CN1058826C

CN1058826C - 数字视频信号记录和重放的方法和装置

Info

Publication number: CN1058826C
Application number: CN93108378A
Authority: CN
Inventors: 金钟国; 文光好
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 2000-11-22
Anticipated expiration: 2013-07-13
Also published as: KR940002838A; EP0579156A2; US5486931A; EP0579156A3; JPH06209447A; JP3076694B2; DE69322551D1; CN1081528A; KR100195071B1; DE69322551T2; EP0579156B1

Abstract

本发明为一种记录/重放方法，包括用多个旋转磁头对正常速度运行的磁带的第一区域进行螺旋扫描；在多条倾斜磁迹上记录数字数据串，并通过至少一个固定磁头，在磁带的第二区域同时记录N个画面的每一个间隔的一帧数据；正常重放期间重放记录在第一区域的数据，当磁带以N倍速度运行时，进行变速重放，重放记录在第二区域的数据。数字VTR的磁带的不同区域中分开记录正常记录/重放数据和特殊记录/重放数据，并对它们分开进行处理。

Description

数字视频信号记录和重放的方法和装置

本发明涉及数字视频信号记录和重放的方法和装置，更具体地说，涉及当进行变速重放比如高速搜索时提供高质量的重放画面的数字视频信号记录和重放的方法和装置。

自从1980年以来，家电生产厂家一直在研制家用数字视频磁带录象机(VTR)。这种数字VTR系统通过压缩和高密度记录方法对视频数据进行简单的记录和重放，并且这种系统应该能实现一种编码技术，利用该技术能同时获得高清晰度、长记录时间、变速重放和图象编辑。然而，当为了延长记录时间而对视频数据进行压缩时，压缩比特率是根据视频数据的复杂程度而改变的。从而比特率应固定在同步块单元中，这是满足高清晰度的最小单元。因此，由于某些数据被固定的比特率丢失，所以不能指望得到十分满意的图象。此外，即使比特率固定到一个同步块单元，当同步块数据不是被全部拾取时，同步块也是不可重放的。因此，由于在旋转磁头横切磁迹的变速重放期间产生了不可重放的同步块，所以根据多种速度，在屏幕上会偶然出现玛赛克(mosaic)现象。这样，变速重放屏幕的画面质量是不理想的。

为了在变速重放过程中得到清晰的画面，人们已经开发了通过采用由诸如双层晶体元件的压电元件制成的动态磁头跳过磁迹的方法。按照现有的技术水平，该方法能实现的重放速度为正常速度的三至五倍，而大于正常速度的六倍则是不可能的。此外，由于动态磁头价格昂贵，且跳过磁迹的伺服控制技术需要非常高的精度，所以该方法目前只用于一些特定场合，如电视台演播室。

因此，为了解决上述常规技术的问题，本发明的一个目的是提供一种数字视频信号记录和重放方法，利用该方法在变速重放期间可以看到清晰的画面。

本发明的另一目的是提供一种数字视频信号记录和重放装置，它最适合于使用上述数字视频信号记录和重放方法。

为了实现上述本发明的第一个目的，所提供的视频信号记录和重放方法包括以下步骤：

预备磁带的第一区域；

在该磁带以正常速度运行时，螺旋扫描所述磁带的第一区域，以便把数字数据串记录在多条倾斜磁迹上；

与所述扫描步骤同时，以N个画面的间隔在该磁带的第二区域上记录单帧数据，该第二区域不同于第一区域；

在正常重放期间只重放第一区域的数据；及

在磁带以用于变速重放的N倍速度运行时，重放记录在第二区域的数据。

为了实现上述本发明的第二个目的，所提供的视频信号记录和重放装置包括：

多个旋转磁头，以预定的旋转速度对磁带的第一区域进行螺旋扫描；

多个固定磁头，按长度方向对磁带的第二区域进行扫描，该第二区域不同于第一区域；

正常记录部分，接收数字音频/视频信号，进行高效率编码、误差校正编码和接收信号的通道编码，并且向多个旋转磁头提供经编码的信号；

变速记录部分，作为输入信号接收输入至正常记录部分的每个第N帧数字视频信号，完成二次取样、高效编码和对输入信号的通道分配，进行误差校正编码和各个分配了通道的信号的通道编码，以及向相应的固定磁头输送如此处理后的信号；

正常重放部分，在正常重放期间，它以和正常记录过程相反的方式，对通过多个旋转磁头从磁带的第一区域拾取的信号进行处理，并且将经处理的信号恢复成原始正常重放信号；以及

变速重放部分，在变速重放期间，它以和变速记录过程相反的方式，对通过多个固定磁头从磁带的第二区域拾取的信号进行处理，并且将经处理的信号恢复成与输入信号相对应的原始信号。

通过参照附图详细描述本发明的最佳实施例，本发明的上述目的和其它优点将会变得更清楚，其中：

图1表示常规的螺旋扫描式8mm录象带的记录格式；

图2表示常规的螺旋扫描式磁带录象机(VTR)的走带系统的示意图；

图3是本发明的磁带的记录格式；

图4是本发明的一个最佳实施例的磁带的记录格式；

图5是本发明的记录和重放装置的框图；

图6是用来说明根据本发明进行特殊重放时所显示的画面大小的示意图；

图7是用来说明根据本发明进行特殊记录时二次取样的示意图；

图8是用来说明根据本发明进行特殊重放时的半加载方法的示意图；

图9是本发明的另一最佳实施例的磁带的记录格式；

图10是本发明的用于变速重放的视频输出装置的框图；以及

图11是本发明的第三最佳实施例的磁带的记录格式。

以下参照附图说明本发明的最佳实施例。

图1表示常规的螺旋扫描式8mm录象带的记录格式。其中参考符号“A”代表录带的整个带宽(8mm)，“R”代表辅助音频磁迹Ta的宽度(0.6mm)，“C”代表提示磁迹Tc的宽度(0.6mm)，“X”代表沿录象带方向从螺旋磁鼓的180°扫描末端到音频和提示磁头Ha和Hc的位置之间的距离(31mm)，以及“Ts”代表分成音频数据和视频数据的倾斜的磁迹。倾斜磁迹相对录象带的长度方向倾斜一个超前角θ。此外在图1中，旋转磁鼓的36°扫描被分给音频数据，而5°扫描被分给垂直消隐。

图2是常规的螺旋扫描旋转磁头式数字VTR的走带系统的示意图。在图2中，参考号10代表录象带，12是旋转磁鼓，12a和12b是旋转磁鼓，14和16是斜杆，18是消磁头部件，20是提示和音频磁头部件，22是主导轴，以及24是压带轮。录象带10通过主导轴22和压带轮24以恒定走带速度V_T运行，主导电动机(图中未示出)使主导轴22和压带轮24旋转。旋转磁鼓12通过磁鼓电动机(图中未示出)以恒定的转速V_D(即3600rpm)旋转。例如，假定旋转磁鼓的直径是40mm，则旋转磁头12a和12b对倾斜磁迹Ts的扫描速度是7.536m/s。因此，如果倾斜磁迹Ts的间距P是10μm，倾斜角θ是4°88″，则录象带的走带速度可以用下式(1)表示：

v_{T} = \frac{P}{\sin θ} \times N_{Ts} - - - (1)

此处N_TS表示旋转磁磁每秒所扫描到的倾斜磁迹的数目。例如，在使用单帧四磁迹划分的方法和情况下，每秒在屏幕上应显示30帧。因此，旋转磁头每秒扫描120条磁迹，走带速度V_T变为14.106mm/s。也就是说，录象带在其长度方向上每秒行进14.106mm。

这样，本发明可以在音频磁迹Ta和提示磁迹Tc上对特殊的重放图象信息(例如特技重放或变速重放)进行记录和重放，由此在特殊的重放操作期间重放清晰的图象。此外，由于正常的重放区域和特殊的重放区域是彼此独立的，所以记录在正常重放区域的视频数据的比特率可以固定。因此，改善了正常重放画面的质量，并且可以简化数据压缩的结构和还原压缩电路的结构。

图3是本发明的数字视频记录和重放装置的磁带的记录格式。在图3中，参考号30代表正常记录和重放操作的第一区域，参考号32代表特殊重放如高速搜索的第二区域。第一区域30包括若干倾斜磁迹Ts，通过螺旋扫描式磁头将数字音频/视频信息和跟踪引导信号重叠并记录在磁迹Ts上。第二区域32包括至少一条水平磁迹Th，上面通过固定磁头136记录特殊重放画面信息。固定磁头136的位置离旋转磁头116的倾斜磁迹Ts的扫描末端的距离为“X”(与常规的VTR相同)。也就是说，此处固定磁头的位置与常规VTR的音频和提示磁头部件的位置相对应。因此，当旋转磁头116在第一区域30对倾斜磁迹了s的扫描量为N时，沿磁带10的水平磁迹Th的方向的间隔“Y”被固定磁头136扫描。因此，在本发明中，在水平磁迹Th的间隔“Y”上记录一帧信息，以便和正常记录速度下的预定的帧数目对应。对特殊重放操作而言，通过固定磁头拾取和重放记录在水平磁道上的画面信息，而磁带以预定的重放速度行进。

为了理解本发明，下面说明本发明的最佳实施例。

图4是本发明的一个最佳实施例的磁带的记录格式。在该实施例中，一帧信息被分开记录在四条倾斜磁迹上，速度为每秒30帧，两帧信息被分开记录在四条水平磁迹上。这样，如图4所示，当一秒钟在第一区域30记录30帧信号F1-F30时，一秒钟在第二区域32记录具有15帧间隔的两帧信息F1-F16。

图5是根据本发明的一个实施例的记录和重放装置的框图。本发明的装置可分成记录器部分和重放器部分，记录器再分成正常记录器和特殊记录器，重放器同样地也再分成正常重放器和特殊重放器。

正常记录器包括二次取样电路102、数据压缩电路104、误差校正编码器106、音频编码器108、通道编码器110和记录放大器112、同时，特殊记录器包括源输入格式(SIF)二次取样电路122、数据压缩电路124、通道分配电路(或复用器)126、四个误差校正编码器128、四个通道编码器130以及四个通道记录放大器132。

正常重放器包括重放放大器202、通道解码器204、误差校正解码器206、音频解码器208、数据还原压缩电路210和内插器212。同时，特殊重放器包括四个重放放大器222、四个通道解码器224、四个误差校正解码器226、通道恢复电路(或多路分解器)228、数据还原压缩电路230以及内插器232。

正常记录器和正常重放器通过开关114与一对旋转磁头116结合在一起。特殊记录器和特殊重放器通过开关134与四个固定磁头结合在一起。特殊记录器通过开关SW1输入间隔为15帧的一帧信息。特殊重放器通过开关SW2为重放的画面选择屏幕显示尺寸。

如图5所示，可以通过内插器232将重放的画面满屏显示；不经过内插器，重放的画面只在四分之一屏幕上显示。在这些条件下，当SIF二次取样画面作为一个满屏显示内插时，画面质量是不完全令人满意的，而四分之一屏幕显示有些小，但画面质量好些。在四分之一屏幕显示的周围区域中，背景被处理成蓝色或类似颜色。

在上述装置中，视频输入信号是一个具有CCIR601格式的复合信号，其中Y∶Cr∶Cb＝4∶2∶2，这可以从图7中看出。此处，亮度信号y由480×720个象素组成，每个色差信号是480×360个象素。

参照图5、6和7，二次取样电路102接收4∶2∶2的复合信号，并对色差信号Cr和Cb进行二次取样，以便变成4∶1∶1的复合信号。数据压缩器104接收经变换的信号，按一个预定的压缩比例压缩数据，对经压缩的数据编码，并输出该编码数据。此处压缩编码方法采用已知的正交变换编码、预测编码或矢量量化；也可以用帧内编码或帧间编码。

应该注意的是对上述特殊的重放功能来说，平常出现的问题已经存在于控制过程中，因此固定同步块的比特量作为最小记录单元是困难的，因此画面质量受到极大影响。然而，由于在本发明中特殊重放数据是分开处理的，所以不需要严格控制比特量。因此，压缩算法变得简单了，可以构造出简单的压缩电路。

由于本发明中比特率可以固定在15帧或30帧，所以正常重放期间重放的画面质量比起常规情况来要改善许多。误差校正编码器106接收经编码的数据并通过已知的误差校正编码算法对接收到的数据编码，将在同步块单元中相加的数据输出至奇偶代码。两字节同步码(SYNC)和两字节识别码(ID)加到同步块的数据上。从音频编码器108输出的信号在那里用诸如八对八、八对十四或正交调幅的数字调制方法进行处理。记录放大器112放大经调制的数据，并将放大的数据经开关114输送给旋转磁头116。如果最终记录的比特率是25Mbps，并且直径40mm的旋转磁鼓以3600rpm的速度旋转，那么旋转磁头116的旋转速度为7.536m/s，最高记录频率变为12.5MHz。

特殊记录器处理对应于30帧的、在正常记录器中被处理一秒钟的信息，并通过固定磁头136在水平磁迹的“Y”间隔上记录经处理的数据。然而，由于间隔“Y”比起正常的记录区域来是很小的区域，所以不能记录对应于全部30帧的信息，并且一帧信息可以通过15帧或30帧的间隔记录。本实施例是根据一帧信息通过15帧间隔记录来说明的。因此，如图4所示，对应于30于帧中的帧F1和F16被压缩并记录在间隔“Y”上。每隔15帧的间隔开关装置SW1就接通一帧的时间，其它时间都关断。如图7所示，SIF二次取样装置122对4∶2∶2的复合信号进行取样，并将亮度信号“Y”变成240×360个象素的信号，将每个色差信号Cr和Cb变成120×180个象素的信号。这是为了减少通过二次取样的数据量，因为可以记录在间隔“Y”上的比特量远远小于正常记录所需的量。由于数据压缩电路124没有帧间相互关系，所以仅用帧内编码方法。采用已知的压缩编码方法，在帧单元中可以稳定地控制比特量。这里，数据压缩率CP由下式(2)表示：

CP = \frac{(B + C) λ}{{2 Hv}_{T}} - - - (2)

此外参考符号B代表每一通道的比特率，C是奇偶校验位率，λ是固定磁头的记录波长，H是固定磁头数，以及V_T是磁带相对于固定磁头的速度。

利用上式(2)并假定两个SIF二次取样帧的全部比特率是2025kbps，奇偶校验位率是全部比特率的20％，λ是0.6μm，V_T是14.106mm/s，则压缩cp可以这样计算：

CP = \frac{2.025 \times 1.2 \times 0.6}{14.106 \times 8}

＝12.9这样，位比特率在压缩之后为155.77kbps(2025kbps/13)。因此在本实施例中，一帧SIF信息总是被恒定地压缩成77.88kbps。

上述压缩率已经在标准重放方式的基础上计算出来了。然而，在长时间重放方式的情况下，由于磁鼓的旋转速度为1800rpm，所以每帧的磁迹数从四减为二，并且相应地，间隔“Y”减半。因此长时间重放方式的压缩率应加倍。这里，数据压缩率和特殊记录器的某些参数之间的关系如下：

i)倾斜磁迹间隔P：随着P增加，间隔“Y”变长。(因此，压缩率的负担减小，正常记录时间缩短。)

ii)记录波长λ：随着λ缩短，记录密度提高。(现在的技术水平达到大约0.6μm。)

(iii)固定磁头数H：随着H增加，压缩率减小。

如上所述，本发明的系统是在数据压缩cp、p、λ和H基础上的最佳设计。确定压缩率除了考虑两条附加磁道的宽度外，还应考虑成本。

通道划分电路126将压缩编码的数据分成四通道数据，以供输出。各个划分了通道的数据经误差校正编码器128、通道编码器130和记录放大器132输送给相应的固定磁头136。

本发明重放系统如下所述。在正常重放期间，通过旋转磁头116从倾斜磁迹的第一区域拾取信号，并通过开关装置114将该信号输入到正常重放器。输入到正常重放器的信号经过重放放大器202和通道解码器204，经通道解码的视频数据经过误差校正解码器206、数据还原压缩电路210和内插器212，以便再现原始图象信号并将其输送至一个显示单元。经通道解码的音频数据通过音频解码器208恢复成一个音频信号。另一方面，在特殊重放期间，通过四个固定磁头136从水平磁迹的第二区域拾取信号，并通过开关装置134将信号输入到特殊重放器。

在本发明中，在这种特殊重放功能是高速搜索时，磁带速度增加。为了在高速重放期间实现实时处理，应该在三十分之一秒内对同时从四个固定磁头136拾取的一帧信息进行处理。在这种处理过程中，磁带行进7.053mm(14.106mm/2)，速度为211.59mm/s。磁带在这样的速度下行进，按F1、F16、F31…的次序顺序拾取信息，最快可进行十五倍速度的重放。特殊重放器对输入信号的处理过程的次序与特殊记录器相反，以便再现具有SIF形式的原始信号。因此，通过内插器232插入恢复的信号并变回到CCIR601的格式作为全屏显示，或者恢复的信号以SIF形式直接输出作为半屏显示。

此外，在高速重放中，除了全加载方法(图2)，还可以对磁带用图8所示的半加载方法。从释放磁带和因磨损使其性能变差的观点来看，半加载方法优于全加载方法。

固定磁头的记录和重放过程的频率特性如下所述。能够被一个固定磁头用一秒记录的比特量是46.7千位。因此，在15倍的速度下，比特率是700.5千位(46.7千位×15)。这样，由于最高频率是0.34MHz，所以固定磁头的频率特性设汁为高于0.34MHz。

图9表示当间隔“Y”上记录一帧信息时一次的数据记录格式，即为了每隔30帧间隔的特殊重放的目的，在水平磁迹的一个间隔“Y”上记录一帧信息时一次的数据记录格式。在这种情况下，数据压缩率变为6.5，与上述Y间隔两倍帧方法相比，压缩率仅为其一半。另一方面，Y间隔信号帧的方法磁带重放速度为423.18mm(14.106mm被1/30秒除)。这样仅可以得到30倍的速度。因此在这种情况下，固定磁头的频率特性变为0.68MHz。

图10是本发明的记录和重放系统的用于变速重放的视频输出装置的框图。这里参考符号M1和M2是帧存储器，SW3和SW4是开关。开关SW3将存储在特殊重放器中的帧信息交替地输送给帧存储器M1和M2。开关SW4以与开关SW3相反的方式在帧存储器M1和M2之间转接。输送的帧信息暂时写入帧存储器M1和M2，它是Y间隔记录帧数目和速度乘积的倒数。此外，从帧存储器M1和M2中反复读出写入的帧信息，重复次数是代表写时间(每秒)被30(30/s)乘的一个整数值。例如用Y间隔单帧方法(图9)，可以得到下面表1所示速度下的变速重放：

表1

速度倍率	带速(mm/s)	写时间(秒)	读时间(秒)	重复读的次数
速度倍率	带速(mm/s)	写时间(秒)	读时间(秒)	重复读的次数	1×2×3×5×6×10×15×30×	1V_T2V_T3V_T5V_T6V_T10V_T15V_T30V_T	11/21/31/51/61/101/151/30	1/301/301/301/301/301/301/301/30	30151065321

此外，用Y间隔两倍帧方法(图4)，可以得到下面表2所示速度下的变速重放：

表2

速度倍率	带速(mm/s)	写时间(秒)	读时间(秒)	重复读的次数
速度倍率	带速(mm/s)	写时间(秒)	读时间(秒)	重复读的次数	1×3×5×15×	V_T3V_T5V_T15V_T	1/21/61/101/30	1/301/301/301/30	15531

这样，当用Y间隔m帧方法速度为m倍时，磁带在n×V_T的速度下行进。此处存储器写时间是一秒的mn分之一，读重复次数是30×(1/mn)。

如上所示，本发明在数字VTR的磁带的相互不同的区域分开记录用于正常记录和重放的数据以及用于特殊记录和重放的数据。因此，由于处理正常记录/重放信号的过程与处理特殊记录/重放信号的过程相互独立，所以正常处理过程的设计由于具有更高的自由度而变得容易了。此外，采用通用VTR技术就可能设计特殊的处理过程，而不必用高精度的伺服技术也不必用特殊的材料和/或部件。

在本发明中，已经阐述了在对应于每个第N帧正常记录的第二区域上记录每个第N帧数据的方法。然而如图11所示，数据被部分地从多个正常记录的帧中提取。这样，可以构成记录在第二区域的每个第N帧数据。也就是说，用单帧四段四磁迹方法，Y间隔被分成四段，因此可以顺序记录第一帧F1的第一段S1，第二帧F2的第二段S2，第三帧F3的第三段S3，以及第四帧F4的第四段S4。因此，用Y间隔单帧方法，Y间隔被分成三十段。部分地从三十帧中的每帧提取的数据可以分别记录在划分的段上。

Claims

1.一种数字视频信号记录和重放方法，其特征在于包括以下步骤：

预备磁带的第一区域；

在正常重放期间只重放第一区域的数据；及

2.根据权利要求1的数字视频信号记录和重放方法，其中记录在所述第一区域的所述数据串分开记录在每帧的M条倾斜磁迹上。

3.根据权利要求2的数字视频信号记录和重放方法，其中所述的笫N帧数据记录在一个间隔内的至少一条水平磁迹上，当第N至第(2N-1)帧数据记录在所述的第一区域时，所述的磁带行进该间隔的距离。

4.根据权利要求3的数字视频信号记录和重放方法，其中所述的行进距离(Y)表示为

Y = \frac{P}{\sin θ} \times M \times N

其中P为倾斜磁迹的间距，θ为倾斜角，M为倾斜磁迹的个数。

5.根据权利要求1的数字视频信号记录和重放方法，其中记录在所述第一区域的所述数字串具有固定在N帧单元的比特率。

6.根据权利要求3的数字视频信号记录和重放方法，其中记录在所述第二区域的所述每个N帧数据具有固定在一帧单元的比特率。

7.根据权利要求3的数字视频信号记录和重放方法，其中数据压缩率(CP)表示为

CP = \frac{(B + C) λ}{2 H v_{T}}

其中B为记录在所述第二区域的所述每个第N帧数据的比特率，H是固定磁头数，C是奇偶校验位率，λ是固定磁头的记录波长，V_T是固定磁头和磁带之间的相对速度。

8.根据权利要求1的数字视频信号记录和重放方法，其中所述的固定磁头数是四个。

9.根据权利要求1的数字视频信号记录和重放方法，其中所述的将要记录在第二区域的每个第N帧数据是通过对原始图象数据进行SIF二次取样得到的。

10.根据权利要求9的数字视频信号记录和重放方法，其中变速重放期间重放的所述每个第N帧数据被内插入并显示成原始画面的大小。

11.根据权利要求9的数字视频信号记录和重放方法，其中变速重放期间重放的所述每个第N帧数据被显示成经二次取样的画面的大小。

12.根据权利要求1的数字视频信号记录和重放方法，其中变速重放期间重放的所述每个第N帧数据被以1/mn的记录速率记录在帧存储器中，并且所述的记录数据被反复重放，重复次数是代表每秒30×(1/nm)值的一个整数，其中n代表每单位时间记录在水平磁迹上的帧的数目，m代表速度倍率。

13.一种数字视频信号记录和重放装置，其特征在于包括：

14.根据权利要求13的数字视频信号记录和重放装置，其中所述的变速记录部分包括一个用于对输入信号进行二次取样的源输入格式(SIF)二次取样器。

15.根据权利要求13的数字视频信号记录和重放装置，其中在变速重放期间所述的磁带半加载到一个固定磁头上。

16.根据权利要求14的数字视频信号记录和重放装置，其中所述的变速重放部分包括一个内插器，用于将SIF二次取样的信号恢复到原始画面的大小。

17.根据权利要求13的数字视频信号记录和重放装置，其中所述的变速重放部分还包括视频信号输出装置，它以1/mn的记录速率在帧存储器中记录恢复的信号，并且写入信号被反复读出，重复次数是代表每秒30×(1/mn)值的一个整数，其中n代表每单位时间记录在水平磁迹上的帧的数目，m代表速度倍率。

18.根据权利要求17的数字视频信号记录和重放装置，其中所述的视频信号输出装置包括：

一个输入开关，用于切换在一帧单元恢复的信号；

一对帧存储器，用于在所述的记录速率下写入通过所述的输入开关输送的帧单元恢复信号，并且以所述的整数倍率从中读出写入的信号，它们相互交替地起作用；以及

一个输出开关，用于以与所述输入开关相反的方式在一帧单元运行，以便交替输出从所述帧存储器对读出的信号。