專利名稱：數字式記錄和再現設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字式記錄和再現設備，其能夠通過壓縮記錄信號的帶寬來實現比較長的記錄以及具有不同搜索速度的多次搜索重放模式。
為了制定適于希望作為換代產品的家用數字VTR(磁帶錄像機)標準規范的國際協定，已經建立了HD數字VCR(盒式錄像機)聯合會并且在1994年4月就現行電視系統(在下文中縮寫為SDTV)和HDTV系統的記錄方案達成了國際協議。已商定的規范的特點是可以使用通用的結構記錄適于SDTV和HDTV的兩種電視信號。該方法主要是在幀內進行高效編碼。特別是，該技術主要進行離散余弦變換(在下文中稱為DCT)和可變長度編碼。采用幀內高效編碼技術的一個原因是因為存在對使編輯操作容易進行的高速搜索再現的需求。也就是說，當以至少十倍或更小速度的搜索模式再現圖象時，該系統應再現無非自然的高質量圖象。
圖1表示目前國際上認可的上述家用DVCR(數字式盒式錄像機)的方框簡圖(下文中將把這些SD.VCR規范稱之為SD-VCR)。將輸入圖像信號進行A/D轉換使之成為亮度信號Y和兩種色度信號CN和CW，然后將其分成具有8×8個象素的方塊。此后，使每個方塊的數據在方塊變換(shufling)部分101中變換(Shufied)。這樣做既可以分散頻率分量以提高隨后主要包含DCT的高效編碼的效率和分散在重放模式中因丟失信息而引起的段錯誤。高效編碼部分102利用DCT技術進行正交變換從而用與頻率分量有關的系數來代表各信號。該部分102還適當地對系數和可變長度編碼進行量化以便消除冗余度或連續的O′S。充分消除高效編碼部分102中的冗余度會明顯降低信號的比特率。在錯誤校正編碼部分103中，在這種經高效編碼的壓縮信號中加入必要的奇偶校驗碼校驗以校正的重放模式中產生的編碼錯誤。在同步(Sync)和ID(標識符)加入部分104中，把進行PCM同步的同步碼和進行方塊內容鑒別的ID碼加到包含同步碼的每個同步信息塊中。調制部分105表示一個有效記錄該記錄信號的調制器。將24-25調制方法用于在以減小直流分量為目的的DVCR規范電路中使用的調制器。通過記錄放大器將調制輸出進行放大并經由視頻磁頭記錄在磁記錄介質上。
在重放模式中，由視頻磁頭將記錄信號檢出，而且通過再生放大器將該再生信號放大并送至解調部分107中，由此復原數字信息。然后，僅在按記錄模式進行的操作反方向或相對的方向上進行操作。也就是說，Sync和ID檢測部分108對用于PCM的同步碼進行檢測并對ID碼的內容進行解碼。錯誤校正和解碼部分109對編碼錯誤進行檢測并在出現錯誤時對其進行徹底校正。解碼和重現部分110把由高效編碼部分壓縮的視頻信息進行可變長度解碼和逆量化并使經過樣處理的視頻信息進行IDCT以恢復成近似于相應原始視頻信號的視頻信號。如果存在不可恢復的錯誤編碼，該部分110將使用上述編碼前或編碼后的數據進行內插。這樣復原的輸出信號仍然不是完整的視頻信號，但是可以通過后面的反變換(deshufle)部分111中的每個方塊進行反變換，從而再現原始視頻信號。
圖2表示上述DVCR中同步信息塊的結構和記錄格式。每個同步信息包含90外字節，其包括兩個用于同步碼的字節，三個用于ID碼的字節和77個用于帶8個內奇偶性Reed-Solomon校正碼的字節的視頻數據的字節。格式中規定用于視頻數據的是135個同步塊(在下文中將縮寫為SB)，每個塊有77個字節。
目前，還沒有設立用于記錄該信號的專用方案，該信號是在高效編碼方案的基礎上通過壓縮圖象數據形成的，所述電路通過MPEC(運動畫面圖象編碼專家組)使用上述DVCR中的磁帶驅動器，信號處理器和記錄及再現系統來標準化。圖3表示打算作為ATV暫定標準的編碼結構。在圖中，標志I表示幀為的編碼過程，P表示與作為幀間編碼過程的前幀有關的預測編碼過程而B表示與前后幀都有關的另一預測編碼過程。在依據得到認可的SD規范記錄根據上述幀間預測編碼而定義的視頻信號的情況下，當在圖象搜索重放模式下對系統進行操作時，如圖4A和4B所示，信號將從幾個不同的磁道中以不連接的形式再生出來。因此，幾乎不可能再現具有清楚內容的完整圖象。
在將MPEC信號處理電路用于ATV中的情況下，應注意到幀內處理的I畫面每十二個幀重復出現的事實，把為特殊重放而準備的特殊數據記錄在特別規定的記錄區中的技術已公開在日本的Institute of Television Engineers的技術報告Vol.17 No.59中和Institute of Electronics. Informationand Commutation Engineers的技術報告MR93-28(1993-10)中。然而，如下所示，該方法需要大量的數據來再現用于ATV的I畫面。
考慮這樣一種情況，以等效或低于NTSC的圖像的降低的質量記錄I畫面，即僅使用對于直流分量的DCT系數，該分量對于具有8×8個像素的每個DCT塊存在一個。在這種情況下，假設有效采樣數為1920；有效掃描線是1080，所以該方塊數達32400。當僅僅將直流分量(其對每個DCT的64個分量存在一個)轉換成8比特數據時，要記錄的數據量總計達32400個字節。此外，如果規定每個交流分量的其余系數為4比特，那么由于每個DCT塊都有63個交流分量，所以需要另外1,020,600個字節。換句話說，使用交流系數群(coefficients bulks)所需的數據總計達約32倍。另一方面，實際上在搜索重放模式中能夠得到的數據量取決于所用的記錄系統和記錄信號的類型。作為ATV的一個實例，如果以19.3Mbps(兆比特/秒)的速率傳輸信息包并將磁頭的轉速設置為150rps，則每條磁道需要105SB的數據記錄區來完全記錄這些傳輸的信息包。因此，可以將適合于搜索重放模式中的數據記錄區定為30SB，因此，容許的適于ATV信號的I畫面的所有數據記錄區總計達3600SB，所述的ATV信號每十二幀出現一次。僅記錄I畫面的直流分量需要421SB，其相當于允許進行數據記錄的區域的大約1/8，而記錄適合于每個DCI塊的8個交流系數則需要另外3366SB。
如果將能夠通用于兩種磁頭配置的數據記錄區看作是后面參照圖14所述的那種區域，則在三倍速度搜索重放模式的十二幀周期內需要60個數據記錄區，每個記錄區包括60SB。在這些區域中，可以將40個區域有效地用于上述搜索重放模式而且這相當于2400SB或184,800個字節。在這種情況下，相對于每個DCT塊的交流分量的允許量是4.7。這就是當將所有區域都定為三倍速度的搜索重放模式時的結果。實際上，應該將數據記錄區定為五倍速度模式，十五倍速度模式等，這樣就能明顯地減少每個搜索模式所允許的有效數據量。例如，可取1,740SB作為三倍速度搜索模式下的許可記錄區，有效的記錄區達1,160SB或89,320個字節。更詳細的內容將在下文中討論。
特別是，在實現高速搜索模式時，(例如，十五倍的搜索模式)，為了在30條磁道內獲得十個有效記錄區需要96個已建立的記錄區。這將在下文中參照圖12進行說明。
以下各項是要解決的有關上述記錄設備的問題(1)未來的廣播，包括高質量圖象的ATV廣播和SDTY(NTSC，PAL或SECAM)廣播都計劃通過地面廣播，衛星廣播和CATV并行傳送。然而，沒有設備能夠既記錄高比特率信號又記錄低比特率信號，因此，需要兩種記錄設備來記錄各種信號。
(2)由于傳統的設備中沒有在記錄高比特率信號的同時又記錄低比特率信號的裝置，其只能用低比特率信號來進行普通重放和特殊重放，所以即使在搜索模式中可再現的圖象質量低于SDTV的圖象質量，也還是需要用高價格、高清晰度、寬顯示器來顯示特殊的播放圖象。
(3)雖然為了進行MPEG己錄和ATV記錄在建議的特殊重放方法中只記錄I畫面和用其進行特殊重放操作，但是不可能平滑地再現動畫圖象。
(4)已有分別記錄幀內和幀間信息的方法報道。通常，由于幀內的數據量比幀間的數據量大十倍，這使得很難建立適合特殊播放的記錄區。還有另一種建議，即，將幀間信息轉變成適合特殊重放的幀內信息，但是這種方法仍然會增加特殊播放所需的數據量。
(5)如果記錄信號的幀循環周期與多數記錄區無關，就很難滿足普通重放數據的記錄位置以及特殊重放數據的記錄位置要求。這樣就很難保證搜索重放模式下磁帶上的數據內容并使得信號處理電路變得復雜。
(6)如果需要確保正向和反向的搜索操作，則只有分配特殊重放記錄區會形成大量需要記錄的數據。
(7)就磁頭配置而言，為了在使用雙磁頭和使用單磁頭之間建立互換性，需要更大的記錄區。
(8)由于在高速搜索重放中，磁頭回掃的循環周期變長，所以不可能有效地跟蹤搜索重放速度的變化。為了使系統實現有效跟蹤，必須將復制的數據記錄在不同的位置上。這需要更大的數據記錄區。
鑒于上述問題而得出了本發明，因此，本發明的目的是提供一種數字式記錄和再現設備，該設備即使在通過高效編碼電路進行幀內和幀間編碼的情況下，仍然能夠在搜索重放模式中再現高質量圖象。
本發明已經達到了上述目的而且發明的要點如下根據本發明的第一特征，其提供了一種數字式記錄和再現設備，該設備用于記錄和再現用高效編碼方式進行了帶寬壓縮的圖象，其特征在于對包含幀內信息和幀間信息的數字信號進行處理以便記錄和再現圖象，將較高比特率和較低比特率的信號同時記錄到近似相同的位置上，用全部或部分較低比特率的信號進行特殊重放，該重放是視頻記錄裝置中不可缺少的功能，因此，能夠在特殊再現模式中再現出平滑的高質量動畫圖象。
根據本發明的第二個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，為了將較高比特率和較低比特率的數字信號以及與特殊重放模式有關的信息記錄到近似相同的位置上，而建立了適合特殊重放信息的記錄區以便使所述記錄區的顯現周期和記錄之后用于普通重放的一系列數字信號幀的周期之間的關系成單一的整數比關系，而且將用于特殊重放操作的信息進行適當分配并記錄到記錄區中。
根據本發明的第三個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，為了將較高比特率和較低比特率的信號以及與特殊重放模式有關的信息記錄到近似相同的位置上，而設置了一個裝置，其用于在記錄磁道上建立特殊重放信息記錄區以使記錄區的顯現周期和記錄之后用于普通重放的一系列數字信號幀的周期之間的關系成單一的整數比關系，并通過一些或幾種搜索速度的l.c.m(最小公倍數)或l.c.m的倍數來確定記錄磁道的單元。
根據本發明的第四個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，就較低速度模式的特殊重放信息而言，把用于不同特殊重放模式的主要記錄區同時放入每條記錄磁道上較靠中間的部分上，使得通過一些模式來共用特殊重放操作狀態下的信息并使得明顯減少正向和反向特殊重放操作狀態下的信息，從而能在很大程度上減少特殊重放操作所需的記錄區。
根據本發明的第五個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，相對于以較低速度模式進行特殊重放操作所需的記錄區，把對普通重放有用的低比特率信號和幀內及幀間信息一起以疊層方式記錄到記錄區中。
根據本發明的第六個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，為了使帶有雙芯片磁頭和帶有單芯片磁頭的磁鼓磁頭能互換使用，把與由雙芯片磁頭記錄的信息之一相同的復制信息記錄在為磁鼓規定的記錄區上，該磁鼓帶有用于記錄特殊重放信息的單芯片磁頭，因此記錄介質可互換地用于兩個磁頭裝置的任一個中。
根據本發明的第七個特征，一種數字式記錄和再現設備包括用于產生高比特率和低比特率數字信號的裝置，而且該裝置包括一個標題(header)鑒別裝置，其用于鑒別與每個信號相關的標題，以便處理同時廣播的兩個電視信號(在CATV等中已經提出過)；一個用于產生普通重放所需的兩個信號的裝置；和一個用于產生通過低比特率信號進行特殊重放的記錄信息的裝置。
根據本發明的第八個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，在涉及只輸入較高比特率信號的情況下，該設備包括一個一般用途的簡單編碼器，例如用于產生低比特率信號的MPEC-1或MPEC-2，所述低比特率信號具有顯著低于較高比特率的比特率。
根據本發明第九個特征，一種用于記錄和再現包括較多有效象素和有效掃描線的高質量圖象信號的數字式記錄和再現設備，其特征在于，該設備包括一個圖象顯示裝置，該裝置由較少的有效象素和有效掃描線構成以便可顯示由低比特率信號產生的圖象。
根據本發明的第十個特征，一種數字式記錄和再現設備的特征在于，該設備包括一個編碼器，該編碼器將低比特率信號轉換成雙掃描方案信號，由此使圖象顯示在具有高質量大屏幕的顯示裝置上。
如上所述，這樣就構成了本發明的數字式記錄和再現設備。本發明的數字式記錄和再現設備包括一個能夠記錄相同廣播節目的高比特率和低比特率信號的裝置；一個以疊層方式利用包括幀內和幀間的低比特率信號以便根據搜索速度進行特殊重放的裝置；和用于記錄三種數字信號的裝置，這些信號形成在如上所述近似相同的位置上，該位置與已記錄的高比特率信號的幀周期有關。為了簡化編輯工作，該設備進一步包括一個裝置，其用于使搜索重放模式的記錄區相當于高比特率信號幀周期的整數倍和以建立一些搜索速度的l.c.m或將l.c.m的整數倍設定為周期性記錄區的一個單元的方式來建立記錄區。采用本發明可以將三種不同用途的信號記錄在磁帶上基本相同的位置上。從而可以進行細致的編輯工作。
為了實現搜索重放操作需要正向和反向的搜索重放模式。此外，需要將設置在各種磁鼓磁頭中的視頻磁頭建立互換性。在本發明中，為了解決這些問題，把為用低比特速率信號進行搜索重放操作而保持的記錄區匯集在靠近磁帶的中間處，以便以疊層的方式用低速搜索數據規則來分配對不同速度的搜索模式有效的數據組。此外，要確保用于在幀之間進行正向預測編碼處理的P畫面記錄區處于低速搜索數據的記錄區中，這樣就能夠再現平滑的動畫圖象。形成以最低速度模式進行搜索重放的所有有效數據以用于進行普通重放，由此可將僅用于搜索重放的數據量減至最少，從而使各種互換功能達到最佳。
在本發明的申請中，用例如19.3Mbps的ATV信號來形成具有相同TV節目內容的5Mbps或更小的低比特率信號。此外，還使用幾乎所有來自低比特率信號的數據(包含P-和B-畫面的數據)進行搜索重放。也就是說，本發明的系統能夠處理與低比特率信號一致的未來ATV廣播。更確切地說，記錄同時播出的低比特率信號并能用其以搜索重放模式來平滑地再現動畫圖象。此外，可以將搜索重放圖象顯示在附帶設在例如記錄和再現設備中的一個簡單且低價的SDTV袖珍顯示器上。進而，本發明可以在不進行任何信號方案變更的情況下使多媒體網絡的終端顯示器進行顯示。此外，如果加上一個簡單的雙掃描方案的轉換器，那么當需要時可以將搜索重放圖象顯示在一個寬幀的高質量ATV顯示器上。
圖1是已有技術中SD-VCR的電路框圖；圖2是已有技術中SD-VCR的SBs結構；圖3是表示典型ATV中信息包的幀結構的示圖；圖4A是表示已有技術結構中以九倍速度模式搜索重放的實例的示圖，其中使用了一對單芯片磁頭(布置在徑向相對的位置上)；圖4B是表示已有技術結構中以九倍速度模式搜索重放的實例的示圖，其中使用了一個雙芯片磁頭；圖5是表示本發明實施例中記錄電路的框圖，該電路中輸入了ATV比特流；圖6是表示本發明實施例中再現電路的框圖，該電路輸出ATV比特流；圖7是表示本發明實施例中記錄電路的框圖，該電路中同時輸入的高數據率和低數據率信號；圖8是表示本發明實施例中再現電路的框圖，該電路同時輸出高數據率和低數據率信號；圖9A是表示用于在本發明的SBs和ATV信息包之間的數據對應關系的普通重放的信息包結構圖；圖9B是表示本發明中SBs和ATV信息包之間的數據對應關系的輸入信息包的示圖；圖9C是表示用于在本發明的SBs和ATV信息包之間的數據對應關系的特殊重放的信息包結構圖；圖10A是表示磁道方向上的數據結構的示圖，其中含有三倍速度和五倍速度搜索重放操作的數據；圖10B是表示磁道方向上的數據結構的示圖，其中含有十五倍速度搜索重放操作的數據；圖11是表示本發明中在用于搜索重放操作的磁帶上數據分布格式的示圖；圖12是表示在本發明中適合十五倍搜索重放操作的磁頭磁道及其數據分布格式的示圖；圖13是表示在本發明中適合五倍搜索重放操作的磁頭磁道及其數據分布格式的示圖；圖14是表示在本發明中適合三倍搜索重放操作的磁頭磁道及其數據分布格式的示圖；圖15A是表示根據本發明在單個GOP周期內，磁道上的普通重放數據和搜索數據之間位置關系的示圖；圖15B是表示在單個GOP周期內，普通重放數據和搜索數據的顯示幀關系的示圖；圖16A是表示在與圖15A不同的另一裝置中，在單個COP周期內記錄數據在磁道上的位置關系的示圖；圖16B是表示在與圖15B不同的另一個裝置中，在單個COP周期內顯示幀的時間關系的示圖。
圖5和圖6是分別表示本發明一個實施例中記錄和再現部分的框圖而圖7和圖8是分別表示本發明另一個實施例中記錄和再現部分的框圖。雖然將根據SD-VCR對本發明進行說明，但是本發明并不限于SD-VCR系統。更確切地說，本發明不受錯誤校正碼(ECC)、數字調制和解調電路、盒式磁帶、機械結構和伺服機構的限制。只要能把數字輸入的數據速率調節到所用的數字VCR和只要使發送的信息包格式符合數字VCR的規范就可以使用任何數字輸入和任何數字VCR。圖5和圖6表示輸入ATV比特流信號形成特殊播放數據的情況。圖7和圖8表示提供高和低數據速率比特流作為輸入信號并用低數據速率比特流形成特殊播放數據的情況。
因此，本發明的設備使用與典型SD-VCRs中相同的數字調制器和解調器、記錄放大器、再現放大器、均衡器、機械結構、伺服機構、盒式磁帶等。
設在圖5輸入側上的信息包接口部分221與典型的ATV解碼器是一樣的。首先，設備接收ATV比特流211并根據標題檢測數字同步碼以形成所需的定時信號。也就是說，如果檢測到擾頻特征位，設備將進行反擾頻。
如果檢測到傳輸層中的錯誤特征位，則根據需要用與在解碼中相同的方式放棄該信息包。
從合適的標題中檢出指示有效負載的信號并將標題儲存在緩沖器中以作備用。
該設備根據與PID、PES標題的內存有關的特征位進行必要的處理。
此后，設備開始進行本發明的操作。最初，由速率轉換器222對數據速率進行轉換。然后，如下面將要詳述的那樣，將輸入數據流轉換成用于普通重放模式和搜索模式的兩類數據流。
就普通重放模式的情況而言，多路復用設備223通過將比特流上的兩個ATV數據包(188個字節×2＝376個字節)分配到五個SD-VTR同步信息塊(稱為SB)(77個字節(有效區)×5＝385個字節)上來記錄全部ATV數據。在重放時，拾出所有的數據以便再現原始比特流和將其輸出。數據的形式并不限于上述結構。例如，可以將九個ATV信息包(1692個字節)分配給22個SD-VCR SB(1694個字節)。這種結構能夠減少多余耗用的比特數，但是由于要處理的信息包單位量很大，所以在某種程度上這種電路結構變得更復雜。
圖9A表示數據在數據包最初部分中的分布情況。在此，用同樣的方式來處理標題和有效數據(有效負載)。雖然在圖9A-9C中沒有示出，但是如果有上述標題的話，要將儲存在存儲器中的標題插入留在五個SB之一中的九個剩余字節中以作備用。如果沒有這種標題，可以插入能夠作為仿真數據被識別的圖象數據充作填充字節。由于大多數信息包通常帶有相同的標題，所以在不實施上述過程的情況下可以使用為其它目的而設的空間。
就搜索重放模式而言，對輸入ATV比特流數據進行處理以便準備需要的數據和記錄已準備好的數據。圖9B表示為特殊播放而準備的SD-VCR SB中的數據結構的實例。當用搜索模式操作時，該設備拾取數據，并使其形成能用ATV解碼器解碼的信息包結構并將其輸出。
準備和記錄用于搜索重放模式的數據的過程如下首先，在信息包處理/標題處理電路225中分析每個信息包的句法并按照可變長度碼(可變長度碼解碼部分226)來對信息包中的有效數據解碼。然后，DCT系數選擇電路227從數據中拾出DCT系數并從這些系數中選擇用于搜索重放的必要信息。用這樣選出的DCT系數來準備適合每種搜索速度模式的搜索數據。在該實施例中，使用各數據緩沖器228、229和230來準備適合三倍速度模式、五倍速度模式和十五倍速度模式的三類數據。
然后，多路復用設備223對普通重放的數據和搜索重放模式的三類數據進行多路傳輸以便形成順序的磁帶圖型。在這個階段，將數據分成77個字節的信息包。為了實現該目標，磁道映像信號發生電路224產生控制信號，以便根據輸入的信息包標題、SB數量和磁道位置進行多路傳輸。
用與普通SD-VCR相同的方式完成記錄過程，也就是說，將數據處理成錯誤校正信號，并進行24-25調制和通過記錄放大器(在SD-VCR再現系統的數字調制/解調、記錄器231中)記錄到磁帶上。
在此，用與普通SD-VCR相同的方式實施普通重放和搜索重放模式，也就是說，在通過再生放大器和均衡器之后，對數據進行數字調制和錯誤校正(在SD-VDR再現系統的數字解調/ECC321中)。
然后，設備進行本發明的操作。也就是說，SB數據處理電路322鑒別如此拾出和經錯誤校正的信號的SB數據。
在普通重放模式中，緩沖器323對來自SB數據處理電路322的信號進行定時控制并將該信號輸出到多路復用設備324中，其接著對數據進行處理使之相當于原始信息包。信息包重構成電路325進行速率轉換和添加標題等操作，并通過信息包接口326輸出最終數據。
在搜索重放模式中，在SB數據處理電路322在進行完同樣的數據鑒別之后，特殊重放數據包處理電路327中構成了來自標題的數據、有效數據、被廢除的數據(填充字節)。插入填充字節以便使最終的數據成為188個字節的信息包。
如果在標題中有任何不正確的數據，就用預先再現和儲存的備用標題代替該標題來形成信息包。
通過多路復用設備324進行普通重放數據和特殊重放數據之間的轉換和對特殊重放數據的輸出定時進行控制，同時通過標題處理和定時信號發生電路328產生控制信號。
下面，將描述磁帶圖型。圖10A和圖10B表示一條磁道上的數據布置結構。在這些圖中，用沿磁道方向布置的SB單元來表示數據。如圖10A所示將適合五倍速度模式和三倍速度模式的數據布置在近似于磁道中間的位置上。這種布置允許共用五倍速度模式和三倍速度模式的數據。將適合十五倍速度模式的數據分成五段，其分布情況如圖1OB所示。圖11表示磁帶上的格式。由于15是3、5和15的最小公倍數所以選擇兩個15即30個磁道作為信號處理的一個周期。在本發明中，用這樣的方式來建立一些或幾類搜索重放速度模式，即選擇搜索速度的l.c.m.或l.c.m.的倍數作為信號處理周期。這是本發明的主要特征之一。
考慮將兩種磁頭配置用于本發明。第一種結構包括設在同一基片上的兩個磁頭，例如雙方位磁頭(在使用雙芯片磁頭的情況下)；第二種結構具有兩個設在徑向相對位置上的磁頭(在使用單芯片磁頭的情況下)。在每種磁頭中，方位角與普通VCR中的不同。用合適的方式調節磁頭高度。也就是說，把由雙芯片磁頭上的兩個磁頭之一跟蹤記錄的數據記錄在僅由單芯片磁頭跟蹤記錄的記錄區上。這是本發明的主要特征之一。
圖12、13、和14表示磁帶上的磁頭磁道，其分別適用于十五倍速度模式、五倍速度模式和三倍速度模式，各圖均表示磁道和相應的搜索重放模式的數據位置之間的關系。
在十五倍速度模式的情況下，兩個磁頭對由30個磁道構成的每個單元進行兩次跟蹤。而且，在每30個磁道內存在十個可再現的區域，每個可再現區域能夠記錄10個SB或更少。根據本發明的一個主要特征，由于為了便于正向和反向搜索重放操作需要每五個磁道重復布置相同的數據段，所以能夠縮短尋找能回掃的數據的時間。換句話說，這種結構能夠縮短閉鎖搜索開始的時鐘和數據同步等的時鐘花費的時間(參見圖12)。
在五倍和三倍速度模式的情況下，考慮到兩種磁頭配置和正向及反向搜索重放操作，使用磁帶上磁道的中間部分作為記錄區，從而能在每個記錄區內回掃例如約30個SB(參見圖13和14)。
將數據量示于下表中。當數據的范圍等于或超過普通重放操作中的一半時，在數據有效的條件下根據互換性來估計表中的值。在該表中，用SB表示同步信息塊。表1搜索重放模式寫入的數據的SB數量(為使系統進行反向搜索和適應不同的磁頭配置及其它要素而對數據進行復制。計算復制數據的數量。對不同速度模式的搜索重放數據而言，不計算共用數據的數量。)
表2在搜索重放中讀出的數據量(不計算實際上用復制數據顯示在監視器上的數據量。)
表3對搜索有效的數據量
*在數據均等分配到所有磁道上的條件下，30條磁道中的SB數量。915SB＞750SB(5)差165SB(10)在此(10)明顯看出，可進行數據記錄的SB量大于要記錄的數據，因此，能夠在任何搜索重放模式下再現數據而不會有任何問題。
然而，當考慮正向和反向操作、磁頭配置的種類、增加搜索重放開始位置的量等因素時，就需要記錄復制的數據。為此，不可能為沒有復制的記錄數據指定所有的數據記錄許可區(915個字節)和在未將復制減少一半的情況下指定實際記錄的數據量。
正如從(1)和(6)，(2)和(7)以及(3)和(8)之間的比較中所能看到的那樣，在30條磁道(750(5)-500(9))中有250SB的冗余數據。在此，有利的是有180SB(4)數據能夠為三倍和五倍速度模式所共用。
嚴格說來，在某種程度上可以共用十五倍速度模式的數據。然而，在十五倍速度模式的情況下，需要增加復制數據的量以便增加位置量，在這些位置上能夠形成數據并在搜索操作開始時將信息包輸出到解碼器((1)和(6))中。
用剩余的同步信息塊(165SB(10))來增加復制部分的量以便提高互換情況下的精度，和提供用于僅記錄其備用標題的專用SBs。
下面，降詳細說明搜索模式的數據結構。在用ATV比特流來準備搜索數據的情況下，假設每個GOP均由12幀組成而且只用其中之一，即把I畫面作為搜索數據，用于搜索的數據是按下述方式構成的。(在此，色度信號的信號分量比是4∶1∶1，而12幀的120個磁道對應于一個I畫面，)單個幀內DCT塊的數量為1,920×1,080/64＝32,400假設將Y信號和色度信號的直流分量定為一個字節，將具有最低頻率的兩個交流分量定為0.8個字節，并將這些數據平均地分到30條磁道中。在這種情況下，30條磁道內的SB數量是284.1SB/＜300SB(8)，余數為15(11))，因此可以將這種規定用于記錄三倍速度的搜索數據。
如果將Y信號和色度信號的直流分量總計定為一個比特，則SB的數量為157.8SB(＜180SB(7)，余數為22(12))，因此，這個規定可用于記錄五倍速度的搜索數據。
當將每四個DCT塊出現的Y信號的直流分量定為0.76個字節時，SB的數量為20.0SBs(-20SBs(5)，余數為0(13))，因此可以用這個規定來記錄十五倍速度的搜索數據。在這種情況下，用剩余的同步信息塊(11)、(12)和(13)來保護標題等。更確切地說，剩余的SB(11)、(12)和(13)總共有27個SB，特地將它們定為記錄標題而且如果在搜索重放時發現任何標題是錯誤的和不正確的，則要用已記錄的備用標題來替換全部錯誤標題。
在這種情況下，需根據搜索數據用VCR信息包的分碼對每個SB進行編號。在備用標題的SB上設置用于處理標題。用來代替錯誤標題的標題是由原始標題的SB數和被替換的標題比特數構成的。
以上描述了用ATV比特流建立普通重放和特殊重放數據的情況，然而也可以將這種方法用于與MPEG2一致的圖象數據中。這種情況將參照一特定實施例進行說明，其中以與上述同樣的方式來記錄ATV信息流，而且用在MPEG2基礎上進行過數據壓縮的NTSC信息來形成用于特殊重放的數據。圖7和8是表示該實施例的電路框圖。在此，不必改變磁帶圖型而且只要變更搜索數據的結構即可(色度信號的信號分量比是4∶1∶1)。
單幀中DC下塊的數量720×480/64＝5,400當將一個I畫面中Y信號的直流分量和色度信號的直流分量分別定為一個字節時，SB的數量為106SB(＜120SB(6)，余數為14)，因此，可以用這個數據作為十五倍速度的搜索數據來再現適合12幀直流分量的單個I畫面。
與以上所述不同，下面將要描述的搜索數據是這樣構成的，即，使一個幀對應30個磁道。當將I圖畫面和P畫面中Y信號和色度信號的直流分量總的定為一個字節而將具有取低頻率的兩個交流分量系數定為0.5個字節時，SB的數量為5,400×1.5×1.5/77＝157.7(＜180SB(7)，余數為22)。因此，可以將該規定用于記錄五倍速度搜索的數據。在這種情況下進行記錄，從而在不丟失任何I畫面的前提下省略五個幀中的四個。在顯示時，還可以顯示更多已選定的數據。在該方法中，在數據記錄時，記下在畫面中的運動的信息以便用運動信息來選擇連續的畫面數據。
在這種情況下，再現的圖象產生比用十五倍速度數據得到的圖象更平滑的動畫效果。也就是說，圖象質量隨著時間的推移而改善(提高畫面的時間分辨率。)類似地，當將I畫面和P畫面中Y信號和色度信號的直流分量定為一個字節，而將具有最低頻率的兩個交流分量系數總計定為一個字節并將次最低頻率的三個連續有效系數總計定為0.8個字節時，SBs的數量為5,400×1.5×2.8/77＝294.6(＜300SB(8)，余數為5)因此可以用這種規定來記錄三倍速度搜索數據。在這種情況下，由于添加了交流分量使該頻率特性與五倍速度搜索數據的頻率特性相比得到改善，從而提高了圖象的質量。在這種情況下，可以省掉三個幀中的兩個來進行顯示。
圖15A表示在單個GOP周期內磁道上的普通重放數據和搜索數據的位置關系而圖15B是隨著時間的推移這些數據的顯示幀的時基圖。如圖15A所示，GPO由開始時的一個I畫面和總共11個P和B畫面構成。雖然在該實施例中示出了一個包括12幀的GOP，但是在單個GOP中幀的數量并不受此局限。對每個三倍和五倍速度的數據而言，每30條磁道(相當于三個幀的間隔)記錄I1、P11、P12和P13。在此，I和P分別表示I畫面和P畫面。下標表示畫面的順序，其只是為了方便而無任何數據內容。第一個數字下標表示GOP的順序而后面的數字下標表示GOP內部的順序。就圖中的字母下標而言，′a′、′b′、和′c′表示搜索數據的模式，或分別表示三倍速度模式、五倍速度模式、和十五倍速度模式。跨過120條磁道或以12幀的間隔記錄用于十五倍速度模式的11a。如果記錄完全一致的數據作為三倍、五倍和十五倍速度模式的搜索數據，那么盡管讀出的數據量不同，但所有模式的再現圖象在圖象質量上都相同。然而，隨著通用數據的增加，系統在需要更少電路的情況下提高了效率。在該實施例中，要設計數據結構以便盡可能多地使用通用數據和將不同種類的數據在可能的限度內分配給不同的SB從而使數據獨立。
圖15B表示與普通重放模式相比搜索重放模式的顯示條件。在三倍速度搜索模式的情況下，系統再現I畫面然后根據圖象I1和有關P11a的圖象數據再現稱為P11的圖象，從而顯示圖象P11。接著，該系統連續顯示圖象P12和P13，然后顯示圖I1。該操作過程將重復進行。
在五倍速度搜索模式的情況下，雖然對一個幀的數據跟蹤并不與顯示同期進行，但這對輸出信息包形式的數據并未造成不便。然而，解碼器通過每個限幅單元進行數據更新并要求顯示所有時刻的更新數據。為達到此目的，需要設定表示特殊重放模式的標志和更新諸如時間標記這樣的數據。這些操作是在信息包重構成電路325中進行的。
應該設置使用可變長度碼的解碼器，以便在將數據記錄到VCR中時對已編碼的搜索數據碼進行解碼。由于DCT系數因使用直流分量、少量的交流分量和EOD(數據結束)而縮短，所以即使在使用相同可變長度碼的情況下也同樣能夠縮小數據速度。而且，如果搜索模式中數據的時間間隔小于輸入端上比特流的時間間隔，那么解碼器就能對數據進行解碼而不會有任何問題。
從以上兩點可以看出，在不對解碼器的結構作任何特殊改動的情況下可以對搜索模式的比特流進行解碼并顯示已解碼的搜索數據。
由于在五倍速度模式中圖象的更新比一個幀的顯示要快得多，所以會跳過一些圖象數據。因此，空間分辨率和相對于時間的分辨率都取三倍速度模式和十五倍速度模式之間的中間值。
在對適合于三倍速度模式和十五倍速度模式的搜索數據不作任何變動的情況下可以用以下方式(圖16A和16B)構成五倍速度模式。與上述數據結構不同的特征是在五倍速度模式下圖象的空間分辨率等于三倍速度模式下圖象的空間分辨率，同時畫面的時間分辨率與搜索速度成正比。當將I畫面和P畫面的直流分量定為一個字節，將具有最低頻率的兩個交流分量系數總的定為一個字節，和將具有次最低頻率的三個交流分量系數總的定為0.7個字節時，SBs的數量是5,400×1.5×2.7×3/(5×77)＝170.4(＜180SB(7)，余數為9)這樣，在該方案中，在一定限度的范圍內可以在空間分辨率和時間分辨率之間進行折衷。空間和時間分辨率的結合應不限于上述的結合，這種結合可以改變。可以根據輸入圖象的格式來改變分辨率。上述結構能夠適應這樣一種情況。
能夠響應于軟件進行分辨率的分配以便于用戶由幾個預定的時間和空間分辨率相結合進行畫面搜索時能夠選擇所期望的圖象質量的模式。
可按下列方式計算在每種搜索速度下可讀數據的數量(6)120×2.5×77×8＝184.8Kbps(7)180×10×77×8＝924Kbps(8)300×10×77×8＝1.848Mbps因此，可以在記錄ATV比特流的同時記錄具有1.848Mbps比特率和小于該比特率的任何數據信號并且可以用這些信號作為特殊重放的搜索數據。換句話說，不考慮GOP中幀的數量，能夠必定再現三倍速度搜索模式下恢復畫面的所有數據。因此，當顯示再現數據時，用這樣的方式削去數據，即，從每三個幀中選擇一個幀。為了適應景物等的變化，可以考慮進行特殊控制。
在五倍速度搜索模式中，僅僅能夠拾取50％的數據(如上所述的924Kbps)。因此，通常能夠讀出幾乎所有I畫面的數據，但是拾取的I畫面會出現一點缺陷。在同一個GPO中在I畫面的原始數據圖象和P或B畫面的原始數據圖象之間一定不會存在這么大的差別。此外，在大多數情況下，原始I畫面與相鄰GOP中的I畫面不會有這么大的差別。因此，在可能的限度內可用更新的圖象數據進行圖象顯示，這在任何情況下都可以用于搜索操作。
在GOP由2.5或更少個幀構成的情況下，通過GOP將數據分配到I畫面上從而有可能讀出I畫面上所有的數據。
在這種情況下，如果在數據中存在景物變化，那么各I畫面之間的間隔會變短。因此，會發生沒有足夠的數據來恢復原始圖象的情況。然而，由于在搜索模式中不需要識別景物之間的邊界點而且用戶將在普通或慢運動模式下操作系統來定位邊界點所以這個缺陷不會造成任何明顯的問題。
如果I畫面上的數據在全部數據中的占有率等于或低于50％，就必須不斷讀出I畫面上的數據以消除無法恢復I畫面的可能性。根據數據的比率，可以讀出P畫面上的數據。如果GOP由于少于5個幀構成，可以適當削掉一些數據。
如上所述，由于在十五倍速度模式中，拾取的數據量是普通模式中的1/10，所以需要選擇有效的DCT系數并按上述將其記錄。
在三倍速度模式中，最終必須削掉再現的數據。這是因為該系統要適應于五倍、十五倍速度模式、反向搜索模式、和兩種磁頭配置。由于記錄區受限制，所以不可能使數據速率高于1.848Mbps.如果能夠降低上述有關條件，就能提高要記錄的數據速率。雖然以上根據用ATV比特流作為輸入信號的實施例對本發明進行了描述，但是可以使用上述任何信號，只要它與MPEC相一致即可。此外，如果輸入信號的比特速率是18Mbps而不是20Mpbs，則可用于特殊重放模式的數據速率是7Mpbs，低比特率信號的數據速率增加了2Mbps，從而能記錄3.848Mbps的信號。
在這種情況下，可以將一些I畫面完全拾出或不拾取所有在三倍速度模式下其它的I畫面。這樣，就可以通過更新盡可能多的圖象數據來控制搜索功能。正如在本發明的第一實施例中實現五倍和十五倍速度模式那樣，需要通過選擇DCT系數和將它們分給不同的SBs來記錄數據。
上面已經提到，在三倍速度模式下能夠從一區域中讀出30SBs，但是實際上，可以讀出70SBs。在上述情況下，可供取出用作特殊重放模式的區域受到了限制，因此只是不能確保這些區域多于30SBs。然而，在這種情況下，可以增加用于特殊重放模式的區域。
在三倍速度模式情況下的優點是可以使用低數據速率的輸入信號數據，但是不能使用與五倍速度模式的搜索數據共用的數據。當將70SBs用于三倍速度模式時，在系統能夠進行反向搜索和能響應兩種磁頭配置的條件下可以按照以下方式重新計算數據量。
寫入搜索重放模式數據的SB數量(用于使系統進行反向搜索和適應不同磁頭配置及其它因素的復制數據)
表5在搜索重放時要讀出的數據量(實際上顯示在監視器上的數據量)
該數據量用于搜索重放輸入到SD-VCR的數據速率24.94Mbps 4,048SBs*1可用于低數據速率輸入信號的數據速率1530×10×77×8＝9.42 Mbps 1,530SBs*1上面兩個值之間的差為15.52Mbps 2,518SBs*1*1在將數據均勻地分配到所有磁道的條件下在30條磁道中的SB數量。
這樣，高數據速率信號(必須是主視信號成分)的數據速率是15.52Mbps.
從互換性的角度看，如果為了在檢測時確保數字信號范圍有更大的裕度而將高數據率輸入信號的數據速率設定為15Mbps和將低數據速率輸入信號的數據率設定為9Mbps，那么該系統將工作得足夠好。
本發明是要提供一種記錄設備，其用于記錄具有適用于ATV、HDTV等的寬頻帶范圍的電視信號，這種ATV和HIDTV作為不久的將來將會出現的一種帶有寬顯示器的高質量圖象電視設備近年來已經引起了很多公眾的注意。也就是說， 本發明是要提供一種數字式VTR，它能夠通過建立較高比特率的信號(在頻帶壓縮之后為17-60Mbps)和較低比特率的信號(對二等分的有效采樣、二等分的有效線的1.5-5Mbps)和利用較低比特率信號作為特殊重放信號來適應同時進行的廣播。將本發明用于數字式VTR可以使該系統適應于在不久的將來將要開始進行的同時廣播。此外，要使數字式VTR采用高頻編碼方案在搜索重放模式下再現平滑的動畫圖象是非常困難的，但是本發明能夠使該系統克服這種困難。
由于本發明的記錄和再現設備不僅能夠進行SDTV信號的搜索重放，而且還能從SDTV信號再現普通的圖象，所以能夠提供適于便攜的DVCR的SDTV型低價顯示器。此外，本發明可以使多媒體網絡的終端顯示器有不對信號電路作任何變動的情況下進行顯示。
權利要求
1.一種用于對經高效編碼進行了頻帶壓縮的圖象進行記錄和再現的數字式記錄和再現設備，其特征在于，對具有幀內信息和幀間信息的數字信號進行處理以記錄和再現圖象，將較高比特率和較低比特率信號同時記錄到大約相同的位置上，用全部或部分較低比特率信號進行特殊重放，該特殊重放是視頻記錄設備中不可缺少的功能，由此可以在特殊再現模式下再現平滑動畫的高質量圖象。
2.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，為了將較高比特率和較低比特率的信號以及與特殊重放模式有關的信息記錄到近似相同的位置上，而建立了適合特殊重放信息的記錄區以便使所述記錄區的顯現周期和記錄之后用于普通重放的一系列數字信號幀的周期之間成單一的整數比關系，而且將用于特殊重放操作的信息適當分配并記錄到記錄區中。
3.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，為了將較高比特率和較低比特率的數字信號以及與特殊重放模式有關的信息記錄到近似相同的位置上，而設置了一個裝置，其用于在記錄磁道上建立用于特殊重放信息的記錄區以使所述記錄區的顯現周期和記錄之后用于普通重放的一系列數字信號幀的周期之間成為單一的整數比關系，并通過一些或幾種搜索速度的l.c.m或所述l.c.m的倍數來確定記錄磁道的單元。
4.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，就用于較低速度模式的特殊重放信息而言，把用于不同特殊重放模式的主要記錄區同時放入每條記錄磁道上較靠中間的部分上，允許通過一些模式來共用特殊重放操作狀態下的信息并使得明顯減少正向和反向特殊重放操作狀態下的信息，從而能在很大程度上減少特殊重放操作所需的記錄區。
5.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，相對于以較低速度模式進行特殊重放操作所需的記錄區，把對普通重放有用的低比特率信號和幀內及幀間信息一起以疊層方式記錄到記錄區中。
6.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，為了使帶有雙芯片磁頭和帶有單芯片磁頭的磁鼓磁頭能互換使用，把與由雙芯片磁頭記錄的信息之一相同的復制信息記錄在為一磁鼓分配的記錄區上，該磁鼓帶有用于記錄特殊重放信息的單芯片磁頭，因此記錄介質可互換地用于兩個磁頭裝置的任何一個中。
7.一種數字式記錄和再現設備，包括用于產生高比特率和低比特率數字信號的裝置，所述裝置包括一個標題鑒別裝置，其用于鑒別與每個信號相關的標題，以便處理同時廣播的兩個電視信號(如在ACTV等中已經提出過的)；一個用于產生普通重放所需的兩個信號的裝置；和一個用于產生通過低比特率信號進行特殊重放的記錄信息的裝置。
8.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，在涉及只輸入較高比特率信號的情況下，所說的設備包括一個一般用途的簡單編碼器，例如用于產生低比特率信號的MPEG-1或MPEG-2，所述低比特率信號具有明顯低于較高比特率的比特率。
9.一種用于記錄和再現包括較多有效象素和有效掃描線的高質量圖象信號的數字式記錄和再現設備，其特征在于，所說設備包括一個圖象顯示裝置，該裝置由較少的有效象素和有效掃描線構成以便顯示由低比特率信號產生的圖象。
10.一種數字式記錄和再現設備，其特征在于，所說的設備包括一個編碼器，該編碼器將低比特率信號轉換成雙掃描方案信號，由此使圖象顯示在具有高質量大屏幕的顯示裝置上。
全文摘要
一種同時將由高效編碼或較高比特率信號和較低比特率信號產生的兩種相同視頻節目的數字信號記錄到磁帶上近似相同位置上的數字式記錄和再現設備。該設備是這樣構成的，即將低比特率信號共用于普通重放和搜索重放。此外，可以通過減小記錄比特率來延長記錄時間。
文檔編號H04N7/26GK1150690SQ9510712
公開日1997年5月28日 申請日期1995年5月19日 優先權日1994年5月20日
發明者片山浩誠, 野上浩昭, 白石憲一 申請人:夏普公司