(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
符号化されたビデオ信号を供給するためのビデオソースを持つ送信機を有するビデオ伝送システムであって、前記送信機が前記符号化されたビデオ信号をパケット交換網を介して受信機に送信するための送信手段を有し、前記送信機は、画面変化指示を出力する画面変化指示手段、および前記画面の変化に続く画面に対して要求されるサービスの等級指示を出力するサービス等級指示手段を含み、さらに、前記送信機は、前記画面変化指示に応答して前記要求されるサービス等級指示に従ってパケット交換網からサービスをリクエストするためのリクエスト手段を有することを特徴とするビデオ伝送システム。
【請求項２】
前記リクエスト手段は、少なくとも、ピークビット速度測度、平均ビット速度測度、およびバースト性測度によって定義されるサービスをリクエストするように構成されることを特徴とする請求項１のビデオ伝送システム。
【請求項３】
前記パケット交換網は前記送信機に受理メッセージを送信するための手段を有し、リクエストされたサービスをパケット交換網によって提供することができないことを前記受理メッセージが示す場合は、前記ビデオソースは、リクエストされたサービス等級より低い等級のサービスを要求する符号化されたビデオ信号を供給するように構成されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のビデオ伝送システム。
【請求項４】
ビデオ伝送システムに対する送信機であって、この送信機は符号化されたビデオ信号を供給するためのビデオソースを有し、この送信機は前記符号化されたビデオ信号をパケット交換網を介して受信機に送信するための送信手段を有し、前記送信機は、画面変化指示を出力する画面変化指示手段、および前記画面の変化に続く画面に対して要求されるサービスの等級指示を出力するサービス等級指示手段を有し、さらに、前記送信機は、前記画面変化指示に応答して前記要求されるサービス等級指示に従ってパケット交換網からサービスをリクエストするためのリクエスト手段を有することを特徴とするビデオ伝送システムに対する送信機。
【請求項５】
前記リクエスト手段は、少なくとも、ピークビット速度測度、平均ビッ卜速度測度、およびバースト性測度によって定義されるサービスをリクエストするように構成されることを特徴とする請求項４の送信機。
【請求項６】
リクエストされたサービスをパケット交換網によって提供することができないことを、前記パケット交換網から送信されて前記送信機が受理した受理メッセージが示す場合は、前記ビデオソースは、リクエストされたサービス等級より低い等級のサービスを要求する符号化されたビデオ信号を供給するように構成されることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の送信機。
【請求項７】
ビデオ伝送方法であって、この方法は、符号化されたビデオ信号を供給するステップ、および前記符号化されたビデオ信号をパケット交換網を介して受信機に送信するステップを有し、この方法は、画面変化指示を出力するステップ、および前記画面の変化に続く画面に対して要求されるサービスの等級指示を出力するステップを有し、さらに、この方法は、前記画面変化指示に応答して前記要求されるサービス等級指示に従ってパケット交換網からサービスをリクエストするステップを有することを特徴とするビデオ伝送方法。
【請求項８】
前記方法は、少なくとも、ピークビット速度測度、平均ビット速度測度、およびバースト性測度によって定義されるサービスをリクエストするステップを有することを特徴とする請求項７のビデオ伝送方法。
【請求項９】
前記方法は、前記パケット交換網から送信されて送信機が受理した受理メッセージが前記リクエストされたサービスを提供することができないことを示す場合は、前記リクエストされたサービス等級より低い等級のサービスを要求する符号化されたビデオ信号を提供するステップを有することを特徴とする請求項７あるいは８に記載のビデオ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、符号化されたビデオ信号を供給するためのビデオソースを持つ送信機を有するビデオ伝送システム、特に、前記送信機が、前記符号化されたビデオ信号をパケット交換網を介して受信機に送信するための送信手段を有するビデオ伝送システムに関する。
本発明は、また、上述のビデオ伝送システム内で用いられるための送信機、並びに、ビデオ伝送方法に関する。
背景技術
冒頭のような伝送システムが、公開された欧州特許出願第５１７  ２７３  Ａ２号に開示されている。
この従来の方法によると、ビデオ信号をデジタル形式にて伝送するために、ビデオ信号は、ビデオ符号器を用いて符号化される。ビデオ信号内の画像は、しばしば異なる特性を持つために、所定の品質にてビデオ信号を符号化するために要求されるビット速度は一定ではなく、可変である。ビデオ信号の符号化に要求されるビット速度は、画像シーケンス内に存在する画像内の細密部分の量と動きの量に依存する。
このように、ビット速度が可変であるために、近い将来においては、可変ビット速度で符号化されたビデオ信号を伝送する際、パケット交換網が一層重要となりうる。これらパケット交換網は、ＡＴＭ標準に従って動作することが見込まれる。パケット交換網は、特に、可変ビット速度を持つユーザ信号を伝送するのに適する。これは、パケット交換網は、接続のための完全な回路を構築するのではなく、単に、パケットを、ソースから宛先に、呼の設定時に決定された経路を介して伝送するためである。例えば、一時的に伝送されるべきパケットがなくなった場合は、今までの伝送のために要求されていた資源を別の接続からのパケットを伝送するために用いることが可能である。
パケット交換網内の輻湊を回避するために、呼の設定時において、網によって保証されるべきサービスの等級が、送信機とパケット交換網との間で取り決めされる、いわゆるトラヒック契約により定義される。このトラヒック契約によって、網が資源を統計的ベースにて割当てること、および、網が送信機に対して、送信機が動作できる限度を課すことが可能となる。送信機と網との間で取り決めされるべき接続の要素には、例えば、ＣＢＲ（Constant Bit Rate;定ビット速度）、ＶＢＲ（Variable Bit Rate;可変ビット速度）、ＡＢＲ（Available Bit Rate;アベイラブルビット速度）、ＵＢＲ（Unspecified Bit Rate;無指定ビット速度）などがある。また、サービスの等級（grade of service；ＧｏＳ）には、例えば、ＣＬＲ（Cell Loss Ratio;セル損失比）、maxＣＴＤ（maximum Cell Transfer Dely；最大セル伝送遅延）、ピーク・ピークＣＤＶ（Cell Delay Variation；セル遅延変動）などがある。
通常に用いられているビデオ符号器の一つの問題は、要求されるトラヒックパラメータが、常に事前に得られるとは限らないことである。このために、網からリクエストしたサービスの等級が低すぎ、符号化されたビデオ信号を送信することが不可能となったり、逆に、サービスの等級が要求されるより高すぎ、コストを不要に高くなったりする。
上述の特許出願による伝送システムにおいては、ビデオ符号器は、ビット速度が網からリクエストしたサービスの等級を超える場合は、符号化されたビデオ信号のビット速度を低減するように構成される。このビット速度の低減は、結果として、符号化された画像の品質の低下につながる。逆に、場合によっては、リクエストしたサービスの等級が要求されるもの以上であり、結果として、不必要に高いコストが発生するという事実は、不本意ながらも容認されている。
本発明の目的は、冒頭のようなビデオ伝送システムであって、符号化品質の低下を回避可能なシステムを提供することにある。
発明の開示
本発明によるビデオ伝送システムは、前記送信機が、画面（シーン）変化指示を与える画面変化指示手段、および前記画面の変化後に続く画面に対して要求されるサービスの等級を指示するサービス等級指示手段を含み、さらに、前記送信機が、前記画面変化指示に応答して前記要求されるサービス等級に従ってパケット交換網からサービスをリクエストするためのリクエスト手段を有することを特徴とする。
本発明は、符号化されたビデオ信号に対して要求されるビット速度が、画面間で大幅に変動するという認識に基づく。新たな画面に対して要求されるサービスの等級に応じて網からサービスをリクエストすることにより、網からリクエストしたサービスの等級が、符号化されたビデオ信号によって要求されるサービスの等級により良く適合することが確保される。
本発明の一つの実施例は、改善点として、前記リクエスト手段が、少なくとも、ピークビット速度測度、平均ビット速度測度、およびバースト性測度によって定義されるサービスをリクエストするように構成されることを特徴とする。
ピークビット速度、平均ビット速度、およびピークビット速度を持つバーストの最大サイズの組み合わせが、ビデオ符号器の出力信号の特性を表すのに適した方法であることがわかった。
本発明のもう一つの実施例は、改善点として、前記パケット交換網が前記送信機に受理メッセージを送信するための手段を有し、リクエストされたサービスをパケット交換網によって提供することができないことを示す前記受理メッセージが示す場合は、前記ビデオソースは、リクエストされたサービス等級より低い等級のサービスを要求する符号化されたビデオ信号を供給するように構成される。
画面の開始時に網からリクエストしたサービスの等級が、偶然、前記画面の継続中に不十分なことがわかることがあり得る。このような場合、本発明によると、網に伝送されるデータを、前記画面に対するトラヒック契約の限度内に保つために、前記ビデオ符号器が、その出力ビット速度を、画像品質のわずかな劣化を犠牲にして制限するように構成される。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第一の実施例によるビデオ伝送システムを示す図である。
図２は本発明の第二の実施例によるビデオ伝送システムを示す図である。
図３は図２による伝送システムにおいて用いられるべきビデオ符号器の一つの実施例を示す図である。
図４は、フレーム当たりに要求されるビット速度を、典型的な映画材料についての時間関数として表した図である。
発明を実施するための最良の形態
図１の伝送システムにおいては、ここではサーバ４とされるビデオソースの第一の出力は、符号化されたビデオ信号Ｄを伝送する。この第一の出力は、送信手段６の第一の入力に接続される。サーバ４の第二の出力は、画面変化指示信号ＮＳを供給する。この第二の出力は、リクエスト手段８の第一の入力に接続される。サーバ４の第三の出力は、次の画面に対して要求されるサービスの等級の指示信号ＧｏＳを提供する。この第三の出力は、リクエスト手段８の第二の入力に接続される。リクエスト手段８の第一の出力は、送信手段６の第二の入力に接続され、リクエスト手段８の第二の出力は、サーバ４に接続される。送信手段６の出力は、ＡＴＭ網１２に接続される。ＡＴＭ網１２の出力は、送信機２内のシグナリング受信機１０に接続される。シグナリング受信機１０は、速度指示信号Ｒを伝送する。シグナリング受信機１０の出力は、リクエスト手段８の第三の入力に接続される。
ＡＴＭ網１２のもう一つの出力は、受信機１４に接続される。受信機１４内で、ＡＴＭ網からの信号は、網終端装置１６によって受信される。網終端装置１６の出力は、ビデオ復号器１８に接続される。ビデオ復号器１８の出力の所で、復号されたビデオ信号が利用できる。
図１の伝送システムのサーバ４内においては、伝送されるべきビデオ信号は、圧縮された形式にてサーバ４上に格納される。ビデオ信号は、好ましくは、ＭＰＥＧ−２標準に従って圧縮されるが、これは、３〜１５Ｍビット／秒のビット速度での高いビデオ品質を可能にする。こうして符号化されたビデオ信号は、送信手段６に供給され、ＡＴＭ網１２を介して伝送される。
新たな画面が始まる度に、信号ＮＳが、信号ＧｏＳと共に、サーバ４からリクエスト手段８に伝送される。信号ＮＳとＧｏＳは、符号化されたビデオ信号に同期してサーバ４上に格納される。結果的に、信号ＮＳは、符号化されたビデオ信号によって表されるビデオ信号内の画面の変化を示し、信号ＧｏＳは、次の画面に対して要求されるサービスの等級を示す。本発明の概念によると、リクエスト手段８は、信号ＧｏＳによって示されるサービス要求の等級に従ってＡＴＭ網と新たなトラヒック契約について取り決めする。ＩＴＵ−Ｔ  Ｂ−ＩＳＤＮ標準Ｑ．２９３１は、ある単一の接続の最中に、トラヒック帯域幅記述子（ＰＣＲ、ＳＣＲおよびＭＢＳ）を修正する可能性を有する。この取り決めプロセスの実行は、以下の２つの可能性を与える。
第一の可能性として、リクエスト手段８は、送信機６を介して、サービスの等級に対するリクエストを信号ＧｏＳにて定義して網１２に送り、網１２は、受信機１０を介して、リクエストされたサービスの等級が提供できるか否かを示すメッセージを送り返す。リクエストされたサービスの等級を提供することができない場合は、前に取り決めされたトラヒック契約が引き続いて有効となり、リクエスト手段８は、信号Ｒをサーバ４に送ることで、サーバ４の出力を前に取り決めしたトラヒック契約の限度内に保つように、サーバ４に指示する。
第二の可能性として、リクエスト手段８は、送信機６を介して、サービスの等級に対するリクエストを信号ＧｏＳにて定義して網１２に送り、網１２は、リクエストされたサービスの等級が提供できることを示す、あるいは、網が提供できるサービスの等級を表すメッセージを送り返す。後者の場合は、リクエスト手段８は、網からの提供を受理するか否かを、ＡＴＭ網に送り返す。
ＡＴＭ網１２は、送信機２からのデータを加入者１４に伝達する。ＡＴＭ網１２からのデータは、網終端装置１６によって受信され、ビデオ復号器１８に伝送される。ビデオ復号器１８の出力の所で、復号されたビデオ信号が利用可能となる。
図２の送信機においては、符号化されてないビデオ信号が、ビデオソース２０の入力と、画面変化検出器２４の入力に供給される。ビデオソース２０の第一の出力は、送信手段２２の入力に接続される。ビデオソース２０の第二の出力は、リクエスト手段２６の第一の入力に接続される。画面変化検出器２４の出力は、リクエスト手段２６の第二の入力に接続される。リクエスト手段２６の第一の出力は、ビデオソース２０に接続される。リクエスト手段２６の第二の出力は、送信手段２２の第二の入力に接続される。送信手段２２の出力は、送信機２の出力を構成する。送信機２の入力は、受信機２８に接続される。受信機２８の出力は、リクエスト手段２６の第三の入力に接続される。
ビデオソース２０は、入力端子に供給される符号化されてないビデオ信号をリアルタイムにて符号化するように設計される。こうして符号化されたビデオ信号Ｄは、送信手段２２に供給され、ここからＡＴＭ網に伝送される。画面変化検出器２４は、符号化されてないビデオ信号から、新たな画面の開始を示す信号ＮＳを得る。新たな画面の開始を検出するためには、様々な方法が利用可能である。画面変化を検出するための第一の方法においては、２つの連続する画像が比較される。より詳細には、画素値の差分を取り、画素差が画像全体を通じて総和される。２つの画像間の差の測度ｅは、以下のように記述することができる：
0003908789.tif 000002
式（１）において、Ｐ1［ｉ、ｊ］は、第一の画像の画素値を表し、Ｐ2［ｉ、ｊ］は、第二の画像の画素値を表す。Ｍは、１ライン内の画素の数を表し、Ｎは、１画像内のラインの数を表す。この値ｅが所定の閾値を超えることは、画像の変化が生じたことを示唆する。
画面変化を検出するための第二の方法においては、２つの連続する画像の輝度値のヒストグラムが生成される。このヒストグラムに、所定の輝度値の発生の数が、輝度値の関数として格納される。画面の変化は、２つの連続する画像のヒストグラムが大幅に異なることによって示される。連続するヒストグラム間の差の測度ｄは、以下のように記述することができる：
0003908789.tif 000003
式（２）において、Ｈ1（ｉ）は、第一の画像のヒストグラムを表し、Ｈ2（ｉ）は、第二の画像のヒストグラムを表す。Ｐは、ヒストグラムのビン（階級）の数を表す。画面の変化は、測度ｄが所定の閾値を超えた場合に存在するものとみなされる。ヒストグラムを使用する方法における利点は、移動による２つの画像間の差の影響が少なくなることである。これは、画像内の要素の位置の変化が、式（１）における差分値ｅには影響するが、ヒストグラムには全く影響がないことによる。画面変化を検出するための方法については、１９９４年発行のＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．２３０８、ページ１４１１〜１４２１に掲載のJ.LeeおよびB.W.Dickinsonによる論文“Adaptive Frame Type Selection for Low Bit-Rate Video Coding”において詳しく述べられているので参照されたい。
画面変化が存在する場合は、リクエスト手段２６は、次の画面に対する要求サービスの等級の推定値ＧｏＳをビデオソース２０から読み出す。リクエスト手段２６は、ビデオソース２０によって要求されるサービスの等級に応じたトラヒック契約に対するリクエストをＡＴＭ網１２に送る。このリクエストが受理された場合は、ビデオ符号器は、この新たなトラヒック契約に従って送信することが可能となる。反対に、このリクエストが拒絶された場合は、リクエスト手段２６は、信号Ｒをビデオソース２０に送る。これにより、ビデオ符号器が、その出力を前に取り決めしたサービス契約に応じて制限すべきであることが通知される。網が、現在のサービスの等級とリクエストされたサービスの等級の中間のサービスの等級を通知した場合は、リクエスト手段２６は、ビデオソース２０に、新たなサービス契約のパラメータについて知らせる。
送信機によってリクエストされるサービスの等級は、アプリケーションのタイプに大きく依存する。例えば、生のビデオ伝送の場合は、リクエストされるサービスの等級は、後の使用のためにデジタルビデオレコーダに記録する予定のビデオ伝送に対する要求サービスの等級よりも高い。最初に、使用する接続のタイプが選択される。以下のテーブルには、様々なサービスのカテゴリーが、網からリクエストすることが考えられるＧｏＳパラメータと共に示される。
0003908789.tif 000004
ＣＢＲ（定ビット速度）接続がリクエストされた場合は、指定されるべきトラヒック記述子は、ＰＣＲ（ピークセル速度）値のみである。この値は、ビデオソース２０からのビット速度から決定される必要がある。伝送の単位は、一つの画像であり得るが、ＭＰＥＧビデオ符号器においては、伝送の単位は、ＧＯＰ（画像のグループ）でもあり得る。ＭＰＥＧ符号化においては、さまざまな異なるタイプの符号化された画像が存在する。例えば、隣接する画像からの情報を用いることなく符号化されるいわゆるＩ画像、隣接する画像からの情報を用いて符号化されるいわゆるＢおよびＰ画像などが存在する。Ｂ画像の符号化においては、前の画像と次の画像からの情報が用いられ、Ｐ画像の符号化においては、前の画像からの情報のみが用いられる。１つのＩ画像を有する２つのＩ画像間の画像のグループは、ＧＯＰと呼ばれる。通常、Ｉ画像の符号化には、最大のビット速度が要求される。そして、画面変化検出器は、符号器が新たなＧＯＰを開始できるように、符号器に対して画面の変化を通知することが必須とされる。
伝送の単位が１画像である場合は、ある画面内の最大のＩ画像に対して要求されるＰＣＲ（ピークセル速度）が網からリクエストされる。一方、伝送の単位が、ＧＯＰである場合は、画面内の最大ＧＯＰに対して要求されるＰＣＲ（ピークセル速度）が網からリクエストされる。伝送単位としてのＧＯＰによって要求されるＰＣＲ（ピークセル速度）は、典型的な映画材料の場合は、伝送単位としての１画像によって要求されるＰＣＲ（ピークセル速度）の約半分である。
網に対してＶＢＲ（可変ビット速度）サービスがリクエストされた場合は、トラヒック記述子として、ＰＣＲ（ピークセル速度）、ＳＣＲ（維持可能なセル速度）、およびＭＢＳ（最大バーストサイズ）が指定される。ＰＣＲ（ピークセル速度）、ＳＣＲ（維持可能なセル速度）、ＭＢＳ（最大バーストサイズ）と、実際のビット速度にて読み込まれオーバフローすることなく一定の速度のＳＣＲにて読み出される（仮想）バッファメモリのサイズＬとの間には、以下の関係が成り立つ：
0003908789.tif 000005
そして、バッファメモリのサイズＬは、ＰＣＲ（ピークセル速度）、ＳＣＲ（維持可能なセル速度）、およびＭＢＳ（最大バーストサイズ）の関数として以下によって与えられる：
0003908789.tif 000006
式（４）から、Ｌは、ＰＣＲ（ピークセル速度）がＳＣＲ（維持可能なセル速度）よりかなり大きな場合は大きくなり、ＰＣＲ（ピークセル速度）がＳＣＲ（維持可能なセル速度）に実質的に等しい場合は、小さくなることが明らかである。Ｌは、網内に要求されるバッファメモリのサイズに対する尺度であるために、Ｌの値が大きなことは、加入者に対するコストが高くなることを意味する。ＰＣＲ（ピークセル速度）が高いことも、加入者に対するコストが高くなることを意味する。逆に、加入者機器を、ＰＣＲ（ピークセル速度）、ＳＣＲ（維持可能なセル速度）、およびＭＢＳ（最大バーストサイズ）を所望の値に設定することで負担するコストを最小に抑えることができる。
図３のビデオソース２０においては、入力は、ＭＰＥＧビデオ符号器３０に接続される。ＭＰＥＧビデオ符号器３０の第一の出力は、出力信号ＣＶを伝送する。この第１の出力は、バッファメモリ３４の入力に接続される。ＭＰＥＧビデオ符号器３０の第二の出力は、出力信号ＲＡＴＥを伝送する。この第二の出力は、サービス等級推定手段３２の入力に接続される。サービス等級推定手段３２の出力は、要求されるサービス等級についての出力信号ＧｏＳを供給する。バッファメモリ３４の第一の出力は、出力信号Ｄを伝送する。この第一の出力は、ビデオソース２０の出力信号を構成する。バッファメモリ３４の第二の出力は、出力信号Ｆを伝送する。この第二の出力は、ＭＰＥＧビデオ符号器３０の制御入力に接続される。入力信号Ｒがバッファメモリ３４の第二の入力に加えられる。
ビデオ符号器３０内においては、入力ビデオ信号が、周知のＭＰＥＧ−２符号化標準に従って符号化される。ＭＰＥＧ２ビデオ符号器３０の出力部分で符号化されたビデオ信号ＣＶは、バッファメモリ３４内に一時的に格納される。この符号化されたビデオ信号は、バッファメモリから、速度信号Ｒによって決定されるビデオ速度にて読み出される。このビット速度は、１つの画面を通じて一定であるものと想定される。つまり、画面毎のＣＢＲ（定ビット速度）トラヒック契約が想定される。速度Ｒは、リクエスト手段２６によって、ＡＴＭ網１２によって提供されうるサービスの等級に応答して決定される。信号Ｆは、バッファメモリ３４に格納する速度を示し、バッファメモリがオーバーフローする傾向にあるとき、出力速度を低減するためにＭＰＥＧビデオ符号器３０により用いられる。ＭＰＥＧビデオ符号器３０は、符号化プロセスで用いられる、いわゆるＤＣＴ（離散コサイン変換）係数を量子化するのに用いられる量子化レベルの数を減らすことにより、出力速度を低減することができる。
図４のグラフには、一般的な映画材料の場合のフレーム当たりに要求されるビット数が示される。図４から、要求されるビット速度は、画面間で大きく変動することがはっきりとわかる。以下のテーブルには、“Four Weddings and a Funeral”という題名の３０分間のＭＰＥＧ２符号化された部分に対するトラヒック記述子（ノンスケーラブル、メインプロフィル、メインレベル）が示される。これらの記述子は、サービスの等級が接続の開始においてのみ取り決めされる従来の技術による伝送システムと、サービスの等級が画面の変化があったときに再取り決めされる本発明による伝送システムの場合について比較して示される。
0003908789.tif 000007
このテーブルによれば、従来の技術による伝送システムの場合の方が、本発明が用いられる伝送システムと比べて、網からより高いサービスの等級をリクエストすることが必要なことが明らかである。より具体的には、従来の技術によるシステムの場合は、ＭＢＳの値が高く、網内に非常に大きなバッファが要求される。
ＣＢＲについては、従来の技術による伝送システムの場合は、Ｌの値は、画像ベースの伝送では５２００９８であり、ＧＯＰベースの伝送の場合は５３６７７０である。これに対して、本発明によるシステムの場合は、画像ベースとＧＯＰベースの伝送の両方で、Ｌの最大値は２７０００、平均値は２５００である。
【図１】
0003908789.tif 000008
【図４】
0003908789.tif 000009
【図２】
0003908789.tif 000010
【図３】
0003908789.tif 000011