專利名稱：具有mpeg編碼解碼器的數(shù)字記錄和回放裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)編碼器/解碼器(CODEC)的數(shù)字記錄和回放裝置及其方法，特別涉及一種用于數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)(videocamcorder)的數(shù)字記錄和回放裝置及其方法，該裝置與所有采用MPEG標(biāo)準(zhǔn)的裝置兼容，在該裝置中，按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼。
繼MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)之后，根據(jù)對(duì)在更高的比特率上的高質(zhì)量畫(huà)面的需要，推出了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用于廣播媒體領(lǐng)域、以及存儲(chǔ)媒體領(lǐng)域，并能比目前的模擬電視提供更高的質(zhì)量。而且，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)能被應(yīng)用于高清晰度電視(HDTV)。因此，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍很廣，包括電信、家用電器、計(jì)算機(jī)、廣播系統(tǒng)。
根據(jù)這種高質(zhì)量的趨勢(shì)，日本開(kāi)發(fā)出了一種用于在數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)中壓縮編碼、來(lái)記錄和回放運(yùn)動(dòng)圖像的原始標(biāo)準(zhǔn)。然而，該標(biāo)準(zhǔn)與MPEG不兼容，這樣，就不可能使用將要普及的數(shù)字電視、或采用MPEG編碼方法的多媒體系統(tǒng)來(lái)回放該編碼數(shù)據(jù)。
而且，于1993年建立了HD(high definition，高清晰度)數(shù)字錄像機(jī)(VCR)會(huì)議，以提議數(shù)字視頻格式的基本規(guī)范、和討論基于基本標(biāo)準(zhǔn)的HDTV規(guī)范。HD-VCR會(huì)議已確定了用于標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)和高清晰度(HD)的規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該已確定的標(biāo)準(zhǔn)，基本規(guī)范包括旋轉(zhuǎn)磁頭掃描方法(rotary headscan method)(螺旋掃描，helical scan)、基于離散余弦變換(DCT)的壓縮方法、以及1/4英寸寬的錄像帶。而且，根據(jù)HD的基帶格式，將HDTV的采樣頻率設(shè)為50.4MHz，其為SD的采樣頻率(13.5MHz)的三倍，并且將視頻數(shù)據(jù)的記錄速率設(shè)為50Mbps，其為SD的記錄速率(25Mbps)的兩倍。
這樣，依照用于下一代VCR和攝錄一體機(jī)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，SD攝錄一體機(jī)已經(jīng)迅速普及。為了應(yīng)付當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，需要一種使用MPEG-2的數(shù)字電視(DTV)、和與其他應(yīng)用兼容的數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)。
而且，討論用于記錄DTV信號(hào)的格式的數(shù)字電視(DTV)工作組(WG)于1994年在美國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)，而討論用于記錄DVB信號(hào)的格式的數(shù)字視頻廣播(DVB)WG已在歐洲開(kāi)始啟動(dòng)。
在具有SD格式的錄像帶上以19.3Mbps的數(shù)據(jù)速率、記錄已被壓縮的DTV信號(hào)的同時(shí)，就以25Mbps的用于SD的視頻數(shù)據(jù)速率記錄了該信號(hào)。當(dāng)在具有SD格式的錄像帶上記錄DVB信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)將DVB信號(hào)的數(shù)據(jù)速率控制到10Mbps或以下，就以12.5Mbps執(zhí)行記錄，其為用于SD的視頻數(shù)據(jù)速率的一半，或以6.25Mbps執(zhí)行記錄，其為用于SD的速率的四分之一。
因?yàn)镈TV和DVB信號(hào)都采用基于MPEG-2的壓縮編碼方法，因此需要一種數(shù)字記錄和回放裝置，該裝置具有能夠記錄采用MPEG-2方法壓縮的數(shù)據(jù)的格式。然而，因?yàn)樵贛PEG-2中，以包括多個(gè)畫(huà)面的畫(huà)面組(group of picture,GOP)為單元，通過(guò)使用其各畫(huà)面間的相關(guān)性進(jìn)行高壓縮，因此，如果在磁帶上按其原樣簡(jiǎn)單地記錄具有上述結(jié)構(gòu)的壓縮數(shù)據(jù)時(shí)，那么在以多倍速回放(高速搜索)期間就很難形成圖像，降低了圖像質(zhì)量。
在傳統(tǒng)的VCR中，以畫(huà)面為單元編輯數(shù)據(jù)和以高速進(jìn)行搜索是必不可少的。因此，引入了下述方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。例如，用于SD格式的視頻數(shù)據(jù)速率為25Mbps，同時(shí)DTV信號(hào)具有19.3Mbps的數(shù)據(jù)速率，所以壓縮率和記錄速率之間有差異，可將與之對(duì)應(yīng)的額外區(qū)域用于高速搜索。即，把在GOP單元中使用幀內(nèi)編碼壓縮的數(shù)據(jù)、重復(fù)地記錄到錄像帶的一段特殊區(qū)域中，以便在多倍速回放期間，使用該重復(fù)記錄的數(shù)據(jù)組成畫(huà)面的圖像(image of apicture)。
當(dāng)以19.3Mbps的速率記錄包含采用MPEG-2壓縮的數(shù)據(jù)的DTV信號(hào)、和記錄被重復(fù)記錄到錄像帶上的壓縮數(shù)據(jù)時(shí)，就有可能實(shí)現(xiàn)高速搜索(數(shù)字VCR的一個(gè)主要功能)。然而，因?yàn)閴嚎s編碼是以含有多個(gè)畫(huà)面的GOP為單元執(zhí)行的，所以，就不可能以畫(huà)面為單元編輯數(shù)據(jù)，而且畫(huà)面質(zhì)量也低于SD數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的用于SD的數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)以畫(huà)面為單元執(zhí)行壓縮、和獨(dú)立地以具有預(yù)定的宏塊數(shù)(通常為5)的段為單元執(zhí)行壓縮，所以能夠執(zhí)行以畫(huà)面為單元的搜索和高速搜索。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)與采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的裝置不兼容。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種數(shù)字記錄和回放裝置，用于根據(jù)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼圖像信號(hào)，以及用于解碼該編碼的圖像信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種數(shù)字記錄和回放方法，用于對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行編碼，以允許高速搜索和以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯，以及用于對(duì)該編碼的圖像信號(hào)進(jìn)行解碼。
為實(shí)現(xiàn)上述第一目的，提供一種用于記錄和回放數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字記錄和回放裝置，包括第一編碼器，用于以畫(huà)面為單元對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并輸出編碼的視頻數(shù)據(jù)；第二編碼器，用于對(duì)輸入音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并輸出編碼的音頻數(shù)據(jù)；包化基本流(packetized elementary stream,PES)包化器(packetizer)，用于將編碼的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)包化成各PES，并輸出視頻PES、音頻PES和用戶PES；以及傳輸流(transport stream,TS)包化器，用于將視頻PES、音頻PES和用戶PES多路復(fù)用成TS。
而且，該數(shù)字記錄和回放裝置還包括TS逆包化器(TS depacketizer)，用于從TS中提取視頻PES、音頻PES和用戶PES；PES逆包化器，用于將視頻PES、音頻PES和用戶PES分別逆包化成視頻比特流、音頻比特流和用戶比特流；第一解碼器，用于從視頻比特流中恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)；以及第二解碼器，用于從音頻比特流中恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明提供一種數(shù)字記錄和回放方法，包括以下步驟(a)以畫(huà)面為單元，對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以產(chǎn)生編碼的視頻數(shù)據(jù)；(b)對(duì)輸入的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以產(chǎn)生編碼的音頻數(shù)據(jù)；(c)將編碼的視頻數(shù)據(jù)包化成包化基本流(PES)，以產(chǎn)生視頻PES；(d)將編碼的音頻數(shù)據(jù)包化成PES，以產(chǎn)生音頻PES；(e)將用戶數(shù)據(jù)包化成PES，以產(chǎn)生用戶PES；以及(f)將視頻PES、音頻PES和用戶PES多路復(fù)用成傳輸流(TS)。
而且，該數(shù)字記錄和回放方法還包括以下步驟(g)從TS中提取視頻PES、音頻PES和用戶PES；(h)將視頻PES逆包化成視頻比特流；(i)將音頻PES逆包化成音頻比特流；(j)將用戶PES逆包化成用戶數(shù)據(jù)；(k)從視頻比特流中恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)；以及(l)從音頻比特流中恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。
通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中
圖1是普通數(shù)字記錄和回放裝置的方框圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)字記錄和回放裝置的音頻和視頻數(shù)據(jù)編碼器的方框圖；圖3示出了MPEG-2比特流的層次結(jié)構(gòu)；以及圖4是本發(fā)明的數(shù)字記錄和回放裝置的音頻和視頻數(shù)據(jù)解碼器的方框圖。
在圖1所示的普通數(shù)字記錄和回放裝置中，第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)110和120分別將輸入的模擬視頻和音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。而且，視頻數(shù)據(jù)編碼器130通過(guò)高效編碼，對(duì)由第一ADC110提供的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后將其施加到糾錯(cuò)編碼器150中。音頻數(shù)據(jù)編碼器140對(duì)由第二ADC120提供的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以便適于記錄，然后將其施加到糾錯(cuò)編碼器150中。糾錯(cuò)編碼器150將視頻數(shù)據(jù)編碼器130提供的視頻數(shù)據(jù)、和音頻數(shù)據(jù)編碼器140提供的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行混合，通過(guò)使用一種糾錯(cuò)編碼，例如，Reed-Solomon(RS)編碼，在該數(shù)據(jù)上添加奇偶校驗(yàn)(parity)，并將糾錯(cuò)編碼的數(shù)據(jù)輸出到記錄編碼器160中。記錄編碼器160根據(jù)預(yù)定的調(diào)制方案，對(duì)糾錯(cuò)編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，以便適于信道的特性，對(duì)調(diào)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，以便補(bǔ)償記錄惡化的特性，然后將均衡后的結(jié)果施加到記錄放大器170。記錄磁頭HD1將記錄放大器170放大后的信號(hào)記錄到磁帶T上。
回放磁頭HD2讀取記錄在磁帶T上的信號(hào)，而回放放大器210對(duì)該讀取的信號(hào)進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)檢測(cè)器220以回放放大器210放大的信號(hào)的同步塊為單元，檢測(cè)視頻和音頻數(shù)據(jù)。糾錯(cuò)解碼器230糾正由數(shù)據(jù)檢測(cè)器220檢測(cè)出的視頻和音頻數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，然后將糾錯(cuò)解碼的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)施加到視頻數(shù)據(jù)解碼器240和音頻數(shù)據(jù)解碼器250。視頻數(shù)據(jù)解碼器240對(duì)糾錯(cuò)解碼的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過(guò)第一數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)260輸出恢復(fù)的視頻信號(hào)。音頻數(shù)據(jù)解碼器250對(duì)糾錯(cuò)解碼的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過(guò)第二DAC270輸出恢復(fù)的音頻信號(hào)。
圖2示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的數(shù)字記錄和回放裝置的音頻和視頻數(shù)據(jù)編碼器。如圖2所示，以畫(huà)面為單元輸入的圖像信號(hào)的彩色信號(hào)，不像亮度信號(hào)那樣包括大部分可在視覺(jué)上檢測(cè)的信息，該彩色信號(hào)被下采樣器(down-sampler)301欠采樣(sub-sample)，然后被施加到幀存儲(chǔ)器302中。
離散余弦變換(DCT)部件303對(duì)幀存儲(chǔ)器302提供的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行DCT。在DCT中，能量集中在低頻區(qū)，DCT除被應(yīng)用于MPEG-1和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)外，還被應(yīng)用于壓縮其他圖像信號(hào)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槿搜蹖?duì)低頻分量比對(duì)高頻分量更加敏感，所以，甚至當(dāng)去掉許多高頻分量時(shí)，人們幾乎察覺(jué)不到圖像的惡化。通過(guò)DCT，將空間的像素值轉(zhuǎn)換到頻率域。DCT本身不能壓縮圖像數(shù)據(jù)，所以除執(zhí)行DCT外還要執(zhí)行量化。
DCT類型(type)估計(jì)器304估計(jì)，對(duì)存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器302中的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行DCT時(shí)，以幀為單元、還是以場(chǎng)為單元的壓縮率更高，從而決定DCT的類型。估計(jì)的DCT類型被施加到DCT部件303。通常，對(duì)于運(yùn)動(dòng)較多的圖像，場(chǎng)單元DCT提供更高的壓縮效率。
與MPEG-1不同，MPEG-2提供兩種DCT模式幀DCT模式和場(chǎng)DCT模式。換言之，在幀DCT模式中，逐幀執(zhí)行DCT。另一方面，在場(chǎng)DCT模式中，將一幀被分為兩場(chǎng)，即，奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)，并且在每一場(chǎng)中獨(dú)立地執(zhí)行DCT。
掃描及量化器305對(duì)DCT部件303提供的DCT系數(shù)進(jìn)行量化，以便提高壓縮率，其中如果要被編碼的比特流超過(guò)預(yù)定的比特量時(shí)，通過(guò)增加步長(zhǎng)來(lái)提高壓縮率。反之，如果要被編碼的比特流低于預(yù)定的比特量時(shí)，通過(guò)減小步長(zhǎng)相對(duì)地降低壓縮率。
在本發(fā)明中，掃描及量化器305僅有一張用于亮度和彩色信號(hào)的量化表，這是因?yàn)闆](méi)有使用運(yùn)動(dòng)估計(jì)(motion estimation,ME)。同時(shí)，在MPEG-2中，為了通過(guò)去除先前幀的時(shí)間冗余來(lái)提高壓縮率，當(dāng)從先前幀中發(fā)現(xiàn)與當(dāng)前幀的宏塊(參考?jí)K(reference block))最相似的塊(匹配塊(matchingblock))以后，產(chǎn)生與參考?jí)K和匹配塊之間的位置差別相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量、及與參考?jí)K和匹配塊之間的在像素值上的差別相對(duì)應(yīng)的估計(jì)誤差，并對(duì)該運(yùn)動(dòng)矢量和估計(jì)誤差進(jìn)行編碼。這樣，MPEG-2采用的量化器使用每一張中都存儲(chǔ)了多個(gè)步長(zhǎng)的量化表，這些步長(zhǎng)具有與未使用運(yùn)動(dòng)估計(jì)的宏塊(幀內(nèi)宏塊)、使用運(yùn)動(dòng)估計(jì)的宏塊(幀間宏塊)、以及亮度和彩色信號(hào)相應(yīng)的不同的加權(quán)。然而，因?yàn)楸景l(fā)明未使用運(yùn)動(dòng)估計(jì)，所以就不必要需要進(jìn)行大量計(jì)算的運(yùn)動(dòng)估計(jì)器。而且，本發(fā)明未使用用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的幀存儲(chǔ)器和本地解碼器(local decoder)，從而減小了硬件尺寸。
ISO/IEC 13818-2定義了關(guān)于MPEG-2的圖像壓縮編碼和解碼。在ISO/IEC 13818-2中，描述了用于描述解碼處理的術(shù)語(yǔ)(terms)、比特流的句法(syntax)和層次結(jié)構(gòu)、各個(gè)參數(shù)、以及包括可變長(zhǎng)度解碼(VLD)、反掃描(inverse scan,ISCAN)、反量化(inverse quantization,IQ)、反離散余弦變換(IDCT)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(motion compensation,MC)的多個(gè)處理過(guò)程。
而且，經(jīng)過(guò)DCT和量化后的變換系數(shù)包括許多“0”，這是由量化造成的，所以可通過(guò)執(zhí)行游程長(zhǎng)度編碼(run-length coding,RLC)來(lái)提高壓縮率。為了提高RLC的效率，只需將具有“0”的系數(shù)排列成一排，這樣掃描及量化器305按照曲折(zigzag)的方向掃描已量化的DCT系數(shù)，并排列成一排。該處理過(guò)程被稱為“掃描”。
可變長(zhǎng)度編碼器(VLC)306既執(zhí)行RLC又執(zhí)行VLC。在游程長(zhǎng)度編碼中，使用含有許多零的DCT系數(shù)的特性，輸出連續(xù)“0”的數(shù)目和后面的非零系數(shù)，作為一個(gè)碼元(symbol)。在可變長(zhǎng)度編碼中，使用概率統(tǒng)計(jì)法(probabilistic method)提高壓縮率。即，將最短的碼字分配給在游程長(zhǎng)度編碼的碼元中具有最大出現(xiàn)概率的碼元數(shù)據(jù)，而將最長(zhǎng)的碼字分配給具有相對(duì)低的出現(xiàn)概率的碼元數(shù)據(jù)。而且，VLC306多路復(fù)用可變長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)和比特率控制器309提供的步長(zhǎng)信息。緩沖器307累加VLC306提供的比特流的比特量，并將該累加的比特量施加到比特率控制器309。
而且，活動(dòng)度(activity)計(jì)算器308計(jì)算幀存儲(chǔ)器302提供的圖像數(shù)據(jù)的活動(dòng)度，以便以畫(huà)面和切片(slice)為單元估計(jì)比特量。也可以將活動(dòng)度計(jì)算器308叫做“前向分析器(forward analyzer)”。
即，為了以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯和進(jìn)行高速搜索，在將壓縮的比特量固定為每個(gè)畫(huà)面預(yù)定的比特量的同時(shí)進(jìn)行記錄，而且，用于獨(dú)立解碼的單元必須小，以便進(jìn)行高速搜索。為了使有效的壓縮編碼滿足上述條件，將用于每一切片層(slice layer)的比特量通過(guò)歸一化分配，該歸一化是在每一切片層的信息量(DCT系數(shù)的絕對(duì)值之和)和一個(gè)固定畫(huà)面的比特量之間進(jìn)行歸一化。而且，活動(dòng)度計(jì)算器308對(duì)量化步長(zhǎng)進(jìn)行估計(jì)，以便能夠輸出接近于分配的比特量的比特量。估計(jì)出的量化步長(zhǎng)可以是以切片為單元的量化步長(zhǎng)，或是以切片層的宏塊為單元的步長(zhǎng)。
因?yàn)橐援?huà)面為單元壓縮的比特量是固定的，所以，必須防止在預(yù)定的比特量以外的范圍內(nèi)的壓縮，以便獲得最大的圖像質(zhì)量。因此，比特率控制器309在實(shí)際編碼處理期間，控制以宏塊為單元的量化步長(zhǎng)，從而使在緩沖器307中累加的比特量不超出由活動(dòng)度計(jì)算器308計(jì)算的、以切片為單元分配的比特量，并把以宏塊為單元更新的實(shí)際量化步長(zhǎng)施加到掃描及量化器305。
在實(shí)際編碼處理期間，掃描及量化器305根據(jù)基于由活動(dòng)度計(jì)算器308以切片為單元分配的比特量而估計(jì)出的量化步長(zhǎng)，對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化。如果在緩沖器307中累加的比特量超出以切片為單元分配的比特量，則比特率控制器309以宏塊為單元對(duì)估計(jì)出的量化步長(zhǎng)進(jìn)行控制，從而使累加的比特量接近分配的比特量，然后，掃描及量化器305根據(jù)以宏塊為單元控制的實(shí)際量化步長(zhǎng)來(lái)量化DCT系數(shù)。切片單元的比特量是可變的，但是一個(gè)畫(huà)面中的比特量是固定的，這是因?yàn)橛涗浭窃阡浵駧У囊粋€(gè)預(yù)定區(qū)域內(nèi)執(zhí)行的。如果累加的比特量超過(guò)分配給每切片的比特量，則將超出的比特量轉(zhuǎn)移到下一切片，用于編碼處理，從而使累加的比特量不會(huì)超出畫(huà)面的目標(biāo)比特量。這樣，通過(guò)控制要被記錄到錄像帶上的比特量，就使以畫(huà)面為單元的編輯成為可能。
第一包化基本流(PES)包化器310將緩沖器307提供的比特流包化成PES。音頻編碼器311對(duì)輸入音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，而第二PES包化器312將該編碼的音頻比特流包化成PES。這里，輸入到下采樣器301的視頻數(shù)據(jù)從ADC110提供，而輸入到音頻編碼器311的音頻數(shù)據(jù)從第二ADC120提供。而且，從TS(transport stream，傳輸流)包化器314輸出的傳輸流(TS)可被施加到糾錯(cuò)編碼器150。
TS包化器314對(duì)第一PES包化器310包化的視頻數(shù)據(jù)及第二PES包化器312包化的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行包化并多路復(fù)用成適于傳輸和存儲(chǔ)的TS。除視頻和音頻數(shù)據(jù)以外，TS可包括系統(tǒng)需要的用戶數(shù)據(jù)。即，第三PES包化器313將輸入的用戶數(shù)據(jù)包化成PES，并將該P(yáng)ES施加到TS包化器314。這里，圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例包括三個(gè)分離的包化器310、312和313。然而可以使用單個(gè)包化器。
如圖3所示，經(jīng)TS包化器314多路復(fù)用(在MPEG-2中叫“句法(syntax)”)后的圖像數(shù)據(jù)具有六層的層次結(jié)構(gòu)，包括序列層(sequence layer)、GOP層、畫(huà)面層、切片層、宏塊層(MB)以及塊層。圖3中的層次結(jié)構(gòu)仿照了MPEG-2比特流的層次結(jié)構(gòu)。
在圖3中，序列層表示一組具有相同屬性的畫(huà)面，該屬性包括屏幕尺寸、屏幕比例等。GOP層作為隨機(jī)存取單元，是畫(huà)面組的最小單元。本發(fā)明的GOP層由一個(gè)畫(huà)面構(gòu)成，用于以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯。畫(huà)面層具有在畫(huà)面中作為通用屬性的圖像編碼模式。在本發(fā)明中，使用幀內(nèi)編碼模式，即，僅使用幀內(nèi)畫(huà)面(intra picture)。切片層是子畫(huà)面的公用信息，該子畫(huà)面是用預(yù)定的長(zhǎng)度從畫(huà)面中分割而來(lái)的，而且，該切片層還包括量化信息。MB層是通過(guò)分割切片層而得到的塊。最后，塊層包括DCT系數(shù)的信息。
除了以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯外，為了使用多層MPEG-2結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速搜索，將切片單元壓縮成僅包括幾個(gè)宏塊的結(jié)構(gòu)。
另外，MPEG-2定義的切片層是具有開(kāi)始碼(start code)的一系列數(shù)據(jù)流的最小單元、和具有任意長(zhǎng)度的宏塊帶(macroblock band)，該宏塊帶不能跨過(guò)多個(gè)圖像而存在。不能跳過(guò)第一和最后的宏塊。因此，如果一個(gè)切片層僅包含一個(gè)宏塊，就不可能跳過(guò)該宏塊。切片層間的重疊和跳躍是不允許的。切片的垂直位置自身包含切片開(kāi)始碼，而切片的引導(dǎo)宏塊的水平位置通過(guò)使用宏塊層的宏塊地址(macroblock address,MBA)來(lái)表示。而且，可將量化步長(zhǎng)信息和附加信息寫(xiě)在開(kāi)始碼之后，包括該切片的垂直位置。
在本發(fā)明中，使用切片層的特性，而沒(méi)有額外用于高速搜索的數(shù)據(jù)記錄，因此在多倍速模式中，僅使用磁頭讀取的數(shù)據(jù)就能夠?qū)崿F(xiàn)回放。即，在傳統(tǒng)的用于SD的數(shù)字記錄和回放裝置(攝錄一體機(jī))中，比特量在每個(gè)包括五個(gè)宏塊的段單元中是固定的，用于以段為單元獨(dú)立編碼。然后，在任意多倍速的回放模式期間，以用于獨(dú)立解碼的段為單元，在屏幕上顯示磁頭讀取的數(shù)據(jù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的段具有恒定的壓縮的數(shù)據(jù)量，而與輸入的圖像信息無(wú)關(guān)，所以在一個(gè)畫(huà)面中將相同的比特量分配給所有的段用于記錄。
然而，在本發(fā)明中，在使用MPEG-2壓縮方法時(shí)，根據(jù)用在SD格式中的段的概念，僅由幾個(gè)宏塊構(gòu)成切片層，用于高速搜索。即，在本發(fā)明中，當(dāng)幾個(gè)用于SD的宏塊被施加到切片層時(shí)，可改變壓縮的比特量，并將一個(gè)畫(huà)面的比特量固定為一個(gè)用于在錄像帶上記錄的預(yù)定的數(shù)量。通過(guò)使用該僅具有幾個(gè)宏塊的切片單元就使高速搜索成為可能。
圖4是本發(fā)明的數(shù)字記錄和回放裝置的視頻/音頻數(shù)據(jù)解碼器的方框圖。解碼處理是圖2所示的編碼的逆處理，所以，下面對(duì)其的說(shuō)明將是簡(jiǎn)略的。在圖4中，TS逆包化器(depacketizer)401將輸入TS多路分解(demultiplex)為視頻PES和音頻PES。如果該TS流包括用戶數(shù)據(jù)，則第三PES逆包化器409提取該用戶數(shù)據(jù)PES，并對(duì)TS逆包化器401提供的該用戶數(shù)據(jù)PES進(jìn)行逆包化。
第一PES逆包化器402對(duì)從TS中提取的視頻PES進(jìn)行逆包化，并將該逆包化的視頻比特流施加到可變長(zhǎng)度解碼器(VLD)403。VLD403從視頻比特流中分離量化步長(zhǎng)信息和視頻數(shù)據(jù)，對(duì)該視頻比特流進(jìn)行可變長(zhǎng)度解碼，并對(duì)該可變長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程長(zhǎng)度解碼。
反掃描及反量化器(inverse scanner & inverse quantizer)404對(duì)游程長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行反掃描，并根據(jù)在編碼處理期間提供的量化步長(zhǎng)，對(duì)該反掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化。IDCT部件405對(duì)反量化的數(shù)據(jù)執(zhí)行IDCT。上采樣器(up-sampler)406從IDCT的視頻數(shù)據(jù)中，對(duì)編碼處理期間被欠采樣的彩色信號(hào)進(jìn)行上采樣(up-samples)，以便恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)。
第二PES逆包化器407對(duì)從TS中提取的音頻PES進(jìn)行逆包化，以輸出音頻比特流，而音頻解碼器408對(duì)該音頻比特流進(jìn)行解碼，以恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。
這里，輸入到TS逆包化器401的TS是從圖1所示的糾錯(cuò)解碼器230提供的，由上采樣器406恢復(fù)的視頻數(shù)據(jù)被施加到第一DAC250，同時(shí)音頻解碼器408解碼的音頻數(shù)據(jù)被施加到第二DAC270。而且，雖然本發(fā)明的實(shí)施例采用了三個(gè)分離的PES逆包化器402、407和409，但是也可采用單個(gè)PES逆包化器。
因?yàn)楸景l(fā)明沒(méi)有采用基于當(dāng)前和先前圖像之間的相關(guān)性的方法，以便允許以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯，所以，沒(méi)有為編碼處理執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，也沒(méi)有為解碼處理執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。即，能夠以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯，是因?yàn)閮H使用了幀內(nèi)畫(huà)面，并且以具有幾個(gè)宏塊的切片為單元執(zhí)行壓縮，同時(shí)一個(gè)畫(huà)面中的比特量是固定的，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速搜索，以及使具有基于MPEG-2的系統(tǒng)層的格式的比特流也成為可能。
傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)根據(jù)其自己擁有的用于高速搜索的格式執(zhí)行壓縮，而不管是否與MPEG-2兼容。然而，本發(fā)明與滿足MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視或多媒體應(yīng)用兼容，并能執(zhí)行以畫(huà)面為單元的編輯及高速搜索，該功能是數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)的主要功能，因而拓寬了數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。這樣，既然本發(fā)明能被應(yīng)用于基于MPEG-2的多媒體產(chǎn)品，故其具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域。
如上所述，本發(fā)明的數(shù)字記錄和回放裝置及其方法采用MPEG-2編碼和解碼方案，能與采用MPEG-2的下一代數(shù)字電視、以及各種需要基于MPEG-2解碼的多媒體產(chǎn)品兼容，并且能夠執(zhí)行以畫(huà)面為單元的編輯和高速搜索。
權(quán)利要求
1.一種用于記錄和回放數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字記錄和回放裝置，包括第一編碼器，用于以畫(huà)面為單元對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并輸出編碼的視頻數(shù)據(jù)；第二編碼器，用于對(duì)輸入音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并輸出編碼的音頻數(shù)據(jù)；包化基本流(packetized elementary stream,PES)包化器(packetizer)，用于將編碼的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)包化成各PES，并輸出視頻PES、音頻PES和用戶PES；以及傳輸流(transport stream,TS)包化器，用于將視頻PES、音頻PES和用戶PES多路復(fù)用成TS。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述第一編碼器包括離散余弦變換(DCT)部件，用于根據(jù)DCT模式，以畫(huà)面為單元，對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)執(zhí)行DCT，以產(chǎn)生DCT系數(shù)；掃描及量化器(scanner & quantizer)，用于根據(jù)量化步長(zhǎng)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，并將量化的數(shù)據(jù)排列成一排；可變長(zhǎng)度編碼器，用于對(duì)排列成一排的量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程長(zhǎng)度編碼，對(duì)游程長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行可變長(zhǎng)度編碼，并輸出可變長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)；緩沖器，用于累加可變長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)的比特量，并輸出累加的比特量；活動(dòng)度(activity)計(jì)算器，用于計(jì)算視頻數(shù)據(jù)的活動(dòng)度，并以切片為單元分配比特量；以及比特率控制器，用于控制量化步長(zhǎng)，以使累加的比特量不超過(guò)以切片為單元分配的比特量。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述活動(dòng)度計(jì)算器根據(jù)以切片為單元分配的比特量來(lái)估計(jì)以切片為單元的量化步長(zhǎng)。
4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述活動(dòng)度計(jì)算器根據(jù)以切片為單元分配的比特量來(lái)估計(jì)以宏塊為單元的量化步長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述比特率控制器對(duì)以宏塊為單元的量化步長(zhǎng)進(jìn)行控制。
6.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述第一編碼器還包括下采樣器(down-sampler)，用于對(duì)來(lái)自輸入視頻數(shù)據(jù)的彩色信號(hào)進(jìn)行欠采樣(sub-sampling)；幀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)通過(guò)下采樣器的視頻數(shù)據(jù)；以及DCT類型估計(jì)器，用于估計(jì)對(duì)存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行離散余弦變換時(shí)，以幀為單元、還是以場(chǎng)為單元的壓縮率更高。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述TS包化器多路復(fù)用具有6層結(jié)構(gòu)的TS，該6層結(jié)構(gòu)包括序列層，表示一組具有相同屬性的畫(huà)面；畫(huà)面組(group of picture,GOP)層，具有一個(gè)用于以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯的圖像；畫(huà)面層，僅具有一個(gè)幀內(nèi)畫(huà)面；切片層，具有量化信息，該量化信息是用預(yù)定長(zhǎng)度分割一個(gè)畫(huà)面所得到的各子畫(huà)面的公用信息；宏塊層，是進(jìn)一步分割切片層得到的；以及塊層，具有DCT系數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字記錄和回放裝置，還包括TS逆包化器(TS depacketizer)，用于從TS中提取視頻PES、音頻PES和用戶PES；PES逆包化器，用于將視頻PES、音頻PES和用戶PES分別逆包化成視頻比特流、音頻比特流和用戶比特流；第一解碼器，用于從視頻比特流中恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)；以及第二解碼器，用于從音頻比特流中恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述第一解碼器包括可變長(zhǎng)度解碼器，用于通過(guò)從視頻比特流中提取視頻數(shù)據(jù)和量化步長(zhǎng)信息，來(lái)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行可變長(zhǎng)度解碼，對(duì)可變長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程長(zhǎng)度解碼，并輸出該游程長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)；反掃描及反量化器，用于對(duì)游程長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行反掃描，和根據(jù)量化步長(zhǎng)信息對(duì)反掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，并輸出該反量化的數(shù)據(jù)；以及逆離散余弦變換(IDCT)部件，用于對(duì)反量化的數(shù)據(jù)執(zhí)行IDCT，并輸出IDCT數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的數(shù)字記錄和回放裝置，其中所述第一解碼器還包括上采樣器(up-sampler)，用于從IDCT數(shù)據(jù)中，對(duì)在編碼處理期間被欠采樣的彩色信號(hào)進(jìn)行上采樣(up-sample)。
11.一種數(shù)字記錄和回放方法，包括以下步驟(a)以畫(huà)面為單元，對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以產(chǎn)生編碼的視頻數(shù)據(jù)；(b)對(duì)輸入的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以產(chǎn)生編碼的音頻數(shù)據(jù)；(c)將編碼的視頻數(shù)據(jù)包化成包化基本流(PES)，以產(chǎn)生視頻PES；(d)將編碼的音頻數(shù)據(jù)包化成PES，以產(chǎn)生音頻PES；(e)將用戶數(shù)據(jù)包化成PES，以產(chǎn)生用戶PES；以及(f)將視頻PES、音頻PES和用戶PES多路復(fù)用成傳輸流(TS)。
12.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字記錄和回放方法，其中，在所述步驟(a)中，僅對(duì)以幀內(nèi)畫(huà)面為單元的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以允許以畫(huà)面為單元進(jìn)行編輯。
13.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字記錄和回放方法，其中，在所述步驟(a)中，以具有多個(gè)宏塊的切片為單元執(zhí)行編碼，以允許多倍速回放，而不需要額外重排用于高速搜索的數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字記錄和回放方法，其中所進(jìn)步驟(a)包括以下子步驟(a1)從以畫(huà)面為單元輸入的視頻數(shù)據(jù)中對(duì)彩色信號(hào)進(jìn)行欠采樣；(a2)根據(jù)DCT模式，對(duì)以畫(huà)面為單元的輸入視頻數(shù)據(jù)執(zhí)行DCT，以產(chǎn)生DCT系數(shù)；(a3)估計(jì)在對(duì)視頻數(shù)據(jù)執(zhí)行離散余弦變換時(shí)，以幀為單元、還是以場(chǎng)為單元的壓縮率更高，以根據(jù)DCT模式產(chǎn)生控制信號(hào)；(a4)根據(jù)量化步長(zhǎng)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，以產(chǎn)生量化的數(shù)據(jù)；(a5)將量化的數(shù)據(jù)排列為一排；(a6)對(duì)排列為一排的量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程長(zhǎng)度編碼，以輸出游程長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)；(a7)對(duì)游程長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行可變長(zhǎng)度編碼，以輸出可變長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)；(a8)累加可變長(zhǎng)度編碼的數(shù)據(jù)的比特量，以輸出累加的比特量；(a9)計(jì)算視頻數(shù)據(jù)的活動(dòng)度，以便以切片為單元分配比特量；以及(a10)控制量化步長(zhǎng)，以使累加的比特量不超過(guò)以切片為單元分配的比特量。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，以切片為單元的比特量是變化的，而一個(gè)畫(huà)面中的比特量是固定的，并且如果累加的比特量超過(guò)以切片為單元分配的比特量，則剩余的比特量被轉(zhuǎn)移到下一切片，以便在下一切片中被用于數(shù)據(jù)編碼。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述步驟(a)還包括以下子步驟根據(jù)以切片為單元分配的比特量來(lái)估計(jì)以切片為單元的量化步長(zhǎng)。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述步驟(a)還包括以下子步驟根據(jù)以切片為單元分配的比特量來(lái)估計(jì)以宏塊為單元的量化步長(zhǎng)。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在所述子步驟(a10)中，以宏塊為單元對(duì)量化步長(zhǎng)進(jìn)行控制。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括以下步驟(g)從TS中提取視頻PES、音頻PES和用戶PES；(h)將視頻PES逆包化成視頻比特流；(i)將音頻PES逆包化成音頻比特流；(j)將用戶PES逆包化成用戶數(shù)據(jù)；(k)從視頻比特流中恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)；以及(l)從音頻比特流中恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述步驟(k)包括以下子步驟(k1)從視頻比特流中提取視頻數(shù)據(jù)和量化步長(zhǎng)信息，以對(duì)該視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行可變長(zhǎng)度解碼，并輸出可變長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)；(k2)對(duì)可變長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程長(zhǎng)度解碼，以輸出游程長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)；(k3)對(duì)游程長(zhǎng)度解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行反掃描，以輸出反掃描的數(shù)據(jù)；(k4)根據(jù)量化步長(zhǎng)信息，對(duì)反掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，以輸出反量化的數(shù)據(jù)；(k5)對(duì)反量化的數(shù)據(jù)執(zhí)行逆離散余弦變換(IDCT)，以產(chǎn)生IDCT數(shù)據(jù)；以及(k6)從IDCT數(shù)據(jù)中對(duì)彩色信號(hào)進(jìn)行上采樣，并恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種采用MPEG編碼器和解碼器的數(shù)字記錄和回放裝置及其方法。該裝置包括:第一編碼器,以畫(huà)面為單元編碼輸入視頻數(shù)據(jù)并輸出;第二編碼器,編碼輸入音頻數(shù)據(jù)并輸出;包化基本流(PES)包化器,將編碼視頻和音頻及用戶數(shù)據(jù)包化成各PES,并輸出視頻、音頻和用戶PES;以及傳輸流(TS)包化器,將視頻、音頻和用戶PES多路復(fù)用成TS。該裝置能與采用MPEG標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視或多媒體應(yīng)用兼容,并能執(zhí)行以畫(huà)面為單元的編輯及高速搜索。
文檔編號(hào)G11B20/10GK1221284SQ98121340
公開(kāi)日1999年6月30日 申請(qǐng)日期1998年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月20日
發(fā)明者金宰賢 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社