DE4416967A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Transcodierung von Bitströmen mit Videodaten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Transcodierung von Bitströmen mit Videodaten

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    • H04N19/40—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using video transcoding, i.e. partial or full decoding of a coded input stream followed by re-encoding of the decoded output stream

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Transcodierung von Bitströmen, die Videodaten mit Bewegungsin­ formation enthalten.
Stand der Technik
Die Codierung oder Decodierung von Videodaten mit den zugehöri­ gen Audio- und/oder sonstigen Daten kann beispielsweise nach den Normen ISO/IEC 11172 (MPEG1) oder ISO/IEC 13818 (MPEG2) erfol­ gen. In manchen Fällen möchte man einen nach derartigen Normen codierten Bitstrom umsetzen in einen Bitstrom mit einer anderen Datenrate. Aus der Norm ISO/IEC 13818-2, Kapitel 7.8, "SNR scal­ ability", ist es bekannt, zu diesem Zweck einen Datenstrom mit zwei Layern zu generieren, wobei ein entsprechender Decoder ent­ weder nur einen Layer mit niedriger Auflösung oder beide Layer mit einer erhöhten Auflösung verarbeitet. Der zweite Layer ent­ hält dabei zusätzliche DCT-Koeffizienten zur Darstellung der er­ höhten räumlichen Auflösung.
Hierbei muß jedoch die Codierung bereits einen speziellen Layer erzeugen und es ergibt sich ein zu decodierender Bitstrom mit nur zwei möglichen, fest vorgegebenen Datenraten bzw. Auflösun­ gen.
Um auch andere Datenraten zu ermöglichen, sollte bei der Transcodierung des digitalen Video-Bitstroms eine Bearbeitung des primären Bitstroms derart erfolgen, daß eine niedrigere Da­ tenrate des sekundären Bitstroms bei gleichzeitig hoher Bildqua­ lität möglich ist. Die beste Bildqualität wird durch eine Deco­ dierung des Primär-Bitstroms und anschließende Encodierung in einen Sekundär-Bitstrom erzielt. Hierzu wird jedoch eine umfangreiche Hardware benötigt.
Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Transcodierung von Bitströmen mit Video- einschließlich Bewe­ gungs-Information anzugeben, bei dem die Ausgangs-Datenrate bzw. -Auflösung in weiten Grenzen variiert werden kann und bei dem nur ein reduziertes Maß an Hardware erforderlich ist. Diese Auf­ gabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung für das erfindungsgemäße Verfahren anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 5 angegebene Vorrichtung gelöst.
Datenreduzierende Codierungsverfahren für Videosignale verwenden oft eine Bewegungs-Prädiktion in Verbindung mit einer entspre­ chenden Bewegungs-Interpolation. Dazu werden Bewegungsvektoren für Bildpunkt-Blöcke bzw. aus jeweils mehreren Bildpunktblöcken bestehende Macro-Blöcke ermittelt. Je nach Typ (z. B. frame, field, I, P, B) dieser Blöcke bzw. Videodaten sind zahlreiche Prädiktions-Modi möglich. Zum Erreichen einer optimalen Codie­ rung werden alle diese Modi berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Wiederverwendung von bewegungskompensierenden Prädiktionsvektoren des Primär-Bit­ stroms im Sekundär-Bitstrom. Da der Informationsgehalt der Bewe­ gungsvektoren aus dem Primär-Bitstrom auch im Sekundär-Bitstrom seine Gültigkeit behält, ist es nicht nötig, Bewegungsvektoren zur Transcodierung neu zu errechnen. Statt dessen erfolgt eine Encodierung des Sekundär-Bitstroms mit Hilfe der Bewegungsvekto­ ren aus dem Primär-Bitstrom.
Dabei wird die Encodierung des Sekundär-Bitstroms in einem ein­ geschränkten Prädiktions-Mode durchgeführt, d. h. es sind im Se­ kundär-Bitstrom nur Prädiktionsmodi zugelassen, die durch den jeweiligen Block-Typ bzw. die Bewegungsinformation des Primär- Bitstroms beschrieben sind. Die Nachverarbeitung des aufgrund der geänderten Datenrate ebenfalls geänderten Prädiktionsfeh­ lers, z. B. die Quantisierung, wird adaptiv an die gewünschte Zieldatenrate angepaßt. Damit kann eine niedrigere Datenrate auch tatsächlich sichergestellt werden.
Vorteilhaft wird durch die Erfindung auch die Verzögerung des Gesamtsignals durch die erforderliche Verarbeitungszeit für die Bitstrom-Transcodierung verringert gegenüber einer vollständigen Decodierung/Encodierung.
Die Videosignale können Luminanz- und/oder Chrominanz-Signale umfassen.
Im Prinzip besteht daß erfindungsgemäße Verfahren zur Transco­ dierung eines Bitstroms mit Videodaten, denen Bewegungsinforma­ tion und Videodatentyp-Information zugeordnet sind, von einer ersten Datenrate in eine zweite Datenrate, darin, daß die ankom­ menden, der ersten Datenrate entsprechenden Videodaten mit Hilfe der daraus gewonnenen Bewegungsinformation und Videodatentyp-In­ formation zumindest teilweise decodiert und unter Verwendung der gleichen Bewegungsinformation und Videodatentyp-Information in die der zweiten Datenrate entsprechenden Videodaten encodiert werden, wobei für die Encodierung eine Bewegungs-Prädiktion und -Interpolation verwendet wird, bei der die Anzahl der möglichen Prädiktions-Modi beschränkt ist auf die für den jeweiligen Vi­ deodaten-Typ erlaubten Prädiktions-Modi.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den zugehörigen abhängigen Ansprüchen.
Im Prinzip ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Transcodie­ rung eines Bitstroms mit Videodaten, denen Bewegungsinformation und Videodatentyp-Information zugeordnet sind, von einer ersten Datenrate in eine zweite Datenrate, versehen mit:
  • - Zwischenspeichermitteln und Analysemitteln, die aus den Vi­ deodaten die Bewegungs- und Videodatentyp-Information gewin­ nen;
  • - nachfolgenden, der ersten Datenrate zugeordneten Videodaten- Decodierungs-Mitteln, die von der Bewegungs- und Videoda­ tentyp-Information gesteuerte Bewegungsprädiktions- und Bewe­ gungsinterpolations-Mittel enthalten;
  • - nachfolgenden, der zweiten Datenrate zugeordneten Videodaten- Encodierungs-Mitteln, die von der gleichen Bewegungs- und Vi­ deodatentyp-Information gesteuerte Bewegungsprädiktions- und Bewegungsinterpolations-Mittel enthalten, in denen die Anzahl der möglichen Prädiktions-Modi beschränkt ist auf die für den jeweiligen Videodaten-Typ erlaubten Prädiktions-Modi.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den zugehörigen abhängigen Ansprüchen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung sind Ausführungs-Beispiele der Erfindung beschrieben. Diese zeigt in:
Fig. 1 erfindungsgemäßer Transcoder.
Ausführungs-Beispiele
Der Transcoder in Fig. 1 erhält einen Primär-Bitstrom PBS mit einer ersten Datenrate und gibt einen Sekundär-Bitstrom SBS mit einer zweiten, vorzugsweise niedrigeren Datenrate ab. Der Bit­ strom PBS wird in eine Demultiplexer DMX separiert in System-Da­ ten SYD, Audio-Daten AUD und Video-Daten VID. Der inverse Vor­ gang findet am Ausgang in einem Multiplexer MX statt. SYD und/oder AUD können bei Bedarf in einem entsprechenden Systemda­ ten-Prozessor SDP bzw. einem Audiodaten-Prozessor ADP ebenfalls an die zweite Datenrate angepaßt werden. Der Primär-Bitstrom PBS wird teilweise decodiert und anschließend wieder encodiert. Die Videodaten VID werden zur teilweisen Decodierung einer Puf­ fer- und Analyseschaltung BUPAR zugeführt, die Bewegungsinforma­ tion - z. B. Bewegungsvektoren - und Blocktyp-Informationen MV und Quantisierungs-Parameter QPD separiert und die zwi­ schengespeicherten Videodaten über einen Variable Length-Decoder VLD, einen inversen und von QPD gesteuerten Quantisierer QD-1, eine inversen DCT-Transformatorschaltung DCTD-1, einen Addierer AD und über Vollbild-Speichermittel FRMD an den Encoder-Teil des Transcoders weiterleitet.
Mit einem Bewegungsprädiktor und -Interpolator MCPID werden die in FRMD gespeicherten Bildsignale abgegriffen und im Fall von interframe- oder interfield-codierten Bildpunktblöcken/-macro­ blöcken in Addierer AD zu den dort ankommenden Bilddaten addiert. Am Ausgang von AD steht das decodierte Eingangs- Videosignal IDV zur Verfügung. Der Bewegungsprädiktor und -In­ terpolator MCPID wird von der Bewegungs- und Blocktyp-Informa­ tion MV gesteuert.
Das Eingangssignal des Encoderteils wird über einen Subtrahierer S, eine DCT-Transformatorschaltung DCT, einen Quantisierer Q, einen Variable Length-Coder VLC und eine Puffer- und Paketbil­ dungs-Schaltung BUPAC dem Multiplexer MX zugeführt, zusammen mit den Ausgangssignalen von SDP und ADP. Die Schaltung BUPAC steu­ ert den Quantisierer Q und fügt die Bewegungs- und Blocktyp-In­ formation MV in den Video-Bitstrom ein.
Das Ausgangssignal des Quantisierers Q läuft über einen inversen Quantisierer QE-1 eine inverse DCT-Transformatorschaltung DCTE-1, einen Addierer AE, Vollbild-Speichermittel FRME und einen Bewegungsprädiktor und -Interpolator MCPIE zum invertierenden Eingang von Subtrahierer S. Das Ausgangssignal von MCPIE wird zusätzlich dem zweiten Eingang von Addierer AE zugeführt. Auch der Bewegungsprädiktor und -Interpolator MCPIE wird von der Be­ wegungs- und Blocktyp-Information MV gesteuert. Die bei ei­ ner vollständigen Encodierung eigentlich erforderliche Bewe­ gungsschätzungs-Hardware entfällt. Am Ausgang von AE steht das decodierte Ausgangs-Videosignal ODV zur Verfügung.
Erfindungsgemäß werden bei der Bewegungs-Prädiktion in MCPIE nur Prädiktionsmodi zugelassen, die durch den jeweiligen Block-Typ bzw. die Bewegungsinformation MV des Primär-Bitstroms be­ schrieben sind. Der aufgrund der geänderten Datenrate prinzipi­ ell geänderte Prädiktionsfehler wird durch eine entsprechend ge­ änderte Quantisierungscharakteristik in Q und QE-1 an die ge­ wünschte Zieldatenrate angepaßt.
Wenn die MPEG2-Codierung verwendet wurde gelten z. B. folgende Beziehungen zwischen MV und Prädiktions-Modus (zur Defini­ tion von P-, I- und B-Bildern siehe ISO/IEC 13818-2, Kapitel I.4.1.1 und 6.1.2.4.; zur Definition von Bildarten bzw. Blockty­ pen und Prädiktions-Modi siehe ISO/IEC 13818-2, Kapitel 7.6):
  • - field picture:
    frame-Prädiktion nicht erlaubt;
  • - frame picture:
    16*8-Prädiktion nicht erlaubt;
  • - I-Bilder und B-Bilder:
    dual prime-Prädiktion nicht erlaubt;
  • - P-Bilder, skipped macroblocks:
    keine Prädiktion (Bewegungsvektor wird zu 0 gesetzt)
  • - B-Bilder, skipped macroblocks:
    Prädiktion bleibt unverändert (entsprechende vorhandene Bewe­ gungsvektoren werden weiterverwendet).
Der Decoderteil kann z. B. ähnlich wie in Martin Bolton, "Chip, Chip hurra", Funkschau 24/1993, S. 76-81, aufgebaut werden unter Verwendung des MPEG-Decoder-Chips STi324a und des DCT-Prozessors STV3208, beide von SGS-Thomson. Als Decoder-Chip kann auch der MPEG/H. 261-Decoder STi3400 oder der MPEG2/CCIR601-Video-Decoder STi3500 verwendet werden.
Für den Encoder-Teil können die MPEG/H.261-Encoder STi3230 oder STi3400 zum Einsatz kommen.
Die Erfindung kann beispielsweise angewendet werden in digitalen Bildwiedergabe-Geräten oder Bildaufzeichnungs-Geräten, in Bild­ telefon-Systemen, in Fernseh-Studios, in Fernsehsignal-Zufüh­ rungssystemen, für die Verteilung in Kabelnetzen oder für Satel­ liten-Übertragungssysteme.

Claims (9)

1. Verfahren zur Transcodierung eines Bitstroms (PBS) mit Video­ daten (VID), denen Bewegungsinformation und Videodatentyp-In­ formation (MV®BT) zugeordnet sind, von einer ersten Daten­ rate in eine zweite Datenrate, dadurch gekennzeichnet, daß die ankommenden, der ersten Datenrate entsprechenden Videoda­ ten (VID) mit Hilfe der daraus gewonnenen (BUPAR) Bewegungs­ information und Videodatentyp-Information (MV) zumindest teilweise decodiert (VLD, QD-1, DCTD-1, AD, FRMD, MCPID) und unter Verwendung der gleichen Bewegungsinformation und Video­ datentyp-Information in die der zweiten Datenrate entspre­ chenden Videodaten encodiert (S, DCT, Q, VLC, QE-1, DCTE-1, AE, FRME) werden, wobei für die Encodierung eine Bewegungs- Prädiktion und -Interpolation (MCPIE) verwendet wird, bei der die Anzahl der möglichen Prädiktions-Modi beschränkt ist auf die für den jeweiligen Videodaten-Typ (MV) erlaubten Prädiktions-Modi.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ankommenden (VID) und die generierten Videodaten auf codier­ ten Bildpunkt-Blöcken basieren, denen die entsprechende Bewe­ gungs- und Videodatentyp-Information (MV) zugeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest die Codierung der ankommenden Videodaten (VID) der Norm ISO/IEC 11172 oder ISO/IEC 13818 entspricht, wobei mehrere solcher Bildpunkt-Blöcke jeweils einen Macroblock bilden, dem die entsprechende Bewegungs- und Videodatentyp-Information (MV) zugeordnet ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der zu transcodierende Bitstrom (PBS) ebenfalls Audio- (AUD) und/oder Systemdaten (SYD) ent­ hält, die ebenfalls an die zweite Datenrate angepaßt werden.
5. Vorrichtung für ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, zur Transcodierung eines Bitstroms (PBS) mit Videodaten (VID), denen Bewegungsinformation und Videoda­ tentyp-Information (MV) zugeordnet sind, von einer ersten Datenrate in eine zweite Datenrate, versehen mit:
  • - Zwischenspeichermitteln und Analysemitteln (BUPAR), die aus den Videodaten die Bewegungs- und Videodatentyp-Information (MV®BT) gewinnen;
  • - nachfolgenden, der ersten Datenrate zugeordneten Videodaten- Decodierungs-Mitteln (VLD, QD-1, DCTD-1, AD, FRMD), die von der Bewegungs- und Videodatentyp-Information gesteuerte Bewe­ gungsprädiktions- und Bewegungsinterpolations-Mittel (MCPID) enthalten;
  • - nachfolgenden, der zweiten Datenrate zugeordneten Videodaten- Encodierungs-Mitteln (S, DCT, Q, VLC, QE-1, DCTE-1, AE, FRME), die von der gleichen Bewegungs- und Videodatentyp-Infor­ mation gesteuerte Bewegungsprädiktions- und Bewegungsinterpo­ lations-Mittel (MCPIE) enthalten, in denen die Anzahl der möglichen Prädiktions-Modi beschränkt ist auf die für den je­ weiligen Videodaten-Typ (MV) erlaubten Prädiktions-Modi.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Encodierung nachfolgende Zwischenspeichermittel und Ein­ fügungsmittel (BUPAC) angeordnet sind, die zu den encodierten Videodaten die Bewegungs- und Videodatentyp-Information (MV) hinzufügen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Videodaten-Decodierungs-Mittel Mittel (DCTD-1) zur inversen DCT-Transformation und daß die Videodaten-Encodie­ rungs-Mittel Mittel (DCT) zur DCT-Transformation und Mittel (DCTE-1) zur inversen DCT-Transformation enthalten.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Videodaten (VID) aus dem an­ kommenden Bitstrom (PBS) durch Demultiplexer-Mittel (DMX) zu­ sammen mit Audio- (AUD) und/oder Systemdaten (SYD) gewonnen werden und nach der Encodierung in Multiplexer-Mitteln (MX) zu dem abgehenden Datenstrom zusammengefügt werden, wobei die Audio- und/oder Systemdaten ebenfalls von der ersten an die zweite Datenrate angepaßt (ADP, SDP) werden.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 5 bis 8 in digitalen Bildwiedergabe-Geräten, digita­ len Bildaufzeichnungs-Geräten, Bildtelefon-Systemen, Fernseh- Studios, Fernsehsignal-Zuführungssystemen, für die Verteilung in Kabelnetzen oder für Satelliten-Übertragungssysteme.
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