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一种向后兼容的HD-DVD光盘
【作者】：南昌光盘制作 【添加时间】：2007-8-4 9:41:36
一种向后兼容的HD-DVD光盘
目前市场上的DVD视频光盘主要支持两种制式：和 NTSC它们采用MPEG2标准压缩，称为标准清晰度DVD或SD－DVD。随着DVD在市场上的巨大成功，在DVD光盘上存储高清晰度视频（H－Video）日益成为DVD开发者们关注的焦点。由于HD－Video具有更高的分辨率如1280 X720甚至 1920X1080，所以在通常情况下，如果采用相同的压缩技术，码流必须以更高的码率进行压缩以实现高质量的视频效果。这意味着在保证播放时间不变（单层DVD光盘的播放时间为135分钟帕）情况下，光盘的存储容量必须增加，这就要求有新的光盘制作技术和驱动技术。例如，蓝光光盘是一种存储容量更大的光盘，采用比目前DVD所用的可见红激光更短波长的蓝色的激光束来刻录数据，数据密度可比DVD增加4－10倍。但蓝光光盘无法在目前的DVD播放器上播放，不具备向后兼容性。基于此，本文定义了一种向后兼容的HD－DVD光盘的制作方法，它以具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法为基础，将高清晰度数字信号分解压缩成两个码流：SD基本层（与目前的播放器兼容）和 HD增强层（本文中称之为 HD－enhancement数据）。本文结构如下：首先引入具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法，然后介绍一种将两层码流存储到DVD上的方法，使其既符合DVD视频规范又满足向后兼容性，最后给出这种HD－DVD测试光盘在目前DVD播放器上的播放性能。2 算法简介具有动态分辨率控制的空间双U视频压缩方法［1］是由飞利浦提出的一种新的空间分层压缩方法，见图1。该方法能够在码率较低的情况下，有效的减少由编码产生的块状效应。
图1空间双层视频压缩系统方框图从图1中可以看出，在编码端，HD输入信号被降采样到较低分辨率的SD信号，然后经MPEG2编码器压缩成为SD基本层码流；经本地解码器解码的SD信号再进行升采样，输出信号和 HD输入信号相减，这个差值信号经过一个乘法器之后被MPEG2编码器压缩为增强层码流。根据输入信号的内容，乘法器的增益因子（可以动态调整，从而不同程度地保留增强层信息。在解码端，解压缩的SD码流升采样之后和解压缩的增强层码流相叠加，就可“重建”原始HD信号）。3 HD-DVD光盘的存储方法接下来我们讨论如何在光盘L物理存放SD基本层和HD增强层码流。存放的标准是使得HD－DVD光盘在目前的DVD播放器和将来增强型HD－DVD播放器上都能平滑的播放。要满足这一标准，首先，存放的方法要符合DVD视频规范［2］司以满足向后兼容性；其次，SD基本层数据和相关的HD增强层数据在存放时应尽可能靠近一些，否则，对于增强型HD－DVD播放器而言，要在同一时间段内获取、解码和同步SD基本层和HD增强层数据会比较困难。本文中我们使用的物理存储方法称为“私用数据段”法，即把增强层数据存放在DVD光盘的私用数据流（Private stream）中。在该方法中，SD基本层数据和HD增强层数据交织地存放在VOBU（视频目标单元）层上。一个VOBU长度为0．4秒到1秒（除非它是一个单元的最后的VOBU，它可能最长到1．2秒）。这非常有利于增强型HD－DVD播放器存取、解码和同步SD基本层和HD增强层数据。VOBU由一连串按记录次序储存的包（Pack）组成，按照包含的信息不同，包可以分为导航包（Navigation Pack）、视频包（video Pack）、音频包（audio Pack）和子图像包（subpicture Pack）。将存有 HD增强层数据的增强层视频包交织地插入VOBU，就完成了基本程数据和增强层数据的存放，构成的改进型VOBU结构如图2所示。
图2包含HD增强层数据的VOBU结构在图2中，大多数情况下，HD增强层视频包和基本层视频包共用导航包、音频包和子图像包（导航包将根据HD增强层的导航需求做相应修改）。要将增强层视频包插入到VOBU结构中，一个有效的方法是使用目前已有的DVD复用器，并将增强层数据作为一路增加的输入码流。DVD复用器可以把多路数据流，比如压缩音频流，视频流和子图像等，复用为一个大的码流。那么，把压缩的HD增强层码流作为复用器的另外一路输入即可。另外，我们必须正确的定义增强层视频包使得复用后的码流满足两个条件：一方面，目前的DVD播放器不识别增强层视频包而将其跳过，只播放基本层数据，从而实现向后兼容；另一方面，增强型HD－DVD播放器的解复用器能够从各种码流中识别出增强层机频包，从而实现接近高清的视频回放。按照DVD视频规范的规定，包由包头（Pack header）和若干个小包（packet）组成。包头中包含用于计时和同步的系统时钟基准信息。小包由小包头（Packet header）和 相应的数据组成。小包头中包含码流ID（Stream＿id）字段，用于标识该包中数据的类型，如视频数据，音频数据，子图像数据等。如果码流ID的值为0xBD，则表示该包为私用数据（Private＿stream＿1），因为音频数据和子图像数据都属于私用数据，而且音频数据又可分为线性PCM和AC-3等，这就需要用一个字段即子码流ID（sub＿stream＿id）将其区分开。我们将增强层视频包定义成与子图像数据包类似的格式，不同之处在于，赋予子码流ID一个保留的或者用户自定义的值，详见图3
图3增强层视频包结构在图3的增强层视频包中，指定码流ID的值为0XBD即私用数据流，号码流ID的值为OXFF即用户定义值。这样，HD增强层视频数据将作为用户自定义的私用数据而不被目前的DVD播放器所识别，同时增强型HD－DVD播放器的解复用器也很容易通个这个用户自定义的子码流ID来识别它。4 测试光盘的性能按照“私用数据段”法我们制作了测试光盘。由于增强层码流的码率可以通过动态控制参数进行调整，我们制作了一些不同码率的光盘。为了能够把高码率的增强层码流存储在光盘上，我们放宽DVD视频规范对复用器最大复用码率限制的规定，即最大复用码率由10.08Mbps变为20Mbps。选择飞利浦播放器为测试播放器。不同码率的光盘被该播放器播放的测试结果见表1。总码率的计算如下：Rtotal=RSD-base + RHD-enhancement + Raudio这里Rtotal是总的复用码率，RSD-base为SD基本层的平均码率，RHD-enhancement 为HD增强层的平均码率，Raudio为一路音频的平均码率（通常音频码事是384kbps）。这里我们假设复用时附加的包忽略不计。我们使用一个HD测试序列，分辨率为1920X1080X60i，总帧数为50，SD基本层码率RSD-base==4.9836MbPs。
表1不同码流下光盘播放性能
从上表我们发现，测试盘1由于其总平均码率大于DVD视频规范所规定的1008MbPS，从而违反了DVD视频规范，所以测试盘1虽然能播放，但有停顿，而测试盘2，3，4完全符合DVD视频规范，所以可以在普通DVD机上正常播放。5 结论本文介绍了一种向后兼容的HD－DVD光盘，它以具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法为基础，将高清晰度数字信号压缩成基本层和增强层码流，然后按照DVD视频规范将它们存放于DVD光盘上，使用这种技术的光盘不仅保持与目前DVD播放器的兼容性，而且可以提供接近高清晰度的数字视频信号，实验结果也表明，当双层编码产生的基本层和增强层的总码率大于DVD视频规范对复用器最大复码率时，飞利浦DVD播放器不能平滑播放。
目前市场上的DVD视频光盘主要支持两种制式：和 NTSC它们采用MPEG2标准压缩，称为标准清晰度DVD或SD－DVD。随着DVD在市场上的巨大成功，在DVD光盘上存储高清晰度视频（H－Video）日益成为DVD开发者们关注的焦点。由于HD－Video具有更高的分辨率如1280 X720甚至 1920X1080，所以在通常情况下，如果采用相同的压缩技术，码流必须以更高的码率进行压缩以实现高质量的视频效果。这意味着在保证播放时间不变（单层DVD光盘的播放时间为135分钟帕）情况下，光盘的存储容量必须增加，这就要求有新的光盘制作技术和驱动技术。例如，蓝光光盘是一种存储容量更大的光盘，采用比目前DVD所用的可见红激光更短波长的蓝色的激光束来刻录数据，数据密度可比DVD增加4－10倍。但蓝光光盘无法在目前的DVD播放器上播放，不具备向后兼容性。基于此，本文定义了一种向后兼容的HD－DVD光盘的制作方法，它以具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法为基础，将高清晰度数字信号分解压缩成两个码流：SD基本层（与目前的播放器兼容）和 HD增强层（本文中称之为 HD－enhancement数据）。本文结构如下：首先引入具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法，然后介绍一种将两层码流存储到DVD上的方法，使其既符合DVD视频规范又满足向后兼容性，最后给出这种HD－DVD测试光盘在目前DVD播放器上的播放性能。2 算法简介具有动态分辨率控制的空间双U视频压缩方法［1］是由飞利浦提出的一种新的空间分层压缩方法，见图1。该方法能够在码率较低的情况下，有效的减少由编码产生的块状效应。
图1空间双层视频压缩系统方框图从图1中可以看出，在编码端，HD输入信号被降采样到较低分辨率的SD信号，然后经MPEG2编码器压缩成为SD基本层码流；经本地解码器解码的SD信号再进行升采样，输出信号和 HD输入信号相减，这个差值信号经过一个乘法器之后被MPEG2编码器压缩为增强层码流。根据输入信号的内容，乘法器的增益因子（可以动态调整，从而不同程度地保留增强层信息。在解码端，解压缩的SD码流升采样之后和解压缩的增强层码流相叠加，就可“重建”原始HD信号）。3 HD-DVD光盘的存储方法接下来我们讨论如何在光盘L物理存放SD基本层和HD增强层码流。存放的标准是使得HD－DVD光盘在目前的DVD播放器和将来增强型HD－DVD播放器上都能平滑的播放。要满足这一标准，首先，存放的方法要符合DVD视频规范［2］司以满足向后兼容性；其次，SD基本层数据和相关的HD增强层数据在存放时应尽可能靠近一些，否则，对于增强型HD－DVD播放器而言，要在同一时间段内获取、解码和同步SD基本层和HD增强层数据会比较困难。本文中我们使用的物理存储方法称为“私用数据段”法，即把增强层数据存放在DVD光盘的私用数据流（Private stream）中。在该方法中，SD基本层数据和HD增强层数据交织地存放在VOBU（视频目标单元）层上。一个VOBU长度为0．4秒到1秒（除非它是一个单元的最后的VOBU，它可能最长到1．2秒）。这非常有利于增强型HD－DVD播放器存取、解码和同步SD基本层和HD增强层数据。VOBU由一连串按记录次序储存的包（Pack）组成，按照包含的信息不同，包可以分为导航包（Navigation Pack）、视频包（video Pack）、音频包（audio Pack）和子图像包（subpicture Pack）。将存有 HD增强层数据的增强层视频包交织地插入VOBU，就完成了基本程数据和增强层数据的存放，构成的改进型VOBU结构如图2所示。
图2包含HD增强层数据的VOBU结构在图2中，大多数情况下，HD增强层视频包和基本层视频包共用导航包、音频包和子图像包（导航包将根据HD增强层的导航需求做相应修改）。要将增强层视频包插入到VOBU结构中，一个有效的方法是使用目前已有的DVD复用器，并将增强层数据作为一路增加的输入码流。DVD复用器可以把多路数据流，比如压缩音频流，视频流和子图像等，复用为一个大的码流。那么，把压缩的HD增强层码流作为复用器的另外一路输入即可。另外，我们必须正确的定义增强层视频包使得复用后的码流满足两个条件：一方面，目前的DVD播放器不识别增强层视频包而将其跳过，只播放基本层数据，从而实现向后兼容；另一方面，增强型HD－DVD播放器的解复用器能够从各种码流中识别出增强层机频包，从而实现接近高清的视频回放。按照DVD视频规范的规定，包由包头（Pack header）和若干个小包（packet）组成。包头中包含用于计时和同步的系统时钟基准信息。小包由小包头（Packet header）和 相应的数据组成。小包头中包含码流ID（Stream＿id）字段，用于标识该包中数据的类型，如视频数据，音频数据，子图像数据等。如果码流ID的值为0xBD，则表示该包为私用数据（Private＿stream＿1），因为音频数据和子图像数据都属于私用数据，而且音频数据又可分为线性PCM和AC-3等，这就需要用一个字段即子码流ID（sub＿stream＿id）将其区分开。我们将增强层视频包定义成与子图像数据包类似的格式，不同之处在于，赋予子码流ID一个保留的或者用户自定义的值，详见图3
图3增强层视频包结构在图3的增强层视频包中，指定码流ID的值为0XBD即私用数据流，号码流ID的值为OXFF即用户定义值。这样，HD增强层视频数据将作为用户自定义的私用数据而不被目前的DVD播放器所识别，同时增强型HD－DVD播放器的解复用器也很容易通个这个用户自定义的子码流ID来识别它。4 测试光盘的性能按照“私用数据段”法我们制作了测试光盘。由于增强层码流的码率可以通过动态控制参数进行调整，我们制作了一些不同码率的光盘。为了能够把高码率的增强层码流存储在光盘上，我们放宽DVD视频规范对复用器最大复用码率限制的规定，即最大复用码率由10.08Mbps变为20Mbps。选择飞利浦播放器为测试播放器。不同码率的光盘被该播放器播放的测试结果见表1。总码率的计算如下：Rtotal=RSD-base + RHD-enhancement + Raudio这里Rtotal是总的复用码率，RSD-base为SD基本层的平均码率，RHD-enhancement 为HD增强层的平均码率，Raudio为一路音频的平均码率（通常音频码事是384kbps）。这里我们假设复用时附加的包忽略不计。我们使用一个HD测试序列，分辨率为1920X1080X60i，总帧数为50，SD基本层码率RSD-base==4.9836MbPs。
表1不同码流下光盘播放性能
从上表我们发现，测试盘1由于其总平均码率大于DVD视频规范所规定的1008MbPS，从而违反了DVD视频规范，所以测试盘1虽然能播放，但有停顿，而测试盘2，3，4完全符合DVD视频规范，所以可以在普通DVD机上正常播放。5 结论本文介绍了一种向后兼容的HD－DVD光盘，它以具有动态分辨率控制的空间双层视频压缩方法为基础，将高清晰度数字信号压缩成基本层和增强层码流，然后按照DVD视频规范将它们存放于DVD光盘上，使用这种技术的光盘不仅保持与目前DVD播放器的兼容性，而且可以提供接近高清晰度的数字视频信号，实验结果也表明，当双层编码产生的基本层和增强层的总码率大于DVD视频规范对复用器最大复码率时，飞利浦DVD播放器不能平滑播放。
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