數(shù)字電視插播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

吳林煌，楊秀芝，云桂桂，鄒 濤

（福州大學 福建省數(shù)字電視工程研究中心，福建 福州 350002）

責任編輯:薛 京

數(shù)字電視作為當代信息技術發(fā)展的重要產(chǎn)物，已經(jīng)全面進入大眾的生活領域，人們對電視節(jié)目的內(nèi)容要求越來越高，對電視節(jié)目的編輯也變得越來越重要。其中，電視節(jié)目的無縫插播是研究重點。傳統(tǒng)的節(jié)目插播都是將原來的節(jié)目解碼后，進行像素點的替換，然后再重新編碼發(fā)送，這樣就造成原有節(jié)目信息的丟失，而且效率比較低下。

本文提供了一種數(shù)字電視節(jié)目插播替換的方法，可以將一路數(shù)字電視傳輸流中的一套或多套節(jié)目替換為另一數(shù)字電視傳輸流中的一套或幾套節(jié)目，并使替換之后的數(shù)字電視傳輸流保持原來的各種標識符，具有結構簡單、硬件設備少、成本低、速度快等優(yōu)點。該方法采用滑動優(yōu)先級復用調(diào)度策略，在替換過程中僅過濾掉不需要的節(jié)目，同時將替換的節(jié)目、需要保留的節(jié)目以及各種服務信息通過復用調(diào)度的方式，重新合成為多節(jié)目傳輸流。

1 無縫插播系統(tǒng)的黑屏現(xiàn)象分析

數(shù)字電視無縫插播系統(tǒng)是用一路TS流中的某一套節(jié)目或者廣告去插播另一路TS中的任意一套節(jié)目或者廣告。由于其工作在AVS標準的系統(tǒng)層，TS流中各套節(jié)目的時間基點允許不相同，并且TS流的抗誤碼性能高，因此本文所設計的數(shù)字電視無縫插播系統(tǒng)是基于TS流格式[1]。本節(jié)首先分析切換時出現(xiàn)馬賽克或黑屏的3個原因，再針對這些原因提出解決方法。

1.1 切換時馬賽克或黑屏現(xiàn)象分析

通常情況下在節(jié)目或者廣告進行插播的過程中偶爾會出現(xiàn)黑屏或馬賽克現(xiàn)象，其根本原因是解碼器在解碼時出錯[2]，主要原因有3個：1）由于兩路AVS傳送流的時間基準可能不同，直接進行節(jié)目切換會導致節(jié)目參考時鐘PCR不連續(xù)；2）由于切換點的選擇不準確，導致解碼的重要參數(shù)時間標記（DTS）和顯示時間標記（PTS）出現(xiàn)不連續(xù)；3）視頻信息量比較多，為其開辟的緩沖區(qū)不夠大，出現(xiàn)溢出現(xiàn)象[3]。

1.2 實現(xiàn)無縫拼接的措施

1.2.1 PCR調(diào)整

在AVS標準中，通過在TS流中加入PCR來確保編解碼端時鐘的同步。但由于兩路TS流的時間基準點可能不同，這就導致PCR不連續(xù)。通過尋找拼接點前被替換節(jié)目的最后一個TS包的PCR和拼接點后替換節(jié)目中的首個TS包的PCR，再根據(jù)AVS標準中的PCR公式進行計算從而求出偏移量。把源節(jié)目TS包的PCR，DTS和PTS都附加上偏移量就可保證PCR連續(xù)[4]。

1.2.2 無縫拼接點的選擇

AVS標準的視頻層規(guī)定了3種幀類型：I幀（獨立編碼幀）、P幀（預測編碼幀）和B幀（雙向預測編碼幀）?？梢宰鳛閰⒖紟闹挥蠭幀和P幀，而B幀不能作為參考幀。所以在進行節(jié)目替換或者廣告插播時，應該進行檢測使替換源的節(jié)目以I幀開始。同時由于解碼器在解碼后對幀進行重排，因此被替換的視頻流的圖像組必須完整通過，才能正確顯示替換之前的圖像，否則將產(chǎn)生馬賽克現(xiàn)象。所以無縫拼接點的選擇必須以被替換視頻流的B幀結束和替換視頻流的I幀開始。

1.2.3 緩沖區(qū)控制和碼率調(diào)整

由于兩個節(jié)目TS流的碼率和結構不同，為了保證緩沖區(qū)不發(fā)生上溢出和下溢出，在不改變兩個連續(xù)PCR間差值的條件下，通過插入或者剔除部分空包來實現(xiàn)碼率的有效控制，從而避免視頻緩沖區(qū)溢出[5]。

2 數(shù)字電視插播系統(tǒng)的設計

2.1 數(shù)字電視插播系統(tǒng)的總體結構

數(shù)字電視插播系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：ASI輸入輸出接口模塊、前端輸入檢測和中間處理模塊、Nios II處理器模塊、液晶顯示和按鍵輸入?？傮w結構如圖1所示。前端輸入檢測模塊對ASI接口輸入的TS碼流進行分析處理，將提取的碼流信息送給中間處理模塊，中間處理模塊提取出替換源、被替換源PID值等相關信息，此時默認將被替換源和默認的第一路替換源的PID值傳輸給Nios II處理器，Nios II將其值傳給液晶屏進行顯示。如果需要選擇替換源，通過按鍵模塊進行選擇，Nios II將檢測到的按鍵輸入值傳遞給Nios II處理器，Nios II處理器再將這個替換源路數(shù)的值傳遞給中間處理模塊，中間處理模塊對碼流替換后通過ASI接口輸出。

圖1 系統(tǒng)設計結構框圖

2.2 硬件平臺

根據(jù)數(shù)字電視插播系統(tǒng)的要求，設計了一個硬件平臺。該平臺具有多種外設接口，適用于基于FPGA嵌入IP軟核的系統(tǒng)開發(fā)。硬件平臺的總體結構如圖2所示。

圖2 硬件平臺的總體結構

該硬件平臺的主芯片選用Altera公司Stratix II系列的芯片EP2S90F1020C4[6]；ASI接口電路的ASI接收和發(fā)送芯片選用CYPRESS半導體公司推出的一種用于點對點之間高速串行數(shù)據(jù)通信的接收芯片CY7B933和發(fā)送芯CY7B923[7]；10/100 Mbit/s以太網(wǎng)控制器選擇LAN91C111芯片[8]，便于計算機通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制；支持JTAG和AS兩種配置模式。

2.3 數(shù)字電視插播系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具為Altera公司的Quartus II軟件，該軟件集成多種仿真測試工具，可以與SOPC Builder和Nios II IDE一起協(xié)同開發(fā)[9]。

2.3.1 FPGA邏輯設計

數(shù)字電視插播系統(tǒng)中的前端輸入檢測和中間處理模塊是系統(tǒng)核心，用FPGA內(nèi)部的邏輯和存儲資源來實現(xiàn)。具體模塊連接如圖3所示。

1）串行接口輸入模塊，主要完成對輸入信號的格式轉換。與兩組輸入相對應，分別將來自于ASI輸入接口的ASI格式數(shù)據(jù)轉換成8位并行格式。ASI_IN1為替換源的碼流輸入，ASI_IN2為被替換源的碼流輸入。

2）FPGA模塊包含多個子模塊，下面做進一步論述。

（1）碼流同步模塊：它將串行接口模塊輸入的信號進行同步及失步判別，找出碼流的同步頭字節(jié)，并將同步后的TS流合成為188或204個字節(jié)的包，以利于后續(xù)模塊的處理。

（2）節(jié)目匹配檢測模塊：接收同步后的替換源碼流和被替換源碼流，對替換和待替換節(jié)目標識符進行匹配，主要有PMT_PID，VIDEO_PID，AUDIO_PID，PCR_PID等標識符的匹配。匹配過程中需要進行該路信息PSI信息的解析及提取，以獲得該路的節(jié)目信息。

圖3 節(jié)目插播系統(tǒng)FPGA設計部分系統(tǒng)框圖

（3）PCR調(diào)整模塊：傳輸系統(tǒng)必須是恒定延時系統(tǒng)，解碼端才能解碼正確。在進行插播時，PCR位置可能會隨TS的變化而變化，因此必須對PCR進行校正。該模塊一旦檢測到輸入的TS包當中有PCR時，就啟動備用的某個計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)直到該PCR域的最后一個字節(jié)離開系統(tǒng)時，PCR補償模塊根據(jù)選用的計數(shù)器對PCR值進行相應補償。

（4）圖像組頭檢測模塊：因為無縫拼接點的選擇必須以被替換視頻流的B幀結束和替換視頻流的I幀開始，所以該模塊負責檢測圖像組頭（即I幀的開始）。只有檢測到圖像組頭，才進行TS包的替換操作。

（5）節(jié)目過濾模塊：它接收被替換源的碼流，同時接收節(jié)目匹配檢測模塊的匹配信息。當有匹配節(jié)目存在并需要替換時，該模塊就將指定的待替換節(jié)目的數(shù)據(jù)包丟棄，其他與替換無關的數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖器FIFO2中。當沒有需要替換的節(jié)目時，該模塊不對輸入的碼流進行處理。

（6）服務信息生成模塊：根據(jù)現(xiàn)行節(jié)目信息，重新生成新的服務描述表，使其名稱與替換的節(jié)目名稱一致。重新生成的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖FIFO3中。

（7）數(shù)據(jù)緩沖模塊：暫存經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)調(diào)度提供緩沖。當其滿188 byte字節(jié)時，即輸出一個半滿信號供數(shù)據(jù)調(diào)度模塊進行判斷。

（8）數(shù)據(jù)調(diào)度模塊：調(diào)度策略采用滑動優(yōu)先級的方式，對于同時有幾個半滿信號輸入的情況，優(yōu)先級高的先調(diào)度，而優(yōu)先級根據(jù)調(diào)度的順序進行輪轉，即剛調(diào)度過的優(yōu)先級變?yōu)樽畹停@樣能夠保證各路碼流被均勻調(diào)度。該模塊的調(diào)度速率根據(jù)輸入碼流的速率來確定。

3）串行接口輸出模塊，接收來自數(shù)據(jù)調(diào)度模塊輸出的數(shù)據(jù)，完成格式轉換。本設計采用一個專用集成電路CY7B923，它將并行的碼流數(shù)據(jù)轉換為270 Mbit/s的串行數(shù)據(jù)，再通過輸出耦合驅(qū)動電路完成ASI信號的驅(qū)動及耦合輸出。

2.3.2 Nios II軟件設計

本文的Nios II軟件采用中斷的方式。首先進行初始化設置，當檢測到復位信號時則進行復位，否則進入下一步，此時默認將替換源與第一路被替換源的PID號顯示在液晶屏上，如selection有輸入，則把計數(shù)器自加1，此時中間處理系統(tǒng)把下一套節(jié)目的PID號傳遞過來，若有enter信號，則開始替換并在液晶屏上顯示，若替換成功則傳回一個success信號，并在液晶屏上顯示替換成功。Nios II軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

3 系統(tǒng)測試

用實際的電視節(jié)目進行系統(tǒng)測試，其實物連接如圖5所示。首先用衛(wèi)星天線接收來自衛(wèi)星的電視信號，通過衛(wèi)星接收機將其轉換成符合AVS標準的TS流，一路送到FPGA開發(fā)板作為被替換源進行節(jié)目替換，另一路送到復用器中產(chǎn)生單節(jié)目替換源，并將其輸出到被替換源的輸入端口，經(jīng)無縫插播系統(tǒng)處理之后的輸出碼流送到QAM調(diào)制器，調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)機頂盒解調(diào)后送到電視機播放。

測試時設置機頂盒解調(diào)信號的頻點為283 MHz，調(diào)制方式為QAM256，將硬件設備按上述方式進行連接，得到單節(jié)目替換源只有中央6套少兒頻套；另一路被替換源包含中央1套、中央6套、中央13套等8套節(jié)目。本次測試將少兒頻套替換成新聞頻套，通過電視機播放觀察結果。在進行節(jié)目替換的過程中，節(jié)目無縫拼接沒有出現(xiàn)馬賽克和黑屏現(xiàn)象，由此可以證明本系統(tǒng)設計合理，切實可用，完成了數(shù)字電視節(jié)目的無縫插播。圖5中電視播放的是替換前的新聞頻道，圖6所示的是替換后在同一頻道播放少兒節(jié)目。

4 總結

本文是基于系統(tǒng)層的無縫拼接，主要在系統(tǒng)層對兩個傳輸流進行處理，不經(jīng)過解復用、解碼、編碼和重新復用的過程。通過選擇合適的拼接點、調(diào)整PSI信息、調(diào)整時間信息等手段在系統(tǒng)層實現(xiàn)無縫拼接，運算量小，能快速完成；同時對視頻基本層沒做處理，能保證質(zhì)量無損，消除了黑屏和馬賽克現(xiàn)象，實現(xiàn)了數(shù)字電視節(jié)目無縫插播。

[1]王立.TS流復用解復用及DSM-CC特技播放研究[D].天津：天津大學，2004.

[2]謝志華，鄒道文，汪勝前.一種新的數(shù)字電視TS流無縫拼接處理技術[J].廣播與電視技術，2006（2）：78-80.

[3]劉運鋒.基于FPGA的多功能視頻服務器設計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2006.

[4]崔巍，李煜，秦文.MPEG-2 TS無縫拼接技術的研究與實現(xiàn)[J].電視技術，2004，28（10）：65-67.

[5]劉昱，李桂苓.MPEG-2視頻流的拼接[J].有線電視技術，2002（10）：8-9.

[6]Altera corporation.Stratix II Device Handbook[EB/OL].[2012-10-10].http://www.altera.com.cn/literature/lit-s2gx.jsp.

[7]CY7B923/CY7B933：HOTLink Transmitter/Receiver[EB/OL].[2012-10-10].http://www.cypress.com/?rid=13675.

[8]LAN91C111 Rev.B Datasheet[EB/OL].[2012-10-10].http://www.icfull.com/LAN_datasheet/LAN91C111-NC.html.

[9]霍梅梅，吳劍鐘，蔡建平.Quartus II圖形仿真用于計算機組成原理實驗教學[J].科技創(chuàng)新導報，2010（24）：157-157.