CN1613113A - 用于在标准分辨率兼容介质上提供高分辨率材料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在标准分辨率DVD上记录和重建高分辨率视频的系统和方法。提供一种记录系统，其包括：用于将HD视频下调到SD视频格式的系统；用于对SD视频进行编码的系统；用于从HD视频中抽取增强信息的系统；以及用于将SD视频和被抽取的增强信息存储在SD兼容介质上面的系统。提供一种用于从标准分辨率SD格式记录中重建HD视频图像的回放系统，其包括：用于从记录中抽取SD数据且对其进行解码的系统；用于从记录中抽取增强信息的系统；用于对被解码的SD数据进行去交错的系统；以及用于利用增强信息对被解码的SD数据进行上调及后处理以产生HD视频图像的系统。

Description

用于在标准分辨率兼容介质上提供高分辨率材料的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及用于记录和回放数字图像数据的系统，并且更具体地涉及一种用于在标准分辨率兼容的DVD上记录高分辨率材料的系统和方法，以便于DVD可以以标准或高分辨率模式(high definition)被回放。
发明背景
当DVD(数字通用盘)播放器变成视频回放以及最终视频记录的介质选择时，预计对具有先进特征的DVD系统的需求得到增长。例如，各种公司，包括Philips Electronics最近已经将DVD记录器投入到市场。当DVD记录器将来变得更加普及时，在DVD上记录TV节目等将变得更加容易且更加消费得起。
然而一直被适当加以强调的议题之一涉及增加高分辨率(HD)材料的普及性。目前，还没有使用标准分辨率(SD)即4.7GB，单侧DVD的设定格式以用于记录和回放高分辨率(HD)材料(在此被称为HD-on-SD-DVD)。这个议题将仅在2006年到来时才变得更加重要，届时Advanced Television Systems Committee(ATSC)已经颁布高分辨率广播成为U.S.电视频道的标准。
基于上述内容，可以看出以标准的，即SD-DVD格式记录HD视频对于DVD记录器来说将变成重要的选项并且为消费者电子设备、半导体和电影工业打开了新的市场。此外，用于提供HD-on-SD-DVD的技术将对于支持长播放模式记录的其它应用和介质，如HD-DVD记录器或基于硬盘的记录器是有益的。
因而，存在对一种可以提供在SD兼容的介质，如SD-DVD上提供HD材料的系统的需求。
发明内容
通过提供一种用于提供HD记录和回放系统的系统和方法，本发明强调上述提到的议题以及其它议题，通过在记录期间使用从原始HD图像中所提取的增强信息，所述HD记录和回放系统在上转换(up-converted)SD图像上提供HD感觉。
在第一方面，本发明提供一种用于将高分辨率视频记录到标准分辨率兼容的介质上的记录系统，包括：用于将HD视频下调到SD视频格式的系统；用于对SD视频进行编码的系统；用于从HD视频中抽取增强信息的系统；以及用于将SD视频和被抽取的增强信息存储到SD兼容介质上的系统。
在第二方面，本发明提供一种用于从标准分辨率格式记录中重建高分辨率视频图像的回放系统，包括：用于从所述记录中抽取SD数据且对其解码的系统；用于从所述记录中抽取增强信息的系统；用于对被解码SD数据进行去交错(de-interlacing)的系统；以及用于利用增强信息对被解码的数据进行上调(up-scaling)及后处理以产生HD视频图像的系统。
在第三方面，本发明提供一种用于将高分辨率(HD)视频记录到标准分辨率兼容介质上的方法，包括：将HD视频下调成SD视频格式；对SD视频进行编码；从HD视频产生增强信息；以及将SD视频和增强信息存储到SD兼容介质上。
在第四方面，本发明提供一种从标准分辨率格式记录中重建高分辨率视频图像的方法，包括：从所述记录中抽取SD数据并对其解码；从所述记录中抽取增强信息；对被解码的SD数据进行去交错；以及利用增强信息对被解码的数据进行上调及后处理以产生HD视频图像。
在第五方面，本发明提供一种存储于可记录介质上面、用于将高分辨率视频记录到标准分辨率DVD上的程序产品，包括：用于将HD视频下调成SD格式视频的装置；用于对SD视频进行编码的装置；用于从HD视频中产生增强信息的装置，其中所述增强信息包括高频图像数据；以及用于将SD格式视频和增强信息存储到DVD上的装置。
在第六方面，本发明提供一种存储在可记录介质上面、用于从标准分辨率DVD中重建高分辨率视频图像的程序产品，包括：用于从DVD中抽取SD数据并且对其解码的装置；用于从DVD中抽取增强信息的装置，其中所述增强信息被存储在MPEG用户数据段且包括高频图像数据；用于对被解码的SD数据进行去交错的装置；以及利用增强信息对被解码的数据进行上调及后处理以产生HD视频图像的装置。
附图说明
从结合所附附图对本发明各个方面的下述细节说明中，这个发明的这些及其它特征将更加容易地得到理解，其中：
图1描绘了根据本发明的记录系统。
图2描绘了根据本发明的回放系统。
具体实施方式
本发明提供一种这样的视频处理系统和方法，其可以以如此方式将HD材料记录在SD兼容的DVD(SD-DVD)内，以便于DVD可以在常规的DVD播放器中被回放以用于常规的SD观看，或在HD使能的DVD播放器中被回放以用于HD观看。可利用任何类型的可写的或可重写的DVD(例如，DVD-R，-RW，+RW，-RAM)。通过使用在此所说明的技术，所述系统能够在4.7Gbyte DVD中记录两个小时“接近”HD质量的视频，或在9Gbyte DVD中记录四个小时接近HD的视频。正如下面将进一步解释的那样，在记录期间，所述系统：(1)将所输入的HD信号转换成SD信号；以及(2)从HD信号产生增强信息。然后所述系统对SD信号进行编码，例如通过使用MPEG-2编码器，并且将所述增强信息存储在例如MPEG位流的用户数据段内。
在此所说明的示范性实施例仅利用捕捉重要HD图像特征，如边缘和组织信息的相对少量的增强信息。通过这种方式，低的比特率可以被用于增强信息(例如小于0.5兆字节/秒)并且SD信号和增强信息的组合可以被维持在大约5兆字节/秒。现有技术方法，如MPEG-2分层的或可伸缩(scalable)的编码，不可能在合理的质量下维持这样低的比特率。
在回放期间，被记录的DVD不仅完全与目前的DVD标准兼容，而且所述DVD还可以在使用增强信息以产生HD质量视频的HD使能的DVD播放器中被回放。注意：虽然在此图1和图2中所提供的实施例将SD格式输出24说明为DVD，但是应该理解为可以利用任何的可记录介质。
现在参考图1，根据本发明的示范性记录系统10被示出。系统10接收HD输入信号11并且产生SD格式输出24。所述系统的输入可接受以位流形式或以分量信号形式(对于位流形式，将需要MPEG-2解码器)的所有ATSC格式。然而，出于解释的目的，系统10被示出接受1080i(交错的)和720p(逐行的)格式。因而，示范性系统能够处理两个不同的格式，逐行的和交错的，这两个格式均与目前的SD标准兼容。逐行式格式被标注为30p或者说60i prog(ressive)(类似于电影模式)，并且它们在“prog-to-interlace-converter(逐行到交错转换器)”块16之后的流程箭头的上部。注意：除了60i prog被对待为交错的格式以外，60iprog从结构上与30p相同。将30p转换成60i逐行格式的原因是保证所记录的DVD对于支持可(重)写DVD的所有DVD播放器的兼容性。交错的格式被标注为60i，并且它在流程箭头的下部。
记录系统10的基本操作如下。输入画面(即视频)被下调成SD画面，并且一些重要的HD特征或HD增强数据(在此被称为E数据)从输入中被抽取。然后MPEG-2编码器对SD序列进行编码，并且MPEG-2位流连同E数据被保存在存储器(例如DVD+RW)中。E数据可以被存储在MPEG位流中的用户数据段。
系统10包括去交错器/速率子采样系统(rate subsampling)12，其将输入信号11去交错或子采样成30p或60p的格式。然后下转换/纵横比(AR)格式化系统14利用宽屏，加框(letterboxing)，或扩展(随动和扫描)纵横比格式对信号进行格式化。逐行到交错转换器16执行从30p至60i prog的2-2下拉(pull-down)，或执行交错以从60p转换至60i。然后MPEG编码器18将信号编码成NTSC或PAL兼容的格式。
此外，在输入信号被去交错/子采样之后，信号还被传递到HD细节抽取系统20，所述抽取系统20从所述信号中抽取高频图像数据。所述抽取可被伴随有例如高通滤波器或残余算符。然后高频图像数据被传递到HD特征处理系统22以产生HD增强信息或E数据。然后E数据与例如SD格式输出24被存储在经MPEG编码的数据的用户数据段中。
出于这个发明的目的，应该理解为不存在对可被产生和使用的E数据的类型的限制。然而意识到提供重要的边缘和组织细节的高频率图像(HFI)数据在产生HD图像时是重要的。不幸地，位接位地对这些区域进行编码将显著地增强总的比特率，如果例如两小时的视频要被存储在4.7Gbyte DVD上，则总的比特率必须被保持到大约5兆比特每秒。作为另一选择，本示范性实施例建议通过在那些区域上使用多级分辨率增强来建立HD“感觉”。
为了实现于此，在特征处理系统22内的多栅编码系统可被应用以通过使用四树分解对能量显著区域进行识别和编码。然后作为结果的区域分类位流(即，能量区域图(map))将形成E数据，所述E数据可以被用来通过解码器/回放系统来建立逐渐的增益图。根据编码系统，图像更重要的地区被加以标识并被分解成越来越小的块或区域。分割过程遵循四树结构并且产生1和0的串。用于产生能量区域图的多级区域分类算法可被实施如下：
将HFI分割成16×16块。然后计算在每个块中的总能量(E，针对组织测试)及在每个块中头三个最大像素值的平均值与头三个最小像素值的平均值之差(D，针对边缘测试)。
首先对在HFI中的128×128块应用四树分解。如果在128×128块内的任何16×16块中E＞阀值1，或D＞阈值2，则128×128块被标记为位“1”且然后被分成4个64×64块；否则，块被标记为“0”而没有任何进一步的分割。分解继续直至达到16×16块。
利用阈值测试所有的16×16块并且如果E或D大于阈值加上一常数以进一步分类16×16块，则将块标记为“1”；否则将它们标记为“0”。存储所有分解的“0”和“1”以及作为E数据的这个16×16块测试。取决于在HFI中能量扩展的稠密程度，在E数据中可存在不同的位大小。例如，通过使用小于1000位，典型的720×1280 HFI可以被分类成5级。这是大约30Kbp或0.03Mbp，其与SD层的5Mbp相比是非常小的。
应该理解到上述算法仅是用于产生E数据的系统的一个实例，并且现在已知的或随后开发的其它方法属于本发明的范围。
在回放期间，DVD中的位流可以以SD格式被任何DVD顺从的解码器进行解码。此外，对于HD使能的解码器，E数据(例如作为用户数据被存储)被检索，被后处理并且被与常规SD的上转换画面进行组合以建立可以被显示在采用HD“感觉”的HD准备好的TV上的图像。
根据上面所说明的四树算法方法，在后处理期间，四树被重新建立且增益被赋予给每个等级以建立逐行的增益图。因此，根据四树结构例如不同的增益被赋予不同的块大小或分割区域。如果锐度增强算法被应用，则利用增强增益的不同等级，HD“感觉”将被建立。
具体地，通过对E数据中的四树位流进行解码，分割区域得到重建。然后主要基于区域的大小，每个区域被赋予一值。因此，例如，128×128区域被赋予0.5；64×64块区域被赋予0.7；32×32块区域被赋予0.8；以及16×16块区域被赋予0.9或1.0。所述结果提供了这样的增益图，其可以被回放系统(图2)所使用以在上转换的SD画面上恢复HD效果。
结合从E数据重建的增益图任何类型的增强方法可以被使用。示范性方法包括自适应峰化(peaking)和/或LTI(照明瞬时改善)。
现在参考图2，回放系统30被示出用于回放被存储在DVD 24上的图像数据。回放系统30包括用于产生60i逐行的或60i信号的MPEG解码器32以及用于产生30p或60p信号的去交错器34。上转换及后处理系统36接收30p或60p信号以及E数据，以产生HD 30p或HD 60p信号。然后帧速率倍增器或去交错器系统38产生1080i或720@60p输出。
要理解到在此所说明的系统、功能、机构、方法和模块可以以硬件、软件、或硬件和软件的组合来加以实施。它们可由任何类型的计算机系统或适合于执行在此所说明方法的其它装置来加以实施。硬件与软件的典型组合可是具有计算机程序的通用计算机系统，当执行所述计算机程序时，所述程序如此控制计算机系统以便于它执行在此所说明的方法。作为选择地，可利用包含用于执行本发明的一个或更多个功能任务的专用硬件的专门计算机。本发明还可以被嵌入在计算机程序产品中，所述计算机程序产品包括使能在此所说明的方法和功能的实施的所有特征，且当其被装载在计算机系统中时，能够执行这些方法和功能。在本环境中的计算机程序，软件程序，程序，程序产品或软件意味着以指令集合的任何语言，码或符号的任何表达，其旨在致使具有信息处理能力的系统来直接或在下述中的任一个或两者之后执行特定功能：(a)转换成另一语言，码或符号：以及/或(b)以不同材料形式的再现。
出于示例和说明的目的，已经呈现本发明优选实施例的上述说明。它们并不旨在是详尽的或将本发明限制到所公开的精确形式，并且显然地按照上述示教许多修改和变化是可能的。对于本领域中普通技术人员显而易见的这种修改和变化旨在被包括在由所附权利要求所定义的本发明范围内。

Claims (27)

1.一种用于将高分辨率(HD)视频记录在标准分辨率(SD)兼容介质[24]上面的记录系统[10]，包括：
用于将HD视频下调到SD视频格式的系统[14]；
用于对SD视频进行编码[18]的系统；
用于从HD视频中抽取增强信息[20]的系统；以及
用于将SD视频和被抽取的增强信息存储在SD兼容介质[24]的系统。
2.根据权利要求1的记录系统[10]，其中所述SD兼容介质[24]包括DVD。
3.根据权利要求1的记录系统[10]，其中用于编码[18]的系统包括MPEG-2编码器。
4.根据权利要求1的记录系统[10]，其中增强信息包括被分成不同能量区域的高频图像数据。
5.根据权利要求4的记录系统[10]，其中增强信息通过特征处理系统[22]被存储在能量区域图中。
6.根据权利要求5的记录系统[10]，其中通过使用四树分解算法对能够区域图进行编码。
7.根据权利要求1的记录系统[10]，其中SD视频和被抽取的增强信息以大约5兆位/秒的组合速率被存储。
8.根据权利要求1的记录系统[10]，其中被抽取的增强信息以小于1兆位/秒的速率被存储。
9.根据权利要求1的记录系统[10]，进一步包括用于将SD视频格式化用于宽屏，加框及扫描和随动格式的纵横比格式系统。
10.根据权利要求1的记录系统[10]，其中SD视频可以以从由逐行的和交错的组成的组中加以选择的格式被存储。
11.根据权利要求1的记录系统[10]，其中增强信息被存储在MPEG用户数据段中。
12.一种用于从标准分辨率(SD)格式记录[24]中重建高分辨率(HD)视频图像的回放系统[30]，包括：
用于从记录[24]中抽取SD数据且对其进行解码的系统[32]；
用于从记录[24]中抽取增强信息的系统；
用于对被解码的SD数据进行去交错的系统[34]；以及
用于利用增强信息对被解码的SD数据进行上调及后处理[36]以产生HD视频图像的系统。
13.根据权利要求12的回放系统[30]，其中所述增强信息包括与在记录过程期间所抽取的高频图像数据有关的信息。
14.根据权利要求13的回放系统[30]，其中增强信息包括能量区域图。
15.根据权利要求14的回放系统[30]，其中利用四树分解算法对能量区域图进行编码。
16.根据权利要求14的回放系统[30]，其中利用从增强信息中得到的增益图后处理系统[36]应用自适应峰化。
17.根据权利要求14的回放系统[30]，其中利用从增强信息中得到的增益图后处理系统[36]应用照明瞬时改善。
18.一种用于将高分辨率(HD)视频记录在标准分辨率(SD)兼容介质[24]上面的方法，包括：
将HD视频下调到SD视频格式；
对SD视频进行编码；
从HD视频中产生增强信息；以及
将SD视频和增强信息存储在SD兼容介质[24]上面。
19.根据权利要求18的方法，其中产生增强信息的步骤包括：
从HD视频中抽取高频图像数据；以及
通用使用四树算法基于高频图像数据建立能量区域图。
20.根据权利要求18的方法，其中增强信息被存储在MPEG用户数据段中。
21.一种用于从标准分辨率(SD)格式记录中重建高分辨率(HD)视频图像的方法，包括：
从记录中抽取SD数据且对其进行解码；
从记录中抽取增强信息；
对被解码的SD数据进行去交错；以及
利用增强信息对被解码的SD数据进行上调及后处理以产生HD视频图像。
22.根据权利要求21的方法，其中增强信息被存储在MPEG用户数据段中且包括利用四树分解算法而编码的能量区域图。
23.根据权利要求22的方法，其中通过利用从增强信息中得到的增益图来应用自适应峰化，被解码的SD数据得到后处理。
24.根据权利要求22的方法，其中通过利用从增强信息中得到的增益图来应用照明瞬时改善，被解码的SD数据得到后处理。
25.一种被存储在可记录介质上、用于将高分辨率(HD)视频[11]记录在标准分辨率(SD)DVD[24]上的程序产品，包括：
用于将HD视频下调成SD格式视频的装置[14]；
用于对SD视频进行编码的装置[18]；
用于从HD视频中产生增强信息的装置[20，22]，其中所述增强数据包括高频图像数据；以及
用于将SD格式视频和增强信息存储到DVD上面的装置。
26.一种被存储在可记录介质上、用于从标准分辨率(SD)DVD[24]重建高分辨率(HD)视频图像的程序产品，包括：
用于从DVD中抽取SD数据并且对其进行解码的装置[32]；
用于从DVD中抽取增强信息的装置，其中所述增强信息被存储在MPEG用户数据段中并且包括高频图像数据；
用于对被解码的SD数据进行去交错的装置[34]；以及
用于利用增强信息对被解码的SD数据进行上调以及后处理以产生HD视频图像的装置[36]。
27.根据权利要求26的程序产品，其中后处理装置[36]应用由下述组成的组之一：利用从增强信息中导出的增益图的自适应峰化及照明瞬时改善。
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