WO1991000671A1 - Signal processing system - Google Patents

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WO1991000671A1
WO1991000671A1 PCT/EP1990/000989 EP9000989W WO9100671A1 WO 1991000671 A1 WO1991000671 A1 WO 1991000671A1 EP 9000989 W EP9000989 W EP 9000989W WO 9100671 A1 WO9100671 A1 WO 9100671A1
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Carsten Herpel
Dietmar Hepper
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Deutsche Thomson-Brandt Gmbh
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Abstract

A signal processing system for digital signals comprises a quantizer with a non-linear characteristic curve. When sections of a digital signal are coded in different ways, e.g., by interframe and interframe coding, the quality of the decoded signal may vary from one section to another. The system disclosed makes it possible to obtain a decoded signal of uniform quality as well as search mode. This is achieved by using a quantizer characteristic curve for the signal section consisting of a linear portion which is shifted into the field of the characteristic curve in function of the data rate of a preceding signal section, followed by a steadily increasing portion, and by using a virtual buffer memory. The system is suitable for digital signal processing in data-reducing coding.

Description

Signalverarbeitungssystem Signal processing system
Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungssystem für di¬ gitale Signale.The invention relates to a signal processing system for digital signals.
Bei der Anwendung von digitalen Speichermedien, z.B. Be¬ wegtbild auf CD (compact disc) oder digitaler Video-Magnet¬ band-Rekorder, ist es wünschenswert, daß man auch solche Be¬ triebsarten wie "Suchlauf vorwärts" oder "Suchlauf rück¬ wärts" ermöglicht, wenn auch mit verminderter Bildqualität. Weil in diesem Fall Informationen des vorhergehenden Bildes bzw. der vorhergehenden Bilder fehlen können, sollten in ge¬ wissen Abständen Informationen gespeichert sein, die ohne die Informationen direkt vorangehender Bilder decodierbar sind, z.B. die Informationen für je ein komplettes Vollbild. Auf diese Bilder kann man dann z.B. im Suchlauf direkt zu¬ greifen.When using digital storage media, e.g. Moving image on CD (compact disc) or digital video magnetic tape recorder, it is desirable that such modes of operation as "search forward" or "search backward" are also possible, albeit with reduced image quality. Because in this case information from the previous image or the previous images may be missing, information should be stored at certain intervals that can be decoded without the information from directly preceding images, e.g. the information for a complete full screen. You can then e.g. access directly in the search.
Im Normal-Betrieb werden die Bilder zwischen den als voll¬ ständige Bilder codiert gespeicherten (dies entspricht einer "intraframe"-Codierung) nur in einer Art Codierung gespei¬ chert, die die Änderungen des aktuellen Bildes gegenüber dem vorhergehenden codiert (dies entspricht einer "interframe"-Co- dierung) . Um die gleiche subjektive Bildqualität in intra- und interframe-codierten Bildern zu erreichen, müssen für intraframe-codierte Bilder mehr Daten gespeichert werden als für interframe-codierte. Um eine zeitlich variierende Datenrate eines codierten digi¬ talen Signals gegenüber einem Speichermedium mit zeitlich konstanter Schreib- oder Lese-Datenrate auszugleichen, ist normalerweise im Coder bzw. Decoder ein Pufferspeicher vorge¬ sehen. Eine Datenreduktion im Coder wird z.B. durch eine Quantisierung der Daten erreicht. Durch eine Steuerung der entsprechenden Quantisierungskennlinie kann der Füllstand des Pufferspeichers geregelt werden.In normal operation, the images between the images stored as complete images (this corresponds to an "intra-frame" coding) are only stored in a type of coding that codes the changes in the current image compared to the previous one (this corresponds to a " interframe "coding). In order to achieve the same subjective picture quality in intra- and interframe-coded pictures, more data must be stored for intraframe-coded pictures than for interframe-coded pictures. In order to compensate for a time-varying data rate of a coded digital signal compared to a storage medium with a time-constant write or read data rate, a buffer memory is normally provided in the encoder or decoder. Data reduction in the encoder is achieved, for example, by quantizing the data. The fill level of the buffer memory can be regulated by controlling the corresponding quantization characteristic.
Durch die nachfolgend genannten Schriften, die ein Codie¬ rungsverfahren für Videokonferenzübertragung und Bildtelefon nennen, ist es bekannt, daß die Quantisierungskennlinie line¬ ar vom Füllstand des Pufferspeichers abhängt und daß bei ei¬ nem Szenenschnitt, bzw. bei sich stark änderndem Bildinhalt zwischen Bild n-1 und n, die Codierung für das Bild n+1 bei der Aufzeichnung weggelassen, das Bild n mit der doppelten Datenrate intraframe-codiert (sonst interframe) und bei der Wiedergabe als Bild n+1 ausgegeben wird sowie das vorherge¬ hende Bild n durch Wiederholung des davor liegenden Bildes n-1 ersetzt wird. Diese Diskontinuität wird durch die zeitli¬ che Maskierungsfunktion des Auges überdeckt. Die Datenrate bei einem Szenenwechsel bleibt dadurch prinzipiell unverän¬ dert.From the documents mentioned below, which call a coding method for video conference transmission and videophone, it is known that the quantization curve depends linearly on the fill level of the buffer memory and that in the case of a scene cut, or if the picture content between picture n changes greatly -1 and n, the coding for the picture n + 1 omitted during recording, the picture n with the double data rate intraframe-coded (otherwise interframe) and output as picture n + 1 during playback, and the previous picture n is replaced by repeating the previous image n-1. This discontinuity is covered by the temporal masking function of the eye. In principle, the data rate in the event of a scene change remains unchanged.
CCITT Study Group XV, Dokument Nr. 446, 1988, "Description of Reference Model 7" (RM7) CCITT Study Group XV, Temporary Document 10, März 1989, "Reference Model 8 and Action Points" (RM8)CCITT Study Group XV, Document No. 446, 1988, "Description of Reference Model 7" (RM7) CCITT Study Group XV, Temporary Document 10, March 1989, "Reference Model 8 and Action Points" (RM8)
Das RM8-Codec (Codec bedeutet: Coder und Decoder) und die vorhergehenden (RM1 - RM7) weisen den Nachteil auf, daß sich die subjektiv empfundene Bildqualität zwischen inter- und intraframe-codierten Bildern ändert, ein direkter Zugriff sich nur auf Bilder nach einem Szenenwechsel beschränkt und dadurch praktisch kein Suchlauf möglich ist, wenn kein Sze¬ nenwechsel vorhanden ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Signalverarbei¬ tungssystem für digitale Signale, z.B. ein Codec, anzugeben, das eine subjektiv gleichmäßige Bildqualität bei Szenenwech¬ seln bietet und Betriebsarten wie "Suchlauf vorwärts" oder "Suchlauf rückwärts" bei der Anwendung von digitalen Spei¬ chermedien ermöglicht.The RM8 codec (codec means: encoder and decoder) and the previous ones (RM1 - RM7) have the disadvantage that the subjectively perceived image quality changes between interframe and intraframe encoded images, direct access only to images after one Scene changes are restricted and practically no search is possible if there is no scene change. The invention is based on the object of specifying a signal processing system for digital signals, for example a codec, which offers a subjectively uniform image quality when changing scenes and operating modes such as "search run forward" or "search run backward" when using digital storage media.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Bei Codierverfahren, bei denen das codierte Videosignal auf einem Medium digital gespeichert wird, kann man in periodi¬ schen Abständen, nicht nur bei Szenenwechseln, intraframe-co- dierte Bilder in die Sequenz von interframe-codierten Bil¬ dern einfügen. Wenn nicht gerade ein Szenenwechsel vorliegt, kann aber die zeitliche Maskierungsfunktion des Auges hier nicht ausgenutzt werden.In coding methods in which the coded video signal is stored digitally on a medium, intraframe-coded pictures can be inserted into the sequence of interframe-coded pictures at periodic intervals, not only when there are scene changes. Unless there is a scene change, the temporal masking function of the eye cannot be used here.
Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, einen sehr großen Puf¬ ferspeicher zu verwenden, der die erhöhte Datenrate, die durch die intraframe-Codierung von Bildern entsteht, verar¬ beiten kann.One possible solution is to use a very large buffer memory, which can process the increased data rate that arises from the intraframe coding of images.
Jedoch hat die Größe des Pufferspeichers einen direkten Ein¬ fluß auf die minimale Decodierungsverzögerung. Der Decoder- Pufferspeicher muß nämlich mindestens die Größe des Coder- Pufferspeichers haben. Wenn die normale Wiedergabe-Betriebs¬ art beginnt, z.B. nach dem Einschalten des Geräts oder nach einem Suchlauf, wird der Decoder-Pufferspeicher zunächst mit einer bestimmten Datenmenge gefüllt, bevor am Ausgang des Decoders ein Bild sichtbar wird. Je größer der Pufferspeicher ist, desto größer ist demnach die Decodie¬ rungsverzögerung. Ein Pufferspeicher, der eine sinnvolle Codierung mit periodi¬ schen Intraframe-Bildern erlaubt, sollte bei einer Datenrate von 1,15 Mbit/s in der Größenordnung von 300 kbit liegen.However, the size of the buffer memory has a direct influence on the minimal decoding delay. The decoder buffer memory must namely have at least the size of the coder buffer memory. When the normal playback mode of operation begins, for example after switching on the device or after a search, the decoder buffer memory is first filled with a certain amount of data before an image becomes visible at the output of the decoder. The larger the buffer memory is, the greater the decoding delay is. A buffer memory which allows a meaningful coding with periodic intra-frame pictures should be in the order of magnitude of 300 kbit with a data rate of 1.15 Mbit / s.
Außerdem hat man bei einer einfachen Vergrößerung des Puffer¬ speichers noch keine Kontrolle über die Datenraten-Vertei¬ lung zwischen inter- und intraframe-codierten Bildern.In addition, with a simple increase in the buffer memory, there is still no control over the data rate distribution between interframe and intraframe-coded pictures.
Eine Lösung dieser Probleme bietet eine spezielle Pufferspei¬ chersteuerung, die das Prinzip eines virtuellen Pufferspei¬ chers benutzt. Die Abhängigkeit der QuantisiererSchrittweite vom Füllstand des physikalischen Pufferspeichers im Coder wird teilweise entkoppelt.A solution to these problems is provided by a special buffer memory controller that uses the principle of a virtual buffer memory. The dependency of the quantizer step size on the fill level of the physical buffer memory in the encoder is partially decoupled.
Der virtuelle Pufferspeicher repräsentiert die codierte, aber nicht übertragene Datenmenge. Tatsächlich steuert nun der Füllstand dieses virtuellen Pufferspeichers die Quanti- siererschrittweite.The virtual buffer memory represents the encoded but not transmitted amount of data. The fill level of this virtual buffer memory actually controls the quantizer step size.
Im Folgenden wird unter "Macro-Block" ein Block verstanden, der z.B. aus vier im Quadrat angeordneten 8 x 8-DCT-Luminanz-Blöcken und den dazugehörigen zwei 8 x 8-DCT-Chrominanz-Blöcken (U und V) besteht. Die Chromi¬ nanz hat hierbei die halbe horizontale und vertikale Auflö¬ sung der Luminanz. DCT bedeutet: discrete cosine transform.In the following, "macro block" is understood to mean a block which, e.g. consists of four 8 x 8 DCT luminance blocks arranged in a square and the associated two 8 x 8 DCT chrominance blocks (U and V). The chrominance here has half the horizontal and vertical resolution of the luminance. DCT means: discrete cosine transform.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an¬ hand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigen in Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Coders,An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawings. These show in 1 is a block diagram of an encoder according to the invention,
Fig. 2 eine bekannte Funktion zwischen einerFig. 2 shows a known function between one
Quantisiererschrittweite und dem Füllstand des Pufferspeichers,Quantizer step size and the fill level of the buffer memory,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Funktion zwischen der Quantisiererschrittweite und dem Füllstand des virtuellen Pufferspeichers,3 shows a function according to the invention between the quantizer step size and the fill level of the virtual buffer memory,
Fig. 4 eine Funktion zur Ermittlung eines ersten der Parameter für die Funktion aus Fig. 3,4 shows a function for determining a first of the parameters for the function from FIG. 3,
Fig. 5 eine Funktion zur Ermittlung eines zweiten der Parameter für die Funktion aus Fig. 3,5 shows a function for determining a second of the parameters for the function from FIG. 3,
Fig. 6 eine Funktion bei niedrigemFig. 6 shows a function at low
Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 3 geänderten Parametern,Buffer tank fill level with parameters changed compared to FIG. 3,
Fig. 7 eine Funktion bei erhöhtemFig. 7 shows a function with increased
Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 6 geänderten Parametern,Buffer tank fill level with changed parameters compared to Fig. 6,
Fig. 8 eine Funktion bei weiter erhöhtemFig. 8 shows a function with further increased
Pufferspeicher-Füllstand mit gegenüber Fig. 7 geänderten Parametern,Buffer tank fill level with changed parameters compared to FIG. 7,
Fig. 9 eine zeitliche Gegenüberstellung der9 shows a time comparison of the
Coder-Eingangs- und der Coder-Ausgangs-Daten Fig. 1 zeigt einen Coder, dessen Eingangs-Videosignal einer Schaltung 10 zugeführt wird, die zwischen einer inter- und einer intraframe-Codierung umschaltet, und einem Block-Ver¬ gleicher 172, der überprüft, in welchem Maß ein geschätzter Block von Bildpunkten mit dem entsprechenden Original-Block von Bildpunkten übereinstimmt. Ein erstes Ausgangssignal der Schaltung 10 wird in der Schaltung 111 DCT-transformiert, in Schaltung 121 gescannt, in Schaltung 131 gewichtet, in Schal¬ tung 14 quantisiert, erste Ausgangssignale in Schaltung 132 invers gewichtet, in Schaltung 122 invers gescannt, in Schal¬ tung 112 invers DCT-transformiert und in Schaltung 19 zusam¬ men mit einem ersten Ausgangssignal einer FilterSchaltungEncoder input and encoder output data 1 shows a coder, the input video signal of which is fed to a circuit 10, which switches between interframe and intraframe coding, and a block comparator 172, which checks to what extent an estimated block of pixels with corresponds to the corresponding original block of pixels. A first output signal of circuit 10 is DCT-transformed in circuit 111, scanned in circuit 121, weighted in circuit 131, quantized in circuit 14, first output signals in circuit 132 inversely weighted, scanned in circuit 122, in circuit 112 inversely DCT-transformed and in circuit 19 together with a first output signal of a filter circuit
171 und gesteuert durch ein Schaltsignal aus Schaltung 10, wieder zu einem Block von Bildpunkten zusammengestellt. Die Bildpunktblöcke aus Schaltung 19 werden in einem Bildspei¬ cher 18 zwischengespeichert und zum entsprechenden Zeitpunkt dem Block-Vergleicher 172 zugeführt. Der Block-Vergleicher171 and controlled by a switching signal from circuit 10, again assembled into a block of pixels. The pixel blocks from circuit 19 are buffer-stored in an image memory 18 and fed to the block comparator 172 at the appropriate time. The block comparator
172 berechnet Bewegungsvektoren, die in Schaltung 152 mit variabler Wortlänge codiert werden.172 calculates motion vectors encoded in variable word length circuit 152.
Das am Ausgang des Block-Vergleichers 172 entsprechend dem ermittelten Bewegungsvektor bereitgestellte Bildsignal wird der FilterSchaltung 171 zugeführt. Das gegebenenfalls gefil¬ terte Signal wird der Schaltung 10 und der Schaltung 19 zuge¬ führt.The image signal provided at the output of the block comparator 172 in accordance with the determined motion vector is fed to the filter circuit 171. The possibly filtered signal is fed to circuit 10 and circuit 19.
Die ersten Ausgangssignale des Quantisierers 14 werden auch einer Schaltung 151 zugeführt, wo sie (d.h. DCT-Koeffizien- ten und ihre Adressen) mit variabler Wortlänge codiert werden und in den Videomultiplexer mit physikalischem Puffer¬ speicher 16 weitergeleitet werden. Die Ausgangssignale der Schaltung 152 werden ebenfalls dieser Schaltung 16 zuge¬ führt. Erste Ausgangssignale der Schaltung 16 werden dann übertragen bzw. gespeichert. Die Schaltung 16 erhält als wei¬ tere Eingangssignale das Ausgangssignal der Schaltung 10 mit der Intra/Inter-Entscheidung, ein zweites Ausgangssignal der Schaltung 171 mit der Filter-ein/aus-Entscheidung und ein zweites Ausgangssignal des Quantisierers 14, das die jeweili¬ ge Quantisiererschrittweite angibt, um damit die Daten aus Schaltung 151 entsprechend zu codieren. Der Quantisierer 14 wird seinerseits durch ein zweites A sgangssignal der Schal¬ tung 16 gesteuert. Die Schaltung 16 und der Quantisierer 14 mit Schaltung 151 bilden eine Regelschleife.The first output signals of the quantizer 14 are also fed to a circuit 151, where they (ie DCT coefficients and their addresses) are coded with a variable word length and are forwarded to the video multiplexer with a physical buffer memory 16. The output signals of the circuit 152 are also fed to this circuit 16. First output signals of the circuit 16 are then transmitted or stored. The circuit 16 receives, as further input signals, the output signal of the circuit 10 with the intra / inter decision, a second output signal of the Circuit 171 with the filter on / off decision and a second output signal of the quantizer 14, which indicates the respective quantizer step size, in order to encode the data from circuit 151 accordingly. The quantizer 14 is in turn controlled by a second output signal from the circuit 16. The circuit 16 and the quantizer 14 with circuit 151 form a control loop.
Fig. 2 zeigt eine lineare Funktion der Quantisiererschritt¬ weite 21 in Abhängigkeit von dem Füllstand 22 des Pufferspei¬ chers in der Schaltung 16. Die Quantisiererschrittweite 21 kann zwischen QTii.n und 0*-max liegen. Der Füllstand 22 kann zwischen null und Fmax liegen.2 shows a linear function of the quantizer step width 21 as a function of the fill level 22 of the buffer memory in the circuit 16. The quantizer step width 21 can be between QTii.n and 0 * -max. The fill level 22 can be between zero and Fmax.
Füllstand 22, QÄuantisiererschrittweite 21, Q ax, Qmm. undLevel 22, Q Ä uantisiererschrittweite 21, Q ax, Qmm. and
F Fmax hhaabbeenn iinn den Fig. 3 bis 8 die entsprechende Bedeutung wie in Fig. 2F Fmax hhaabbeenn in FIGS. 3 to 8 the corresponding meaning as in FIG. 2
Fig. 3 zeigt eine Funktion der Quantisiererschrittweite 31, die aus einem linearen Teil 33 mit der GleichungFig. 3 shows a function of the quantizer step size 31, which consists of a linear part 33 with the equation
0 = 0 . + C, x F und aus einem nichtlinearen Teil 34 mit x τnιn 1 der Gleichung Q = C2 x F x F + C3 F + C4 besteht, in Abhän¬ gigkeit von dem Füllstand 32 eines virtuellen Pufferspei¬ chers. Die Verbindungsstelle 35 zwischen linearem Teil 33 und nichtlinearem Teil 34 der Funktion hat die Koordinaten0 = 0. + C, x F and consists of a non-linear part 34 with x τnιn 1 of the equation Q = C 2 x F x F + C 3 F + C 4 , as a function of the fill level 32 of a virtual buffer memory. The connection point 35 between the linear part 33 and the non-linear part 34 of the function has the coordinates
(F , Q ) . C. bis C. sind vom Coder variierbare Konstanten. c c' 1 4(F, Q). C. to C. are constants that can be varied by the coder. c c '1 4
Der virtuelle Pufferspeicher kann als in der Schaltung 16 enthalten gedacht werden.The virtual buffer memory can be thought of as being included in circuit 16.
Aus dem virtuellen Pufferspeicher wird eine bestimmte AnzahlThe virtual buffer memory becomes a certain number
B von Bits pro Macroblock bzw. Frame als zum Speichermedium übertragen gedacht. Für intraframe-codierte Bilder hat B den Wert B. und für interframe-codierte Bilder den Wert B,. l dB of bits per macroblock or frame are intended to be transferred to the storage medium. B has the value B. for intraframe-coded pictures and B, for interframe-coded pictures. l d
Bι. kann z. B. dem Ni.-fachen der mittleren Bitrate Ba Bits pro Macroblock bzw. Frame entsprechen. N. wird z.B. so ge- wählt, daß eine subjektiv ausgewogene Bildqualität zwischen intra- und inter-frame-codierten Bildern entsteht.Bι. can e.g. B. correspond to the Ni. Times the average bit rate Ba bits per macroblock or frame. N. is for example chooses to create a subjectively balanced picture quality between intra- and inter-frame coded pictures.
Bei einer aufzuzeichnenden Netto-Video-Biträte von 1,15 Mbit/s, einer Bildwechselfrequenz von 25 Hz und einem Faktor N 1. = 3 werden z.B. 138 kbit für ein intraframe-codiertesWith a net video bit rate of 1.15 Mbit / s to be recorded, a frame rate of 25 Hz and a factor N 1 = 3, e.g. 138 kbit for an intraframe coded
Bild benötigt. Durch die gedachte gesendete Datenrate B. Bits pro Macroblock wird weder der Füllstand des virtuel¬ len Pufferspeichers während der intraframe-Codierung eines Bildes wesentlich ansteigen, noch die Quantisiererschritt¬ weite.Image needed. As a result of the imaginary transmitted data rate B. bits per macroblock, neither the fill level of the virtual buffer memory will increase significantly during the intraframe coding of an image, nor the quantizer step width.
Für die Bitrate Bd, ist nur ein Wert kleiner als Ba zulässig^.For the bit rate Bd, only a value smaller than Ba is permitted ^.
Bd, ist definiert als
Figure imgf000010_0001
wobei Nf_.r die Periode der intraframe-codierten Bilder inner- halb der interframe-codierten ist.
Bd, is defined as
Figure imgf000010_0001
where Nf_.r is the period of the intraframe-encoded pictures within the interframe-encoded.
Bei einer aufzuzeichnenden Netto-Video-Bitrate von 1,15 Mbit/s, einer Bildwechselfrequenz von 25 Hz, N_ = 30 und einer Benutzung von 138 kbit für ein intraframe-codier¬ tes Bild stehen z.B. im Mittel 46 kbit für jedes Bild und ca. 42,8 kbit für ein interframe-codiertes Bild zur Verfü¬ gung. Der virtuelle Pufferspeicher hat z. B. eine Größe vonWith a net video bit rate to be recorded of 1.15 Mbit / s, a frame rate of 25 Hz, N_ = 30 and a use of 138 kbit for an intraframe-coded picture, e.g. on average 46 kbit for each picture and approx. 42.8 kbit for an interframe-coded picture. The virtual buffer memory has e.g. B. a size of
Fmax = 92 kbit. Dann muß der physikalische Puffersp-^eicher bei den gegebenen Werten eine Mindestgröße vonFmax = 92 kbit. Then the physical buffer memory must have a minimum size of
Fp.hmax = Fmax + 138 kbit - 46 kbit = 184 kbit haben.Fp.hmax = Fmax + 138 kbit - 46 kbit = 184 kbit.
Die Regelschleife zwischen Quantisierer 14 mit Schaltung 151 und dem Pufferspeicher in Schaltung 16 ist vorteilhaft so ausgelegt, daß der Füllstand 32 des Pufferspeichers nach f - 1 interframe-codierten Bildern so niedrig ist, daß die Daten des nächsten intraframe-codierten Bildes im virtuellen Pufferspeicher gespeichert werden können. Der lineare Teil 33 der Funktion der Quantisiererschritt¬ weite 31 ermöglicht es vorteilhaft, daß der Pufferspeicher einen gewissen Füllstand ohne eine signifikante Änderung der Quantisiererschrittweite und damit der Bildqualität errei¬ chen kann. Der vorteilhaft progressiv ansteigende Teil 34 schützt den Pufferspeicher trotzdem vor einem Überlaufen. Grundsätzlich bildet der nichtlineare Teil 34 der Kennlinie eine quadratische Funktion.The control loop between quantizer 14 with circuit 151 and the buffer memory in circuit 16 is advantageously designed such that the fill level 32 of the buffer memory after f -1 interframe-coded pictures is so low that the data of the next intraframe-coded picture is stored in the virtual buffer memory can be. The linear part 33 of the function of the quantizer step width 31 advantageously enables the buffer memory to reach a certain fill level without a significant change in the quantizer step width and thus in the image quality. The advantageously progressively increasing part 34 still protects the buffer memory from overflowing. Basically, the non-linear part 34 of the characteristic curve forms a quadratic function.
Die minimale QÄuantisiererschrittweite Qmm. hat z.B. den WertThe minimum Q Ä uantisiererschrittweite Qmm. has, for example, the value
4/2048 und die maximale Quantisiererschrittweite Q den Wert 64/2048.4/2048 and the maximum quantizer step size Q is 64/2048.
Durch die Verwendung eines virtuellen Pufferspeichers kann der Coder vorteilhaft die gleiche Kennlinie für intra- und interframe-codierte Bilder verwenden, wobei eine gute Bild¬ qualität erreichbar ist.By using a virtual buffer memory, the encoder can advantageously use the same characteristic curve for intra- and interframe-coded pictures, a good picture quality being achievable.
Die Funktion der Quantisiererschrittweite 33 und 34 kann vor¬ teilhaft an die Charakteristik des jeweiligen Bildinhalts angepaßt werden, indem die Konstanten C. bis C. variiert und damit die Verbindungsstelle 35 verschoben wird. Um die Werte von C1 bis C. für das aktuelle Bild k zu bestimmen, wird der mittlere Pufferspeicherfüllstand F k _ und die mittlereThe function of the quantizer step size 33 and 34 can advantageously be adapted to the characteristics of the respective image content by varying the constants C. to C. and thus shifting the connection point 35. In order to determine the values from C 1 to C. for the current image k, the mean buffer storage level F k _ and d i e mean
Quantisiererschrittweite Qa, .Λ — ,κ_x für das Bild k - kx je- weils gemessen.Quantizer step size Qa, .Λ -, κ_x for the image k - kx measured in each case.
Vorteilhaft kann zur Erreichung einer weiter gesteigertenIt can be advantageous to achieve a further increase
Bildqualität dadurch jeweils eine optimale Kennlinie für denImage quality thereby an optimal characteristic for the
Intra- sowie den Inter-Mode gebildet werden.Intra- and inter-mode are formed.
Im Intra-Mode ist kx = Nf , sonst ist kx = 1 bzw. kx = 2, falls das letzte Bild k-1 im Intra-Mode codiert wurde.In intra mode, kx = N f , otherwise kx = 1 or kx = 2 if the last picture k-1 was encoded in intra mode.
Aus Fig. 4 werden die Koordinaten (F , , Q ) der Verbindungs- stelle 35 für Bild k aus dem mittleren virtuellen Pufferspei¬ cherfüllstand F t - kx eines vorhergehenden Bildes k - kx, welches im selben Mode codiert wurde, ermittelt. Der Wert Q c bleibt dabei vorteilhaft konstant.4 shows the coordinates (F,, Q) of the connection point 35 for image k from the average virtual buffer fill level F t - kx of a previous image k - kx, which was coded in the same mode. The value Q c advantageously remains constant.
Fig. 5 zeigt eine Funktion 56 eines zusätzlichen Offsets Q , für die Quantisiererschrittweite 31 des aktuellen Bil- des k in Abhängigkeit von der mittleren Quantisierer¬ schrittweite Q , _ , des vorhergehenden Bildes k - kx.5 shows a function 56 of an additional offset Q, for the quantizer step width 31 of the current image k as a function of the average quantizer step width Q, _, of the previous image k - kx.
Das Ziel einer Adaption der Quantisiererschrittweiten- funktion 33 und 34 ist es, eine größere Variation des Puffer¬ speicherfüllstandes F ohne wesentliche Änderung der Quanti¬ siererschrittweite Q zuzulassen, wenn ein Bild aufgrund der Charakteristik des vorhergehenden voraussichtlich mit einer die Bildqualität steigernden kleinen Quantisierer¬ schrittweite Q , codiert werden kann, a, ΛThe aim of an adaptation of the quantizer step size function 33 and 34 is to allow a greater variation of the buffer memory fill level F without a substantial change in the quantizer step size Q if an image is likely to have a small quantizer step size that increases the image quality due to the characteristics of the previous one Q, can be encoded, a, Λ
Wenn der virtuelle Pufferspeicherfüllstand F aber trotzdem deutlich ansteigt, muß die Quantisiererschrittweite Q angeho¬ ben werden, vorteilhaft durch eine Verkürzung des linearen Teils 33 der Funktion.If the virtual buffer storage level F nevertheless rises significantly, the quantizer step size Q must be increased, advantageously by shortening the linear part 33 of the function.
Fig. 6 zeigt eine vom Coder angestrebte Quantisiererschritt- weiten-Funktion.6 shows a quantizer step width function aimed for by the encoder.
Fig. 7 zeigt eine gegenüber Fig. 6 geänderte Funktion mit verkürztem linearen Teil 73 bei einem erhöhten mittleren Puf¬ ferspeicher-Füllstand F , _ , .FIG. 7 shows a function changed from FIG. 6 with a shortened linear part 73 with an increased mean buffer storage level F, _,.
Wenn aufgrund der Charakteristik des Bildes k - kx, z.B. durch feine Bilddetails im gesamten Bild, der Pufferspei¬ cher-Füllstand schon deutlich erhöht ist, wird zusätzlich ein Offset Q zur Quantisiererschrittweite Q und zur minima¬ len Quantisiererschrittweite ζ> ^ addiert. Wenn bei einem Bild nämlich der Pufferspeicher-Füllstand F bereits erhöht und damit die Quantisierung gröber ist, wird vorteilhaft in diesem Bild eine sehr feine Quantisierung nicht zugelassen.If, owing to the characteristics of the image k - kx, for example due to fine image details in the entire image, the buffer level is already significantly increased, an offset Q is additionally added to the quantizer step width Q and to the minimum quantizer step width ζ> ^. If the buffer storage level F has already increased for a picture and so that the quantization is coarser, a very fine quantization is advantageously not permitted in this image.
Fig. 8 zeigt eine Funktion nach Fig. 7 mit zusätzlichem Off¬ set Qo für die Quantisiererschritt•weite QÄc bzw. QÄmm. . Durch den Offset Qo bleibt die Funktion vorteilhaft nichtlinear und begrenzt Variationen der Quantisiererschrittweite Q im Bild.FIG. 8 shows a function according to FIG. 7 with an additional offset Qo for the quantizer step • width Q Ä c or Q Ä mm. , Due to the offset Qo, the function advantageously remains non-linear and limits variations in the quantizer step width Q in the image.
Weil der zulässige Füllstand F -^ des physikalischen Puf¬ ferspeichers größer ist als der zulässige Füllstand F des -^ max virtuellen Pufferspeichers, ist einerseits sichergestellt, daß bei einem plötzlichen, unvorhersehbar starken Datenraten- anstieg der physikalische Pufferspeicher nicht überläuft, andererseits wird die Quantisiererschrittweite Q beim Anstei¬ gen des virtuellen PufferfüllStandes bis in die Nähe vonBecause the permissible fill level F - ^ of the physical buffer memory is greater than the permissible fill level F of the - ^ max virtual buffer memory, it is ensured on the one hand that the physical buffer memory does not overflow in the event of a sudden, unpredictably high increase in data rates, and on the other hand the quantizer step size becomes Q when the virtual buffer fill level rises to near
Fmax frühzeitig3 hochg-ereg-elt und damit ein deutlich sichtba- rer Bildqualitätssprung vermieden. Außerdem wird ein nicht prädizierbarer starker Datenratenanstieg vorteilhaft nur bei Szenenwechseln auftreten, wo er vom Betrachter eher tole¬ riert wird (Maskierungsfunktion des Auges).Fmax early 3 high-erected and thus a clearly visible jump in image quality avoided. In addition, an unpredictable strong data rate increase will advantageously only occur when there are scene changes, where it is tolerated by the viewer (masking function of the eye).
Die maximale Pufferspeicher-Verzögerung Tmax ergibt sich zuThe maximum buffer memory delay Tmax results in
Tmax = Fph. ax / ' R. Für Fp.hmax = 184 kbit und R = 1,15 Mbit/ 's ist die maximale Puffersp •^eicher-Verzög-erung_ Tmaχ demnachTmax = Fph. ax / 'R. For Fp.hmax = 184 kbit and R = 1.15 Mbit /' s the maximum buffer memory is therefore ^ eicher-deceleration_ T maχ
0,16 s. Dies entspricht der Zeit für 4 Bilder bei einer Bild¬ wechselfrequenz von 25 Hz.0.16 s. This corresponds to the time for 4 pictures at a frame rate of 25 Hz.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für das ungefähre zeitliche Ver¬ hältnis zwischen den Bilddaten am Codereingang und den co¬ dierten Daten am Eingang des Pufferspeichers in der Schal¬ tung 16.9 shows an example of the approximate temporal relationship between the image data at the encoder input and the coded data at the input of the buffer memory in circuit 16.
Intraframe-codierte Bilder sind mit i bezeichnet, inter- frame-codierte mit d. Die Verteilung der Datenraten zwischen i- und d-Bildern muß so sein, daß wie bei den zeitlich er- sten sich nach N Bildern wieder zwei i-Bilder gegenüberste¬ hen. Intra-frame coded pictures are labeled i, interframe-coded pictures are labeled d. The distribution of the data rates between i- and d-pictures must be such that after N pictures, two i-pictures face each other again.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Signalverarbeitungssystem für digitale Signale, insbe¬ sondere Video- und/oder Audio-Signale, die auf einem Speichermedium digital gespeichert sind und/oder gespei¬ chert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale aus fortlaufenden Sequenzen bestehen, die je¬ weils mit einem intraframe-codierten Signalabschnitt beginnen, dem eine Anzahl interframe-codierter Signalab¬ schnitte folgt, wobei die gegenseitigen zeitlichen Ab¬ stände der intraframe-codierten Signalabschnitte vom Signalinhalt, z.B. Szenenwechseln, im wesentlichen unab¬ hängig sind und daß eine Quantisierung mit adaptiver Regelungskennlinie enthalten ist.1. Signal processing system for digital signals, in particular video and / or audio signals, which are digitally stored and / or stored on a storage medium, characterized in that the digital signals consist of sequential sequences, each of which start with an intraframe-coded signal section followed by a number of interframe-coded signal sections, the mutual time intervals of the intraframe-coded signal sections from the signal content, for example Scene changes are essentially independent and that a quantization with an adaptive control characteristic is included.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungs-Regelungskennlinie (33 und 34), im fol¬ genden Regelungskennlinie genannt, für einen jeden Si¬ gnalabschnitt eines durch den Füllstand (F) eines Zwi¬ schenspeichers (in 16) in seiner Schrittweite (Q) regel¬ baren Quantisierers nichtlinear -ausgebildet ist.2. System according to claim 1, characterized in that the quantization control characteristic (33 and 34), hereinafter called control characteristic, for each signal section by the fill level (F) of a buffer (in 16) in its step size (Q) controllable quantizer is non-linear.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungskennlinie (33 und 34) aus einem im. we¬ sentlichen linearen Teil (33) und aus einem sich daran anschließenden progressiv ansteigenden (34) Teil be¬ steht.3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the control characteristic (33 and 34) from an im. essential linear part (33) and consists of an adjoining progressively increasing (34) part.
4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Zwischenspeicher (in 16) einen virtuellen Zwischenspeicher (in 16) enthält, der eine kleinere Speicherkapazität als der physikalische hat.4. System according to claim 1, 2 or 3, characterized gekennzeich¬ net that the buffer (in 16) contains a virtual buffer (in 16), which has a smaller storage capacity than the physical.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer niedrigen und bei einer mittleren Datenrate wäh- rend eines vorhergehenden Signalabschnitts oder mehre¬ rer vorhergehender Signalabschnitte für den aktuellen Signalabschnitt die durch die Regelungskennlinie gegebe¬ ne minimale Quantisiererschrittweite (Qmin) im wesentli¬ chen gleich bleibt und der Verbindungspunkt (35) mit den Koordinaten (Fc,Qc) zwischen dem im wesentlichen linearen (33) und dem progressiv ansteigenden (34) Teil der Regelungskennlinie (33 und 34) sich bei einer im wesentlichen gleichen Quantisiererschrittweite (Qc) bei ansteigender Datenrate von einem höheren zu einem nied¬ rigeren Füllstand (Fc) des virtuellen Zwischenspeichers (in 16) hin verschiebt (in Fig. 3 nach links).5. System according to claim 4, characterized in that select at a low and at a medium data rate After a preceding signal section or several preceding signal sections for the current signal section, the minimum quantizer step width (Qmin) given by the control characteristic curve remains essentially the same and the connection point (35) with the coordinates (Fc, Qc) between the substantially linear (33) and the progressively increasing (34) part of the control characteristic (33 and 34) with an essentially identical quantizer step size (Qc) with increasing data rate from a higher to a lower fill level (Fc) of the virtual buffer (in FIG. 16 ) moves towards (to the left in Fig. 3).
6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer hohen Datenrate während eines vorhergehen¬ den Signalabschnitts oder mehrerer vorhergehender Si¬ gnalabschnitte sich für den aktuellen Signalabschnitt der im wesentlichen lineare Teil (33) der Regelungskenn¬ linie (33 und 34) mit dem Verbindungspunkt (35) zum pro¬ gressiv ansteigenden (34) Teil der Regelungskennlinie (33 und 34) bei ansteigender Datenrate im wesentlichen parallel in Richtung höherer Quantisiererschrittweite (Q) verschiebt (in Fig. 3 nach oben).6. System according to claim 4 or 5, characterized in that at a high data rate during a preceding signal section or several previous signal sections for the current signal section the substantially linear part (33) of the control characteristic (33 and 34 ) with the connection point (35) to the progressively increasing (34) part of the control characteristic (33 and 34) with increasing data rate essentially parallel in the direction of higher quantizer increment (Q) (up in Fig. 3).
7. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine unterschiedli¬ che Regelungskennlinie (33 und 34) für interframe- bzw. intraframe-codierte Signale gebildet wird.7. System according to one or more of claims 2 to 6, characterized in that a different control characteristic curve (33 and 34) is formed for interframe or intraframe coded signals.
8. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Signalabschnitten, die intraframe-codiert sind, eine erhöhte Datenmenge gegen¬ über der in inter-frame-codierten Datenabschnitten, die der mit einem konstanten Faktor multiplizierten mittle- ren Datenmenge eines Signalabschnitts entspricht, aus dem virtuellen Zwischenspeicher (in 16) ausgelesen wird.8. System according to one or more of claims 2 to 7, characterized in that in signal sections which are intraframe-coded, an increased amount of data compared to that in inter-frame-coded data sections which the multiplied by a constant factor corresponds to the amount of data in a signal section from which the virtual buffer (in FIG. 16) is read out.
9. Coderschaltung für ein System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, die versehen ist mit einer ersten Schaltung, die erste Signalabschnitte interframe-codiert und zweite Signalabschnitte intra¬ frame-codiert, mit einem nachgeschalteten Quantisierer, der durch den während eines vorhergehenden Signalab¬ schnitts oder mehrerer vorhergehender Signalabschnitte ermittelten'Füllstand (F) eines Zwischenspeichers in seiner Schrittweite (Q) entsprechend der Regelungskenn¬ linie (33 und 34) steuerbar ist und mit einer nachge¬ schalteten zweiten Schaltung, die die jeweilige Quanti¬ siererschrittweite (Q) codiert und dem Signalinhalt des Zwischenspeichers hinzufügt.9. A code circuit for a system according to one or more of the preceding claims 1 to 8, which is provided with a first circuit which interframe-coded first signal sections and intra-frame-coded second signal sections, with a downstream quantizer, which by the during a the previous signal section or several previous signal sections ' level (F) of a buffer in its step size (Q) can be controlled in accordance with the control characteristic (33 and 34) and with a downstream second circuit which determines the respective quantizer step size ( Q) coded and added to the signal content of the buffer.
10. Decoderschaltung für ein System nach einem oder mehre¬ ren der Ansprüche 1 bis 8, die die gespeicherten Aus¬ gangssignale der Coderschaltung mit normaler und/oder mit erhöhter Geschwindigkeit decodieren kann und die aus den gespeicherten Ausgangssignalen der Coderschal¬ tung in einer ersten Schaltung die Quantisiererschritt¬ weite (Q) decodiert und in einer-zweiten Schaltung mit Hilfe dieser Quantisiererschrittweite (Q) die ursprüng¬ lichen Signalabschnitte vor der Codierung entsprechend interframe- bzw. intraframe-decodiert, wobei während einer Decodierung mit erhöhter Geschwindigkeit (Such¬ lauf) nur die intraframe-codierten Signalteile mit der entsprechenden Quantisiererschrittweite (Q) decodiert werden. 10. Decoder circuit for a system according to one or more of claims 1 to 8, which can decode the stored output signals of the code circuit with normal and / or with increased speed and from the stored output signals of the code circuit in a first circuit the quantizer step width (Q) is decoded and, in a second circuit, with the aid of this quantizer step width (Q), the original signal sections are decoded in accordance with the interframe or intraframe before coding, with decoding at an increased speed (search run) only the intraframe-coded signal parts are decoded with the corresponding quantizer step size (Q).
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