（通信与信息系统专业论文）数字电视自组织并播技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 数字电视自组织并播技术是根据内容有序整合广播前端众多电台资源的 技术，实现海量信息的自组织整体推送，为有效促进我国广播的数字化，创 造一种新的个性化增值服务模式。本论文对数字电视自组织并播系统进行理 论与实验研究，u c l 统一内容定位技术和数字电视自组织并播技术是实现系 统的两个关键技术。 首先，论文从播存电视理念展开论述，对数字电视自组织并播的实现目 标和关键技术进行了研究，分析了国外对数字电视的元数据规范，在此基础 上提出了数字电视内容标引元数据规范建议和数字电视内容的u c l 标引、 映射方案。 其次，研究了d v b 数字视频广播标准，设计了基于d v b 的缩比实验前 端数字电视自组织并播系统。该系统运行于前端的并播服务器上，系统节目 源选择m p e g 一4 编码格式的标清录制节目。系统实现的主要功能有：央视栏 目内容的手动标引；标引信息的u c l a 映射；按节目热度以固定速率、时分 复用方式的16 路节目的并播。 最后，在实验室构建的有线电视广播网和局域网硬件平台上，进行了系 统实验研究，分析了必要的实验结果与数据，进行了传输的有效性和可靠性 问题分析。实验结果表明基于u c l 的数字电视自组织并播传输的可行性，为 实际应用模型的设计奠定基础。 关键词：数字电视自组织并播统一内容定位 播存电视 西南科技大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t s e l f - o r g a n i z i n 9 1 y p a r a l l e l 一b r o a d c a s t i n g ( p b )t e c h n 0 1 0 9 y o f d i g i t a l t v ( d t v ) ，at e c h n o l o g yw h i c hc a no r d e r l yi n t e g r a t en u m e r o u s r e s o u r c e so f t e l e v i s i o n sa tt h ef r o n t - e n do fb r o a d c a s t i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec o n t e n t ，i st o s e l f o r g a n i z i n 9 1 yp u s h m a s si n f o m a t i o na saw h o l ea n dt oc r e a t ean e w p e r s o n a l i z e dv a sp a t t e m ，w h i c hc a ne f - f e c t i v e l yp r o m o t et h ed i g i t a lp r o g r e s so f b r o a d c a s t i n g t h es e l f o r g a n i z i n g l yp bs y s t e mo fd t v i ss t u d i e di nt h i sp a p e r f r o mt h et h e o r ya n de x p e r i m e n ta s p e c t t h es y s t e mi sb a s e do nt h eu c l ( u n i f o r m c o n t e n tl o c a t o r ) t e c h n 0 1 0 9 ya n dt h es e l f o r g a n i z i n 9 1 yp bt e c h n 0 1 0 9 y f i r s t l y ，t h eb r o a d c a s t - s t o r a g et v ( b s t v ) t h e o r yi ss t u d i e d ，a n d t h e nt h e o b _ e c t i v e sa n dk e yt e c h n 0 1 0 9 i e s2 【b o u ts e l f 二o r g a n i z i n g l yp ba r ee x p l o r e di nt h e p a p e r a t 也es 锄et i m e ，t h e “c o n t e n t i n d e x i n gm e t a d a t as t a n i l a r dd r a f to fd t v ” a n dt h es c h 锄e so fu c li n d e x i n ga n dm a p p i n ga r ef i g u r e do u tb a s e do nt h e a n a l y s i so ff o r e i g nm e t a d a t ac r i t e r i o n sf o rd t v s e c o n d l y ，t h es e l f - o r g a n i z i n g l yp bs y s t e mo fd t vb a s e do nd v ba t t h e 行o n t e n do fs c a l i n ge x p e r i m e n ti sd e s i g e n e da 矗e rr e s e a r ( m i n go nt h e l v b s t a n d a r d t h es y s t e mr u n sa tt h ep bs e r v e ro ft h ef r o n t - e n d t h ep r o g r a mr e s o u r c e o ft h es y s t e mi ss e l e c t e df r o mt h et r a n s c r i b e ds d t vw h i c hw a se n c o d e dt o m p e g 一4f o m a t t h em a i n 血n c t i o nt h es y s t e mr e a l i z di n c l u d e st h em a n u a li n d e x f o rt h ec 0 1 u m n so fc c t v t h eu c l am a p p i n gf o ri n d e x e di n f o m a t i o na n dt h el6 r o u t e sp bt r a n s m i s s i o no fp r o g r a ma c c o r d i n gt ot h eh e a ti nt h ew a yo ff i x e d s p e e da n dt d mm o d e f i n a l l y ；t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h es y s t e mi sc a m e do u to nt h ep l a t f l o n n o ft h ec a t vb r o a d c a s t i n gn e t w o r ka n dl a ns t r u c t u r e di nt h el a b o r a t o r y e s s e n t i a ll a b o r a t o r i a lr e s u l t sa n dd a t aa r ea n a l y s e d a n dt h ev a l i d i t y a n d r e l i a b i l i t yp r o b l e m sa r ea n a l y s e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h e f e a s i b 订i t yo fs e l f - o r g a n i z i n g l yp bt r a n s m i s s i o no fd t v b a s e do nu c l ，w h i c h l a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n m o d e l k e yw o r d s ：d i g i t a lt v ( d t v ) ；s e i f o r g a n i z a t i o n ；p a r a l l e l b r o a d c a s t i n g ( p b ) ； u n i f o 彻c o n t e n tl o c a t o r ( u c l ) ；b r o a d c a s t s t o r a g et v ( b s t v ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：辞炳 日期：孑胛寥、莎。多 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布 该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：霹灼青 导师签名： 琴显j 封 日期： 一苫6 。仫 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1我国数字电视发展的按需互动化趋势 数字电视( d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 指基于数字技术平台，从电视节目的录制、 采编、播发、传输、接收、显示等均以数字方式( 0 与1 的组合) 存在的一 种新的彩色电视系统，并且这里所指的“节目 也不是单纯意义上的视频图 像，还包括提供的各类多媒体数据业务。本文中的数字电视除特殊说明外专 指数字化的广播电视，与传统的模拟电视相比，数字电视具有抗干扰能力强、 音视频质量高、频谱利用率高、节目容量大、数据业务丰富的优点。 电视领域必将从模拟方式过渡到数字方式，即数字电视代表了电视的未 来胆。各国政府都把数字电视列为新的经济增长点，并纷纷制定发展规划和 推进政策。目前，许多国家确定了数字电视普及的时间表：美国强行要求， 数字电视过渡的最后期限为2 0 0 7 年；欧洲各国数字电视普及大体上是以2 0 0 6 年为限；俄罗斯所有广播和电视将在2 0 15 年前由模拟电视转换成数字模式。 数字电视产业化项目是我国“十五 计划的1 2 个重点项目之一，我国淘汰模 拟电视的最后期限也是2 0 1 5 年。 然而，广播虽然进行了数字化，但没有意识到“个性化服务 对信息共 享的重要性n 1 。首先，广播都是非互动“按时服务”的。什么时段广播什么 内容，完全由电台决定，用户只在遵守节目时间表的情况下，才能得到服务， 没有自主选择时间的自由。这种“按时服务 ，没有考虑随时、随意的个性 需求，缺乏“按需服务”的现代理念。其次，目前许多数字电视频道的供应 商以轮播数字电视节目的方式提供节目内容，数字电视与模拟电视内容相似 或重复，频道定位差异不明显，仅仅依靠与模拟电视近似同质的数字音视频 业务，难以有效地吸引用户，。 由于技术、标准等其他方面的问题，我国数字电视发展缓慢，还处于数 字电视发展的初级阶段，初期以硬件设备为主，内容应用与增值服务将是产 业发展的新成长空间，用户普遍不愿多出月租费去支持内容和服务都没有明 显改善的整体切换。2 0 0 3 年6 月，广电总局发布了我国有线电视向数字化 过度时间表，正式启动有线数字电视工作，并把2 0 0 4 年定为“数字化年 、 “产业化年 。但是截至2 0 0 7 年初，我国数字电视用户才达1 2 6 6 万，离广 电总局要求的2 0 0 5 年有线数字电视接收用户达到3 0 0 0 万的差距还很大，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 相反，2 0 0 4 年网络电视却异军突起，成为2 0 0 4 年中国宽带互联网发展 的亮点。网络电视( i p t v ) 是指利用宽带网的基础设施，以家用电视机( 或 计算机) 作为主要的终端设备、多媒体、通信等多种技术于一体，通过互联 网协议向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新 技术。比较数字电视与网络电视的区别：数字电视清晰度高、音频效果好、 抗干扰能力强；网络电视最大的优点在于互动性和个性化。数字化是一个笼 统的口号，数字化仅仅停留在能提高画面质量和增加节目数量，不能从根本 上改善大部分老百姓对节目的双向互动，整体切换阻力重重，用户普遍不主 动支持。然而，网络电视( i p t v ) 利用宽带网的基础设施，在网络容量和结 构的的扩展性、网络组播能力、网络服务质量、安全性、中间件等方面不如 广播网，这是i p t v 面临的挑战。从政策层面上讲，数字电视的发展得到了 政府的大力支持，电信运营商开展的网络电视业务处于劣势地位。然而，网 络电视却优于数字电视迅猛发展，对数字电视尚不成熟的市场形成了强大冲 击】。 严峻的事实促使广播行业逐步意识到，数字化只是手段，不是目的，明 显地改善服务，才是目的。用户对节目的双向互动，是改善服务的首要课题， 是百姓意向的大势所趋。基于用户这个出发点和落脚点，纵观我国数字电视 的发展现状和前景，我们应当理智地分析现存的诸多问题，有效推进我国广 播电视的数字化发展进程。 1 1 2播存电视理念的提出 从信息传输特性来看，数据广播系统的存在有其必然性。数据广播的广 播结构为树型结构( 有线结构) 和辐射结构( 无线结构) 。广播结构与通信 结构在信道资源的分配或者共享方式上有本质的不同。通信结构是将信道资 源分配给用户，典型应用是电话网络和计算机局域网络，是信息开放结构， 体现了“端到端”的信息交换方式。广播结构是将信道资源分配给信息或节 目，典型应用为无线电广播和电视节目广播，广播前端信息的整合是开放的， 广播用户端只能使用数据广播前端整合的信息，其信息使用与消费方式实际 上是封闭的，广播结构是信息的半开放半封闭结构，体现了单点到多点的信 息传播方式，。 其实，广播也可以实现个性化服务。中国工程物理研究院李幼平院士针 对数字广播网络的结构特征而提出了一种全新的信息共享架构一播存结构， 它可以用低成本方式，解决无冲突的网络共享和电视“按需服务”的互动化 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 问题。我们把这一理想，称为“播存网格”。“网格 的理念，是计算机专 家首先提出来的，要义是“整合资源、广泛共享 ，即把分散在各地的计算 能力、存储能力、软件能力通过网络整合一体、科学调度，为更多的用户提 供高性能的计算环境。播存网格的理念有点类似于计算网格，希望通过一个 广播频道，把许多电视节目和w e b 内容整合一体，营造“存文化于民间的 公益型国家环境圳。 中国工程院信息学部组织相关小组在“播存原理 的基础上提出了播存 电视( b r o a d s t o r a g et v ，b s t v ) 的概念，如图1 1 所示，在数字广播和用 户之间，增添存储环节，形成基于播存原理的互动电视。各电台通过数字广 播，事先把内容存入用户身边的存储环节，存储环节积累不同时刻播出的内 容，把瞬态存在的广播数据流，变成为时间上长期存在的服务器数据库。用 户通过对存储环节的读出控制，近距离实现对电视内容的双向互动。用户在 任何时刻都可以使用这些电台的任意节目，而且无需远行、无需等待、永不 拥塞。 图卜1播存式数字电视 f i g 1 1b r o a d s t o r a g et v i p t v 把存储环节放在互联网的前端，通过i p 协议对远距离的存储环节 实现双向互动；b s t v 则把存储环节放在广播网的后端，只需对身边存储环节 双向互动。可以说，两者的第一原理没有两样，只是途径不同，成本瓶颈不 同，i p t v 需要更低的带宽成本，b s t v 则需要更低的存储成本。选择终端存储 的理由首先是注意到存储成本的下降，而且下降的速度要比运算速度和通信 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的带宽进步更快，这为播存电视提供了现实的物质基础，。 1 1 3基于u c l 的数字电视自组织并播技术的提出 b s t v 系统中，如何实现资源一体化是我们需要攻克的难题之一，即把 几十个主流电台的节目整合到一个频道中播出。尽管从容量上说，电视节目 来自不同电台，时间上独立无关，需要创造某种自组织的软件，把它们有序 地组织在单个频道中，并保证从存储环节中取出节目时，同在几十个频道中 实时指点没有两样。并播技术是一项有序整合众多电台资源的软件技术。 b s t v 接收端用户如何选择自己感兴趣的电视节目进行下载存储，又如 何在下载的大量丰富多彩的电视节目中定位某一节目内容? 可以启用统一内 容定位u c l ( u n i f o mc o n t e n tl o c a t i o n ) 技术。 u c l 是关于信源组织、信息标引与信息导引的一组语法规则，便于信息 理解和主动服务n ”。u c l 使用相对简单的标引和解析方法实现对文件内容的 理解，是一种简单而实用的语义理解方法。u c l 技术的引入目的就是希望对 数字电视节目的分类、检索、智能导引起到事半功倍的效果，便于对数字视 频内容的理解，取代广播节目时间表的功能。 用户端通过解析u c l 信息，可判断数据包是否属于用户指定的下载对 象，把大多数非预定内容滤除在存储之前，节省存储空间，节省用户成本： 通过u c l 调度存储环节内容的进出，删除陈旧内容，腾出空间迎接新内容投 入，自动实现“吐故纳新”；用户端通过u c l 自动生成当时己下载库存列表， 方便用户直接按库存内容指点自已想预订或观看的对象。 基于u c l 的数字电视自组织并播技术是实现b s t v 理念的重要技术之 一，具体理论研究将在第三章进行介绍。 1 1 4 课题研究现状 在李幼平院士思想的指导下，播存结构网络与u c l 技术已经开始引起人 们的重视。在国内已有中国工程物理研究院电子应用研究所、西南科技大学、 九洲电子集团等科研机构进行了u c l 的理论框架研究，并在局域网和d v b c 网络平台下进行了网页的u c l 技术实验研究，研究工作取得了较好的效果， 得到了国家图书馆、国家广电总局和教育部的关注和支持。中国教育电视台 在张天林的领导下，开展了u c l 与并播技术在远程教育中的实验研究，在与 清华力合公司的合作下于2 0 0 6 年1 1 月已经通过了地面实验与卫星传输实验， 并与中宣部合作，利用l m 的卫星信道进行一群( 3 2 路) 的并播技术与u c l 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 实验。 播存结构思想同样得到了传媒科技界的广泛关注，星线空间信息技术有 限公司，、北京凯诚高清电子技术有限公司n 引等是播存网实践的先行者，把 播存结构的思想应用到相关的技术中，取得了一定的成果。北京星线空间开 展了基于卫星信道的u c l 网络视频信息服务，在2 0 0 6 年世界杯期间得到了 应用，正在筹划2 0 0 8 年北京奥运会的大规模应用。 虽然国内对u c l 和播存结构网络的研究已经开展了一段时间，建立了初 步的理论框架体系；但是仍然存在着许多亟待解决的问题，如对信息元数据 的描述规范，音视频等信息资源的自动标引的研究等等。在对u c l 的研究上， 还没有制定统一的标准，另外由于这项技术的研究还涉及复杂的实验环境， 如海量信息资源、覆盖全国的转发平台、大容量的接收存储终端u c l 管理软 件等，因此离实际应用还有一段距离。 1 1 5 课题研究意义 国内已有部分公司拥有了自己的新一代数据广播系统，如蓝拓扑、清华 永新、胜龙等公司，各公司的系统结构基本相同。系统播出的内容可以是股 票、流媒体、文件或者广域网信息。系统没有自主协议，完全采用了d v b 协议，s i 信息和电子节目指南e p g ，仍然不能摆脱用户受节目时间表的限制， 少量的点播还很不尽人意。 研究基于u c l 的数字电视自组织并播系统不仅符合数据广播标准，拥有 创新的自主协议，而且为播存电视的实际应用模型的建立奠定理论和实验基 础。同时，播存电视有着深远的社会和经济意义，体现以人为本的思想，为 有效促进我国广播电视的数字化，创造一种新的个性化增值服务模式。 首先，能够改善广播网非互动“按时服务 的弊端，实现用户对节目的 双向互动，体现了广播网“按需服务”的趋势。 由于存储环节的介入，电视变成一种无连接的服务。“无连接”指电台 与用户之间，没有必要保持一条连续接通的通信线路。当前的所有电视，不 管是否己数字化，都是有连接的，从服务开始到看完节目，需要同远方电台 保持无中断的物理连接。用“无连接”取代“连接 ，是广播有史以来的一 次重大变革，意义深远。首先是时间上解放了用户。他们可以随时、随意从 存储环节中取出内容，而不受何时、何台播出的牵制。也解放了电台，他们 不必顾虑此时此刻有多少用户收看，只管将内容尽早投入存储环节。电台、 用户双方在时间上获得了自然匹配。不仅仅将“按时服务 改造成“按需服 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 务 ，而且2 4 小时天充分利用传输能力，广播带宽的成本大为下降，效率 大为提高。 其次，利用统一内容定位代码( u c l ) ，取代广播节目时间表的功能， 改变了“电台栏目节目的电视内容定位顺序，创造一种全新的用户界面， 用户直接按内容圈定栏目。 此外，改变了广电行业在数字化进程中，创建的增值服务机制，将公益 性服务与增值服务分开。播存结构在u c l 里标明每一个被享用文件是属于哪 一类服务，具备整合与分解公益与增值这两类服务的能力。保证人民群众基 本收视权益的同时，广电单位通过增加个性化的服务，扩大收入来源，提高 收益，从而更好地服务于公共节目、公共事业的发展。 播存电视会随着技术的进步得到用户的认可，广播会因存储而振兴“。 1 2课题来源 为了更深入地研究下一代互联网与广播网有机融合的信息共享系统及其 理论，西南科技大学网络融合技术重点实验室研究者申报并获得了国家8 6 3 计划项目具有语义标引的互补结构网络( 项目编号为：2 0 0 5 a a l 2 l5 2 0 ) ， 旨在实验室构造具有语义标引的互补结构( 有线电视广播网和局域网) 实验 网，为构造下一代互联网和广播网积累必要的理论依据与实验仿真数据。本 课题正是以上述项目为背景开展理论和实验研究的，重点研究基于互联网与 广播网的数字电视节目的传输问题，着重解决实验网络系统前端多路数字电 视节目的有效整合与并播传输机制问题。， 1 3 论文的主要研究内容和组织结构 1 3 1论文的主要研究内容 本文在深入理解数字电视传输原理、播存电视原理、u c l 统一内容定位 技术基础上，选择播存电视系统前端“数字电视自组织并播技术作为研究 方向，在实验室构建的有线电视广播网和局域网平台上，开展理论和缩比实 验研究，实验结果表明互补结构网络平台上，自组织并播系统传输的有效性 和构建b s t v 系统的可行性。 论文将介绍本人在项目课题开发过程中所参与的实际研究工作，主要包 括以下几个方面： 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 1 ) 研究目前对数字电视节目的元数据描述规范，提出合理的数字电视 内容元数据标引规范，为构建数字电视u c l 系统提供依据； ( 2 ) 研究u c l 系统实现的关键技术，提出数字电视u c l 信息的标引与 映射方案； ( 3 ) 理解数字电视自组织并播原理和基于d v b 标准的数字电视传输机 制，针对构建的实验室互补结构网络平台，设计基于u c l 的多路节目源的自 组织并播传输系统，该系统运行于前端并播服务器上； ( 4 ) 理解数字电视传输系统的构造与传输原理，互联网络的构造原理， 明确基本概念，搭建实验网络底层硬件实验平台，针对数字电视自组织并播 系统，进行缩比实验研究，并进行实验数据结果分析。 1 3 2 论文的组织结构 第一章，绪论。简要介绍课题研究的背景及意义、课题来源与论文的主 要内容； 第二章，数字电视和数据广播相关标准研究。主要介绍d v b m p e g 一2 数据传输机制，是构造实验系统和系统开发所遵循的标准和依据； 第三章，播存电视系统的相关理论与技术研究。重点研究数字电视的自 组织并播技术和u c l 技术，是全文研究的重要理论与技术基础； 第四章，数字电视自组织并播系统的设计与实现。着重介绍系统软件的 设计方法和过程； 第五章，数字电视自组织并播技术的缩比实验研究，介绍在实验室构建 的网络平台上开展实验与实验实施情况： 结论部分是对整个论文工作的总结与进一步研究工作的探讨。 其中，第三、四、五章是本论文论述的重点。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 数字电视和数据广播相关标准研究 以数字电视为代表的数据广播系统以若干技术标准为支撑，其中最重要 的技术标准包括信源编码标准和信道传输标准。目前，经国际电联批准的数 字视频广播标准有三个：美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ) ；欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 和日本的l s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。 目前我国采用的是欧洲的d v b 数字视频标准，本章主要研究d v b 标准。 对数字电视和数据广播标准的研究有利于数字电视传输体系的理解，同时为 设计基于d v b 传输平台的数字电视自组织并播系统奠定基础。 2 1d v b 标准简介 1 9 9 3 年，为了有利于数字电视工业的发展，欧洲广播联盟开始了d v b 项目的研制。d v b 项目的目标是建立一个和m p e g 2 有着友好接口的数字电 视服务框架。d v b 标准由欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ，简称e t s i ) 发布，目前已有超过2 5 个国家的2 0 0 多个组 织为其成员。 d v b 标准制定了在卫星、有线电视系统、地面广播系统、多点分布式系 统、卫星共用天线系统、交互式电视、数据广播业务、条件接收( c a 系统) 、 字幕等数据服务、与光纤等网络的接口技术等一系列标准n ”。表2 1 对d v b 标准进行了总体概括。 2 2 d v b m p e g 一2 数据传输机制 d v b 标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规 范。d v b 选定i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信 源编码进行了统一，随后对m p e g 2 码流进行打包形成传输流，进行多个传 输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传 输。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 多点分布 d i g i t a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m sa ta n da b o v e1o g h z e t s3 0 07 4 8 式系统d i g i t a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m sa to rb e l o w10 g h z e t s3 0 07 4 9 2 2 1m p e g 一2 标准简介 m p e g ，是m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ( 运动图像专家组) 的缩写，该 组织是国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合组织的一个工 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 作组的简称，其全称为i s o i e c j i c l s c 2 9 w g l l 。m p e g 2 标准是“活动图 像及有关声音信息的通用编码 ( g e n e r i cc o d i n go fm o v i n gp i c t u r e s a s s o c i a t e da u d i oi n f o m a t i o n ) 标准，m p e g 开发的第2 个标准，是针对标准 数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编 码码率从每秒3 兆比特至1 0 0 兆比特，标准的正式规范在i s o l e c1 3 8 1 8 中。 m p e g 2 特别使用于广播级的数字视频的编码和传送，被认定为s d t v 和 h d t v 的编码标准。m p e g 2 还专门规定了多路节目的复分接方式。此外， m p e g 2 还兼顾了与a t m 信元的适配问题。 m p e g 一2 标准目前分为9 个部分，统称为i s o i e c1 3 8 1 8 国际标准。各 部分的内容简述如下： 第一部分一i s 0 i e c1 3 8 1 8 1 ，s y s t e m ：系统，描述将一个或更多的音频、 视频或其他的基本数据流合成单个或多个数据流，以适应与存储和传送的方 法。 第二部分一i s o i e c1 3 8 1 8 2 ，v i d e o ：视频，描述视频编码方法。 第三部分一i s o i e c l 3 8 1 8 3 ，a u d i o ：音频，描述与m p e g 1 音频标准反 向兼容的音频编码方法。 第四部分一i s o i e c1 3 8 1 8 4 ，c o m p l i a n c e ：符合测试，描述测试一个编 码码流是否符合m p e g 一2 码流的方法。 第五部分一i s o i e c1 3 8 1 8 5 ，s o f t w a r e ：软件，描述了m p e g 2 标准的 第一、二、三部分的软件实现方法。 第六部分一i s o i e c1 3 8 1 8 6 ，d s m c c ：数字存储媒体一命令与控制， 描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。 以上六个部分均己获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领 域中得到了广泛的实际应用。此外，m p e g 2 标准还有三个部分：第七部分 规定不与m p e g 1 音频反向兼容的多通道音频编码；第八部分现己停止；第 九部分规定了传送码流的实时接口。 2 2 2m p e g 一2 标准的系统组成 从m p e g 2 标准的系统组成来看，m p e g 2 标准可划分为两个部分：压 缩层和系统层，如图2 1 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 视频数据厂 i 叫视频编码器l 斗 i一： 音频数据厂 一 音频编码器卜_ _ i。，一； 厂1 视频p e s z 、鲫驱flp s 。，j 组俯 音频 p e s m l i 】【 分组器 一 髑 m u x 压缩层规范范围 斗系统层规范范围- 图2 1 i s 0 l e c1 3 8 1 8 1 简化的总体框图“引 f i g 2 1s i m p ii f ie df r a m eo fi s 0 i e c1 3 8 1 8 1 3 1 在压缩层，音频和视频数据按照i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 3 标 准对视频和音频信号进行信源压缩编码，形成视频和音频基本流e s ( e l e m e n t a r vs t r e a m ) ；在系统层按照i s o i e c1 3 8 1 8 1 标准将不同的基本流 分别经过分组化( p a c k e t i z e d ) ，打包成分组基本流p e s ( p a c k e t i z e de 1 e m e n t a r ) r s t r e a m ) 包。一个p e s 流可以由不定长度的p e s 分组组成( p e s 分组一般不 超过6 4 k 字节，但允许更长) 。为了数据流的复用和有效传输，将p e s 包分 割后作为负载插入传输流t s ( t r a n s p o r ts t r e 锄) 包或程序流p s ( p r o g r a m s t r e a m ) 包，负责将上层的p e s 分组传送到协议栈的下层进行传输。 传输流t s 和程序流p s 是m p e g 2 标准中规定的两种在信道中传输的数 据流的编码方法，两种流定义都是面向分组的多路复用流，分别适用于不同 的应用。t s 流将由多个独立时间基点的多道程序合成一个单独的数据流，其 中属于同一道程序的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基点。传输 流是针对那些很容易发生错误的环境而设计的，适于有信道噪声产生的传输， 可在网络中进行远距离传输。传输流分组长度为1 8 8 字节。p s 流是针对错误 相对较少的环境设计的，适用于像交互多媒体这样一些涉及软件处理系统信 息的应用，程序流分组是可变的而且相对较长。 由于d v b 数据广播规范是基于m p e g 2 的传输流t s 机制的，下面主要 介绍t s 流的相关内容，程序流的相关内容可参见i s o i e c1 3 8 1 8 1 中的有关 内容。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 3 传输流t s 传输流t s 是根据i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s 0 i e c1 3 8 1 8 3 协议而定义的一 种数据流。其目的是为了在有可能发生严重错误环境下进行一道或多道程序 的编码数据的传送和存储。t s 流是由t s 分组( 包) 组成，分组长1 8 8 字节。 一1 8 8 b 蚋器一叫 首部有效负载首部有效负载首部有效负载 3 黼 旧霉j ，燃 有效负载起传送优 l 传送抑 适j 遍量 连续计适应字 始指示器先级p i dj 密控制j 段控制数器段 图2 2传送流分组格式盯 fig 2 2f o r m a to ft r a n s p o r tg r o u p s 1 1 如图2 2 所示，每一个t s 分组都可以分成首部和有效负载两部分。首部 包括4 字节包头和可变长调整字段。各字段具体含义如下： ( 1 ) 同步字节：固定为0 x 4 7 ，是m p e g 2t s 包的同步标识。 ( 2 ) 传送错误指示器：当其值为“1 ”时，表示当前t s 包在传输过程 中至少有一个不可纠正的错误位；为“0 ”时，表示当前t s 包没有错误。此 标志应由传送层之外的实体置“l ”，当被置“1 ”后，在错误被纠正之前不 能重置为“o ”。 ( 3 ) 有效负载起始指示器：用来指示t s 包带有p e s 分组或p s i s i 数 据时的情况。当t s 包的有效负载带有p e s 分组数据时，该标志位置“l 表 示有效负载将以p e s 分组的第一个字节开始；“o ”表明在传输流的开始不 是新p e s 分组的开始，而是接着上一个未完成的p e s 包。当t s 包的有效负 载为p s i s i 数据时，该标志置“1 表示当前包的有效负载为一个新的p s i s i 的开始，并表明t s 包的有效负载的第一个字节带有指针字段；若置“o ”表 示当前包的有效负载是接着上一个未完成的p s i s i ，并且有效负载中无指针 字段。对于空的t s 包，该标志位应置“o ”。 ( 4 ) 传输优先级：该标志位为“1 的包比为“0 ”的包具有更高的优先 级。 ( 5 ) p i d ：包的标识，用于对t s 流中的有效负载中的数据类型进行描 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 述和分类，并为用户端的解复用提供信息。其中p i d 值o x o 0 0 0 为程序关联 表保留，而0 x 0 0 0 l 为条件访问表保留。p i d 值o x o o o o o x 0 0 0 f 保留，o x lf f f f 为空分组保留。 ( 6 ) 传输加密控制：表示t s 包有效负载的加扰方式。取值为“0 0 标 识未加密，“0 1 、1 0 、1 1 ”由用户定义。t s 包中首部包括调整字段时，不应 被加密，在空包时，该字段的值置为“o o 。 ( 7 ) 适应字段控制：用于表示t s 包头部后面是否紧跟着调整字段，其 含义见表2 2 所示。 表2 2适应字段控制的含义 t a b l e 2 2a d a d t i o nf i g i dc o n t r o iv a lu e 取值描述 0 0 o l 1 0 1 1 为i s o i e c 未来使用保留 无适应字段，仅含有效负载 仅含适应字段，无有效负载 适应字段后为有效负载 ( 8 ) 连续计数器：相同p i d 包的循环计数器，随着每一个具有相同p i d 的传送流包而增加，当它达到最大值0 x f 时，又回复到0 x o 。如果调整字段 控制字段为“o o 或“1 0 ”时，该字段不增加。 ( 9 ) 适应字段：一个可变长的域，提供基本比特流解码所需的同步及时 序等功能，以及编辑节目所需的各种机制，语法定义在i s 0 i e c1 3 8 1 8 1 中 有详细描述。 ( 1 0 ) 有效负载：t s 包中的负载所传送的信息主要包括4 种类型： 视频、音频的p e s 包以及辅助数据： 节目特殊信息( p s i ) 表( 见2 2 4 节) ； 业务信息( s i ) 表( 见2 2 5 节) ； d v b 数据广播信息( 见2 2 6 节) 。 2 2 4 节目特殊信息p sl 节目特殊信息( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o m a t i o n ，p s i ) 包括m p e g 2 编码 规范所定义的标准数据和具体的应用系统自己定义的私用数据，它用来描述 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 传输流分组的组成结构。解码器根据p s i 提供的信息能够对传输流实行解复 用并正确的回放节目。节目是由一个或多个有共同时间基准的原始流构成的。 传输流中携带各个原始流的传输流分组都由一个唯一的p i d 值作为标记。节 目或原始流可以被部分加密，以实现条件访问。但是p s i 信息是不允许加密 的。在传输流中，p s i 被分成4 种类型的表，如下表2 3 所示。 表2 3节目特殊信息心 t a b l e 2 3 p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n 2 0 1 表2 3 指出，节目关联表、程序映射表和条件访问表的内容在m p e g 2 标准中有明确的规定。而网络信息表示一个用户私用的数据表，m p e g 2 标 准没有对其内容进行定义，但是传输该网络信息表的传输流分组的p i d 在节 目关联表中指定，而且该网络信息表要遵循标准定义的分段( s e c t i o n ) 结构。 图2 3 显示了四种p s i 数据表之间以及传输流之间的最基本关系。 p s i 作为传送流分组的有效负载，分段插入传送流分组中，不同p s l 分 段的类型由分段首部的t a b l ei d 字段来识别。分段的长度可变，一个p s i 表 的分段最大字节数为1 0 2 4 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 节目关联表( p i do )网络信息表 条件访问表( p i d1 ) 图2 3 程序和网络映射关系陋 2 2 5业务信息s i m p e g 2 在p s i 中提供了不少有关节目组成和相互关系的信息，从而使 得在接收端可以正确地对t s 流进行解复用。但是这些信息在实际使用时仍 然显得不够，为此在d v b 标准中采用s i 信息对p s i 信息进行了进一步的扩 展。p s i 中的信息基本上都是与当前码流相关，即它们所涉及的内容都与当 前码流中的部分信息相关：而s i 信息可以包括不在当前码流中的一些服务和 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 事件，允许用户进行更多的选择和了解更多的其它服务n ”。 除p s i 节目说明信息外，s i 信息表主要包含： ( 1 ) 组合关联表b a t ( b o u q u e ta s s o c i a t i o nt a b l e ) ：提供了不同业务 组合的信息，包括节目业务群名称及节目业务群所包含的节目业务清单。利 用b a t 可以方便地进行相关节目或某一类节目的浏览和选择。 ( 2 ) 业务描述表s d t ( s e r v i c ed e s e r i p t i o nt a b l e ) ：用于描述系统中服 务的名称、服务提供者、是否有相应的事件描述表等方面的信息；服务描述 表可以描述当前传送流，也可以描述其他传送流，这由表的t a b l e i d 来区分。 ( 3 ) 事件信息表e i t ( e v e n ti n f o m a t i o nt a b l e ) ：包含事件或节目的有 关数据，如事件的名称、开始时间、时间长度、运行状态等。 ( 4 ) 运行状态表r s t ( r