记录和重放电视图象的方法及设备的制作方法

专利名称：记录和重放电视图象的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明与记录和重放图象信息亦即电视技术有关。具体地说，本发明与用不同于正常速度的速度重放所记录的图象信息有关。
如所周知，电视图象(帧)是按照预定制式在诸如电视机那样的标准图象显示装置上重放的，帧中的像素不是同时而是依次逐个重放的。具体地说，以相继写出相邻的像素方式逐行写出帧的隔行扫描的每一行。因此，复现一帧所需的时间，也就是写出组成一帧的所有图象行的时间，在PAL制式是1/25秒。这样，实际播放时间为100秒的景像相当于一个由2500个相继的图象构成的序列。
为了将电视图象记录在一个载体(例如磁带)上，一种已知的模拟方法是将相继的像素录在与载体行进方向成一定角度的各相邻磁道上，每个磁道录取一个图象行。用这种方法记录，快放和慢放的能力都受到限制。例如，在希望以正常速度五倍的速度重放一个景像时，载体就要以正常速度五倍的速度通过读出头。这意味着在图象显示装置复现一幅图象所需的时间内有五幅相继的图象通过读出头。于是，在显示屏幕上复现的一幅图象就呈现为由这五幅图象的五个片段构成的形式，这些片断逐个显示，由于这些畸变的图象部分的影响，看上去不成整体。
近来，开发了一种称为MPEG的数字记录方法。在这种方法中，有关图象的信息经数字编码、压缩后线性地存储在一个载体上，这可以理解为相继的比特逐个以载体写、读方向排列成一条直线。
在重放这样的记录时，所读的比特并不与帧中要相继复现的像素对应。必需将大量的比特收集在一起，以便进行解码和重建一帧或多个相继帧的图象内容。为此所需的缓冲存储器和计算装置可以配置在重放设备中，也可以配置在显示装置中。但应注意的是，平均来说，所读的比特数仍与载体正常播放速度每秒25帧相应。原则上，使载体较快或较慢通过读出头是可能的。然而，问题是标准的显示装置(如电视机)并不能将这样接收到的信息变换成标准的帧。
本发明的目的是提供一种使按照MPEG方法记录的录像在诸如电视机那样的标准显示装置上能以在充分大的范围内可调的重放速度进行重放的方法和设备。
具体地说，本发明的目的是使这种重放设备的用户可以在慢放和快放之间几乎连续地改变重放速度。
下面将结合附图参照本发明所提出的方法和设备的优选实施例对本发明的特征、优点和其他方面进行更详细地说明。在这些附图中

图1A-1E例示了用MPEG编码存储信息的情况；图2A示出了一个MPEG序列的例子；图2B示出了从图2A所示序列得出的一个用于慢放的序列的例子；图2C示出了从图2A所示序列得出的一个用于快放的序列的例子；以及图3示出了本发明所提出的设备的原理方框图。
由于MPEG编码为众所周知，因此只对MPEG记录过程的一些基本情况结合图1作简要的说明。具体地说，简要地说明一下对帧进行MPEG编码的三种不同类型，即I编码、P编码和B编码，这三种编码所需的每帧比特数依次递减。
图1A例示了需录在一个诸如磁带之类的载体上的相继各帧的一个序列，这些帧分别标为N，N+1，N+2，…。在PAL制式中，每一帧与1/25秒的播放时间相应。
图1B示意地示出了标有R，R+1，R+2，…的相继记录区的磁带10，这些记录区具有相同的长度，也就是说，记录区R，R+1，R+2，…各含有相同数量的比特。如果帧N，N+1，N+2，…逐个以数字编码形式记录下来，那么图1A所示的帧序列的记录就呈图1B所示意的形式。
为了减少在读出数字信息期间和在将读出的信息传输给复现装置期间以每秒比特数表示的信息量，在记录前对图象信息进行了压缩。在图1C中示意性地示出了这种情况，载体10具有一系列相继的记录区C，C+1，C+2，…，它们的长度分别比图1B中的相应记录区R，R+1，R+2，…的小。图1C具体示出的是每个帧N，N+1，N+2，…的信息分别压缩成一个压缩帧后再记录的情况。在这种情况下，可以通过解压缩和解码从每个压缩帧C，C+1，C+2，…分别得出相应的原帧N，N+1，N+2，…。具有这种特征的编码压缩帧将称为本征帧或I帧。
由于一个序列中的相继各帧通常相互极为相似，因此还可能进一步减少信息量。如果对于一个帧只录下它与前驱帧的差别，那么记录这个帧所需的信息就更少。这种帧将称为预测帧或P帧，只含有帧的一些部分的运动信息。图1D示意性地示出了帧N录为I帧而接着的两个帧N+1和N+2录为P帧的情况。显然，通过例如只对与帧N+1相应P帧的记录信息解压缩和解码是不能恢复帧N+1的，必需将与帧N+1相应的P帧的记录信息和与帧N相应的I帧结合起来才能恢复帧N+1。然而，这样记录两个相继的帧N和N+1所需的比特显然比较少。
MPEG还包括第三种编码压缩帧，称为双向帧或B帧。记录一个B帧所需的比特比记录一个P帧更少，如图1E所示。恢复与B帧相应的原帧需要有三个编码压缩帧的信息，即所述B帧、在它前面的最后一个I帧或P帧和在它后面的第一个I帧或P帧。
应注意的是，需记录的信息量取决于相继各帧的图象内容。例如，恢复一个一小时的图象序列可能需要540Gbit(67.5Gbgte)左右，但这个信息量可以通过MPEG记录压缩到只有10.8Gbit(1.35Gbgte)左右。
下面将结合图2说明重放这样编码的录像的情况。
图2A示意性地示出了一个由一序列所存储的电视帧组成的序列。这些帧相继标为1，2，3，…，如图2A的上部所示，而各帧的编码类型标在图2A的下部。为了简明起见，所示的I、P和B帧都示为具有相同的大小。这样的编码结构IBBPBBPBB可以周期性重复。在这种情况，这样的由九个相继的帧构成的组称为“图象组”或GOP。应注意的是，在MPEG中，一个GOP(在本情况下为九个帧)的长度是可变的。此外，一个GOP的结构，特别是相继的B帧的数量，是可变的，取决于需记录的各帧的图象内容。还应注意的是，在记录一个序列期间一个帧是记录为I帧、P帧还是记录为B帧由记录装置(录像机)决定，但这并不是本发明所要涉及的。在本发明范围内，可以假定一个所记录的序列包括一系列具有或多或少的有规律的编码结构的I帧、P帧和B帧。
如果这样记录的序列要用一个诸如电视机之类的显示装置以正常方式(实时)复现，就需用一个重放设备(录像机)相继读出这些编码帧，以编码形式送至所述显示装置。每个编码帧还包括本帧编码类型的信息。如上所述，记录一个I帧需要占用比记录一个P帧和B帧更多的信息，因此读出一个P帧和将它传送给显示装置所需的时间比读出和传送一个I帧的短，而读出和传输一个B帧所需的时间更短。然而，平均说来，读出和传送PAL制式的帧(包括I、P和B帧)的数目是每秒25个。
在显示装置中，所接收的帧经解压缩和解码后存入缓冲存储器。所存储的帧从缓冲存储器读出后在显示器上显示，复现PAL制式的每个帧所需的时间为1/25秒，无论这个帧是编码成I帧、P帧或B帧。
如果希望以不同于正常速度的速度观看所记录的序列(快放或慢放)，只是使载体以较高或较低的速度通过读出头就不行了。确实，在这种情况下，存储在所述缓冲存储器内的帧的数目要多于或少于在标准显示装置中以正常速度从这个缓冲存储器读出的帧的额定数目(在PAL制式中为每秒25个)。本发明所提出的方法可以保证单位时间内提供给显示装置的帧的平均数目仍等于额定数目，即使载体以较高或较低的速度通过读出头(快放或慢放)，情况如下面所述。
图3示出了按照本发明所构成的用来读出录在载体10上的信息的重放设备100的原理图。重放设备100具有一个读出头30和使载体10通过读出头30的驱动装置20。在载体10是磁带的情况下，驱动装置20包括一个驱动收带盘的马达；而在载体10是磁盘或光盘的情况下，驱动装置20包括一个使盘旋转的马达。
重放设备100包括一个控制装置40，它可以包括例如一个经适当编程(面向硬件或软件)的微处理器。控制装置40与驱动装置20连接，控制驱动装置20使载体10通过读出头30的速度。
此外，控制装置40还与读出头30连接，接收读出头30所读出的信息，这信息如上所述是各电视帧的编码信息。控制装置40还与重放设备100的输出端101连接，有选择地将读出头30所读出的信息送至输出端101，这在下面还要详细进行说明。
重放设备100有一个与控制装置和连接的重放速度选择开关50，这个开关可由用户操纵。选择开关50可以有不同的结构形式。在一种形式中，选择开关50做成一个能沿刻度盘移动的指示旋钮，这个指示旋钮例如驱动可沿一个电阻导轨滑动的电刷。在另一种形式中，选择开关50可以是一个数字键盘。当然，也可以将这两种形式结合起来，这是熟悉本技术领域的人员众所周知的。
利用选择开关50用户可以向控制装置40发出命令，选择所希望的重放速度。通常，用户选择正常重放速度，在图3中标为“N”。控制装置40控制驱动装置20，使载体10以基本上恒定的预定速度(下面称为额定速度)运动。从读出头30接收到的电视信号于是完整地传送至输出端101。
控制装置40还用来监视从读出头30接收到的数据流，测量这个数据流的每单位时间的平均帧数。控制装置40将所测得的帧数与一个预定的固定值进行比较，这个值称为额定值，在PAL制式的情况下为每秒25帧。如果测得的平均帧数大于这个额定值，控制装置40就控制驱动装置20，使载体10慢些通过读出头30，而如果测得的平均帧数小于这个额定值，控制装置40就控制驱动装置20，使载体10快些通过读出头30。这样，就保证了每单位时间内送至输出端101的帧的数目等于所述额定值。
如果用户选择不同于额定速度的重放速度，他可以控制选择开关50，输入一个速度因子α。下面，速度因子α定义为应与额定重放速度相乘的因子，从而使得速度因子α大于1相当于快放，而速度因子α在0与1之间相当于慢放情况。
本发明的一个重要特点是速度因子α在给定范围内连续可调。在一种派生形式中，用户只可以从一系列(相当多的)预定值中选择速度因子。
为了例示本发明的原理，下面结合图2B详细说明按本发明进行慢放的例子。图2B示出了由控制装置40从图2A所示序列通过将每个B帧都重复一次得出的一个帧序列。同样，在图2B的上部标出了这个新的序列中各相继的帧的序号1，2，3…，而在图2B的下部标出了各帧的类型，而帧在原序列(图2A)中的序号标在括号内。
因此，在本例中，从一个包括9个帧的原序列得出了一个具有15个帧的新序列。一个本质上的特点是这个新序列完全符合MPEG格式，因此控制装置40可以将这个经修改的序列直接送至标准的显示装置，由它直接对这个经修改的序列进行解码和显示。这个经修改的序列(15个帧)的播放时间比原序列(9个帧)的长，从而实现了慢放，在这种情况下的速度因子α因此就为9/15或0.6。
显然，有大量“均匀”速度因子α小于1。在如图2A所例示的一个GOP的序列中，只要重复这个GOP中的1、2、3、4或5个B帧就可直接得到为9/10、9/11、9/12、9/13或9/14的速度因子。其他分数可以通过考虑多个相继的GOP来实现，例如，如果考虑两个相继的GOP，那么通过分别重复第一和第二GOP内的2个和3个B帧，就能得到18/23的速度因子。
应指出的是，可以通过多次重复各个B帧来得到非常小的速度因子。例如，可将图2A的GOP中的各B帧都相继重复发送四次，于是就能得到非常小的速度因子9/27＝0.33。然而，在还要小的速度因子的情况下，有可能复现的图象会给观看者有不平稳的感觉。
在实际中，各GOP的长度不必是恒定的，因此不能确定是否在任何GOP中都能实现给定的所需速度因子。然而，这并不重要。本发明的一个重要的特点是，在延迟读出各帧的情况下，通过重复B帧能在输出端101得出平均每单位时间数目额定的帧。
再来看图3。控制装置40使驱动装置20工作在慢放模式，速度基本上等于α倍的额定速度。这样，读出头30每单位时间读出的帧的平均数目基本上等于α倍的额定数。如前面所述，控制装置40可以监视读出头30读出的数据流，对每单位时间发送的帧进行计数。每当发现所计的数小于额定数时，控制装置40就在输出端101提供X次B帧数据。为此，控制装置40中配置了一个存储器41，用来存储B帧数据。
原则上，X选为2。然而，如果所选的速度因子小到提供两次B帧数据尚不足以维持额定帧率，控制装置40就将X增大为3，甚至增大为4。
这同样也保证了每单位时间向输出端101提供的帧的平均数基本上等于额定值。应注意的是，在显示装置方对接收经修改的序列的情况并不需要进行任何修改，因为在经维修的序列中的帧的平均数始终等于额定的帧数，而经修改的序列符合MPEG格式。显示装置可以用“正常”方式对接收的每个帧进行解码后在正常时间(在PAL制式中为1/25秒)内显示在屏幕上，无论源是一个“正常”的帧还是重复的帧。
此外，应注意的是，原则上显然可得到在合理范围内的任何所希望的慢放速度因子，因为并不要求同样重复每个GOP中的B帧。重要的只是对于任何读出速度(媒体的播放速度)在给定时刻重复一个B帧，使得发送的帧的总数经一段较长时间平均后始终基本上为额定数。各GOP的实际长度于是并不重要。
为了例示本发明的原理，下面结合图2C详细说明按本发明进行快放的例子。图2C示出了由控制装置40从图2A所示序列通过每两个B帧省略其中的第二个B帧得出的一个帧序列。同样，在图2C的上部标出了这个新的序列中各相继的帧的序号1，2，3，…，而在图2C的下部标出了各帧的类别，而帧在原序列(图2A)中的序号标在括号内。
因此，在本例中，从一个包括9个帧的原序列得出了一个具有6个帧的新序列。一个本质上的特点是这个新序列完全符合MPEG格式，因此控制装置40可以将这个经修改的序列直接送至标准的显示装置，由它直接对这个经修改的序列进行解码和显示。这个经修改的序列(6个帧)的播放时间比原序列(9个帧)的短，从而实现了快放，在这种情况下的速度因子α因此就为9/6或1.5。
显然，有大量“均匀”速度因子α大于1。在如图2A所例示的一个GOP的序列中，只要省略这个GOP中的1、2、3、4、5或6个B帧就可直接得到为9/8、9/7、9/6、9/5、9/4或9/3的速度因子。其他分数可以通过考虑多个相继的GOP来实现，例如，如果考虑两个相继的GOP，那么通过分别省略第一和第二GOP内的2个和3个B帧，就能得到18/13的速度因子。
显然，这样可得到的最大快放速度因子取决于GOP内的帧数。通过再省略P帧(但这只能在与本P帧有关的所有B帧也都省略时才允许)可以得到更大的快放速度因子。如果所有的P帧也都省略，那么一个GOP中只有一个帧被显示，在本例中所得的快放速度因子为9/1。
现在来看图3。控制装置40使驱动装置20工作在快放模式，速度基本上等于α倍的额定速度。这样，读出头30每单位时间读出的帧的平均数目基本上等于2倍的额定数。如前面所述，控制装置40可以监视读出头30读出的数据流，对每单位时间发送的帧进行计数。每当发现所计的数大于额定数时，控制装置40就堵住一个B帧(必要时甚至是一个P帧)的数据，使这个数据不能到达输出端101。
这同样也保证了每单位时间向输出端101提供的帧的平均数基本上等于所述额定值。应注意的是，在显示装置方对接收经修改的序列的情况并不需要进行任何修改，因为在经修改的序列中的帧的平均数始终等于额定的帧数，而且经修改的序列是符合MPEG格式的。显示装置可以用“正常”方式对接收的每个帧进行解码后在正常时间(在PAL制式中为1/25秒)内显示在屏幕上。
此外，应注意的是，原则上显然可得到在合理范围内的任何所希望的快放速度因子，因为并不要求同样省略每个GOP中的B帧。重要的只是对于任何读出速度(媒体的播放速度)在给定时刻省略一个B帧，使得发送的帧的总数经一段较长时间平均后始终基本上为额定数。各GOP的实际长度于是并不重要。
本发明所提出的这种方法的一个重要的优点是复现的图象并不出现错位扰动，而图象的各运动元呈现较快运动。如前面所述，用本发明所提出的方法能达到的最大快放速度因子取决于GOP内的B帧(和P帧，如果合适的话)的数目。显然，再省略一些I帧可以得到甚至更大的快放速度因子。然而，以这样高的重放速度重放，观看者不再能跟上相应快速运动的图象，因此本发明提供这种可能性并没有任何实际意义。
本发明还提出了另一种可为观看者得出较稳定的图象的实施方式。按照这种实施方式，首先向显示装置发送第一预定数目的相继帧，然后省略第二预定数目的相继帧。所述第一和第二数目最好与整数个GOP相应。在一个例子中是发送一个GOP后略去后面9个相继的GOP，从而所得到的快放速度因子为10/1。
本发明所提出的这种快放方法的优点是观看者始终可看到一段短时间的正常运动图象景像，相继的图象景像由于跳过了一段时间而相互分离。跳过的时间长度很难或不能估计，使得在这种情况下观看用快放速度因子为5的重放与观看用快放速度因子为50的重放感觉不到有很大差异。
熟悉本技术领域的人员显然理解，如在权利要求中所明确的本发明专利保护范围并不局限于以上结合附图所说明的这些实施例。因此，所有根据本发明的精神对这里所揭示的方法和设备的实施例的变动和修改都应属于本发明的专利保护范围之列。
权利要求
1.一种读出按照MPEG格式编码的、包括一系列I帧、P帧和B帧的电视帧序列的方法，所述方法包括下列步骤使录有所述序列的载体以不同于额定重放速度的速度播放，从而以不同于额定速率的速率(每单位时间的帧数)提供所述图象帧序列；以及重复或省略这样读出的帧中的一个或多个B帧，从而向显示装置发送一个经修改的每单位时间平均帧数等于预定额定数的序列。
2.一种如在权利要求1中所述的方法，其中使载体以高于额定重放速度的速度播放；以及除了B帧外还跳越一些P帧。
3.一种如在权利要求1中所述的方法，其中使载体以高于额定重放速度的速度播放；以及每次向显示装置发送第一预定数目的相继帧后省略第二预定数目的相继帧，而第二数目大于第一数目。
4.一种如在权利要求3中所述的方法，其中所述第一预定数目的相继帧与整数个GOP相应，而所述第二预定数目的相继帧也与整数个GOP相应。
5.一种执行如在以上任何一个权利要求中所述的方法的设备(100)，所述设备包括一个用来读出记录在载体(10)上的信息的读出头(30)；一个使载体(10)和读出头(30)以可调整的速度相对运动的驱动装置(20)；一个用来提供编码帧序列的输出端(101)；一个与读出头(30)连接的控制装置(40)，用来接收所读出的信息，有选择地向所述输出端(101)提供所读出的信息；一个配合控制装置(40)用来暂时存储所读出的B帧的存储器(41)；以及一个与控制装置(40)连接的由用户操纵的速度选择开关(50)；其中所述控制装置(40)与驱动装置(20)连接，根据来自速度选择开关(50)的信号控制驱动装置(20)，使载体(10)的运动速度等于α倍的预定额定速度，而α为一个通过速度选择开关(50)选择的速度因子；所述控制装置(40)监视来自读出头(30)的数据流，将所述数据流中每单位时间的帧数与预定的额定平均值进行比较；所述控制装置(40)在每单位时间所计的帧数小于额定平均值时将一个B帧的数据存入存储器(41)后再将所述数据送至输出端(101)，以便从存储器(41)读出所述数据再次将所述数据送至输出端(101)；以及所述控制装置(40)在每单位时间所计的帧数大于额定平均值时阻止一个B帧的数据到达输出端(101)。
全文摘要
本发明揭示了一种以不同于额定重放速度的速度重放记录在载体上的按MPEG格式编码的一系列电视帧的方法。这种方法通过重复或省略一些B帧校正向显示装置传送的读出产生的帧的数量,使得每单位时间传送给显示装置的帧的平均数等于预定的额定数。
文档编号H04N5/783GK1229557SQ98800838
公开日1999年9月22日 申请日期1998年3月12日 优先权日1997年4月24日
发明者G·J·范登恩登 申请人:皇家菲利浦电子有限公司