專利名稱：Hdtv和sdtv數字電視傳輸碼流圖標插入系統的制作方法
技術領域：
本發明是有關數字電視設備的發明。更詳細的說，本發明是數字電視系統的圖標插入系統，是HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統的發明。
背景技術：
目前，數字電視在全世界范圍內開始推廣，已進入實用化階段。實際應用中需使用圖標插入設備，在轉發衛星或其它電視臺的節目中，加入本地電視臺的臺標、字幕以及圖形廣告等。現存的模擬臺標插入設備也將隨數字電視技術的應用而向前發展。
但是，傳統技術的圖標系統的數-模轉換和重新編碼，會造成電視圖像損傷。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發明的目的為提供用于數字電視系統的圖標插入系統，可以取代傳統的模擬圖標插入系統，廣泛用于數字電視領域。
本發明采用的技術方案是一種HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，包括系統層TS和PS解復用、復用模塊，系統層TS和PS解復用解出的音頻基本流直接輸出系統層TS和PS到復用模塊復用輸出，其特征在于，還包括插入轉換編碼器，插入轉換編碼器的結構是依次相連的變字長解碼塊、第一反量化塊、第一反離散余弦變換塊、第一加法器、第二加法器、第一離散余弦變換塊、第二重量化塊和向系統層TS和PS復用塊輸出視頻碼流的變字長編碼塊；系統層TS和PS解復用輸出視頻流到變字長解碼塊，變字長解碼塊還通過第一運動補償塊輸出到第一加法器；第一加法器的輸出還通過第一參考圖像塊向第一運動補償塊輸出反饋信號；第二反量化塊、第二反離散余弦變換塊、第三加法器、第二參考圖像塊、第二運動補償塊依次相連，第二重量化塊輸出到第二反量化塊，第二運動補償塊輸出到第二加法器；變字長解碼塊經第二運動補償塊輸出到第三加法器；圖標信息經第二加法器輸入。
上述HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統結構也可是依次相連的輸入視頻流的變字長解碼塊、第一反量化塊、第一加法器、第二重量化塊和輸出視頻流的變字長編碼塊；第二反量化塊、第三加法器、第二反離散余弦變換塊、第二量化誤差塊、第二運動補償塊、第一離散余弦變換塊依次相連，第二重量化塊輸出到第二反量化塊，第二離散余弦變換塊輸出到第一加法器；變字長解碼塊輸出到第二運動補償塊；第一加法器輸出到第三加法器；圖標信息插入到量化誤差塊，圖標信息還經第二離散余弦變換塊插入到第一加法器的輸入。
所述圖標信息也可經第二離散余弦變換塊插入到第二量化誤差塊，所述第三加法器直接輸出到量化誤差塊，所述第二運動補償塊和第一離散余弦變換塊由一個DCT環代替。
所述圖標信息還可經第一離散余弦變換塊插入到第二重量化塊。
本發明可帶來如下效果本發明的圖標插入結構和局部重新編碼算法，可大幅度降低圖標插入處理的計算量，保證電視圖像無損。
圖1級聯型圖標插入轉換編碼器。
圖2快速圖標插入轉換編碼器。
圖3DCT域快速圖標插入轉換編碼器-1。
圖4DCT域快速圖標插入轉換編碼器-2。
圖5圖標插入后的TS解碼圖像。
圖6圖標插入后的TS解碼圖像。
具體實施例方式
下面結合附圖，進一步說明本發明。
圖1為本發明提出的HDTV和SDTV系統層(傳輸流TS和節目流PS)的圖標插入系統框圖。圖中，系統層碼流首先經TS，PS解復用模塊，解碼為視頻和音頻基本流。其中，音頻基本流不需進行圖標插入處理，直接傳送到系統層復用模塊。解碼的視頻碼流輸入帶圖標插入功能的視頻轉換編碼器(圖1中的虛線部分)，將圖標數據插入到視頻碼流中。插入的圖標可以為任意形狀和顏色。轉換編碼中重新使用了輸入碼流中的運動矢量，可大幅度降低轉換編碼計算量。
依次相連的變字長解碼塊VLD、第一反量化塊Q1、第一反離散余弦變換塊IDCT1、第一加法器、第二加法器、第一離散余弦變換塊DCT1、第二重量化塊Q2和向系統層TS和PS復用塊輸出視頻信流的變字長編碼塊VLC；系統層TS和PS解復用輸出視頻流到變字長解碼塊，變字長解碼塊還通過第一運動補償塊輸出到第一加法器；第一加法器的輸出還通過第一參考圖像塊向第一運動補償塊輸出反饋信號；第二反量化塊Q2、第二反離散余弦變換塊IDCT2、第三加法器、第二參考圖像塊、第二運動補償塊依次相連，第二重量化塊Q2輸出到第二反量化塊Q2，第二運動補償塊輸出到第二加法器；變字長解碼塊經第二運動補償塊輸出到第三加法器；圖標信息經第二加法器輸入。
如果插入的圖標僅含有亮度數據(高亮度透明圖標)，則可對圖1中的虛線部分進行簡化，如圖2～圖4所示。
圖2中，依次相連的輸入視頻流的變字長解碼塊VLD、第一反量化塊Q1、第一加法器、第二重量化塊Q2和輸出視頻流的變字長編碼塊VLC；第二反量化塊Q2、第三加法器、第二反離散余弦變換塊IDCT2、第二量化誤差塊、第二運動補償塊、第二離散余弦變換塊DCT2依次相連，第二重量化塊Q2輸出到第二反量化塊Q2，第二離散余弦變換塊DCT2輸出到第一加法器；
變字長解碼塊VLD輸出到第二運動補償塊；第一加法器輸出到第三加法器；圖標信息插入到第二量化誤差塊，圖標信息還經第二離散余弦變換塊DCT2插入到第一加法器的輸入。
圖3中，圖標信息經第二離散余弦變換塊DCT2插入到第二量化誤差塊，所述第三加法器直接輸出到量化誤差塊，第二運動補償塊和第一離散余弦變換塊由一個DCT環代替。
圖4中，插入轉換編碼器的結構是，圖標信息經第一離散余弦變換塊DCT1插入到第二重量化塊。
圖2～圖4均可在視頻碼流中高效地插入高亮度透明圖標，具體的結構分析見發明詳細內容(五發明內容詳細介紹和實例(一))。上述幾種圖標插入轉換編碼器結構中，均用了原碼流中的運動矢量、宏塊模式等信息，由于圖標通常僅占整幅圖像很小部分，除圖標插入區域外，圖像的其它部分并不需要重新編碼，可以直接使用輸入碼流的數據。因此，轉換編碼中使用了局部重新編碼算法(僅對圖標插入區域及使用該區域進行運動補償的宏塊進行)。根據MPEG-2標準的規定，使用輸入碼流中的f_code字段(該字段指出了輸入碼流的運動矢量值的范圍)、每一宏塊在圖像中的位置和該宏塊的運動矢量，可以判斷每一編碼宏塊是否被圖標插入處理所影響(即是否使用了圖標插入區域的數據作為運動補償的參考數據)。如宏塊未被插入處理所影響，則可直接使用原碼流數據。如宏塊的參考數據被圖標插入處理所改變，則需重新計算該宏塊的殘差數據，避免出現誤差。事實上，原碼流中的大部分宏塊并不受到圖標插入的影響，因此，采用局部重新編碼的方法能夠明顯降低圖標插入處理的計算量。
使用本發明的圖標插入結構和局部重新編碼算法，可大幅度降低圖標插入處理的計算量，可以在DSP或通用PC機上，實現HDTV和SDTV系統層碼流的圖標插入處理。
圖標插入系統的核心部分為視頻轉換編碼器(圖1中的虛線框部分)。圖1中，對I幀，無需運動補償和圖像殘差數據的計算，將圖標信息L在像素域疊加后重新編碼即可。對P幀，疊加處理如下設Ddecn為第n幀解碼圖像殘差數據，Rdecn為第n幀運動補償得到的參考數據，則Rdec(n)=Rdecn+Ddecn]]>為原視頻數據的解碼重構圖像，Rdec(n)與需要插入的圖標信息L疊加，作為加入圖標后的圖像數據Rdec(n)+L送入轉換編碼器的編碼部分。設M[*]為運動補償運算，則有Rdecn=M[Rdec(n-1)]]]>，其中，Rdec(n-1)為存儲器中的運動補償參考圖像，由解碼圖像Rdec(n)更新。在編碼部分，編碼殘差數據Dencn為Dencn=Rdec(n)+L-Rencn=Ddecn+Rdecn+L-Rencn]]>=Ddecn+M[Rdec(n-1)]+L-Rencn---(1)]]>其中，Rencn為編碼部分第n幀運動補償得到的參考數據，設Renc(n)為編碼存儲器中的運動補償參考圖像，Renc(n)由原解碼圖像、圖標數據和重量化誤差組成，E為重新量化造成的量化誤差，則得Renc(n)=Rdec(n)+L+E]]>Rencn=M[Renc(n-1)]---(2)]]>
圖1的轉換編碼器將碼流解碼到像素域后進行圖標疊加，共使用了2個運動補償環。解碼部分運的動補償環用于圖像數據的解碼重構。編碼端的運動補償環用于對重新量化及圖標信息插入造成的誤差進行校正。轉換編碼中重新使用原編碼流中的運動矢量，避免了編碼過程中的運動估計計算。與先解碼，繼而加入圖標，然后再編碼的傳統圖標系統相比，降低了轉碼計算量。由于使用了2個運動補償環，雖影響轉換編碼效率，但可用圖標數據完全取代原有碼流中的圖像數據，完成任意形狀和顏色的圖標插入。如需插入的圖標僅含亮度數據，可進一步簡化轉換編碼器結構，得到快速圖標插入轉換編碼器。將式(2)代入(1)，可得Dencn=Ddecn+M[Rdec(n-1)]+L-M[Renc(n-1)]]]>=Ddecn+M[Rdec(n-1)]+L-M[Rdec(n-1)+L+E]---(3)]]>根據運動補償算法的近似線性性質，可將兩個運動補償計算合并，得Dencn=Ddecn+M[Rdec(n-1)-Rdec(n-1)-L-E]+L=Ddecn-M[L+E]+L---(4)]]>可見，用于編碼的殘差數據可由原殘差數據Ddecn、圖標信息L和量化誤差E得到。由此，可以考慮省略一個運動補償環，來提高轉碼效率。同時，根據DCT變換的線性性質，可知用于編碼的DCT殘差系數為DCT(Dencn)=DCT(Ddecn-M[L+E]+L)---(5)]]>圖2所示的快速圖標插入轉換編碼算法，即基于上述分析。圖中，圖標數據L先進行8×8 DCT變換，然后直接與DCT殘差系數疊加。疊加圖標后，導致重構圖像的改變，需將圖標數據與量化誤差存儲器中保存的重量化誤差E進行疊加，作為誤差參考數據，隨后通過運動補償對后續的殘差系數進行校正，于是DCT(Dencn)為DCT(Dencn)=DCT(Ddecn+L)-DCT(M+[L+E])]]>=DCT(Ddecn+L-M[L+E])---(6)]]>可見式(5)與式(6)相同，因而可以實現圖標的插入。同時根據DCT域的運動補償算法，還可對圖3中的虛線框部分進行簡化，在壓縮域(DCT域)完成運動補償，得出DCT域的快速圖標插入算法，見圖3～圖4。
在通過轉換編碼插入圖標的過程中，首先要進行圖標插入位置的選擇。快速圖標插入算法在DCT域進行圖標疊加，DCT系數相加運算以8×8數據塊為單位，且視頻碼流數據以宏塊為單位，因而將圖標適配在一個長、寬尺寸均為宏塊(16×16)整數倍大小的矩形窗口中，矩形窗口不含圖標數據的空白部分用零數據填充。根據預定插入位置的坐標，將矩形窗口的左上角調整到與圖像中與預定插入位置最相近的一個宏塊的左上角對齊，這樣可以以宏塊為單位，將圖標DCT系數和殘差DCT系數對應相加，且圖標插入對原始圖像宏塊的影響最小。選定圖標疊加窗位置后，在疊加窗范圍內的宏塊本發明稱為圖標宏塊。對擬插入的圖標為僅含亮度信號的透明圖標，令參數β用于指定插入圖標的清晰程度，那么對于圖標宏塊DCT(Dencn)=DCT(Ddecn+β·L-M[β·L+E])---(7)]]>應當指出，由于快速算法不進行解碼重構，無法使用圖標數據取代原圖像數據。圖標疊加后只能在原圖像數據亮度數據上提高亮度，參數β(0＜β＜1)可以控制圖標插入的亮度，隨β增大，圖標增強。對于色差信號，由于無法取代原圖像數據的色差信號數據值，增大色差信號數值僅能引起顏色變化，因而所提出的快速算法僅適用于插入高亮度透明圖標。
在視頻碼流中插入圖標后，還需將音視頻數據重新復用為MPEG-2系統層碼流(傳輸流TS或節目流PS)。本發明的TS復用模塊使用動態統計復用算法。復用算法依據標準所規定的數字電視解碼終端(機頂盒等)的緩沖器充滿程度、每幀音視頻數據大小等參數，動態的調整TS流中的音視頻數據包以及PAT、PMT等信息在TS流中的出現順序，最有效的利用數據傳輸帶寬。
數字電視技術不久將取代現有的模擬電視技術。本發明為在數字電視傳輸流中直接插入圖標、字幕和廣告等信息提供了多種圖標插入器結構，并給出了具體的快速插入算法。本發明為開發新一代數字圖標插入設備提供了解決方案，它們的工程實現，即數字電視圖標插入設備在上述本發明基本技術思想內，如果應用者具有本行業的基本知識，即可進行很多變化。本發明的權利范圍應以后附的權利請求范圍為基礎，進行解釋。
權利要求
1.一種HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，包括系統層TS和PS解復用、復用模塊，系統層TS和PS解復用解出的音頻基本流直接輸出系統層TS和PS到復用模塊復用輸出，其特征在于，還包括插入轉換編碼器，插入轉換編碼器的結構是依次相連的變字長解碼塊、第一反量化塊、第一反離散余弦變換塊、第一加法器、第二加法器、第一離散余弦變換塊、第二重量化塊和向系統層TS和PS復用塊輸出視頻信流的變字長編碼塊；系統層TS和PS解復用輸出視頻流到變字長解碼塊，變字長解碼塊還通過第一運動補償塊輸出到第一加法器；第一加法器的輸出還通過第一參考圖像塊向第一運動補償塊輸出反饋信號；第二反量化塊、第二反離散余弦變換塊、第三加法器、第二參考圖像塊、第二運動補償塊依次相連，第二重量化塊輸出到第二反量化塊，第二運動補償塊輸出到第二加法器；變字長解碼塊經第二運動補償塊輸出到第三加法器；圖標信息經第二加法器輸入。
2.根據權利要求1所述的一種HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，其特征在于，依次相連的輸入視頻流的變字長解碼塊、第一反量化塊、第一加法器、第二重量化塊和輸出視頻流的變字長編碼塊；第二反量化塊、第三加法器、第二反離散余弦變換塊、第二量化誤差塊、第二運動補償塊、第一離散余弦變換塊依次相連，第二重量化塊輸出到第二反量化塊，第二離散余弦變換塊輸出到第一加法器；變字長解碼塊輸出到第二運動補償塊；第一加法器輸出到第三加法器；圖標信息插入到量化誤差塊，圖標信息還經第二離散余弦變換塊插入到第一加法器的輸入。
3.根據權利要求2所述的一種HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，其特征在于，所述圖標信息經第二離散余弦變換塊插入到第二量化誤差塊，所述第三加法器直接輸出到量化誤差塊，所述第二運動補償塊和第一離散余弦變換塊由一個DCT環代替。
4.根據權利要求3所述的一種HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，其特征在于，所述插入轉換編碼器的結構是，所述圖標信息經第一離散余弦變換塊插入到第二重量化塊。
全文摘要
本發明HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統，是有關是數字電視系統的圖標插入系統，是HDTV和SDTV數字電視傳輸碼流圖標插入系統的發明。為提供用于數字電視系統的圖標插入系統，本發明采用的技術方案是包括系統層TS和PS解復用、復用模塊，系統層TS和PS解復用解出的音頻基本流直接輸出系統層TS和PS到復用模塊復用輸出，還包括插入轉換編碼器本發明主要用于制作用于數字電視系統的圖標插入系統。
文檔編號H04N7/015GK1678077SQ20051001337
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者劉昱, 李桂苓, 王立, 宋曉煒, 郭映, 段立明 申請人:天津大學