DE69615533T2

DE69615533T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der globalen bitrate einer vielzahl von kodierern

Info

Publication number: DE69615533T2
Application number: DE69615533T
Authority: DE
Inventors: Guy Normand
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1996-11-04
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: EP0804857B1; JPH10513028A; DE69615533D1; US5929914A; EP0804857A1; WO1997018676A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Bitrate einer Vielzahl von Video-Codierern vom MPEG-Typ, die je parallel ein einzelnes Videosignal verarbeiten, wobei die zu codierenden Bilder von einem verschiedenen Typ T sind, bezeichnet als I, P bzw. B, abhängig davon, ob sie unabhängig von irgendeinem anderen Bild einer Intraframe-Codierungsmode ausgesetzt sind, oder ob sie einer prädiktiven Codierungsmode ausgesetzt sind, wobei eine Einrichtungs- Bewegungsprädiktion angewandt wird, und zwar auf Basis eines anderen intraframecodierten oder vorhergesagten Bildes, oder aber ob sie einer Zweirichtungs-Interpolationscodierungsmode ausgesetzt sind, und zwar auf Basis eines vorhergehenden Bildes und eines nachfolgenden Bildes.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Anordnung zum Durchführen des genannten Verfahrens zur Steuerung der Bitrate.
Es ist erlaubt, dass die codierten Bilder verschiedener Sequenzen gleichwertige Qualitäten haben, wenn sie in demselben Quantisierungsschritt vor Korrektur durch die adaptive räumliche Aktivität (durch Quantisierung) codiert werden, und dass die Codierer nicht bestimmten Beschränkungen ausgesetzt sind, während die Strukturen der Gruppen von Bildern, oder GOPs, verschieden sein können und der Bildsynchronismus zwischen den Codierern nicht erforderlich ist. Die MPEG-Norm, definiert durch die "International Standardization Organization" ISO, ist beschrieben beispielsweise in dem Dokument "MPEG: A video compression standard for multimedia applications" von D. Le Gall "Communications of the ACM", April 1991, Heft 34, Nr. 4, Seiten 46-58. In einem Gebilde aus Codierern von dem MPEG-Typ, wie der vorliegende, hat jeder Codierer einen Ausgangspufferspeicher, oder einen Puffer (ein Puffer ist ein Speicher, der Bits mit einer variablen Bitrate empfängt und sie mit einer konstanten Bitrate neu speichert, oder umgekehrt im Falle von Decodierung), und wobei der globale Inhalt eines globalen Puffers, der der Summe der jeweiligen Inhalte jedes Puffers entspricht, eine Anzeige bildet, mit der die Codierungsbitrate durch Beeinflussung des Quantisierungsschrittes gesteuert werden kann. Die Schwankungen des globalen Pufferinhaltes, die verursacht werden durch die Differenz zwischen der aktuellen Codierungsbitrate und der Ubertragungsbitrate, sind abhängig von dem Quantisierungsschritt und von dem Typ des Bildes, das zu einem bestimmten Zeitpunkt codiert werden soll (Bilder von dem Typ I, P, B werden als Intra-vorhergesagte oder interpolierte Bilder bezeichnet, und zwar entsprechend der Codierungsmode, wie oben erwähnt). Diese wesentliche Schwankungen in der Bitrate treten ebenfalls in dem Puffer des Codierers auf und in dem auf entsprechende Weise vorgesehenen Puffer des Decoders nach der Ubertragung undloder Speicherung der codierten Signale, und veranlassen eine wesentliche Verzögerung zwischen der Codierung und der Decodierung eines Bildes.
Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Bitrate zu schaffen, das eine konstante globale Bitrate über verschiedene gleichzeitig arbeitende Codierer vom MPEG-2-Typ verteilt, damit eine Qualität, die im Wesentlichen für jeden dieser Codierer gleichwertig ist, zu jedem beliebigen Zeitpunkt erhalten wird, ungeachtet der Komplexität der codierten Bilder, und wobei die Verzögerung zwischen der Codierung und der Decodierung eines Bildes reduziert werden kann.
Dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung der Bitrate, wie eingangs erwähnt, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
(a) das Bestimmen der Komplexität jedes betreffenden Bildes, wobei diese Komplexität dem Produkt aus der zum Codieren eines Bildes benutzten Bitzahl und dem mittleren Quantisierungsschritt entspricht;
(b) das für jeden Codierer und jedes Bild Bestimmen eines Koeffizienten, der zu der Komplexität des vorhergehenden Bildes von demselben Typ umgekehrt proportional ist, und zu der Summe der Komplexität aller Bilder der Gruppe von Bildern, zu der das betreffende Bild gehört, proportional ist;
(c) das Berechnen des Quantisierungsschrittes für jeden Makroblock des betreffenden Bildes, bestimmt durch das Produkt aus einem festen Reaktionskoeffizien ten und dem Inhalt eines virtuellen Puffers, wobei der genannte Inhalt dem Produkt aus dem genannten Koeffizienten, der umgekehrt proportional zu der Komplexität ist, und der Anzahl von dem betreffenden Codierer benutzter Bits innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, weniger der mittleren Anzahl Bits, die innerhalb des genannten Zeitintervalls übertragen werden können, für eine globale Bitrate D.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht aus der Berechnung eines Bildes von dem echten globalen Puffer, der bezeichnet wird als virtueller globaler Puffer und in dem die Schwankungen in Bezug auf den Typ des codierten Bildes durch Glättung reduziert werden. Die Steuerung des Inhaltes dieses Puffers ermöglicht es dann, dass die globale Bitrate durch Einstellung des Quantisierungsschrittes für das Gebilde der Codierer gesteuert wird. Diese kombinierte Bitratensteuerung ermöglicht es, dass die Summe der Bitraten des Gebildes von Codierern stabilisiert wird, dass eine im Wesentlichen gleichwertige Qualität beibehalten wird, ungeachtet des Codierers, und dass die Umstände der allgemeinen Führung des Gebildes von Puffern durch eine optimale Verteilung der Schwankungen der Bitrate über den Puffer des "Codierungs"-Teils und den Puffer des "Decodierungs"-Teils verbessert werden, was die Möglichkeit bietet, dass die Verzögerung zwischen der Codierung und der Decodierung eines Bildes verringert wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu schaffen zum Durchführen des Verfahrens zur Steuerung der Bitrate nach der vorliegenden Erfindung.
Dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Anordnung zur Steuerung der Bitrate eines Gebildes aus Video-Codierern vom MPEG-Typ, die je parallel ein einzelnes Videosignal verarbeiten, wobei die zu codierenden Bilder von einem verschiedenen Typ T sind, die als I, P bzw. B bezeichnet werden, abhängig davon, ob sie einer Intraframe-Codierungsmode unabhängig von jedem anderen Bild ausgesetzt werden, oder ob sie einer prädiktiven Codierungsmode ausgesetzt werden, wobei eine Einrichtungs-Bewegungsprädiktion angewandt wird, und zwar auf Basis eines anderen intraframe-codierten oder vorhergesagten Bildes, oder aber ob sie einer Zweirichtungs-Interpolationscodierungsmode ausgesetzt werden, und zwar auf Basis eines vorhergehenden und eines nachfolgenden Bildes, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente aufweist:
(a) an dem Ausgang jedes Codierers eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Komplexität jedes betreffenden Bildes, wobei die genannte Komplexität dem Produkt aus der Bitzahl, die zum Codieren eines Bildes benutzt worden ist, und dem mittleren Quantisierungsschritt entspricht,
(b) eine Steuereinheit um für jeden Codierer und jedes Bild einen Koeffizienten zu bestimmen, der zu der Komplexität des vorhergehenden Bildes von demselben Typ T umgekehrt proportional ist und zu der Summe der Komplexität aller Bilder der Gruppe von Bildern, zu der das betreffende Bild gehört, proportional ist und um für jeden Makroblock des betreffenden Bildes die Bitrate jedes Codierers zu berechnen sowie dessen Quantisierungsschritt zu berechnen, der durch das Produkt aus einem festen Reaktionskoeffizienten und dem Inhalt eines virtuellen Puffers bestimmt wird, wobei der genannte Inhalt dem Produkt aus dem genannten Koeffizienten, der umgekehrt proportional ist zu der Komplexität, und der Anzahl Bits entspricht, die durch den betreffenden Codierer innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls benutzt worden sind, weniger der mittleren Anzahl Bits, die innerhalb des genannten Zeitintervalls übertragen werden können, für eine globale Bitrate D.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 bis Fig. 3 Beispiele von Kurven, die aktuellen Bitraten DBUFa, DBUFb, ...., DBUFn von verschiedenen Codierern entsprechen, die einen Teil einer nachher beschriebenen Ausführungsform bilden,
Fig. 4 und 5 die Anzahl Bilder in einem Puffer eines dieser Codierer, die einen Teil der genannten beschriebenen Ausführungsform bilden, als Funktion der Aufeinanderfolge von Bildern, d.h. der Zeit (ausgedrückt in der Anzahl aufeinander folgender Bilder) und der Bitrate, die alle 80 ms berechnet wird (d.h. alle zwei Bilder),
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zur Steuerung der Bitrate, mit der das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann.
Der Einfluss der Codierung eines Makroblocks auf die Codierungsbitrate einer Sequenz wird hier so betrachtet, dass dieser proportional zu der Komplexität dieses Bildes ist, oder annähernd, proportional zu der Komplexität des Bildes von demselben Typ, das dem betreffenden Bild vorhergeht (ausgenommen für das Problem der Änderung der Ebene). Ein Koeffizient COEF(T), der umgekehrt proportional ist zu dem relativen Einfluss eines Makroblocks auf die mittlere Bitrate eines Codierers kann auf diese Art und Weise definiert werden, wobei dieser Koeffizient abhängig ist von der Komplexität des codierten Bildes gegenüber der Komplexität von Bildern eines anderen Typs und mit der GOP-Struktur. Dieser Koeffizient wird gegeben durch den nachfolgenden Ausdruck (1):
wobei:
T = Typ des betreffenden Bildes (I, P oder B)
N = Anzahl Bilder in einer GOP
NP = Anzahl Bilder P in einer GOP
NB = Anzahl Bilder B in einer GOP
X = Komplexität.
Die Qualität der Bilder von demselben Typ T kann gegenüber der Qualität von Bildern eines anderen Typs verbessert oder reduziert werden, und zwar durch Multiplikation des Quantisierungsschrittes gegenüber diesen Bildern mit einem konstanten Faktor K. Der Koeffizient COEF(T) wird nun durch den nachfolgenden Ausdruck (2) gegeben:
mit, beispielsweise, KP = 1, Kanalbitstrom = 1,4 und KT = KP oder Kanalbitstrom.
Für jeden Codierer wird der Inhalt D(0) des globalen virtuellen Puffers durch den nachfolgenden Ausdruck (3) definiert:
D(O) = D(O) + (NBBT.COEF(T)C) - NBBT(D) (3)
Mit:
NBBT = Anzahl Bits, benutzt für jeden Codierer in einem bestimmten Zeitintervall;
c = Index des betreffenden Codierers;
NBBT(D) = Anzahl Bits, die im Schnitt in diesem Zeitintervall mit einer globalen Bitrate D übertragen werden können.
Auf Basis dieses Inhaltes des virtuellen globalen Puffers kann der Quantisierungsschritt Q(0) für jeden Makroblock oder für jede Gruppe von Makroblöcken mit Hilfe eines Reaktionskoeffizienten Reac berechnet werden. Der Ausdruck wird gegeben durch:
q0 = d0*Reac (4)
mit: Reac = 400/R, wobei R die globale Bitrate des Gebildes von Codierern ist (die Reaktionszeit der Steuerung ist proportional zu dem Reaktionskoeffizienten, während die Amplitude der Schwankungen des Puffers umgekehrt proportional dazu ist).
Die Schwankungen des virtuellen Puffers an jeder GOP sind theoretisch gleichwertig zu denen des reellen Puffers, wenn die Werte der Komplexität der Bilder von demselben Typ in einer GOP stabil sind, weil die in dem Ausdruck (2) benutzten Werte der Komplexität der vorhergehenden Bilder von demselben Typ entsprechen. Wenn die Komplexität von Bildern von demselben Typ einer Sequenz schnell variiert, insbesondere während Änderungen der Ebene, kann eine Abweichung des reellen Puffers auftreten. Dann muss eine mittlere Bitratensteuerung für jede GOP durchgeführt werden, wobei eine Korrektur der Evolution für den reellen Puffer zur Stabilisierung des globalen Puffers des Codierers auf einem Pegel beabsichtigt wird, der im Wesentlichen für jeden Zeitpunkt konstant ist, der einem periodisch identischen Zustand des Gebildes von Codierern entspricht. Diese Steuerung besteht aus der Einstellung, bei jeder GOP, der Koeffizienten COEF(T) jedes Codierers und daraus, dass die kiut einem Faktor λ multipliziert werden, der durch den nachfolgenden Ausdruck (5) gegeben wird:
λ = (F/N),(D(REF) - D(GLOB))/(R + 1) (5)
mit:
F = Frequenz der Bilder
D(REF) = Inhalt des Bezugspuffers
D(GLOB) = globaler Inhalt des Gebildes aus Puffern
R und N = bereits definiert
Der Ausdruck (3) nimmt dann die untenstehende Form ein, gegeben durch den Ausdruck (6):
D0 = D(0) + (λ.NBBT.COEF(T)C) - NBBT(D) (6)
Es sei bemerkt, dass, wenn eine wesentliche Variation der Komplexität eines Bildes gegenüber dem vorhergehenden Bild von demselben Typ auftritt, dies im Allgemeinen eine Änderung der Ebene bedeutet. Die Koeffizienten können dann derart geändert werden, dass die Gefahr vor einer Abweichung des reellen Puffers reduziert wird, um eine gute Sicherheit in Bezug auf die Schwankungen des reellen Puffers zu gewährleisten, kann der Wert des virtuellen Puffers nachher für jedes Bild dadurch korrigiert werden, dass die Komplexität dieses Bildes berücksichtigt wird, aber Versuche haben gezeigt, dass diese komplementäre Steuerungen nur dann nützlich sind, wenn die GOP jedes Codierers eine andere Struktur hat und wenn folglich die Periodizität des Gebildes des Systems einen Effekt auf die Vielzahl von Bildern hat, beispielsweise 48 Bilder, wenn die GOPs aus 8, 12 und 16 Bildern zusammengesetzt sind.
Um die Bitrate auf eine homogene Art und Weise über das Bild zu verteilen kann entschieden werden, die nicht aktiven Makroblöcke zu berücksichtigen. Die Anzahl Bits jedes aktiven Makroblocks, die zum Berechnen des virtuellen Puffers berücksichtigt werden, wird mit einem Faktor η multipliziert, der dem Verhältnis der Anzahl aktiver Makroblöcke NMAA zu der gesamten Anzahl NTMB Makroblöcke je Bild entspricht:
η = NMAA/NTMB (7)
Eine Rest-Bitrate DRES wird danach für jeden aktiven Makroblock erhöht:
DRES = DRES + NMAA.(1 - η) (8)
und die für die nicht aktiven Makroblöcke berücksichtigte Bitrate wird gegeben durch den Ausdruck (9):
DMNA = DRES/NMNA (9)
Die Anwendung desselben Quantisierungsschrittes für das Gebilde von Codierern bietet die Möglichkeit, zu jedem beliebigen Zeitpunkt Bilder einer gleichwertigen Qualität zu erhalten. Es kann aber interessant sein, die Qualität eines der Codierer gegenüber den anderen Codierern zu verbessern oder zu reduzieren, beispielsweise durch Multiplikation des Quantisierungsschrittes gegenüber diesem Codierer um einen konstanten Faktor. Zur Steuerung unter unabhängigem Betrieb kann der Quantisierungsschritt auch für jeden Makroblock als eine Funktion der räumlichen Energie moduliert werden (dieser Vorgang wird durch den Codierer selber auf den bestimmten Quantisierungsschritt durchgeführt).
Es wurden Versuche durchgeführt, insbesondere zur Simulation des simultanem Betriebs mehrerer Codierer mit einer konstanten globalen Bitrate. Die kombinierte Bitratensteuerung ermöglicht es, dass die Aufgabe der Stabilisierung der Summe Bitraten des Gebildes der Codierer sowie eine Verbesserung der Umstände zur allgemeinen Steuerung der Puffer erhalten wird. In einem zweiten Vorgang kann man die Schwankungen der Bitrate für jeden dieser Codierer derart bestimmen, dass der Inhalt der Codierer- und Decodiererpuffer einzeln gesteuert werden kann.
Diese Bestimmung basiert auf dem nachfolgenden Prinzip. Für jeden Codierer wird die aktuelle Bitrate der Codierung als Funktion der Zeit durch die Funktion Dbuf(t) dargestellt, wobei t = 0 der Anfang der Codierung der Sequenz ist. Die Fig. 1 bis 3 zeigen drei dieser aktuellen Bitraten DBUFa, DBUFb, DBUFn für drei Codierer 10a, 10b und 10n der Bitratensteueranordnung nach Fig. 6, wie diese mit den n Codierern 10a bis 10n dargestellt ist (diese Fig. 6 wird nachstehend noch näher beschrieben). Zu dem Zeitpunkt ti(i = 1, b, ..., n) wird das Profil der Bitrate innerhalb des Codierer-Decodierer-Puffers durch die Funktion DBUF bei einem Intervall [ti, ti + T] dargestellt, wobei T die Verzögerung ist, die durch den Puffer eingeführt wird. Wenn τi(i = a, b, ..., n) den Zeitpunkt bezeichnet, der der physikalischen Grenze entspricht, die den Codiererpuffer (COD) von dem Decodiererpuffer (DECOD) trennt, wird der Inhalt des Puffers des Codierers 10a (10b, 10c, ...10i, bzw. 10n) wie folgt geschrieben:
CCBUF1 = Dbufl(t)dt (10)
und der Inhalt des Puffers des Codierers wird wie folgt geschrieben:
CDBUF1 = Dbufl(t)dt (11)
Die Übertragungsrate jedes Codierers wird derart berechnet, dass die Übertragungsverzögerung für alle Codierer im Wesentlichen dieselbe ist und der Anzahl Bilder entspricht, die im Schnitt in dem Gebilde von Puffern vorhanden sind. Wenn D die globale Bitrate des Gebildes von Codierern ist, wird die Anzahl Bits, die während eines Zeitintervalls Δt übertragen wird, als Funktion der Anzahl Bits, die von jedem Codierer übertragen wird, definiert:
Dbuf&sub1;(t)dt + Dbuf&sub2;(t)dt + .... + Dbufn(t)dt = DΔt (12)
Es wird nun beabsichtigt, die Übertragungsbitrate für jeden Codierer zu modulieren damit eine identische Anzahl Bilder in jedem Puffer beibehalten wird. Zum Berechnen von δt&sub1; wird die Gleichung (12) dadurch gelöst, dass die Beziehung (13) berücksichtigt wird:
τ&sub1; + δt&sub1; = τ&sub2; + δt&sub2; = ... = τn + δtn (13)
In der Praxis wird für jeden Codierer eine Tafel Ibuf[η] verwendet, die das Profil der Codierer-Decodierer-Puffer in einer Anzahl Codierungsbits je Zeiterhöhung darstellt, wobei diese Tafel als ein FIFO-Speicher gesteuert wird und jedes Element dieser Tafeln die Anzahl codierter Bits während dieser Zeiterhöhung darstellt. Diese Tafel enthalten die Daten, die eine Berechnung der Biträte jedes Codierers dadurch ermöglichen, dass die Beschränkungen berücksichtigt werden, die sich auf die maximale und minimale Größe der Puffer beziehen zur Vermeidung eines Überflusses oder einer Unterflusses. Nach Diskretisierung wird die Gleichung (12) wie folgt geschrieben:
wobei der Index p durch numerische Auflösung der Gleichung (15) berechnet wird:
Ibuf&sub1;(i > k&sub1;) + Ibuf&sub2;(i > k&sub2;) + ... + Ibufn(i > kn) = DΔt (15)
Die Bitraten jedes Codierers (1 bis n) während des Zeitintervalls Δt werden wie folgt geschrieben:
d&sub1; = Ibuf&sub1;(i)/(Δt) (16a)
d&sub2; = Ibuf&sub2;(i)/(Δt) (16b)
dn = Ibufn(i)/(Δt) (16c)
Theoretisch sind die Zeiger ki des Indexwertes gleich, weil sie dem Index p entsprechen, der in dem vorhergehenden Schritt bestimmt worden ist und durch eine Anzahl Zellen Δt/δτ verschoben worden ist. In der Praxis weichen diese Zeiger im Allgemeinen aus den nachfolgenden Gründen ab:
a) die echten Bitraten sind Annäherungswerte der Bitraten di, berechnen in dem vorhergehenden Schritt, so dass die Verschiebungen (p → ki) nicht logischerweise gleich Δt/δt sind;
b) unter bestimmten Bedingungen führt die strikte Berücksichtigung der Gleichung (15) zu der Gefahr eines Überflusses des Puffers des Decoders, so dass es notwendig ist, die Rate dadurch vorübergehend zu beschränken, dass für diesen Codierer ein maximaler Wert p auferlegt wird;
c) während der Verbindung eines Codierers 10i mit der Steuereinheit (dargestellt in Fig. 6) wird der Zeiger ki höchstwahrscheinlich von den Zeigern der bereits verbundenen Codierer abweichen.
Das Prinzip der Bestimmung von Schwankungen der Bitraten für jeden Codierer ist auf diese Weise beschrieben und die praktischen Modalitäten der Verteilung der Bitrate zu jedem Codierer wird nun angegeben. Für jeden Codierer wird jedes Element der Tafel derart betrachtet, dass es die Anzahl Bits enthält, die für jede Scheibe des Bildes benutzt worden ist (hier, eine Scheibe = 45 Makroblöcke) und die durch den "Codierer + Decoder" Puffer eingeführte Verzögerung ist 280 ms, d.h. 7 Bilder für eine Bildfrequenz von 25 Bildern/s. Die Tafel enthält dann 7 · N Elemente, wobei N die gesamte Anzahl Scheiben je Bild beträgt. Die Bitraten werden miteinander verglichen und folglich zu regelmäßigen Zeitintervallen zu der Bildfrequenz modifiziert, d.h. 40 ms.
Die Gleichung (15) ermöglicht nun eine Bestimmung der Werte des Indexes p, welche die globale Bitrate DΔt einschließen, d.h. p und p + 1. Wenn S(p) das linke Glied der Gleichung (15) ist, dann ist: S(p) ≤ DΔt ≤ S(p + 1).
Der Restwert α(S(p + 1)-S(p)), womit die Gleichung (15) bestätigt werden kann, ist derart, dass:
α = DΔt - S(p))/(S(p + 1) - S(p)) (17)
Die theoretischen Bitraten, die aus den Gleichungen (16a) bis (16n) erhalten worden sind, können dann wie folgt geschrieben werden, mit i = 1 bis n:
di = Ibufi(i) + αIbufi(p + 1))/(Δt) (18)
und die Bedingung:
di = DΔt (19)
wird bestätigt. Die theoretischen Bitraten werden danach auf Werte eingestellt, die vergleichbar sind mit einer Technik der Übertragung mit Hilfe von Paketen einer festen Länge und die danach zu jedem Codierer übertragen werden. Am Ende jeder Übertragungsperiode wird die Anzahl Bits, die auf effektive Art und Weise von jedem Codierer übertragen worden ist, der Steuereinheit mitgeteilt, die den Wert der Zeiger ki, erforderlich für den nächsten Rechenschritt, bestimmt.
Die Steuerung des Inhaltes des Decoderpuffers wird auf die nachfolgende Art und Weise gewährleistet. Zu jeden Zeitpunkt muss der Puffer des Decoders minimal ein Bild enthalten, was bedeutet, dass der Zeiger ki immer höher sein sollte als die gesamte Anzahl Scheiben in einem Bild, d.h.
t ki > N. (20)
Im Grunde wird diese Bedingung immer bestätigt, weil die für jeden Codierer berechneten Bitraten derart sind, dass die Anzahl Bilder in dem Puffer des Codierers und folglich in dem Puffer des Decoders, im Wesentlichen konstant ist.
Für die Versuche, die durchgeführt wurden, hatte der Decoderpuffer einen mittleren Inhalt von 3 Bildern. Der Puffer eines Decoders mit einem Hauptprofil MPEG2 hat einen maximalen Inhalt von 1835008 Bits. Für beträchtliche Bitraten ist die Anzahl Bits entsprechend den drei Bildern höher als diese Grenze. Als Schutz vor der Gefahr von Überfluss der Kapazität des Decoderpuffers wird die Berechnung der Bitrate jedes Codierers mit Hilfe der Gleichung (15) unter der nachfolgenden Bedingung durchgeführt:
t .Ibufn(i) < 1835008 (21)
Dies bedeutet, dass wenn diese Bedingung nicht länger für einen Codierer beachtet wird, die Erhöhung des Indexes p während der Lösung der Gleichung (15) beendet wird und auf den nächst niedrigeren Wert festgelegt wird, d.h. pn = pn - 1. Ein Bild kann aber nicht einen Inhalt haben, der größer ist als die Kapazität jedes Codierers. Dieses Ergebnis wird durch Beschränkung der augenblicklichen Bitrate jedes Codierers erhalten. Die mittlere Bitrate soll im Wesentlichen niedriger bleiben als die maximale Bitrate Dmax eines Codierers, der autonom arbeitet. Bei jeder Scheibe soll die Anzahl Bits, die den virtuellen Puffer erhöht, niedriger sein als die Anzahl Bits, die der maximalen mittleren Bitrate für eine Scheibe entspricht. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, wird der Quantisierungsschritt, der diesem Codierer auferlegt worden ist, proportional erhöht, wenn diese Bitrate überschritten wird, damit sie wieder innerhalb der Grenzen gebracht wird.
Für die durchgeführten Versuche (für sechs Codierer) mit der Absicht der Bestätigung der Würdigkeit des Bitratensteuerverfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird die Berechnung der Übertragungsbitraten für jeden Codierer gleichzeitig durchgeführt, und zwar mit konstanten Zeitintervallen, d.h. in dem vorliegenden Fall, alle 40 ms. Die Fig. 4 und 5 zeigen die Anzahl Bilder NIBC in dem Puffer beispielsweise des Codierers 10a als eine Funktion der vergangenen Zeit (ausgedrückt in Bildern) und die Bitrate DEBC (ausgedrückt durch einen Koeffizienten, der mit 10&sup6; multipliziert werden soll), wenn alle 80 ms berechnet. Der Inhalt des Puffers (Fig. 4) liegt zwischen 3,2 und 4,8 Bildern in diesem Fall und folglich enthält der Puffer des entsprechenden Decoders zwischen 3,8 und 2, 2 Bilder, womit eine wesentliche Reduktion der durch die Puffer eingeführten Verzögerung erzielbar ist, die zur Zeit gleich 0,28 Sekunden beträgt. Diese Möglichkeit ist insbesondere interessant für Applikationen vom interaktiven Typ.
Der Vorteil der Methode der Steuerung der globalen Bitrate, wie oben beschrieben, wobei eine Minimierung der Schwankungen der Anzahl Bilder in jedem Puffer angestrebt wird, ist im Wesentlichen eine große Sicherheit in der Steuerung von Puffern und eine optimale Verteilung der beträchtlichen Schwankungen der Bitrate in dem Puffer des Codierers und dem Puffer des Decoders, was auf effektive Weise die Möglichkeit einer Verringerung der Verzögerung schafft, die es zwischen der Codierung und der Decodierung eines Bildes gibt.
Fig. 6 zeigt schematisch, wie dieses Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Die Codieranordnung, welche die Bitratensteuerung aus den genannten Figuren benutzt, umfasst N Codierer 10a bis 10n von dem MPEG2-Typ und eine Steuereinheit 100, die diesen Codierern zugeordnet ist. Die Einheit 100 empfängt die nachfolgende Information von jedem Codierer (Verbindungen 20a bis 20n): die Frequenz und das Format der Bilder (25 oder 20 Hz; Format von 720 · 576 Zeilen, gegliedert in 1620 Makroblöcken) und die Charakteristiken der Gruppen von Bildern (Anzahl Bilder in einer Gruppe, Anzahl Bilder von dem Typ P zwischen zwei Bildern vom Typ I, Anzahl interpolierter Bilder vom Typ B zwischen zwei nicht interpolierten Bildern, Typ I, P oder B der aufeinander folgenden Bilder, eine Anzeige des aktiven oder nicht aktiven Charakters jedes Makroblocks, die Anzahl Bits jedes aktiven oder nicht aktiven Makroblocks und den Inhalt des Puffers des Codierers am Anfang jedes Bildes). Die Schaltungsanordnungen 30a bis 30n sind ebenfalls zwischen den Codierern und der Einheit 100 vorgesehen, wobei diese Schaltungsanordnungen zum Bestimmen der Komplexität jedes codierten Bildes verwendet werden (beispielsweise entsprechend dem Verfahren der Bestimmung, beschrieben in der Europäischen Patentanmeldung EP-0 670 663, vorher eingereicht von der Anmelderin). An einer Rückkehrverbindung sendet die Steuereinheit 100 zu jedem Codierer die Bitrate (Da, Db, ..., Dn) und den Quantisierungsschritt (Qa, Qb, ..., Qn), bestimmt durch die genannte Einheit, wenn das Steuerverfahren durchgeführt wird.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf den Inhalt der obenstehenden Beschreibung beschränkt, sondern, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf dieser Basis Abwandlungen vorgeschlagen werden können. Insbesondere kann eine Steuerverbindung (40a, 40b, 40c, ...,40n) zwischen jedem Codierer und der Steuereinheit 100 vorgesehen werden, wobei mit dieser Steuerverbindung einer der Codierer los gekoppelt werden kann, damit dieser auf eine autonome statt kombinierte Weise funktionieren kann, während das globale Steuerverfahren nur für die (n - 1) anderen Codierer angewandt wird.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Bitrate einer Vielzahl von Video- Codierern von dem MPEG-Typ, die je parallel ein einzelnes Videosignal verarbeiten, wobei die zu codierenden Bilder von einem verschiedenen Typ T sind, bezeichnet als I, P bzw. B, abhängig davon, ob sie unabhängig von irgendeinem anderen Bild einer Intraframe-Codierungsmode ausgesetzt sind, oder ob sie einer prädiktiven Codierungsmode ausgesetzt sind, wobei eine Einrichtungs-Bewegungsprädiktion angewandt wird, und zwar auf Basis eines anderen intraframe-codierten oder vorhergesagten Bildes, oder aber ob sie einer Zweirichtungs-Interpolationscodierungsmode ausgesetzt sind, und zwar auf Basis eines vorhergehenden Bildes und eines nachfolgenden Bildes, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

(a) das Bestimmen der Komplexität jedes betreffenden Bildes, wobei diese Komplexität dem Produkt aus der zum Codieren eines Bildes benutzten Bitzahl und dem mittleren Quantisierungsschritt entspricht;

(b) das für jeden Codierer und jedes Bild Bestimmen eines Koeffizienten, der zu der Komplexität des vorhergehenden Bildes von demselben Typ umgekehrt proportional ist, und zu der Summe der Komplexität aller Bilder der Gruppe von Bildern, zu der das betreffende Bild gehört, proportional ist;

(c) das Berechnen des Quantisierungsschrittes für jeden Makroblock des betreffenden Bildes, bestimmt durch das Produkt aus einem festen Reaktionskoeffizienten und dem Inhalt eines virtuellen Puffers, wobei der genannte Inhalt dem Produkt aus dem genannten Koeffizienten, der umgekehrt proportional zu der Komplexität ist, und der Anzahl von dem betreffenden Codierer benutzter Bits innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, weniger der mittleren Anzahl Bits, die innerhalb des genannten Zeitintervalls übertragen werden können, für eine globale Bitrate D.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Komplexität proportional ist zu dem Produkt Xi aus der Anzahl Bits S. zum Codieren des Bildes, dem der genannte betreffende Makroblock zugeordnet ist, und dem mittleren Wert Qi der Quantisierungsschritte für dieses Bild.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Komplexität proportional ist zu dem Produkt Xi aus der Anzahl Bits S. zum Codieren des Bildes, das demjenigen Bild vorhergeht, dem der genannte betreffende Makroblock zugeordnet ist, und dem mittleren Wert Qi der Quantisierungsschritte für das genannte vorhergehende Bild.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt umfasst zum Modulieren der Qualität jedes der Codierer durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der adaptiven Modulation der Qualität jedes der Codierer als Funktion der räumlichen Energie umfasst.

6. Anordnung zur Steuerung der Bitrate eines Gebildes von Video- Codierern von dem MPEG-Typ, die je parallel ein einzelnes Videosignal verarbeiten, wobei die zu codierenden Bilder von einem verschiedenen Typ T sind, die als I, P bzw. B bezeichnet werden, abhängig davon, ob sie einer Intraframe-Codierungsmode unabhängig von jedem anderen Bild ausgesetzt werden, oder ob sie einer prädiktiven Codierungsmode ausgesetzt werden, wobei eine Einrichtungs-Bewegungsprädiktion angewandt wird, und zwar auf Basis eines anderen intraframe-codierten oder vorhergesagten Bildes, oder aber ob sie einer Zweirichtungs-Interpolationscodierungsmode ausgesetzt werden, und zwar auf Basis eines vorhergehenden und eines nachfolgenden Bildes, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente aufweist:

(a) an dem Ausgang jedes Codierers eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen der Komplexität jedes betreffenden Bildes, wobei die genannte Komplexität dem Produkt aus der Bitzahl, die zum Codieren eines Bildes benutzt worden ist, und dem mittleren Quantisierungsschritt entspricht,

(b) eine Steuereinheit um für jeden Codierer und jedes Bild einen Koeffizienten zu bestimmen, der zu der Komplexität des vorhergehenden Bildes von demselben Typ T umgekehrt proportional ist und zu der Summe der Komplexität aller Bilder der Gruppe von Bildern, zu der das betreffende Bild gehört, proportional ist und um für jeden Makroblock des betreffenden Bildes die Bitrate jedes Codierers zu berechnen sowie dessen Quantisierungsschritt zu berechnen, der durch das Produkt aus einem festen Reaktionskoeffizienten und dem Inhalt eines virtuellen Puffers bestimmt wird, wobei der genannte Inhalt dem Produkt aus dem genannten Koeffizienten, der umgekehrt proportional ist zu der Komplexität, und der Anzahl Bits entspricht, die durch den betreffenden Codierer innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls benutzt worden sind, weniger der mittleren Anzahl Bits, die innerhalb des genannten Zeitintervalls übertragen werden können, für eine globale Bitrate D.