CN1123992A - 记录数字视频信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种记录数字视频信号的方法和装置，由离散余弦变换所得到的DCT系数形式的数字视频信号被量化并被压缩以便记录在记录介质上。第一量化级决定装置以多个宏数据块构成的视频数据段为单位确定量化级，以使量化数据的量小于预定数据量。第二量化级决定装置以宏数据块为单位确定量化级，以使量化数据的量小于预定数据量。量化装置用第一和第二量化级决定装置确定的量化级量化数字视频信号。

Description

记录数字视频信号 的方法和装置
本发明涉及一种记录数字视频信号的方法和装置，按照这种方法和装置，用例如离散余弦变换所得到的DCT系数形式的数字视频信号被量化并压缩，以便记录在记录介质上。特别地，本发明涉及高清晰度电视系统用于录/放视频信号的数字磁带录像机的记录数字视频信号的方法和装置。
近年来，数字磁带录像机正在飞快地发展之中，在这种录像机中，视频信号被变换成为数字信号，并采用诸如离散余弦变换(DCT)之类的高效率编码系统编码，然后用旋转磁头把所得到的编码数据记录在磁带上和/或从磁带上重放出来。
数字VTR可以被设定为记录诸如NTSC制式的现有电视制式视频信号的模式，这里称之为SD模式，或者被设定于记录高清晰度电视制式的视频信号的模式，这里称之为HD模式。
利用上述的数字VTR的记录系统，分别对SD模式和对HD模式的视频信号压缩并记录为约25Mb/秒的数字视频信号和约50Mb/秒的数字视频信号。
按照上述的记录系统中记录数字视频信号的方法，把视频信号变换成为数字信号并被分成适当大小的数据块，如8×8像素的DCT数据块。6个亮度数据DCT数据块、1个R-Y数据的DCT数据块和1个B-Y数据的DCT数据块共8个数据块构成1个宏数据块。
把多个宏数据块混洗(shuffle)，即把图像上离散位置上的5个宏数据块组成1个单元，然后在所述单元基础上以8×8的数据块大小进行二维DCT。
二维DCT所得到的数据，即DCT系数以单元为基础存储在存储器中。再以单元为基础预测总码数，并且确定给出小于预定值的总码数的量化级。
然后，用这样确定的量化级(quantization step)和用哈夫曼(Huffman)码编码的可变长度以单元为基础量化DCT系数。再用成帧的方法在视频数据段中调整所得到的量化的单元。
以单元为基础即以视频数据段为基础在固定的位长范围内经这样量化和调整的代码再次按顺序排列，把宏数据块按连接的顺序排列在图像上以便把代码按预定位置记录在磁带上。
用上述普通的数字视频信号的记录方法，将一个唯一的量化级给于每个视频数据段，而且每个视频数据段中的全部DCT系数都用这样的一致的量化级来量化。也就是说，将相同的量化级给于多个宏数据块。这样来确定量化级，就使得在视频数据段的基础上设定位长的量化总码数要小于预先设定的值。然而，经常出现的情况是按固定长编码的实际量化的码数远小于上述预先设定的值，而使有效的编码不能进行。另一方面，对各数据块的量化等级变得很粗糙结果不能改善图像质量。
作为与本申请相关的申请的美国专利US5,321,440和US5,317,413是由本申请人所提出的。另外，本申请人还提出了日本专利申请JP03-317497(申请日1991.11.05)、JP04-196219(申请日1992.06.30)、JP04-213716(申请日1992.07.17)、JP04-181577(申请日1992.06.17)和JP05-223226(申请日1993.09.08)。本申请人将上述的每一件专利申请，引用在此作为参考文献。
有鉴于此，本发明的目的是提供一种记录数字视频信号的方法和装置，按照这种方法和装置，依视频数据段确定的量化级在宏数据块基础上被移动了，这就使量化级将依据宏数据块而确定，从而能有效地编码并改善图像质量。
按照本发明，提供的记录量化和编码的数字视频信号的方法，包括：借助由多个宏数据块构成的视频数据段为单元来确定量化级从而使量化的数据量小于预先设定的数据量的步骤；借助宏数据块为单元来确定量化级从而使量化的数据量小于预先设定的数据量的步骤；以及用所确定的量化级量化数字视频信号的步骤。
按照上述的记录数字视频信号的方法，以宏数据块为基础使位于图像中部的宏数据块优先的方式确定量化级。
按照本发明，还提供一种记录量化和编码的数字视频信号的装置，包括：第一量化级决定装置，借助由多个宏数据块构成的视频数据段为单位来确定量化级而使量化的数据量小于预先设定的数据量；第二量化级决定装置，借助宏数据块为单位来确定量化级从而使量化的数据量小于预先设定的数据量；以及量化装置，利用第一量化级决定装置和第二量化级决定装置确定的量化级量化数字视频信号。
按照上述的记录数字视频信号的装置，以宏数据块为基础使位于图像中部的宏数据块优先的方式确定量化级。
用上述记录数字视频信号的方法，是借助于多个宏数据块为单元来确定量化级的，以使量化的数据的数据量小于预先设定的数据量。另一方面，还借助于宏数据块为单元来确定量化级，以使经量化的数据的数据量小于预先设定的数据量。数字视频信号就是用这样确定的量化级来量化的，并且将经过量化和编码的数字视频信号记录在记录介质上。这就能使量化等级在量化的数据的预定数据量的范围内更精细，从而有可能有效地利用冗余比特，这样就保证了有效编码并改进图像质量。
按照上述的记录数字视频信号的方法，由于以宏数据块为基础采用使处于图像中部的宏数据块优先的方式来确定量化级，所以在图像的中部能得到质量满意的图像，而这个部分则是眼睛最容易注目的位置，这就更进一步确保了图像质量的改善。
按照这种记录数字视频信号的装置，第一量化级决定装置借助由多个宏数据块构成的视频数据段作为单元来确定量化级，以使量化的数据量小于预先设定的数据量；而第二量化级决定装置借助宏数据块作为单元来确定量化级，以使量化的数据量小于预先设定的数据量。量化装置利用由第一和第二量化级决定装置确定的量化级来量化数字视频信号。这就能使量化等级在量化数据的预定数据量范围内更加精细，从而有可能有效地利用冗余比特，这就保证了有效编码并改善图像质量。
按照上述的记录数字视频信号的装置，由于以宏数据块为基础采用处于图像中部的宏数据块优先的方式来确定量化级，所以在图像的中部能得到图像质量满意的图像，而这个部分则是眼睛最容易注目的位置，这就更进一步确保了图像质量的改善。
本发明的目的、特点及优点将参考附图结合实施例详细描述如下：
附图简要说明
图1是数字视频信号记录装置的编码器结构图，其采用按照本发明一实施例的记录数字视频信号的方法进行记录；
图2表示5个宏数据块的混洗操作；
图3表示在超级数据块中混洗时的扫描次序；
图4表示用编码器的第一量化级决定装置确定量化级时，经固定长度编码并量化的宏数据块的状态；
图5表示用编码器的第二量化级决定装置确定量化级时，经固定长度编码并量化的宏数据块的状态；
图6是用第一和第二量化级决定装置确定量化级过程的流程图；
图7是视频数据段的结构；
图8表示上述视频数据段的每个同步数据块的结构；
图9表示同步数据块的识别码的结构；
图10表示同步数据块中的亮度数据、R-Y数据和R-B数据的DCT数据块的结构。
所述数字视频信号记录方法是利用如图1所示编码器结构进行数字视频信号记录的方法。
也就是说，编码器有一个用以离散余弦变换(DCT)处理数字视频信号的宏数据块的变换单元1，一个编码单元2和一个成帧单元3。编码单元2用来以量化级量化由DCT得到的DCT系数，其量化级是以宏数据块为基础通过改变依据多个宏数据块构成的每个单元所确定的量化级来确定的。
变换单元1包括用来把数字视频信号分成为8×8像素块的分块电路11、用来进行宏数据块基础上混洗的混洗电路12、运动检测电路13、用8×8的数据块大小进行二维DCT的DCT电路14、图像存储器15和活动性检测电路16。
编码单元2包括数据量预测电路21、用来进行可变长度编码的哈夫曼表22、第一量化级决定电路23、第二量化级决定电路24、量化电路25和可变长度编码电路26。数据量预测电路计算跟随量化的数据量，而第一量化级决定电路23依据5个宏数据块组成的每个单元在预定的量化数据量范围内确定量化级。第二量化级决定电路24依据宏数据块为单元在预定的量化数据量范围内确定量化级。量化电路25按照由第一和第二量化级决定电路23、24所确定的量化级进行量化。可变长度编码电路26对由量化电路25所量化的数据进行可变长度编码。成帧电路3有一个去混洗电路31、一个奇偶码附加电路32和一个信道编码电路33。
下面说明由变换单元1进行的处理过程。
分块电路11被馈入输入的数字视频数据由同域的亮度数据Y、数据CR和数据CB形成DCT数据块，每个DCT数据块形成一个8×8像素、共64像素的阵列。数据CR是色差数据R-Y，而数据CB是色差数据B-Y。即：分块电路由亮度数据的6个DCT数据块、色差数据CR的一个DCT数据块和色差数据CB的一个DCT数据块形成一个宏数据块，并且将所得到的宏数据块输出。
混洗电路12根据由分块电路11宏分块的数字视频信号进行基于预定宏数据块的混洗。在混洗宏数据块之后，从超级数据块S1～S5的每一个中把每一个宏数据块取出来，如图2所示，这些超级数据块在图像P中是相互分开的，而且每个都由27个宏数据块构成。这样，5个宏数据块M1～M5被集合形成一个要被输出的唯一的固定长度形成单元。该固定长度形成单元在这里简单地称之为一个单元。
上述混洗操作中的混洗序列符合如下方程：
Vi，k＝M(i＋4)mod(n)，2，k
       M(i＋12)mod(n)，1，k
       M(i＋12)mod(n)，3，k
       M(i)mod(n)，0，k
       M(i＋8)mod(n)，4，k
其中n是行数，i是行索引(i＝0到n－1)，而k是对超数据块S1～S5的各像素的扫描顺序索引(k＝0～26)。因此，5个宏数据块M1～M5从位于图2所示的图像P的中心的宏数据块中开始被选择出来，即：超级数据块S1的宏数据块M1，接下来是超级数据块S2的宏数据块M2，……超级数据块S5的M5。
另一方面，如图3所示，按照宏数据块0，1，2，……26的顺序扫描每个超级数据块S1～S5的宏数据块。
运动检测电路13依据混洗电路12所形成的一单元5个宏数据块进行运动检测，并将运动检测的结果送到DCT电路14，而作为附助信息例如输出到未示出的重放系统。
DCT电路14根据运动检测电路13的检测结果对没有运动的图像数据以8×8像素构成的多个DCT数据块进行DCT。另一方面，DCT电路14以8×4像素构成的2个DCT数据块对呈现运动的图像数据字段间的和数据或差数据进行DCT。DCT电路14把直流分量输出到成帧单元3，而把交流分量输出到图像存储器15。
图像存储器15暂时存储DCT电路14依据多个单元进行DCT所得到的交流分量。
活动性检测电路16把存储在图像存储器15中的一单元数据的由DCT电路进行DCT得到的交流分量的最大值检测出来作为确定图像活动性的信息，并把检测结果作为辅助信息例如输出到未示出的重放系统。
下面说明编码单元2中每个电路的操作。
数据量预测电路21响应活动性检测电路16基于单元的活动性检测的结果，结合量化时的量化等级对图像存储器15中存储的交流分量分类。
将量化电路25的输出，输入到可变长度编码电路26，为了从可变长度编码电路26中以单元为基础得到固定长度图像数据，第一量化级决定电路23根据来自预测电路21的分类信息和哈夫曼表22中的代码计算亮度数据Y、色差数据CR和色差数据CB的最佳量化级。
第二量化级决定电路24从利用第一量化级决定电路23以单元为基础所判定的量化级中在小于目标的固定比特长度范围内的单元中确定5个宏数据块中的每一数据块的量化级。以宏数据块为基础确定量化级以使在5个宏数据块中处于最靠近图像中央的宏数据块优先。
量化电路25按照第二量化级决定电路24确定的量化级量化存储在图像存储器15中的一单元数据(交流分量)，并把得到的量化数据传送到可变长度编码电路26。
可变长度编码电路26例如使用哈夫曼码编码由量化电路25量化的5个宏数据块，以便用包含量化级信息的77字节形成每个宏数据块。
下面详细说明在第一量化级决定电路23和第二量化级决定电路26中确定量化级的操作。
如果由第一量化级决定电路23以单元为基础确定的量化级Q是8(Q＝8)，相同的量化级Q0～Q4(Q0～Q4＝8)，一致给于该单元的5个宏数据块MO0～MO4如图4所示，一致的量化级Q＝8。
如图4所示，如果5个宏数据块的数据用同样的量化级Q＝8来量化，那么，在宏数据块MO1、MO2、MO3和MO4中就分别出现空闲区B11～B12，B21～B24，B31～B32和B41～B46。
因为量化级信息能够一致的给于每一个宏数据块，所以第二量化级决定电路24就在小于目标的固定比特长度值的范围内细分量化等级的方向时，移动图4所示的宏数据块MO0～MO4的量化级Q0～Q4。
移动量化级的优先次序是MO0、MO1、……MO4，因此是从上部宏数据块开始的。也就是说，宏数据块MO0～MO4分别与图2中所示的宏数据块MO0～MO4相关，因此从位于靠近图像中心的宏数据块开始选择。即位于较靠近图像中心的宏数据块被优先确定量化级。
如上所述，如果在第二量化级决定电路24中以宏数据块为基础确定量化级的话，那么宏数据块MO0的量化级Q0更精细1级，此刻为9(Q0＝9)，而宏数据块MO1的量化级Q1也精细1级，此刻也为9(Q1＝9)，如图5所示。因此，空闲区由宏数据块MO3的空闲区A31～A32和宏数据块MO4的空闲区A41～A45组成。
通过在目标的固定比特长度范围内以宏数据块为基础确定量化级，就可以有效地利用冗余比特，同时可以产生高质量的图像。另外，按照量化级Q0，Q1，……Q4的次序进一步细分5个宏数据块的量化级，从图像的中心部位开始优先地选择更精细的量化级，从而使观众最注目的图像中心区部位能得到满意的图像质量。
下面，参照图6所示的流程图来说明在第一量化级决定电路23和第二量化级决定电路24中确定量化级的过程。
在第一量化级决定电路23中，初始化第一量化级i(i＝15)。该量化级是0到15，其中该数越大量化级越精细。
在步骤S2，把5个宏数据块MO0～MO4的量化级Q0～Q4设定到第一量化级i(＝Q4＝Q3＝Q2＝Q1＝Q0)。
然后，在步骤S3，用量化级i(＝Q4＝Q3＝Q2＝Q1＝Q0)来量化5个宏数据块MO0～MO4，而把得到的量化数据用哈夫曼表22进行可变长度编码。
然后，在步骤S4，粗选第一量化级i，使之递减(i＝i－1)。
在步骤S5判断在步骤S3由量化得到的量化数据的量是小于、大小或者等于目标的固定比特长度值指标。
作为步骤S5的判断结果，如果所产生的量化数据的量超过固定长度值指标，就返回到步骤S2，以便在步骤S3用更粗一级的量化级进行量化，并重复步骤S4和S5。
另一情况，如果所产生的量化数据的量等于固定长度值指标，对于宏数据块MO0～MO4，第一量化级i被设定为量化级Q0～Q4。然后，无需进行下面要说明的确定基于宏数据块的量化级确定过程的步骤S6，就把宏数据块MO0～MO4的量化级Q0～Q4输出到量化电路25。
另一情况，如果所产生的量化数据的量低于固定长度值指标，第二量化级决定电路24就在步骤S6初始化宏数据块MO0～MO4的索引j(j：0≤j≤4)(j＝0)。然后，电路24在步骤S7把第j个宏数据块MOj的量化级信息Qj精分一级(Qj＝Qj＋1)。
在步骤S8，电路24则用步骤S7确定的量化级Qj量化宏数据块MOj，而用哈夫曼表22对经量化的数据进行可变长度编码。
然后，在步骤S9判断在步骤S8量化得到的量化数据的量是小于、大于还是等于目标的固定长度值。
作为在步骤S9判断的结果，如果量化的数据的量小于固定长度值指标，则该索引就在步骤S10进到下一个宏数据块MOj＝j＋1以便返回在步骤S7的处理，并重复步骤S7。
另一情况，如果所得到的量化数据的量等于固定长度值指标，就把宏数据块MOj的量化级信息设定为第二量化级Qj，以便把宏数据块MO0～MO4的量化级Q0～Q4输出到量化电路25。
另一情况，如果所得到的量化数据的量超过固定长度值指标，就把宏数据块MOj的量化级信息递减1，以便在步骤S11把该宏数据块MOj的量化级信息设定为量化级Qj(＝Qj－1)，以便把宏数据块MO0～MO4的量化级Q0～Q4输出到量化电路25。
如上所述，第一量化级决定电路23和第二量化级决定电路24以宏数据块为基础确定量化级，以便由量化电路25用所确定的量化级进行量化。如图4和图5所示，可变长度编码电路26以宏数据块为基础把量化级信息加到量化的数据上，并形成输出到成帧单元3的固定比特长度码。
由第一和第二量化级决定电路23、24确定的量化级还被作为辅助信息送到未示出的重放系统。
现在来说明成帧单元3的各部分的处理过程。
去混洗电路31把来自DCT电路14的直流分量和由可变长度编码电路26按宏数据块用量化级量化的交流分量进行去混洗，并把宏数据块重新按连续的顺序排列在图像上。
奇偶码附加电路32增补同步码sync0～sync4、识别码ID0～ID4和奇偶校验码P0～P4，以便构成组成一个视频数据段的同步数据块SB0～SB4。
参照图8，每个同步数据块由90个字节组成，即：由2个同步码型作为确认sync首部区的16比特或2字节的同步码sync、3字节的识别码ID0～ID2、77字节的固定比特长度和经上述量化的同步数据块SB以及作为纠错的奇偶校验数据的8字节奇偶校验码P。
就识别码I0～I2而言，识别码I0由序号SN0构成，而识别码I1和I2分别由如图9所示的同步数据块号SBN0和应用号AN0构成。
如图7所示，亮度数据Y和色差数据CR、CB的每一个都由下述部分构成：9比特直流分量、用于由DCT电路13进行DCT的表示一个8×8/2×4×8数据块长度的1比特模式数据mo、由数据量预测电路21得到的分类信息C1和亮度数据(亮度数据Y)或色差数据(色差数据CR和CB)的固定长度交流分量，如图10所示。
亮度数据Y的交流分量由68比特构成，而色差数据CR、CB的交流分量都是由52比特构成。
附加有奇偶校验码的同步数据块SB0～SB4被作为一个视频数据段提供到信道编码电路33。用信道编码电路33对视频数据段进行信道编码，以便用记录装置(未示出)把它们记录在磁带的预定位置上。
下面说明图1所示的编码器的操作。
分块电路11把变换成数字信号的视频信号分成为由8×8像素总共64像素构成的DCT数据块，并由6个亮度数据的DCT数据块、一个色差数据CR的DCT数据块和一个色差数据CB的DCT数据块总共8个DCT数据块形成一个宏数据块，以便把所得到的宏数据块输出到混洗电路12。
混洗电路12混洗由分块电路11来的宏数据块的视频信号，并集合5个宏数据块成为一个单元，输出到DCT电路14和运动检测电路13。这里也把该单元称之为单元数据。
运动检测电路13检测来自混洗电路12的单元数据，并把检测结果输出到DCT电路，同时把同样的检测结果作为辅助信息输出到重放部分。
DCT电路14对来自混洗电路12的单元数据进行二维DCT，同时用进行二维DCT的方法对8×8像素数据块单元的帧间像素值和4×8×2像素数据块单元场间预测误差值之间有选择地进行切换。直流分量被送到成帧单元3的去混洗电路31，而交流分量则被送到图像存储器15和活动性检测电路16。
图像存储器15存储来自DCT电路14的交流分量。
活动性检测电路16检测来自DCT14的交流分量的图像活动性，并把检测结果输出到编码单元2的数据量预测电路21，同时把同样的结果作为辅助信息输出到重放部分。
数据量预测电路21响应来自活动性检测电路12的检测结果把与量化等级有关的交流分量分类。已分类的数据提供给第一量化级决定电路23。
第一量化级决定电路23根据来自数据量预测电路21的分类数据和来自哈夫曼表22的代码来计算比目标的固定的比特长度值小的范围内的单元数据的最佳量化级。所计算的量化级送到第二量化级决定电路24。
根据由第一量化级决定电路23提供的单元数据的量化级，第二量化级决定电路24在小于目标的固定比特长度值的范围内以宏数据块为基础确定量化级，同时，对单元数据内的5个宏数据块中位于更接近图像中心的宏数据块给予优先确定。以宏数据块为基础而确定的量化级被送到量化电路25，同时作为辅助信息输出到重放部分。
量化电路25用来自第二量化级决定电路24的各宏数据块的量化级量化存储在图像存储器15中的单元数据的交流分量，并把量化的交流分量发送到可变长度编码电路26。
可变长度编码电路26以宏数据块为基础对来自量化电路25的量化的交流分量编码，并把编码的交流分量传送到成帧单元3的去混洗电路31。
去混洗电路31把来自DCT电路14的直流分量和来自可变长编码的交流分量的量化并编码的交流分量进行去混洗和重排该数据，以便单元数据的5个宏数据块在图像上是连续的。然后把去混洗的5个宏数据块送到奇偶码附加电路32。
奇偶码附加电路32把奇偶码等增补到来自去混洗电路31的5个宏数据块上，以便由具有奇偶校验码等的宏数据块形成同步数据块，并由5个同步数据块形成一个视频数据段。得到的视频数据段被送到信道编码电路33。
信道编码电路33对视频数据段进行信道编码，以便发送到未示出的记录部分。

Claims (8)

1、一种记录量化并编码的数字视频信号的方法，其步骤包括：
以多个宏数据块构成的视频数据段为单位确定量化级，以使量化数据的量小于预定的数据量；
以宏数据块为单位确定量化级，以使经量化的数据的量小于预定的数据量；
用所确定的量化级量化数字视频信号。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，给予处在图像中心部位的宏数据块优先以宏数据块为基础确定量化级。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，视频数据段内的宏数据块的数量是5。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，第一量化级决定装置用算术运算来计算视频信号的亮度信号和色度信号每一个信号的最佳量化级。
5、一种记录量化并编码的数字视频信号的装置，包括：
第一量化级决定装置，用来以多个宏数据块构成的视频数据段为单位确定量化级以使量化的数据的量小于预定数据量；
第二量化级决定装置，用来以宏数据块为单位确定量化级以使量化的数据的量小于预定数据量；
用来以第一和第二量化级决定装置所确定的量化级量化数字视频信号的量化装置。
6、根据权利要求5所述的装置，其中，给予处在图像中心部位的宏数据块优先，以宏数据块为基础确定量化级。
7、根据权利要求6所述的装置，其中，视频数据段内的宏数据块的数量是5。
8、根据权利要求7所述的装置，其中，第一量化级决定装置用算术运算来计算视频信号的亮度信号和色度信号每一个信号的最佳量化级。
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