田 鋼，呂朝輝

（中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024）

基于視頻ES流私有空間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法

田 鋼，呂朝輝

（中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024）

分析了視頻ES流私有空間的組成方式，提出了一種基于視頻ES流私有空間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法。單一私有空間所能容納的數(shù)據(jù)量較小，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需劃分成若干較小數(shù)據(jù)塊后再傳輸，介紹了此數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M從視頻播出穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性兩方面驗(yàn)證了此方法的可行性，該方法可以作為當(dāng)前業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸方法的一種補(bǔ)充。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；TS流；私有數(shù)據(jù)空間

如今我國(guó)數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)正迅猛發(fā)展，電視機(jī)也越來(lái)越智能化，承載著越來(lái)越多的應(yīng)用，更加注重與觀眾的互動(dòng)性。不久的將來(lái)將實(shí)現(xiàn)看電視到用電視的轉(zhuǎn)變，實(shí)時(shí)天氣、彩票、股票等業(yè)務(wù)將逐步在電視機(jī)上呈現(xiàn)。這就要求TS流承載更多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。本文提出一種基于視頻ES流私有空間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法，可以作為當(dāng)前傳輸方法的重要補(bǔ)充。

電視系統(tǒng)可以傳送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)很多，大致可以分為以下3類：第1類，是廣播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通常是電視制作單位或者是電視信號(hào)提供商向所有用戶“強(qiáng)制”發(fā)布的信息，可以是緊急通知以及政策范圍內(nèi)允許的公益或商業(yè)廣告等，在電視機(jī)上可以以滾動(dòng)字幕的方式呈現(xiàn)；第2類是電視節(jié)目語(yǔ)言字幕業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以是多語(yǔ)種字幕，讓用戶靈活選擇觀看，在電視機(jī)畫面上有特定的顯示窗口；第3類是用戶定制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，比如說(shuō)實(shí)時(shí)天氣信息、彩票信息和股票信息等，可以在用戶自主打開的對(duì)話窗口中顯示。

以往研究業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在TS流中傳輸時(shí)，往往是新增TS包，這種方法需要修改PSI信息，改變了原始TS流的結(jié)構(gòu)，新增業(yè)務(wù)時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行大量的軟件升級(jí)。本文考慮到視頻序列中預(yù)留了大量私有數(shù)據(jù)空間，如果將它們組織起來(lái)可以傳輸大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這種方法不僅可以作為原有傳輸技術(shù)的補(bǔ)充，可以解決業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸空間不足的問(wèn)題，而且在技術(shù)層面上也有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是由節(jié)目制作部門直接提供的，比如說(shuō)用戶可選語(yǔ)種的隨音字幕，同時(shí)它也和節(jié)目頻道一一對(duì)應(yīng)，不需要修改PSI信息，制作部門只要將自定義數(shù)據(jù)放入ES流中，之后信號(hào)的打包和傳輸則由其他部門負(fù)責(zé)，技術(shù)層面上不需要做更改，傳輸設(shè)備不需要做軟件升級(jí)，大大減少了工作量，提高了傳輸可靠性。因?yàn)門S流和PS流在視頻序列層面是沒(méi)有差別的，所以本技術(shù)也可以用于PS流的傳輸[1-3]。

1 視頻ES流層次解析

視頻ES流即視頻基本碼流，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

本文所述方法利用的私有空間是圖1中私有數(shù)據(jù)（2），當(dāng)前這部分對(duì)于幀率為25的視頻流，如果采用幀編碼則1 s傳送25個(gè)私有空間，如果采用場(chǎng)編碼則1 s傳送50個(gè)私有空間?？梢钥闯觯绻麑⑦@些私有空間組織起來(lái)，可以傳送大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

圖1 視頻ES層次解析圖

私有數(shù)據(jù)空間user_data的組成方式如表1所示。

表1 user_data的組成方式

表1中bslbf代表比特串，左位在先（bit string left bit first）。user_data_start_code是私有數(shù)據(jù)空間的起始碼，其值為0x000001B2。因?yàn)橐曨l序列每一部分的起始碼前綴都是0x000001，所以在user_data_start_code和23個(gè)串0之間都是私有數(shù)據(jù)，顯然私有數(shù)據(jù)中不能包含23位或多于23位的串0。

2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的組織、傳輸與解碼

2.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的組織方式

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以看成一個(gè)不定長(zhǎng)度的文件，為了保證電視播放的連續(xù)性，不至于造成解碼器緩沖區(qū)擁堵，不能將一個(gè)大文件放入到一幀圖像的私有數(shù)據(jù)空間中，而應(yīng)該將這個(gè)文件劃分成若干個(gè)文件塊，分別插入到視頻幀中傳輸出去，接收端解碼器再對(duì)各個(gè)文件塊處理，恢復(fù)原始文件后再做解析。此文件塊叫做data_block，本方法中data_block填充在表1中的user_data_i中，一個(gè)data_block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 data_block數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2中bslbf代表比特串，左位在先（bit string left bit first)；uimsbf代表無(wú)符號(hào)整數(shù)，最高位在先（un?signed integermost significant bit first）。

service_number為業(yè)務(wù)編號(hào)，通常在某一時(shí)段傳送的業(yè)務(wù)不止一個(gè)，當(dāng)它們都要在視頻序列私有數(shù)據(jù)空間中傳輸時(shí)要采用時(shí)分復(fù)用的方式。每一個(gè)業(yè)務(wù)有固定的service_number，必要時(shí)service_number以及對(duì)應(yīng)的PDI可以在PSI信息中標(biāo)明。將不同業(yè)務(wù)都分割成文件塊，按一定規(guī)律間隔放入到私有數(shù)據(jù)空間中，解碼器再根據(jù)service_number分別恢復(fù)。service_number范圍為0～63。其中業(yè)務(wù)0為空業(yè)務(wù)，用于填充，將在下一小節(jié)中介紹。1～63為用戶自定義普通業(yè)務(wù)。

sequence_number為兩比特循環(huán)連續(xù)計(jì)數(shù)位，范圍為0～3，用于監(jiān)測(cè)是否存在數(shù)據(jù)塊丟失。對(duì)于某一個(gè)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)塊，sequence_number按傳輸順序依次循環(huán)連續(xù)編號(hào)，解碼器如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊丟失，應(yīng)當(dāng)丟棄緩沖區(qū)未處理的數(shù)據(jù)，復(fù)位當(dāng)前業(yè)務(wù)。

process_flag用于標(biāo)識(shí)此數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)是否需要處理，無(wú)需處理則賦0，需要處理則賦1。

data_count控制數(shù)據(jù)塊的大小，具體內(nèi)容見下一小節(jié)。

reserved為8比特保留位，8位全1。

for循環(huán)中，one_bit為1比特填充位。reserved_bit為4比特保留位，4位全1。data_valid用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前循環(huán)中的service_data_1和service_data_2是否需要處理，無(wú)需處理則賦0，需要處理則賦1。data_type用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前循環(huán)中的service_data_1和service_data_2是什么類型的數(shù)據(jù)。data_type為01時(shí)代表數(shù)據(jù)為一個(gè)業(yè)務(wù)的結(jié)束，當(dāng)一個(gè)業(yè)務(wù)結(jié)束時(shí)，業(yè)務(wù)塊中剩余service_data_1和service_data_2用0代替，相應(yīng)data_type也應(yīng)該賦予正確的值。data_type為10時(shí)代表數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，da?ta_type為11時(shí)代表數(shù)據(jù)為一個(gè)業(yè)務(wù)的起始。ser?vice_data_1和service_data_2為有效數(shù)據(jù)。

marker_bits是全1字節(jié)，標(biāo)識(shí)業(yè)務(wù)塊結(jié)束。

2.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸比特率的限定

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸比特率只計(jì)算有效數(shù)據(jù)ser?vice_data_1和service_data_2。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸比特率由data_count限定。data_count為5 bit，最大值取值為32，顯然每幀數(shù)據(jù)最多插入64 byte有效數(shù)據(jù)，這樣避免了幀業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)過(guò)多造成解碼器緩沖區(qū)擁堵。

一個(gè)TS流中的所有數(shù)據(jù)都取同一比特率，通常取9 600 bit/s，不難計(jì)算如果電視視頻幀率為25，場(chǎng)編碼，data_count此時(shí)取值為12；如果電視視頻幀率為25，幀編碼，data_count此時(shí)取值為24。

當(dāng)要保證恒定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸比特率時(shí)，一些剩余私有空間要用上面所說(shuō)的空業(yè)務(wù)塊填充?？諛I(yè)務(wù)塊中，service_number為0，process_flag和data_type都應(yīng)賦0值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此方法的可行性，筆者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中做了模擬驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證過(guò)程

3.1.1 加載業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)

將每一個(gè)構(gòu)造好的業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)data_block加載到TS流中的視頻私有空間中，圖2是使用UltraEdit軟件查看的流文件十六進(jìn)制原碼，圖中顯示了地址分別為0x18，0x36CF，0x6B5E和0xE715處所插入的業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)，圖中方框標(biāo)示的部分為所加載的私有空間。

3.1.2 TS流的發(fā)送、傳輸、接收和處理

實(shí)際TS流經(jīng)調(diào)制后由天線發(fā)送，再經(jīng)中轉(zhuǎn)站、衛(wèi)星等傳輸，最后由接收端接收、解調(diào)并播出。筆者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過(guò)在兩塊TS流收發(fā)卡之間橋接調(diào)制器和解調(diào)器的方法模擬了這一實(shí)際過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)腡S流加載了業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到TS流后再由TS流解碼器解碼播出。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)視頻播出穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性兩方面來(lái)驗(yàn)證此方法是否可行。

圖2 業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)的加載（截圖）

3.2.1 視頻播出穩(wěn)定性

理論上加載了業(yè)務(wù)幀數(shù)據(jù)的TS流完全不影響TS流解碼。圖3為無(wú)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)TS流和加載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后TS流經(jīng)過(guò)同一TS流解碼器后畫面播出的對(duì)比?？梢钥闯黾虞d業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后TS流的播放畫面清晰，與無(wú)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)TS流的播放畫面無(wú)異。說(shuō)明視頻播出是穩(wěn)定的，驗(yàn)證了此方法是可行的。

圖3 加載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)前后TS流播出對(duì)比（截圖）

3.2.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性

筆者用UltraCompare軟件對(duì)比了傳輸前的模擬業(yè)務(wù)文件TR_file和傳輸后經(jīng)解碼器解析后的模擬業(yè)務(wù)文件TR_file，兩文件大小均為1 Gbyte，對(duì)比結(jié)果為文件等同，見圖4。說(shuō)明業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸是可靠的，驗(yàn)證了此方法是可行的。

4 小結(jié)

圖4 傳輸前后業(yè)務(wù)文件對(duì)比（截圖）

通過(guò)前面對(duì)基于視頻ES流私有空間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法描述和試驗(yàn)驗(yàn)證，不難看出此方法是可行的。此方法可以用于TS流傳輸多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，作為當(dāng)前傳輸方法的一種重要補(bǔ)充。

[1]張東輝，李文輝.基于MPEG-4用戶數(shù)據(jù)域的視頻抗誤碼方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，42（23）：75-77.

[2]郭躍，王宏遠(yuǎn).基于數(shù)據(jù)傳送帶協(xié)議的DVB-C數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2003，27（10）：30-32.

[3] 王楚欣，武愛敏.在數(shù)字電視碼流中基于ES進(jìn)行靜幀黑場(chǎng)判斷的原理及實(shí)驗(yàn)[J].有線電視技術(shù)，2009，16（10）：56-59.

M ethod of Service Data Transm ission Based on Video Elementary Stream User Data Space

TIAN Gang,LüZhaohui
（Information Engineering School,Communication University of China,Beijing 100024,China）

The composition of video elementary stream user data space is analyzed in this paper,then a method of service data transmission based on video elementary stream user data space is proposed.The capacity of single user data space is limited.The service data is divided into some small data blocks before transmission.The data structure of this data block is described.Finally,the feasibility of the method is verified through simulation experiments from the video broadcasting stability and service data transmission reliability.This method can be used as a supplement of current service data transmission method.

service data;transport stream;user data space

TP941

A

?? 京

2013-10-13

【本文獻(xiàn)信息】田鋼，呂朝輝.基于視頻ES流私有空間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法[J].電視技術(shù)，2014，38（10）.

田 鋼（1986—），碩士生，主研數(shù)字媒體技術(shù)；

呂朝輝（1975—），博士，教授，主研計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理。