DVB-S2中三維傳輸方案

邵永慶,張白愚,黃 焱

(1.重慶通信學(xué)院國家3G研究中心,重慶 400035; 2.信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

DVB-S2中三維傳輸方案

邵永慶1,2,張白愚2,黃 焱2

(1.重慶通信學(xué)院國家3G研究中心,重慶 400035; 2.信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

根據(jù)DVB-S2碼流自身的特點(diǎn)以及參考二維視頻數(shù)據(jù)的傳輸,提供了三維視頻節(jié)目在第2代衛(wèi)星廣播電視標(biāo)準(zhǔn)信道中的3種基于數(shù)據(jù)鏈路層傳輸方式,并給出了相應(yīng)的發(fā)送協(xié)議棧.根據(jù)每種傳輸方式的規(guī)定,計(jì)算了每種情況下碼流的傳輸效率,并進(jìn)行對(duì)比.綜合各種因素,得出每種傳輸方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,任何一方都不能完全被替代.

第2代衛(wèi)星廣播電視標(biāo)準(zhǔn);三維視頻;傳輸方案;傳輸效率

2009年底,美國立體電影《阿凡達(dá)》的放映掀起了三維(Three Dimensional,3D)顯示的熱潮,它讓觀眾感受到了3D的驚人魅力.三維視頻所特有的景深效果,使觀看者不僅有強(qiáng)烈的真實(shí)感,更有身臨其境、融入其中的感覺.基于這些優(yōu)點(diǎn)三維視頻逐步走入普通百姓的視線,并得到了飛速發(fā)展[1].3D顯示技術(shù)是3D業(yè)務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ),對(duì)顯示技術(shù)的研究可以追溯到很早,早期的研究僅僅局限在學(xué)術(shù)領(lǐng)域,距市場化應(yīng)用還有很大的距離.近些年,相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展,顯示技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍,為3D業(yè)務(wù)的發(fā)展與普及打下了良好的基礎(chǔ).目前,一些大型公司以及科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入了大量的人力物力去研究3D技術(shù),希望自己的產(chǎn)品早日進(jìn)入市場,并成為主導(dǎo).

雖然對(duì)3D顯示技術(shù)的研究取得了一定的成果,但是對(duì)其傳輸?shù)难芯肯鄬?duì)較少,或者說缺少相關(guān)的規(guī)范,用衛(wèi)星傳輸3D數(shù)據(jù)的研究則更少.目前所看到的3D畫面大部分都是通過移動(dòng)載體進(jìn)行傳播,如電影院看到的3D電影.通過“線路”進(jìn)行傳輸?shù)妮^少,如網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星傳輸?shù)?通過移動(dòng)載體傳播成本高、傳播周期大、不靈活,通過“線路”傳輸成本低、方便靈活、易于接收等優(yōu)點(diǎn)逐漸顯露出來.隨著人們對(duì)3D業(yè)務(wù)需求的日益增加,對(duì)3D數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯烤哂兄匾默F(xiàn)實(shí)意義.數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting,DVB)組織于2012年1月正式公布了用DVB信道傳送3D信號(hào)的第1個(gè)技術(shù)說明:DVB和Frame Compatible Planostereoscopic 3DTV[2].根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),筆者給出了第2代衛(wèi)星廣播電視標(biāo)準(zhǔn)(The Second Generation of Digital Video Broadcasting-Satellite,DVB-S2)中3D視頻的傳輸框圖,如圖1所示.虛線框部分為研究的重點(diǎn),主要討論3D視頻編碼后的數(shù)據(jù)流如何封裝以及在DVB-S2信道中的傳輸.

圖1 DVB-S2系統(tǒng)中3D視頻的傳輸框圖

1 3D信號(hào)編碼簡介

研究3D視頻信息的傳輸,需要對(duì)其編碼有一定的了解.現(xiàn)階段,市場上的大部分經(jīng)過非移動(dòng)載體傳輸?shù)?D信號(hào)都是采用多視點(diǎn)視頻編碼(Multiview Video Coding,MVC)技術(shù).在2D視頻編碼領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是2003年3月由聯(lián)合視頻組(Joint Video Team,JVT)頒布的H.264(亦稱MPEG-4的第10部分),主要應(yīng)用在數(shù)字視頻存儲(chǔ)、IPTV、數(shù)字衛(wèi)星廣播以及手機(jī)電視等業(yè)務(wù).雖然H.264標(biāo)準(zhǔn)非常靈活方便,但它只是對(duì)2D視頻進(jìn)行編碼,沒有制定關(guān)于3D視頻的編碼標(biāo)準(zhǔn).正是在這種背景下,JVT提出了多視點(diǎn)視頻編碼MVC的概念.多視點(diǎn)視頻主要通過在場景中放置多臺(tái)攝像機(jī),記錄下多個(gè)視點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù),提供給用戶以視點(diǎn)選擇和場景漫游的交互能力[3].MVC是對(duì)多視點(diǎn)視頻的一種高效的壓縮編碼方式,其基本原理是建立在H.264基礎(chǔ)之上的,是H.264的一個(gè)擴(kuò)展,也是現(xiàn)階段視頻通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)之一.文中用DVB-S2信道傳輸?shù)?D信號(hào)的編碼就借鑒了MVC技術(shù).

2 3D信號(hào)在DVB-S2信道中的傳輸方式

由于顯示技術(shù)的發(fā)展,普通的家用電視已經(jīng)可以播放3D視頻,這使得研究“線路”傳輸3D視頻具有實(shí)際意義.雖然DVB組織頒布了3D視頻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但標(biāo)準(zhǔn)中沒有具體指出數(shù)據(jù)鏈路層以上的具體傳輸方式.這里研究的重點(diǎn)就是3D視頻信號(hào)在DVB-S2系統(tǒng)中鏈路層以上的內(nèi)容,以使人們更加方便地通過衛(wèi)星廣播或衛(wèi)星上網(wǎng)的方式獲取3D視頻.現(xiàn)在市場上大部分3D視頻都是2視點(diǎn)視頻,此類視頻在制作過程中都是模仿人的左右眼,通過兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)進(jìn)行錄制[4].1路3D信號(hào)可以簡單地理解成兩路HDTV,再加上控制信息和說明信息.根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及借鑒MVC技術(shù),可將1幀3D畫面分成3幀普通的高清晰度電視(High Definition Television,HDTV)畫面:一個(gè)基準(zhǔn)畫面和另外兩個(gè)畫面,然后再按照H.264進(jìn)行編碼.因此,其在DVB-S2中的傳輸方式可以參考HDTV,具體情況如圖2所示.

根據(jù)對(duì)DVB-S2中2D信號(hào)的研究,以及對(duì)其中碼流信息的掌握,DVB-S2信道中3D信號(hào)可以通過兩種方式傳輸:(1)直接封裝到MPEG-2格式的碼流中,以廣播的方式發(fā)送給用戶.(2)以IP數(shù)據(jù)的方式,經(jīng)相關(guān)協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝在可直接傳輸?shù)拇a流中,再通過DVB-S2信道傳送,此方式主要用于單播傳輸或組播傳輸.

由前文知,3D數(shù)據(jù)可以簡單理解為3路HDTV數(shù)據(jù),再加上一些控制信息組成,而每一路HDTV采用的編碼方式為H.264/AVC.在傳輸過程中,先將3D視頻信息和伴音內(nèi)容分別進(jìn)行編碼,然后再將伴音碼流和視頻碼流復(fù)用成3DTV數(shù)據(jù)流[5].

在DVB-S2中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流包含兩種:傳送碼流(Transport Stream,TS)和普通碼流(Generic Stream,GS).TS流具有固定的長度(188 B,不含校驗(yàn)字段);GS流是不定長的,可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,靈活性強(qiáng)[6].TS流主要應(yīng)用于廣播業(yè)務(wù),也可以用來傳送IP等其他業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù);而GS流主要用來傳輸IP數(shù)據(jù)等單播或多播業(yè)務(wù).下面討論兩種3D視頻的兩種傳輸方式.

圖2 3DTV信號(hào)和HDTV信號(hào)的傳輸系統(tǒng)框圖

2.1以廣播的方式進(jìn)行傳輸

若3D信號(hào)以廣播的形式發(fā)送,需要將3DTV數(shù)據(jù)流直接封裝到具有188 B固定長度的MPEG-2 TS流中.將3D視頻數(shù)據(jù)流直接封裝到MPEG-TS流中,通常是指廣播類的節(jié)目,它是針對(duì)所有接收用戶.因?yàn)槭轻槍?duì)所有的接收用戶,所以數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度低.根據(jù)DVB標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)流的規(guī)定,將前文提到的3DTV數(shù)據(jù)流打包成打包基本流(Packetized Elementary Stream,PES),再和節(jié)目專用信息(Program Special Information,PSI)進(jìn)行復(fù)用,形成具有188 B固定長度的DVB-S2碼流.具體的發(fā)送協(xié)議棧如圖3(a)所示.

圖3 3D數(shù)據(jù)在DVB-S2中的發(fā)送協(xié)議棧

此類傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)接收機(jī)的要求較低,用戶接收起來比較方便.缺點(diǎn)是:只能用于廣播類傳輸,不適合應(yīng)用廣泛的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù),如視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)(Video on Demand,VOD)等.在個(gè)性化需求日益突出的今天,廣播類節(jié)目并不是每個(gè)人都喜歡的,人們要想獲得自己想要的3D節(jié)目還得通過其他渠道.由于是廣播方式發(fā)送,需要給其分配相對(duì)固定的帶寬,這就降低了頻帶的利用率.這種以廣播方式的高成本傳輸3D節(jié)目的方式,適合用戶數(shù)量龐大的媒體機(jī)構(gòu),如中央電視臺(tái)已經(jīng)開設(shè)的CCTV-3D頻道.

2.2 以IP數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行傳輸

在DVB-S標(biāo)準(zhǔn)中,只有一種傳輸碼流:TS流,為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)量大幅增加的IP業(yè)務(wù)以及私有業(yè)務(wù)[7],DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)新增了一種碼流:GS流[8].因此,3D數(shù)據(jù)以IP方式在DVB-S2信道中可以通過兩種碼流進(jìn)行傳輸,一種是利用TS流進(jìn)行傳輸,另一種是利用GS流進(jìn)行傳輸.

2.2.1 在TS流中傳輸

3D視頻在TS流中以IP數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行傳輸和普通的IP數(shù)據(jù)的處理流程[9]相似.以在線觀看3D視頻為例,闡述數(shù)據(jù)的封裝方式.這里要用到實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol,RTP),雖然處理起來相對(duì)復(fù)雜,但更能透徹地分析問題.RTP是為視頻、音頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供端到端的傳遞服務(wù),可以向接收端傳輸恢復(fù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所必需的定時(shí)和順序信息,并向收發(fā)雙方和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者提供服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)監(jiān)測手段.RTP承載普通編碼的視頻數(shù)據(jù)比較復(fù)雜,在RTP首部后還需要加一個(gè)視頻壓縮頭.但用H.264編碼的壓縮視頻比較特殊,H.264運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer,NAL)接口,它可以包含一個(gè)類型的語義元素,不需要再添加視頻壓縮頭,因此將封裝過程簡單化了.數(shù)據(jù)封裝的傳輸過程如下:

Step1 將經(jīng)過多視頻編碼器后得到的含有伴音信息的數(shù)據(jù)流封裝在RTP協(xié)議下.

Step2 加上UDP的頭.

Step3 進(jìn)行IP封裝,或根據(jù)實(shí)際的需要添加其他協(xié)議的頭.

Step4 經(jīng)多協(xié)議封裝(MPE),再打包得到可以直接傳輸?shù)腗PEG2-TS流.具體的發(fā)送協(xié)議棧如圖3(b)所示.

如視頻信息不需要實(shí)時(shí)傳輸,可以直接把編碼后的原始數(shù)據(jù)流按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝,然后經(jīng)過MPE,打包成可以在信道中直接傳輸?shù)腡S流.

2.2.2 在GS流中傳輸

DVB-S2中新增的GS流主要是針對(duì)IP業(yè)務(wù)的.因此,3D視頻數(shù)據(jù)在GS流中傳輸也很靈活.GS流是由GS包組成.一般情況下,TS流主要采用的是MPE封裝,也有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)流采用的是單向輕量封裝(Unidirectional Lightweight Encapsulation,ULE);而GS流采用的是GSE封裝.相對(duì)于MPE,一般封裝方式(Generic Stream Encapsulation,GSE)的頭部開銷很小,主要是因?yàn)镸PE中必備的MAC地址已經(jīng)不再使用(在一些場合,可以直接連接目的主機(jī)),這樣就提高了IP組播或單播的傳輸效率.當(dāng)需要目的地址時(shí),可以在GSE頭部的擴(kuò)展字段添加.GS流有別于TS流的一個(gè)最主要的特點(diǎn)是:GS包是不定長的,發(fā)送端可以根據(jù)需要調(diào)整包長的大小,這樣就增加了碼流的利用效率,這些都是GS流靈活性的具體體現(xiàn).TS包有固定的同步字節(jié)0X47,而GS包沒有特定的同步字節(jié),在獲得高效的傳輸率的同時(shí),也增加了數(shù)據(jù)流的處理難度,說明了效率和復(fù)雜度這兩點(diǎn)是相互對(duì)立的.3D視頻信息在GS流中傳輸?shù)牟襟E如下:

Step1 信源編碼,用多視點(diǎn)編碼器將視頻內(nèi)容及其伴音編碼成適合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流.

Step2 根據(jù)需求,將步驟1中的數(shù)據(jù)流用TCP/IP或者其他封裝協(xié)議進(jìn)行封裝.

Step3 進(jìn)行GSE封裝,打包成GS包.

具體的傳輸協(xié)議棧如圖3(c)所示.

還需要特別指出的是,GSE封裝是專門為GS流制定的封裝協(xié)議[6],是一種高效的封裝方式,可以說是GS流靈活高效的主要原因.GS流是由GS包組成的,而GS包是由GSE封裝頭部和數(shù)據(jù)協(xié)議單元(Protocol Data Unit,PDU)組成的,具體的頭部格式如圖4所示.

圖4 GSE的頭部格式

圖4中,屬于同一個(gè)文件的PDU具有相同的Frag ID,GSE Length是指一個(gè)GS包的長度(頭部+數(shù)據(jù)),Total指具有相同F(xiàn)rag ID號(hào)的所有GS包的長度和,Protocol Type是協(xié)議類型,指出PDU中攜帶的數(shù)據(jù)類型,Label和Ext.headers都是可選字段,為數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行補(bǔ)充說明.

3 3D數(shù)據(jù)的傳輸效率

根據(jù)前文可知,3D數(shù)據(jù)通過DVB-S2信道[10]發(fā)送給用戶,可以有兩種不同的傳輸方式:以廣播的方式和以IP數(shù)據(jù)的方式(又可以具體分為通過TS流傳輸和通過GS流傳輸).下面具體討論數(shù)據(jù)在各種碼流中的傳輸效率,即有效載荷長度和傳輸這段數(shù)據(jù)所需的基帶幀長度的比值[11].首先,計(jì)算數(shù)據(jù)以廣播的方式傳輸?shù)男?即

其中,184是一個(gè)TS包的最大負(fù)載長度,10是基帶幀頭部開銷.下文若再次出現(xiàn)相同參數(shù),其意義相同,不再贅述.文中涉及到的長度單位均為B.

在TS流中,以IP方式傳輸?shù)男蕿?/p>

式(4)中的8為RTP頭長度,式(5)中的8為UDP頭長度,式(6)中的20為IP頭部長度.

在GS流中,以IP方式傳輸?shù)男蕿?/p>

仿真時(shí),取基帶幀長度LBBframe為1 500 B.其中,Ldata表示數(shù)據(jù)長度,LRTP表述RTP包長,LUDP表示UDP包長,LIP表示IP包長,LGSE表示GS包的長度,LBBframe_header表示基帶幀頭部開銷,LBBframe表示基帶幀長度.

由圖5可知,無論按哪種方式傳播,效率都是隨著數(shù)據(jù)長度的增加而增加的,并且當(dāng)數(shù)據(jù)長度達(dá)到一定值后,傳輸效率趨于穩(wěn)定.當(dāng)效率趨于穩(wěn)定時(shí),IP數(shù)據(jù)在TS流中傳輸和GS流中傳輸相比,傳輸效率低了幾個(gè)百分點(diǎn),驗(yàn)證了GS流的高效性,也是DVB組織增加GS流的初衷之一.而3D數(shù)據(jù)以IP的方式在TS流中傳輸效率遠(yuǎn)低于以廣播的形式傳播,即使在高效的GS流中,效率也稍低于廣播方式的,因?yàn)橐訧P方式傳播,需要封裝較多協(xié)議,增加了頭部開銷,降低了數(shù)據(jù)的傳輸效率.

圖5中的曲線是實(shí)際效率曲線的包絡(luò),實(shí)際曲線會(huì)有拐點(diǎn),因?yàn)榉抡鏁r(shí),數(shù)據(jù)的長度是從小到大逐漸增加的,每當(dāng)數(shù)據(jù)的大小剛好能封裝整數(shù)個(gè)包(TS包或GS包)時(shí),數(shù)據(jù)量再加1 B時(shí),系統(tǒng)會(huì)再分配一個(gè)包,而這個(gè)包中只有1 B有效數(shù)據(jù),很多地方要用填充.因此,計(jì)算效率時(shí)會(huì)稍微降低.然后,再隨著數(shù)據(jù)量的增加而變大,曲線的總體趨勢(shì)是逐漸增加的.

圖5 3種方式的傳輸效率圖

雖然物理層不是文中的研究范圍,但不得不提到DVB-S2中的自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)技術(shù),因?yàn)榫湍壳敖邮盏降腉S流看,大部分都是和ACM技術(shù)搭配使用的,即GS流在物理層都是按照ACM的方式進(jìn)行傳播的.ACM的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在自適應(yīng)上,它可以根據(jù)信道狀況的好壞,自主地選擇不同的編碼調(diào)制方式,這就需要接收端能夠快速地調(diào)整自己的解碼方案.在獲得了高效的數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí),也增加了接收端的復(fù)雜程度.

從靈活性角度出發(fā),3D視頻數(shù)據(jù)在GS流中以IP的方式傳播最佳,但是綜合各方面因素,每一種傳輸方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn).數(shù)據(jù)以廣播的方式發(fā)送,缺點(diǎn)是占用頻帶較大,可選擇性小;優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸效率高,接收成本低.數(shù)據(jù)以IP的方式在TS流中傳輸,缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸效率低;優(yōu)點(diǎn)是接收成本低,頻帶利用率高.數(shù)據(jù)以IP的方式在GS流中傳輸,缺點(diǎn)是接收成本高;優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸效率高,頻帶利用率高.因此,它們是相互補(bǔ)充的,誰也不可能完全替代誰.

4 結(jié)束語

討論了目前比較流行的3D視頻在DVB-S2信道中的傳輸方式,主要從鏈路層的角度出發(fā),講述了3D視頻的幾種不同的傳輸方式,并討論了在每種傳輸方式下的傳輸效率.

目前國內(nèi)還沒有制定正規(guī)的衛(wèi)星傳輸3D視頻的標(biāo)準(zhǔn),DVB組織雖然給出了3D視頻傳輸?shù)牡?個(gè)技術(shù)說明,但說明中沒有給出鏈路層以上具體的傳輸方式.文章借鑒2D視頻在DVB-S2信道中的傳輸方式,再結(jié)合DVB-S2中新增GS流的特點(diǎn),給出了3D視頻的3種傳輸方式,并仿真計(jì)算了每種方式下的傳輸效率.雖然在理論上證明了可行性,但還需在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn),來測試方案的可行性.相信在不久的將來,隨著人們對(duì)更具有感官印象的3D視頻的青睞,通過星載網(wǎng)絡(luò)或者廣播方式傳輸?shù)?D信號(hào)會(huì)越來越多,3D顯示產(chǎn)品將走進(jìn)千家萬戶,3D視頻也將以其無可比擬的優(yōu)勢(shì)逐漸代替2D視頻,真正成為我們生活中的一部分.

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(編輯:齊淑娟)

The 3D transmission scheme in DVB-S2

SHAO Yongqing1,2,ZHANG Baiyu2,HUANG Yan2
(1.National Research Center of Third Generation Mobile Communication System,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China;2.Communication Engineering College,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China)

According to the characteristics of DVB-S2 streams and 2D data transmission,three kinds of transmission modes based on the data link layer are provided in the DVB-S2 channel,and the corresponding transmission protocol stacks are also given.According to the regulation of transmission modes,the transmission efficiency is calculated in each case and then a comparison is made.Synthesizing various factors,we conclude that each transmission mode has its own advantages and disadvantages in different applications,and that none of them cannot be completely replaced by others.

the second generation of digital video broadcasting-satellite;3D program;transmission plan; transmission efficiency

TN94

A

1001-2400(2014)01-0147-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.026

2012-10-22 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2013-09-16

跨異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多模指揮調(diào)度系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用基金資助項(xiàng)目(CSTC2012gg-yyjsB40005);“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”資助項(xiàng)目(2013ZX03006003-006);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60872142)

邵永慶(1988-),男,信息工程大學(xué)碩士研究生,E-mail:shaod3@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.182_022.html