CN103053172A - 改进的节目时钟参考插入 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于编码数据流的分组化期间的时钟参考插入的方法，其中，所述分组化在数据流的缓冲之前被执行。该方法包括存储在编码期间应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期。使用应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期，将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔。时钟参考数据间隔用于确定在分组化期间在何处将时钟参考插入数据流。

Description

改进的节目时钟参考插入
技术领域
本申请涉及一种用于编码的数据流的分组化（packetization）期间的时钟参考插入的方法、一种编码设备及一种计算机可读媒体。
背景技术
诸如MPEG-2和MPEG-4等常规视频压缩系统要求编码器和解码器同步。MPEG定义的系统规范为同步在编码器和解码器的时钟做好了准备。出于历史原因，主控系统时钟频率设置在27MHz，并且在系统的每端锁定的正是此时钟。参数“节目时钟参考(PCR)”是从插入编码比特流中的编码器27MHz时钟所推导的码，其使得解码器能够保持其内部时钟锁定到编码器的时钟。
电视广播网络一般的情况是在视频压缩编码过程期间，足以表示在传送的电视图像所要求的信息的可变量必需匹配恒定可用传送容量。此类系统称为恒定比特率(CBR)系统。输入和输出比特率的匹配借助于速率缓冲器来实现，而压缩视频在其传送之前被放置到速率缓冲器中。对于编码参数的给定集合，经过此速率缓冲器的延迟将有所有不同，并且在常规PCR插入方法中，这将影响PCR频率和规则性。
更高级的系统使用多个信道的复用和统计复用以组合多个信道到具有大致恒定比特率的复用中。统计复用有助于避免质量损害和固定共享系统中存在的可用输出容量的低效使用。统计复用允许一组编码器共享固定的总共同比特率，但比特率控制器不是分配固定比特率到每个编码器，而是根据相应输入视频数据流的瞬间比特率需求动态分配不同比特率到每个编码器。此类系统允许每个信道具有可变比特率(VBR)，但这些仍要求根据规范适当插入PCR。
MPEG和DVB系统规范在以下文档中被定义：ISO/IEC 13818-1，“Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Systems”；和DVB/ETSI TS 102 154，“Implementation guidelines for the use of video and audio coding in contribution and primary distribution applications based on the MPEG-2 transport stream”。这两个文档均通过引用被结合于本文中。
根据MEPG和DVB系统规范，PCR需要在规则间隔被插入MPEG传输流中，在插入之间带有定义的最大的时间流逝。符合的解码器设计成在此定时布置所设置的限制内正确工作。虽然实际解码器能够忍受PCR的速率和定位的变动（variation），但为适应所有解码器，适当的是PCR是规则的，并且以最小频率（或最大时间间隔）出现。具体而言，重要的是即使平均速率满足最小要求，任何两个PCR也不要太靠近放置在一起。
MPEG/DVB传输流(TS)具有基于定义的分组的结构，其语法（syntax）具有对携带诸如PCR等重要系统数据以及编码的视频、音频和其它服务要素的规定。将PCR插入由此语法所提供的分组报头中的自适应字段是高效的。
传统上，分组化MPEG TS的构建已经在输出比特率一般是恒定的（这由于速率缓冲器整平（even out）编码器输出中的变动而实现）速率缓冲器后进行。在此类系统中，PCR插入的简单方法是可能的，由此在以要求的速率设置的计时器的控制之下，以规则时间间隔插入PCR。此方案已经是适当的，因为通常TS的语法消耗总输出比特率的小部分。这已经暗示在历史上PCR插入的此方法尚未成为实际系统设计中的关键要素 - 其中，有效负载与系统语法的比率是考虑的事项。
然而，在编码性能已提高，并且用于给定视频质量的比特率降低已实现时，系统语法占用的比例稳定增大。通过比以前更仔细地管理PCR插入过程，能够在性能上取得有价值的增益。
一般情况下，TS分组化在速率缓冲器后执行，以便在基本流(ES)的速率已变平和后在由编码器产生的ES上执行分组化。然而，如果TS分组化在编码后（因此，是在速率缓冲器之前而不是在其之后）立即执行，则带宽利用的效率的改进能够实现。
TS分组化在速率缓冲器之后执行的情况下，来自每个分组化器的输出比特率能够从比特率控制器分配到它的比特率变动+/- 3%。相应地，在复用器分配带宽到此类系统中的每个流时，复用器必须保留带宽余量以吸收来自每个流的此波动。此余量既浪费，又低效。
速率缓冲器前分组化更加高效，因为来自速率缓冲器的输出比特率正好等于由比特率控制器分配到该流的比特率。因此，在复用器要聚合来自多个流的所有分量经形成单个复用时，总和等于预期值而无变动。由于此确切性，比特率控制器能够分配所有可用带宽到流而无需保留用于变动的余量，因此提高了带宽效率并对图像质量有积极影响。
然而，TS分组化在速率缓冲器之前进行时，用于插入PCR的过程更复杂得多。这是因为PCR插入现在必须考虑到编码视频数据经过速率缓冲器的延迟。
市场需求要求下一代的视频压缩编码器必须利用改进传送效率的任何方式，尤其是PCR插入。
本申请提供了用于实现改进的PCR插入的方法和设备。
发明内容
本文档介绍用于在缓冲器之前执行TS分组封装时控制PCR到TS的插入的新方法。
组成离开分组化器的传输流的分组的字节的数据率在性质上是突发性的。例如，由于它正在编码电视帧图像而不参考任何其它帧，因此，I帧（帧内编码视频帧）可在短的时间期内产生大量的字节（高数据率）。在典型的图像组(GOP)结构中，此I帧之后将是几个P帧（前向预测编码视频帧），这些P帧将需要更少得多的比特，因为它们利用了通过参考其它图像而对连续图像之间的差别进行编码。在这些P帧之间通常将是B帧（双向预测编码视频帧），其中生成甚至更低的数据率。因此，进入缓冲器的数据具有可变的比特率，但该变动借助于缓冲器而得以消除，以便离开缓冲器的数据是在可预测的恒定数据。甚至在使用VBR传送或记录方法的系统中，缓冲器充当管理可变输入与输出速率之间任何相互不同步的部件。
公开的新方法为来自TS分组化器的每个字节计算该字节将在离开缓冲器中占用的预期时间。该方法随后要求对于PCR之间的每个连续字节的时间的相加，并且在总累加时间达到预设PCR时间间隔时生成用于分组化器的insert_PCR信号。随后，只要系统在运行，这便重复进行。这样，将PCR时间间隔转换成PCR比特间隔，该比特间隔用于在传输流中相关分组位置插入PCR，使得在经过缓冲器后，PCR处在输出流中正确的时间间隔。
因此，本文档陈述了用于实现改进的PCR插入的机制。PCR在缓冲器之前以它们在缓冲器后的输出TS中在时间上被均匀间隔并且以最小要求的速率出现的此类方式被插入。
相应地，提供了一种用于编码的数据流的分组化期间的时钟参考插入的方法，其中，所述分组化在数据流的缓冲之前被执行。该方法包括：存储在编码期间应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期；使用应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期，将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔；以及使用时钟参考数据间隔来确定在分组化期间在何处将时钟参考插入数据流。
通过将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔，时钟参考能够在分组化期间被插入，这利用了分组结构以便以最佳方式携带时钟参考，但是在缓冲之前，从而意味着发送到复用器的流的比特率能够被准确控制。
该方法可还包括接收视频数据；以及以应用的比特率将接收的视频数据编码以生成数据流。在编码期间应用的比特率可以是分配的比特率。分配的比特率可由比特率控制器来分配。
该方法可还包括将数据流分组化以生成传输流；以及缓冲传输流。缓冲后流的比特率可大致等于在编码期间应用的比特率。
该方法可还包括在存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：从应用的比特率及其相应持续期的积之和来计算时钟参考数据间隔；存储时钟参考数据间隔；擦除应用每个比特率的时间持续期和应用的每个比特率的存储值。
多个时钟参考数据间隔可被计算并且在需要前存储在存储器中。在计算每个时钟参考数据间隔后，可删除曾用于计算它的持续期和比特率值。
该方法可还包括在存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：将超过时钟参考时间间隔的对于最后应用的比特率的任何余项持续期的值与所述比特率的值存储在一起。这样，该方法计及落在特定比特率的持续期期间内的时钟参考数据间隔的最终性（eventuality）。
该方法可还包括监视分组化的数据量；以及在自最后时钟参考插入以来分组化的数据量等于时钟参考数据间隔的存储值中的最早条目时，生成时钟参考插入指令。时钟参考因此可以适当间隔被插入流中。
还提供了一种编码设备，其中，数据流的分组化在数据流的缓冲之前被执行。所述编码设备包括第一存储器、处理器和时钟参考生成器。第一存储器布置成存储编码器应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期。处理器布置成使用应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期，将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔。时钟参考生成器布置成使用时钟参考数据间隔来确定在分组化期间在何处将时钟参考插入数据流。
所述编码设备可还包括：输入，布置成接收视频数据；以及编码器，布置成以应用的比特率将所述视频数据编码。
所述编码设备可还包括：分组化器，布置成将编码视频数据分组化；以及缓冲器，布置成将分组化的视频数据缓冲。
所述处理器可还布置成：确定在所述存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：从应用的比特率及其相应持续期的积之和来计算时钟参考数据间隔；在第二存储器(FIFO)中存储时钟参考数据间隔；擦除第一存储器中存储的值。
所述处理器可还布置成：在第一存储器中将相应比特率的值和对于最后应用的比特率的任何余项持续期的值存储在一起，所述余项超过所时钟参考时间间隔。
所述编码设备可还包括时钟参考生成器，该生成器布置成：监视分组化的数据量；以及在自最后时钟参考插入以来分组化的数据量等于时钟参考数据间隔的存储值中的最早条目时，生成时钟参考插入指令。
还提供了一种携带指令的计算机可读媒体，所述指令在由计算机逻辑执行时，促使所述计算机逻辑执行本文中所述的任何方法。
附图说明
现在仅通过示例的方式，参照附图来描述时钟参考插入的方法和编码设备，其中：
图1示出已知编码设备；
图2示出如本文中公开的编码设备；
图3a、b和c分别示出在比特率分配、编码器输出比特率及缓冲器输出比特率之间的关系；以及
图4示出用于本文中公开的时钟参考插入的方法。
具体实施方式
图1示出已知编码设备100。编码器110接收视频信息和比特率分配。比特率分配从比特率控制器接收。编码器110将接收的视频信息编码，并且将此编码信息传递到缓冲器120。虽然根据分配的比特率编码，但编码的视频信息流在性质上是突发性的，这意味着比特率突然更改。这能够是由于使用的编码标准的原因。例如，根据MPEG-2编码的视频帧能够编码为I帧、P帧或B帧。I帧要求编码较大的数据量，P帧要求稍微更少的数据，以及B帧要求还要更少的数据。编码过程将输出不同类型的帧，并且这将影响编码器110输出的瞬间比特率。此外，编码的帧中的细节量或复杂性也将影响编码器110输出的瞬间比特率。
来自编码器110的编码的视频信息被传递到缓冲器120，缓冲器120使接收的编码视频信息流变平和，并且以根据比特率分配的比特率输出它。平和的编码视频信息随后传递到分组化器130。分组化器130将接收的流分组化以生成适合进行复用的传输流。在分组化期间，计时器140用于监视PCR时间间隔并生成插入节目时钟参考(PCR)指令，该指令在适当的时间被发送到分组化器130。PCR可因此根据计时器140接收的PCR时间间隔，以规则时间间隔被插入传输流中。
图2示出如本文中公开的编码设备200。编码设备100与编码设备200之间的差别在于，在后者中，分组化器230在缓冲器220之前，而不同于分组化器130在缓冲器120之后的前者。
如上所解释的，缓冲器前分组化是高效的，因为来自缓冲器220的输出比特率正好等于由比特率控制器分配到该流的比特率。因此，在复用器聚合来自多个流的所有分量经形成单个复用时，总和等于预期值而无变动。由于此确切性，比特率控制器能够分配所有可用带宽到流而无需保留用于变动的余量，因此对图像质量有积极影响。然而，TS分组化在缓冲器220之前进行时，用于插入PCR的过程更复杂。这是因为PCR插入现在必须考虑到编码视频数据经过缓冲器220的延迟。图2所示的设备提供了对此问题的解决方案。
编码器210接收视频信息和比特率分配。比特率分配从比特率控制器接收。编码器210将接收的视频信息编码，并且将此编码信息传递到分组化器230。分组化器230将编码的流分组化以生成传输流。编码的视频信息是突发性的，并且因而分组化器230输出的分组化传输流也是突发性的，并且因此不适合进行复用。分组化的传输流从分组化器230输出并且传递到缓冲器220，缓冲器220使传输流的比特率变平和，并且以根据比特率分配的比特率将它输出到复用器。
在分组化期间，节目时钟参考(PCR)被插入传输流中。除编码器210、分组化器230和缓冲器220外，提供有计算比特数量过程块240、FIFO和PCR指令生成器260。计算比特数量过程块240包括存储器245。计算比特数量过程块240从比特率控制器或另一组件接收PCR时间间隔，并且也从编码器210接收每个编码比特率的持续期和编码比特率的指示。
编码器210在可变比特率模式中工作（例如，在实现统计复用的多信道系统中）时，复用器能够从缓冲器220接收的比特率随时间变动。此变动性影响PCR间距，并且因此这必须受到管理。传输流中PCR字段之间要求的时间表述为参数“PCR时间间隔”。
编码器使用的所有比特率值BRn和每个有效比特率值的持续期DURn由计算比特数量过程块240存储在存储器245中。这些值如下表所示的来存储，并且用于计算称为PCR比特间隔的PCR之间的比特数量。
比特率(BR) 持续期(DUR)
BR1 DUR1
BR2 DUR2
BR3 DUR3
… …
BRn DURn
还存储持续期值的累计之值。执行将比特率和PCR间隔值转换成一系列PCR比特间隔值的计算，这些比特间隔值在需要它们之前被存储在FIFO 250中。
在持续期的累计达到或超过PCR时间间隔时，计算比特数量过程块240执行以下的计算：
FIFO 250使得每个计算的PCR比特间隔在适当的时间可用于PCR指令生成器260。FIFO 250是用于缓冲计算的PCR比特间隔的先入先出存储器，计算的PCR比特间隔在PCR指令生成器260要求它们时已准备就绪。
还存在从FIFO 250到计算比特数量过程块240的填充级别的反馈（图2中未示出），该反馈用于确保FIFO 250的填充级别保持在空与满之间。
PCR指令生成器260对来自分组化器230的有效TS比特进行计数，并且在该计数达到最早计算的PCR比特间隔的值时，生成“插入PCR”信号并将它发送到分组化器230，随后，从FIFO 250获取下一最早PCR比特间隔值，以及开始新的计数。在FIFO 250中的最早值由PCR指令生成器260读取时，该值从FIFO 250删除。在从PCR生成器260接收插入PCR信号时，分组化器230将PCR插入传输流中。
图3a、b和c分别示出在比特率分配、编码器输出比特率及缓冲器输出比特率之间的关系。比特率在垂直轴中示出，并且时间在水平轴上示出。图3a示出一系列的前四个离散分配的比特率值BRn及其相应持续期DURn。图3b示出对应的编码器输出380，该输出是突发性的，并且不精确地遵循分配的比特率370。图3c示出确切遵循比特率分配370的缓冲器输出比特率390。
图4示出将时钟参考时间间隔转换成如本文中公开的时钟参考插入方法和编码设备中使用的时钟参考数据间隔的方法400。该方法开始410并且等待420要确定的新比特率值(BR)和持续期值(DUR)。在接收新比特率和持续期对时，将持续期(DUR)的值加422到累计(RT)。随后，确定424持续期(DUR)的累计(RT)是否超过PCR时间间隔。如果未超过，则接收的比特率值(BR)和持续期值(DUR)被存储426在表中，并且过程等待420又一比特率值(BR)和持续期值(DUR)对。
如果确定424持续期的累计(RT)大于PCR时间间隔，则进行计算430以正确分摊比特率和比特率持续期值到适当的PCR时间间隔。持续期余项DUR(rem)被计算为最终累计(RT)减去PCR时间间隔；对于表的最后持续期值DUR(last)被计算为最终接收的持续期值减去持续期余项DUR(rem)。新的累计(RT)等于DUR(rem)。对于余项部分的比特率BR(rem)等于对于最后部分的比特率BR(last)，这两个比特率均等于最终接收的比特率值。
对于表的最后持续期值DUR(last)和相关联比特率值BR(last)被存储432在表中。PCR比特间隔被计算为表中存储的每对比特率(BR)和持续期(DUR)值的积之和。计算的PCR比特间隔被输出436和存储在FIFO 250中，如上所解释的。
在PCR比特间隔的计算434和输出436后，清空440表。随后，对于比特率BR(rem)和持续期DUR(rem)的余项值被存储442在表中。做出关于新累计（等于DUR(rem)）是否大于PCR时间间隔的确定444。如果最后接收比特率持续期比PCR时间间隔更长，则这是可能的。如果新累计大于PCR时间间隔，则过程重复该系列的计算430和随后过程432到442。如果新累计未大于PCR时间间隔，则过程再次等待420要确定的新比特率值(BR)和持续期值(DUR)。
公开的系统使得在缓冲器布置在传输流分组化级之后的系统中能够在准确受控间隔将PCR插入传输流中。准确的PCR间隔是重要的，因为它们确保传输流符合适当的标准，同时最小化用于PCR字段的比特数量并因此最大化可用于提供改进视频质量的带宽。
公开的方法和设备提供一种解决方案，其能够将PCR插入传输流，因而使它们处于输出中的规则时间间隔和正确速率（即使当分组化在缓冲器之前被执行时）。在实际编码器产品中实现时，通过分析通常易于访问的在缓冲器后的输出的记录传输流，所述方法能够被轻松检测到。传输流可通过诸如Dektek StreamXpert或WWG DTS-300等MPEG测试仪器进行分析。在包含根据公开的方法所插入的PCR的传输流的记录中，PCR之间的间隔根据编码器的配置和馈送到编码器中的资料类型而稍有变动。PCR间隔的此稍微变动目前是少见的。
此现象的原因是分组化过程中的变动。在传统系统（带有缓冲器后分组化）中，存在输出传输流的比特率中高达+/- 3%的变动。公开的方法提供具有准确受控比特率的传输流，但由于分组化过程，输出流中的PCR的位置要遭受大约+/- 3%变动。这意味着分配的PCR时间间隔必须稍微降低以确保满足对于最大PCR时间间隔的任何要求。然而，由于传输流的输出比特率由缓冲器准确控制，因此，在每个信息流的分配到编码器的比特率中，不要求用于变动的余量。应注意，统计复用系统分发所有带宽到可用流而不保留用于每个流的3%余量的能力的益处显著超过对于稍微更高PCR频率以适应此变动的要求的缺陷。
本领域技术人员将明白，本文中所述方法中执行的动作的确切顺序和内容可根据执行参数的特定集合的要求而改变，如编码的速度、检测的准确度、视频源的分辨率、与统计复用方法一起使用的压缩标准的类型及诸如此类。相应地，描述动作和/或对动作要求权利的顺序不得视为对要执行动作的顺序的严格限制。此外，虽然本文中所述示例在视频编码的上下文中被解释，但所述方法和设备可例如在诸如音频信息等任何数据的编码中被使用。

Claims (13)

1. 一种用于编码的数据流的分组化期间的时钟参考插入的方法，其中所述分组化在所述数据流的缓冲之前被执行，所述方法包括：
存储编码期间所应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期；
使用应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期，将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔；以及
使用所述时钟参考数据间隔来确定在分组化期间在何处将时钟参考插入所述数据流。
2. 如权利要求 1 所述的方法，还包括：
接收视频数据；以及
以所应用的比特率来编码所接收的视频数据以生成所述数据流。
3. 如权利要求2所述的方法，还包括：
将所述数据流分组化以生成传输流；以及
缓冲所述传输流。
4. 如任一前面权利要求所述的方法，还包括在所存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：
从应用的比特率值及其相应持续期的积之和来计算时钟参考数据间隔；
存储所述时钟参考数据间隔；
擦除应用每个比特率的时间持续期和应用的每个比特率的存储值。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述方法还包括在所存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：
将超过所述时钟参考时间间隔的对于最后应用的比特率的任何余项持续期的值与所述比特率的值存储在一起。
6. 如任一前面权利要求所述的方法，所述方法还包括：
监视分组化的数据的量；以及
在自最后时钟参考插入以来所分组化的数据的量等于所述时钟参考数据间隔的存储值中的最早条目时，生成时钟参考插入指令。
7. 一种编码设备，其中数据流的分组化在所述数据流的缓冲之前被执行，所述编码设备包括：
第一存储器，布置成存储编码器所应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期；
处理器，布置成使用应用的每个比特率的值和应用每个比特率的时间持续期，将时钟参考时间间隔转换成时钟参考数据间隔；以及
时钟参考生成器，布置成使用所述时钟参考数据间隔来确定在分组化期间在何处将时钟参考插入所述数据流。
8. 如权利要求7所述的编码设备，还包括：
输入，布置成接收视频数据；以及
编码器，布置成以所应用的比特率来编码所述视频数据。
9. 如权利要求8所述的编码设备，还包括：
分组化器，布置成将所编码的视频数据分组化；以及
缓冲器，布置成缓冲所分组化的视频数据。
10. 如权利要求7到9的任一项所述的编码设备，其中所述处理器还布置成：
确定在所存储的持续期之和大于或等于时钟参考时间间隔时：
从应用的比特率值及其相应持续期的积之和来计算时钟参考数据间隔；
在第二存储器中存储所述时钟参考数据间隔；
擦除所述第一存储器中存储的值。
11. 如权利要求10所述的编码设备，其中所述处理器还布置成：
在所述第一存储器中将对于最后应用的比特率的任何余项持续期的值与相应比特率的值存储在一起，所述余项超过所述时钟参考时间间隔。
12. 如权利要求7到11的任一项所述的编码设备，还包括布置成时钟参考生成器，所述时钟参考生成器布置成：
监视分组化的数据的量；以及
在自最后时钟参考插入以来所分组化的数据的量等于所述时钟参考数据间隔的存储值中的最早条目时，生成时钟参考插入指令。
13. 一种携带指令的计算机可读媒体，所述指令在由计算机逻辑执行时，促使所述计算机逻辑执行权利要求1到6所定义的方法中的任何方法。
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