CN100380950C - 在视频特技模式期间利用数字信号处理的音频缩放 - Google Patents

在视频特技模式期间利用数字信号处理的音频缩放 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在快进重放视频特技模式期间声道重放的方法和装置。存储媒体阅读器(100)用于从诸如DVD的存储媒体(102)中读取数字数据(300)。该数字数据表示视频显示以及对应的音频节目。解码器(182)从一部分包括音频节目的数字数据中解码出对应于所选部分视频显示的多个数字音频样本(345)。数字信号处理器(186)接着可将音频样本转换为它们对应的频域等效物(330)，并根据特技模式视频重放来缩放与音频样本相关的重放音频的频率和幅度(335)。

Description

在视频特技模式期间利用数字信号处理的音频缩放
技术领域
本发明涉及改进的特技模式重放，更具体地说，涉及与比正常速度快一些或慢一些重放的视频段相关联的音频声道的特技模式重放的改进。
背景技术
DVD特技模式可包括正常重放的加速或者减速，用以搜索盘上某一具体位置，或查看以正常速度播放时可能遗漏的图片细节。按照惯例，正常重放速度可表示为1X。音频和视频特技模式都是可能的，而且，两者均可在市场上买得到的DVD播放器上找到。然而，高速或低速音频重放的传统方法已证明是存在问题的。数字信号处理器的进步，特别是在现有产品中使用的音频数字信号处理器的进步，已经使更复杂的实时处理有可能用于改进的音频特技模式。
使用视频特技模式时存在的一个问题涉及对应于重放视频段的音频内容处理。例如，当用户加速或者减速所显示的视频段时，可能扭曲所播放的对应音频段。典型地，在快速特技模式期间，音频段的音频样本可变换到较高频率，而在低速特技模式期间，可变换到较低频率。重放速度增大到正常重放速度的大约1.5至3倍的快速特技模式往往导致人话音的音调较高。这种较高音调的音频重放(花鼠效果)可能使人讨厌，而且在许多情况下，收听者可能难以理解。相反地，低频特技模式可产生即便可以听明白、但在听觉上使人不舒服的低频抖动。
在视频特技模式期间，如此所述，为了获得最有用的音频重放，也有必要考虑具体特技模式的性质。例如，虽然可能利用不同技术为1.5X或2X特技模式提供可理解音频，但是当特技模式包括5X或者10X重放时，这些技术可能产生不令人满意的结果。在这么高的重放速度下，与视频内容同步地重放音频节目的任何尝试将可能导致不可理解的话音，因为表达言词时需要的速度太快。
为了避免听到在DVD特技模式期间可能产生的不同类型的音频假信号，传统DVD播放器常常在视频特技模式期间静音。但是，这不是完全令人满意的解决方法，因为这种模式中的声音可能是使人感兴趣的。因此，在视频特技模式操作期间，如果DVD播放器可通过某种克服先有技术限制并实现所希望的听觉上使人愉悦的音频节目内容重放的方式重放音频，这将是有积极效果的。
发明内容
本发明涉及一种用于在视频特技模式期间改进的音频节目重放的方法和装置。特技模式可提供比正常1X播放速度快或慢的重放速度。编码的数字数据可包括视频节目和对应的音频内容。解码器可配置成从一部分包括音频内容的数字数据中解码得到对应于所选视频显示部分的多个数字音频样本。接着，数字信号处理器(DSP)可将音频样本从时域变换到频域，并缩放与音频样本相关的重放音频，以便补偿由特技模式重放速度导致的变化音调。
根据本发明的一方面，对于快速特技模式，解码器可按照大约对应于视频显示的所选特技模式视频重放速度的速率来丢弃所选的若干音频样本。数/模(D/A)转换器接着可产生只对应于剩余音频样本组的音频重放信号。可按照大约每n个样本中(n-1)个的平均速率丢弃音频样本，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。为了对所丢弃的音频样本进行补偿，DSP可将时域中的音频样本变换为它们的频域等效物，并且优选地把重放音调频率缩放到大约1/n。另外，可将音频样本的幅度缩放到大约1/n。在对频域音频样本进行幅度和频率缩放之后，DSP可将所缩放的频域音频样本变换为它们对应的时域等效物，以供重放。
根据另一方面，对于低速特技模式，解码器可按照与所述视频显示的所选特技模式视频重放速度成反比的速率来重复所选的若干音频样本。这可产生特技模式音频样本组。特技模式音频样本接着可提供给数/模转换器以产生对应于特技模式音频样本组的音频重放信号。音频样本可重复1/n次，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。为了对所添加的音频样本进行补偿，DSP可将音频样本从时域变换到频域，并将重放音频频率缩放到大约1/n倍。频域音频样本的幅度也可按照大约为n的缩放因子来缩放。DSP接着可将经过频率和幅度缩放后的频域音频样本变换为它们的时域等效物，以供重放。
根据本发明一个实施例，提供一种用于在视频显示的视频特技模式重放期间播放声道的方法，所述方法包括：从存储媒体(102)中读取数字数据(320)，所述数字数据表示对应于所述视频显示的音频节目；从一部分所述读取的数字数据中解码出对应于所选部分的视频显示的多个数字音频样本(325)；将所述数字音频样本从时域变换成对应的频域音频样本(330)；以及根据所述特技模式重放，缩放所述频域音频样本的重放音频(335)。
根据本发明的另一个实施例，提供一种用于在视频显示的视频特技模式重放期间播放声道的装置(100)，所述装置包括：存储媒体阅读器，用于从存储媒体(102)读取数字数据，所述数字数据包括对应于所述视频显示的音频节目；解码器(182)，用于从表示所述音频节目的一部分所述读取的数字数据中解码出对应于所选部分的视频显示的多个数字音频样本；数字信号处理器DSP(186)，包括用于将所述数字音频样本从时域变换成对应的频域音频样本的快速傅里叶变换FFT处理单元；以及所述数字信号处理器(186)包括用于根据所述特技模式重放来缩放所述频域音频样本的重放音频的缩放单元。
附图说明
图1是根据本发明方案、可配备一个或一个以上高级操作功能的DVD装置的框图。
图2是便于理解根据本发明通过利用DSP进行的频率和幅度缩放的框图。
图3是便于理解图2的发明方案的流程图，图2的发明方案在如图1的装置100之类的示范单元中实现。
具体实施方式
在记录在任何适当数字数据存储媒体上的任何类型的数字视频中，在视频特技模式期间，本发明可提供基本上正常的音频重放。为方便起见，本发明将在利用常规MPEG-1或MPEG-2格式的DVD媒体环境内进行说明。但是，本领域的技术人员明白本发明并不局限于这一点。数字数据存储媒体可包括任何能够储存用于检索和后续时间重放的大量数字数据的媒体。这里所用的存储媒体可包括、但不限于用来储存数据的光学的、磁性的和电子的装置。示范数字存储媒体可包括数字多功能光盘(DVD)、磁光盘、磁硬盘、视频光盘或一般光盘、或者诸如动态随机存取存储器(DRAM)或同步DRAM(SDRAM)之类的固态存储器。
存储媒体阅读器是为从数字数据存储媒体中读取编码数字数据而设置的。图1是示范DVD视频播放器的框图，可在其中实现本发明。装置100可具有从数字存储媒体中读取所储存数据的能力。参照图1，存储媒体可以是可重写盘、DVD 102。装置100可包括机械组件104、控制部分120以及音频/视频(A/V)输出处理部分170。到不同部分的大多数模块的分配是显而易见的，而一些模块的分配是为方便而作出的，对于理解装置100的工作并不重要。重要的是，应该认识到，如果数字数据存储媒体是固态装置，则机械组件104对于实施本发明不是必要的。在这种情况下，控制CPU 122可直接访问储存在数字存储媒体中的编码数字数据，并将其缓存在轨道缓冲器172中。
尽管如此，机械组件104可包括用于旋转盘102的电动机106和适合在旋转DVD 102上移动的拾取部件108。装配在拾取部件108上的激光器可照射已储存到用于重放视频和/或音频节目数据的轨道上的数据。为了理解本发明，盘是否可记录是不相关的。伺服机构110可控制装配在拾取部件108上的激光器和电动机106。伺服机构110也可配置成接收输入重放信号，该信号表示从DVD 102上的螺旋轨道中读取的数据。重放信号也可作为纠错电路130的输入，纠错电路130可视为控制部分120或A/V输出处理部分170的一部分。
控制部分120可包括控制中央处理器(CPU)122。伺服机构110也可视为控制部分120的一部分。在存储器中可提供用于由控制CPU122执行的常规操作的适当软件或固件。而且，可为控制CPU 122提供此处所述的高级功能的程序例程。该程序例程可包括应用程序代码和/或固件代码。
用于观众可操作功能的控制缓冲器132可配置成指示当前那些可用的功能，即播放、倒退、快进、慢放、暂停/播放和停止。暂停功能类似于暂停操作，通常见于大多数盒式磁带录像机(VCR)。暂停功能可具有人为地中断预录制演示的重放、以便从重放中停止或消除不喜欢的片段、如商业广告的能力。高级功能缓冲器136可用来实现其它高级重放功能，包括此处所述的特技模式的控制。重放特技模式可包括在不同于标准1X重放速度的速度下向前和向后重放。
输出处理部分170可包括纠错模块130和轨道缓冲器或输出缓冲器172，其中，从盘上读取的数据可缓存并组装成用作进一步处理的信息包。条件访问电路174可处理信息包，控制信息包通过多路分离器176并进入各自视频和音频处理路径的传播。解码器178对视频进行解码，例如从MPEG-1或MPEG-2格式解码，并将其编码形成常规电视信号格式，例如ATSC、NTSC、SECAM或PAL。解码器182对音频进行解码，例如从MPEG-1或MPEG-2格式解码，并通过音频数/模(D/A)转换器184将音频转换成模拟形式。音频D/A184可处理从音频解码器182接收的数字音频，并产生模拟输出信号。
优选地，播放器100可包括由控制CPU 122控制的数字信号处理器(DSP)186。在视频特技模式期间，数字信号处理器186可执行音频缩放。数字信号处理器186可从音频解码器184接收对应于播放的所选视频显示的数字音频样本。在标准的非特技模式中，DSP 186可保持无效状态，而音频D/A 184可处理从音频解码器182接收的数字音频。但是，当已选择特技模式重放时，音频D/A 184可配置成具体从DSP 186接收已处理的数字音频。
但是，数字信号处理器186可以是任何市面上买得到的、设计为执行常规音频处理功能的处理器，只要DSP 186可配置成执行频率和幅度缩放即可。为便于缩放输入音频信号的频率和幅度，DSP可将时域中的输入音频信号转换成频域音频信号。可以缩放频域音频信号，并接着可将频域音频信号重新转换成时域音频信号。数字信号处理器通常利用各种用于完成频率和幅度缩放的音频处理算法和技术。尽管如此，本发明并不局限于这一点。
数字信号处理器186可以是可用于频率缩放的定制处理器。现场可编程门阵列(FPGA)可定制为包括以下处理所必需的所有音频处理电路：接收时域音频信号、将所接收的信号转换成频域信号、缩放所转换的信号以及将所缩放的信号转换成所缩放的时域音频信号。其它定制处理器可包括、但不限于专用集成电路(ASIC)和系统单片集成(SoC)应用。FPGA可设计有合适的核心，其中包括DSP引擎、解码器、快速傅里叶变换或FFT处理单元、逆向FFT处理单元以及可缩放频率和幅度的缩放单元。
图2是方便理解DSP 186缩放操作的示范框图200。如图2所示，DSP 186可包括FFT处理单元186a、频率缩放单元186b、幅度缩放单元186c和逆向FFT处理单元186d。FFT处理单元186a可将数字音频样本从时域变换成它们的频域等效物。频率缩放处理单元186b可配置成接收频域音频样本，并缩放所接收的频域音频样本的频率。幅度缩放单元186c可配置成接收频率缩放后的音频样本，并缩放所接收的频率缩放后的音频样本的幅度。逆向FFT处理单元186d可配置成接收幅度缩放后的音频样本并将其从频域重新转换为它们的等效时域音频信号。应该认识到，尽管频率和幅度缩放单元是分开表示的，但本发明并不局限于这一点。例如，单个缩放单元可配置成缩放音频样本的幅度和频率。
图3是方便理解图2的发明方案的流程图，图2的发明方案在诸如装置100的示范媒体播放器中实现。图3的过程说明涉及快进重放，因为一般不需要倒退特技模式的音频重放。但是，应该理解，本发明并不局限于这一点。此处所述的发明方案利用图3所述的相似技术可能应用到倒退重放特技模式。
当装置工作在重放模式时，过程可在步骤300开始。在步骤305，控制CPU 122可从高级功能缓冲器136监视用户输入。在步骤310，控制CPU 122可确定是否选择特技模式快进重放速度。在已确定选择了特技模式快进重放的情况下，控制CPU 122可继续步骤315到345以进行特技模式重放。否则，控制返回到处理步骤300。
如果在步骤310中已选择快速重放特技模式，则控制CPU 122可重新配置信息包视频解码器178以执行nX速度的特技模式视频重放，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度1X之比。如果重放速度是正常重放速度的两倍，那么n＝2。有许多方法可将信息包视频解码器178配置成提供比正常速度快的视频重放。例如，最简单方法是使信息包视频解码器简单地丢弃某些编码的图像。例如，在2X重放的情况下，每两张要显示的图像中丢弃一张。然而，可以理解，也可使用其它方法来改变视频重放速度，而本发明并不局限于实现比正常速度快的视频重放的任何具体方法。
在步骤315，控制CPU 122可确定n，这里n是视频特技模式重放速度与正常重放速度之比。在步骤320，可读取对应于在视频特技模式中正在播放的视频显示段的音频数据。
在步骤325，控制CPU 122可配置音频解码器182或DSP 186，以每n个样本中(n-1)个的速度丢弃音频样本，从而丢弃所选的音频样本。以这种方式丢弃音频样本具有加速音频以基本匹配视频速度的有益效果。但是，如果剩余音频样本简单地传递给用于后续向模拟格式转换的音频D/A 184，则结果是音频频率按照因子n而变化。这个频率变化可导致发音变成高调而且难以理解。因此，DSP 186可处理来自音频解码器182的数字音频输出。
在步骤330，DSP可将剩余音频样本从时域转换成它们对应的频域等效物。控制CPU 122可有利地选择DSP 186作为音频D/A 184的输入。DSP 186可从音频解码器182接收数字化的音频，并处理这种音频以产生听起来更自然的音频。更具体地说，在步骤330，DSP 186可配置FFT处理单元186a，以便将时域中所接收的音频信号转换成频域音频信号。
在步骤335，DSP 186可配置频率缩放单元186b，以便按照因子1/n缩放频域音频信号的频率。DSP 186也可配置幅度缩放单元186c，以便按照1/n缩放频域信号的幅度。有利的是，缩放音频信号幅度可减少音频信号的能量含量，使得信号处理更易于管理。
在步骤340，利用逆向快速傅里叶变换或IFFT处理单元186d，频域中缩放后的音频信号可重新转换到时域。值得注意的是，通过利用DSP 186的频率和幅度缩放功能，可按比例提高或降低数字化音频的音调或频率，以便补偿与重放速度变化相关的步骤325的音频样本的选择性消除。
在步骤345，频率和幅度缩放后的时域音频信号可用于产生重放信号，而特技模式重放利用所述配置的播放器100来执行。在步骤350，决定是否继续缩放音频信号。控制CPU 122可周期性地检查高级功能处理器136以确定快进重放模式是已经终止，还是仍然被选择。在已选择快进重放模式的情况下，那么控制CPU 122可返回到步骤320并继续特技模式重放。在已取消选定当前快进重放模式的情况下，即，用户已下达命令停止特技模式重放，则控制可返回到步骤310。
利用如图3所述的相同技术，此处所述发明方案可应用到慢速重放特技模式。在这种情况下，n是比1X小的数值。例如，n＝1/2代表速度放慢50％重放。而且，在步骤325，并非丢弃样本，所选时域音频样本以与慢速重放速度n成反比的速度重复，从而产生音频重放信号。音频样本以大约1/n的平均速度重复。在步骤335，频率缩放单元186b可配置成按照因子1/n缩放音频样本的频率。但是，对于慢速重放的情况，幅度缩放单元186c可配置成按照因子n缩放音频样本的幅度，而不是用于快速重放模式的因子1/n。
值得注意的是，本发明可在硬件、软件、或硬件和软件的组合中实现。根据本发明的机器可读存储装置可在一个计算机系统中集中式实现，例如控制CPU 122，或分布式实现，其中不同单元分散于若干互连的计算机系统上。适合于实现此处所述方法的任何类型的计算机系统或者其它装置是可以接受的。
特别地，虽然此处所述本发明构思出图1的控制CPU 122，但硬件和软件的典型组合可能是带有计算机程序的通用计算机系统，当计算机程序装载并执行时，控制计算机系统和类似于图1所示的DVD播放器系统，从而执行此处所述的方法。本发明也可嵌入到计算机程序产品中，该程序产品包括所有能够实现此处所述方法的功能，而且当其装入计算机系统时能够执行这些方法。
本上下文中的计算机程序可以指的是指令集的使用任何语言、代码或符号的任何表达式，该指令集用来使系统具有信息处理能力以执行特定功能，或者直接执行，或者在以下两种情形之一或两者发生之后执行：(a)转换成另一种语言、代码或者符号；和(b)以不同素材形式再生。

Claims (24)

1.一种用于在视频显示的视频特技模式重放期间播放声道的方法，所述方法包括：
从存储媒体(102)中读取数字数据(320)，所述数字数据表示对应于所述视频显示的音频节目；
从一部分所述读取的数字数据中解码出对应于所选部分的视频显示的多个数字音频样本(325)；
将所述数字音频样本从时域变换成对应的频域音频样本(330)；以及
根据所述特技模式重放，缩放所述频域音频样本的重放音频(335)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
以对应于所述视频显示的所选特技模式视频重放速度的速率丢弃从所述时域音频样本中所选的若干样本(325)；以及
产生只对应于剩余的一组所述音频样本的音频重放信号(345)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，以每n个样本中每(n-1)个的平均速率丢弃所述时域音频样本(325)，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述缩放步骤(335)还包括按照1/n的因子来缩放所述重放音频。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述缩放步骤(335)还包括按照1/n的因子来缩放所述频域音频样本的幅度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缩放步骤(335)还包括将所述缩放后的频域音频样本变换成对应的时域数字音频样本。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
以与所述视频显示的所选特技模式视频重放速度成反比的速率，重复从所述时域音频样本中所选的若干样本(340)以产生音频样本的特技模式组；以及
产生对应于所述音频样本的所述特技模式组的音频重放信号(345)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述时域音频样本(340)以1/n次的平均速率重复，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述缩放步骤(335)还包括按照1/n的放大倍数来缩放所述重放音频。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述缩放步骤(335)还包括按照为n的因子来缩放所述频域音频样本的幅度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储媒体(102)从由DVD、磁光盘、磁硬盘、视频光盘以及固态存储装置组成的组中选择。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编码的数字数据具有MPEG格式，而且所述读取步骤(320)还包括将MPEG比特流解码以获取所述音频样本。
13.一种用于在视频显示的视频特技模式重放期间播放声道的装置(100)，所述装置包括：
存储媒体阅读器，用于从存储媒体(102)读取数字数据，所述数字数据包括对应于所述视频显示的音频节目；
解码器(182)，用于从表示所述音频节目的一部分所述读取的数字数据中解码出对应于所选部分的视频显示的多个数字音频样本；
数字信号处理器DSP(186)，包括用于将所述数字音频样本从时域变换成对应的频域音频样本的快速傅里叶变换FFT处理单元；以及
所述数字信号处理器(186)包括用于根据所述特技模式重放来缩放所述频域音频样本的重放音频的缩放单元。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述解码器(182)和所述DSP(186)中至少一个包括以对应于所述视频显示的所选特技模式视频重放速度的速率丢弃从所述时域音频样本中所选的若干样本的部件。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，以每n个样本中(n-1)个的平均速率丢弃所述时域音频样本，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述缩放单元(186G)按照1/n的因子缩放所述重放音频。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述缩放单元还包括用于按照1/n的因子缩放所述频域音频样本的幅度的幅度调整单元(186c)。
18.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述DSP(186)还包括用于将所述缩放后的频域音频样本变换为对应的用于所述音频节目的时域数字音频样本的逆向FFT(186d)处理单元。
19.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述解码器(182)和所述DSP(186)中至少一个以与所述视频显示的所选特技模式视频重放速度成反比的速率重复从所述时域音频样本中所选的若干样本，从而产生特技模式音频样本组。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述音频样本以1/n次的平均速率重复，这里n等于所选特技模式重放速度与正常重放速度之比。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述缩放单元(186G)按照1/n的放大倍数缩放所述重放音频。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述DSP(186)还包括用于按照为n的因子缩放所述频域音频样本的幅度缩放单元(186c)。
23.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述存储媒体(102)从由DVD、磁光盘、磁硬盘、视频光盘以及固态存储装置组成的组中选择。
24.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述编码的数字数据是MPEG格式，而且所述数字数据的读取还包括将MPEG比特流解码以获取所述音频样本。
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