數(shù)字電視碼流的分析轉(zhuǎn)換

吳 潮

（作者單位：寧夏平羅縣廣播電視臺）

數(shù)字電視碼流的分析轉(zhuǎn)換

吳 潮

（作者單位：寧夏平羅縣廣播電視臺）

數(shù)字電視主要依托其復合信息流，即傳輸流TS與節(jié)目流PS予以運行，為進一步提高數(shù)字電視的整體質(zhì)量與服務水平。本文以數(shù)字電視的碼流轉(zhuǎn)換作為主要研究內(nèi)容，通過對其傳輸流和節(jié)目流的特點和格式進行闡述和分析，分別對傳輸流解析、顯示與解碼時間標簽和視頻幀結(jié)構(gòu)信息等相關技術方法展開了深入研究，在此基礎上，提出了傳輸流向節(jié)目流轉(zhuǎn)換過程中，顯示時間標簽、解碼時間標簽等相關參數(shù)的組建算法，并實現(xiàn)了傳輸流到多個節(jié)目流的轉(zhuǎn)換。

數(shù)字電視；傳輸流；節(jié)目流；時間標簽

相較于模擬電視，數(shù)字電視具有信號損失小和接收效果好的優(yōu)點。但近年來，數(shù)字電視用戶的爆發(fā)式增長使運營商在提供數(shù)字電視服務過程中也出現(xiàn)了節(jié)目信號差、信號傳輸中斷等相關問題，在此背景下，加強數(shù)字電視的碼流分析和轉(zhuǎn)換，在強化數(shù)字電視信號的基礎上，增強用戶體驗，已成為數(shù)字電視運營商和相關研發(fā)部門需要著重開展的關鍵工作。

1 數(shù)字電視復合信息流概述

當前，數(shù)字電視大都以MPEG-2的壓縮方式為主，對MPEG-2標準進行分析可知，其包含的復合信息流主要有兩種：傳輸流（TS）和節(jié)目流（PS）。其中，TS的包結(jié)構(gòu)是188字節(jié)的固定長度，PS包結(jié)構(gòu)的長度則是可變的。因TS和PS在包結(jié)構(gòu)方面的差異，使二者對于傳輸誤碼的抵抗能力也具有較大差異且對應碼流的應用環(huán)節(jié)也不盡相同。其中，TS碼流的包結(jié)構(gòu)固定，故當傳輸誤碼對某一傳輸流的同步信息進行破壞時，接收機可在固定位置實現(xiàn)對后續(xù)傳輸包中同步信息的實時監(jiān)測，進而恢復信號同步，較好地避免了相關信息的流失。對于TS而言，其包長度是時刻變化的，當受誤碼干擾導致包內(nèi)同步信息丟失時，接收機則難以對下一包的同步位置進行確定，導致信息傳輸?shù)氖Р絒1]。綜上，當信道處于比較惡劣的環(huán)境中時，數(shù)字電視通常以TS作為傳輸碼流，而當信道環(huán)境相對較好且具有較低的傳輸誤碼率時，可采用PS碼流進行信號傳輸。由MEPG-2標準中的兩類復合信息流包結(jié)構(gòu)可知，傳輸流TS和節(jié)目流PS間是能夠相互轉(zhuǎn)換的，且在當前數(shù)字電視用戶急劇增長的情況下，兩種復合信息流間的轉(zhuǎn)換是極為必要的。

2 傳輸流與節(jié)目流的碼流分析

2.1 基于實際案例的TS流格式與PM表

TS流以188字節(jié)固定長度的包為單位進行信息的傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸流量大都在40 M/s左右，基于MPEG-2編碼的數(shù)字電視，表情節(jié)目的單位流量通常為4～5 M/s，由此，可計算出數(shù)字電視各頻點的TS流可復用節(jié)目的個數(shù)，即8個左右（實際應用中復用6套節(jié)目較多）。以上海地區(qū)730頻點的TS流作為分析和轉(zhuǎn)換的目標傳輸流，該TS流復用節(jié)目個數(shù)為6套，分別為中央1～6套，所對應的節(jié)目標識號分別為110（113）、120（123）、130（133）、140（143）、150（153）、160（160），其中，實體數(shù)字和括號內(nèi)數(shù)字分別為視頻PID和音頻PID，數(shù)字進制標準為16進制，為獲取上述PID，需要對傳輸流進行分析，具體如下。

TS流格式以4字節(jié)的TS頭和184節(jié)的TS數(shù)據(jù)為主，在對TS進行分析轉(zhuǎn)換時，應先確定同步頭，而后，再以不同的PID為依據(jù)，對各TS包采取相應的處理，圖1給出了同步頭的搜索算法，其中，在對TS包進行分析前，應開展TS的同步搜索，這一過程分為兩個狀態(tài)，分別為同步與同步丟失。通常，當連續(xù)檢測到的同步字節(jié)數(shù)量為5個時，則進入同步狀態(tài)，而后，在此狀態(tài)中，急需檢測同步字節(jié)，若連續(xù)未檢測到同步字節(jié)為3個，則判定同步丟失，需要說明的是，TS包的分析必須在同步狀態(tài)下進行。TS包的分析流程如下：找出PAT即節(jié)目關聯(lián)表，根據(jù)MPEG-2標準，節(jié)目關聯(lián)表中包含了各PMT表的節(jié)目號和相應的PID，對于本文給定的上海地區(qū)的TS流，其相應的節(jié)目關聯(lián)表的數(shù)據(jù)分別為47 40 00 13 00 00 b0 25 00 01 df 00 00，相應的節(jié)目號與PID為00 00 e0 10 00 65 e0 81 00 66 e0 82 00 67 e0 83 00 68 e084 00 69 e0...，由此，可得7個節(jié)目號所對應的PID，具體如下：00-10，65-81，66-82，67-83，68-84，69-85，6a-86。對PMT表進行分析，以65號節(jié)目按照PD=81的TS流傳輸為例，提取數(shù)據(jù)：47 40 81（PID為81）12 00 02 b0 1d 00...a0 2a 90，其中，PMT表中對各個節(jié)目的流類型與相應的PID進行了規(guī)定，其中，其中，02 e1 10 f0 00表示當前節(jié)目中的類型數(shù)為2，即視頻流PID為2，PID=110，而e1 13 f0 06則表示節(jié)目中類型數(shù)為4，即音頻流PID為4。由此，對該節(jié)目的視頻和音頻進行分析時，只需要對PID值為110和113的TS包進行提取即可，相應的TS包邏輯關系如圖2所示。由圖2可知，根據(jù)PID值的不同，可從TS包中將不同節(jié)目的音視頻信號予以提取，所提取的音視頻信號則按照數(shù)字電視基本碼流PES組成，故通過對音視頻信號進行打包，便能夠恢復PES，而TS向PS的轉(zhuǎn)換，實際上就是將所恢復的PES碼流重新根據(jù)節(jié)目流PS進行再次打包，相應地，PS的重要參數(shù)則主要包括了系統(tǒng)參考時鐘SCR、時間標簽PTS和解碼時間標簽DTS。

圖1 同步頭搜索算法

圖2 TS包邏輯關系圖

2.2 TS與PS參數(shù)與編碼分析

首先，對PS結(jié)構(gòu)和相關參數(shù)進行分析。PS結(jié)構(gòu)如下：PS包開始碼為00 00 01 BA共4字節(jié)，SCR系統(tǒng)參考時鐘、程序流速率的字節(jié)長度分別為6和3，填充數(shù)據(jù)后，若存在頭部信息，則系統(tǒng)開始碼轉(zhuǎn)變?yōu)?0 00 01 BB，長度不變，仍為4字節(jié)，除上述相關長度字節(jié)的組分外，PS中還包括了系統(tǒng)信息和PES電視基本碼流。PS參數(shù)中，PTS與DTS均位于電視基本碼流PES中，其作用為實現(xiàn)音視頻的同步。經(jīng)過編碼產(chǎn)生的音視頻分別形成相應的基本碼流ES，但ES并非分段連續(xù)碼流，PES通過將ES進行分割并加載相應的頭信息，進而在傳輸時將PES包繼續(xù)分段劃分為固定長度為188字節(jié)的傳輸流TS或是具有可變長度的節(jié)目流PS。

其次，對TS與PS的系統(tǒng)參考時鐘、PTS和DTS等參數(shù)進行分析。由于TS包頭中融入了PCR，即節(jié)目時鐘參考，故在進行解碼時，解碼器則先通過PCR對與編碼器同步的27 MHz系統(tǒng)時鐘進行重建，待恢復系統(tǒng)始終后，再借助電視基本碼流中的時間標簽與解碼時間標簽實現(xiàn)音視頻的同步。同理將SCR引入節(jié)目流PS包頭中，也能夠設定解碼器從磁盤讀取數(shù)據(jù)信息的初始時間。通常，所設定的PTS與DTS標簽長度均為33位，對應的單位為基于27 MHz適中的300分頻（90 kHz），PCR與SCR則以基于27 MHz的base（90 kHz）與ext（27 MHz）為單位。需要說明的是，音頻的時間與解碼時間標簽具有高度一致性，而對于視頻而言，若在編碼過程中，無后向預測，則二者為一致的，若存在后向預測，則需對DTS與PTS做出相應調(diào)整，原因是，I幀的內(nèi)部編碼以及P幀的前向預測，均只利用到了前幀信息，但B幀雙向預測中，還包括了后面的IP幀信息，故解碼時，需先解出后面的IP幀，而后，再對當前IP幀進行解碼，但在實際顯示時，B幀則在IP幀之前顯示。

最后，對所給案例的B圖編碼進行分析。在結(jié)合各幀圖像時間關系的基礎上，以本文研究的上海地區(qū)數(shù)字電視碼流中的B14為例，為提高編碼的有效性，采以雙項預測運動補償法進行編碼，即B圖編碼，將參考圖選定為前一幀的113和后續(xù)的P16幀，故在進行解碼時，則應對113和P16進行依次解碼，但實際顯示的形式則為113B14B15P16（B15不作為預測參考圖）。由一個I幀及若干BP幀為單位所形成的畫面組，即GOP以上述方法進行編碼時，顯然第一個GOP要比其他GOP缺少兩個B幀。對于完整的電視基本碼流，以音視頻為例，其結(jié)構(gòu)為，包開始碼、流ID、PES長度以及頭標識的字節(jié)數(shù)分別為3、1、2、3，若結(jié)構(gòu)中存在PTS和DTS，則二者的字節(jié)數(shù)均為5。在傳輸流轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)目流的過程中，需要修改的也主要是時間標簽和解碼時間標簽，除此之外，還包括轉(zhuǎn)換過程中增加的PS頭信息，其余信息碼流則可完全復制。

3 TS轉(zhuǎn)換

為實現(xiàn)傳輸流到節(jié)目流的轉(zhuǎn)換，應先從TS中獲取不同節(jié)目的電視基本碼流，并根據(jù)所獲取的基本碼流的數(shù)據(jù)，得到新的PES所對應的時間標簽PTS與解碼時間標簽DTS，而后，再形成PS。對所給的730個頻點TS中的PTS與DTS關系（二者均以90kHz為單位進行計數(shù)）進行如下計算：PTS1-DTS1=10800=3×3600；PTS2-DTS2=10800=3×3600，PTS2-PTS1=43200=12×3600；PTS3-D T S 3=1 0 8 0 0=3×3 6 0 0，P T S 3-PTS2=43200=12×3600；PTS4-D T S 4=1 0 8 0 0=3×3 6 0 0，P T S 4-PTS3=43200=12×3600。由此可見，TS流在PAL電視標準中，各幀的間隔時間為3600個90 kHz的時鐘，即40 ms，故在該頻點中，由PID=0×110的TS包所組成的電視基本碼流包內(nèi)，各PES包頭的時間標簽均要比其解碼時間標簽延遲3幀的時間，而相鄰兩基本碼流的時間間隔則為12幀。仍然以PID=0×110的PES中的ES結(jié)構(gòu)為例，對其中的TS流轉(zhuǎn)換為PS流的過程進行說明：該流的幀結(jié)構(gòu)為I幀BB PBB PBB PBB結(jié)構(gòu)，單位GOP畫面組為12幀，而整個幀圖像共同組成一個電視基本碼流PES。在TS流向PS流轉(zhuǎn)變時，一幀圖像則組成一個PES碼流，而一個PES碼流則構(gòu)成一個節(jié)目流PS包。由此，可將初始的TS傳輸流的基本碼流的頭部進行直接復制，使其充當PS節(jié)目流中電視基本碼流PES的頭部，而這一PES則是畫面組GOP的第一幀（I幀），而后，各個B幀和P幀則分別加載復制的PES頭和節(jié)目流PS頭，共同構(gòu)成PS包，在電視基本碼流PES長度方面，則根據(jù)直接復制的數(shù)據(jù)獲取，對于時間標簽PTS和解碼時間標簽的計算則按照以下方法進行。

首先，在程序開始時，將TS流內(nèi)新開始的PES碼流予以提取，構(gòu)成GOP，該畫面組含有整個12幀的數(shù)據(jù)，并以幀開始標志將其劃分為12個PES基本碼流；其次，設置GOP開始數(shù)據(jù)為I幀，提取這一PES的時間標簽（DTS）值；最后，對于I幀、B幀和P幀，所構(gòu)建的PES的時間標簽DTS與解碼時間標簽PTS值的計算方法為，DTS1=轉(zhuǎn)換前GOP中PES的時間標簽DTS；DTSP、B=轉(zhuǎn)換后前一個電視基本碼流的時間標簽值+1×3600；PTSI、P=轉(zhuǎn)換后PES的時間標簽值+3×3600；PTSB=轉(zhuǎn)換后PES的時間標簽值。根據(jù)次算法算得的IBP幀的時間標簽DTS與解碼時間標簽PTS同上述以B14為例的B圖編碼的視頻幀結(jié)構(gòu)具有較高的一致性。通過對DTS與PTS的計算方法進行分析可知，計算公式中，PTSI、P的系數(shù)3是因IBBPBB幀格式所導致的，具體來說就是，在IP之間插入了兩個具有雙向預測功能的B幀圖像，而IBBPBB也是最為常用的TS轉(zhuǎn)換中的幀格式，對于節(jié)目流PS包而言，可令系統(tǒng)參考時鐘SCR_base=DTS-3600，SCR_ext=0，由此，則構(gòu)成了完整的節(jié)目流PS包。

4 結(jié)語

本文通過對數(shù)字電視復合信息流中的傳輸流和節(jié)目流進行簡要闡述，進而以上海地區(qū)730頻點的TS流作為分析和轉(zhuǎn)換的目標傳輸流，通過對TS與PS的參數(shù)、編碼進行分析，進而對TS向PS的轉(zhuǎn)換方法做出了系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，TS與PS是數(shù)字電視復合型碼流的主要構(gòu)成部分，二者的參數(shù)設定、編碼方式和相互轉(zhuǎn)換對于數(shù)字電視的信號質(zhì)量具有重要影響。未來，還需進一步加強對數(shù)字電視碼流及其轉(zhuǎn)換的研究力度，為降低數(shù)字電視誤碼率和增強用戶體驗奠定良好基礎。

[1]楊秀芝,陳建,王玉欣.基于SOPC的數(shù)字電視碼流分析系統(tǒng)的設計[J].福州大學學報(自然科學版),2013,5(23).