CN1047710C - 图象载体的制作方法以及在图象载体上存储图象的方法 - Google Patents

Abstract

将输入图象压缩编码成多个顺序记录在记录载体上的同步块的方法和装置，包括根据第一图像压缩编码技术通过数字处理输入图象提供代表输入图象的低分辨率画面的第一数字信号，根据第二图象压缩编码技术通过数字处理输入图象提供代表输入图象的较高分辨率画面的第二数字信号。第一、第二数字信号的相邻部分组合成顺序记录在记录载体上的连续的同步块。平均而言，每个同步块的第一数字信号代表输入图象的一完整的水平行。

Description

图象载体的制作方法以及在图象载体上存储图象的方法

本发明涉及数字录像机(VTR)的记录载体的制作方法以及在图象载体上存储图象信息的方法，更具体地说涉及能在画面搜索(所谓高速搜索或特技重放)模式期间形成/提供视频图像的数字VTR的记录载体的制作方法以及在载体上存储图象信息的方法，其中记录载体以不同于记录速度的速度通过VTR重放头。

在一台VTR中，磁拾取/记录头安装在圆柱形磁鼓上，并且记录载体(如磁带)以螺旋方式绕磁鼓的一半。如图1所示，在记录和重放期间，磁鼓(未示出)旋转，磁带10被驱动，按箭头12所指方向以恒速通过磁鼓，从而在平行的倾斜(螺旋)磁道14上记录或拾取视频信息信号。磁头相对于磁道14的运动的一个实例如箭头16所示。

在高速重放(所谓特技重放)期间，磁带以高于记录速度的速度被驱动通过磁鼓。其结果磁头每次扫描磁带都要扫过多条倾斜的磁道，如图1中的虚线箭头所示，这样从被记录的磁道上只拾取了一部分的视频信息信号。

具有高速重放模式的数字VTR提出了一些麻烦的要求。因为常规的数字图象压缩编码技术一般根据图象的复杂程度采用不同的位数对图象进行编码。因此，当VTR在高速重放模式运行时，不可能对编码的数据进行连续的恢复，并且记录的图象只有一部分被恢复。由于没有完全恢复所有的编码数据，因此再现的图象质量严重下降。

为了使数字VTR中的高速搜索模式能正常运行，有两个基本的要求。第一，在磁带上被恢复的高速数据的位置和该数据代表的再现图象的位置之间必须有一个固定的关系。第二，对被记录图象的某一序列而言，被记录数据的位速率必须固定，以使磁带的线性前进量对应于图象序列的等同的前进量。这些需要导致使用很难用于数字VTR的可变长度的编码方案。由于当前许多低位速率图象压缩编码规则采用可变位长度的编码方案(包括如帧间运动补偿)，所以它们不适合用于数字VTR。

于1992年8月4日授予Haikawa等人的美国专利5，136，394公开了一种具有图象编码方案的数字VTR，它提供了图象搜索操作模式。如其中公开的那样，每个图象分成三种类型的象素，即分别为a、b和c，其中每个图象行的c型象素是每个图象行的a和b型象素的两倍。每个图象的a、b和c型象素组合在一起，然后顺序记录在磁带上。此外，每组再被进一步分成两个子组，对应代表每个象素的数字数据的上m位和下n位。在图象搜索模式期间，从磁带上只恢复例如“a”型象素的上位，以便提供有用的“粗略”图象。然而，这一技术提供了非常有限的图象搜索的自由，因为必须对磁带上预记录的“a”型象素进行扫描和恢复。

于1992年8月4日授予M.Minami的美国专利5,136,391描述了一种数字VTR，其中输入图象被连续二次取样以便将其分成具有低分辨率分量的主图象和两个具有较高分辨率图象分量的分级子图象。主图象以固定位长编码并沿每条磁道的中心部分记录，而子图象以可变位长编码(例如采用适合的DCT技术)并记录在对称于记录主图象的相对两侧的磁道上。这一技术对特技重放操作和装置提出不希望有的要求，因为它需要恢复每条先记录的磁道的中心部分，以便再现有用的的图象。

于1989年2月21日授予Mr.Heignemas的美国专利4,807,053描述了解决这一问题的另一技术。如其中所描述的那样采用了一种图象压缩算法，使得当恢复的图象数据少于所有的被记录图象数据时，产生较差的再现图象，而当所有的数据被恢复时，产生最好的再现图象。首先，将输入图象分成子图象块，采用第一变换编码技术对这些子图象块进行编码。然后，分别连续子图象块的运动情况，并根据子图象块运动情况之间的差别等级给予一个运动代码。如果象它的运动代码所指出的那样，后一子图象比前一子图象运动要少，那么可以采用第二变换编码技术，当它与前一子图象结合时，能使输入的子图象更准确地再现。然而，如果运动代码表示大于连续子图象之间的一特定的最小运动量，那么再次采用第一编码技术。这样，在正常重放期间当所有的子图象按次序恢复时，运动代码的使用使得具有相似运动代码的子图象能够组合在一起(即使它们来自前面的帧或场，于是与处理的帧间编码型等同)，这是一种非常先进的编码技术。然而，如果恢复的子图象数据少于所有的子图象数据，那么仅仅哪些具有相似运动代码和特定变换代码的子图象能够组合在一起。如果相继恢复的子图象不具有运动代码和变换代码(这些代码使得它们能够组合在一起以便产生较高精度的子图象)，那么不组合它们，而是将先前恢复的子图象重复，以便再现原图。这一技术并不特别有利，因为它导致被恢复信号中的“阻塞”，此外，数据压缩不如其它更常规的图象压缩规则那样有效。

由Wu等人在题为“Rate-Constrained Optimal Block-Adaptive Coding for digital Tape Recording of HDTV”的文章中阐述的另一视频压缩技术考虑了当从记录载体恢复数据的速率不同于记录速率时采用“取样跳跃”(sample skipping)，该文章发表在IEEE Transactions on Circuits and Systens for Video Jechnology1991年3月第一卷第一号上。在这一技术中，视频的每帧(或场)被分成很少数目的子图象。每个子图象被分成不重叠的块，并且每块被预先设计的覆盖位速率范围的块量化器的有限集合中的一个编码，这使得每个子图象被用固定数目的位独立地编码。基于拉格日乘数法的一种近最佳量化器配置算法被用来为每块选择一特定的量化器。其目的是在限制每个子图象的固定的总位数的情况下，最大限度地减小整个子图象的失真。速率限制块适应技术采用多级压缩算法，包括分立余弦变换及其后的矢量量化。虽然这一技术使得在特技重放期间能实现数据再现，但是多级压缩编码技术将导致特技重放期间再现图像的所不希望的“块”。此外，块适应技术将不能得到最佳数据压缩。

本发明的一个目的是使特技重放模式操作时能在数字VTR中恢复和重放记录的图象。

简单地说，在本发明的数字VTR中，数字视频信息只被分成两个数据流，特技重放数据流(TDS)和正常重放数据流(NPDS)。两个数据流都代表相同的图象，但是对每个给定的图象而言，TDS所用的位少于NPDS，因此与NPDS相比，TDS所表示的图象的分辨率较低。两个数据流的相邻部分组合在一起形成连续的同步块，然后再将它们顺序地记录在记录载体的平行倾斜磁道上。在特技重放期间，仅用同步字的被恢复的TDS部分再现图象，而在正常重放期间，单独使用NPDS部分，或将它与TDS部分结合在一起使用，以便再现图象。TDS是以固定位长编码的，因此可以用在磁带倾斜的多个磁道被扫描时恢复的每个同步块(或字)的TDS部分再现图象。固定位长编码非常适合于低分辨率的TDS部分。需要代表正常重放图象的NPDS具有高得多的数据速率，因此采用可变位长编码算法的编码方案是非常有利的。

根据本发明的一个方面，每个同步块的TDS部分平均而言代表图象的一条完整的水平行。

根据本发明的另一方面，TDS部分是通过对原图进行副带分解以便形成更小的图象，然后再用矢量量化技术对其编码形成的。

根据本发明的再一方面，在本发明的最佳实施例中，TDS和NPDS是以分级方式关联的，因此每个同步字的TDS和NPDS部分都用来在正常重放期间产生被恢复的图象。这进一步提高了图象压缩的效率。

因此本发明的主要优点是使用了常规的平行倾斜磁道记录技术，而同时允许在高速搜索期间再现图象，这一优点起因在于依次记录的同步块中包括固定位长编码的TDS的相继部分。由于它是固定位长编码的，所以不参照其它同步块就能对其进行解码，这些同步块可以不从磁带上恢复，并且由于TDS部分是连续的，因此当高速搜索模式期间对多条磁道扫描时，漏掉的同步块的未恢复TDS部分可以用TDS数据来代替，这些数据代表被恢复的其它同步块的类似定位的图象部分。

此外，由于每个同步块的TDS部分平均而言代表被恢复图象的一条完整的水平行，因此在特技重放期间再出了更中意和图象。再者，特技重放操作可以在沿记录磁道的任何一点开始，而不需要任何特殊的磁头相位控制。

通过以下结合附图对本发明所作的详细描述，本发明的这些和其它目的和优点将会变得更清楚。

图1如前所述地表示先有技术的螺旋扫描平行磁道格式以及特技重放期间所出现的问题；

图2是用于数字VTR的本发明的压缩编码算法的框图；

图3表示用于图2装置的副带分解和取十分之一的处理过程；

图4表示图2装置产生的同步块；

图5表示根据本发明的原理图4的同步块在磁带上的安排方式和恢复情况；以及

图6是具有用于恢复用图2装置记录的数据的译码器的数字VTR的框图。

参看图2，其中显示了根据本发明的一个方面构造的数字VTR20的记录部分VTR包括根据本发明的原理构造的视频信号压缩编码部分22和常规的信号压缩部分24，以及在磁带10上数字化记录视频信号的记录头26。为了简单起见，只显示了一个编码部分22，它例如根据CCIR Recommendation 601从编码的数字信号。源接收亮度(Y)信号处理色度信号即U和V还需要附加的编码电路28和30。

输入成帧器32接收源数字视频的连续帧，并将它提供给副带分解模块34，在那里它被取十分之一，以便形成更小的图象。例如，对每一输入帧的亮度分量而言，帧的大小可以为水平方向720个象素乘以垂直方向480行(象素)。副带分解和取十分之一的结果得到具有水平方向180个象素乘以垂直方向120行的亮度场。如参照图5将要更详细地说明的那样，这是通过沿水平方向两次和沿垂直方向两次进行低通滤波和取十分之一处理实现的。然后通过矢量量化(VQ)模块36采用常规的量化技术对这些较小的图象编码进行数据压缩，以便形成特技重放数据流(TDS)。为了实现矢量量化，这些较小图象必须被编成固定大小的矢量。在本实施例中，两种不同的矢量尺寸，如水平方向16个小的象素和垂直方向1个象素(16×1)或水平方向8个小的象素和垂直方向2个象素(8×2)中的任一种都是可取的。然后，根据常规的技术，采用产生TDS代码字的固定大小代码的源程度段，对这些矢量进行量化。这些VQ代码字然后被用来形成TDS。

TDS作为第一输入被加到同步块成帧器38，同步块成帧器38将TDS代码字与代表正常重放的视频信号的代码字组合在相继的同步块中，这将在下面予以说明。

与TDS的形成过程同时，根据几种已知的高质量图象压缩编码技术中的任何一种，正常重放数据编码器40对输入的图象帧进行处理，所述编码技术最好采用可变位长编码，例如由MPEG StandardsCommittee提出的那种，见他们的文件ISO IEC/JTC1/SC29/WG11，文件#AVC260，1992年5月，题目为“Test Mode 1”，以及MPEG92/160，这些都是用来形成代表正常重放的图象的连续代码字的，叫做正常重放数据流(NPDS)。当然，为了限制将要固定的编码超过某一要求的输入序列的帧数，例如兼顾要求的编辑范围和压缩率取该值为四，就可能有必要对常规的MPEG技术进行适当的适当修改。然后NPDS作为第二输入送至同步块成帧器38。

延迟模块42对送至编码器40的输入帧进行延迟，因此，当同步块成帧器38将TDS和NPDS组合成一个单独的同步块或字时，每个组合的数据流所代表的输入帧的部分基本相似。然而，由于TDS是固定长度编码的，所以同块中连续的相邻TDS部分导致磁带上同步块的位置和由该同步块中TDS代表的被记录图象中的位置之间的预定的和已知的相互关系。换一种说法，TDS和NPDS仅代表输入图象的基本相似部分，因为虽然TDS的相邻部分代表输入帧的相邻部分并置于相继同步块的相继部分中，但是由于其可变位长编码方案，NPDS的相邻部分不再象TDS那样具有与输入帧相同的空间关系。

然后用常规的VTR信号处理电路24对相继的同步块进行处理，并将其送至磁头26，以便在磁带10上的多条平行倾斜磁道上记录相继的同步块。

在最佳实施例中，通过再现TDS并且然后在形成NPDS之前从输入图象中将它减去，对NPDS编码采用分级方案。从NPDS中删去TDS导致更有效的编码方案，因为TDS信息已经被分开提供。如图2所示，TDS被反矢量量化器44处理；后者再次对输入的图象取十分之一，并且基本包括对被取十分之一的图象的象素进行运算的插入电路的副带再现模块46再现原图象帧。减法电路48从输入帧中减去再现的TDS，以便向正常重放编码块40提供减少了位密度的输入图象。

图3以框图形式表示此处所用的副带分解。输入图象场302的最初大小为h×v(比如对Y分量而言是720个象素乘以480行)。可分离的滤波器304和308用来在通过模块306对两行和通过模块310对两列进行取十分之一处理之前对输入图象的行和列分别进行低滤波。众所周知，取十分之一处理之后需要滤波器来防止混淆。此外，滤波器不必象图3所示那样是可分离的。每个图象场经过图3处理后的结果是产生为原来的一半的场宽(h)和高(v)。在最佳实施例中，Y和U、V分量水平方向上进行两次取十分之一处理，垂直方向上一次，以便产生180×120象素的亮度场和90×120象素的色度场。

图4表示TDS和NPDS代码字在磁带上的安置。同步块或字400包括第一部分402，它最多占块400的长度的10％并包括其中记录着被编码的TDS的固定位长的部分。如后面将要说明的那样，每部分可由23个代码字组成(对于8×2矢量量化)或由6个代码字组成(对于16×1矢量量化)。字400的第二部分404包括其中记录的被编码的NPDS的可变长度的部分。为简单起见，图中未示出常规的视频同步字的附加部分，诸如与同步字的标识、错误校正(如奇偶校验)和其它通常包括在数字数据系统中的较低级的“管理”型数据有关的数据。

如前所述，磁带上数据的安置对特技重放期间本发明的性能是至关重要的。在最佳实施例中，对输入图象的第一场来说用一条磁道记录数据。每条磁道分成具有固定长度的240个同步字，平均一个同步字对应原图象场中的一行。

假定在NPDS中，位速率在4帧上固定，那么这4帧的NPDS覆盖8条平行磁道(即4帧)上的所有的同步字。于是为了对NPDS解码，译码器必须始于8条磁道的序列的开始处，以便从这8条磁道上的连续同步字得到所的的数据。然而，TDS位于同步字中，因此理想情况下只需要恢复一个同步字来产生原图象的一行。在特技重放期间，理论上译码器因此可以使用任意恢复的同步字，不管磁带上数据的恢复开始于何处。然而在本实施例中，由于当前技术对磁带带宽和位密度的限制，所以用4个同步字来代表TDS代码字的4行。然而这仍然导致每图象平均1个同步字，并已经发现这可以接收的。得到代表4行的TDS代码字的方式起因于当对取十分之一的图象进行VQ处理时采用了8×2的象素块，这将在以后说明解码电路时更详细地讨论。

图5表示在特技重放图象形成期间是如何恢复记录的同步字的。总的来说，特技重放期间形成的图角与常规的模拟VTR在特技重放期间形成的图象类似。即特技重放图象将包括输入图象序列的相继行的“条带”输入图象序列是在磁头斜扫过磁带时恢复的。磁带500包括代表每一场的240个同步字，它们被记录在每条平行倾斜磁道上。这样，两条相邻磁道代表诸如给定帧的第一场和第二场。VTR以诸如两倍于正常重放速度运行时，同步字数据将在“条带”中恢复，如图5中的阴影所示。即，如图5中的箭头所示，每个特技重放图象将有从第一帧的第一场(TF₁₁)的上120行导出的上半部分和从第一帧的第二场(BF₁₂)的后120行导出的下半部分，等等。本例也可以用来说明其它多种图象搜索速度下的数据恢复情况。

在正常重放期间，所有的数据被恢复(TDS和NPDS)，并且从相继被恢复的同步块中产生正常重放的图象。然而，在特技重放期间，例如两倍于正常重放速度，对原输入序列的每两帧产生一帧视频图象。这由磁头扫过如箭头402、404和406所示的倾斜磁道时，图5所示的连续帧的相邻“条带”的拾取来表示。

如上所述，对特技重放而言，关键是不参照任意其它的图象序列部分就能对图象部分解码。这一限制使得使用运动补偿非常困难。本发明通过在特技重放期间忽略NPDS来避免这些困难。在特技重放期间，仅仅需要得到最少数目(当前为四，但理想的是一)的同步字，以便对原画面的同一最少数目的行进行解码。根据最佳实施例，可以再现这些同步字的TDS部分，以便再现原视频场的两行或四行。

再看图3，通过副带分解和取十分之一处理(SDD)，产生了输入图象(场或帧)的低分辨率的画面。然后用矢量量化(VQ)对SDD图象进行编码，以便记录或传输。VQ的矢量大小可以是诸如为8×2或16×1.8×2大小的矢量是指每个矢量代表SDD图象的水平方向的八个象素和垂直方向的两个象素。应注意，SDD图象的垂直方向的每个象素代表输入图象的水平方向上两行的象素，因此每个编码的矢量代表输入图象的水平方向上四行的图象信息。如果采用16×1大小的矢量，那么可看到当用与上述对8×2矢量的分析方法相同的方法分析时，每个VQ代码字(被编码的矢量)将代表两行的信息。

由于一行的宽度是720个象素，因此四倍插入方案使得恢复180个象素来再现720个象素的视频图象。实际上，由于象素的“溢出”等因素，需要超过12个象素(或总共192个)。那么恢复24个VQ代码字足够用来再现输入图象的完整宽度。这是因为如上所述每个24VQ代码字代表8个水平方向的象素(当采用8×2大小的矢量时)，并且24乘以8等于192个象素。此外，由于根据本发明的原则，平均每个同步字记录一图象行，并由于每个VQ代码字代表四图象行的象素，因此每个同步字必须包括6个VQ代码字。然后，恢复4个同步字产生24个代表输入图象的4个完整宽度行的代码字。这样便可以做到平均每个同步字一条完整的水平行。

根据本实施例(其中矢量大小为16×1)，只需要恢复13(实际为12.5)个VQ代码字便可得到192个象素，这些象素是再现输入图象的完整宽度所必需的。因此，采用平均每个同步字6个代码字，则仅需恢复2个同步字来再现完整宽度的图象。由于每个代码字代表从输入图象的2个相邻行得到的象素，因此仍保持平均每个同步字1行。如上所述，正是平均每个同步字记录一完整的图象行这一特点，才使本发明人感到能够在特技征放期间更满意对输入图象进行再现。

如图6所示，VTR600包括译码器602。常规的磁拾取头604与常规设计的恢复电路608一起从磁带606恢复同步字。多路分解器610分离TDS和NPDS数据，并向反向VQ模块612提供TDS数据，并向常规的MPEG数据译码器614提供NPDS数据，后者与用于图2编码过程中的MPEG编码互补。反向VQ模块612和插入模块615以类似于结合图2中的模块44和46描述过的方式再现“小的”图象。由于MPDS是分级编码的，所以组合器616将恢复的TDS和恢复的NPDS组合在一起，以再现原有的NPDS。然后在正常重放期间用信号处理电路618(包括D/A转换器)处理NPDS，或在高速搜索期间处理TDS，以便产生常规的模拟视频输出。

由此，已经展示和描述了对图象进行数字编码的新颖的方法和装置。然而，在考虑了本说明书之后，很显然可以进行许多修正。例如，虽然采用了分级编码，即从NPDS中减去TDS，但是在应用本发明时这不是必需的。此外，在特技重放和正常重放期间，可以取消图2的编码器或图6的译码器的无用部分。这些和其它的变化及修改都被认为在本发明的的范围和精神之内。本发明仅受所附权利要求书的限定。

Claims (2)

1.一种用于制作图象载体的方法，所述图象载体包括多个平行的倾斜的记录磁道用于存储图象信息，其特征在于该制作图象载体的方法包括下述步骤：

将每个磁道分成预定数目的限定预定磁道长度的同步块；以及

将每个同步块分成第一和第二部分，所述第一部分远小于所述的第二部分并且大体为所述同步块的长度的10％；

其中相应的被编码的第一和第二图象信息被存储在所述的第一和第二部分当中；

其中所述的第一图象信息允许特技播放模式操作中较低分辨率的输入图象的重建，第二图象信息允许正常播放模式操作中较高分辨率的输入图象的重建；

其中每个同步块的所述第一图象信息代表输入图象的一个完整的扫描线。

2.用于在图象载体上存储图象信息的方法，所述图象载体包括多个平行的倾斜的记录磁道，其特征在于包括下述步骤：

将每个磁道分成预定数目的限定预定磁道长度的同步块；以及

将每个同步块分成第一和第二部分，所述第一部分远小于所述的第二部分并且大体为所述同步块的长度的10％；

在所述的第一和第二部分当中存储相应的被编码的第一和第二图象信息；

其中所述的第一图象信息允许在特技播放模式操作中较低分辨率的输入图象的重建，第二图象信息允许在正常播放模式操作中较高分辨率的输入图象的重建；

其中每个同步块的所述第一图象信息代表输入图象的一个完整的扫描线。

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