouvement, d'un signal numerique de television - Google Patents

Procede de regulation du debit de codage par prediction temporelle et compensation de mouvement, d'un signal numerique de television Download PDF

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quantization
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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the coding rate r by motion compensation and transformation into discrete cosine TCD, of a digital television signal.
  • a technique used consists in carrying out, before transmission of these signals, a hybrid coding process based on frequent transformation such as Transformation.
  • Discrete Cosine, TCD, and temporal prediction by motion compensation which makes it possible to limit the amount of information transmitted to that representative of the evolution of each image compared to one or more previous images.
  • hybrid coding consists, for a frame considered, of performing intra-frame, inter-frame and / or inter-image coding.
  • FIG. 1 The block diagram of such a coding process is represented in FIG. 1, relating to the currently known technique, in which the image signals, constituted by digital signals Y and C representative of luminance and chrominance signals of pixels of images, are subjected to a frequentlelle transform TCD, to a quantification Q and to a variable length coding CLV, then, following a multiplexing with auxiliary data formed by information of coding intra-frame, inter- frame or inter-image, values of motion vectors, synchronization signals, are stored in a memory, or transmission buffer, before the transmission of these signals for broadcasting.
  • a local decoded current image is obtained from the quantized current image, or from the frames constituting these by quantization and frequently inverse transformed.
  • a prediction loop temporal makes it possible to obtain, from this local decoded image and from motion vectors calculated between the following ima and the current local decoded image, a prediction of the following image.
  • the prediction error of the next ima is obtained by difference of the next image from the predicted next image, a switch to intra-frame or inter and / or intra-tra coding decision criterion being performed between next image and next image prediction error.
  • the aforementioned switching is carried out so as to subject the frequency transforming operation to the channel carrying the signal representative of the following ima, respectively of the prediction error the next image of lower energy, which makes it possible to retain the digital signal whose bit rate is the lowest.
  • Such a coding process has been the subject of standardization (European Telecommunications Standard), nor ETS 300 174, and of a recommendation, Recommendatio Rec 723, by the CCIR for transmissions of digital television signals 34 or 45 Mbits / s.
  • the transmission rate is fixed, and appreciably imposed by the transmission channel itself. Consequently, it is necessary to regulate the bit rate of the digital signals generated during the coding process, on transmission, and the decoding process, on reception.
  • a flow regulation process is provided, by means of a flow regulation loop, between the storage memory, transmission buffer, and the quantization operation.
  • Q which of course influences the bit rate of digital signals transmitted, after coding, to the storage memory.
  • the aforementioned technique in no way makes it possible to control the filling of the transmission buffer, so that the filling state of the latter converges towards a reference filling level sufficiently low to allow the absorption of peak coding bit rates. due to a change of shooting plan, or, for example, to a complete refresh of a frame in intra-frame coding mode.
  • the flow regulation technique proposed in this study also uses a linear law linking the quantization step and the flow.
  • the process proposed in this second regulation technique introduces a cost function, a function for predicting future bit rates on subsequent frames from Kalman filtering, a optimal path search function in the graph of future flows. The aforementioned technique therefore proceeds from a very sophisticated approach, which may require very delicate implementation.
  • the subject of the present invention is the implementation of a method for regulating the coding bit rate by transforming into a discrete cosine TCD and temporal prediction by motion compensation of a digital television signal making it possible to overcome the drawbacks of aforementioned prior art techniques.
  • Another object of the present invention is the implementation of a method for regulating the coding rate by TCD transformation and temporal prediction by motion compensation of a digital television signal allowing a gentle evolution of the quantization step values used. , in the absence of oscillation of these values likely to harm the subjective quality of the images and scenes that they represent.
  • Another object of the present invention is the implementation of the above coding bit rate control method, allowing rapid convergence of the coding bit rate value to a target bit rate value, during plan changes, as well as a easy control of the filling level of the storage memory within limits of specific filling level.
  • Another object of the present invention is finally the implementation of the aforementioned coding rate regulation method which also makes it possible, within the framework of the control of the aforementioned storage level, to ensure periodic convergence of the filling level of the storage memory towards a sufficiently low reference value to allow absorption of subsequent coding rate spikes, relating to one or more successive frames.
  • the method for regulating the coding rate, by time prediction and motion compensation, of a television signal constituted by a succession of frames of coefficients obtained by frequency transformation and representative of luminance and chrominance values of image pixels , coding in which these coefficients are subjected to a quantification process, followed by variable length coding, then, before transmission, of a memorization in a memory space of determined capacity, object of the invention, is remarkable in that it consists, for each current frame of rank n and following, of rank n + 1, each of these frames being subjected, as a function of its rank, to said quantification process with a quantization step q n , q n .
  • the method for regulating the coding rate by temporal prediction and motion compensation of a digital television signal finds application in the production of codec (coding-decoding process) of digital television signals compatible with the standards CCS ETS 300 174 th recommendation Rec 723, and the possible extensions of these standards to high definition digital television signals, HDTV, for coding rates between 3 and 70 Mbits / s and to conventional television signals at much lower coding rates, between 6 and 12 Mbits / s.
  • FIG. 2a represents an illustrative flowchart of the implementation of the method for regulating the coding rate by time prediction and motion compensation for a digital television signal, object of the present invention
  • FIG. 2b represents an illustrative flowchart of an alternative implementation of the method for regulating the coding rate by time prediction and motion compensation for a digital television signal.
  • sion object of the present invention
  • FIGS. 3a to 3k represent curves of the law of evolution of the coding rate, expressed in bits per point, according to the law of approximation in accordance with the object of the method according to the invention, represented in dotted lines, and according to an experimental survey represented in solid line, carried out on different reference sequences of digital television signals, as a function of the value of the luminance quantization factor, function of the quantization step, the chrominance quantification factor being obtained by simple translation from the luminance quantization factor;
  • FIGS. 4a to 4d show a first variant of implementation of the coding rate regulation method, object of the invention, applied to substantially constant high bit rates, greater than 17 Mbits / s in conventional TV or greater than 70 Mbits / s in HDTV, for sequences of images and frames on which a refresh by intra-frame coding is carried out partially on each of the successive frames,
  • FIGS. 5a to 5c represent a second variant of implementation of the method for regulating the coding bit rate, object of the invention, applied to much lower bit rates, less than 16 Mbits / s, in conventional television, for which a refresh by intra-frame coding is carried out completely on one frame among N successive frames.
  • FIGS. 2a and 2b A more detailed description of the method for regulating the coding rate by TCD and temporal prediction by motion compensation of a digital television signal, object of the present invention, will now be given in conjunction with FIGS. 2a and 2b.
  • this digital television signal formed by a digital signal Y consisting of respectively odd even frames constituting an image comprises lines of pixels representative of the luminance and chrominance values of each of these pixels.
  • the aforementioned digital signal is subjected to a frequent transform process such as TCD and the signals obtained at the output of this process are constituted in the form of successive frames of coefficients, representative in the frequency domain of the luminance and chrominance values of the pixels d above image.
  • variable length coding CLV variable length coding
  • multiplexing making it possible to add to these signals intra / inter-frame / inter-frame coding information, vector information of motion, synchronization and coding of the Cb / Cr chrominance components.
  • the multiplexed signal thus formed is stored in memory M, or transmission buffer, as shown in FIG. 1, with a view to the transmission of the signal thus formed after coding.
  • the method of regulating the coding bit rate, object of the present invention consists, for each current frame of rank n and each subsequent frame of rank n + 1, each of these frames being subjected to the above quantification process with a specific quantization step, noted q n , q nl respectively and each quantization step making it possible to generate for each frame T n , T n . lf a corresponding coding bit rate d n , d nl , to approximate the law of variation of the logarithm of the coding bit rate d n of each current frame for at least one range of bitrate values determined with a linear combination of the quantization step of the frame considered, this law of variation verifying the relationship:
  • the method for regulating the coding rate which is the subject of the present invention also consists in adapting the quantization step q n applied to the current frame to a value, denoted q ⁇ , with q n-> 1 "f".
  • r represents an adaptation coefficient of the quantization step to establish a quantization step q n 1 applied to the next frame T n + 1 , and thus obtain a target bit rate d c after quantization and coding of the frame next considered.
  • the adaptation coefficient r checks the relationship:
  • FIG. 2a there is shown an illustrative flowchart of the implementation of the method of regulating the coding rate, object of the present invention.
  • step 100 represented in FIG. 2a corresponds to an initialization step, which makes it possible to fix the target bit rate parameters d c and m relating to the law of variation of the logarithm of the coding bit rate d n as a function of the quantification factor q n .
  • This parameter m is determined experimentally, as will be described below in the description, the parameter a, however, not intervening in the implementation of the method according to the invention.
  • the initialization step 100 is followed by a step 101 corresponding, for the current frame T n of rank n, to the establishment of the quantization step parameters q n , and finally of the coding rate d n obtained after the processing of the current frame T vinegar.
  • the aforementioned step 101 is followed by a step 102 shown in dotted lines, because this step 102 is implicitly carried out for all the frames of any rank n of the image and tram sequence constituting the digital television signal whose bit rate is regulated in accordance with the method object of the present invention.
  • step 102 due to the experimental observations which will be described later in the description, in fact makes it possible to determine the parameter m, which was used to initiate the process in step 100 previously mentioned in the description.
  • step 102 valid for all the frames of rank n, therefore allows the calculation of flow rate values d n of each of the frames of rank n considered with the quantization step q n previously mentioned in step 101 previously cited.
  • step 101 is then followed by the step 103, which consists in adapting the quantization step q for the frame T n considered, to the value q ntl applied to the next frame T ntl to obtain the aforementioned target bit rate d c .
  • the adaptation is of course carried out according to the relatio (2) previously mentioned on the basis of the parameters a and determined thanks to the experimental observations symbolized by step 102.
  • the step 103 previously cited of adaptation of the quantification step is then followed by an incrementation 104 of the value of n, corresponding to the rank of the frame considered, to the value n + 1, which makes it possible, by returning to step 101, to code the following frame T n4l d rank n + 1 by applying the quantization step q n4l e to thus generate a coding bit rate d n4l .
  • the parameter r 0 designates the contribution of the adaptation coefficient of the quantization step for a flow e line d 0 , this online bit rate being reduced in bits / point for the video in the absence of protection against errors in the case of a transmission at constant bit rate.
  • the parameter r 0 can be expressed, according to relation (3) above.
  • ⁇ M the variation in the capacity of the storage memory M
  • nbpts the number of points
  • ⁇ M the variation in filling of the memory space
  • the adaptation parameter of the correction quantization factor r corr can be expressed as a function of the state of occupation of the memory space M, before the coding of the current frame T ⁇ , this value being noted M peer, and of an objective state of occupation of the memory space, noted M o , towards which it is desirable to make converge the state of occupation of this memory space in order to be able absorb peak flows likely to occur during a change of shooting plan or intra-frame refresh.
  • the adaptation coefficient of the correction quantization step verifies the relationship:
  • r corr [l + ⁇ (M 0 -M n ) / (nbpts.d 0 )] - (4).
  • ⁇ denotes a convergence factor, which will be explained later in the description.
  • the method for regulating the coding bit rate of a digital television signal which is the subject of the present invention, can be used, either to apply only a bit rate reference value, the value d c corresponding to a target flow equal for example to the value d 0 previously mentioned, or to apply a constant lig flow instruction, equal to d 0 , at the output of the memory M and u convergence value of the occupied state the storage memory M towards an objective value M 0 , as mentioned previously in the description.
  • the two aforementioned operating modes will be the subject of a more detailed description later in the description.
  • the method for regulating the coding rate which is the subject of the present invention can in particular be implemented in a more specific case corresponding to the coding scheme standardized by the ETS 300 174 standard previously mentioned in the description for the 34-45 Mbits / s links and an extension of this coding scheme to lower bit rates or to the processing of HDTV signals.
  • the quantification of the coefficients obtained at the output of the frequency transform processing process TCD is obtained in two stages:
  • the quantization factor f n actually consists of a specific quantization factor for the luminance signals and the chrominance signals.
  • the quantization factor relative to the respectively chroma luminance signals is an integer value between 0 and 175.
  • the method which is the subject of the present invention then consists in approximating the law of variation of the logarithm of the coding bit rate for at least one range of bit rate values determined as a function of the quantization factor with a linear combination of the quantization factor of the form:
  • a represents the same parameter as in relation (1) previously mentioned in the description and b represents a determined experimental value, substantially constant over the duration of the current and following frames.
  • the method which is the subject of the present invention can then consist in incrementing the quantization factor f n applied to the current frame by a value df to establish a quantization factor f n + 1 applied to the following frame ⁇ n * ⁇ to obtain the target flow d c after quantification and coding, the increment of value of the quantification factor df verifying the relation:
  • FIG. 2b an operating mode of implementation of the method, object of the present invention, has been represented, in the aforementioned particular case where the quantification step q n for the frame T n of rank n considered is a relation exponential of the quantization factor f applied to the frame of rank n considered.
  • steps 100, 101a, 102 and 103a obviously play the same role as steps 100, 101, 102, 103 respectively in FIG. 2a, the initialization parameter b of step 100 being obtained by 1 approximation of the law of variation of the logarithm d flow rate d n to a linear function of the quantification factor f n as shown in step 102a.
  • J the quantization factor f pest is adjusted to the value f n . !
  • step 104 pa increment of the quantization factor f n of the value df obtained, the incrementation of the value n to the value n + in step 104 allowing the return to step 101a for l frame of rank n + 1 and the calculation of the quantization step q n . 1 # the resulting coding rate being d ntl .
  • FIGS. 2a and 2b The operating modes of the procedure for regulating the coding rate of a digital television signal, object of the present invention, as illustrated in FIGS. 2a and 2b in a particular embodiment corresponding to the case where the quantification step is an exponential function of the quantification factor f n , will now be described and justified in connection with FIGS. 3a to 3k by the description below.
  • the quantification factor of the coefficients representative of the chrominance denoted fc
  • fc the quantification factor of the coefficients representative of the chrominance
  • the aforementioned experimental curves also allow us to establish the existing linear relation sel the relation ( 1) between the logarithm of the bit rate for each current frame, and the logarithm of the quantification step applied q n for the current frame considered.
  • the experimental values were represented following a linear regression taking into account the measurements in the interval [60,120] of the values of the quantization factor luminance and the theoretical values represented in pointi les on the curves of FIGS. 3a to 3k mentioned above have been superimposed on the experimental values represented in continuous tra.
  • the parameter a and the parameter b depend on the image sequences processed as well as on the intra-frame or hybrid coding mode.
  • b varies from 0.0249 to 0.0281
  • - for hybrid coding, intra and inter-frame mode and for the five reference image sequences used the values of b vary between 0.0347 and 0.0440.
  • the quantization factor f n of the current frame is made up of two components: a component of luminance quantification factor f x n and a component of chrominance quantization factor f c n , these components verifying the relation: f c n - f * think+ fx with the values of f n , f c legally and f J n , integer values included in the above-mentioned range [0.175].
  • the value fx can be a constant integer value, between 0 and 25, the value 20 having been retained for obtaining the curves shown in FIGS. 3a to 3k.
  • the value b of the linear combination of the quantization factor f n is substantially constant and that it can be considered as such over a very large number of frames, and in particular over two successive frames. Taking into account the experimental observations relating to the parameters a and b above, it is indicated that these can be considered constant, substantially. However, it is indicated that this hypothesis is no longer verified during a change of image plane during a television shooting. In such a case, according to an advantageous aspect of the coding rate regulation method. object of the present invention, the parameters such as b the aforementioned linear combination can if necessary be adjusted periodically as a function of the rank of a group of at least one frame.
  • the coding process used uses the memory M or buffer on transmission, as well as a memory analogous to reception and a rate regulation module.
  • the role of the memory M at transmission is to smooth local variations in bit rate block by block. It is recalled that a block of coefficients consists of a determined number of TCD coefficients for example.
  • the bit rate variability of each frame consisting of a determined number of blocks is linked to the operating mode adopted for the quantization and coding operations, in particular variable length coding.
  • the function of the flow regulation is to calculate the quantization step as a function of the evolution of the occupation of the memory M at the level of the encoder, that is to say on the transmission, so that, overall, the average of the bit rate entering the buffer is equal to the transmission bit rate d 0 assumed to be constant, in particular avoiding emptying or overflowing the memory M.
  • the performance of the coding-decoding processes of images or coded are strongly linked to regulation, which must make it possible to ensure the best subjective quality of the images observed by a user by making maximum use of the maximum capacity of the memory M.
  • a first alternative embodiment of the method for regulating the coding bit rate of a digital television signal which is the subject of the present invention, will now be described in an application concerning a transmission at substantially constant bit rate and bit rate regulation carried out. frame by frame, in connection with Figures 4a to 4d.
  • this type of application where the refreshment in intra-frame mode is carried out partially on each of the frames is rather reserved for online bit rates higher than 17 Mbits / s for conventional television or 70 Mbits / s for HDTV.
  • FIG. 4a shows that this type of application where the refreshment in intra-frame mode is carried out partially on each of the frames, as indicated in FIG. 4a, is rather reserved for online bit rates higher than 17 Mbits / s for conventional television or 70 Mbits / s for HDTV.
  • the images, images of rank k, k + l..k + p are constituted by two frames, which, normally interlaced, are, at the level of the coder, as represented in FIG. 1, to a deinterlacing process to form a series of successive frames, denoted T n to T n .. and T ntmtl .
  • refresh R consisting of intra- coding. frame on a determined number of constituent lines of each frame. It is indicated that, for two even and odd frames constituting an image of determined rank k, the refresh process is carried out on the same number of lines positioned at the same address in the frame considered. However, the refresh process R is shifted on each subsequent image of rank k + 1 to k + p by a determined value allowing overlapping of the lines subjected to a refresh, as shown in FIG. 4a.
  • bit rate the bit rate, under normal conditions of use of the coding process, does not exceed variations of the order of 20 to 30% of a bit rate nominal.
  • the value df 0 represents the increment of the quantification factor for a target bit rate d c of the current frame equal to the online coding bit rate d 0 .
  • the principle of this first application consists in determining for each frame T n to be coded, an objective coding bit rate, called target bit rate, denoted by d c , and in estimating from the law of variation of the quantization step or respecti ⁇ quantization factor as a function of the coding bit rate, the quantization factor or the quantization step to be used so that the coding bit rate of the frame considered T n is as close as possible to the objective bit rate.
  • the increment of the quantization factor df can thus be deduced from the variation in the occupation of the memory M, denoted ⁇ M, observed during the current frame T n .
  • ⁇ M the variation in the occupation of the memory M
  • Figure 4b there is shown for each successive frame of rank n the value of the corresponding bit rate d n equal to the target bit rate oscillating substantially around the value of 0 corresponding to the value of bit rate online. In steady state, the actual value of the flow rate d n therefore oscillates around the aforementioned value d 0 .
  • Such an operating mode although allowing the regulation of the flow rate, takes no account of the state of occupation of the memory M and any risk of overflowing or emptying of the aforementioned memory M, in the absence of control constraint of the state of occupation thereof, cannot therefore be avoided.
  • a second application as shown in FIG. 4c in accordance with a variant implementation of the method for regulating the coding rate of a digital television sign, it is advantageous to introduce correction term, the term noted corr, in order to force the filling value or the occupancy rate of the memory M to converge towards a given value, denoted M ⁇ j.
  • This value M Q can, by way of nonlimiting example, be constituted by occupying half the memory memory capacity M for the bit rate d 0 considered.
  • parameter ⁇ is a convergence factor of the occupancy value of the memory M towards the predefined value M 0 this predetermined convergence factor being less than
  • the target bit rate tends towards the line bit rate value d 0 while the occupation of the memory for the frame n considered tends towards the imposed occupation, value M 0 .
  • the variation of the occupation parameter of the memory M is shown as a function of the ra of the successive frames T n for the occupation consig value M 0 .
  • the value of the occupation parameter oscillates substantially around the occupation setpoint value M 0 .
  • disturbance is meant the processing of image and frame sequence, of substantially constant movement activity, that is to say without significant change in shooting plan.
  • this change being denoted CP in FIG. 4c
  • an important transition of the value of the memory occupation parameter occurs, this transition being denoted CP for the change plan, and due to the constraints imposed on the bit rate and on the memory occupation parameter as formulated by equation (11), following this transition CP, the memory occupation parameter converges again towards the setpoint value M 0 .
  • f n ⁇ 1 , f n represent the values of the quantization factors for the next frame of rank n + 1 respectively current rank n for the luminance factors f l a . lf f l n and f c n lf for the following frames n + 1 and current n considered.
  • parameter x is a parameter between 0 and 1, the effect of this linear combination being to allow the use of the approximation of the law of variation of the correction factor corr with a slope 1 / b of absolute value pl weak.
  • the method for regulating the coding bit rate of a digital television signal which is the subject of the present invention, previously described, is essentially applicable when the refreshment in intra-frame mode is 25 distributed over all of the images and over each successive frame, as shown in FIG. 4a.
  • N can be an integer between 12 and 50.
  • the peak rate for a frame coded in intra-frame mode, and therefore subject to refreshment can be of the order of four times the average bit rate of frames coded in hybrid mode.
  • FIG. 5a a succession of frames is represented, the frame index being noted from 1 to N in order to show the periodicity of the refreshment by intra-frame coding, each frame subjected to the refresh carrying the index T x , and each frame constituting a frame sequence prior to the new refreshed frame carried the index N in order to simplify the notation.
  • a sequence of frames subjected to the refreshing process e constituted by successive frames T n with n € [1, N].
  • the frame which follows the refreshed frame T. in intra-frame mo in this case the frame T 2 , can, for reasons of coding constraint, use only the intr-frame mode and the inter-frame mode. It generally has a higher bit rate, for equivalent quality, than tram coded with all the possibilities of codag modes, that is to say intra-frame, inter-frame, inter-image coding mode.
  • Efficient coding rate regulation must make it possible to maintain a substantially constant subjective quality of the ima and must consequently make it possible to allocate more coding bit rate to the refreshed frame, frame T x in intra-frame mode and to frame adjacent to this refreshed frame, the frame T 2 , the quantification step being kept substantially constant for these two frames as well as on the following frame, the frame T 3 as q shown in FIG. 5a.
  • This operating mode makes it possible to optimize the coding rate while retaining a substantially constant image quality for the T ⁇ T 3 frames considered.
  • the rate control method, object of the present invention in this embodiment, then consists in regulating the coding rate according to the operating mode such as shown in FIG.
  • this regulation intervening on the frames T " to T" subsequent to the so-called next frame, the frame T 3 .
  • This regulation can, of course, be carried out, as shown in FIG. 5b, so as to cause a progressive emptying of the memory M at a minimum occupancy value, denoted Min, prior to the frame of rank n + 1, c that is to say the new frame T x subjected to refreshment by intra-frame coding of the image sequence and therefore of the following frame.
  • Min minimum occupancy value
  • the coding rate regulation process can be resumed according to the operating modes as represented in FIG. 2a or 2b with normal operation of the coding system with all the modes of coding, intra-frame, inter-frame and inter-image.
  • the progressive emptying of the memory M makes it possible to achieve low filling at the value Min of the aforementioned memory at the time when the refresh in intra-frame mode, for the frame of rank N + 1 constituting the new frame T 1 subjected to complete refreshment, so as to be able to absorb the peak flow rate due to this refreshment for the frame considered as well as on the frame adjacent thereto and on the frame following this adjacent frame, the frames T 2 and T 3 .
  • the step of blocking the value of the quantization step at the value q x on the first three frames of course implies that in the event that the memory M is close to overflow, emergency control measures are taken in accordance with a process which will be described below in the description. This step implies however that the size of the memory M is sufficient to absorb the peak flows.
  • condition relating to the progressive emptying of the memory M as shown in FIG. 5b in fact imposes a control of the flow rate as a function of the rank of each frame in the sequence of N frames considered.
  • M designates the level of occupation of the memory M after the coding of the frame n of aforesaid rank
  • d c designates the target target bit rate for coding for the next frame of rank n + 1 , this target bit rate expressed in bits / point being updated after each frame
  • this regulation can, as mentioned previously, in a nonlimiting manner, be carried out for example on the quantization factor by incrementation of df on each frame of successive rank n.
  • the aforementioned target bit rate can then be written according to the relationship:
  • df 0 represents the increment corresponding to a target coding bit rate of the frame of rank n equal to d 0
  • corr representing the correction to be applied to ensure the convergence of the occupancy value from memory M to the value Q.
  • a convergence factor ⁇ can be highlighted, this convergence factor of the occupation of the memory M depending on the position of the frame T n with respect to the following refresh in intra-frame mode and checking the relation:
  • q indicates that the previously mentioned regulation processes use the calculation of logarithmic values. In a specific embodiment, it is indicated that these values can be precalculated and stored in a consultation table for example.
  • nbrg designates the number of rows of blocks processed since the last rate regulation
  • nb designates the number of points in each row of blocks.
  • conditions for removing the blocking of the quantization factor or of the step of quantization at the corresponding q x or f x value on the first three frames Ti, T 2 , T 3 can be established under the following conditions:
  • a verification of the state of occupation of the memory M can be carried out at the end of each row of coefficient blocks TCD and at the end of each frame T n . If one of the following criteria is satisfied:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de régulation du débit de codage par TCD et prédiction temporelle par compensation de mouvement, d'un signal numérique de télévision. Les trames courante Tn et suivante Tn+1 étant soumises à un processus de quantification (101) avec un pas de quantification qn, qn+1 engendrant un débit par trame dn, dn+1, le procédé consiste pour chaque trame courante à approximer (102) la loi de variation du logarithme de débit de codage à une fonction linéaire du logarithme du pas de quantification: Log(dn) = a - 1/m Log(qn), a et m étant des valeurs expérimentales sensiblement constantes. Le pas de quantification qn de la trame courante est adapté (103) à une valeur qn+1 pour la trame suivante par un coefficient d'adaptation r, qn+1 = r.qn avec r = (dn/dc)m où dc représente un débit cible pour réguler le débit dn+1 de la trame suivante successivement à la valeur du débit cible dc. Application au codage de signaux numériques de télévision conventionnelle ou haute définition.

Description

Procédé de régulation du débit de codage par prédiction temporelle et compensation de mouvement, d'un sional numérique de télévision.
L'invention concerne un procédé de régulation du débit de codager par compensation de mouvement et transfor¬ mation en cosinus discrète TCD, d'un signal numérique de télévision.
A l'heure actuelle, afin de diminuer le débit de transmission des signaux numériques représentatifs d'images de télévision, une technique utilisée consiste à procéder, avant transmission de ces signaux, à un processus de codage hybride à base de transformation fréquentlelle de type Transformation en Cosinus Discrète, TCD, et de prédiction temporelle par compensation de mouvement, ce qui permet de limiter la quantité d'information transmise à celle repré¬ sentative de l'évolution de chaque image par rapport à une ou plusieurs images antérieures. On rappelle que le codage hybride consiste, pour une trame considérée, à effectuer un codage intra-trame, inter-trame et/ou inter-image.
Le schéma synoptique d'un tel processus de codage est représenté en figure 1, relative à la technique actuel¬ lement connue, dans laquelle les signaux d'image, constitués par des signaux numériques Y et C représentatifs de signaux de luminance et de chrominance de pixels d'images, sont soumis à une transformée fréquentlelle TCD, à une quantifi¬ cation Q et à un codage à longueur variable CLV, puis, suite à un multiplexage avec des données auxiliaires formées par une information de codage intra-trame, inter-trame ou inter- image, des valeurs de vecteurs mouvement, des signaux de synchronisation, sont stockés dans une mémoire, ou tampon d'émission, préalablement à la transmission de ces signaux pour diffusion. Une image courante décodée locale est obtenue à partir de l'image courante quantifiée, ou des trames constitutives de celles-ci par quantification et transformée fréquentlelle inverse. Une boucle de prédiction temporelle permet d'obtenir, à partir de cette image décod locale et de vecteurs mouvements calculés entre l'ima suivante et l'image courante décodée locale, une prédicti de l'image suivante. L'erreur de prédiction de l'ima suivante est obtenue par différence de l'image suivante de l'image suivante prédite, une commutation sur critère décision de codage intra-trame ou inter et/ou intra-tra étant effectuée entre image suivante et erreur de prédicti de l'image suivante. La commutation précitée est effectu de façon à soumettre à l'opération de transformée fréque tlelle la voie acheminant le signal représentatif de l'ima suivante, respectivement de l'erreur de prédiction l'image suivante de plus faible énergie, ce qui permet d retenir le signal numérique dont le débit est le pl faible.
Un tel processus de codage a fait l'objet d'u normalisation (European Télécommunications Standard), nor ETS 300 174, et d'une recommandation, Recommandatio Rec 723, par le CCIR pour les transmissions de signau numériques de télévision 34 ou 45 Mbits/s.
Dans les systèmes de transmission de signaux d télévision numérique actuels, en particulier pour certaine applications, le débit de transmission est fixe, et sensi blement imposé par la voie de transmission elle-même. En conséquence, il est nécessaire d'assurer une régulatio du débit des signaux numériques engendrés au cours d processus de codage, à l'émission, et du processus d décodage, à la réception.
Pour cette raison, ainsi que représenté en figure 1 un processus de régulation de débit est prévu, par l'inter médiaire d'une boucle de régulation de débit, entre l mémoire de stockage, tampon d'émission, et l'opération d quantification Q, laquelle influe bien sûr sur le débit de signaux numériques transmis, après codage, à la mémoire d stockage.
Différentes études visant à proposer un processus d régulation de débit, compatible avec les textes normatifs précités, ont été effectuées.
Parmi celles-ci, on peut citer l'étude intitulée "Bit Rate Régulation for Digital Télévision Coding", publiée par CHOFFRAY J-P, DELOGUE P, PONCIN 0, VAN CAILLIE B - Laboratoire de Télécommunications et d'Hyperfréquences. Université Catholique de Louvain, Bâtiment Maxwell, B-1348 Louvain-la-Neuve, Belgique - Packet Video 91. Dans l'étude précitée, grâce à la contre-réaction réalisée, le pas de quantification appliqué à chaque trame est directement dérivé du niveau de remplissage de la mémoire de stockage par une relation linéaire.
Un tel processus opératoire, très simple, présente toutefois les inconvénients ci-après. Du fait de la relation directe entre le niveau de remplis¬ sage de la mémoire de stockage et le pas de quantification, il n'existe pas de garantie certaine de protection contre le débordement de la mémoire de stockage, alors que la raideur de la loi linéaire précitée rend difficile tout ajustement efficace de celle-ci pour éviter le risque de débordement. En effet, si la pente de la loi linéaire est trop faible, les risques de débordement ou de vidage de la mémoire de stockage ne peuvent être supprimés. Si cette pente est trop forte, le pas de quantification est susceptible d'être soumis à des oscillations de valeurs, lesquelles sont tout- à-fait nuisibles à la qualité subjective de l'image perçue par un observateur.
Enfin, la technique précitée ne permet aucunement de contrôler le remplissage du tampon d'émission, afin que l'état de remplissage de celui-ci converge vers un niveau de remplissage de référence suffisamment bas pour permettre l'absorption de pointes de débit de codage dues à un changement de plan de prise de vues, ou, par exemple, à un rafraîchissement complet d'une trame en mode de codage intra-trame.
On peut en outre citer l'étude intitulée "Bit Rate 657 PCI7FR96/00058
Control for Digital TV and HDTV Codées" publiée par J- LEDUC, Laboratoire de Télécommunications et de Télédétec tion, Université Catholique de Louvain, Bâtiment Maxwell B-1348 Louvain-la-Neuve, Belgique, dans la revue Signa Processing Image Communication 6 (1994), p.25-45.
La technique de régulation de débit proposée dans cett étude utilise également une loi linéaire liant le pas d quantification et le débit. Toutefois, afin de réduire le inconvénients de la première technique citée, le processu proposé dans cette deuxième technique de régulation intro duit une fonction de coût, une fonction de prédiction de débits futurs sur les trames ultérieures à partir d'u filtrage de Kalman, une fonction de recherche de chemi optimal dans le graphe des débits futurs. La techniqu précitée procède donc d'une approche très sophistiquée mai nécessite une mise en oeuvre très délicate.
La présente invention a pour objet la mise en oeuvr d'un procédé de régulation du débit de codage par transfor mation en cosinus discrète TCD et prédiction temporelle pa compensation de mouvement d'un signal numérique de télévi sion permettant de s'affranchir des inconvénients de techniques de l'art antérieur précitées.
Un autre objet de la présente invention est la mis en oeuvre d'un procédé de régulation du débit de codage pa transformation TCD et prédiction temporelle par compensatio de mouvement d'un signal numérique de télévision permettan une évolution douce des valeurs de pas de quantificatio utilisé, en l'absence d'oscillation de ces valeurs suscepti ble de nuire à la qualité subjective des images et de scènes que ces dernières représentent.
Un autre objet de la présente invention est la mis en oeuvre du procédé de régulation de débit de codag précité, permettant une convergence rapide de la valeur d débit de codage vers une valeur de débit cible, lors de changements de plans, ainsi qu'un contrôle aisé du niveau d remplissage de la mémoire de stockage dans des limites d niveau de remplissage spécifiques.
Un autre objet de la présente invention est enfin la mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage précité permettant en outre, dans le cadre du contrôle du niveau de stockage précédemment mentionné, d'assurer une convergence périodique du niveau de remplissage de la mémoire de stockage vers une valeur de consigne suffisamment basse pour permettre l'absorption de pointes de débit de codage ultérieures, relatives à une ou plusieurs trames successives.
Le procédé de régulation du débit de codage, par prédiction temporelle et compensation de mouvement, d'un signal de télévision, constitué par une succession de trames de coefficients obtenus par transformation fréquentielle et représentatifs de valeurs de luminance et de chrominance de pixels d'image, codage dans lequel ces coefficients sont soumis à un processus de quantification, suivi d'un codage à longueur variable, puis, avant transmission, d'une mémori¬ sation dans un espace mémoire de capacité déterminée, objet de l'invention, est remarquable en ce qu'il consiste, pour chaque trame courante de rang n et suivante, de rang n+1, chacune de ces trames étant soumise, en fonction de son rang, audit processus de quantification avec un pas de quantification qn, qn.x permettant d'engendrer, après codage, un débit de codage correspondant dn, pour la trame courante considérée, à approximer la loi de variation du logarithme du débit de codage, pour au moins une plage de valeurs de débit déterminée, en fonction du logarithme du pas de quantification, à une combinaison linéaire du logarithme du pas de quantification de la forme : Log(dn) = a - 1/m Log (qn), a et m représentant des valeurs expérimentales déterminées, sensiblement constantes sur la durée de la trame courante et de la trame suivante. Le pas de quantification qn appliqué à la trame courante est ajusté à une valeur qn.lf avec qntl « r.qn, où r représente un coefficient d'adaptation du pas de quantification, pou établir un pas de quantification qn<1 appliqué à la tram suivante et obtenir un débit cible dc, après quantificatio et codage, ledit coefficient d'adaptation r vérifiant l relation : r = (dn/dc)'. Ce mode opératoire permet de réguler la valeur du débit d codage dntl de la trame suivante à la valeur de débit cibl dc, successivement. Le procédé de régulation du débit de codage pa prédiction temporelle et compensation de mouvement d'u signal numérique de télévision, objet de la présent invention, trouve application à la réalisation de codée (processus de codage-décodage) de signaux numériques d télévision compatibles avec les normes ETS 300 174 e recommandation Rec 723 du CCIR, et aux extensions possible de ces normes aux signaux de télévision numérique haut définition, TVHD, pour des débits de codage compris entre 3 et 70 Mbits/s et aux signaux de télévision conventionnell à des débits de codage beaucoup plus faibles, compris entr 6 et 12 Mbits/s.
Le procédé de régulation du débit de codage par TC et prédiction temporelle par compensation de mouvement d'u signal numérique de télévision, objet de la présent invention, sera mieux compris à la lecture de la descriptio et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels, outr la figure 1 relative à l'art antérieur connu,
- la figure 2a représente un organigramme illustra- tif de la mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage par prédiction temporelle et compensation de mouvement d'un signal numérique de télévision, objet de la présente invention ;
- la figure 2b représente un organigramme illustra- tif d'une variante de mise en oeuvre du procédé de régula- tion du débit de codage par prédiction temporelle et compensation de mouvement d'un signal numérique de télévi- sion, objet de la présente invention ;
- les figures 3a à 3k représentent des courbes de la loi d'évolution du débit de codage, exprimé en bits par point, selon la loi d'approximation conforme à l'objet du procédé selon l'invention, représentée en pointillés, et selon un relevé expérimental représenté en trait continu, effectué sur différentes séquences de référence de signaux numériques de télévision, en fonction de la valeur du facteur de quantification de luminance, fonction du pas de quantification, le facteur de quantification de chrominan- ce étant obtenu par simple translation à partir du facteur de quantification de luminance ;
- les figures 4a à 4d représentent une première variante de mise en oeuvre du procédé de régulation de débit de codage, objet de l'invention, appliqué à des débits élevés sensiblement constants, supérieurs à 17 Mbits/s en TV conventionnelle ou supérieurs à 70 Mbits/s en TVHD, pour des séquences d'images et de trames sur lesquelles un rafraî¬ chissement par codage intra-trame est effectué partiellement sur chacune des trames successives,
- les figures 5a à 5c représentent une deuxième variante de mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage, objet de l'invention, appliqué à des débits beaucoup plus faibles, inférieurs à 16 Mbits/s, en télévi- sion conventionnelle, pour lesquelles un rafraîchissement par codage intra-trame est effectué complètement sur une trame parmi N trames successives.
Une description plus détaillée du procédé de régulation du débit de codage par TCD et prédiction tempo- relie par compensation de mouvement d'un signal numérique de télévision, objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec les figures 2a et 2b.
Préalablement à la description proprement dite du procédé de régulation du débit de codage d'un signal numérique de télévision, conforme à l'objet de la présente invention, on indique, en liaison avec la figure la, que ce signal numérique de télévision formé par un signal numérique Y constitué par des trames paire respectivement impaire constituant une image, comprend des lignes de pixels représentatifs des valeurs de luminance et de chrominance de chacun de ces pixels. Le signal numérique précité est soumis à un processus de transformée fréquentlelle TCD et les signaux obtenus en sortie de ce processus sont constitués sous forme de trames successives de coefficients, représen¬ tatifs dans le domaine des fréquences des valeurs de luminance et de chrominance des pixels d'image précités. Ces coefficients sont bien entendu soumis au processus de quantification, suivi du codage à longueur variable CLV, un multiplexage permettant d'ajouter à ces signaux une informa¬ tion de codage intra/inter-trame/inter-image, des informa- tions de vecteur de mouvement, de synchronisation et de codage des composantes de chrominance Cb/Cr. Après multi¬ plexage, le signal multiplexe ainsi constitué est mémorisé dans la mémoire M, ou tampon d'émission, telle que représen¬ tée en figure 1, en vue de la transmission du signal ainsi constitué après codage.
Ainsi qu'on l'a représenté plus particulièrement en figure 2a, le procédé de régulation du débit de codage, objet de la présente invention, consiste, pour chaque trame courante de rang n et chaque trame suivante de rang n+1, chacune de ces trames étant soumise au processus de quanti¬ fication précité avec un pas de quantification spécifique, noté qn, qn l respectivement et chaque pas de quantification permettant d'engendrer pour chaque trame Tn, Tn.l f un débit de codage correspondant dn, dn l, à approximer la loi de variation du logarithme du débit de codage dn de chaque trame courante pour au moins une plage de valeurs de débit déterminées à une combinaison linéaire du pas de quantifica¬ tion de la trame considérée, cette loi de variation véri¬ fiant la relation :
Log(dn) = a - 1/m Log(qn) (1) Dans la relation précitée, les paramètres a et m représentent des valeurs expérimentales déterminées, sensiblement constantes sur la durée de la trame courante Tn et de la trame suivante Tn+1. En outre, le procédé de régulation du débit de codage, objet de la présente invention, consiste également à adapter le pas de quantification qn appliqué à la trame courante à une valeur, notée q^, avec qn->1 « f«qn où r représente un coefficient d'adaptation du pas de quantifica- tion pour établir un pas de quantification qn 1 appliqué à la trame suivante Tn+1, et obtenir ainsi un débit cible dc après quantification et codage de la trame suivante considérée. Le coefficient d'adaptation r vérifie la relation :
r « (dn/dc)" ≈ r0 . rcorr (2)
Ce mode opératoire permet de réguler la valeur du débit de codage dn<1 de la trame suivante TH<1 à la valeur de débit cible de successivement. Sur la figure 2a, on a représenté un organigramme illustratif de la mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage, objet de la présente invention.
De manière pratique, l'étape 100 représentée en figure 2a correspond à une étape d'initialisation, laquelle permet de fixer les paramètres de débit cible dc et m relatifs à la loi de variation du logarithme du débit de codage dn en fonction du facteur de quantification qn. Ce paramètre m est déterminé de façon expérimentale, ainsi qu'il sera décrit ci-après dans la description, le paramètre a n'intervenant toutefois pas dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
L'étape 100 d'initialisation est suivie d'une étape 101 correspondant, pour la trame courante Tn de rang n, à l'établissement des paramètres de pas de quantification qn, et finalement de débit de codage dn obtenu après le traite¬ ment de la trame courante T„. L'étape 101 précitée est suivie d'une étape 102 représentée en pointillés, car cett étape 102 est implicitement réalisée pour toutes les trame de rang n quelconque de la séquence d'image et de tram constitutive du signal de télévision numérique dont le débi est régulé conformément au procédé objet de la présent invention. En d'autres termes, on indique que l'étape 102 en raison des constatations expérimentales qui seron décrites ultérieurement dans la description, permet en fai de déterminer le paramètre m, lequel a servi à l'initia lisation du processus à l'étape 100 précédemment mentionné dans la description. Bien entendu, l'étape 102, valable pou toutes les trames de rang n, permet donc le calcul de valeurs de débit dn de chacune des trames de rang n consi déré avec le pas de quantification qn précédemment mentionn à l'étape 101 précédemment citée.
L'étape 101 précitée est alors suivie de l'étap 103, laquelle consiste à adapter le pas de quantification q pour la trame Tn considérée, à la valeur qntl appliquée à l trame suivante Tntl pour obtenir le débit cible dc précité. L'adaptation est bien entendu effectuée selon la relatio (2) précédemment mentionnée à partir des paramètres a et déterminés grâce aux constatations expérimentales symboli sées par l'étape 102. L'étape 103 précédemment cité d'adaptation du pas de quantification, est alors suivi d'une incrémentation 104 de la valeur de n, correspondant a rang de la trame considérée, à la valeur n+1, ce qui permet, par retour à l'étape 101, de coder la trame suivante Tn4l d rang n+1 en appliquant le pas de quantification qn4l e d'engendrer ainsi un débit de codage dn4l. D'une manière générale, on indique que le coeffi cient r d'adaptation du pas de quantification peut êtr exprimé sous la forme : r - r0.rcorr avec r0 « (dn/d0)" et rcorr = (d0/dc)" ainsi que mentionné dans la relation (2) précitée. Le paramètre r0 désigne la contribution du coeffi cient d'adaptation du pas de quantification pour un débit e ligne d0, ce débit en ligne étant ramené en bits/point pour la vidéo en l'absence de protection contre les erreurs dans le cas d'une transmission à débit constant.
Selon un aspect particulièrement avantageux du pro- cédé de régulation du débit de codage d'un signal de télévi¬ sion numérique, objet de la présente invention, on indique que le paramètre r0 peut être exprimé, selon la relation (3) ci-après, en fonction de la variation de la capacité de la mémoire de stockage M, cette variation étant notée ΔM, et du nombre de points, noté nbpts, où nbpts désigne le nombre de points image par trame, ΔM représentant la variation de remplissage de l'espace mémoire, c'est-à-dire de la mémoi¬ re M pour la trame courante Tn. La variation de remplissage de l'espace mémoire ΔM vérifie la relation : ΔM = (d„-d0).nbpts.
Dans ces conditions, on indique que le coefficient d'adaptation du pas de quantification r0 vérifie la relation (3) précitée :
r0 - [l+ΔM/(d0.nbpts)]" (3).
En outre, et de manière avantageuse, le paramètre d'adaptation du facteur de quantification de correction rcorr peut être exprimé en fonction de l'état d'occupation de l'espace mémoire M, avant le codage de la trame courante Tπ, cette valeur étant notée M„, et d'un état d'occupation objectif de l'espace mémoire, noté Mo, vers lequel il est souhaitable de faire converger l'état d'occupation de cet espace mémoire afin d'être en mesure d'absorber les pointes de débit susceptibles d'intervenir lors d'un changement de plan de prise de vue ou d'un rafraîchissement intra-trame. Le coefficient d'adaptation du pas de quantification de correction vérifie alors la relation :
rcorr = [l+λ(M0-Mn)/(nbpts.d0)]- (4). Dans la relation précitée, on indique que λ désig un facteur de convergence, lequel sera explicité ultérieur ment dans la description.
D'une manière générale, on indique que le procédé régulation du débit de codage d'un signal numérique télévision, objet de la présente invention, peut êt utilisé, soit pour appliquer uniquement une valeur consigne de débit, la valeur dc correspondant à un déb cible égale par exemple à la valeur d0 précédemment mentio née, soit pour appliquer une consigne de débit en lig constant, égale à d0, en sortie de la mémoire M et u valeur de consigne de convergence de l'état d'occupation la mémoire M de stockage vers une valeur M0 objectif, ain que mentionné précédemment dans la description. Les deux modes opératoires précités feront l'obj d'un exposé plus détaillé ultérieurement dans la descri tion.
Le procédé de régulation du débit de codage objet la présente invention, peut notamment être mise en oeuv dans un cas plus spécifique correspondant au schéma codage normalisé par la norme ETS 300 174 précédemme mentionnée dans la description pour les liaisons 34-45 Mbits/s et une extension de ce schéma de codage à d débits inférieurs ou au traitement de signaux de TVHD. Dans un tel cas, la quantification des coefficien obtenus en sortie du processus de traitement par transform fréquentielle TCD est obtenue en deux étapes :
- pondération des coefficients obtenus par divisi par une matrice de seuil de visibilité ; - quantification des coefficients normalisés par u loi quasi-linéaire.
Dans un tel cas, le pas de quantification utili pour traiter les coefficients normalisés est calculé fonction de l'occupation de l'espace mémoire M et, po chaque trame Tn de rang n, il vérifie la relation : π = 2tn b (5) relation dans laquelle fn représente un facteur de quantifi¬ cation.
D'une manière générale, on indique que le facteur de quantification fn consiste en fait en un facteur de quanti- fication spécifique pour les signaux de luminance et les signaux de chrominance. Le facteur de quantification relatif aux signaux de luminance respectivement de chrominance est une valeur entière comprise entre 0 et 175.
Dans le cas précédemment cité et pour un pas de quantification qn vérifiant la relation (5) précédemment mentionnée où fn désigne un facteur de quantification appliqué au coefficient de la trame courante Tn, le procédé objet de la présente invention consiste alors à approximer la loi de variation du logarithme du débit de codage pour au moins une plage de valeurs de débit déterminé en fonction du facteur de quantification à une combinaison linéaire du facteur de quantification de la forme :
Log(dn) a-b.f„ (6)
Dans cette relation, a représente le même paramètre que dans la relation (1) précédemment mentionnée dans la description et b représente une valeur expérimentale déterminée, sensiblement constante sur la durée des trames courante et suivante.
On indique toutefois que le paramètre b est lié au paramètre m de la relation (1) précédemment citée par la relation :
m = Log(2)/(16.b) (7).
Le procédé objet de la présente invention peut alors consister à incrémenter le facteur de quantification fn appliqué à la trame courante d'une valeur df pour établir un facteur de quantification fn+1 appliqué à la trame suivante τ n*ι pour obtenir le débit cible dc après quantification et codage, l'incrément de valeur du facteur de quantificatio df vérifiant la relation :
df = -1/b Log(dc/dn) (8).
Sur la figure 2b, on a représenté un mode opératoir de mise en oeuvre du procédé, objet de la présente inven tion, dans le cas particulier précité où le pas de quantifi cation qn pour la trame Tn de rang n considérée est un relation exponentielle du facteur de quantification f appliqué à la trame de rang n considérée.
On comprend également que les étapes 100, 101a, 102 et 103a jouent bien entendu le même rôle que les étapes 100, 101, 102, 103 respectivement de la figure 2a, le paramètr b d'initialisation de l'étape 100 étant obtenu grâce 1'approximation de la loi de variation du logarithme d débit dn à une fonction linéaire du facteur de quantifica tion fn ainsi que représenté à l'étape 102a. Bien entendu, à l'étape 103a,J le facteur de quantification f„ est ajust à la valeur fn.! pour la trame suivante de rang n+1, pa incrémentation du facteur de quantification fn de la valeu df obtenue, l'incrémentation de la valeur n à la valeur n+ à l'étape 104 permettant le retour à l'étape 101a pour l trame de rang n+1 et le calcul du pas de quantification qn.1# le débit de codage résultant étant dntl .
Les modes opératoires de mise en oeuvre du procéd de régulation du débit de codage d'un signal numérique d télévision, objet de la présente invention, tels qu'illus trés avec les figures 2a et 2b dans un mode de réalisatio particulier correspondant au cas où le pas de quantificatio est une fonction exponentielle du facteur de quantificatio fn, seront maintenant décrits et justifiés en liaison ave les figures 3a à 3k par l'exposé ci-après.
Des essais expérimentaux ont été conduits lors de l mise en oeuvre d'un processus de codage en boucle ouverte, la boucle de régulation de débit étant ouverte et l régulation de débit étant ainsi supprimée sur un certain nombre de séquences d'images, et donc de trames, dites de référence.
Les trames de référence ont en particulier porté sur les séquences d'images de référence dénommées :
- "flσwer garden" ;
- "mobile et calendrier" ;
- "Renata" ;
- "prlcar" ; - "tennis de table".
Ces essais expérimentaux ont été conduits, d'une part, sur une première trame portant la référence trame 1, codée uniquement en mode intra-trame, et, d'autre part, sur une deuxième trame, sixième trame de chaque séquence d'image portant la référence trame 6 où tous les modes de codage, en particulier les modes inter-trame et inter-image à compensa¬ tion de mouvement sont utilisés, pour réaliser un codage hybride.
De l'ensemble des résultats expérimentaux obtenus et de l'observation de ces résultats sous forme des courbes telles que représentées en figures 3a à 3k, il apparaît que l'évolution du débit en fonction de la valeur du facteur de quantification appliqué aux coefficients représentatifs des signaux de luminance en échelle semi-logarithmique est sensiblement linéaire pour une plage de valeurs déterminées. Pour l'ensemble des courbes représentées en figures 3a à 3k, on indique que le facteur de quantification de luminance, noté fl, constitue la variable portée en abscis¬ ses de ces courbes alors qu'en ordonnées sont portées les valeurs du logarithme du débit correspondant. Pour l'ensem¬ ble des courbes précitées, représentées en figures 3a à 3k, le facteur de quantification des coefficients représentatifs de la chrominance, notés fc, est obtenu par une relation linéaire fc - fl+fx avec, pour les courbes représentées sur les figures préci- tées, fx * 20.
L'observation des courbes précitées montre q celles-ci présentent une partie sensiblement linéaire s une plage de valeurs du facteur de quantification luminance fl correspondant aux parties médianes compri entre :
[60,140] en mode de codage intra-trame, trame
[60,120] en mode de codage inter-trame, trame
Les valeurs du facteur de quantification de lum nance f1 utilisées par un système de codage en boucle ferm avec régulation de débit sortent très rarement des fourche tes précédemment mentionnées pour les débits considérés. peut donc conclure que, pour un mode de fonctionneme normal de ce système de codage, la relation entre le facte de quantification fl des coefficients de luminance et logarithme du débit peut être approximée à une foncti linéaire de ce dernier, fonction linéaire précédemme mentionnée dans la description par la relation (8).
Bien entendu, en raison de l'existence de relation linéaire liant l'inverse du paramètre b et paramètre m précédemment mentionnés dans la descriptio relation (7), les courbes expérimentales précitées perme tent également d'établir la relation linéaire existant sel la relation (1) entre le logarithme du débit pour chaq trame courante, et le logarithme du pas de quantificati appliqué qn pour la trame courante considérée. Sur l courbes représentées en figure 3a à 3k, les valeurs expér mentales ont été représentées suite à une régressi linéaire en prenant en compte les mesures dans l'interval [60,120] des valeurs du facteur de quantification luminance et les valeurs théoriques représentées en pointi lés sur les courbes des figures 3a à 3k précitées ont é superposées aux valeurs expérimentales représentées en tra continu. L'on peut constater qu'il y a parfaite adéquati entre les parties médianes des courbes correspondant à plage de valeurs déterminées et les valeurs théoriqu exprimées selon les relations (1) ou (8) précitées.
En référence à la relation (8) précitée, on indique que le paramètre a et le paramètre b dépendent des séquences d'images traitées ainsi que du mode de codage intra-trame ou hybride.
On peut toutefois noter qu'il existe une faible dispersion des valeurs du paramètre b, soit :
- pour un codage en mode intra-trame, b varie de 0,0249 à 0,0281, et - pour un codage hybride, mode intra et inter-trame et pour les cinq séquences d'images de référence utilisées, les valeurs de b varient entre 0,0347 et 0,0440.
D'une manière générale, on indique que le facteur de quantification fn de la trame courante est constitué par deux composantes : une composante de facteur de quantifica¬ tion de luminance fx n et une composante de facteur de quantification de chrominance fc n, ces composantes vérifiant la relation : fc n - f*„ + fx avec les valeurs de fn, fc„ et fJ n, valeurs entières comprises dans la plage [0,175] précitée. La valeur fx peut être une valeur entière constante, comprise entre 0 et 25, la valeur 20 ayant été retenue pour l'obtention des courbes représen¬ tées sur les figures 3a à 3k. Ainsi, on constate que la valeur b de la combinaison linéaire du facteur de quantification fn est sensiblement constante et qu'elle peut être considérée comme telle sur un nombre de trames très important, et notamment sur deux trames successives. Compte tenu des constatations expérimentales relativement aux paramètres a et b précités, on indique que ceux-ci peuvent être considérés constants, sensiblement. Toutefois, on indique que cette hypothèse n'est plus vérifiée lors d'un changement de plan d'image au cours d'une prise de vues télévisée. Dans un tel cas, selon un aspect avantageux du procédé de régulation de débit de codage. objet de la présente invention, les paramètres tels que b la combinaison linéaire précitée peuvent si nécessaire êt ajustés périodiquement en fonction du rang d'un groupe d'a moins une trame. Le processus de codage utilisé, conformément à l norme ETS 300 174 précitée, utilise la mémoire M ou tamp à l'émission, ainsi qu'une mémoire analogue à la réceptio et un module de régulation de débit.
Le rôle de la mémoire M à l'émission est de lisse les variations locales de débit bloc par bloc. On rappell qu'un bloc de coefficients est constitué par un nombr déterminé de coefficients TCD par exemple. La variabilité d débit de chaque trame constituée d'un nombre déterminé d blocs, est liée au mode opératoire retenu pour les opéra tions de quantification et de codage, notamment de codage longueur variable. La régulation de débit a pour fonction d calculer le pas de quantification en fonction de l'évolutio de l'occupation de la mémoire M au niveau du codeur, c'est à-dire à l'émission, de façon que, globalement, la moyenn du débit entrant dans le tampon soit égale au débit d transmission d0 supposé constant, en évitant en particulie le vidage ou le débordement de la mémoire M. Les performan ces des processus de codage-décodage d'images ou codées sont fortement liés à la régulation, laquelle doit permettr d'assurer la meilleure qualité subjective des image observées par un utilisateur en exploitant au maximum l capacité maximale de la mémoire M.
Bien entendu, on indique que les lois de variatio approximées du débit en fonction du pas de quantification o du facteur de quantification, telles que données par le relations (1) et (8) précitées, peuvent avantageusemen servir de base à la définition de différentes variantes d procédé de régulation du débit de codage d'un signal d télévision numérique, objet de l'invention, ce procédé d codage satisfaisant aux dispositions de la norme ETS 30017 et de la recommandation 723 du CCIR ou d'une extension d ces textes normatifs, étudié notamment dans le cadre du projet européen RACE Flash TV.
Une première variante de réalisation de mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage d'un signal numérique de télévision, objet de la présente invention, sera maintenant décrite dans une application concernant une transmission à débit sensiblement constant et une régulation de débit effectuée trame par trame, en liaison avec les figures 4a à 4d. D'une manière générale, on indique que ce type d'application où le rafraîchissement en mode intra-trame est effectué partiellement sur chacune des trames, comme indiqué sur la figure 4a, est plutôt réservé à des débits en ligne supérieurs à 17 Mbits/s pour la télévision conventionnelle ou à 70 Mbits/s pour la TVHD. Ainsi que représenté en figure 4a, les images, images de rang k, k+l..k+p, sont constituées par deux trames, lesquelles, normalement entrelacées, sont, au niveau du codeur, tel que représenté en figure 1, soumises à un processus de désentrelacement pour former une suite de trames successives, notées Tn à Tn.. et Tntmtl .
Dans un tel processus de transmission à débit constant, deux trames successives, de rang n, n+1, constitu¬ tives par exemple d'une image de rang k, sont soumises à un processus dit de rafraîchissement R consistant en un codage intra-trame sur un nombre déterminé de lignes constitutives de chaque trame. On indique que, pour deux trames paire et impaire constitutives d'une image de rang k déterminé, le processus de rafraîchissement est réalisé sur un même nombre de lignes positionnées en une même adresse dans la trame considérée. Toutefois, le processus de rafraîchissement R est décalé sur chaque image suivante de rang k+1 à k+p d'une valeur déterminée permettant un recouvrement des lignes soumises à un rafraîchissement, ainsi que représenté en figure 4a. Bien entendu, le nombre de lignes soumises à rafraîchissement au niveau de deux trames successives est identique d'une image à l'image suivante, ce qui permet de conserver un débit sensiblement constant pour l'ensemble de images et finalement, pour l'ensemble des trames de rang considérées. Par constance du débit d'une trame à une tram suivante, on indique que le débit, dans des condition normales d'utilisation du processus de codage, n'excède pa des variations de l'ordre de 20 à 30% d'un débit nominal.
Dans le cadre de la transmission à débit sensible ment constant précédemment mentionnée, telle que représenté en figure 4a, et conformément à un aspect avantageux d procédé du régulation de débit de codage objet de l présente invention, pour un débit de codage en ligne d valeur sensiblement constante prise égale par exemple à l valeur d0 mentionnée précédemment dans la description su une succession de trames, et pour une variation de remplis sage ΔM de l'espace mémoire pour la trame courante vérifian la relation précédemment mentionnée dans la description, l'incrément du facteur de quantification df, pour assure une contrainte d'asservissement relative au remplissage d l'espace mémoire M vérifie la relation :
df ≈ 1/b Log[l+ΔM/(d0.nbpts)] - 1/b Log[dc/d0] (9).
Dans cette relation, on rappelle que l'expression d vérifie la relation :
df = df0 + corr (10) avec : df0 = 1/b Log[l+ΔM/d0.nbpts)] corr ≈ -1/b Log[dc/d0] .
La valeur df0 représente l'incrément du facteur de quantifi¬ cation pour un débit cible dc de la trame courante égal a débit de codage en ligne d0.
L'expression de l'incrément du facteur de quantifi- cation df précédemment mentionné en relation (9) permet un régulation de débit dans deux applications spécifiques dan le cas d'une transmission à débit sensiblement constant, avec un rafraîchissement intra-trame effectué partiellement sur chacune des trames, tel que représenté en figure 4a.
Le principe de cette première application consiste à déterminer pour chaque trame Tn à coder, un débit objectif de codage, dit débit cible, noté dc, et à estimer à partir de la loi de variation du pas de quantification ou respecti¬ vement du facteur de quantification en fonction du débit de codage, le facteur de quantification ou le pas de quantifi- cation à utiliser pour que le débit de codage de la trame considérée Tn soit le plus proche possible du débit objec¬ tif.
Dans la première application, on peut, à titre d'exemple non limitatif, ainsi que représenté en figure 4b, choisir un débit cible dc égal au débit en ligne d0 pour toutes les trames.
Dans un tel cas, la relation (9) précitée se réduit au premier terme du deuxième membre de l'égalité, soit :
df ≈ 1/b Log[l+ΔM/(d0.nbpts)]
L'incrément du facteur de quantification df peut ainsi être déduit de la variation d'occupation de la mémoire M, notée ΔM, observée au cours de la trame courante Tn. Sur la figure 4b, on a représenté pour chaque trame successive de rang n la valeur du débit correspondant dn égal au débit cible oscillant sensiblement autour de la valeur d0 corres¬ pondant à la valeur de débit en ligne. En régime permanent, la valeur réelle du débit dn oscille donc autour de la valeur d0 précitée.
Un tel mode opératoire, bien que permettant la régulation du débit, ne tient aucunement compte de l'état d'occupation de la mémoire M et tout risque de débordement ou de vidage de la mémoire M précitée, en l'absence de contrainte de contrôle de l'état d'occupation de celle-ci, ne peut donc être évité. Dans une deuxième application telle que représent en figure 4c, conformément à une variante de mise en oeuv du procédé de régulation du débit de codage d'un sign numérique de télévision, il est avantageux d'introduire terme de correction, le terme noté corr, afin de forcer valeur de remplissage ou de taux d'occupation de la mémoi M à converger vers une valeur donnée, notée M<j. Cette vale MQ peut, à titre d'exemple non limitatif, être constitu par l'occupation à moitié de la capacité mémoire de mémoire M pour le débit d0 considéré. Dans ce cas, conform ment à une autre variante de mise en oeuvre du procédé obj de la présente invention, il est possible de faire interv nir le remplissage de la mémoire M au début du codage de trame courante Tn de rang n considéré, ce remplissage valeur d'occupation de la mémoire M étant désigné par référence M„.
L'établissement de la valeur du débit cible dc pe alors être obtenu selon la relation (11) ci-après :
corr = -1/b Log[dc/d0] ≈ -1/b Log[l+λ(M0-Mn)/(nbpts.d0)]
Dans la relation (11) précitée, on indique que paramètre λ est un facteur de convergence de la vale d'occupation de la mémoire M vers la valeur M0 prédéfini ce facteur de convergence prédéterminé étant inférieur à Le facteur de convergence λ est défini par la relation : (dc-d0).nbpts = λ.f o- ,,).
On comprend ainsi que, pour une répétition succe sive sur une pluralité de trames, le facteur de convergen λ étant inférieur à 1, le débit cible tend vers la valeur débit en ligne d0 alors que l'occupation de la mémoire po la trame n considérée tend vers l'occupation imposée, valeur M0. Sur la figure 4c, on a représenté la variation paramètre d'occupation de la mémoire M en fonction du ra des trames successives Tn pour la valeur de consig d'occupation M0. On comprend que, de manière semblable cas de la figure 4b, en l'absence de perturbation dans la séquence d'images traitée ou codée, la valeur du paramètre d'occupation oscille sensiblement autour de la valeur de consigne d'occupation M0. Par perturbation, on entend le traitement de séquence d'image et de trame, d'activité de mouvement sensiblement constante, c'est-à-dire sans change¬ ment de plan de prise de vues important. Au contraire, lorsqu'un changement de prise de vues intervient, ce change¬ ment étant noté CP sur la figure 4c, une transition impor- tante de la valeur du paramètre d'occupation mémoire intervient, cette transition étant notée CP pour le change¬ ment de plan, et en raison des contraintes imposées sur le débit et sur le paramètre d'occupation de la mémoire tel que formulé par la relation (11), suite à cette transition CP, le paramètre d'occupation mémoire converge à nouveau vers la valeur M0 de consigne.
Les deux applications précédemment mentionnées dans la description en liaison avec les figures 4a, 4b et 4c, peuvent faire l'objet d'une variante particulièrement intéressante, laquelle sera explicitée en liaison avec la figure 4d.
Préalablement dans la description, il a été indiqué que les paramètres a et b, ou le cas échéant les paramètres a et 1/m, étaient sensiblement constants sur une pluralité de trames successives. Compte tenu des courbes représentées en figures 3a à 3k, une telle hypothèse apparaît parfaite¬ ment légitime. Compte tenu des valeurs expérimentales précédemment mentionnées dans la description, on peut par exemple admettre de prendre pour valeur pour b, la valeur 0.04 pour toutes les trames successives d'une transmission à débit sensiblement constant telle que représenté en figure 4a. Toutefois, en lieu et place d'une utilisation de la valeur moyenne précitée pour le paramètre b, il peut être avantageux de déterminer de manière adaptative une valeur correspondante pour chaque trame Tn considérée à utiliser, et pour chaque trame suivante d'indice n+1. D'une manière générale, on indique que la valeur de la combinaison linéaire du facteur de quantification pour la trame Tn de rang n considéré peut alors êt avantageusement ajustée pour chaque trame suivante, manière adaptative, à une valeur bntl, la valeur batl éta estimée par la valeur de la pente de la combinaison linéai du facteur de quantification par la relation : b,^ = -[Log(dn<1)-Log(d ] / [fn.x-f . Dans cette relation, on rappelle que fn<1, fn repr sentent les valeurs des facteurs de quantification pour l trames suivante de rang n+1 respectivement courante rang n pour les facteurs de luminance fl a.l f fl n et fc n.l f pour les trames suivante n+1 et courante n considérées.
Il est en outre possible de lisser les valeurs d pas de quantification obtenus par la régulation de déb afin d'obtenir des variations plus douces de la quali d'image en adoptant comme facteur de quantification, pour trame de rang n+1, une combinaison linéaire de la vale utilisée, pour la trame courante de rang n, et de la vale du pas de quantification ou du facteur de quantificati fn+df obtenu au moyen de la relation (9) précédemment cité cette combinaison linéaire vérifiant par exemple la rel tion :
fB ≈ (l-x).fn + x(fn+df) = fn+x.df (12
Dans cette dernière relation, on indique que paramètre x est un paramètre compris entre 0 et 1, l'eff de cette combinaison linéaire étant de permettre l'utilis tion de l'approximation de la loi de variation du facteur correction corr avec une pente 1/b de valeur absolue pl faible.
Le procédé de régulation du débit de codage d' signal numérique de télévision, objet de la présen invention, précédemment décrit, est essentiellement applic ble lorsque le rafraîchissement en mode intra-trame e 25 réparti sur l'ensemble des images et sur chaque trame successive, ainsi que représenté en figure 4a.
Un tel mode de rafraîchissement n'est toutefois pas satisfaisant pour des débits de codage sensiblement infé- rieurs à 15 Mbits/s pour le signal vidéo, pour les raisons ci-après :
- perte d'efficacité de codage car la position des rangées rafraîchies doit être telle que celles-ci doivent se recouvrir entre deux images successives pour garantir un blocage de la propagation des erreurs de transmission dans tous les cas de figures possibles pour les vecteurs de compensation de mouvement ;
- création d'un artefact gênant se manifestant par un défilement sur l'image d'une dégradation due au codage en mode intra-trame, lequel présente des caractéristiques différentes de celles obtenues en mode inter-trame.
Ainsi, pour des débits inférieurs à 15 Mbits/s, il est préférable, afin de supprimer les inconvénients préci¬ tés, d'effectuer le rafraîchissement en mode intra-trame sur une trame complète toutes les N trames successivement. D'une manière typique, N peut être un entier compris entre 12 et 50.
Afin d'obtenir une qualité d'image satisfaisante, il est toutefois alors nécessaire d'allouer un débit de codage plus important à la trame rafraîchie en mode intra-trame afin de garantir à celle-ci un niveau de qualité équivalent à celle des images et donc des trames codées en mode hybride. Pour un facteur de quantification équivalent, la pointe de débit pour une trame codée en mode intra-trame, et donc soumise au rafraîchissement, peut être de l'ordre de quatre fois le débit moyen des trames codées en mode hybride.
Sur la figure 5a, on a représenté une succession de trames, l'indice des trames étant noté de 1 à N afin de montrer la périodicité du rafraîchissement par codage intra- trame, chaque trame soumise au rafraîchissement portant l'indice Tx, et chaque trame constitutive d'une séquence trame antérieure à la nouvelle trame rafraîchie porta l'indice N afin de simplifier la notation. Une séquence trames soumises au processus de rafraîchissement e constituée par des trames successives Tn avec n € [1,N].
La trame qui suit la trame rafraîchie T. en mo intra-trame, en l'occurrence la trame T2, ne peut, pour d raisons de contrainte de codage, utiliser que le mode intr trame et le mode inter-trame. Elle présente généralement débit supérieur, pour une qualité équivalente, aux tram codées avec toutes les possibilités de modes de codag c'est-à-dire mode de codage intra-trame, inter-trame, inter-image. Ces trames, dans une séquence de trames T. à T étant constituées par les trames ultérieures T3 à T„. Une régulation du débit de codage efficace doit do permettre de maintenir une qualité subjective de l'ima sensiblement constante et doit en conséquence permett d'allouer plus de débit de codage à la trame rafraîchie, trame Tx en mode intra-trame et à la trame adjacente à cet trame rafraîchie, la trame T2, le pas de quantificati étant maintenu sensiblement constant pour ces deux trame ainsi que sur la trame suivante, la trame T3 telle q représentée sur la figure 5a. Ce mode opératoire perm d'optimiser le débit de codage tout en conservant u qualité d'image sensiblement constante pour les trames Tx T3 considérées.
On comprend bien sûr que le pas de quantificati appliqué aux trames précitées T., T2, T3, ce pas étant no qx et étant sensiblement constant pour les trois tram précitées, le débit évolue librement dans les limites contrainte imposées sur le niveau d'occupation de la mémo re M.
On comprend bien sûr que le maintien de la vale constante du pas de quantification à la valeur ql peut êt effectué, soit selon le mode opératoire de la figure 2a da lequel la valeur du pas de quantification qx est directeme fixée par la loi de variation approximée, soit par l'inter¬ médiaire du facteur de quantification fv en raison de la correspondante bi-univoque entre le pas de quantification qx et le facteur de quantification fx selon la relation (7). Ultérieurement aux trois premières trames de la séquence de N trames telle que représentée en figure 5a, le procédé de régulation de débit, objet de la présente invention, dans ce mode de réalisation, consiste ensuite à réguler le débit de codage conformément au mode opératoire tel que représenté en figure 2a ou 2b ainsi que décrit précédemment dans la description, cette régulation interve¬ nant sur les trames T« à T„ ultérieurement à la trame dite suivante, la trame T3. Cette régulation peut, bien entendu, être effectuée, ainsi que représenté en figure 5b, de façon à provoquer un vidage progressif de la mémoire M à une valeur d'occupation minimale, notée Min, préalablement à la trame de rang n+1, c'est-à-dire la nouvelle trame Tx soumise à rafraîchissement par codage intra-trame de la séquence d'image et donc de trame suivante. On comprend ainsi que sur les trames ultérieures T4 à T„, le processus de régulation de débit de codage peut être repris selon les modes opératoires tels que représentés en figure 2a ou 2b avec un fonctionnement normal du système de codage avec tous les modes de codage, intra-trame, inter- trame et inter-image.
Bien entendu, le vidage progressif de la mémoire M permet d'atteindre un faible remplissage à la valeur Min de la mémoire précitée au moment ou le rafraîchissement en mode intra-trame, pour la trame de rang N+l constituant la nouvelle trame T1 soumise au rafraîchissement complet, de façon à pouvoir ainsi absorber la pointe de débit due à ce rafraîchissement pour la trame considérée ainsi que sur la trame adjacente à celle-ci et sur la trame suivant cette trame adjacente, les trames T2 et T3. L'étape consistant à bloquer la valeur du pas de quantification à la valeur qx sur les trois premières trames implique bien entendu que dans le cas où la mémoire M es proche du débordement, des mesures d'urgence de contrôl soient prises conformément à un processus qui sera décri ci-après dans la description. Cette étape implique toutefoi que la taille de la mémoire M soit suffisante pour absorbe les pointes de débit. Une taille mémoire de 1,5 Mbits tell que définie par la norme ETS 300 174, correspondant à de débits en ligne de l'ordre de 9 Mbits/s à l'équivalent d neuf trames codées en moyenne, s'est avérée suffisante dan le cas des séquences d'images de référence testées au cour des expérimentations précitées pour absorber les pointes d débit dues au rafraîchissement intra-trame tel que repré senté en figure 5a.
La condition relative au vidage progressif de l mémoire M tel que représenté en figure 5b impose en fai d'imposer un contrôle du débit en fonction du rang de chaqu trame dans la séquence de N trames considérée.
Pour un niveau de remplissage MQ de la mémoire M atteindre avant l'occurrence de la trame T,^, soit la tram Tx soumise au rafraîchissement intra-trame, ce niveau d remplissage objectif M0 pouvant être très voisin de l valeur Min représentée en figure 5b, le débit cible d imposé, après le codage de la trame de rang n, avec 3<n<N peut être choisi de façon à assurer que la mémoire atteigne le niveau M0 précité après le codage des N-n trame restantes avec ce débit cible, lequel vérifie la relation M0-M„ = (N-n).(dc-d0).nbpts.
Dans la relation précitée, on indique que M,, désign le niveau d'occupation de la mémoire M après le codage de l trame n de rang précité, dc désigne le débit cible objecti de codage pour la trame suivante de rang n+1, ce débit cibl exprimé en bits/point étant réactualisé après chaque trame
Le débit cible choisi dc précité vérifie alors l relation : dc = d0[l+(M0-M„) / ((N-n).nbpts.d0)].
Lorsque la régulation du débit par l'intermédiair de la régulation du pas ou du facteur de quantification est reprise au-delà de la trame T3, n > 3, cette régulation peut, ainsi que mentionné précédemment, de manière non limitative, être effectuée par exemple sur le facteur de quantification par incrémentation de df sur chaque trame de rang n successif.
Compte tenu des relations précédentes et de l'ex¬ pression de l'incrément du pas de quantification selon la relation (8), le débit cible précité peut alors s'écrire selon la relation :
df = -1/b Log(d0/dn)-l/b Log(dc/d0) (13).
L'expression de l'incrément du facteur de quantifi- cation df peut alors être exprimé sous la forme :
df - df0 + corr (14) avec : df0 » -1/b Log(d0/dn) = 1/b Log[l+ΔM/(d0.nbpts)] corr- -1/b Log(dc/d0) = -1/b Log[l+(Mo-M„)/( (N-n).nbpts.d0)] .
Dans la relation précédente, on indique que df0 représente l'incrément correspondant à un débit cible de codage de la trame de rang n égal à d0, le terme corr représentant la correction à appliquer pour assurer la convergence de la valeur d'occupation de la mémoire M à la valeur Q. Dans l'expression corr précitée, un facteur de convergence λ peut être mis en évidence, ce facteur de convergence de l'occupation de la mémoire M dépendant de la position de la trame Tn par rapport au rafraîchissement suivant en mode intra-trame et vérifiant la relation :
λ = 1 / (N-n) (15).
En ce qui concerne la mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage d'un signal numérique de télévision, objet de la présente invention, on indique q les processus de régulation précédemment mentionnés util sent le calcul de valeurs logarithmiques. Dans un mode réalisation spécifique, on indique que ces valeurs peuve être précalculées et stockées dans une table de consultati par exemple.
Dans un mode de réalisation spécifique, pour u mémoire M de 1,5 Mbits, un nombre de 1536 valeurs variation d'occupation de cette mémoire M a été retenu, c valeurs précalculées ayant été stockées dans une table consultation.
Dans le cas où le rafraîchissement en mode inte trame est réparti sur l'ensemble des trames, ainsi q mentionné précédemment dans la description, et où conséquence le facteur λ de convergence de la mémoire M e également fixe, il est possible de calculer toutes l valeurs possibles que peut prendre le facteur de correcti corr, ces valeurs pouvant être stockées en mémoire.
Dans un tel cas, la régulation du débit de codage réduit alors à une suite d'opérations simples :
- détermination de la valeur du remplissage occupation de la mémoire M et de la variation ΔM de M cours de la trame courante Tn ;
- quantification des valeurs précitées ; - lecture dans une table de consultation des valeu d'incrément df0 et du facteur de correction corr, addition des deux termes pour obtenir l'incrément df partir de la relation (14) précédemment mentionnée dans description. Dans le cas où, au contraire, dans le deuxième mo de mise en oeuvre du procédé objet de la présente inventio ainsi que représenté en figure 5a où le rafraîchissement e effectué périodiquement sur N trames successives, le facte de convergence λ étant lié à la position de la trame à cod Tn par rapport au prochain rafraîchissement, le ter correctif peut être exprimé selon la relation (14) précité Ce terme correctif doit être calculé à la fin de chaque trame Tn. Le calcul de l'expression logarithmique correspon¬ dante peut alors être évité, soit par précalcul de toutes les valeurs possibles de ce facteur de correction, soit en considérant que le débit cible dc est voisin du débit en ligne d0, l'argument du logarithme étant voisin de 1. A titre d'exemple non limitatif, on indique que la valeur M„, voisine de valeur Min, peut être prise égale à : Mo = 0,13 Max et :
Min ≈ 0.10 Max, Max désignant la capacité mémoire maximale de la mémoire M. Les processus de régulation précédemment décrits, tant dans le cas d'un rafraîchissement systématique sur chaque trame que dans le cas d'un rafraîchissement périodi¬ que d'une trame sur N trames successives, mettent en oeuvre un calcul à la fin de chaque trame Tn, une valeur du pas de quantification qn,x ou du facteur de quantification fn l correspondant, qui sera utilisé pour l'ensemble de la trame suivante Tn.x.
Afin de s'affranchir du risque de débordement de la mémoire M ou de son vidage total, il est également avanta¬ geux, conformément à un aspect du procédé de régulation de débit de codage, objet de la présente invention, de vérifier l'état d'occupation de la mémoire M après un nombre déter¬ miné de rangées de coefficients de chaque trame et, le cas échéant, de réactualiser le pas de quantification ou le facteur de quantification en cas de menace d'assèchement ou de débordement, grâce à l'introduction de régulations intermédiaires.
Les régulations intermédiaires précitées peuvent être mises en oeuvre par exemple, ainsi que représenté en figure 5c, lorsque l'un des critères suivants est vérifié :
- niveau d'occupation de la mémoire M inférieur à une valeur de seuil sBin, en vue de la prévention de l'assè¬ chement, - niveau d'occupation de la mémoire M supérieur une valeur de seuil SB„, en vue de la prévention du déborde ment,
- contrôle de la variation de remplissage de l mémoire M, c'est-à-dire du paramètre ΔM, depuis le début d la trame courante T„ en vue de la détection d'un changemen de plan par comparaison de cette valeur de variation ΔM une valeur de seuil déterminée.
Dans tous les cas précités, il est par exempl avantageux d'utiliser l'expression de l'incrément du facteu de quantification vérifiant la relation :
df = 1/b Log[l+ΔM/(nbrg.nb.d0)] + corr (17)
Dans cette relation, le paramètre nbrg désigne l nombre rangées de blocs traitées depuis la dernière régula tion de débit, et nb désigne le nombre de points dans chaqu rangée de bloc.
Enfin, outre les régulations intermédiaires préci tées, on indique que des mesures d'urgence peuvent êtr introduites afin de prévenir le cas où le niveau de remplis sage de la mémoire M atteint des valeurs extrêmes, soit a niveau d'une régulation régulière en fin de chaque trame Tn soit au niveau d'une régulation intermédiaire en fin d rangée, une rangée étant constituée par un nombre détermin de lignes de coefficients TCD constitutives de chaque trame Dans un tel cas, il est alors utile d'utiliser u processus différent pour l'évaluation du pas de quantifica tion qn ou du facteur de quantification, afin de permettr la réaction la plus énergique possible.
Si le niveau d'occupation de la mémoire M devien inférieur à un seuil d'alarme, SAlnI inférieur à la valeur d seuil SBtn précitée, alors, on impose systématiquement l facteur de quantification fr = 0, par exemple pour le signa de luminance.
Si au contraire, le niveau d'occupation de l mémoire M devient supérieur à une valeur de seuil d'alarme, SA.up supérieur à la valeur S^ précédemment mentionnée en liaison avec la figure 5c pour les régulations intermédiai¬ res, alors, on impose une valeur du facteur de quantifica- tion fl » 175, facteur de quantification maximal pour les signaux de luminance.
Ces dernières valeurs, imposées, permettent de ramener l'état d'occupation de la mémoire M à une situation contrôlée correspondant à un état d'occupation compris entre les valeurs de régulations intermédiaires précitées.
Enfin, dans le cas de mise en oeuvre du procédé de régulation du débit de codage objet de la présente inven¬ tion, lorsque le rafraîchissement est effectué sur une trame entière parmi N, des conditions de suppression du blocage du facteur de quantification ou du pas de quantification à la valeur qx ou fx correspondante sur les trois premières trames Ti, T2, T3, peuvent être établies dans les conditions ci- après :
Une vérification de l'état d'occupation de la mémoire M peut être effectuée à la fin de chaque rangée de blocs de coefficient TCD et à la fin de chaque trame Tn. Si l'un des critères ci-après est vérifié :
- niveau d'occupation de la mémoire M inférieur au seuil S.ln ; - niveau d'occupation de la mémoire M supérieur à un seuil S.„ ; et, optionnellement :
- variation ΔM de l'état d'occupation de la mémoire M supérieure à une valeur de seuil ΔM.„, le blocage du facteur de quantification fx ou du pas de quantification qx est supprimé sur les trois trames Tx, T2, T3 précitées, et, bien entendu, le mécanisme normal de régulation du débit est immédiatement remis en service.
A titre d'exemple non limitatif, les valeurs ci- après de seuil de mise en service des régulations intermé¬ diaires ou de mesures d'urgence peuvent être retenues : - SAmf " 0, 08 Max
- SBln » 0 , 10 Max
- SmΛX - 0, 80 Max
- SA.up = 0 , 91 Max - ΔM^. - 0, 52 Max , relations dans lesquelles Max désigne la taille de mémoire M, soit 1,5 Mbits dans les essais effectués confo mément aux dispositions de la norme 300174.
On a ainsi décrit un procédé de régulation du déb de codage d'un signal numérique de télévision particulièr ment performant dans la mesure où ce procédé, applicable n seulement au cas où un rafraîchissement est effect systématiquement sur chaque trame constitutive d'u séquence d'images, mais également dans le cas où, pour d débits plus faibles, le rafraîchissement est effectué s une trame entière parmi N, un tel procédé est en fai applicable à tout système de codage d'images de télévisio numérique à base de transformée fréquentlelle de type TCD o autre et de compensation de mouvement satisfaisant au dispositions de la norme ETS 300174 et de la recommandatio 723 du CCIR et aux extensions possibles de cette norme à de débits inférieurs à 34 Mbits/s ou aux signaux de TVHD. I peut également être utilisé dans le cas plus général d codage à base de TCD et de prédiction temporelle compensé en mouvement dans lequel le pas de quantification qn n'es pas lié au facteur de quantification.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du débit de codage, par prédiction temporelle et compensation de mouvement, d'un signal numérique de télévision, constitué par une succession de trames de coefficients obtenus par transformation fréquentlelle et représentatifs de valeurs de luminance et de chrominance de pixels d'image, ces coefficients étant soumis à un processus de quantification, suivi d'un codage à longueur variable puis d'une mémorisation dans un espace mémoire de capacité déterminée, avant transmission, caracté¬ risé en ce que ledit procédé consiste, pour chaque trame courante de rang n, et suivante, de rang n+1, chacune de ces trames étant soumise, en fonction de son rang, audit processus de quantification avec un pas de quantification q„, qn<1 permettant d'engendrer, après codage, un débit de codage correspondant ά„, pour la trame courante considérée,
- à approximer la loi de variation du logarithme du débit de codage άπ, pour au moins une plage de valeurs de débit déterminée, en fonction du logarithme du pas de quantification, à une combinaison linéaire du logarithme du pas de quantification de la forme :
Log(dn) - a - 1/m Log(q„) où a et m représentent des valeurs expérimentales détermi¬ nées, sensiblement constantes sur la durée desdites trames courante et suivante ;
- à adapter le pas de quantification qn appliqué à la trame courante à une valeur qn+1, avec qn<1 » r.q„ où r représente un coefficient d'adaptation du pas de quantifica¬ tion, pour établir un pas de quantification qn<1 appliqué à la trame suivante et obtenir un débit de cible dc, après quantification et codage, ledit coefficient d'adaptation r vérifiant la relation : r - (dn/dc)' ce qui permet de réguler la valeur du débit de codage àntl de ladite trame suivante à ladite valeur de débit cible dc, successivement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé e ce que, pour un pas de quantification qn de chaque tram courante de la forme : q„ - 2""" où fn désigne un facteur de quantification appliqué auxdit coefficients de ladite trame courante, ledit procéd consiste :
- à approximer la loi de variation du logarithme d débit de codage, pour au moins une plage de valeurs de débi déterminé, en fonction du facteur de quantification, à un combinaison linéaire dudit facteur de quantification, de l forme :
Log(dn) = a-b.fn où b représente une valeur expérimentale déterminée sensiblement constante sur la durée desdites trames courant et suivante ;
- à incrémenter le facteur de quantification appliqué à la trame courante d'une valeur df pour établir u facteur de quantification fn<1 appliqué à la trame suivante pour obtenir un débit cible dc, après quantification e codage, l'incrément de valeur du facteur de quantificatio df vérifiant la relation : df ≈ - _!_ Log (dc/dn) b ce qui permet de réguler la valeur du débit de codage d ladite trame suivante à ladite valeur de débit cible successivement.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé e ce que, pour un débit de codage en ligne de valeur sensible ment constante d0, sur une succession de trames, et pour un variation de remplissage ΔM dudit espace mémoire pour ladit trame courante vérifiant la relation ΔM - (d„-d0).nbpts où nbpts désigne le nombre de points image par tram l'incrément du facteur de quantification df, pour assur une contrainte d'asservissement relative au remplissa dudit espace mémoire vérifie la relation : df - 1/b Log [1 + ΔM/(d0.nbpts)] - 1/b Log [dc/d0] relation dans laquelle : df0 - 1/b Log [1 + ΔM/(d0.nbpts)] représente l'incrément dudit facteur de quantification pour un débit cible dc de ladite trame courante égal au débit de codage en ligne d0.
4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit facteur de quantification fn de la trame courante est constitué par deux composantes, une composante de facteur de quantification de luminance f1,, et une composante de facteur de quantification de chrominance fc n, lesdites composantes vérifiant la relation :
Figure imgf000039_0001
avec fc n et fx n entiers 6 [0,175], fx étant une valeur entière constante comprise entre 0 et 25.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la valeur b de ladite combinaison linéaire du facteur de quantification fn est sensiblement constante.
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les valeurs a et/ou b de ladite combinaison linéaire du facteur de quantification fn sont ajustées périodiquement en fonction du rang d'un groupe d'au moins une trame.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite valeur b de ladite combinaison linéaire du facteur de quantification fn est ajustée pour chaque trame suivante de manière adaptative, la valeur bn<>1 pour la trame suivante de rang n+1 étant estimée par la valeur de la pente de ladite combinaison linéaire dudit facteur de quantifica¬ tion et vérifie la relation : bn.x - - [Log(d„ ) - (Log(dn)] / [fn+1 - fn] où d,,.! et dn représentent les débits de codage pour la trame suivante et la trame courante respectivement, fntl et fn représentent la valeur du facteur de quantification appliqué à la trame suivante et la trame courante respect vement.
8. Procédé selon l'une des revendications précéde tes, caractérisé en ce que, dans le cas d'un codage d'ima appliqué à une séquence de trames, dans lequel un rafra chissement intra-trame périodique des coefficients constit tifs des trames est effectué, à raison d'un rafraîchisseme en mode intra-trame d'une trame sur N trames successive ledit procédé consiste : - à maintenir le pas de quantification sensibleme constant appliqué à la trame courante sur laquelle rafraîchissement en mode intra-trame est effectué, à trame adjacente à la trame courante et à la trame suivant ce qui permet d'optimiser le débit de codage tout conservant une qualité d'image sensiblement constante, po les trames considérées ;
- à réguler le débit de codage selon l'une d revendications précédentes, ultérieurement à la tra suivante, pour provoquer un vidage progressif de la mémoi à une valeur d'occupation minimale, préalablement à la tra de rang N+l soumise au rafraîchissement intra-trame.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé ce que le coefficient d'adaptation du pas de quantificati r, pour un débit en ligne sensiblement constant, vérifie relation : r = r0.reβPr dans laquelle
- r0 désigne la contribution du coefficient d'adapt tion du pas de quantification pour un débit en ligne égal la valeur d0,
- rcorr désigne un coefficient d'adaptation du pas quantification vérifiant la relation rcorr =(d0/dc)'.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé ce que, pour une variation de remplissage ΔM dudit espa mémoire pour ladite trame courante de rang n vérifiant relation : ΔM « (d^-do).nbpts où
- άn désigne le débit de ladite trame courante,
- nbpts désigne le nombre de points image par trame, ladite contribution du coefficient d'adaptation du pas de quantification r0 vérifie la relation : r0 - [1+ΔM/M0(d0.nbpts)]".
11. Procédé selon l'une des revendications 1, 9 ou 10, caractérisé en ce que la valeur m de la combinaison linéaire liant le logarithme du pas de quantification et le logarithme du débit de codage est ajustée périodiquement.
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