JP3544984B2 - ディジタルビデオ信号処理システム用のオンスクリーン表示配置 - Google Patents

Description

本発明は、本願と同日にビー ダブリュー ベイヤーズ ジュニア（B.W.Beyers,Jr.）により出願され、同じ出願人に譲受された発明の名称“ディジタルビデオ信号処理用オンスクリーン表示配置”の米国特許出願のRCA 87,686に関係する。
本発明は、ディジタルビデオ信号処理システム用の“オンスクリーン表示”（OSD）配置に係る。
ビデオ処理システムに利用されるオンスクリーン表示（OSD）配置は、グラフィック画像がビデオ信号により表わされた画像の代わりとして、或いは、画像と共に（画像に挿入されて）画像再生装置のスクリーン上に表示され得るように、グラフィック画像表示信号と通常ビデオ信号との間の切換えを行うスイッチング（又は、“多重化”）ネットワークを含む。グラフィック画像は、英数字記号又は図的なグラフィックスの形式をとり、チャネル数又は時間のような状態情報、或いは、動作命令を指示するため使用することが可能である。
アナログビデオ信号処理システムに使用するためのOSD配置において、多重化ネットワークは、典型的にグラフィック画像部が表示されるべき時間にグラフィック画像の各部の所望の明暗度に対応したレベル内で移るよう動作する。かかる配置におけるグラフィック画像表示信号は、グラフィック画像部が表示されるべき時に生じ、多重化ネットワークを制御するため使用されるタイミングパルスの形式をとる。かかるアナログOSD配置は、ディジタルビデオ処理システムにおいても使用されるが、ビデオ信号を最初にアナログ形式に変換する必要がある。ディジタルビデオ信号処理システムは、典型的に、ディジタルビデオ信号がアナログ形式に変換されるディジタル・アナログ変換器部を含むが、OSD配置をディジタルビデオ処理部の一体的な部分として組み込む方が費用効果が良い。
本発明は、ディジタルビデオ信号処理システム用のディジタルOSD配置に係り、特に、ディジタルビデオ信号が圧縮された形式の画像情報を表わすディジタルビデオ処理システム用のディジタルOSD配置に関する。
より詳細に言うと、本発明は、ビデオ画像の各成分を表わすディジタル語のシーケンスのソースを含むディジタルビデオ処理システム用のOSD配置に係る。ビデオ画像成分表示ディジタル語は、圧縮された形式で２個以上の画素に対応したグループに構造化される。例えば、上記グループは、２個の画素に対応し、２個の画素の中の各画素に対応する第１及び第２のルミナンス成分と、２個の画素の中の各画素に対応する２個の色差信号とを含む。メモリはグラフィック画像の夫々の成分を表わすディジタル語を記憶する。グラフィック画像成分表示ディジタル語は、圧縮されていない形で夫々の画素に対応するグループに構造化される。例えば、上記グループはルミナンスと、夫々の画素に対応した１対の色差成分とを含む。変換器は、ビデオ画像表示グループと、グラフィック画像表示グループを多重化し得るように、メモリに記憶されたグラフィック表示画像グループを、ビデオ画像表示グループと同じ形式をなすグラフィック画像表示グループの新しいグループに変換する。例えば、変換器は、２個の画素の中の各画素に対応した第１及び第２のルミナンス成分と、２個の画素の中の各画素に対応した１対の色差信号とを含む新しいグラフィック表示グループを生成する。マルチプレクサは、一連の合成された画像表示グループを生成するため、ビデオ画像表示グループの中のグループ又はグラフィック画像表示グループの中のグループの何れかを選択する。
本発明の上記及び他の面は、添付図面を参照して説明される。
図面中、
図１は、本発明の一面に従って一体的な部分としてディジタルOSD配置を有するディジタル信号処理部を含むディジタル衛星テレビジョンシステムのブロック図であり、
図２は、図１に示されたディジタル衛星テレビジョンシステムのディジタルビデオ信号処理部の細部のディジタルOSD配置を表わすブロック図であり、
図３は、図２に示されたOSD配置に使用される変換器のブロック図である。
図１に示された衛星テレビジョンシステムにおいて、送信アンテナ３が付随した送信器１は、ビデオ及びオーディオ成分を含むテレビジョン信号を静止地球軌道上の衛星５に送信する。衛星５は、送信器１により送信されたテレビジョン信号を受信し、その信号を地球に向けて再送信する。衛星５により送信されたテレビジョン信号は、アンテナ組立体又は“屋外ユニット"7により受信される。アンテナ組立体７は、パラボラ状アンテナ９と周波数変換器11とを含む。アンテナ９は、衛星５から送信されたテレビジョン信号を、受信された全テレビジョン信号を夫々の低い周波数に変換する周波数変換器11に送る。周波数変換器11は、受信された全テレビジョン信号の周波数帯域をブロックとして変換するので、屡々、“ブロック変換器”と呼ばれる。
ブロック変換器11により生成されたテレビジョン信号は、同軸ケーブル13を介して、衛星受信器15に結合される。衛星受信器15は屋内に設置されるので、時に“屋内ユニット”と呼ばれる。以下に詳細に説明されるように、衛星受信器15は、ビデオ及びオーディオ信号が結合される従来のテレビジョン受像機17による処理に適当なフォーマット（NTSC、PAL又はSECAM方式）を備えたビデオ及びオーディオ信号を生成するため、受信されたテレビジョン信号を同調、復調、或いは、別の方法で処理する。テレビジョン受像機17は、ビデオ信号に応答して表示スクリーン19上に画像を生成し、オーディオ信号に応答してスピーカ21a及び21bを用いて可聴応答を生成する。
図１に示された衛星テレビジョンシステムは、テレビジョン情報が、MPEGのような所定のディジタル圧縮規格に従う圧縮された形式で伝送される。MPEGは、動画像専門家グループにより開発された動画像及び関係したオーディオ情報の符号化表現の国際規格である。
より具体的に言うと、送信器１内において、アナログビデオ信号及びアナログオーディオ信号が夫々のディジタル信号に変換される。ディジタルビデオ及びオーディオ信号は、MPEG方式の圧縮及び符号化規格に従って、圧縮、符号化される。結果として生じた符号化されたディジタル信号は、ビデオ及びオーディオの各成分に対応するパケットの系列又はストリームの形式を有する。パケットのタイプは、ヘッダコードにより識別される。制御及び他のデータに対応するパケットは、データストリームに追加される。
MPEG規格において、ビデオ情報は、ルミナンス（Ｙ）成分と、２個の色差（Ｕ及びＶ）成分の形式で伝送される。例えば、第１の色差成分は、赤色画像情報とルミナンス画像情報との間の差（Ｒ−Ｙ）を表わし、第２の色差成分は、青色画像情報とルミナンス画像情報との間の差（Ｂ−Ｙ）を表わす。更に、２この色差成分は２個以上の画素に対応するので、色情報は圧縮される。色差成分の使用と、画素間での色差成分の共有は、伝送帯域幅を縮小する。
前方誤り訂正（FEC）データは、伝送路内のノズルに起因した誤りの補正を行えるようにパケットに追加される。周知のヴィタビ形及びリード・ソロモン形の前方誤り訂正符号化は、共に利用した方が有利である。圧縮、符号化及び誤り訂正操作により得られたディジタル情報は、ディジタル伝送の分野において、QPSK（直交位相シフトキーイング）変調として知られた搬送波で変調される。
衛星受信器15は、アンテナ組立体７より受信された複数の信号から適当な搬送波信号を選択し、中間周波（IF）信号を生成するため選択された搬送波の周波数を低い周波数に変換する局部発振器及びミキサ（図示しない）を備えたチューナ1501を含む。IF信号は復調されたディジタル信号を生成するため、QPSK復調器1503により復調される。FEC復号器1505は、復調されたディジタル信号に含まれる誤り補正データを復号し、誤り補正データに基づいてビデオ、オーディオ及び他の情報を表わす復調されたパケットを訂正する。例えば、FEC復号器1505は、ヴィタビ方式及びリード・ソロモン方式の誤り訂正符号化が送信器１において採用されたとき、ヴィタビ方式及びリード・ソロモン方式の誤り訂正符号化に従って動作する。チューナ1501、QPSK復調器1503及びFEC復号器1505は、メリーランド州ジャーマンタウンのヒューズネットワークシステムズ、又は、カリフォルニア州サンディエゴのコムストリームコーポレーションから入手可能なユニットに収容してもよい。
輸送ユニット1507は、パケットに格納されたヘッダ情報に従ってデータバスを介して、誤り訂正された信号のビデオパケットをビデオ複号器1509に、オーディオパケットをオーディオ復号器1511に供給するデマルチプレクサである。
ビデオ復号器1509は、夫々のルミナンス（Ｙ）及び色差（Ｕ及びＶ）成分を表わすディジタル語のストリーム又はシーケンスを形成すべく、ビデオパケットを復号、圧縮解除するため、例えば、ダイナミックRAM（DRAM）の形式のランダムアクセスメモリ（RAM）1513と協働する。ビデオ成分表示ディジタル語のシーケンスは、NTSC、PAL又はSECAMのような従来のテレビジョン規格のライン及びフィールドラスタ走査フォーマットに従って、成分表示ディジタル語を、ルミナンス（Ｙ）情報を表わすディジタル語のシーケンスと、クロミナンス（Ｃ）情報を表わすディジタル語のシーケンスとに変換するテレビジョン符号器1515に結合される。テレビジョン信号符号器1515は、ディジタル語の成分表示シーケンスを同期させるため、ビデオ復号器1509に結合されるライン（Ｈ）及びフィールド（Ｖ）レート信号と、画像要素（画素）クロック信号（Ｐ）とを発生する。ルミナンス及びクロミナンス表示ディジタル信号語は、ディジタル・アナログ変換器（DAC）1517の各部により、アナログルミナンス及びクロミナンス信号に変換される。
オーディオ復号器1511は、オーディオパケットを復号、圧縮解除し、得られたディジタルオーディオ信号は、DAC1519によりベースバンドアナログオーディオ信号に変換される。図１には一つのオーディオチャネルしか示されていないが、実際上、例えば、スピーカ21a及び21bにより示されるように、ステレオ再生用の一つ以上の更なるオーディオチャネルを設けても構わない。
ベースバンドアナログビデオ及びオーディオ信号は、夫々のベースバンド接続部を介してテレビジョン受像機17に結合される。ベースバンドアナログビデオ及びオーディオ信号は、ベースバンド入力を伴うことなく、テレビジョン受像機のアンテナ入力に結合するため、NTSC、PAL又はSECAMのような従来のテレビジョン規格に従って、アナログ信号を無線周波（RF）搬送波上に復調する復調器1521に結合される。
マイクロプロセッサ1523は、ユーザにより選択されたチャネルに同調するチューナ1501の動作を制御するため周波数選択制御データをチューナ1501に供給する。マイクロプロセッサ1523は、データパケットの供給路に影響を与えるため、輸送部1507と相互に作用する。マイクロプロセッサ1523は、更に、制御データを制御バスを介してビデオ復号器1509及びオーディオ復号器1511に供給する。
更に、マイクロプロセッサ1523は、例えば、状態情報及び動作命令を表わす英数字及び／又は図的なグラフィックスのようなグラフィックス画像を、テレビジョン受像機17のスクリーン19に表示させる制御データを発生する。グラフィックスデータは、表示されるべきグラフィックスの各画像要素（画素）の色及び位置を指定する。グラフィックスデータは、グラフィック画像の１画素ずつのマップ又は“ヒットマップ”を表わす。
オンスクリーン表示（OSD）配置の残りの部分は、ビデオ復号器1509及び関連したビデオRAM1513に一体的に組み込まれ、主として、ビデオデータパケットの復号化及び圧縮解除に使用される。グラフィックスデータは制御バスを介してビデオ復号器1509に結合される。ビデオ復号器1509及び関連したビデオRAM1513の共用の結果として、別個のOSD配置は不要である。OSD配置の細部は図２を参照して説明される。
ビデオ復号器1509は、単一の集積回路（IC）に組み込まれる。以下に説明されるOSD装置を除いて、同様のビデオ復号化及び圧縮解除集積回路は商業的に入手可能である。例えば、部品番号ST3240により識別されるMPEG方式復号化及び圧縮解除集積回路は、フランスのエス ジー エス トムソンから入手可能である。ビデオデータパケットの復号化及び圧縮解除と関係したビデオ復号器1509の一部の細部は、OSD装置の理解に必要ではないが、上記の部分についての以下の簡単な説明は有用である。
ビデオ復号器1509は、要求に応じて比較的小さい区分で輸送部1507からビデオデータパケットを受け、かつ、それらを比較的大きい区分でメモリコントローラ1509−３を介して復号化及び圧縮解除のため確保されたRAM1513の区画1513−１に結合するFIFO（先入れ先出し）バッファメモリ1509−１を含む。ビデオRAM1513は、メモリコントローラ1509−３の制御下でアドレス指定される。RAM1513の復号化及び圧縮解除区画1513−１は、受信されたビデオデータパケットを格納するレートバッファ区画1513−１−３と、復号化及び圧縮解除操作中にビデオ情報のフレームを格納するフレーム格納区画1513−１−２とを含む。ビデオ画像表示ユニット1509−５は、ビデオ画像成分表示ディジタル語（Y,U,V）のシーケンスを形成するため、格納されたビデオデータパケットを復号及び圧縮解除する。この目的のため、ビデオ表示ユニット1509−５は、必要に応じてメモリコントローラ1509−３を介してビデオRAM1513の復号化及び圧縮解除区画1513−１からのデータを要求する。成分表示ディジタル語の発生は、テレビジョン信号符号器1515により発生されたフィールド（Ｖ）、ライン（Ｈ）及び画素（PC）レート信号と同期させられる。マイクロプロセッサ1523により発生された制御データは、マイクロプロセッサインタフェースユニット1509−７により受信され、内部制御バスを介してビデオ復号器1509の種々の部分に結合される。
ビデオ画像成分表示ディジタル語に格納されたビットの数は、実現可能なレベル、即ち、各成分の解像度を決める。ｎ−ビット語の場合に、2ⁿ個の実現可能な２進状態に対応する2ⁿ個の実現可能なレベルが存在する。例えば、上記実施例において、ビデオ画像成分表示語は８ビットを収容し、これにより、各成分は2⁸又は256個の実現可能なレベルを有する。ビデオ画像成分表示ディジタル語のシーケンスは成分のグループに構造化され、各グループは副標本化又は圧縮された形式の複数の画素に対応する。より詳細に言うと、上記実施例において、ビデオ画像表示グループは２画素に対応し、各グループは、第１の画素に対応する第１のルミナンス表示ディジタル語（Y1）と、第２の画素に対応する第２のルミナンス表示ディジタル語（Y2）と、第１及び第２の各画素に対応する色差表示ディジタル語（U1,2及びV1,2）とを含む。これは、ディジタルビデオ信号処理の分野において、“4:2:2"フォーマットとして呼ばれる。色差信号の副標本化又は圧縮は、伝送帯域幅を縮小するため送信器１において生じる画像データ圧縮に関係する。更に詳細に言うと、伝送された画像データは、画像表示語が４画素に対応し、４個の画素の中の夫々の画素に対応する４個のルミナンス表示語と、４個の画素の中の各画素に対応する１対の色差表示語がある4:2:0フォーマットとして知られたフォーマットに構造化される。4:2:0画像表示グループは、ビデオ表示ユニット1509−５内の内挿により4:2:2画像表示グループに変換される。各画素に対する完全な成分の組（4:4:4）は、テレビジョン信号符号器1515内の内挿により生成される。
ビデオ復号器1509のOSD部は、ビデオRAM1513のOSD区画1513−３と協働するOSDコントローラ1509−９を含む。マイクロプロセッサ1523により発生されたグラフィックス表示ビットマップは、マイクロプロセッサインタフェースユニット1509−７及びメモリコントローラ1509−３を介して記憶用のRAM1513のOSD区画1513−３に結合される。グラフィック画像の各画素に対し、上記画素の色を表わすディジタル語が存在する。色表示ディジタル語に収容されたビットの数は、各画素が持ち得る異なる色の数を定める。色表示語がｎビットを含むならば、各画素は、ｎ−ビットの色語の2ⁿ個の実現可能な２進状態に対応する2ⁿ個の色の中の何れかの色を有することができる。例えば、上記の実施例において、色表示語は２ビットを含む。従って、各グラフィック画素は、２−ビットの色語の４個の実現可能な２進状態（00,01,10及び11）に対応する４色の中の何れか１色を有することができる。画素の色情報は、各色語に対し成分表示ディジタル語の固有のグループがある成分形式で構造化される。上記成分は、ビデオ画像情報の伝送のため使用される成分、即ち、ルミナンス（Ｙ）及び１対の色差信号（Ｕ及びＶ）と同一になるよう選択される。ビデオ画像及びグラフィック画像に対する同一成分の選択は、ある成分の組を別の成分の組に変換する必要性を回避するので、OSD配置を簡単化する。例えば、２−ビットの色語を利用する上記実施例において、色表示ディジタル語と成分表示ディジタル語のグループとの間に以下の関係が存在する：
色 成分のグループ
00 Y_A,U_A,V_A
01 Y_B,U_B,V_B
10 Y_C,U_C,V_C
11 Y_D,U_D,V_D
グラフィック画素の（上記表の添字Ａ、Ｂ、Ｃ又はＤにより表された）実際の色は、夫々のグループの成分表示ディジタル語により表された値に依存する。例えば、上記実施例において、各グラフィック画像成分表示語は４ビットを収容する。４−ビットの成分表示語は、各成分に対し16個の実現可能なレベルを提供する。以下に説明するように、４ビットは、結果的にOSD表示ユニット1509−９により形成された８−ビット語の中の最上位ビットを表わす。
グラフィック画像成分表示語は、上記表にビットマップのヘッダの形式で示されたようにマイクロプロセッサ1523から成分のグループの形でRAM1513のOSD区画1513−３に伝送、記憶される。各グラフィック画像成分表示ディジタル語が４ビットを格納する上記実施例において、各グループは12ビットを含む。グラフィックス画像の色は、表示されるべきグラフィックス画像の性質に依存して、ヘッダの語を表わすより多くの成分の中の１成分の４ビットを変更することにより変えられる。
OSD表示ユニット1509−９は、RAM1513のOSD区画1513−３からビットマップの読み出しを行い、各画素の色表示語をヘッダからの対応する成分表示グループに変換する。この目的のため、OSD表示ユニット1509−９は、必要に応じてメモリコントローラ1509−３を介して、OSD区画1513−３からのデータを要求する。上記実施例において、グラフィック画像成分表示語は、４ビットしか格納せず、一方、ビデオ画像表示語は８ビットを含むので、OSD表示ユニット1509−９は、４個の２進“0"を最下位４ビットとして４−ビット語に追加するだけで、４−ビットのグラフィック画像成分表示語を８−ビット語に変換する。OSD表示ユニット1509−９によるグラフィック画像成分表示ディジタル語の発生は、テレビジョン信号符号器1515により発生されたフィールド（Ｖ）、ライン（Ｌ）及び画素（PC）レート信号と同期させられる。
上記の如く、ビデオ画像表示ユニット1509−５により発生されたビデオ画像成分表示グループは、圧縮された形式のビデオ画像情報を表わす。２個の画素毎に、２個の夫々のルミナンス表示語と、１対の色差表示語が所謂4:2:2フォーマットの形で存在する。他方で、RAM1513のOSD区画1513−３に格納され、OSD表示ユニット1509−９により発生されたグラフィック画像成分表示グループは、１画素毎に、１個のルミナンス表示語と、１対の色差表示語がある（又は、２画素毎に、２個の夫々のルミナンス表示語と、色差表示語の２個の夫々の対とがある）圧縮されていない形式のグラフィック画像情報を表わす。後者の圧縮されていないフォーマットは、ディジタルビデオ信号処理の分野において、“4:4:4"フォーマットとして知られている。4:4:4のグラフィック画像シーケンスは、グラフィックスの各画素に対し、独特のルミナンス成分と、２個の独特の色差成分とを与えるため、できる限り多数の色が所定のビット数で定義されるようになるので望ましい。しかし、4:4:4のグラフィック画像シーケンスは、4:2:2のビデオ画像シーケンスと互換性がなく、グラフィック画像をビデオ画像に挿入するため容易に多重化できない。
上記の問題点を解決するため、ビデオ復号器1509は、グラフィック画像成分のため試用される4:4:4のシーケンスを、ビデオ画像成分のため試用される4:2:2のシーケンスに変換するOSD変換器1509−11を含む。図２に絵的に示されるように、２個のグラフィック画素毎に、変換器1509−11は、第１の画素の色差成分の対を選択し、第２の画素に関する対を削除する。図３に示されているように、OSD変換器1509−11は、グラフィック画像成分表示語の二つのグループを格納するラッチ1509−11−１と、ラッチ1509−11−１に格納されたグループから出力レートで次々と適当な成分表示語を選択するマルチプレクサ1509−11−３とからなる。元の4:4:4のグラフィック画像グループの中の２個のグループは、4:2:2のグラフィック画像グループの新しい各グループを生成するため試用されるので、１ライン当たりのグラフィック画像表示成分の4:4:4のグループの個数は、偶数個であることが望ましい。
出力シーケンスは、２個の画素の中の第１の画素の第１のルミナンス（Ｙ）成分と、２個の画素の中の各画素に対する第１の色差成分（Ｕ）と、２個の画素の中の各画素に対する第２の色差成分（Ｖ）と、２個の画素の中の第２の画素の第２のルミナンス成分の順序であるよう示されているが、他の出力シーケンスを用いてもよい。例えば、出力シーケンスは、２個の画素の中の各画素に対する第１の色差成分（Ｕ）と、２個の画素の中の第１の画素の第１のルミナンス（Ｙ）成分と、２個の画素の中の各画素に対する第２の色差成分（Ｖ）と、２個の画素の中の第２の画素の第２のルミナンス成分の順序でも構わない。
出力マルチプレクサ1509−13は、OSD表示ユニット1509−９の制御下で、ビデオ表示ユニット1509−５により与えられたビデオ画像成分表示語のグループ、又は、OSD変換器1509−11により与えられたグラフィック画像成分表示語のグループの何れかを選択する。ビデオ画像だけの動作モードにおいて、出力マルチプレクサ1509−13は、ビデオ画像グループだけを選択する。グラフィック画像だけの動作モードにおいて、出力マルチプレクサ1509−13は、グラフィック画像グループだけを選択する。グラフィック画像がビデオ画像内に挿入される“重ね合わせ”動作モードにおいて、出力マルチプレクサ1509−13は、１画素ずつに基づいて、ビデオ画像グループ、又は、グラフィック画像グループの何れかを選択する。出力マルチプレクサ1509−13により生成された成分表示語の4:2:2の出力シーケンスは、テレビジョン信号符号器1515に結合される。

Claims (1)

1. マルチプレクサと、
   画素補間手段と、
   ２個以上のＮ個の画素に対応した一つのグループに上記画素毎に１個ずつが対応したＮ個のルミナンス成分と上記Ｎ個の画素の全部に対応した２個の色差成分とが含まれ、ビデオ画像の夫々の成分を表わし、繰り返しのビデオ画像グループに構造化されたディジタル語のシーケンスのソースと、
   １個の画素に対応した一つのグループに上記画素に対応した１個のルミナンス成分と２個の色差成分とが含まれ、グラフィックス画像の夫々の成分を表わし、繰り返しのグラフィックス画像グループに構造化されたディジタル語のシーケンスを格納するメモリと、
   上記メモリに接続され、上記メモリに格納された上記グラフィックス画像グループの中の各グループを、上記Ｎ個の画素の一部と関連した上記色差成分の一部を削減することにより、Ｎ個の画素に対応し上記画素毎に１個ずつが対応したＮ個のルミナンス成分と上記Ｎ個の画素の全部に対応した２個の維持された色差成分とを含む新しいグラフィックス画像グループに変換する変換器とを含み、
   上記マルチプレクサは、上記ビデオ画像グループ及び上記新しいグラフィックス画像グループが供給され、Ｎ個の画素に対応し上記画素毎に１個ずつが対応したＮ個のルミナンス成分と上記Ｎ個の画素の全体に対応した２個の色差成分とを含む合成された画像グループのシーケンスを生成するため、上記ビデオ画像グループと上記新しいグラフィックス画像グループの中の一つの画像グループを選択し、
   上記補間手段は、画素毎に１個のルミナンス成分及び２個の色差成分を含むＮ個の表示可能な画素を生成するため、上記合成された画像グループを補間する、ビデオ信号処理装置。

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