(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定されたビットレートを有する伝送チャネルを介して複数のビデオプログラムを同時に伝送するシステムであって、このシステムは、
（ａ）各々が可変ステップサイズの量子化器及び可変長エンコーダを具える並列の同数の符号化手段を具える符号化アッセンブリと、
（ｂ）前記符号化手段の出力ビットレートに依存して前記符号化手段の前記可変ステップサイズを制御する制御手段と、
（ｃ）前記符号化手段の出力ビットストリームを出力チャネルビットストリームに結合する手段とを具えるビデオプログラム伝送システムにおいて、
（１）前記ビデオプログラム伝送システムの入力信号が符号化形態で利用でき、前記ビデオプログラム伝送システムが、直列の復号化アッセンブリ及び前記符号化アッセンブリを具え、
（２）前記復号化アッセンブリが、符号化入力信号を復号化する並列の同数の復号化手段を具え、復号化手段の各々が、対応する前記復号化手段の復号化出力信号を符号化するために設けられた前記符号化手段の各々に直列となり、
（３）前記制御手段が、複数の復号化入力信号の複雑さの合計に対する各符号化手段の前記復号化入力信号の複雑さの値に依存して前記符号化手段の出力ビットレートを制御するようにも適合し、各複雑さの値が、前記復号化入力信号の対応する画像から取得されることを特徴とするビデオプログラム伝送システム。
【請求項２】
請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの複雑さに依存して各ビットレート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記入力ビットストリームで利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複雑さを決定する予備分析回路と、これら複雑さを加算する和装置と、各複雑さをこれらの和で除算する除算器と、前記出力チャネルビットストリームのチャネルビットレートを、前記除算器によって取得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とするビデオプログラム伝送システム。
【請求項３】
MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム内符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの複雑さに依存して各ビットレート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記入力ビットストリームで利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複雑さを決定する算出手段と、これら複雑さを加算する和装置と、各複雑さをこれらの和で除算する除算器と、前記出力チャネルビットストリームのチャネルビットレートを、前記除算器によって取得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とするビデオプログラム伝送システム。
【請求項４】
請求の範囲３記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記算出手段が、全チャネルビットレートを一つのプログラムで利用できるかのように次の画像に対するビット数を各プログラムに対して算出する二つの算出装置に分割されることを特徴とするビデオプログラム伝送システム。
【請求項５】
MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム内符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの複雑さに依存して各ビットレート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記デマルチプレクサ処理回路及び前記復号化装置の出力部で利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複雑さを決定する算出手段と、これら複雑さを加算する和装置と、各複雑さをこれらの和で除算する除算器と、前記出力チャネルビットストリームのチャネルビットレートを、前記除算器によって取得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とするビデオプログラム伝送システム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、予め設定されたビットレートを有する伝送チャネルを介して複数のビデオプログラムを同時に伝送するシステムであって、このシステムは、
（ａ）各々が可変ステップサイズの量子化器及び可変長エンコーダを具える並列の同数の符号化手段を具える符号化アッセンブリと、
（ｂ）前記符号化手段の出力ビットレートに依存して前記符号化手段の前記可変ステップサイズを制御する制御手段と、
（ｃ）前記符号化手段の出力ビットストリームを出力チャネルビットストリームに結合する手段とを具えるビデオプログラム伝送システムに関するものである。
テレビ番組はしばしば、相違するソースからのビデオ材料の組合せによって構成され、特に、これらテレビ番組が符号化デジタル形態で利用される場合が生じることがある。デジタル信号の各々に対応するビットストリームが単に切り替えられた場合、バッファ状態が一定であることを保証されない。さらに、相違するプログラムが組み合わされると、ビットレートがプログラムごとに非常に相違するおそれがある。実際には、このような状況によりビットレートピークが生じ、その結果、符号化テレビジョン信号の画質はしばしば変動し、複雑な画像シーンに対して画質が非常に劣化する。
米国特許出願明細書第5115309号は、予め設定されたビットレートを有する伝送チャネル内に複数のデジタルビデオデータを同時に送信するシステムを記載している。実際には、このシステムは、複数の並列エンコーダと、これらエンコーダの出力ビットレートに依存して各エンコーダで行われる量子化ステップのステップサイズを符号化ステップ前に制御する回路と、前記エンコーダの出力ビットストリームを単一ビットストリームに結合する装置とを具える。しかしながら、伝送すべきビデオデータがデジタルプログラムの形態において非常に相違する出力ビットレートで利用され、かつ、最終画質を損なうことなく結合ステップが結果的により困難になる場合、このようなシステムは、このような状況で実現できる任意の実用技術の解決を示さない。
本発明の目的は、結合すべきプログラムのビットレートと画像シーンの計算量との間がどれだけ相違しても高画質を達成する、伝送チャネルを介して複数のビデオプログラムを同時に伝送するシステムを提案することである。
このために、本発明によるシステムは、
（１）前記ビデオプログラム伝送システムの入力信号が符号化形態で利用でき、前記ビデオプログラム伝送システムが、直列の復号化アッセンブリ及び前記符号化アッセンブリを具え、
（２）前記復号化アッセンブリが、符号化入力信号を復号化する並列の同数の復号化手段を具え、復号化手段の各々が、対応する前記復号化手段の復号化出力信号を符号化するために設けられた前記符号化手段の各々に直列となり、
（３）前記制御手段が、複数の復号化入力信号の複雑さの合計に対する各符号化手段の前記復号化入力信号の複雑さの値に依存して前記符号化手段の出力ビットレートを制御するようにも適合し、各複雑さの値が、前記復号化入力信号の対応する画像から取得されることを特徴とするものである。
本発明は、向上した計算量推定を含む適切で正確なビットレート制御を有するトランスコーダを実現できる場合、プログラムの入力ビットレートが非常に相違するにもかかわらず、ビットレートピークを回避できるとともに、出力ビットレートの和を一定に保持することができるという認識に基づくものである。
第１の好適な形態において、MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム内符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの複雑さに依存して各ビットレート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記入力ビットストリームで利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複雑さを決定する算出手段と、これら複雑さを加算する和装置と、各複雑さをこれらの和で除算する除算器と、前記出力チャネルビットストリームのチャネルビットレートを、前記除算器によって取得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とする。
第２の好適な形態において、MPEG規格に応じて、前記ビデオプログラムの各画像を、フレーム内符号化画像、予測符号化画像又は双方向予測符号化画像とした請求の範囲１記載のビデオプログラム伝送システムにおいて、前記ビデオプログラム伝送システムは、対応するビデオプログラムの複雑さに依存して各ビットレート目標値を前記制御手段の各々に供給する共通ビットレート調整回路を具え、この調整回路は、前記デマルチプレクサ処理回路及び前記復号化装置の出力部で利用できるビットストリーム及び量子化パラメータを収集するとともに前記複雑さを決定する算出手段と、これら複雑さを加算する和装置と、各複雑さをこれらの和で除算する除算器と、前記出力チャネルビットストリームのチャネルビットレートを、前記除算器によって取得した比に乗算する乗算器とを具え、その乗算器の各出力を、前記符号化手段の各々の前記制御手段に送信された目標値としたことを特徴とする。
本発明のこれら形態を、後に説明する実施の形態を参照して詳細に説明する。
図１に図示したシステムは、一つのチャネルを横切って二つのデジタルプログラムを伝送できるように意図したものであるが、本発明の範囲を逸脱することなく同様に複数のこのようなプログラムを伝送すべきであることを理解する必要がある。
図示したシステムは、符号化信号Ｐ1及びＰ2の形態のデジタルプログラムが供給される二つのトランスコーディング装置を具える。各トランスコーディング装置は、直列の復号化装置（１１，６１）及び符号化装置（１２，６２）を具える。前記復号化装置１１及び６１は、復号化副アッセンブリを構成し、前記符号化装置１２及び６２は符号化副アッセンブリを構成する。各復号化装置（１１及び６１）は、直列のデマルチプレクサ処理回路（１３，６３）及びデコーダ（１４，６４）を具える。デマルチプレクサ処理回路１３及び６３は、ビットストリームBS1及びBS2を発生させる。デコーダ１４及び６４を従来のものとし、これらデコーダは、例えば、直列の可変長デコーダ、逆量子化回路及び動作補償段（図示せず）を具える。各符号化装置（１２及び６２）は、例えば、周波数変換器（１５，２０）と、可変ステップサイズを有する量子化器（１６，２１）と、可変長エンコーダ（１７，２２）と、出力バッファ（１８，２３）と、ビットレート制御回路（１９，２４）とを具える。ビットレート制御回路１９及び２４はそれ自体既知あり、これらについてこれ以上説明しない。
トランスコーディング装置（１１〜１２）及び（６１〜６２）の二つの出力ビットストリームをマルチプレクサ３で結合して、チャネルビットレートＴを有する一つのチャネルビットストリームにし、これを伝送チャネル４に供給する。このビットレートＴは、画像に対する、各符号化装置の目標値Ｔ1及びＴ2の和（すなわち各符号化装置１２又は６２に対して画像ごとに供給されるビットの平均値）に相当する。
これらトランスコーディング装置（１１〜１２）及び（６１〜６２）に対して、元のデジタルプログラムのビットレートピークを抑制すなわち最小にするために、結合ビットレート適合回路５を関連させる。この適合回路５は、各符号化装置１２又は６２の復号化入力信号に対して計算量の値（第１符号化装置１２に対するＸ1及び第２符号化装置６２に対するＸ2）を決定し、その値は、通常、画像に対して用いられるビット数とそれ全体に亘る平均ステップサイズとの積に等しく、各プログラムの現在の画像シーンの計算量を表す。この計算量の値は、（単一伝送チャネル内のＮデジタルプログラムの伝送を考慮した並列なＮ個のトランスコーディング装置を具えるシステムに対するＮ個のトランスコーディング装置の各々の）各トランスコーディング装置の目標値を修正する。
調整回路５のあり得る実施の形態において、複素値Ｘ1及びＸ2を、予備分析回路５１及び５２で、供給された各テレビジョン信号に予備分析を課すことによって獲得する必要がある。この場合、このような予備分析回路は、例えば、直列の画像変換器と、固定されたステップサイズを有する量子化器と、可変長変換器と、各画像に対して獲得したビット数を計数するカウンタ（図示せず）とを具える。このようにした獲得した二つの複素値Ｘ1及びＸ2を、和装置５３を用いて加算する。次いで、各トランスコーディング装置に対する相対的な計算量を、除算器５４及び５５で決定し、これら除算器は、Ｘ1／（Ｘ1＋Ｘ2）及びＸ2／（Ｘ1＋Ｘ2）をそれぞれ算出する。最後に、目標値Ｔ1及びＴ2（システムがＮ個のトランスコーディング装置を含む場合にはＴ1〜ＴN）を、（ビット／画像で表された）利用しうるチャネルビットレートＴに前記相対的な計算量を乗算することにより乗算器５６及び５７によって算出し、これを制御回路１９及び２４に供給する。この際、目標値は、
Ｔ1＝Ｘ1Ｔ／（Ｘ1＋Ｘ2）及びＴ2＝Ｘ2Ｔ／（Ｘ1＋Ｘ2）  （１）
となる。
Ｎ個のデジタルプログラムがある場合、（ｎ番目のトランスコーディング装置の）ｎ番目の符号化装置に供給される目標値Ｔn（ｎ＝１．．．Ｎ）は、
0004388598.tif 000002
となる。
したがって送信システムは、一時的に非常に高い又は非常に低いビットレートのプログラムの補償することができ、かつ、現在の計算量に比例するとともに利用できるチャネルビットレートに応じてこれらプログラムの各々にビットレートを割り当てることができる。この際、全ての信号に対してほぼ等しい画質が得られる。明らかに、プログラムに個別の画質を割り当てることができる。これを、例えば、相対的な計算量を、
α1Ｘ1／（α1Ｘ1＋α2Ｘ2）
及び
α2Ｘ2／（α1Ｘ1＋α2Ｘ2）  （３）
のようにして修正することにより、予め設定された方法で信号の相対的な計算量に影響を及ぼすことによって達成する。ここで、α1及びα2を定数とする。
図２は、２５を付した結合ビットレート調整回路の他の例を示す。（さらに図示しない）符号化装置及び復号化装置を、例えばMPEGデコーダ及びエンコーダと仮定する。映像及び関連の音声信号の多重化及び圧縮表示に対する国際規格機構のMoving Picture Expert Groupによって提案されたMPEG規格は、多数の文書、例えば1995年2月にfrench review″Electronique International Hebdo″のNo.167,pp.20〜21に記載されたような論文″La norme MPEG est prete pour ladiffusion TV....et TVHD”で説明されている。既知のように、この規格によるデジタル信号は、画像の群（GOP）の形態で伝送され、各GOPは、フレーム間符号化画像すなわちＩ画像と、複数の予測符号化画像すなわちＰ画像と、複数の双方向予測符号化画像すなわちＢ画像とを具える。この場合、調整回路２５は、以下のものを具える。
（Ａ）エンコーダの各入力信号の計算量Ｘ1及びＸ2（Ｎ個のデジタルプログラムが存在する場合には計算量Ｘ1〜ＸN）を算出する算出手段５８及び５９。図１に図示した予備分析回路５１及び５２の代案として、計算量を、以前の画像の符号化に費やすビット数Ｓと、この画像を量子化する平均ステップサイズを表す量子化パラメータＱとを参照して決定する（Ｓ及びＱの積は、前記入力信号の計算量を表す目安となる。）。両値（Ｓ1，Ｑ1）及び（Ｓ2，Ｑ2）を、各エンコーダのビットレート制御回路１９及び２４によって調整回路２５に供給する。画像（Ｉ，Ｐ及びＢ）の各タイプに対するこの積を個別に決定することにより、三つの計算量の値ＸI，Ｘp及びＸBを、各トランスコーディング装置に対して獲得する（二つのトランスコーディング装置のみを考慮する場合にはｎ＝１，２とし、Ｎ個のトランスコーディング装置を考慮する場合にはｎ＝１〜Ｎとする。）。
ＸIn：ＳIn×ＱIn，ＸPn＝ＳPn×ＱPn，ＸBn＝ＳBn×ＱBn  （４）
他の式も可能である。例えば、
X（D）=S（D）xQ（D）α(α>1）
又は、
X（D）=S（D）×eQ(D)  （5）
のような計算量の値に影響を及ぼす量子化値の影響を強調することができる。ここで、指標Ｄを画像（Ｉ，Ｐ，Ｂ）のタイプとする。
（Ｂ）式
0004388598.tif 000003
に従う各入力信号の相対的な計算量の値を画像の各タイプに対して決定する和装置５３及び除算器５４，５５。
（Ｃ）結合信号の次の像に対する全ビット数Ｔを画像の各タイプに対して算出する算出装置５０。例えば、以下の算出
0004388598.tif 000004
を行うことができる。ここで、ｎp及びｎBはGOPで符号化されたＰ及びＢ画像の数を表し、Ｋp及びＫBを、特定のシステム定数とする。
式（７）において、ＸI，ＸP及びＸBは、プログラムに対応する信号の結合計算量を表す（この場合、各プログラムに対応する画像は、結合してスーパーピクチャを形成すると考えられる。）。この結合計算量の値を、
0004388598.tif 000005
によって、又は、
0004388598.tif 000006
によって構成することができる。
このために、算出手段５０は、各エンコーダからそれの費やしたビット数（Ｓ1，Ｓ2）及び平均ステップサイズ（Ｑ1，Ｑ2）を受信する。前記式（７）において、Ｒを、結合GOP又はスーパーGODに割り当てた残りのビット数とする（その初期値を、利用しうるビット／スーパGOPの数とする。）
（Ｄ）対応するプログラムの画像の相対的な計算量に比例して二つのエンコーダ（Ｎ個のトランスコーディング装置を考慮する場合にはＮ個のエンコーダ）の間でスーパーピクチャに対して目標値Ｔを分配する乗算器５６及び５７。式（９）において、これを
0004388598.tif 000007
によって表す。
このように説明した方法において、符号化装置１２のビットレート制御回路１９は、画像（Ｉ，Ｐ又はＢ）の各タイプに対して目標値ＴI1，ＴP1及びＴB1を受信し、この目標に適合しようとを試みる。対応する方法で、符号化装置６２のビットレート制御装置２４は、目標値ＴI2，ＴP2及びＴB2を受信し、この目標に適合することを試みる。したがって、各エンコーダに対して、供給された目標値は、他方に対して（二つより多くのプログラムを考慮する場合には他のＮ−１個のもの）に対して一つのプログラムの画像の相対的な計算量に依存するようになる。
図３は、図２に図示した回路２５の代わりに使用する調整回路の他の例を示す（同一の参照番号は同一機能を表す。）。３５を付した調整回路は、図２に図示した回路と異なり、図２の算出手段５０は、全チャネルビットレートを一つのプログラムに対して利用できるかのように次の画像に対するビット数を各プログラムに対して算出する二つの同一の算出装置５０１及び５０２に分割される。上記式（７）を算出に適用し、ここでＸI，ＸP及びＸBは、対応する信号の（結合計算量の代わりの）計算量の値を表す。図３において、このように算出したビット数に、Ｔ’1，Ｔ’2を付す。（乗算器５６及び５７で）対応する信号の相対的な計算量を乗算するのはこの数である。相対的な計算量を、図２と同様に（和装置５３、除算器５４及び５５で）獲得する。
調整回路の他の例は、例えば図２又は３に図示した回路の代わりに使用する調整回路を示す図４に図示したように可能である。各符号化装置１２又は６２は、符号化すべき現在の画像の各細分に何ビット要求されるかを予測する予備分析を用いた。トランスコーディング装置は、これらトランスコーディング装置の復号化装置に送信された符号化信号を既に受信しているので、図２の算出手段（５８，５９）又は図３の算出手段（５０１，５０２）を、算出手段４８及び４９を修正することにより図４の調整回路４５に変えることができ、その入力を、ビットストリーム及び量子化パラメータを収集するために、例えば入力符号化信号が獲得される以前のエンコーダの出力バッファ（図示せず）で利用できるＳ及びＱの値を読み出すことにより、これら符号化信号を受信するよう接続する。その後、演算手段４８及び４９は、これら値Ｓ1，Ｑ1，Ｓ2，Ｑ2を用いて、調整回路２５又は３５を参照して以前に示したＸ1及びＸ2、又は、Ｔ’1及びＴ’2を発生させる。
調整回路の他の変形例も可能である。MPEGに適合したトランスコーディング装置は、計数ビットストリーム（及びここでは用いられない他の信号）を発生させるデマルチプレクサ処理回路と、前記ビットストリームに含まれる量子化パラメータを用いる復号化装置とを直列に具える復号化副アッセンブリを含むので、この場合、図４の算出手段４８及び４９の入力部を、ビットストリーム及び量子化パラメータを収集するために前記デマルチプレクサ処理回路及び前記復号化装置の適切な出力部に接続する。その後、演算手段４８及び４９は、Ｓ1，Ｑ1，Ｓ2，Ｑ2を算出し、以前に示したＸ1及びＸ2、又は、Ｔ’1及びＴ’2を発生させる。
これら変形例を用いると、必要なデータがトランスコーディング装置の入力部すなわち復号化部で既に利用できるので、以前の予備分析はもはや必要とされない。同一参照番号は同一機能を表すので、図４において、算出手段４８及び４９以外の回路は、図２の例と同一の符号を有する。
したがって、現在の画像の計算量のより正確な推定を得ることができる。システムの入来画像が復号化されるので、これら画像の各々（例えば各画像ｉ）は、この画像を圧縮するのに用いられる平均ステップサイズＱi及びビット数Ｓiを獲得し、その後、
Ｘi＝ＱiＳi  （１０）
で規定したような画像ｉの計算量を算出することができる。システムの入力部で利用できる進んだ情報を用いることにより現在の画像に対して算出したこの数は、システムそれ自体で推定されるために必要でない。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく変更又は改善を導き出すことができる。例えば、本発明を有線電子モジュールを用いて実現することもでき、また、前記実施の形態の一部又は全部の機能に相当する一連の命令の実行を満足するマイクロプロセッサを含む実現形態の下で実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による複数のビデオプログラムを伝送するシステムの実施の形態を示す。
図２，３及び４は、このような伝送システムの結合ビットレート調整回路の他の例を示す。
【図１】
0004388598.tif 000008
【図３】
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【図２】
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【図４】
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