MPEG视频信号处理系统的动画“在屏”显示设备 发明领域
本发明涉及处理根据诸如MPEG这样的数字压缩标准压缩的视频信息的诸如数字电视系统这样的视频信号处理系统的“在屏”显示设备。
发明背景
现代消费电子产品，诸如电视接收机、磁带录象机(VCR)以及视盘播放机，典型地包括所谓“在屏”显示(“OSD”)设备，在一般用于显示视频信息的显示设备的屏幕上以文本的(文字数字的)以及图片图形的形式显示状态信息和指令。早期的OSD系统只能显示有限数量的状态信息，例如当前正在观看节目的频道或节目号以及当前时间。最新的OSD系统能够显示指令式地信息，指导用户进行各种调整，例如设置电视接收机的对比度和亮度或者设置VCR将要录制节目的录制时间和频道号。
在典型的OSD系统中，OSD图形信息以称为“比特映射”的形式被存储在存储器中。“比特映射”是定义所要显示的图形形状的图象元素(“象素”)的矩形阵列。比特映射存储器的每个存储位置包括各个图形象素的码字。码字定义图形象素的灰度或颜色。对于文本信息，每个码字可能简单地包括单个比特，表示具有特定的强度(例如，白色)或颜色的象素出现(例如，通过逻辑“1”电平)或不出现(例如，通过逻辑“0”电平)。对于图片图形，每个码字可以代表多个颜色中的任何一个颜色。例如，一个四比特码字可以代表16种(24)不同的颜色。每个象素的颜色信息被存储在称为“调色板”的存储器中，码字用于寻址调色板存储器。换句话说，调色板存储器被用来作为图形象素颜色的“查找”表。
一些最新的OSD系统能够显示很复杂的图形，包括有限的动画图形。动画包括图形信息序列，用这种方式以便产生运动效果。用于在消费产品中提供OSD动画的已知技术包括存储一系列比特映射的图形图象并且以适当顺序从存储器中读出单个的所存储的比特映射图形图象，这通常是在微处理器控制下进行的。按照动画的显示区域大小，存储比特映射的图形图象序列所需的存储量可能非常可观。此外，读出和操作比特映射的图形图象所需的微处理器工作量也很高。对存储器和微处理器的需求可能使高质量动画特性非常昂贵，在用于消费产品中时更是如此。
发明概要
本发明部分地在于认识到，在以数字分组流(它代表根据例如MPEG标准压缩的视频和音频信息)的形式处理电视信息的这类数字视频信号处理系统中，几乎不增加附加花费或复杂度就可以提供诸如动画这样的复杂OSD图形。根据本发明，不是存储图形的比特映射形式，而是根据用于视频信息的相同视频压缩标准，例如MPEG，以压缩形式存储图形。本发明对于提供动画图形特别有用。存储压缩动画所需的存储量比以比特映射形式存储同样的动画所需的存储量低得多。此外，处理压缩动画的微处理器工作量比处理比特映射形式的同样动画所需的低得多。
更具体地，本发明是针对一种OSD装置，用于以分组流(它代表压缩形式的视频和音频信息)的形式处理视频信息的这类数字视频信号处理系统，它包括一个解复接器(有时称为传输单元)根据包含在分组中的头信息将分组的有效数据导向数字信号处理部分的各个解码和解压缩单元。根据发明的一个方面，OSD装置包括用于存储OSD图形数据的存储器，该数据代表以和视频信息所使用的相同的压缩形式的OSD图形信息，并包括一个控制器，用于当需要显示OSD图形时将OSD图形数据选择性地导向传输单元。OSD图形数据由传输单元路由选择到视频解码和解压缩单元，以与处理视频数据相同的方式将图形数据解码并解压缩，结果生成代表图形的数字信号并最终显示OSD图形。有利地，OSD图形数据可相应于动画。
根据本发明的另一个特性，OSD装置还包括用于以比特映射形式存储代表“静态”OSD图形的数据的装置，例如文本的或图片的图形。基于比特映射的静态图形数据被耦合到数字信号处理部分，在那里(最好是在视频解码和解压缩单元中)将它们变换成代表静态图形的数字视频信号。代表静态图形的数字视频信号与从基于压缩的动画图形数据中得到的代表动画图形的数字信号复接在一起，得到静态图形和动画图形的组合。
本发明的这些以及其它方面将相对附图进行描述。
附图简述
在附图中：
图1是处理压缩的和数字编码的视频信号的数字卫星电视系统的框图，该系统包括根据本发明构建的OSD装置；
图2是图1中所示的数字卫星电视系统的视频解码和解压缩单元的框图；以及
图3是图2中所示的视频解码和解压缩单元中所使用的格式转换器的框图。
附图的详细描述
本发明将参照数字卫星电视系统进行描述，在该系统中，电视信息根据已知的MPEG协议或标准被压缩和编码。MPEG是用于由MotionPictures Expert Group(运动图象专家组)开发的运动画面及有关音频信息的编码表示的国际标准。更具体地，在传输之前，模拟视频和音频信号被转换成各自的数字信号。数字视频和音频信号被压缩以去掉冗余信息，以便降低传输带宽，剩余的数字信号被格式化成音频和视频分组数据流。每个分组包括“有效负荷”部分，后者包括视频或音频数据以及分组“头”码，该码标识了分组的有效负荷部分所代表的信息类型。对应于控制以及其它数据的分组也加入分组数据流中。前向纠错(FEC)数据加入分组以便有可能对传输通道内的噪声所引起的差错进行纠正。熟知的Viterbi及Reed-Solomon类型的前向纠错编码都可以被方便地使用。由压缩、格式化以及纠错操作后得到的数字数据以在数字传输领域中被称为QPSK(Quaternary Phase Shift Keying即四相移相键控)的方式被调制到载波上。
在图1中所示的数字卫星电视系统中，发射机1以及有关的发射天线3向同步地球轨道上的卫星5发射压缩的及数字编码的电视信号。卫星5接收所发射的电视信号并将它们重发到地球。重发的电视信号被天线组件或“室外单元”7接收。天线组件7包括碟形天线9以及变频器11。天线9将接收的电视信号导向变频器11。变频器11将所接收的电视信号的频率转换到相应的较低的频率。
由变频器11所产生的RF电视信号通过同轴电缆13耦合到卫星电视接收机15。卫星接收机15有时称为“室内单元”，因为它放置在室内。卫星接收机15对所接收的电视信号调谐、解调、解码、解压缩并进行其它处理(下面将详细描述)，产生模拟视频和“右”及“左”立体声音频信号，这些信号的格式(例如，NTSC、PAL或SECAM)适于它们所连接的常规电视接收机17进行处理。电视接收机17根据视频信号在显示屏19上产生图象，并根据“右”及“左”音频信号通过扬声器21a和21b产生“右”及“左”音频响应。
更具体地，卫星接收机15包括一个调谐器1501，用于从天线装置7接收的多个RF信号中选择对应于用户所要节目的RF信号和将所选的RF信号的频率变换到较低的中频以产生IF信号。IF信号由QPSK解调器1503解调，产生解调的数字信号。前向纠错(FEC)单元1505基于传输前插入的FEC数据对包含在解调的数字信号中的数据纠错。例如，FEC单元1505可以根据Viterbi和Reed-Solomon纠错算法工作。调谐器1501、QPSK解调器1503以及FEC单元1505可以被包括在由Germantown的Hughes Network Systems(休斯网络系统)，Maryland(马里兰)或Comstream Corp.，San Diego，California(圣地亚哥，加利弗尼亚)提供的一个单个组件中。
传输单元1507是一个解复接器，它根据被包含在分组中的头信息通过数据总线，将FEC单元1505产生的纠错的数字信号的视频分组的有效数据路由选择到视频解码及解压缩单元1509，将音频分组的有效数据路由选择到音频解码和解压缩单元1511。视频解码及解压缩单元1509与一个随机存取存储器(RAM)1513(例如，以动态RAM(DRAM)的形式)合作，将视频数据解码并解压缩，以构成代表相应的亮度(Y)和色差(U和V)分量的数字字序列。代表数字字的视频分量序列被耦合到电视解码器1515，它根据常规电视标准的行和场扫描线扫描格式，将分量代表的数字字转换成代表亮度(Y)信息的数字字序列以及代表色度(C)信息的数字字序列。电视信号编码器1515产生行(H)和场(V)速率信号以及画面元素(象素)时钟信号(PC)，它们被耦合到视频解码器1509以便同步代表分量的数字字的产生。代表亮度和色度的数字字由数模转换器(DAC)1517的各个部分转换成模拟亮度和色度信号。
音频解码和解压缩单元1509将音频有效数据解码并解压缩，得到的数字音频信号被DAC 1519转换成基带模拟音频“右”及“左”信号。(为了简单起见，图1中只画了单个音频信道。)
基带模拟视频和音频信号通过各自的基带连接被耦合到电视接收机17。基带模拟视频和音频信号也被耦合到调制器1521，它根据常规的电视标准将模拟信号调制到RF载波上，以便耦合到不带基带输入端的电视接收机的天线输入端上。
微处理器1523根据存储在“只读”存储器(ROM)1525中的控制程序工作，以控制卫星接收机15的不同部分。控制程序被存储在ROM1525的“控制程序”部分1525-1。微处理器1523提供频率选择控制数据给调谐器1501以控制调谐器1501的操作。微处理器1523也与传输端口1507交互式操作以控制有效数据的路由选择。微处理器1523另外通过控制总线向视频解码和解压缩单元1509以及音频解码和解压缩单元1511提供控制数据。
微处理器1523也结合ROM 1525一起操作，使图形图象显示在电视接收机21的屏幕19上。图形图象提供状态信息、操作指示以及，总的来说，引导用户使用卫星接收机15。可使两种图形图象被显示：包括文字字符或文本及图片图形在内的静态图形图象；以及动画图形图象。两种图形图象的数据都存储在ROM 1525中。静态图形图象以“比特映射”形式存储。但是，为了节省存储器空间，动画图形图象以与代表从发射机1接收的“实况”或视频图象的有效数据相同的压缩形式例如MPEG被存储。比特映射图形的数据被存储在ROM 1525的“比特映射图形”部分1525-3，MPEG图形的数据被存储在ROM 1525的“MPEG图形”部分1525-5。
每个比特映射的OSD图形图象有一个“比特映射”和一个“头”。比特映射逐个象素地定义各个比特映射的OSD图形图象的形状。更具体地，，比特映射是一个矩形阵列或格子，它具有对应于屏幕19的垂直方向的“Y”坐标和对应于屏幕19的水平方向的“X”坐标。每个格子位置对应于一个象素，每个象素的颜色由“处于”相应格子位置的数字字表示。“头”包含“调色板”，它规定各个比特映射的每个象素颜色。比特映射的格点位置处的数字字被用来寻址调色板并藉此以“查找表”方法得到各个象素的颜色。同样的调色板可以和多个比特映射相关联，这根据要显示的图形图象的性质而定。下面将详细描述调色板。数据头也包括规定相应的OSD图形图象位置的数据，该位置是以各个比特映射第一个象素的垂直和水平位置来表示的。
如上所述，对于图形图象的每个象素，都有一个代表该象素颜色的数字字。包含在代表颜色的数字字中的比特数确定每个象素可能有多少不同的颜色。例如，在本实施例中，代表颜色的字包括两比特。因此，每个图形象素可以有对应于两比特颜色字的四种可能二进制状态(00、01、10和11)的四种颜色中的任意一个。在调色板中，象素颜色信息按照分量形式而进行组织，其中每个颜色字具有唯一的分量代表的数字字组，如下表所示。
颜色 分量组
00 YA、UA、VA
01 YB、UB、VB
10 YC、UC、VC
11 YD、UD、VD所选的分量与视频图象信息的传输所使用的分量相同：即，亮度(Y)以及色差分量对(U和V)。视频图象和图形图象选择相同的分量简化了OSD装置，因为避免了从一组分量向另一组转换的必要。图形象素实际的各个颜色(由表中的下标A、B、C或D代表)依赖于各个组的分量代表的数字字所表示的值。
比特映射图形数据作为控制数据通过控制总线被传送到视频解码器和解压缩单元1509，并且被以下面结合图2描述的方法转换为图象数据。然而，MPEG图形是通过传输端口1507和数据总线被转送到视频解码器和解压缩单元1509，并且被以与接收的视频数据分组相同的方法转换为图象数据，该方法也在下面结合图2描述。同时MPEG图形图象信息以与接收的视频图象有效信息相同的压缩形式被存储在ROM的1525-5部分中，这种存储形式不带有标识它是图象信息的分组头。
视频解码和解压缩单元1509的细节如图2所示。视频解码和解压缩单元1509包括一个FIFO(先入，先出)缓冲存储器1509-1，该缓冲存储器从传输端口1507按需接收较小各段的视频数据并且通过存储器控制器1509-3将它以相对较大的段的形式连接到为解码和解压缩而保留的视频RAM 1513的1513-1部分。视频RAM 1513在存储器控制器1509-3的控制下被寻址。RAM 1513的解码和解压缩区1513-1包括用于存储接收的视频数据的速率缓冲部分1513-1-1和用于在解码与解压缩操作期间存储视频信息帧的帧存储部分1513-1-3。视频图象显示单元1509-5解码解和压缩所存储的视频数据，以形成被耦合到电视信号编码单元1515的代表视频图象分量的数字字(Y，U，V)。为了这个目的，视频显示单元1509-5按需通过存储器控制器1509-3向视频RAM 1513的解码和解压缩部分1513-1请求数据。表示分量的数字字的产生是和由电视信号编码器1515产生的场(V)、行(H)和象素(PC)速率信号相同步。由微处理器1523产生的控制数据被微处理器接口单元1509-7接收并且通过内部控制总线送到视频解码和解压缩单元1509的不同部分。
在视频解码和解压缩单元1509的输出端上产生的表示视频图象分量的数字字序列按分量组组织起来。在本实施例中，每个表示视频图象的组对应于两个象素。每个组包括对应于第一象素的第一个表示亮度的数字字、对应于第二象素的第二个表示亮度的数字字、和对应于每个第一和第二象素的单对表示色差的数字字。这在数字视频信号处理领域中称为“4∶2∶2”格式。色差信号的子抽样涉及为了减小传输带宽目的而在传输之前进行的图象数据压缩。更具体的，传输的图象数据按已知的“4∶2∶0”格式组织，其中有与四个象素中的每一个对应的四个表示亮度的字和对应四个象素中的每一个的单对表示色差的字。4∶2∶0的图象表示组通过在视频显示单元1509-5中插值转换为4∶2∶2的图象表示组。通过在电视信号编码器1515中插值，可以产生每个象素分量的完全集(4∶4∶4)。
视频解码和解压缩单元1509包括一个比特映射OSD图形部分，后者包括一个比特映射OSD控制部分1509-9和一个比特映射OSD图形图象数据转换器，用于从存储在ROM 1525的1525-3部分中的比特映射图形数据产生图形图象数据(如图1所示)。当需要显示比特映射OSD图形时，存储在ROM 1525的1525-3部分中的比特映射图形数据在微处理器1523的控制下，通过控制总线、微处理器接口单元1509-7和存储器控制器1509-3被传输到RAM 1513的OSD部分1513-3中进行存储。比特映射OSD控制单元1509-9通过存储器控制器1509-3从RAM 1513的比特映射OSD部分1513-3中读出比特映射数据，并且根据包含在相关头中的调色板数据将每个象素的表示颜色的字转换为对应的表示分量的组。由比特映射OSD控制单元1509-9产生的表示图形图象分量的数字字也是和由电视信号编码器1515产生的场(V)、行(L)和象素(PC)速率信号相同步。
如前面提到的，由视频图象显示单元1509-5产生的表示视频图象分量的组以子抽样的形式来表示视频图象信息，其中对每两个象素有两个分别表示亮度的字和一对表示色差的字，这就是所谓的4∶2∶2格式。另一方面，由比特映射OSD控制单元1509-9产生的表示比特映射OSD图形图象分量的组用非子抽样的或完整的4∶4∶4形式来表示图形图象信息，其中对每个象素有一个表示亮度的字和一对表示色差字的(或对每两个象素有两个分别表示亮度的字和两对分别表示色差的字)。希望对图形使用4∶4∶4形式是由于它允许以给定的比特数定义尽可能多的颜色，这是因为它为图形的每个象素提供了唯一的亮度分量和两个唯一的色差分量。但是，4∶4∶4图形图象序列与4∶2∶2视频图象序列并不兼容并且也不容易与它多路复接以将图形图象插入到视频图象中。
为了解决这个问题，视频解码器和解压缩单元1509包括比特映射OSD图形图象数据转换器1509-11，用于将用于图形图象分量的4∶4∶4序列转换到用于视频图象分量的4∶2∶2序列。如图2中所图示的，对于每两个图形象素，转换器1509-11选择第一象素的色差分量对并且删除第二象素的色差对。如图3中所示，比特映射转换器1509-11可以包括用于存储两组表示图形图象分量的字的锁存器1509-11-1，还包括复接器1509-11-3，该复接器以输出速率顺序地从存储在锁存器1509-11-1的那些表示图形图象分量的字中选择恰当的表示分量的字。希望每行表示图形图象的分量的4∶4∶4组的数目是偶数，因为每个新的4∶2∶2图形图象组是用两个原始4∶4∶4图形图象组产生的。
输出复接器1509-13选择由视频图象显示单元1509-5提供的代表视频图象分量的字组或由比特映射OSD图形图象数据转换器1509-11根据由比特映射OSD控制单元1509-9产生的复接控制信号提供的表示图形图象分量的字组。当工作在只有视频图象的模式时，输出复接器1509-13只选择视频图象组。当工作在只有图形图象的模式时，输出复接器1509-13只选择图形图象组。当工作在“叠加”或“覆盖”模式时(在这种情况下图形图象被插入到视频图象中)，输出复接器1509-13逐象素地选择视频图象组或图形图象组。由输出复接器1509-13产生的表示分量的字的4∶2∶2输出序列被送到电视信号编码器1515。
当希望显示MPEG图形(如动画)时，被存储在ROM 1525的1525-5部分中的MPEG图形数据在微处理器1523的控制下通过传输单元1507和数据总线(如图1中所示)、FIFO 1509-1单元1509-7和存储器控制器1509-3被传送到RAM 1513的速率缓冲部分1513-1-1。根据数据量，MPEG图形数据可以按段传送。此后，MPEG图形数据被视频显示单元1509-5用与MPEG视频数据相同的方法被解码和解压缩以产生表示4∶2∶2图形图象的分量组，最终显示基于MPEG的图形。为了提供更大的灵活性，基于比特映射的图形可以与基于MPEG的图形相组合，因为输出复接器1509-13用与基于比特映射的图形与视频图象组合的相同的方式工作在“叠加”模式。
希望视频解码和解压缩单元1509集成在单一集成电路(IC)中。除去上述的OSD装置以外，类似的视频解码和解压缩IC都已经商品化。例如，部件号ST3240所标识的MPEG解码和解压缩IC就可以从法国的SGS Thomson获得。
因此，所描述的是用于接收、解码以及解压缩已压缩的视频信息的数字视频信号处理系统中的OSD装置和方法，它包括用于恢复已经用与视频信息相同的方法压缩了的存储的图形信息、并且将它送到数字视频信号处理系统的解码和解压缩部分的装置和步骤，在其中用压缩视频信息相同的方法将它解码并且解压缩。如前面所提到的，这就允许产生包括动画在内的高度复杂的图形，并且，与比特映射OSD技术比较，不需要过多的存储器和过大的控制器工作量。除了更精细的静态图形和更快运动的动画的可能性以外，所揭示的装置和方法还提供更高的颜色分辨率的可能性。
虽然已以特殊的实施例描述了本发明，但应该意识到可以进行修改。例如，在本发明相对卫星电视系统进行描述时，它也可以用于其它类型的接收并处理压缩形式的视频信息的数字视频处理系统。在这点上，本发明可被用于接收来自重放装置的压缩视频信息的数字视频处理系统，以及用于接收来自发射站点的压缩视频信息的数字视频处理系统。另外，本发明还可以被用于在计算机中所被用的所谓“视频卡”中，以处理视频信息。再者，虽然本发明是以把OSD图形数据存储在系统中的存储器中的实施例来描述的，但图形数据也可以从外源接收(“下载”)。另外，虽然本发明是相对于接收根据MPEG标准压缩并编码的视频信息的系统来描述的，但它也可以用于接收并处理根据其它标准压缩并编码的视频信息的系统。同时，值得重视的是可能会有对系统结构的修改，诸如那些包括功能部分划分、信号路由选择和存储器空间分配等的系统结构的修改。另外，虽然本发明是以硬件实现来描述的，但它也可以等价地用于软件实现，其中诸如解码和解压缩这样的不同功能是用软件完成的。这些和其它修改都被认为是在下面的权利要求所定义的本发明的范围之中。