DE69523691T2

DE69523691T2 - Aufzeichnung von digitalen Videosignalen

Info

Publication number: DE69523691T2
Application number: DE69523691T
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Izumi; Yuka Oikawa; Naofumi Yanagihara
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-19
Also published as: CN1057891C; DE69523691D1; BR9503724A; CA2156022A1; CN1123992A; EP0697792A2; ATE208550T1; JP3336754B2; AU686848B2; AU3012495A; KR100381988B1; CA2156022C; JPH0865629A; US5677734A; EP0697792A3; KR960009044A; MY118205A; EP0697792B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und ein Gerät zum Verarbeiten von digitalen Videosignalen, wobei digitale Videosignale, die beispielsweise in Form von DCT-Koeffizienten sein können, die beispielsweise durch eine Diskrete Kosinustransformation erhalten werden, quantisiert und zum Aufzeichnen auf einem Aufzeichnungsträger komprimiert werden. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und ein Gerät zum Aufzeichnen von digitalen Videosignalen, welches besonders vorteilhaft bei einem digitalen Videobandrekorder zum Aufzeichnen/Wiedergeben von Videosignalen für ein hochauflösendes Fernsehsystem verwendet werden kann.
Für eine Hintergrundinformation, die auf die vorliegende Anmeldung bezug hat, wird der Leser auf unsere US-A 5 321 440 und US-A 5 317 413 und auf unsere japanischen Patentanmeldungen Nr. 03-317 497 (angemeldet am 5. November 1991), 04-1962 19 (angemeldet am 30. Juni 1992), 04-21 37 16 (angemeldet am 17. Juli 1992), 04-18 15 77 (angemeldet am 17. Juni 1992) und 05-22 32 26 (angemeldet am 8. September 1993) hingewiesen. Jedes der obigen Patente und Anmeldungen wird hier unter Bezugnahme mit aufgenommen.
In den vergangenen Jahren sind die Entwicklungen eines digitalen Videobandrekorders, bei dem Videosignale in Digitalsignale umgesetzt werden und wobei ein hochwirksames Codiersystem, beispielsweise die Diskrete Kosinustransformation (DCT) verwendet wird und die resultierenden codierten Daten auf einem Magnetband aufgezeichnet und/oder davon reproduziert werden, wobei ein Drehkopf verwendet wird, schnell fortgeschritten.
Der digitale VTR kann auf einen Modus eingestellt werden, um Videosignale eines laufenden Fernsehsystems aufzuzeichnen, beispielsweise des NTSC-Systems, was anschließend hier als SD-Modus bezeichnet wird, oder auf einen Modus, um Videosignale des hochauflösenden Fernsehsystems aufzuzeichnen, was hier als HD-Modus bezeichnet wird.
Durch das Aufzeichnungssystem des oben erwähnten digitalen VTR werden die Videosignale komprimiert und als digitale Videosignale von ungefähr 25 Mbit/s und als digitale Videosignale von ungefähr 50 Mbit/s für den SD-Modus bzw. für den HD-Modus aufgezeichnet.
Bei dem Verfahren zum Aufzeichnen der digitalen Videosignale bei dem oben erwähnten Aufzeichnungssystem wird das Videosignal, welches in digitale Signale umgesetzt wird, in Blöcke einer geeigneten Größe unterteilt, beispielsweise in DCT-Blöcke von 8 · 8 Pixeln. Sechs DCT-Blöcke von Luminanzdaten, ein DCT-Block von R-Y-Daten und ein DCT-Block von B-Y-Daten, d. h. insgesamt 8 Blöcke bilden einen Makroblock.
Es werden mehrere Makroblöcke gemischt, d. h., fünf Makroblöcke an diskreten Positionen auf einem Bild werden zu einer Einheit zusammengebaut. Die zweidimensionale DCT wird dann für die Basiseinheit mit der Blockgröße von 8 · 8 ausgeführt.
Daten, die durch die zweidimensionale DCT erhalten werden, d. h., DCT-Koeffizienten werden in einem Speicher auf Basis einer Einheit gespeichert. Die Gesamtzahl von Codes wird auf Basis der Einheit geschätzt, und die Quantisierungsschritte werden festgelegt, die die Gesamtzahl von Codes ergeben, die kleiner ist als ein vorher-festgelegter Wert.
Die DCT-Koeffizienten werden dann auf Basis der Einheit mit dem somit ermittelten Quantisierungsschritt quantisiert und durch den Huffman-Code variabel-längencodiert. Die resultierenden quantisierten Einheiten werden in Videosegmenten mittels Rahmenbildung untergebracht.
Die somit quantisierten und in einem festen Bitlängenbereich auf Basis einer Einheit untergebrachten Codes, d. h., auf Videosegmentbasis, werden in einer Sequenz umgeordnet, bei der die Makroblöcke in einer laufenden Folge auf dem Bild aufgereiht werden, um so auf vorher-festgelegten Positionen auf dem Magnetband aufgezeichnet zu werden.
Bei dem oben beschriebenen Aufzeichnungsverfahren für digitale Videosignale ist ein einziger Quantisierungsschritt zu jedem Videosegment angepaßt, und alle DCT-Koeffizienten in jedem Videosegment werden mit dem so angepaßten Quantisierungsschritt quantisiert. Das heißt, daß der gleiche Quantisierungsschritt an mehrere Makroblöcken angepaßt ist. Somit ist der Quantisierungsschritt so festgelegt, daß die Gesamtzahl von quantisierten Codes beim Festlegen der festen Bitlänge auf Videosegmentbasis kleiner als ein vorher-festgelegter Wert sein wird. Es tritt jedoch häufig auf, daß die tatsächliche Menge von quantisierten Codes beim festen Längencodieren wesentlicher kleiner ist als der oben erwähnte festgelegte Wert, so daß ein wirksames Codieren nicht erzielt werden kann. Dagegen wird der Quantisierungsgrad für die entsprechenden Blöcke grob, mit dem Ergebnis, daß das Bild bezüglich der Qualität nicht verbessert werden kann.
Aus der EP 0 677 968 ist ein Quantisierungsschätzverfahren für die Datenkompression bekannt. Die vorliegende Erfindung liefert eine Verbesserung gegenüber diesem Verfahren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen quantisierter und codierter digitaler Videosignale bereitgestellt, welches folgende Schritte umfaßt:
Bestimmen eines Quantisierungsschritts für ein Videosegment, welches aus mehreren Makroblöcken als Einheit zusammengesetzt ist, derart, daß die Menge an quantisierten Daten kleiner ist als eine vorher-festgelegte Datenmenge für das Videosegment, wobei Quantisierungsschritte für jeden Makroblock, der das Videosegment bildet, anfangs gleich dem festgelegten Quantisierungsschritt des Videosegments sind;
Modifizieren des Quantisierungsschritts in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke des Videosegments individuell einzeln, ohne die vorher-festgelegte Datenmenge für dieses Videosegment zu übersteigen; und
Quantisieren des digitalen Videosignals mit dem modifizierten festgelegten Quantisierungsschritt in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke;
dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierungs-Modifizierungsschritt jedes Makroblocks in einer vorher-festgelegten Reihenfolge modifiziert wird, wobei eine Priorität einem Makroblock verliehen wird, der in der Nähe der Mitte eines Bilds angeordnet ist, und daß der Schritt zum Bestimmen des Quantisierungsschritts für ein Videosegment das Berechnen eines optimalen Quantisierungsschritts für jedes der Luminanzsignale und Farbsignale der Videosignale durch Rechenoperationen berechnet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Gerät zum Bereitstellen von quantisierten und codierten digitalen Videosignalen bereitgestellt, welches eine Einrichtung zum Bestimmen eines Quantisierungsschritts für ein Videosegment umfaßt, welches aus mehreren Makroblöcken als Einheit zusammengesetzt ist, derart, daß die Menge an quantisierten Daten kleiner ist eine vorher-festgelegte Datenmenge für das Videosegment ist, wobei Quantisierungsschritte für jeden Makroblock, der das Videosegment anfangs bildet, gleich dem bestimmten Quantisierungsschritt des Videosegments sind;
eine Einrichtung zum Modifizieren des Quantisierungsschritts in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke des Videosegments individuell einzeln, ohne die vorherfestgelegte Datenmenge für das Videosegment zu übersteigen;
eine Einrichtung zum Quantisieren des digitalen Videosignals mit dem modifizierten festgelegten Quantisierungsschritt in Verbindung mit jeden der mehreren Makroblöcke;
dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung jeden Makroblock in einer vorher-festgelegten Reihenfolge modifiziert, wobei den Makroblöcken Priorität verliehen wird, die in der Nähe der Mitte eines Bilds angeordnet sind; und
daß die Einrichtung zum Bestimmen des Quantisierungsschritts im Hinblick auf ein Videosegment eine Einrichtung zum Berechnen eines optimalen Quantisierungsschritts für jedes der Luminanzsignale und Farbsignale der Videosignale durch Rechenoperationen umfaßt.
Bei der anschließend beschriebenen Ausführungsform des obigen Verfahrens zum Aufzeichnen von digitalen Videosignalen wird ein Quantisierungsschritt in Form von Makroblöcken als eine Einheit festgelegt, so daß die Menge an quantisierten Daten kleiner ist als eine vorher-festgelegte Datenmenge. Dagegen wird ein Quantisierungsschritt ebenfalls hinsichtlich der Makroblöcke als eine Einheit festgelegt, so daß die Menge an quantisierten Daten kleiner als die vorher-festgelegte Datenmenge ist. Die digitalen Videosignale werden mit den somit festgelegten Quantisierungsschritten quantisiert, und die quantisierten und codierten digitalen Videosignale werden auf einem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet. Dies ermöglicht, daß der Quantisierungsgrad in einem Bereich einer vorher-festgelegten Datenmenge von quantisierten Daten verfeinert wird, um es zu ermöglichen, redundante Bits effektiv zu nutzen, um dadurch eine wirksame Codierung und eine verbesserte Bildqualität sicherzustellen.
Da außerdem der Quantisierungsschritt auf Makroblockbasis durch eine vorgegebene Priorität gegenüber dem Makroblock festgelegt wird, der an einem Mittelteil eines Bilds liegt, kann das Bild mit einer zufriedenstellenden Qualität in einem Mittelbereich des Bilds erzielt werden, der am schnellsten durch das Auge bemerkt wird, wodurch die Bildqualität weiter verbessert wird.
Bei der anschließend beschriebenen Ausführungsform des obigen Geräts zum Aufzeichnen von digitalen Videosignalen bestimmt die Quantisierungsschritt-Bestimmungseinrichtung einen Quantisierungsschritt im Hinblick auf ein Videosegment, welches aus mehreren Makroblöcken als Einheit besteht, so daß die Menge an quantisierten Daten kleiner als eine vorher-festgelegte Datenmenge ist. Die Modifiziereinrichtung modifiziert dann den Quantisierungsschritt für jeden Makroblock einer Einheit, so daß die Menge an quantisierten Daten kleiner als die vorher-festgelegte Datenmenge ist. Die Quantisierungseinheit quantisiert die digitalen Videosignale mit dem modifizierten Quantisierungsschritt, der für jeden Block festgelegt ist. Dies ermöglicht, daß der Quantisierungsgrad in einem Bereich einer vorherfestgelegten Datenmenge von quantisierten Daten verfeinert wird, wodurch es möglich wird, redundante Bits effektiv zu nutzen, wodurch ein wirksames Codieren und eine verbesserte Bildqualität sichergestellt wird.
Bei der anschließend beschriebenen Ausführungsform des obigen Geräts zum Aufzeichnen von digitalen Videosignalen kann, da der Quantisierungsschritt auf Makroblockbasis durch eine vorgegebene Priorität über dem Makroblock bestimmt wird, der an einem Mittelteil eines Bildes angeordnet ist, das Bild mit einer zufriedenstellenden Bildqualität in einem Mittelteil des Bilds erhalten werden, welches am schnellsten durch das Auge bemerkt wird, wodurch die Bildqualität weiter verbessert wird.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die anschließend beschrieben wird, liefert ein Verfahren und ein Gerät für digitale Videosignale, wobei der Quantisierungsschritt, der auf Videosegmentbasis festgelegt wird, auf Makroblockbasis verschoben wird, daß die Quantisierungsschritte auf Makroblockbasis festgelegt werden, um ein wirksames Codieren zu ermöglichen und die Bildqualität zu verbessern.
Die Erfindung wird anschließend weiter mittels eines beispielhaften und nicht einschränkenden Beispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Blockdarstellung ist, die eine Anordnung eines Codierers eines Aufzeichnungsgeräts für digitale Videosignale zeigt, um ein digitales Videosignal-Aufzeichnungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen;
Fig. 2 einen Mischbetrieb für fünf Makroblöcke zeigt;
Fig. 3 die Abtastreihenfolge in einem Superblock im Mischbetrieb zeigt;
Fig. 4 den Status von festlängen-codierten und quantisierten Makroblöcken zeigt, wenn Quantisierungsschritte durch eine Quantisierungsschritt-Entscheidungseinrichtung des Codierers festgelegt werden;
Fig. 5 den Zustand von festlängen-codierten und quantisierten Makroblöcken zeigt, wenn die Quantisierungsschritte durch eine zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungseinrichtung des Codierers bestimmt werden;
Fig. 6 ein Flußdiagramm ist, um die Verarbeitung zum Bestimmen des Quantisierungsschritts durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungseinrichtung und die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungseinrichtung zu zeigen;
Fig. 7 den Aufbau eines Videosegments zeigt;
Fig. 8 den Aufbau eines jeden Synchronisationsblock des oben erwähnten Videosegments zeigt;
Fig. 9 den Aufbau des Unterscheidungscodes des Synchronisationsblocks zeigt; und
Fig. 10 den Aufbau von DCT-Blöcken der Luminanzdaten, der R-Y-Daten und der R-B-Daten im Synchronisationsblock zeigt.
Mit Hilfe der Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Das digitale Videosignal-Aufzeichnungsverfahren wird durch ein Aufzeichnungsverfahren für digitale Videosignale ausgeführt, das einen Codierer hat, der aufgebaut ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Das heißt, daß der Codierer eine Umcodierungseinheit 1 hat, um Makroblöcke der digitalen Videosignale mit der Diskreten Kosinustransformation (DCT) zu verarbeiten, eine Codiereinheit 2 und einen Rahmenbildungseinheit 3. Die Codiereinheit 2 ist so aufgebaut, um DCT-Koeffizienten, die von der DCT resultieren, mit einem Quantisierungsschritt zu quantisieren, der auf Makroblockbasis festgelegt wird, um den Quantisierungsschritt, der auf der Basis von Einheiten festgelegt wird, die jeweils aus mehreren Makroblöcken bestehen, zu verschieben.
Die Umcodierungseinheit 1 umfaßt eine Blockbildungsschaltung 11, um die digitalen Videosignale in Blöcke von 8 · 8 Pixeln zu unterteilen, eine Mischschaltung 12, um ein auf Makroblockbasis ruhendes Mischen auszuführen, eine Bewegungsermittlungsschaltung 13, eine DCT-Schaltung 14, um eine zweidimensionale DCT mit der Blockgröße von 8 · 8 auszuführen, einen Bildspeicher 15 und eine Aktivitätsermittlungsschaltung 16.
Die Codiereinheit 2 umfaßt eine Datenmengen-Schätzschaltung 21, eine Huffman- Tabelle 22, um eine variable Längencodierung auszuführen, eine erste Quantisierungsschritt- Entscheidungsschaltung 23, eine zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24, eine Quantisierschaltung 25 und eine variable Längencodierschaltung 26. Die Datenmengen- Schätzschaltung schätzt die Datenmenge im Anschluß an die Quantisierung, und die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 bestimmt den Quantisierungsschritt innerhalb eines Bereichs einer vorher-festgelegten Menge an quantifizierten Daten hinsichtlich von Einheiten, die jeweils aus fünf Makroblöcken bestehen. Die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt die Quantisierungsschritte innerhalb eines Bereichs einer vorher-festgelegten Menge an quantisierten Daten hinsichtlich von Makroeinheiten. Die Quantisierungsschaltung 25 führt eine Quantisierung mit Quantisierungsschritten durch, die durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 und die zweite Quantisieningsschritt-Entscheidungsschaltung 24 festlegt werden. Die variable Längencodierschaltung 26 codiert die quantisierten Daten von der Quantisierschaltung 25 bezüglich der Länge. Die Rahmenbildungsschaltung 3 besitzt eine Entmischschaltung 31, eine Paritätsanhängeschaltung 32 und eine Kanalcodierschaltung 33.
Die Verarbeitung, die durch die Umcodierungseinheit 1 durchgeführt wird.
Die Blockbildungsschaltung 11, die mit den digitalen Eingangsvideodaten beliefert wird, bildet DCT-Blöcke, die jeweils aus einer Matrix von 8 · 8 Pixeln, d. h. insgesamt 64 Pixeln, aus Luminanzdaten Y, Daten CR und Daten CB des gleichen Bereichs bestehen. Die Daten CR sind Farbdifferenzdaten R-Y, während die Daten CB die Farbdifferenzdaten B-Y sind. Das heißt, die Blockbildungsschaltung bildet einen Makroblock von 6 DCT-Blöcken aus Luminanzdaten Y, einen DCT-Block von Farbdifferenzdaten CR und einen DCT-Block von Farbdifferenzdaten CB und gibt den resultierenden Makroblock aus.
Die Mischschaltung 12 führt ein vorher-festgelegtes Mischen auf Makroblockbasis bezüglich der digitalen Makroblock-Videosignale durch Blockbildungsschaltung 11 durch. Nach dem Mischen der Makroblöcke wird jeder eine Makroblock von jedem der Super-Makroblöcke S&sub1; bis S&sub5; herausgeführt, die voneinander auf einem Bild B getrennt sind und die aus jeweils 27 Makroblöcken bestehen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Damit werden fünf Makroblöcke M&sub1; bis M&sub5; gesammelt, um eine einzige feste Längenbildungseinheit zu bilden, die ausgegeben wird. Die festen Längenbildungseinheit wird hier einfach als Einheit bezeichnet. Die Mischfolge bei dem obigen Betrieb entspricht den Gleichungen:
Vi,k{M(i + 4)mod(n), 2, k
M(i + 12)mod(n), 1, k
M(i + 12)mod(n), 3, k
M(i)mod(n), 0, k
(M(i + 8)mod(n), 4, k
wobei n die Anzahl von Zeilen, i der Zeilenindex (i = 0 bis n-1) und k der Abtastordnungsindex für entsprechende Pixel der Superblöcke S&sub1; bis S&sub5; (k = 0 bis 26) ist. Folglich werden fünf Makroblöcke M&sub1; bis M&sub5; ausgewählt, wobei vom Makroblock in der Mitte des Bilds P, wie in Fig. 2 gezeigt ist, begonnen wird, d. h., vom Makroblock M&sub1; des Super-Makroblocks S&sub1;, auf den der Makroblock S&sub2; des Super-Makroblocks S&sub5;, ... der Makroblock M&sub5; des Super-Makroblocks M&sub5; folgt.
Dagegen werden die Makroblöcke von jeden der Super-Makroblöcke S&sub1; bis S&sub5; in der Reihenfolge des Makroblocks 0, des Makroblocks 1, des Makroblocks 2, ... des Makroblocks 26 abgetastet, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Bewegungsermittlungsschaltung 13 führt eine Bewegungsermittlung hinsichtlich der fünf Makroblöcke aus, die zu einer Einheit durch die Mischschaltung 12 gebildet sind. Die Ergebnisse der Bewegungsermittlung werden der DCT-Schaltung 14 zugeführt, wobei sie als untergeordnete Information an beispielsweise ein nicht gezeigtes Wiedergabesystem ausgegeben werden.
Die DCT-Schaltung 14 führt die DCT bezüglich Bilddaten, die frei von Bewegung sind, hinsichtlich von DCT-Blöcken, die jeweils aus 8 · 8 Pixeln bestehen, auf der Basis der Ermittlungsergebnisse durch die Bewegungsermittlungsschaltung 13 durch. Dagegen führt die DCT-Schaltung 14 die DCT bezüglich der Summendaten oder der Differenzdaten zwischen Feldern bzw. Teilbildern von Bilddaten aus, die eine Bewegung hinsichtlich von zwei DCT- Blöcken zeigen, die jeweils aus 8 · 4 Pixeln bestehen. Die DCT-Schaltung 14 gibt DC-Komponenten an die Rahmenbildungsschaltung 3 aus, während sie AC-Komponenten an den Bildspeicher 15 ausgibt.
Der Bildspeicher 15 speichert vorübergehend die AC-Komponenten, die von der DCT resultieren, durch die DCT-Schaltung 14 hinsichtlich von Einheiten.
Die Aktivitätsermittlungseinheit 16 ermittelt als Information, die die Aktivität eines Bildes angibt, den Maximalwert der AC-Komponenten, die von der DCT resultieren, durch die DCT-Schaltung 14 der Daten einer Einheit, die im Bildspeicher 1 S gespeichert sind, und gibt das Ermittlungsergebnis als untergeordnete Information an beispielsweise ein nicht gezeigtes Wiedergabesystem aus.
Die Wirkungsweise jeder Schaltung in der Codiereinheit 2 wird nun erläutert.
Die Datenmengen-Schätzschaltung 21 spricht auf die Ergebnisse der auf einer Einheit basierenden Aktivitätsermittlung durch die Aktivitätsermittlungsschaltung 12 an, um die AC-Komponenten, die im Bildspeicher 15 gespeichert sind, in Verbindung mit dem Quantisierungsgrad im Quantisierungszeitpunkt zu klassifizieren.
Damit Festlängen-Bilddaten auf Einheitsbasis von der variablen Längencodierschaltung 26, die mit dem Ausgangssignal der Quantisierschaltung 25 beliefert wird, erhalten werden, berechnet die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 einen optimalen Quantisierungsschritt für die Luminanzdaten Y, die Farbdifferenzdaten CR und die Farbdifferenzdaten CB auf der Basis der Klassifizierungsinformation von der Schätzschaltung und den Codes in der Huffman-Tabelle 22.
Die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt aus dem Quantisierungsschritt, der auf Einheitsbasis durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 bestimmt wird, den Quantisierungsschritt für jeden der fünf Makroblöcke in der Einheit innerhalb eines Bereichs, der kleiner ist als eine festgelegte Zielbitlänge. Der Quantisierungsschritt wird auf Makroblockbasis bestimmt, so daß eine Priorität einem Makroblock unter den fünf Makroblöcken verliehen wird, der enger an der Mitte des Bildes angeordnet ist.
Die Quantisierungsschaltung 25 quantisiert die Daten einer Einheit (AC-Komponenten), die im Bildspeicher 15 gespeichert sind, in einem Quantisierungsschritt, der durch die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt wird, und überträgt die resultierenden Quantisierungsdaten zur variablen Längencodierschaltung 26.
Die variable Längencodierschaltung 26 codiert die fünf Makroblöcke, die durch die Quantisierschaltung 25 quantisiert sind, wobei beispielsweise der Huffman-Code verwendet wird, so daß jeder Makroblock durch 77 Bytes einschließlich der Quantisierungsschrittinformation gebildet ist.
Der Betrieb zum Bestimmen des Quantisierungsschritts in der ersten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 und der zweiten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 wird nun ausführlich erläutert.
Wenn der Quantisierungsschritt Q, der auf Basis einer Einheit durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 bestimmt wird, gleich 8 ist (Q = 8), paßt der gleiche Quantisierungsschritt Q&sub0; bis Q&sub4; (Q&sub0; bis Q&sub4; = 8) zu jedem der fünf Makroblöcke MO&sub0; bis MO&sub4; der Einheit, die zum Quantisierungsschritt Q = 8 paßt, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Wenn Daten der fünf Makroblöcke mit dem gleichen Quantisierungsschritt Q = 8 quantisiert werden, sind leere Bereiche B&sub1;&sub1; bis B&sub1;&sub2;, B&sub2;&sub1; bis B&sub2;&sub4;, B&sub3;&sub1; bis B&sub3;&sub2; und B&sub4;&sub1; bis B&sub4;&sub6; in den Makroblöcken MO&sub1;, MO&sub2;, MO&sub3; bzw. MO&sub4; vorhanden, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Da die Quantisierungsschrittinformation passend zu jedem der Makroblöcke sein kann, verschiebt die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 die Quantisierungsschritte Q&sub0; bis Q&sub4; der Makroblöcke MO&sub0; bis MO&sub4;, die in Fig. 4 gezeigt sind, in einer Richtung, um den Quantisierungsgrad innerhalb des Bereichs, der kleiner ist als der feste Zielbitlängenwert, zu verfeinern.
Die Prioritätsreihenfolge beim Verschieben des Quantisierungsschritts ist der Makroblock MO&sub0;, MO&sub1;, ... MO&sub4;, womit von dem oberen Makroblock begonnen wird. Das heißt, daß die Makroblöcke MO&sub0; bis MO&sub4; jeweils mit den Makroblöcken MO&sub0; bis MO&sub4; verknüpft sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, und daher vom Anfang von dem Makroblock ausgewählt werden, der in der Nähe der Mitte des Bildes angeordnet ist. Das heißt, der Quantisierungsschritt wird so festgelegt, daß eine Priorität den Makroblöcken verliehen wird, die enger an der Mitte des Bildes angeordnet sind.
Wenn der Quantisierungsschritt auf Makroblockbasis in der zweiten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 wie oben beschrieben festgelegt wird, wird der Quantisierungsschritt Q&sub0; des Makroblocks MO&sub0; um einen feiner und beträgt nun 9 (Q&sub0; = 9), während der Quantisierungsschritt Q&sub1; des Makroblocks MO&sub1; um einen feiner wird und nun 9 (Q&sub0; = 9) beträgt, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Folglich umfaßt der leere Bereich die leeren Bereiche A&sub3;&sub1; bis A&sub3;&sub2; des Makroblocks MO&sub3; und die leeren Bereich A&sub4;&sub1; bis A&sub4;&sub5; des Makroblocks MO&sub4;.
Durch Bestimmen des Quantisierungsschritts auf Makroblockbasis innerhalb des Bereichs der festen Zielbitlänge können redundante Bits effektiv genutzt werden, während ein Bild mit einer hohen Bildqualität erzeugt werden kann. Zusätzlich werden durch Verfeinern der Quantisierungsschritte der fünf Makroblöcke in der Reihenfolge der Quantisierungsschritte Q&sub0;, Q&sub1;, ... Q&sub4; die feineren Quantisierungsschritte vorzugsweise am Anfang vom mittleren Teil des Bildes ausgewählt, so daß eine zufriedenstellende Bildqualität im Mittelbereich des Bildes erhalten werden kann, der für den Zuschauer am hervorstechendsten ist.
Mit Hilfe des in Fig. 6 gezeigten Flußdiagramms wird das Verfahren zum Bestimmen des Quantisierungsschritts in der ersten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 und der zweiten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 erläutert.
In der ersten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 wird die erste Quantisierung i initialisiert (i = 15). Die Quantisierungsschritte sind 0 bis 15, bei denen gilt, daß, um so größer die Zahl ist, desto feiner der Quantisierungsschritt ist.
Die Quantisierungsschritte Q&sub0; bis Q&sub4; der fünf Makroblöcke M&sub0; bis MO&sub4; werden im Schritt S2 auf den ersten Quantisierungsschritt i (= Q&sub4; = Q&sub3; = Q&sub2; = Q&sub1; = Q&sub0;) gesetzt.
Dann werden im Schritt S3 die fünf Makroblöcke M&sub0; bis M&sub4; mit dem Quantisierungsschritt i (= Q&sub4; = Q&sub3; = Q&sub2; = Q&sub1; = Q&sub0;) quantisiert, während die resultierenden quantisierten Daten unter Verwendung der Huffman-Tabelle 22 variabel-längen-codiert werden.
Dann wird im Schritt S4 der erste Quantisierungsschritt i gröber gemacht, d. h., dekrementiert (i = i - 1).
Es wird dann im Schritt S5 beurteilt, ob die Quantität der Quantisierungsdaten, die von der Quantisierung im Schritt S3 resultiert, kleiner ist als der festgelegte Zielbitlängenwert, ob die Menge der resultierenden quantisierten Daten größer ist als der feste Zielbitlängenwert Ziel, oder ob die Menge der resultierenden quantisierten Daten gleich dem festen Zielbitlängenwert ZIEL ist.
Wenn als Beurteilungsergebnis im Schritt S5 die Menge der erzeugten quantisierten Daten den festen Längenwert ZIEL übersteigt, kehrt die Verarbeitung zurück zum Schritt S2, um im Schritt S3 die Quantisierung mit einem Quantisierungsschritt auszuführen, der um 1 gröber ist, und um die Schritte S4 und S5 zu wiederholen.
Wenn alternativ dazu die Menge der erzeugten Quantisierungsdaten gleich dem festen Längenwert ZIEL ist, wird der erste Quantisierungsschritt i als Quantisierungsschritte Q&sub0; bis Q&sub4; für die Makroblöcke M&sub0; bis Q&sub4; festgelegt. Die Quantisierungsschritte Q&sub0; bis Q&sub4; für die Makroblöcke M&sub0; bis Q&sub4; werden dann an die Quantisierungsschaltung 25 ausgegeben, ohne die Schritte 56 usw. zum Bestimmen des Quantisierungsschritt-Bestimmungsprozesses auf Makrobockbasis durchzuführen, was anschließend erläutert wird.
Wenn alternativ dazu die Menge der erzeugten Quantisierungsdaten kleiner ist als der feste Längenwert ZIEL, initialisiert die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 im Schritt S6 den Index j (j : 0 ≤ j ≤ 4) der Makroblöcke M&sub0; bis M&sub4; (j = 0). Die Schaltung 24 verfeinert dann im Schritt S7 die Quantisierungsschrittinformation Qj des j-ten Makroblocks Mj um eins (Gj = Qj + 1).
Im Schritt S8 quantisiert dann die Schaltung 24 den Makroblock Mj mit dem Quantisierungsschritt Qj, der im Schritt S7 festgelegt wird, während die Quantisierungsdaten unter Verwendung der Huffman-Tabelle 22 variabel-längen-codiert werden.
Im Schritt S9 wird dann beurteilt, ob die Menge der Quantisierungsdaten, die von der Quantisierung im Schritt S8 resultieren, kleiner ist als der feste Zielwert, ob die Menge der resultierenden Quantisierungsdaten größer ist als der feste Ziellängenwert oder ob die Menge der resultierenden Quantisierungsdaten gleich dem festen Ziellängenwert ist.
Wenn als Beurteilungsergebnis im Schritt S9 die Menge der Quantisierungsdaten kleiner ist als der festen Längenwert ZIEL, wird der Index im Schritt S10 auf den nächsten Makroblock Mj = j + 1 vorgeschoben, um zur Verarbeitung im Schritt S7 zu kommen und um den Schritt S7 usw. zu wiederholen.
Wenn alternativ dazu die Menge der resultierenden Quantisierungsdaten gleich dem festen Längenwert ZIEL ist, wird die Quantisierungsschrittinformation des Makroblocks Mj als zweiter Quantisierungsschrift Qj festgelegt, um die Quantisierungsschritte Qo bis Q5 für die Makroblöcke M&sub0; bis Q&sub4; an die Quantisierungsschaltung 25 auszugeben.
Wenn alternativ dazu die Menge der resultierenden Quantisierungsdaten den festen Längenwert ZIEL übersteigt, wird die Quantisierungsschrittinformation des Makroblocks um eins dekrementiert, um im Schritt S11 die Quantisierungsschriftinformation für den Makroblock M&sub0; als Quantisierungsschrift Qj(= Qj - 1) zu setzen und um die Quantisierungsschritte Q&sub0; bis Q&sub4; für die Makroblöcke M&sub0; bis M&sub4; an die Quantisierungsschaltung 25 auszugeben.
Die Quantisierungsschritte werden auf Makroblockbasis durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 und die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt, wie oben beschrieben wurde, um die Quantisierung mit dem Quantisierungsschritt auszuführen, wie er durch die Quantisierungsschaltung 25 bestimmt wird. Die Variabel-Längencodierschaltung 26 fügt die Quantisierungsschrittinformation dem Quantisierungsdaten auf Makroblockbasis hinzu, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, und bildet feste Bitlängencodes, die an die Rahmenbildungseinheit 3 ausgegeben werden.
Die Quantisierungsschritte, die durch die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 und die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt werden, werden außerdem als untergeordnete Information an das Wiedergabesystem, welches nicht gezeigt ist, geliefert.
Die Verarbeitung durch die entsprechenden Komponenten der Rahmenbildungseinheit 3 werden nun erläutert.
Die Entmischschaltung 31 entmischt die DC-Komponenten von der DCT-Schaltung 14 und die AC-Komponenten, die mit dem Quantisierungsschritt quantisiert sind, auf Makroblockbasis durch die Variable Längencodierschaltung 26 und ordnet die Makroblöcke in einer fortlaufenden Reihenfolge auf dem Bild um.
Die Paritätsanhängeschaltung 32 hängt die Synchronisationscodes sync&sub4; bis sync&sub4;, die Identifikationscodes ID&sub0; bis ID&sub4; und die Paritäten P&sub0; bis P&sub0; an, um Synchronisationsblöcke SB&sub0; bis SB&sub4; zu bilden, die ein Videosegment bilden.
Das heißt, wie man in Fig. 8 sieht, besteht jeder Synchronisationsblock aus 90 Bytes, d. h., einem 16-Bit oder 2-Byte-Synchronisationscode sync als Bereich zur Erkennung der Anfangsflanke von sync durch zwei Sync-Muster, einem 3-Byte-Identifikationscodes ID0 bis ID2, einem 77-Byte-Synchronisationsblock SB, der in einer Bitlänge fest ist und wie oben beschrieben, quantisiert ist, und einer 8-Byte-Parität P als Fehlerkorrektur-Paritätsdaten. Für die Identifikationscodes I0 bis I2 besteht der Identifikationscode I0 aus einer Folgenummer SNo, während die Identifikationscodes I1 und I2 durch eine Sync-Blocknummer SBNo bzw. einer Anwendungsnummer ANo gebildet sind, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Die Luminanzdaten Y wie auch die Farbdifferenzdaten CR, CB, die in Fig. 7 gezeigt sind, bestehen aus einer 9-Bit-DC-Komponente, 1-Bit-Modusdaten mo, welche eine von 8 · 8/2 · 4 · 8 Blockgrößen angeben, die für die DCT durch die DCT-Schaltung 13 verwendet werden, der Klassifikationsinformation cl, die durch die Datenmengen-Schätzschaltung 21 erhalten wird, und der Festlängen-AC-Komponente von Luminanzdaten (für die Luminanzdaten Y) oder von Farbdifferenzdaten (für die Farbdifferenzdaten CR und CB), wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Die AC-Komponente der Luminanzdaten Y besteht aus 78 Bits, während die AC- Komponenten der Farbdifferenzdaten CR, CB jeweils aus 52 Bits bestehen.
Die Sync-Blöcke SB&sub0; bis SB&sub4;, an denen die Paritätscodes angehängt sind, werden als ein Videosegment an die Kanalcodierschaltung 33 geliefert. Das Videosegment ist durch die Kanalcodierschaltung 33 kanal-codiert, um so an vorher-festgelegten Positionen auf einem Magnetband durch eine nicht gezeigte Aufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet zu werden.
Es wird nun der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Codierers erläutert.
Die Blockbildungsschaltung 11 unterteilt die Videosignale, die im Digitalsignal umgesetzt sind, in DCT-Blöcke, die jeweils aus 8 · 8 Pixeln bestehen, insgesamt 24 Pixeln, und bildet einen Makroblock aus 6 DCT-Blöcken von Luminanzdaten, einen DCT-Block von Farbdifferenzdaten CR und einen DCT-Block von Farbdifferenzdaten CB, insgesamt also 8 DCT-Blöcke, um den resultierenden Makroblock an die Mischschaltung 12 auszugeben.
Die Mischschaltung 12 mischt die Makroblock-Videosignale von der Blockbildungsschaltung 11 und sammelt fünf Makroblöcke in einer Einheit, die an die DCT-Schaltung 14 und die Bewegungsermittlungsschaltung 13 ausgegeben wird. Diese Einheit wird hier auch als Dateneinheit bezeichnet.
Die Bewegungsermittlungsschaltung 13 ermittelt die Bewegung der Dateneinheit von der Mischschaltung 12 und gibt die Ermittlungsergebnisse an die DCT-Schaltung aus, wobei sie die gleichen Ergebnisse an die Wiedergabeseite als untergeordnete Information ausgibt.
Die DCT-Schaltung 14 führt eine zweidimensionale DCT bezüglich der Dateneinheit von der Mischschaltung 12 durch, wobei sie selektiv zwischen Intra-Rahmen-Pixelwerten für die 8 · 8-Pixelblockeinheit und den Inter-Teilbild-Vorhersage-Fehlerwerten 4 · 8 · 2 für die Pixelblockeinheit mittels Durchführen der zweidimensionalen DCT umschaltet. Die DC- Komponenten werden zur Entmischschaltung 31 der Rahmenbildungseinheit 3 geführt, während die AC-Komponenten zum Bildspeicher 15 und zur Aktivitätsermittlungsschaltung 16 geführt werden.
Der Bildspeicher 15 speichert die AC-Komponenten von der DCT-Schaltung 14.
Die Aktivitätsermittlungsschaltung 16 ermittelt die Bildaktivität für die AC-Komponenten von der DCT-Schaltung 14 und gibt die Ermittlungsergebnisse an die Datenmengen-Schätzschaltung 21 der Codiereinheit 2 aus, wobei sie die gleichen Ergebnisse an die Wiedergabeseite als untergeordnete Information ausgibt.
Die Datenmengen-Schätzschaltung 21 klassifiziert die AC-Komponenten in Verbindung mit dem Quantisierungsgrad als Antwort auf die Ermittlungsergebnisse von der Aktivitätsermittlungsschaltung 12. Die Klassifizierungsdaten werden zur ersten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 geliefert. Die erste Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 berechnet einen optimalen Quantisierungsschritt für die Dateneinheit innerhalb eines Bereichs, der kleiner ist als der feste Zielbitlängenwert, auf der Basis der Klassifikationsdaten von der Datenmengen-Schätzschaltung 21 und den Codes von der Huffman- Tabelle 22. Der berechnete Quantisierungsschritt wird zur zweiten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 geliefert.
Die zweite Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 bestimmt den Quantisierungsschritt auf Makroblockbasis innerhalb des Bereichs von weniger als dem festen Zielbitlängenwert, auf der Basis des Quantisierungsschritts für die Dateneinheit, die von der ersten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 23 geliefert wird, wobei eine Priorität dem Makroblock unter den fünf Makroblöcken in der Dateneinheit zugeteilt wird, der näher an der Bildmitte liegt. Der Quantisierungsschritt, der auf Makroblockbasis bestimmt wird, wird zur Quantisierungsschaltung 25 geliefert, während er auch als untergeordnete Information an die Wiedergabeseite ausgegeben wird.
Die Quantisierungsschaltung 25 quantisiert die AC-Komponenten für die Dateneinheit, die im Bildspeicher 15 gespeichert ist, mit dem Quantisierungsschritt für die jeweiligen Makroblöcke von der zweiten Quantisierungsschritt-Entscheidungsschaltung 24 und überträgt die quantisierten AC-Komponenten an die Variabel-Längen-Codierschaltung 26.
Die Variabel-Längen-Codierschaltung 26 codiert die quantisierten AG-Komponenten von der Quantisierungsschaltung 25 auf Makroblockbasis und überträgt die codierten AC-Komponenten an die Entmischschaltung 31 der Rahmenbildungseinheit 3.
Die Entmischschaltung 31 entmischt die DC-Komponenten von der DCT-Schaltung 14 und quantisiert und codiert die AC-Komponenten von der variablen Länge, die als AC-Komponenten codiert ist, und ordnet die Daten so um, daß die fünf Makroblöcke der Dateneinheit fortlaufend auf dem Bild sind. Die entmischten fünf Makroblöcke werden zur Paritätsanhängeschaltung 32 geliefert.
Die Paritätsanhängeschaltung 32 hängt Paritätscodes usw. an die fünf Makroblöcke von der Entmischschaltung 31 an, um einen Synchronisationsblock von den Makroblöcken zu bilden, die Paritätscodes usw. haben, und bildet ein Videosegment von den fünf Synchronisationsblöcken. Das resultierende Videosegment wird zur Kanalcodierschaltung 33 geliefert.
Das Videosegment ist durch die Kanalcodierschaltung 33 kanal-codiert, um damit an eine Aufzeichnungseinheit, die nicht gezeigt ist, übertragen zu werden.

Claims

1. Verfahren zum Bereitstellen quantisierter und codierter digitaler Videosignale, welches folgende Schritte umfaßt:

Bestimmen eines Quantisierungsschritts für ein Videosegment, welches aus mehreren Makroblöcken als Einheit zusammengesetzt ist, derart, daß die Menge an quantisierten Daten kleiner ist als eine vorher-festgelegte Datenmenge für das Videosegment, wobei Quantisierungsschritte für jeden Makroblock, der das Videosegment bildet, anfangs gleich dem festgelegten Quantisierungsschritt des Videosegments sind;

Modifizieren des Quantisierungsschritts in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke des Videosegments individuell einzeln, ohne die vorher-festgelegte Datenmenge für dieses Videosegment zu übersteigen; und

Quantisieren des digitalen Videosignals mit dem modifizierten festgelegten Quantisierungsschritt in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke;

dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierungs-Modifizierungsschritt jedes Makroblocks in einer vorher-festgelegten Reihenfolge modifiziert wird, wobei eine Priorität einem Makroblock verliehen wird, der in der Nähe der Mitte eines Bilds angeordnet ist, und daß der Schritt zum Bestimmen des Quantisierungsschritts für ein Videosegment das Berechnen eines optimalen Quantisierungsschritts für jedes der Luminanzsignale und Farbsignale der Videosignale durch Rechenoperationen berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Makroblöcke im Videosegment fünf ist.

3. Gerät zum Bereitstellen von quantisierten und codierten digitalen Videosignalen, welches umfaßt:

eine Einrichtung (23) zum Bestimmen eines Quantisierungsschritts für ein Videosegment, welches aus mehreren Makroblöcken als Einheit zusammengesetzt ist, derart, daß die Menge an quantisierten Daten kleiner ist eine vorher-festgelegte Datenmenge für das Videosegment ist, wobei Quantisierungsschritte für jeden Makroblock, der das Videosegment anfangs bildet, gleich dem bestimmten Quantisierungsschritt des Videosegments sind;

eine Einrichtung (24) zum Modifizieren des Quantisierungsschritts in Verbindung mit jedem der mehreren Makroblöcke des Videosegments individuell einzeln, ohne die vorher-festgelegte Datenmenge für das Videosegment zu übersteigen;

eine Einrichtung (25) zum Quantisieren des digitalen Videosignals mit dem modifizierten festgelegten Quantisierungsschritt in Verbindung mit jeden der mehreren Makroblöcke;

dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung jeden Makroblock in einer vorher-festgelegten Reihenfolge modifiziert, wobei den Makroblöcken Priorität verliehen wird, die in der Nähe der Mitte eines Bilds angeordnet sind; und

daß die Einrichtung zum Bestimmen des Quantisierungsschritts im Hinblick auf ein Videosegment eine Einrichtung zum Berechnen eines optimalen Quantisierungsschritts für jedes der Luminanzsignale und Farbsignale der Videosignale durch Rechenoperationen umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei die Anzahl der Makroblöcke im Videosegment fünf ist.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, welches außerdem eine Mischschaltung (12) umfaßt, um die Makroblöcke in der vorher-festgelegten Reihenfolge zu mischen.

6. Gerät nach Anspruch 3, 4 oder 5, welches außerdem eine Bewegungsermittlungsschaltung (13) umfaßt, um die Bewegung eines Videosegments zu ermitteln.