數(shù)字電視插播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳林煌，楊秀芝，云桂桂，鄒 濤

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

責(zé)任編輯:薛 京

數(shù)字電視作為當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物，已經(jīng)全面進(jìn)入大眾的生活領(lǐng)域，人們對(duì)電視節(jié)目的內(nèi)容要求越來越高，對(duì)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(diǎn)。傳統(tǒng)的節(jié)目插播都是將原來的節(jié)目解碼后，進(jìn)行像素點(diǎn)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(biāo)識(shí)符，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件設(shè)備少、成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。該方法采用滑動(dòng)優(yōu)先級(jí)復(fù)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(shí)將替換的節(jié)目、需要保留的節(jié)目以及各種服務(wù)信息通過復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)層，TS流中各套節(jié)目的時(shí)間基點(diǎn)允許不相同，并且TS流的抗誤碼性能高，因此本文所設(shè)計(jì)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(shí)出現(xiàn)馬賽克或黑屏的3個(gè)原因，再針對(duì)這些原因提出解決方法。

1.1 切換時(shí)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(jìn)行插播的過程中偶爾會(huì)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(shí)出錯(cuò)[2]，主要原因有3個(gè)：1）由于兩路AVS傳送流的時(shí)間基準(zhǔn)可能不同，直接進(jìn)行節(jié)目切換會(huì)導(dǎo)致節(jié)目參考時(shí)鐘PCR不連續(xù)；2）由于切換點(diǎn)的選擇不準(zhǔn)確，導(dǎo)致解碼的重要參數(shù)時(shí)間標(biāo)記（DTS）和顯示時(shí)間標(biāo)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(shí)現(xiàn)無縫拼接的措施

1.2.1 PCR調(diào)整

在AVS標(biāo)準(zhǔn)中，通過在TS流中加入PCR來確保編解碼端時(shí)鐘的同步。但由于兩路TS流的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)可能不同，這就導(dǎo)致PCR不連續(xù)。通過尋找拼接點(diǎn)前被替換節(jié)目的最后一個(gè)TS包的PCR和拼接點(diǎn)后替換節(jié)目中的首個(gè)TS包的PCR，再根據(jù)AVS標(biāo)準(zhǔn)中的PCR公式進(jìn)行計(jì)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(diǎn)的選擇

AVS標(biāo)準(zhǔn)的視頻層規(guī)定了3種幀類型：I幀（獨(dú)立編碼幀）、P幀（預(yù)測(cè)編碼幀）和B幀（雙向預(yù)測(cè)編碼幀）。可以作為參考幀的只有I幀和P幀，而B幀不能作為參考幀。所以在進(jìn)行節(jié)目替換或者廣告插播時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行檢測(cè)使替換源的節(jié)目以I幀開始。同時(shí)由于解碼器在解碼后對(duì)幀進(jìn)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(diǎn)的選擇必須以被替換視頻流的B幀結(jié)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(gè)節(jié)目TS流的碼率和結(jié)構(gòu)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(gè)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(shí)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(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字電視插播系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字電視插播系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：ASI輸入輸出接口模塊、前端輸入檢測(cè)和中間處理模塊、Nios II處理器模塊、液晶顯示和按鍵輸入。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端輸入檢測(cè)模塊對(duì)ASI接口輸入的TS碼流進(jìn)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(guān)信息，此時(shí)默認(rèn)將被替換源和默認(rèn)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(jìn)行顯示。如果需要選擇替換源，通過按鍵模塊進(jìn)行選擇，Nios II將檢測(cè)到的按鍵輸入值傳遞給Nios II處理器，Nios II處理器再將這個(gè)替換源路數(shù)的值傳遞給中間處理模塊，中間處理模塊對(duì)碼流替換后通過ASI接口輸出。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件平臺(tái)

根據(jù)數(shù)字電視插播系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件平臺(tái)。該平臺(tái)具有多種外設(shè)接口，適用于基于FPGA嵌入IP軟核的系統(tǒng)開發(fā)。硬件平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

該硬件平臺(tái)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(dǎo)體公司推出的一種用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

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(cè)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(shè)計(jì)

數(shù)字電視插播系統(tǒng)中的前端輸入檢測(cè)和中間處理模塊是系統(tǒng)核心，用FPGA內(nèi)部的邏輯和存儲(chǔ)資源來實(shí)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(duì)輸入信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換。與兩組輸入相對(duì)應(yīng)，分別將來自于ASI輸入接口的ASI格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)子模塊，下面做進(jìn)一步論述。

（1）碼流同步模塊：它將串行接口模塊輸入的信號(hào)進(jìn)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(gè)字節(jié)的包，以利于后續(xù)模塊的處理。

（2）節(jié)目匹配檢測(cè)模塊：接收同步后的替換源碼流和被替換源碼流，對(duì)替換和待替換節(jié)目標(biāo)識(shí)符進(jìn)行匹配，主要有PMT_PID，VIDEO_PID，AUDIO_PID，PCR_PID等標(biāo)識(shí)符的匹配。匹配過程中需要進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)系統(tǒng)，解碼端才能解碼正確。在進(jìn)行插播時(shí)，PCR位置可能會(huì)隨TS的變化而變化，因此必須對(duì)PCR進(jìn)行校正。該模塊一旦檢測(cè)到輸入的TS包當(dāng)中有PCR時(shí)，就啟動(dòng)備用的某個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)直到該P(yáng)CR域的最后一個(gè)字節(jié)離開系統(tǒng)時(shí)，PCR補(bǔ)償模塊根據(jù)選用的計(jì)數(shù)器對(duì)PCR值進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

（4）圖像組頭檢測(cè)模塊：因?yàn)闊o縫拼接點(diǎn)的選擇必須以被替換視頻流的B幀結(jié)束和替換視頻流的I幀開始，所以該模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)圖像組頭（即I幀的開始）。只有檢測(cè)到圖像組頭，才進(jìn)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(shí)接收節(jié)目匹配檢測(cè)模塊的匹配信息。當(dāng)有匹配節(jié)目存在并需要替換時(shí)，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(guān)的數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖器FIFO2中。當(dāng)沒有需要替換的節(jié)目時(shí)，該模塊不對(duì)輸入的碼流進(jìn)行處理。

（6）服務(wù)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(wù)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(dāng)其滿188 byte字節(jié)時(shí)，即輸出一個(gè)半滿信號(hào)供數(shù)據(jù)調(diào)度模塊進(jìn)行判斷。

（8）數(shù)據(jù)調(diào)度模塊：調(diào)度策略采用滑動(dòng)優(yōu)先級(jí)的方式，對(duì)于同時(shí)有幾個(gè)半滿信號(hào)輸入的情況，優(yōu)先級(jí)高的先調(diào)度，而優(yōu)先級(jí)根據(jù)調(diào)度的順序進(jìn)行輪轉(zhuǎn)，即剛調(diào)度過的優(yōu)先級(jí)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(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)專用集成電路CY7B923，它將并行的碼流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為270 Mbit/s的串行數(shù)據(jù)，再通過輸出耦合驅(qū)動(dòng)電路完成ASI信號(hào)的驅(qū)動(dòng)及耦合輸出。

2.3.2 Nios II軟件設(shè)計(jì)

本文的Nios II軟件采用中斷的方式。首先進(jìn)行初始化設(shè)置，當(dāng)檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)時(shí)則進(jìn)行復(fù)位，否則進(jìn)入下一步，此時(shí)默認(rèn)將替換源與第一路被替換源的PID號(hào)顯示在液晶屏上，如selection有輸入，則把計(jì)數(shù)器自加1，此時(shí)中間處理系統(tǒng)把下一套節(jié)目的PID號(hào)傳遞過來，若有enter信號(hào)，則開始替換并在液晶屏上顯示，若替換成功則傳回一個(gè)success信號(hào)，并在液晶屏上顯示替換成功。Nios II軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

用實(shí)際的電視節(jié)目進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，其實(shí)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(hào)，通過衛(wèi)星接收機(jī)將其轉(zhuǎn)換成符合AVS標(biāo)準(zhǔn)的TS流，一路送到FPGA開發(fā)板作為被替換源進(jìn)行節(jié)目替換，另一路送到復(fù)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(jī)頂盒解調(diào)后送到電視機(jī)播放。

測(cè)試時(shí)設(shè)置機(jī)頂盒解調(diào)信號(hào)的頻點(diǎn)為283 MHz，調(diào)制方式為QAM256，將硬件設(shè)備按上述方式進(jìn)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(cè)試將少兒頻套替換成新聞?lì)l套，通過電視機(jī)播放觀察結(jié)果。在進(jìn)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(shè)計(jì)合理，切實(shí)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?lì)l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(jié)

本文是基于系統(tǒng)層的無縫拼接，主要在系統(tǒng)層對(duì)兩個(gè)傳輸流進(jìn)行處理，不經(jīng)過解復(fù)用、解碼、編碼和重新復(fù)用的過程。通過選擇合適的拼接點(diǎn)、調(diào)整PSI信息、調(diào)整時(shí)間信息等手段在系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)無縫拼接，運(yùn)算量小，能快速完成；同時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字電視節(jié)目無縫插播。

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