楊秀芝，郭文進

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建睿能電子有限公司，福建 福州 350003）

責(zé)任編輯:魏雨博

數(shù)字電視是近十幾年發(fā)展起來的高新技術(shù)，其在聲像質(zhì)量、抗干擾性及傳送節(jié)目的數(shù)量等方面有模擬電視無法比擬的優(yōu)點。數(shù)字電視的開播，不但使觀眾可以欣賞更多的優(yōu)質(zhì)節(jié)目，同時也為電視運營商提供了巨大的商機。電視臺在播出節(jié)目時出于運營的目的經(jīng)常需要在一路碼流中插入自制節(jié)目、廣告、片花等其他音視頻TS流來覆蓋原來的某個節(jié)目[1]。在進行兩路節(jié)目源的切換時，如果直接停止當(dāng)前播放的節(jié)目源，插入切換后的目標(biāo)節(jié)目源，就會在切換瞬間出現(xiàn)黑屏、馬賽克，有些甚至?xí)霈F(xiàn)解碼錯誤、不能正常播放等情況[1-2]。國內(nèi)外對數(shù)字電視碼流的實時拼接也有相關(guān)的研究，例如文獻[1-2]對拼接點的選擇進行了研究，提出了采用基于基本層（數(shù)據(jù)幀）的拼接方法，文獻[3]對兩路單節(jié)目進行了討論，著重研究了拼接點的問題。本文針對數(shù)字電視節(jié)目實時插播的需要，提出了一種在多節(jié)目碼流中實時插播一套單節(jié)目的新的節(jié)目切換方法，不僅考慮插播點的選擇，而且考慮兩路碼流都是可變碼率時的緩存選取和兩路數(shù)據(jù)在丟包最少情況下的合成，保證插播系統(tǒng)的正常播放。

1 無縫切換技術(shù)的研究

1.1 拼接點的選擇

目前使用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)無論是H.264，AVS還是MPEG-2，都在視頻層中規(guī)定了I幀、P幀、B幀3種幀類型[4]。I幀為幀內(nèi)編碼，P幀為前向預(yù)測幀，B幀是雙向預(yù)測幀。下面以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)為例，介紹拼接點的選擇。視頻數(shù)據(jù)流在編解碼時，是以1個視頻圖像組或者視頻序列為單位來進行的（圖像組一般為15幀結(jié)構(gòu)），視頻圖像組頭或者視頻序列頭第1個編碼幀即是I幀。因此需要檢測替換源節(jié)目的圖像組頭(標(biāo)志位0x000001B3)即可找到I幀[4]。同時由于后向預(yù)測的引入，使得編碼后不再按原來視頻數(shù)據(jù)流的順序進行，所以解碼后需進行幀重排，因此必須使被替換的視頻流的圖像組完整通過，才能正確顯示替換之前的圖像，否則會產(chǎn)生馬賽克現(xiàn)象[3]。

因此無縫拼接點的選擇必須為被替換源視頻流圖像組的結(jié)束位和替換源節(jié)目視頻流圖像組的開始位。

1.2 音視頻數(shù)據(jù)的二級緩存

為了進行無縫切換，在音視頻數(shù)據(jù)合成緩存器之前還需要加入一級緩存控制。由于替換源和非替換源節(jié)目數(shù)據(jù)到達時間是隨機的，且兩路節(jié)目的音視頻組包的大小也可能不一樣，如在檢測到替換源節(jié)目視頻信號的I幀包頭后，不一定能立即檢測到被替換源視頻信號B幀的包尾，此時需要將替換源I幀數(shù)據(jù)暫時存儲起來，等待被替換源1個視頻組包數(shù)據(jù)結(jié)束后再將替換源數(shù)據(jù)插入，以保證電視畫面的無間斷顯示。

緩存容量的大小應(yīng)保證存儲的實時碼流不上溢，它與替換源和被替換源的實際傳輸碼率和采用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。當(dāng)二者都是標(biāo)清節(jié)目時，設(shè)節(jié)目碼率為3～5 Mbit/s；當(dāng)采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的IBBPBBP編碼方式時，緩存容量應(yīng)大于0.8～1.4 Mbit/s。

1.3 PCR調(diào)整

由于兩路TS流的時間基準(zhǔn)點不同，從而導(dǎo)致切換后碼流中的PCR不連續(xù)。因此需要對切換后的PCR進行修正。修正的方法是找到拼接點前被替換節(jié)目的最后1個PCR和拼接點后替換源節(jié)目中的第1個PCR，求出偏移量，然后再替換源節(jié)目的PCR，DTS，PTS上加上相應(yīng)的偏移量，來保證PCR的連續(xù)[2]。

1.4 數(shù)據(jù)的合成

切換時的另一個關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)的合成，這里利用復(fù)用的方法將替換源數(shù)據(jù)和被替換源中其他節(jié)目數(shù)據(jù)合成一路TS流。

首先將兩路碼流的PSI信息、替換源音視頻數(shù)據(jù)、被替換源其他節(jié)目的音視頻數(shù)據(jù)、PCR數(shù)據(jù)包等各自存入1個FiFo先進先出緩存器中。由于各路輸入碼流一般是可變速率的，因此本文采用不同碼率的兩種調(diào)度策略方式，使各個輸入流對固定的輸出總帶寬進行動態(tài)分享[5]。

兩級調(diào)度算法模型如圖1所示。

第一級調(diào)度使用大碼率（27 Mbit/s），根據(jù)先進先出及數(shù)據(jù)量多的先出兩種算法進行調(diào)度，將各路碼流合成一路傳輸流。

第二級使用預(yù)先設(shè)定的固定的輸出總帶寬，根據(jù)先進先出的原則將碼流均勻地輸出。

1.4.1 第一級調(diào)度

第一級調(diào)度同時使用先進先出及數(shù)據(jù)包數(shù)多的先出兩種算法，這兩種算法使用權(quán)重進行統(tǒng)一，權(quán)值最大者得到調(diào)度的機會。具有相同數(shù)據(jù)包數(shù)的支路具有相同的優(yōu)先級，如果有多個支路具有相同優(yōu)先級，則采用先進先出算法。調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級來確定一級權(quán)值，同時調(diào)度器會為擁有同一級權(quán)值的支路根據(jù)先后順序分配一個二級權(quán)值。包數(shù)最多且數(shù)據(jù)最早到來的支路權(quán)值最大，將得到調(diào)度機會[4]。采用這兩種策略可以減小傳輸數(shù)據(jù)流的時延，同時還可以減小緩沖器容量的使用。

第一級調(diào)度的具體實現(xiàn)過程如下：

1）各路合成緩沖器有包進入時，通知調(diào)度器該路的優(yōu)先級，調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級為該包分配一個權(quán)值，最早到來的包二級權(quán)值最大，并依次減1。

2）調(diào)度器從各支路獲取目前最高優(yōu)先級的支路。處于最高優(yōu)先級的支路根據(jù)調(diào)度器分配的二級權(quán)值，判斷自己是否是權(quán)值最大者，若是，則發(fā)出調(diào)度使能信號給調(diào)度模塊，調(diào)度模塊對該路進行調(diào)度。

3）權(quán)值最大者調(diào)度出去后，該最高優(yōu)先級內(nèi)的各輸入的二級權(quán)值相應(yīng)加1，使處于該優(yōu)先級的第2個數(shù)據(jù)包獲得調(diào)度機會，依此類推進行調(diào)度。

設(shè)有N（N=5）路輸入，各個輸入的緩存為M個包，則上述過程可描述為對一個N×M的表進行調(diào)度，調(diào)度圖如圖2所示。

圖2中括號外的n-2，n-1，n分別表示當(dāng)前各路的優(yōu)先權(quán)值，括號內(nèi)數(shù)字表示下一時刻的調(diào)度優(yōu)先權(quán)值。設(shè)當(dāng)前ts1，ts2，ts3支路分別存儲有一個數(shù)據(jù)包，到來的順序為3，2，1，調(diào)度器給出優(yōu)先級“1”，第3路判斷自己的二級權(quán)值為n，因此通知調(diào)度器來讀數(shù)據(jù)。該包輸出后，處于“1”優(yōu)先級支路的二級權(quán)值加1，此時由于第1路收到了第2個數(shù)據(jù)包，則最高優(yōu)先級變?yōu)椤?”，如虛線所示，因此第1路的第1個包獲得調(diào)度機會，若此時各路都沒包進來，則接下來調(diào)度的數(shù)據(jù)包順序為第2路的第1個包，第1路的第2個包。在各路輸入碼率比較均勻且輸出碼率大于等于各路碼率之和時，各個輸入的緩沖只需2個數(shù)據(jù)包的容量即可，考慮到輸入碼率的不均勻性，各路合成緩沖器應(yīng)留有一定余量。由于本設(shè)計中第一級調(diào)度使用的碼流的最高處理時鐘為27 MHz，因此合成緩沖器選擇4個TS數(shù)據(jù)包的容量大小，即188×8 bit。這種方法可以實現(xiàn)無丟包的第一級調(diào)度。

1.4.2 第二級調(diào)度

第二級調(diào)度由于只有1個緩沖區(qū)，直接按照設(shè)置的碼率使用先進先出策略調(diào)度即可。其緩沖區(qū)能容納的包數(shù)設(shè)置為N×M個。當(dāng)緩沖區(qū)將滿時，則將要進入的下個數(shù)據(jù)包丟掉。當(dāng)緩沖區(qū)中存儲的數(shù)據(jù)不到1個TS包時，則插入1個空包輸出，保證緩沖區(qū)不會發(fā)生上溢和下溢。緩沖區(qū)容量越大，丟包的數(shù)量越少。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

該系統(tǒng)由1塊FPGA芯片實現(xiàn)。其實現(xiàn)原理框如圖3所示。包括碼流同步模塊、節(jié)目匹配檢測模塊、節(jié)目過濾模塊、SI信息生成模塊、FiFo控制模塊和復(fù)用調(diào)度模塊。本設(shè)計有兩個輸入，一個為多節(jié)目源輸入（被替換源），另一個為單節(jié)目源輸入（替換源）。當(dāng)不進行切換時，多節(jié)目源直接輸出不做任何修改；需要切換時，則先進行匹配檢測是否符合替換要求，若符合，則輸出該單節(jié)目，并過濾多節(jié)目中被替換的節(jié)目，同時重新生成新的服務(wù)信息表，若不符合，則不進行切換。各路碼流通過復(fù)用合成一路碼流輸出。

在進行節(jié)目數(shù)據(jù)的替換前，首先要對節(jié)目進行匹配檢測。節(jié)目匹配檢測主要有兩個功能，一個是進行標(biāo)識符的匹配，檢測該單節(jié)目是否符合切換要求；另一個是進行過濾節(jié)目的匹配，檢測多節(jié)目源中是否有與待替換節(jié)目相同的PID值。

為了進行無縫切換，在各支路數(shù)據(jù)合成緩存器（合成FiFo）之前加入了一級替換緩存和緩存器控制電路。當(dāng)選擇切換時，進行標(biāo)識符匹配的單節(jié)目碼流在FiFo控制模塊的控制下并不進入合成緩存器中，此時復(fù)用輸出的為原多節(jié)目碼流的全部數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到的標(biāo)識符匹配時，發(fā)出過濾使能信號給節(jié)目過濾模塊，同時FiFo控制模塊1在檢測到替換源節(jié)目的視頻組包頭后讓該單節(jié)目的數(shù)據(jù)進入替換緩存器；節(jié)目過濾模塊在接收到過濾使能信號后過濾多節(jié)目數(shù)據(jù)包，過濾掉被替換的那一套節(jié)目，并將檢測到的服務(wù)信息表送入服務(wù)信息生成模塊進行節(jié)目信息的修改。當(dāng)節(jié)目切換停止(即由切換狀態(tài)返回不切換狀態(tài))時，F(xiàn)iFo控制模塊1在確定進入合成緩存器的數(shù)據(jù)包是音視頻組包的包尾時即停止該路數(shù)據(jù)的輸入，同時停止過濾使能，并將匹配檢測模塊中電路復(fù)位，不影響下次切換。此時過濾模塊對輸入的多節(jié)目流不做任何處理，多節(jié)目全部數(shù)據(jù)被送到下一級緩存區(qū)中被調(diào)度和傳輸。

3 結(jié)果驗證

在用Altera公司FPGA搭建的開發(fā)平臺上實現(xiàn)了上述節(jié)目切換系統(tǒng)，并利用計算機仿真和硬件測試兩種手段對系統(tǒng)進行了實際驗證。

仿真測試時，替換源碼流和被替換源碼流數(shù)據(jù)由軟件實時產(chǎn)生。切換系統(tǒng)用替換源中PID值為0x65的節(jié)目覆蓋被替換源TS流中PID值為0x66的節(jié)目，結(jié)果如圖4所示。

圖4中clk27為系統(tǒng)時鐘，clr_mend為異步清零，C1為切換使能，c1_cni_in為替換源TS包字節(jié)計數(shù)，c1_data_in為替換源TS包數(shù)據(jù)，douten為切換輸出有效信號，dout為切換后合成一路碼流的數(shù)據(jù)輸出。可看出，在douten=1后，原dout中PID值為0x66的節(jié)目有效數(shù)據(jù)（均為0）改變?yōu)榱薖ID值為0x65節(jié)目中的有效數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的正確性。

硬件測試時兩路輸入均采用從數(shù)字電視衛(wèi)星接收機接收的節(jié)目數(shù)據(jù)，其中一路經(jīng)過復(fù)用器變?yōu)閱喂?jié)目流作為替換源，另一路包含6套電視節(jié)目，作為被替換源，選擇被替換節(jié)目PID后，開始節(jié)目替換。經(jīng)多次實際測試，在按下替換按鈕后，電視屏幕上能夠很快轉(zhuǎn)為播放替換源節(jié)目，轉(zhuǎn)換過程中沒有黑屏和馬賽克現(xiàn)象。

4 總結(jié)

本文通過對基于MEPG-2標(biāo)準(zhǔn)的傳送流TS的研究，分析了無縫切換數(shù)字電視節(jié)目中經(jīng)常會出現(xiàn)的黑屏和馬賽克現(xiàn)象的原因，闡述了相應(yīng)的解決方法，并利用Altera公司的FPGA芯片實現(xiàn)了數(shù)字電視節(jié)目切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過時序仿真驗證和硬件實際測試能夠流暢的進行電視節(jié)目的替換，即用一路單節(jié)目數(shù)據(jù)覆蓋另一路多節(jié)目中選定的節(jié)目數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自制節(jié)目或廣告的插播，并且節(jié)目切換的過程中沒有黑屏和馬賽克現(xiàn)象。切換前后多節(jié)目碼流中各節(jié)目的所有標(biāo)識符不變，不影響碼流中其他節(jié)目播放，實現(xiàn)了數(shù)字電視節(jié)目的無縫切換。電視節(jié)目插播的效果與專業(yè)級設(shè)備插播效果相比，在視覺上看不到差異，但用該方案實現(xiàn)的切換系統(tǒng)切換簡單、時延小、成本低、具有較高的實用價值。

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