CN1507273A - 高清晰度视频节目存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高清晰度视频节目存储方法。其视频数据存储包括如下步骤：A.采用MPEG－4对数据包压缩编码，生成MPEG－4基本视频流；B.采用MPEG－2私有数据封装格式对上述MPEG－4基本视频流封装打包，生成打包基本流PES；C.对上述PES进行节目流PS数据格式封装；D.上述PS数据通过DVD逻辑数据转换后，存储在DVD盘上。所述MPEG－2私有数据封装格式选择stream_id字段值为10111101和/或10111111。本发明不修改现有的DVD系统结构，完全兼容现有的采用MPEG－2压缩技术的DVD系统，实施简单、生产成本低且兼容性好。

Description

高清晰度视频节目存储方法

技术领域

本发明涉及一种高清晰度视频节目存储方法，特别涉及一种把高分辨率、高清晰度视频节目存储在现有的DVD光盘上的方法。

背景技术

目前，用于播放视频的DVD(Digital Versatile Disc，数字多功能光盘)技术只能达到标准清晰度质量，其分辨率只能是720×576或720×480或更小。为了适应高清晰度数字电视的发展和需求，于是希望把高分辨率(例如1280×720)、高清晰度的视频存储在现有普通DVD盘，即以单面单层、采用红光波长(635纳米或650纳米)的激光技术为核心的，从而实现在DVD上播放高清晰度视频。

目前，采用红光波长的激光、单面单层的DVD盘，其容量只有4.7GB(GByte，吉字节)。对于存储视频节目的DVD技术而言，现在是采用MPEG-2(Motion Picture Expert Group，运动图像专家组)压缩技术，其压缩倍数最多只能达到30倍，采用这种技术后，这样一张普通的DVD盘的视频分辨率格式最高只能达到720×576。

在上述的现有技术条件下，对高清晰视频(例如分辨率为1280×720格式，YUV之比为4∶2∶0，帧率为30帧/秒，8比特/像素)则其最小码率为10.55兆比特/秒，若视频持续时间为2小时，则总的容量为9.27GB，因此加上音频和其他数据，至少需要10GB的存储空间。

国际标准MPEG-4是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4更适于交互AV服务以及远程监控，它的设计目标使其具有更广的适应性和可扩展性；MPEG-4传输速率在4800-6400bps之间，分辨率为176×144，可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像质量。

在实际使用MPEG技术中，现在的MPEG-4可以在编码中提供最高的效率，这可以将整部视频电影以完全PAL或者NTSC的分辨率与立体声(16位，48kHz)存储在单个CD-ROM上。具体而言：700MB的容量对多数110分钟的非高清晰电影来说绰绰有余了。另一方面，MPEG-2格式的电影在相同的分辨率下需要约11倍以上的储存空间(8GB的DVD)。当MPEG-2的数据率加倍至接近真正的特性时，MPEG-4可以在声频与视频流上在广泛的领域上升级。当视频在5Kbit/s与10Mbit/s之间变化时，声频信号可以在2Kbit/s与24Kbit/s之间进行处理。由于这种可升级性，声频与视频数据可以经专门调整适应真正的环境。

现有DVD规范中的存储格式已经是成熟的行业标准，如果对其修改，相应的硬件设备也要做改进，这样使得整个生产成本过高，且兼容性不好。另一方面，现有的MPEG-2的节目流结构预留了某些字段，这些字段为我们实现MPEG-4视频数据的存储提供可能，这样能完全兼容现有的采用MPEG-2压缩技术的DVD系统。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是：在最小限度地更改现有DVD标准存储格式而又保持高兼容性的前提下，在DVD盘上存储高清晰视频节目。

本发明的技术方案如下：

一种高清晰度视频节目存储方法，其视频数据存储包括如下步骤：A.采用MPEG-4对数据包压缩编码，生成MPEG-4基本视频流；B.采用MPEG-2私有数据封装格式对上述MPEG-4基本视频流封装打包，生成打包基本流PES；C.对上述PES进行节目流PS数据格式封装；D.上述PS数据通过DVD逻辑数据转换后，存储在DVD盘上。

所述MPEG-2私有数据封装格式选择stream_id字段值为10111101和/或10111111。

对经所述步骤C后的PS数据进行帧内数据分割组装成一定大小的数据包。

在所述步骤A前，将大尺寸的图像先分成小图像；在所述步骤A后，进行帧内数据复用，形成完整的一帧数据。分割的小图像同时采用MPEG-4编码压缩，做并行处理。

本发明能在现有的普通DVD盘上存储高清晰度的视频内容，而不修改现有的DVD系统结构，完全兼容现有的采用MPEG-2压缩技术的DVD系统。其主要优点是实施简单、生产成本低且兼容性好。

附图说明

图1是本发明音频和视频的节目数据包结构

图2是DVD逻辑数据结构

图3是DVD的视频对象单元的一般数据包结构

图4是把MPEG-4压缩后的视频节目数据包和音频节目数据包封装到

   DVD的视频对象单元中的视频数据包和音频数据包

图5是本发明的DVD存储系统

图6是本发明的支持高清晰节目的DVD编码框图

图7是本发明的支持高清晰节目的DVD解码框图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的特点、功能和效果，现运用以下较佳实施例并结合附图，进行详细说明。

现有的MPEG-2节目流结构中的stream_id字段是用来说明流的类型，它有以下的定义方式，如下表所示：

Stream_id分配表

stream_id  说明      码流编码类型1011 1100    1       program_stream_map1011 1101    2       private_stream_11011 1110            padding_stream1011 1111    3       private_stream_2110x xxxx            ISO/IEC 13818-3 or 1SO/IEC 11172-3 audiostream number x xxxx1110 xxxx            ITU-T Rec.H.262|ISO/IEC 13818-2 or ISO/IEC11172-2 video stream number xxxx1111 0000    3       ECM_stream

1111 0001        3      EMM_stream1111 0010        5      ITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-1 Annex A orISO/IEC 13818-6_DSMCC_stream1111 0011        2      ISO/IEC_13522_stream1111 0100        6      ITU-T Rec.H.222.1 type A1111 0101        6      ITU-T Rec.H.222.1 type B1111 0110        6      ITU-T Rec.H.222.1type C1111 0111        6      ITU-T Rec.H.222.1 type D1111 1000        6      ITU-T Rec.H.222.1 typeE1111 1001        7      ancillary_stream1111 1010...11111110          reserved d ata stream1111 1111        4      program_stream_directory

表中有两种数据流类型：private stream 1(私有数据流-1)和privatestream 2(私有数据流-2)，最初目的是用来说明用户的私有数据，我们为了能够兼容MPEG-1和MPEG-2，使用这两种数据格式作为MPEG-4的数据包打包方式。为此我们重新定义其stream_id字段中值为1011 1101或1011 1111的数据包为MPEG-4系统流数据包。本发明的创新点之一也体现在利用原有的MPEG-2系统流结构的基础上，重新定义其中私有数据流的结构，实现MPEG-4的数据打包，此系统对MPEG-2系统流基本没有发生改变，所以本发明可以完全兼容MPEG-1和MPEG-2。

上述两种流的封装结构与系统标准(IOS/IEC 13818-1)中的视音频打包后的基本流结构相同。其中private_stream_2的数据结构比private_stream_1数据结构简单，即去掉了可选字段。本发明就是把MPEG-4视频流数据包作为私有数据流，按照private_stream_1或private_stream_2的结构，最终组织成的PS(Program Stream，节目流)数据格式；音频仍采用系统标准IOS/IEC 13818-1的音频包组织方式，不需要做其他调整。子图象的编码打包方式与上述打包方式相同。这样就完成对整个MPEG-4视频、音频与子图像数据的封装。

这种封装方法主要优点是：在现有技术设备不做大调整的基础上，实现了对MPEG-4音视频数据的封装，进而便于存储在普通的DVD光盘上。

下面是上述数据封装方法的具体描述：

视频数据经过MPEG-4压缩编码之后，生成的是MPEG-4的基本视频流，为了能够封装在MPEG-2的节目流中，本发明首先要把MPEG-4基本视频流封装成MPEG-2的PES(Packetized Element Stream，打包基本流)数据格式。封装方式采用的是MPEG-2的私有数据封装方式，其结构如图1。PS流头部字段101主要包括开始码(0×000001BA)102、固定字段(‘01’)103、SCR(系统参考时间)104、节目复合率(program muxrate)105、保留字段(reserve bit)106、填充字节的长度(pack stuffinglength)107与系统头部(system header)108，其中各个字段的定义将在下面分别介绍。先介绍一下MPEG-4的基本流数据的PES封装，本发明把MPEG-4的基本流数据放在MPEG-2的PES的数据部分404，计算其PES数据长度，然后在头部加上PES开始前缀(0×000001)401、流ID(10111111)402以及PES的长度信息403。完成PES封装后，本发明又要对视频PES进行PS(节目流)数据格式封装，其结构如图1，在PS的头部信息中，包开始码(0×000001BA)102，SCR(系统参考时间)104将根据以下公式计算得到：

SCR_base(i)＝((system_clock_frequency×t(i)DIV 300)％2³³

SCR_ext(i)＝((system_clock_frequency×t(i))DIV1)％300

SCR(i)＝SCR_base(i)×300+SCR_ext(i)

其中系统时钟频率(system_clock_frequency)为27MHz，t(i)是当前的时间值。节目复合率(program mux rate)105将根据最终的复合码率计算得到。其中填充字节(pack stuffing byte)在本发明中不被使用，因此其填充字节的长度(pack stuffing length)107设置为0。

在系统头部(system header)108，系统头部开始码(0×000001BB)；系统头部长度字段表示的是其字段后面的系统头长度，根据其系统头结构和本发明所采用的结构可以算出其大小为8字节；由于本发明封装的是私有数据，所以流标识字段的值为1011 1111或1011 1101；其它字段还有码流范围(rate bound)、音频范围(audio bound)、固定标志(fixed flag)、CSPS标志(CSPS_flag)、系统音频锁定标志(system_audio_lock_flag)、系统视频锁定标志(system_video_lock_flag)、视频范围(video bound)、保留字段、P-STD缓存范围升级位(P-STD_buffer_bound_scale)和P-STD缓存大小范围(P-STD_buffer_size_bound)。这些字段主要是用来说明MPEG-2的编解码模型，由于本发明采用的是MPEG-4的编解码模型，不再采用MPEG-2的编码模型的缘故，其相应的字段已经失去其原有的意义，为此该部分字段的定义可为任意值。

经过PS数据格式封装后的数据，数据包的长度很长，为了能够满足DVD存储的逻辑数据格式，本发明还要对其PS流数据包进行进一步的切割划分，使其组装成2048(bytes)Pack包，后面将对此做详细描述。

每个Pack包有一个Pack头和Packet头。其中Pack的头部主要存放系统参考时间(SCR)，这个字段是通过前面PS封装时所计算出的SCR值。Packet头部主要存放流标识(stream_id)、展现时间戳(PTS)和解码时间戳(DTS)。如果封装的是MPEG-4的视频数据时，采用的是私有流数据封装方式，其stream_id值为1011 1111或1011 1101，而如果封装的是MPEG-2的视频数据时，其值为1110 xxxx，其它的数据对应关系请参考Stream_id分配表。展现时间戳和解码时间戳就是用来解决MPEG-4视频与音频的同步播放问题，这两个字段的值就是MPEG-4编码时的展现时间戳和解码时间戳的值。

下面将描述DVD的逻辑数据结构：

如图2所示，专门用于存储视频、音频等多媒体数据的DVD逻辑数据结构可分为导入数据区(Lead in area)、卷空间(Volume Space)和导出数据区(Lead out area)。卷空间包含卷和文件系统数据，管理和媒体数据，进一步有视频管理器(Video Manager，VMG)和若干个视频节目集(Video Title Sets)，即VTS#1到VTS#k，这k视具体的存储内容而定的，通常对应电影节目的数目。其中VMG存放有关后面VTS的控制信息，比如DVD视频规范的版本号码、节目提供者的唯一标识号(ProviderUnique ID)、VTS的数目、视频数据的压缩方法、音频压缩方法和子图像显示类型，以及节目选择菜单等等。

进一步，VTS包括控制数据(VTS Information，VTSI)，菜单视频对象(VTSM_VOBS)，节目视频对象(VTSTT_VOBS)和VTSI的备份。进一步，VTSTT_VOBS由若干视频对象(VOB)构成，进一步，包含若干单元(CELL)，进一步，包含若干视频对象单元(VOBU)，其由具体的视频Pack包(V_PACK)，音频Pack包(A_PACK)，子图像Pack包(SP_PACK)和NV(Navigator，浏览)Pack包(NV_PACK)组成，下面将详细描述这些Pack包的构成。其中NV Pack包主要用于快速搜索功能，比如快进和快退，其由PCI(Playback Control Information，回放控制信息)和DSI(Data Search Information，数据搜索信息)组成。

VOBU中的各种Pack包结构如图3所示，其大小为2048字节，由Pack头和Packet包组成，进一步，Packet包由Packet头和数据构成。其中数据部分可以是NV Packet的数据包或视频Packet数据包或音频Packet数据包或子图像Packet数据包。后面三种Packet数据包就是通过压缩编码后，封装成PS结构的数据包。这种处理过程将在后面的编码系统中详细描述。

例如，图4所示，MPEG-4压缩后的视频节目数据包和音频节目数据包交错构成VOBU单元。

如图5所示，这是一个DVD的视频存储系统，主要包括数据压缩部分10，文件格式转换模块70，卷格式转换模块71，和后处理模块72。文件格式转换模块70主要把压缩部分10送来的节目数据包和相关的控制信息(如PTS和DTS信息，编码方法，码流数目等)按照前面描述的DVD的逻辑数据结构打包，其中的控制信息是在编码压缩过程中存储在系统控制模块中的。卷格式转换模块71主要是从节目VTS中提出管理信息生成VMG，并转换成逻辑数据。后处理模块72主要是对前面的逻辑数据进行纠错编码，把逻辑数据转换成物理数据，通过数据调制把物理数据转换成记录数据，最后通过刻录系统存储在DVD光盘中。

如图6所示，这是能支持高清晰节目的DVD编码器结构图，主要分成三大部分数据流：视频、音频和子图像数据。

视频处理过程：在原始视频数据输入之后，首先通过数据分割11对图像(分辨率可为1280×720及其以上)进行帧内数据分割，接着把分割后的分块图象块同时送入MPEG-4编码器组12中进行编码压缩，做并行处理，然后通过帧内数据复用13完成对编码后的分块图像数据复用，形成完整的一帧数据，再通过PES打包14和PS打包15，这是按照本发明前面所定义的PS结构进行处理的，最后输出视频节目流供后面的文件格式转换模块70处理。

音频处理过程：对输入的原始音频数据，本系统的音频编码器16可以采用现有的各种音频压缩算法，比如MPEG-1音频压缩算法、MPEG-2音频压缩算法、LPCM(Linear Pulse Code Modulation，线性脉冲编码调制)、杜比AC-3等压缩算法，对压缩后的音频数据按照现有的IOS/IEC13818-1标准进行封装，通过PES打包17和PS打包18完成，最后输出音频节目流到文件格式转换模块70。

子图像处理过程：对输入的原始子图像数据，通过子图像编码器19进行压缩处理，然后对压缩后的子图像数据按照现有的IOS/IEC 13818-1标准进行封装，这是通过PES打包20和PS打包21完成，最后输出子图像节目流到文件格式转换模块70。

图7是能支持高清晰节目的DVD解码器结构图。

此系统对来自DVD光盘上的数据通过预处理模块31先进行反调制，纠错等处理，之后的数据仍是复用的数据流，然后通过数据解复用32提取视频、音频以及子图像数据。三部分数据的处理过程如下所述：

视频数据的处理过程：视频数据根据上述新的视频存储方式，通过流解包器34解包。接着通过帧内数据解复用36对数据进行帧内数据解复用，然后通过MPEG-4解码器组37对于各个分块图像数据同时进行解码，得到解码后的各个分块图像数据。为了正确显示，对于解码后的分块图像数据还需通过帧内数据合成39进行数据合成，  然后与子图像数据通过显示数据合成40，完成可视数据的有效合成，最后送入显示模块41进行显示。

音频处理过程：对于音频数据而言，本系统根据编码过程中的具体编码算法在音频解码器38中进行解码处理，其实现可以参考标准的音频解码算法，然后送入播放模块42中进行播放。

Claims (15)

1.一种高清晰度视频节目存储方法，其视频数据存储包括如下步骤：

A.采用MPEG-4对数据包压缩编码，生成MPEG-4基本视频流；

B.采用MPEG-2私有数据封装格式对上述MPEG-4基本视频流封装打包，生成打包基本流PES；

C.对上述PES进行节目流PS数据格式封装；

D.上述PS数据通过DVD逻辑数据转换后，存储在DVD盘上。

2.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述MPEG-2私有数据封装格式选择stream_id字段值为10111101和/或10111111。

3.根据权利要求2所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述选择作为私有数据封装格式的数据去除了可选字段。

4.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述PES包括数据部分、开始前缀、流ID以及PES长度信息。

5.根据权利要求4所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述数据部分存放MPEG-4基本流数据。

6.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述PS包括包开始码、系统参考时间、节目复合率、填充字节以及系统头部。

7.根据权利要求6所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述系统参考时间根据以下公式计算得到：

SCR_base(i)＝((system_clock_frequency×t(i))DIV300)％2³³

SCR_ext(i)＝((system_clock_frequency×t(i)DIV1)％300

SCR(i)＝SCR_base(i)×300+SCR_ext(i)

其中的system_clock_frequency为27MHz，t(i)是当前的时间值。

8.根据权利要求6所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述填充字节长度设为0。

9.根据权利要求6所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述系统头部字段长度为8字节。

10.根据权利要求6所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述节目复合率根据最终复合码率计算得到。

11.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，对经所述步骤C后的PS数据进行数据分割组装成一定大小的数据包。

12.根据权利要求11所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，所述经数据分割后组装的数据包大小为2048字节。

13.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，在所述步骤A前，将大尺寸的图像先分成小图像；在所述步骤A后，进行帧内数据复用，形成完整的一帧数据。

14.根据权利要求13所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，分割的小图像同时采用MPEG-4编码压缩，做并行处理。

15.根据权利要求1所述的高清晰度视频节目存储方法，其特征在于，采用MPEG-4解码器对图像数据进行解码。

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