CN1463441A - Mp3的特技播放 - Google Patents
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Abstract
对原始数据流例如是MP3数据流执行特技播放和/或编辑。MP3数据流包括彼此交替的字头(20a－20d)和信号数据(24a，24b，24c)。每个字头规定了与下一字头的距离，每个字头对应着信号数据的一帧，和字头相联系的一个指针(21a，21b，21c，21d)指向与该字头有关的那一帧信号数据的起始点。在执行特技播放之前将原始数据流变换成与原始数据流相同类型的一个中间数据流。在变换过程中将帧的起点移动到相对于有关字头的预定位置，并且修改这些字头，在这些字头之间产生额外的空间，将这些帧安置在字头之间。
Description
发明领域
本发明涉及为压缩信息特别是音频压缩信息的特技播放(例如是快进)和/或编辑提供便利。
背景技术
MPEG-1和MPEG-2层III(MP3)格式(ISO/IEC 11172-3和ISO/IEC13818-3)被普遍用来代表压缩的音频信息。压缩降低音频信息的比特率：代表音频信息的一个时间间隔所需的位数。一般来说，MP3格式根据所需的比特率支持各种降低的速率。
MP3音频信息是在包含按特定间隔的字头的数据流中传送的。每个字头和用来以压缩形式描述预定数量音频数据采样的一帧相联系。字头指示这一帧中数据的有关信息，例如是这一帧中数据的采样频率和比特率。
连续字头之间的间隔是字头中信息的预定函数。让MP3兼容解码器能够用根据在前字头确定的字头距离找到各个字头。
然而，代表一帧所需的实际位数与字头之间间隔内的有效空间会有偏差。这是因为用MP3对音频信息编码所需的信息量对各帧是可以改变的。
为了应付这些偏差，MP3允许各帧相对于字头按可变的偏移开始。这样，前面的帧在字头之间留下的空间就可供后续帧的数据使用。MP3具有与各个字头相联系的指针。用指针指示与字头相联系的一帧数据相对于字头位置的起点。这样，一帧的数据流就在能超前相应字头在前一帧留下的空间内的一个可变位置上开始。此外，指针可以是零，让数据紧接着这一帧开始。这样，数据相对于字头位置的起始位置就取决于按数据流编码的音频内容。
为了对这些帧解码，MP3解码器在一个缓冲存储器中按照最小预定量存储字头之前的数据(512字节，不包括字头和先前各帧的附属信息)，以便解码器一旦接收到指针就能按入这一帧数据。
业已发现，在对应的帧字头和后续字头之间的区域外侧存在帧数据会妨碍在MP3中执行诸如特技播放和/或编辑等功能的有效实施。以快进功能为例，可能希望跳过几帧而仅仅存储选择的成对字头之间的数据。然而，这样对解码是不够的，因为选定字头的指针可能会回指向尚未存储的数据。同样，为了在编辑过程中插入数据，如果不装载该字头之前的数据，就不能直接从任意字头开始。
因而就需要用相对复杂的解码器来支持特技播放和/或编辑。极端情况下可能需要在执行这些功能之前对数据解压缩并且再次压缩数据，在复杂性和质量上有许多不足。
发明概述
总而言之，本发明的目的是用简单的措施提供特技播放和/或编辑。
本发明提供了一种信号处理装置，用来处理流水式的数据流，数据流包括彼此交替的字头和信号数据，每个字头规定了与下一字头的距离，每个字头对应着信号数据的一帧，和字头相联系的一个指针指向与该字头有关的那一帧信号数据的起始点，该装置包括
-用来接收上述流水式原始数据流的输入；
-用来处理上述流水式中间数据流的特技播放和/或编辑单元；
-处在输入与特技播放和/或编辑单元之间的数据流变换器，数据流变换器将原始数据流变换成中间数据流，数据流变换器相对于有关的字头将这些帧的起始点移动到预定的位置，并且修改字头在字头之间产生额外的空间，以便将这些帧安置在字头之间。
这样就能产生一个能够用标准的解码器(在MP3数据流的情况下是一个MP3解码器)解压缩的中间数据流，并且能够执行特技播放和/或编辑，不需要来自由其他帧决定的位置上的一帧数据。数据最好是紧接在字头后面。这样就能对这一帧执行特技播放，无需存储字头之前的数据。
在一个实施例中是通过修改字头中规定的比特率来修改字头，不改变这一帧数据的实际比特率。在MP3数据流中，这种修改能以最小的处理复杂性在字头之间产生所需的空间。在第一实施例中将字头中用于所有帧的比特率设置在可能的最高比特率(对MP3是320kbit/sec)。这样要求的处理复杂性最小。在第二实施例中是使字头中的比特率取决于一帧的信号数据量，并使其达到在字头中能够设置的最小可能值，且足以产生足够的空间来存储字头之间的一帧数据。
以下要按照附图详细解释按照本发明实施例的装置和方法的上述及其他方面的目的和优点，在附图中
图1表示一种MP3解码系统；
图2表示MP3数据流；
图3表示一种具有特技播放便利的MP3解码系统；
图4表示另一种MP3数据流；
图5表示MP3帧程序流中的结合；以及
图6表示另一种具有特技播放便利的MP3解码系统。
图1表示现有技术的MP3解码系统。本发明采用MPEG-1层III为例来描述。然而，同样的原理也适用于MPEG-2层III，仅有一些常数具有不同值。该系统包含的MP3源10向数据流解码器16提供信号。MP3源10例如是包含用来存储MP3数据的存储媒体(未示出)和从存储单元中读出数据的读出单元(未示出)，另一例MP3源10包含与通信信道(例如是Internet或无线电广播)的接口和用来输出接收的MP3数据流的一个输出。
数据流解码器16含一个缓冲存储器160，其输入耦合到MP3源10，一个字头检测器162和一个帧解码器164。字头检测器的输入耦合到缓冲存储器160。帧解码器164的输入耦合到字头检测器162和缓冲存储器160，还有一个解码的音频输出。
图2表示一例MP3数据流。数据流包含许多字头20a-d，字头后面的回指针21a-d指向帧的起点24a-c。用从数据流中存储回指针21a-d的位置处回指向回指针21a-d所指的起点24a-c的箭头22a-d表示回指针21a-d。
每个字头20a-d对应着一帧压缩的音频数据。字头20a-d后面的回指针21a-d指示数据在该帧中起点22a-d。回指针21a-d可以是零，在这种情况下起点22a-c直接跟在回指针21a-d后面。
MP3字头的格式如表I中所示。
| 场 | 位数 |
| 同步字 | 12 |
| ID | 1 |
| 层 | 2 |
| 保护位 | 1 |
| 比特率指数 | 4 |
| 采样频率 | 2 |
| 填充位 | 1 |
| 专用位 | 1 |
| 模式 | 2 |
| 模式扩展 | 2 |
| 版权 | 1 |
| 原始/复制 | 1 |
| 加重 | 2 |
表I MP3字头的格式
“同步字”是一种规定的位图，便于在数据流中识别字头20a-d。ID，层，专用位，模式，模式扩展，版权，原始/复制和加重场是MP3所规定的，与本发明无关。保护位指示在字头后面有没有一个16位CRC字(Cyclic Redundancy Check；由一个CRC16多项式确定)。在选择的CRC字后面是九位数的回指针21a-d(也被称作“main_data_begin”)，它指示各帧24a-c的起始字节从回指针21a-d(不算字头字节，CRC字和附属信息)的位置退回多少(8位)字节。
字头的比特率指数场包含可能比特率的表的入口指针。在表Ia中表示了有效比特率和对应的比特率指数
| 比特率指数 | 比特率(kbit/s) |
| ‘0000’ | 随意 |
| ‘0001’ | 32 |
| ‘0010’ | 40 |
| ‘0011’ | 48 |
| ‘0100’ | 56 |
| ‘0101’ | 64 |
| ‘0110’ | 80 |
| ‘0111’ | 96 |
| ‘1000’ | 112 |
| ‘1001’ | 128 |
| ‘1010’ | 160 |
| ‘1011’ | 192 |
| ‘1100’ | 224 |
| ‘1101’ | 256 |
| ‘1110’ | 320 |
| ‘1111’ | 禁用 |
表Ia，比特率指数值和对应的比特率
采样频率场指示数据采用的采样频率。表Ib中表示了有效采样频率
| 采样频率 | 规定的频率(kHz) |
| ‘00’ | 44.1 |
| ‘01’ | 48 |
| ‘10’ | 32 |
| ‘11’ | 保留 |
表Ib，采样频率代码和对应的采样频率
比特率和采样频率以及填充位共同确定了从该字头起点到下一字头起点的距离N。从理论上说，每一帧是按照固定数量的1152PCM采样编码的。采样频率决定按这一数量的采样编码的时间间隔的持续时间。比特率决定了按这样的持续时间为一个时间间隔编码平均需要有多少位。字头之间的距离对应着这一位数，四舍五入进位提供整数字节(8位为单位)。按(8位为单位的)字节的距离是由R值确定的，其中
R＝144*bit_rate/samping_frequency。
(数字144是由每帧1152PCM采样除以数字8也就是每字节的位数获得的)。如果R是整数，字头之间的距离就是R。如果R不是整数，某些字头对之间的距离就是N(比R小1的整数)，而其他字头对之间是N+1。用填充位指示采用这两个距离中的哪一个。
在操作中，MP3源10产生如图2所示的MP3数据流。来自这一数据流的信息被存储在数据流解码器16的缓冲存储器160中。字头检测器162最初将一个字头定位在数据流的起点或是检测字头的同步字。接着，字头检测器162每次用当前的一个字头根据比特率指数场，采样频率场和填充位计算其在数据流中距下一字头的距离。字头检测器162根据这一距离计算下一字头在缓冲存储器160中存储位置的地址，并且依次读出下一个字头。字头检测器162检查在计算的位置上是否存有有效的同步字。如果没有就说明有误差，而字头检测器必须处理这一误差状态，在开始解码之前确定字头的位置。
字头检测器162将存储该字头位置的地址传送给帧解码器164。帧解码器164用这一地址确定与该字头相联系的回指针的存储地址，提取回指针并且用这一回指针计算与该字头相联系的那一帧的起点所存储的地址。帧解码器164用这一地址从该帧中提取数据，由此对音频信号解码。
图3表示按照本发明一个实施例的MP3音频解码系统。除了MP3源10和MP3数据流解码器16之外，该系统还包含串联插入到源10和解码器16之间的一个变换器12和一个特技播放和/或编辑单元14。
在操作中，特技播放和/或编辑单元14从变换器12接收中间MP3数据流并且形成一“特技”MP3数据流由MP3数据流解码器16解码。特技播放和/或编辑单元14接入中间数据流内选定的帧，用这些选定帧的内容形成特技MP3数据流中的帧。特技播放的一个例子是从中间数据流中跳过选定的帧，用音频监视器功能获得快进模式。另一个例子是反复接入某些帧，每次形成特技数据流中的下一连续帧，从而实现慢进模式。
变换器12将来自MP3源10的原始MP3数据流变换成中间MP3数据流。变换器12在变换中使特技播放和/或编辑单元14能够只需接入中间数据流中相对于选定一帧的字头预定的有限部分就能接入这一帧。最好是只需接入选定一帧的字头后面的那部分数据流。
变换器12包含一缓冲存储器120和一个微型控制器122。微型控制器122的输入耦合到缓冲存储器120，而输出耦合到特技播放单元14。特技播放单元的输出被耦合到数据流解码器16的输入。
在操作中，变换器12将MP3数据流变换成中间MP3数据流，其中在连续字头之间的距离被增大了，并且帧数据已被移动使得回指针为零。来自数据流源10的数据被写入缓冲存储器120中的位置，而微型控制器122用新产生的字头信息和由缓冲存储器120复制的信息产生中间数据流。
图4表示由变换器12输出的MP3数据流。这一数据流包含字头40a-d，后面是指向各帧起点的回指针41a-d，而各帧全都紧接在相联系的回指针41a-d之后。一帧信号数据后面是填充位46a-d。表II表示在变换器12的微型控制器122中用来描述产生图4的数据流的程序操作的伪代码。所表示的这种代码仅仅是示意性的：实际的代码在许多细节上都有所不同。
1 WriteNewHeader(HIn)
2 WriteBackPointer(0)
3 F＝Hin-Buffer[Hin+Offset]
4 N＝CopyFrame(F)
5 Stuff(NewDistance-N)
6 Hin＝FindHeader(Hin)
7 Repeat from 1
表II 变换器12操作的伪代码
在表II中，指针Hin指向缓冲存储器120中存储着来自MP3源10的原始数据流中的当前字头的那一位置。指针F指向缓冲存储器122中存储着与当前字头相联系的那一帧中第一位的那一位置。F是在Hin所指的位置后面经过Offset值给定的一个偏移之后的位置减去缓冲存储器120的内容而确定的(为了获得字头的空间，需要校正实际的F)。
在伪程序的第一步，在第一步(1)向中间数据流写入一个新字头。在新字头中已经相对于原始数据流的字头修改了比特率指数场。最好将比特率设置在每秒320Kilobit的最大可能值。中间数据流的字头中的填充位可以根据数据的需要来设置，或是可以在顺序的字头中采用设置和清除填充位的某种图形。除比特率和填充位外的其他场可以基本上从原始数据流的字头复制到中间数据流的字头中。
在步2，在字头后面，对中间数据流写入一个零值的回指针。
在第三步(3)，根据来自原始数据流的存储数据中与当前字头有一偏移的9-位回指针确定原始数据流中起始帧数据在缓冲存储器120中的位置F。在第四步(3)将这一帧数据复制到中间数据流中。第四步退回复制的数据量N。在第五步向中间数据流输出填充信息。填充量在各帧之间的新距离之间形成差别，它遵循在新字头中设置的参数，以及已经复制的帧数据量N。
在第六步(6)计算来自原始数据流的下一字头在缓冲存储器120中存储位置的地址。这一地址遵循(Hin所指的)当前字头的内容。将指针Hin的值更新成新计算的位置。接着从第一步起重复伪代码。
这样就形成一中间数据流，其中的帧数据始终遵循对应着该数据的字头。从中可以看出，实际实施在许多细节上可能与表II中不同，但没有脱离本发明。例如可以将中间数据流中字头的比特率设置为最大可能的比特率值(来自表Ia)，致使顺序字头之间的间隔大到足够容纳一帧数据(代替最大可能的比特率值)。这样能节省存储或发送中间比特流的空间。
在另一例子中，可以为字头和帧数据保留单独的存储器区，数据流中下一字头位置的计算值被用来保证该字头没有被存储在帧数据的区内。一旦来自原始数据流的数据被写入预定数量的位置，可以从存储器120中的起点位置循环重复利用缓冲存储器。
最好由微控制器122在为中间数据流新产生的字头中设置保护位，在变换器12的下游不执行CRC检查。然而，必要时可以设置允许CRC检查的保护位。在这种情况下，微型控制器122由中间数据流的数据计算一个新CRC值并且将这一新CRC值置入中间数据流。
在实际应用中可以将MP3数据流的数据帧纳入一个程序数据流或传送数据流。图5表示将MP3数据流的数据帧(也叫作MP3基本数据流)ES纳入一个程序数据流PS的例子。MP3基本数据流ES对应着图2所示的数据流。与音频数据帧不同，程序数据流PS还可以包含静止影像，视频，原文歌词或其他附加信息。为了简单起见，图5中的程序数据流PS仅仅包括MP3基本数据流ES的各帧。程序数据流的基本单位是例如2k字节的扇区。程序数据流PS的第一扇区包括例如是32字节的扇区字头H和例如2016字节的有效负载。有效负载包括MP3基本数据流ES的许多数据帧F1…F5。一个MP3帧(在128kbps上)有417或418字节长度。这意味着有效负载可包括2016/418＝482帧。因此，帧F5的一部分被包括在下一扇区内。对于其他比特率，一个扇区内的帧数可能不同。
每个扇区字头可包括有关扇区类型的信息(音频，静止影像，视频或原文歌词)。这种情况下的程序数据流扇区包括MP3音频信息，扇区字头H包括被纳入该扇区的第一MP3帧的时标。
图6表示一种具备适合用来处理程序数据流的特技播放功能的MP3解码系统。该解码系统包括为多路分解器11提供信号的程序数据流源100。用多路分解器从程序数据流PS中读出音频信息。多路分解器11还用来检索程序数据流内部的MP3时标。多路分解器能够在扇区边界上跳跃。
在正常播放中，由多路分解器获得并被供给解码器的MP3数据流如上所述在变换器中变换。在收到特技播放指令(例如是快进或快退)时，应该使当前一帧完成，即应该从缓冲存储器120中读出所有数据。然后用多路分解器11跳跃到程序数据流PS中向前或向后M毫秒的一个扇区。为了跳跃可以利用扇区字头中的时标。这样就能从时间上倒退一或多个扇区的位置读出，在当前扇区中没有这一数据的情况下找到第一MP3帧的主要数据。然后检索该扇区中的第一帧字头，并且在变换器12中将相应的帧变换成中间数据流中的一帧。对帧数N(包括第一帧)解码并且回放。最好是将所有这些帧变换到中间数据流中。快(进或退)播放速度大约比正常播放时快M/(N*毫秒单位的帧长度)倍。对于用44.1kHz采样频率设置的编码器，帧长度是26.12ms。
应该注意到上述实施例是为了解释而并非限制本发明，本领域的技术人员无需脱离权利要求书的范围就能设计出许多变更实施例。在权利要求书中，被置于圆括号之间的任何符号都不应构成对权利要求的限制。所说的“包括”并不排除权利要求中列举之外的其他元件或步骤的存在。本发明可以利用包括若干独立元件的硬件来实现，也可以用适当编程的计算机来实现。在产品权利要求中列举了若干种装置，其中某些装置可以用硬件来体现。在彼此不同的从属权利要求中仅仅叙述了某些措施，并不能说明这些措施的组合没有好处。
Claims (16)
1.一种信号处理装置，用来处理流水式的数据流，数据流包括彼此交替的字头和信号数据，每个字头规定了与下一字头的距离，每个字头对应着信号数据的一帧，和字头相联系的一个指针指向与该字头有关的那一帧信号数据的起始点，该装置包括
-用来接收上述流式原始数据流的输入；
-接在输入后面的一个数据流变换器，数据流变换器将原始数据流变换成上述流式的一个中间数据流，数据流变换器相对于有关的字头将这些帧的起始点移动到预定的位置，并且修改字头在字头之间产生额外的空间，以便将这些帧安置在字头之间。
2.按照权利要求1的信号处理装置，其特征是包括
-耦合到数据流变换器的输出，用来处理中间数据流的特技播放和/或编辑单元。
3.按照权利要求1的信号处理装置，其特征是上述预定位置在字头后面，在字头与中间数据流中的上述预定位置之间没有和前一帧有联系的数据。
4.按照权利要求1的信号处理装置，其特征是用数据流变换器修改字头，比较着原始数据流的字头中规定的比特率来调节中间数据流的字头中规定的比特率，不修改信号数据的实际比特率。
5.按照权利要求4的信号处理装置，其特征是用数据流变换器将中间数据流的字头中规定的比特率修改成可能设置的最大比特率值。
6.按照权利要求4的信号处理装置，其特征是用数据流变换器将中间数据流的字头中规定的比特率修改成与信号数据有关的比特率，各个字头各自的比特率被修改成可能设置的最小比特率值，该值大于与该字头相联系的一帧的实际比特率。
7.按照权利要求1的信号处理装置，其特征是上述流水式是一种MP3型数据流。
8.按照权利要求1的信号处理装置，其特征是将数据流纳入程序数据流，给定的一个程序数据流包括多个扇区，每个扇区包括一个扇区字头和多个数据帧，其特征是
该装置进一步包括在给定的程序数据流中跳跃到前、后多个扇区位置的装置(11)；从与该位置相联系的当前扇区中读出数据帧；并且将当前扇区的数据帧提供给数据流变换器。
9.按照权利要求8的信号处理装置，其特征是从时间上前进多个扇区或倒退一或多个扇区的位置读出，能够在当前扇区中没有这一数据的情况下找到当前扇区中第一数据帧的主要数据。
10.一种对来自流式原始数据流的信号数据执行特技播放和/或编辑的方法，数据流包括彼此交替的字头和信号数据，每个字头规定了与下一字头的距离，每个字头对应着信号数据的一帧，和字头相联系的一个指针指向与该字头有关的那一帧信号数据的起始点，该方法包括
-将原始数据流变换成和原始数据流相同类型的一个中间数据流，上述变换包括相对于有关的字头将这些帧的起始点移动到预定的位置，并且修改字头在字头之间产生额外的空间，以便将这些帧安置在字头之间；
-对中间数据流执行特技播放和/或编辑。
11.按照权利要求10的方法，其特征是修改字头，比较着原始数据流的字头中规定的比特率来调节中间数据流的字头中规定的比特率，不修改信号数据的实际比特率。
12.按照权利要求11的方法，其特征是将中间数据流的字头中规定的比特率修改成可能设置的最大比特率值。
13.按照权利要求12的方法，其特征是将中间数据流的字头中规定的比特率修改成与信号数据有关的比特率，各个字头各自的比特率被修改成可能设置的最小比特率值，该值大于与该字头相联系的一帧的实际比特率。
14.按照权利要求10的方法，其特征是上述流式是一种MP3型数据流。
15.按照权利要求10的方法，其特征是将数据流纳入程序数据流，给定的一个程序数据流包括多个扇区，每个扇区包括一个扇区字头和多个数据帧，该方法进一步包括：
在给定的程序数据流中跳跃到前、后多个扇区的位置；
从与该位置相联系的当前扇区中读出数据帧；并且
将该扇区中的数据帧变换成中间数据流。
16.按照权利要求15的方法，其特征是从时间上前进多个扇区或倒退一或多个扇区的位置读出，能够在当前扇区中没有这一数据的情况下找到当前扇区中第一数据帧的主要数据。
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