DE4228220A1 - Vorrichtung zur hierarchischen unterteilung von videosignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Aufteilung komprimier­ ter Videodaten zwischen zwei Datenströmen.

Digitale hochauflösende Videodaten lassen sich erfolgreich über terrestrische Fernsehkanäle übertragen, indem man komprimierte Videodaten erzeugt und diese in Informationen hoher und geringer Priorität aufteilt und eine Quadratur­ amplitudenmodulation dieser Daten hoher bzw. niedriger Priorität auf getrennte Träger vornimmt. Die modulierten Träger werden in ein Frequenzspektrum von 6 MHz gelegt, und dann wird das kombinierte Signal so übertragen, daß es ein übliches Funkkanalspektrum einnimmt. Die Daten hoher Priori­ tät werden mit relativ starker und die Daten niedriger Priorität mit relativ geringer Leistung übertragen. Hohe Priorität haben diejenigen Videodaten, die zur Reproduzierung eines Bildes ausreichen, wenn auch mit geringerer Qualität als bei einem hochauflösenden Bild.

Die hier beschriebene Erfindung richtet sich auf eine Schal­ tung zur Trennung komprimierter Videodaten in solche relativ hoher und geringer Priorität. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die Videodaten in ein MPEG-ähnliches Format komprimiert sind (obgleich auch irgendein anderes Format ge­ eignet ist, welches hierarchisch geschichtet ist). Unter "MPEG-ähnlich" ist ein Codierformat zu verstehen, welches dem von der International Organization for Standardization nor­ mierten Codierformat ähnlich ist. Diese Norm ist in dem Dokument "International Organization for Standardization", ISO-IEC JT(1/SC2/WG1), Coding of Moving Pictures and Associated Audio, MPEG 90/176 Rev. 2, vom 18. Dezember 1990 beschrieben, worauf hiermit für die Erläuterung des generel­ len Codeformats Bezug genommen sei.

Bei der MPEG-Norm werden 240 Zeilen (NTSC) pro Vollbild ohne Zeilensprung übertragen, was üblicherweise bewirkt wird durch Codierung nur der ungeraden oder geraden Halbbilder einer Zeilensprung-Videosignalquelle. Für die Übertragung von HDTV- Signalen wird dieser Standard so modifiziert, daß z. B. 480 Zeilen pro Halbbild vorgesehen werden, und es werden so­ wohl die ungeraden wie auch die geraden Halbbilder übertragen. Zusätzlich wird die Anzahl von Bildelementen pro Zeile auf beispielsweise 1440 erhöht. Von der Konzeption her beeinflus­ sen diese Änderungen nur die Datenrate, nicht aber das Kompressionsprinzip. Von besonderem Interesse hinsichtlich dieses Codierformates ist, daß aufeinanderfolgende Vollbilder nach einer zyklischen Folge codiert werden, wobei bestimmte Vollbilder der Folge "intraframe-codiert" werden (I-Voll­ bilder) und andere Vollbilder (P-Vollbilder) vorwärts inter­ frame-codiert werden und schließlich noch andere Vollbilder (B-Vollbilder) sowohl vorwärts als auch rückwärts interframe­ codiert werden. Das codierte Signalformat für die Vollbilder bei jeder der Codierarten ist ähnlich, jedoch gilt für die relative Bedeutung der codierten Vollbildtypen für die Bild­ wiedergabe die Reihenfolge I, P, B. Man kann Bilder aus ein­ zelnen I-Vollbildern reproduzieren, jedoch wird für die Bild­ wiedergabe von P- oder B-Vollbildern Information benötigt, die aus zuvor decodierten I- oder P-Vollbildern abgeleitet ist.

Die Datenbitmenge für jeweils codierte Vollbilder variiert stark. Zusätzlich kann der Prozentsatz von Information, der normalerweise als Daten geringer Priorität in entsprechenden Vollbildern angesehen wird, stark variieren. Die Zuteilung von Daten auf Kanäle hoher und geringer Priorität ist als solche schon keine einfache Sache einer simplen Zerlegung eines bestimmten Prozentsatzes K der Daten jedes Vollbildes in einen Kanal hoher Priorität und des verbleibenden Prozent­ satzes (100-K) in einen Kanal geringer Priorität. Diese Zer­ legung wird aber noch komplizierter, wenn die relative Be­ deutung der codierten Rahmentypen in den Prioritätsbestim­ mungsprozeß eingeht.

Die Erfindung ist nun auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Prozentsatzes oder Bruchteils von Daten aus jeweils codier­ ten Vollbildern von Videoinformation gerichtet, welche Kanä­ len hoher bzw. geringer Priorität zuzuordnen sind. Dieser Bruchteil wird für jedes Vollbild unabhängig bestimmt. Die Kanäle hoher und geringer Priorität enthalten Ratenpuffer. Der Bruchteil wird aufgrund der Ratenpufferkapazität bestimmt. Komprimierte Videodaten aus intraframe-codierten Vollbildern werden dem Ratenpuffer für höhere Priorität zugeteilt, um diesen möglichst zu füllen. Komprimierte Videodaten für die verbleibenden interframe-codierten Vollbilder jeweiliger Voll­ bildgruppen werden dem Ratenpuffer für die höhere Priorität in solcher Menge zugeteilt, daß er im wesentlichen sucht, sich über die Vollbildgruppen zu leeren.

In den beiliegenden Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Videosignal-Kompressionssystems nach der Erfindung;

Fig. 2 eine bildliche Darstellung der von der Kompressions­ schaltung nach Fig. 1 gebildeten Datenschichten;

Fig. 3 eine verallgemeinerte bildliche Darstellung des Daten­ formates, welches die Kompressionsschaltung nach Fig. 1 liefert;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Schaltung, welche für die Prioritätsselektionsschaltung nach Fig. 1 realisiert werden kann;

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung der Datenaufteilungspunkte; und

Fig. 6 ein Flußdiagramm für das Verfahren zur Bestimmung des Bruchteils der Daten entsprechender Vollbilder, welche den Kanälen hoher bzw. geringer Priorität zuzuteilen sind.

Fig. 1 veranschaulicht in Blockform ein Videosignal-Kompres­ sionssystem, welches zur Übertragung von hochauflösenden Fernsehsignalen (HDTV-Signalen) verwendet werden kann. Bei diesem System wird das Videosignal anfänglich entsprechend einem MPEG-ähnlichen Format komprimiert. Danach werden die MPEG-ähnlichen Signalcodeworte in zwei Bitströme aufgeteilt entsprechend der relativen Bedeutung der jeweiligen Codewort­ typen. Die beiden Bitströme werden unabhängig verarbeitet, wobei Fehlerkorrekturzusatzbits (Overhead-Bits) zugesetzt erden, und dann werden sie auf entsprechende Träger quadra­ turamplitudenmoduliert, und die modulierten Träger werden für die Übertragung miteinander kombiniert. Die Bitströme relativ größerer und niedrigerer Bedeutung werden Kanälen hoher Priorität (HP) und geringer Priorität (LP) entsprechend zuge­ ordnet. Der Kanal hoher Priorität wird mit näherungsweise der doppelten Leistung wie der Kanal niedrigerer Priorität über­ tragen. Das Informationsverhältnis hoher Priorität zu niedri­ ger Priorität beträgt etwa 1:4. Die etwaigen Nettodatenraten nach der Vorwärtsfehlerkorrektur betragen 4,5 Mbps für die höhere Priorität und 18 Mbps für die niedrigere Priorität.

Nach Fig. 1 werden Videosignale von einer Quelle 10, die bei­ spielsweise eine HDTV-Kamera sein kann, einer Kompressions­ schaltung 12 zugeführt. Diese komprimiert die Videosignale entsprechend zyklischen Codierfolgen, die als Vollbildgrup­ pen GOF (siehe Fig. 2) bezeichnet sind. Die Codierfolge einer Vollbildgruppe GOF enthält ein erstes Vollbild (I), welches intraframe-codiert ist, dem eine Mehrzahl von B-Vollbildern (bidirektional interframe-codiert) folgt, welche regelmäßig zwischen P-Vollbilder (vorwärts interframe-codiert) eingefügt sind. Die codierten Daten für die P-codierten Vollbilder um­ fassen komprimierte Differenzen zwischen dem aktuellen Video­ vollbild und einem Vollbild, das aus den zu allerletzt auf­ getretenen I- und P-Vollbildern "vorhergesagt" ist. Die codierten Daten für die B-Vollbilder umfassen komprimierte Differenzen zwischen dem aktuellen Vollbild und dem besseren von zwei vorhergesagten Vollbildern, die aus den I- und P- Vollbildern vorhergesagt worden sind, zwischen denen das be­ treffende B-Vollbild sitzt. Die codierten Daten für alle Voll­ bilder werden in Scheiben segmentiert, welche beispielsweise die codierten Daten für Horizontalabschnitte entsprechender Bilder enthalten, wobei jeder Abschnitt ein Mehrfaches von 16 Bildelementen hoch ist. Die Scheiben werden in Makro­ blocks segmentiert, von denen jeder sechs Blocks umfaßt, die jeweils vier Leuchtdichteblocks, einen U-Farbblock und einen V-Farbblock enthalten. Ein Block repräsentiert eine Matrix Ton Bildelementen, beispielsweise 8·8, über welche bei­ spielsweise eine diskrete Cosinustransformation (DCT) ausge­ führt wird. Die vier Leuchtdichteblocks sind eine 2·2 Matrix benachbarter Leuchtdichteblocks, die beispielsweise eine Matrix von 16·16 Bildelementen darstellen. Die Farb­ blocks U und V repräsentieren denselben Gesamtbereich wie die vier Leuchtdichteblocks. Das bedeutet, daß das Farbsignal vor der Kompression mit einem Faktor 2 horizontal und verti­ kal relativ zum Leuchtdichtesignal unterabgetastet wird.

Das vom Kompressor 12 gelieferte codierte Ausgangssignal liegt allgemein in dem geschichteten Format vor, wie es Fig. 3 veranschaulicht. Die oberste Schicht besteht aus Vollbild­ gruppen (GOF), welche durch die Reihe von Kästchen L1 veran­ schaulicht ist. Jede Vollbildgruppe GOF (L2) hat einen Kopf, dem Segmente von Bilddaten folgen. Der GOF-Kopf kann Daten enthalten, welche sich auf die horizontale und vertikale Bildgröße, das Seitenverhältnis, die Halbbild/Vollbildrate, die Bitrate etc. beziehen.

Die Bilddaten (L3), die jeweiligen Vollbildern entsprechen, enthalten einen Kopf, dem Scheibendaten (L4) folgen. Der Bildkopf kann eine Vollbildnummer und eine Bildcodiertype enthalten. Jede Scheibe (L4) enthält einen Kopf, dem eine Mehrzahl von Datenblocks MBi folgen. Der Scheibenkopf kann eine Gruppennummer und einen Quantisierungsparameter enthal­ ten.

Jeder Block MBi (L5) repräsentiert einen Makroblock und ent­ hält einen Kopf, dem Bewegungsvektoren und Transformations­ koeffizienten folgen (beispielsweise diskrete Cosinustrans­ formationskoeffizienten). Der MBi-Kopf kann eine Makroblock­ adresse, einen Makroblocktyp und einen Quantisierungspara­ meter enthalten. Die Transformationskoeffizienten sind in der Schicht L6 veranschaulicht. Die Blockkoeffizienten werden zeitlich blockweise geliefert, wobei dem zuerst auftretenden DCT, DC-Koeffizient jeweils DCT AC-Koeffizienten in der Reihen­ folge ihrer relativen Bedeutung folgen. Am Ende jedes auf­ einanderfolgend auftretenden Datenblockes ist ein Endblock­ code EOB angehängt.

Daten vom Kompressor 12 werden einem Prioritätsprozessor 14 zugeführt, welcher die Daten auf die Kanäle hoher Priorität (HP-Kanal) bzw. geringer Priorität (LP-Kanal) aufteilt. Die prioritätsbestimmten Daten werden jeweiligen HP- und LP- Ratenpuffern 15A bzw. 15B zugeführt.

Wie bekannt ist, treten komprimierte Videodaten mit variablen Raten auf, und es ist erwünscht, Daten mit einer konstanten Rate zu übertragen, die äquivalent zur Kanalkapazität ist, um den Kanal effizient zu nutzen. Die Ratenpuffer 15A und 15B handeln die Variable in eine konstante Datenratenübertragung um. Es ist ebenfalls bekannt, die vom Kompressor 12 geliefer­ te Datenmenge entsprechend dem Besetzungsgrad der Puffer ein­ zustellen. Daher enthalten die Puffer 15A und 15B eine Schal­ tung zur Anzeige ihres jeweiligen Besetzungsgrades. Diese An­ zeigen gelangen zur Steuerschaltung 18 zur Einstellung der vom Kompressor 12 gelieferten mittleren Datenrate.

Die gemäß Fig. 3 hierarchisch formatierten komprimierten Videodaten werden einer Prioritätsauswahlschaltung 14 zuge­ führt, welches die codierten Daten auf einen Hochprioritäts­ kanal HP und einen Niedrigprioritätskanal LP aufteilt. All­ gemein gesagt ist die Information hoher Priorität diejenige, deren Verlust oder Verschlechterung die stärkste Beeinträch­ tigung der Wiedergabebilder zur Folge haben würde. Umgekehrt ausgedrückt sind es die Mindestdaten, die zum Aufbau eines, wenn auch nicht perfekten Bildes, notwendig sind. Die rest­ liche Information ist diejenige niedriger Priorität. Die Information hoher Priorität enthält im wesentlichen die ge­ samte Kopfinformation, die in den verschiedenen Hierarchie­ pegeln enthalten ist, sowie den Gleichstromkoeffizienten und einem Teil der Wechselstromkoeffizienten der jeweiligen Blocks (Pegel 6 in Fig. 3).

Bei der Schaltung 16 können die Signale auf ein Übertragungs­ modern gekoppelt werden, in welchem die Daten des HP-Kanales einen ersten Träger und die Daten des LP-Kanales einen zweiten gegenüber dem ersten um etwa 2,88 MHz versetzten Träger jeweils quadraturamplitudenmoduliert werden. Die 6 dB Bandbreite der modulierten ersten und zweiten Träger liegt jeweils bei etwa 0,96 MHz und 3,84 MHz. Der modulierte erste Träger wird mit etwa um 9 dB größerer Leistung übertragen als der modulierte zweite Träger. Da die HP-Information mit grö­ ßerer Leistung übertragen wird, neigt sie weniger zu Ver­ schlechterung durch den Übertragungskanal. Der HP-Träger liegt in dem Teil des Frequenzspektrums eines beispielsweise NTSC-Fernsehübertragungskanals, der normalerweise von dem Restseitenband eines normgemäßen NTSC-Fernsehsignals einge­ nommen wird. Der LP-Träger liegt so, daß das Spektrum der LP-Daten den Teil eines NTSC-Kanals einnimmt, den normaler­ weise das obere Seitenband der Leuchtdichteinformation eines Norm-NTSC-Fernsehsignals einnimmt.

Die komprimierten Daten, welche übertragen werden, können statistisch codiert sein. Die statistische Codierung kann im Kompressor 12 durchgeführt werden oder in oder nach der Prioritätseinteilung der Daten. Unabhängig davon, wo die statistische Codierung vorgenommen wird, sei zum Zwecke die­ ser Beschreibung angenommen, daß der Kompressor 12 nicht nur die komprimierten Codeworte liefert, sondern auch Daten be­ zuglich des Typs und der Länge jedes Codeworts. Falls die Codeworte nach der Prioritätseinteilung statistisch codiert werden, entspricht die Länge der Länge der statistisch codier­ ten Codeworte. Es sei auch angenommen, daß der Kompressor 12 einen Ausgangsspeicher zur Speicherung jedes Vollbildes komprimierter Daten sowie der zugehörigen Codewortlängen und -typen enthält, so daß für jedes neue Vollbild, welches der Prioritätsauswahlschaltung 14 zugeführt wird, die Gesamt­ anzahl von Bits, Nbits, der in einem solchen Vollbild ent­ haltenen Codewörter verfügbar ist. Diese Anzahl läßt sich er­ halten durch einfaches Akkumulieren der der Codewortlänge entsprechenden Daten, wenn die jeweiligen Codeworte erzeugt werden.

Die komprimierten Daten treten als Mehrzahl von Codewort­ typen einschließlich beispielsweise der Kopfdaten, der Be­ wegungsvektoren, der Gleichstrom- und der Wechselstromkoeffi­ zienten auf. Die relative Bedeutung jedes Codeworttyps für die Bildwiedergabe ist subjektiv und damit eine Frage der Systemauslegung. Jedoch wird allgemein anerkannt, daß Wech­ selstromkomponenten, welche höhere Frequenzinformation dar­ stellen, von geringerer Bedeutung sind. Ein Beispiel für eine Codeworttyp-Hierarchie kann folgendermaßen klassifizieren: GOF-Kopfcodewörter (-4), Bildkopf- und Scheibenkopf-Code­ wörter (-3), Makroblockkopf-Codewörter (-2), Bewegungsvekto­ ren (-1), Gleichstromkoeffizienten (0) und Wechselstrom­ koeffizienten (1) bis (64) etc. Bei der Prioritätseinteilung werden die niedriger numerierten Klassen auf den HP-Kanal gegeben und die höher numerierten Klassen auf den LP-Kanal entsprechend einem dynamischen Datenaufteilungsparameter, der mit Hfrac bezeichnet wird.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes zur Durch­ führung desjenigen Teils des Prioritätsauswahlverfahrens, bei welchem die Daten auf zwei Kanäle aufgeteilt werden. Die komprimierten Daten vom Kompressor 12 (d. h. vom Kompressor­ ausgangsspeicher) werden entsprechenden Eingängen zweier Pufferspeicher 150A und 150B und einem Datenanalysator 152 zugeführt. Die jeweiligen Puffer haben genügend Speicherplatz, um beispielsweise eine Scheibe von Daten zu speichern. Die Puffer 150A und 150B arbeiten im sogenannten "Ping-Pong"- Betrieb, wobei sie abwechselnd Datenscheiben einschreiben bzw. auslesen. Wenn also der Puffer 150A Daten von beispiels­ weise der Scheibe n einschreibt, dann werden aus dem Puffer 150B Daten von der Scheibe n-1 ausgelesen.

Wenn Daten in einen bestimmten Puffer eingeschrieben werden, dann erzeugt der Analysator 152 in Abhängigkeit von den Code­ worttypendaten Codewortklassifikationsnummern CW#i für ent­ sprechende Codeworte und speichert die Nummern CW#i in Zu­ ordnung zu den jeweiligen Codeworten. Der Analysator berech­ net auch den Punkt oder das Codewort, bei welchem die Daten zwischen dem HP- und dem LP-Kanal aufgeteilt werden sollten. Die Berechnung wird bestimmt für die Menge der im Puffer 150A (150B) gespeicherten Daten. Die Gesamtanzahl von Bits wird für alle Codewörter im Puffer 150A (150B) gezählt. Dann wird die Codewortklasse, für welche die Bitsumme gleich dem HP-Prozentsatz ist, durch eine Codewortnummer CW#j identifi­ ziert. Diese Nummer wird einem Schalterelement 153A (153B) zugeführt und für die Steuerung des Multiplexers 155A (155B) benutzt. Nach der Identifizierung der Codewortnummer CW#j werden die Codewörter, die Codelängendaten, die Codeworttypen­ daten und die Codewortnummern CW#i parallel aus dem Speicher 150A (150B) ausgelesen. Die Codewörter, die Codelängen und Codetypen werden auf den Eingang des Multiplexers 155A (155B) gegeben, und die Codewortnummern werden einem Eingang des Schalterelementes 153A (153B) zugeführt. Wenn die Daten aus dem Speicher ausgelesen werden, vergleicht das Schalter­ element 153A (153B) die Codewortklassifizierungsnummern CW#i mit der berechneten Nummer CW#j. Für alle Codewortklassifi­ zierungsnummern, die kleiner oder gleich CW#j sind, liefert das Schalterelement ein Steuersignal, welches den Multiplexer 155A (155B) so konditioniert, daß die entsprechenden Daten zum HP-Kanal über einen weiteren Multiplexer 156 durchgelas­ sen werden. Für Codewortklassifizierungsnummern, die größer CW#j sind, wird der Multiplexer 155A (155B) so konditioniert, daß die entsprechenden Daten über den Multiplexer 156 zum LP-Kanal gelangen. Der Multiplexer 156 wird so konditioniert, daß er die Daten HP und LP weiterleitet, die von dem Puffer 150A (150B), der gerade ausgelesen wird, geliefert werden.

Der Analysator 152 enthält einen Akkumulator, der bei Zufüh­ rung der Codelängen- und -typensignale unabhängig die Anzah­ len von Bit der Codewörter jeder Codetype summiert, die in den Speicher 150A (150B) eingegeben worden sind. Diese Summen werden addiert zu einer Gesamtzahl von im Puffer enthaltenen Codewortbits (oder statistisch codierten Codewortbits ent­ sprechend den im Puffer enthaltenen Codewörtern). Die Gesamt­ summe wird mit Hfrac multipliziert zu einer Prüfsumme. Danach werden die jeweiligen Codetypensummen sequentiell in auf­ steigender Ordnung der Codewortklassifizierungsnummer CW#i addiert, wobei sich Partialsummen ergeben. Jede Partialsumme wird mit der Prüfsumme verglichen, bis die Partialsumme die Prüfsumme übersteigt. Die Codewortklassifizierungsnummer CW#j, die zur unmittelbar vorangehenden Partialsumme gehört, ist die letzte Codewortklasse innerhalb eines Blockes, wel­ cher dem HP-Kanal zuzuordnen ist. Alle nachfolgenden Klassen von Codewörtern, also CW#j+1 bis CW#n, für entsprechende Blocks werden dem LP-Kanal zugeordnet. Man kann also sehen, daß dasjenige, welches als Information hoher Priorität ange­ sehen wird, tatsächlich zwischen Analyseperioden variiert, wenn Daten hoher Priorität definiert werden durch die Daten, die dem HP-Kanal zugeführt werden.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm für die Funktion des Analysa­ tors 152. Zu Beginn jeder Datenscheibe stellt der Analysator die Zählwerte der jeweiligen Typen von Codeworten zurück (500). Dann, wenn die Daten in den jeweiligen Puffer einge­ schrieben sind, liest (502) der Analysator die Codeworttypen und die entsprechende Codewortlänge L und teilt in Abhängig­ keit von dem Codeworttyp eine Codewortklassifizierungsnummer CW#i zu. Der Analysator addiert (504) die Codewortlänge L zur Summe aller vorangegangenen Codewörter, denen dieselbe Code­ wortklassifizierungsnummer CW#i zugeteilt worden ist. Er prüft dann (506), um festzustellen, ob alle Daten für eine Scheibe berücksichtigt worden sind. Dies kann erfolgen durch Prüfen der Codeworttypen für den nächsten auftretenden Schei­ benkopf. Wenn das Ende der Scheibe noch nicht da ist, wird dies fortgesetzt (502). Ist es da, dann fährt der Analysator fort (508), den Trennungspunkt zwischen HP- und LP-Daten zu bestimmen. Dieser Prozeß wird eingeleitet, indem ein Partial­ summenwert auf Null gesetzt wird und dann begonnen wird, die Summen von Bits der jeweiligen Klassen von Codewörtern zu akkumulieren (510), welche den zugeordneten CW#i′s entspre­ chen. Das heißt, die Summe von Bits von CW#-4 wird addiert zur Bitsumme von CW#-3 zur Bildung einer ersten Partialsumme. Dann wird die Bitsumme von CW#-2 zu der ersten Partialsumme addiert zur Erzeugung einer weiteren Partialsumme usw. Jedes­ mal, wenn eine Partialsumme erzeugt ist, wird ein Vergleich durchgeführt (512) zwischen dem Verhältnis der momentanen Partialsumme zur Gesamtzahl von Bits in der Scheibe gegenüber Hfrac. Ist das Verhältnis kleiner, dann wird die Summe der Bits der Codeworte, welche der nächsthöheren Klassifikation CW#i entsprechen, zu der vorangehenden Partialsumme addiert (514, 510). Ist das Verhältnis größer, dann wird der Index i=j der letzten Klassifikationsnummer CW#i ausgegeben (518), d. h. also, es erscheint CW#i am Ausgang.

Das System führt dann jegliche erforderliche Override-Korrek­ turen durch. Beispielsweise kann die Analyseperiode nur GOF-, Bild- und Scheibenkopfdaten enthalten, welche allesamt dem HP-Kanal zugeordnet werden sollen. In diesem Fall muß das be­ rechnete CW#j eine Override-Korrektur erfahren, weil es von Haus aus einige Codewörter zum LP-Kanal schicken würde. Over­ ride-Korrekturen werden durchgeführt durch Überprüfung der Vollbildtypen und Prüfen des berechneten CW#j hinsichtlich einer Tabelle von Override-Werten (520). Der Test (516) für j=64 ist eingefügt um auszuschließen, daß das System in eine endlose Schleife gelangt, da in diesem Beispiel CW#i nicht größer als 64 werden kann.

Die Override-Befehle und der Wert Hfrac können dem Analysator 152 von der System-Steuerschaltung 18 über den Kontrollbus CB zugeführt werden. Alle notwendigen Zeitsteuersignale und Steuerbefehle für den Analysator können auch über diesen Steuerbus geliefert werden.

Da der Anteil dessen, was nominal als Daten hoher Priorität anzusehen wäre, von Vollbild zu Vollbild variiert, wird die Zuordnung eines konstanten Wertes zum Prozentsatz der dem HP- Kanal zuzuordnenden Daten problematisch, weil die jeweiligen HP- und LP-Kanäle nicht ausgelastet und/oder überlastet wer­ den könnten. Es ist daher notwendig, die Anteile dynamisch entsprechend den verarbeiteten Daten zu bestimmen. Diese Be­ stimmung wird vollbildweise durchgeführt, und der Anteil der dem Kanal HP zuzuordnenden Daten aus jedem Vollbild wird nachfolgend als Hfrac bezeichnet.

Die Bestimmung von Hfrac erfolgt mit Daten, die den jeweili­ gen Vollbildgruppen entsprechen. Die Werte von Hfrac sind allgemein proportional zu der Kanalkapazität, welche übrig­ bleibt, nachdem die Daten für frühere Vollbilder in einer Vollbildgruppe zugeordnet worden sind. Im folgenden werden die Werte für Hfrac bestimmt für gleich behandelte I-, P- und B-Vollbilder und für Vorrang der I- und P-Vollbilder vor den B-Vollbildern. Es gelten die Definitionen:

Bgof(T) = Gesamtbitkapazität für eine Vollbildgruppe;
Bgof(HP) = Gesamtbitkapazität für den HP-Kanal für eine Vollbildgruppe;
B1gof(T) = Gesamtbildkapazität, welche für die Übertragung des Restes von GOF übrigbleibt;
B1gof(HP) = Bitkapazität, die im HP-Kanal für den Rest von GOF übrigbleibt;
Bf(T) = Gesamtbits, welche für ein momentanes Vollbild übertragen werden; und
Bf(HP) = Bits, welche auf dem HP-Kanal für ein momentanes Vollbild übertragen werden.

Es sei zunächst der Fall betrachtet, wo die I-, P- und B- Vollbilder gleich behandelt werden. Nominell sollte die Daten­ menge für jedes dem HP-Kanal zuzuordnete Vollbild dem Ver­ hältnis der HP-Kanalkapazität zur gesamten Kanalkapazität entsprechen, also dem Bruch Bgof(HP)/Bgof(T). Wegen der oben erwähnten Einschränkungen (beispielsweise Override-Korrektu­ ren), kann jedoch die tatsächliche dem HP-Kanal zugeführte Datenmenge für bestimmte Vollbilder von diesem Bruch ab­ weichen. Es sei angenommen, daß für eine Anzahl erster Voll­ bilder in einem GOF erheblich mehr dem HP-Kanal zugeordnete Daten vorhanden sind als dieser Bruchteil. Falls das System weiter versucht, Daten für die übrigen Vollbilder dem HP- Kanal entsprechend dem Bruch Bgof(HP)/Bgof(T) zuzuordnen, dann neigt der HP-Kanal zur Überlastung und der LP-Kanal zu mangelnder Auslastung. Wenn andererseits dem HP-Kanal auf Grundlage der verbleibenden Kapazität dieses Kanals Daten zu­ geordnet werden, dann lassen sich solche Situationen von Überlastung bzw. mangelnder Auslastung vermeiden. Der Bruch­ teil der Daten entsprechender Vollbilder einer Vollbild­ gruppe, welche dem HP-Kanal zuzuordnen sind, wird als solcher aus der Relation B1gof(HP)/B1gof(T) bestimmt. Diese Berech­ nung erfolgt nach der Zuordnung von HP-Daten für jedes Voll­ bild.

Um diese Berechnung durchzuführen, wird das folgende Verfah­ ren angewandt. Nach Initialisierung des Systems werden die Werte Bf(T) und Bf(HP) auf Null gesetzt, und auch die Werte B1gof(T) und B1gof(HP) werden auf Null gesetzt. Zu Beginn jedes GOF werden die Werte B1gof(T) und B1gof(HP) mit den Werten Bgof(T) bzw. Bgof(HP) aktualisiert, das heißt

B1gof(T)_neuGOF = B1gof(T)_alt + Bgof(T)

B1gof(HP)_neuGOF = B1gof(HP)_alt + Bgof(HP),

und Hfrac wird berechnet als Hfrac=B1gof(HP)/B1gof(T).

Der Wert für Hfrac wird der Prioritätswählschaltung 14 mit­ geteilt, und aufgrund des Wertes Hfrac wird die Codewort­ nummer CW#j bestimmt. Es erfolgt eine Prüfung zur Bestim­ mung, ob dem HP-Kanal in früheren CW#j-Perioden zuviel Daten zugeordnet worden sind. Diese Prüfung kann in der Erzeugung des Verhältnisses Bf(HP)/Bf(T) und seinem Vergleich mit Hfrac bestehen. Ist das Verhältnis größer als Hfrac, dann sind dem HP-Kanal zu viele Daten zugeordnet worden. Um dieser Situa­ tion gegenzusteuern, wird CW#j reduziert auf CW#j-1. Die Codeworte werden dann auf die Kanäle HP und LP verteilt. Die akkumulierten Werte für die Menge der HP-Daten und die Ge­ samtdaten für die momentane CW#j-Analyseperiode werden je­ weils den Werten Bf(HP) bzw. Bf(T) hinzuaddiert. Die aktuali­ sierten Werte Bf(HP) und Bf(T) werden in der nachfolgenden CW#j-Analyseperiode benutzt zur Prüfung, ob dem HP-Kanal zu viele Daten zugeordnet sind. Am Ende jedes Vollbildes werden die Werte Bf(HP) und Bf(T) von den werten B1gof(HP) bzw. B1gof(T) subtrahiert und dann werden die Werte Bf(HP) und Bf(T) auf Null zurückgesetzt.

Es sei nun ein abgewandeltes System betrachtet, bei welchem den I-Vollbildern Vorrang gegeben werden soll, so daß die Mehrzahl der I-Vollbilddaten auf dem HP-Kanal übertragen wird. Dies kann erfolgen durch Konditionieren des Systems derart, daß der HP-Ratenpuffer mit I-Vollbilddaten im wesent­ lichen aufgefüllt wird und anschließend der HP-Ratenpuffer während des GOF-Restes sich leeren kann. Die I-Vollbilddaten dürfen den HP-Ratenpuffer nicht vollständig füllen, weil etwas Speicherplatz für einige Informationen der P- und B- Vollbilder in jedem GOF benötigt wird. Der Prozentsatz PHP der HP-Ratenpufferkapazität, welche die I-Vollbilddaten be­ legen dürfen, ist eine Frage der Systemauslegung. Je größer PHP gemacht wird, desto größer ist der den I-Vollbildern eingeräumte Vorrang.

Zusätzlich gelten die folgenden Definitionen für die vorge­ nannten Variablen:

bo(HP) = Belegung des HP-Kanalratenpuffers (15A);
bo(LP) = Belegung des LP-Kanalratenpuffers (15B);
bsize(LP) = Größe des LP-Ratenpuffers (15B);
bsize(HP) = Größe des HP-Ratenpuffers (15A);
Ns = Anzahl der von der Quelle gelieferten Vollbilder pro Sekunde;
N = Anzahl der Vollbilder in einem GOF;
M = Anzahl der B-Vollbilder zwischen aufeinanderfolgenden P-Vollbildern plus 1;
R(LP) = die LP-Kanalbitrate;
R(HP) = die HP-Kanalbitrate;
R(T) = Gesamtkanalbitrate.

Für die Erläuterung des Verfahrens der Berechnung von Hfrac sei auf das Flußdiagramm nach Fig. 6 Bezug genommen. Wenn das System initialisiert wird, werden B1gof(HP) und B1gof(T) auf Null gesetzt. Man beachte, daß das System die I-, P und B- Vollbilder in einer bekannten Reihenfolge, beginnend mit einem I-Vollbild, verarbeitet. Zu Beginn eines Vollbildes (600) geht man zum Wert N Bits, und Bf(T) und Bf(HP) werden auf Null gesetzt. Die Werte bo(HP) und bo(LP) werden von den Ratenpuffern zugeführt (610). Es erfolgt eine Prüfung (611) zur Bestimmung, ob das letzte Vollbild ein I-Vollbild war. Ist dies der Fall, dann wird ein variables MbpF berech­ net (614) zur Verwendung bei der Erzeugung von Hfrac für nachfolgende P-Vollbilder. Diese Variable wird nach der Be­ ziehung berechnet:

MbpF = [bo(HP) - R(HP) _* (N - 1)/Ns]/(1 - N/M).

Der Wert MbpF ist näherungsweise gleich einem ganzen Teiler der übrigen HP-Kanalkapazität (nach Prioritätsverteilung des I-Vollbildes) für die P-Vollbilder der Vollbildgruppe. Dies ist die minimale Datenmenge, welche dem Hochprioritätskanal für jedes P-Vollbild zugeführt werden muß, um eine mangelnde Ausnutzung dieses Kanals auszuschließen.

Die Berechnung von Hfrac für I-Vollbilder wird fortgesetzt (612), indem zuerst die Werte B1gof(T) und B1gof(HP) ent­ sprechend

B1gof(T)_neuGOF = B1gof(T)_alt + Bgof(T)

B1gof(HP)_neuGOF = B1gof(HP)_alt + Bgof(HP)

aktualisiert werden. Es werden zwei Werte von Hfrac berech­ net, Hfrac und Hfrac_T. Hfrac wird nach der folgenden Beziehung abgeleitet

Hfrac = (bsize(HP) _* PHP - bo(HP) + (R(HP)/Ns]/NBits.

Die ersten beiden Ausdrücke im Zähler entsprechen dem momen­ tan verfügbaren HP-Ratenpufferplatz. Der dritte Ausdruck ist derjenige Wert, welchen der HP-Ratenpuffer während eines nor­ malen Vollbildintervalls entleert.

Hfrac_T = B1gof(HP) + [R(HP)/R(T)] [NBits - B1gof(T)]/NBits.

Der Wert des Hfrac-Ausgangs ist der mit der Gleichung berech­ nete Wert Hfrac, falls Hfrac_T großer als Hfrac ist, in diesem Fall ist der Ausgangswert für Hfrac gleich dem für Hfrac_T be­ rechneten Wert. Es erfolgt eine Prüfung, um sicherzustellen, daß dieser Wert von Hfrac nicht zu einer Unterbelastung des LP-Kanals führt. Die erwartete Besetzung EoLP des LP-Puffers wird nach der Gleichung berechnet

EoLP = (1 - Hfrac)NBits + bo(LP) - R(LP)/Ns.

Wenn EoLP kleiner als Null ist, dann wird der Wert Hfrac be­ rechnet aus

Hfrac = 1 + [bo(LP) - (R(LP)/Ns)]NBits,

wodurch im Mittel sichergestellt wird, daß dem LP-Kanal gerade genügend Daten zugeführt werden, um eine mangelnde Ausnutzung zu vermeiden. Der Wert von Hfrac wird dann zuge­ führt (620), um die Analyse der CW#j-Werte des I-Vollbildes zu starten.

Hfrac für die P-Vollbilder wird erzeugt (616) nach der Gleichung

Hfrac = MbpF/NBits.

Dieser Wert wird für die Erzeugung der Werte CW#j für die jeweiligen P-Vollbilder zugeführt (620).

Hfrac für B-Vollbilder wird berechnet (618) mit der Absicht eine Majorität von B-Vollbildinformation dem LP-Kanal zuzuord­ nen, d. h., alle Daten außer denen, die als essentiell ange­ sehen werden. Die in irgendeiner speziellen Schichtenhierarchie von Daten als essentiell angesehenen Pegel sind natürlich sub­ jektiv und werden vom Konstrukteur bestimmt. Man muß jedoch darauf achten, sicherzustellen, daß die HP-Ratenpuffer nicht mangelhaft ausgelastet werden und die LP-Ratenpuffer nicht überlastet werden. Ein variables MB wird erzeugt nach der Beziehung

MB = -bo(HP) + R(HP)/Ns.

Falls MB größer als Null ist, dann könnte der HP-Puffer nicht ausgelastet sein, und in diesem Fall wird Hfrac bestimmt aus

Hfrac = MB/NBits (+ etwas Spielraum).

Wenn keine mangelhafte HP-Auslastung vorliegt, dann erfolgt eine Prüfung, um eine eventuelle LP-Pufferüberlastung zu be­ stimmen. Dies erfolgt durch Erzeugung des variablen MBX nach der Beziehung

MBX = bsize(LP) - bo(LP) + R(LP)/Ns.

MBX ist näherungsweise die maximale Datenlänge, welche der LP-Puffer bei momentanen Lastzuständen halten kann. Wenn NBits größer als MBX sind, dann kann der LP-Puffer überlaufen, und Hfrac wird erzeugt nach der Beziehung

Hfrac = 1 - MBX/NBits (+ Spielraum).

Wenn keiner der beiden oben genannten Zustände auftritt, dann wird Hfrac auf Null gesetzt, es werden also alle Daten vom B-Vollbild dem LP-Kanal zugeordnet. Jedoch können einige Lagen von Daten aufgrund von CW#j Override-Korrekturen den HP-Kanal zugeführt werden.

Ist erst einmal Hfrac bestimmt, dann wird der Prioritätsaus­ wahlprozeß initiiert (620). Dieser Prioritätsauswahlprozeß (622) kann von der im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Art sein einschließlich der Override-Korrekturen von CW#j (626). Betrachtet man das MPEG-ähnliche Signalformat, welches beispielsweise in hierarchischer Ordnung Rahmenköpfe, Schei­ benköpfe, Makroblockköpfe, Bewegungsvektoren und DCT-Koeffi­ zienten enthält, dann kann das Override-Korrekturverfahren zur Folge haben, daß alle Daten in hierarchischer Ordnung von Bewegungsvektoren und obigem dem Kanal hoher Priorität zugeführt werden. Außerdem ist ein CW#j-Korrekturprozeß (624) vorgesehen, um auszuschließen, daß zu viele Daten dem HP- Kanal zugeordnet werden. Bei dem Korrekturprozeß (624) wird das Verhältnis Bf(HP)/Bf(T) mit dem Wert Hfrac verglichen, und wenn dieses Verhältnis größer als Hfrac ist, wird der erzeugte Wert von CW#j um eine Einheit vermindert. Nach der CW#j-Korrektur werden Codewortdaten in Verteilung auf die HP- und LP-Kanäle zugeordnet (626), und Schichten-Override-Kor­ rekturen durchgeführt. Nach jedem CW#j-Analyseintervall wird die Menge der verarbeiteten Daten akkumuliert (628) mit der Menge der in früheren Analyseintervallen für dieses Vollbild verarbeiteten Daten zur Aktualisierung der Variablen Bf(HP) und Bf(T), die bei dem Korrekturprozeß (624) verwendet werden.

Versuche haben gezeigt, daß bei dem oben erläuterten Verfah­ ren zur Erzeugung von Hfrac wie zu erwarten die Belegung des Kanals höherer Priorität zwischen einem relativ gefüllten Zu­ stand für die I-Vollbilder und einem relativ leeren Zustand für das letzte B-Vollbild einer Vollbildgruppe schwankt. Die Belegung des Niedrigprioritätsratenpuffers bleibt bei einem relativ konstanten Pegel verglichen mit der Belegung des Hochprioritätsratenpuffers.

Bei einer weiteren Alternative werden die B-Vollbilder wie soeben erläutert, die I- und P-Vollbilder dagegen auf gleicher Basis behandelt. Bei dieser Ausführung werden die Werte von Hfrac für I- bzw. B-Vollbilder nach der folgenden Beziehung erzeugt:

Hfrac = [B1gof(HP) + R(HP) _* (NBits - B1gof(T))/R(T)]/NBits.

Die Verfahrensschritte zur Erzeugung von Hfrac können im Datenanalysator 152 nach Fig. 4 oder in der Systemsteuer­ schaltung 18 nach Fig. 1 programmiert sein.

Wenn in den bei liegenden Ansprüchen davon die Rede ist, daß eine Funktion proportional zu einer Variablen sein soll, dann ist damit gemeint, daß die Variable im Zähler eines die Funk­ tion definierenden Verhältnisses auftritt. Wird gesagt, daß eine Funktion umgekehrt proportional zu einer Variablen sein soll, dann heißt dies, daß die Variable im Nenner des die Funktion definierenden Bruches auftritt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Verteilung komprimierter Videodaten zwischen einem Kanal hoher Priorität mit einer ersten Kanal­ kapazität und einem Kanal niedriger Priorität mit einer zwei­ ten Kanalkapazität, wobei die komprimierten Videodaten als Codeworte unterschiedlicher Typen in Vollbildgruppen auf­ treten, von denen jede ein intraframe-codiertes Vollbild und Interframe-codierte Vollbilder enthält, gekennzeichnet durch

• - eine Quelle (10, 12) komprimierter Videodaten,
• - Ratenpuffer hoher und niedriger Priorität (15A, 15B), die in den Kanälen hoher bzw. niedriger Priorität enthalten sind und eine Einrichtung zur Erzeugung jeweiliger Signale, die ihren momentanen Besetzungszustand anzeigen, aufweisen,
• - eine Einrichtung (14), welche in Abhängigkeit von einem Wert Hfrac und den Codewörtern diese entsprechend einer vorbestimmten Hierarchie der Typen klassifiziert und dem Ratenpuffer hoher Priorität entsprechend dieser Hierarchie zuführt, wobei die Codeworte dieser Typen den Hfrac-Anteil der komprimierten Videosignale darstellen, und den Rest des komprimierten Videosignals dem Ratenpuffer niedriger Priorität zuführt,
• - eine Einrichtung (18), die aufgrund des Signals, welches den momentanen Besetzungszustand des Ratenpuffers für die hohe Priorität anzeigt, den Wert Hfrac für entsprechende Vollbilder jeder Gruppe erzeugt, wobei für jede Vollbild­ gruppe der Wert Hfrac für das intraframe-codierte Vollbild eine solche Größe hat, daß die intraframe-codierten Daten den Ratenpuffer für die höhere Priorität im wesentlich fül­ len, und der Wert Hfrac für die interframe-codierten Voll­ bilder eine solche Größe hat, daß der Ratenpuffer für die höhere Priorität möglichst veranlaßt wird, sich über eine Vollbildgruppe zu leeren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von Hfrac diese Größe pro­ portional zum momentanen Belegungszustand des Ratenpuffers für die höhere Priorität erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von Hfrac diese Größe um­ gekehrt proportional zur Menge der komprimierten Videodaten jeweiliger Vollbilder erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von Hfrac diese Größe pro­ portional zum momentanen Besetzungszustand des Ratenpuffers für die höhere Priorität und in umgekehrtem Verhältnis zur Menge der komprimierten Videodaten entsprechender Vollbilder erzeugt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung von Hfrac diese Größe für das intraframe-codierte Vollbild nach der Beziehung Hfrac ≅ [sizeHP _* PHP + (R(HP)/Ns) - bo(HP)]NBitserzeugt, wobei die sizeHP die Kapazität des Ratenpuffers für die höhere Priorität ist, PHP der Bruchteil der Raten­ pufferkapazität, welchen die intraframe-codierten Vollbilder einnehmen dürfen, R(HP)/Ns die mittlere Anzahl von Bits pro Vollbild, welche der Kanal hoher Priorität aufnehmen kann, bo(HP) der momentane Besetzungszustand des Ratenpuffers für die hohe Priorität und NBits die Menge komprimierter Video­ daten für jeweilige Vollbilder.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die interframe-codierten Vollbilder zu zwei Codiertypen gehörig sind, und daß die Einrichtung zur Erzeugung von Hfrac diese Größe für eine der interframe-codierten Typen nach der Beziehung Hfrac ≅ [(N - 1) _* R(HP)/Ns - bo(HP)]/(K _* NBits),erzeugt, wobei N die Anzahl von Vollbildern in einer Voll­ bildgruppe ist, K die Anzahl von interframe-codierten Voll­ bildern des einen Typs in einer Vollbildgruppe und bo(HP) der Besetzungszustand des Ratenpuffers hoher Priorität unmittel­ bar vor der Prioritätsbestimmung des letzten intraframe­ codierten Vollbildes.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von Hfrac für interframe-codierte Vollbilder eines zweiten Typs eine vorbestimmte Konstante ist.

8. Vorrichtung zur Aufteilung komprimierter Videodaten zwischen einem Kanal hoher Priorität mit einer ersten Kanal­ kapazität und einem Kanal niedriger Priorität mit einer zwei­ ten Kanalkapazität, wobei die komprimierten Videodaten (12) als Codeworte verschiedener Typen und in Vollbildgruppen auf­ treten, von denen jede ein intraframe-codiertes Vollbild und interframe-codierte Vollbilder enthält, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kanal hoher Priorität einen Ratenpuffer (15A) für hohe Priorität und der Kanal niedriger Priorität einen Ratenpuffer (15B) für niedrige Priorität enthält, und eine Einrichtung (14, 18) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Besetzungszustand der Ratenpuffer die Codewörter den Ratenpuffern hoher und niedriger Priorität entsprechend einer vorbestimmten Hierarchie zuführt derart, daß für jeweilige Vollbildgruppen der Besetzungszustand des Ratenpuffers hoher Priorität sich zwischen einem relativ gefüllten und einem relativ geleerten Zustand hin und her verändert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Besetzungszustand des Ratenpuffers für die niedrige Priorität verglichen mit dem Ratenpuffer hoher Priorität auf einem relativ konstanten Gefülltsein gehalten wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche in Abhängigkeit vom Besetzungs­ zustand der Ratenpuffer die Codeworte den Ratenpuffern hoher und niedriger Priorität zuführt, eine Einrichtung enthält, welche dem Ratenpuffer für die hohe Priorität genügend kompri­ mierte Videodaten von intraframe-codierten Vollbildern zu­ führt, um diesen Ratenpuffer im wesentlichen zu füllen.