CN1119060A - 数字hdtv的数字磁带记录器 - Google Patents

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Abstract

用来处理高清晰度电视信号的数字磁带录像/重放设备包括用于控制高优先级(HP)图像信息的出现的措施。该信息被有选择地以正常速度记录在预定区域(HP1-HP5)内的磁带磁迹中，以便可沿着与比正常速度快的预定磁带重放速度(例如20×正常速度)相关的磁头扫描路径出现。可以把输入的高优先级数据单元重排或复制，以便按照不同于接受次序的次序记录在预定磁带区域中。在任一情形中都对输入数据流进行控制，以便在快速重放方式中产生可视的图像。在所示用来接受MPEG编码数据流的系统中，比正常重放速度快的输出数据流只包括帧内编码的I帧数据单元或整个“图像组”(GOP)。

Description

数字HDTV的数字磁带记录器
                   发明的领域
本发明涉及数字视频信号处理领域，特别涉及利用数字磁带记录/再现系统处理数字高清晰度电视信号。
                  本发明的背景
近来已提出了数字高清晰度电视(HDTV)系统。由先进电视研究财团(Advanced Television Research Consortium)提出的、通常称为AD-HDTV系统的一种这样的系统按优先序排列并以数字方式处理进行了符合MPEG标准的变长编码了的高清晰度电视信号。MPEG是由国际标准化组织建立的标准化编码格式。在国际标准化组织的文件ISO/IEC DIS11172，CD11172-1，CD11172-2，CD11172-3(1992年1月21日版本的第一次修订本)“用于数字存储媒体的活动图像及相关音频的编码(Coding for Motion Picturesand Associated Audio for Digital Storage Media)”中描述了这一标准，该文件在此作为描述一般代码格式的参考。在Acampora等人的美国专利5168356中，描述了AD-HDTV系统的特性。在Acampora描述的系统中，把代码字按优先序排列来反映数字数据流中优先级高和优先级相对较低的标准优先级信息。将代码字组成传送包或单元。每一传送包包括压缩数据有效负载部分。其前面是包含识别相关的有效负载数据信息的头部。
例如，利用诸如家用盒式录像机(VCR)这样的设备来记录和再现(重放)这种数字HDTV信号，是合乎理想的。这种设备使用固定在旋转磁鼓外围的两个或两个以上的磁头。这些磁头在物理上间隔预定的距离，记录/再现在磁带上顺序交替倾斜磁迹中的信号。家用和专业VCR通常都包括用于“特技”特性、例如变速进带(例如快速搜索)、倒带和冻结帧的措施。已公开的记录/再现设备能够再现预先记录的媒体，还能够记录接收的广播高清晰度电视、例如按照AD-HDTV格式的信号，以及来自摄象机的现场图像。本发明涉及简化高清晰度数字视频记录/再现装置的操作、特别是特殊性能操作的装置。
              本发明的提要
根据本发明的原理，适合于处理高清晰度电视信号的数字磁带记录/再现设备包括用于控制高优先级图像信息的出现的装置。这种信息被有选择地以正常速度记录在磁带磁迹的预定区域上，以便能够沿着与比正常速度快的特定再现速度(例如20倍正常速度)相关的磁头扫描路径出现。可以把输入的高优先级数据重排或复制，以便记录在预定的磁带区域中。在任一情况下部对输入数据进行控制，以便在高于标称再现速度的再现期间、例如在快速搜索方式中产生可视的图像。在用来接受MPEG编码数据流的示范性系统中，比正常再现速度快的输出数据流只包括帧内编码的I帧数据单元或整个图像组(GOP)。
根据所公开系统的特点，在数据流上增加了包含用于后续接收机电路的操作指令的特征位/指示符。
根据所公开系统的另一特点，在MPEG代码字的级别上处理信息。把输入MPEG编码的数据流解码为MPEG字，然后，将选定的MPEG字再编码并以磁带数据包(以下，简称为包)的形式进行记录。
             附图的简要描述
图1表示说明螺旋状磁带记录格式的一部分磁带；
图2表示在正常重放期间磁带磁迹的磁头扫描路径；
图3表示在快速扫描方式中磁带磁迹的磁头扫描路径；
图4表示在快速磁带扫描方式中的数据恢复区；
图5和图6表示根据本发明的用于快速扫描再现的高优先级(HP)信息的记录位置；
图7表示在图6的情况下，在快进特征方式中图像、数据流和磁带信息之间的关系；
图7A是概括地说明参看图6和图7描述的快进特征方式的功能特性的方框图；
图8是符合MPEG标准的数据块组的表示；
图9是符合MPEG标准的分层数据格式的一般化图形表示；
图10、图11和图12以方框图的形式表示采用本发明的单元级的磁带记录/再现系统的功能细节；
图13-图16表示利用根据本发明的磁带记录/再现设备处理的数据单元的特性；
图17表示图12所示系统一部分的操作结构的细节；
图18表示用于AD-HDTV系统的已知传送块(包)头部成分的细节；
图19表示在HDTV系统中，高优先级(HP)和低/标准优先级(SP)数据通道之间的关系，以及根据MPEG标准的图像帧序列；
图20是表示根据本发明的磁带记录/再现系统的慢速特征操作方式的特性的表：
图21是有助于理解在快进再现方式中输出帧数据的产生的图示；
图22和图23以方框图的形式表示采用本发明的MPEG级的磁带记录/再现系统的功能细节；
图24表示由记录/再现系统本机产生的磁带包的一般结构。
                      附图的详细描述
作为背景知识和为了有助于理解本发明的运作，图1示出以传统螺旋状格式进行记录的一段磁带。螺旋扫描的磁带磁迹按照所示的角度排列，并根据传统的作法按照不同的方位“a”和“b”交替地进行记录。同样根据传统的作法，沿磁带的外缘设置的纵向磁迹包含伺服和定时信息。
在通常的VHS电视格式中，每一磁迹包含了一个图像场间隔。在磁带包围旋转磁鼓180°和具有两个记录/重放磁头的情形中并且在磁鼓转速为1800转/分时，磁鼓在两场期间内(1/30秒)旋转一圈对于数字记录，为了获得更宽的带宽，例如可以将每一场/帧分割为5个部分。在把各数据段再组合成图像时由于数据头部提供了识别各数据段的可靠手段，所以，这种分割不会产生问题。在这样的数字系统中，磁鼓的旋转速加快到5倍(9000转/分)。假定，这一转速对提供35Mbps(位/秒)的总数据速度或约24Mbps的净视频数据率(例如，在错误校正以后)的控制和音频数据来说，是可以接受的。增大磁迹和相关磁头的数目，可以进一步增大带宽容量。在35Mbps时，每一磁迹包含115千位或14.5千字节。这一数据量等价于AD-HDTV系统中的约100个传送包。在数字系统中，由于与每一传送包相关的可变长编码数据的性质，每一磁迹可以包含多于或少于一场/帧的信息。
正如公知的(方位记录/再现)那样，磁头间隙相对于磁头在磁带上运动的方向倾斜几度，另外的磁头沿相反方向倾斜。当记录时，磁迹有重迭，所以磁头完全被各相邻磁迹所覆盖。当以正常速度再现时，每一磁头以正确的倾角与其相关的磁迹对中，由于方位角效应，使相邻磁迹的信号被大大地衰减因此，实际上可以忽略不计。这一正常方式的过程用图2来说明，其中示出了在各个磁头顺序通过的期间内，第一和第二磁头在各自(白和阴影的)磁迹上所取的路径。
在特定的“特征”方式、例如快速搜索方式中，每一磁头与记录磁迹成一角度地跨过磁带。图3表示为正常速度2、8和20倍的快速搜索速度的这一过程。实际上，每一磁头是以作为带速的函数的速率从一个边缘到另一个边缘地滑过磁带磁迹。在较高速的方式中，每一磁头恢复的数据以这样的形式出现：一组良好的数据单元，接着，是当磁头通过以其它方位角记录的磁迹部分时的一个间断，然后，是来自图像其他某处的一组良好的单元。关于这一点应当指出，随着带速的提高，由于磁头从一个边缘到另一个边缘地通过磁带时横过的磁迹数目增大，使图像数据连续的可能性减小。高速磁带操作产生的数据断裂(间断)用图4来说明。造成数据间断的原因是，磁头不是如在正常速度方式中那样连续地跟踪给定的一条磁迹而是跳过几条磁迹，这就关联到：一个被希望相对于以某一种方位记录的磁迹(阴影磁迹)进行操作的给定磁头不能从以不同方位记录的相邻(白)磁迹中恢复数据。
快速搜索的速度范围取决于在获得被显示图像的合理预先观看(preview)的同时对磁带进行迅速搜索的能力。约10倍正常带速至30倍正常带速的速度范围基本上满足这一目的。在较低的速度下，观众可能变得不耐烦。这一速度范围的高端对于跳过电视广告来说可能是太快了，但是，对于搜索磁带来说还是有用的。
快速特征可以利用这一事实来辨别，即磁头不能覆盖全部磁带区，由此，仅一部分可用数据用于显示。根据本发明的原理，已经得知：通过对数据进行控制以便确定在一种或一种以上的预定带速下磁带上的哪一个数据子集可被显示，就可以较大地补偿这一不足。为此，对某些数据单元进行处理(例如复制或重排)以便能够以预定的带速从磁带中按照所需的时间顺序再现。具体来说，把高优先级数据设置在磁带上以便以选定的带速被磁头可再现地扫描。如将参看后面附图所说明的那样，通过采取数据包形式的数据流、特别是通过被包含在与那些数据包相关的头部中的识别和定时信息所起的作用，简化了这一过程。在AD-HDTV系统中，HP单元包含再现图像所需的最重要的信息。以使得信息被丢失的可能性为最小的方式来处理HP单元。在无线电广播传输时，HP信息以比LP信息高的功率电平来发送。对于磁带记录，对HP单元进行一次以上的记录是有利的。
由于在高磁带扫描速度下，被再现/被显示信息用其它方法是不可预测的，所以在所公开的系统中，在特定的磁迹位置上记录可再现良好图像的某些高优先级信息，这样特定的磁迹位置在预定的带速下被磁头所横过。这一高优先级信息例如包括含有DC的低的视频频率、重要的AC图像信息、音频和同步信息。这一记录数据格式用图6来表示，图6来源于图5。
HP信息的一种功能是使数据的表示与位流中数据的到达同步。系统的视频输入作为以恒定速率出现的图像或帧而被获得。编码过程产生了在其中各个帧占据不同数目的位并且因此而占据不同的时间间隔的可变长编码的位流。接收机必须以恒定的速率产生视频输出帧。此外，解码器在位被需要的时刻必须获得产生输出帧所需的全部输入位。在AD-HDTV系统中，HP通道中的定时包和位流中的图像头部信息共同用来实现所需的同步。位流中的图像头部信息在每一帧的数据的起点上出现在HP数据单元中。这些图像头部包括图像序号的标识符。这一图像头部的序号实际上是一计数值，来自视频序列的0到1023个帧。图像(或帧)123跟在图像122之后，其后面是图像124。可以认为，图像的头部信息传送了这样的意思：“以下的位确定了如何制作帧123。”HP通道中的定时单元被编码器以大致恒定的速率(即显示帧速率)而插入。定时单元并未与图像数据对准。当每一定时单元到达时，就是解码器制作一输出图像的瞬间。定时单元包含相应于要制作的图像的序号。在某一时刻，包含序号122的定时单元到达，这指明要制作帧122了。几乎就在一帧的时间之后，包含序号123的定时单元到达，这指明要制作帧123了。定时单元到达的时刻指明何时要产生帧，定时单元的内容指明要制作哪一个帧。如果帧123的数据在帧123的定时单元之前到达，解码器就等待合适的定时单元。如果帧123的定时单元到达解码器而该解码器中的缓冲器包含的不是帧123图像头部的数据，就放弃缓冲器中的数据。这一记录数据格式用图6来说明，图6来源于图5。可以认为，定时单元信息传送了这样的意思：“现在是制作帧123的时候了。”
在定时单元中还运载其它冗余信息，例如帧的类型(I，B或P)。定时单元还是用来传输以下描述的解码器控制位或特征位的载体。
如图6所示，高优先级(HP)数据包(单元)被记录在标为HP1至HP5的5个预定的磁迹区域中。磁头在非标准速度重放(例如快速搜索)期间通过的磁迹部分确定HP数据的记录位置。HP数据沿着磁迹的空间记录，以便简化在非标称再现速度期间内当磁头在一次通过期间横过多条记录磁迹时的恢复。
这样设置HP数据包，使得它们不仅包围每一HP区域内的黑区，还包围每一指定HP区域内的全部磁带磁迹段。黑区表示在预定的2×、8×和20×正常带速时沿着磁头路径(见图3)的磁头接触区，即在这些预定的速度时磁头从磁带获取信息的区。包含磁头接触区的其余交错区域被看作是低优先级(LP)区域，它们对于20×正常速度的例子被标为区域LP1至LP3。其它低优先级区域，例如区域HP2、HP3之间和区域HP4、HP5之间的区域没有被如此地标记。低优先级数据当它出现在原始输入数据流中时，就不加重排地写到磁带上。
对于20×正常速度的带建进行以下讨论。在AD-HDTV系统中，HP信息包括低频视频信息、以及音频和同步(定时)信息。在本实施例中，HP区域被填充了已重排的帧内编码的I帧单元数据，而LP区域随意地包含被接收时的其它低优先级信息中的B帧或P帧的单元数据。应当指出，这样选择HP区域，以便在多于一种速度上产生良好的结果，即，在这些速度上HP数据可以预测地恢复出来。具体来说，3种所示带速(2×、8×和20×正常带速)中的每一种带速都将具有与相关磁头路径一致地记录的HP信息，因此，磁头跟随每一相关路径就将产生可视或可识别的图像。例如，最高的20×的速度路径包括5个指定的HP区域(包括在原点的一个)，每一区域具有在其它指定的高带速下的对应区域。在图6中，在从顶部起第三水平磁迹上所示的数字指出在数据片中相关的HP或LP区域的标称宽度。因此，例如区域HP1包含2个高优先级数据片，区域LP1包含6个低优先级数据片，区域HP2包含3个数据片等。应当懂得，这些片的指定是为了进行清楚说明的一种简化。如将参看图7所讨论的，HP数据以正常带速被记录，因此，在选定的快进特征速度下，这一数据被磁头所横过。
在记录过程中，把可变长编码位流输入到磁带上。首先，将描述不包括数据复制的例子。要记录的总位速率相应于要记录的磁带总面积。在以前的记录方法中，把要记录的数据顺序地输入到磁带上。在当前的例子中，数据在磁带上的位置与视频的时间序列没有直接的对应。逐个单元地重排位流数据以便提供特征方式的重放。根据所需的重放特征速度预先确定单元在磁迹上的所需结构。如图6所示，所规划的结构是：2个HP单元、6个SP单元、3个HP单元、1个SP单元、4个HP单元、5个SP单元、4个HP单元、2个SP单元、3个HP单元和12个LP单元。图6中，相应顺序的区域标为HP、LP1、HP2(LP未标)、HP3、LP2、HP4(LP未标)、HP5和LP3。把在优先化位流中可获得的相应类型的下一个可用单元填充到磁带区域中。在正常重放时，从磁带恢复全部数据流。磁迹的前2个单元进入HP输出流，下6个单元进入LP流，下3个单元进入HP，等等。
再参看图6，现在假定，以2×的速度重放同一磁带。从磁带的黑区中读出有效数据。从磁迹1开始该读出过程。把读出的前2个单元指配给HP，下6个单元指配给SP，下3个单元指配给HP，下一个单元指配给SP，等等。在区域LP3的某处数据变为无效。在磁迹4用其它方位磁头恢复有效数据，并重复相同的结构。可以看出，不是全部数据都被恢复，但丢失的数据是LP数据。AD-HDTV优先化的特征就在于，只从HP数据就能够产生图像。
图7表示对于如图6所示重排成为HP和LP数据区域所需序列记录器的单元数据，在20×正常速度的快进特征方式中，磁带记录器操作的过程对以下例子的用途来说，假定，在HP区域HP1至HP5中的重排数据是MPEG帧内编码的I帧数据，与预测编码的B帧或P帧数据不同，I帧数据是与其它信息无关的时间相干的信息。虽然LP区域的实际内容是任意的，即LP数据将按照在数据流中接受的次序出现在LP区域中，但是，为了简化以下图6和图7的讨论，假定，低优先级LP区域LP1、LP2和LP3依次分别包含B1、B2和P1帧数据。
为便于理解这一素材，现在同时参看表示MPEG排列的图像组(GOP)图7的图示(A)以及图8和图9。在MPEG标准的范围内，一个GOP包含9个图像帧，开始是I帧，接着，是一系列B和P帧，即I，B1，B2，P1，B3，B4，P2，B5，B6。I帧通常需要比B或P帧更多的位。一个GOP呈现9/30秒、即约0.3秒的显示时间。在24Mbps的通道速率下，平均来说一个GOP的大小相应于7.2Mb(24×9/30)。一个GOP的大小可以从1.2Mb改变到13.2Mb。AD-HDTV接收机通常将包括两个存储的过去和将来的I帧以及P固定帧(Panchor frame)。当接受B帧时，将根据存储的固定帧来产生输出图像帧。当接受非B帧时，把现有的将来固定帧移到过去固定帧的位置上，并在显示过去固定帧时根据接受数据来产生新的将来固定帧。
更准确地说，在该例子中，输入数据流包括与MPEG格式兼容编码的、已数据压缩的帧序列。这一格式是分层的，以简化的形式示于图9。MPEG分层格式包括多个层，每一层有各自的头部信息。名义上每一头部包括一个起始码、与相应层有关的数据和用于增加头部扩展的措施。每一头部包括与在与该头部相关的数据包中的数据有关的信息。头部信息有助于例如在接收机处的数据装配和同步，并包括例如象业务类型(例如音频、视频)、帧类型、帧数和片数这样的信息。在上述Acampora等人的美国专利5168356中，在采用了MPEG信号编码的AD-HDTV信号处理系统内，描述了这种头部及其处理。本说明书的图18表示在Acampora等人的美国专利中所描述的AD-HDTV系统内所用的传送块头部的细节。图19表示AD-HDTV高优先级(HP)和优先级相对较低标准优先级(SP)数据流之间的定时关系，以及MPEG编码的I、B和P帧的时间序列。
当提到利用本系统处理的MPEG兼容信号时，指的就是：(a)视频信号的顺序图像场/帧，按照I、P、B编码顺序编码；和(b)图像级的已编码数据，按照MPEG兼容的片或块组编码，在这里，每场/帧的片数可以不相同，每片的宏块数也可以不相同。I编码帧是帧内压缩(编码)的帧，因此为了再现图像，只需要I帧压缩数据。P编码帧按照前向运动补偿预测方法来编码，在这里，P帧编码数据根据当前帧和在当前帧之前出现的I或P帧来产生。B编码帧按照双向运动补偿预测方法来编码。B编码帧数据根据当前帧和在当前帧之前和之后出现的I和P帧来产生。
把利用本系统处理的编码信号分割成如(图9)一排框L2所示的图像(帧)组，即GOP。每一GOP(L2)包括一个头部以及在该头部之后的如图7的图示(A)所示的9个图像帧I、B、B、P、B、B、P、B、B的序列形式的图像数据段。GOP头部包括与水平和垂直图象大小、即宽高比，场/帧速率和位速率以及其它信息有关的数据。
相应于各个图像帧的图像数据(L3)包括图像头部和在该图像头部之后的片数据(L4)。图像头部包括场/帧号和图像代码类型。每一片(L4)包括一个片头部和在该片头部之后的多个数据块MBi。片头部包括组号和量化参数。
每一块MBi(L5)表示一宏块，包括头部以及在该头部之后的运动矢量和编码系数。MBi头部包括宏块地址、宏块类型和量化参数。编码系数示于层26。如图8所示，每一宏块包括6个块，4个亮度块、一个U色度块和一个V色度块。在这一例子中，一个块表示例如8×8的像素矩阵，在该矩阵的范围内进行离散余弦变换(DCT)。4个亮度块表示例如16×16像素矩阵的邻近亮度块的2×2矩阵。色度(U和V)块表示与4个亮度块相同的总面积。就是说，在压缩之前，在水平和垂直方向上对色度信号进行相对于亮度为系数2的二次取样。数据片相应于表示相应于被一组邻近宏块表示的区域的矩形图像部分的数据。一帧可以包括360片的光栅扫描，即60个垂直片乘以6个水平片。对块系数进行DCT变换，一次一个块。DC系数首先出现，跟着是按照它们相对重要性的次序出现的相应DCT的AC系数，在每一个相继出现的数据块结束时，附加一个块结束码EOB。
再参看图7，图示(B)是图示(A)的简化扩展。每一I、B和P帧包括图像片，各图像片具有数据成分和规定相关的片数据成分的头部成分。图示(C)表示以20×正常速度从磁带恢复的数据。记录数据(C)的每一段表示在20×正常速度下的约6-7个数据单元的脉冲串，其后跟着约3-4个数据单元的间断。已恢复的数据来自如图6所示的将数据安排到预定的HP/LP区域中的磁带。为了清楚起见，图示(C)不表示由于磁头通过其它方位记录的磁迹时形成的数据间断。图示(D)表示当以20×正常速度进行重放时，在磁带录像机输出端的数据流。重放数据(D)已被重排并已被(从记录数据C)变换为I、B、B、P…的标准MPEG序列，为了显示处理之用，这种序列是接收机信号处理电路所预期的。因此，图示(D)表示在如图6所示将磁带安排到HP和LP段的基础上，在20×正常速度的快进特征方式中的图像数据。
正如有关图6所示和所讨论的那样，通过利用包括被包含在磁带包头部中的定时信息的信息、连同将要描述的索引系统，把磁带数据包重排到优先化区域中。由于按照MPEG标准，I帧信息开创出一个GOP，并因此，容易使I帧信息被识别出来，所以已恢复的磁带数据序列就从该I帧信息开始。此外，“图像开始”码字与GOP的起始相关。以20×的速度从磁迹1开始，从高优先级区域HP1中首先恢复的数据是在图示(C)中被示为I1的I帧片信息。磁头沿着20×速度的路径扫描的下一个区域是出现在磁迹3的低优先级区域LP1。假定从这一区域恢复的数据为B帧数据，用B3来表示。磁头以20×速率扫描的第三个区域是磁迹5上的高优先级区域HP3。从这一区域恢复的数据在图示(C)中被示为I5。通过在所示的序列中从磁迹7、11和13获取I帧数据、从磁迹9获取B帧数据以及从磁迹15-19获取P帧数据来继续这一过程。在图示(C)中，与给定的I、B或P帧相关的下标指出由磁头恢复出数据的那个磁迹。从磁带的LP3区域恢复的数据相应于可能来自帧15至19中某处LP数据不连续的区域。因为可变长编码位流的特性，通常不可能明确地指出哪一个视频帧相应于磁带的哪一个特定区域。
由于接收机预期接受IBBPBBPBB MPEG帧格式的数据，所以图示(C)中所恢复的数据不适合由接收机进行处理。因此以20×正常速度恢复的数据(图示C)必须返回去再变换为MPEG兼容的数据流。反映20×磁带操作的这种再变换的MPEG兼容的数据流用图示(D)来表示，并被如下地产生。首先，检查图示C中记录数据的磁带包头部来识别已恢复的信息。然后，通过将I、B和P帧数据顺序地组合到一起，将数据重排为标准的MPEG格式。首先，把HP1-HP5的I帧数据顺序地放入输出数据流中(I1、I5、I7、I11、I13…)，接着是LP1和LP2的B帧数据(B3、B9…)、其它B帧数据、以及LP3的P帧数据(P15-19……)
图7A概括地表示实现上述再变换的过程。在步骤70中，重排输入的I、B、P数据流(图7中的图示B)以便数据单元呈现图6所示的高和低优先级区域的顺序。在步骤71中，提供磁带包头部数据来识别重排的数据。已重排的磁带包以正常速度记录，并在特征方式中以20×正常速度重放(步骤72)。在20×重放期间，在步骤73中检查被记录包的头部。这些头部包含识别图7中图示(C)所示I、B、P数据序列的信息。在步骤74中，把数据序列返回去变换为接收机所预期的标准MPEG序列(图示D)。把已再变换的IBBP……帧序列存储在多页(I、B、B、P)存储器中(步骤76)，该存储器被连续地扫描以便获得要通过重放输出处理器/缓冲器加到磁带信号接收机上的输出数据(步骤78)。在帧存储器中没有被改变来反映已重排数据的那些地址仍保持不变，即，具有来自先前磁头扫描的旧数据。
与例如从一条以上磁迹获得I帧数据的20×正常速度的情形不同，在正常带速下，全部IPB帧数据都从一条磁带磁迹获得。利用所公开的技术，在这一例子中，有利地设置已重排的HPI帧数据，以便以一种以上的带速在沿着磁头路径的几个位置上可预测地再现。在说明性的I帧例子中，可视显示是更新速率可能约为一秒3至5帧的一系列静止图像信息。每一帧由来自相应积累时间间隔的条(从宏块到片，再到更大的条)组成。
所公开的将高优先级单元的数据重新变换到预定的磁带区域中以便在高速特征方式期间可再现地恢复的技术，首先主要涉及确定什么样的扫描速率产生好的结果。一般来说，中等的扫描速率(2，3或4×)是需要的，以便加速对图像的观看。此外，产生可以观看图像的最快速率(例如20×)是需要的，以便迅速跳过非所需画面。其次，对在这些扫描速率下磁头横过的磁带区进行映射，即确定磁头的磁迹。最后，将HP单元指配给(重排)在选定的扫描速率下磁头横过的指定磁带区。由于恢复与GOP的开始相关的定时单元的概率较大，所以可以将该定时单元的复制单元设置在磁带扫描的开始处。如果HP单元没有填满选定的区，就使这些单元集中分布在选定区的中心。应当指出，在快速扫描期间，由于拾取磁头相对于与(有正确方位的)有关磁迹对中的位置而移动，所以，信号的质量遵循梯形曲线。具体来说：信号不出现、信号被改善、当磁头对准磁迹中心时信号良好、信号变坏、信号丢失。把HP数据设置在信号良好的区域中。如果选定的区对于原始的单元数足够大，但对全部复制单元不够大，就把复制单元均匀地分布在整个区内。如果选定的区对于HP单元数是太小了，就应当忽略最无用的扫描速率并在产品设计时重新映射磁头磁迹。
利用这一技术，即使存在某些时间间断，但视觉上良好或可接受的图像部分大于产生相反结果的图像部分。可能出现的时间间断的数量是帧间运动的函数，在许多情况下该数量是极小的。所说明的带速是认为能够产生好的结果的带速，但其它速度可能产生更好的结果。所公开的系统有利地提供了在高速特征操作方式中速度选择的灵活性，包括是GOP中帧数非整数倍的速度。
当以快速扫描速度显示图像时，必须作出何时给输出解码器提供数据的判断。要记住，在一帧时间内恢复的可变长编码数据不相应于够一帧的数据。一帧时间也许包含够几个B帧的数据或仅I帧一部分的数据。AD-HDTV解码器或MPEG解码器以图像和帧为单位进行操作。如果一帧时间的数据相应于I帧的一部分，把它传送给解码器，则仅产生图像的部分。为了利用更新动作来修改整个的图像，必须累积足够的位流来说明如何制作一完整的图像。当将这一信息传送给解码器时，就可以传送相应的定时单元来产生帧。
在图6和图7所示的例子中，已假定I帧数据是安排在指定的HP区域中高优先级的数据。由于在20×正常速度时，磁头将从高和低优先级区域恢复数据，所以重放数据流(图7，图示C)将包括高优先级的I帧数据和低优先级的B和P帧数据。在20×速度下，打算显示只从I帧信息获得的图像时，磁带录像机将只输出I帧数据(例如，仅图7(C)中的I1-I13)。通过检查重放单元的头部和排除除包含I帧信息的那些单元外的单元，就可以容易地完成这一目的。由于一个I帧约0.2秒长，所以在20×正常速度下，4秒的原始视频的单元将被收集来产生0.2秒的累积时间间隔。如上所述，在图21所示的情况下，输出将只是一系列I帧。在图21中，上部图示表示相对于以毫秒为单位的实际时间从20×速度磁带上恢复的一部分数据，在此仅利用了I帧单元。标为“非I”的数据段表示被排除的低优先级数据。因此，图21的上部相应于图7的图示(C)所示的输出重放数据流，其中，把I帧数据单元组合在一起面把B、P帧数据单元排除。图21的下部图示表示相对于以秒为单位的带速(20×正常速度)、根据从20个GOP获得的复合数据形成合成I帧的情况。虽然可变长编码的位流不一定相应于同样持续时间的图像，但是，位流中图像数据的时间与定时单元使输出帧产生的时间有一最大偏离。该最大时间偏离由缓冲器的大小来设定，通常为1/4秒。如果GOP由9帧组成，则在20×速度下，20个GOP在9帧的时间内(9/30秒＝O.3秒)被累积，在0.3＋0.25＝0.45秒内将通过磁带上20个GOP的数据。在重放数据流中插入空单元来代替被排除的单元，以便保持数据流的连续性。在说明性的只有I帧的例子中，可见显示是更新速率可能约为每秒3至5帧的一系列静止图像。每一帧由来自相应积累时间间隔的条(从宏块到片，再到更大的条)组成。某些I帧数据可能在一个以上的输出帧中被使用。
另外，如果在输出重放数据流中保持全部已恢复的HP帧和SP帧(如图7(C)所示)，则重放输出图像可以由复合GOP组成。由于一个GOP的实际时间长约0.3秒，所以在20×正常速度下，约6秒原始视频的单元将被收集来产生GOP的0.3秒的累积时间间隔。在这一情况下，20×重放输出是一个GOP，在该G0P中，每一帧是20个相应输入帧的组合。在20×扫描速率下，20个磁带GOP产生一个输出GOP。例如，20×重放输出的第二个B帧(B2)由20个第二个B帧的取样构成。在高速磁带扫描功能下获取整个GOP的优点在于：由于空间编码的P和B帧单元的存在，可以得到运动较平稳的图像，并且，来自P和B帧的运动矢量可能近似于正确的方向。例如，考虑由在缓慢摇镜头的背景前面的说话人组成的图像。在只利用I帧信息快进重放的场合中，说话人的静止部分看起来很好，但该说话人的活动部分将有些失真，背景是一系列失真了的静止照。如果在重放期间利用整个GOP，则I帧图像部分看起来基本相同，但由于显示了GOP的其它帧，所以，某些图像块发生变化。移动背景可能仍有失真，但大部分图像沿近似正确的方向平稳地移动。
整个GOP扫描的实现使用了感兴趣的恒定大小的时间间隔，在AD-HDTV系统的场合中，这是9个帧。如果在另一系统中GOP的定义改变为不是9个帧了，就相应地调整索引定位器和计算机控制器(index-index and Computer Controller，如图10和图12所示)的编程和操作。使用全部GOP帧。感兴趣的时间间隔的起点是开始GOP的I帧的第一个单元。跟踪在被检索的GOP内的帧类型序列(I、B1、B2、P1、B3、B4、P2、B5、B6)，在类似的帧内分类各单元，例如，把来自B3帧的单元放入B3输出帧中。
在记录期间重新分配HP单元的过程包括在接收各单元时将它们缓冲到单元存储器中，“单元分析处理器”(将要被描述)知道被写入到存储器的各单元的时序。具体来说，该“单元分析处理器”监视单元在输入数据流中相对于“图像组”起点的位置。该位置在磁带录像机(例如，图10的部件1016)产生的包头部中被编码。这可以毫无困难地实现，由于磁带录像机能够根据以下因素保持磁带位置的准确计数值，即：hh(小时)、mm(分)、ss(秒)、ff(帧号)、tt(磁迹号)和pp(包号)。这一信息是清楚的，并且可以以机械方式从磁头位置和在磁带本身上的纵向定时/同步磁迹获得。这一位置信息可表示为二进制值。在记录过程期间，每一单元与帧速率的10位线性时间参考号相关。当记录时，被处理的最后一个图像头部包含该时间参考号。把该号暂存在录像机中，并被记录在将要用磁带录像机写入的下一个磁带相关的头部中，如前面指出的，可以容易地确定GOP起点及其时间基准。当(AD-HDTV)单元到达时，把它们从GOP的起点开始在该GOP内顺序地编号。这是一个14位的数。把线性时间基准和磁带位置的10个最低有效位之间的差、连同14位的单元序号一起包括在磁带包头部中。当在重放过程期间被恢复时，任何数据包都产生这一24位的数，该数可用来产生该单元到达的准确时间。
在正常速度重放时，从磁带包头部检索每一单元在数据流中的原始位置。然后，就能够按照原始顺序重新排列重放单元的数据流。
高清晰度磁带记录器/重放设备和高清晰度电视接收机的一般结构如图10所示。VTR1008接受被HDTV解码器1010解码的输入HDTV信号。如果该输入信号是AD-HDTV类型的，就可以如Acampora美国专利5168356所描述的那样配置解码器1010，该解码器的某些特性如图11所示。部件1012分析单元头部信息以便获得关于包括定时和顺序的单元内容，部件1014复制高优先级单元以便有助于实现特征方式的操作。具体来说，在记录流中复制选定的单元以便能够进行快速扫描。在这一例子中，磁带录像机中包括AD-HDTV的FEC功能(解码器1010，见图11的部件1154)，所以就获得了不必存储与误差相关的内务开销的好处。现在可将那些否则将会被FEC字节所使用的额外存储容量用于冗余(复制)单元，以便在快速搜索方式期间可利用某些信息。通过上述消除FEC数据的处理或由于改进记录处理使用的技术，都可以使得存储原始位流所需最小存储容量之外的额外存储容量变成可以利用。这一额外容量用于各单元的冗余存储，以便改善快速扫描性能。如上所述，在设计过程中，把选定的扫描速度映射到磁带上要设置HP数据的区域。如果有额外的磁带容量，就可以对其它扫描速度进行图6所示的映射。例如，如果需要其它扫描速度，而且，在区域HP2和HP4中没有恢复新扫描速度的数据，而是在HP2左侧和HP4左侧的区域中可以恢复，就可以把记录在HP2和HP4中的HP数据冗余地记录到区域LP1和LP2的右端。在媒体的额外容量中吸收从LP1和LP2移动的LP数据。在前述示范性的例子中，HP单元1和2被记录在区域HP1中，然后，SP单元1、2、3、4、5、6被记录在LP1中，HP单元3、4被记录在HP2中，等等。给定额外容量后，记录结构是：HP单元1、2在HP1中：LP单元1、2、3、4、5在LP1中；然后，HP单元3、4在LP1终点和HP2起点的新复制区域中，HP单元3、4还在HP2中。当设计磁带录像机时，预先确定了存储冗余单元的结构。当以正常速度或2倍正常速度的速度(2×)进行重放时，冗余单元就被恢复。根据沿着扫描的位置，这些单元被认为是冗余的，并被放弃。
在部件1016中，利用例如已知的减少位速率的将8位字变换为14位码字的8：14调制，把各单元变换为磁带包。磁带包一般包括头部成分、相关数据成分和定时/同步信息。把部件1016的磁带包提供给包括磁带信号处理网络和磁带输送机构的部件1018的MPEG兼容信号输入端。部件1018的非MPEG辅助输入端通过非MPEG空间信息磁带编码器1022接受来自辅助信号源1020(例如摄像机)的编码磁带包。部件1018的磁带输出信号提供给部件1030，该部件1030响应于数据流中的标记位自适应地将MPEG或非MPEG输出信号变换为标准RGB(红、绿、蓝)彩色电视信号格式，部件1018的磁带输出信号还提供给部件1032，该部件1032将磁带包返回去变换为输入数据流的单元格式。部件1034消除复制的各HP单元，以便提供具有为电视接收机1040的AD-HDTV解码器1044所预期格式的输出信号数据流。
部件1030的标准RGB输出信号，提供给HDTV接收机1040的输入信号选择器1046的一个输入端。部件1034的单元格式输出信号在提供给选择器1046的另一输入端之前，被在接收机1040输入端处的HDTV解码器1044解码。选择器1046将RGB格式的信号或已解码的AD-HDTV单元格式的信号提供给接收机1040的视频、音频、同步等电视信号处理和再现/显示电路1042。
图11更详细地表示图10的HDTV解码器1010、1044。接收的输入信号被调制解调器1150检波，该调制解调器1150提供输出信号给去交错器(解扰器)1152和里德-所罗门前向纠错(FEC)解码器1154。已校正信号提供给速率缓冲器1156，该速率缓冲器1156接受与后面视频解码器1160中去压缩网络所要求匹配的可变速率的数据。传送处理器执行在接收机中执行的数据压缩和优先化操作的逆操作，还响应于包括在传送包里的奇偶校验位进行一定程度的误差检测。传送处理器1158分别给视频变换解码器/去压缩器1160和音频解码器1162提供输出视频和音频信号，它们提供具有包括数据和头部成分的单元格式的音频和视频输出信号。在Acampora的美国专利5168356所描述的AD-HDTV系统中，调制解调器提供与HP和LP通道相关的两路输出信号，HP和LP通道都具有去交错器FEC控制和缓冲器功能。
图12表示能够在数据单元级上进行操作的磁带记录/再现设备的更详细方框图。图12的系统包括计算机控制器1222，即微处理器，它能够以包/单元速率作出许多必须的判定。控制器1222与包括单元缓冲存储器1232的数据库相互作用，单元缓冲存储器1232包含从磁带读出的数据，该控制器保持缓冲器内容的索引1224。对每一单元，该索引包含：与缓冲器中的单元位置有关的信息；单元开始时由以下因素指示的磁带基准时间：hh、mm、ss、ff、比、pp(前已说明)；单元误差状态；包括HP/LP指示符的单元业务类型(例如音频或视频)；单元的帧号；单元帧类型；以及在磁带时间基准和例如AD-HDTV线性时间基准之间变换的信息。可以在磁带被写入的时刻产生最后所述的一项，它指出数据单元属于哪一个定时包的范围。其它索引信息可以包括一些指示符，例如指示序列中下一个单元的有效性的指示符、表示单元已在别处复制了的复制指示符、和指出已复制单元的索引位置的复制索引指针。
索引可以包含多达13000条项目(最大GOP的字长)索引项目的大小约为80位，对索引提出了约128K字节的存储要求。此外，为了有助于控制器1222使用索引，还提供了索引定位器1226。该索引定位器包含指向索引内帧边界的指针。
更准确地说，在图12中，摄像机输入格式化器1210。在记录期间将模拟RGB彩色视频信号变换为数字形式。未示出的另一部件在重放时执行逆功能。磁带读-写部件1216在记录/重放期间执行位级的调制/解调，例如利用已知的8：14调制将8位数据字变换为14位码字，实现位速率的减少。磁带运动控制器1218包含主导轴控制和跟踪控制，并提供受控的加速启动和停止。部件1218和单元1216一起控制时间码功能。例如，部件1218确定哪一条磁迹正在被读出，并响应于沿规定的磁迹前进和暂停的指令，以及按照一定的速度沿给定的磁迹开始重放。磁带包格式化/去格式化部件1220产生并格式化磁带包，产生或解码磁带包头部、执行“前向误差控制”和“循环冗余检验”以及提供误差指示。HDTV解码器1212如图10和图11所描述那样地运行，并提供包括数据字节以及例如单元开始信息这样的信息、误差标记和字节时钟的输出单元流。
单元分析处理器1230产生读/写地址并提供数据给单元存储器1232。例如，在记录方式中，处理器1230检查例如包头部和定时包以及在AD-HDTV信号的数据流中可能提供的时间基准。处理器1230还保持GOP和帧的计数值、用来确定帧显示的线性时间基准、指向以前GOP和帧的指针、准确地指示包应当在何处记录的磁带包记录索引，还控制复制HP单元向包格式化部件1220的传送。在重放过程期间，部件1230用数据单元来填充单元存储器1232，扫描数据流和单元的头部，为每一个单元产生单元索引项目并保持GOP和帧序列的状态。此外，在合适的时刻产生部件1226索引定位器的项目，以便标明例如数据流中的GOP边界、帧边界和定时包这样的重大事件。
通过确定单元存储器1232的容量以便容纳GOP，并且单元存储器1232接受从分析器1230读出的单元，并以约3Mbps的端口速度将输出单元写入包格式化器1220。单元索引存储器1224在分析器1230正在填充单元存储器1232时写入项目。索引存储器1224包括控制器1222的地址功能。如将参看图17所看到的，索引定位器1226与存储器1224相关并包含指向索引存储器1224内帧边界的指针。
在重放方式期间，单元输出处理器1240在控制器1222的控制下为单元存储器1232产生读出地址，并提供来自单元存储器1232的输出单元。把来自控制器1222的地址和指令装入输出处理器1240中的FIF0缓冲器。在部件1222的控制下，某些数据没有改变地通过存储器1232传送到输出处理器1240的输出端上，但其它数据可以改变(例如，业务类型序列计数值、定时单元和时间基准数据)。
计算机控制器1222响应于输入的用户控制信号(例如，来自诸如遥控部件这样的用户接口)，通过适当地利用标记、缓冲器和寄存器与单元分析处理器1230、单元输出处理器1240和磁带运动控制器1218进行通信，来实现各种性能，例如“快进”、“慢动”和“冻结帧”。平均来说，控制器1222每秒处理约30000个单元，作出一个判定需要约3微秒。
以下是利用单元存储器1232和单元索引存储器1224处理的信息的更详细的描述。部件1224和1232处理已把FEC和误差检测数据去掉了的两种基本类型的单元。这些单元是图13概括地表示的视频单元以及定时和音频单元。在这些单元中，ST表示“业务类型”代码部分(视频、音频、定时)，H表示“头部”部分。每一单元以“业务类型”字节开始。除类型识别外(视频、音频、定时……)，该字节还包含4位循环连续计数值，即“业务类型序号”。该连续计数值在每一种业务类型内必须是循环的。如果不是的话，就假定相关的单元为(其它性质的)未被检测的错误，例如为一个被丢失的包。该“序号”还指出错误的业务类型，例如，如果音频和视频类型被互换的话。在这一例子中，定时和音频单元没有特定的头部。如图14所示，“业务类型”是表示高优先级视频VH或低优先级视频VL的“字节”。类似地，图15说明表示音频(总是高优先级)AH和定时单元TH(总是高优先级)的、“业务类型”字节。“编号”用符号“nn”来表示。在视频单元中，头部包含用于对齐数据流的5位帧号。在AD-HDTV系统中，每4个LP单元有1个HP单元。通常HP单元是视频的，偶尔HP单元是音频的，在一帧之后HP单元是定时单元。
如图16所示，有4类视频头部。如上所述，VH和VL表示高和低优先级视频成分。B、P和I表示GOP的帧成分。F表示特殊情形的I帧，它是以“片”O为帧起点的高优先级I帧。这一单元从“图像起始码(PSC)”开始，其后是新帧的时间基准。符号ff表示帧号。在重放方式中，单元存储器部件1232作为环形缓冲器被装入。该存储器中的某处是GOP的起点。这一GOP边界被定义为用“帧类型F”表示的第一HP或SP单元。
时间基准信息(例如10位的信息)通过数据流定时包来传送，以便建立确定显示哪一帧和何时进行显示的飞轮本机线性时间(flywheeled local liner temporal)基准。该“时间基准”还在位于MPEG“图像开始”码字之后的HP数据中出现，并且可以作为紧接在帧类型“O”的HP单元中的“图像起始”码字之后的10个位被恢复。
图17表示在图12的系统中存取单元存储器的数据的过程。在将各单元输入存储器1232的同时，单元分析器1230还填充部件1224的单元存储器索引。当单元分析器1230看到GOP起始、或其它有效信息时，它还在索引定位器1226中填充项目。例如，当出现GOP起始时，计算机控制器1222中的寄存器1223就指出索引定位器1226的位置(地址)41是GOP的起点。寄存器地址41指出这一GOP起始(GS)是高优先级(H)的、其索引位置(地址)是3210。该索引位置包含一项目，该项目例如指出相应的磁带位置(“i”)是4分、7秒、9场、2磁迹、0包，时间基准(“t”)是222。标记(“f”)可以指出没有错误，下一个单元也是好的等等。最后，该索引位置指出该单元的实际数据位于单元存储器的地址“12345”处。下一个索引定位器的项目指出“组起始”、低优先级信息的项目(GS，L)位于索引位置3333处。后面索引定位器的项目指出该“组起始”的定时单元的项目(GS，T)位于索引位置3456处。紧接着的项目是用于低优先级B帧(B，L)的。
实现特征功能的另一种方法是在MPEG码字的级上进行记录。在这一例子中，这一方法基于在单个MPEG码字流的级上解码输入的AD-HDTV数据流。具体来说，在此认识到：出于效率的考虑，只应当利用/复制有用的空间信息。在MPEG码字数据流中分离空间和非空间信息要比在AD-HDTV数据流中容易得多。MPEG级的处理有利地利用了空间片，包含大量空间宏块的片产生较平稳的扫描显示。
因此，根据这一方法，把输入数字数据流解码为MPEG码字的数据流。然后，把这些码字分离为表示空间和非空间信息的码字，把某些已分离的空间码字放入磁带数据包中。根据需要复制磁带数据包，并记录空间包，在空间包中，扫描磁头将以比正常速度快的带速，例如快速搜索速度恢复空间信息。音频信息与视频信息分离并被单独处理，提供给HDTV接收机的专用音频输入端。
采用这一方法的高清晰度视频磁带记录/再现设备的一般结构如图22所示。部件2210、2218、2220、2222、2230和2234分别类似于图10的部件1010、1018、1020、1022、1030和1034。在图22中，AD-HDTV解码器2210的视频输出端处的HP和较低优先级SP的视频信息，在部件2212中被可变长解码为MPEG码字和合并为MPEG字的单一数据流之前，存储在弹性缓冲器2211中。MPEG字数据流被分离器2213分离为空间和非空间数据，分离器2213通过检查码字标识符来实现这一分离。非空间码字直接提供给可变长编码器2214(即数据压缩器)以便简化随后在部件2218中的记录过程。空间码字在被部件2214进行VLC编码之前被部件2215复制。由于有大量的空间数据，所以只有重要的空间数据才被部件2215复制。例如，复杂的静止图像可以包括75％或以上的I帧数据。因此，把空间数据优先化。I帧的空间片被认为是重要的并且被复制，某些B和P帧的空间片也可以被复制。对于B和P帧，如果发现规定数目的片是帧内编码的(例如基于作为图像复杂性函数的自适应加权系数)，则认为该片是空间的。
压缩器2214的VLC空间和非空间数据输出提供给磁带包产生器2216的相应输入端，其另一输入端接受来自AD-HDTV解码器2210音频输出端的已可变长编码的音频显示字。图24是磁带包格式的一般表示。该磁带包头部包含表示在原始数据流内时间标记的字段(例如，表示相关数据的时、分、秒和帧号)、数据的片号(例如，片50、I帧)和连续数据，包含例如包括起始位和结束位信息的规定片数据的数据部分，例如包含FEC和CRC误差检测和校正信息的误差校正部分。
继续参看图22，来自部件2216的磁带包数据流通过磁带输送和伺服机构2218进行记录，该部件2218包括记录和重放机构和电子电路。如参看图10所讨论的那样，输出信号通过变换器2230提供给HDTV输入选择器，还提供给消除由部件2215产生的复制HP单元的部件2234。把来自部件2234的输出信号提供给在HDTV接收机中解码器的音频输入端。利用把来自磁带包的数据流返回去变换为MPEG字并对这些字进行可变长解码的部件2238对来自部件2234的输出信号进行处理。把来自部件2238输出端的MPEG字提供给HDTV接收机解码器的MPEG级视频输入端。
在重放/再现期间，从磁带恢复的数据是包含可变长编码的MPEG字的磁带包形式。利用被包含在该磁带包头部中的、表示在原始数据流内的时间标记的信息、数据的片号和连续数据，简化了将复制数据合并为有用的MPEG数据流。当部件2238读出每一包时，把数据从可变长码变换为字并将其存储在存储器(例如，图23的部件2332)中，把包的头部信息填充到索引存储器(例如，图23的部件2324)中。计算机控制器(图23中，部件2322)确定要传送哪一组MPEG字来形成输出MPEG字的数据流。
MPEG级磁带录像机的基本部件如图23所示。部件2310、2312、2314、2316、2318、2320、2322、2324、2330、2332和2340在操作方面分别类似于图12的部件1210、1212、1214、1216、1218、1220、1222、1224、1230、1232和1240。部件2311相当于图22中的部件2211和2212。部件2311中的弹性缓冲器有足够的弹性，允许可变长编码的合理速率。把定时单元数据变换为本机的帧定时信号。可变长编码器2335(例如，ROM)利用标准MPEG代码表压缩MPEG位流以便提高存储效率。可变长解码器2326随后对这一编码进行解码。由于记录和重放不是同时的，所以可以用部件2311中的解码器(VLD)来实现解码器2326。
存储器2332存储够一个GOP的MPEG码字。分析处理器2330在输出处理器2340读数据时写数据。MPEG字分析处理器2330产生字存储器2332的读/写地址。在记录期间，处理器2330寻找字流中的“片起始”码字、计数全部空间宏块、定位复制片和传送复制片以便进行记录。在重放期间，处理器2330填充字存储器2332、扫描磁带包的头部、并为片索引存储器2324中的每一单元产生一个片索引项目，该片索引存储器2324在处理器2330填充字存储器2332时，接受来自分析处理器2330的数据。该片索引存储器2324被计算机控制器2322控制。
输出处理器2340在重放期间根据片索引存储器2324的内容和控制器2322产生的索引产生存储器2332的读出地址。控制器2322给输出处理器2340中的FIFO存储器装入地址信息和功能命令，在重放方式中给输出处理器2340提供片索引。输出处理器2340产生在片级之上的MPEG流级和包括帧同步信号的输出码字流。
MPEG级系统在慢特征速度下的操作总的来说类似于以上对于单元级系统所描述的。简单地说，在字存储器2332中，保持着一个GOP的数据。当用户(或定时器)调用下一帧时，如果可能就从存储器产生。如果这样的数据不在存储器中，就使磁带运动来获得所需的GOP数据。从存储器重复地送出要输出给接收机的数据。利用这一方法，对于每一帧，利用本机产生的、在数据开始时传送的信号来实现帧同步。一个输出帧的字在该帧时间内全部传送出去。
对于快速特征操作，以数据填充字存储器。片索引存储器2324包含信息位，该信息位指示是否得到了整个片(如果是，则是哪一片)、是否得到了片的开始，或者是否仅得到了片的结束。控制器2322根据对索引存储器2324内容的检查，对片进行重新排列以便形成帧。输出处理器2340在控制器2322的控制下传送有效片。
利用“特征(控制)位”可以增强和协助磁带录像机在特殊特征方式下所执行的操作。例如，可以把这些位有利地包括在AD-HDTV系统数据单元的头部中。可以在电视接收机上响应于这些位，以便利用大部分或全部在接收机上而不是在磁带录像机上进行的操作，来完成给定的特征功能。如前所述，AD-HDTV数据格式包括定时单元。这些定时单元向解码器指出何时解码某一特定帧。定时单元包含时间基准，该基准表示在定时单元到达时要解码哪一帧。在定时单元内有用于附加信息的位置。正是在定时单元中插入了附加特征位。因为解码器在解码图像时需要定时单元，所以，在要对图像进行处理时解码器可以获得特征位。图12中的、响应于用户控制的控制计算机1222知道磁带录像机正运行在哪一种方式中。控制计算机把特征位的值装入“单元输出处理器”1240的寄存器中，该值将插入到要产生的定时单元中已知位置上。
可以引入位字段(bit field)来指令接收机“再显示上一帧”。在某些AD-HDTV接收机中，上一帧就是过去的(I或P)固定帧。在其它接收机中，上一帧是所显示的最后一帧。另一个位可以代表“解码但不要显示”的指令。在某些接收机中，这个位可以具有这样的效果：在产生新帧时，将所显示的最后一帧保留在输出缓冲器中。还有一个位可以代表“接受这一帧”的指令。这一指令可用来接受给定的帧，即使该帧在预期的时间序列之外。在与该定时单元时间基准一致的数据流中下一个MPEG“图像起始码”(在帧之前)的时间基准时刻，开始这一动作。接收机可以利用这一个位和“再显示上一帧”的位的组合来产生新的冻结帧。另一个位，“忽略输入数据”，可用来忽略给定帧的输入视频数据，保持当前状态不变(固定帧、运动矢量、误差隐匿存储器，等)，还可用来禁止数据一致性的顺序校验。其它特征位可表示下列指令：允许正常音频再现、完全静噪音频、或者，当存在过大的数据不连续性时有选择地静噪音频以便避免使人不愉快的声音。
在慢速重放特征方式中，在出现需要的数据之前，磁带输送机构可能要呈现往复运动，通过某些带上磁迹。重放电子电路包括大到足以保持一个GOP输入数据和用于输出的一帧输出数据的缓冲存储器。由于在这一点上数据已被压缩，所以，这并不是不合理的存储量。利用当前得到的磁带输送量和控制器，可以实现适当控制的磁带加速。示范性的操作顺序如下。
当磁带以正常速度向前运动时，单元缓冲存储器以其容量(存储器地址)循环存储当前的GOP，当把GOP写入该缓冲器时。磁带录像机特征控制器(例如，图12的部件1222)知道在磁带包数据流中当前的位置，还知道在输入的AD-HDTV数据流中相应的当前位置。这一信息由GOP和帧号、MPEG位流中图像头部时间基准、来自AD-HDTV数据流的定时单元时间基准信息，以及全部业务类型的序列计数器来传送。全部这样的信息都包含在特征控制器检查的头部中。
当观众启动“冻结”磁带控制时，磁带机构通过当前的GOP继续读，用够整个GOP的单元填充缓冲存储器。磁带控制器通过扫描帧类型O的HP视频单元的头部；同时，在存储器中缓冲LP数据；并指出相关的帧号，以单元为单位，来定位GOP的边界。然后，对具有匹配帧号的帧类型O扫描已存储的LP单元头部。相关的当前定时单元的时间基准(“线性化的”，以便指示所建立帧的显示次序)确定被冻结的帧。特征控制器用包含特征位的定时单元代替了头部中的其它定时单元，特征位指出以下功能将要被执行：“冻结”帧、“忽略”其它输入和“静噪”音频。特征控制器在持续“冻结”帧特征时用空单元代替另外的视频单元。在冻结帧方式期间将空单元插入数据流有利地避免了停止和开始数据流的需要，由此避免了定时和同步的问题。在替换的空单元中，特征控制器顺序地产生头部中的相关的“业务类型序号”，以便使具有替换单元的数据流有效。例如，在AD-HDTV系统中，利用这一“序号”有助于发现丢失或错误定位的包、或已互换的业务类型。
磁带驱动输送机构在已经读到GOP的终点时，慢慢地减少磁带速度、轻微地后退，并准备恢复到读下一个GOP的磁带包。此时用户仍看着冻结帧的显示。此时的用户指令可能包括“下一帧”、“以前帧”或“重放”。
如果用户请求下一帧，就出现以下步骤。如果下一帧不在存储器中，磁带就往前走。写入缓冲存储器的第一帧是下一个GOP起点上的I帧，在这一帧以后，把其后的B和P帧写入该存储器，由此，该缓冲器包含了整个新的GOP。下一帧的视频业务类型单元按照顺序发送给接收机。仍然用空单元代替在下一帧内没有的视频单元。相应于下一帧的定时单元可以在，也可以不在单元缓冲器内。如果特征控制器检测到该定时单元在缓冲器内，该控制器就改变该定时单元，使人工定时与磁带机构产生的排序相一致。如果该定时单元不在缓冲器内，磁带机构(的定时飞轮)就产生一定时单元。这一定时单元包含“接受这一帧”的特征位和“再显示上一帧”的特征位，这两个特征位使接收机通过显示上一帧来更新所显示的图像。
如果用户请求以前帧，就出现以下步骤。特征控制器知道哪些固定帧存储在接收机中。如果被请求以前帧可以根据存储在接收机中的已有固定帧和根据为被请求帧而输入的数据来产生(即，该被请求帧是以传输顺序跟随在P帧之后的B帧)，就利用上一段所描述的过程来产生更新接收机显示的单元。如果该被请求帧是I帧、P帧或者是跟随在I帧之后的B帧，就使磁带倒带并重放整个以前的GOP。
图20所示的表指出，帧与磁带向前和向后步进的相关性。在该表中，“传输顺序”这一排指出，在磁带录像机输出端出现时，在磁带上记录的那一帧。假定，由帧9至帧14组成的GOP是在缓冲存储器中的GOP。“所显示的帧”这一排指出，在可以得到传输过来的帧时，能够显示出哪一帧。当B帧到达时，B帧是可以显示的；当固定帧(I和P帧)到达以后，固定帧可以显示三帧。
在以下的例子中假定：当磁带向前步进时，刚好从磁带上读出由帧9至帧14组成的GOP。为了显示帧6，就只需要帧6，且该帧6已经在接收机的固定帧存储器中了。接收机总是存储两个固定帧，以便能够产生B帧。帧9被传送，帧6被显示。再向前进一步，就需要帧7以及固定帧6和9的数据，它们都可从接收机的帧存储器中获得。
当向后步进时，假定相同的GOP存留在单元缓冲存储器(图12的部件1232)中。第一个要显示的帧是帧14。以前显示的帧是帧15，因此，假定帧15在接收机存储器中。帧14需要固定帧12的数据，帧12需要固定帧9的数据。必须将整个GOP输出给接收机，以便使接收机准备显示帧14。
由于所需的固定帧已在接收机存储器中，所以，向后步进到帧13、然后，后退到帧12，没有什么困难。帧11要求重放该GOP，以便将帧传送给接收机。可以容易地后退到帧10和9。向后步进到帧8，就开始了级联过程。帧8需要固定帧6，但，帧6不在接收机存储器中，帧6也不在磁带录像机单元缓冲存储器中当前的GOP内。帧6需要帧3，帧3需要帧0。因此，必须从磁带中读出整个以前的GOP(帧0-8)。所以，把帧0和帧3作为固定帧传送给接收机。然后把帧6传送给接收机，帧3和6现在是固定帧。然后，通过进带和将其存储在单元存储器中，就重新获得了包含帧9-17的GOP，把帧9传送给接收机。帧6和9现在是固定帧，由此，可以产生帧8并将其传送给接收机。
根据所请求帧的类型，响应于用户请求步骤的时间可以不同。对某些可从缓冲存储器中获得信息的帧，几乎可以立即，例如在约33毫秒内产生并显示新的图像。由于上一段所描述的级联过程的例子包括将磁带重新定位到以前GOP的起点(100ms)、读以前的GOP，同时，传送帧0、3和6(300ms)、读帧9、7和8(1/2GOP时间，150ms)以及需要显示时间(33ms)，所以，该例子需要相当长的时间，总时间约为600ms。对于用户响应时间来说，这不是长到不合理的。
其它慢速用户特征，例如慢动和倒带可以作为一系列可预测的静(“冻结”)帧步骤来处理。这些步骤可以有利地在接收机上响应于磁带录像机向该接收机提供的信息，例如前述的特征位来进行。因此，例如，是接收机响应于磁带录像机根据用户控制请求提供的控制位，利用其内部存储器和HDTV处理/解码电路来产生冻结帧显示。可以通过步进，然后重复各帧来达到慢速率，正如为了保持平稳的速率经常需要的那样。
有时称为ADTV系统的前述AD-HDTV系统已提交给FCC/ACATS，由先进电视测试中心(ATTC)进行测试和分析。

Claims (42)

1.一种用来处理数字高清晰度电视信号的磁带记录/再现系统，其特征是，所述系统按照包括以下步骤的方法来提供特殊特征操作：
接受包括视频数据输入结构的数字视频信息数据流(输入；(B)图7A)；
改变(70)所述数据结构，使得以给定速度记录时的规定视频数据，作为记录/再现磁头在特殊特征操作方式中以比所述给定速度快的速度预计通过的磁带扫描路径的函数，出现在磁带磁迹的预定区域中；以及
记录(72)所述具有所述已改变了数据结构的数据流。
2.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述记录按所述给定速度进行；以及
所述数据结构包括一系列包括数据成分和头部成分的数据单元，头部成分包含识别相关数据的信息。
3.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述给定速度是正常记录速度；以及
所述特征操作方式是快速搜索方式。
4.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述视频数据由高优先级(HP)有效图像表示信息和较低优先级(LP)图像信息组成；以及
所述规定视频数据是所述高优先级信息。
5.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述数据流包括MPEG编码的图像表示信息。
6.根据权利要求5的方法，其特征是，其中
所述MPEG编码的图像信息包括“图像组”(GOP)，GOP包括按照给定顺序出现的帧间编码和帧内编码的图像帧；以及
所述规定视频数据是帧内编码(“I”)信息。
7.根据权利要求6的方法，其特征是，其中
所述改变所述数据结构的步骤使所述给定帧间编码和帧内编码的帧序列混乱；以及
所述方法包括变换已混乱的帧间编码和帧内编码的帧序列，以便在输出端呈现出所述给定序列的另一步骤(74)。
8.根据权利要求7的方法，其特征是，其中
所述GOP包括在以下序列中的帧内编码的I帧、和帧间编码的B帧和P帧：I、B、B、P、B、B、P、B、B。
9.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述改变所述数据结构的步骤通过重排接受的输入数据来完成。
10.根据权利要求1的方法，其特征是，其中
所述改变所述数据结构的步骤通过复制数据来完成。
11.一种用于处理数字高清晰度电视信号的磁带录像/再现设备，其特征是，包括：
用来接受包括数据输入结构的数字视频信息数据流的输入装置(1212)；
用来改变所述输入数据结构，使得以给定速度记录时的规定视频数据，作为记录/再现磁头在特殊特征操作方式中以比所述给定速度快的速度预计通过的磁带扫描路径的函数，出现在磁带磁迹的预定区域中的装置(1230、1232、1224、1226、1222)；以及
用来以所述给定速度记录所述具有所述已改变了数据结构的数据流的装置(1214-1218)。
12.根据权利要求11的设备，其特征是，还包括：
要与接收设备(1040)连接的输出端(78、图12的“重放输出”)；
用来以比所述给定速度快的速度提供具有所述已改变了数据结构的记录数据流的再现装置(72；1214-1218)；以及
用来响应于所述记录数据流，给所述输出端提供具有与所述接收设备的要求兼容的数据结构的输出数据流的变换装置(74；1222、1224、1232)。
13.根据权利要求11的设备，其特征是，其中
所述数据流包括一系列包括数据成分和头部成分的数据单元，头部成分包含识别相关数据的信息。
14.根据权利要求11的设备，其特征是，其中
所述给定速度是正常记录速度；以及
所述特征操作方式是快速搜索方式。
15.根据权利要求11的设备，其特征是，其中
所述视频数据由高优先级(HP)有效图像表示信息和较低优先级(LP)图像信息组成；以及
所述规定视频数据是所述高优先级信息。
16.根据权利要求12的设备，其特征是，其中
所述数字数据流包括MPEG编码的图像表示信息，该MPEG编码的图像表示信息包括由按照给定顺序出现的帧间编码(B、P)和帧内编码(I)的图像帧组成的“图像组”(GOP)；以及
所述规定视频数据是帧内编码(I)信息。
17.根据权利要求16的设备，其特征是，其中
所述改变装置使所述给定帧间编码和帧内编码的帧序列混乱；以及
所述变换装置变换已混乱的帧间编码和帧内编码的帧序列，以便在所述输出端呈现出所述给定序列。
18.根据权利要求17的设备，其特征是，其中
所述GOP包括在以下序列中的帧内编码的I帧、和帧间编码的B帧和P帧：I、B、B、P、B、B、P、B、B。
19.根据权利要求1的设备，其特征是，其中
所述已改变的数据结构通过重排接受的输入数据来构成。
20.根据权利要求11的设备，其特征是，其中
所述已改变的数据结构包括复制数据。
21.一种用来处理数字高清晰度电视信号的磁带记录/再现系统，其特征是，包括：
用来接受包含视频信息的数字数据流的输入装置(1212)；
响应于所述数据流的记录/再现装置(1214-1218)；
用来响应于所述记录/再现装置的输出信号以便在存在记录信息的情况下将记录信息传送给使用装置的输出装置(1240)；
用来在所述磁带记录/再现系统的特殊特征操作方式下产生用来确定所述使用装置的操作的特征控制数据的装置(1222)；以及
用来将所述特征控制数据传送给所述输出装置的装置(1230、1232……)。
22.根据权利要求21的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表用来处理图像帧的指令。
23.根据权利要求22的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表重复图像帧的显示的指令。
24.根据权利要求22的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表解码但不显示图像帧的指令。
25.根据权利要求22的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表接受序列外的图像帧的指令。
26.根据权利要求22的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据表示忽略给定图像帧的预定数据的指令。
27.根据权利要求21的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表与音频信息处理有关的指令。
28.根据权利要求27的系统，其特征是，其中
所述特征控制数据代表静噪音频信息的指令。
29.根据权利要求21的系统，其特征是，其中
被所述系统处理的数据是包括数据成分和识别相关数据的头部成分的传送单元的形式。
30.一种用来处理数字高清晰度电视信号的磁带记录/再现设备，其特征是，包括；
用来接受包括表示已编码视频信息的视频数据的输入结构的数字数据流的输入装置(2210、2312)：
用来解码所述视频信息以产生数据字的装置(2212、2311)；
用来处理所述数据字的装置(2213、2215、2330、2332)；
用来再编码所述数据字中预定之一的装置(2214、2335)；
包括在所述处理装置中的、用来响应于所述再编码数据字，改变所述输入数据结构，使得以给定速度记录时的规定视频数据作为记录/再现磁头在特殊特征操作方式中以比所述给定速度快的速度预计通过的磁带扫描路径的函数，出现在磁带磁迹的预定区域中的装置(2216、2330、2332、2324、2326、2322)；以及
用来以所述给定速度记录所述具有所述已改变的数据结构的数据流的装置(2218、2314-2318)。
31.根据权利要求30的设备，其特征是，其中
所述已编码视频信息包括MPEG编码信息；
由所述解码装置产生的所述数据字包括MPEG字；
所述再编码装置是MPEG可变长编码器；以及
由所述记录装置记录的所述数据流包括MPEG字的已改变的结构。
32.根据权利要求30的设备，其特征是，其中所述的处理装置包括：
用来分离所述数据流的空间数据的装置；
用来复制空间数据的装置；以及
用来将所述来自复制装置的复制空间数据提供给所述再编码装置的装置。
33.根据权利要求30的设备，其特征是，还包括：
磁带包产生器装置(2216、2320)，它具有响应于来自所述再编码装置的输出信号的输入端，和与所述记录装置连接的输出端。
34.根据权利要求33的设备，其特征是，还包括：
用来将磁带包数据变换为MPEG字的输出变换器装置(2238、2340)。
35.根据权利要求30的设备，其特征是，其中
所述给定速度是正常记录速度；以及
所述特征操作方式是快速搜索方式。
36.根据权利要求30的设备，其特征是，其中
所述视频数据由高优先级(HP)有效图像表示信息和较低优先级(LP)图像信息组成；以及
所述规定视频数据是所述高优先级信息。
37.根据权利要求30的设备，其特征是，还包括：
要与接收设备(1040)-如果存在的话-连接的输出端(78；2340)；
用来以比所述给定速度快的速度将记录数据流提供给所述输出端的再现装置(72；2314-2318)；以及
用来响应于所述记录数据流，给所述输出端提供具有与所述接收设备的要求兼容的数据结构的输出数据流的变换装置(74；2322、2332、2324)。
38.根据权利要求37的设备，其特征是，其中
所述数字数据流包括MPEG编码的图像表示信息，该MPEG编码的图像表示信息包括由按照给定顺序的帧间编码和帧内编码(I)的图像帧组成的“图像组”(GOP)；
所述规定视频数据是帧内编码信息。
39.根据权利要求38的设备，其特征是，其中
所述改变装置使所述给定帧间编码和帧内编码的帧序列混乱；
所述变换装置变换已混乱的帧间编码和帧内编码的帧序列，以便在所述输出端呈现出所述给定序列。
40.根据权利要求38的设备，其特征是，其中
所述GOP包括在以下序列中的帧内编码的I帧，和帧间编码的B帧和P帧：I、B、B、P、B、B、P、B、B。
41.根据权利要求30的设备，其特征是，其中
所述已改变的数据结构通过重排接受的输入数据来构成。
42.根据权利要求40的设备，其特征是，其中
所述已改变的数据结构包括复制数据。
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