CN1151080A - 可变速度的录象画面搜寻装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一个储存媒体上，以可变速度搜寻录象画面的装置与方法。这个装置包括了一个可以录下画面和信息值信号以及重新播放录象画面的录象重播装置，一个根据信息值信号在快速扫描搜寻(即快速向前或快速向后搜寻)时调整录象重播装置的速度的速度控制器，快速扫描搜索的速度的调整，要使得具有高信息值的录象画面，会以较慢的快速扫描速度来重播，而具有低信息值的前述录象画面，会以较快的快速扫描速度来重播。

Description

可变速度的录象画面搜寻装置与方法
本发明是关于一个在储存媒体上以可变速度搜寻录象画面的装置，特别的是，本发明涉及基于时间上前后连续的录象画面的相关性，在快速扫描搜寻时用来控制该装置的速度。
为了在储存媒体(如录象带)上，识别预先设定的位置，通常的记录(录象)装置，如录象机，其操作者可以在录象带上记录索引码，这使得操作者可以向前快转到带子上的一个特定位置。通常的录象机也可以在向前快速搜寻索引的位置时，边看边找。
通常的快速向前搜寻装置，像目前的录象机，它们具有一个固定或使用者可控制的向前快速搜寻速度。一个固定的向前快速搜寻的速度对观看同时具有静态与动态景物的录象视频是不合适的。(“动态与静态”景物定义于后)。同样地，由手工来调整速度也不是一个有效的替代方法。
一个完全运动视频序列通常含有静态和动态两种画面。(在此，“画面”这个用语意指帧或场)。静态景物在前后连续的画面之间变化很少，意即画面与画面间的重复性相当高。对动态景物，前后连续的画面之间的差异性就相当大了。
连续画面之间的变化可以用运动矢量及非零的预估误差来度量。例如，为了达到很高的数据压缩量，在块匹配运动补偿算法上，移动矢量，可用于去除画面之间的冗余。例如说，一个画面可以切分为许多8×8的2维像素阵列的区块，其运动量可以由整个画面总体来预估，也以在局部的块中来预估。
连续画面(或块)间的最佳匹配位置可由求一个如方程式(1)所示的误差函数的最小值来决定 E = Σ i Σ j | a ( i , j ) - b ( i + m i , j + m j ) | q - - - ( 1 ) 其中，a(i，j)是当前画面(或块)中的像素值，
b(i＋mi，j＋mj)是前一个画面(或块)中的像素值，
i是纵座标索引，j是横座标索引，
mi，mj表示一位移矢量D＝mi，mj
乘方q通常等1或2使误差函数E得到最小值的位移矢量(即mi，mj的数值)就叫做移动矢量。
该移动矢量代表自零位移矢量间的最小位移。例如，对完全相同的画面而言，其整体的移动矢量是零，也就是后续画面相对于前一画面的零位移矢量是不动的。矢样地，对完全相同的后续块，其相对于特定块的移动向量也是零。
静态场景的信息相当低，因为它们在连续画面之间的变化相当少(也就是相关性很高。)因此，静态景物会有较小的移动矢量或者是较小的非零估计误差。对运动或变化很小的静态场景而言，预估下一个场景会相当的准确。因此，静态场景具有较小的非零估计误差。当然，对于完全静止的图面，其移动矢量及预估误差都是零，这表示下一个场景可正确预估，而且和前一个场景完全相同。
相反地，场景之间变化相当大的动态场景其有较高的信息值及较大的移动矢量。下一个场景的预估通常会因为变动的场景，而倾向于有误差。
对连续画面之间变化少(即相关性较高)的静态场景，用一个固定的快速向前(或快速向后)的搜寻速度，会看起来像是用一个不合理的慢速度在搜录一样。对于观察者而言，这样的搜寻不象是一快速向前或快速向后的搜寻。对相当静态的场景而言，一般希望以高速向前快转搜寻。
相对地，对连续画面之间变化较多(即相关性较低)的动态场景，同样的快速向前搜寻速度会快得在视觉上无法辨知。一个较慢的快速向前搜寻对舒适的观看是所希望的。因此，一个固定的搜寻速度并不能适当地配合场景变化的情形(程度)。
向前快速搜寻的速度可以用人工来调整。例如：当使用者主观上觉得连续的画面之间时序相关性很低，对动态图像可以减低搜寻的速度；相反地，当使用者觉得连续的画面之间时序相关性很高，对静态图像则可以提高搜寻的速度。
快速向前搜寻速度的手段调整并不是一个方便使用的技术，而且需要不断的手动调整，尤其是在使用者评估画面之间的相关性时与手动调整快转向前的速度之间有一个反应的延迟。更进一步说，这个方法受限于当搜寻速度很快时，使用者通常会因查觉不到而忽略被扫描到的短暂动态场景。因此，本发明的目的之一就是在利用画面中含有的信息值，自动地改变快速向前(或向后)的搜寻速度来解决先前技术的缺点。
通过本发明可实现该及其它目的。依照本发明的一个实施例，一个以可变速度在储存媒体上搜寻录象画面的装置具备有一个可变速度的录象-重播装置，这个录象-重播装置可记录录象画面及一个信息值信号，然后重播录象的画面。
换另一种方式，本发明的装置可以不记录信息值，而是在重播或快速扫描搜寻一个预录的储存媒体，像录象带或激光碟片时，由本发明的装置来产生信息值信号。
画面与(前或后)连续画面间的时序相关性愈高，其信息值愈低。相反地，画面间的时序相关性愈低(即变化程度愈高者)，其信息值愈高。
一个对应于信息值信号的速度控制器，可在快速扫描搜寻期间调整录象-重播装置的速度。调整快速扫描搜寻的速度是为了要使具有较高信息值的录象画面以较慢的快速扫描速度来重播，同样地，具有较低信息值的录象画面以较快的快速扫描度来重播。
当时序上连续的录象画面之间相关性愈高，其信息值信号的数值愈低。同样地，当这个相关性愈低，其信息值信号的数值愈高。这个相关性取决于连续视频画面之间的时序上的冗余。明白地说，这个时序上连续画面间的相关性是源自于一个代表连续画面中的变化(如空间上移动)的移动矢量、一个非零的预估误差、或连续画面的数据大小。信息值信号可由操作者或节目信息抽取器提供，这个信息值信号亦可由操作者及节目信息抽取器二者共同提供。
在本发明的另一个实施例中，公开一种对在储存媒体上排队处理的录象画面做可变速度搜寻方法。对视频信号中的每一个画面产生(在记录之前或之中)一个信息值信号，而且和视频信号一同记录在储存媒体上。除了在记录视频信号之前或之中来产生信息值信号为例以外，这个信息值信号出可以在重播录象画面时产生。在快速扫描搜寻的时候，就是利用这个信息值信号来调整储存媒体的搜寻速度。
总而言之，提供有一个可变速度搜寻录象画面的装置与方法，其中快速扫描观看的速度与画面之间时序上的变化量成反比。这使得在快速扫描搜寻时，可以用一个适当的速度来观看静态和动态场景。此外，例如对高信息值的画面，前述的排队处理对搜寻有帮助。
图一表示连续画面之间的一个块匹配。
图二表示本发明的第一个实施例的方框图。
图三表示本发明的第二个实施例的方框图。
图四表示本发明的第三个实施例的方框图。
图五表示本发明的第四个实施例的方框图。
图六表示本发明的第五个实施例的方框图。
本发明的可变速度搜寻装置，可以用任何的记录/重播标准，如MPEG、NTSC、PAL、MAC、SECAM等标准来施行。在美国NTSC标准是用在地面及有限视频广播及使用非压缩数据的传统录象机上。
相对的，MPEG标准是一个新的标准(在美国是用在某些卫星视频直播上)，其中的数据是压缩的，并有移动矢量的产生及连续画面的估计与预测。
MPEG采用具有动态补偿及双向预测的时序性DPCM(差分脉冲码调制)。请参阅Elsevier出版公司在1990年出版的信号处理；图像通讯、第二卷、221页到239页所刊载的“以px64 kbits/sec做影音服务的视频编解码器H.261建议案的修改草稿”基本的DPCM技术，是利用一个视频画面其大部分面积在画面到画面之间是不会改变的这个事实，因此，只要传送画面间的差值，如此会比传送整个画面所需的位数少。
动态补偿利用数据在画面到画面之间，只有空间上的平移而无其他改变的特性，可以为这个方案增添相当程度的额外效能。画面要分成例如可能是8×8像素的块，画面到画面之间的变化是在块与块的基础上，以线性平移做为模式，如图一所示。对当前画面K30中的每块35，要在前一画面K-120中找到一个匹配的块。因此只需要一个匹配块的指标(移动矢量22、42)在逐象素的基础上加上块间差值就足以表示块35。
B及P画面是MPEG中的两个动态补偿画面。P画面是只有向前(有因果关系的)预测的动态补偿。它们自己可以用来预测未来的P-画面和B-画面(双向预测的画面)·MPEG还有没有做动态补偿I-画面(内在-画面)。
双向预测是一个非因果关系过程，其中动态补偿是由一张未来画面K+140及一先前画面K-120一起完成，如图一所示。双向的动态补偿要使用一向前及一向后的移动矢量22、24，当在先前与未来画面20、40中的匹配块都找到的时候，这两匹配块取平均值。因为的噪声的平均，这个步聚会产生与当前的块更接近的匹配。当一个物体进入或离开场景时，只有先前或未来的块会与当前块匹配。
图二到图四是用以说明在MPEG标准中使用的本发明。但是本发明并不只限于用在MPEG标准中。本发明也可用于其他标准，如在传统录象机中使用的NTSC标准，见图示五。
如果时序上连续的画面很相似，例如一组静止或相对静态的画面，那这些连续画面间的相关性就很高。换言之，相对静态的画面其信息值比较低。相反地，动态画面的信息值比较高。(即连续画面之间的相关性较低)。信息值量化之后称为QIV(量化信息值)。说明白一点，上述的画面可以是一个整体画面，也可以是画面中的块。譬如说，一个画面中只有连续的块(即好比一个8×8像素块的部分画面)可能有相对动态的变化，画面的其他部分则相对静态。
连续的MPEG标准画面之间的相关性将用来说明本发明，因为使用信息压缩技术的MPEG标准，已经产生有移动矢量。但是，不同有连续场景面组合型态或是不同型式的标准也可很容易地运用。例如说，一个切分为许多块的画面可采用块与块之间的相关性而不用画面与画面之间的相关性。对于MPEG以外的标准，在决定量化信息值之前，移动矢量可从连续的画面(或块)中先抽取出来。
明白地说，量化信息值(QIV)或时序上连续画面间的相关性是如方程式(2)所示的MPEG标准中B和P画面的移动矢量(MVQ)及非零估计误差(NZERQ)  。
QIV＝F1(MVQ，NZERQ)    (2)移动矢量(MVQ)代表连续画面或块间变化的程度。
举例来说，移动矢量(MVQ)可以是画面中每个块的所有移动矢量的绝对值的总和。同样地，非零估计误差(NZERQ)可以是画面中每个块的所有误差的绝对值的总和。
另一方面来说，量化信息值(QIV)会随I、B、及P画面的数据大小(DSZ)而改变。因此，量化信息值(QIV)，可由方程式(3)中所示的函数来表示
QIV＝F2(DSZ，I-B-P)    (3)例如，F2可以仅是I画面，B画面，及P画面的累计值(和)
图二表来示本发明的一个实施例。由信息源100所提供的视频信号120，输入到一个节目信息抽取器200及一个同步缓冲器300中。明白的说，这个信息源100可以是摄影机或其他重播一储存装置。
节目信息抽出器200输出一个记录辅助(R-Side)信息信号220到一个正常录象多重速度放象(NRMP)媒体400的R-Side输入端225。例如，NRMP媒体400可以是一个包含VHS视频磁带的VHS景影带录象装置。例如NRMP媒体400是包括一VHS录象带的一VHS盒式录象机。讲得明白些，NRMP媒体400可以像卡式录象机(VCR)或带式录象机(VTR)一样录象和播放视频影带。另一方面来说，NRMP媒体400也可以是一个激光影碟录象机/放象机。
录象辅助(R-Side)信息信号220包括量化信息值(QIV)在内。在本发明于图二所示的实施例中，节目信息抽取器200会从视频信号中时序上连续的画面的相关性来自动产生这些量化信息值。
图三是本发明的另一实施例，其中QIV可由操作员通过一个手动索引机202，例如一个编辑机或是制作机来人工输入。例如说，操作员可以在场景景物改变时加入高的QIV使得快速扫描搜寻(即向前或向后快速搜寻)在场景景物改变时会把速度放慢。图四又是本发明的另一实施例，其中QIV可由操作员通过手动索引机202来人工输入亦或是由节目信息抽取器200来自动产生都可以。
回到图二，节目信息抽取器200需要时间，计算QIV。因此，一个同步缓冲器300是用来使(确保)视频信号120中包含的画面与对应到录象辅助信息信号220中含有的QIV上是同步(时)发生的。因此，MPEG信息源100除了要提供视频信号120给节目信息抽取器120之外，还要提供视频信号120给同步缓冲器300。依次，同步缓冲器300输出一个录象主信息信号320给NRMP媒体400的R-main输入325，其中视频信号120中的画面与它们对应在录象辅助信息信号200中的QIV是同步的(同时发生的)。
接收录象辅助信息信号220与录象主信息信号320的NRMP媒体400，它具有可变的快速扫描/重放速度，NRMP媒体400把场景与它们对应的QIV一同录下来。明白的说，QIV可以记录于视频影带的时间码区域上，或者，NRMP媒体400可以只录场景，而在重播或快速扫描搜寻时才产生QIV。
除此这外，NRMP媒体400在重播主(P-Main)输出端415输出一个重播主信息信号(P-Main信号)420，在重播状态(P-staus)输出端435输出一个重播状态信号(P-status信号)440，以及在重播辅助(P-side)输出端455输出一个重播辅助信息信号(P-side)重播辅助(P-side)信号460包含了重播主(P-main)信号420上的画面所对应的QIV。有了重播状态(P-staus)信号440及MPEG解码器600的辅助，含有同步画面的重播主(P-Main)信号420可以解码与放映。
MPEG解码器600接收重播主(P-main)信号420及重播状态(P-status)信号440。解码器600通过能指出在从储存媒体重制数据时有恶化情形发生的重播状态(P-status)信号440的辅助来对重播主(P-main)信号420解码。接着解码器600输出一个，说明白一点，可以在阴极射线管(CRT)或其他放映装置(未表示)上观看到的放映信号620。
一个速度控制器500接收重播辅助(P-side)信号460并且输出一个速度选择信号520回到NRMP媒体400。NRMP媒体400在SP-SEL(速度选择)输入端口525接收到速度选择信号520。这个速度选择信号520可以改变NRMP媒体400的速度使之以快速但视觉可以辩识的速度来快速向前(或快速向后)搜寻画面。那也就是说，具有较高量化信息值(QIV)的相当动态的录象画面，要用较慢的快速扫描速度播放(重播)，而具有较低QIV的相当静态的录象画面要用较快的快速扫描速度来重播。
为了说明起见，图三表示本发明操作在MPEG标准之下的另一实施例。除了图二中抽取QIV的节目信息抽取器200是被一个索引器200所取代，图三是个与图二很相似的实施例。像编辑员或制作人等的操作人员，可以在任意位置手动输入QIV。
根据操作员人工输入的QIV，索引器202会将QIV输出在录象辅助(R-side)信息信号220上给正常录象多重速度放象(NRMP)媒体400上的录象辅助(R-side)输入端225。因为QIV不是计算或抽取得到的，而是人工输入的，所以图二中的同步缓冲器300并不需要。图三实施例的其他部分与图二相似，那也就是说，由信息源100提供的视频信号120是直接输入到正常录象多重速度放象(NRMP)媒体400的录象主(R-Main)输入端325。
该NRMP媒体400将重播主(P-Main)信号420及重播状态(P-status)信号440输出给负责对重播主(P-Main)信号420解码并输出可以在例如CRT上观看的放映信号620的MPEG解码器600，此外，NRMP媒体400输出重播辅助(P-side)信号460给输出速度选择信号520回到NRMP媒体400的速度控制器500。这个速度选择信号520会改变NRMP媒体400的速度，使之以快速但视觉上可辨认的速度来快速向前(或快速向后)搜寻画面。
图四表示本发明结合了图二与图三所示的实施例而成的另一实施例。在图四所示的实施例中，QIV可以像在图二中一样自动地抽取出来，也可像图三中一样人工输入，或者是由自动抽取及人工输入一起来提供。
节目信息抽取器200及索引器202提供QIV给负责输出录象辅助(R-side)信息信号220到正常录象多重速度放象(NRMP)媒体400的录象辅助(R-side)输入端225的选择器204。选择器204会选择是由节目信息抽取器200抽取的QIV或由操作员以人工方式输入到索引器202中的QIV的其中之一提供给录象辅助(R-side)信息号220。另一方面来说，选择器204准许取出的QIV(从节目信息抽取器200输出的)和人工输入的QIV(从索引器202输出的)都出现在录象辅助(R-side)信息信号220之上。本装置的其余部份与图二和图三中所示装置相似。
图五是本发明使用在传统卡式录象机上而工作在NTSC标准之下的另一个实施例。图五与图三类似，QIV都是操作员以人工方式输入。但是如先前与图二和图四相关的描述，QIV可以自动地抽取出来(图二)或自动抽取与人工输入联合提供(图四)。在抽取QIV时候，一些像先要抽取移动矢量等的额外步骤是必须的，因为在NTSC标准中并未像MPEG标准一样的产生移动矢量。
在图五所描述的实施例中，源头5100提供音频/视频信号5120，而且索引器5202提供QIV给一个可变速度的录象机5400去录在如磁带一样的媒体上。QIV是经由操作人员以手动输入的，而且可以录在例如磁带上的控制磁道域或时间码区域。录象机5400重播录象带而且输出录下的音频/视频信号5120到放映单元5700去观赏。录象机5400同时会输出录下的QIV到速度控制器5500，它会输出一速度选择信号520回到录象机5400。
速度选择信号520会改变录象机的速度使之以快速但视觉上可辨认的速度去快速向前(或快速向后)搜寻画面。那也就是说，具有较高QIV的相当动态的录象画面会是以较慢的快速扫描速度来播放，而具有较低QIV的相当静态的录象画面则以较快的快速扫描速度来播放。对于重播那些具有预录索引的录象带。源头5100及索引器5202并没有用，因为它们是在录象带录象的时候才有用，而不是在重播有预录索引的录象带时用。
图六又是本发明的另一实施例，其中QIV是在重播或快速搜寻时产生的。QIV是在录象带播放或快速扫描及在显示单元5700上放映时由录象机6400内部的QIV产生器6300所产生的。这内部产生的QIV会经由QIV处理器6350处理并输出一个信号到速度控制器5500。速度控制器5500会输出一个速度选择信号5520回到录象机6400，去改变如先前所讨论的快速扫描速度。
因为这快速扫描搜寻的速度后随QIV而改变，所以这快速扫描搜寻会很有效率，而且可以在视觉可辨议的速度下观看。快速扫描搜寻的速度在相当静态的画面时会加快而在相当动态的画面时会减慢。所以，快速扫描搜寻得以在变动的速度下有效率的进行。
因此，手动调整或使用固定的快速扫描搜寻速度已经不再需要了，因为它们对相当静态的画面来说太慢了，但对相当动态的画面来说却快得无法辨认。
再者，本发明的装置可以自动产生QIV，或者让使用者输入任意的QIV，或者可以是自动与手动产生的QIV的结合。此外，以减慢快速搜寻速度为例，本发明的装置可让使用者等候到重要的(高QIV的)另外，本发明的装置也可用于预先录好的录象带上，因为QIV亦可于重播或快速搜寻时产生。本发明可以将快速搜寻时间减到最小，而且利用自动调整快速搜寻速度来达到有效率的观看快速度扫描。
最后，以上所述的本发明实施例都仅是用来说明而已对那些在本技术领域中的熟练的技术人员而言，在不背离下面的权利要求的精神与范畴之下，也可以设计出许多其他的不同的替代方法。例如，在本发明的其他实施例中，可以用一个与MPEG或NTSC不同的标准，或用一个录象带以外的储存媒体。

Claims (12)

1.一个可以在储存媒体上以可变速度搜寻录象画面的装置，包括：
一可变速度的录象重播装置，它会记录下所述的录象画面及一个信息值信号，且重播该录象画面；
一个速度控制器，它在快速扫描搜寻时，依据所述的信息值信号来调整所述的录象重播装置的速度，使得具有高信息值的该录象画面会以较慢的快速扫描速度来重播，而具有低信息值的所述录象画面会以较快的快速扫描速度来重播。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该信息值信号是在录象时产生的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中该信息值信号会在时序上连续的画面间相关性高时会呈现低的数值，而在相关性低时呈现高数值，而此处的相关性取决于所述连续视频画面之间的时序上的重复程度。
4.根据要利要求3所述的装置，其中，该时序上连续的画面间的相关性至少须取决于代表所述连续画面间改变率的移动矢量，或一个非零估计误差，或一个该连续画面的数据大小等三者其中之一。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，该信息值信号是由操作员提供。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，该信息值信号是由节目信息抽取器所产生的。
7.一个可以在储存媒体上，以可变速度搜寻录象画面的装置，包括：
一个可变速度的录象重播装置，它可在重播所述的录象画面时产生一个信息值信号；
一个速度控制器，它在快速扫描搜寻时，依据所述的信息值信号来调整所述的录象重播装置的速度，使得具有高信息值的该录象画面会以较慢的快速扫描速度来重播(放)，而且有低信息值的该录象画面，会以较快的快速扫描速度来重新播放。
8.一个为了达到可变速度搜寻而使录象画面在储存媒体上队列处理的方法，包括的步骤为：
产生一个信息值信号给视频信号中的每一个画面，
该信息值信号是与所述的视频信号一起录在所述的储存媒体之上；及
利用该信息值信号来调整在快速扫描搜寻时所述储存媒体的搜寻速度，使得具有高信息值的视频画面会以较慢的快速扫描速度来重播，而且有低信息值的视频画面会以较快的快速扫描速度来重播。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该信息值信号是参考所述的视频信号中时序上连续的画面之间的相关程度产生的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，该相关性是通过使用最少是由代表所述连续画面间改变程度的移动矢量，或一个非零估计误差，或一个该连续画面的数据大小等三者其中一被执行的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，该信息值信号是由操作员产生的。
12.一个为了达到可变速度搜寻，而使录象画面在储存媒体上队列处理的方法，包括的步骤为：
在重播该录象画面时，对该录象画面中的每一个画面产生一个信息值信号；及
利用该信息值信号，来调整在快速扫描搜寻时所述储存媒体的搜寻速度，使得具有高信息值的所述录象画面会以较慢的快速扫描速度来重播，而具有低信息的所述录象画面会以较快的快速扫描速度来重播。
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