CN1723714A - 一种用mpeg－2mp@ml压缩视频来产生高清晰度视觉效果的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种在标准清晰度兼容介质(例如，DVD)上记录和重建高清晰度视频的系统和方法。提供一个记录系统包括：用来将HD视频图象按比例降低为SD视频格式的系统；用来编码SD视频的系统；用来为各个HD视频图象生成精选细节映射的系统；用来将SD视频和各个精选细节映射存储在SD兼容介质上的系统。
Description
本发明通常涉及记录和播放数字图象数据的系统，尤其涉及在标准清晰度兼容介质(例如DVD)上记录高清晰度资料，使得该介质可以在标准的或高清晰度模式下播放。
随着数字视频的流行，包括DVD(数字化视频光盘)、数字视频记录器、数字视频传输、家庭网络、高清晰度TIVO等的数字视频应用变得更加标准化。例如，DVD播放器和DVD记录器提供标准格式来获得容易而负担得起的记录和播放数字视频的方法。存在各种标准格式用来记录视频信息，包括MPEG-2等。
还没有完全解决的数字视频应用的问题中的一个是涉及增加高清晰度材料的流行度。目前，没有使用标准清晰(SD)格式的固定格式来记录和播放高清晰度(HD)资料。例如，不存在用来在4.7GB单面DVD上记录高清晰资料，(在这指HD-on-SD-DVD)的标准格式。随着2006年的临近这个问题显得更加重要，2006年是高级电视系统委员会(ATSC)已经确定高清晰度广播成为美国电视信道的标准的时间。
基于上述内容，可以看到以标准格式的记录HD视频(不管是用于DVD应用，或者是其他数字记录应用，视频传输或者广播应用)将会变成数字系统的重要选择以及为消费电子设备、半导体、电影产业等打开了新的市场。另外提供HD-on-SD-DVD的技术可以用于其他应用和支持长播放模式记录的介质，例如HD-DVD记录器或基于硬盘的记录器。
因此，存在可以以SD兼容格式提供HD资料的系统，例如SD-DVD的需要。
本发明通过提供记录和播放系统的方法和系统来解决了上述以及其他问题，该记录和播放系统使用在记录期间从原始HD图象中抽取的增强信息来提供对向上转换的SD图象的HD感觉。
在第一个方面，本发明提供一个记录系统，用来以标准清晰度(SD)兼容格式提供高清晰度(HD)视频图象，包括：用来将HD视频图象按比例降低为SD视频格式的系统；用来编码SD视频的系统；用来为各个HD视频图象生成精选细节映射的系统；用来将SD视频和各个精选细节映射存储在SD兼容格式中的系统。
在第二个方面，本发明提供一个播放系统，用来从标准清晰度(SD)格式比特流中重建高清晰度(HD)视频图象，包括：用来从比特流中抽取和解码SD数据的系统；用来从比特流抽取与各个图象相关的精选细节映射的系统；用来解间插解码的SD数据的系统；和用来利用精选细节映射按比例提高和后处理解码的SD数据来产生HD视频图象的系统。
第三个方面，本发明提供一个方法，用来在标准清晰度(SD)兼容介质上记录高清晰度(HD)视频图象，包括：将HD视频图象按比例降低为SD视频格式；编码SD视频；为各个HD视频图象生成精选细节映射，其中精选细节映射描述在各个图象中的边界细节；和将SD视频和精选细节映射存储在SD兼容介质中。
第四个方面，本发明提供一个方法，一种用来从标准清晰度(SD)格式记录中重建高清晰度(HD)视频图象的方法，包括：从记录中抽取和解码SD数据；从记录抽取精选细节映射，其中精选细节映射识别边界细节；解间插解码的SD数据；和利用精选细节映射按比例提高和后处理解码的SD数据来产生HD视频图象。
第五个方面，本发明提供存储在可记录介质上的程序产品，用来产生精选细节映射来允许(HD)视频图像被存储以及从标准清晰度(SD)介质中被播放，包括：从HD视频图象抽取高频图象数据的装置；创建具有阈值的阈值映射的装置，从在HD视频图象中的各个区域的亮度水平和活动性水平导出该阈值；和将阈值与相应的高频图象数据相比较的装置。
通过下面对发明的多个实施例的描述并结合附图可更容易地理解这个发明的这些和其他的特点，其中：
图1描述了根据本发明的记录系统。
图2描述了根据本发明的播放系统。
图3描述了根据本发明的基于视觉的精选细节注入系统。
1.概述
本发明提供视频处理系统和方法，能够以某种方式以SD兼容格式(例如SD-DVD)记录HD资料，使得SD兼容介质可以在常规SD播放器中为了常规SD观看而被播放，或者可以在能用于HD的SD播放器中为了HD观看而被播放。更特别地，本发明描述了新的方法来使用MPEG-2Main Profile@Main Level标准并利用在比特流中嵌入的HD相关信息(E-data)以低比特速率(～5Mbps)来编码HD视频(以便与当前的数字视频设备兼容；例如DVD播放器、数字视频记录器、传输媒体)。应该注意到，虽然在这描述的实施例通常指DVD系统，但是本发明不限于具体系统或介质；另外本发明可以被应用于任何种类的数字记录、传输和/或播放系统，以及例如使用任何种类的可写/可改写介质(例如，DVD-R、-RW、+RW、-RAM、传输信号、数字磁带、比特流等)。特定地，本发明可以应用于任何能够使用MPEG-2 Main Profile@MainLevel标准(MPEG-2 MP@ML)格式，或类似格式的应用，其中：
(1)HD视频可以向下转换到SD视频，以及可以利用SD视频抽取，编码，和打包E-data；和
(2)使用E-data以增强的HD分辨率播放。
这种应用的例子包括，但不限于，广播、家庭网络、web传输、HDTIVO、个人视频记录器等。
使用在这描述的技术，提供的示例系统能够在4.7Gbyte DVD中记录两小时的“接近”HD质量的视频，或者在9Gbyte DVD中记录四小时接近HD视频。如同在下面被更进一步描述的，在记录期间，系统：(1)将输入的HD信号转换为SD信号；和(2)从HD信号生成增强信息。然后系统例如使用MPEG-2编码器来编码SD信号，以及将增强信息存储在例如MPEG比特流的用户数据字段中。
在这描述的实施例仅使用相对少量的增强信息，这些信息可以获得重要的HD图象特征，也就是，为图象收集的与阈值有关的边界细节。如此，低比特速率可以用于增强信息(也就是，小于1.0兆字节/秒)以及SD信号和增强信息的混合可以保持在大约5兆字节/秒。例如MPEG-2分层的或可扩展的编码的现有技术方案不能保持这样低的比特速率来获得合理的质量。
在DVD应用的例子中，记录的DVD不仅仅与当前的DVD播放标准完全兼容，而且DVD也可以在具有HD功能的DVD播放器中播放，该DVD播放器使用增强数据来生成“伪”HD质量视频。如上所述，当在图1和2中提供的实施例将SD格式输出24描述为DVD时，可以理解到可以使用任何数字视频应用。
2.记录系统
现在参照图1，显示根据本发明的示例记录系统10。系统10接收HD输入信号11并且生成SD格式输出24。系统的输入可以以数据流形式或组合信号为形式接收任何ATSC格式(对于比特流形式，需要HDMPEG-2解码器)。然而，为了解释，显示了系统10接受1080i(间插)和720p(累进)格式。因此，示例系统能够处理两种不同的格式，累进和间插，两者都和当前SD标准兼容。累进格式被标注为30p或60iprog(ressive)(类似于电影模式)，并且它们位于“累进-到-间插-转换器”方框16之后的流向的上部，。注意到60i prog在结构上与30p相同，除了60i prog被当作间插格式。将30p转换到60i累进格式的理由是为所有支持可(重)写DVD的DVD播放器保证记录DVD的兼容性。间插格式被标注为60i，以及它在流向的下部。
记录系统10的基本操作如下所示。输入图象(也就是视频)按比例降低为SD图象，并且从输入中抽取某些重要HD特征或者HD增强数据(在这被称为E-data)。然后MPEG-2编码器编码SD序列，并且将MPEG-2比特流和E-data一起保存在存储器中(例如DVD+RW)。例如，能够将E-data保存在MPEG比特流的用户字段中。
系统10包括解-间插器/速率二次抽样系统12，它解间插或者二次抽样输入信号11为30p或60p格式。然后，向下转换/屏幕高宽比(AR)格式化系统14利用宽屏、加框、或扩展(扫视及扫描)屏幕高宽比格式来格式化信号。累进-到-间插转换器16执行从30i到60i的2-2下跌，或者执行间插以将60p转换到60i。然后MPEG编码器18将信号编码成NTSC或PAL兼容格式。
另外，在输入信号被解间插/二次抽样后，还将信号传递到HD细节抽取系统20，它从信号中抽取高频图象。例如，通过高通滤波器或者残差操作器来完成抽取。然后高频图象数据被传递到HD特征处理系统22来生成HD增加信息，或E-data。然后将E-data和SD格式输入24一起存储在，例如，MPEG解码数据的用户数据字段。
为了本发明的目的，应该理解到生产和使用的E-data的类型是不受限的。认识到，虽然高频图象(HFI)数据为边界提供重要的细节信息，该信息在生成HD图象中是重要的。不幸地是，逐个比特地编码整个HFI图象将显著增加总体比特速率，如果例如两个小时视频被存储在4.7Gbyte DVD上，该比特速率必须保持到5Mbps。作为解决方案，当前示例实施例目的是包括精选细节信息，也就是，E-data以及SD数据的选择数量。特别地，基于视觉的精选细节注入(VFDI)系统23被提供来产生精选细节映射，它用来为了在各个图象中的区域(也就是，像素、块等)描述细节或增强值。例如，增强值可以识别图象中的边界细节的存在，以及反映与一组阈值有关的各个边界的重要性。例如已知的是，位于图象中央的、靠近其他边界细节的边界细节对于整个图象的清楚是十分关键的。因此，这样的边界获得在生成的精选细节映射中的相对高的增强值，指示这样的位置应该被增强。
参照图3中的流程图更加详细地描述VFDI系统23。起初，处理包括I帧的图象40，以生成高频图象(HFI)42。通常，HFI 42提供来自原始图象40的边界细节，描述为贯穿HFI42的“线条”。例如，如果原始图象40包括与蓝天相对的房子和树，那么HFI42可以显现为包括高频信息的原始图象的“洗过的”版本，形如：详述在房子的边缘与天空在何处相接的线条；详述窗户结构的线条；详述树的轮廓的线条，等等。
另外，通过映射系统41从图像40中生成阈值映射44。阈值映射44给图像40的不同区域分配值。通常，为区域增强细节的需要越大，阈值就越低。在一个实施例中，使用现有技术公知的仅能注意的差异(JND)和人的注视(HF)原理导出阈值映射44。根据JND，在图像的昏暗和较低活动性区域中的细节比起那些在明亮和较高活动性的区域中的细节更加显著。因此，相对于明亮和较高活动性的区域，识别昏暗和较低活动性区域并为其分配较低阈值，以便突出更多的细节。在实践中，通过线性混合向上转换的SD图像中的8×8块中的均值(代表灰度水平)和差值(代表活动性)来计算使用JND的阈值映射44。处理JND以外，其他要素也可以用来影响在阈值映射44中的值。例如，已知人的注视(HF)通常集中在显示器的中央。因此，相对于图像的其他区域或者外围，可以给图像的中央区域分配较低的阈值。应该理解到在这描述的用于生成阈值映射44的实施例只是为了示例的目的，也可以使用其他的或不同的要素。
接着，来自图像40的HFI数据42与来自阈值映射44的值相比较46来产生细节映射48。例如，如果用于特殊位置(例如，边界)的HFI值超出了在阈值映射44中的相应位置的阈值，那么在细节映射48中的相应位置将指示，该位置应该接收一个增强(也就是，正增益增进)。可替换地，如果特殊位置的HFI值小于在阈值映射44中的相应位置的阈值，那么在细节映射48中的相应位置将指示，该位置应该接收一个负增进。最后，最后，如果特殊位置的HFI值等于在阈值映射44中的相应位置的阈值，那么在细节映射48中的相应位置将指示，该位置不需要增强增进。在一个实施例中，细节映射可以包括用于需要正增进的那些边界的正号(+1)，用于不需要增强的边界的零(0)，和用于那些需要负增进的边界的负号(-1)。可以将在细节映射48中的值以任何方式分配给区域，例如，以逐个象素为基础，以逐个块为基础，等等。
在生成细节映射48以后，采用线条消除提炼50来产生精选细节映射(FDM)52。线消除提炼器50通过消除对创建高清晰度感觉没有贡献的信息来降低增强数据量。在一个示例实施例中，提炼50包括消除在细节映射48中相互相隔N个象素(例如，N＝5)的线条和点(例如，边界细节)。在这个示例实施例中，提炼50将不会显著降低图像质量，由于如果受限的线条或点相隔很远，清晰度增强算法可以很好地模仿丢失的细节。很明显，可以类似地使用其他提炼。
接着，运动补偿被用于P和B帧54。最后，采用二进位压缩56，例如，ZZIPTM来将运动补偿的FDM52压缩来创造E-data58。
3.播放系统
在播放期间，DVD兼容解码器以SD格式解码DVD中的比特流。另外，为了能用于HD的解码器，检索E-data(被例如存储为用户数据)，以及经由后加工与普通的SD向上转换的图像混合来产生能够在具有HD“感觉”HD可用TV上显示的图像。
根据上面描述的VFDI系统23，精选细节映射52指示后处理器根据被分配给图像的不同区域的不同增益(例如，-1，0，+1)来特别地增强图像中的关键位置(例如，边界)。+1意味着边界象素需要增进，零意味着不需要增强，以及-1意味着边界象素需要负增进。在播放期间，当基于由E-data和向上转换的SD图片的本地活动性所重建的精选细节映射52将精选细节添加回向上转换的SD图片时，创造了HD“感觉”。在播放期间，解压FDM52并且播放系统(图2)应用一个值来将HD效果恢复到向上转换的SD图片上。另外，在添加回精选细节后，可以使用任何类型的增强方式。示例方法包括适应性峰化和/或LTI(亮度瞬态改善)。在一个示例实施例中，基于细节映射添加回细节，然后应用适应性峰化和/或LTI(亮度瞬态改善)。
现在参照图2，显示用来播放存储在DVD24上的图像数据的播放系统30。播放系统30包括MPEG解码器32，用来产生60i累进或60i信号，并且包括解间插器34，用来生成30p或者60p信号。向上转换和后处理系统36接收30p或者60p信号，以及E-data，以生成HD30p或者HD60p信号。然后帧速率加倍器或间插器系统38生成1080i或者
720@60p输出。
理解到，在这描述的系统、功能、机制、方法、和模块可以通过硬件、软件、或硬件和软件的混合来实现。它们可以通过任何类型的计算机系统或者其他适合执行在这描述的方法的装置来实现。硬件和软件的典型的混合是具有计算机程序的通用计算机系统，该程序当被装载和被执行时，控制计算机系统，以至于来执行在这所述的方法。可替换地，可以使用专门用途的计算机，它包括专门硬件来执行本发明的一个或多个功能。本发明也可以嵌入在计算机程序产品中，它包括能够实现在这描述的方法和功能的所有特征，以及它，当被装载到计算机系统时，能够执行这些方法和功能。计算机程序、软件程序、程序、程序产品、或软件，在上下文中意味任何表示、以任何语言、代码或注释，一组指令，用于使得具有信息处理能力的系统直接或通过通过以下步骤执行具体功能：(a)转换到其他语言，代码或注释；和/或(b)在不同的材料形式中复制。
本发明优选实施例的前述描述是用于示例和描述。不是为了排除或限制本发明未公开的精确形式，以及很明显，很多根据上述教导的修改和改变是可能的。这样对本领域技术人员公知的修改和改变是包括在本发明的如所附权利要求定义的范围内。
Claims (27)
1.一个系统(10)，用来在以标准清晰度(SD)兼容格式中提供高清晰度(HD)视频图象，包括：
用来将HD视频图象按比例降低为SD视频格式的系统(12)；
用来编码SD视频的系统(18)；
用来为各个HD视频图象生成精选细节影射映射的系统(22)；和
用来以SD兼容格式将存储SD视频和各个精选细节映射存储在SD兼容格式中的系统(24)。
2.权利要求1的系统(10)，其中各个精选细节映射描述了在HD视频图象中的边界细节。
3.权利要求2的系统(10)，其中用来生成精选细节映射的系统(22)，包括：
用来生成具有阈值的阈值映射的系统，该阈值来自从在HD视频图象中的各个区域的亮度水平和活动性水平导出该阈值；
用来将阈值与在生成自从HD视频图象生成的高频图象中的相应值相比较的系统。
4.权利要求3的系统(10)，其中用来生成精选细节映射的系统(22)，更进一步包括线降低线条减少系统，它消除与其他边界细节相隔的距离大于比预定距离长的边界细节。
5.权利要求1的系统(10)，其中用来生成精选细节映射的系统(22)包括用来压缩精选细节映射的压缩系统。
6.权利要求1的系统(10)，其中精选细节映射包括正值，它用来指示需要正脉冲正增进的区域的正值、，包括负值，它用来指示需要负脉冲负增进的区域的负值，和包括零，它用来指示不需要脉冲增进的区域的零。
7.权利要求1的系统(10)，其中用于编码的系统(18)包括MPEG-2编码器，以及SD兼容媒介介质包括DVD。
8.权利要求1的系统(10)，其中SD视频和精选细节映射以大约5兆比特/秒的混合速率被存储。
9.权利要求1的系统(10)，其中精选细节映射以小于1兆比特/秒的速率被存储。
10.权利要求1的系统(10)，更进一步地包括屏幕高宽比格式系统，用来为了宽屏，、加框，、和扫描及平移格式扫视格式而格式化SD视频。
11.权利要求1的系统(10)，其中SD视频可以以从下面的组中选择的被存储在一个格式中存储，该格式是从下面的组中选择的：累进的和间插的。
12.权利要求1的系统(10)，其中精选细节映射被存储在MPEG用户数据字段。
13.播放系统(30)，用来从标准清晰度(SD)格式比特流(24)中重建高清晰度(HD)视频图象(24)，包括：
用来从比特流中抽取和解码SD数据的系统(32)；
用来从比特流抽取与各个图象相关的精选细节映射的系统；
用来解间插解码的SD数据的系统(34)；和
用来与利用精选细节映射按比例提高和后处理解码的SD数据来产生HD视频图象的系统(36)。
14.权利要求13的播放系统(30)，其中精选细节映射包括与在记录处理期间被抽取的边界细节相关的信息。
15.权利要求13的播放系统(30)，其中在精选细节使用精选细节映射将精选细节被添加回会视频图象后，后处理系统(36)应用适应性峰化。
16.权利要求13的播放系统(30)，其中在使用精选细节映射将精选细节添加回视频图像后，后处理系统(36)应用亮度瞬态改进。
17.一种方法，用来在标准清晰度(SD)兼容格式中介质上记录高清晰度(HD)视频图象，包括：
将HD视频图象按比例降低为SD视频格式；
编码SD视频；
为各个HD视频图象生成精选细节映射(52)，其中精选细节映射描述在各个HD视频图象中的边界细节；和
将SD视频和各个精选细节映射存储在SD兼容介质上格式中。
18.权利要求17的方法，其中生成精选细节映射的步骤，包括：
从HD视频图象(40)抽取高频图象数据(42)；
生成创建具有阈值的阈值映射(44)，该阈值来自从在HD视频图象中的各个区域的亮度水平和活动性水平导出该阈值；和
将阈值与相应的高频图象数据相比较(46)。
19.权利要求18的方法，其中生成精选细节映射(52)的步骤更进一步包括分配正值给具有比相应的高频图像数据具有较低的阈值的区域，分配负值给具有比相应的高频图像数据具有较高的阈值的区域，和分配零给具有与相应高频图像数据相等的阈值的区域。
20.权利要求18的方法，其中位于图像中心区域的象素的阈值低于位于图像周边区域的象素的阈值。
21.权利要求18的方法，其中生成精选细节映射的步骤包括更进一步的步骤，消除与其他边界细节的相隔的距离大于预定距离的边界细节。
22.权利要求18的方法，其中HD视频图像(40)包括I帧，以及生成精选细节映射的步骤包括执行用于P和B帧的运动补偿。
23.一种用来从标准清晰度(SD)格式记录中重建高清晰度(HD)视频图象的方法，包括：
从记录中抽取和解码SD数据；
从记录抽取精选细节映射(52)，其中精选细节映射描述了与重要性阈值相关的边界细节；
解间插解码的SD数据；和
利用结合精选细节映射(52)按比例提高和后处理解码的SD数据来产生HD视频图象。
24.权利要求23的方法，其中增强信息存储在MPEG用户数据字段中。
25.权利要求23的方法，其中在精选细节使用精选细节映射将精选细节被添加回HD视频图象后，通过应用适应性峰化后处理解码的SD数据。
26.权利要求23的方法，其中在使用精选细节映射将精选细节添加回HD视频图像后，通过应用亮度瞬态改进后处理解码的SD数据。
27.存储在可记录媒体介质上的程序产品，它用来产生精选细节映射来允许(HD)视频图像被存储以及从标准清晰度(SD)媒介介质中被播放，包括：
从HD视频图象抽取高频图象数据的装置(20)；
创建生成具有阈值的阈值映射的装置(22)，该阈值来自从在HD视频图象中的各个区域的亮度水平和活动性水平导出该阈值；和
将阈值与相应的高频图象数据相比较的装置。
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