专利名称：提供可定标的压缩视频信号的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及压缩的视频系统，更具体而言涉及提供这样的压缩的视频的系统，这种视频可以用第一种分辨率以隔行扫描的形式重现或用第二种更高分辨率以非隔行扫描的形式重现。
国际标准化组织(ISO)的动画专家组(MPEG)当前正试图为视频信号的发送建立一个压缩信号的标准或协议。视频信号有两种基本形式隔行扫描信号和非隔行扫描(也叫逐行扫描)信号。隔行扫描视频的压缩比起非隔行扫描信号来具有下列优点需要较少的带宽，以及用于压缩/解压缩隔行扫描信号的产生和接收设备都可以用较低的成本来生产。电视行业趋向于看好基于隔行扫描信号的压缩的视频标准。但是，存在着几乎总是要求非隔行扫描图象的各种应用，特别是在处理视频图象的计算机界的那一部分。MPEG委员会想要同时满足这两个方面，就是说，要建立一个对最大多数的潜在用户都有用的标准。本发明就是指向这样一种压缩系统，它同时为重现隔行的和非隔行的扫描图象提供压缩信号而不会比压缩的隔行扫描信号明显地增加压缩信号的数据速率。
本发明的压缩/解压缩系统包括一个非隔行扫描的视频信号源。一个预处理器通过选择相继的非隔行扫描的图象信号中交替相隔的各行而从非隔行扫描视频信号中来构成隔行扫描的视频信号。按照已知的方法对隔行扫描的视频信号进行压缩以产生主压缩视频数据。主数据由已知的、和压缩过程相反的过程进行解压缩以重新产生隔行扫描的帧。相应于未被包含在主隔行扫描视频信号中的非隔行扫描视频信号的各插入行(intervening)的隔行扫描视频信号，是由视频信号的解压缩后的各帧经预测而得到的。此外，未被包含在主隔行扫描视频信号中的原来的非隔行扫描视频信号中的实际的各插入行实际上相当于副隔行扫描信号。副视频信号被从相应的预测视频信号中减去，以产生副场剩余量。这些剩余量经过已知的方法进行压缩而形成压缩的副视频数据。此后，主和副压缩数据被发送以供接收。主数据可由不太复杂的接收机接收以便再现隔行扫描的具有第一分辨率的图象。主和副压缩数据这两者可同时被更加复杂的接收机接收以产生非隔行扫描的有更高分辨率的图象。
附图简介
图1是非隔行扫描视频信号相应各帧的各部分格式的图解。
图2是非隔行扫描信号被分割成视频信息的主和辅助隔行扫描帧的隔行扫描帧的图解。
图3和5是实施本发明的两种不同压缩设备的方块图。
图4和6是实施本发明的两种不同的解压缩设备的方块图。
图7是把主和副解压缩的视频信号组合以形成一个非隔行扫描信号的设备的方块图。
参考图1，相应各列的字符(O和E)列是以缩写形式表示的视频信号的非隔行扫描图象(场/帧)的各行。这些图象以每秒60幅的速度产生。非隔行扫描的图象以隔行扫描图象同样的场速率产生，但包含两倍于隔行扫描视频场的行数。
隔行扫描视频作为以每秒60次的速率出现的数据的相继各场而发生。偶数场的各行在空间上是发生于奇数场的各行之间的。把相继的两场组合起来就形成了类似于一个非隔行扫描图象的一个帧。但是，由于在相继的隔行扫描场的扫描之间经历一个有限长的时间，因此隔行扫描视频帧将和相对应的非隔行扫描图象有所不同，其差别就在于在相继的隔行场的扫描之间所经历的时间内所发生的任何图象的运动。
隔行扫描视频可以从非隔行扫描视频信号中通过从交替的非隔行扫描图象中选择交替的各行而产生。请回想一下，非隔行扫描图象每秒钟发生60次而隔行扫描帧的发生率为每秒30次(标称值)。因此，如果奇数的非隔行的图象的奇数行和偶数图象的偶数行相组合，那么隔行扫描帧可以从非隔行扫描信号产生。这些帧在图2中由实线围起来的图象行的相应组合来表示，并将被称作为主帧。在从非隔行数据形成隔行帧时只用了图象信息的百分之五十。剩下的数据被安排在副帧中，如图2中由虚线所围起的部分所示。
主帧表示隔行扫描的视频数据。主帧和副帧的共同组合表示全部的非隔行扫描的数据但不是以非隔行的格式。后者包含两倍于前者的视频数据因而也就需要两倍的带宽来发送。但是，非隔行扫描信息可以用明显地较小的数据速率来发送。这可以用图3或4所示的压缩设备来完成，它们每一个都把主帧压缩为第一发送成分，并把副帧和从主帧预测所得的副帧之间的差压缩成第二发送成分。由于副帧和主帧的各行在空间上是相互交织的，因此在主副帧之间倾向于存在大量的图象冗余性。所以，从主帧预测副帧可以以很好的精度进行，从而使其剩余量几乎都是零值。由于这个缘故，压缩的剩余的数据要比压缩副帧而产生的数据的数量要少得多。
在图3和图4中都假定视频信号源10提供非隔行扫描的视频数据。视频数据分别提供给主场提取器12和副场提取器20。在主场提取器12中通过从奇数非隔行扫描图象来的奇数场的各行和从偶数非隔行扫描图象来的偶数场的各行。在副场提取器20中则通过从偶数非隔行扫描图象来的奇数场的各行和从奇数非隔行扫描图象来的偶数场的各行。各主场被耦合到压缩设备14。压缩设备14可以是运动补偿预测类型的，它首先从相继各场来的数据组成帧然后再从组成的帧产生压缩数据。这种类型的压缩设备可以在美国专利5,122,875号中找到其说明。
压缩的视频数据被送到一个传输处理器16，它把压缩数据分割成有效负载包并在包中加上标识、同步和误差校正/检测数据以便发送。打包后的数据送到调制解调器18，它对打包的数据进行调整以便送到选中的传输介质上以供传输。压缩的主场/帧合有足够的数据以便再现具有第一级的空间分辨率的隔行扫描的图象。根据不同的特定系统，空间分辨率的第一级可以相当于高清晰度电视信号，或者它也可以是稍差一点级别分辨率，例如标准的NTSC分辨率。
从压缩器14来的压缩后的主机视频信号被送到解压缩器22，它再生隔行扫描格式的主视频信号。解压缩器22是执行压缩器14的逆过程的那种类型，它与用于隔行扫描接收机中以便再生由调制解调器18所传输的压缩数据的解压缩器是相似的。再生的主视频信号送到副场预测器24。预测器24产生出位于再生的主场各行之间的行。预测器24可以部分地是一个运动补偿隔行扫描一非隔行扫描转换器中的那一部分，它从隔行扫描图象中产生非隔行扫描图象中缺失的那些行，这里，有许多种方案，它们都是在视频信号处理技术中所熟知的。
从预测器预测的副场被加到减法器26的一个输入端。同时从提取器20来的相应的副场加到减法器26的第二个输入端。减法器26所产生的差或剩余量则加到量化器28，在量化器28中它们被缩减成预定的位宽度。(如上所述，由于都要求进行数字信号处理，因此所有信号具有数字格式，并且至少在压缩之前信号是由固定位宽度的数字字所确定的。)在一般情况下视频样本由8位的字所确定。其结果是减法器提供9位的字。量化器28可以把剩余量缩减为8或7位的字。
以场格式出现的量化后的剩余量被加到压缩器30，它可以和压缩器14相类似。压缩器30提供相当于副场的剩余量的压缩视频数据，这个压缩后的视频数据送到传输处理器32。传输处理器32的工作方式类似于传输处理器16。从处理器32来的打包的数据送到调制解调器34，在那里它被进行调整以供发送。
图3的设备要求在不同的发送频道上例如在两个电缆频道上发送压缩的主场数据和压缩的副场数据。图5的设备和图3的设备相似，但却预期在同一发送频道上同时发送压缩的主场和副场数据。图5的设备是设计成对主数据和副数据时分复用的，但也应理解，主场和副场数据也可换一种方式进行频分复用。这种频分复用技术在上述的美国专利5,122,875中有说明。
参照图5，其中各元件的编号和图3备元件的编号相同，两者相似且提供相同的功能。相应的主场和副压缩数据加到时分复用装置40的相应输入端口。这个装置含有缓冲存储器(未示出)以存储由一个或另一个压缩器14和30提供的压缩数据，与此同时从另一个压缩器来的数据正在被处理。压缩过程可以安排成提供可变位速率的压缩，在这种情况下由压缩器14或30中任何一个所提供的数据量或数据速率都不是常数。在这种情况下就不可能由复用器40事先确定复用的定时。有可能大体上预测两个压缩器所提供的平均数据比例，并且这样地来安排系统，使得时分复用基本上按照这个比例来执行。即使在这种情况下主场数据总是给以优先权。如果副场数据由于主场数据在某一时间段内的数量过大而丢失，则这样的安排可以保证发送足够的信息以提供一个相当于隔行扫描图象的基本图象。一般情况下复用装置用来通过主场压缩数据并把从副场压缩器来的数据放在相应的缓冲器中排队。当这个缓冲器达到预定的充满程度时就发一个请求以便让一个副场数据的传输包被通过去。复用器继续地通过主场数据，直到一个主场包的结尾已清除复用器为止，然后通过一个副场数据的包。在副场数据被处理的期间，主场数据在主场缓冲器中进行排队。
主场和副场数据的时分复用的传输包被送到调制解调器42，它调整压缩的数据以便在单个频道上进行发送。
图6表示用于处理由图5的系统所提供的压缩数据的一个示范性接收机。图6的安排是设计成把所有由调制解调器42所发送的信息都进行解压缩，即以便显示再生的非隔行扫描的图象。用于显示隔行扫描数据的接收机只需要元件120、101、102、107和一个显示设备(未示出)。实际上无论隔行扫描接收机或者非隔行扫描接收机都不需要一个单独的多路分离器121，这里只是用来说明所需要的图5安排中的逆功能。相应的传输包含有标识代码以便指明该数据是主还是副。隔行扫描接收机被编程以便仅仅处理那些其中的数据是主场的传输包。类似地，在非隔行扫描接收机中，一次单独的逆传输处理器可以被安排成根据传输包内的主/副标识代码来执行多路分离的功能。这种多路分离一般地说明于美国专利5,122,875中。
在图6中，时分复用的发送数据由调制解调器120所接收，它提供基带压缩时分复用数据。这个数据送到多路分离器121，在那里它把主场数据传输包和副场数据传输包分开。主场数据和副场数据分别送到逆传输处理器101和104，在其中数据的有效负载和与其一起发送的附属(如同步标识等)数据分开。主场视频数据加到缓冲存储器102而副场视频数据则加到缓冲存储器106。从相应的各个包来的传输包标识符和同步数据加到控制器103。控制器103根据附属的传输包数据从两个缓冲存储器以适当的顺序提供出压缩的数据以便由设备的其余部分进行解压缩。
从缓冲存储器102来的主场压缩视频数据加到解压缩器107，它执行图5所示的压缩器14的逆功能。解压缩器107提供隔行扫描的视频数据以便在隔行扫描的显示设备(未示出)上重现图象。解压缩的隔行扫描主场数据加到副场预测器109，它和图5中的副场预测器相似。
从缓冲存储器106来的副场压缩剩余数据加到一个解压缩器108，它执行图5中压缩器39的逆功能。从解压缩器108来的解压缩数据加到一个逆量化器110，它重建解压缩的剩余量样本的原始位宽度并把它们加到加法电路111的一个输入端口。预测的副场则加到加法电路111的第二输入端口。由加法器111提供的相应的和对应于副场的象素值。请注意，剩余量Ri是预测的Pi和实际的Ai副场信息之间的差，即Ri＝Ai－Pi。因此，当解压缩的剩余量Ri和由各预测器109所提供的预测的副场数据P相加时，其结果就是实际的副场数据Ai，即Ri＋Pi＝(Ai－Pi)＋Pi＝Ai。由加法器111提供的副场是隔行扫描的格式。
由加法器111提供的和，与从解压缩器107的隔行信号结合起来，就可以用来重建原始的非隔行扫描图象的精密的表示。
图4表示一个用于处理图3的系统所提供的压缩数据的示范性接收机。图4中标有和图6中各元件所标的号相同的元件是相似的并执行同样的功能。图4的实施例的工作对熟悉信号处理技术且具有和图6的实施例有关的知识的人来说是显而易见的。
图7表明用于把图4或6中元件107和111所提供的主解压缩信号和副解压缩信号组合起来的示范性设备。这两个信号都是隔行扫描格式，因此它们的场以60赫来产生，其行的持续时间约为63.5毫秒。为了产生60赫的非隔行视频，就有必要把主场数据和副场数据的视频信号的行都临时进行压缩。在图7中，作了这样的假设，即压缩器107和加法器都提供标准的光栅扫描信号，即它们以60赫的场频和行时间63.5毫秒提供隔行场数据，尽管由于在副场预测器109中所用去的压缩时间而有不同的垂直相位。
在图7中从解压缩器107来的解压缩的主场视频信号加到补偿延迟元件140上。延迟元件140提供足够的信号延迟以补偿预测器109的处理时间，并且使主场和副场视频信号的各行正确地定时。延迟的主视频信号加到压缩器150，它临时性地把主场视频信号的相应各行从每行63.5毫秒压缩到31.75毫秒。压缩行数据加到一个二对一的复用器160的一个信号输入端。从加法器111来的副场视频信号直接加到第二临时压缩器170，它把相应的副场视频行从每行63.5毫秒压缩到31.75毫秒。这些压缩过的副视频行加到复用器160的第二输入端。复用器以两倍的水平速率切换，以便交替地提供主场和副场视频的各行，并由此而产生表示非隔行扫描视频信号的视频信号。
在下面所列出的权利要求中，术语“帧”在用于涉及到隔行扫描视频信号时所要想指明的是两个隔行场的组合，而当用于涉及非隔行扫描视频信号时，则指的是由图象的一次扫描而产生的信号所表示的整个图象。一个场指的是为形成表示隔行扫描信号的完整图象的一个帧所需要的水平行的一半。任一场的各行表示隔行扫描的帧的交替的行。
权利要求
1.一种压缩视频信号的方法，包括提供非隔行扫描视频信号的帧，和从非隔行扫描视频信号的相继帧的交替行来产生被指定为主视频信号的隔行扫描视频信号；压缩该主视频信号以提供压缩的主视频信号，并对该压缩的主视频信号进行解压缩；从该解压缩的主视频信号来预测对应于上述的非隔行扫描视频信号的各插入行的副视频信号，这些插入行在产生上述的主视频信号时未被利用；在(a)上述的副视频信号和(b)与上述的非隔行扫描视频信号的上述各插入行相对应的视频信号这二者的相应象素之间产生出差值，并压缩上述的差值；并且对上述的压缩的主视频信号和压缩的差值进行调整以供发送。
2.一种用于压缩视频信号的设备，包括一个非隔行扫描视频信号的源(10)；一个行选择器(12)，用于从非隔行扫描视频图象的相继各帧中选择交替的各行以形成隔行扫描的主视频信号的一帧，和用于从上述的相应的非隔行扫描视频图象的相继各帧中选择各插入行以形成隔行扫描视频信号的一个副帧；压缩装置(14)，它根据上述的隔行扫描主视频信号产生压缩的主视频信号；装置(22，24)，包括一个预测器，用于根据上述压缩的主视频信号来产生一个对应于上述的隔行扫描副视频信号的预测信号；一个减法器(26)，用于根据上述的预测信号和上述的隔行扫描副视频信号以产生在上述的预测信号和上述的隔行扫描副视频信号之间的相应象素的差值；装置(30)，用于压缩上述的象素差值；和装置(16，32)，用于调整上述的压缩的象素差值和上述的压缩的主视频信号以供发送。
3.如权利要求2中所述的设备，其特征在于还包括一个量化器，它连接在上述减法器的一个输出端和上述的用于压缩上述的象素差值的装置的一个输入端之间，用于在压缩之前对上述差值进行量化。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于其中所说的装置含有一个预测器，它包括一个解压缩器，连接到上述压缩装置的一个输出端，并根据上述的压缩的主视频信号以再生上述隔行扫描主视频信号；和中间行产生装置，连接到上述解压缩器的一个输出端，并根据再生的上述隔行扫描主视频信号以产生视频信号中的一些行，这些行是上述隔行扫描主视频信号的各中间行，这些中间行相对应于上述的预测的信号。
5.一种用于对压缩的视频信号进行解压缩的设备，该压缩的视频信号含有一个由非隔行扫描视频信号相继各帧的交替行中导出的压缩的隔行扫描视频信号分量，并含有一个压缩的剩余分量，这个分量是由上述的非隔行扫描视频信号的相继备帧的各插入行和由解压缩后的上述压缩隔行扫描视频信号预测而得的各相应行的差值中导出的，上述的设备包括一个检测器(120；100，105)，用于检测上述的压缩视频信号；装置(101，107，104，108)，包括一个解压缩器，连接到上述的检测器并根据检测到的上述压缩视频信号以便解压缩上述压缩的隔行扫描视频信号分量以提供主隔行扫描视频信号，并根据检测到的上述的压缩视频信号以解压缩上述的压缩剩余分量以提供一个副解压缩视频信号；一个预测器(109)，连接到上述含有解压缩器的装置，并根据上述的主隔行扫描视频信号来预测对应于上述的插入行的信号；和装置(111)，用于把上述的副解压缩视频信号的相应各行和上述的预测信号相加以产生隔行扫描副视频信号。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于还包括用于将上述隔行扫描副视频信号的奇数行和上述隔行扫描主视频信号的偶数行进行复用以产生非隔行扫描信号的装置。
7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于还包括逆量化设备，它连接在上述的用于对上述的压缩剩余分量进行解压缩的装置的输出端和上述的复用装置的输入端之间。
8.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，其中所说的压缩的隔行扫描的视频信号分量和上述的压缩的剩余分量被转换成时分复用的传输包，并且上述的用于检测上述压缩视频信号的装置合有用于分离上述压缩的隔行扫描视频信号分量的传输包和上述压缩的剩余分量的传输包的装置。
全文摘要
一种压缩/解压缩系统含有非隔行扫描视频信号源(10)。预处理器(12)通过从非隔行扫描视频信号选择相继各非隔行图象信号的交替行而建立隔行扫描视频信号。隔行扫描视频信号用已知方法压缩以产生主压缩视频数据。主数据用已知的与压缩过程相反的过程解压缩(22)以再生隔行扫描帧。相应于非隔行扫描视频信号插入行的未包括在主隔行扫描视频信号中的隔行扫描视频信号可以从视频信号的解压帧中预测而得(24)。未包括在隔行扫描主视频信号中的原来非隔行扫描视频信号的插入行被形成于隔行扫描副视频信号中。副视频信号被从预测视频信号中减去以生成副场剩余量。这些剩余量被以已知方法压缩(30)以形成压缩副视频数据。主和副压缩数据然后被发送(18，34；40，42)以便由隔行扫描接收机或非隔行扫描接收机接收。
文档编号G06T9/00GK1127055SQ94192709
公开日1996年7月17日 申请日期1994年6月17日 优先权日1993年7月7日
发明者W·夸克, 小·B·W·拜尔, B·阿亚兹发, J·W·兹德普斯基 申请人:Rca汤姆森许可公司