专利名称：捕获并在光存储介质上记录音频和视频数据的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明与数字音频和视频记录器相关。本发明特别适合数字音频和视频记录器的消费者实时捕获数字音频和视频数据，并在CD-R或CD-RW存储介质中回放和记录。
尽管模拟音频和视频记录器或卡式录像机在家庭中已经非常普及，在市场上仍然没有商业化的消费类数字音频和视频记录器。
Dazzle Multimedia公司开发了一种称为Dazzle的外部模块，用户能用它或个人计算机的并行端口馈送组合视频流和模拟音频数据。例如见美国设计专利No.411523。模块中的视频编码器对视频数据进行编码，同时音频信号由主处理器进行编码。通过Dazzle及其后继产品，摄录机的用户能够把记录的音频和视频信息作为MPEG1文件输入计算机，这些文件可以发送到web上或保存在CD-R或Zip驱动器中。
Dazzle并没有被广大消费者接受，这是因为它的视频质量比VHS录相带和光盘差。另外，由于Dazzle没有CD-DA记录功能，它的音频数据回放也不能令人满意。最重要的是，使用Dazzel捕获的音频和视频数据必须使用专门的创作工具进行格式转换，而且保存在存储介质上也需要几个步骤。
下面介绍具有数字音频/视频功能的产品是插入个人计算机的，例如Optibase公司的插卡。Optibase VCD编码系统能进行实时的MPEG1音频和视频编码。这类产品一般用于VCD专业应用，随配置的不同，价格一般为2,000至20,000美元。MPEG音频和视频编码通过硬件(MPEG视频专用编码器和音频DSP)完成，系统复用器由主处理器完成。与前面的产品一样，经编码压缩的数据保存在硬盘上，在经过多个创作和格式步骤后传送到CD-RW上。
除了具有与Dazzle类似的缺点，这种插卡示的数字音频/视频记录器价格昂贵，一般为专业使用。
最近，Philips Semiconductors公司宣布将它的Trimedia视频和音频处理器TM1300与Stream Machine公司的单片MPEG-2视频编解码器SM2210捆绑在一起，作为数字音频/视频记录运用的总体解决方案。现在还不能确定使用这种处理器和芯片是否能在经济地生产消费类产品的同时保证足够的盈利。
数字音频/视频记录器要能同时编码和回放音频和视频信号，并记录在CD-R或CD-RW存储介质上，要使它被消费者广泛接受存在着经济和技术两方面的问题。一方面，数字音频/视频记录器在价格和质量方面要能够与模拟音频/视频记录器相比，这样用户才会选择数字产品。另一方面，市场上的MPEG编码器和解码器还需要过多的辅助存储和处理能力，这就使数字音频/视频记录器超出了普通用户的承受能力。
本发明的一个目标是为音频/视频记录器定义能把对外部存储器和主处理器需求减到最少的数据和指令系统。
本发明的另一个目标是配置一种操作系统和嵌入式控制部件，以协调实时MPEG编码和解码与CD-RW写入的不同要求。
本发明的又一个目标是在经济、高效写入CD-RW的同时实现实时的MPEG视频和音频编码及解码。
本发明是一种数字音频和视频记录器，它能实时捕获音频和视频数据，回放和记录在CD-R或CD-RW光存储介质上。该系统结构把高频的视频元件隔离，从而把噪声减到最小，并输出符合MPEG要求的信号。本发明通过接收流数据的音频驱动接口，不仅能够实时进行视频捕获和回放而不需要主处理器，同时还能够把音频和视频流记录在光存储介质上，而不需要缓冲管理开销。综上所述，实现了一种消费类的数字音频/视频记录器。
图1A是使用主处理器实现的数字音频和视频记录器系统体系结构总图。
图1B是一个MPEG音频/视频模块的详细框图，它在图1A数字音频和视频记录器总图中使用。
图2是最新的MPEG音频/视频处理器的框图，在实现消费类数字音频和视频记录器中可能使用。
图3是本发明的接收流视频信号以及与控制器接口的音频驱动特性框图，不仅能进行音频/视频数据的实时回放，还能同时将音频/视频数据保存在光存储介质上。
图4是图3所示数字音频和视频记录器控制器的详细框图。
图5A是图4中控制器在初始化光盘驱动器记录方式时的时序图。
图5B是图5中控制器在对图3中光盘驱动器进行初始化记录终止块时的时序图。
图1是使用主处理器15实现数字音频和视频记录器5的系统体系结构总图。记录器5至少包括一个MPEG音频和视频编解码器模块10，象带有ATAPI或IDE接口25和30这类现成数据CD-R/W驱动器20的数据引擎，一个用户接口35，缓冲器40和45，以及存储器50。除了MPEG音频和视频编解码器模块外，所有其它关键部分都是标准化产品，随处都可以得到。例如主处理器15就可能是一个16-bit处理器。
另一方面，MPEG音频和视频模块可能是一个独立而复杂的模块，如图1B所示。MPEG音频和视频模块10的关键元件包括至少一个MPEG视频编码器12，至少一个MPEG音频编码器14，以及至少一个控制器16。当前编解码器模块10由大量的元件组成，它们并不是为了协同工作而设计的。例如，MPEG视频编码器12可能是C-Cube公司的编码器CLM4111，音频编码器则可能是AnalogDevices公司的ADSP2181。控制器16更可能是复杂、拥有知识产权的专用集成电路(ASIC)，以提供具有不同主处理器要求的器件间的接口。
为消费市场集成如图1A所示数字音频和视频记录器的挑战是把独立的音频和视频流多路转换到整个MPEG系统流中，从而保持回放过程中的音频和同步。对于如图1B所示的视频和音频处理器，由于它们的独立时钟和处理器反应时间，要在目前平台上同步这两种基本数据流几乎是不可能的。
图2是最新MPEG音频和视频处理器55的框图，它可用于实现数字音频和视频记录器。处理器55是一种描述Trimedia的系统处理器，Philps Semiconductors公司把它与Stram Machine公司的单片MPEG-2视频编解码器SM2210捆绑在一起，作为数字音频/视频记录应用的总体解决方案。现在还不能确定使用这种处理器和芯片是否能在经济地生产消费类产品的同时保证足够的盈利。
图3是带有一个音频引擎驱动器80数字音频和视频记录器60的框图，它能接收流音频和视频信号，提供与控制器75的接口，不仅能实时回放音频和视频数据，而且能同时将音频和视频数据记录在光存储介质上。本发明60包含集成的视频板65，音频模数转换器70，控制器75，驱动器80和用户接口85。视频板65对线61输入的数据进行捕获、数字化和压缩。与其类似，音频模数转换器70对从线63接收的音频数据执行同样的功能。应了解本图中的数字音频和视频记录器还需要有电源电路和回放功能才能正常工作。在这里没有明确画出是为了避免混淆本发明新的特点。同样，人们熟知用于光驱、模数转换器及用户接口的元件也没有画出，以免分散对下述数字记录器的注意力。
参看图3，视频板65包括视频解码器62，视频编码器64，数字信号处理器(DSP)66和附属的逻辑电路68。视频板65中的所有关键模块都是高频元件。本发明在一块板上把这些高频元件编组和隔离有两个主要原因(1)它能把噪声减到最小，并使输出符合MPEG标准；(2)它能进一步对信号通路集成。视频板的体系结构是本发明的一个创新特性。视频解码器62把线61用作输入视频信号。典型的视频输入包括来自摄录机，VCR，电视和其它视频源的模拟信号。当视频信号由线61馈入时，解码器62在将它们由通路67输出到视频编码器64前，进行捕获和数字化处理。视频编码器64在把它们传送到DSP66以前，压缩经数字化的视频信号。插入在视频编码器64与DSP66之间的是粘合逻辑电路68，它同步通路71上的压缩视频信号和来自音频模数转换器70通路73上的压缩音频信号。
具体在本发明中，视频解码器62的最佳选择是Phlips公司的SAA7113芯片。同样，视频编码器64包括Zapex Research公司的Z1001芯片。DSP66为Texas Instruments公司的VC5402。最后，附属逻辑电路使用Altera公司的EPM7064芯片。
仍然在图3中，记录器60的音频信号通路的前端是音频模数转换器70。转换器70捕获线63上的音频信号，先进行数字化，然后作为输入由DSP66编码，并与压缩视频信号同步。同时，音频信号也输入到控制器75，以用于直接回放。控制器70及它与DSP66、CD-RW驱动器80的互动将在下面详细说明。
图4是本发明数字音频和视频记录器60中控制器75的详细框图。控制器75包含模数转换器(ADC)72，数模转换器(DAC)74，微控制器单元(MCU)76和多路转换器(MUX)78。模数转换器72正象音频模数转换器70，在线63上接收作为输入的音频信号；它将输入信号数字化，传送到多路转换器78，如果DAC74从用户接口85收到命令，这些信号还将用于回放。多路转换器78还与CD-RW驱动器80耦合，目的是分别按照DSP和MCU的命令传输同步和压缩的音频和视频信号。MCU76是Hitachi公司的控制器，用于调整记录器60的记录功能。MCU一方面通过线77和79与DSP66耦合，另一方面通过线81与CD-RW驱动器80耦合。控制器调整CD-RW驱动器与压缩的A/V流数据记录，而不需要外部存储器的能力也是本发明的另一创新特性。
在图4中，CD-RW驱动器80通常代表只能记录音频信号的一类音频引擎。它与图1A中CD-RW驱动器20的区别是省略了ATAPI或IDE接口，以及用于同步数据记录的逻辑。一般来说，数据引擎能接收突发模式的数据输入，而不适于记录那些直接以流数据模式发送的实播视频和音频信号。MPEG要求压缩的音频和视频信号以1.5Mbps的数据率写入。尽管音频引擎以流模式记录数据，它也能在需要时检测关键MPEG轨迹的题头。也就是说，如果音频引擎无法检测MPEG轨迹的连接块和前缝，就会造成不可逆的数据损失。
在本发明的首选元件中，CD-RW驱动器80包含光驱动单元CDL4009和音频引擎芯片组CDU3800，两者都由Philips公司生产。除了标准的PC CD块编码器、解码器及ATAPI接口外，CD-RW驱动器还有称为DSA-R的系列命令接口，以用于CD引擎和DSP的直接数据交换。应了解作为Philips公司的驱动器，任何音频引擎都有类似的特性，均可用于实现本发明。
为满足消费市场对数字音频和视频记录器的要求，记录器必须有进行实时回放和记录在光存贮介质上的能力，同时还必须要求最少的缓冲器，并且成本不能超过上限要求。在本发明的图3中示出控制器75中的MCU76必须协调DSP66的传输流数据和CD-RW驱动器80的写入过程。
本发明没有公共时钟和任何存储器，而必须协调DSP与CD-RW驱动器的互动，保证两者之间的流数据传输同步，以防止数据丢失或引入噪声。
本发明通过把MCU76作为主控而把CD-RW作为受控，克服了缓冲存储器的开销，并满足了MPEG的同步要求。图5A和5B是MCU76在CD-RW驱动器80的流数据开始和结束时的时序图。首先，MCU76在通路83上向CD-RW驱动器发出命令准备记录。这就是图5A中步骤91和93所表述的内容。应注意CD-RW驱动器80有一个新的端口SYN92，它通过通路83与MCU76耦合，用于发送确认信号。MCU76也在这里配置DSP66，以执行图5A步骤97的音频和视频编码。在这里，DSP按MPEG的要求配置链接和前缝长度，以及前后边际。应特别注意这些配置都是变量，而不是在数据引擎传输中的那些标准固定长度。当CD-RW驱动器80和DSP66都如图5A中步骤99所示的准备就绪，MCU76向CD-RW驱动器80发出启动(Start)命令，并监视CD-RW驱动器80的SYN端口。当SYN92如图5A中步骤100所示的变为高电平，CD-RW驱动器80在实际记录DSP66的流数据以前先记录T毫秒。同时，MCU76在DSP66由通路85传输输出T-t毫秒后发送释放(Release)命令。在记录开始后，CD-RW驱动器80和DSP66之间的流数据是同步的。
为终止记录CD-RW驱动器80与DSP66之间的流数据，MCU76在通路79上向DSP66发送Stop命令。在从MCU76收到Stop命令以后，DSP清空它的数据。DSP66也将如图5B的步骤105所示开始写入后边际。DSP66接着向MCU76发送一个信号。MCU76向CD-RW驱动器80发送一个终止信号，如图5B的步骤107所示。CD-RW驱动器80在X毫秒后停止记录，如步骤109所示。
按图5A和5B描述的同步图，低价格的数字音频和视频记录器能够回放，和把符合MPEG标准的音频和视频数据实时记录在光存储介质上，而不需要任何缓冲开销。同样，接受可变长度链接和前缝的MPEG轨迹使本发明能适应各种音频引擎，而由此确保记录数据的完整性和保真度。因此，本发明能实际替代独立的模拟视频盒式记录器。
本发明也能以其它特定形式实现，而不放弃其基本的特性要素。当前阐述的组合方式考虑了所有的相关层面，但并不仅限于此，与本权利和要求在意义和范围上等效的所有扩展和改变都包括在内。例如在某种替代配置中，CD-RW驱动器可变成主控，而DSP成为受控。
权利要求
1．一种实时捕获和记录音频和视频信号的系统，其特征是所述系统包含至少一个视频解码装置，用来接收视频信号；至少一个与视频解码装置耦合的视频编码装置，用来接收视频信号，这种视频信号编码成一种预先确定的格式；至少一个音频转换装置，用来接收音频信号；至少一个与视频编码装置和音频编码装置耦合的信号处理装置，用来接收格式化的视频信号和音频信号；至少一个与信号处理装置耦合的控制器，用来接收组合音频和视频信号，也就是说控制器装置进一步接收音频和视频信号；至少一个与信号处理装置和控制器装置耦合的光记录装置，用来接收和在光存储介质上记录组合音频和视频信号，光记录装置与信号处理装置通过控制器装置通信；由此系统实时记录音频和视频信号，而不需要主处理器和存储器开销。
2．一种用于实时捕获和记录音频和视频信号的方法，其特征是所述方法包含以下步骤使用至少一个视频解码装置捕获视频信号；使用至少一个与视频解码装置耦合的视频编码装置格式化视频信号，视频信号被编码成预先确定的格式；使用至少一个音频转换装置捕获音频信号；从至少一个与视频编码装置和音频转换装置耦合的信号处理装置接收格式化的视频信号和音频信号；使用至少一个控制器装置接收组合音频和视频信号，控制器装置进一步接收音频和视频信号；使用至少一个与信号处理装置和控制器装置耦合的光记录装置接收和将组合音频和视频信号记录在光存储介质上，光记录装置与信号处理装置在处理装置上通信，由此得到实时记录音频和视频信号，而不需要主处理器和存储器开销的。
3．一种在实时捕获和记录音频和视频数据系统中用音频光记录装置协调发送和在光存储介质上记录压缩音频和视频数据的方法，该系统包含至少一个视频编码装置，一个音频编码装置和一个控制器装置，其特征是所述方法包含以下步骤由所述控制器装置请求一同步信号作好所述音频光记录装置的准备；由控制器装置通过插入可变链接和前缝长度，以及格式化MPEG轨迹中的前后边际配置音频编码装置和视频编码装置；在第一个预先确定的延迟后，激活音频光记录装置的记录功能前，由控制器装置监视音频光记录装置，以返回同步信号；在第二个预先确定的延迟后释放音频编码装置和视频编码装置，把压缩音频和视频数据传送到音频光记录装置；该方法由此实现了用音频光记录装置在光存储介质上实时记录压缩的音频和视频数据，而不需要存储器的开销，通过调整MPEG轨迹中可变链接和前缝长度，实现数据传输同步的智能控制。
全文摘要
本发明是能实时捕获音频和视频数据,回放,记录在CD－R或CD－RW光存储介质上的数字音频和视频记录器。隔离高频视频元件的系统体系结构把噪声减到最小,输出符合MPEG标准的信号。通过本发明与接收流数据的音频驱动器的接口,本发明不仅能实时捕获和回放视频而不需要主处理器,而且能在光存储介质上记录音频和视频流而无需缓冲器管理开销。因此实现消费类的数字音频和视频记录器。
文档编号H04N5/84GK1319992SQ0110060
公开日2001年10月31日 申请日期2001年1月5日 优先权日2000年1月6日
发明者王志红, 陈启兴, 林金生, 刘吟英, 邓隐胜, 吴洪刚 申请人:新晔科技有限公司