专利名称：将mpeg－2比特流转换成smpte－259兼容比特流的方法和设备的制作方法
对联邦发起的研究和发展的政府许可权美国政府具有本发明的已付费许可和以及具有受限情况的权利，要求专利权所有者在合理的条款上给其他人许可，这些条款由国家标准和技术协会授予的70NANB5H1171号合同的条款提供。
引用参考1996年3月8日的NIST HDTV演播系统需求文献(NIST HDTV StudioSystem Requirements Document)的3.0修订版其全部在此特别被引用参考。MPEG-2视频(ISO 13818-2)和MPEG-2声频(ISO 13818-1)的MPEG-2(运动图像专家组)规格标准在此特别引用。运动图像和电视工程师协会(SMPTE)标准259规范，称作“10位4∶2∶2分量和4fSCNTSC复合数字信号-串行数字接口”在此特别被引用。
本发明背景a．本发明领域本发明涉及数字信号处理，特别涉及MPEG-2压缩数据的处理和/或转换。
b．现有技术简述在电视产品演播室领域中，有许多最后广播或传送电视信号必须的装置。在对要采用的视频信号进行选择配置时产品演播室有许多视频供给(输入)。视频供给的例子有实况播送供给、网络供给、卫星供给和局部产生的视频内容。同样的，产品演播室有许多在路由视频信号时选择的视频接收方(输出)。这种视频接收方的例子有用于档案目的的磁带机、特殊效果的产生切换器和广播天线。
视频供给通常利用所述SMPTE(运动图像和电视工程师协会)259(M)标准。这个标准描述一系列数字接口用于系统M(525/60)数字电视装置用4∶2∶2组成信号或4fSCNTSC(全国电视标准委员会)合成数字信号运行。输出装置也利用该标准。
为了管理不同的输入和输出，演播室通常利用一种叫做视频路由器的设备。一个典型的视频路由器获得SMPTE-259兼容格式的视频输入流或信号，并路由该信号到理想的接收方。为了将一种视频供给转换成另一种视频供给，视频路由器在垂直消隐间隔期间执行视频供给的改变或转换，而且如果是NTSC，则通过路由器的所有视频的帧的速率为29.97Hz。由于需要电子设备来执行转换和路由功能，所以上述典型的视频路由器是一个相当复杂和昂贵的装置。
虽然SMPTE-259标准是数字标准，为了演播室开始产生、处理和传送高清晰度电视(HDTC)，有必要配置MPEG-2兼容视频输入和输出设备，如HDTV摄像机、HDTV监视器及HDTV后期产生装置。因此，当演播室开始产生、处理和传送高清晰度电视(HDTV)素材时，所述SMPTE-259路由器将不再起作用。代替SMPTE-259路由器的将很可能是最昂贵的装置之一。
因此本发明的一个目的是提供一种方法和装置，将不同类型的输入比特流转换成SMPTE-259兼容比特流，特别用于SMPTE-259路由器。
本发明更特别的一个目的是提供一种方法和装置，将MPEG-2比特流转换成SMPTE-259兼容格式以使MPEG-2压缩HDTV比特流使其经由SMPTE-259路由器是可路由的。
本发明的另一个目的是提供一种方法，由此电视演播室可以在同一视频路由器上路由标准清晰度(如NTSC)视频信号和HDTV视频信号。
本发明的另一个目的是提供一种“帧丢弃”方法和装置，在从一种比特流格式转换成另一种比特流格式时使输入和输出比特流的帧速率之间的信息损失最小。
本发明的另一个目的是提供一种字符翻译器，将SMPTE-259标准中禁用但能存在于比特流中的字符转换成“转义(escape)字符”。
本发明简述从一种形式看，本发明是一种方法和实现该方法的一种装置，用于将MPEG-2类型比特流转换成SMPTE-259兼容格式比特流。MPEG-2比特流首先被解码从而产生DCT系数和运动向量。该比特流以一个全I帧格式重新编码并且只有当输入比特流帧的速率不是29.97Hz或59.94Hz时第1001个帧被丢弃。其后，重新编码的比特流被送到首部编码器和SMPTE-259编码器。
在输入比特流是I、P和B帧格式的情况下，当遇到的第1001个帧确定是B帧时，像素信息被丢弃，否则I或P帧被丢弃。这就允许输出比特流在29.97或59.94Hz的帧速率下是SMPTE-259兼容的。
根据本发明的一个方面，SMPTE-259编码器中的字符翻译器将任意SMPTE-259禁用的字符转换成可识别的字符。
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述特性、优点和目的将会变得更加清楚，其中图1是一个配备有模拟和数字装置的典型广播演播室应用的全部方块图，模拟装置利用SMPTE-259生产和路由，数字装置利用MPEG-1，本发明代码转换器提供两个系统之间的接口；图2是该代码转换器的顶层方块图；图3是该代码转换器的详细方块图。
应注意的是，附图仅说明了本发明的一个典型实施例，因此不能限定在这个范围中，因为本发明允许其它同样有效的实施例。
本发明详细说明现参考图1，所示为用在采用混合信号类型(即HDTV和SDTV)的典型电视产品或广播演播室中的不同组件的顶层方块图。图1的方块图可被分解为对应于SDTV信号类型或格式的上部分10，及对应于HDTV信号类型或格式的下部分12，如图由点划线分开。SDTV格式与SMPTE-259兼容并被指明为“CF”而HDTV格式被指明为“AF”。
演播室的SDTV部分10的核心是SMPTE-259路由器14。路由器14接收一个SMPTE-259兼容格式的比特流并向预期的接收方输出或路由视频流。对路由器14的输入可从NTSC(CF)格式的摄像机16、NTSC磁带(VTR)18或其它的NTSC装置20得到，每种都与路由器14通信。输出比特流可被路由到NTSC磁带18、NTSC监视器22、NTSC发送器24或其它的NTSC装置20，每种都与路由器14通信。由于路由器14是一个SMPTE-259路由器，所以路由器14仅支持29.97Hz的帧速率。
下部分12是HDTV(AF)部分并具有MPEG-2路由器26，路由器26与路由器14以同样的方式工作，但用于HDTV比特流。分组交换控制器27向路由器26提供输入。路由器26从输入设备接收比特流，这些输入设备如HDTV(AF)摄像机28、磁带装置/DVD 30、视频服务器32和其它的代码转换设备/装置34。输出比特流可路由到磁带/DVD装置30、视频服务器32、其它代码转换设备/装置34、广播装置36、HDTV监视器38和HDTV发送器40。
依照本发明的一个目的，提供一个从MPEG-2到SMPTE-259的比特流转换器42，从HDTV路由器26接收一个MPEG-2输出比特流，将该MPEG-2比特流转换为一个SMPTE-259兼容比特流，并把该SMPTE-259兼容比特流作为输入提供给SDTV路由器14。在这种方式下，SDTV路由器14将识别并接受输入比特流，并能依此处理输入比特流。为了提供从转换器42得到的SMPTE-259兼容比特流之间的时间同步，MPEG-2到SMPTE-259的转换器42接收源于SMPTE-259路由器14的时间基准46作为输入。另外，一个SMPTE-259到MPEG-2的转换器44提供一个MPEG-2兼容比特流从SDTV路由器14传到HDTV路由器26。转换器44从路由器14接收SMPTE-259比特流，以公知的方式将该比特流编码成为MPEG-2，然后输出该比特流到路由器26。
现在具体参考图2，所示为本MPEG-2到SMPTE-259转换器42的顶层方块图。来自路由器26的输入比特流是MPEG-2格式的并且经由线路47进入转换器42。输入比特流首先进入一个传输解码器48，在此MPEG-2数据从比特流中提取出来。提取出的MPEG-2数据被发送到一个首部解码器50，在此相关的视频参数如帧速率和编码参数如输入规模标度、输入比特率及类似的参数被提取出来。从首部解码器50提取的数据被发送到可变长度解码器(VLD)51。该VLD 51从离散余弦变换(DCT)数据中分离出编码的运动向量数据。该运动向量(MV)源自一个运动向量预报器52和运动向量发生器54。所述DCT数据被反Z形排序块58用来导出DCT系数60。从DCT系数块60得到的DCT系数和从运动向量块54得到的运动向量都被输入到一个代码转换器56。
代码转换器56的主要功能是接收输入的DCT系数和运动向量，并为新数据(NDATA)的生成产生像素信息。除了运动向量和DCT系数，代码转换器56也从首部解码器50接收先前的规模标度(PQS)和输入帧速率(IFR)作为输入。由代码转换器56解码的像素被重新编码成为一个完全I-帧格式，表示为NDATA，然后被发送到多路复用器和SMPTE-259首部编码器62。经首部编码器62之后，比特流被发送到SMPTE-259编码器64以便插入必要的代码字来表示SMPTE-259兼容帧边界条件。编码器64经由线路65向SMPTE-259路由器14输出新编码的SMPTE-259兼容格式(见图1)。然后允许通过SMPTE-259路由器14对先前MPEG-2比特流进行转换或路由。编码器64还通过一个时钟恢复模块66和锁相环模块68接收来自传输解码器48的时钟信号。
现参考图3，所示为代码转换器56的方块图。代码转换器56的主要功能是通过解码从输入的MPEG-2比特流产生像素信息，并以全I-帧格式输出重新编码的像素信息以便编码成SMPTE-259兼容格式。一般的，代码转换器56包括一个解码器部分和一个编码器部分。解码器部分对MPEG-2编码的比特流进行解码，而编码器部分处理(“编码”)解码后的比特流以便最终的SMPTE-259编码，如参考图2所述的。所述DCT系数由IDCT(输入DCT)块72接收。运动向量(MV)由运动补偿块76接收，运动补偿块76的输出由加法器块74加到IDCT中。运动补偿输出通过DCT块78也被用来产生新的DCT系数。然而，在输入是全I帧的情况下，编码器不需要运动补偿。在DCT系数产生之后，输出由量化器80量化，然后被发送到可变长度解码(VLD)82。
由于SMPTE-259路由器14只支持29.97Hz的帧速率，MPEG-2可以具有29.97Hz、30Hz、59.94Hz或60Hz，所以代码转换器56能够在需要时每1001帧就丢弃一帧。这可由帧检测器&计数器86完成。帧检测器&计数器86接收由首部解码器50(见图2)决定的输入帧速率(IFR)和从运动补偿76得到的输出。如果输入帧速率是30或60Hz(59.94Hz是29.97Hz的倍数)，则帧检测器&计数器86能在每1001个帧中丢弃一帧。由于所有MPEG-2编码器有一个缓冲区用于“平滑”输出比特率，这同一个缓冲区可以被用来丢弃一个帧。如果输入帧速率是29.97或59.94Hz，就不必丢弃帧，并且帧检测器&计数器86不启动。从帧检测器&计数器模块86得到的作为结果的输出帧速率只能是29.97或59.94Hz，并且作为write_enable(写-使能)信号发送到先入先出(FIFO)模块84，该write_enable信号与bit_clkl和bit_clk2一起输入到FIFO模块84，确定将发送到多路复用器和首部编码器62的新数据(NDATA)(见图2)。
该格式的转换器能转换许多不同类型的输入比特流成为SMPTE-259兼容比特流。这样的输入比特流可以是全I帧，IPIP类型，或者包含I、P和B帧的复GOP。如果输入比特流格式是全I帧，那么帧速率转换时，所述代码转换器将会删除或丢弃每个第1001帧的I帧。如果输入比特流是IPIP，那么无论I帧或P帧出现在每第1001帧，代码转换器都会删除I帧或P帧。然而，如果输入比特流是I，P，B格式的，则代码转换器将会丢弃包含在B帧中的像素信息。这个过程使在帧速率变化过程中的信息损失最小。
权利要求
1．一种将输入的MPEG-2比特流转换成SMPTE-259兼容比特流的方法，该方法包括以下几步a．确定输入MPEG-2比特流的比特率；b．对输入的MPEG-2比特流进行解码；c．将解码后的输入MPEG-2比特流重新编码成全I帧比特流；d．选择性地丢弃全I帧比特流的第1001个重新编码的I帧；e．选择性地从全I帧比特流的重新编码的第1001个I帧丢弃像素信息；f．然后对由此发生的重新编码的和未丢弃的I帧进行编码，得到SMPTE-259比特流。
2．如权利要求1所述的方法，其中，当输入的比特率不是29.97或59.94Hz并且输入的MPEG-2比特流的第1001帧是I或P帧时，第1001个重新编码的I帧被丢弃，其中，当输入的比特率不是29.97或59.94Hz并且输入的MPEG-2比特流的第1001帧是B帧时，第1001个重新编码的I帧的像素信息被丢弃。
3．如权利要求2所述的方法，其中，对MPEG-2比特流解码的步骤包括确定输入MPEG-2比特流的DCT系数和运动向量，对解码后的MPEG-2比特流重新编码为全I帧的步骤仅包括所述DCT系数的计算、所述比特流的量化和可变长度编码。
4．如权利要求1所述的方法，还包括在SMPTE-259编码前用一个新的规模标度对重新编码和未丢弃的I帧进行多路复用的步骤。
5．一种将输入的MPEG-2兼容比特流转换成SMPTE-259兼容比特流的方法，该方法包括以下几步a．从输入的MPEG-2兼容比特流提取MPEG-2数据；b．从提取的MPEG-2数据提取视频参数；c．从提取的MPEG-2数据提取编码参数；d．从提取的MPEG-2数据解码可变长度编码的数据；e．由可变长度编码的数据产生像素信息；f．将产生的像素信息编码成为全I帧格式；g．在每1001个编码后的I帧中选择性地丢弃一帧；h．将编码后的I帧编码成为SMPTE-259兼容比特流。
6．如权利要求5所述的方法，其中，提取的视频参数包括帧速率，提取的编码参数包括输入规模标度和输入比特率，并且解码后的可变长度编码数据包括运动向量和DCT系数。
7．如权利要求5所述的方法，其中，提取的编码参数包括输入比特率，并且当输入的比特率不是29.97或59.94Hz并且输入的MPEG-2比特流的第1001帧是I或P帧时，第1001个编码的I帧被丢弃；并且其中，当输入的比特率不是29.97或59.94Hz并且输入的MPEG-2比特流的第1001帧是B帧时，第1001个编码的I帧的像素信息被丢弃。
8．如权利要求7所述的方法，还包括在SMPTE-259兼容比特流编码前用一个新的规模标度对编码和丢弃的I帧进行多路复用的步骤。
9．一种将输入的MPEG-2比特流转换成SMPTE-259兼容比特流的设备，该设备包括MPEG-2首部解码器，用于确定输入的MPEG-2比特流的比特率；可变长度解码器，与MPEG-2首部解码器通信，用于将输入的MPEG-2比特流解码成解码后的比特流；代码转换器，与MPEG-2首部解码器和可变长度解码器通信，所述代码转换器用于将解码后的比特流编码成全I帧编码的比特流；帧丢弃器，与首部解码器、可变长度解码器及代码转换器通信，所述帧丢弃帧用于选择性地使能丢弃指定数目编码I帧的每一个或这些指定数目编码I帧的每一个的像素信息以便形成结果比特流；SMPTE-259编码器，与代码转换器通信，用于将所述结果比特流编码成为SMPTE-259兼容比特流。
10．如权利要求9所述的设备，其中，当输入MPEG-2的比特率不是29.97或59.94Hz时，帧丢弃器启动；并且当帧丢弃器启动时，所述指定的数目为1001，使得当输入MPEG-2比特流的每第1001帧是一个I或P帧时，其I帧则被丢弃，而当输入MPEG-2比特流的每第1001帧是一个B帧时，其I帧的像素信息则被丢弃。
11．如权利要求10所述的设备，还包括一个多路复用器，在代码转换器和SMPTE-259编码器之间通信，该多路复用器用一个新的规模标度对结果比特流进行多路复用。
全文摘要
一种用于将MPEG－2比特流转换成SMPTE－259兼容比特流的方法和设备,其特征在于帧速率转换器,该转换器选择性地启动以便依据输入比特流的帧速率丢弃输入MPEG－2比特流的每第1001帧。如果输入比特流的帧速率不是29.97或59.94Hz,帧丢弃器则启动以删除每个第1001帧。该转换器能转换许多不同类型的输入比特流,例如全I类型、IPIP类型或包含I、P和B帧的复GOP类型。如果I或P帧作为第1001帧出现,则启动的帧丢弃器将会丢弃I或P帧,但是,如果第1001帧是B帧类型,则B帧的像素信息被丢弃。这使得转换过程中的信息损失最小。格式转换器允许现有的SMPTE－259路由装置路由和利用MPEG－2比特流;如HDTV应用。
文档编号H04N7/26GK1282488SQ98812201
公开日2001年1月31日 申请日期1998年12月19日 优先权日1997年12月19日
发明者巴维什·B·巴特, 拉格纳·H·琼森 申请人:汤姆森特许公司