CN103686196B - 一种保证视音频正常播出的无缝切换系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保证视音频正常播出的无缝切换系统及方法，包括2台视音频播出服务器，所述的视音频播出服务器包括视音频I/O板卡、板卡驱动程序、故障检测装置、操作系统以及视音频播出应用程序，所述的视音频I/O板卡包括：板卡硬件缓存区、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块、信号输入接口、信号主输出端口、信号备输出端口。本发明切换以视频帧为单位，并且可以准确控制切换的帧精度，确保切换期间播出信号不会绿屏、闪烁，不会出现重复帧或者跳帧现象，实现故障发生时的备份播出信号的无缝切换。

Description

一种保证视音频正常播出的无缝切换系统及方法

技术领域

本发明涉及一种保证视音频正常播出的无缝切换系统及方法，是一种数字处理技术，是一种用于计算机视频处理的方法，是一种保证视音频正常播出的播出系统及保护方法。

背景技术

电视台在正常播出的时候常常会因为某种原因播出信号突然中断。使用传统的电视台播出设备，出现这种情况的原因最常见的是断电。解决也比较简单，可以使用备份电源或使用一套另外供电的备份演播设备，一旦断电，进行电源切换或者切换至备份的演播设备上。随着电视台演播设备的数字化，计算机成为演播设备的主角，而计算机出现播出信号突然中断的原因更为复杂。除了断电以外，计算机还有因某种原因出现死机，而无法正常工作。当前通用的解决办法就是在视音频I/O板卡上加入继电器，在播出系统正常时继电器断开，信号播出端口输出的是来自播出系统自身的视音频信号；一旦出现断电情况，继电器自动吸合，将来自播出系统外的一路备播信号环通到信号输出端口，以保证信号的正常播出。但是这种解决方案存在一定的局限性，因为使用继电器切换属于机械切换，在切换瞬间会造成输出信号出现闪烁、绿屏，实为有缝切换。因此，需要一种较好的解决机械切换时产生的不良后果的技术方案，最终解决计算机为中心的演播系统突然中断的问题。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种保证视音频正常播出的无缝切换系统及方法，所述的系统和方法解决了现有视音频播出过程中当出现故障时有缝切换所带来的闪烁、绿屏等问题，做到在不需要人工干预的情况下，快速、无缝的将备份播出信号切换到播出系统的信号输出端口上，以实现整个播出过程的稳定、安全。

本发明的目的是这样实现的：一种保证视音频正常播出的无缝切换系统，所述系统包括2台视音频播出服务器，所述的视音频播出服务器包括视音频I/O板卡、板卡驱动程序、故障检测装置、操作系统以及视音频播出应用程序，其特征在于：

所述的2台视音频播出服务器互为主、备；

所述的视音频服务器还包括，主播出通道、备播出通道、采集通道，且每一台视音频服务器的备播出通道与另一台视音频服务器的采集通道连接；其中，主播出通道用于视音频播出信号的输出，备播出通道用于备份播出信号的输出，采集通道用于采集备份的播出信号；主播出通道和备播出通道在系统运行时都进行信号输出，且视音频正常播出时输出的信号在内容上相同；

所述的视音频I/O板卡还包括：板卡硬件缓存区、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块、信号输入接口、信号主输出端口、信号备输出端口；

其中：

板卡硬件缓存区：用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据和视音频播出应用程序传送的数据；

板卡硬件寄存器：用于分别记录缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据的存储地址、主播出通道和备播出通道所用数据的读取地址，以及由故障检测装置设置的无缝切换状态值；其中，无缝切换状态初始值为FALSE，系统运行后，当故障检测装置检测到故障发生时立即将无缝切换状态值置为TRUE；

板卡硬件控制模块：用于定期查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为TRUE时，控制主播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据作为数据源；当无缝切换状态值为FALSE时，控制主播出通道和备播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的视音频播出应用程序传送的数据作为数据源；

信号输入接口：用于作为采集通道输入接口；

信号主输出端口：用于作为主播出通道输出接口；

信号备输出端口：用于作为备播出通道输出接口。

进一步，所述的系统包括板卡硬件缓存区、视音频播出应用程序、板卡驱动程序、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块，其中：

板卡硬件缓存区，包含两个缓存队列：播出队列，用于缓存视音频播出应用程序传送的数据；采集队列，用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据，队列单元数大于2，两个队列是被循环使用的，循环存储或循环读取是：

判断上一次存储或读取的目标单元所在队列位置序号+1是否等于队列单元数，是，本次存储或读取的目标单元为位置序号为0的单元；否，本次存储或读取的目标单元为上一次目标单元所在队列位置序号+1的单元；

视音频播出应用程序，用于向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

板卡驱动程序，用于响应视音频播出应用程序发出的视音频数据播出请求：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，已满，则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，再执行本子过程判断播出队列是否已满；不满，则将接收到的一帧视音频数据循环存储到播出队列中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

板卡硬件寄存器，用于分别记录板卡硬件缓存区中采集队列的存储起始地址、缓存队列单元大小、缓存队列单元个数、当前板卡硬件控制模块循环存储和循环读取的目标单元的位置序号，以及无缝切换状态值；

板卡硬件控制模块，用于当每个帧中断到来时：

查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为FALSE时，从播出队列中分别循环读取目标单元的数据作为主播出通道和备播出通道本次输出，其中，主播出通道初始读取目标单元的位置序号和采集通道初始存储目标单元的位置序号相同，备播出通道读取目标单元的位置序号始终比主播出通道读取目标单元的位置序号大1；当无缝切换状态值为TRUE时，从采集队列中循环读取目标单元的数据作为主播出通道本次输出；

将采集通道采集的1帧数据循环存储到采集队列中的目标单元；

将板卡硬件控制模块循环存储和读取的目标单元的位置序号存储到板卡硬件寄存器；

一种使用上述的无缝切换系统保证视音频正常播出的无缝切换方法，通过所述系统的故障检测装置实时进行故障检测，并在检测到故障发生时激活无缝切换状态，所述的备播出通道播出的视音频信号在时间上比主播出通道播出的视音频信号快1帧，所述方法的步骤如下：

（1）视音频正常播出的过程包括以下子步骤：

（a）视音频开始播出时，任选其中1台视音频播出服务器作为主视音频播出服务器，另一台为备视音频播出服务器；使用主视音频播出服务器的主播出通道输出的信号作为最终播出信号；

（b）主、备视音频播出服务器利用各自的采集通道，实时采集从另一台视音频播出服务器的备播出通道输出的备份播出信号；

（2）执行无缝切换的步骤：当无缝切换状态被激活后，立即将主视音频播出服务器的主播出通道使用的数据源切换到通过采集通道采集的备份播出信号的数据，使得下一帧播出信号无缝播出。

进一步的，所述的无缝切换的方法如下：

首先定义循环存储或循环读取的操作：首先判断上一次索引存储或读取的目标单元的索引变量+1是否等于队列单元数，是，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为0；否，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为索引上一次目标单元的索引变量+1；定义无缝切换状态被激活的操作：将板卡无缝切换标志置为FALSE代表无缝切换状态未被激活；将板卡无缝切换标志置为TRUE代表无缝切换状态被激活；

视音频播出启动时的初始化子步骤包括：

（1）视音频I/O板卡驱动程序将板卡无缝切换标志置为FALSE；

（2）视音频I/O板卡驱动程序在板卡硬件缓存区创建两个视音频缓存队列：“播出队列”、“采集队列”；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2；两个缓存队列是被循环存储或读取的；

（3）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化播出队列指针；

（4）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化索引变量，包括：板卡驱动程序传送数据索引变量、主播出索引变量、备播出索引变量、信号输入接口索引变量，其中备播出索引变量等于主播出索引变量+1；

视音频播出软件注入播出数据的子步骤包括：

（1）发出数据播出请求的子步骤：视音频播出应用程序向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

（2）判断播出队列是否已满的子步骤：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，如果播出队列已满则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，执行本子步骤继续检查播出队列是否已满；如播出队列不满则执行下一子步骤；

（3）传送视音频数据子步骤：将接收到的一帧视音频数据循环存储到“播出队列”中的板卡驱动程序传送数据索引变量索引的单元中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

进行视音频播出数据输出处理的子步骤包括：

（1）板卡硬件控制模块等待帧中断到达；

（2）板卡硬件控制模块检查板卡无缝切换标志，如果无缝切换标志为FALSE，使用播出队列作为播出数据源，之后同时执行以下a，b，c三个步骤；如果无缝切换标志为TRUE，使用采集队列作为播出数据源，之后同时执行以下a， c两个步骤；

（a）板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中的主播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过主播出通道转换成视音频信号，并通过信号主输出端口输出；

（b）板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中的备播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过备播出通道转换成视音频信号，并通过信号备输出端口输出；

（c）板卡硬件控制模块将通过采集通道采集到的备播视音频数据循环存储到采集队列中信号输入接口索引变量索引的单元中；

本发明产生的有益效果是：本发明切换以视频帧为单位，并且可以准确控制切换的帧精度，确保切换期间播出信号不会绿屏、闪烁，不会出现重复帧或者跳帧现象，实现故障发生时的备份播出信号的无缝切换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述的无缝切换系统示意图；

图2是本发明实施例一所述的视音频播出软件注入播出数据的过程示意图；

图3是本发明实施例一所述的视音频播出数据输出处理的过程示意图；

图4是本发明实施例三所述无缝切换方法的播出和采集的缓存队列示意图；

图5是本发明实施例三所述无缝切换方法的正常情况下的队列示意图；

图6是本发明实施例三所述无缝切换方法的异常情况下的队列示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种保证视音频正常播出的无缝切换系统和方法。

本实施例的主要思路是：设置互为备播的两台视音频播出服务器。互为主备的视音频播出服务器主要实现的功能是：无论切换台选择哪个服务器，当这台服务器因为某种原因不能正常播出，该服务器能够通过建立在视音频I/O 板卡上的硬件看门狗和板载信号切换器，以及软件看门狗这三种故障检测装置进行三级检测实时发现意外并实施保护操作，并以另一台正常播出的服务器提供的备播信号进行播出。当维护人员需要对问题服务器进行维修时，通过控制切换台将播出信号切换到另一台正常播出的服务器的信号主输出端口上去，在不影响正常播出的情况下，可以将问题服务器替换下来进行维修。

视音频播出服务器结构：播出服务器由视音频I/O板卡、操作系统、板卡驱动程序以及视音频播出应用程序等部分组成，服务器的结构可以分成三层，应用层、操作系统内核层和板卡硬件层。其中视音频播出应用程序处于应用层中，视音频I/O板卡驱动程序处于操作系统内核层，而视音频I/O板卡处于板卡硬件层。

两台播出服务器都配置有一块专用视音频I/O板卡。每块板卡有两个信号输出端口、一个信号输入接口以及外同步信号输入端口。其中连接到切换台的输出端口称为信号主输出端口，连接另一块视音频I/O板卡信号输入接口的输出端口称为信号备输出端口。两台服务器通过外同步输入端口REF接入相同的同步锁相源，以保证两台服务器播出信号是同步的。两台播出服务器上运行的视音频播出应用程序通过网络或者串口互相通信，以实现两台服务器上播出的视音频同步播出的目的。

当视音频开始播出时，两台视音频播出服务器上的视音频播出应用程序通过网络或者串口方式交互，用于保证应用程序同时播出相同的视音频数据，以保证视音频播出在软件层次上一致。同时，由于两台服务器上的视音频I/O板卡是锁在相同的同步锁相源上，因此两台服务器播出的视音频信号是同步的。

每台视音频播出服务器的信号备输出端口播出的信号与信号主输出端口播出的视音频信号内容相同，用作另一台播出服务器出现故障时作为备用信号来源，但是时间上比信号主输出端口播出的视音频信号快1帧，信号备输出端口播出的信号连接到另外一台视音频播出服务器的信号输入接口上。

视音频播出服务器共涉及以下三类异常：掉电异常、驱动程序或操作系统异常、应用程序异常。下面分析三种异常和本实施例应对的措施。

1.掉电异常：

设置板载信号切换器，即断电切换继电器。在正常通电情况下，板卡上继电器由于电磁吸力处于断开状态，信号主输出端口的信号来自于硬件板卡主播出通道产生的信号；掉电后，继电器由于电磁吸力消失其自动闭合，将连接在信号输入接口的备份播出信号直接环通到信号主输出端口，从而实现备份播出信号由输入到输出的电路环通。由于掉电时机不能确定，有可能切换时正处于视音频信号帧的有效数据发送过程中，这种情况下进行切换，视音频信号是不完整的，接收端显示可能出现短暂的闪烁。

2. 驱动程序或操作系统异常：

板卡的驱动程序和操作系统在服务器运行时有可能发生异常，这时要求板卡使用另一台正常播出的视音频播出服务器送来的备份播出信号进行播出。检测这类异常采用在板卡上设计硬件看门狗，触发时间阈值为20毫秒。驱动程序通过定时中断响应函数（定时间隔5毫秒）来刷新硬件看门狗寄存器。硬件看门狗中的检测模块实时检查硬件看门狗状态以做出是否触发的判断，超过触发时间阈值时，代表检测到驱动程序或操作系统发生故障，硬件看门狗触发，触发信号将无缝切换状态置为TRUE；没有超过触发时间阈值时，代表驱动程序和操作系统运行正常，不采取动作。以此及时发现驱动程序或操作系统发生的异常，并在异常发生时立即激活无缝切换状态。

3.应用程序异常

应用程序发生异常后一般分为两种现象，需要分别检测。

（1）、应用程序在执行错误指令，导致应用程序异常退出。在这种情况下，操作系统可以立即捕获到这个异常，并且将异常发送到视音频I/O板卡驱动程序。板卡驱动程序可以立即将无缝切换状态置为TRUE，并且关闭与该应用程序相关的所有操作。

（2）、应用程序被长时间挂起或者进入死循环。在这种情况下，操作系统不能识别。因此板卡驱动程序对于视音频播出应用程序建立一个软件看门狗，触发时间为板卡硬件缓存区的缓存队列内有效数据长度×一帧时间，应用程序每次向驱动程序送出一帧数据的同时刷新一次软件看门狗。当软件看门狗没有在触发时间内被刷新时，立即将无缝切换状态置为TRUE，并且关闭与该应用程序相关的所有操作。

本实施例的无缝切换系统包括2台视音频播出服务器，所述的视音频播出服务器包括视音频I/O板卡、板卡驱动程序、故障检测装置、操作系统以及视音频播出应用程序，所述的2台视音频播出服务器互为主、备；

所述的视音频服务器还包括，主播出通道、备播出通道、采集通道，且每一台视音频服务器的备播出通道与另一台视音频服务器的采集通道连接；其中，主播出通道用于视音频播出信号的输出，备播出通道用于备份播出信号的输出，采集通道用于采集备份的播出信号；主播出通道和备播出通道在系统运行时都进行信号输出，且视音频正常播出时输出的信号在内容上相同；

所述的视音频I/O板卡还包括：板卡硬件缓存区、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块、信号输入接口、信号主输出端口、信号备输出端口；其中，

板卡硬件缓存区：用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据和视音频播出应用程序传送的数据；

板卡硬件寄存器：用于分别记录缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据的存储地址、主播出通道和备播出通道所用数据的读取地址，以及由故障检测装置设置的无缝切换状态值；其中，无缝切换状态初始值为FALSE，系统运行后，当故障检测装置检测到故障发生时立即将无缝切换状态值置为TRUE；

板卡硬件控制模块：用于定期查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为TRUE时，控制主播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据作为数据源；当无缝切换状态值为FALSE时，控制主播出通道和备播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的视音频播出应用程序传送的数据作为数据源；

信号输入接口：用于作为采集通道输入接口；

信号主输出端口：用于作为主播出通道输出接口；

信号备输出端口：用于作为备播出通道输出接口。

进一步的，所述的无缝切换系统包括板卡硬件缓存区、视音频播出应用程序、板卡驱动程序、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块，其中，

板卡硬件缓存区，包含两个缓存队列：播出队列，用于缓存视音频播出应用程序传送的数据；采集队列，用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2；两个队列是被循环使用的，循环存储或循环读取是：判断上一次存储或读取的目标单元所在队列位置序号+1是否等于队列单元数，是，本次存储或读取的目标单元为位置序号为0的单元；否，本次存储或读取的目标单元为上一次目标单元所在队列位置序号+1的单元；

视音频播出应用程序，用于向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

板卡驱动程序，用于响应视音频播出应用程序发出的视音频数据播出请求：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，已满，则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，再执行本子过程判断播出队列是否已满；不满，则将接收到的一帧视音频数据循环存储到播出队列中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

板卡硬件寄存器，用于分别记录板卡硬件缓存区中采集队列的存储起始地址、缓存队列单元大小、缓存队列单元个数、当前板卡硬件控制模块循环存储和循环读取的目标单元的位置序号，以及无缝切换状态值；

板卡硬件控制模块，用于当每个帧中断到来时：

查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为FALSE时，从播出队列中分别循环读取目标单元的数据作为主播出通道和备播出通道本次输出；当无缝切换状态值为TRUE时，从采集队列中循环读取目标单元的数据作为主播出通道本次输出；

将采集通道采集的1帧数据循环存储到采集队列中的目标单元；

将板卡硬件控制模块循环存储和读取的目标单元的位置序号存储到板卡硬件寄存器；

其中，备播出通道初始读取目标单元的位置序号和采集通道初始存储目标单元的位置序号相同，备播出通道初始读取目标单元的位置序号比主播出通道初始读取目标单元的位置序号大1，如图1所示。

与本申请一种保证视音频正常播出的无缝切换系统的实施例相对应，本申请还提供了一种保证视音频正常播出的无缝切换方法的实施例。

本实施例的无缝切换方法，使用所述的无缝切换系统，通过所述系统的故障检测装置实时进行故障检测，并在检测到故障发生时激活无缝切换状态，其特征在于所述的备播出通道播出的视音频信号在时间上比主播出通道播出的视音频信号快1帧，所述方法的步骤如下：

（1）、视音频正常播出的过程包括以下子步骤：

（a）、视音频开始播出时，任选其中1台视音频播出服务器作为主视音频播出服务器，另一台为备视音频播出服务器；使用主视音频播出服务器的主播出通道输出的信号作为最终播出信号；

（b）、主、备视音频播出服务器利用各自的采集通道，实时采集从另一台视音频播出服务器的备播出通道输出的备份播出信号；

（2）、执行无缝切换的步骤：当无缝切换状态被激活后，立即将主视音频播出服务器的主播出通道使用的数据源切换到通过采集通道采集的备份播出信号的数据，使得下一帧播出信号无缝播出。

进一步的，所述的无缝切换方法还包括如下过程：

首先定义循环存储或循环读取的操作：首先判断上一次索引存储或读取的目标单元的索引变量+1是否等于队列单元数，是，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为0；否，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为索引上一次目标单元的索引变量+1；

其次定义无缝切换状态被激活的操作：将板卡无缝切换标志置为FALSE代表无缝切换状态未被激活；将板卡无缝切换标志置为TRUE代表无缝切换状态被激活；

视音频播出启动时的初始化子步骤包括：

（1）视音频I/O板卡驱动程序将板卡无缝切换标志置为FALSE；

（2）视音频I/O板卡驱动程序在板卡硬件缓存区创建两个视音频缓存队列：“播出队列”、“采集队列”；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2；两个缓存队列是被循环存储或读取的；

（3）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化播出队列指针；

（4）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化索引变量，包括：板卡驱动程序传送数据索引变量、主播出索引变量、备播出索引变量、信号输入接口索引变量，其中备播出索引变量等于主播出索引变量+1；

视音频播出软件注入播出数据的子步骤包括：

（1）发出数据播出请求的子步骤：视音频播出应用程序向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

（2）判断播出队列是否已满的子步骤：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，如果播出队列已满则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，执行本子步骤继续检查播出队列是否已满；如播出队列不满则执行下一子步骤；

（3）传送视音频数据子步骤：将接收到的一帧视音频数据循环储存到“播出队列”中的板卡驱动程序传送数据索引变量索引的单元中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

进行视音频播出数据输出处理的子步骤包括：

（1）板卡硬件控制模块等待帧中断到达；

（2）板卡硬件控制模块检查板卡无缝切换标志，如果无缝切换标志为FALSE，使用播出队列作为播出数据源，之后同时执行以下a,b,c三个步骤；如果无缝切换标志为TRUE，使用采集队列作为播出数据源，之后同时执行以下a ,c两个步骤；

（a）输出主播出通道信号的步骤：板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中主播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过主播出通道转换成视音频信号，并通过信号主输出端口输出；

（b）、输出备播出通道信号的步骤：板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中备播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过备播出通道转换成视音频信号，并通过信号备输出端口输出。

（c）、采集通道信号接收的步骤：板卡硬件控制模块将通过采集通道采集到的备播视音频数据循环存储到采集队列中信号输入接口索引变量索引的单元中。

实施例二：

本实施例是对实施例中一种无缝切换系统的细化，包括：

由板卡驱动程序在板卡硬件缓存区创建两个视音频缓存队列：播出队列和采集队列，其中播出队列用于存放视音频播出应用程序发送下来的视音频数据,采集队列用于存放信号输入接口采集到的备份播出视音频数据。两个队列中单元的个数一致，单元大小固定且相等，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2。

利用7个板卡硬件寄存器来分别记录板卡硬件缓存区中的采集队列的存储起始地址、缓存队列单元大小、缓存队列单元个数、当前通过采集通道采集的1帧备份播出数据循环存储到采集队列单元的位置序号、当前作为主播出通道输出使用的1帧数据的读取单元的位置序号、当前作为备播出通道输出使用的1帧数据的读取单元的位置序号，以及无缝切换状态值。由板卡驱动程序分别对播出队列储存起始地址、当前视音频播出应用程序发送的1帧视音频数据循环存储到播出队列单元的位置序号进行记录。

板卡硬件控制模块，用于当每个帧中断到来时，首先读取记录着无缝切换状态值的寄存器的值，其次判断读取的无缝切换状态值， 为FALSE时，读取其余6个寄存器的值和播出队列储存起始地址，并循环读取播出队列的目标单元的数据作为主播出通道和备播出通道本次输出，并将采集通道采集的1帧数据循环存储到采集队列中的目标单元；为TRUE时，读取其余的5个寄存器的值，是再除了记录着当前作为备播出通道输出使用的数据读取单元的位置序号的寄存器，并循环读取采集队列的目标单元的数据作为主播出通道本次输出，并将采集通道采集的1帧数据循环存储到采集队列中的目标单元。最后，将本次帧中断的板卡硬件控制模块循环读取和循环存储的目标单元的位置序号更新存储到相应的板卡硬件寄存器中。

其中，备播出通道初始读取目标单元的位置序号和采集通道初始存储目标单元的位置序号相同，备播出通道初始读取目标单元的位置序号比主播出通道初始读取目标单元的位置序号大1。

实施例三：

本实施例是对实施例中一种无缝切换方法的细化，包括：

初始化步骤：

（1）、视音频I/O板卡驱动程序首先将板卡无缝切换标志置为FALSE；

板卡无缝切换标志体现为视音频I/O板卡的一个一位的寄存器，板卡驱动程序和硬件看门狗都可以设置，硬件控制模块可以读取。当该寄存器置为FALSE时说明视音频播出服务器运行正常，而一旦该寄存器被设置为TRUE，表示存在某种意外导致视音频播出服务器不能正常工作，需要启动无缝切换机制，将备份播出信号连接输出。

（2）、视音频I/O板卡驱动程序在板卡硬件缓存区创建两个视音频Buffer队列，它们是被循环使用的:APP_List和CAP_List,其中缓存队列APP_List用于存放视音频播出应用程序发送下来的视音频数据,缓存队列CAP_List用于存放信号输入接口采集到的备份播出视音频数据。两个队列中单元的个数一致，单元大小固定且相等，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2。循环使用是指存储或读取缓存队列中单元数据时，是从队列起始单元开始依次顺序进行，当达到队列末尾时再从起始单元重新开始如此一直循环下去。

由于软件处理视音频帧数据的速度取决于CPU的速度，硬件板卡采集/播放视音频信号则严格按照固定的帧率（比如对于PAL制式是40ms一帧），因此软件处理视音频与硬件板卡播出/采集是不能完全同步的。同时驱动程序将视音频数据传送到硬件板卡缓存区需要通过PCI或者PCIE总线，由于总线属于共享资源，在某一时刻可能由于得不到总线资源而不能将数据及时的传送到硬件板卡中。因此在板卡缓存区内维持帧缓存Buffer队列，一方面解决同步问题，另一方面在出现短时间不能数据传送时，对于播出硬件板卡可以使用已经缓存在硬件板卡的视音频数据播出，对于采集，硬件板卡也可以将视音频数据先缓存在板卡缓存区中，待获得总线资源时迅速传送出去。

（3）、视音频I/O板卡驱动程序创建播出队列指针变量Play_Pointer，并初始化其指向缓存队列APP_List，即Play_Pointer的值为APP_List的起始地址；

Play_Pointer指针用于描述硬件控制模块使用哪个队列播出视音频数据，在正常情况下，使用缓存着视音频播出应用程序发送下来数据的APP_List，只有系统异常的情况下，才使用缓存着备份播出视音频数据的CAP_List。

（4）、视音频I/O板卡驱动程序创建索引变量PCIDMA_index、OUT1_index、OUT2_index、IN_index，创建指针变量OUT1_Pointer、OUT2_Pointer，并初始化PCIDMA_index的值为1，OUT1_index 的值为0，OUT2_index 的值为1，IN_index的值为1；其中PCIDMA_index是板卡驱动程序传送视音频播出应用程序请求下发的数据进APP_List队列的目的单元的索引号、IN_index是信号输入接口传送备份播出数据进CAP_List队列的目的单元的索引号、OUT1_Pointer指向信号主输出端口从Play_Pointer所指向的Buffer队列中取数据的单元、OUT1_index 是信号主输出端口从Play_Pointer所指向的Buffer队列中取数据的单元的索引号、OUT2_Pointer指向信号备输出端口从Play_Pointer所指向的Buffer队列中取数据的单元、OUT2_index 是信号备输出端口从Play_Pointer所指向的Buffer队列中取数据的单元的索引号；

将OUT1_Pointer、OUT2_Pointer进行赋值：

OUT1_Pointer =Play_Pointer + OUT1_index * 单元大小；

OUT2_Pointer =Play_Pointer +OUT2_index * 单元大小；

OUT2_index总是比OUT1_index的值大1，即OUT2_Pointer总是指向OUT1_Pointer指向的下一个单元，而IN_index总是与OUT2_index的值相同。

（5）、定义索引变量函数INC(X)为：如果X+1为缓存队列单元数，则函数返回0，否则为函数返回X+1。

视音频播出服务器正常运行的情况：

如图5所示，驱动程序将视音频播出程序生成的视音频数据传送到APP_List缓存队列中等待稍后播出， 硬件板卡上的信号主输出端口和信号备输出端口分别通过指针OUT1_Pointer和OUT2_Pointer驱动获取指向APP_List中将要进行播出的单元的数据帧。同时，硬件控制模块将每次采集到的备播数据送到CAP_List队列里IN_index索引的单元中。对于这两个分别以信号主输出端口和信号备输出端口作为输出端口的主、备播出通道来说，使用着同一个缓存队列，使用着同一个帧中断，只不过备播出通道输出的视音频内容比主播出通道输出的视音频内容在时间上正好快一帧的时间。同时，板卡采集与播出使用同一个帧中断，所以采集与播出也是同步的。又由于两台服务器通过外同步输入端口REF接入相同的同步锁相源，和两台播出服务器上运行的视音频播出应用程序通过网络或者串口互相通信来实现两台服务器上播出的视音频同步。并且，APP_List和CAP_List两个缓存队列单元数相同，所以，这两个队列中相同位置上的单元中缓存的视音频帧内容是相同的。具体细节包括：

视音频播出应用程序通过板卡驱动程序向板卡硬件缓存区缓存视音频数据的步骤。具体步骤如下：

（a）、视音频播出应用程序向板卡驱动程序发出数据传送请求的步骤：视音频播出应用程序向视音频I/O板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

（c）、判断板卡硬件缓存区中的APP_List是否已满的步骤：用于板卡驱动程序检查INC(PCIDMA_index)与OUT1_index是否相等，如果不是则表明APP_List队列未满，进入步骤（d）；如果是则表明APP_List队列已满，进入步骤（e）；

（d）、板卡驱动程序执行数据存储的步骤：将视音频数据传送到APP_List中以INC(PCIDMA_index)为索引的单元中，然后执行PCIDMA_index=INC(PCIDMA_index)，最后返回步骤（a）等待视音频播出应用程序发出下一帧数据传送请求；

（e）、驱动程序进入睡眠状态，然后返回步骤（a）当下一次传送请求来临时被唤醒；

板卡硬件控制模块在每一次帧中断来临后，执行每帧视音频数据播出的步骤。具体步骤如下：

（f）、板卡硬件控制模块等待帧中断到达；由于视音频I/O板卡使用外同步锁相信号，因此每一次同步到达时，都会产生帧同步中断。

（g）板卡硬件控制模块检查到无缝切换标志为FALSE，此时Play_Pointer维持初始值不变，即指向缓存队列APP_List，板卡硬件控制模块将OUT1_Pointer、OUT2_Pointer指向单元中的数据取出，通过主、备播出通道转换成视音频信号并分别通过信号主输出端口、信号备输出端口输出，同时板卡硬件控制模块将通过采集通道采集到的备份播出视音频数据送到CAP_List队列里IN_index索引的单元中，然后板卡硬件控制模块执行OUT1_index=INC(OUT1_index)、OUT2_index=INC(OUT2_index)、IN_index=INC(IN_index)，最后返回步骤（f），等待下一次帧中断的来临。

异常情况下：

当软件看门狗或硬件看门狗或操作系统检测到故障时，并不立即执行切换，而是简单的将视音频I/O板卡的一个无缝切换标志寄存器置为TRUE，等到下一个帧中断到达后就会开始动作。由于缓存队列的存在，正在传送的视音频数据帧已经到达板卡缓存区，不会受到应用程序/驱动程序/操作系统崩溃的影响，这段时间内输出的视频可以保证是完全正常的。同时避免了立即切换导致的绿屏现象。

在系统启动的时候，板卡驱动程序会将无缝切换标志寄存器内容置为FALSE，Play_Pointer置为APP_List起始地址。当视音频播出服务器工作时，在每一个帧中断到达的时候，硬件控制模块都会检查无缝切换标志，当无缝切换标志为FALSE时，维持Play_Pointer初始值不变，即使用APP_List队列播出，而当无缝切换标志为TRUE时，首先改变Play_Pointer指向CAP_List，即使用CAP_List队列播出，这个时候OUT1_Pointer和OUT2_Pointer则指向了采集队列，这样的话此时播出的也就是另一台视音频播出服务器通过信号备输出端口输出的视音频信号。由于另一台视音频播出服务器通过信号备输出端口输出的视音频信号，比这台视音频播出服务器信号主输出端口输出的视音频信号快一帧的时间，所以在故障触发后的第一个帧中断达到的时候正好可以使用正常播出时最后一帧视音频数据的下一帧数据，从而实现了故障的无缝切换。

如图6所示，OUT1_Pointer在播放第2帧时出现无缝切换命令，此时OUT2_Pointer在播放第3帧，而信号输入接口则将另一台视音频播出服务器上由信号备输出端口播出的第3帧采集进来。在硬件看门狗或板卡驱动程序触发无缝切换标志为TRUE后的第一个帧中断到达时，检查到无缝切换标志为TRUE了，OUT1_Pointer和OUT2_Pointer由于Play_Pointer的改变而切换到了CAP_List队列上，由于已经过去了一帧时间，因此OUT1_Pointer向下移一个单元，则正好可以播出CAP_List队列中上一个帧中断采集到的第3帧，而信号输入接口此时已采集到了另一台播出服务器播出的第4帧。在触发无缝切换命令后的第二个帧中断到达时，OUT1_Pointer播出第4帧，而信号输入接口采集第5帧，并且一直按照这种状态持续下去，保证了视音频播出系统在出现意外故障之后能够正常的将另一台播出服务器的备播信号无缝衔接地播出出去。这样，整个系统很好的实现了安全播出保护机制。

实施例四：

本实施例是对实施例一的改进，具体步骤如下：

如果当前是无缝切换状态，信号备输出端口经过无缝切换后输出的信号是无效信号。进一步的处理方式是硬件控制模块在无缝切换后永远将信号备输出端口输出带警告信息的视音频信号，以便于对视音频播出故障的及时发现。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如系统的连接方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种保证视音频正常播出的无缝切换系统，所述系统包括2台视音频播出服务器，所述的视音频播出服务器包括视音频I/O板卡、板卡驱动程序、故障检测装置、操作系统以及视音频播出应用程序，其特征在于：

所述的2台视音频播出服务器互为主、备；

所述的视音频服务器还包括，主播出通道、备播出通道、采集通道，且每一台视音频服务器的备播出通道与另一台视音频服务器的采集通道连接；其中，主播出通道用于视音频播出信号的输出，备播出通道用于备份播出信号的输出，采集通道用于采集备份的播出信号；主播出通道和备播出通道在系统运行时都进行信号输出，且视音频正常播出时输出的信号在内容上相同；备播出通道读取目标单元的位置序号始终比主播出通道读取目标单元的位置序号大1；所述的2台视频播出服务器通过外同步输入端口REF接入相同的同步锁相源，以保证两台服务器播出信号是同步的；

所述的视音频I/O板卡还包括：板卡硬件缓存区、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块、信号输入接口、信号主输出端口、信号备输出端口；

其中：

板卡硬件缓存区：用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据和视音频播出应用程序传送的数据；

板卡硬件寄存器：用于分别记录缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据的存储地址、主播出通道和备播出通道所用数据的读取地址，以及由故障检测装置设置的无缝切换状态值；其中，无缝切换状态初始值为FALSE，系统运行后，当故障检测装置检测到故障发生时立即将无缝切换状态值置为TRUE；

板卡硬件控制模块：用于定期查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为TRUE时，控制主播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的通过采集通道采集的备份播出信号的数据作为数据源；当无缝切换状态值为FALSE时，控制主播出通道和备播出通道使用缓存于板卡硬件缓存区的视音频播出应用程序传送的数据作为数据源；

信号输入接口：用于作为采集通道输入接口；

信号主输出端口：用于作为主播出通道输出接口；

信号备输出端口：用于作为备播出通道输出接口。

2.根据权利要求1所述的无缝切换系统，其特征在于，所述的系统包括板卡硬件缓存区、视音频播出应用程序、板卡驱动程序、板卡硬件寄存器、板卡硬件控制模块，其中：

板卡硬件缓存区，包含两个缓存队列：播出队列，用于缓存视音频播出应用程序传送的数据；采集队列，用于缓存通过采集通道采集的备份播出信号的数据；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据，队列单元数大于2，两个队列是被循环使用的，循环存储或循环读取是：

判断上一次存储或读取的目标单元所在队列位置序号+1是否等于队列单元数，是，本次存储或读取的目标单元为位置序号为0的单元；否，本次存储或读取的目标单元为上一次目标单元所在队列位置序号+1的单元；

视音频播出应用程序，用于向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

板卡驱动程序，用于响应视音频播出应用程序发出的视音频数据播出请求：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，已满，则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，再执行本子过程判断播出队列是否已满；不满，则将接收到的一帧视音频数据循环存储到播出队列中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

板卡硬件寄存器，用于分别记录板卡硬件缓存区中采集队列的存储起始地址、缓存队列单元大小、缓存队列单元个数、当前板卡硬件控制模块循环存储和循环读取的目标单元的位置序号，以及无缝切换状态值；

板卡硬件控制模块，用于当每个帧中断到来时：

查询无缝切换状态值，当无缝切换状态值为FALSE时，从播出队列中分别循环读取目标单元的数据作为主播出通道和备播出通道本次输出，其中，主播出通道初始读取目标单元的位置序号和采集通道初始存储目标单元的位置序号相同，备播出通道读取目标单元的位置序号始终比主播出通道读取目标单元的位置序号大1；当无缝切换状态值为TRUE时，从采集队列中循环读取目标单元的数据作为主播出通道本次输出；

将采集通道采集的1帧数据循环存储到采集队列中的目标单元；

将板卡硬件控制模块循环存储和读取的目标单元的位置序号存储到板卡硬件寄存器。

3.一种使用权利要求2所述的无缝切换系统保证视音频正常播出的无缝切换方法，通过所述系统的故障检测装置实时进行故障检测，并在检测到故障发生时激活无缝切换状态，其特征在于，所述的备播出通道播出的视音频信号在时间上比主播出通道播出的视音频信号快1帧，所述方法的步骤如下：

（1）视音频正常播出的过程包括以下子步骤：

（a）视音频开始播出时，任选其中1台视音频播出服务器作为主视音频播出服务器，另一台为备视音频播出服务器；使用主视音频播出服务器的主播出通道输出的信号作为最终播出信号；

（b）主、备视音频播出服务器利用各自的采集通道，实时采集从另一台视音频播出服务器的备播出通道输出的备份播出信号；

（2）执行无缝切换的步骤：当无缝切换状态被激活后，立即将主视音频播出服务器的主播出通道使用的数据源切换到通过采集通道采集的备份播出信号的数据，使得下一帧播出信号无缝播出。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的“执行无缝切换的步骤”包括如下子步骤：

定义循环存储或循环读取的操作：首先判断上一次索引存储或读取的目标单元的索引变量+1是否等于队列单元数，是，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为0；否，索引本次存储或读取的目标单元的索引变量为索引上一次目标单元的索引变量+1；

定义无缝切换状态被激活的操作：将板卡无缝切换标志置为FALSE代表无缝切换状态未被激活；将板卡无缝切换标志置为TRUE代表无缝切换状态被激活；

视音频播出启动时的初始化子步骤包括：

（1）视音频I/O板卡驱动程序将板卡无缝切换标志置为FALSE；

（2）视音频I/O板卡驱动程序在板卡硬件缓存区创建两个视音频缓存队列：“播出队列”、“采集队列”；两个队列中单元的个数一致，每个单元可以存储以1帧为单位的视音频数据；队列单元数大于2；两个缓存队列是被循环读取或存储的；

（3）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化播出队列指针；

（4）视音频I/O板卡驱动程序创建和初始化索引变量，包括：板卡驱动程序传送数据索引变量、主播出索引变量、备播出索引变量、信号输入接口索引变量，其中备播出索引变量等于主播出索引变量+1；

视音频播出软件注入播出数据的子步骤包括：

（1）发出数据播出请求的子步骤：视音频播出应用程序向板卡驱动程序发出视音频数据播出请求，每次送出以一帧为单位的视音频数据；

（2）判断播出队列是否已满的子步骤：板卡驱动程序收到播出请求后，判断播出队列是否已满，如果播出队列已满则板卡驱动程序进入睡眠状态，当下一次收到播出请求时被唤醒，执行本子步骤继续检查播出队列是否已满；如播出队列不满则执行下一子步骤；

（3）传送视音频数据子步骤：将接收到的一帧视音频数据循环存储到“播出队列”中的板卡驱动程序传送数据索引变量索引的单元中，之后等待视音频播出应用程序送出下一帧数据播出请求；

进行视音频播出数据输出处理的子步骤包括：

（1）板卡硬件控制模块等待帧中断到达；

（2）板卡硬件控制模块检查板卡无缝切换标志，如果无缝切换标志为FALSE，使用播出队列作为播出数据源，之后同时执行以下（a）,（b）,（c）三个步骤；如果无缝切换标志为TRUE，使用采集队列作为播出数据源，之后同时执行以下（a）,（c）两个步骤；

（a）板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中主播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过主播出通道转换成视音频信号，并通过信号主输出端口输出；

（b）板卡硬件控制模块将当前作为播出数据源的缓存队列中备播出索引变量索引的单元中的数据循环读取出，通过备播出通道转换成视音频信号，并通过信号备输出端口输出；

（c）板卡硬件控制模块将通过采集通道采集到的备播视音频数据循环存储到采集队列中信号输入接口索引变量索引的单元中。