CN101366277A - 用于改善家用网络gui响应时间和呈现的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

通过使用专为GUI设计的视频编码，同时使用常规的视频编码来进行视频呈现，改善了家用网络中的GUI呈现。此外，通过在客户端设备(14)接收到命令和服务器(2)执行这些命令之间的传输周期的无竞争时段(CFP)中预留用于传输由用户输入设备(12)发起的命令的时隙，缩短了GUI命令响应时间。

Description

用于改善家用网络GUI响应时间和呈现的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及家用网络(home network)。
背景技术
家用网络的使用规模日益增大。家用网络的用户使用诸如TV遥控设备之类的输入设备，通过网络从客户端设备控制远程服务器。诸如DVD播放器、个人视频控制器等之类的其它客户端设备一般也是网络的一部分，从而服务器利用简单的遥控设备来实现对所有设备的集中控制。
这里可以理解，服务器在其上进行呈现的图形化用户界面(GUI)(例如，用户用来输入命令的客户端TV)不能被很容易地远程使用。更具体而言，GUI通常显示静止文本数据，例如菜单、退出、返回等，但是在显示时所使用的编码通常不能达到最佳视频编码，所谓的最佳视频编码即用于最优化运动图片质量的视频编码。根据本发明可以理解，在显示具有文本数据的静止图片时，该视频编码速率是低效率的，导致GUI文本数据通常被显示得不是很清楚。
这里还可以意识到，很多基于服务器的家用网络系统对遥控命令的响应较慢，有时会超过一秒。这是因为遥控命令强制进入的时隙可能会被其它数据占用，这些数据例如音频/视频数据，因而从客户端设备到服务器的命令的传输可能会被延迟一段很长并且会引起不便的时间，而非命令数据的传输也会受到影响。
发明内容
公开了一种用于在网络中的视频显示上显示图形化用户界面(GUI)的方法。该网络包括与服务器通信的客户端设备，并且该客户端设备接收来自用户输入设备的输入。该方法包括使用第一视频编码在视频显示上显示运动视频，并且使用第二视频编码在视频显示上显示GUI，所述第二视频编码不同于所述第一视频编码。
在非限制性实现方式中，客户端设备是TV，用户输入设备是与该TV通信的无线遥控设备，视频显示是由所述TV建立的，并且来自遥控设备的信号被所述TV接收，并被发送给服务器。
在一些实现方式中，第一视频编码可以是定义图片组(GOP)的MPEG编码。第一编码中的每个GOP包括一个内帧(intra-frame，I帧)、多个预测帧(P帧)和多个双向预测帧(B帧)。在特定的非限制性实施例中，第一编码中的GOP是由包括1个I帧、4个P帧和10个B帧的15个帧定义的，这些帧可能按照如下顺序：I、B、B、P、B、B、P、B、B、P、B、B、P、B、B。作为对照，在非限制性实现方式中，第二编码可以定义这样的图片组(GOP)，在该图片组中，比第一编码的GOP中的帧数目更多并且/或者其I帧中的数据量比第一编码的I帧中的数据量更大。例如，第二编码的GOP所包括的I帧数目可以基本为第一编码的GOP的I帧数目的两倍，并且第二编码的GOP中的每个I帧所承载的数据量可以基本为第一编码的GOP中的I帧中所承载的数据量的两倍。第二编码的GOP可以只包含I帧和多个P帧，而不包含B帧。例如，第二编码的GOP可以包括30个帧，即1个I帧和29个P帧。
另一方面，在其中由服务器响应于从用户输入设备接收到的命令来控制客户端音频/视频设备的系统中，一种用于辅助实现较快的命令响应时间的方法包括设立多个传输周期。每个周期包括无竞争(contention-free)时段(CFP)和竞争(contention)时段(CP)。音频/视频流在CFP中被从服务器发送到客户端设备，并且CFP的时间分配被用于该音频/视频流，并且在每个周期中都被预留，直到该音频/视频流结束。在每个周期的CFP中，至少一个时隙被预留来专用于在服务器和客户端设备之间发送由用户输入设备发起的命令。
在该第二方面的非限制性实现方式中，时隙的带宽不大于每秒几千字节。时隙和流不局限为在时间轴上连续。如果需要，则该时隙可以一直被预留给命令，直到流传输结束为止。
遥控命令可以在该时隙中从客户端设备被发送到服务器。此外，该时隙也可双向使用以在服务器和客户端设备之间交换信息。例如，CFP中的第一时隙部分可被预留给从服务器到客户端设备的消息，而CFP中的第二时隙部分可被预留给从客户端设备到服务器的消息。
如果CFP基本被占用，则该方法可以包括在CP期间将由用户输入设备生成的初始命令从客户端设备发送到服务器。在这种情况下，该方法可以包括响应于接收到初始命令，预留CFP中的时隙给后面的命令。然后，如果在预定的时段内没有接收到命令，则该时隙可被释放并且下一个命令可被当作初始命令并在CP期间发送。
在非限制性实现方式中，如果命令引起客户端设备或服务器中的中断，则该中断被赋予最高优先级。所述周期可以是与AC线路周期同步的信标周期，并且CP可以是一次性访问周期，而不保证对于后面的周期，也预留相同的时间分配。
另一方面，一种用于如下系统的服务器使用第一视频编码来向客户端设备发送图形化用户界面(GUI)信号，所述系统包括用户输入设备和被配置为显示来自所述服务器的音频/视频流的客户端设备。该服务器还使用不同于第一视频编码的第二视频编码来向客户端设备发送视频流信号。
再一方面，公开了一种用于系统的服务器。该系统具有用户输入设备和被配置为显示来自所述服务器的音频/视频流的客户端设备，并且该服务器在至少两个连续信标周期中的无竞争时段(CFP)中预留至少一个时隙，来在服务器和客户端设备之间传输由用户输入设备发起的图形化用户界面(GUI)命令。每个信标周期还具有各自的竞争时段(CP)。
又一方面，一种系统包括服务器、接收来自服务器的音频/视频流的客户端设备以及与客户端设备通信以向其输入命令的用户输入设备。命令被从客户端设备发送到服务器。提供了用于使用第一编码对视频流信号编码以显示在客户端设备上的装置，还提供了用于使用不同于第一编码的第二编码对图形化用户界面(GUI)信号编码以在客户端设备上显示GUI的装置。此外，该系统还包括用于在具有竞争时段(CP)的传输周期中的无竞争时段(CFP)中预留至少一个时隙的装置，该时隙被预留给从客户端设备向服务器传输由用户输入设备发起的命令。
附图说明
参考附图可以最佳地理解关于本发明的结构和操作的各种细节，在附图中，相似的标号表示相似的部件，在附图中：
图1是被实现为电力线(power line)网络的非限制性家用网络的示意图；
图2是非限制性网络服务器的框图；
图3是被实现为网络上的TV的非限制性客户端设备的框图；
图4-a是用于常规视频的图片组(GOP)中的帧的示意图；
图4-b是根据本发明原理的用于GUI呈现的非限制性图片组(GOP)中的帧的示意图；以及
图5是图示根据本发明原理的用于加快GUI响应时间的非限制性信令序列的示意性时序图。
具体实施方式
先参考图1，其中示出了被实现为具有网络设备的电力线网络的非限制性家用网络，可以理解该网络可以是以太网、802.11无线网络或者任何其它网络。服务器2可以从电缆10接收信号或者从调制解调器9接收互联网数据。调制解调器9例如可以是电缆调制解调器或者ADSL电话线调制解调器。此外，服务器2通过电力线1来向客户端TV 14发送音频/视频流，或者如上所述通过另一种类型的网络干线来向客户端TV 14发送音频/视频流。作为响应，客户端TV 14对该音频/视频流进行解码，并在屏幕上显示解码后的视频。另外，客户端TV 14可以从遥控器12接收命令，例如播放、停止、快进、快退、频道加/减、音量高/低等等。取决于命令，这些命令中的一些将被转发给服务器2。在任何情况下，诸如DVD播放器、PVR等之类的附加客户端设备也都可以作为网络的一部分。
图2示出了服务器2的非限制性实现方式的框图。模拟电缆信号在调谐器/前端309中被调谐和解调。来自调谐器/前端309的视频输出在模数转换器(A/D)310中被进行模数转换，并被发送给交换机314。A/D 310的输出例如可以是ITU-R BT.656格式4的。类似地，来自调谐器/前端309的音频输出可以在A/D 311中被进行模数转换并被发送给交换机314。按照相同的方式，来自诸如DVD播放器之类的源的外部模拟音频/视频信号在A/D 312和313中被进行模数转换并被发送给交换机314。
如图2所示，交换机314的输出在混合器315中与由图形化引擎316生成的图形化用户界面(GUI)数据进行混合。混合后的结果在MPEG编码器317中被进行MPEG编码。
这里可以理解，外部模拟视频输入可能已经包括了GUI数据。例如，DVD播放器可以向服务器2输出菜单屏幕。在这种情况下，不需要添加GUI，并且不需要通过混合器315来进行混合。而是数字信号直接进入MPEG编码器317。
这里可以预期，MPEG编码器317以固定速率或可变速率来对输入流进行编码。在可变速率模式中，编码速率被调节以满足传输条件。当噪声增加并且因而实际带宽变小时，编码速率被降低。如果网络状况改善，则编码速率可以恢复到初始(较高)速率。
仍然参考图2，流路由器318以适当的方向路由输入流。采用图2中所示的路径中的一条路径，MPEG编码器输出可被发送到电力线通信(或其它网络)接口319以进行网络传输。或者，流可被发送到硬盘驱动器(HDD)接口320以记录到HDD 321中。流路由器318还可以接收来自HDD接口320的重放流并将其发送到PLC接口319。
如图2中所示，服务器2具有中央处理单元(CPU)302，其通过内部总线300控制所有的服务器组件。CPU 302运行存储在存储器301中的控制软件程序。此外，可以提供键盘304来通过总线300向CPU 302发送用户输入数据。液晶显示器或其它类型的可视显示器303可以指示从CPU302发送来的数据(例如，调谐状态、网络状态、错误消息等)。图1中所示的调制解调器9可被连接到服务器2中的以太网端口306，以使得来自调制解调器9的数据可以通过以太网接口305被发送到CPU302并被处理。如果需要，CPU 302可通过红外(IR)接口307向IR鼠标308发送IR命令，IR鼠标向诸如DVD播放器之类的外部源发送IR命令。
现在转向图3，其示出了被实现为客户端TV 14的非限制性客户端设备的框图，其中客户端设备的PLC接口108可以接收通过电力线1发送的信号。在一些实现方式中，来自PLC接口108的输出信号在解复用器109中被解复用，并被分别发送到音频解码器110和视频解码器114。在混合器116中，来自视频解码器114的解码后的视频信号与在图形化引擎119中所生成的图形化数据进行混合，并且在视频数模转换器(D/A)117中被进行数模转换。当GUI数据从服务器2被发送时，不需要使用图形化引擎，并且输入数据被直接发送到视频D/A117。在任一情况下，在客户端设备的TV实现方式中，D/A 117的输出被发送到显示驱动器118并被显示在视频显示器120上。
在音频方面，来自音频解码器110的解码后的音频信号在音频D/A111中被进行数模转换，在放大器112中被放大并被发送给扬声器113。在一种非限制性实现方式中，音频D/A 111、放大器112和扬声器113可以处理左右两个音频通道。
在所示出的非限制性客户端设备中，客户端设备CPU 102可以通过电力线1与服务器2中的CPU 302交换同步数据(命令、数据等)。客户端CPU 102通过内部总线100控制所有的客户端设备组件。客户端CPU 102可以通过总线100运行存储在存储器101中的控制软件程序，并且在总线100上的IR接口103可以接收来自图1中所示的遥控器12的命令。命令通过客户端总线100被发送到客户端CPU 102，并且如果需要则通过电力线1被转发到服务器2中的CPU 302。
以上描述了服务器和客户端设备的非限制性实现方式，现在将注意力转向图4-a和图4-b来理解本发明的区别编码方面。在MPEG视频格式中，一个图片组(GOP)由1个内帧(I帧)、若干个预测帧(P帧)和双向预测帧(B帧)构成。典型的GOP包括15个帧(时长大约为半秒)：1个I帧、4个P帧和10个B帧，通常按照I、B、B、P、B、B、P、B、B、P、B、B、P、B、B的顺序(图4-a)。
这里可以理解，通常情况下，GUI数据很少是运动的。相反，GUI数据在大多数情况下都是静止图片，直到用户按下遥控按钮。因此，根据本发明的原理，当GUI被显示时，服务器2中的MPEG编码器317采用与“常规”视频编码不同的方式来对GUI数据编码，例如使GOP的长度更长，例如使GOP的长度是上述“常规”GOP长度的两倍(30个帧)。此外，与“常规”编码的视频流的I帧中的数据相比，可以为每个GUI GOPI帧分配两倍的数据量。在这些情况下的总数据率仍保持不变，而是通过对I帧应用更高的速率来提高GUI图片质量。
此外，在对GUI GOP进行编码时，不需要使用B帧。这是因为可以知道B帧需要在客户端设备的MPEG解码器114中进行帧的重新排序，这会引起至少一帧的延迟。在对运动图片进行编码时，B帧可减少必须被发送的数据量，但是在诸如GUI图像之类的静止图片的情况下，B帧的数据大小几乎与P帧的数据大小相同。
因此，考虑到以上认知，一个GUI GOP例如可被编码为如图4b中所示的30个帧：1个I帧和29个P帧。当用户选择GUI模式时，应用这种编码模式。当GUI模式结束并且系统返回到常规运动视频播放模式时，初始(“常规”)编码被转换为例如图4-a中所示的样式。这种编码切换可以在工作中被执行，而不会停止或中断视频。
以上描述了用于改善GUI图像显示的区分编码，现在将注意力转向图5来说明可被用来加速命令响应的网络访问定时。服务器2或另一设备周期性地广播信标900。信标周期可与AC线路周期(50Hz或60Hz)同步。典型的信标周期由无竞争时段(CFP)和竞争时段(CP)构成，下面将进一步限定。音频/视频流是异步的，并且其使用CFP。一旦获得用于该音频/视频流的时间分配(time allocation)，则在每个信标周期中都会预留该时间分配(示为901a、901b)，直到流结束为止。
另一方面，CP被用于例如载波侦听多路访问(CSMA)。CP的使用基于先到先服务的原则并且是一次性访问，因此即使在当前信标周期中得到了一次时间分配(902)，也不保证在下面的信标周期中将为任何特定处理预留相同的时间分配。
考虑到这一点，本发明意识到目前的遥控命令在CP中被发送，而CP在被完全占用的情况下会引起与其它消息的冲突，导致命令的执行会延迟一个或多个信标周期。这些延迟进而导致较慢的命令响应。为了解决此问题，本发明使用CFP进行命令传输。当服务器2开始发送AV流(901)时，在CFP中为命令预留时隙(903)。该时隙可以具有非常窄的带宽，例如每秒1千或几千字节，该带宽足以发送遥控命令。时隙903和流901不需要在时间轴上连续。用于命令的时隙优选地被专门预留给遥控命令，直到流传输结束为止。
在任何情况下，客户端TV 14都可以在该时隙期间向服务器2发送从遥控器12接收的遥控命令。此外，该CFP时隙可以被双向使用以在服务器2和客户端TV 14之间交换信息。例如，可以应用TCP/IP，其中发送器要求来自接收器的确认。或者，可以为传入消息和传出消息分别预留不同的时隙。即使当在服务器2和客户端TV 14之间没有发送命令时，也可以预留CFP时隙。
另一方面，如果CFP处于或接近满容量时，服务器2可能希望保留尽可能大的带宽，因此可以应用以下方法。在CP(CSMA)期间发送第一命令。作为响应，在CFP中预留CFP时隙给后面的命令。(通常，用户连续数次按压遥控按钮来改变频道、音量级别等。)所有后面的命令都使用CFP(903)来发送。如果用户在某一时间(例如，30秒)内没有按压按钮，则CFP时隙903可以被释放以用于另一次传输。因而，只有当用户使用遥控器时才预留CFP时隙。
优选地，遥控命令应当在服务器2和客户端TV 14中立即被处理。如果命令引起客户端或服务器CPU(102或302)的中断，则最高优先级应被赋予该中断。
应当理解虽然假定使用MPEG编码，但是本文中所提出的原理可以被应用于其它AV编解码技术，例如可以应用H.264/MPEG4 AVC。
现在可以意识到本发明所具有的优点包括以下几点。当GUI工作时，应用不同的编码样式来改善响应和GUI图片质量。此外，利用无竞争时段中的时隙来将遥控命令传输到目的地，因此不会出现很大的传输延迟。而且，不需要特殊的硬件，因为本发明可以根据需要仅通过软件的变化来实现。
虽然本文中示出并详细描述了特定的用于改善家用网络GUI响应时间和呈现的系统和方法，但是应当理解本发明所包含的主题只通过权利要求书来限定。

Claims (20)

1.一种用于如下系统的服务器(2)，该系统包括至少一个用户输入设备(12)和被配置为显示来自所述服务器(2)的音频/视频流的至少一个客户端设备(14)，所述服务器(2)：
使用第一视频编码向所述客户端设备(14)发送图形化用户界面(GUI)信号；并且
使用不用于所述第一视频编码的第二视频编码来向所述客户端设备(14)发送视频流信号。
2.如权利要求1所述的服务器(2)，其中所述客户端设备(14)是TV，所述用户输入设备(12)是与所述TV通信的无线遥控设备，并且来自所述遥控设备的信号被所述TV接收，并被发送给所述服务器(2)。
3.如权利要求1所述的服务器(2)，其中所述第一视频编码适合用于视频流，并且所述第二视频编码适合用于图形。
4.如权利要求3所述的服务器(2)，其中所述第一视频编码是定义图片组(GOP)的MPEG编码，每个GOP包括一个内帧(I帧)、多个预测帧(P帧)和多个双向预测帧(B帧)。
5.如权利要求3所述的服务器(2)，其中所述第二编码定义图片组(GOP)，所述第二编码中的GOP包括以下特征中的至少一个特征：比所述第一编码的GOP中的帧数目多，或者I帧中的数据量比所述第一编码的I帧中的数据量多。
6.如权利要求5所述的服务器(2)，其中所述第二编码的GOP包括比所述第一编码的GOP更多的I帧数目，所述第二编码的GOP中的每个I帧承载比所述第一编码的GOP的I帧中所承载的数据量更多的数据量。
7.如权利要求5所述的服务器(2)，其中所述第二编码的GOP仅至少包括I帧和P帧，但不包括B帧。
8.如权利要求5所述的服务器(2)，其中所述第二编码的GOP包括30个帧，这30个帧包括1个I帧和29个P帧。
9.如权利要求5所述的服务器(2)，其中所述第二编码的GOP只包括I帧。
10.一种用于如下系统的服务器(2)，该系统包括至少一个用户输入设备(12)和被配置为显示来自所述服务器(2)的音频/视频流的至少一个客户端设备(14)，所述服务器(2)：
在至少两个连续信标周期的无竞争时段(CFP)中预留至少一个时隙，以在所述服务器(2)和所述客户端设备(14)之间传输由所述用户输入设备(12)发起的图形化用户界面(GUI)命令，每个信标周期还具有各自的竞争时段(CP)。
11.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述时隙的带宽不大于每秒几千字节。
12.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述时隙和所述流不局限为在时间轴上连续。
13.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述时隙被预留给命令，一直到流传输结束为止。
14.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述遥控命令在所述时隙中被从所述客户端设备(14)发送到所述服务器(2)。
15.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述时隙可双向使用以在所述服务器(2)和所述客户端设备(14)之间交换信息。
16.如权利要求15所述的服务器(2)，其中所述CFP中的第一时隙部分被预留给从所述服务器(2)到所述客户端设备(14)的消息，并且所述CFP中的第二时隙部分被预留给从所述客户端设备(14)到所述服务器(2)的消息。
17.如权利要求10所述的服务器(2)，其中，如果所述CFP基本被占用，则作为从所述客户端设备(14)接收到初始命令的响应，所述服务器(2)将所述CFP中的时隙预留给后面的命令，其中，如果在预定的时段内没有接收到命令，则所述时隙被释放，并且下一个命令被看作为初始命令并在所述CP期间被发送。
18.如权利要求10所述的服务器(2)，其中，如果所述命令引起所述客户端设备(14)或所述服务器(2)的中断，则所述中断被赋予最高优先级。
19.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述周期是与AC线路周期同步的信标周期。
20.如权利要求10所述的服务器(2)，其中所述CP是一次性访问时段，而不保证将为下一周期预留相同的时间分配。
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