CN1094693C - 视频信号处理装置和视频信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种数字视频信号处理系统接收代表压缩形式的视频图像信息的编码数据包。采用一个视频译码器(1509)和一个相关的视频RAM(1513)来译码和解压缩该视频数据包，形成视频图像表示数字字组。视频图像组以被压缩分量的格式(例如在比值4∶2∶2下的Y，U，V)构成，该压缩分量格式与其中色彩相关分量对(U，V)对应于一个以上像素的视频图像压缩格式有关。视频译码器(1509)也包括一个屏幕显示(OSD)单元(1509-9)，它将存储在视频RAM(1513)的一部分(1513-3)中的图形位映像转换为图形图像表示数字字组。图形图像组以未压缩分量的格式(在比值4∶4∶4下的Y，U，V)构成。未压缩图形图像组的色彩相关分量(U，V)用一转换器删除以形成与视频图像组具有相同格式的新图形图像组，其可以立即与视频图像组一起被多路传输，将图形图像插在视频图像内。

Description

视频信号处理装置和 视频信号处理方法
本申请相关于流水号为RCA87,686，发明名称为“数字视频信号处理系统的屏幕显示装置”，申请人为B.W.Beyers，Jr的美国专利申请，两件申请在同一天提交，并且转让给同一受让人。
本发明涉及字视频信号处理系统的“屏幕显示”(OSD)装置。
在视频处理系统中采用的屏幕显示(OSD)装置包括一个开关(或“多路复用”)网络，用于在图形图像表示信号和常规视频信号之间进行切换，以便图形图像或者在由视频信号表示的图像的位置或者与图像一起(插入图像之中)显示在图片复制器的屏幕上。图形图像可以是字母数字符号形式，也可以是图画图形，并且可以用于指示状态信息，如频道号或时间，或操作指令。
在用于模拟视频信号处理系统的OSD装置中，多路复用网络通常在要显示图形图像部分的时候在相应于图形图像的相应部分的要求强度的电平下进行切换。在这种装置中，图形图像表示信号具有定时脉冲的形式，它在要显示图形图像部分时发生，并且被用于控制多路复用网络。这种模拟OSD装置也可以用于数字视频处理系统，但要求首先将视频信号转换为模拟形式。由于数字视频信号处理系统通常包括一个数-模转换器部分，在其中将数字视频信号转换为模拟形式，因此将OSD装置与数字视频处理部分合为一体会更加经济。
本发明的目的是提供一种用于数字视频信号处理系统中的数字OSD装置，特别是用于数字视频处理系统中的数字视频信号代表压缩形式的图像信息的数字OSD装置。
更详细地说本发明涉及一种数字视频处理系统的OSD装置，该系统包括一个代表视频图像各分量的数字字序列的发生源。视频图像分量表示数字字是以对应于一个以上的像素的压缩形式的组构成的。例如，所述组可对应于两个像素，并可包括对应于两个像素中相应一个的第一和第二亮度分量，和对应于两个像素中的每个的两个色差信号。一个存储器存储代表图形图像各分量的数字字。图形图像分量表示数字字以对应于各像素的未压缩形式的组构成的。例如，所述组可包括亮度和对应于各像素的一对色差分量。一个转换器将存储在存储器中的图形表示图像组转换为新的图形图像表示组，其具有与视频图像表示组相同的形式，使得多路传输视频图像表示组和图形图像表示组成为可能。例如，转换器产生新的图形表示组，它包括对应于两个像素中的各个的第一和第二亮度分量，和对应于两个像素中的每一个的一对色差信号。一个多路复用器选择视频图像表示组中的若干个或图形图像表示组中的若干个以产生一系列合成图像表示组。
本发明的上述以及其它方面将结合附图来进行描述。附图中：
图1是根据本发明一方面的一个数字卫星电视系统的方框图，该系统包括一个数字信号处理部分，其中有作为一个整体的一个数字OSD装置；
图2的方框图公开了图1所示的数字卫星电视系统的数字视频信号处理部分--数字OSD装置的详细结构；
图3是用于图2所示的OSD装置中的一个转换器的方框图。
在图1所示的卫星电视系统中，发射机1加上相关的发射天线3将包括视频和音频分量的电视信号发射到在与地球同步的轨道上运行的卫星5上。卫星5接收由发射机1发射的电视信号并将它们向地球再发射。由卫星5发射的电视信号由天线设备或“户外单元”7接收。天线设备7包括一个抛物面形天线9和一个频率转换器11。天线9将由卫星5发射的电视信号引导到频率转换器11，将收到的所有电视信号的频率转换为相应的较低频率。频率转换器11常常被称为“分块转换器”，因为它将收到的所有电视信号的频带作为一块来转换。
由分块转换器11产生的电视信号经由一条同轴电缆13耦合到卫星接收机15。卫星接收机15有时被称为“户内单元”，因为它是置于室内的。卫星接收机15调谐、解调以及处理收到的电视信号(对此下面将作详细的描述)，以产生具有某种适合由与之相连的常规电视接收机17进行处理的格式(NTSC、PAL或SECAM)的视频和音频信号。电视接收机17响应视频信号在显示屏19上产生一个图像，响应音频信号由扬声器21a和21b产生一个声音响应。
图1所示的卫星电视系统是一个数字电视卫星系统，其中电视信息是根据预定的数字压缩标准如MPEG以压缩形式发射的。MPEG是由“运动图像专家组”为电影及其相关的音频信息的编码表示制定的一个国际标准。
更详细地说，在发射机1中，模拟视频信号和模拟音频信号被转换为相应的数字信号。该数字视频和音频信号根据MPEG压缩和编码标准进行压缩和编码。产生的编码数字信号具有相应于各个视频和音频分量的包序列或包流形式。包的类型由标题码识别。相应于控制和其它数据的包也可以被加上数据流。
在MPEG标准下，视频信息以亮度(Y)分量和两个色差(U和V)分量的形式发射。例如，第一色差分量可以表示红色图像信息和亮度图像信息之间的差(R-Y)，第二色差分量可以表示蓝色图像信息和亮度图像信息之间的差(B-Y)。另外，由于两个色差分量相应于不止一个像素，因此色彩信息被予以压缩。使用色差分量并在像素之间共享色差分量会减小发射带宽。
将前向纠错(FEC)数据加到包中，以便在可能的发射通路中校正由噪声产生的误差。公知的Viterbi和Reed-Solomon类型的前向纠错编码都可以采用，而且很有用。由压缩、编码和纠错操作产生的数字信息以数字传输领域中称为QPSK(四相相移键控)调制的方式在一个载波上进行调制。
卫星接收机15包括一个调谐器1501，带有一个本地振荡器和混频器(没有示出)，用于从由天线设备7收到的若干信号中选择适当的载波信号，并将选定载波的频率转换为较低频率，以产生一个中频(IF)信号。该IF信号由QPSK解调器1503解调，产生一个解调数字信号。一个FEC译码器1505将包含在解调数字信号中的纠错数据进行译码，并根据纠错数据校正代表视频、音频和其它信息的解调包。例如，当Viterbi和Reed-Solomon纠错编码被用于发射机1时，FEC译码器1505可以根据Viterbi和Reed-Solomon纠错算法来操作。调谐器1501、QPSK解调器1503和FEC译码器1505可以包括在一个单元中，该单元可以从马里兰洲Germantown的Hughes网络系统公司或从加利福尼亚洲圣地亚哥的Comstream公司得到。
传送单元1507是一个多路分解器，它根据包含在包中的标题信息，经由一条数据总线将进行过纠错的信号的视频包传送到视频译码器1509，并将音频包传送到音频译码器1511。
视频译码器1509与随机存取存储器(RAM)1513(例如具有动态RAM(DRAM)的形式)配合，对视频包译码和解压缩，形成代表相应的亮度(Y)和色差(U和V)分量的数字字流或序列。代表数字字的视频分量序列被耦合到电视编码器1515，后者根据常规电视标准，如NTSC、PAL或SECAM的行和场光栅扫描格式，将代表数字字的分量转换为代表亮度(Y)信息的数字字序列和代表色度(C)信息的数字字序列。电视信号编码器1515产生行(H)和场(V)速率信号和图像元素(像素)时钟信号(PC)，这些信号被耦合到视频译码器1509，来同步数字字的分量表示序列。亮度和色度表示数字字由数-模转换器(DAC)1517的相应部分转换为模拟亮度和色度信号。
音频译码器1511对音频包进行译码和解压缩，产生的数字音频信号由DAC 1519转换为基带模拟音频信号。尽管在图1中只标出了一个音频通道，但在实际应用中，例如立体声再现，可以提供一个或多个另外的音频通道，如由扬声器21a和21b所示的那样。
基带模拟视频和音频信号经由相应的基带连接线耦合到电视接收机17。基带模拟视频和音频信号也被耦合到调制器1521，该调制器根据常规的电视标准，如NTSC、PAL或SECAM，将模拟信号调制到一个射频(RF)载波上，从而将其耦合到没有基带输入端的电视接收机的天线输入端。
微处理器1523向调谐器1501提供频率选择控制数据，用于控制调谐器1501的操作，以调到用户选定的频道。微处理器1523也与传送单元1507交互操作，以改变数据包的路由选择。微处理器1523另外还经由一条控制总线向视频译码器1509和音频译码器1511提供控制数据。
此外，微处理器1523还产生控制数据，使例如代表状态信息和操作指令的图形图像，如字母数字字符和/或图像图形，显示在电视接收机17的屏幕19上。图形数据指明将要显示的图形的每个图像元素(像素)的颜色和位置。这个图形数据代表了图形图像的像素到像素的映像或“位映像”。
有利的是，屏幕显示(OSD)装置的其余部分是与视频译码器1509和相关的视频RAM 1513整体结合在一起的，视频译码器1509和相关的视频RAM1513主要用于对视频数据包译码和解压缩。图形数据经由控制总线耦合到视频译码器1509。由于共享视频译码器1509和相关的视频RAM 1513的结果，因而不再需要单独的OSD装置。OSD装置的细节将结合图2来进行描述。
视频译码器1509被合并在一个单片集成电路(IC)中。类似的视频译码和解压缩集成电路除下面要描述的OSD装置外，可以在市面上购得。例如，部件号为ST 3240的MPEG译码和解压缩集成电路可以从法国的SGS汤姆森公司得到。尽管与视频数据包的译码和解压缩相关的视频译码器1509的部分的细节对理解OSD装置不是必要的，但下面对这些部分所作的简要描述还是很有用的。
视频译码器1509包括一个FIFO(先进先出)缓冲存储器1509-1，它根据需要以相对较小的区段从传送单元1507接收视频数据包，并以相对较大的区段经由存储控制器1509-3将它们耦合到为译码和解压缩保留的RAM1513的区域1513-1。视频RAM 1513在存储控制器1509-3的控制下寻址。RAM 1513的译码和解压缩区域1513-1包括一个用于存储收到的视频数据包的速率缓冲区1513-1-3，和一个在译码和解压缩操作时存储视频信息的帧的帧存储区1513-1-2。视频图像显示单元1509-5对存储的视频数据包进行译码和解压缩，形成代表数字字的视频图像分量序列(Y，U，V)。为此，视频显示单元1509-5根据需要经由存储控制器1509-3从视频RAM 1513的译码和解压缩区1513-1请求数据。分量表示数字字的发生与由电视信号编码器1515产生的场(V)、行(H)和像素(PC)速率信号同步。由微处理器1523产生的控制数据由微处理器接口单元1509-7接收，并经由一条内部控制总线耦合到视频译码器1509的各个部分。
视频图像分量表示数字字中包含的位数确定可能的电平数以及相应分量的分辨率。对n位字来说，相应于2n个可能的二进制状态，有2n个可能的电平数。例如，在本实施例，视频图像分量表示字包括8位，因此每个分量可以有28或256个可能的电平。视频图像分量表示数字字的序列是以分量组的方式安排的，其中每组相应于若干被二次抽样或压缩形式的像素。更详细地说，在本实施例中，视频图像表示组相应于两个像素，每个包括相应于第一像素的第一亮度表示数字字(Y1)、相应于第二像素的第二亮度表示数字字(Y2)、及相应于第一和第二像素的每一个的单独一对色差表示数字字(U1，2和V1，2)。这在数字视频信号处理领域中被称之为“4∶2∶2”格式。色差信号的二次抽样或压缩相关于在发射机1中为减小发射带宽而产生的图像数据压缩。更详细地说，发射的图像数据以称之为4：2：0的格式进行组织，其中图像表示字相应于四个像素，相应于四个像素中各个像素有四个亮度表示字，还有一个相应于四个像素中的每一个的单独一对色差表示字。通过在视频显示单元1509-5中插值，可以将4：2：0图像表示组转换为4：2：2的图像表示组。通过在电视信号编码器1515中进行插值，对每个像素产生一组完整的(4：4：4)分量。
视频译码器1509的OSD部分包括一个OSD显示单元1509-9，它与视频RAM 1513的OSD部分1513-3配合。由微处理器1523产生的图形表示位映像经由微处理器接口单元1509-7和存储控制器1509-3耦合到RAM1513的OSD部分1513-3进行存储。对图形图像的每个像素，有一个表示该像素色彩的数字字。在色彩表示数字字中包含的位数确定每个像素能有多少种不同的颜色。如果色彩表示字包括n位，那么每个像素可以有相应于n位色彩字的2n种可能二进制状态的2n个颜色中的任何一种。例如，在本实施例中，色彩表示字包括两位。因此，每个图形像素可以有四种颜色的其中一种，这四种颜色相应于两位色彩字的四种可能的二进制状态(00，01，10和11)。像素色彩信息以分量形式进行组织，其中每种色彩字有唯一的一组分量表示数字字。所选择的分量与传送视频图像信息时使用的分量是一样的，即亮度(Y)和一对色差信号(U和V)。对视频图像和图形图像选择相同的分量简化了OSD装置，因为避免了从一组分量向另一组分量转换的需要。例如，在采用二位色彩字的本实施例中，在色彩表示数字字和分量表示数字字组之间存在以下关系：
             色彩            分量组
              00           YA，UA，VA
              01           YB，UB，VB
              10           YC，UC，VC
              11           YD，UD，VD
图形像素的实际色彩(由表中的下角标A、B、C、D表示)取决于由相应组的分量表示数字字表示的值。例如，在本实施例中，图形图像分量表示字各包含四位。四位分量表示字为每个分量提供16种可能的电平。这四位代表最后由OSD显示单元1509-9形成的一个8位字的最高有效位，对此下面将作描述。
图形图像分量表示字以分量组的形式从微处理器1523发送到RAM1513的OSD区1513-3，并存储在其中，该分量组如表中以位映像的标题形式表示的那样。在本实施例中，每个图形图像分量表示数字字包含四位，每组包括12位。图形图像的色彩可以通过改变标题的一个分量表示字的四位来予以改变，这取决于要显示的图形图像的特性。
OSD显示单元1509-9使位映像从RAM 1513的OSD区域1513-3中读出，并将每个像素的色彩表示字转换为标题中相应的分量表示组。为此，OSD显示单元1509-9按要求经由存储控制器1509-3从OSD区域1513-3请求数据。由于在本实施例中，图形图像分量表示字只包括4位，而视频图像表示字包括8位，OSD显示单元1509-9只需要简单地在该4位字中加上4个二进制“0”作为最低四个有效位，就可以将4位图形图像分量表示字转换为8位字。由OSD显示单元1509-9产生的图形图像分量表示数字字也与由电视信号编码器1515产生的场(V)、行(H)和像素(PC)速率信号同步。
前面已经提到，由视频图像显示单元1509-5产生的视频图像分量表示组代表压缩形式的视频图像信息，其中对每二个像素而言，有两个相应的亮度表示字和一对具有所谓4：2：2格式的色差表示字。另一方面，由OSD显示单元1509-9产生并存储在RAM 1513的OSD区域1513-3中的图形图像分量表示组代表具有未压缩形式的图形图像信息，其中，对每个像素有一个亮度表示字和一对色差表示字(或对每两个像素有两个相应的亮度表示字和两对相应的色差表示字)。所述的未压缩格式是数字视频信号处理领域称为“4：4：4”的格式。需要4：4：4图形图像序列是因为它允许用给定的位数来定义尽可能多的色彩，因为它为图形的每个像素提供一个唯一的亮度分量和两个唯一的色差分量。然而，4：4：4图形图像序列与4：2：2视频图像序列不兼容，因此不能马上进行多路转换，将图形图像插入视频图像。
为了解决这个问题，视频译码器1509包括一个OSD转换器1509-11，将用于图形图像分量中的4：4：4序列转换为用于视频图像分量中的4：2：2序列。如图2中所示，对每两个图形像素，转换器1509-11选择第一像素的色差分量对而删除第二像素的色差分量对。如图3所示，OSD转换器1509-11可以包括一个锁存器1509-11-1，用于存储两组图形图像分量表示字，一个多路复用器1509-11-3，用于以输出速率从存储在锁存器1509-11-1中的内容按顺序选择适当的分量表示字。由于原始的4：4：4图形图像组中的两个被用于产生4：2：2图形图像组中的每一新图像组，因此要求每行的4：4：4图形图像表示分量组的数目是偶数的。
尽管输出序列如图所示按次序分别为：与两个像素中的第一像素相关的第一亮度(Y)分量、与两个像素中的每一个相关的第一色差分量(U)和与两个像素中的每一个相关的第二色差分量，以及与两个像素中的第二像素相关的第二亮度分量，但也可以采用其它输出序列。例如，该输出序列按次序可分别是：与两个像素中的每一个相关的第一色差分量(U)、与两个像素中的第一像素相关的第一亮度(Y)分量、与两个像素中的每一个相关的第二个色差分量(V)、与两个像素中的第二个相关的第二亮度分量。
输出多路复用器1509-13在OSD显示单元1509-9的控制下，或者选择由视频显示单元1509-5提供的视频图像分量表示字组，或者选择由OSD转换器1509-11提供的图形图像分量表示字组。在只有视频图像的操作模式下，输出多路复用器1509-13只选择视频图像组。在只有图形图像的操作模式下，输出多路复用器1509-13只选择图形图像组。在“叠加”操作模式(即图形图像被插入视频图像之中)下，输出多路复用器1509-13在逐个像素的基础上选择视频图像组或图形图像组。由输出多路复用器1509-13产生的4：2：2分量表示字输出序列被耦合到电视信号编码器1515。

Claims (7)

1、一种视频信号处理装置，用于处理代表压缩形式的模拟视频信号的数字数据包，该装置包括：
一个解码器(1509)，用于产生代表对应于所述模拟视频信号的相应视频图像分量并响应所述数字数据包以重复视频图像组构成的数字字序列；每个所述视频图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的第一亮度分量(Y1)，对应于所述两个像素中的第二像素的第二亮度分量(Y2)，以及与所述两个像素相关的两个色差分量(U1，V1)；以及
一个存储器(1513)，用于存储代表相应图形图像分量并以重复图形图像组构成的数字字序列；每个所述图形图像组对应于一个像素并包括一个亮度分量(Y)和对应于所述像素的两个色差分量(U，V)；
所述解码器包括：
一个经OSD显示单元耦合到所述存储器(1513)的转换器(1509-11)，用于通过抽取一部分与所述图形图像组中的一些相关的色差分量，将存储在所述存储器(1513)中的各对顺序图形图像组转换为新图形图像组；每个所述新图形图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的第一亮度分量(Y1)，对应于所述两个像素中的第二像素的第二亮度分量(Y2)，以及与所述像素相关的两个色差分量(U1，V1)，以及
一个多路复用器(1509-13)，响应所述视频图像组和所述新图形图像组，选择所述视频图像组或者所述图形图像组，以产生一个合成图像组序列；每个所述合成图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的亮度分量(Y1)和对应于所述两个像素中的第二像素的亮度分量(Y2)，以及与所述两个像素相关的的两个色差分量(U1，V1)。
2、如权利要求1所述的装置，其中还包括：
用于插入所述合成图像组以产生可显示像素的装置，每个所述可显示像素具有一个亮度分量和两个色差分量。
3、如权利要求1所述的装置，其中还包括：
一个响应所述合成图像组序列的第二转换器，用于产生输出图像组序列，其中各个所述合成图像组已转换为相应对的输出图像组；每对所述输出图像组对应于一个像素；所述输出图像组中的第一个包括所述第一亮度分量和一个第一色度分量；所述输出图像组中的第二个包括所述第二亮度分量和一个第二色度分量。
4、如权利要求1所述的装置，还包括：
一个数模转换器(1517)，用于将所述输出信号组序列转换为相应模拟视频信号分量。
5、如权利要求1所述的装置，其中：
所述两个色差分量(U1，V1)中的第一个表示相应亮度分量(Y1)与第一基色之间的差；所述两个色差分量(U2，V2)中的第二个表示相应亮度分量(Y2)与第二基色之间的差。
6、如权利要求1所述的装置，其中：
所述存储器(1513)包括与所述解码器(1509)可操作耦合的部分(1513-1)。
7、一种视频信号处理方法，该视频信号是压缩形式的模拟视频信号，该方法包括下列步骤：
产生代表对应于所述模拟视频信号的相应视频图像分量并响应所述数字数据包以重复视频图像组构成的数字字序列；每个所述视频图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的第一亮度分量(Y1)，对应于所述两个像素中的第二像素的第二亮度分量(Y2)，以及与所述两个像素相关的两个色差分量(U1，V1)；存储代表相应图形图像分量并以重复图形图像组构成的数字字序列；每个所述图形图像组对应于一个像素并包括一个亮度分量(Y)和对应于所述像素的两个色差分量(U，V)；
通过抽取一部分与所述图形图像组中的一些相关的色差分量，将存储在所述存储器(1513)中的各对顺序图形图像组转换为新图形图像组；每个所述新图形图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的第一亮度分量(Y1)，对应于所述两个像素中的第二像素的第二亮度分量(Y2)，以及与所述像素相关的两个色差分量(U1，V1)；以及
多路复用所述视频图像组和所述新图形图像组，选择所述视频图像组或者所述图形图像组，以产生一个合成图像组序列；每个所述合成图像组对应于两个像素并包括对应于所述两个像素中的第一像素的亮度分量(Y1)和对应于所述两个像素中的第二像素的亮度分量(Y2)，以及与所述两个像素相关的两个色差分量(U1，V1)。
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