专利名称：用于将信息编码到视频信号中的系统及方法
技术领域：
本发明涉及视频信号编码领域，并特别涉及一种通过将新的数据内容交织到视频信号的动态部分来将信息编码到视频信号中的系统。
背景技术：
电视广播、消费录影带、各种存储的多媒体视频格式，以及实况的或是录制下来的无线广播都在变得越来越复杂，它们具有许多种信道格式，而且对于增添与这些系统相关的新的服务及数据也提出了更高的要求。多种不同的发射方法已经被使用来向各种广播格式的视频信号中交织含有附加信息的内容数据，这些广播格式包括全国电视系统委员会制式(NTSC)、数字高级电视系统委员会制式(ATSC)、顺序彩色与存储制式(SECAM)，或是逐行倒相制式(PAL)相容的广播格式。动态和空白部分都已经被加以利用。对于亮度和色度载波的不同改变也普遍被采用，比如在智能用户电报中，文本信息被用来替代视频信号动态部分中的视频部分。
其他已知的数据交织技术包括将数据交织到一个视频信号的垂直和水平消隐期内。一个有名的例子是一种闭路字幕系统，主要用来帮助听力受损的人群。借助于这类数据交织技术，文本数据可以被编码到垂直消隐期内。
这些已知技术已经由许多厂商公布出来。一种技术，如美国专利5663766和5929920号的技术说明中所公布的，它向一个视频信号中加入一个载波信号，该载波信号被数字信息调制。这个已调制的载波信号所处的频率不同于视频信号频谱峰值所在的频率。一台接收机被安排来在光学上感测视频信号，并恢复任何被编码的数字内容数据。从而，该接收机就可光学地观测到屏幕亮度。
发明内容
本发明克服了已知的缺点，它在一个视频信号的动态部分中提供了一条额外的传输通道。实现这一点并没有对普通消费视频显示器-如电视机-上所显示的视频可视内容造成负面影响。在视频信号的动态部分中，视频内容被内容数据所替代。例如，在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上，而不是垂直或水平消隐期上，用内容数据的调制帧替代亮度信息。这样就为内容数据提供了额外的传输通道。
本发明包括一种系统，用于将信息编码到一个视频信号的视频数据流中，该系统包括一个调制及视频同步电路，用来将内容数据转换为至少一个含有视频同步信息的数据调制帧；以及一个交织器，它可连接到所述的调制及视频同步电路上，以便将数据调制帧交织到视频数据流至少一个所选的扫描线中。
该系统包含一个数据调制及视频同步电路，用来将内容数据转换为至少一个含有视频同步信息的数据调制帧。一个交织器被连接到该电路上，以便把内容数据的调制帧交织到视频数据流的至少一个所选扫描线中，该视频数据流被调制成一个符合广播标准的视频信号。一个解码器接收这个编入了内容数据的视频信号并提取出该内容数据。该解码器包含一个扫描线去交织器，用来把视频扫描线从视频数据流中分离出来成为一个内容数据调制帧。一个直流恢复电路为内容数据恢复一个直流偏置电平。一个比特及帧同步电路同步内容数据调制帧，接着是解调器/解码电路，它把内容数据调制帧解调并解码成为内容数据。
本发明的另一方面，一个视频信号解码器电路接收一个符合广播格式的视频信号并将该视频信号转换为要用内容数据编码的视频数据流。这个视频信号符合一种广播格式，其中包括全国电视系统委员会制式(NTSC)、数字高级电视系统委员会制式(ATSC)、顺序彩色与存储制式(SECAM)，或是逐行倒相制式(PAL)相容的广播格式。
本发明还包括一种用于将信息编码到一个视频信号中的方法，该方法包括在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上用一个内容数据调制帧替代视频信号中的亮度信息的步骤，以便在视频信号中提供一条额外的信息通道。
下面将参照附图并通过举例方式对本发明进行说明，附图中图1示出了用于将信息编码到一个范例NTSC视频信号中的系统的框图，该框图示出了本发明的基本电路，其中包括一个交织器以及视频信号格式化电路；图2示出了图1中所示用于编码信息的系统的一部分的框图，该框图更详细地示出了一个范例视频信号格式化电路，该电路用于NTSC相容的广播格式；图3示出了一个解码器的框图，该解码器可在本发明中被用来从一个视频信号中提取内容数据，该视频信号已经用内容数据编码；图4示出了一个视频帧的例子，该例中示出了被替换到顶部和底部视频扫描线中的内容数据调制帧；图5示出了一张展示工作方法的高层流程图；图6示出了可用于本发明的AVI文件或是CCIR数据流的的动态视频帧；图7示出了一行信息的例子，该行信息可被替代到动态视频帧的一个视频扫描线中；图8示出了一张表格，该表中展示了在对图6所示的动态视频帧进行交织的过程中能生成何种符号；图9示出了整个系统的视图，展示了一个用户在住宅中使用本发明的情景。
具体实施例方式
本发明是有利的，它在视频信号的动态部分中提供了一条额外的传输通道，而没有对视频显示器-如普通的消费者电视或是其他视频显示设备-上的可视视频内容造成负面影响。它允许在一个视频信号的动态部分中用内容数据替代一定数量的视频。在它最一般的形式中，本发明在一个视频信号动态部分的一条或多条扫描线上用一个内容数据调制帧替代亮度信息，而不是象许多已有技术应用中那样在垂直或水平消隐期上替代。这样就为内容数据提供了一条有利的额外传输通道。如图4中所示，在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上，最好是在视频信号的顶部和底部扫描线上，视频信号中的亮度信息已经用内容数据调制帧替代了。这些扫描线通常对应于视频显示器的顶端或是底端，这些部分通常是完全或部分被遮蔽看不到的。
本发明可以用于多种不同类型的视频信号，包括已存储好的录像带、各种多媒体格式比如具有动态视频帧AVI文件，以及实况或录制的无线广播。任何广播视频信号都最好是符合全国电视系统委员会制式(NTSC)、数字高级电视系统委员会制式(ATSC)、顺序彩色与存储制式(SECAM)，或是逐行倒相制式(PAL)相容的广播格式的视频信号。
图1-3示出了本发明整个系统10的基本框图，该系统用来把信息作为内容数据编码到视频信号上(图1和图2)，还示出了一个被用来解码视频信号的解码器12(图3)，所述视频信号的视频动态部分的一条或多条扫描线被内容数据调制帧替代，以提供额外的信息通道。
尽管基本电路框图会根据那些精通本技术的人所作的改变而变化，但是下面将相应于一个符合NTSC广播格式标准的视频信号进行说明。
如图1中所示，一个NTSC视频信号进入基本视频处理电路，正如精通本技术的人们都知道的那样，该电路包括一个消隐期处理电路14和亮度色度处理电路16。Y视频信息信号从亮度色度处理电路16发送到水平与垂直同步检测电路18，如精通本技术的人所知，该传送是利用基本视频处理电路进行的。一个数据转换、缓冲及同步电路20从消隐期处理电路14接收消隐信息信号，并从亮度色度处理电路16接收Y数据与CrCb数据，还从水平与垂直同步检测电路18接收检测到的数据。该数据转换、缓冲及同步电路将适合广播的视频信号转换成为一种适合交织的视频数据流，交织过程将在下面说明。一个或门电路22允许对接受自已存储视频数据库24的已存储视频数据进行处理，并能起到选择视频信号源的转换器作用，或是能够合并来自两个数据源的视频。
储存在增强型内容数据库26中的内容数据以及来自实况增强型内容数据流28的视频在或门电路30中被选取或是合并，随后在一个调制及视频同步电路32中调制，该电路被标注为增强型数据编码器及调制器。电路32把接收自增强型内容数据库26或是实况增强内容数据流28的内容数据转换成至少一个数据调制帧，该帧中含有要传送给交织器34的同步信息。该电路32还会通过比如封装来添加合适的错误编码信息，以及视频同步信息，包括比特及帧标志。
同时，视频数据流的一部分被传送给一个交织处理及控制电路36，该电路与调制及视频同步电路32以及交织器34协同工作，对内容数据调制帧进行同步并将其正确交织到视频数据流。交织器从一个用来进行缓冲及同步定时的缓冲器电路38接收视频数据流，并在该视频数据流的至少一个所选扫描线中交织内容数据调制帧。
如图4中所示，本发明的一个特点是允许在一个视频信号的顶部和底部视频扫描线中交织数据调制帧，这些扫描线对应于视频显示器的顶端和底端部分，通常是被遮蔽而不可见的。数字视频从交织器34输出到一个视频信号格式化电路40中，该电路接收经过交织的视频数据流，并通过精通本技术的人所熟知的技术把该视频数据流格式化为一个符合已知广播格式的视频信号。在本发明的例子中，如图2所示，所述的广播格式是NTSC广播格式。
如图2中所示，其中视频数据流被格式化为一个NTSC标准的视频信号，视频信号格式化电路包括一个亮度色度数据分离器电路42，它接收来自交织器34的数字视频数据流，它将分离后的数据信号分别送入Y滤波器电路44和C滤波器电路45，电路45又与色度调制器电路46相连，就如精通本技术的人所知的那样。复制保护信息48通过求和电路50a、50b被加入到来自Y滤波器电路44和色度调制器电路46的信号中。一个垂直消隐期数据处理电路52被连接到一个求和电路54上，电路54被连接到Y滤波器求和电路50a上并输出一个亮度输出信号。这个信号的一部分被发送到一个求和电路56，该电路接收来自求和电路50b的经复制保护的色度调制信号的一部分，用于构成复合输出信号。一个色度输出信号从求和电路50b接收。
一个可用于本发明的解码器12在图3中被示出。示为60的虚线内装置对应于一个标准视频处理芯片，比如一块Intersil 8117视频处理芯片。芯片60含有标准视频处理功能组件，包括一个自动增益控制及箝位电路62。由电路62开始，信号分别由一个消隐期处理电路64、亮度色度处理电路66以及水平与垂直同步检测电路68进行处理，其中电路66用于输出Y数据和CrCb数据，而电路68则接收Y数据。一个数据转换、缓冲及同步电路70接收来自消隐期处理电路64的消隐信息、来自亮度色度处理电路66的Y及CrCb数据，以及来自水平与垂直同步检测电路68的同步信号。电路70数字式地将视频信号处理成一个视频数据流。
虚线装置72所示的一个扫描线分离及恢复电路从视频数据流中提取出内容数据调制帧。如图所示，一个扫描线去交织器电路74把含有编码内容数据的视频扫描线从视频数据流中分离出来成为一个数据调制帧。一个直流恢复电路76为内容数据恢复出直流偏置电平。该电路起到了直流过程控制的作用，并可确定中级视频信息，比如它已经被转换为单个合成信号或是亮度的是否是一个RGB以及什么是可用的。从而，亮度值就可在此时被分离出来。直流恢复就在这些值上完成，并能起到辅助直流恢复的作用，因为可以根据输入信号获知顶部和底部的区域。
一个比特与帧同步器电路78确定作为编码序列一部分的帧标志和帧序列。这些在最初的编码中就作为同步的一部分而被编入。该电路能够确定出标志序列并通过精通本技术的人所熟知的技术利用独立的采样率进行同步。众所周知，它还能通过处理电路和技术来消除系统噪声及传输中产生的噪声。如果使用了更高阶的调制技术，那么这个比特与帧同步器电路78还可以包含一个均衡器。解调器/解码电路80将数据调制帧解调并解码成内容数据。这样就接受到了内容数据。
图5示出了一张基本的高层流程图，展示了依照本发明处理一个视频信号的基本方法。一个视频数据流被接收以使用内容数据进行增强(模块100)。内容数据被接收并转换成内容数据帧(模块102)。同步信息及调制数据被加入到内容数据帧中以形成一个内容数据调制帧(模块104)。内容数据调制帧被交织到视频数据流的至少一条被选取的扫描线中(模块106)。视频信号流被转换成一个视频信号和广播(模块108)视频信号被一个解码器接收(模块110)并被解码成为一个视频数据流(模块112)。内容数据从视频数据流中被提取出来(模块114)。
现在参照图5-6描述对AVI文件进行交织的交织过程。举例来说，一方面，假定一个要用内容数据进行增强的AVI文件被打开，使得视频画面的各个帧都能被修改。该视频可能是以比如29.97FPS工作的。AVI文件的每一帧中都有若干扫描线可以被替换。这个AVI文件可能是被构建成以480×720 RGB象素来形成一个动态视频帧的(图6)，也可以使用其他象素分辨率。RGB象素可被假设为是用15比特包表示的，也就是，XRRRRRGGGGGBBBBB。
如图7中所示，可以被替换到视频扫描线中的一行信息包含5个符号的时钟入口、13个符号的同步数据、2个符号的同步保护、2个符号的数据ID、2个符号的帧标志、208个符号的数据内容、2个符号的保留空间以及4个符号的时钟出口，它们构成了一个总共有238个符号714个RGB象素的非限制例子。该行中可以交织不同的数据字段，并能象图8中所示的表格那样被生成。当然这里也可以使用不同的构建帧标志及数据字段的技术，这些技术是精通本技术的人所熟知的。
尽管与图6-8相关的说明描述了可使用MP3音频数据或其他数据的对AVI文件的交织过程，但也可以使用对精通本技术的人所建议的其他技术。
图9示出了处在住宅中的居民如何使用本发明的系统。已录制视频源150或是已录制数据源152可以从一个标准视频中被获取并由计算机系统154编码，该计算机系统拥有合适的编码软件及算法，它们利用本发明的系统形成宽带的增强型视频内容，该视频内容再被发送给视频母机156进行拷贝或广播。录像带或是广播传送允许住宅中的用户在一台标准VCR、DVD、DSS或是电缆设备中进行接收，并且宽带的增强型视频内容在本发明的宽带内容解码器166中被解码。解码后的数据被提供给外部接收装置168进行进一步处理。标准电视机172被示为接收视频信号。
一个系统(10)及一种方法，通过在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上用一个内容数据调制帧替代视频信号中的亮度信息来编码信息，从而在视频信号上提供了一条额外的信息通道。一个调制及视频同步电路(32)把内容数据转换为至少一个含有视频同步信息的内容数据调制帧。一个交织器(34)被连接到调制及视频同步电路(32)，并将内容数据调制帧交织到视频信号的至少一个选取的扫描线中。
权利要求
1.一种用于将信息编码到一个视频信号的视频数据流中的系统，包括一个调制及视频同步电路，用于将内容数据转换为至少一个含有视频同步信息的数据调制帧；以及一个连接到所述的调制及视频同步电路的交织器，用于把数据调制帧交织到视频数据流的至少一个所选扫描线中。
2.根据权利要求1所述的一种系统，其特征在于一个解码电路，用于接收已经用内容数据进行编码的视频数据流，并从中提取内容数据，其中所述的解码电路包括一个扫描线去交织器，用于把含有编码内容数据的视频扫描线从视频数据流中分离出来成为内容数据调制帧，所述的解码电路还包括一个直流恢复电路，它为数据调制帧中的任意内容数据恢复一个直流偏置电平。
3.根据权利要求2所述的一种系统，其中所述的解码电路包括一个比特与帧同步器电路，用于同步内容数据调制帧，还包括解调器/解码电路，用于将内容数据调制帧解调并解码成内容数据。
4.根据权利要求1所述的一种系统，其特征在于一个视频信号解码器电路，用于接收一个符合某种广播格式的视频信号并将该视频信号转换为将被用内容数据进行编码的视频数据流，其中，所述的符合某种广播格式的视频信号包括全国电视系统委员会制式(NTSC)、数字高级电视系统委员会制式(ATSC)、顺序彩色与存储制式(SECAM)，或是逐行倒相制式(PAL)相容的广播格式中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种系统，其特征在于一个连接到所述交织器的视频信号格式化电路，用于接收已经交织了内容数据调制帧的视频数据流，并将该视频数据流格式化成一个符合广播格式的视频信号，该系统还包含一个解码电路，用于接收已经用内容数据编码的视频信号并提取该内容数据，而该解码电路包含一个视频信号解码器以及一个扫描线分离与恢复电路，前者用于把视频信号转换成一个视频数据流，而后者用于从视频数据流中提取出内容数据。
6.一种用于将信息编码到一个视频数据流中的编码器，它包括一个交织器，用来接收一个视频数据流和一个含有视频同步信息的内容数据调制帧，并将该数据调制帧交织到视频数据流的至少一个选中的视频扫描线中，所选的视频扫描线在视频显示器上实质是被遮蔽而不可见的。
7.根据权利要求6所述的一种编码器，其特征在于一个调制与视频同步电路，用于将内容数据转换成至少一个含有视频同步信息的数据调制帧，该编码器还包含一个视频信号解码器电路，用来接收一个符合广播格式的视频信号并将该视频信号转换为将要用内容数据编码的视频数据流。
8.一种用来解码一个视频信号的解码器，所述视频信号动态部分的一条或多条扫描线上的亮度信息已经由一个内容数据调制帧替代，从而在视频信号上提供一条额外的信息通道，该解码器包括一个视频信号解码器以及一个扫描线分离与恢复电路，前者将视频信号转换为一个视频数据流，后者从视频数据流中提取出内容数据。
9.根据权利要求8所述的一种解码器，其中所述的扫描线分离与恢复电路还包括一个扫描线去交织器，用来把含有编码内容数据的视频扫描线从视频数据流中分离出来成为一个内容数据调制帧，其中所述的扫描线分离与恢复电路还包括一个连接到所述扫描线去交织器的直流恢复电路，它作用于所述的视频数据流来为编码在数据调制帧中的内容数据恢复一个直流偏置电平。
10.根据权利要求9所述的一种解码器，其特征在于一个比特与帧同步器电路，用于同步内容数据调制帧，以及一个解调器/解码电路，用来把内容数据调制帧解调并解码成内容数据。
11.一种用来将信息编码到视频信号中的方法，包括在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上用一个内容数据调制帧替代视频信号中的亮度信息，从而在视频信号上提供一条额外信息通道的步骤。
12.根据权利要求11所述的一种方法，其特征在于通过将一个内容数据帧与视频同步信息封装在一起来形成数据调制帧的步骤，该方法还包括嵌入帧序列和帧标志以用于同步的步骤，包括通过将内容数据流与纠错及调制信息一同编码来形成内容数据调制帧的步骤，以及至少在一个视频信号的顶部或是底部视频扫描线之一上用内容数据调制帧进行替换的步骤，这些扫描线对应于视频显示器的顶端或是底端，它们实质上是被遮蔽而不可见的。
13.一种用来把信息编码到电视信号的视频信号中的方法，包括用一个内容数据调制帧替换视频信号中顶部或是底部视频扫描线中至少之一的步骤，这些扫描线对应于视频显示器的顶端或是底端，它们在电视上通常是被遮蔽而不可见的，其中所述的内容数据包括数字内容数据，该数据与纠错及调制信息一起被编码成为一种视频信号广播格式。
14.一种处理视频信号的方法，包括以下步骤接收一个视频信号作为将要用内容数据进行增强的视频数据流；把内容数据转换为内容数据帧；向内容数据帧中加入视频同步信息与调制数据以形成一个内容数据调制帧；把内容数据调制帧交织到视频数据流的至少一条选中的视频扫描线中；把视频数据流转换为用于广播的视频信号；在解码器中接收视频信号并将视频信号转换成视频数据流；以及从视频数据流中提取内容数据，该提取步骤包括为任意内容数据恢复一个直流偏置电平的步骤，包括在一个比特与帧同步器电路中消除系统噪声及传送所产生的噪声的步骤。
全文摘要
一个系统(10)及一种方法通过在视频信号动态部分的一条或多条扫描线上用一个内容数据调制帧替代视频信号中的亮度信息来编码信息，从而在视频信号上提供了一条额外的信息通道。一个调制及视频同步电路(32)把内容数据转换为至少一个含有视频同步信息的内容数据调制帧。一个交织器(34)被连接到调制及视频同步电路(32)，并将内容数据调制帧交织到视频信号的至少一个选取的扫描线中。
文档编号H04N7/08GK1531818SQ01819825
公开日2004年9月22日 申请日期2001年10月23日 优先权日2001年6月19日
发明者理查德·弗利奥, 理查德 弗利奥 申请人:哈里公司