CN1236525A - 使用与mpeg－2兼容的唯帧内视频压缩的视频传输装置 - Google Patents

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Abstract

以根据MPEG－2中对Ⅰ锚帧进行帧内视频压缩编码的方式,对每个连续视频帧进行唯帧内视频压缩编码,并且根据类似于MPEG－2中对Ⅰ锚帧进行标识的方式,将每个锚帧标识为帧内视频压缩编码的帧。进行此处理的编码器比用于既编码1帧、又编码P帧、B帧的编码器简单,因为无需运动估计电路。在数字摄录一体机中使用这种编码器,将能减少电池的功耗,并能减少摄录一体机的重量和体积。唯帧内视频压缩有助于编辑视频。在许多进行视频编辑的系统中,已经有MPEG－2解码器,所以为了对Ⅰ帧传输流进行解码而不干扰P或B帧,不需要额外的花费。如果在系统中没有MPEG－2解码器,则提供这种解码器的花费较小,因为MPEG－2解码器中的硬件量远小于MPEG－2编码器中的硬件量。

Description

使用与MPEG-2兼容的唯帧内 视频压缩的视频传输装置
本发明根据35U.S.C.111(b)于1997年8月14日提交了第60/056,325号临时申请，根据35U.S.C.111(a)提交本申请，并且根据35U.S.C.119(e)(1)要求享有该临时申请的提交日。
本发明涉及视频压缩技术，特别涉及当需要视频编辑能力时、用于数字摄录一体机或其他数字磁带记录和回放装置的视频压缩技术。
                          发明背景
数字视频盒式(digital video cassette,DVC)电磁带记录目前使用高清晰度数字盒式磁带录像机会议(High-Definition Digital Video-Cassette-RecorderConference)开发的标准来进行。在该会议上建立了5个标准，包括标准密度(standard density,SD)记录标准，其中一帧NTSC视频被记录在1350个同步块中。这1350个同步块分布在电磁记录带上的10个连续的螺旋记录的磁迹上，其中90个同步块是伴音，44个同步块是开销。同步块的比特长度是均一的，5个同步块构成DCT的5个宏块的一个段。DCT的每个块基于4∶2∶0图像数据的8像素乘8像素块。即，水平方向和垂直方向上亮度(Y)的采样密度是红减亮度色差信号(Cr)的2倍，也是蓝减亮度色差信号(Cb)的2倍。每个宏块包含4个描述Y的离散余弦变换(DCT)块、和2个描述Cr和Cb的块，这些块的比特长度是可变的。虽然在SD标准中每个段有385个字节，但是往往只需要一百个或更少的字节来发送能够产生所需分辨率图像的DCT。本发明人的一个目的是更有效地利用10个磁迹构成的每个连续组中现有的字节，以便减少空字节的数目，并且通过使用这些以前未使用的字节来改善图像分辨率。
HD数字VCR会议建立了高密度(high-density,HD)基带标准，其中高清晰度电视画面的每个帧以及伴音和开销占据20个连续的记录磁迹。该会议还定义了记录直接视频广播(direct video broadcasting,DVB)的标准、先进电视(advanced television,ATV)标准、用于欧洲的PAL+标准、和用于日本的EDTV-Ⅱ标准。用于DVB的记录方案基本上只涉及由该传输媒体的传输流的多个段形成的净荷。对DVB的记录方案也可作出类似结论。然而，为了在正常重现之外支持记录的特技播放(trickplay)重现，插入数据有一些规则。
用于HD基带记录的高清晰度TV画面是MUSE类型的，其中有1125个扫描行，而每个扫描行有1200个亮度像素。本领域的技术人员知道，HD基带标准不符合先进电视标准委员会建立的高清晰度广播电视标准所支持的任何格式。该ATSC标准支持每个隔行扫描行640个亮度像素的480个扫描行、每个隔行或逐行扫描行720个亮度像素的480个扫描行、每个逐行扫描行1280个亮度像素的720个扫描行、以及每个隔行扫描行1920个亮度像素的1080个扫描行。已知的做法是在DTV信号的5个同步块中记录ATSC数字电视信号的2个数据段，每个之前有一个时戳。
TV广播中用作源信号的音频信号以锁定到27 MHz系统时钟的48kHz的频率进行采样，并且根据ATSC文档A/52的正文指定的数字音频压缩(AC-3)标准进行编码。产生的压缩过的音频信息被分析为分组首标中作为音频分组标识的多个分组。
TV广播中用作源信号的视频信号根据MPEG-2视频压缩标准进行编码。产生的压缩过的视频信息被分析为分组首标中作为视频分组标识的多个分组。传输以画面组来进行，每个画面组(group of picture,GOP)包含称为“I帧”的初始锚帧的编码，该“I帧”只进行帧内视频压缩，然后是一系列进行帧间压缩编码的其他帧的编码。这些其他帧包括所谓的“P帧”和所谓的“B帧”。每个P帧的编码基于实际视频帧与预测帧之差，该预测帧是根据通过在这些先前I和P帧的最近的帧之间进行块比较所导出的运动向量、而从先前I和P帧中最近的一帧通过外插预测出的。每个B帧的编码基于实际视频帧和通过双向内插、从前一和后一I和P帧预测出的帧之差。
MPEG-2压缩过的视频适于电视广播等应用，在该电视广播中，不必过多考虑编辑该传输流格式的视频信息的难度。在需要容易地编辑视频的应用中，视频压缩最好一点也不依赖帧间压缩技术、而只依赖帧内视频压缩技术来进行。编辑视频记录以删除不需要的帧、引入帧重复以获得慢速运动或停止运动的效果、以及插入反向运动序列，这些都希望能容易地编辑视频。另一些例子是，从摄录一体机的记录中提取静止画面、提取选择的视频以通过互联网传输、以及编辑从广播电视记录的视频中的广告，这些也希望能容易地编辑视频。
在需要容易地编辑视频的用于处理视频的系统中，本发明人提出帧内视频压缩，根据MPEG-2中对I锚帧进行帧内视频压缩编码的方式，对每个连续的视频帧进行编码，然后用类似于MPEG-2中对锚帧进行标识的方式，将每帧标识为帧内视频压缩编码的帧。可以修改传统的MPEG-2编码器以进行该视频压缩算法。或者，可以将既编码I帧、又编码P帧和B帧所需的编码器大大简化，得到只编码锚或I帧的编码器，因为不需要构成整个MPEG-2编码器的相当大一部分的运动估计电路。该运动估计电路需要具有存储多帧视频信息的存储能力的存储器。本发明人优选将该简化的编码器用于数字摄录一体机，以便减少摄录一体机的电池的功耗，并且降低摄录一体机的重量和体积。
在需要容易地编辑视频的用于处理视频的许多系统中，已经有MPEG-2解码器用于解码表示连续的视频帧的连续的帧内视频压缩编码，所以解码器不需要额外的花费来解码I帧的传输流，而不干扰P或B帧。如果在系统中没有MPEG-2解码器，则提供这种解码器不需要太高的花费，因为MPEG-2中的硬件量远少于MPEG-2编码器中的硬件量。或者，可以使用只用于I帧的修改的MPEG-2解码器。
                        发明概述
本发明的一个方面实施为一种数字录像机，具有用于根据MPEG-2标准产生连续的I帧的视频压缩编码器，但是与MPEG-2标准有所区别，而不干扰P或B帧。本发明更具体的一个方面实施为一种数字摄录一体机，具有用于根据MPEG-2标准产生连续的I帧的视频压缩编码器，但是与MPEG-2标准有所区别，而不干扰P或B帧。本发明的一个更具体的方面实施为一种数字录像机或数字摄录一体机，具有用于根据MPEG-2标准产生一系列连续的I帧的视频压缩编码器，该视频压缩编码器被简化，以便不具有编码P帧或B帧的能力。
本发明的另一个方面实施为数字录像机或数字摄录一体机，具有用于产生连续的一系列连续的I帧的视频压缩编码器，该I帧可以被记录为基本视频流而不使用2∶5转换，或者被记录为使用2∶5转换的传输流，该传输流根据MPEG-2标准的修改来形成，它包括I帧，而不干扰P或B帧。
                    附图的简要描述
图1、2、3和4分别是实施本发明某些方面的相应的摄录一体机的示意图；
图5、6、7、8、9和10分别是实施本发明某些方面的相应的数字磁带录像机和放像机的示意图，该数字磁带录像机和放像机被连接在实施本发明其他方面的系统中；
图11是可以用于图1或3、5、7或9的装置的压缩视频信号产生电路的详细示意图；
图12是可以用于图2、4、6、8或10的装置的压缩视频信号产生电路的详细示意图；
图13是如何在图5、6、7、8、9或10的数字磁带录像机和放像机变型中使用MPEG-2解码器来取代只产生连续的I帧的视频压缩装置的示意图；
图14是可以用于图1或2的摄录一体机、或用于图5或6的数字磁带录像机和放像机的快照装置的示意图；
图15是可以用于图3或4的摄录一体机、或用于图7、8、9或10的数字磁带录像机和放像机的快照装置的示意图；及
图16是包括具有视频和音频编辑软件的计算机的系统的示意图，该系统用于根据本发明来编辑视频。
                  优选实施例的详细描述
图1示出根据本发明进行视频压缩的摄录一体机。摄像机1以4∶3的横纵比产生视频信息帧，该视频信息包括亮度(Y)信息，其中每帧具有480个有效扫描行，而每个扫描行具有720(或640)个像素。在家用摄录一体机中，摄像机1通常使用具有彩色图案滤光镜的单个固态成像器；在广播用摄录一体机中，摄像机1通常对加性三原色的每种颜色的相应的固态成像器使用分光器。假定每种类型的摄像机1包括彩色矩阵电路，以使摄录一体机1以4∶2∶2格式提供亮度(Y)信息、红减亮度(Cr)色度信息、以及蓝减亮度(Cb)色度信息，作为视频信息的分量。
视频输入处理器2在垂直和水平方向进行可分离的低通防混叠滤波之后在该两个方向上对每个Cr和Cb信号进行2∶1抽取，以将Y、Cr、和Cb信号转换为4∶2∶0采样格式。来自摄像机1的视频信息在1/30秒持续时间的每帧中具有两个隔行扫描的场，或者是逐行扫描的，其中每帧具有1/60秒持续时间。适于每种选择的相应的低通防混叠滤波的设计，对本领域的技术人员是已知的。
如果每帧中有两个隔行扫描的场，则在奇数场中使用7抽头垂直低通防混叠滤波器；而在偶数场中使用4抽头垂直低通防混叠滤波器。然后，每帧的前场和后场被一行一行地隔行扫描为压缩编码的完整的帧。该过程产生一系列帧，每帧具有1/30秒持续时间。
如果摄像机1提供每帧具有1/60秒持续时间的逐行扫描视频信息，则在视频输入处理器2将Y、Cr、和Cb信号转换为4∶2∶0采样格式之后，可以通过使用伪场隔行扫描方法来以2∶1抽取帧的数目，以产生以半个帧速率出现的伪场隔行扫描帧(pseudo-field-interlace frames)。假设视频信息帧按其出现顺序以模2编号，而每帧中的行按其出现顺序连续编号。每个奇数帧的奇数扫描行中的Y、Cr、和Cb像素的幅度与前一偶数帧中对应的幅度组合，以产生以半个帧速率出现的伪场隔行扫描帧的奇数行场。每个奇数帧的偶数扫描行中的Y、Cr、和Cb像素的幅度与后一偶数帧中对应的幅度组合，以产生以半个帧速率出现的伪场隔行扫描帧的偶数行场。
视频压缩装置3接收4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号，用于视频压缩编码。视频压缩装置3还接收时戳计数器5的输出计数，该时戳计数器5对16个视频帧构成的每个组中的系统时钟周期进行计数。该输出计数伴随压缩过的视频信号分量，以便跟踪其产生的顺序。对每帧进行帧内视频压缩编码。这根据与MPEG-2视频压缩编码中只对每个画面组的第一个锚帧使用的帧内压缩编码协议相同的协议来进行。该帧内压缩编码协议考虑到Y、Cr、和Cb信号样本的每帧由安排在行和列上的8像素乘8像素块的密排(close-packed)阵列构成。以规定的顺序计算这些8像素乘8像素块中的每个块的离散余弦变换(discrete cosine transform,DCT)。视频信号样本的每个8像素乘8像素块的DCT系数被量化，并以规定的顺序作为比特串行二进制数提供，以形成表示相应的DCT块的比特串。然后对一系列DCT块进行熵编码，包括游程长度编码和随后的基于假设统计表的可变长编码。视频压缩的MPEG-2标准包括用于熵编码的推荐表。调整DCT结果的量化，以便每帧的帧内编码结果符合103,950字节的限制(每个同步块77个字节的数据乘以每个NTSC帧1350个同步块的视频信息)。
视频压缩装置3提供根据I帧的MPEG-2帧内编码算法产生的每个连续帧的压缩过的视频信息。序列首标、GOP首标、画面首标、切片首标和宏块首标被插入到视频压缩装置3提供的该压缩过的视频信息。该画面首标包括I帧编码标志，它将使在对盒式录像带记录进行回放的过程中所用的任何MPEG-2解码器按帧内来解码压缩过的视频信息，而不管压缩过的视频信息是被直接记录的、还是在被编码为MPEG-2传输流之后被记录的。
图1的摄录一体机在特技播放方面设计成与数字盒式磁带录像机和放像机兼容。特技播放提取电路4提取特技播放信息，该特技播放信息包括视频压缩装置3计算出的每个锚帧的一系列DCT块的零频率和其他低频DCT系数。当根据本发明将每帧编码为锚I帧时，特技播放信息的变化比在传统的MPEG-2编码中更频繁，但是这是可以接受的。在上述过程的一个变形中，每帧被编码为一个I帧，但是只将每第16个帧作为锚帧。在本发明的这些替换实施例中，每第16个帧被存储16帧的时段，并且被用于支持特技播放信息的产生，更像传统的MPEG-2编码所做的那样。然而，目前优选未使用该变形的本发明的实施例，因为避免每第16个帧的帧存储可以显著降低视频压缩装置3的成本和复杂度。特技播放提取电路4将这样提取的截断的DCT块分析为多个同步块，提供给数据帧组装器6，以将其插入到包含时戳、并包含视频和音频分组的其他同步块。该插入根据传统的规定模式来进行，该模式在磁带的交替的记录磁迹上形成多个特技播放信息条(bands)。数据帧组装器6的其他方面与标准清晰度数字盒式磁带录像机(standard-definition digital-video-cassette recorder,SD DVCR)中所用的相同。
假设立体声拾音装置7与图1摄录一体机中的摄像机1结合，并且提供左声道(L)信号和右声道(R)信号。L和R信号被提供给音频编码装置8，用于压缩编码以产生压缩过的音频信息。压缩编码可以根据多种方式中的任何一种来进行，例如根据MPEG标准、当记录美国广播的数字电视时根据AC-3标准、或根据脉码调制(pulse code modulation,PCM)方案。
响应图1摄录一体机的用户设置的控件，操作模式控件9控制摄录一体机以根据第一数据帧组装模式进行操作。在该模式中，数据帧组装器6直接利用来自视频压缩装置3的压缩过的视频信息、和来自音频编码装置8的压缩过的音频信息。组装器6包括用于视频和音频的前向纠错码编码器。压缩过的视频信息被临时存储到组装器6中的存储器的视频部分内的行和列阵列。压缩过的音频信息被临时存储到组装器6中的存储器的音频部分内的行和列阵列。按照SD DVCR中的惯例，用于视频的前向ECC编码器是使用外部编码电路(149,138)和内部编码电路(85、77)的二维Reed-Solomon编码器。组装器6中的存储器的视频部分用作该前向ECC编码器的交织器。按照SD DVCR中的惯例，用于音频的前向ECC编码器是使用外部编码电路(14,9)和内部编码电路(85、77)的二维Reed-Solomon(里德-索罗门)编码器，而组装器6的存储器的音频部分用作该前向ECC编码器的交织器。数据帧组装器6包括当从组装器6的存储器中作为同步块读取时、在前向纠错编码过的信息的每85字节行之前加上5字节首标的电路。该5字节首标包括2字节同步码和随后的3字节标识(ID)码。
操作模式控件9还可以具有用户控件设置，该设置控制图1摄录一体机根据第二数据帧组装模式进行操作。在该第二数据帧组装模式中，传输流编码器10提供的传输流、而不是视频压缩装置3直接提供的压缩过的视频信息和音频编码装置8提供的压缩过的音频信息被用作数据帧组装器6的输入信号。传输流编码器10将压缩过的视频信息分析为多对前面带有分组首标的连续MPEG-2视频分组，每个以时戳开始。传输流编码器10将压缩过的音频信息分析为前面带有分组首标的连续音频分组，每个以时戳开始。每个音频分组尾随具有辅助音频信息的分组首标，该辅助音频信息包含指示用于产生音频分组的音频编码的类型的代码。辅助音频信息被从音频编码装置8转发到传输流编码器10。传输流编码器10将视频和音频分组组装为提供给传输流选择器11的第一传输流。传输流编码器10还组装第二传输流，该第二传输流与第一传输流的区别是，该第二传输流插入了从时戳计数器5提取出的附加时戳。这是为了进行2∶5转换，其中该第二传输流中的188字节分组构成每个连续对被写入数据帧组装器6中的存储器的5个行，用于下次从组装器6作为5个同步块读取。从传输流编码器10将一组指定产生传输流所用的特定视频和音频压缩格式的MPEG包装载到数据帧组装器，以便插入到每个数据帧的第19、20和156个同步块。
数据帧组装器6的进一步细节是本领域的技术人员所熟知的，符合1994年12月HD数字VCR会议发表的使用6.3mm磁带的消费者用数字VCR的规格。数据帧组装器6提供的同步块被提供给24/25调制器12作为调制信号，该调制信号控制交织NRZI调制的产生。该I-NRZI调制被提供给磁带录像机(和放像机)13的记录放大器，该磁带录像机(和放像机)13是图1摄录一体机的一个部件，是螺旋记录类型的。该I-NRZI调制结果基本上没有直流分量，所以放大过的调制结果可以被变压器耦合，而在记录的过程中对磁带录像机13的磁头没有信息损失。该变压器耦合是通过磁带录像机13的磁鼓和主体之间的旋转变压器来进行的，该主体包含传输磁带记录媒体经过磁鼓的机构。
在从磁带记录媒体进行回放的过程中，由运动媒体中的磁变化而引入磁带录像机和放像机13磁头的电信号通过旋转变压器耦合到录像机和放像机13中的回放放大器。该回放放大器将24/25 I-NRZI调制提供给用于24/25I-NRZI的解调器14，该解调器14重现用于记录的数据帧组装器5提供的纠错编码过的同步块。响应用户的需求来设置录像机旁路开关15，以选择数据帧组装器6提供的纠错编码过的同步块、或24/25I-NRZI解调器14重现的纠错编码过的同步块中的一个，以提供给数据帧拆卸器16。
数据帧拆卸器16对提供给其的信号进行纠错，并且相应地包括用于Reed-Solomon前向纠错码的解码器。数据帧拆卸器16包括视频临时存储存储器，该存储器用作视频ECC解码器的交织器。数据帧拆卸器16还包括音频临时存储存储器，该存储器用作音频ECC解码器的交织器。
当操作模式控件9的用户控制设置选择根据第一数据帧组装进行的正常播放时，音频/视频选择器17选择从数据帧拆卸器16中的相应的临时存储存储器中读取的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息作为其输出信号。压缩过的视频信息和压缩过的音频信息在由数据帧拆卸器16中的ECC解码器进行纠错之后，被读入到音频/视频选择器17。在该模式中，压缩编码视频解码器24按照唯I帧对来自音频/视频选择器17的压缩过的视频信息进行解码。如果压缩编码视频解码器24具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则解码器24被控制为按照唯I帧进行解码，以响应压缩过的视频信号中的画面首标。如果需要，可以这样设计，即，解码器24被控制为按照唯I帧进行解码，以响应操作模式控件9的用户控制设置。
当操作模式控件9的用户控制设置选择根据第二数据帧组装模式进行的正常播放时，音频/视频选择器17选择传输流解码器18提供的压缩视频信息和压缩音频信息作为其输出信号。压缩过的视频信息和压缩过的音频信息是从数据帧拆卸器16中的相应的临时存储存储器读入到解码器18的视频分组和音频分组进行解码而得到的。视频分组和音频分组在由数据帧拆卸器16中的ECC解码器进行纠错之后，被读入到传输流解码器18。如果压缩编码视频解码器24具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则解码器24被控制为按照唯I帧进行解码，以响应压缩过的视频信号中的画面首标，该首标指示这是正在回放的DVCR盒式磁带以前被记录时所用的模式。
当操作模式控件9的用户控制设置选择特技播放时，音频/视频选择器17提供的输出信号包括作为有线输入的空的压缩过的音频信息、和压缩过的视频信息，该压缩过的视频信息是作为特技播放信号来记录、然后在回放的过程中从数据帧拆卸器16中的临时存储存储器读取的。压缩编码音频解码器23恢复的音频被消音。如果压缩编码视频解码器24具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则解码器24被控制为按照唯I帧进行解码，以响应操作模式控件9的用户控制设置。
音频/视频选择器17作为其输出信号选择的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息被提供给传输流编码器19。传输流编码器19向传输流选择器11提供传输流，当根据第一数据帧组装模式进行的正常播放是操作模式控件9为图1摄录一体机选择的操作模式时，可得到该数据流。传输流选择器11响应图1摄录一体机的用户控制设置，以便在其输出信号中重现传输流编码器10提供给其的记录之前的传输流，或者重现来自磁带录像机13的回放后的另一个传输流。传输流选择器11自动选择传输流编码器19的输出信号作为该另一个传输流，以响应选择根据第一数据帧组装模式进行回放的操作模式控件9。响应选择根据第二数据帧组装模式进行回放的操作模式控件9，传输流选择器11自动选择从数据帧拆卸器16到传输流解码器18的输出信号作为回放后的另一个传输流，选择器11可以重现该另一个传输流作为其输出信号。
在图1所示的装置的变形中，来自磁带录像机13的回放后的另一个传输流可以始终是传输流编码器19的输出信号，该变形没有很大改变最终的摄录一体机性能。
在传输流选择器11的输出信号中重现的传输流被提供给IEEE1394信号编码器20。IEEE1394信号编码器20在传输流的每个188字节分组之前加上4字节时戳，将每个192字节构成的加有时戳的分组分配到更短的数据块(例如，每个长度为96字节)中，并且在每个数据块之前加上用于接入传输线的首标和CIP首标。该CIP首标包含有关192字节构成的加有时戳的分组的分配的信息、以及有关数据流中何时出现类似特征的数据的信息。
图1示出音频/视频选择器17作为其输出信号选择的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息被提供给低功率ATSC电视发送机21，该电视发送机21用于将射频信号发送到数字电视接收机。对根据本发明构造的摄录一体机来说，这是一个任选特性。具有代表性的低功率ATSC电视发送机21描述于1998年6月9日颁发给T.P.Horowitz的、题为“VSB调制器”的第5,764,701号美国专利。从磁带记录回放的压缩过的音频信息和压缩过的音频信息容易表现出一些因磁带运动的不规则而引起的时基不稳定。在将该信息用于发送机21以调制射频载波之前，最好通过使用时基稳定器来校正这种时基不稳定，该时基稳定器用于根据稳定的时钟源来重新调节该信息的时钟。这是所希望的，因为这样，接收已调RF载波的ATSC电视接收机中使用的均衡器就可以正常工作。通常，更简单的做法是通过将IEEE1394标准信号直接提供给ATSC电视接收机中的分组排序器来避开时基不稳定问题，而不是企图通过RF输入将摄录一体机链接到该接收机。
图1示出根据本发明构造的摄录一体机的另一个任选特性，即用于将射频信号发送到模拟电视接收机的低功率NTSC电视发送机22。音频/视频选择器17选择的压缩过的音频信息被提供给压缩编码音频解码器23。音频/视频选择器17选择的压缩过的视频信息被提供给压缩编码视频解码器24。解码器24可以是传统的MPEG-2视频解码器，但是通过修改为只解码I帧而大大简化。解码器23和24将解压缩过的音频信息和解压缩过的视频信息分别提供给发送机16。
图1摄录一体机具有液晶显示(LCD)取景器25。在记录或预览的过程中，取景器驱动电路26将驱动信号提供给LCD取景器25，以响应视频输入处理器2提供的4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号。在回放的过程中，取景器驱动电路26将驱动信号提供给LCD取景器25，以响应压缩编码视频解码器24提供的4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号。提供给LCD取景器25的驱动信号典型地是R(红)、G(绿)和B(蓝)驱动信号。
图2示出的摄录一体机与图1摄录一体机的区别是，图2摄录一体机进行特技播放。在图2摄录一体机中，DCT块被记录到电磁带的磁迹上，使得每帧的一系列DCT块的零频率和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分。在特技播放的过程中，这些零频率和其他低频DCT系数被恢复，以产生低分辨率显示，而更高频率的DCT系数则被抛弃了。消除传统上用于数字盒式录像带的特技播放条，将平均净荷数据速率从19.3兆比特每秒提高到23兆比特每秒。
在图2摄录一体机中省略了特技播放提取电路4，而视频压缩装置3则被视频压缩装置103取代，该视频压缩装置103无需包括用于连接到特技播放提取电路4的部件。即，传统的特技播放信息未记录到图2摄录一体机。传输流解码器10被修改的传输流解码器110取代，该传输流解码器110用于与视频压缩装置103接口，当参照图6进行叙述时将更详细地描述该接口。在图2摄录一体机，数据帧组装器6被数据帧组装器106取代，这可从其组装过程中省略表示特技播放条的同步块，并且增加了每帧中包含正常播放视频分组信息的同步块的数目。数据帧组装器106对每帧的一系列DCT块的DCT系数的顺序进行混洗，以便零频率和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分。数据帧拆卸器16被数据帧拆卸器116取代，该数据帧拆卸器116考虑到记录的信号省略了表示特技播放条的同步块、并且用包含其他视频分组信息的同步块取代该省略的同步块。
图1和2的摄录一体机使用CCIR301标准视频信号，根据美国的做法，该视频信号每秒具有60帧，每帧具有525个扫描行。这些摄录一体机很容易修改，以便它们可以使用每秒50帧、每帧625个扫描行的、根据其他根据的做法的CCIR301标准视频信号。这种修改实施了本发明的某些方面。
图3示出图1摄录一体机的修改，该修改使用摄像机201用于以16∶9横纵比产生包括亮度(Y)信息的视频信息的逐行扫描帧，该亮度(Y)信息每帧具有720个有效扫描行，每个扫描行具有1280个像素。在家用摄录一体机中，摄像机201适于使用具有彩色图案滤光镜的单个固态成像器；在广播用摄录一体机中，摄像机201适于使用对加性三原色中的每种颜色具有相应的固态成像器的分光器。假设每种类型的摄像机201包括彩色矩阵电路，以便摄像机201以4∶2∶2格式提供亮度(Y)信息、红减亮度(Cr)色度信息、和蓝减亮度(Cb)色度信息，作为视频信息的分量。视频输入处理器202通过在垂直和水平方向进行可分离的低通防混叠滤波之后、在两个方向上对Cr和Cb信号的每一个进行2∶1抽取，将Y、Cr、和Cb信号转换为4∶2∶0采样格式。
视频压缩装置203接收4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号用于视频压缩编码，根据与只对MPEG-2视频压缩编码中每个画面组的第一锚帧使用的帧内压缩编码协议相同的协议，按照帧内对每帧进行该视频压缩编码。特技播放提取电路204提取特技播放信息，以提供给数据帧组装器6。该特技播放信息包括视频压缩装置203计算出的、每帧(或者，在本发明的非优选实施例中只有作为锚帧选择的周期性出现的帧)的一系列DCT块的零频率和其他低频DCT系数。
由于每帧的像素数目增加了，所以，与图1摄录一体机相比，图3摄录一体机的压缩过的视频数据的量增加了。因此，每帧中的压缩过的高清晰度视频信息可以占据图3摄录一体机中录像磁带上的20个记录磁迹，而不是只占据图1摄录一体机中分配给标准清晰度视频信息的10个磁迹。
由于具有以16∶9的横纵比产生视频信息的逐行扫描帧的摄像机201，低功率NTSC电视发送机22被省略了。由于发送机22未包括在图3摄录一体机中，所以压缩编码音频解码器23被省略了。图3摄录一体机具有液晶显示(LCD)取景器225，该LCD取景器225具有16∶9的横纵比。压缩编码视频解码器24被保留，以便为取景器驱动电路产生解压缩过的视频信号。在回放(或记录和回放)的过程中，取景器驱动电路226可以将驱动信号提供给LCD取景器225，以响应解码器24提供的4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号。在记录或预览的过程中，取景器驱动电路226可以将驱动信号提供给LCD取景器225，以响应视频输入处理器202提供的4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号。提供给LCD取景器225的驱动信号典型地是R、G和B驱动信号。
低功率NTSC电视发送机被用于图3摄录一体机的变形中，该变形具有以信箱(letter-box)格式发送16∶9横纵比视频图像的部件。在这种变形中，压缩编码音频解码器23被保留。
图4示出的摄录一体机与图3摄录一体机的区别是，进行特技播放的方式不同。DCT块被记录到电磁带的磁迹上，使得每帧的一系列DCT块的零频率和低频DCT系数占据同步块的先头部分。在特技播放的过程中，这些零频率和其他低频DC系数被恢复，以产生低分辨率显示，并且更高频率的DCT系数被抛弃。并行读取20个磁迹、消除传统上用于数字盒式录像带记录的特技播放条，将平均净荷数据速率从38.6兆比特每秒提高到46兆比特每秒。
特技播放提取电路204在图4摄录一体机中被省略了，而视频压缩装置203则被视频压缩装置303取代，该视频压缩装置303无需包括用于连接到特技播放提取电路204的部件。在图4摄录一体机中，数据帧组装器6被数据帧组装器106取代，这可从其传输流组装过程中省略表示特技播放条的同步块，并且增加每帧中包含正常播放视频分组信息的同步块的数目。数据帧组装器106对每帧的一系列DCT块的DCT系数的顺序进行混洗，以便使直流或零频率DCT系数和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分。Reed-Solomon纠错编码器9和Reed-Solomon纠错解码器13分别被Reed-Solomon纠错编码器109和Reed-Solomon纠错解码器113取代，因为纠错编码数据帧中视频同步块的数目增加了。数据帧拆卸器16被数据帧拆卸器116取代，该数据帧拆卸器116考虑到重现的传输流省略了表示特技播放的同步块、并且用包含其他视频分组信息的同步块取代了省略的同步块。
图5示出视频记录和重现系统，其中根据本发明进行视频压缩。该系统被构造在数字盒式磁带录像机(和放像机)或DVCR400周围，该DVCR包括分量磁带录像机和放像机413。录像机和放像机413可以被用于从图1、2、3和4的摄录一体机中的一个摄录一体机记录的数字盒式录像带中的磁带进行回放。实际上，图1摄录一体机记录的数字盒式录像带适于在标准密度(SD)数字电视磁带录像机和放像机中进行播放，或者在SD数字电视磁带放像机中进行播放，而无需修改回放电路。DVCR400元件402-424在结构上和各自的操作上大致分别对应于图1摄录一体机的元件2-24。DVCR400与传统的SD DVCR的区别是，DVCR400被修改了以包括视频输入处理器402、视频压缩装置403、特技播放数据提取电路404、时戳计数器405、音频编码装置408、传输流编码器410和419、传输流选择器411、音频和视频选择器417、传输流解码器418、IEEE 1394信号组装器、压缩音频解码器423和压缩视频解码器424。具有ECC编码器的数据帧组装器406、和具有ECC解码器的数据帧拆卸器416是从SD DVCR中使用的装置修改而得的，以允许在记录的每个数据帧中包括特技播放同步块。24/25I-NRZI调制器412、24/25I-NRZI解调器414、低功率NTSC电视发送机422和NTSC电视接收机前端427大致与SD DVCR中的相同。
视频输入处理器402从DVCR 400之外的NTSC模拟电视接收机430、从DVCR400之外的个人计算机440、或从DVCR400内的电视接收机前端427选择要压缩的视频信息。视频输入处理器402选择的用于压缩的视频信息被转换为4∶2∶0采样格式的亮度信号Y、红减亮度色差信号Cr、和蓝减亮度色差信号Cb，以提供给视频压缩装置403。来自电视接收机前端427的视频信息包括4∶2∶2采样格式的亮度信号Y、红减亮度色差信号Cr、和蓝减亮度色差信号Cb。Y、Cr、和Cb信号通过在低通防混叠滤波之后、在垂直和水平方向上进行2∶1抽取，而被转换为4∶2∶0采样格式。
图5示出来自个人计算机440的视频信息被作为红信号R、绿信号G和蓝信号B提供。图5示出来自模拟电视接收机430的视频信息被作为亮度信号Y和正交色差信号Cr和Cb提供。或者，视频信息可以作为另一个红信号R、另一个绿信号G和另一个蓝信号B从模拟TV接收机430提供。视频输入处理器402包括彩色矩阵电路(未显式示出)，用于将R、G和B视频信号转换为Y、Cr和Cb视频信号，然后再通过在低通防混叠滤波之后、在垂直和水平方向上进行适当的抽取，将其转换为4∶2∶0采样格式。在另一个可替换的结构中，视频信息可以作为亮度信号Y以及正交色差信号I和Q从模拟TV接收机提供。于是，修改视频输入处理器402，以包括彩色矩阵电路，用于将I和Q视频信号转换为Cr和Cb视频信号。
在图5中，视频压缩装置403具有与其结合的特技播放数据提取电路404。具有ECC解码器的数据帧组装器406用于将特技播放数据放入每个数据帧中规定位置的选择的数据块。时戳计数器405对16个视频帧构成的每个组的系统时钟周期进行计数，以便将时戳信息提供给视频压缩装置403、IEEE1394信号编码器420、以及传输流编码器410和419。图5的DVCR400内的音频编码装置408对来自NTSC电视接收机430、来自个人计算机440、或来自DVCR400内的NTSC电视接收机前端427的左声道(L)和右声道(R)信号进行压缩编码。
响应图5的DVCR400的用户控制设置，操作模式控件409控制DVCR，以根据第一数据帧组装模式进行操作。在该第一数据帧组装模式中，来自视频压缩装置403的压缩过的视频信息、和来自音频编码装置408的压缩过的音频信息被数据帧组装器406直接使用。
或者，操作模式控件409可以具有用户控制设置来控制图5的DVCR，以根据第二数据帧组装模式进行操作。在该第二数据帧组装模式中，传输流编码器410提供的传输流、而不是直接来自视频压缩装置403的压缩过的视频信息、和来自音频编码装置408的压缩过的音频信息被数据帧组装器406用作输入信号。传输流编码器410将压缩过的视频信息分析为多对连续的MPEG-2视频分组，该视频分组前面带有分组首标，用于将其标识为视频分组。传输流编码器410将压缩过的音频信息分析为音频分组，该音频分组前面带有分组首标，用于将其标识为音频分组。传输流编码器410将视频和音频分组组装为第一传输流，提供给传输流选择器411。传输流编码器410还组装第二传输流，该第二传输流和第一传输流的区别是，第二传输流中插入了从时戳计数器405提取的附加时戳。这样做是为了进行2∶5转换，其中该第二传输流中的188字节分组构成的每个连续对被写入到数据帧组装器406的存储器的5个行中，以便以后从组装器406作为5个同步块读取。
或者，操作模式控件409可以具有用户控制设置来控制图5的DVCR，以根据第三数据帧组装模式进行操作。在该第三数据帧组装模式中，IEEE1394信号解码器428对DVCR400提供的IEEE1394信号的响应提供数据帧组装器409作为输入信号接受的传输流。IEEE1394信号解码器428消除IEEE1394首标，以恢复MPEG-2传输流。解码器428将时戳计数器405提供的附加时戳插入到所恢复的MPEG-2传输流。当该传输流被接着加载到数据帧组装器490时，可以用其进行传输流的2∶5转换。
在数据帧组装器409中的ECC编码器进行纠错编码之后，将同步块从组装器409读入到24/25调制器412，作为调制信号来控制交织的NRZI调制的产生。该I-NRZI调制被提供给VCR400中的磁带录像机(和放像机)413的记录放大器。
在盒式录像带回放的过程中和监视盒式录像带记录的过程中，VCR400中的回放放大器将24/25I-NRZI调制提供给24/25I-NRZI解调器414，该解调器414重现用于编码的数据帧组装器406提供的纠错编码过的同步块。在监视盒式录像带记录的过程中，设置录像机旁路开关415，以响应用户从数据帧组装器406、或从24/25I-NRZI解调器414到数据帧拆卸器416的纠错编码过的同步块的要求。
数据帧拆卸器416对提供给其的信号进行纠错，并且相应地包括用于Reed-Solomon前向纠错码的解码器。数据帧拆卸器416包括用于视频的临时存储存储器，该存储器用作视频ECC解码器的交织器。数据帧拆卸器416还包括用于音频的临时存储存储器，该存储器用作音频ECC解码器的交织器。
当操作模式控件409的用户控制设置选择根据第一数据帧组装模式进行正常播放，音频/视频选择器417选择从数据帧拆卸器416中的相应的临时存储存储器读取的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息作为其输出信号。压缩过的视频信息和压缩过的音频信息在数据帧拆卸器16中的ECC解码器完成信息的纠错之后，被读入到音频/视频选择器417。在该模式中，压缩编码视频解码器424按照唯I帧对来自音频/视频选择器417的压缩过的视频信息进行解码。如果压缩编码视频解码器424具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则控制解码器424来按照唯I帧进行解码，以响应压缩过的视频信号中的画面首标。
当操作模式控件409的用户控制设置选择根据第二或第三数据帧组装模式进行的正常播放时，音频/视频选择器417选择传输流解码器418提供的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息作为其输出信号。对从数据帧拆卸器416中的相应的临时存储存储器读入到解码器418的视频分组和音频分组进行解码，以产生压缩过的视频信息和压缩过的音频信息。视频分组和音频分组在数据帧拆卸器416中的ECC解码器完成分组的纠错之后，被读入到传输流解码器418。如果压缩编码视频解码器424具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则控制解码器424，以便按照唯I帧进行解码，以响应压缩过的视频信号中的画面首标，该画面首标指示这是正在回放的DVCR盒式磁带以前被记录时所用的模式。
当操作模式控件409的用户控制设置选择特技播放时，音频/视频选择器417提供的输出信号包括作为有线输入的空的压缩过的音频信息、和压缩过的视频信息，该压缩过的视频信息是作为特技播放信号被记录、然后在回放的过程中从数据帧拆卸器416中的临时存储存储器读取的。压缩编码音频解码器423恢复的音频被消音。如果压缩编码视频解码器424具有既解码I帧、又解码B或P帧的能力，则控制解码器424，以便按照唯I帧进行解码，以响应操作模式控件409的用户控制设置。
音频/视频选择器417作为其输出信号选择的压缩过的视频信息和压缩过的音频信息被提供给传输流编码器419。传输流编码器419向传输流选择器411提供传输流，该传输流可在根据第一数据帧组装模式进行正常播放的过程中得到。传输流选择器411响应图1摄录一体机的用户控制设置，以便在其输出信号中重现传输流编码器410提供给其的记录前的传输流，或者来自磁带录像机413的回放后的另一个传输流。传输流选择器411自动选择来自传输流编码器419的输出信号作为该另一个传输流，以响应操作模式控件409选择的根据第一数据帧组装模式进行的回放。响应操作模式控件409选择的根据第二数据帧组装模式进行的播放，传输流选择器411自动选择从数据帧拆卸器416到传输流解码器418的输出信号作为回放后的另一个传输流，选择器421可以重现该回放后的另一个传输流作为其输出信号。
在图5所示的装置的变形中，来自磁带录像机413的回放后的另一个传输流可以始终是来自传输流编码器419的输出信号，该变形未很大改变最终的摄录一体机性能。
在传输流选择器411的输出信号中重现的传输流被提供给IEEE1394信号编码器420。IEEE1394信号编码器420在传输流中的每个188字节分组前加上4字节时戳，将每个192字节构成的加有时戳的分组分配给更短的数据块(例如，每个长度为96字节)，并且在每个数据块之前加上用于接入传输线的首标和CIP首标。图5示出来自IEEE1394信号编码器420的IEEE1394信号被提供给个人计算机440以及数字视盘录像机和放像机450作为其各自的输入信号。图5示出个人计算机440，用于通过分组通信链路、例如互连网与另一个计算机(未显式示出)相连。个人计算机440还可以通过服务器连接到其他类型的终端。
图5还示出将射频信号发送到模拟电视接收机430的低功率NTSC电视发送机422。更具体地说，压缩编码音频解码器423将音频信号提供给发送机422，以便组合形成用于调制发送机422提供的音频载波频率的信号。压缩编码视频解码器424提供射频信号，以便组合形成复合视频信号，用于调制发送机422提供的视频载波幅度。由于希望能够播放具有MPEG-2编码过的视频的数字录像带，压缩视频解码器424最好是传统的MPEG02视频解码器。
DVCR400提供一种方便的方式来合并音频和视频素材，该素材的形式使得可以借助适当编程的个人计算机来进行编辑，该个人计算机具有用于监视要编辑的素材的部件，并且具有可以存储长序列画面的存储媒体。图1所示类型的摄录一体机制作的各种录像带记录可以被合并到单个数字盒式录像带，以便个人计算机440进行回放。合并的素材还可以包括电视接收机430无线、从电缆、从数字视盘(录像机和)放像机450或从另一个数字录像机接收到的电视节目。在编辑之后，DVCR400提供一种方式来记录个人计算机440提供给其的编辑过的素材。
图6示出另一个视频记录和重现系统，其中根据本发明来进行视频压缩，它和图5的区别是，进行特技播放的方式不同。在图6的数字盒式磁带录像机(和放像机)500中，DCT块被记录到电磁带上的磁迹上，使得每帧的一系列DCT块的零频率和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分，以便无需磁带记录的视频记录部分中的特技播放条。图6的DVCR500适用于播放图2摄录一体机记录的盒式录像带。
图6的DVCR500和图5的DVCR400的区别是，图6的DVCR500没有特技播放数据提取电路404。数据帧组装器406被数据帧组装器506取代，该数据帧组装器506从其数据帧组装过程中省略了标识特技播放条的同步块，并且增加了每帧中包含正常播放视频分组信息的同步块的数目。数据帧组装器506包括用于混洗的电路，用于对每帧的一系列DCT块的DCT系数的顺序进行混洗，使得直流或零频率DCT系数和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分。压缩视频解码器424可以是标准MPEG-2压缩视频解码器，它被压缩视频解码器524取代，该压缩视频解码器524还包括从占据数字录像带记录中的同步块的先头部分的零频率DCT系数和其他低频DCT系数中提取特技播放信息的能力，该数字录像带记录是根据图6的DVCR500所实施的本发明的那一方面而制作的。
图7示出图5系统的修改，该修改使用能够记录视频信息的逐行扫描帧的先进数字盒式磁带录像机(和放像机)600，该视频信息包括每帧720个有效扫描行、每个扫描行1280个像素的亮度(Y)信息，是以16∶9的横纵比摄制图像的摄像机601或另一个源提供的。一个其他源是数字电视接收机前端627，具有机顶盒，并且包括位于DVCR600内的分组排序器。其他源有位于DVCR600之外的数字电视接收机630和个人计算机640。视频输入处理器602处理来自这些源中的所选的一个源的视频信息的逐行扫描帧，以便以4∶2∶0采样格式产生Y、Cr、和Cb信号。视频压缩装置603接收4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号，该信号包括每帧具有720个有效扫描行、每个扫描行具有1280个像素的亮度(Y)信息。这些信号的压缩编码由视频压缩装置603根据与MPEG-2视频压缩编码中只对每个画面组的第一锚帧使用的帧内压缩编码协议相同的协议对每帧按照帧内来进行。除了考虑到不同的屏幕横纵比，特技播放提取电路604大致与图4的特技播放提取电路404相同。音频编码装置608与图4的音频编码装置408的区别是，该音频编码装置608具有从数字电视接收机630接受AC-3音频分组以便选择性地传递到传输流编码器410的能力。
与图5的DVCR400相比，图7的DVCR600的压缩过的视频数据的量增加了，因为每帧的像素数目增加了。所以每帧中的压缩过的高清晰度视频信息可以占据图7的DVCR600中的录像磁带上的20个记录磁迹，而不是只占据图5的DVCR400中的标准清晰度视频信息的分配给每帧的10个磁迹。
来自IEEE1394信号编码器420的IEEE1394标准信号作为输出信号从图7使用的ATV磁带录像机和放像机600提供给个人计算机640和数字视盘录像机和放像机650。图7示出用于通过分组通信链路、例如互连网与另一个计算机(未显式示出)相连的个人计算机630。个人计算机630还可以通过服务器连接到其他类型的终端。数字视盘录像机和放像机650用于将其输出信号提供给用于观看的DTV接收机630。
图7示出的DVCR600包括相连的低功率ATSC数字电视发送机622，用于将ATSC数字电视信号发送到DTV接收机630，以响应从传输流选择器411接收到的传输流。
图8示出另一个视频记录和重现系统，其中根据本发明、使用先进数字电视磁带录像机和放像机700来进行视频压缩，该录像机和放像机700与图7的ATV磁带录像机和放像机600的区别是，进行特技播放的方式不同。在图8的ATV磁带录像机和放像机700中，DCT块被记录到电磁带上的磁迹上，使得每帧的一系列DCT块的零频率和其他低频DCT系数占据同步块的先头部分，以便无需磁带记录的视频记录部分中的特技播放条。在图8的ATV磁带录像机和放像机700中，省略了特技播放数据提取电路606，并且数据帧组装器406被数据帧组装器506取代，该数据帧组装器506从其数据帧组装过程中省略了标识特技播放条的同步块，并且增加了每帧中包含正常播放视频分组信息的同步块的数目。数据帧组装器506对每帧的一系列DCT块的DCT系数的顺序进行混洗，使得直流或零频率DCT系数和其他低频DCT系数占据数据块的先头部分。数据帧拆卸器416被数据帧拆卸器516取代，因为纠错编码数据帧中的视频同步块的数目增加了。
图9示出图7的DVCR600的修改800。在图9的修改的DVCR800中，DTV前端627直至并包括分组排序器被DTV前端827取代，该DTV前端827还包括用于压缩过的视频(可能还有音频)信息的MPEG-2解码器、和用于压缩过的音频信息的AC-3解码器。DVCR800包括操作模式控件809，其用户控制设置控制图9的DVCR，以便根据第一数据帧组装模式、第二数据帧组装模式、第三数据帧组装模式、和第四数据帧组装模式进行操作，在该第一数据帧组装模式中，来自视频压缩装置603和音频编码装置608的压缩过的视频和音频信息被未加编码地记录到传输流中，在该第二数据帧组装模式中，记录由传输流编码器410产生的传输流，在第三数据帧组装模式中，记录由IEEE1394信号解码器428产生的传输流，在第四数据帧组装模式中，来自DTV前端827的压缩过的视频和音频信息被未加编码地记录到传输流中。
图10示出图8的DVCR700的修改900。在图10的修改的DVCR900中，DTV前端827直至分组排序器被DTV前端827取代，该前端827除分组排序器之外还包括MPEG-2解码器。DVCR900还用操作模式控件809取代了操作模式控件409。
在DVCR600和800的变形中，来自拆卸器406的传输流、而不是来自传输流选择器411的传输流被提供给低功率ATSC DTV发送机622作为输入信号。在DVCR700和900的变形中，来自拆卸器406的传输流、而不是来自传输流选择器411的传输流被提供给低功率ATSC DTV发送机622作为输入信号。DVCR600、700、800和900中的任一个中的低功率ATSC DTV发送机622可以看作是提供了一条至DTV接收机430的有线微波链路。它可以被使用电视广播频率上的无线传输的微波链路取代。可以在图3或4的摄录一体机和DVCR600或700的DTV接收机前端627之间建立类似的微波链路。还可以在图3或4的摄录一体机和DVCR800或900的具有MPEG-2和AC-3解码器的DTV接收机前端827之间建立类似的微波链路。在专业装置中，微波传输和接收频率可以位于比电视广播所用的频率更高的频段，并且可以进行发送数据的加扰。
图11更详细地示出了图1摄录一体机中所用的用于压缩视频和产生传输流的电路。类似的电路被用于图3摄录一体机以及图5、7和9的数字磁带录像机400、600和800。图11所示的输入缓冲存储器30、DCT计算电路31、量化器电路32、活动性计算电路33、量化表选择电路34、熵编码器35、复用器36和编码器输出缓冲存储器37是图1的视频压缩装置3的元件。实际上，DCT计算电路31、量化器电路32和活动性计算电路33可以用微处理器来实现。图11的压缩视频信号打包器38与图1的传输流编码器10结合，而图11的压缩视频信号打包器39与图1的数据帧组装器6结合。图11的特技播放输出缓冲存储器40被包括在图1的特技播放数据提取电路4中。图11的压缩视频信号打包器41与图1的数据帧组装器6结合。
包括4∶2∶0采样格式的Y、Cr、和Cb信号的视频输入被加载到输入缓冲存储器30，该缓冲存储器30存储大约多于一帧的样本，并且可以逐个考虑8个亮度像素乘8个亮度像素的图像块。DCT计算电路31计算每个相继考虑的图像块的Y、Cr、和Cb分量的DCT系数，将高阶DCT系数相对于零频率DCT系数进行归一化，并且将计算出的DCT系数以“Z”形扫描的顺序提供给量化电路32。
活动性计算电路33估计图像的活动度。首先，计算每个DCT块的各像素的平均值。然后，决定每个DCT块中的每个像素的值和其平均值之差，并且对该差求平方。对每个块累积平方过的差，通过将所得的总和除以每个块的像素数目来对其进行归一化。累积一帧中的所有DCT块的归一化总和，将该帧的累积结果乘以第一常数值A，所得的积加上第二常数值B以决定该帧的活动性，该活动性与该帧的熵编码的比特数目估计直接有关。
该帧的活动性测量被提供给量化表选择电路34，该量化表选择电路34使用该测量来选择DCT系数的量化值的初始表，并且将该表提供给量化器电路32。量化表选择电路34提供标识DCT系数的量化值表的代码，并且将其提供给量化器电路32。量化器电路32提供的量化过的DCT系数被提供给熵编码器35、有时称为“Huffman(霍夫曼)编码器”，以进行无损编码，该无损编码包括游程长度编码的步骤、和可变长编码的步骤。
复用器36从熵编码器35接收熵编码结果，并且接收由电路34提供给量化器电路32的标识DCT系数的量化值表的代码。每当量化器电路32使用的量化值表有变化时，复用器36将标识下一个要用的表的代码插入到作为输出信号提供的码流中。该插入的代码用作来自熵编码器35的熵编码结果的前缀，然后在复用器36作为输出信号提供的码流中重现该前缀。
先入先出类型的编码器输出缓冲存储器37临时存储复用器36作为其输出信号提供的码流。缓冲存储器37具有视频帧中可接受的码量的一部分(例如1/4)的存储容量，并且当足够多的存储容量已被使用、因而有上溢的危险时，通知量化表选择电路34。响应该通知，量化表选择电路34选择量化电路32要用的量化表，以便减少其比特产生速率。当缓冲存储器37的存储容量在一段时间内使用率很低，则通知量化表选择电路34选择量化器电路32要用的量化表，以便提高其比特产生速率。这减少了缓冲存储器37变空的可能性，从而无需在从缓冲存储器37提供给压缩视频信号打包器38和39的码流中使用空码。
压缩视频信号打包器38将缓冲存储器37提供的码流分析为(184-n)字节的视频分组净荷长度，并且在每个视频分组净荷之前加上相应的视频分组首标。该视频分组首标包括I帧标志码。视频分组被包含在从传输流编码器10提供给数据帧组装器6的传输流中。在数据帧组装器6中，作为2∶5转换过程的一部分，视频分组被插入到被组装以用于记录的每个数据帧的规定的同步块，然后进行二维Reed-Solomon编码。
压缩视频信号打包器39将缓冲存储器37提供的码流分析为77字节的段，以便直接插入到数据帧组装器6内的临时存储器的被组装的数据帧的规定的同步块位置。接着在数据帧组装器6中对77字节的段进行二维Reed-Solomon编码处理。
特技播放输出缓冲中存储器40是随机存取类型的，它临时存储复用器36作为每第16个图像帧的描述而提供的码流中的零频率和低频DCT分量。特技播放输出缓冲存储器40的内容的不同部分在不同的时间被读出到压缩视频信号打包器41，以便形成字节，并且由数据帧组装器6插入到被组装以便记录的每个数据帧的规定的同步块。
图12更详细地示出图2摄录一体机所用的用于压缩视频和产生传输流的电路。类似的电路被用于图4摄录一体机和图6、8和10的数字磁带录像机500、700和900。用于对图12所示的零频率和低频DCT系数进行码流编码的输入缓冲存储器30、DCT计算电路131、量化器电路32、活动性计算电路33、量化表选择电路134、熵编码器35、复用器36、编码器输出缓冲存储器1371，以及用于对图12所示的高频DCT系数进行码流编码的编码器输出缓冲存储器1372是图2的视频压缩装置103的元件。实际上，DCT计算电路131、量化器电路32和活动性计算电路33可以用微处理器来实现。图12的压缩视频信号打包器138与图2的传输流编码器110结合，而图12的压缩视频信号打包器139与图2的数据帧组装器106结合。
传输流编码器110产生的传输流包括视频和音频分组，其特征在于，视频分组是用表示紧跟在同步块首标之后的零频率和低频DCT系数的代码形成的，以方便特技播放。
DCT计算电路131的实现可以提供指示计算结果是低频DCT系数(包括零频率系数)、还是高频DCT系数的ENCODING MODEINDICATION(编码模式指示)。当ENCODING MODE INDICATION指示计算结果是零频率或低频DCT系数时，控制缓冲存储器1371存储计算结果，并且量化表选择电路134控制量化器32使用用于零频率或低频DCT系数的量化表。当ENCODING MODE INDICATION指示计算结果是高频DCT系数时，控制缓冲存储器1372存储计算结果，并且量化表选择电路134控制量化器32使用用于高频DCT系数的量化表。
缓冲存储器1371是用于存储两个并行比特流的先入先出存储器。一个比特流由熵代码、以及与零频率和低频DCT系数有关的的量化表代码构成。另一个比特流由指示计算零频率和低频DCT系数时DCT块之间的断点的标记构成。该标记有助于压缩视频信号打包器138和139将表示零频率和低频DCT系数的代码安排在同步块首标的紧后面的比特范围内。这些比特范围延伸规定的几个区间或更长时间。传输流编码器110中的压缩视频信号打包器138在其打包中为传输流首标和附加时戳留有位置，它们在数据帧组装器110中被分析为同步块之前被包括到传输流中。用于记录未变换到传输流格式的压缩过的射频信号的数据帧组装器106使用的压缩视频信号打包器139进行打包时不留这种位置，也不必留这种位置。当同步块首标之后经过规定区间第一次出现标记时，压缩视频信号打包器138和139都停止对来自缓冲存储器1371的代码进行打包，而开始对来自缓冲存储器1372的代码进行打包。继续对来自缓冲存储器1372的代码进行打包，直至到达同步块的末尾。量化表选择电路134接收来自缓冲存储器1371的第一速率控制信号、和来自缓冲存储器1372的第二速率控制信号，用于控制量化表的选择，以便量化表的选择可以将每个缓冲存储器存储的信息量保持在规定的限度内。
图13示出在图5的DVCR400、或图6的DVCR500的修改中，如何通过向MPEG-2解码器43提供选择性命令源44以将所有的顺序帧、而不只是锚帧作为I帧进行编码，来控制MPEG-2解码器43，以便从功能上取代只产生连续的I帧的视频压缩装置403。图13还在括号中示出，在图7、8、9或10的数字磁带录像机和放像机的修改中，如何通过向MPEG-2解码器63提供选择性命令源64以将所有顺序帧、而不只是锚帧作为I帧进行编码，来控制MPEG-2解码器63，以便从功能上取代只产生I帧的视频压缩装置603。
图14示出的快照装置50适用于图1或2的摄录一体机、或者图5或6的数字磁带录像机和放像机。快照装置50包括：IEEE1394信号解码器51，用于IEEE1394信号编码器20或420提供的IEEE1394标准信号；MPEG-2解码器52，用于对解码器51提供的视频分组进行解码；帧捕获器53，用于NTSC视频帧；以及打印机54，用于产生捕获到的NTSC视频帧的硬拷贝重现。帧捕获器53是从数字视频信号样本的连续流中捕获那些表示单个选择的视频帧的存储器，并且例如使用小的磁盘存储器。只用于I帧的修改的MPEG-2解码器可以被用于快照装置50中。
图15示出的快照装置55适用于图3或4的摄录一体机、或者图7或8的数字磁带录像机和放像机。快照装置55包括：IEEE1394信号解码器56，用于IEEE1394信号编码器20或420提供的IEEE1394标准信号；MPEG-2解码器57，用于对解码器56提供的视频分组进行解码；帧捕获器58，用于ATSC视频帧；以及打印机59，用于产生捕获到的ATSC视频帧的硬拷贝重现。只用于I帧的修改的MPEG-2解码器可以被用于快照装置55中。
图16示出的系统包括数字摄录一体机1000、具有视频和音频编辑软件的计算机1040、以及DVCR400、500、600、700、800和900之一。如果使用DVCR400或500，则数字摄录一体机1000可以是图1或2所示的类型。如果使用DVCR600、700、800和900，则数字摄录一体机1000可以是图3或4所示的类型。数字摄录一体机1000的IEEE1394标准输出信号被提供给计算机1040，该计算机1040的存储容量应该能够存储相当长序列的帧。
在将视频和音频数据分离到分离的存储器之后，通常首先进行视频编辑。在完成视频编辑之后，可进行音频编辑。这避免了编辑在不适当的时间、例如在会谈的句子中间中断音频信号。在视频编辑的过程中，计算机1040中的软件存储删除的视频素材的时戳信息，所以编辑者将知道在推后的音频编辑过程中哪个视频分组需要被评价。
计算机1040可以通过摄录一体机1000附加的装置接收附加的素材以用于编辑。例如，可以进行配置，使得计算机1040能够加性地混合背景音乐或话音、以及从摄像机产生数字视频时记录的压缩过的音频信号进行解码得到的音频。计算机1040的键盘输入可以用于将标题插入到压缩过的视频中。计算机图形包可以用于改善添加标题。可以进行配置以对压缩过的视频进行解码，从而对计算机1040中的解码过的视频进行特技操作，并且压缩处理过的视频。这些配置可进行跳跃剪切(jump cuts)之外的视频编辑、例如黑色渐淡、涂抹和彩虹效果。然后，计算机1040将最终编辑过的信息放入到IEEE1394标准信号格式，以提供给DVCR400、500、600、700、800或900的IEEE1394信号输入端，该DVCR将最终编辑过的信息记录到视盘上。
通过上面的描述和附图，本领域的技术人员将能够很容易地构造与本发明的具体描述过的实施方案等价的其他实施方案；所附的权利要求的范围应该包括明显的设计变形。例如，在用其分量部分来组装传输流之前，至少可以部分地进行传输流的分量的纠错编码。又例如，在将传输流拆卸为其分量部分之后，至少可以部分地进行传输流的分量的纠错解码。又例如，用于在光媒体上进行记录的其他装置、例如密致盘录像机和放像机可以取代数字视盘录像机和放像机。在所附权利要求中，术语“MPEG-2解码器”用于表示整个MPEG-2解码器，能够既解码I帧、又解码P和B帧，并且用于表示只解码I帧的这种解码器的修改。

Claims (39)

1、一种发送压缩过的视频信息的方法，包括以下步骤：
以4∶2∶0采样格式产生视频信息的一系列隔行光栅扫描帧，作为亮度信号和第一、第二色差信号；
根据MPEG-2标准对视频信息的每个隔行光栅扫描的连续帧进行帧内压缩编码，从而产生传输流的各分量，该MPEG-2标准传统上只用于对视频信息的所述连续帧中的所选的帧进行帧内压缩。
2、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
根据MPEG-2标准，向所述传输流中插入标识帧内压缩编码过的视频信息的每个所述连续帧的代码。
3、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
将所述传输流记录到磁记录媒体上。
4、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
从视频信息的每帧中提取特技播放信息，以插入到所述传输流中；以及
在磁记录媒体上记录所述传输流和插入到其中的所述特技播放信息。
5、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
将零频率和低频DCT信息安排在所述传输流的同步块的开头；以及
在磁记录媒体上记录如上安排过的所述传输流。
6、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
将所述传输流记录到光盘媒体上。
7、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过微波链路发送所述传输流。
8、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过分组通信链路将所述传输流从一个计算机发送到另一个计算机。
9、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
使用计算机编辑所述传输流。
10、一种发送压缩过的视频信息的方法，包括以下步骤：
以4∶2∶0采样格式产生视频信息的一系列逐行扫描帧，作为亮度信号和第一、第二色差信号；
根据MPEG-2标准对视频信息的每个逐行扫描的连续帧进行帧内压缩编码，从而产生传输流的各分量，该MPEG-2标准传统上只用于对视频信息的所述连续帧中的所选的帧进行帧内压缩。
11、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
根据MPEG-2标准，向所述传输流中插入标识帧内压缩编码过的视频信息的每个所述连续帧的代码。
12、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
将所述传输流记录到磁记录媒体上。
13、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
从视频信息的每帧中提取特技播放信息，以插入到所述传输流中；以及
在磁记录媒体上记录所述传输流和插入到其中的所述特技播放信息。
14、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
将零频率和低频DCT信息安排在所述传输流的同步块的开头；以及
在磁记录媒体上记录如上安排过的所述传输流。
15、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
将所述传输流记录到光盘媒体上。
16、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
通过微波链路发送所述传输流。
17、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
通过分组通信链路将所述传输流从一个计算机发送到另一个计算机。
18、如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
使用计算机编辑所述传输流。
19、一种视频压缩系统，包括：
表示视频信息的连续场的亮度信号和第一、第二色差信号源；
输入处理器，用于将所述亮度信号和所述第一、第二色差信号转换为具有4∶2∶0采样格式的视频信息帧；以及
视频压缩装置，用于对具有4∶2∶0采样格式的视频信息的每个连续帧进行帧内压缩编码，所述帧内压缩编码使用视频信息的每帧中的像素块的离散余弦变换和根据用于对所选的视频帧进行帧内压缩编码的MPEG-2标准对每个连续的变换过的帧进行的压缩编码来进行，所述帧内压缩编码包括帧内压缩编码过的每个连续帧的标识、所述视频压缩装置作为压缩过的视频数据流提供的帧内编码的结果。
20、如权利要求19所述的视频压缩系统，与以下装置组合：
MPEG-2解码器，用于对压缩过的视频数据的所述流进行解码。
21、如权利要求19所述的视频压缩系统，与以下装置组合：
MPEG-2解码器，用于对压缩过的视频数据的所述流进行解码；以及
电视显示装置，用于显示电视图像以响应所述MPEG-2解码器的解码结果。
22、如权利要求21所述的组合，其中表示视频信息的连续场的亮度信号和色差信号的所述源是摄像机，并且其中所述电视显示装置用作摄像机取景器。
23、如权利要求22所述的组合，还包括：
解码结果存储器，用于临时存储所述MPEG-2解码器的所述解码结果；以及
打印机，用于打印从所述解码结果存储器读入到所述打印机的所选的帧。
24、如权利要求21所述的组合，还包括：
解码结果存储器，用于临时存储所述MPEG-2解码器的所述解码结果；以及
打印机，用于打印从所述解码结果存储器读入到所述打印机的所选的帧。
25、如权利要求19所述的视频压缩系统，它被包括在用于将所述压缩过的视频信息以磁带记录媒体的磁化变化进行记录的视频记录系统中，所述视频记录系统还包括：
电磁带记录装置，具有用于所述磁带记录媒体的走带机构，具有安装在用于螺旋扫描走带到此的所述磁带记录媒体的磁头鼓上的磁头，并且具有用于变压器耦合发往或来自所述磁头的信号的旋转变压器；
调制器，用于产生调制结果以响应调制信号，该调制信号基本上没有直流分量，以便在记录所述压缩过的视频信息的过程中、通过所述旋转变压器变压器耦合到所述磁头；
传输流组装器，用于通过对压缩过的视频数据的所述流和其他数据进行时分复用，来组装传输流；以及
纠错编码器，用于前向纠错编码所述数据传输流，以产生作为所述调制信号提供给所述调制器的纠错编码结果。
26、如权利要求25所述的视频记录系统，其中所述调制器是用于产生I-NRZI调制的24/25调制器。
27、如权利要求25所述的视频记录系统，其中所述纠错编码器对所述传输流进行Reed-Solomon前向纠错编码，以产生所述纠错编码结果。
28、如权利要求25所述的视频记录系统，它被包括在用于记录和重现视频信息的系统中，该用于记录和重现视频信息的系统还包括：
解调器，用于对重现的调制结果进行解调，该重现的调制结果是在回放以前记录到所述磁带记录媒体上的压缩过的视频信息的过程中、通过所述旋转变压器从所述磁头耦合到该解调器的，所述解调器在该过程中提供重现所述调制信号的解调结果；
纠错解码器，用于对所述解调结果进行纠错解码，以重现所述数据传输流；
传输流拆卸器，用于通过对所述压缩过的视频数据和所述其他数据进行时分分用(de-multiplex)，来拆卸所述数据传输流，以重现压缩过的视频数据的所述流；
MPEG-2解码器，用于对压缩过的视频数据的重现的流进行解码；以及
电视显示装置，用于显示电视图像，以响应所述MPEG-2解码器的解码结果。
29、如权利要求28所述的视频记录系统，其中所述调制器是用于产生I-NRZI调制的24/25调制器。
30、如权利要求29所述的视频记录系统，其中所述纠错编码器对所述数据传输流进行Reed-Solomon前向纠错编码，以产生所述纠错编码结果，并且其中所述纠错解码器对所述解调结果中的重现的Reed-Solomon纠错编码结果进行解码，以重现所述数据传输流。
31、如权利要求25所述的视频记录系统，还包括：
解调器，用于对重现的调制结果进行解调，该调制结果是在回放以前记录到所述磁带记录媒体上的压缩过的视频信息的过程中、通过所述旋转变压器从所述磁头耦合到该解调器的，所述解调器在该过程中提供重现所述调制信号的解调结果；
纠错解码器，用于对所述解调结果进行纠错解码，以重现所述数据传输流；
传输流拆卸器，用于通过对所述压缩过的视频数据和所述其他数据进行时分分用，来拆卸所述数据传输流，以重现压缩过的视频数据的所述流；
MPEG-2解码器，用于对压缩过的视频数据的重现的流进行解码；
电视显示装置，用于显示电视图像，以响应所述MPEG-2解码器的解码结果；
解码结果存储器，用于临时存储所述MPEG-2解码器的所述解码结果；以及
打印机，用于打印从所述解码结果存储器读入到所述打印机的所选的帧。
32、如权利要求31所述的视频记录系统，其中所述调制器是用于产生I-NRZI调制的24/25调制器。
33、如权利要求32所述的视频记录系统，其中所述纠错编码器对所述数据传输流进行Reed-Solomon前向纠错编码，以产生所述纠错编码结果，并且其中所述纠错解码器对所述解调结果中的重现的Reed-Solomon纠错编码结果进行解码，以重现所述数据传输流。
34、如权利要求19所述的视频压缩系统，还包括：
微波发送机，用于发送所述帧内压缩的所述结果。
35、如权利要求34所述的视频压缩系统，与以下装置组合：
微波接收机，用于接收所述微波发送机发送的所述帧内压缩的所述结果；以及
数字磁带录像机，用于记录所述微波接收机接收到的所述帧内压缩的所述结果。
36、如权利要求19所述的视频压缩系统，与以下装置组合：
计算机，用于编辑所述帧内压缩的结果；以及
用于将编辑过的所述帧内压缩的结果存储到存储媒体中。
37、一种视频重现装置，用于重现在使用与MPEG-2视频压缩器所用的编码对应的帧内压缩编码进行编码之后、记录到记录媒体上的视频信息，所述视频重现装置包括：
回放装置，用于重现调制过的电信号，以响应记录到该记录媒体的变化；
解调器，用于重现用于产生所述调制过的电信号的调制信号；
纠错解码器，用于对所述解调结果进行纠错解码，以重现数据传输流；
传输流拆卸器，用于通过对所述压缩过的视频数据和其他数据进行时分分用，来拆卸所述数据传输流，以重现压缩过的视频数据流；以及
MPEG-2解码器，用于对压缩过的视频数据的重现的流进行帧内压缩解码，以便将视频信息的一系列连续帧恢复为解压缩过的形式。
38、如权利要求37所述的视频重现装置，其中所述回放装置包括电磁带回放装置，用于重现调制过的电信号，以响应磁带记录媒体的磁化的变化。
39、如权利要求37所述的视频重现装置，其中所述回放装置包括光盘回放装置，用于重现调制过的电信号，以响应光盘记录媒体表面上的变化。
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