CN1095280C - 一种用于产生mpeg兼容数字图象信号的方法 - Google Patents

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Abstract

消费产品数字盒带录像机(210)可以记录具有MPEG型信号格式的高级电视信号。MPEG型的信号格式的预测的性质要求产生附加的I帧数据并且连同一个正常的重放速度的数据流(09)一起记录，以便实现非标准速度，即特技放像的重放。附加的I帧数据流(521，531，541)针对每个重放速度专门产生，并被写入到记录的磁迹中，以便实现以预定的速度的再生。本发明公开了用于全分辨率和减低的分辨率的特技放像数据流的导出的各种方法。所公开的本发明的特技放像数据流的产生用于消费产品装置中的实时记录，并用于采用预先记录的数字介质的非实时的正常的和特技放像的数据流的产生。

Description

一种用于产生MPEG兼容数字图象信号的方法
发明领域
本发明涉及数字视频信号的记录，尤其是以非标准速度对MPEG类型的高级电视信号进行的导出、记录和再生。
发明的背景
标准化委员会已经提出了采用螺旋扫描格式的数字盒带录像机。所提出的标准规范了普通清晰度SD电视信号，例如NTSC或PAL的数字记录和具有MPEG的兼容结构的高清晰度电视信号，例如大联盟(即GA)信号的数字记录。SD录像机采用的是利用了具有自适应量化和可变长度编码的场内/帧内DCT的一种压缩了的分量视频信号格式。这种SD数字VCR或DVCR可以数字地记录NTSC或PAL电视信号，并具有足够的数据记录能力来记录高级的电视信号。
GA信号的规范包括在题为″大联盟HDTV系统规范″的草签规范文件中，发表于1994年3月20-24目的″广播工程会议第48届年会″1994的会刊中。GA信号采用的是MPEG兼容的编码的方法，它利用称作I帧的帧内编码的图象、称作P帧的正向预测帧和称作B帧的双向预测帧。这三种帧的类型出现在称作GOP，即图象组的各组中。在一个GOP中的帧的数目是可由用户确定的，可以包括例如15帧。每一个GOP包括一个I帧，可有两个与之相邻接的B帧和一个随后的P帧。
在模拟型消费产品VCR中，″特技放像″即诸如图象在正向和反向的快速播放、快速或慢速的移动的TP特征是很便于获得的，这是因为每一条记录磁迹通常包括一个电视场。因此，以不同于标准速度的其它的速度再生时将会导致一个或多条磁头跨过多个磁迹并恢复出可识别的图象段。这些图象段可以被相邻接并提供一幅可识别和有用的图象。高级电视的或MPEG型的信号可以包括多组的图象，即多个GOP。GOP可以包括例如15个帧，而且每一个帧可以占据磁带上多个磁迹来记录。例如，如果10条磁迹分配给每一个帧的话，则一个15帧的GOP将包括150磁迹。在放像速度运行期间，I帧数据被恢复，实现预测的P和B帧的解码和重建。但是，当一个DVCR运行在非标准的重放速度时，重放磁头将从多条磁迹上转换多个部分或数据段。不幸的是，这些DVCR磁迹不再代表连续的图象场的离散的记录。相反，这些数据段包含的是主要从预测的各帧产生的数据。但是，由于预测的P和I帧需要在先的数据来协助解码的进行，所以从这些再生的数据片重建出任何有用的帧的可能性大为降低。此外，MPEG数据流尤其不能允许数据的丢失或窜改。所以，为了提供″特技放像″或非标准速度重放的特征，要求记录规定(specific)数据，它在TP模式下重放时能在不需要使用相邻的或在先的帧信息的条件下实现图象的重建。这种规定数据，即″特技放像″数据在语义上必须正确，以便实现MPEG解码。此外，″特技放像″速度的选择可能需要不同的TP数据导出，还可能需要TP速度专用的一些记录磁迹位置。
为了能够不使用在先的帧数据进行重建，要求从I帧中得出″特技放像″规定数据。该″特技放像″规定数据必须在句法和语义上正确，以实现解码，例如由GA或MPEG的兼容的解码器来解码。此外，该″特技放像″即TP数据必须插入到MPEG类型的数据流中，以便与正常重放的MPEG类型的信号的数据流一起进行记录。这种对于记录信道数据的容量的共享可能会对在可用磁迹容量之内所能提供的TP数据比特速率方面造成限制。该TP数据比特速率可以被多样地利用，或者是在得出或重建TP图象的空间或时间的分辨率之间分享。
再生的″特技放像″图象的质量可以由TP数据导出的复杂性所确定。例如，消费产品DVCR在记录期间必须实际上是实时地导出TP数据，并且只将名义上的附加数据处理费用加到DVCR的造价上。所以，这种实时的消费产品DVCR″特技放像″的图象质量可能会出现低于通过利用复杂的数字图象处理的非实时图象处理所得出TP图象数据的情况。例如，利用非实时的TP图象处理有可能对于一个被编辑的节目作逐个场景的、按非实时的再生速度进行的处理，从而使得能应周复杂的数字图象处理技术。这种非实时的处理固有地提供出比采用实时处理获得的更高质量的″特技放像″图象。
发明概要
本发明提供了一种用于产生供进行记录用的MPEG兼容数字图象信号以实现以多于一种速度的再生的方法。所说的方法包括以下的步骤：
接收一个数字图象信号；
以相关于一个特技放像速度的速率对于所说的数字图象信号进行时域亚取样；
对于所说的时域亚取样的信号进行编码，以便产生一个MPEG兼容的特技放像信号；
对于所说的数字图象表征数据信号进行编码，以便产生一个正常重放的MPEG兼容信号；
在所说的特技放像MPEG兼容信号和所说的正常重放的MPEG兼容信号之间进行选择，以便产生一个记录格式化的比特流；和
记录所说的记录格式化的比特流。
附图简述
图1是本发明的用于实时地产生具有低分辨率的″特技放像″数据流的一个系统的简化的框图。
图2是本发明的用于实时地产生完整分辨率的″特技放像″数据流的另一个系统的简化框图。
图3示出产生用于将其包括在预先记录的数字记录中的低分辨率″特技放像″数据流的本发明方法的简化框图。
图4示出产生用于将其包括在预先记录的数字记录中的″特技放像″数据流应用的本发明的另一个方法的简化框图。
图5示出了预测的宏块的DC系数的导出。
图6示出了一个简化的局部框图，示出用于预先记录的记录的非实时产生的本发明的另一个方法。
图7示出了一个简化的局部框图，示出用于预先记录的记录的非实时产生的本发明的又一个方法。
详细说明
在一个消费产品数字VCR中的特技放像数据流的实时产生的主要考虑是所需要的处理的复杂性和造价，并且需要将其造价保持在一个合理的水平。为此，在实时特技放像数据流的产生中所采用的处理可能会被限制在对于现存的比特流的片段的提取和对于比特流的参数作次要的修正。
″特技放像″数据流必须通过从原始的数据流提取独立的内部信息片段而实时地产生。这种内部信息可以来自帧内、数据片内和/或宏数据块内。用于I帧数据导出的信号源的选择取决于在原始数据流中采用的内部刷新的形式，并且为了示范的目的而假设采用的是帧内或数据片内刷新的方法。
在第一个本发明的实时产生的方法中，导出的是一个低空间分辨率的″特技放像″数据流。不论原始的HDTV数据流的分辨率如何，该低分辨率的特技放像数据流可以具有例如根据CCIR601标准(720×480象素)的分辨率。由于对于″特技放像″数据流可获得的有效的比特速率限制在标定值2M比特/秒，所以按照此方式采用低的空间分辨率将导致每帧使用不多的比特，并因此能达到相对较高的时域分辨率。但是，只有在一个高级电视解码器和显示器能够用于这样的分辨率时，这种低的空间分辨率才是实际的。
在本发明的第二种方法中，产生的特技放像数据流具有与原始的HDTV节目源相同的分辨率，即相同的象素数。但是由于可用的特技放像比特速率被限制在标定为2M比特/秒的记录通道的容量，因而在空间和时间的分辨率之间存在一个折衷关系。因此这种完整的空间分辨率″特技放像″模式的方案实际上要求时域分辨率被减低到与TP数据通道的容量刚好是相适应。
用于一个低分辨率″特技放像″数据的实时产生的本发明的第一个方法示于图1中。在该示范性的框图中，产生5X，18X和35X的特技放像速度。针对于每一个TP重放速度，从已收的MPEG型传送数据流中产出低分辨率的帧内编码的各帧。通过检测在分解成数据片水平的传送数据流中的MPEG信息头，可提取帧内数据片，对其进行处理并将其用于产生在I帧存储器110中的单一的I帧。数据的提取和处理级100执行三项任务：提取宏数据块用于TPI帧的建立；当着必要时，利用进行DPCM编码重新编码DC变换系数；以及当必要时去除不希望的AC变换系数。由于在I帧存储器110中具有了重建的和存储的低分辨率的TPI帧，所以它将被用于针对每一个特技放像速度的速度规定数据流的产生中。
接收机05接收对应于一个MPEG兼容的信号而被调制的射频载波。该调制了的载波可以是来自图上没有示出的天线的或电缆的信号源。接收机05解调并处理所接收的载波以便产生一个MPEG兼容高级电视传输数据流09。
MPEG兼容高级电视传输数据流09在框20中被解多路，以便只获得对应于高级电视视频信息的打包的基本数据流，即PES数据流。该PES数据流在框30中解码，以便从数据包中提取MPEG编码的视频数据流负载。由于已经提取了MPEG编码的数据流，因而能够检测并提取所需要的帧内编码信息。序列检测框40检验该比特数据流，寻找以25个″0″和随后的一个″1″为特征的起始码的出现，其后接着的是指示MPEG视频标题的一个8比特的地址。图象检测是在框50中进行，并在框60中检测数据片层。由于将被重建的是一个编码内的″特技放像″的I帧，所以只提取一些内部数据片。内部数据片只包括内编码的宏数据块，并且以在数据片标题中的1比特的内部数据片标志位为特征。所以，当着内部数据片标志位被置为1时，则整个数据片被送到“数据提取和处理”级100。框70的帧内检测处理假设采用帧内或数据片内的刷新技术，并假设当适当的时候设置数据片标题中的内数据片的标志。如果该内部数据片标志不被设置或宏数据块内的刷新被采用，则要求深入到宏数据块等级的进一步的检测等级。
数据提取和处理级100从在框70中提取的码内部宏数据块中只选择被用于构成各种特技放像数据流的帧内信息。此外，该级还执行为了保证句法和语义正确性以便实现重建的TP I帧的MPEG的兼容性而可能需要的任何处理。由于重建的TP I帧具有比原始的MPEG数据流要低的空间分辨率，所以只需要被检出的宏数据块内的一个子集。为了确定哪一些宏数据块即MB被保留和哪一些将被放弃，可以采用数学函数或预定的查询表。这将导致从所选择的宏数据块的组合物(patchwork)产生出较低空间分辨率的帧的结果。控制器级90被耦合到数据的提取和处理级100，并提供数学函数所需要的计算或提供用于确定宏数据块选择的查询表。
在新的低清晰度I帧中，MB位置(mb(i，j)，i＝0，1，2...n-1，j＝0，1，2，...m-1，其中m和n分别是新的I帧以MB计的宽度和高度，而i和j表示该MB的行和列)和原始的全分辨率的帧(MB(I，J)，I＝0，1，2，...N-1，J＝0，1，2，...M-1，其中M和N分别是在原始的I帧以MB计的宽度和高度，而I和J表示该MB的行和列)之间的关系由下式给定：
i(低分辨率的行)＝[I.(n-1)/(N-1)]
j(低分辨率的列)＝[J.(m-1)/(M-1)]其中的方括号[X]的乘积表示最接近X的整数值。
低分辨率的TP I帧使用的是来自原始帧的宏数据块的一个子集，将其余的没有被选用的MB放弃。图5示出了示范性的4：2：0的取样信号，包括三个编码内的宏数据块MB1，MB2和MB3，其中的每一个包括数据块0，1，2，3，4，和5。其中将宏数据块2划去，说明在重建减低了分辨率的TP I帧中是不使用的数据块。每一个亮度和色度数据块的DC系数在图5中用黑色的条纹表示。利用将从该数据片的紧临在先的MB的最后的DC系数所预测的一个MB的第一块的DC系数，从每一个宏数据块之内预测各DC系数。图5中的箭头示出了预测的顺序。因此，如果在先的MB，例如图5中的MB2不被选用，则某些确定的DC系数必须从最新的邻接的宏数据块中重新计算，如图5中的箭头NEW所示，并且利用DPCM重新编码。这种重新编码的处理是在宏数据块被写入I帧存储器110中时执行的。
如果HDTV的视频序列是源于隔行扫描的信号源，则可以包括一个供选择处理的步骤，以便去除因冻结了含有运动的隔行场而表现出的隔行″闪烁″。如果重建的特技放像数据流的时域分辨率是使得同一帧(两场)被显示多于一帧的周期，则这种隔行的″闪烁″是十分引人注目的。在场内编码的宏数据块中，这种″闪烁″的人为干扰可以通过将宏数据块的顶部的两个数据块(即数据块0和数据块1)复制到下面的两个数据块(即数据块2和数据块3)而加以消除。这种在宏数据块中的复制有效地使得两场相同，从而从该帧中去除了任何的场-场移动。这种重新编码的过程是在宏数据块并被写入到I帧存储器110中时执行的。
由处理级100执行的另一个功能是从每一个宏数据块中去除AC系数，由于特技放像数据流只能得到低的比特速率，所以这种AC系数不能被最新重建的TP I帧容纳下。为了完成这功能，每一个数据块都被可变长度解码到这样的程度，使得其中的数据块将被一些零填充，这些零就指示该数据块的最后系数。用于每一个数据块的比特数在一个缓存器中存储和累加。这些比特被计数，当计数超过一个预定数目时，剩余的AC系数被废弃即被删除。每一个TPMB的比特数取决于针对每一个特技放像数据流所允许的总速率和时域分辨率即每一秒钟帧刷新的数目。
图1的框图示出的是具有同一个分配比特速率的特技放像数据流的形成。如果各TP速度之间速率的差异很大，例如对每一个速度提供不同的分辨率，则保存在I帧存储器110中的AC系数的数目将也会随着每一个速度的不同而不同。因此，I帧存储器110不能被共用，而针对每一个TP速度或每一个比特速率可能需要分别的I帧存储器。
在I帧存储器110中组合的本发明的低分辨率的TP I帧被耦合到三个特技放像数据流产生级；到框145，5倍；到框160，18倍和到框170，35倍。在图1的范例中，每一个特技放像数据流都可以被分配相同的比特速率和时域分辨率，此图可以代表一个优先选用的构型。但是，不是每一个重建的TP I帧都被用于每一个TP速度。例如，如果在原始的数据流中的I帧的刷新速率是每15帧一次(M＝15)且每一个特技放像数据流使用的时域分辨率被选择为3，即在帧的刷新之间的帧的次数，则对于5倍速而言：
(5X速度).(3帧重复)/(15帧的刷新)＝1.0
因此，每一个TP I帧都将被采用。相似地，对于18X和35X速度来说，
(18).(3)/(15)＝3.6
(35).(3)/(15)＝7.0
因此，在18X的速度，近似是每第三个或第四个I帧被使用，而在35X的速度，每第七个I帧被使用。如果假定在一个高级电视数据流中的内刷新周期是0。5秒(对于30fps的信号源M＝15)，则用于5X速度的三帧的保持时间是最高可能的TP时域分辨率。为了简化和统一，三帧的保持时间可以被用于其余的TP速度。两帧或单帧的保持时间的更高的时域分辨率可被用于更高的TP速度，因为处在较高的速度下较低的时域分辨率可以给出比实际特技放像速度更慢的虚假的感觉。假设有效的特技放像的比特速率是恒定的，则一个较高的时域分辨率的供应必然会要求一个较低的空间分辨率质量。
根据由添加适当的MPEG图象标题和PES层的框145、160和170所提供的TP速度，重建的TP I帧被从I帧存储器110中读出并被打包。缓存器15对于MPEG兼容高级电视传输数据流09进行缓存，产生用于正常放像速度处理的一个传送数据流，信号10。正常重放传送数据流10被耦合到多路复用器MUX150。多路复用器MUX150响应记录器210的伺服信号而被受控，以产生具有一个序列的输出比特数据流，以便当记录时产生一种预定的磁迹格式。记录的磁迹格式被选择，以便提供所希望的已经记录的TP比特速率，并安排在规定的记录磁迹内的速度规定TP I帧数据包的特定物理位置。所记录的磁迹格式因此协助实现了以正常速度和以预定的特技放像速度进行的重放。这些TP I帧数据包5X信号121，18X信号131和35X信号141，被耦合到多路复用器MUX150，它将格式化每一个TP速度的I帧数据包插入到正常的重放传送数据流中。因此格式化了一个有效的MPEG型的传送数据流，用于记录器210的记录处理，并记录在磁带220上。
为了减小TP比特速率，可以通过在视频数据流中的I帧之间写入空白的P帧的方法，来实现帧重复或保持时间，以取代重复的TP I帧。一个空白的P帧导致解码器从在先的帧，即TP I帧进行预测。此外，可以通过在PES层中设置DSM特技模式标志并通过计算出现时间标记和解码时间标记PTS/DTS的值来实现帧的重复，以便使得每一个TP I帧由所需相隔帧次数的数目所表示。任何一种帧的重复的方法都能产生相同的结果。但是，第二种方法不要求对于重放的TP数据流的附加处理，因此不对设备添加额外的造价。但是该第二种方法要求供选择的DSM特技模式标志在高级电视解码器中得到支持。利用该第二种方法，在高级电视解码器中实施附加的处理。任何一种的帧重复方法都可以由框145、160和170在速度规定数据流的产生期间实现。
上述的本发明的特技放像数据流产生技术被用于产生5X、18X和35X的特技放像速度，具有720×480象素的空间分辨率和2.0Mbps的有效的特技放像数据速率。各种的特技放像速度由以下几点来评价和进行归纳：
用于每一个特技放像速度的数据被产生，它表示独立的低分辨率(720×480象素)、MPEG兼容的传送数据流。
每一个TP数据流只包括帧内编码的帧，因此允许同一个特技放像数据流被用于快速正向和快速反向的TP模式。
为了获得16∶9的宽高比，实际的空间图象的尺寸被取样成720×384个象素，TP图象的上部和下部的剩余的面积采用黑色。
使用的时域分辨率是恒定的三帧的保持时间，实现每一秒钟10帧的有效速率。
特技放像数据流的每一个I帧由从原始数据流中选择所取样的宏数据块组成。该2.0Mbit/sec的比特速率和三帧的保持时间使得大多数的AC系数保留在所选的宏数据块中，用作典型的测试的目的。
总的主观上的空间分辨率是相当好的，它取决于信号源中的移动量和图象的复杂性。10fps的图象速率提供了良好的时域分辨率。特技放像数据流可被解码，以便产生可被识别的特技放像的视频图象，因此可用于磁带的检索。
前面讨论的本发明的低分辨率实时特技放像模式以相对较高的时域分辨率产生可识别的空间图象。但是，象已经提到的那样，如果一个高级电视接收机/解码器单元是可操作在低分辨率的话，例如根据CCIR第601号建议书提出的分辨率，就可以采用这种模式。但是，如果不提供在低分辨率的操作，则就必须导出具有标称上相同的空间分辨率的特技放像数据，即其象素量与原始的信号源相同。图2示出了一个本发明的示范性的系统，用于产生全分辨率的实时特技放像数据流。示出了5倍、18倍和35倍的三个特技放像速度。图2示出的全分辨率的方案和图1示出的低分辨率的方案之间的差别在于数据的提取和处理框105，以及数据流产生框155、165和175。
在框20、30、40、50、60和70中描绘的传送数据流的解码和内部检测，其运行和作用与对图1的低分辨率TP系统所描述的一样。象对于低分辨率的TP系统所描述的那样，数据提取和处理级，框105的用途是只提取帧内信息，这对于形成特技放像数据流和执行任何确保产生TP I帧句法和语义的正确性所需的任何处理都是需要的。框105的功能不同于框100，其在于再生的I帧必须和原始的数据流有相同的分辨率或象素数。因此，所有帧内宏数据块都被用于重建新的TP I帧。由于没有MB被删除，所以不要求DC变换系数的重新编码。
处理框105的主要功能是从每一个宏数据块去除AC系数，此系数因为特技放像比特速率的缘故不能被新的TP I帧容纳下。低的TP信道比特速率(标定值是2M.bit/sec)迫使在所使用的AC系数值(即空间分辨率)和时域分辨率(即特技放像数据流的帧刷新速率)之间作取舍。这种空间-时域分辨率的取舍也出现在低的分辨率数据流的导出过程中。但是在一个全分辨率的帧中，即在有相同的象素计数的分辨率的帧中，单是DC系数就可能表现出比汇合在低分辨率TP帧中的全部的AC和DC系数还要多的比特。因此，在每个全分辨率的宏数据块中即使是很少的有限的任何一些AC系数，都将在时域分辨率方面产生显著的下降，即帧的刷新时间被加长，以更多的帧重复。所以，为了有助于在全分辨率特技放像数据流中的恒定的时域分辨率，一个系统可以只采用每一个宏数据块的DC系数，而将所有的AC系数放弃。此外，对于AC系数的放弃，降低了处理的复杂性，因为只要求DC系数的DPCM值进行可变长度编码。图2示出一个示范性系统，其中的每一个特技放像速度具有相同的比特速率，并且因此可以在三个TP速度之间共享同一个I帧存储器。
如前面所讨论的那样，如果HDTV视频信号图象是由隔行扫描所产生，则可以包括一个可供选择的步骤，以去除因冻结了含有运动的场而展示出的隔行″闪烁″。已经描述了一个这样的方法。但是，由于这一示范性的高分辨率的TP系统只使用DC变换系数，所以可以通过把在图象编码扩展段里的帧预测帧的dct标志设置成″1″而提供一个更简单和更有效的方法。这一个标志指示出所有的MB都是被帧编码的，因而将可能产生″闪烁″的前一个场编码的数据块解码成为帧编码的数据块。结果是每一个场将被一个数据块的上部或下部所放入，而将任何的″闪烁″去除。这种闪烁消除的方法还降低了使用在宏数据块模式段里的比特数目，因为如果帧预测帧dct标志被置成″1″的话，该dct类型标志就不会再出现。
重建的TP I帧被汇合在存储器115中，并被耦合到三个特技放像数据流产生级中：在框155中的5倍速；在框165中的18倍速和在框175中的35倍速。图2中的示范性的系统假设每一个特技放像数据流具有相同的有效比特数据流并因此有相同的近似时域分辨率。象先前讨论的那样，不是每一个重建的TP I帧都被用于每一个速度。然而，由于下列的原因使得TP I帧的使用进一步受到限制。虽然每一个TP I帧具有相同的系数的数目，例如只有DC系数，但是每一个TP I帧可能不具有相同的比特数，因为该DC系数被可变长度编码。所以，针对每一个特技放像数据流不能固定一个恒定的时域分辨率或帧的保持时间。相反，帧的保持时间将随着编码或形成每一个TP I帧所需的比特数在时间上稍有变化。对于每一个特技放像速度，分别的″数据流产生″级155、165和175将一直等待到在缓存器105中积累了足够的比特，以便编码一个TPI帧。然后，如果在此时累加在缓存器105中的TP I帧是一个新的TP I帧，即还没有以规定的特技放像速度被编码，则该TP I帧被编码，并将使用的比特数从可得到的比特数中减去。如果每一个I帧是相同的大小且每一个特技放像速度被分配给相同的有效比特速率，则本方案相当于对低的分辨率系统所描述的方案，且帧的刷新周期对于所有的速度将是恒定的。重建的TP I帧从存储器115中读出，并由数据流产生器155、165和175进行打包，以便以详述于低分辨率的系统的完全相同的方式形成一个MPEG兼容的传送数据流。
上述的本发明的全空间分辨率的特技放像数据流产生技术是以2。0Mbps的有效特技放像数据速率针对5X、18X和35X的特技放像速度作评价的。其性能可被总结如下：
独立的仅为TP I帧的MPEG兼容的传送数据流可针对每一个特技放像速度而被记录。
时域分辨率随着场景的复杂性改变，且比前述的低的空间分辨率特技放像系统为低，即具有更长的帧保持时间。对典型的信号源素材的经验得出的平均保持时间和保持时间的变化在下表中示出：
  TP速度   按帧计的平均保持时间   按帧计的变化
    5X     5帧     5-8帧
    18X     5帧     5-8帧
    35X     5帧     5-8帧
注意，由于相等的有效特技放像比特率被用于所有的速度，所以该时域分辨率对于每一个速度总是相似的(即使不是相等的)。
每一个TP I帧只使用DC系数。
由于只使用DC系数，空间分辨率的总体质量只是尚可的水平。时域分辨率的质量可以在差和尚可之间改变，取决于TP编码素材内的复杂性程度。但是，产生的特技放像图象是可以识别的，并且对于磁带检索用途来说是可以接受的。
在实时特技放像和预先记录的特技放像数据流的导出之间的主要差别是来源于在消费产品录像机/放像机中的对于造价的限制和复杂性的缺少。消费产品设备必须在记录正常的重放数据时导出和记录特技放像数据流，即特技放像数据流是实时导出的。利用预先记录内容的特技放像数据流可以直接从原始图像源导出，而不是从压缩了的经MPEG编码的数据流中导出。速度规定的各TP数据流可以彼此独立地并与实际记录内容无关的导出。所以，预先记录的特技放像数据可以按非实时的方式导出，有可能是以非标准或较慢的帧重复速率导出。由于不再受消费产品的实时方法的限制，所以由预先记录的节目所达到的特技放像的再生质量可以是相当高的。
本发明的预先记录的TP数据导出的第一种方法提供了例如CCIR的601号推荐的空间分辨率，具有720×480象素的分辨率，而不管原始的HDTV数据流的分辨率的情况如何。本发明的第二种方法构成与原始HDTV节目相同的分辨率，即相同的象素数的特技放像数据流。
图3示出一个示范性方框图，表示本发明的用于产生低分辨率、预先记录的特技放像数据流的方法。不考虑原始HDTV视频信号09的格式如何，时间处理框30执行时域亚取样，产生30Hz的逐行信号31。根据是否原始信号源的节目内容为59。94/60Hz的逐行帧速率或29。97/30Hz的隔行帧速率，该处理级的操作可以是不同的。可以通过从序列中丢掉每一个第二帧的方法使得逐行扫描信号源的节目的帧速率降低。通过丢掉交替帧，一个逐行的序列形成具有原始信号源的节目的时域分辨率的一半。对于隔行的信号源的节目，帧速率保持不变，但是每一帧只有一场被使用。这一处理形成一个一半垂直分辨率和相同的帧速率的逐行序列。
逐行扫描的帧信号31被耦合到框40，产生更低分辨率的信号，具有例如由CCIR建议601所发表的分辨率。每一个逐行扫描的帧被重新取样成720×384象素，以便保持16∶9的宽高比，并以黑色的顶部和底部边框作填充，以便产生“信箱”式样的720×480象素的信号。
现在，由41表示的HDTV信号具有720×480象素的较低的空间分辨率，以30Hz的帧速率作逐行扫描。信号41耦合到框50、60、70，实施速度相关的时域亚取样。重建每一个特技放像数据流，以具有相同的时域分辨率或2帧的帧保持时间，即，每一个帧将被重复一次。所以，在N倍的特技放像速度时，帧速率从30Hz降低到30/2NHz。所以，产生出如下的记录帧速率：5X变成30/10Hz，18X变成30/36Hz，35X变成30/70Hz。由于每一个帧是显示两次且显示的速率是30Hz，所以在每一个TP速度的场景内容的有效速度保持是正确的。
时域亚取样框50、60、70分别地产生输出比特数据流51、61、71，它们被耦合到相应的MPEG编码器120、130和140，以便形成MPEG兼容的比特数据流。由于用于每一个速度的MPEG兼容编码是相同的，并且由于在一个预先记录的环境中不需要实时处理，所以相同的MPEG编码硬件可被使用于编码正常的重放数据流和每一个特技放像数据流。此共同使用是由包括MPEG编码器框100、120、130和140的MPEG编码器框的虚线所指示。已时域亚取样的比特数据流51、61、71经MPEG编码成I帧。采用如先前描述的位于在PES层中的DSM特技放像标志位将每一个I帧重复一次。这将产生表示正常重放速度NP的MPEG兼容的数据流101、特技放像速度5X的数据流121、特技放像速度18X的数据流131和特技放像速度35X的数据流141，并耦合至多路复用器150进行记录格式化。多路复用器150在各种的MPEG数据流之间作有效的选择，以便产生同步数据块格式信号200，该信号适用于由记录重放系统210进行记录处理并写入到磁带220。如在先所示，预定的TP速度的使用使得速度规定的TP数据能被定位或被记录在记录磁迹里的专用同步块位置。由此，多路复用器150格式化同步数据块信号200，以便将速度规定的TP I帧数据放置在记录磁迹之内的规定的同步数据块位置。这些规定的位置实现了以各种规定的TP速度的再生。
图6示出了一个局部框图，表示根据本发明的图3的另一个非实时″特技放像″设备的装置。速度经专门处理了的TP信号51、61和71耦合到存储器520、530和540，它们分别存储5倍、18倍和35倍的已经处理的数字图象信号。供存储用的存储器可由盘或磁带记录和检索系统来提供。原始的HDTV信号09也被存储在存储器500中。对于预先记录的介质或磁带的制作，是通过在各种存储的数字信号源之间顺序的选择来实现，以便形成由编码器100作MPEG编码并记录在介质上的一个输出信号。多路复用器150受控在各种数字信号源中作选择，以形成用于进行MPEG编码的一个输出信号。MPEG编码的信号200具有各种信号的成分，从而使得一个记录能够被以正常的和特技的速度重放。因此本发明图6的装置实现了对于正常的重放和特技放像数字信号源的非实时的和独立的导出，以便编码成为MPEG兼容的比特数据流。
另一个本发明的装置示于框600中，它示出了对于由MUX150产生的已经多路复用的正常的和特技放像的MPEG编码的数据流的另一种使用方法。此另一种系统的框600取代了MPEG编码数据流200、记录器210、格式控制信号FMT CTL、解码器07和显示器300。在框600中，一个MPEG编码的数据流202被传送到发射机400，用于耦合到解码器07和显示器300。观看显示器300的一个用户，在节目被观看之前可事先选择，并启动与多路器150进行通信的一个遥控命令REMCTRL。多路器150响应用户的遥控命令并选择例如将5倍速的比特流521耦合成用于MPEG编码和顺序地发送、解码和显示。相似地，用户可以选择按相反的方向例如以5倍速观看。这一选择可以通过按反方向读出5倍重放速度存储器520来实现。所以，框600的装置提供了在正常的和特技重放的MPEG编码的数据流之间的用户控制选择。
图7示出了一个局部框图，表示根据本发明的图3的另一种非实时″特技放像″设备的装置。在图7中，正常的重放和特技放像的已经处理的数字信号09、51、61和71都被耦合成便于由编码器100编码成MPEG兼容的比特数据流。借助于非实时的信号处理和预先记录的内容的制备，信号09、51、61和71可被分别地导出，并被单独地耦合以用于由单一的编码器100进行的MPEG编码。单独编码的MPEG比特数据流101、121、131和141被存储在存储器550、560、570和580中，其分别地表示正常重放和5X、18X和35X的特技放像的比特数据流。供存储用的存储器可由盘或磁带记录和检索系统来提供。存储器550、560、570和580产生用于耦合到多路复用器150的输出信号501、521、531和541，该多路复用器受控地响应于记录器210，以便产生一个MPEG兼容的记录比特流，它被格式化以便提供以正常放像速度和以预定″特技放像″速度的再生。
另一个本发明的装置示于框600中，它示出了对于由MUX150产生的已经多路复用的正常的和特技的重放MPEG编码的数据流的另一种使用方法。此另一种系统的框600取代了MPEG编码数据流200、记录器210格式控制信号FMT CTL、解码器07和显示器300。在框600中，一个MPEG编码的数据流202被传送到发射机400，用于耦合到解码器07和显示器300。观看显示器300的一个用户，在节目被观看之前可事先选择，并启动与多路复用器150进行联系的一个遥控命令REMCTRL。多路复用器150相应用户的遥控命令并选择例如将5倍速的比特数据流521耦合成用于MPEG编码和顺序地发送、解码和显示。相似地，用户可以选择按相反的方向观看，例如以5倍速观看。这一选择可以通过按反方向读出5倍重放速度存储器520来实现。所以，框600的装置提供了在正常的和特技放像的MPEG编码的数据流之间的用户控制选择。
上述的在图3中示出的示范性的低的空间分辨率的TP系统产生的特技放像质量显著地高于来自实时导出的特技放像比特数据流所能够达到的质量。产生的这种结果可总结如下。
在记录期间，将一个独立的仅有I帧的低分辨率(720×480)的MPEG兼容数据流写到磁带，用于每一个特技放像速度。
实际的空间图象的规格是720×384个象素，实现以″信箱″式样表示的16∶9的宽高比。
对于每一个特技放像速度，时域分辨率实际上达到15帧/秒，且对于每一个种速度都能够达到从良好到优秀的质量并保持不变。
根据信号源素材的复杂性，由2.0Mbps的数据速率产生的空间分辨率和720×480个象素的分辨率是从良好到很好。
总体上，由这种方案提供的特技放像图象质量是很高的。
上述的示出在图3中的低分辨率的预先记录的特技放像系统以相当高的时域分辨率产生良好的质量的空间图象。不过，倘若高级电视解码器/接收机单元是能够支持较低的分辨率的显示格式，则可采用这样一种低分辨率的方法。
图4是本发明的全分辨率的预先记录的特技放像数据流产生系统的示范性的框图，它提供5X、18X和35X的特技放像速度。如前所说，预先记录的特技放像数据流的导出可以从原始的未经压缩的信号源节目中产生。图4示出了正常的重放和特技放像的比特数据流的产生，但是，这些数据流可以彼此独立地直接从HDTV信号源产生。由于这一系统提供的是全分辨率，所以，不需要空间亚取样，并因此所需的处理比图3示出的情况要少。由于可以采用原始的未经压缩的信号源节目，所以可以准确地选取适合特技放像速度的那些即将帧内编码的帧，而不是从已编码的数据流中选择I帧。此外，可以保持恒定的时间刷新速率，这对于用户尤为令人高兴。
示出的原始的HDTV视频信号09被耦合到产生用于正常速度操作的一个MPEG数据流101的MPEG编码器100。信号09还被耦合到框55、65和75中以分别地进行时域亚取样。对于一个N倍的特技放像速度，只有每第N个信源帧才被利用来进行编码。但是，根据在空间和时域分辨率之间的所希望的取舍，用于进行编码的实际的帧可能较接近每一个第5帧或第8帧，以便提供一个可接受的空间分辨率。因此，帧的保持时间，即时域分辨率，与在先描述的实时的全分辨率的系统的情况相似。
当选定了帧的保持或刷新时间，例如，对于每一个N倍的特技放像速度的每第5N个帧，HDTV数据流信号09将被针对每一个TP速度作时域亚取样。该5倍的TP数据流是在框55中导出，它被以因数1/5N，即1/25作时域亚取样，即在25帧中的一帧被选择用于产生输出信号56。相似地，18倍的TP数据流在框65中导出，以因数1/5N，即1/90进行时域亚取样并产生输出信号66。35倍的TP数据在框75中导出，按因数1/5N，即1/175作时域亚取样并产生输出信号76。这三个亚取样的TP比特数据流信号56、66和76被耦合，用以分别在编码器框120、130和140中进行MPEG编码。
由于MPEG兼容的编码对于每一个速度是相同的，还由于在预先记录的环境中不需要进行实时处理，所以能够使用相同的MPEG编码硬件来编码正常重放的数据流和每一个特技放像的数据流。这种使用中的共用性由包括MPEG编码器的框100、120、130和140的虚线所示出。时域亚取样的比特数据流56、66和76被MPEG编码成I帧。由于在贯穿每一个特技放像数据流中的帧的刷新时间是恒定的，所以分配到每一个I帧的比特数也是恒定的。如前所说的那样，帧的保持时间，即I帧的重复可以通过采用DSM特技放像标记来实现。产生的表示正常重放速度NP的数据流101、5X的特技放像速度的数据流121、18X的特技放像速度的数据流131和35X的特技放像速度的数据流141的MPEG传送数据流被耦合到多路复用器150，由其进行记录的格式化。多路复用器150在各种的MPEG数据流之间作有效的选择，以便产生一个同步数据块格式信号200，它适合于由记录重放系统210进行记录处理，并记录到磁带220上。如前所说，预定的TP速度使得速度规定的TP数据在记录磁迹里面的规定的位置上定位或记录。于是，多路复用器150对于同步数据块信号200进行格式化，以便将速度规定的TP I帧数据放置在具体的同步数据块信号的位置，这将实现以各种规定的TP速度的重放。
本发明的图6和图7的装置也可以被用于图4的非实时“特技放像”产生装置中。如上所述，图6和图7的装置实现了正常放像的和特技放像的数字信号的非实时的和独立的导出以及MPEG兼容的比特流的编码。
图7的存储和检索存储器550、560、570和580产生MPEG兼容的输出信号501、502、531和541，示出的这些信号被连接至多路复用器MUX150。在本发明的另一个实施例中，由MUX150产生的MPEG输出数据流200可以被耦合到一个用于分配的传输系统供用户显示。多路复用器MUX150响应用户的命令可受控地在导出的MPEG兼容的输出信号的存储器中选择。例如，用户观看正常速度的节目时将接收和解码比特流信号202。用户可以希望遥控地选择观看地超前的或快进的例如以5倍速度的MPEG比特流节目。对于5X重放的用户遥控命令可使多路复用器150选择输出到用户的MPEG比特数据流521。
保持全空间和时域分辨率的约束条件，将导致特技放像的质量十分相似于由全分辨率的实时方法所实现的质量。但是，这种预先记录的方法的优点在于，帧的保持时间是恒定的。前述的特技放像数据流的产生技术提供具有全空间分辨率的5X、18X和35X的特技放像速度和2.0Mbps的有效特技放像比特速率。其性能可总结如下：
在记录期间，对每一个特技放像速度，一个独立的只有I帧的MPEG数据流被写入磁带。
空间分辨率与信号源素材相同。
时域分辨率被固定的具有5帧的保持时间。
每一个I帧使用全部DC系数和部分AC系数。
总体的空间质量是尚可的。恢复的特技放像图象是可识别的，因而是可适合用于磁带检索目的的。
下表总结了由本发明所公开的各种方法实现的特技放像质量。
实时特技放像数据流产生 非实时特技放像数据流产生
全分辨率特技放像模式 空间分辨率从差到尚可，只采用DC系数 空间分辨率从差到尚可，采用DC&部分AC系数
时域分辨率从差到可以接受，可在5-8帧的保持时间中变化 时域分辨率从差到可以接受，恒定5帧的保持时间
低分辨率特技放像模式 空间分辨率从差到好，取决于素材，所用的MB组合时域分辨率好，恒定3帧的保持时间 空间分辨率从好到很好，取决于素材时域分辨率很好，恒定3帧的保持时间
从上述讨论的约束条件来看，通过使用较低的分辨率的特技放像数据，最高的特技放像质量在实时的和预先记录的素材都能够别获得。但是，高级电视接收机/解码器必须支持低分辨率模式的使用。如果使用的是全分辨率的特技放像模式，则可以通过各种参数的巧妙处理使得提供的图象质量增强。例如，提升用于每一个特技放像速度所能得到的有效比特速率，将使得清晰度增加。但是，要求最小的比特速率近似于2.0Mbps。如果所提供的″特技放像″速度的数目下降了，例如在每个方向上下降为2，则用于每一个留下余的有效速度的比特速率便可被增加。有效的时域分辨率、即帧重复的数目，是来源于在时间和空间分辨率之间的取舍。因此，任何一个参数都可根据所需的应用而被优化。

Claims (10)

1.一种用于产生供进行记录用的MPEG兼容数字图象信号以实现以多于一种速度的再生的方法，所说的方法包括以下的步骤：
a)接收一个数字图象信号(09)；
b)以相关于一个特技放像速度的速率对于所说的数字图象信号(09)进行时域亚取样；
c)对于所说的时域亚取样的信号(56，66，76)进行编码，以便产生一个MPEG兼容的特技放像信号(121，131，141)；
d)对于所说的数字图象表征数据信号(09)进行编码，以便产生一个正常重放的MPEG兼容信号(101)；
e)在所说的特技放像MPEG兼容信号(121，131，141)和所说的正常重放的MPEG兼容信号(101)之间进行选择，以便产生一个记录格式化的比特流(200)；和
f)记录所说的记录格式化的比特流(200)。
2.根据权利要求1的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的特技放像MPEG兼容信号(121，131，141)包括I帧。
3.根据权利要求1的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的特技放像MPEG兼容信号(121，131，141)被选择出现在所说的记录格式化的比特流(200)中，从而使得当记录时，所说的MPEG兼容的特技放像比特流(121，131，141)以所说的特技放像速度被重放。
4.根据权利要求2的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的I帧包括至少一个直流(DC)离散余弦变换系数和一个交流(AC)离散余弦变换系数。
5.根据权利要求1的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的时域亚取样以由一个预定的帧重复速率所确定的速率进行。
6.根据权利要求2的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的步骤c)还包括：
在所说的MPEG兼容的特技放像信号(121，131，141)的打包的基础数据流层中设置一个DSM特技放像标志，以便重复所说的I帧。
7.一种用于导出供进行记录格式化用的MPEG兼容数字图象信号以实现以多于一种速度的再生的方法，所说的方法包括以下的步骤：
a)接收一个数字图象信号(09)；
b)对于所说的数字图象信号(09)进行时域亚取样(55，65，75)，以便产生一个具有相关于特技放像速度的一个帧速率的信号(56，66，76)；
c)对于具有所说相关于特技放像速度的帧速率的信号(56，66，76)进行编码(100)和存储(560，570，580)，以便产生一个MPEG兼容的特技放像速度的信号(521，531，541)；
d)对于所说的数字图象信号(09)进行编码(100)和存储，以便产生一个正常重放速度的MPEG兼容信号(501)；
e)重新得到所说的存储的特技放像速度和正常重放速度的MPEG兼容信号(501，521，531，541)；
f)在所说的重新得到的正常的重放速度的MPEG兼容信号(501)和所说的重新得到的特技放像速度的MPEG兼容信号(521，531，541)之间进行选择，以便格式化一个比特流(200)，实现以所说的正常重放速度和所说的特技放像速度的再生；和
g)记录所说的格式化的比特数据流(200)。
8.根据权利要求7的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的特技放像速度的MPEG兼容信号(521，531，541)被选择而出现在所说的记录格式化的比特流(200)中，从而使得当着被记录时，所说的MPEG兼容的特技放像速度的比特数据流(521，531，541)以所说的特技放像速度被重放。
9.根据权利要求8的产生MPEG兼容数字图象信号的方法，其中所说的选择步骤是根据从对于所说的格式化比特流(200)进行记录的的记录器(210)得到的格式化控制信号(FMT CTRL)而被控制的。
10.一种用于导出并记录MPEG兼容的数字图象信号以实现以多于一种的重放速度再生的方法，所说的方法包括步骤：
a)接收一个数字图象信号(09)；
b)对于所说的数字图象信号(09)进行时域亚取样(55，65，75)，以便产生一个具有相关于特技放像速度的一个帧速率的信号(56，66，76)；
d)对于所说的特技放像速度规定信号(56，66，76)进行MPEG编码(100)和存储(560，570，580)；以便产生一个MPEG兼容的特技重放速度规定的信号(521，531，541)；
e)对于所说的数字图象信号(09)进行编码(100)和存储(550)，以便产生一个规定到正常重放速度的MPEG兼容信号(501)；
f)从存储器读出所说的特技放像速度规定的MPEG兼容信号(521，531，541)；
g)从存储器读出所说的正常重放速度规定的MPEG兼容信号(501)；
h)响应一个用户的控制命令(REM CTRL)，在所说的正常的重放速度规定的MPEG兼容信号(501)和所说的特技放像速度规定的MPEG兼容信号(521，531，541)之间进行选择，从而输出一个MPEG兼容信号(202)用于解码(07)，以便实现以所说的正常重放速度和所说的特技放像速度观看所说的数字图象信号。
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