专利名称：在atsc信道上广播独立编码信号的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种数字视频广播，具体涉及用于数字视频信号的先进编码方法的应用。
背景技术：
已经通过越来越强大的压缩算法和有效实现这样的压缩方法所需要的数字处理能力中的相应改进的开发来满足对于在有限传输基础结构中的视频通过量的持续的增加需求。在所述压缩处理的操作中，在传输站点由编码器作用于数字化视频信号信息，所述编码器执行期望的压缩算法，并且作为输出产生视频比特流，所述视频比特流需要比原始的视频信号信息本应需要的传输带宽实质小的传输带宽。在向一个接收站点传输那个被压缩的视频比特流后，一个解码器作用于所述比特流，所述解码器将压缩处理反转，并且恢复原始的视频信号信息。
由高级电视系统委员会(ATSC)颁布的用于美国的数字电视广播的当前标准使用基于MPEG-2(运动图象专家组)的视频和音频压缩来广播HDTV(高清晰度电视)业务。但是，可以在使用基于MPEG-2压缩的6MHz信道上支持仅仅一个HDTV业务或多达6个标准清晰度业务。先进视频压缩技术(诸如MPEG-4)的使用将使得同一6MHz信道可以至少两倍地有效。可以在一个6MHz信道上承载例如2个高清晰度信道或多达12个标准清晰度信道。另外，MPEG-4支持用于向具有小显示器的器件发送信号的低比特率的信道。相反，MPEG-2在以低比特率进行发送中效率很低。利用MPEG-4第10部分编码，有可能在400Kbps以高质量发送四分之一VGA分辨率。因为四分之一VGA分辨率大致是VCR质量，可以在一个ATSC 6MHz信道上发送50个这样的信道。
另外，用于MPEG-4的先进差错恢复和可扩缩工具使得可以建立坚固的视频分配系统，这对于以低比特流工作的器件通常是困难的。但是，因为ATSC标准被限制到以MPEG-2编码来工作，因此不能使用现有技术的ATSC数字视频来实现MPEG-4的优点。
发明内容
用于数字电视广播的ATSC标准除了通常的音频和视频信道之外还指定了数据信道。一种方法被提供用于使用ATSC数据信道来广播MPEG-4视频流，对于MPEG-4视频流，可以建立新的视频服务。MPEG-4流可以被封装为MPEG-2 PES(分组化基本流)或直接被封装为MPEG-2传送分组。这些机制使得能够同步广播用于ATSC数字TV系统的MPEG-4流，而在数据广播时不改变ATSC标准。本发明的一个实施例使用用于广播MPEG-4视频和音频流的ATSC地面传输系统来用于移动和非移动接收机。
图1是ATSC广播系统的高级示意说明；图2是按照本发明的方法的、被修改来工作的ATSC广播系统的高级示意说明；图3提供了按照本发明的一个实施例的、用于将MPEG-4数据封装为ATSC传送流的分组的方法的示意说明；图4提供了按照本发明的第二实施例的、用于将MPEG-4数据封装为ATSC传送流的分组的方法的示意说明；图5提供了按照本发明的第三实施例的、用于将MPEG-4数据封装为ATSC传送流的分组的方法的示意说明。
具体实施例方式
在美国，按照由高级电视系统委员会(ASTC)颁布的标准来提供HDTV和其他高级电视服务，基本的这样的标准的是ASTC标准A/53，ASTC数字电视标准。另外，如在背景技术部分中所述，按照由称为MPEG-2的运动图像专家组颁布的标准来执行在ASTC先进电视系统中的数字电视信号的编码和发送，所述称为MPEG-2的运动图像专家组颁布的标准被正式指定为国际标准ISO/IEC13818，信息技术-运动图像和相关联的音频信息的一般编码。(可以注意到美国HDTV按照与MPEG-2不同的音频编码的标准，但是在此不讨论这个不同)。
图1中示出了ATSC高级电视系统的主子系统的高级示意图解。可以在这个附图中看出，所述系统包括应用(视频/音频)编码和压缩子系统101、服务多路复用和传送子系统102和RF/发送子系统103。所述应用编码和压缩子系统包括视频编码和压缩110和音频编码和压缩112，它们是按照ATSCA/53标准被提供的。除了注意视频应用基于MPEG-2标准并且这些输入功能的细节对于本领域内的技术人员的是公知的之外，在此不需要进一步讨论ASTC视频和音频编码和压缩功能。
数据信道114也按照ATSC标准A/90、ATSC数据广播标准来作为输入被提供给所述系统。虽然编码和/或压缩的一些形式可以被应用到使用数据信道对于所述系统的数据输入，但是这样的编码/压缩在所述标准的范围之外，因此在所述附图中未示出。下面更详细地说明数据信道的操作。
服务多路复用和传送子系统的服务多路复用功能部件120工作来将数字数据流划分为信息的分组，包括每个分组或分组类型的唯一标识，并且将视频流分组、音频流分组和数据流分组多路复用为单个的传送流。传送功能部件122使用MPEG-2传送流协议，并且也将在下面更详细地被说明。实时时钟123按照公知的原理提供对于传送功能部件122和服务多路复用功能部件120的定时参考。
RF/发送子系统(103)包括信道编码功能部件130、调制功能部件132和传输媒体134，它执行对本领域内的技术人员公知的功能，在此不必进一步讨论。来自RF/发送子系统的输出信号被发送到接收机(具有解码器136)，并且所述信号被解调、解码和解压缩以恢复原始信号信息。
ATSC传送功能基于MPEG-2系统规范，包括使用通过首标识别的固定长度的分组。每个首标识别一个特殊的应用比特流，也称为基本比特流，它形成分组的有效载荷。被支持的应用包括视频、音频、数据、程序和系统控制信息。用于视频和音频的基本比特流本身在传送处理之前被包装在被称为分组化基本流(PES)的可变长度分组结构中。共享公共的时基的基本比特流被多路复用为节目。
ATSC传送功能也遵照MPEG-2系统编码规范，其中基本流可以被多路复用为程序流或传送流。通过将具有公共时基的PES分组的一个或多个流组合为单个流而产生程序流。传送流将具有一个或多个独立时基的一个或多个程序组合为单个流。传送流也被设计用于可能存在差错的环境，诸如在有损或有噪声的媒介中的发送。
经由ATSC数据信道114(按照ATSC标准A/90)发送的数据被封装为MPEG-2传送流分组的有效载荷。A/90标准考虑了各种数据发送方法，包括同步数据流式传送(Data Streaming)和数据管道传送(Data Piping)。在数据和时钟可以在接收机再生为同步数据流式传送的意义上，在所述标准中将同步数据流定义为具有定时要求的数据的流式传送。同步数据流与其他的数据流没有强的定时联系，并且在PES分组中被携带。数据管道传送被所述标准定义为用于提供在MPEG-2传送流内的任意用户定义的数据的机制。利用数据管道传送，数据被直接插入MPEG-2传送流分组的有效载荷。
按照本发明的原理，数据信道被适配来接受MPEG-4视频流，建立可用于ATSC广播的新型视频服务。MPEG-4的压缩效率可以随后被用于建立更多的数据信道，以及在用于具有较小显示器尺寸的器件的、具有很低比特率的信道上发送数据(否则它将不能容纳视频服务)。
经由ATSC/MPEG-2标准的视频发送被限于在CCIR601标准清晰度和HDTV分辨率之间的视频分辨率。这与按照本发明的原理的在ATSC数据信道上的MPEG-4流的使用相反，按照本发明的原理的在ATSC数据信道上的MPEG-4流支持任何视频帧分辨率，包括使用诸如QCIF(四分之一通用交换格式)或CIF(通用中间分辩图像格式)的小手持尺寸类型的显示器。
图2示出了被安排来实现本发明的原理的、编码器系统的高级示意说明。对于对应于图1所述的系统和子系统的功能部件，在这个图中使用共同的附图标号。除了需要说明本发明的方法之外，在此不进一步说明这样的公共功能部件。参见所述附图，具体上参见数据信道114，可以看出附加的视频编码和压缩功能部件115和音频编码和压缩功能部件116被提供用于经由数据信道发送的信息。在本发明的一个示范实施例中，使用MPEG-4方法来执行这样的视频和音频编码和压缩(115和116)，其中新的信息按照MPEG-4方案被编码为视频对象画面(VOP)。
可以从所述附图中看出，服务多路复用功能部件120包括MPEG-2服务多路复用功能部件121，它工作来执行典型的现有技术MPEG-2处理；数据服务多路复用功能部件124，它从MPEG-4视频编码器115接收MPEG-4VOP的流。数据服务多路复用功能部件124使用PES分组或RTP(实时协议)分组来将MPEG-4 VOP和音频访问单元封装到独立的PES或RTP流。下面详细地说明按照本发明的方法的MPEG-4单元的这样的分组化的处理。
数据服务多路复用功能部件124的输出被提供到传送流分组化器122，用于向MPEG-2传送流插入多路复用的MPEG-4 VOP信息。在本发明的一个示范实施例中，MPEG-2传送流分组化器将数据流分段为188个字节的分组，分配PID(音频和视频唯一PID)，多路复用各种流(音频、视频、数据)，并且每100毫秒或更少(由ATSC标准指定)插入PCR值。当然，MPEG-2传送层也服务它的其他典型的现有技术功能，如ATSC标准所规定的(同步字节，连续计数器等)。
本领域内的技术人员可以容易地明白，按照本发明的原理建立以工作的解码器136除了它的接收和解码MPEG-2传送流的通常操作之外，还包括另外的处理能力，用于恢复和解码以MPEG-2传送流封装的MPEG-4数据。
MPEG-4视频流可以以多种格式被封装为ATSC标准数据广播语法。在本发明的两个优选实施例中，通过同步数据流式传送或数据管道传送的方法来实现经由数据信道来广播MPEG-4流。
图2服务多路复用层的一个重要功能是与系统的传送层同步地附加音频和视频PTS值。当使用同步数据流式传送时，PES层执行这个功能；对应地，当使用数据管道传送时，RTP执行这个功能。
现在详细地考虑按照本发明的原理的MPEG-4单元的封装，所述同步数据流式传送实施例使用MPEG-2 PES和传送流分组格式。每个MPEG-4视频对象画面(VOP)被以可变长度的PES分组封装。因此，每个PES分组以MPEG-4 VOP来开始。这些PES分组继而被封装到MPEG-2传送分组。利用这个方法，需要在传送分组的开始定位PES分组。这导致要向每个VOP周期加上0填充。使用MPEG-2传送分组适配字段来实现填充。这个填充的使用是因为MPEG-2传送分组是固定的长度；因此，在下一个MPEG-2传送分组的开始，在MPEG-4 VOP的结尾和在下一个MPEG-2传送分组的开始的、下一个MPEG-4 VOP的开始之间放置0填充。MPEG-4 VOP的分组对齐便利了在接收机较容易的VOP定位，因为接收机可以仅仅在每个MPEG-2 TS分组的开始查看以确定是否PES分组存在(因此MPEG-4 VOP存在)。
图3中示意性地图解了使用同步数据流式传送将MPEG-4视频数据封装为MPEG-2传送流的处理。在这个附图中，封装MPEG-4 VOP的PES分组310的序列被示出并置在MPEG-2传送分组320的序列之上。PES分组310的每个包括PES首标312-i、同步数据首标314-i和MPEG-4视频对象画面(VOP)316-i(其中i表示分组索引号码)。在MPEG-2传送流320中，每个传送分组由传送首标322-i和传送有效载荷324-1构成(再一次，其中i表示分组索引号码)。
按照本发明的原理，每个PES分组的内容被封装为传送分组序列的有效载荷部分，并且向在所述序列中的最终传送分组加上0填充，以填充在那个最终传送分组的有效载荷部分中的任何剩余比特。考虑附图中所示的说明情况，构成PES首标312-1、同步数据首标314-1和MPEG-4 VOP 316-1的一小部分的初始PES分组的第一部分被封装到第一个图解的传送分组的有效载荷部分，即，传送有效载荷324-1。MPEG-4 VOP 316-1的下一个部分随后被封装到下一个传送分组的有效载荷部分，即，传送有效载荷324-2。MPEG-4 VOP316-1的剩余部分随后被封装到第三传送分组的有效载荷部分，即，传送有效载荷324-3，并且加到那个分组的有效载荷部分的0填充326-3填充剩余的比特。
将会明了，构成PES首标312-2、同步数据首标314-2和MPEG-4 VOP316-2的下一个PES分组将随后被封装到以传送有效载荷324-4开始的、传送分组有效载荷的下一个序列。
PES首标包括与在传送首标中的节目时钟基准(PCR)相关的显示时间标记(PTS)。这个PTS将MPEG-4视频流与系统时间同步。音频PES分组也包括与传送层PCR相关的音频PTS。因此PES分组也包括与传送层PCR相关的音频PTS。因此，音频和视频通过具有相同的基准系统时间(传送层PCR)而同步ATSC数据广播标准的这个模式需要的同步数据首标被包括在每个PES首标中(每个VOP一个)。所述同步数据包括对于PTS字段的8比特扩展和选用的数据率参数。
对于数据管道传送实施例，再次注意ATSC数据管道传送使用使得任何类型的数据可以被封装在MPEG-2传送分组中而没有任何限制的机制。没有限制使得数据管道传送可以使用比使用同步数据流式传送更有效的用于封装MPEG-4比特流的方法。但是，显示时间标记(PTS)仍然用于每个视频帧和每个音频帧。为此，最好将基于RTP的协议用在整个实施例中-即每个MPEG-4 VOP使用具有时间标记的RTP首标。如所公知的，RTP首标包括32比特的时间标记参数。
图4中示意性地图解了使用数据管道传送来将MPEG-4视频数据封装到MPEG-2传送流的处理。在这个附图中，封装MPEG-4 VOP的RTP分组410的序列被示出并置在MPEG-2传送分组420的序列之上。RTP分组中的每个分组包括RTP首标412-i和MPEG-4 VOP 416-i(其中i表示分组索引号码)。在MPEG-2传送流420中，每个传送分组由传送首标422-i和传送有效载荷424-i构成(再一次，其中i表示分组索引号码)。与用于图3所示的同步数据流式传送的封装方法类似，每个RTP分组的内容被封装到传送分组的序列的有效载荷部分，并且带有加至所述序列中的最后传送分组的0填充，以填充在那个最终传送分组的有效载荷部分中的任何剩余比特。作为说明，如此图所示，RTP首标412-1与MPEG-4 VOP 416-1的一部分一起被封装在传送有效载荷424-1中，MPEG-4 VOP 416-1的下一个部分被封装在传送有效载荷424-2中，MPEG-4 VOP 416-1的最后部分被封装在传送有效载荷424-3中。如此图所示，在传送有效载荷级使用0填充426-3(象在同步数据流式传送的情况下一样)以便将传送首标与VOP首标对齐。
应当注意在本实施例中的、用于实现具有RTP的PTS的精确机制仅仅是说明性的，并且本发明的原理意欲考虑与由基于RTP的系统定义的格式兼容的任何这样的机制。在这一点上，还应当注意RTP标准(IETF/RFC1889)包括在首标中的有效载荷类型(PT)参数。因此，存在对于不同的应用定义的特定版本(其他RFC)。例如，IETF/RFC3016指定了一种将MPEG-4音频和视频封装到RTP分组中的可能方式。对于本发明的一个示范实施例，也可以实现这个RFC3016封装手段(如以下所述)。但是，应当明白用于定义MPEG-4的RTP分组化协议的其他公知的RFC也在本发明的考虑范围内，并且以后可能开发的用于MPEG-4的这样的RTP分组化协议也在本发明的考虑范围内。例如，存在仍然处于草稿形式的新RFC，它们限定MPEG-4第10部分视频的RTP分组化，并且它应当被当作在限定本发明的原理的考虑范围内。
在上述举例说明的RFC3016封装手段中，时间标记参数使用(以默认方式)90KHz的基准来用于其时间标记。这与在ATSC标准中使用的90KHz基准是一致的。因此，PCR和PTS字段将基于在这个示范情况下的同一时钟周期。但是，在替代的RTP实现方式中，不要求PTS字段具有与ATSC90KHz时钟相同的基准时钟。对于不同的基准时钟将进行从一个采样速率到另一个的转换。所述转换作为从一个时钟域到另一个的正比进行。例如，如果所使用的RTP协议限定了80KHz时钟的PTS基准，则PTS将被计算为PCR时钟和分数8/9的乘积，并且PCR和PTS时钟将被编码器同步地复位到0。
在一个替代实施例中，消除了在上述的数据管道传送实施例中对于0填充的要求。在这个替代实施例中，RTP分组被封装而不要求与传送分组对齐。用于这个替代实施例的封装方法被示意地图解在图5中，其中象图4的方法一样，封装MPEG-4 VOP 510的RTP分组的序列被示出并置在MPEG-2传送分组520的序列的上面。从附图中显而易见的是，RTP分组流510和传送流的520的结构对应于图4所示的RTP和传送流的结构。但是，不像图4的方法那样，对于传送首标与VOP分组首标的对齐没有要求。因此，来自给定的VOP分组的开始处的比特可以被放置在包括前一个VOP分组的结束比特的同一传送分组的传送有效载荷中，因此消除了在图4的实施例中所使用的对于0填充的要求。
但是，注意这个替代实施例的手段要求建立一种用于定位未对齐的分组的RTP首标的方法。作为对这个要求的示意手段，可以将一个指针定义为传送有效载荷的第一字节，或者对RTP首标的扩展可以包括选用的指针。但是，其他这样的手段对本领域内的技术人员是显而易见的，所有这样的手段意欲被包括在本发明的范围内。
当不使用分组对齐时，消除了通常用于填充的浪费的信道容量。因此，平均节省了每个帧184/2＝92字节。依赖于源材料的大小和所使用的比特率，这个节省可能是重要的。在高分辨率的情况下，浪费的带宽的相对比例较小。但是，当本发明的方法用于较小的分辨率或帧速率时，有可能每个帧仅仅需要一些传送分组。在这种情况下，可以节省20-30％的信道带宽。但是应当注意，这个带宽节省手段是同步数据流式传送实施例不能获得的，因为那个格式强制使用PES。
根据上述的说明，本发明的多种改进和替代实施例对本领域内的技术人员是显而易见的。具体上，应当明白，使用MPEG-4编码/压缩标准来说明本发明的原理仅仅是一个优选实施例。本发明的方法对于其他或另外的先进视频压缩方法的应用意欲包括在本发明的考虑范围内。
因此，这个说明应当被理解为仅仅是说明性的，用于向本领域内的技术人员教授执行本发明的最佳方式，并且不意欲说明其所有的可能形式。也可以明白，所使用的词汇是说明性的词汇而不是限定性的词汇，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下，实质地改变结构的细节，而且保留在所附的权利要求的范围内的所有改进的专用。
权利要求
1.在用于发送视频和音频信息的一个系统中，其中所述系统被限制为按照给定的标准工作，所述给定标准包括应用给定的编码方法，一种用于使用独立于所述给定的编码方法的编码方法来发送所述信息的方法，所述方法包括步骤将所述信息编码为按照所述独立的编码方法编码的多个增量310、410、510；将被编码的信息增量封装为按照所述给定标准建立的发送分组的有效载荷部分324、424、524。
2.按照权利要求1的方法，其中所述被封装的编码信息增量保存用于所述给定的编码方法的控制和定时信息。
3.按照权利要求1的方法，其中所述给定标准是由高级电视系统委员会颁布的，并且所述给定的编码方法是MPEG-2。
4.按照权利要求1的方法，其中所述独立的编码方法是MPEG-4。
5.按照权利要求1的方法，其中按照同步数据流式传送技术来由所述发送系统发送信息。
6.按照权利要求1的方法，其中按照数据管道传送技术来由所述发送系统发送信息。
7.按照权利要求6的方法，其中被所述独立编码方法编码的所述信息被封装到按照实时协议建立的分组中。
8.按照权利要求7的方法，其中所述编码信息的首标与给定分组的传送首标对齐。
9.按照权利要求8的方法，其中使用0填充326、426来实现所述信息首标和所述传送首标的对齐。
10.按照权利要求7的方法，其中所述编码信息的所述分组封装独立于传送时间基准。
11.一种编码/多路复用系统，被安排来按照给定的标准编码视频和音频信息，所述给定标准包括应用给定的编码方法，所述系统并且被安排来将所述编码信息封装为一个或多个传送流，所述编码/多路复用系统包括独立的信息信道114，用于根据与所述给定的编码方法不同的编码方法来处理被编码为多个增量的信息流；用于将所述信息流124的编码的信息增量封装到按照所述给定标准建立的发送分组的有效载荷部分中的装置。
12.按照权利要求11的编码/多路复用系统，其中所述用于封装的装置还用于保存所述给定编码方法的控制和定时信息。
13.按照权利要求11的编码/多路复用系统，其中按照数据管道传送方法来发送信息，并且其中通过所述不同编码方法编码的所述编码信息增量被封装到按照实时协议建立的分组中。
14.按照权利要求13的编码/多路复用系统，其中所述编码信息的首标与给定分组的传送首标对齐。
15.按照权利要求14的编码/多路复用系统，其中所述信息首标和所述传送首标的所述对齐是通过使用0填充来实现的。
16.按照权利要求13的编码/多路复用系统，其中所述编码信息增量的所述分组封装独立于传送时间基准。
17.一种解码器136，包括处理装置，被安排来在输入端接收编码信息，所述编码信息被按照给定的标准编码和发送，所述给定标准包括应用给定的编码方法，所述处理装置还被安排来在编码之前输出实质地表示所述编码信号的信号；其中所述处理装置还用于接收通过独立于所述给定的编码方法的编码方法来编码的编码信息，并且在编码之前输出实质地表示所述独立编码信号的信号；其中通过所述第二处理装置接收的所述独立编码信息的增量部分被封装到按照所述给定标准建立的发送分组的有效载荷部分中。
18.按照权利要求17的解码器，其中由所述第二处理装置接收的所述独立编码信息的所述增量部分保存用于所述给定编码方法的控制和定时信息。
19.按照权利要求17的解码器，其中按照数据管道传送技术，由所述独立编码方法编码和由所述处理装置接收的信息被发送到所述解码器，并且其中所述独立编码信息的所述增量部分被封装到按照实时协议建立的分组中。
20.按照权利要求19的解码器，其中所述独立编码信息的首标与给定发送分组的传送首标对齐。
21.按照权利要求20的解码器，其中所述信息首标和所述传送首标的所述对齐是使用0填充来实现的。
22.按照权利要求19的解码器，其中所述独立编码信息增量的所述分组封装独立于传送时间基准。
全文摘要
用于数字电视广播的ATSC标准规定除了通常的音频和视频信道之外的数据信道。提供一种方法来用于使用ATSC数据信道而广播MPEG－4视频流，对于所述MPEG－4视频流，建立新的视频服务。MPEG－4流可以被封装为MPEG－2PES(分组化基本流)分组或直接被封装为MPEG－2传送分组。这些机制使得能够同步广播用于ATSC数字电视系统的MPEG－4流而不用当数据广播时改变ATSC标准。在用于发送视频和音频信息的系统中，其中所述系统被限制为按照给定的标准工作，包括应用给定的编码方法，通过下列方式来使用独立于所述编码方法的编码方法发送信息将信息编码为按照独立的编码方法编码的多个增量(310)；将编码的信息增量封装到按照给定的标准建立的发送分组的有效载荷部分(324)中。
文档编号H04N7/24GK1552159SQ02817514
公开日2004年12月1日 申请日期2002年7月19日 优先权日2001年7月23日
发明者杰弗里·A·库珀, 库马·拉马斯沃米, 保罗·G·克努森, G 克努森, 拉马斯沃米, 杰弗里 A 库珀 申请人:汤姆森特许公司