用于混合高清晰度数字视频盘的两层编码的制作方法

专利名称：用于混合高清晰度数字视频盘的两层编码的制作方法
技术领域：
本发明直接涉及视频解码器，尤其涉及用于在单个数字视频盘上集成视频数据的标准清晰度和高清晰度版本的视频编码器。
背景技术：
通常通过视频编码器和解码器(共称为“CODEC”)以位流形式对视频数据进行处理，并且将其存储在数字视频盘(“DVD”)媒体上。存在一种使用MPEG-2解码器的实际安装的用户方(installed user base)的红激光DVD播放器。使用MPEG-2编码的红激光设备产生足以支持通常电影的标准清晰度(“SD”)版本的存储能力，同时存在于相同盘上支持这些电影的高清晰度(“HD”)版本的大的需求。不幸的是，使用MPEG-2的安装的用户方的红激光播放器支持不足以容纳通常电影的SD和HD版本两者的存储容量。
红激光和蓝激光技术都被认为达到足以支持高清晰度记录(“HD-DVD”)的存储能力。蓝激光技术的优势是提供了足够的存储量以在使用MPEG-2的一张盘上容纳多个高质量的HD电影，但是使用蓝激光来代替安装的用户方的红激光设备仍不是经济可行的。因此，需要一种可用于HD-DVD的编码方案，其也能够在由使用MPEG-2解码器的当前红激光可读取的相同盘上支持SD-DVD。
因此，使用红激光HD-DVD，除了HD版本，还可期望在单个盘上存储能够由具有MPEG-2解码器的当前播放器读取的电影的SD版本。这意味着除了SD盘，内容创建者不必制作独立的HD-DVD盘，并且零售商仅需要每个电影备有一张盘，使用仅一个备用保持单元(“SKU”)。这可以避免诸如遭遇广播高清晰度电视(“HDTV”)的那些问题，其中广播电台不希望发送HD，直到售出了更多的HD机，但是消费者不希望购买HD机，直到存在更多可用的HD内容。
本发明假设使用单面存储媒体。尽管双面盘是获取更大存储量的选择，但是使用盘的双面存在一些阻力。这是部分由于日益增加的成本的不足和将内容存储在双面上妨碍了正常将标记贴在盘的一面上的事实。因此，用于HD-DVD的方式是(i)蓝激光技术；(ii)双面红激光盘；和(iii)对于电影的HD和SD版本的单独红激光盘；它们中的每一个具有重大的缺陷和不足。

发明内容
通过一种用于混合高清晰度(“HD”)视频编码和用于将这种信号信息存储在数字视频盘上的格式的装置和方法，来解决现有技术的这些和其他缺陷和不足。
混合高清晰度编码器将信号数据存储为对于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，其中所述编码器包括两层分解单元，用于将初始高清晰度信号数据序列分解为基本层数据和增强层数据；标准清晰度(“SD”)编码器，其耦合到分解单元，用于将基本层数据编码为体现标准清晰度数据序列的基本层位流；和高清晰度编码器，其耦合到分解单元和标准清晰度编码器，用于仅将高清晰度数据与标准清晰度数据之间的差编码为体现高清晰度数据序列的基本层图像用户数据。
从结合附图阅读的示例性实施例的下列描述中，本发明的这些和其他方面、特征和优点将变得明显。


根据下列示例性附图，本发明利用混合交织视频CODEC在单个数字视频盘(“DVD”)上组合标准清晰度(“SD”)和高清晰度(“HD”)，其中图1示出了根据本发明原理的混合DVD播放器的示意数据结构；图2示出了根据本发明原理的两个节目链的示意数据结构；图3示出了根据本发明原理的交织单元呈现的示意数据结构；图4示出了根据本发明原理的视频对象单元中的视频数据的表；图5示出了根据本发明原理的另一混合交织编码器的方框图；和图6示出了根据本发明原理的混合交织解码器的方框图。
具体实施例方式
本发明是为例如适于在单个红激光盘上存储的标准清晰度(“SD”)版本电影和高清晰度(“HD”)版本电影而准备的。所述方法如下提供使用用于SD数据的MPEG-2以及MPEG-4AVC(也称作JVT、MPEG-4部分10、或者AVC)的单个盘SD和HD，其中所述MPEG-4AVC被存储为对于SD数据和HD数据之间的差的基本层的用户数据。例如，所述方法的第一示例性实施例支持单面红激光视频盘上高达大约9.8Mbps的总峰值位速率。可以使用其它实施例来支持更高的位速率。在这种高带宽部分中通过使用具有对于SD数据的MPEG-2和对于HD数据的MPEG-4AVC的混合交织方法来继续提供单个盘SD和HD的同时，第二示例性实施例对于高带宽部分支持更高的位速率。
对于在一张盘上存储SD和HD，描述将HD差数据存储为基本层用户数据的方法，需要或不需要对高带宽部分进行可选的交织。由于红激光DVD存储容量的限制，因此MPEG-2对于HD层来说不充分。本发明的实施例将混合编码数据存储在能够由目前的DVD播放器播放的DVD盘上。现在描述两个示例性实施例。所述用户数据方法将更高层数据保存为基本层的用户数据，并且所述交织方法对于高带宽视频部分以交织数据结构来存储基本层和增强层数据。因此这些和其他实施例允许在单张DVD盘上存储两种版本、即标准清晰度和高清晰度的电影。
混合高清晰度DVD具有两层。基本层是MPEG2，增强层是MPEG-4AVC(或者JVT)。这两层可以交织，从而当代的SD DVD播放器可以播放基本层MPEG2流，并且混合HD DVD播放器可以播放这两层。因此，这种DVD盘是向后兼容的。
在所述两个示例性实施例中，第一示例性实施例将增强层数据保存为基本层的用户数据。为此，当前的DVD创建工具可被用来创建混合DVD盘，而不需任何大的改变。
与对于较低带宽部分的第一实施例的用户数据方法结合，第二示例性实施例对高带宽部分使用交织块。创建了两个视频对象(“VOB”)和两个节目链(“PGC”)，一个用于基本层，而另一个用于增强层。当前的创建工具应当被修改以适应这些改变。
对于第一实施例，在MPEG-4AVC数据被保存为MPEG2图像用户数据的情况下，增强层数据可被保存为GOP用户数据或者图像用户数据。因为GOP用户数据用于DVD中的封闭式字幕(closed captioning)，所以图像用户数据是存储增强层数据的最佳形式。当在当前的SD DVD播放器上播放盘时将不对所述图像用户数据解码。
如图1所示，缓冲器结构100可被用在具有一个轨道缓冲器110和四个辅助缓冲器114-120的当前DVD播放器上。视频数据被信号分离器112信号分离，并且被传送到MPEG视频缓冲器114，其中用户数据将被处理或者略过。新的混合HD DVD播放器包括至少一个附加缓冲器122，即MPEG-4AVC视频缓冲器。增强层数据被信号分离并被发送至该缓冲器122用以解码。存储于轨道缓冲器110中的数据被逐扇区111进行存储，从而增强层数据是扇区对准的。
转向图2，通常用附图标记200来表示两个PGC的交织数据结构。此处，交织块210包括对多个VOB 212、214进行交织，以便能够无缝地呈现多条路径(path)。每个VOB被分别划分为相同数目的交织单元(“ILVU”)213、215。通过适当地设置交织单元的尺寸，跳跃所需的时间可被保持在允许值之内，并且可以实现无缝播放。
如图3所示，ILVU包括一个或多个VOBU。在该示例性实施例中，每个ILVU具有一个或两个VOBU。ILVU的呈现通常用附图标记300来表示。ILVU310属于增强层PGC，而另一个ILVU 312属于基本层PGC。
在该示例性实施例中，ILVU的播放时间大约是1.0秒。示例性最大跳跃距离是660个扇区。如果基本层是数据的1/3，则它具有220个扇区，而增强层ILVU具有440个扇区。平均起来，跳跃距离是440个扇区，这保证了无缝播放。
有助于播放器识别盘类型的、视频管理信息(“VMGI”)和视频首标设置信息(VTSI)中的优选标识是VMGI--VMGI_MAT字节16-27保留为“MPEG2AVC-VMG”VTSI--VTSI_MAT字节16-27保留为“MPEG2AVC-VTS”现在参考图4，可以如表400所示组织视频对象单元(“VOBU”)中的视频数据。因此，图像具有三种类型的数据，它们中的每一个都扇区对准1.不包含图像用户数据的图像首标；2.图像用户数据；和3.图像数据。
第二示例性实施例使用交织块来交织所述两层。创建两条节目链(“PGC”)，一条用于基本层，另一条用于高或增强层。此处，第一VOB用于MPEG2基本层，而另一个用于MPEG-4AVC增强层。基本层和增强层不在相同的VOBU中，但是被交织。为了避免播放第二PGC，不为第二PGC分配进入点(entry point)。混合HD DVD播放器在它识别混合HD DVD盘之后合并这两个PGC。
如图5所示，混合交织编码器通常用附图标记600来表示。编码器包括下取样单元610，用于接收源HD序列并进行下取样以便提供基本层像素。编码器600还包括第一加法块611，用于在非反相输入端接收源HD序列。下取样单元610与MPEG-2编码器612耦合进行信号通信，该MPEG-2编码器612从下取样单元接收基本层像素并且提供基本层位流输出。MPEG-2编码器612耦合到SD帧缓冲器614，并且向缓冲器614提供重构的基本像素。缓冲器614与编码器612耦合进行反馈信号通信，并且还耦合到插入器616。插入器616耦合到第一加法块611的反相输入端。插入器616还耦合到第二加法块618的第一输入端，该第二加法块618的输出端耦合到限幅器620。该限幅器620依次耦合到HD帧缓冲器622，该HD帧缓冲器622耦合到改进的MPEG-4AVC编码器624。编码器624具有耦合到第一加法块611的输出端的输入端，用于接收增强层像素，并且具有耦合到第二加法块618的第二输入端的输出端，用于向第二加法块618提供重构的增强层像素。编码器624提供增强层位流输出。
转向图6，通常用附图标记700来表示混合交织解码器。解码器700包括用于接收基本层位流的MPEG-2解码器710。MPEG-2解码器耦合到用于缓冲标准清晰度帧的SD帧缓冲器712。SD帧缓冲器712提供适于SD显示的输出，并且耦合回MPEG-2解码器710。MPEG-2解码器还耦合至插入器714，该插入器714依次耦合至两层合成单元或加法块718的非反相输入端。混合交织解码器700还包括改进的JVT解码器716，用于接收增强层位流。该改进的JVT解码器耦合到加法块718的第二非反相输入端。加法块718的输出耦合至箝位单元720，该箝位单元720依次耦合至HD帧缓冲器722。HD帧缓冲器722提供适于HD显示的输出，并且也耦合回改进的JVT解码器716。在操作中，示例性混合交织方案对于基本层使用MPEG-2编码，而对于增强层使用改进MPEG-4AVC编码。在一个示例性系统中，HD层的分辨率是1280×720，SD层是704×480。
在操作中，图5示出了混合交织编码器的高层方框图。首先，源HD材料被分解为包含源序列的低频内容的基本层和包含源序列的高频内容的增强层。使用MPEG-2对基本层编码，而使用MPEG-4AVC的改进版本对增强层编码。以交织的方式将基本和增强位流记录在盘上。通过内插重构的基本层像素并且将结果添加到该重构的增强层像素来获得重构的HD帧。
混合交织解码器包括MPEG-2解码器、改进MPEG-4AVC解码器、和用于基本层的插入器。插入器和MPEG-4AVC解码器的输出相加，以便产生重构的HD帧。
返回参考图5，对增强层像素重构，并且将其添加到所插入的重构基本层像素，以便形成重构的HD帧。这些重构的HD帧被用作参考帧，以便对后来的增强层数据进行编码。
可以如下实现对盘上的位流的交织。标准清晰度数据以基本流被存储，并且高清晰度增强数据作为基本流的用户数据被存储。仅标准清晰度数据可被预先存在的DVD播放器播放。当前的DVD标准规定了对于无缝分支的限制(例如，最大跳跃扇区、最大缓冲器扇区)，即如果满足，则将保证在这种预先存在的播放器上进行无缝播放。
根据本发明的原理，所公开的CODEC在获得HD版本的同时，提供对来自单个盘的两个位流解码的能力，或者对单个位流解码以获得SD版本的能力。新播放器将播放除了交织流之外还具有非交织MPEG-4AVC流的盘。在新HD播放器已经达到安装数量之前，所述安装数量将证明创建、销售和购买仅HD盘是正当的，本发明的实施例可以鼓励内容创造者、视频商店和消费者建立HD材料的储备。
因此，本发明的实施例允许从双层、单面、红激光DVD盘读取两种版本的电影，即标准清晰度(“SD”)和高清晰度(“HD”)，而不需要第二次存储包含在SD版本中的信息作为HD版本的部分。使用混合MPEG-2和MPEG-4AVC交织来实现编码。对于基本层使用MPEG-2提供由可以由当前SD DVD播放器播放的SD位流。使用MPEG-4AVC方案对增强层编码，以便提供需要在单张盘上放置SD和HD内容的编码效率。本发明也适用于流和/或易失性内容，如流因特网视频和DVD媒体。尽管以其中标准清晰度版本以MPEG-2格式编码和高清晰度格式以MPEG-4AVC格式编码的方式进行了描述，但是本领域的普通技术人员清楚的是，如果使用了这些格式以外的标准格式，本发明也同样使用，并且所述权利要求应当被理解为也包含MPEG-2和MPEG-4以外的格式。类似地，尽管描述为被编码在DVD上，但是本领域的普通技术人员清楚的是，本发明同样应用于DVD以外的光盘格式；并且记载数字视频盘的组合的所述权利要求往往包含DVD以外的其他光盘格式。
这一示例性实施例仅仅图解了本发明的原理。因此本领域的普通技术人员应当理解，能够设计出各种结构，尽管所述各种结构在此未被清晰地描述或示出，但是其仍体现本发明的原理，并且被包含在其精神和范畴之中。而且此处引用的所有示例和条件语言原则上意欲表达仅教学目的，以辅助读者理解本发明的原理和改进现有技术的发明者所贡献的概念，并且不能被理解为对这些具体引用的示例和条件的限制。而且，此处引用本发明的原理、方面和实施例的所有陈述及其具体示例意欲包含其结构性和功能性等效物。另外，这些等效物包括当前已知的等效物及将来所开发的等效物，即，不管结构如何执行相同功能而开发的任何元件。
因此，例如，本领域的技术人员将理解，此处的方框图表示体现本发明原理的图解性电路的概念图。类似地，应当理解，任何流程图、流动图、状态转变图、伪代码等表示不同的处理，其主要表现在计算机可读介质中并由计算机或处理器执行，不管是否清晰地示出所述计算机或处理器。
通过使用专用硬件以及能够与适当软件相关联地执行软件的硬件，可以提供附图中所示的各种元件(包括功能块)的功能。当由处理器提供时，功能可以通过单个专用处理器、单个共享处理器、或者通过多个个人处理器来提供，所述多个个人处理器中的一些可被共享。而且，术语“处理器”或“控制器”的清晰使用不应当被曲解为唯一地指向能够执行软件的硬件，并且可以含糊地包括，但不限于，数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、和非易失性存储器。也可以包含其他硬件、常规和/或习惯。类似地，附图中所示的任何开关仅仅是概念性的。它们的功能可以通过编程逻辑的操作、通过专用逻辑、通过编程控制和专用逻辑的交互作用、或者甚至手工来执行，其中从上下文更具体地理解由实施者可选择的特定技术。
在本发明的权利要求中，被称作用于执行特定功能的部件的任何元件往往包含例如执行以下功能的任何一种a)执行该功能的电路元件的组合；或者b)任一形式的软件，因此，固件、微码等，与用于执行所述软件以执行该功能的适当电路组合。由权利要求定义的本发明表达的事实是，由各种所述的部件提供的功能被组合并且以权利要求所要求的方式集合起来。因此申请人认为能够提供那些功能的任何部件等效于此处示出的那些部件。
在此处示教的基础上，相关领域的普通技术人员可以容易地了解本发明的这些和其他特征和优点。应当理解，本发明的原理能够以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器、及其组合来实现。
最好是，本发明的原理可以通过硬件和软件的组合来实现。而且软件可被实现为有形地体现在程序存储单元上的应用程序。该应用程序可被上载至包含任意适当结构的机器并且由其运行。该机器可以在具有硬件的计算机平台上实现，所述硬件诸如一个或多个中央处理单元(“CPU”)、随机存取存储器(“RAM”)、输入/输出(“I/O”)接口。该计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。此处所描述的各种处理和功能可以是微指令代码的一部分或者是应用程序的一部分，或者是它们的组合，它们都可以由CPU来执行。另外，诸如附加数据存储单元和打印单元的各种其他外围单元可以连接到计算机平台。
还应当理解，由于附图中所描述的一些组成系统成分和方法最好以软件来实现，因此系统组件之间的实际连接或者处理功能块可以根据本发明被编程的方式而不同。假设此处所描述的原理，在不背离本发明的精神和范围的情况下，相关领域的普通技术人员将能够预期本发明的这些和类似实现或配置。
尽管已经参考附图描述了图解性实施例，但是应当理解，本发明不限于这些精确的实施例，并且在不背离本发明的范围或精神的情况下，相关领域的普通技术人员可以对其进行各种变化和修改。所有这些变化和修改往往包含在所附权利要求阐述的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种编码器(600)，用于将信号数据编码为用于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，所述编码器包括两层分解单元(610)，用于将初始高清晰度信号数据序列分解为基本层数据和增强层数据；标准清晰度编码器(612)，其耦合到分解单元，并用于将基本层数据编码为体现标准清晰度数据序列的基本层位流；和高清晰度编码器(624)，其耦合到分解单元和标准清晰度编码器，并用于仅将高清晰度数据与标准清晰度数据之间的差编码为体现高清晰度数据序列的基本层图像用户数据。
2.如权利要求1所述的编码器，其中对于至少一个部分，所述增强层数据与基本层数据交织。
3.如权利要求2所述的编码器，其中对于具有大于大约9.8Mbps的带宽的每个部分，所述增强层数据与基本层数据交织。
4.如权利要求1所述的编码器，其中所述分解单元包括下取样单元(610)。
5.如权利要求1所述的编码器，其中所述信号数据包括视频像素数据。
6.如权利要求1所述的编码器，其中所述标准清晰度满足MPEG-2标准。
7.如权利要求1所述的编码器，其中所述高清晰度编码器满足MPEG-4AVC标准。
8.如权利要求1所述的编码器，还包括标准清晰度帧缓冲器，其与用于维持重构的基本层数据的标准清晰度编码器进行信号通信。
9.如权利要求1所述的编码器，还包括高清晰度帧缓冲器，其与用于维持重构的增强层数据的高清晰度编码器进行信号通信。
10.如权利要求1所述的编码器，还包括插入单元，其耦合于标准清晰度编码器与高清晰度编码器之间，用于将标准清晰度数据插入到相应于高清晰度数据的格式中。
11.一种编码器，用于将信号数据编码为对于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，所述编码器包括接收部件，用于接收初始高清晰度信号数据序列；分解部件，用于将初始高清晰度信号数据序列分解为基本层数据和增强层数据；基本层编码部件，用于将基本层数据编码为体现标准清晰度数据序列的基本层位流；和增强层编码部件，用于仅将高清晰度数据与标准清晰度数据之间的差编码为体现高清晰度数据序列的图像用户数据。
12.一种用于将信号数据编码为对于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，所述方法包括接收初始高清晰度信号数据序列；将初始高清晰度信号数据序列分解为基本层数据和增强层数据；将基本层数据编码为体现标准清晰度数据序列的基本层位流；和仅将高清晰度数据与标准清晰度数据之间的差编码为体现高清晰度数据序列的图像用户数据。
13.一种用信号数据编码的数字视频盘，所述信号数据包括用于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，所述系数共同地表示初始高清晰度信号数据序列，所述数字视频盘的基本层具有体现标准清晰度数据序列的系数，和所述数字视频盘的增强层具有体现高清晰度数据序列与标准清晰度数据序列之间的差作为图像用户数据的系数。
14.如权利要求13所述的数字视频盘，其中所述基本层数据是红激光视频盘播放器可读的。
15.如权利要求14所述的数字视频盘，其中所述增强层数据是红激光视频盘播放器可读的。
16.如权利要求13所述的数字视频盘，其中所述基本层数据是用MPEG-2编码器编码的。
17.如权利要求16所述的数字视频盘，其中所述增强层数据是用MPEG-4AVC编码器编码的。
18.如权利要求13所述的数字视频盘，其中对于至少一个部分，所述增强层数据与基本层数据交织。
19.如权利要求18所述的数字视频盘，其中对于具有大于大约9.8Mbps的带宽的每个部分，所述增强层数据与基本层数据交织。
全文摘要
公开了一种混合高清晰度编码器(600)和方法，用于将信号数据处理为对于基本层数据和增强层数据中的每一个的多个块变换系数，其中所述编码器包括两层分解单元(610)，用于将初始高清晰度信号数据序列分解为基本层数据和增强层数据；标准清晰度编码器(612)，其耦合到分解单元，用于将基本层数据编码为体现标准清晰度数据序列的基本层位流；和高清晰度编码器(624)，其耦合到分解单元和标准清晰度编码器，用于仅将高清晰度数据与标准清晰度数据之间的差编码为体现高清晰度数据序列的基本层图像用户数据。
文档编号H04N7/50GK1711777SQ200380103093
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月27日 优先权日2002年11月25日
发明者林书, 玛丽·L·科默 申请人:汤姆森特许公司