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JP4643988B2 - Video on demand server system and method - Google Patents

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JP4643988B2 JP2004536401A JP2004536401A JP4643988B2 JP 4643988 B2 JP4643988 B2 JP 4643988B2 JP 2004536401 A JP2004536401 A JP 2004536401A JP 2004536401 A JP2004536401 A JP 2004536401A JP 4643988 B2 JP4643988 B2 JP 4643988B2
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Description

本発明は、固定チャネルの帯域幅制限を維持しながら、ビデオ・オン・デマンドを効率的に提供する技術に関する。   The present invention relates to a technique for efficiently providing video-on-demand while maintaining fixed channel bandwidth limitations.

現在、視聴者が見たいときに所望の番組(プログラム)を観賞できるようサポートするビデオ・オン・デマンド(VoD:Video on Demand)システムは、一般に、固定ビット・レート(CBR:Constant Bit Rate)のビデオを伝送する。固定ビット・レート(CBR)のビデオの伝送は、同等の長期平均ビット・レート用の可変ビット・レート(VBR:Variable Bit Rate)のビデオの伝送と同じ効率を達成できない。一定の帯域幅チャネル以上の複数の予め記録された可変ビット・レート(VBR)でコード化されたビデオ・プログラムを伝送することは、各々のプログラムにより要求される瞬間的なビット・レートの合計が、しばしば全有効ビット・レートを超えることがあるので問題を生じる。他方、リアルタイム・エンコーダを使用している放送アプリケーションは、同じキャリア(搬送波)またはトランスポンダ(中継器)上に伝送された複数のプログラム間の瞬間的なビット・レートの変動を利用するために統計的多重化を使用する。エンコーダはリアル・タイム(実時間)に作動して、システムが全てのプログラムに対して全結合ビット・レートを制限し、所定の時間ウィンドウ以上のチャネル容量を超えないようにする。それぞれのビデオ・プログラムは、関連する複雑さの指標を有している。中央制御装置は、相対的な複雑さに基づいて、各々のビデオ・プログラムに割り当てられたビット・レートを動的に調整する。   Currently, Video on Demand (VoD) systems that support viewers to watch desired programs (programs) when they want to watch are generally of a constant bit rate (CBR). Transmit video. Transmission of constant bit rate (CBR) video cannot achieve the same efficiency as transmission of variable bit rate (VBR) video for the equivalent long-term average bit rate. Transmitting multiple pre-recorded variable bit rate (VBR) video programs over a certain bandwidth channel means that the total instantaneous bit rate required by each program is This often causes problems because it can exceed the total effective bit rate. On the other hand, broadcast applications using real-time encoders are statistical in order to take advantage of instantaneous bit rate variations between multiple programs transmitted on the same carrier or transponder. Use multiplexing. The encoder operates in real time so that the system limits the total combined bit rate for all programs and does not exceed channel capacity beyond a predetermined time window. Each video program has an associated complexity indicator. The central controller dynamically adjusts the bit rate assigned to each video program based on the relative complexity.

現在、例えば、MPEG−2等の共通圧縮標準内で、ビデオ・ストリームのビット・レートを低下させるために機能する「ビデオ・トランスレータ(video transrater:ビデオ変換器)」として公知の装置が存在する。現在のトランスレータは、固定および可変間のビット・レート変換の際に、しばしば問題を生ずる。また、この種のトランスレータは、ビット・レートを、多くの場面変化または多数のI画像(I−Picture)を有するビット・ストリームに変換しようとするときに、問題を発生することがある。   Currently, there exists a device known as a “video translator” that functions to reduce the bit rate of a video stream within a common compression standard such as MPEG-2. Current translators often create problems when converting between fixed and variable bit rates. This type of translator can also cause problems when trying to convert the bit rate into a bit stream with many scene changes or multiple I-pictures.

映像(ビデオ)信号を基本層(ベース・レイヤ)および一つ以上の拡張層(エンハンスメント・レイヤ)に分割可能にする、スケーラブルな(scalable:拡張性のある)ビデオ・コード化は、ビット・レートの問題に対処することができる。ビデオ・コード化には、空間的(spatial)、SNR(信号対雑音比)、時間的(temporal)、データ分割、微粒子スケーラビリティ(FGS:Fine Grain Scalability)、周波数スケーラビリティ(frequency scalability)等を含むスケーラブルな種々の方法が存在する。MPEG−2およびMPEG−4ビデオ圧縮標準は、種々のスケーラビリティ方式を含んでいる。スケーラブルなコード化を使用すると、送信機および受信機の双方が、異なるコード化アルゴリズムを実現するための同等の能力を有することが必要となり、そのことが追加的な複雑さを招いている。このように、従来技術の問題点を解消するする可変ビット・レートのビデオ・オン・デマンド管理技術が必要とされている。   Scalable video coding, which allows video (video) signals to be split into a base layer (base layer) and one or more enhancement layers (enhancement layer), is a bit rate Can be addressed. Video coding is scalable including spatial, SNR (signal to noise ratio), temporal, data partitioning, fine grain scalability (FGS), frequency scalability, etc. There are various methods. The MPEG-2 and MPEG-4 video compression standards include various scalability schemes. Using scalable coding requires that both the transmitter and receiver have equivalent capabilities to implement different coding algorithms, which adds additional complexity. Thus, there is a need for variable bit rate video-on-demand management technology that overcomes the problems of the prior art.

(発明の概要)
簡潔に述べると、本発明により、固定帯域幅チャネル全体で異なるビット・レートを有する、複数のプリコード化(pre−coded)プログラムを伝送するための方法が提供される。各々のプログラム毎に、少なくとも2つの、好ましくは複数の異なるビット・レートのリプリゼンテーション(representation:表示)が生成される。制御情報(control information)が、各ビット・レートのリプリゼンテーション毎に各々の複数の連続した時間ウィンドウで提供される。制御情報は、各々の時間ウィンドウ中に、ビット・レートおよび品質指標(quality measure)を提供する。制御情報は、各プログラムに対するビット・レート・リプリゼンテーションの各時間ウィンドウ中に、その時間ウィンドウにおいて全有効チャネル容量を超えることのないように、選択されたリプリゼンテーションの品質を最高にする選択ができる。
(Summary of Invention)
Briefly stated, the present invention provides a method for transmitting multiple pre-coded programs having different bit rates across a fixed bandwidth channel. For each program, at least two, preferably a plurality of different bit rate representations are generated. Control information is provided in each of a plurality of consecutive time windows for each bit rate representation. The control information provides a bit rate and quality measure during each time window. Control information is selected to maximize the quality of the selected representation during each time window of the bit rate representation for each program so that the total available channel capacity is not exceeded during that time window. Can do.

本発明に係る技術を開示するに当たり、以下の技術用語が有用となる。
Tは、システム最適化が意図されている時間間隔である。
Cは、時間ウインドウTにおける全有効チャネル容量である。
Pは、全プログラム数である。
p∈(0,P−1)は、特定のプログラムのインデックスある。
N[p]は、プログラムpの全リプリゼンテーション数である。
n[p]∈(0,N[p]−1)は、プログラムpの特定のリプリゼンテーションのインデックスである。
r[p、x]は、Tにおけるプログラムpのリプリゼンテーションxのビット・レートである。
q[p、x]は、Tにおけるプログラムpのリプリゼンテーションxの品質である。
In disclosing the technology according to the present invention, the following technical terms are useful.
T is the time interval for which system optimization is intended.
C is the total effective channel capacity in the time window T.
P is the total number of programs.
pε (0, P−1) is an index of a specific program.
N [p] is the total number of representations of program p.
n [p] ε (0, N [p] −1) is an index of a specific representation of the program p.
r [p, x] is the bit rate of the representation x of program p at T.
q [p, x] is the quality of the representation x of program p at T.

図1は、全チャネル容量Cを有する固定帯域幅チャネル11を通じてプリコード化固定ビット・レート(CBR)および/または可変ビット・レート(VBR)のオーディオ/ビデオ・プログラムを伝送するための、本発明によるビデオ・オン・デマンド(VoD)サーバ基本構成10の、第1の好ましい実施形態を表す。サーバ基本構成10は、複数のマルチレートストリーム発生器12、12、・・・12P−1 を含んでいる。ここで、Pは、独立した入力ストリームの数に相当するゼロより大きい整数である。ストリーム・レート発生器12〜12P−1 は、複数の異なるビット・レートにおけるプログラム0、プログラム1・・・プログラムP−1のそれぞれ相当するプログラムの1つをプリコード化する。別の言い方をすれば、それぞれのマルチレートストリーム発生器は、相当する異なる少なくとも2以上のビット・レート・リプリゼンテーションを生じるプログラムをプリコード化する。リプリゼンテーションは、特定の記憶されたコード化ビット・ストリーム、または異なるコード化ビット・ストリームの種々の部分の組合せを含んでいてもよい。記憶装置14は、一般に単一のディスク駆動装置、RAID(Redundant Array of Inexpensive Discs)または複数のRAIDの形式で、マルチレートストリーム発生器12〜12P−1 により発生するプリコード化リプリゼンテーションを記憶する役割をする。 FIG. 1 illustrates the present invention for transmitting precoded constant bit rate (CBR) and / or variable bit rate (VBR) audio / video programs over a fixed bandwidth channel 11 having full channel capacity C. 1 represents a first preferred embodiment of a video on demand (VoD) server basic configuration 10 according to FIG. The server basic configuration 10 includes a plurality of multi-rate stream generators 12 0 , 12 1 ,... 12 P-1 . Here, P is an integer greater than zero corresponding to the number of independent input streams. The stream rate generators 12 0 to 12 P-1 pre-code one of programs corresponding to program 0, program 1... Program P-1 at a plurality of different bit rates. In other words, each multi-rate stream generator pre-codes a program that produces at least two corresponding different bit rate representations. A representation may include a particular stored coded bit stream, or a combination of various portions of different coded bit streams. Storage device 14 is generally a single disk drive, RAID in (Redundant Array of Inexpensive Discs) or more RAID format, precoded replicator presentation generated by the multi-rate streams generator 12 0 ~12 P-1 It plays a role to remember.

各々のマルチレートストリーム発生器12〜12P−1 は、それぞれ、相当するプログラム0〜P−1の1つ毎に各々の時間ウィンドウTに対する制御情報を生成する。各プログラムの各リプリゼンテーション毎の各時間ウィンドウTに対する制御情報は、そのリプリゼンテーションのビット・レート、およびリプリゼンテーションのピーク信号対雑音比(PSNR:Peak Signal−to−Noise Ratio)等の品質指標の表示を含んでいる。中心統計的多重化装置(stat mux)16は、各々のリプリゼンテーションに対する制御情報を受信する。stat mux16は、チャネル11の全容量Cまたはそれ以下で全ビット・レートを維持すると共に、各々の連続した時間ウィンドウTで、伝送されたプログラムの品質を最高にするために、各々のプログラム毎にリプリゼンテーションを選択する。 Each of the multi-rate stream generators 12 0 to 12 P-1 generates control information for each time window T for each of the corresponding programs 0 to P-1 . The control information for each time window T for each representation of each program includes the bit rate of the representation, the peak signal-to-noise ratio (PSNR) of the representation, etc. Includes display of quality indicators. A central statistical multiplexer (stat mux) 16 receives control information for each representation. The stat mux 16 maintains a full bit rate at or below the full capacity C of the channel 11 and, for each successive time window T, for each program to maximize the quality of the transmitted program. Select a representation.

全てのプログラムで最も低いビット・レートの合計が、それぞれの間隔Tに対するチャネル容量を超えないように、各々のプログラムのための最も低いビット・レート・リプリゼンテーションは、既定値を超えてはならない。このようにすることで、各々のプログラムの少なくとも1つのリプリゼンテーションは、チャネル11を介して伝送される。各々のプログラムの最も低いビット・レート・リプリゼンテーションが、C/P以下のピーク・ビット・レートを有することを要求することにより、この制限が達成される。全てのプログラムの全ての時間ウィンドウTに対して、制限

Figure 0004643988

を満たす他の方法が存在する。一般に、特定のプログラムの再生が始まる時期に関しては、事前の知識がない。従って、最も低いビット・レート・リプリゼンテーションのビット・レート制限が、特定のプログラムの全ての時間ウィンドウTについて同じになるように要求することにより、最も容易に容量制限を実施することができる。 The lowest bit rate representation for each program must not exceed the default value so that the sum of the lowest bit rates for all programs does not exceed the channel capacity for each interval T. . In this way, at least one representation of each program is transmitted via the channel 11. This limitation is achieved by requiring each program's lowest bit rate representation to have a peak bit rate below C / P. Limit for all time windows T of all programs
Figure 0004643988

There are other ways to satisfy. In general, there is no prior knowledge as to when a particular program begins to play. Thus, capacity limitation can be most easily implemented by requiring that the lowest bit rate representation bit rate limit be the same for all time windows T of a particular program.

総合的な品質を最高にするためのステップは、種々の方法で達成される。全ての場合において、制限

Figure 0004643988

は全てのプログラムの全ての時間ウィンドウTに対して満たされている状態でなければならない。ミニマックス(minimax)処理法は、それぞれのp∈(0,P−1)に対してn[p]を選択することにより制限を満たすことができ、最低限の品質プログラムの品質を最高にする(即ち、最大歪曲を最小化する)ことができる。 The steps for maximizing the overall quality can be accomplished in various ways. In all cases, restrictions
Figure 0004643988

Must be satisfied for all time windows T of all programs. The minimax processing method can satisfy the restriction by selecting n [p] for each pε (0, P−1), and maximizes the quality of the minimum quality program. (Ie, minimizing maximum distortion).

ミニマックス処理法は、各プログラムの各リプリゼンテーションに対する制御情報をソートすることにより実行され、品質およびビット・レート・インデックスがインデックスの増加に伴って単調に増加するようになる。各ステップに対するビット・レートの変化(「デルタ(Δ)」ビット・レートという)は、その後記憶される。統計的多重化装置(stat mux)16は、各プログラム・リプリゼンテーションに対する最も低いインデックスから始めて、全容量Sを計算する。stat mux16は、最も低い品質のプログラム・リプリゼンテーションを選択し、そのデルタ(Δ)ビット・レートのSへの追加がCを超えるか否かを確認する。リプリゼンテーションの追加がCを超えない場合、そのリプリゼンテーションに対するインデックスが増分されて、更に手順が繰り返される。一旦Cが超えると、次に最も低い品質を有するリプリゼンテーションについて、そのデルタ・ビット・レートがSに加えられるとCを超えるかどうかが確認される。いかなるリプリゼンテーションにおける増分もチャネル容量Cを超えるようになるまで、手順が繰り返される。或いは、全てのプログラムの全品質は、以下の制限された最適化問題を解決することを含む個々のプログラム品質の合計を最大にすることにより最適化され得る。

Figure 0004643988

また、以下の方法における個々のプログラム品質の積を最適化することも可能である。
Figure 0004643988

異なる視聴者に対して異なるクラスのサービスを提供するために、加重平均が使用される Minimax processing is performed by sorting the control information for each representation of each program, so that the quality and bit rate index increase monotonically as the index increases. The change in bit rate for each step (referred to as the “delta (Δ)” bit rate) is then stored. A statistical mux 16 calculates the total capacity S, starting with the lowest index for each program representation. The stat mux 16 selects the lowest quality program representation and sees if its delta (Δ) bit rate addition to S exceeds C. If the representation addition does not exceed C, the index for that representation is incremented and the procedure is repeated. Once C is exceeded, the next lowest quality representation is checked to see if it exceeds C when its delta bit rate is added to S. The procedure is repeated until the increment in any representation exceeds the channel capacity C. Alternatively, the overall quality of all programs can be optimized by maximizing the sum of the individual program qualities, including solving the following limited optimization problem.
Figure 0004643988

It is also possible to optimize the product of individual program qualities in the following method.
Figure 0004643988

Weighted average is used to provide different classes of service to different viewers

マルチレートストリーム発生器12〜12P−1 は、各々のプログラムの複数のリプリゼンテーションを形成するために、種々の方法または方法の組合せを使用することができる。全てのケースで、各時間ウィンドウTに対して変動を生じることなく異なるリプリゼンテーションが選択されるように、各時間ウィンドウTの始めに、各リプリゼンテーションに対して、内部コード化(I)フレームのようなランダム・アクセス・ポイントが発生しなければならない。最も低いビット・レート・リプリゼンテーションの容量が全チャネル容量の制限を満たす限り、それぞれのリプリゼンテーションは、固定ビット・レート(CBR)または可変ビット・レート(VBR)コード化の何れかを使用することができる。 Multirate stream generators 12 0 to 12 P-1 can use various methods or combinations of methods to form multiple representations of each program. In all cases, the inner coding (I) for each representation at the beginning of each time window T so that a different representation is selected without variation for each time window T. Random access points such as frames must occur. Each representation uses either constant bit rate (CBR) or variable bit rate (VBR) coding as long as the capacity of the lowest bit rate representation meets the total channel capacity limit can do.

第1の方法において、マルチレートビデオ・エンコーダは、幾つかの独立したビット・ストリーム中で種々のビット・レートで各々のプログラムをコード化する。各々の異なるビット・レート・ビット・ストリームは、異なるリプリゼンテーションとして機能する。図2は、係る方法を実現するための基本構成100を表す。図2に示すように、マルチレートビデオ・エンコーダ110は、相当するプログラムをコード化するために機能し、複数の異なるレート・リプリゼンテーションを発生させる。独立した一つのトランスポート・パケタイザ(transport packetizer)112、112・・・112P−1 は、相当するリプリゼンテーションをそれぞれパケット化する。マルチレートエンコーダ110により実行されるマルチレートコード化、およびパケタイザ112〜112P−1 により実行されるパケット化が、図1の記憶装置14と構造的に同様の記憶装置140に記憶される以前に一度行われれば、リアル・タイムに行われる必要はない。 In the first method, the multi-rate video encoder encodes each program at various bit rates in several independent bit streams. Each different bit rate bit stream functions as a different representation. FIG. 2 shows a basic configuration 100 for implementing such a method. As shown in FIG. 2, the multi-rate video encoder 110 functions to encode a corresponding program and generates a plurality of different rate representations. Each of the independent transport packetizers 112 0 , 112 2 ... 112 P-1 packetizes the corresponding representation. Before the multi-rate coding performed by multi-rate encoder 110 and the packetization performed by packetizers 112 0 -112 P-1 are stored in storage device 140 that is structurally similar to storage device 14 of FIG. Once done, it doesn't have to be done in real time.

記憶装置140に保存されたリアル・タイム出力用のリプリゼンテーションの選択が、セレクタ・ブロック150から受信した信号に応答して行われる。セレクタ・ブロック150は、統計的多重化装置(stat mux)160からの特定のリプリゼンテーションの要求に応答して、記憶された出力用リプリゼンテーションを識別する。セレクタ・ブロック150からの信号を受けると、記憶装置140は、選択されたパケット化リプリゼンテーションを出力のためstat mux160に供給する。   Selection of a real-time output representation stored in the storage device 140 is made in response to a signal received from the selector block 150. Selector block 150 identifies the stored output representation in response to a specific representation request from statistical multiplexer (stat mux) 160. Upon receipt of the signal from selector block 150, storage device 140 provides the selected packetized representation to stat mux 160 for output.

第2の方法では、数個の異なるビット・ストリームの部分が結合され、プログラムの追加のリプリゼンテーションを発生させる。プログラムの全てのビット・ストリーム(場面変化で自然に起こるような)と同じ場所にランダム・アクセス・ポイントが存在すること、または固定GOP(Group−Of−Pictures)構造を使用することにより、ランダム・アクセス限界における異なるビット・レート・ストリームからの圧縮データの組合せにより、新規なリプリゼンテーションを形成する。記憶されているデータから各々のリプリゼンテーションを生成することができる限り、各々のリプリゼンテーションを別々に記憶する必要はない。以下に、Tが2分の1であり、データが30fpsでコード化され、Iフレームが15フレーム毎に挿入され、3つの異なるビット・レートのビット・ストリーム(それぞれ、ビット・ストリーム0、ビット・ストリーム1およびビット・ストリーム2と呼ぶ)を発生させる例を考えてみる。各々のビット・ストリームは、独立したリプリゼンテーションを構成する。最初の15のフレームに対してビット・ストリーム0並びに2番目の15のフレームおよびその他に対してビット・ストリーム1を使用する追加のリプリゼンテーションが形成され得る。   In the second method, parts of several different bit streams are combined to generate an additional representation of the program. By having a random access point in the same place as all the bitstreams of the program (as happens naturally with scene changes), or by using a fixed GOP (Group-Of-Pictures) structure The combination of compressed data from different bit rate streams at the access limit forms a new representation. As long as each representation can be generated from the stored data, it is not necessary to store each representation separately. Below, T is ½, the data is encoded at 30 fps, I frames are inserted every 15 frames, and three different bit rate bit streams (bit stream 0, bit Consider an example of generating stream 1 and bit stream 2). Each bit stream constitutes an independent representation. Additional representations using bit stream 0 for the first 15 frames and bit stream 1 for the second 15 frames and others may be formed.

トランスポート・パケットを有するランダム・アクセス・ポイントが、配置されたならば、図2のサーバ基本構成100は、予めトランスポート・パケット化が起こる際によく機能する。図3は、ランダム・アクセス・ポイントが必ずしもトランスポート・パケットを伴って配置する必要がない場合により適合するVoDサーバ基本構成200を示している。図3を参照すれば、VoDサーバ基本構成200は、記憶装置14および140と同様の記憶装置240に記憶させるための複数の異なるビット・レート・リプリゼンテーションを生成するマルチレートビデオ・エンコーダ210を含んでいる。記憶装置140に保存されるリプリゼンテーションは、パケット化されていないビット・ストリームとして存在する。   If a random access point with transport packets is deployed, the server base configuration 100 of FIG. 2 works well in advance when transport packetization occurs. FIG. 3 shows a VoD server base configuration 200 that is more suitable when random access points do not necessarily have to be placed with transport packets. Referring to FIG. 3, the VoD server basic configuration 200 includes a multi-rate video encoder 210 that generates a plurality of different bit rate representations for storage in a storage device 240 similar to the storage devices 14 and 140. Contains. The representation stored in the storage device 140 exists as a non-packetized bit stream.

記憶装置240に保存されているリアル・タイム出力用のリプリゼンテーションの選択は、セレクタ・ブロック250から受信した信号に応答して起こる。本質的に図2のセレクタ・ブロック150と同様のセレクタ・ブロック250は、スタティック・ミキサ(static mixer)/多重化装置260からの特定のリプリゼンテーションの要求に応答して、記憶された出力用のリプリゼンテーションを識別する。セレクタ・ブロック250からの信号を受けると、記憶装置240はスタティック・ミキサ/多重化装置260に、選択に係るパケット化されたリプリゼンテーションを供給する。パケタイザ212は、チャネル上の出力(図示せず)のためのスタティック・ミキサ/多重化装置260の出力ストリームをパケット化する。   Selection of a representation for real time output stored in the storage device 240 occurs in response to a signal received from the selector block 250. Essentially similar to selector block 150 of FIG. 2, selector block 250 is for stored outputs in response to a specific representation request from static mixer / multiplexer 260. Identify the representation of. Upon receipt of the signal from selector block 250, storage device 240 provides packetized representations for selection to static mixer / multiplexer 260. The packetizer 212 packetizes the output stream of the static mixer / multiplexer 260 for output (not shown) on the channel.

また、リプリゼンテーションは、MPEG−2のBフレームやJVTの非記憶画像等の他の画像を予測するための参照画像として使用されない画像を含む、ビデオ・コーデック用(図示せず)等の非参照画像用の記憶されたビット・ストリーム間を切り替えることによっても形成される。各々の非参照画像は、非記憶画像が予測のために使われないので、その後のコード化画像の品質に影響を及ぼすことのない異なる記憶ビット・ストリームから選択され得る。リプリゼンテーションの非参照画像の完全な消去も行われる。各非参照画像は、個別に切り替えられることができるか、または非参照画像グループが一緒になって切り替えられることができ、多くの可能な限りの全ビット・レート・リプリゼンテーションが実現される。図1のマルチレートストリーム信号発生器12〜12P−1 は、図1のstat mux16に送信して、品質およびビット・レートに有意差があるものを選択するために、可能なリプリゼンテーションの数を制限することを選択する。各々のリプリゼンテーションが記憶装置に別々に記憶される必要はない。しかし、必要なときにリプリゼンテーションの生成を容易にするために、場所の一覧を示すテーブルおよび各々のコード化フレームの長さが記憶される。記憶画像のみの用途で複数のビット・レート・ビット・ストリームを記憶したり、参照画像(IおよびP)のシングル・バージョンのみを記憶し、記憶容量を大幅に減らすこともまた、可能である。 In addition, the representation includes non-video codec (not shown) and the like including images that are not used as reference images for predicting other images such as MPEG-2 B-frames and JVT non-memory images. Also formed by switching between stored bit streams for reference images. Each non-reference image may be selected from a different stored bit stream that does not affect the quality of the subsequent coded image since the non-stored image is not used for prediction. The complete deletion of the non-reference image of the representation is also performed. Each non-reference image can be switched individually, or non-reference image groups can be switched together, realizing as many full bit rate representations as possible. The multi-rate stream signal generators 12 0 to 12 P-1 of FIG. 1 transmit to the stat mux 16 of FIG. 1 to select possible representations to select those with significant differences in quality and bit rate. Choose to limit the number of. Each representation need not be stored separately in the storage device. However, to facilitate the generation of representations when needed, a table showing a list of locations and the length of each coded frame is stored. It is also possible to store multiple bit rate bit streams for stored image only applications, or store only a single version of the reference image (I and P), greatly reducing storage capacity.

図2および図3のビデオ・オン・デマンド(VoD)サーバ基本構成100および200について、統計的多重化装置(stat mux)160およびスタティック・ミキサ/多重化装置260は、それぞれ選択されたリプリゼンテーションに対応するビット・ストリームを生成する。個々の画像が配置されたトランスポート・パケットでない場合、図3の基本構成200は、特定のリプリゼンテーションのためのビット・ストリームの生成の後、トランスポート・パケット化を行う。一方、図2のVoDサーバ基本構成100は、問題なく機能する。   For the video on demand (VoD) server basic configurations 100 and 200 of FIGS. 2 and 3, the statistical multiplexer (stat mux) 160 and the static mixer / multiplexer 260 are selected representations respectively. A bit stream corresponding to is generated. If the individual image is not an arranged transport packet, the basic configuration 200 of FIG. 3 performs transport packetization after generating a bit stream for a specific representation. On the other hand, the VoD server basic configuration 100 of FIG. 2 functions without any problem.

本発明の他の態様によれば、基本層および1つ以上の拡張層を形成するために、スケーラブルなビデオ・エンコーダ(図示せず)の使用によるスケーラブルなビデオ・コード化が可能である。周波数スケーラビリティ、FGS、SNRスケーラビリティまたは時間的スケーラビリティ等の、モーション用の基本層を使用し、変動を避けるために参照画像予測が補償されたいかなる形式のスケーラビリティをも使用することができる。最も低いビット・レート・リプリゼンテーションは、基本層に相当する。基本層のピークのビット・レートは、全てのプログラムの基本層のビット・レートを合計した場合、各々の時間ウィンドウTについてチャネル容量Cを超えないようなものでなければならない。他のより高いビット・レート・リプリゼンテーションは、基本層に拡張層の幾つかの部分を加えたものに相当する。この方法では、ビデオ・デコーダが、使用するスケーラビリティの形式をサポートしていることが必要でする。図2のVoDサーバ基本構成100は、特定のリプリゼンテーションにおける全ての拡張層を包含するのに使用される。拡張層の一部がリプリゼンテーションにおいて使用される場合、図3のVoDサーバ基本構成200が用いられる。   In accordance with another aspect of the invention, scalable video coding is possible through the use of a scalable video encoder (not shown) to form the base layer and one or more enhancement layers. Any form of scalability that uses a base layer for motion, such as frequency scalability, FGS, SNR scalability, or temporal scalability, with reference picture prediction compensated to avoid variability can be used. The lowest bit rate representation corresponds to the base layer. The peak bit rate of the base layer must be such that the channel capacity C is not exceeded for each time window T when the base layer bit rates of all programs are summed. Other higher bit rate representations correspond to the base layer plus some portions of the enhancement layer. This method requires that the video decoder support the type of scalability that is used. The VoD server basic configuration 100 of FIG. 2 is used to encompass all enhancement layers in a particular representation. When a part of the enhancement layer is used in the presentation, the VoD server basic configuration 200 of FIG. 3 is used.

図2のVoDサーバ基本構成100では、非リアル・タイムでなされるトランスポート・パケット化プロセスに暗号化が加えられており、全部の暗号化されたトランスポート・パケットが記憶され伝送されるので、コンテンツの権利を管理するための暗号化を使用するシステムのために、リアル・タイムのいかなる解読も暗号化も必要としない。図3のVoDサーバ基本構成200は、暗号化がリアル・タイムのトランスポート・パケット化と共に実行されることを必要としている。   In the VoD server basic configuration 100 of FIG. 2, encryption is added to the transport packetization process performed in non-real time, and all encrypted transport packets are stored and transmitted. For systems that use encryption to manage content rights, no real-time decryption or encryption is required. The VoD server basic configuration 200 of FIG. 3 requires encryption to be performed with real time transport packetization.

一般に、VoDプログラムは、オーディオおよびビデオを含んでいる。音声ビット・レートは、一般にビデオ・ビット・レートよりかなり低く、また、通常固定ビット・レートであるので、図1および図2の統計的多重化装置(stat mux)16および160、並びに図3のスタティック・ミキサ/多重化装置260を用いた、プリコード化された異なる音声ビット・ストリームからの選択により得られる利点が少ない。ユーザは、配信されている単一のプログラムを見ている間、音声品質の切り替えに気づき易い。単一ビット・レートのオーディオ・ストリームがまた、各プログラムに対して送信されると仮定すると、全チャネル容量Cは、ビデオ・チャネルにより完全に消費されるものと考えられる。或いは、上記の方法はまた、オーディオに適用することが可能であり、異なるビット・レートおよび品質を有する音声プログラムの複数のリプリゼンテーションが生成される。   In general, a VoD program includes audio and video. Since the audio bit rate is generally much lower than the video bit rate and is usually a fixed bit rate, the statistical multiplexers (stat muxes) 16 and 160 of FIGS. Fewer advantages are gained by selecting from different precoded audio bit streams using the static mixer / multiplexer 260. Users are more likely to notice voice quality switching while viewing a single program being delivered. Assuming that a single bit rate audio stream is also transmitted for each program, the total channel capacity C is considered to be completely consumed by the video channel. Alternatively, the above method can also be applied to audio, where multiple representations of audio programs having different bit rates and qualities are generated.

本発明のVoDサーバ基本構成により動作するビデオ・プレーヤ(図示せず)は、ビデオ・デコーダ(図示せず)およびバッファリングのための幾つかの記憶装置を含んでいる。受信した特定のプログラムに対して、時間単位Tに対応するデータが、T時間ウィンドウ中の何れかの時点で到達するという条件で、データは非一様(non−uniform)データレートに到達する。ビデオ・プレーヤは、Tをバッファして、遅延する能力を有していなければならない。時間ウィンドウTについてのプログラムの所定のリプリゼンテーション毎に伝送される最大ビット・レートに対する上限は、デコーダの複雑さ、およびデコーダ・バッファ・サイズを制限するように予め決定されていてもよい。デコーディング・バッファは、例えばMPEG−2レベルの設定バッファ・サイズの特定条件のように、一般にビデオ・デコーダの必要条件となっており、それを満足するTとビット・レートとの組合せが選択される。   A video player (not shown) that operates according to the basic configuration of the VoD server of the present invention includes a video decoder (not shown) and several storage devices for buffering. For a particular program received, the data reaches a non-uniform data rate, provided that the data corresponding to the time unit T arrives at any point in the T time window. The video player must have the ability to buffer and delay T. The upper limit on the maximum bit rate transmitted for each given representation of the program for time window T may be predetermined to limit decoder complexity and decoder buffer size. The decoding buffer is generally a requirement of the video decoder, such as a specific condition of the setting buffer size at the MPEG-2 level, and a combination of T and bit rate that satisfies it is selected. The

各プログラムに対するトラック早送りおよび早戻しもまた、VoDサーバに保存される。それらは単一のビット・レートで、または種々のビット・レートで記憶され、通常プレイ・プログラムに対してなされているように適応させることができる。   Track fast forward and fast reverse for each program are also stored on the VoD server. They are stored at a single bit rate or at various bit rates and can be adapted as is usually done for play programs.

時間ウィンドウT長の判定は、幾つかの要因に基づいてなされる。Tは、大部分が統計的多重化増加を得ることができるほどの大きさである必要があるが、ビデオ・プレーヤにおけるスタートアップ(起動)および通常再生(プレイ)とトリック再生(トリック・プレイ)の間の切り替えに対しては、遅延を制限するのに十分なほどに小さくなければならない。Tは、デコーダの条件を満たすのに十分に小さくなければならない。   The determination of the time window T length is made based on several factors. T needs to be large enough to obtain a statistical multiplexing increase for the most part, but for start-up and normal playback (play) and trick playback (trick play) in video players. For switching between, it must be small enough to limit the delay. T must be small enough to satisfy the decoder requirements.

上記により、固定チャネルの帯域幅制限を維持すると共に、ビデオ・オン・デマンドを効率的に提供するためのシステムと方法が開示されるものである。   From the foregoing, systems and methods for efficiently providing video on demand while maintaining fixed channel bandwidth limitations are disclosed.

図1は、本発明によるビデオ・オン・デマンド・サーバ基本構成の第1の実施形態のブロック図を表す。FIG. 1 shows a block diagram of a first embodiment of a basic configuration of a video on demand server according to the present invention. 図2は、本発明によるビデオ・オン・デマンド・サーバ基本構成の第2の実施形態のブロック図を表す。FIG. 2 shows a block diagram of a second embodiment of the basic configuration of the video on demand server according to the present invention. 図3は、本発明によるビデオ・オン・デマンド・サーバ基本構成の第3の実施形態のブロック図を表す。FIG. 3 shows a block diagram of a third embodiment of the basic configuration of the video on demand server according to the present invention.

Claims (16)

固定帯域幅チャネル全体に亘って異なるビット・レートを有する複数のプリコード化されたプログラムを伝送する方法であって、
各々のプログラムの少なくとも2つの異なるビット・レート・リプリゼンテーションを生成するステップであって、該少なくとも2つの異なるビット・レート・リプリゼンテーションを生成するステップは、C/P未満のピーク・ビット・レートを有する最も低いビット・レート・リプリゼーションを各プログラムについて生成するステップをさらに有し、Cは時間Tにおける全チャネル容量であり、Pは全プログラム数である、生成するステップと、
各プログラムの各リプリゼンテーションに対して各々の複数の連続した時間ウィンドウTにおいて制御情報を提供するステップであって、前記各々の連続したウィンドウに対する制御情報は、対応するプログラムのリプリゼンテーションについてのビット・レートおよび品質指標を示す、前記制御情報を提供するステップと、
各々の時間ウィンドウTの間、各々のプログラムに対するビット・レート・リプリゼンテーションを選択して、チャネルの全有効容量を超えることなく選択されたリプリゼンテーションの品質指標を最高にするステップであって、該ステップは、全ての時間ウィンドウの間、制限
Figure 0004643988
(但し、
Cは時間フレームTにおける可能な全チャネル容量、
Pは全プログラム数、
p∈(0,P−1)は、特定のプログラムのインデックス、
N(p)はプログラムpのリプリゼンテーションの総数、
n[p]∈(0,N[p]−1)は、プログラムpの特定のリプリゼンテーションのインデックス、
r[p,x]は、Tの間のプログラムpのリプリゼンテーションxのビット・レートである)
を満たす各プログラムについてのリプリゼンテーションを選択する、ステップと、
を有する方法。
A method for transmitting a plurality of precoded programs having different bit rates across a fixed bandwidth channel, comprising:
Generating at least two different bit rate representations for each program, the step of generating the at least two different bit rate representations comprising: Generating the lowest bit rate replication with a rate for each program, wherein C is the total channel capacity at time T and P is the total number of programs ;
Providing control information in each of a plurality of successive time windows T for each representation of each program, wherein the control information for each successive window is for the representation of the corresponding program. Providing the control information indicating a bit rate and a quality indicator ;
During each time window T, by selecting the bit rate replicator presentation for each program, to maximize the quality indicator of the selected replicator presentation without exceeding the total available capacity of the channel, step met The step is limited during all time windows
Figure 0004643988
(However,
C is the total possible channel capacity in time frame T,
P is the total number of programs,
p∈ (0, P−1) is the index of a specific program,
N (p) is the total number of representations for program p,
n [p] ∈ (0, N [p] −1) is the index of a particular representation of program p,
r [p, x] is the bit rate of the representation x of program p during T)
Selecting a representation for each program that satisfies the steps , and
Having a method.
前記制御情報を提供するステップは、前記制御情報に表される品質指標としてピーク信号対雑音比(PSNR)を設定するステップを更に有する、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein providing the control information further comprises setting a peak signal to noise ratio (PSNR) as a quality indicator represented in the control information. 々のプログラムのリプリゼンテーションn[p]∈(0,N[P]−1)を選択して、プログラムpの品質指標を最高にするステップを更に有する、請求項に記載の方法。 Each of the replicator presentation n Programs [p] to select ∈ a (0, N [P] -1 ), further comprising the step of maximizing the quality indicator of the program p, A method according to claim 2. (a)インデックス値により単調に増加するビット・レートおよび品質指標を伴う各プログラムについての情報をソートするステップと、
(b)各々のインデックス値について、各々のビット・レート増分(デルタ)および品質指標を記憶するステップと、
(c)最も低いインデックス値から開始するステップと
(c1)当該インデックス値について以前に選択されたプログラム・リプリゼンテーションに対して全容量Sを計算するステップと、
(d)最も低い品質指標でプログラム・リプリゼンテーションを選択するステップと、
(e)最も低い品質指標で選択されたプログラムのビット・レート増分が、以前に選択され、加えられたリプリゼンテーションに加えられる際に、全チャネル容量を超えるかどうかを調べるステップと、
そして、もし超えなければ、
(f)インデックス値を増やすステップと、および
(g)ステップ(c)〜(f)を繰り返すステップと
を更に有する請求項に記載の方法。
(A) sorting information about each program with a bit rate and quality index that monotonically increases with the index value;
(B) storing, for each index value, each bit rate increment (delta) and quality indicator ;
Comprising the steps of starting with (c) the lowest index value,
(c1) calculating a total capacity S for a program representation previously selected for the index value;
(D) selecting a program representation with the lowest quality index ;
(E) checking if the bit rate increment of the program selected with the lowest quality metric exceeds the total channel capacity when added to the previously selected and added representation;
And if not,
(F) repeating the steps of increasing the index value, and (g) Step (c 1) ~ (f), The method of claim 3 further comprising the steps.
前記選択するステップは、
Figure 0004643988
(但し、q[p、x]はTの間のプログラムpのリプリゼンテーションxの品質指標である)を解くことにより、各々のプログラムについてリプリゼンテーションを選択して、個々のプログラムの品質の合計が最大にするステップを更に有する、請求項1に記載の方法。
The step of selecting includes
Figure 0004643988
(However, q [p, x] is replicator is the quality indicator of presentation x program p during T) by solving, by selecting the replicator presentation for each of the programs, the quality of individual programs The method of claim 1, further comprising the step of maximizing the sum of .
前記選択するステップは、
Figure 0004643988
(但し、q[p、x]はTの間のプログラムpのリプリゼンテーションxの品質指標である)を解くことにより、各々のプログラムについてリプリゼンテーションを選択して、個々のプログラムの品質の積が最大にする、ステップを更に有する、請求項1に記載の方法。
The step of selecting includes
Figure 0004643988
(However, q [p, x] is replicator is the quality indicator of presentation x program p during T) by solving, by selecting the replicator presentation for each of the programs, the quality of individual programs The method of claim 1, further comprising the step of maximizing the product of:
固定帯域幅チャネル全体に亘って異なるビット・レートを有する複数のプリコード化されたプログラムを伝送するシステムであって、
各々のプログラムの少なくとも2つの異なるビット・レート・リプリゼンテーションを生成する手段であって、少なくとも2つの異なるビット・レート・リプリゼーションについて生成する手段は、C/P未満のピーク・ビット・レートを有する最も低いビット・レート・リプリゼンテーションを各プログラムについて生成し、Cは時間Tにおける全チャネル容量であり、Pは全プログラム数である、生成する手段と、
各プログラムの各リプリゼンテーションに対して各々の複数の連続した時間ウィンドウTにおいて制御情報を提供する手段であって、前記各々の連続したウィンドウに対する制御情報は対応するプログラムのリプリゼンテーションについてのビット・レートおよび品質指標を示す前記制御情報を提供する手段と、
各々の時間ウィンドウTの間、各々のプログラムに対するビット・レート・リプリゼンテーションを選択して、チャネルの全有効容量を超えることなく選択されたリプリゼンテーションの品質指標を最高にする、手段であって、該手段は、全ての時間ウィンドウの間、制限
Figure 0004643988
(但し、
Cは時間フレームTにおける可能な全チャネル容量、
Pは全プログラム数、
p∈(0,P−1)は、特定のプログラムのインデックス、
N(p)はプログラムpのリプリゼンテーションの総数、
n[p]∈(0,N[p]−1)は、プログラムpの特定のリプリゼンテーションのインデックス、
r[p,x]は、Tの間のプログラムpのリプリゼンテーションxのビット・レートである)
を満たす各プログラムについてのリプリゼンテーションを選択する、手段と、
を有するシステム。
A system for transmitting a plurality of precoded programs having different bit rates across a fixed bandwidth channel,
Means for generating at least two different bit rate representations for each program, wherein the means for generating at least two different bit rate representations comprises a peak bit rate less than C / P. Generating the lowest bit rate representation having for each program, C is the total channel capacity at time T, and P is the total number of programs ;
Means for providing control information for each representation of each program in each of a plurality of successive time windows T, wherein the control information for each successive window is a bit for the representation of the corresponding program Means for providing said control information indicating a rate and a quality indicator ;
During each time window T, by selecting the bit rate replicator presentation for each of the programs, to maximize the quality indicator of the selected replicator presentation without exceeding the total available capacity of the channel, with means And the means is limited during all time windows
Figure 0004643988
(However,
C is the total possible channel capacity in time frame T,
P is the total number of programs,
p∈ (0, P−1) is the index of a specific program,
N (p) is the total number of representations for program p,
n [p] ∈ (0, N [p] −1) is an index of a specific representation of the program p,
r [p, x] is the bit rate of the representation x of program p during T)
Means to select a representation for each program that satisfies
Having a system.
前記生成する手段および前記制御情報を提供する手段は、全体として、それぞれ対応する複数のプリコード化されたプログラムの1つに関連する複数のマルチレートストリーム発生器を有する、請求項に記載のシステム。Means for providing means and said control information to said generation as a whole, it has a plurality of multirate stream generators associated with respective one of a corresponding plurality of pre-coded programs, according to claim 7 system. 前記生成する手段および前記制御情報を提供する手段は、全体として、各々のプリコード化したプログラムの少なくとも2つのビット・レート・リプリゼンテーションをコード化するマルチレートビデオ・エンコーダを有する、請求項に記載のシステム。Means for providing means and said control information to said generation as a whole, has a multi-rate video encoder for encoding at least two bit rates replicator presentation of each pre-coded program, according to claim 7 The system described in. 前記生成する手段および前記制御情報を提供する手段は、全体として、
各々のプリコード化したプログラムの少なくとも2つのビット・レート・リプリゼンテーションをコード化するマルチレートビデオ・エンコーダと、
各々のプリコード化されたプログラムについてビット・レート・プレゼンテーションをパケット化する役割をする複数のトランスポート・パケタイザと、
を有する、請求項に記載のシステム。
The means for generating and the means for providing the control information are as a whole:
A multi-rate video encoder that encodes at least two bit rate representations of each precoded program;
A plurality of transport packetizer which serves to packetize the bit rate representation for each of the pre-coded programs,
8. The system of claim 7 , comprising:
前記選択する手段は、統計的多重化装置を有する、請求項に記載のシステム。The system of claim 7 , wherein the means for selecting comprises a statistical multiplexer. 前記選択する手段は、
統計的多重化装置と、
選択するリプリゼンテーションをパケット化するトランスポート・パケタイザと、
を有する、請求項に記載のシステム。
The means for selecting is
A statistical multiplexer; and
A transport packetizer that packetizes the representation to be selected;
10. The system of claim 9 , comprising:
前記制御情報を提供する手段は、ピーク信号対雑音比(PSNR)に従って品質指標を設定する、請求項に記載のシステム。The system of claim 7 , wherein the means for providing control information sets a quality indicator according to a peak signal to noise ratio (PSNR). 前記選択する手段は、プログラムpの品質指標を最高にするために、各々のプログラムのリプリゼンテーションn[p]∈(0,N[P]−1)を選択する、請求項に記載のシステム。Said means for selecting, in order to maximize the quality indicator program p, selects each of the program replicator presentation n [p] ∈ of (0, N [P] -1 ), according to claim 7 System. 前記選択する手段は、
Figure 0004643988
(但し、q[p、x]はTの間のプログラムpのリプリゼンテーションxの品質指標である)を解くことにより、個々のプログラムの品質の合計が最大になるように各々のプログラムについてリプリゼンテーションを選択する、請求項に記載のシステム。
The means for selecting is
Figure 0004643988
(Where q [p, x] is the quality index of the representation x of the program p during T), so that the total quality of each program is maximized for each program. The system of claim 7 , wherein a presentation is selected.
前記選択する手段は、
Figure 0004643988
(但し、q[p、x]はTの間のプログラムpのリプリゼンテーションxの品質指標である)を解くことにより、個々のプログラムの品質の積が最大になるように各々のプログラムについてリプリゼンテーションを選択する、請求項10に記載のシステム。
The means for selecting is
Figure 0004643988
(Where q [p, x] is the quality index of the representation x of the program p during T), so that the program of each program is maximized so that the product of the quality of each program is maximized. The system of claim 10, wherein a presentation is selected.
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