用于客户机顶设备储存应用的转码 【发明背景】
本申请案要求于一九九九年八月十七日申请的美国专利申请号为60/149,267的优先权。
本发明关于一客户机顶终端，其用以接收及储存如电视节目的数字节目规划服务，供后续由使用者回放。
近来，机顶设备产业出现一种新的产品家族，其根据机顶盒内的硬盘驱动。此等驱动如一磁带录像机(VCR)可供储存视频节目用，但不具有磁带媒体的可移性。此等装置极昂贵，因为其包括动画压缩标准(MPEG)编码器，用以处理进来的模拟电视信号，以一已压缩，数字化的格式储存于硬盘驱动。
一旦产业中完成所希望的所有数字节目规划服务转换，则机顶设备加上硬盘驱动可以更低廉的成本储存视频，因为不需要编码器子系统。所接收传送进来的位将单纯如其所接收予以储存，像是动画压缩标准(MPEG)传送封包。遗憾的是，进来的速率由来源视频供应者加以设定，且其例如为动画压缩标准(MPEG-2)系统，范围大约从1.5Mbps至15Mbps。对于客户而言，此将转换为无法预估及无法控制地储存容量。再者，其亦不可能进行品质设定，而且磁盘将必须制定成大小足以储存最高位速率达15Mbps的一节目，导致使用超过大小的硬盘驱动，因而提高成本。此至少所产生的可使用容量较少，而困扰客户。
因此，希望提供一种途径，可供所有数字输入的机顶设备储存用，以解决此问题，而且低成本，并提供客户类似一磁带录像机(VCR)的一品质/储存容量选择。
该系统将允许一使用者于一机顶设备终端机储存一或更多节目，供后续由该使用者就便回放用。
该系统将以一已压缩格式储存所接收的节目规划，以降低所需的储存容量。尤其，该系统将于终端机上提供一转码器，用以将所接收的已压缩及数字化节目规划加以转码(transcode)，例如转码成一低位速率。再者，该转码将响应如希望的节目规划质量等级的一使用者可决定的参数。以此方式，使用者可控制已转码节目所使用的储存空间量。
可进一步选择性希望提供如一屏幕节目指南的一使用者接口，以辅助使用者储存该节目。
该接口将提供类似以一模拟格式储存节目的一传统磁带录像机(VCR)的功能。此等功能例如包括：播放，快速前进，回卷，快速回卷，暂停，以及增量(扫描)前进和反转。
该系统将可以一相对较低成本实行，对于大量生产的客户机顶设备装置而言，为划算可行的系统。该系统可于一机顶设备装置内实行，或者作为一机顶设备装置的一外围设备。
本发明提供具有上述及其它优点的一系统。
发明概述
本发明关于一种客户机顶终端，其用以接收及储存如电视节目的数字节目规划服务，供后续由使用者回放用。
尤其，本发明提供转码成客户产品的一应用程序，其中该等客户产品将视频储存于例如硬盘驱动或者磁带上，而该储存及回放行为对应于来自像是磁带录像机(VCR)的现有装置的一客户所希望的行为，并且具有相对较低的成本。
本发明于一终端机上提供一种转码器，用以根据一使用者可选择参数，将所接收的已压缩数据转码成例如具有一较低位速率的一已压缩格式。例如，类似于分别以二，四或六小时等不同的时间储存模式使用一模拟磁带录像机(VCR)的磁带，使用者可选择一高，中或低质量等级转码。
关于此种比喻，请注意，于两小时模式中，该模拟磁带的移动相对较为快速，所以一给定量的数据储存于一较大的磁带区域中，造成较高的品质。反之，于六小时模式中，模拟磁带动相对较为缓慢，所以一给量的数据储存于一较小的磁带区域中，造成较低的品质。再次，此一比喻仅为有关本发明的数字储存对模拟磁带的观念，可令使用者更易于了解。关于数字储存，由于每一数据位均予以储存，所以其品质相对于用以代表一影像的位数目。
有关此数字储存，任何型态的储存装置均可使用，像是一硬盘驱动，软盘驱动，磁性磁带，或光学储存媒体(数字视频光盘(DVD)，光盘(CD)，激光光盘)。再者，储存媒体可由使用者加以移除。因此，当该媒体满时，使用者可插入一替换品。
通过选择质量等级，使用者得以获得储存一节目时所消耗的储存量的概念。此外，使用者可选择以较高品质储存特别喜好的节目。例如，一使用者可能希望以高品质的特殊效果储存一电影，以一中品质储存一运动事件，及以一较低品质储存一新闻节目或演讲。当然，即使较低品质仍应提供一可接受的观赏经验。因而，质量等级是一相对名词，而非一绝对名词。
因此，本发明于一使用者终端机上使用转码，以提供使用者例如额外的特性和功能，其中该使用者终端机出现于一使用者家庭或企业中。此增强使用者的乐趣与便利。同时，系统作业人员的报酬亦增强，因为此等特性将吸引网络新用户，引导使用者以额外成本订购额外的节目规划。
一种用以储存数据的特殊方法，其用于一使用者终端机上，该数据来自该使用者终端机上所接收的一已压缩数字数据流，其中该方法包括将该终端机上至少部分所接收的数据流予以转码以提供对应的已转码数据的步骤。该已转码数据储存在相关于该终端机的一储存装置上。此外，接收一使用者输入，用以指示一希望的转码参数，其中该转码步骤响应所希望的转码参数。
同时呈现一种对应的使用者终端机。
附图简述
图1说明一先前技艺途径，其中将一完全解码器与一完全编码器加以组合。
图2说明一有效率的转码器，其中具有移除运动估测处理。
图3说明一种根据本发明于一终端机上将数据转码以响应一使用者输入的方法。
图4说明一种根据本发明的使用者终端机。
图5(a)说明根据本发明的一使用者接口其一第一屏幕显示。
图5(b)说明根据本发明的一使用者接口其一第二屏幕显示。
图5(c)说明根据本发明的一使用者接口其一第三屏幕显示。
发明详述
本发明关于一客户机顶终端，其用以接收及储存如电视节目的数字节目规划服务，供后续由使用者回放用。
主要观念因应一机顶设备终端机的需要而开发的低成本转码观念，其中该机顶设备终端机配备如一硬盘驱动的一储存装置。转码定义成已压缩视频的一重新处理，其从一速率至另一速率，以及/或者从一分辨率至另一分辨率(例如高清晰度电视(HDTV)至标准画质电视(SDTV))，抑或者从一标准至另一标准(例如动画压缩标准(MPEG-1)至动画压缩标准(MPEG-2))。本讨论将关注于上述第一项(亦即位速率转码)，因为其持有保持一超低成本的最高潜力，但该概念大致可应用于任何型态的转码。
为供本揭露之用，转码定义成仅将一已压缩信号解码成有效重新量化所需的范围，然后仅执行所需的编码步骤，使从重新量化的数据产生一较低速率比特流。其目的为：希望于使用者终端机上提供一较低速率的信号，不需一完全编码器的高成本和复杂度，而且潜在不需要一完全解码器。速率愈低，品质愈降低。
如先前技艺(图1)中所提供，解码/重新编码顺序将通过将一完全解码器与一完全编码器汇接组合而执行，但此途径需有一昂贵的编码子系统。此外，当使用此一处理时，由于所执行的完全解码及重新编码步骤，所以品质降低更加严重。根据本发明，解码/编码汇接途径得以简化，而排除许多步骤，再者，(来源的)原始编码器所作成的许多决策已知作为解码用途，因而可重复使用，再次省去其复杂度和成本。
主要效益从重复使用运动估测处理所致(亦即，重复使用运动向量，以避免转码器中需要运动估测—图2)，其中运动估测处理是整个编码处理中受争议的最昂贵部分。于转码期间，此重复使用同时倾向维持区块型态(I，P，B)；否则运动向量可能完全无法应用。其它决策同样可重复使用，像是字段/框模式。
虽然本发明可用于任何转码方案，但例如美国专利5,619,733，以及Wang，L，et al.，＂动画压缩标准(MPEG)转码器的可调适速率控制＂，发表于一九九九年十月二十八日，日本Kobe的一九九九年影像处理电机电子工程师协会(IEEE)国际会议(”Adaptive Rate Control for MPEGtranscoder”，1999 IEEE International Conference on Image Processing，Kobe，Japan，28 October 1999)，其中所述的转码方案同样适合使用此处所描述的技术。
图1说明先前技艺技术，其中提供一完全解码器串接一完全编码器，该完全编码器用于一动画压缩标准(MPEG)比特流。该串接的组件首先将一已压缩的比特流解码，以获得一重新建构的视频顺序，其中该已压缩的比特流例如从一图书馆或者传送来源取得。然后重新建构的视频顺序由一传统编码器重新编码，以获得一不同的已压缩比特流，适合传送至例如一解码器族群。
尤其，先前技艺途径使用一解码器110和一完全编码器150。一预先压缩的视频比特流输入一可变长度解码器(VLD)115。一逆量化器功能120使用一第一量化步骤大小Q1处理可变长度解码器(VLD)115的输出。一逆离散余弦变换(IDCT)功能125处理逆量化器120的输出，以提供一加法器130像素域数据。根据一开关140的位置，假设此数据具有来自一运动补偿器(MC)135的一运动补偿差信号或者一空信号。
每一输入宏块(MB)的码模式可为内部或中间模式，其嵌入输入的预先压缩比特流，而提供给开关140。加法器130的输出提供给编码器150以及解码器110的一目前框缓冲器(C_FB)145。运动补偿器(MC)功能135使用来自目前框缓冲器(FB)145和来自一前级框缓冲器(P_FB)150的数据，伴随来自可变长度解码器(VLD)115的运动向量(MV)数据。
于编码器150中，像素数据提供给一内部/中间模式开关155，一加法器160，和一运动估测(ME)功能165。开关155选择目前像素数据，或者目前像素数据与来自一前级框的像素数据间的差，供一离散余弦变换(DCT)功能170，量化器175，和可变长度编码器(VLC)功能180加以处理。可变长度编码器(VLC)功能180的输出为一比特流，将传送至一解码器。该比特流包括来自运动估测(ME)功能165的运动向量(MV)数据。
请注意，虽然此途径存在先前技艺所述的高成本与复杂度的缺点，但量化器仍然使用一量化等级Q2，其可通过一使用者输入加以控制。此一具体实施例中，位输出速率将通过改变Q2予以调整。
于一回馈路径中，执行一逆量化器182和一逆离散余弦变换(DCT)功能184的处理，以恢复像素域数据。此数据于一加法器186与运动补偿数据或一空信号加总，而且将该加和提供给一目前框缓冲器(C_FB)190。来自目前框缓冲器(C_FB)190和一前级框缓冲器(P_FB)192的数据提供给运动估测(ME)功能165和一运动补偿(MC)功能194。一开关196将一空信号或运动补偿(MC)功能194的输出导引至加法器186，以响应一内部/中间模式开关控制信号。
此途径属计算密集，因为像素域内预先压缩数据的完全解压缩，以及中间重建构视频框的完全重新压缩，其中包括中间框编码数据的运动补偿及估测处理。此外，串接的解码器和编码器的实行成本相对较高，因为需有一完全动画压缩标准(MPEG)解码器和一完全动画压缩标准(MPEG)编码器。
计算机仿真结果显示：如果维护每一框的图象型态，则从解码器所解码的运动向量可用于编码器的运动补偿，不需大幅损坏结果影像的视觉品质。此表示，最昂贵的作业—运动估测可从先前技艺的串接的解码器/编码器途径中移除。根据本发明，此一方案将对照图2讨论如下。
图2说明根据本发明的一转码器，其中运动估测已从编码器中移除。号码相似的组件对应于图1该号码的组件。转码器200包括一解码器部分，大致记为210，以及一编码器的所有部分(较佳者，仅为该等从重新量化的数据产生一较低速率比特流所需的部分)，大致记为250。此处，将来自可变长度解码器(VLD)115的运动向量提供作为编码器250中的运动补偿(MC)194。
因此，图2的转码器架构将产生一新的比特流和一新的位速率，但具有相同的视频格式区块型态(亦即，预测和无预测)，以及其它参数，因而其运动向量与进来的已压缩比特流相同。
亦复如是，虽然图2所揭露为一特殊的效率转码器，但基本上，本发明仍与任何已知的位速率转码器兼容。此处所揭露的较简化的转码器途径(而甚至为较简单的形式)可以低成本实行，并且免除需有分离式解码器，编码器装置。再者，完全软件数字信号处理器(DSP)可使用本发明的简化途径予以实行。
该机顶设备设计可操作如下。客户可从例如三项的数项质量等级中选择而储存。例如一高品质模式(类似使用两小时式的一模拟视频磁带)，一中品质模式(类似使用四小时模式的一模拟视频磁带)，或者低品质模式(类似使用六小时模式的一模拟视频磁带)。
如前面所述，如果假设为具有标准分辨率的电视(TV)(动画压缩标准(MPEG-2)其主要等级主要轮廓)的情况下，所接收的比特流可以15Mbps进入终端机。因此，对于每一质量等级而言，必须将所接收的比特流向下转码成适合该节目进入该储存容量的正确量。考虑一节目的特定情况，像是15Mbps，且为实时向下转码成6Mbps，3Mbps，或2Mbps的一电影。为作说明，假设于终端机上的储存装置系具有一6GB容量的一硬盘装置。使用最高视频品质设定(向下转码成6Mbps)，客户可储存2.2小时视频，亦即(6G字节×8位/字节)/6M位/秒＝8,000秒＝133分钟＝2：13小时。使用中等品质，客户可储存4.4小时节目规划，而使用最低品质设定，客户可储存6.6小时节目规划。
请注意，转码可轻易用于可变的位速率压缩，所以不必每次均精确编码成6，或4，或2Mbps，而仅需整个节目的一平均速率。给定相等的平均速率，可变速率编码可产生远较固定速率编码为佳的品质。数字视频光盘(DVD)电影即可变速率编码节目的例子。具有两小时播映时间的一数字视频光盘(DVD)电影使用大约5Mbps的一平均速率加以储存，但当场景要求时，峰值可高达10Mbps。
然而，如果希望，使用者可设定一固定位速率供转码用。
请注意，透过所谓＂品质刻度盘＂的一机构设定，转码质量等级的使用者输入可任意订定，因为转码可产生希望的任何位速率。位速率甚至可连续调整，然而，因为与过去30年的磁带录像机(VCR)经验非常不同，客户也许不习惯使用此一刻度盘。
客户可能同时于接收期间观赏已转码的节目。然后，使用者可例如于一电影的后续部分选择一加强的质量等级。又如另一例子，观赏教育节目的一使用者可能希望加强后续影像的品质；例如，观赏一外科手术的一医师，或者观赏一缝纫节目一爱好者，或者观赏一演讲中所显示的幻灯片的一学生。然后，一旦重要部分经过后，使用者可降低质量等级。
该终端机可实行一最小或最低的位速率，以维持大部分观赏者可接受的某种最小影像品质。
类似情况，一最大或最高的位速率可对应于终端机上所接收的数据，或某种预定的较低等级。一般而言，转码成一较高的位速率并无作用。
图3说明一种根据本发明将一终端机上的数据加以转码而响应一使用者输入的方法。
于区块300，已压缩的数字节目于使用者终端机上的一内存中缓冲，其中该等节目例如可包含动画压缩标准(MPEG)传输封包，或者一网际网络协议(IP)所递的媒体流。一般而言，一节目可具有空间分辨率，框速率，颜色抽样，交错/递增等形式的任何格式；且其可以恒定位速率(CBR)或者可变位速率(VBR)的任何速率预先编码。
于区块310，根据一使用者输入将缓冲的数据加以转码。缓冲的数据可使用现有的运动向量及其它参数，于一适当的速率控制方案下予以量化，以达到一新的速率。
如前面所讨论，使用者输入可包含一所希望的品质，或者一模拟磁带录像机(VCR)磁带的记录时间等类似观念。
于区块320，已转码数据再度于一内存中缓冲，并且于区块330，将已转码数据例如透过一磁盘或磁带接口，传输至一储存装置，予以储存，供以后由使用者回放用。
图4说明根据本发明的一使用者终端机。
终端机400于一调谐器410上，例如透过一有线卫星或地面馈送接收已压缩的数字节目规划。所接收的信号于一解调变器415上解调变，并提供给一处理器425，其中该处理器可使用硬件，固件以及/或者软件加以实行。处理器425包括一低成本转码器427，可为图2的转码器200，或者任何其它适当设计。
有关最大弹性，处理器425必须能够将如一传统形式的动画压缩标准(MPEG-2)视频的数字视频加以解码，且同时根据本发明将该视频予以转码。请注意，低成本转码较单纯解码复杂1.5至2倍。
处理器同时可提供各种功能，供回放所储存的视频用，其中该等功能包括像是快速前进，暂停，慢速扫描等技巧模式，均依照熟悉旧时代的磁带录像机(VCR)的客户所希望而运作。一路径468赋能处理器425从储存装置470检索所储存的数据，供回放用。
显然，该同样途径亦应用于如磁带或高级软盘的真可移式储存媒体的情况，甚至可移式硬盘媒体。此一产品可产生如一磁带录像机(VCR)的真正经验。
处理器425同时与一使用者接口480和一节目指南数据功能490进行通信，其中使用者接口480用以接收供转码用的使用者输入。
通常选择性的节目指南数据功能490以节目规划服务接收数据，而提供目前和即将播放的节目其排程的一图形显示。根据本发明，以及参照图5(a)-(c)的进一步讨论，此数据可让使用者选择一节目，以进行转码及储存。
处理器425可将数字视频和音频加以解码，并输出至一数字模拟(D/A)转换器430，以提供对应的模拟信号，接着提供给一输出装置435，像是具有喇叭的一电视。
一总线427允许处理器425与一内存440，一储存装置接口450，和选择性外围设备460进行通信，其中内存440可于后续转码之前缓冲所接收的数据；储存装置接口450将已转码数据格式化，并储存于储存装置470(例如磁带或硬盘驱动)；而选择性外围设备460可将数据路由选择至一家庭网络，一电机电子工程师协会(IEEE)1394接口，一通用串行总线(USB)，一电话线，以及/或者电缆回传路径。
请注意，虽然并非必要，然而转码功能(例如电路及其它组件)可于一单一机顶设备终端机中提供。该功能同样可整个或部分于一外围设备装置中提供。任何这类外围设备装置均视为媒体装置400的一部分。
图5(a)说明根据本发明的一使用者接口其一第一屏幕显示。
画面500为以一已知方式，从图4的节目指南数据功能490产生。该画面列示不同频道上可用的各种节目。例如，可用频道包括＂ABC＂，＂旅游＂，＂PPV＂(观赏者付费)，和＂FOX＂。通常，指南500可向左或向右卷动，以观赏不同的节目时间，以及向上或向下，以观赏额外频道。此例如可透过一手持式远程控制，语音控制接口或其它装置，由使用者完成。
图5(b)说明根据本发明的一使用者接口其一第二屏幕显示。
此处，假设使用者已从＂旅游＂频道选择标题为＂巡洋舰＂的节目，其播映时间从8pm至10pm。画面550通知使用者该选择，并询问其希望仅观赏该节目，仅记录该节目，同时观赏及记录，或者离开该画面。使用者可使用手持式远程控制再度选择。
图5(c)说明根据本发明的一使用者接口其一第三屏幕显示。
画面580确认该使用者已选择记录节目＂巡洋舰＂，而且其播映时间为两小时。然后要求该使用者选择一记录品质，例如高，中，或低，或者离开该画面。给定可用储存空间的显示估测值，使用者可使用手持式远程控制再度选择。
请注意，供控制转码用的使用者输入可以各种方式于该接口中加以描述。例如，可以类似磁带录像机(VCR)磁带的记录时间表达，例如2，4，或6小时。再者，为了销售的目的，高，中，或低品质分别可表达成＂超级＂＂增强＂和＂标准＂品质之类。质量等级同时可以像是1-10的一数字刻度表达。
请注意，接收供转码用的使用者输入时不需一屏幕接口。可能有像是一机械刻度盘(＂品质刻度盘＂)或开关等各种其它接口选项。或者，可使用已知技术，进行从机顶设备至远程控制的通信，于手持式接口提供一分离式显示，用以指示质量等级设定。
另一选项可供使用者事先输入一希望的内定质量等级，令后续记录的任何节目以该对应的质量等级加以转码。可将适当数据储存于终端机上，作为此用途。一进一步的相关选项供特殊频道储存用的所希望的质量等级。例如，使用者可能希望＂PPV＂(观赏者付费)频道具有高品质，而所有其它频道具有中等品质。
因此，一节目的使用者输入可于转码及储存之前建立。再者，使用者输入可于转码及储存之前，指定对应的特定频道其各别希望的转码参数。
使用者同时可指定于播映一节目之前储存该节目。
再者，如所述，当进行转码时，使用者可动态改变质量等级(及已转码节目的目前显示)。最后，可希望于电视屏幕的角落提供一小图标的屏幕显示，用以指示目前设定的质量等级。
因此，可见本发明提供一种客户机顶终端，用以接收及储存如电视节目的数字节目规划服务，供后续由使用者以类似一传统磁带录像机(VCR)的一方式回放用。一接口允许一使用者根据例如高，中或低的所希望的已转码数据质量等级控制转码。通过在终端机上执行转码，数据的位速率可降低至足以于该终端机上允许划算的储存。再者，使用者可对不同节目或不同频道设定不同的质量等级。该使用者输入可透过如一屏幕显示的一接口加以接收，其中该使用者输入可选择性整合于电子节目指南数据中。
虽然本发明已参照各种较佳具体实施例予以描述，但显然地，于不偏离本发明权利要求所陈述的范围下，可进行各种修正及改编。