用于组合多复合视频信号的系统与方法

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用于组合多复合视频信号的系统与方法\n本发明涉及一种系统与方法，它可以将多复合视频信号组合成单一的、与输出设备同步的输出数据流。一般来说，这些视频信号彼此独立，并且独立于输出设备，例如，它们在行速率、帧速率，以及顺序操作或交错操作方面，都可以不同。\n合并多个视频信号与(或)图形的系统一般都是存储加强器。为了将多个视频信号组合成单一的、并与输出设备同步的输出数据流，这样的系统要具有以下功能：①将输入的复合视频信号解调成它们的组成分量；②通过一个存储器件，使解调的信号与输出设备同步；③将同步的信号组合成或复合在一起，形成一个被送至输出设备的输出数据流。\n在大多数应用中，存在一个已经与输出设备同步的主信号。对于一台电视接收机来说，主信号就是主“图象”，而对于计算机型显示来说，主信号是来自图形层的数据流。\nMr Burkert等人在《画中画系统芯片存储器集成电路组》(“Ic Set for a Picture-in Picture SystemWith On-Chip Memory”)(IEEE Transactions OnConsumer Electronics，Vol 36，№．1，(1990年2月)，第23至31页)一文中论述了一种画中画系统，该系统包括两个装置，一个是用于嵌入图象的模／数转换器接口(ADIIP)，另一个是图象嵌入处理器(PIP)。ADIIP调整一个嵌入图形的模拟视频通道，使之适应于PIP的数字输入，并且ADIIP需要下述四个来自于一个标准彩色译码器的模拟输入信号：Y：一个亮度信号；U，V：彩色信号；与Sand：一个用于水平定时基准的脉冲。\nADIIP产生一个数字数据流，并将其送到PIP中。在PIP中，该数字数据流通过十进制滤波器，所得数据存储在一个内部存储器中，然后，以一个与主通道的外部行频同步的速率，从存储器中读出该数据，并从PIP中输出具有Y，-(B-Y)，-(R-Y)分量的模拟输出信号。换言之，先把来自存储器的数据转换成RGB信号，然后再将其转换成模拟信号，从PIP中输出。\nK．Kohiyama等人在《开发用于计算机系统的数字电视系统》(′Development of a Digital TV system for usein Computer System′(IEEE Transactions on Con-sumer Electronics，Vol．35，No．3，(1989年8月)，第624至629页)一文中，描述了一种可以合并(集成)计算机与电视图象的系统与方法。在该系统中，一个Y／C分离电路将一个非标准的数字电视信号分成一个彩色信号与一个亮度信号。然后，在一个AFC电路中，将这些非标准信号转换成标准的电视信号。其中AFC电路检测非标准信号中的彩色脉冲信号与水平同步信号的相位差，并根据检测到的相位差对非标准信号进行线性插值运算，产生一个标准的电视信号。这些易于存储的标准电视信号将被转换成RGB信号，存储在一个数字存储器中。这些RGB信号可以以任何期望的速率从存储器中读出。例如，可以以计算机的扫描速率将其读出，并转换回模拟信号，然后迭加到一个计算机生成的图象上。\nMasudia等人《盒式录像机(VCR)的具有数字存储器的画中画系统》(′Picture in Picture System WithDigital Memory for VCRs′)(IEEE Transactionon Consumer Electronics，Vol．CE-33 No．3(1987年8月，第230至239页)一文中阐述了一种使用双端口存储器的VCR画中画系统。一个VCR有两个输入：一个是来自高频头的信号，另一个是重放录像带信号。该系统允许这两个信号同时被观测到，其中一个信号形成主图象，另一个信号形成迭加子图象。系统对子图象的分量信号进行处理，时间压缩所述子图象，并将主图象与子图象组合，以在单一的电视屏幕上显示。在该过程中，输入的子图象被分成一个亮度信号与一个彩色差分信号，并且在把这些模拟信号存储在双端口存储器中之前，将它们转化成6位数字信号。然后，再以一个不同的速率将这些数字信号读出，并转换回模拟信号，再与主信号组合以供显示。\n欧洲专利EP0，288，152描述了一种视频信号发生器，它产生一个可以同时表示一个主图象与一个辅助图象的信号。对一个被解调成彩色与亮度值的辅助视频信号进行采样，并将辅助视频信号的每隔两行采样，作为压缩辅助信号部分存储在一个自序存贮器中。一个同步分离器也接收上述辅助视频信号，目的在于产生一个可以确定采样信号写入存储器中的时间的时钟信号，同时一个写地址发生器产生写地址信息，以确定采样信息写入存储器的位置。然后，再以某一速率，从由解调的主视频信号确定的存贮单元中，将前述压缩的辅助信号信息读出，以使其与主视频信号同步。这样的压缩信号然后替代适当的主信号采样等息产生组合采样，该组合采样将被送到一个画中画视频信号处理器中。\n所有上述系统都需要大量的存储空间来存储解调的视频信号的分量信号数据。通过在存储视频数据之前，对其实施各种压缩，已使先有技术系统中的存贮空间有了一些减少。然而这样的压缩是不理想的，因为它们将使得信噪比降低和图象模糊，一般来说，压缩越大，信噪比降低也越大，但需要的存储空间越小。于是，为了取得一个可接受结果，必须有一协定。一个典型的，用户认为可接受的压缩标准是CCIR601。\n本发明的目的是提供一种用于把多复合视频信号组合成单一的，与输出设备同步的输出数据流的系统与方法，该系统不但所需的存储空间比先有技术系统少，并且能够使视频信号得到处理，而不需其质量折衷到目前所要求的程度。\n因此，本发明提供了一种用于将多复合视频信号组合成单一的，与输出设备同步的输出数据流的系统。该系统包括：用于将输入的复合视频信号译码成它们组成分量的装置；用于临时存储信号，以使其与输出设备同步的存储装置；以及一个用于将同步的信号组合在一起，以供输出设备使用的复合器。所述系统的特征是：一个用于将输入复合视频信号转换成数字形式的模／数转换器；一个用于接收所述模／数转换器的数字输出的数字存储器；以及一个用于采样所述存储器内容的译码器，其中译码器的采样是在与输出设备同步的定时信号控制下进行的，这样可以产生与所述的输入复合视频信号相关的同步数字采样，译码器并且把该数字采样传输到复合器中，以使复合器产生单一的输出数据流。\n上述系统将复合视频信号数字化，然后将其作为原始的复合信号，以数字形式存储起来。由于在存储之前，不对信号进行解调，所以该系统所需存储空间要比先有技术系统少。然后在与输出设备同步的定时信号控制下，把上述原始数字数据读出，并将其解调成它们的组成分量。然而，与先有技术不同，由于存储已完成，所以这些复合视频信号不需要任何十进制化，而代之以被转化成任何便于使用的彩色空间表示法，如：CCIR601或24位RGB。从而，可以选择一个高质量的表示法(如24位RGB)，而不增加系统的存储需求。这点与先有技术系统不同，在先有技术系统中，选择的表示法对系统存储需求有直接影响。\n本发明系统能以各种不同形式，将来自模／数转换器的输出数据存储在数字存储器中。然而，在最佳实施例中，所述模／数转换器的数字输出对应于一个第一复合视频信号，数字存储器包括多个存储单元，并且该系统进一步包括一个与第一复合视频信号相关的第一同步信号以及一个响应于第一同步信号以产生第一时钟信号的时钟。该系统还包括用于接收模／数转换器的数字输出的数字存储器，其接收的存储单元由第一同步信号确定，接收速率由第一时钟信号确定。\n本发明的系统可以用于组合多个彼此独立，并独立于输出设备的复合视频信号，换言之，该系统可以组合具有一个或多个与输出设备同步的主信号的复合视频信号。在最佳实施例中，复合器将第一复合视频信号同一个与输出设备同步的主视频信号组合，该主视频信号有相应的第二同步信号与第二时钟信号。在本实施例中，译码器对由上述第二时钟信号确定的存储单元中的作数字存储器的内容进行采样，并且接收作为定时信号的第二时钟信号。\n本发明的系统可以适用于那些或是单色或是包括彩色信息的输入复合视频信号。在最佳实施例中，复合视频信号包含彩色信息，并且所述译码器包括：一个对数字存储器的采样内容进行幅度解调以产生相应高度值的亮度译码器；一个可以从数字存储器的采样内容中提取彩色相位，并使其与存储器采样内容组合以产生彩色值的彩色译码器，该彩色译码器按定时信号确定的速率工作，但是提取相应于彩色信息的彩色相位数据；一个用这种方式合并亮度值与彩色值，以在特定希望的彩色空间表示中产生数字采样的合并装置。\n本发明中使用的输出设备可以是各种输出设备中的一种。例如可以是一台监视器、一台打印机或一台电缆电视网。在最佳实施例中，输出设备是一台监视器。\n本发明也提供一种将多复合视频信号组合成单一的，与输出设备同步的输出数据流的方法。该方法包括步骤：将输入的复合视频信号译码成它们组成分量；临时存储同步信号以使其与输出设备同步：并且组合同步的信号以供输出设备使用。该方法的特征是步骤：将输入的复合视频信号转换成数字形式；将该数字形式存储在一个数字存储器中；在与输出设备同步的定时信号控制下，采样数字存储器的内容并改进该内容以形成与所述的输入复合视频信号相关的同步数字采样；并且组合这些数字采样以产生单一的输出数据流。\n本发明可以用于许多涉及图象显示的领域，例如在半导体视频显示装置领域，本发明可选择用来做集成电路。可以应用本发明系统与方法的典型领域是：\n*多工作站*视频会议装置(模拟频域多路传输)*“画中画”电视接收机*“画中画”磁带录像机*一般的复合视频捕捉装置通过附图中的一个实施例，来进一步描述本发明。附图中：图1是一个典型的先有技术系统结构的方框图；图2是一个根据本发明最佳实施例的系统结构。\n图1表示将一个复合视频信号与一个主视频流组合的常规系统。这样的系统必须包括一个具有附加存储缓冲器的改进型电视译码器，该缓冲器用于存储行锁定数字化彩色／亮度数据。该数据被以一个与主视频流同步的速率从缓冲器中读出。所有商用的PIP电视／计算机系统都以这种方式工作。现在更具体地描述图1。\n把一个输入复合视频基带信号(CVBS)发送到复合译码器部件10电在此，将其解调成它的分量亮度信号Y与彩色信号U，V。一个标准的亮度译码器部件20将亮度信号提取出来，该部件对输入的CVBS实施幅度解调测试。一个同步分离器30从输入的CVBS中提取同步信号，并将其输入到一个行锁定相位锁定环(行锁定PLL)电路40中，在此，用它产生一个与输入CVBS同步的象素时钟(PCLK)。一个由同步分离器30选通的彩色锁定电路50，从CVBS中提取彩色脉冲基准相位。于是，由此产生的彩色基准相位信号连同CVBS被标准彩色解调电路60利用，产生彩色值。\n值得注意的是，上述的复合译码器部件10通常是对模拟信号工作，并且在提取完彩色与亮度信息之后，数字化这些信号。然而，这是不必要的，一些系统使用的是其所有处理过程都是数字化的译码器部件。在这些系统中，输入的CVBS在进入复合译码器部件10之前通过一个模／数转换器。然而无论使用模拟还是数字处理技术，译码部件内部的数据流是完全相同的。\n《电视应用中存储器件对数字信号的处理》(“DigitalSignal Processing for Memory Feature in TVApplication by E，Pech；IEEE Transactionson Consumer Electronics，Vol CE-32(1986)No．4，第754至758页)一文中给出了一个这样的数字译码器器件的例子。\n下一步将分别从彩色解调电路60与亮度译码部件20中获得的彩色与亮度信息(以下称彩色空间数据)传输到一个视频数据压缩级70，在此，将上述数据压缩成便于有效存储的常规形式。在PIP电视系统中，彩色空间数据将被十进制化(子采样)，以减小所需存储空间。另外一种用于减小存储需求的技术涉及使用数据取样上的粗略量化(即6位而不是8位)。上述数据压缩级70可以有选择地包括放置于压缩电路之前的彩色空间转换部件，该部件用于将彩色与亮度信号转换成RGB值。\n如前所述，这些压缩方法是不理想的，因为它们会损视频质量，压缩过程一般会引起信噪比降低与图像模糊，然而，为了降低昂贵存储空间的需要，在先有技术系统中使用压缩是必需的。\n压缩之后，将产生的彩色空同数据写入一个具有多存储单元的双端口缓冲存储器80中。写入的速度由行锁定PPL时钟(PCLK)确定，写入数据的存贮单元由从同步分离器30获得的有关输入CVBS的同步信息(奇／偶，水平同步，垂直同步)确定。该写入过程是在一个写地址控制部件90的控制下进行的，这样的控制器在本专业很普遍，于是对于本专业人员，它的工作过程是显而易见的。\n在读地址控制部件100的控制下，将所述与彩色空间数据相关的缓冲存储器的内容读出，其读出的速度由主视频流120的主视频象素时钟110确定，读出的存储单元由主视频同步130确定。\n值得注意的是，在计算机应用中，双端口缓冲存储80可以提供一个额外的读／写数据通路。这可以用常规的图象数据处理法存取存储的视频信息，例如，可以使存储的信息传输到硬盘上。\n由读地址控制部件读出的缓冲存储器内容，通过一个连接器150，被送到一个复合器140中，该复合器140或者选择来自连接器150的屏幕扫描转换／同步数字视频信号，或者选择主视频流，以产生单一的输出数据流160。该数据流被送到一个输出设备的显示级(如一台显示器)，输入一个主逻辑键控平面信号190到复合器140中；这是一个决定复合视频源在主视频源中位置，或“窗口”的选通信号，所以该信号控制复合器选择哪一信号。\n现在参照图2描述一下本发明的最佳实施例。该最佳实施例的系统用于将一个独立的复合视频信号与一个与输出设备同步的，主视频流组合。该最佳实施例保留用于先有技术系统的处理部件，只是通过改变处理部件的布局与时钟结构，来降低存储需求，并且能在不降低由压缩引起的信噪比的情况下，处理信号。\n从图2中可以清楚地看到，双端口缓冲存储器80位于一个象素时钟发生电路与一个复合数字扩展器部件15之间。这种结构可以使缓冲存储器80以数字形式存储原始行锁定复合视频信号。\n图2中的最佳实施例的更详细工作过程如下。\n首先，将一个输入的复合视频基带信号(CVBS)送到一个模／数转换器25，在此，将CVBS数字化。模／数转换器25的特性取决于应用，但对于大多数用户来说，用一个6位采样表示一个64位信号是比较合适的，从下面计算可以说明这一点。计算中假设视频信噪比由峰-峰信号／RMS噪声定义，并且阶跃为1。\n假设一个相当大的信号，以至量化噪声是随机的，量化噪声(X)将非正态地分布在+(1／2)，-(1／2)之间。于是噪声永远不会大于1／2现在RMS噪声∫-1212×2dx=123]]>于是6位视频系统的信噪比：\n因此，该6位采样高于大多数商用视频源几个分贝，于是对噪声贡献不到2dB。使用6位译码数据上的颤抖调谐，可以使接收到的图象质量有很大改善。现在现在回到图2，输入的CVBS也被送到一个同步分离器30中，在此，从CVBS中提取同步信号。同步分离器30可以是一个模拟装置，在这种情况下，CVBS信号经过图2中实线直接送到同步分离器中。另外，同步分离10也可以是一个数字同步分离器，在这种情况下，数字化的CVBS信号经过图2中的虚线送到同步分离器中。\n然后，将同步信号送到行锁定PLL部件40中，在此，它被用来产生一个与输入CVBS同步的象素时钟(PCLK)。该象素时钟被用来驱动模／数转换器与写地址控制部件90。模／数转换器25，同步分离器30以及行锁定PLL部件40都是本领域的标准电路，在下文将被统称为象素时钟发生电路。\n模／数转换器的输出(原始的数字化复合视频数据)，在写地址控制部件90的控制下，写入到双端口缓冲存储器80中。该写入的速度由象素时钟(PCLK)决定，写入缓冲存储器80中的存储单元，由从同步分离器30中获得的同步信号(奇／偶，水平同步，垂直同步)决定。如前面提到的，这样的写地址控制部件使用广泛，所以不对其进行讨论。\n读地址控制部件100根据接收的主视同步信号130与主视频象素时钟110对缓冲存储80的内容进行采样。如同在先有技术系统中所阐述的，采样的存储单元由主视频同步信号130确定，采样的速度由主视频象素时钟110确定。\n与先有技术一样，双端口缓冲存储器80提供一个额外的读／写数据通路，以使用常规的图象数据处理法存取已存入的信息。\n将缓冲存储器80的采样内容送到复合数字扩展部件15，以解调成其组成信号。亮度译码器20对采样的内容一直进行幅度解调(AM)检测，以从视频数据中产生亮度信号。\n彩色锁定电路50对缓冲存储器80的数字化采样内容进行操作，以提取彩色脉冲基准相位。这可以通过使用本领域里一些较普遍的相位提取方法来实现。这些方法一般对具有很好受控频率特性的数字化信号(如视频子载波信号)实施数字信号处理。在本最佳实施例中，相位提取是由逻辑电路完成的。该逻辑电路并入一个由主视频同步／时钟定时的离散时间振荡器(DTO)系统中，然而，虽然该离散时间振荡器(DTO)按主视频流决定的速率工作，它仍能提取有关行锁定数字化CV的彩色相位。在先有技术系统中，相位提取过程与行锁定象素时钟的生成是同时进行的，与其不同，在该系统中，彩色相位提取过程与行锁定过程是由缓冲存储器80分开进行的。\n彩色解调电路60是一个标准的彩色混合级。在该级中，来自彩色锁定电路50的彩色脉冲基准相位信号与相应的缓冲存储器中的采样内容组合，以产生彩色值。\n视频数据扩展电路170接收来自彩色解调电路60的彩色数据，并将它与来自亮度译码器部件20的亮度数据相组合。然而，与先有技术系统的视频数据压缩级70不同，它不必对信号进行任何十进制处理，因为需要这种十进制处理的存储已经完成。视频数据扩展电路170可以将视频数据转换成任何便于应用的彩色空间表示法，例如CCIR601或24位RGB。上述系统结构可以使我们能任意选择一个高质量表示法(如24位RGB)，而系统的存储需求不会增加。如果需要视频扩展电路170产生RGB信号，该电路还要有一个标准的彩色空间转换部件，把彩色／亮度信号转换成RGB信号。\n由视频数据扩展电路170产生的同步数字采样，通过连接器180送到复合器140中，对于先有技术系统该复合器是必需的，它选择来自视频扩展电路170的数字采样或主视频流120，产生单一的输出数据流160。与先有技术系统一样，主逻辑键控平面信号190被采用提供有关复合视频流在主视频源中的定位信息，以确定在任意特定时间里复合器140选择哪一信号，然后复合器140将单一输出数据流传输给输出设备的显示级(如一台监视器)。\n下面讨论一下本发明最佳实施例的优点。\n本最佳实施例有效地降低了系统存储需求，并能达到与先有技术同样的质量性能。CCIR601标准作为指导，本最佳实施例达到了与先有技术同样的质量性能，并有效地节省了存储空间。\n计算先有技术系统存储器容量的保守估计是：*CCIR格式是4∶2∶2YUV。\n*采样频率是13．5MHZ。\n*最小可接受动态行周期是52μS(该值是从《视频技术》(“Video Techniques”by G．White，2nd EditionHeinemann Newnes，(1988)PP22，for PAC／SECAMCoding)中得到的)*没有垂直十进制化*使用8位彩色分量量化*存储480行对于一个4∶2∶2YUV的CCIR格式，每个象素被指派一个Y值与一个U值或V值(而不是U，V两值)。将这些值交替，以使一个具有U值的象素有两个具有V值的相邻象素，反之亦然，每个Y，U与V值占一字节信息，所以每个象素有一个2字节(16位)的采样。因为在先有技术系统，解调发生在存储之前，所以单个象素的采样大小都是16位，于是，帧缓冲存储器容量是(480×16×52×10-6×13．5×106)位，等于5391360位或673920个字节。\n计算本最佳实施例系统存储器容量保守估计是：*CCIR格式是4∶2∶2YUV*采样频率是13．5MHZ(但是，只需10MHZ，因为5MHZ以外，在CV频谱中频谱所占能量已经很小了。)*最大行周期(包括彩色脉中)是64μS(该值从《视频技术》(“Video Techniques”by G．White，2nd EditionHeinemanm Newnes，(1988)PP22。for PAL／SECAMCoding)中得到)*没有垂直十进制化*使用8位彩色分量量化*需存储480行一个4∶2∶2YUV的CCIR格式仍是有代表性的，但是因为信号在存储之后才被解调，所以单个象素采样大小是8位。于是帧缓冲存储器容量是(480×8×64×10-6×13．5×106)位等于3317760位或414720字节。\n如果用一个10MHZ的时钟代替13．5MHZ的时钟，并且使用合造的防混淆滤波，缓冲存储器容量将降至307200字节，如如果再利用合适的彩色脉冲选通与量化，缓冲器容量将匀能只是249600字节。于是，在达到与先有技术系统相类似的质量性能前提下，本最佳实施例所需的存储空间只是先有技术系统的37％-61％。\n本发明最佳实施例的另一个优点是，它有效地减少了为给多复合视频信道开窗口所需的电路，可同时监测多CV输入的先有技术系统(在同一屏幕上观看三个或更多信道)工作过程如下。\n如果要达到实时特性(即不丢失输入帧)，每个额外信道需要一个完整的PIP子系统，只有最终复合器部件140是信道间公用的。因此增加每个信道容量的开销是相当大的。\n然而，本发明最佳实施例可以以较低的代价实现实时特性，因为对于每个额外信道，只需增加行锁定缓冲存储器80。由于来自多信道的数字CV输出只需被扩展器以主信道决定的扫描速率“观看”，所以信道之间能共享复合数字扩展器15。这样，单个扩展器部件15能服务于多信道。\n本发明最佳实施例也提供一些图象改进处理技术。复合视频系统(NTSC／PAL)存在一些图象失真的缺点。一些是标准定义本身所固有的，一些是由传输线路引起的。\n在这种联接中，由CV解调系统引入的频带宽度的降低，使我们必需使用一些权宜之计。例如，为了降低CV所需的带宽，必须在彼此接近的(大约是3．5MHZ)载波器上，对彩色与亮度信号调制。这会导致一种称之为“爬行点”的彩色／亮度干扰。\n存在一些可以减少这些人为缺陷的数字信号处理技术，该技术依赖于数字化CV的内部处理，两种这类处理技术是“Y／C自适应分离”与“交叉彩色自适应分离”，文章《PAL电视信号的三维前后滤波技术》(“Three-Dimensional Pre-and Post-Filtering for PAL TV Signals”by D．Teichneret al，IEEE Transactions on Consumer Electronics，Vol 34(1988年2月)，No．1，第205页至227页)与《通过数字信号处理改善NTSC和PAL系统的画面质量》(“ImProvement of Picture Quality forNTSC and PAL System by Digital Signal Proces-sing”by Y．Nakajima et al，IEEE Transactionon Consumer Electronics，Vol CE-31(1985年11月)，No．4，第642页至654页)中阐述了Y／C自适应分离。文章《PAL电视信号中亮色分离的自适应滤波器技术》“Adaptive Filter Techniques for Separationof Luminance and Chrominance in PAL TV Signals”by D．Teichner，IEEE Transaction on ConsumerElectronics，Vol CE-32(1986年8月)No．3，第241页至250)中阐述了交叉彩色自适应分离。\n在这两种技术中，处理的原始数据流是非变化的数字CV。因此在所推荐的结构中进行处理存储效率是很高的。