CN1122480A - 视频系统中视频扫描的帧采样设计 - Google Patents

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Abstract

一个用以实现不同速度扫描或浏览的系统和方法，其中用户控制着影片的放出速度，它不需附加的磁盘或网络带宽资源。在优选实施方式中，此方法用以MPEG视频流的扫描运行，此方法解决了MPEG译码器的限制，且要求最小的附加系统资源。本发明的实施方式包括(a)存储方法，(b1)段采样方法，(b2)段布局方法和(c)放出方法。此处(b1)和(b2)在段选择时，可互相替换。因此，有两套办法来保证在磁盘阵列为基础的视频器中实现多种速度扫描：一种是用(a)、(b1)和(c)；另一种是用(a)、(b2)和(c)。

Description

视频系统中视频 扫描的帧采样设计
本发明涉及在磁盘阵列为基础的视频服务器中，用以视频帧检索及扫描。
在需要视频(在下文中称VOD)的系统中，多媒体流(影片)是存储在存储服务器中，当需要时，放出到用户端点(接收)站。多媒体是由压缩的视频信号及音频信号组成。视频信号的一般标准是MPEG(运动画面专家组)。帧内压缩技术，例如MPEG，在存储与传送方面提供了显著的便利，并且在VOD应用中被普通地采用。
在正常放出时，属于多媒体流的数据块，从存储系统中检索出来并传送到接收站。接收站将此输入流译码并放出。一般情况下，最好提供用户以象VCR的搜索功能，例如在VOD系统中的“快速—向前”(也称为“扫描向前”)。有几种传统的方法来实现这种快速—向前(在下文中称FF)功能。其中一些是模仿模拟VCR或电影放映机的扫描运行。然而，像下面的解释那样，这些方法的每一种都加强了系统对附加资源的需要，此处为了便于解释，假定影片按正常放出速度的3倍来扫描。
多媒体流按3X正常放出速度来检索与传送，端点站滤波并放出数据。这种办法在存储系统、存储缓冲器及网络上需要附加资源(3X正常速度)。端点站的输入数据处理也需要附加资源。
存储系统检索及传送每一个第三帧到端点站，这种办法需要大量的附加资源。多媒体文件现在必须编入目录来检索单独的帧，而检索数据的总量比正常时高，这是由内帧代码的结构造成的。
系统转换为各个编码FF流以供给扫描运行，这种办法虽然省去了任何附加的读出带宽或网络带宽，但是存储费用是非常高的。
本发明的目的是在磁盘阵列为基础的视频服务器内保持快速—向前和快速一向后(扫描)视频帧检索。
本发明更进一频的目的是在视频服务器中保持变速度扫描。
为了避免上面提到的缺点，本发明提供了一种系统和方法实现了可变速度扫描或浏览，在那里用户控制影片放出的速度，不需要附加的磁盘或网络带宽资源。
作为优选的实施方式，本方法提供了MPEG视频流的可变速扫描运行。本方法解决了MPEG译码器(在用户设置的顶框中)的限制及要求最小的附加系统资源。本发明的实施方式包括了(a)存储方法、(b1)段采样方法、(b2)段布局方法和(c)放出方法，此处(b1)和(b2)是两个可任取其一的段选择。因此，有两套办法被提供来保持磁盘阵列为基础的视频服务器中的可变速扫描：一个是用(a)(b1)和(c)，另一个是用(a)(b2)和(c)。
MPEG视频流是由三种类型的帧组成：由帧(I)、预测帧(p)和插入帧(B)。这种存储方法将MPEG视频帧流分离成一些媒体段。每一段中包括了从一个I帧开始到下一个I帧以前的连续帧。多媒体流的地址分配及检索是在段的单元内。连续的段是存储在磁盘阵列中不同的磁盘中。
当正常放出时，一个媒体段是从具有n个磁盘的磁盘阵列中的每一个磁盘中检索出来。这n个段暂存在存储器中并以固定的速度传送到接收站。为了保持在FF方式下的平稳运行，在扫描序列中，n个连续段驻留在n个不同磁盘中。
从磁盘阵列中选择性检索段的段采样方法保持以观察者要求的任意FF速度进行FF检索的段采样，在磁盘阵列中段是按循环方式放置的。用这种方法采样的段是以在每两个连续检索间跳跃的段号的最小变化均匀分布的。
段布局方法可以代替段采样方法进行段选择。与段采样方法(此法用于磁盘阵列为基础视频服务器中，此处段是按循环方式放置的)相比，段布局方法在磁盘中合理地分配段。因此，采样时不需要特殊的措施，而且对一些预定的扫描速度，段可以在扫描方式下，被完全均匀的采样。
放出方法操纵按收站放出检索视频流，用于扫描检索。这种方法，借助于选择性的分析输入的中间流及调整显示时间标记，将缓器空间、服务器和端点站所需要的传送带宽减至最小。本发明的这些及其它目的、特点和优点在下面结合相应的附图对本发明所作的详细描述中，将变得明确起来。
图1示出在网络中的磁盘阵列为基础多媒体视频服务器；
图2是采用段采样方法的快速—向前检索流程框图；
图3是采用段布局方法的快速—向前检索流程框图；
图4示出MPEG帧的顺序；
图5示出一个视频段是按循环方式存储的磁盘阵列；
图6是段采样方法程序的详细流程图；
图7示出一个段采样方法的例子；
图8是段布局方法程序的详细流程图；
图9示出一个段布局方法的例子；以及
图10是放出流程的框图。
图1示出了磁盘阵列为基础的视频服务器100，在那里视频数据是存储在磁盘阵列102中，并通过网络104，按需要传送到端点挂号用户站103。影片(视频信号)是存储在磁盘102中。视频服务器100包括处理器(CPU)101，此处理器在循环调度程序106的控制下执行任务，这些任务包括从磁盘102中检索视频信号的检索任务150，将视频信号暂时存储在缓冲存储器105中的存储任务152，还有传送任务154是借助于网络接口107，通过通信网络104将视频信号传送到用挂号户站103。
每一个挂号用户站103包括一个网络接口，它提供了在挂号用户站103与视频服务器之间通过通信网络的双向通讯。每个挂号用户站还包括一个处理器(CPU)109，它通过挂号用户站网络接口108，接收视频信号存入放出缓冲器110。每一个挂号用户站103也包括一个译码器111，它从放出缓冲器中接收影片，将它们译码，以便显示在挂号用户的显示装置(如电视机)上，还包括了一个控制按口112，它通过遥控器114，从用户处按收控制命令(包括扫描速度控制命令)。这些命令通过网络接口108及网络104传给视频服务器。
视频服务器100可配备任何具有足够性能的处理器，用来保持视频流的数目，例如，一个小容量的视频服务器，可以用RISC Sys-tem/6000 TM系统来配备，而一个大容量的服务器可以用ES/9000TM系统(都可以从International Business Machines Corporation ofArmork，New York得到)来配备。磁盘阵列102可以是RAID5型。通信网络103可以是光纤网络或传统的双向电缆网络。挂号用户站103可以配置为一个置一顶框。遥控器114和控制逻辑可以通过一个传统的红外接口连接。挂号用户通过网络114发送命令到服务器103，按照本发明的一个实施方式，挂号用户可以按下遥控器114上特别按纽来控制视频的扫描速度(沿着连续的频谱)。
为了清楚起见，在此说明中，将引用快速向前运行的例子，应明白所叙述的原理同样适用于快速向后(FB)运行。
图2图解了一种在磁盘阵列为基础的视频服务器中实现FF检索的方法，使用了按照本发明的实施方式的存储方法10、段采样方法15和放出方法20。存储方法10将MPEG视频帧的流分解为媒体段，每一段是由从一个I帧开始，并在另一个I帧前的连续的帧所组成。多媒体流的分配及检索是在段单元之中。段采样方法15选择性的从磁盘阵列中检索段，此处段是按循环方式布局，而且按观察者所要求的任何快速向前速度来实现快速向前(FF)检索。放出方法20使端点站从快速向前检索中放出检索的视频流，并象正常放出运行一样，保留相同的缓冲空间及传送带宽要求。
图3图解另一种在磁盘阵列为基础的视频服务器中实现FF检索的方法，使用了存储方法10，段分配方法35以及按照本发明另一实施方式的放出方法20。存储方法10及放出方法20与在图2中的方法相同，段布局方法35适宜地将段分配到磁盘上。因此，在某些预定的FF速度的FF方式下，段能够完全均匀地被采样。
现在参考图4-10对控制扫描的多种任务和程序进行描述。
图4示出了MPEG视频帧1-8的序列，它们是由内帧(I)、预测帧(P)和插入帧(B)组成。帧的存储顺序不同于暂时顺序，它与帧的不得不传送到译码器的顺序有联系。在MPEG流中，P帧取决于I帧，B帧取决于I帧与P帧。所以没有相应的I帧和P帧就不可能放出B帧。因而放出每一个第三帧以实现3X放出是不可能的，因为这个子集包括了B帧，而没有相应的I或P帧。
由于上述的原因，现有的存储方法将MPEG视频流分为媒体段。每一段包括了从一个I帧开始到另一I帧的连续帧。多媒体流的分配与检索是在段单元内。连续的段是存储在磁盘阵列102中的不同磁盘中。
现在来描述检索任务105的段采样方法。假定图1中所示类型的磁盘阵列为基础的视频服务器有n个磁盘。为了正常(标准放出速度)运行期间的最大吞吐量，视频段S0-S29以循环方式存储在磁盘阵列102中，因此在一个循环中，可以检索到n个连续段。形式上当有n个磁盘时，段g是存储在磁盘K＝f1(g，n)中，此处f1(g，n)＝g mod n。图5示出了一个当n＝10时，循环段布局的例子。
为了实现FF特性，必须适当地只采样某些段，而跳过其它段。采样速度取决于所要求的FF速度。例如，FF速度是正常速度的m倍，我们将在m段中采样一段，假如在图5中，FF速度m等于3，则段S0，S3，S6和S9将分别地从磁盘0、磁盘3、磁盘6和磁盘9中检索出来，而跳过了段S1，S2，S4，S5，S7，和S8。全部的采样过程将参照段采样方法在下面加以更详细的描述。
为了在FF期间提供最好的输出，采样的段必须尽可能的均匀分布。例如，为了两倍的速度，可以简单地选择偶数段，跳过奇数段。然而，可以证实当阵列中有偶数个盘时(如图5中的情况，此处n＝10)，在均匀采样时，这种方法并不能得到最大的吞吐量。显然，此处只有偶数段被选择，只有一半磁盘(即偶数号的磁盘)参与段检索，而另一半磁盘(即奇数号的磁盘)却空闲无用。理所当然，在以循环-robin方法存储段的磁盘阵列中，开发FF视频段检索设计，我们不仅要求尽可能均匀地采样段，而且需要保证得到最大的吞吐量。下面将描述此过程。
图6是检索任务105中的程序流程图，用来确定用FF方式检索视频段的每个磁盘。假设在阵列中的磁盘数为n，而所需要的FF速度是正常运行的m倍，设1cm(n，m)表示m和n的最小公倍数。例如，1cm(3，9)＝9，为了符号简明，设z＝nm/1cm(n，m)。为了便于描述，在图7中给出了一个n＝9，m＝3的FF段检索，此处被检索的段用*标注。
现在参阅图6，段检索的循环r在开始时(步骤60)等于1。根据r是奇数还是偶数，各磁盘用其特有的公式去决定检索段(步骤70)。在r为奇数的情况下，相当于从段检索中得到的锯齿形括号的第一半部，如图7第一次循环中的段0*、10*和20*所形成的行。另外，当r是偶数是，相当于锯齿形括号的第二半部，如图7第二循环中由段29*、37*和45*所形成的行。特别是，如果r是奇数，段g将从磁盘K中检索，此处g唯一地由步骤80和85决定；如果r是偶数时，段g将从磁盘K中检索，此处g唯一地由步骤90和95决定，段g在步骤100中从磁盘K中检索出之后，如果需要更多的视频段(步骤105)，则转向步骤110，并且将循环数r增1。否则，本过程在步骤120处结束。
再参阅图7，提供了n＝9和m＝3的例子。那些被检索的段标有*。图6中所描述的段采样设计，在某些检索中移动了被检索的段来代替检索那些数目多倍于3的段(这会使磁盘1、2、4、5、7和8空闲)。例如，段10被取出来代替段9，而段20被取出来代替段19，这种移动虽然使得段检索不完全均匀分布，但是保证得到最大的吞吐量。图7中在第一个检索循环中的段检索组包括了段0，10，20，3，13，23，6，16和26，又按照0，3，6，10#，13，16，20#，23，26的次序显示，此处#指被检索段的一个移动。本设计中，图7在第二次检索循环中，检索的段是段45，37，29，48，40，32，51，43和35，又以29，32，35，37#，40，43，41#，48，51的次序显示。可以从图7中看到段检索形成一个锯齿形括号。在锯齿形中移动的数是2nm/1cm(n，m)－2，这是所有FF方案中的最小数，它可以在磁盘阵列为基础的视频服务器中实现最大的吞吐量，此处段是以循环方式存储的。
现在描述段布局方法，如图2和图3中所示，段布局方法是可以替代前面所描述的段采样方法，与段采样方法(此法从磁盘阵列中选择性的检索段，此处段是按循环方式存储的)相比段布局方法是合适的将段分配在磁盘中，因此，它不需要特殊的采样措施，就可以按某些预定的FF速度以FF方式完全均匀的采样。考虑一个放出速度是m倍正常放出速度的FF运行。用这种FF方式，从一个给定起始段i开始的检索段的顺序是{i，i＋m，i＋2m，i＋3m…}。因为在每个循环中要检索n个媒体段，被检索的段是{(r－1)nm，(r－1)nm＋m，(r－1)nm＋2m…(r－1)nm＋(n－1)m}，此处r是段检索的循环数。为了得到最大的吞吐量，保证这些段安排在不同的盘中是必要的，段布局功能f2(g，n)定义了一个从媒体段g到磁盘的映象，此处K是一个数，在有n个磁盘的磁盘阵列中，从0排到n－1。
假定m是磁盘数n的约数，映象功能可以定义如下：f2(g，n)＝(g＋[g/n])mod n。第一项(g)代表一个在n个磁盘上正规的段散射，而第二项(g/n)代表一个变形系数，可以看出，对任何r，f2(g，n)把段{(r－1)nm，(r－1)nm＋m，(r－1)nm＋2m…(r－1)nm＋(n－1)m}映象到不同的磁盘上。
参阅图8(它示出了在检索任务150中的段布局程序的流程图)，段检索的循环数r开始时等于1(步骤200)，在第r次循环中，磁盘K将查出它的第i个盘(即段g)，此外数i和g分别由步骤210及220唯一地决定。当段g在步骤230中从磁盘K中检索出之后，如需要更多的视频段(步骤240)，则转向步骤250，并且将循环数r增1，否则，过程在步骤260处结束。
现在参阅图9，当所要求的FF速度是正常运行的3倍时，在有6个磁盘的磁盘阵列中，视频段的布局已给出。这种媒体段的格式跨越了n个磁盘，假如FF速度m是磁盘数n的约数，保证了不同的FF速度的放出是平滑检索。这种格式保证在一个循环中，检索的媒体段都驻留在不同的磁盘中。因此，在FF方式下，由检索过程施加于存储系统的负载和正常运行时是一样的。
现在描述放出方法。在正常速度放出时，视频信号是在循环中从磁盘中检索。在每一个循环中，一个媒体段是从磁盘阵列中的一个磁盘中被检索出，数据暂存在服务器中，并且以固定速度传送到端点站。在FF方式下，服务器检索段是以图2中的过程或图3中的过程为基础的。现在参阅图10，它给出了接收站的处理步骤，此步骤的任务是分析输入流，并且建立译码器用的有效输入流。接收端点站103在步骤300中由视频服务器100接收输入段流，并且放弃中间帧，在步骤310中没有辅助的锚帧。注意，虽然媒体段开始于I帧，但是它包括B帧，在媒体段之外有一个锚帧。如图4所示，这些B帧在I帧之后立刻被查出，并且被略去，因为它们取决于没有被检索的上述媒体段中的最后的P帧。在步骤320中，接收站调整嵌入在滚中的显示时间标志，时间标志决定了视频帧的显示时间。必须调整它去补偿跳过的段以及丢掉的B帧，从而正确反映放出时间，然后视频帧在步骤330中放出。
这种放出规则形成分段连续放出顺序。它允许观察者为了快速地确定感兴趣的景物，而去检查景物。因为段的尺寸已经固定，对于流不需要附加的缓中器及传送带宽，段保持流的平均数据速度，从而可被端点站译码器接收。
现在借助于优选实施方式本发明已被描述过了，本技术领域的技术人员还可以对它有多种改进与提高，优选的实施方式提供了一个例子，而不是一种限制。这点会被理解的。本发明的范围由附加的权利要求详细说明。

Claims (15)

1.视频服务器中，实现以任何可变速度扫描运行的一种方法。其中从大量的存储媒体中至少提供了一个数据流，包括下列步骤：
视频服务器从观察者处接收表示一特定的视频信号的操作要求。
把携带特定的视频信号的第一数据流从视频服务器发送给观察者所在地的接收装置。
视频服务器接收扫描申请，其中含有表示扫描速度的控制数据。
作为控制数据功能，确定从大容量存储媒体中检索出来的视频特定帧。
传送基本上只由特定帧组成的第二数据流到观察者所在地来代替第一数据流。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，帧被确定并编码为内(I)帧，预测帧及插入帧，并且作为检索单元存储在大容量存储媒体中，每个检索单元是由一个I帧开始到另一个I帧前的连续的帧组成。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，大容量的存储媒体是一个磁盘阵列，特定帧也被确定为在阵列中的磁盘数功能，视频帧分配在磁盘阵列中的多个磁盘之中，以及多个帧被平行的从磁盘中检索出来。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，存储媒体是一个磁盘阵列，进一步包括把帧分配在磁盘阵列中，作为磁盘阵列数功能，并且至少以一个预定的扫描速度分配帧。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，大容量存储媒体是一个磁盘阵列，视频帧分配在磁盘阵列中多个磁盘中。因此，特定帧是均匀地分配在磁盘中，而且全部检索帧的数与第一数据流传送的相同。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于，象段一样，帧是存储在媒体中，而且每个段包括一个连续帧的序列，它可以译码为一个单元。
7.需要视频的系统包括：
具有视频译码器的用户站，从用户处接收扫描速度控制命令的控制接口，及用来从视频服务器接收视频数据和传送扫描速度控制命令到视频服务器的第一网络接口。
一个视频服务器，具有大容量存储媒体，用来将视频数据送到用户站和从用户站接收控制命令的第二网络接口，还有表示控制命令的处理逻辑，用来确定从大容量存储媒体中检索出来的视频特定帧，并提供给用户；以及
连接到第一网络接口和第二网络接口的通信网络。
8.根据权利要求7需要视频的系统，其特征在于，象段一样，帧存储于媒体中，而且每一段都包括一个连续帧序列，它可以被用户站译码为一个单元。
9.一个视频服务器，包括：
用来存储多个视频信号的大容量存储媒体；
用来传送视频数据到用户处，人用户处接收视频信号及扫描速度控制命令的一个执行要求的网络接口；以及
表示控制命令的处理逻辑，用来确定要从大容量存储媒体中检索出来的视频信号之一的特定帧，并提供给用户，其中如同嵌入在扫描速度控制命令中的速度信息功能一样，视频信号的特定帧被跳过。
10.根据权利要求9的视频服务器，其特征在于，视频信号之一的帧被确定和编码为内(I)帧、预测帧及插入帧，而且作为检索单元存储在大容量存储媒体中，每个检索单元包括从一个I帧开始到另一个I帧前的连续帧。
11.根据权利要求9的视频服务器，其特征在于，大容量存储媒体是一个磁盘阵列，特定帧也被确定作为在阵列中的磁盘数功能，视频帧被分配在磁盘阵列中的多个磁盘中，而且多个帧平行地从磁盘中被检索出。
12.根据权利要求9的视频服务器，其特征在于，存储媒体是一个磁盘阵列，以及帧是分配在阵列中的磁盘内作为阵列中磁盘数的功能，而且至少有一个不同于正常放出速度的预定扫描速度。
13.根据权利要求9的视频服务器，其特征在于，大容量存储媒体是一个磁盘阵列，以及视频帧被均匀地分配于磁盘阵列中，因此在扫描时所检查的帧数与以正常放出速度传送的视频流是相同的。
14.根据权利要求9的视频服务器，其特征在于，帧如同段一样被存储在媒体中，以及每一段都包括了一个连续帧的序列，它是可以被且户站译码的。
15.一个视频服务器，包括：
多个影片存储在其中的磁盘阵列，每一影片按检索单元存储在阵列中，包括了连续的内(I)帧、预测帧和插入帧，每一检索单元包括了从一个I帧开始到另一个I帧之前的连续的帧。
网络接口，用来送视频信号到用户，用来接收影片之一的执行申请，和接收从用户发来的扫描速度控制命令；以及
响应控制命令的处理装置，用来确定要从大量存储媒体中检索出来并提供给用户影片的特定帧。
检索装置，用来从磁盘的帧组中检索影片的特定帧，其中在扫描期间从磁盘中平行地检索出的帧的数，与在正常的放出速度下视频流的传送是相同的。
CN95102448A 1994-04-04 1995-03-03 视频系统中视频扫描的帧采样设计 Expired - Lifetime CN1095571C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

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US222781 1994-04-04
US08/222,781 US5521630A (en) 1994-04-04 1994-04-04 Frame sampling scheme for video scanning in a video-on-demand system
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US (1) US5521630A (zh)
EP (1) EP0676898B1 (zh)
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