專利名稱：提供壓縮的非隔行掃描視頻信號的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮的視頻系統(tǒng)，更具體地說涉及提供這樣的壓縮視頻的系統(tǒng)，這種視頻可以用第一種分辨率以隔行掃描形式重現(xiàn)或者可以用第二種更高分辨率以非隔行掃描形式重現(xiàn)。
當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的動畫專家組(MPEG)正試圖為視頻信號的發(fā)送建立一個壓縮信號的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。視頻信號有兩種基本形式隔行掃描信號和非隔行(又稱逐行)掃描信號。隔行掃描視頻的壓縮比非隔行掃描信號具有下列優(yōu)點所需帶寬較小和用于壓縮和解壓縮隔行掃描信號的產(chǎn)生和接收設(shè)備都可以有較低的生產(chǎn)成本。電視業(yè)界傾向于看好基于隔行掃描信號的壓縮視頻信號標(biāo)準(zhǔn)。但是，存在各種的應(yīng)用，它們總是要求非隔行掃描的圖象，特別是在處理視頻圖象的計算機(jī)行業(yè)中的那一部分。MPEG委員會希望同時滿足這兩個方面，也就是說，要建立一個對最大數(shù)量的潛在用戶都有用的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明就是以這樣一種壓縮系統(tǒng)為目標(biāo)的，它同時為重現(xiàn)隔行的和非隔行的掃描圖象而提供壓縮信號而又不會比壓縮的隔行掃描信號明顯地增加壓縮信號的數(shù)據(jù)率。
本發(fā)明的壓縮/解壓縮系統(tǒng)包括一個非隔行掃描的視頻信號源(1∶1，60赫)。一個預(yù)處理器通過選擇相繼的非隔行圖象信號中的交替行來從非隔行掃描視頻信號構(gòu)成(2∶1，60赫)隔行掃描視頻信號。隔行掃描視頻信號是按照MPEG協(xié)議的I，D和B幀壓縮算法而被壓縮的，這里I幀是幀內(nèi)壓縮的，P幀是從最近的I幀或前面的各P幀進(jìn)行幀間預(yù)測壓縮的，B幀是從其所處的前面的和相繼的I幀和P幀進(jìn)行雙向幀間壓縮的。I、P和B幀壓縮是這樣進(jìn)行的，即在相繼的I/P幀之間有大于1的奇數(shù)個B幀(例如，壓縮幀的順序可以按照I、B1、B2、B3、P、B1、B2、B3、P、B1、B2、B3、I、B1...等的順序)。I壓縮幀、P壓縮幀和交替的B壓縮幀(在示范性順序中的B2幀)選擇性地形成了主壓縮(2∶1，30赫)的隔行視頻信號，以便由隔行掃描接收機(jī)來再現(xiàn)圖象。插入的B幀(intervening B-frames)則選擇性地形成了副壓縮視頻。壓縮的主和副視頻信號由非隔行掃描的接收機(jī)接收，以再現(xiàn)非隔行掃描的圖象，而單獨(dú)的主信號可以由隔行掃描的接收機(jī)來再現(xiàn)圖象。
插入的B幀含有原始非隔行掃描視頻和主視頻信號之間的差值信息。對于熟悉視頻壓縮技術(shù)人來說，應(yīng)該理解，B幀壓縮比I或P壓縮幀來說所產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)要少得多。因此，按照上述系統(tǒng)，為擴(kuò)增主數(shù)據(jù)以產(chǎn)生非隔行掃描圖象所需的壓縮信息可以在僅僅適量地增加壓縮信息的情況下來提供。
附圖簡介

圖1是非隔行掃描視頻信號相應(yīng)各幀的部分的格式的圖解。
圖2和2A是非隔行信號分割成視頻信息的主和副隔行掃描幀后的隔行掃描幀的兩種不同形式的圖解。
圖3是實施本發(fā)明的壓縮設(shè)備的方塊圖。
圖4和5是用于B幀壓縮的兩種幀間壓縮的關(guān)系。
圖6是用于再現(xiàn)由圖3的設(shè)備發(fā)送的圖象的示范性非隔行掃描接收機(jī)的方塊圖。
參考圖1，字母(O和E)的相應(yīng)各列以縮寫形式表示在視頻信號的非隔行掃描圖象中的(場/幀)各行。這些圖象以每秒60幅的速率產(chǎn)生。非隔行掃描圖象以隔行掃描圖象的場速率產(chǎn)生，而且含有作為隔行掃描視頻的一場的兩倍數(shù)的行。
隔行掃描視頻是作為以每秒60次的速率產(chǎn)生的相繼各數(shù)據(jù)場而產(chǎn)生的。偶數(shù)場的各行在空間上位于奇數(shù)場的各行之間。把兩個相繼的場組合就形成類似于非隔行掃描圖象的一個幀。但是，由于在掃描相繼的隔行掃描場之間要經(jīng)歷一個有限長的時間，因此隔行掃描視頻的一幀將和相對應(yīng)的非隔行掃描圖象有所不同，其差別就在于掃描相繼的隔行場之間所經(jīng)歷的時間內(nèi)所發(fā)生的任何圖象的運(yùn)動。
隔行掃描視頻可以從非隔行掃描視頻信號中通過從交替的非隔行掃描圖象中選擇交替的各行而產(chǎn)生。請回想，非隔行圖象以每秒60次的速率發(fā)生而隔行掃描幀以每秒30次(標(biāo)稱值)的速率發(fā)生。因此，如果奇數(shù)的非隔行的圖象的奇數(shù)行和偶數(shù)圖象的偶數(shù)行相組合，那么，隔行掃描幀可以從非隔行掃描信號產(chǎn)生。這些幀由圖2中由實線所圍繞的圖象行的相應(yīng)組合(I、P和B幀)所表示并將被稱作為主幀。在由非隔行數(shù)據(jù)形成隔行幀時只利用了百分之五十的圖象信息。剩下的數(shù)據(jù)被安排成副幀(幀B1和B2)，在圖2中它們由虛線括起來表示。副幀和主幀相互交錯，且相應(yīng)的副幀和從兩個非隔行掃描的圖象來的主幀共享數(shù)據(jù)。
主幀表示隔行掃描視頻數(shù)據(jù)。主幀和副幀的共同組合表示非隔行掃描的全部數(shù)據(jù)，但不是非隔行格式。
圖2A說明從多余的非隔行掃描數(shù)據(jù)形成副幀的第二種方法。圖2A所示的副幀可以說成是和主幀編織在一起的，而且相應(yīng)的副幀與從兩個非隔行圖象來的一個主幀共享數(shù)據(jù)。應(yīng)該指出，互相編織的副幀的奇數(shù)場和偶數(shù)場處于臨時的相反順序中。這在壓縮是根據(jù)MPEG的協(xié)議進(jìn)行時是沒有什么關(guān)系的，因為MPEG支持一個標(biāo)志，該標(biāo)志表明相應(yīng)幀的兩個場中哪一個應(yīng)該首先顯示。
MPEG協(xié)議期望的壓縮順序是I、B、B、B、P、B、B、B、P、B...，因此，像圖2或2A中所示的視頻數(shù)據(jù)幀的序列就可以用標(biāo)準(zhǔn)的MPEG壓縮設(shè)備來壓縮。這樣的設(shè)備的一個例子在美國專利5,122,875中就有說明。
這里的圖4表明在B幀的預(yù)測編碼中正常的幀間相互關(guān)系。在圖4中從一個幀發(fā)出而在另一幀終止的箭頭表明了預(yù)測的關(guān)系。例如，從第一個P幀引出并終止于I幀的箭頭表明第一個P幀是由I幀預(yù)測的。類似地從第二個P幀引出并終止于第一個P幀的箭頭表明第二個P幀是由第一個P幀預(yù)測的。每一個位于一對固定幀(即anchor frames，在此，固定幀是I和P幀)之間的相應(yīng)的B幀是由它們所處的兩個固定幀之間的其中的一個預(yù)測的。例如，第一個B1幀的預(yù)測是由I幀進(jìn)行的，另一個則由第一個P幀進(jìn)行。在兩個預(yù)測中，如果較好的一個預(yù)測的質(zhì)量超過了最低預(yù)測判據(jù)，則選擇其較準(zhǔn)確的預(yù)測。如果不是這樣，則用兩個預(yù)測的平均值來形成預(yù)測。如果這個平均后的預(yù)測不能滿足最低預(yù)測判據(jù)，則至少該幀的一部要做幀內(nèi)壓縮。
圖5說明另外一種壓縮算法，其中的在中間插入的B幀(即幀B1、B2)是由最近的相鄰幀雙向預(yù)測的。這樣，第一個B1幀是由I幀和第一個B幀預(yù)測的。第一個B2幀則由第一個P幀和第一個B幀預(yù)測，并依此類推。圖5的壓縮算法使壓縮/解壓縮硬件稍微變復(fù)雜一些，因為壓縮器和解壓縮器的工作存儲器必須擴(kuò)大以存放一個第三幀，這個幀就是相繼發(fā)生的B幀。
圖3表示示范性的壓縮設(shè)備。視頻信號源10提供例如1∶1，60赫的速率的非隔行掃描數(shù)據(jù)。這個視頻數(shù)據(jù)提供到一個非隔行-隔行掃描轉(zhuǎn)換器12。轉(zhuǎn)換器12把非隔行掃描圖象的數(shù)據(jù)分成奇數(shù)場和偶數(shù)場的數(shù)據(jù)，例如，奇數(shù)的水平行分到奇數(shù)場中，偶數(shù)的水平行分到偶數(shù)場中。相應(yīng)的各個場Fi由轉(zhuǎn)換器12以2∶1，120赫的速率輸出，其順序為FOn，F(xiàn)En+1，F(xiàn)On+1，F(xiàn)En+2，F(xiàn)On+2等等，這里FO和FE分別表示奇數(shù)場和偶數(shù)場，其下標(biāo)則表示非隔行掃描的圖象，這些場就是從這些圖象導(dǎo)出的。另外，由于MPEG壓縮設(shè)備名義上是在幀的基礎(chǔ)上壓縮視頻數(shù)據(jù)的，所以轉(zhuǎn)換器12可以提供視頻數(shù)據(jù)的幀。相應(yīng)的幀將由前面的場(FOn，F(xiàn)En+1)，(FOn+1，F(xiàn)En+2)，(FOn+2，F(xiàn)En+3)等的交錯的各行所構(gòu)成，如果副幀是交替的話。對于被編織的副幀，則由轉(zhuǎn)換器12提供的幀的順序?qū)?FOn，F(xiàn)En+1)，(FOn+1，F(xiàn)En)，(FOn+2，F(xiàn)En+3)，(FOn+3，F(xiàn)En+2)等來出現(xiàn)。
從轉(zhuǎn)換器12來的隔行場送到壓縮器14，它按照MPEG協(xié)議在幀的基礎(chǔ)上壓縮各場以產(chǎn)生一序列的壓縮幀。MPEG協(xié)議是相當(dāng)靈活的，因此它允許不同的幀內(nèi)-幀間壓縮序列。這就是說，壓縮設(shè)備是可編程的，以便在I幀之間選擇不同的B-P序列。這樣，人們可以規(guī)定在P幀之間有兩個B幀，也可以在P幀之間有3個B幀等等。目前的應(yīng)用方案建議在固定幀之間有奇數(shù)的B幀。特別是，在各固定幀之間有3個B幀的一個序列(如圖2所示那樣)可以方便地形成隔行掃描的主壓縮視頻信號以便在隔行掃描接收機(jī)中再現(xiàn)圖象。此外，它也容易形成一個副壓縮信號，它和主信號結(jié)合后可以重現(xiàn)非隔行掃描圖象。
從而元件14來的壓縮視頻信號送到選擇器15，后者把壓縮的幀I、B和P與B1和B2幀分開。I、B和P壓縮幀構(gòu)成了主隔行掃描信號并加到第一總線，B1和B2構(gòu)成了副信號并加到第二總線。這兩個信號一起加到傳輸處理器16，后者把相應(yīng)的信號數(shù)據(jù)分割成有預(yù)定數(shù)量的包。為每個包都生成同步、標(biāo)識和誤差校正數(shù)據(jù)并把它們附加在包上以形成供發(fā)送用的傳輸包。相應(yīng)信號的傳輸包可以是時分復(fù)用形式的并被送到調(diào)制解調(diào)器28，后者對時分復(fù)用信號進(jìn)行處理以便在所要求的發(fā)送介質(zhì)上發(fā)送。另外也可以把兩個相應(yīng)的打包的信號加到分開的調(diào)制解調(diào)器上以便在獨(dú)立的頻道(例如兩個電纜頻道)上進(jìn)行發(fā)送。
圖6表示用于處理主和副壓縮視頻信號的時分復(fù)用形式的示范性的接收機(jī)。圖6的設(shè)計是安排成把所有由調(diào)制解調(diào)器28所發(fā)送的信息全部解壓縮，亦即顯示再生的非隔行掃描圖象。僅僅被用來顯示隔行掃描數(shù)據(jù)的接收機(jī)只需要單元120、101、102、107、108和一個顯示設(shè)備(未示出)。實際上無論隔行掃描接收機(jī)或者非隔行掃描接收機(jī)都不需要單獨(dú)的多路分離器121，它在這里示出的僅僅是為了說明圖3的設(shè)計中所要求的逆功能。相應(yīng)的傳輸包含有表明數(shù)據(jù)是主還是副的標(biāo)識代碼。隔行掃描接收機(jī)被規(guī)定只處理其中的數(shù)據(jù)標(biāo)明已被為主數(shù)據(jù)的那些傳輸包。與此類似，在非隔行掃描接收機(jī)中，一個單獨(dú)的逆?zhèn)鬏斕幚砥骺梢栽O(shè)計成根據(jù)在傳輸包里的主/副標(biāo)識代碼來執(zhí)行多路分離功能。這種多路分離類型總的說來在美國專利5,122,875中有說明。
在圖6中，時分復(fù)用發(fā)送的數(shù)據(jù)由調(diào)制解調(diào)器120接收，這個調(diào)制解調(diào)器提供基帶壓縮時分復(fù)用數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)被送到多路分離器121，后者把主場數(shù)據(jù)傳輸包和副場數(shù)據(jù)傳輸包分開。主場和副場數(shù)據(jù)分別送到逆?zhèn)鬏斕幚砥?01和104，在那里，壓縮的視頻信號有效負(fù)載和與它一起發(fā)送的附屬(如同步、標(biāo)識等)數(shù)據(jù)被分開。主場數(shù)據(jù)送到緩沖存儲器102，而副場數(shù)據(jù)則送到緩沖存儲器106。從相應(yīng)的包來的傳輸包標(biāo)識符和同步數(shù)據(jù)送到控制器103?？刂破?03根據(jù)附屬的傳輸包數(shù)據(jù)把從兩個緩沖存儲器來的壓縮視頻信號提供給格式器105。格式器105是一個二對一的復(fù)用器，它根據(jù)控制器103把緩沖存儲器102和106中所含的壓縮幀重新形成由圖3中壓縮器14所提供的壓縮的隔行幀序列。由于副信號僅含有B幀(幀間預(yù)測幀)，它不能在與主信號重新組合之前獨(dú)立于主信號而進(jìn)行解壓縮。相反，原來的壓縮幀序列必須在解壓縮之前重新建立。
從格式器105來的重新排序的壓縮幀(I、B1、B、B2、P、B1、B2、P、B1...)送到解壓縮器107，后者執(zhí)行壓縮器14的逆過程并輸出解壓縮的(2∶1，60赫)隔行掃描視頻幀。不過請回想一下，原來的隔行掃描數(shù)據(jù)的每一幀曾經(jīng)是兩個相繼的非隔行掃描視頻圖象導(dǎo)出的。為了重新建立非隔行圖象，從解壓縮器107來的隔行掃描視頻加到一個后處理器108，后者把相繼的隔行場重新格式化成非隔行圖象。后處理器108根據(jù)以奇-偶場序列提供的隔行場重新把這些場排序以提供非隔行圖象的各幀，這些幀有下列各場的組合(FOn，F(xiàn)En-1)，(FOn+1，F(xiàn)En)，(FOn+2，F(xiàn)En+1)...等等。這可以很簡單地由以下方法實現(xiàn)，即先把解壓縮的場按照它們由解壓縮器中出現(xiàn)的次序?qū)懭氪鎯ζ?，然后按照上面所指出的場的組合作為非隔行掃描的圖象來從這樣的存儲器中讀出這些場的組合。
不論壓縮是按照圖4或是圖5所畫出的算法而執(zhí)行的，接收機(jī)中的解壓縮器107都必需執(zhí)行逆功能。這對各種替換的系統(tǒng)的預(yù)處理器、傳輸處理器、或后處理器都沒有影響。
權(quán)利要求
1.一種用于提供非隔行掃描壓縮視頻信號的設(shè)備，包括一個非隔行掃描1∶1 N赫視頻信號源(10)(N是預(yù)定的圖象率)；一個預(yù)處理器(12)，它根據(jù)上述的非隔行掃描視頻信號來產(chǎn)生一個2∶1 N赫的隔行掃描視頻信號，其中該隔行掃描視頻信號的相應(yīng)各幀含有第一和第二場，每個第一場是從相應(yīng)的非隔行掃描圖象導(dǎo)出的，而一幀的第二場是從一個相鄰的非隔行掃描圖象導(dǎo)出的；一個屬于這種類型的壓縮器(14)，用于按照幀內(nèi)I、預(yù)測P、和雙向預(yù)測B壓縮過程來壓縮視頻信號的各個幀，并根據(jù)上述的2∶1 N赫隔行掃描視頻信號來提供視頻信號的壓縮幀，以便使大于1的奇數(shù)個雙向B壓縮幀出現(xiàn)在幀內(nèi)I和預(yù)測P壓縮幀之間；選擇器裝置(15)，用于選擇I、P和第二次出現(xiàn)并且交替的B壓縮幀(在I和P或P和P壓縮幀之間)，以形成一個2∶1(N/2)赫主壓縮隔行掃描視頻信號，并用于選擇插入的B壓縮幀來形成一個副壓縮信號；和裝置(16，28)，用于調(diào)整上述的主和副壓縮信號以供發(fā)送。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的用于調(diào)整的裝置包括傳輸處理裝置，后者用于把每個主和副壓縮信號形成相應(yīng)的傳輸包，其中含有預(yù)定量的上述壓縮信號和附屬信息，該附屬信息包括識別和誤差檢出信息；并用于把上述主壓縮信號和上述副壓縮信號的傳輸包進(jìn)行時分復(fù)用。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的預(yù)處理器提供視頻信號的主隔行掃描幀，其每一幀包含一個由非隔行掃描圖象導(dǎo)出的奇數(shù)場和一個由下一個相繼非隔行掃描圖象導(dǎo)出的隔數(shù)場，并提供交錯的副幀。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的預(yù)處理器提供視頻信號的主隔行掃描幀，其每一幀包含一個由非隔行掃描圖象導(dǎo)出的奇數(shù)場和一個由下一個相繼非隔行掃描圖象導(dǎo)出的偶數(shù)場，并提供被互相編織的副幀。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的用于調(diào)整的裝置包括傳輸處理裝置，后者用于把每個上述的主和副壓縮信號形成為相應(yīng)的傳輸包，它包括預(yù)定數(shù)量的上述壓縮信號和附屬信息，該附屬信息包括識別和誤差檢測信息；并用于調(diào)整相應(yīng)的主和副壓縮信號的上述傳輸包，以便在分開的發(fā)送頻道上發(fā)送。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的壓縮器從包括I、P或B幀在內(nèi)的最鄰近的各幀來雙向預(yù)測上述的插入的B壓縮幀。
7.一種用于解壓縮這樣類型的壓縮視頻信號的設(shè)備，該類信號包括對應(yīng)于2∶1 N赫壓縮的隔行掃描視頻信號的主壓縮分量信號(N赫是預(yù)定的幀速率)，和表示與上述的主分量的各幀相互交錯或相互編織的隔行掃描幀的副壓縮分量信號，上述的主和副壓縮分量出現(xiàn)在包含有信號標(biāo)識符的相應(yīng)的傳輸包中，該設(shè)備包括用于檢測上述主和副壓縮信號的裝置(120)；裝置(101、104、105)，根據(jù)在檢測到的上述主和副壓縮信號的傳輸包中的上述的信號標(biāo)識符來組成一個壓縮信號，這個信號由上述的副壓縮分量信號的幀和上述的主壓縮分量信號的幀交替地組成；一個解壓縮器(107)，根據(jù)上述的主和副壓縮分量的交替幀所構(gòu)成的信號來產(chǎn)生一個2∶1 N赫隔行掃描解壓縮的視頻信號。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一個后處理器，用于根據(jù)上述的2∶1 2N赫隔行掃描解壓縮的視頻信號來把這樣的信號轉(zhuǎn)換成為一個1∶1 2N赫的非隔行掃描信號。
9.一種用于解壓縮這樣類型的壓縮視頻信號的設(shè)備，該類信號包括對應(yīng)于2∶1 N赫壓縮的隔行掃描視頻信號的主壓縮分量信號(N赫是預(yù)定的幀速率)，和表示與上述的主分量的各幀相互交錯或相互編織的隔行掃描幀的副壓縮分量信號，上述的主和副壓縮分量出現(xiàn)在包含了信號標(biāo)識符的相應(yīng)的傳輸包中，該設(shè)備包括上述主和副壓縮分量的源；一種裝置，它響應(yīng)在上述的主和副壓縮分量的傳輸包中的信號標(biāo)識符來組成一個由上述的副壓縮分量信號的壓縮幀與上述的主壓縮分量信號的幀交替出現(xiàn)的信號；一種包含解壓縮裝置的裝置，它根據(jù)由上述的主和副壓縮分量交替出現(xiàn)的壓縮幀來提供一個1∶1 2N赫的非隔行掃描信號。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，其中所說的包含解壓縮裝置的裝置包括一個解壓縮器，根據(jù)上述的主和副壓縮分量的交替出現(xiàn)的幀來提供一個2∶1 2N赫的隔行掃描解壓縮的視頻信號；和一個后處理器，根據(jù)上述的2∶1 2N赫的隔行掃描解壓縮的視頻信號來把這樣的信號轉(zhuǎn)換成一個1∶1 2N赫的非隔行掃描信號。
全文摘要
一種壓縮/解壓縮系統(tǒng)，包括(1∶1 60赫)非隔行掃描視頻信號源(10)。預(yù)處理器(12)從非隔行掃描視頻信號通過選擇相繼的非隔行圖象信號的交替行而構(gòu)成(2∶1 60赫)隔行掃描視頻信號。隔行掃描視頻信號按照MPEG協(xié)議的I、P和B幀壓縮算法被壓縮(14)。I、P和B幀被壓縮，從而在相繼的I/P幀間有大于1的奇數(shù)個B幀(例如壓縮幀的序列可能符合I、B1、B2、B3、P、B1、B2、B3、P、B1、B2、B3、I、B1...等)。I、P壓縮幀和交替的B壓縮幀(在示范序列中為B2幀)選擇性地形成(15，16)主壓縮(2∶1 30赫)隔行視頻信號，以便由隔行掃描接收機(jī)再生圖象。插入的B幀選擇性地形成副壓縮視頻。主和副壓縮視頻信號由非隔行掃描接收機(jī)接收以再現(xiàn)非隔行掃描圖象，單獨(dú)的主信號可由隔行掃描接收機(jī)再現(xiàn)圖象。
文檔編號H04N7/32GK1136877SQ94192712
公開日1996年11月27日 申請日期1994年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月7日
發(fā)明者K·M·烏茲 申請人:Rca.湯姆森許可公司