專利名稱：動態(tài)分配稀少資源的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于根據(jù)來自用戶的需求指示，在幾個競爭用戶中動態(tài)分配稀少資源的系統(tǒng)。
通常需要在幾個用戶中共享一個稀少資源。例如，來自可能是電視網(wǎng)絡(luò)饋源、電視臺、或其它視頻源的各信號源的多個視頻信號可以組合并通過廣播衛(wèi)星線路傳播到消費(fèi)者家中的各電視接收機(jī)。一作為范例的衛(wèi)星線路包括能夠每秒傳送24兆位(Mbps)的數(shù)字傳輸路徑。為了使這種線路的效率和用途最大，若干個視頻信號需要共享該線路。例如，可能希望在至少六個視頻信號通道中共享上述衛(wèi)星傳輸線路。在這種情況下，該稀少資源是衛(wèi)星傳輸線路中的帶寬、或者位率。通過分配傳輸鏈路的某部分帶寬或位率給每一視頻信號在該傳輸系統(tǒng)中共享該資源。
一種執(zhí)行多路復(fù)用功能的已知方法是，每一通道都運(yùn)用恒定位率(CBR)編碼器。在這種系統(tǒng)中，將來自每個通道的視頻信號提供給CBR編碼器。CBR編碼器以預(yù)定的恒定位率產(chǎn)生代表提供給它的視頻信號的數(shù)字編碼的位流。為產(chǎn)生恒定位率信號，CBR編碼器不斷地更改視頻信號被編碼的量化級數(shù)。利用較少的量化級需要較少的位來代表這些級，并且減少了表示視頻信號所需的總位數(shù)。反之，利用較多的量化級需要較多的位來代表這些級，并且增加了表示圖像所需的總位數(shù)。
然而，改變代表圖像的編碼信號中的量化級引起由編碼信號所再現(xiàn)的圖像質(zhì)量上的相應(yīng)變化。利用較少量化級相對于利用較多量化級而言導(dǎo)致一較低質(zhì)量的再現(xiàn)圖像。因此，在一個CBR編碼器中，代表空間上和/或時間上更復(fù)雜的圖像的視頻信號以這樣一種方式被編碼，即再現(xiàn)圖像的質(zhì)量比不太復(fù)雜的圖像的質(zhì)量要低。
由于CBR編碼器產(chǎn)生一恒定位率，因此簡化了對來自若干這種編碼器的視頻信號多路傳輸?shù)目刂?。每一編碼器被事先分配一個代表其總的可利用傳輸鏈路位率的定額的位率。一種公知的分配方法分配傳輸鏈路總位率的相等部分給每一編碼器。然而，代表不同節(jié)目類型的視頻信號本身具有不同的復(fù)雜性。例如，傳送籃球比賽的視頻頻道比傳送一專家小組討論的頻道具有更高的復(fù)雜性。因此，從代表籃球比賽的編碼視頻信號再現(xiàn)的圖像的質(zhì)量將比從代表專家小組討論的編碼視頻信號再現(xiàn)的圖像的質(zhì)量要低(可能實際上更低)。
試圖解決這一問題的另一種已知分配方法是根據(jù)待編碼信號的所期望圖像復(fù)雜性事先分配不同的位率給每一CBR編碼器。這樣，可給傳輸籃球比賽的頻道分配比傳輸專家小組討論的頻道更大比例的傳輸鏈路的總位率。這種分配方法可能致使從代表籃球比賽以及專家小組討論二者的編碼信號再現(xiàn)的圖像質(zhì)量更接近相等。
還有一種公知的分配方法是根據(jù)信號提供者的付款分配傳輸鏈路總位率的比例給頻道。該提供者對傳輸頻道付費(fèi)越多，分配給該頻道的傳輸鏈路總位率的比例越大，并且從通過該頻道的編碼信號再現(xiàn)的圖像的質(zhì)量越好。
然而，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，視頻信號的復(fù)雜性不可能總是事先指定。例如，新聞廣播包含具有很低復(fù)雜性的情景，(例如，一個新聞播音員坐在一桌后讀新聞)插播具有非常高復(fù)雜性的情景(例如籃球比賽的一個視頻剪切)。如果這種視頻頻道事先分配了高比例的傳輸鏈路總位率，則籃球比賽情景可能以可接受的質(zhì)量再現(xiàn)，但新聞播音員的情景會以太高的質(zhì)量或者換言之，用比所需要的更多的位被編碼。另一方面，如果給這種視頻頻道分配了較低比例的傳輸鏈路總位率，則新聞播音員的情景可能利用合理的位數(shù)以可接受的質(zhì)量再現(xiàn)，但所分配的位率可能不足以以可接受的質(zhì)量再現(xiàn)籃球比賽情景。
本發(fā)明人進(jìn)一步認(rèn)識到，平均說來，每一視頻源可以用與上述新聞廣播相同的方式表征，即幾乎每一具有商業(yè)價值的視頻信號都包含插播有低復(fù)雜性情景的高復(fù)雜性的情景。還認(rèn)識到，不同復(fù)雜性的情景在時間上是不相關(guān)的。而且，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在任何給定幀周期內(nèi)，不同通道的圖像具有不同的復(fù)雜性，并且這些復(fù)雜性變化在時間上也是不相關(guān)的。
人們發(fā)現(xiàn)最好根據(jù)每一用戶需求的程度來動態(tài)分配傳輸鏈路位率的稀少資源。在上述實例中，最好根據(jù)那些通道的當(dāng)前當(dāng)前圖像復(fù)雜性將位率動態(tài)分配給不同通道。所有通道的當(dāng)前正傳輸?shù)膱D像的復(fù)雜性被估值，傳輸鏈路總位率的比例被分配給在某種意義上對應(yīng)于該通道當(dāng)前圖像的復(fù)雜性與所有通道的圖像的總復(fù)雜性的關(guān)系的每一通道。
本發(fā)明的目的是提供一種用于動態(tài)分配資源的系統(tǒng)，它包括多個資源用戶和具有可在多個資源用戶之間共享的最大利用水平的資源。與相應(yīng)資源用戶相關(guān)聯(lián)的多個需求分析器動態(tài)產(chǎn)生各代表相關(guān)聯(lián)的資源用戶對資源的有關(guān)需求的相應(yīng)信號。與相應(yīng)資源用戶相關(guān)聯(lián)的多個存取控制器根據(jù)一分配信號控制相關(guān)聯(lián)的用戶對資源的訪問。響應(yīng)來自需求分析器的多個需求表示信號，資源分配器動態(tài)產(chǎn)生代表相關(guān)聯(lián)用戶的所分配資源利用水平的分配信號。


圖1是按照本發(fā)明的多路復(fù)用系統(tǒng)的方框圖；圖2是可以用在圖1所示多路復(fù)用系統(tǒng)中的通道處理器的方框圖；圖3是可用在圖2所示通道處理器中的MPEG編碼器一部分的方框圖；圖4是可以用在圖1所示多路復(fù)用系統(tǒng)中的位率分配器的方框圖；圖5是可以用在圖3所示MPEG編碼器中的調(diào)節(jié)器的更詳細(xì)的方框圖；以及圖6、7和8是表示對復(fù)雜性信息的抽樣的時序圖。
圖1是結(jié)合本發(fā)明的多路復(fù)用系統(tǒng)的方框圖。在圖1中，所有的信號路徑都表示為單信號線。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白所表示的信號路徑能傳送多位數(shù)字信號，或并行傳送，在這種情況下信號路徑可由多個信號線組成，或串行傳送，在這種情況下信號路徑可以是單數(shù)據(jù)線和/或包括一條數(shù)據(jù)和時鐘信號線。為簡化起見已從該圖中刪除了與理解本發(fā)明無關(guān)的其它控制和時鐘信號路徑。
在圖1中，多個輸入端5耦合到將在一數(shù)據(jù)鏈路上一起傳輸?shù)囊曨l信號(通道1-通道K)的源(未示出)。該多個輸入端5連接到對應(yīng)的多個通道處理器10的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端。多個通道處理器10的各數(shù)據(jù)輸出端連接到多路復(fù)用器(MUX)20對應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端1-K。多路復(fù)用器20的數(shù)據(jù)輸出端連接到多路復(fù)用系統(tǒng)的輸出端15。輸出端15連接到用于在傳輸鏈路上傳輸多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流(多路復(fù)用的數(shù)據(jù))的應(yīng)用電路(未示出)。
多個通道處理器10中的每一個還包括一個復(fù)雜性輸出端和一個控制輸入端。多個通道處理器中每個的相應(yīng)復(fù)雜性輸出端連接到位率分配器30的對應(yīng)復(fù)雜性輸入端，位率分配器30的相應(yīng)定額輸出端連接到多個通道處理器10的對應(yīng)控制輸入端。
工作時，每個通道處理器在其控制輸入端接收代表下一定額周期分配給它的位率的信號。然后該通道處理器將在其數(shù)據(jù)輸入端的下一定額周期的信號以分配的位率編碼為數(shù)字編碼信號。編碼的數(shù)據(jù)信號提供給多路復(fù)用器20的對應(yīng)輸入端。多路復(fù)用器20以已知的方式操作，以將來自所有通道處理器的信號組合為多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流。然后仍以已知方式將多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流提供給包含用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路的電路。
在編碼過程中，通道處理器10在其復(fù)雜性輸出端產(chǎn)生表示被編碼信號的編碼復(fù)雜性的信號。位率分配器30接收來自通道處理器10的復(fù)雜性輸出端的信號，并根據(jù)所有復(fù)雜性信號在多個通道處理器10中動態(tài)地調(diào)節(jié)下一定額周期的位率定額。在優(yōu)選實施例中，對較復(fù)雜的信號比不太復(fù)雜的信號動態(tài)分配相對更高的位率。下面描述確定視頻信號復(fù)雜性和根據(jù)該復(fù)雜性分配位率的不同方法。
圖2是可用在圖1所示多路復(fù)用系統(tǒng)中的通道處理器的方框圖。在圖2中，與圖1中部件類似的部件用相同的標(biāo)號表示，并在下文中不作詳細(xì)的描述。在圖2中數(shù)據(jù)輸入端5連接到視頻信號源(未示出)。數(shù)據(jù)輸入端5連接到恒定位率編碼器(CBR)14的數(shù)據(jù)輸入端和復(fù)雜性分析器16。CBR編碼器14的數(shù)據(jù)輸出端連接到多路復(fù)用器(MUX)20(圖1)的輸入端。通道處理器10的控制輸入端(控制)連接到CBR編碼器10的定額輸入端Q。復(fù)雜性分析器16的輸出端連接到通道處理器10的復(fù)雜性輸出端(復(fù)雜性)。
工作時，復(fù)雜性分析器16分析數(shù)據(jù)輸入端5的視頻信號的復(fù)雜性。在復(fù)雜性分析器16的輸出端產(chǎn)生代表輸入信號復(fù)雜性的信號。該復(fù)雜性代表信號被提供到位率分配器30(圖1)。響應(yīng)這一復(fù)雜性信號(以及其它通道處理器10的那些信號)，位率分配器30提供代表分配給該通道處理器10的位率的信號給該通道處理器10(和其它通道處理器10)的控制輸入端(控制)。CBR編碼器14在其數(shù)據(jù)輸入端和產(chǎn)生以恒定位率編碼的輸出信號的數(shù)據(jù)輸出端之間提供數(shù)據(jù)路徑。根據(jù)來自位率分配器30從通道處理器10的控制輸入端(控制)輸入到定額輸入端Q的信號來設(shè)定恒定位率。
有可能復(fù)雜性分析器16在進(jìn)行其分析時也能應(yīng)用CBR編碼器14中的電路。在這種情況下，如圖2中虛線所示，數(shù)據(jù)從CBR編碼器14內(nèi)直接提供給復(fù)雜性分析器16。CBR編碼器14的這種數(shù)據(jù)可補(bǔ)充來自輸入端5的數(shù)據(jù)，或完全替代它，在這種情況下復(fù)雜性分析器與數(shù)據(jù)輸入端5不直接連接。
在優(yōu)選實施例中，每個CBR編碼器14是按照活動圖像專家組(MPEG)公布的標(biāo)準(zhǔn)對視頻信號壓縮和編碼的編碼器，稱之為MPEG編碼器。圖3是表示一MPEG編碼器14的一部分的方框圖。以下對MPEG編碼器14的已知組件將不作詳細(xì)描述。對MPEG編碼器包括的與理解本發(fā)明無關(guān)的其它部件，為簡化起見在該圖中刪去了它們。
在圖3中，MPEG編碼器14的數(shù)據(jù)輸入端5(數(shù)據(jù)輸入)連接到待壓縮和編碼的視頻信號源(未示出)。輸入端5連接到幀緩沖器41的輸入端。幀緩沖器41包括多個幀周期緩沖器或延遲線以及多個輸出端，該輸出端產(chǎn)生表示不同但暫時相鄰的幀或圖像的部分的各個信號。幀緩沖器41的多個輸出端連接到運(yùn)動估值器42的對應(yīng)輸入端。運(yùn)動估值器的輸出端連接到離散余弦變換(DCT)電路43。DCT電路43的輸出端連接到可變量化器(Qu)電路46的數(shù)據(jù)輸入端?？勺兞炕麟娐?6的輸出端連接到可變長度編碼器(VLC)47的輸入端。VLC47的輸出端連接到輸出緩沖器48的輸入端。輸出緩沖器48的數(shù)據(jù)輸出端連接到MPEG編碼器14的數(shù)據(jù)輸出端(數(shù)據(jù)輸出)。MPEG編碼器14的數(shù)據(jù)輸出端(數(shù)據(jù)輸出)連接到多路復(fù)用器20(圖1)的對應(yīng)輸入端。
輸出緩沖器48的狀態(tài)輸出端連接到位率調(diào)節(jié)器49的狀態(tài)輸入端。位率調(diào)節(jié)器49的控制輸出端連接到可變量化器46的控制輸入端。MPEG編碼器14的定額輸入端Q連接到位率分配器30的對應(yīng)定額輸出端。MPEG編碼器14的定額輸入端Q連接到調(diào)節(jié)器49的控制輸入端。
在工作時，MPEG編碼器14以已知方式操作，以便對其輸入端的下一定額周期的視頻信號以其Q輸入端的信號所確定的位率進(jìn)行壓縮和編碼。在下列實例中，描述對劃分為由12個圖像或幀組成的組(GOP)的視頻信號進(jìn)行編碼的MPEG編碼器。然而，應(yīng)理解GOP中的圖像或幀的數(shù)量可能改變。另外，在下列實例中，假定每一MPEG編碼器的位率分配為每GOP更新一次，即定額周期是GOP周期。但是，還應(yīng)理解定額周期也可能是不同的，而且其甚至可隨時間變化。
幀緩沖器41以下文描述的方式接收并存儲表示需進(jìn)行運(yùn)動估值的正被進(jìn)行編碼的示范GOP中12幀部分的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)提供給運(yùn)動估值器42。在優(yōu)選實施例中，12個圖像或幀中的第一個用作為基準(zhǔn)幀(I幀)，并經(jīng)過運(yùn)動估值器到DCT電路43。對于剩余的幀來說，相對在MPEG標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中稱為宏塊的每一圖像或幀中的多個16像素乘以16行的塊中的每一塊在運(yùn)動估值器42中產(chǎn)生運(yùn)動矢量，它們或單獨(dú)來自先前幀(P幀)，或者自先前幀和后續(xù)幀(B幀)這兩者內(nèi)插。如上所述，幀緩沖器41保存運(yùn)動估值器所需的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)自先前幀或自先前幀和后續(xù)幀內(nèi)插的估值。然后所產(chǎn)生的具體幀的運(yùn)動矢量與正被估值的幀中的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，產(chǎn)生運(yùn)動差值信號，并提供給DCT電路43。
在DCT電路43中，按照MPEG標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)，來自I幀的空間數(shù)據(jù)的16像素乘16行宏塊和來自P幀和B幀的運(yùn)動差值信號被劃分為六個8像素乘8行的塊(四個亮度塊，及兩個二次抽樣的色度塊)，在該應(yīng)用的剩余部分稱為宏塊。對每一宏塊執(zhí)行離散余弦變換。所得到的8乘8塊DCT系數(shù)隨后提供給可變量化器46。8乘8塊系數(shù)被量化、以之字形次序掃描并提供到VLC47。量化后的DCT系數(shù)和代表GOP的其它輔助信息(與編碼GOP的參數(shù)有關(guān))在VLC47中利用行程編碼方法進(jìn)行編碼，并提供到輸出緩沖器48。
已知控制VLC47輸出位率并由此保持MPEG編碼器14的所分配恒定位率的最直接方式是控制可變量化器46中用于量化每個DCT系數(shù)塊的量化級數(shù)(或換句話說，量化步長)。從位率調(diào)節(jié)器49提供給可變量化器46的控制信號執(zhí)行該控制功能。在一個為來自位率分配器30(圖1)的連續(xù)位率定額更新信號之間的周期的定額周期內(nèi)，位率調(diào)節(jié)器49以已知的方式將控制信號提供給可變量化器46，其將改變GOP中每16乘16宏塊被進(jìn)行量化的量化級數(shù)，以便保持該定額周期的所分配位率。以下面所描述的方式，根據(jù)多個通道中每通道的視頻信號的編碼復(fù)雜性值，本實例中位率調(diào)節(jié)器49的位率分配在每一GOP周期發(fā)生變化。
在優(yōu)選實施例中，位率分配器30(圖1)是具有連接到多個通道處理器10中各種電路部件的連接件的計算機(jī)系統(tǒng)。圖4是構(gòu)成位率分配器30的硬件框圖。在圖4中，微處理器(μP)31通過計算機(jī)系統(tǒng)總線35連接到讀/寫存儲器(RAM)32，只讀存儲器(ROM)33及輸入/輸出(I/O)控制器34。還有其它的計算機(jī)系統(tǒng)部件，比如大容量存儲器件以及用戶終端，為了簡化未在圖中示出。I/O控制器34具有多個連接到多個通道處理器10(圖1)的對應(yīng)復(fù)雜性輸出端的輸入端(復(fù)雜性)和連接到多個通道處理器10的對應(yīng)定額輸入端的多個輸出端(定額)。
微處理器31、RAM32、ROM33和I/O控制器34以已知方式作為計算機(jī)系統(tǒng)工作，執(zhí)行存儲在ROM33中的程序，存儲并檢索RAM32中的數(shù)據(jù)，以及從附接于I/O控制器34的裝置接收數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)到這些裝置。表示多個通道處理器10(圖1)中正進(jìn)行編碼的視頻信號的當(dāng)前編碼復(fù)雜性的數(shù)據(jù)是以下文描述的方式經(jīng)“復(fù)雜性”輸入端在I/O控制器34從這些通道處理器的對應(yīng)輸出端接收的。微處理器31以已知方式例如輪詢、中斷等通知收到該數(shù)據(jù)。微處理器31經(jīng)計算機(jī)系統(tǒng)總線35從I/O控制器34檢索這些信號，確定每編碼器的下一定額周期的位定額，并在下一定額周期將表示這些定額的信號經(jīng)“定額”輸出端提供給多個通道處理器10。
對于GOP的每個圖像或幀中的所有宏塊來說，用于確定用MPEG編碼器14(圖3)進(jìn)行編碼的視頻信號的編碼復(fù)雜性的最佳方法是利用每16乘16宏塊的量化標(biāo)度因子(標(biāo)明為QMB)和用于編碼該宏塊的位數(shù)(標(biāo)明為TMB)。圖5是MPEG編碼器14(圖3)的位率調(diào)節(jié)器49和產(chǎn)生按照該方法的編碼復(fù)雜性代表信號的復(fù)雜性分析器16(圖2)的方框圖。為簡化該圖，圖5中已刪除了各種時鐘和控制信號。然而，需要的那些信號及它們的所需時序和電壓特性是易理解的。
圖5所示的復(fù)雜性分析器16是如圖2中虛線所示僅利用來自CBR編碼器14的信息的復(fù)雜性分析器的一個例子。在圖5中，位率調(diào)節(jié)器49具有連接到輸出緩沖器48(圖3)的狀態(tài)輸出端的狀態(tài)輸入端TMB。位率調(diào)節(jié)器49的控制輸出端QMB連接到可變量化器46(圖3)的控制輸入端。位率調(diào)節(jié)器49還具有連接到位率分配器30(圖1)的對應(yīng)定額輸出端的控制輸入端(Q)。
位率調(diào)節(jié)器49的狀態(tài)輸入端TMB還連接到第一加法器92的第一輸入端。第一加法器92的輸出端連接到第一鎖存器93的輸入端。第一鎖存器93的輸出端連接到乘法器94的第一輸入端和第一加法器92的第二輸入端。乘法器94的輸出端連接到第二鎖存器95的輸入端。第二鎖存器95的輸出端連接到編碼復(fù)雜性輸出端Xpic。編碼復(fù)雜性輸出端Xpic連接到位率分配器30(圖1)的對應(yīng)復(fù)雜性輸入端。
位率調(diào)節(jié)器49的控制輸出端QMB還耦合到第二加法器96的第一輸入端。第二加法器96的輸出端耦合到第三鎖存器97的輸入端。第三鎖存器97的輸出端耦合到除法器98的分子輸入端N和第二加法器96的第二輸入端。除法器98的輸出端耦合到乘法器94的第二輸入端。寄存器99具有耦合到除法器98分母輸入端D的輸出端。
工作時，對于每個宏塊來說，位率調(diào)節(jié)器49根據(jù)當(dāng)前位速率定額和用于對先前圖像編碼的位數(shù)，以已知的方式產(chǎn)生可變量化器46的量化標(biāo)度因子信號QMB，然后從輸出緩沖器48接收表示用于對該宏塊編碼的位數(shù)TMB的信號?？勺兞炕?6(圖3)按照量化標(biāo)度因子QMB量化每一宏塊中的DCT系數(shù)。量化標(biāo)度因子QMB代表量化步長，或每一量化級中DCT系數(shù)的整個動態(tài)范圍的百分比。大值的QMB表示存在較大的量化步長，因此，量化級較少。反之，小值的QMB表示存在較小的量化步長，因此，量化級較多。在優(yōu)選實施例中，QMB是一個五位的整數(shù)(具有1到31之間的數(shù)值)。
在一個完整的圖像或幀中所有宏塊的平均量化標(biāo)度因子(標(biāo)明為Qpic)計算如下。在每一幀或圖像的開始，響應(yīng)一清零信號(未示出)將鎖存器93和97清為零。第二加法器96與第三鎖存器97的組合作為一累加器工作以便連續(xù)地將來自位率調(diào)節(jié)器49的宏塊量化標(biāo)度因子QMB求和。同時，第一加法器92與第一鎖存器93的組合作為累加器工作以連續(xù)地對至此用于對圖像或幀編碼的位數(shù)求和。
在已處理完幀或圖像中的所有宏塊(表明為NMB的數(shù)量)后，鎖存器97包含位率調(diào)節(jié)器49產(chǎn)生的所有宏塊量化標(biāo)度因子QMB之和，鎖存器93包含用于對圖像或幀編碼的所有位Tpic之和。除法器98產(chǎn)生圖像或幀中所有宏塊量化標(biāo)度因子QMB之和被圖像或幀中宏塊數(shù)NMB除的商。該商是該幀或圖像中的平均量化標(biāo)度因子Qpic。乘法器94產(chǎn)生Qpic和Tpic之積，其為該圖像的編碼復(fù)雜性(表明為Xpic)，即Xpic＝Tpic×Qpic。在圖像或幀結(jié)束時，響應(yīng)時鐘信號(未示出)將編碼復(fù)雜性信號Xpic鎖存到第二鎖存器95中。然后對于正進(jìn)行編碼的視頻信號中的每一圖像或幀重復(fù)上述循環(huán)。
然后將編碼復(fù)雜性Xpic從鎖存器95提供到位率分配器30(圖4)的I/O控制器34的復(fù)雜性輸入端，進(jìn)行剩余處理，以獲得GOP的編碼復(fù)雜性。GOP的編碼復(fù)雜性(表明為XGOP)是該GOP中所有圖像的Xpic的和。(見方程(1))。 μP31用作從I/O控制器34檢索每一Xpic值并在GOP中所有幀或圖像上對它們求和的累加器。
GOP中幀或圖像的數(shù)量(表明為N)總的保持恒定。當(dāng)N為常數(shù)時，可在移動窗的基礎(chǔ)上計算XGOP，加上最后圖像的編碼復(fù)雜性值Xpic，而減去GOP中最早圖像的編碼復(fù)雜性值。在這種情況下，在每一幀或圖像之后可得到更新的XGOP值。但是，N能夠改變。若N改變，則對應(yīng)新定義的GOP的XGOP必須通過對來自新定義GOP中先前圖像的新數(shù)量的編碼復(fù)雜性值Xpic求和而加以計算，如方程(1)。
如上所述，不同通道以不同的幀或圖像速率操作是有可能的，例如，標(biāo)準(zhǔn)視頻幀速率(在美國)是每秒29.97幀，對于電影圖像它是每秒24幀，而對于卡通它是每秒15幀。還有一種可能是不同通道具有GOP中不同數(shù)量的圖像或幀。因此，有可能不同通道具有不同的GOP時間周期。為了在這種條件下精確地分配位給通道，通過將每通道來自方程(1)的GOP復(fù)雜性值除以該通道的GOP時間周期(標(biāo)明為GOP時間)，在這種情況下多個通道的GOP編碼復(fù)雜性值在位率分配器30中被時間歸一化。(見方程(2))。然后歸一化的GOPXnormGOP=XGOPGOPtime---(2)]]>編碼復(fù)雜性值(標(biāo)明為XnormGOP)用來在不同通道中分配位(比特)。下面將更詳細(xì)地討論這種系統(tǒng)的復(fù)雜性值的抽樣時序和定額值的產(chǎn)生。
返回參見圖5，如上所述，對于每一宏塊，位率調(diào)節(jié)器49產(chǎn)生可變量化器46的量化標(biāo)度因子信號QMB，然后從輸出緩沖器48接收表示用于對該宏塊編碼的位數(shù)TMB的信號。這些信號也可直接提供給位率分配器30(圖4)中的I/O控制器34。然后μP31可內(nèi)部計算合適的編碼復(fù)雜性量值(從方程(1)或方程(1)和(2))。
而且，為了簡化傳輸，可對每個圖像Xpic的編碼復(fù)雜性值進(jìn)行變比計算。在優(yōu)選實施例中，在乘法器94后該值被變?yōu)榘宋粩?shù)。然后將該變比后的值傳送至位率分配器30(圖4)。由于其它原因，比如允許在N改變的情況下再計算編碼復(fù)雜性值，還有可能希望該計算機(jī)系統(tǒng)將一個文件的圖像復(fù)雜性值Xpic保存在例如一個大容量存儲器(未示出)中。存儲一小時的8位Xpic值對于標(biāo)準(zhǔn)視頻將占用108千字節(jié)(kB)，對于影片來說占用86kB。
在下面的討論中，Xi代表當(dāng)前可獲得的來自第i通道處理器的XGOP(如果所有通道具有同樣的GOP時間周期)或XnormGOP中合適的一個。位率分配器30(圖1)根據(jù)來自形成多個通道處理器10的所有K個通道處理器的編碼復(fù)雜性值Xi產(chǎn)生代表下一定額周期的傳輸鏈路中可得到位的分配的相應(yīng)定額(Q)信號。來自多路復(fù)用器20(圖1)輸出端的預(yù)定傳輸鏈路位率(標(biāo)明為R)在多個通道處理器10中分配，因此第i個通道處理器接收表明為Ri的位率分配。
用于分配傳輸鏈路中的位率給不同通道的一種方法是，根據(jù)所有通道處理器10(圖1)的先前GOP周期的當(dāng)前可獲得的編碼復(fù)雜性Xi(在移動窗基礎(chǔ)上，如上所述)的線性分配。在該方法中，每個處理器i接收總位容量R的相同比例Ri作為該編碼器Xi的編碼復(fù)雜性以給出所有編碼器的總編碼復(fù)雜性。(見方程(3))。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存在下限位率分配，在該位率分配以下再Ri=XiΣj=1KXjR---(3)]]>現(xiàn)圖像的質(zhì)量突然下降。此外，在所示實施例中，下一定額周期的位率分配取決于來自先前GOP的復(fù)雜性測量。這樣，如果存在從簡單圖像到復(fù)雜圖像的情景變化，因為新情景的分配是基于先前的、簡單的情景，分配用于對新的、復(fù)雜的情景編碼的位可能是不夠的。
用于分配傳輸鏈路中的位率給不同通道的另一方法保證對每一編碼器i的最小位率分配RGi，并如方程(3)線性地分配剩余位。(見方程(4))。取決于Ri=RGi+XiΣj=1KXj[R-Σj=1KRGj]---(4)]]>通過通道傳輸?shù)囊曨l的預(yù)期總復(fù)雜性和/或?qū)σ曨l信號提供者提出的通道價格，每通道可具有不同的保證的最小位率。
還有一種用于分配傳輸鏈路中的位給不同通道的方法為是每編碼器i提供加權(quán)因子Pi，并按照用加權(quán)因子Pi加權(quán)的編碼復(fù)雜性值Xi按比例地分配位。(見方程(5))。如同方程(4)的保證最小分配方法，加權(quán)因子Pi可能依賴于Ri=PiXiΣj=1kPjXjR---(5)]]>通過通道傳輸?shù)囊曨l信號的預(yù)期總復(fù)雜性和/或?qū)σ曨l信號提供者提出的通道價格。
在傳輸鏈路中分配位給不同通道的優(yōu)選方法是方程(5)的加權(quán)分配方法與方程(4)的保證的最小分配方法的結(jié)合。在這種方法中，保證對每通道的最小分配，并在加權(quán)比例的基礎(chǔ)上分配剩下的位。(見方程(6))。如上所述，保Ri=RGi+PiXiΣj=1KPjXj[R-Σj=1KRGj]---(6)]]>證的最小分配和加權(quán)因子兩者可能取決于通過通道傳輸?shù)囊曨l信號的預(yù)期總復(fù)雜性和/或?qū)σ曨l信號提供者提出的通道價格。
有可能根據(jù)系統(tǒng)的其它參數(shù)進(jìn)一步精選位分配Ri。例如，已發(fā)現(xiàn)存在一個上限位率分配值，在該值以上看不到重放圖像質(zhì)量的改進(jìn)。因此，超過該上限分配值的位分配是對傳輸鏈路中位的浪費(fèi)。此外，傳輸鏈路的操作者可對每通道施行最大位率分配Rmax(其能反應(yīng)上述上限位率分配值)和/或最小位率分配Rmin。
另外，為了使位率控制波動的可能最小而使位率控制的穩(wěn)定性最大，在從通道的一個定額周期到下一定額周期的位率分配中可施加增大α和/或減小β的最大增量。如上所述，上限位率分配值的數(shù)值、最大和最小位率分配以及增大和減小的最大增量，對于不同通道來說可以是不同的，并可取決于通過該通道傳輸?shù)囊曨l信號的預(yù)期總復(fù)雜性和/或?qū)σ曨l信號提供者的通道價格。此外，增大和減小的最大和最小增量有可能按照通道中緩沖器的空或者滿的程度動態(tài)地變化。
而且，還可進(jìn)一步精選分配的位率以便提供緩沖器管理，例如確保CBR編碼器10(圖1)的輸出緩沖器和對應(yīng)接收機(jī)解碼器(未示出)的輸入緩沖器不會上溢或下溢。若如不等式(7)中所示控制編碼緩沖器大小E，則不需要明顯E≤DRminRmax---(7)]]>的緩沖器管理，其中D是固定的解碼緩沖器大小。如果按照不等式(7)選擇編碼緩沖器大小，位率分配可從Rmin變到Rmax而不會導(dǎo)致編碼或解碼緩沖器的上溢或下溢。但是，該方法過分限制了編碼緩沖器的大小，因此過分限制了速率控制的靈活性。
一種替換的緩沖器管理方案是適用的并利用緩沖器管理的當(dāng)前、瞬時的位率，而不是固定參數(shù)Rmin和Rmax。由于選擇解碼緩沖器大小能夠處理以最大速率Rmax傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，位率分配總是能增大(到系統(tǒng)最大值Rmax)，而不會使解碼緩沖器溢出。然而，存在必須保持的瞬時最小位率，以確保已在編碼緩沖器中的數(shù)據(jù)在其解碼時間之前傳輸?shù)浇獯a緩沖器。因此，必須動態(tài)計算確保解碼緩沖器不下溢的最小位率分配。
在動態(tài)計算該最小位率分配中，當(dāng)減小位率分配時，必須考慮新確定的編碼緩沖器大小以及在某些先前時間量中已放在編碼緩沖器中的數(shù)據(jù)量。指定為En的第n幀的新確定的編碼緩沖器大小按照方程(8)確定，其中Δ是系統(tǒng)En=ΔRnew=RnewRmaxD---(8)]]>延遲時間，是視頻幀到達(dá)編碼器時和該幀顯示在解碼器上時之間的恒定時間延遲；D是固定的解碼緩沖器大?。灰约癛new是新提出的位率分配。該緩沖器大小確保在新位率分配的穩(wěn)定狀態(tài)下，在編碼和解碼緩沖器中將不存在上溢或下溢。
但是，如上所述，如果新提出的位率分配已減小，則存在等于系統(tǒng)延遲時間Δ的轉(zhuǎn)換周期，其中可能已有太多的位在編碼緩沖器中以致不能成功地以新的較低速率傳輸?shù)浇獯a器。用于精選新提出的位率分配的一種建議方法是首先對表明為Г的系統(tǒng)延遲時間Δ中先前幀的數(shù)量檢查表明為e的實際放入編碼緩沖器(緩沖器飽和)的位數(shù)。然后將先前Г幀的最大緩沖器飽和數(shù)(表明為emax，Г)與由方程(8)得到的新確定的編碼緩沖器大小En相比較。然后保證來自先前Г幀的所有位成功地傳輸?shù)浇邮諜C(jī)解碼器的通道i的最小的已減小位率分配R已減小由方程(9)給出。
如果這種限制施加于多路復(fù)用器系統(tǒng)，則在已按照方程(3)、(4)、(5)或(6)計算了位率分配以后，檢查這些位率分配以確定他們是否落在該通道的當(dāng)前上限和下限內(nèi)。首先，每通道i的上限和下限被確定。任何定額周期k(表示為Ri上限[k])的上限位率分配是下述中最小的先前定額周期k-1上的最大允許已增加分配；和最大位率分配極限。(見方程(10))。任何定額周期k的下限位 率分配Ri下限[k]是下述中最大的最小位率分配極限；以前定額周期k-1上的最小允許減小的分配和由方程(9)得到的最小減少的位率分配。(見方程(11))。然后進(jìn)行通道位率分配的調(diào)整。 如果任何通道的所分配位率超過任一限定值，則該通道的位率分配設(shè)置為該限定值，并在其它通道中重新分配可得到的剩余位率。例如，若如用方程(3)、(4)、(5)或(6)所計算的，分配給一通道i的位率大于該通道的上限，如方程(10)計算的，則通道i的位率設(shè)定為該上限Ri上限[k]。反之如果位率小于方程(11)所計算的下限，則將位率設(shè)定為該下限Ri下限[k]。(見方程(12))。 如果方程(10)、(11)和(12)的限定操作改變?nèi)魏挝宦史峙?，則按照方程(3)、(4)、(5)或(6)在未限定的通道中重新分配剩余的可利用位率。然后相對方程(10)、(11)和(12)中的極限再次對這些通道進(jìn)行檢查。重復(fù)該循環(huán)直到結(jié)束所有位率分配。在上述實施例中，編碼復(fù)雜性周期是在一移動窗基礎(chǔ)上逐個圖像確定的GOP周期，它是通道中的位率分配中從一個定額周期到下一定額周期的變化總的來說應(yīng)較小的足夠時間間隔。因此，方程(10)、(11)和(12)應(yīng)很少引用。
若通道正以不同的GOP時間周期操作，編碼復(fù)雜性抽樣的時序和基于編碼復(fù)雜性的更新位率定額的產(chǎn)生是復(fù)雜的。存在兩種產(chǎn)生精確編碼復(fù)雜性抽樣和該情形下的位率定額分配的方法。在第一種方法中，以這樣的方式計算恒定定額周期，即每一通道在每GOP中具有相等數(shù)量的定額周期。在該方法中，每GOP中抽樣數(shù)和定額周期可從通道到通道變化，但是，對于任何通道來說，GOP內(nèi)這種抽樣和定額周期的數(shù)量是恒定的。在第二種方法中，取一個樣本，任何時候任何通道開始一新GOP就產(chǎn)生新分配，并考慮從先前抽樣到當(dāng)前抽樣的時間周期的長度計算以新定額分配的位數(shù)。
圖7是表示利用第一種方法在系統(tǒng)中抽樣和定額更新的時序圖。為了簡化該圖，僅示出了兩個通道。在圖7中，通道1是傳輸具有每秒30幀的幀速率(在美國)的標(biāo)準(zhǔn)視頻的一個通道的實例。通道2是傳輸具有每秒24幀的幀速率的影片的一個通道的實例。假定每個通道每個GOP具有12幀。這樣通道1每0.4秒開始一新GOP，或每秒2.5個GOP，而通道2每0.5秒開始一新的GOP，或每秒2個GOP。所選定的抽樣速率是每0.1秒一個樣本。因此，在通道1中，在每一個GOP中存在四個樣本和定額更新，在通道2中，在每個GOP中存在五個樣本和定額更新。用垂直虛線表示抽樣時間ts。因為樣本之間的時間周期Δt是恒定的(0.1秒)，上述方程(3)到方程(12)可以不加任何修改地用于計算下一抽樣周期的位率分配。這些位率分配可按照稱之為“標(biāo)記和漏斗(token and leaky bucket)”的已知方案進(jìn)行累加并用在通道處理器10(圖1)中。
圖8是表示利用上述第二種方法的系統(tǒng)中的編碼復(fù)雜性值的抽樣和定額更新的時序圖。圖8中所示的各通道與圖7傳播相同的信號。在圖8中，無論何時任一通道開始一新的GOP時，獲取來自所有通道的當(dāng)前編碼復(fù)雜性值的樣本。根據(jù)這些樣本值和自最后一樣本開始的時間周期Δt產(chǎn)生新分配。這些抽樣時刻在圖8中表示為垂直虛線t1-t8，其中t2，t3，t4，t6，和t8對應(yīng)于通道1中GOP的開始，而t1，t3，t5，和t7對應(yīng)于通道2中GOP的開始。雖然t3表示相應(yīng)于通道1以及通道2中GOP的開始的抽樣時刻，但是不要求這一時刻的出現(xiàn)。
在每一抽樣時刻，對所有通道中的當(dāng)前編碼復(fù)雜性值(來自以前GOP，可在移動窗基礎(chǔ)上逐個圖像地獲得)進(jìn)行抽樣。方程(3)至方程(12)可用于計算下一位率定額比例，但在確定可用于進(jìn)行分配的實際位數(shù)時，自最后一個樣本開始的時間量Δt必須加以考慮。為了適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償不同樣本周期，在方程(3)至(12)中總的可獲得的位率R以可用于分配的位數(shù)(指定為C)來替代，它是總可獲取位率R與樣本周期Δt的乘積，即C＝RΔt。然后將方程(3)至方程(12)計算的位數(shù)分配給各個通道處理器10(圖1)，其如上所述利用“標(biāo)記和漏斗”方案累加和使用所分配的位。當(dāng)來自不同通道5的視頻信號具有不同的GOP時間周期時，上述兩種方法中的每一種將精確地分配位率給各個通道處理器10。
如果所有通道以相同的幀速率工作，并在一個GOP中具有相同的幀數(shù)，即所有通道具有相同的GOP時間周期GOP時間則可簡化編碼復(fù)雜性值的抽樣時序和不同通道更新位率定額的產(chǎn)生。圖6是表示這種系統(tǒng)中編碼復(fù)雜性樣本和定額更新時序的時序圖。在圖6中，每一水平線對應(yīng)于相應(yīng)通道1-K。從水平線向上延伸的短垂直線代表從該通道開始I幀的編碼的時刻，其被認(rèn)為是該通道的GOP的開始。GOP的時間周期GOP時間在所有通道中是相等的，但如可以看出的，各個通道的GOP的開始時間是不同的。事實上，業(yè)已發(fā)現(xiàn)各個通道的GOP最好具有不同的起始時間，這樣I幀的編碼不會重疊。這增加了經(jīng)過不同通道的復(fù)雜性變化。
已發(fā)現(xiàn)只要在計算編碼復(fù)雜性值時考慮相同數(shù)目的I幀、P幀、和B幀，這些幀來自不同的GOP是無關(guān)緊要的。因此，如用經(jīng)過所有通道時間軸延伸的實線所示，可在GOP內(nèi)的任何時間從所有通道同時地獲取編碼復(fù)雜性值的樣本。然后可從該樣本產(chǎn)生所有通道的位率定額的更新并傳輸返回通道處理器10(圖1)。
已按照一并置系統(tǒng)描述了上述多路復(fù)用系統(tǒng)。但是。多個通道處理器10可放置在離位率分配器30和多路復(fù)用器20的較遠(yuǎn)的位置。在這樣一種系統(tǒng)中，要在編碼器和位率分配器之間建立通信鏈路。在這種情況下，在處理器10和多路復(fù)用器之間傳輸?shù)哪承┪徊糠挚蓪Ｓ糜谔幚砥鞯膹?fù)雜性信息的傳輸。
權(quán)利要求
1.一種用于動態(tài)分配資源的系統(tǒng)，包含多個資源用戶(5)；具有可在多個資源用戶(5)之間共享的最大利用水平的資源(15，20)；與相應(yīng)資源用戶(5)相關(guān)聯(lián)的多個需求分析器(10，16)，用于動態(tài)產(chǎn)生各代表相關(guān)聯(lián)的資源用戶(5)對資源的有關(guān)需求的各個信號(復(fù)雜性)；與相應(yīng)資源用戶(5)相關(guān)聯(lián)的多個存取控制器(10，14)，用于根據(jù)一分配信號(控制)控制相關(guān)聯(lián)的用戶(5)對資源(15，20)的訪問；以及資源分配器(30)，用于響應(yīng)來自需求分析器(10，16)的多個需求表示信號(復(fù)雜性)，動態(tài)產(chǎn)生代表所分配的資源利用水平的相應(yīng)分配信號(控制)。
2.如權(quán)利要求1所述的資源分配系統(tǒng)，其中資源分配器(30)產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)，以使得具有相對較高需求的用戶(5)將比具有相對較低需求的用戶(5)接收相對較高的分配。
3.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中資源分配器(30)產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)，以便為用戶(5)分配等于與該用戶(5)相關(guān)聯(lián)的需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的需求與所有需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的綜合需求之比的最大利用水平的比例。
4.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中為每一用戶(5)指定一個相應(yīng)的預(yù)定最小資源利用水平；以及資源分配器(30)產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)，以便為用戶(5)分配為它指定的預(yù)定最小資源利用水平，并進(jìn)一步分配一剩余資源利用水平的比例，該剩余資源利用水平等于小于先前分配的預(yù)定最小資源利用水平的最大資源利用水平，所述進(jìn)一步分配的比例等于與該用戶(5)相關(guān)聯(lián)的需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的需求與所有需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的綜合需求之比。
5.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中為每一用戶(5)指定一個相應(yīng)的預(yù)定加權(quán)因子；以及資源分配器(30)產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)，以便為用戶(5)分配等于與該用戶(5)相關(guān)聯(lián)的需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的需求與所有需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的綜合需求之比被指定給相關(guān)用戶(5)的預(yù)定加權(quán)因子加權(quán)的最大資源利用水平的比例。
6.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中為每一用戶(5)指定一個相應(yīng)的預(yù)定最小資源利用水平和一個預(yù)定加權(quán)因子；以及資源分配器(30)產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)，以便為用戶(5)分配為它指定的預(yù)定最小資源利用水平，并進(jìn)一步分配一剩余資源利用水平的比例，該剩余資源利用水平等于小于先前分配的預(yù)定最小資源利用水平的最大資源利用水平，所述進(jìn)一步分配的比例等于與該用戶(5)相關(guān)聯(lián)的需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的需求與所有需求表示信號(復(fù)雜性)所代表的綜合需求之比被指定給相關(guān)用戶(5)的預(yù)定加權(quán)因子加權(quán)。
7.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中為每一用戶(5)指定一相應(yīng)的預(yù)定資源利用水平分配極限；以及在產(chǎn)生相應(yīng)資源應(yīng)用分配信號(控制)以后，資源分配器(30)將相應(yīng)資源利用水平分配與相應(yīng)預(yù)定資源利用水平分配極限相比較，并且如果資源利用水平分配超過指定的預(yù)定資源利用水平分配極限，則產(chǎn)生一個代表預(yù)定資源利用水平分配極限的分配信號(控制)，代替先前產(chǎn)生的該相應(yīng)用戶的資源利用水平分配。
8.如權(quán)利要求7所述的資源分配系統(tǒng)，其中預(yù)定資源利用水平分配極限是一種最大資源利用水平分配。
9.如權(quán)利要求7所述的資源分配系統(tǒng)，其中預(yù)定資源利用水平分配極限是一種最小資源利用水平分配。
10.如權(quán)利要求2所述的資源分配系統(tǒng)，其中為每一用戶(5)指定一相應(yīng)的預(yù)定資源利用水平分配增量極限；以及在產(chǎn)生相應(yīng)分配信號(控制)以后，資源分配器(30)將相應(yīng)資源利用水平分配與由緊接的先前相應(yīng)分配信號(控制)代表的對應(yīng)資源利用水平分配相比較，以確定相應(yīng)資源利用水平分配增量，并且如果資源利用水平分配增量超過指定的預(yù)定資源利用水平分配增量極限，則產(chǎn)生一個代表由改變了預(yù)定資源利用水平分配增量極限的緊接的前一相應(yīng)分配信號所表示的資源利用水平分配的分配信號(控制)，代替先前產(chǎn)生的該相應(yīng)用戶的資源利用水平分配。
11.如權(quán)利要求10所述的資源分配系統(tǒng)，其中預(yù)定資源利用水平分配增量極限是資源利用水平增大的最大增量。
12.如權(quán)利要求10所述的資源分配系統(tǒng)，其中預(yù)定資源利用水平分配增量極限是資源利用水平減小的最大增量。
全文摘要
公開了一種用于動態(tài)分配資源的系統(tǒng)，它包括多個資源用戶(5)和具有可在多個資源用戶(5)之間共享的最大利用水平的資源(15，20)。與相應(yīng)資源用戶(5)相關(guān)聯(lián)的多個需求分析器(10，16)動態(tài)地產(chǎn)生各個信號(復(fù)雜性)，每個信號代表相關(guān)聯(lián)的資源用戶(5)對資源(15，20)的有關(guān)需求，與相應(yīng)資源用戶(5)相關(guān)聯(lián)的多個存取控制器(10，14)根據(jù)一分配信號(控制)控制相關(guān)聯(lián)的用戶(5)對資源(15，20)的訪問。響應(yīng)來自需求分析器(10，16)的多個需求表示信號(復(fù)雜性)，資源分配器(30)動態(tài)產(chǎn)生代表相關(guān)聯(lián)用戶(5)的所分配資源利用水平的分配信號(控制)。
文檔編號H04N7/12GK1149367SQ94195116
公開日1997年5月7日 申請日期1994年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月22日
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