CN1349719A - 转换数据流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用数字录像机或类似的装置来实现将具有一种MPEG－2 Transport Stream(TS)格式的输入数据流转换成具有一种MPEG－2 Program Stream(PS)格式的输出数据流的方法。输入数据流(TS)中至少包括依照一种TS解码器模型形成并多路复用的第一和第二单元数据流(404,406)的数据。第一单元数据流是视频数据流,而第二单元数据流是一个低数据速率的音频数据流。分析(402)输入数据流并且将单元数据流多路分解成各自的FIFO排队404/406。进一步分析每一个数据流以获取和计算在(408/410)用数据流的指针(在404/406)单独排队的时标信息。对输入数据流(TS)中的单元数据流采用的时间表和编组不能直接用来产生输出数据流(PS)。然而,根据MPEG或其他规范对输入数据流采取的参数和限制,再复用器(412)能够将这一单元数据流重新编排并重新编组成有效的输出数据流(PS),单元数据流多路复用所需的缓冲器大小不会造成损伤。

Description

转换数据流的方法和装置
本发明涉及到从一种多路复用格式向另一种格式转换(转移多路复用)多路复用数据流的方法和装置。本发明具体可应用于视频和音频流从一种传输流格式向符合MPEG-2规范(ITU-T RecommendationH.222.0|ISO/IEC 13818-1)的一种程序流格式的转移多路复用。
上述的MPEG-2 Standard为多媒体多路复用，同步和时基恢复规定了一般的方法。这种规范提供了一种基于分组的多媒体多路复用，将每个单元比特流(视频，音频，其它数据)分段形成一个PacketisedElementary Stream(PES)，并且将各个分组多路复用成两种不同类型之一。Program Stream(PS)是一种多路复用的可变长度PES分组，并且是为了在诸如光盘记录等没有误差的环境中使用而设计的。由188字节固定长度分组构成的Transport Stream(TS)具有多重程序多路复用以及一个程序的各个PES分组的多路复用的功能，并且是为了在诸如广播等有误差的环境中使用而设计的。多媒体同步和时基恢复是利用系统时钟的时标和显示/解码来实现的。
由于每一种数据流在不同环境中都有其优点和缺点，MPEG-2规范认为在两种格式之间的转换是可能的。然而，由于格式之间的差别，特别是严格限定了缓冲器大小，时间延迟，数据率等等的“目标解码器”模型不同的单元数据流不能编排成和它们的其它格式相同的一种格式。因此，如果要从一种数据流类型转换成另一种，就需要多路分解并再分多路复用这种单元数据流。另一个因素是在TS广播中通常都缺少可用于随机存取，编辑等等能够将一种结构变成PS数据的系统信息。
EP-A-0833514(Sony)提出了一种记录/播放装置和表现(显示)装置的系统。例如，用唱机从光盘上读出PS格式数据并且转换成用于显示的TS格式。另一方面，在它的实施例中提供的缓冲器大小不能解决为了将一个有效PS转换成一个有效TS格式而需要重新编排不同的单元数据流的问题。事实上，由TS规范本身施加的限制就能够看出需要有一个缓冲器来存储至少一秒的有价值的视频信息，并且还需要有同样的措施来避免数据流受到破坏。在EP’514中没有讨论从TS到PS格式的转换。
本发明的目的是在数据流的格式转换之间减少计算量和/或所需的存储空间，例如是在MPEG传输流和程序流之间的转换。可以理解的是，本发明的应用可以超越严格定义的符合MPEG-2的数据流，因为在任何两种格式之间转换多路复用数据流时都会遇到类似的问题。
本发明人认为，尽管为了从一种格式转换到另一种格式必然要重新编排，在转换中可以利用源格式中固有的限制来减少缓冲器大小以及/或是需要处理的工作量。
本发明提供了一种将按照特定的Transport Stream(TS)格式接收的数据流转换成一种特定的Program Stream(PS)格式的输出数据流的方法，在所述TS格式中，编码信息的至少第一和第二个分组的单元数据流涉及到一个指定程序，它已经被进一步分组成TS分组并且和涉及到不同程序的其它数据流一同多路复用，在所述的PS格式中，第一和第二单元数据流和总体上涉及一个选定程序的可选择的数据流被分组，并且交错这些分组形成一个多路复用的PS包数据流，每个PS包包括一个包字头和分组的单元数据流的一或多个完整分组，上述的方法包括：
(a)从接收的数据流中提取用来识别第一和第二单元数据流各自的当前流索引的程序映像信息；
(b)对接收的数据流的数据滤波，提取携带指定单元数据流的分组；
(c)按照分组字头信息分析第一和第二单元数据流，识别出各个指定单元数据流的有效负载内的显示单位的顺序；
(d)在再分多路复用之前分别按顺序将各个数据流的显示单位写入第一和第二有效负载排队；
(e)按照单元数据流之间的同步关系并且利用一个PS目标解码器模型和PS数据流限制确定一个有效PS时间表，从第一和第二有效负载排队将有效负载数据再分多路复用成一串PS分组；以及
(f)按照确定的PS时间表从各个排队中恢复上述有效负载数据，插入分组字头，从而对各个单元数据流重新分组，产生PS包字头并且将第一和第二单元数据流多路复用成一串PS包，从而产生上述输出信号；
这其中在步骤(e)所确定的PS时间表取决于接收的TS格式信号内的显示单位的时间安排。
该方法还可以有以下步骤：
(g)从接收的数据流中提取和分组的单元数据流中的特定点相联系的时间参考，并且为各个单元数据流中的每一个显示单位计算一个时标值，包括在接收的TS格式数据流中没有附带时间参考的那些显示单位的内插的时标值；以及
(h)将时标值写入第一和第二时标排队，使其对应着进入第一和第二有效负载排队的各个显示单位；以及
(i)在恢复对应的有效负载数据时从排队中恢复各个时标值。
本发明还提供了一种方法，从一个包内开始的用于任何新的显示单位的PS包中包括显示定时参考值，上述显示定时是根据接收的数据流内部的TS传输定时和伴随某些显示单位的显示定时参考场计算而得的，并且插补没有伴随接收的TS格式数据流中的传输定时参考的显示单位。
在本文所述的具体实施例中，第一单元数据流的数据速率明显大于第二单元数据流。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤(e)中，普遍累计来自第一单元数据流的多个TS分组的有效负载数据，在编排PS程序表中的任何上述数据之前基本上充满一个完整的PS包。
另外，在上述实施例的步骤(e)中，可以编排对应着第二单元数据流的一个完整的显示单位的有效负载数据，不需要等待这一单元数据流的数据实际上充满一个完整的PS包。
在本发明的又一个具体实施例中，在步骤(e)中，在第一有效负载排队中可以延迟第一单元数据流的数据，该延迟至少等于接收第二单元数据流的一个完整显示单位所需的最小时间，而第二单元数据流的一个显示单位可以在完成接收时立即编排。
在本发明的实施例中，不同的显示单位数据大小和/或不同的数据传输速率在第二单元数据流的TS格式内部是有效的，而最小时间被固定在至少等于用最低速率接收最大的一个完整显示单位所需的时间。
在本发明的实施例中，PS格式规定了一个最小缓冲器大小，用来在解码过程中在一个兼容的解码器中保持第一单元数据流有效负载，同时第一有效负载排队的最大容量小于最小缓冲器大小的十分之一。
PS格式还可以规定一个最小缓冲器大小，用来在解码过程中在一个兼容的解码器中保持第一单元数据流有效负载，同时第一有效负载排队的最大容量小于上述最小缓冲器大小的二十分之一。
第一有效负载排队的最大容量在每个PS包大小的一倍半(1.5)和四(4)倍之间。
在时标排队的入口中可以为对应的显示单位记录该显示单位在接收的数据流内部的一个TS格式传输时间，和解码之后用于该显示单位的一个显示时间，这其中包含同一个显示单位的PS包中包括这个包的PS格式传输时间的指示，以及用于这一PS包内部的至少一个显示单位的显示时间的指示。
在本发明的一个实施例中，参考单个时基计算出PS格式输出数据流中包括的定时参考值，与整个接收的TS格式数据流中的时基变化无关。
在本发明的特定实施例中，产生PS包和单元数据流分组，将一个新的显示单位的起点对准一个PS包的起点，不考虑接收的TS格式数据流中相应特征之间的错位。
在本发明的特定实施例中，产生上述PS格式数据流，采用固定的程序映像，不考虑TS格式数据流中告知和随后的程序映像。
在所述的本发明实施例中，第一单元数据流的显示单位包括编码的视频图像，而第二单元数据流的显示单位包括编码的音频帧。
本发明进一步提供了一种将按照特定的Transport Stream(TS)格式接收的数据流转换成一种特定的Program Stream(PS)格式的输出数据流的一种方法，所述的TS格式与MPEG-2 Transport Stream规范兼容，而所述的PS格式与MPEG-2 Program Stream规范兼容，这两种规范都符合ITU-T Recommendation H.222.0和ISO/IEC 13818-1的定义。
本发明进一步提供了一种记录音频-视频程序的方法，从按照Transport Stream(TS)格式传输的多个程序当中选择要记录的程序，用上述方法转换成一种程序数据流(PS)格式，然后记录在记录媒体上用于以后恢复和解码。
本发明进一步提供了一种装置，它包括专用于实现本发明的上述任何一种方法的装置。这种装置例如可以由一个独立解码器装置(机顶盒)，一个显示装置(例如是电视机)或者是一个记录和重放装置(数字VCR)的一部分构成。
本领域的技术人员阅读过以下对具体实施例的说明之后就能理解本发明除上述以外的其他特征和优点以及同属于本发明的许多变更和修改。
附图简述
以下要参照附图用举例的方式来解释本发明的实施例，在附图中：
图1表示采用了本发明的一个实施例的一种数字电视娱乐系统；
图2表示一种传送数据流(TS)中的数据格式；
图3表示一种程序数据流格式中的数据格式；以及
图4表示按照本发明的一个实施例从TS格式信号转换到PS格式过程中的关键数据路径和功能框。
实施例的具体说明
系统实例
图1表示一例家用数字电视娱乐系统，它包括一个数字TV调谐器100，用来对数字视频信号解码，控制对付费频道的接入等等的“机顶盒”102，一个数字电视重放和记录设备104例如是公知的光盘电视系统或者未来的DVR记录设备，以及存储媒体本身(光盘106)。在本例中，在用于播放来自卫星，电缆或地面广播或是来自光盘106上的记录的图像的这一配置中使用一台普通的模拟电视机108。在数字调谐器100和机顶盒102之间，MPEG兼容的传送数据流(TS)格式信号可传送大量的数字TV频道，这其中有一些是扰频的，需要采用专用的条件接入(付费TV)手段。在MPEG-2传送数据流格式内部专用的标准数字广播格式例如有DVB，ATSC和ARIB。
机顶盒102还对来自传送数据流TS内部的一个指定程序解码，向电视机提供模拟音频和视频信号。这些模拟信号当然也能用普通的录像机(VCR)来记录。另一方面，为了提高质量和功能，最好是采用直接的数字对数字记录设备例如是公知的光盘视频系统或DVR记录设备104。它通过一个诸如IEEE1394(“Firewire”)的数字接口连接到机顶盒。这种接口传送一种“部分TS”，其中的选定程序是从较大的TS多路复用中分离出来的，并且仍然是TS格式。另一方面，为了吸取改进的目录结构和随机存取特征的优点，重放/记录设备104通过电视机108上的数字接口和机顶盒102将TS格式转换成PS格式以便记录在光盘106上，并且将记录在光盘106上的PS格式转换成部分TS用于重放。
本发明主要涉及到从Transport Stream(TS)格式到ProgramStream(PS)格式的的转换方法，而另一个方向的转换是我们于1999年12月30日提交并且要求了英国专利申请号9930787.8[PHB 34445]的优先权的名称为“Method and Apparatus for Converting DataStreams”的一件共同未决申请的主题。在具体审查用来在这些格式之间实现有效转换的技术之前，以下要参照图2和3详细说明这两种格式。
Transport Stream(TS)格式
图2表示MPEG-2 Transport Stream(TS)格式的关键特征和结构。Transport Stream TS在图中是标有T-PKT的传送分组的连续数据流，每个分组包括188字节数据，并且具有图中顶部所示的格式。MPEG-2 Transport Stream的具体细节包括Syntax，它的定义和应用限制可以参见ITU-T建议H.262|ISO/IEC 13818-2。关于MPEG-2系统的信息可以从http：//www.mpeg.org在线获取。简而言之，每个传送分组包括一个字头部分和一个有效负载部分，有效负载在图中用字节DAT-0到DAT-N表示。字头的开头是一个特殊的同步字节SYNC，随后是各种标记和控制字段，包括传送差错指示器TEI，有效负载单元起点指示器USI，传送优先权指示器TPI，分组识别符PID，传送扰频控制字段TSC，自适应字段控制AFC和连续计数器CC。根据字段AFC的内容，可以有一个自适应字段AF，它占用了一些原来可以安排有效负载数据的空间。
在DVB数字广播格式的例子中，TS Stream的数据率大约是40(Mbits/s)，而一个音像程序的典型数据率是在10Mbits/s以下。因此，如图2中的TS所示，各个程序PROG1，PROG3可以在单一传送数据流中被多路复用。每个传送分组的字段PID指示与该分组有关的一个单元数据流，它们是以传送分组为单位和许多其他数据流交叉存取的。程序的一个例子包括一种视频数据流(在本例中PID＝‘005’)，一个音频数据流(PID＝‘006’)和电文数据流(PID＝‘007’)。PID值和程序之间的对应关系和每个PID所传送的数据类型是以程序专用信息(PSI)表的形式保存的。在传送数据流内部用一个带有PID＝0的传送分组的专用数据流周期性传送一个程序关联表PAT.PAT又为PROG1，PROG3等等指示由哪一个数据流传送程序映射表PMT，它列出了与单个程序有关的所有不同的PID，并且描述了各自的内容(视频，音频，选择性的语音等等)。在此处将这些表和用于控制目的的其他数据称为系统信息。
为了从传送数据流中再生或记录一个给定的程序(PROG1)，顺序传送分组中具有这一PID的有效负载DAT-0到DAT-N被集中在一个数据流中，在这一数据流中传送符合MPEG-2规范的分组的单元数据流分组PES-PKT。每个PES分组开头是一个特殊的分组起始代码前缀PSCP。在PES分组字头中接下来是一个用来识别单元数据流类型(例如是视频，音频，填充数据流或者是加密数据流)的数据流标识符SID。除非在特定应用中另有规定，PES分组没有固定的长度，并且由一个PES分组长度字段LEN来规定这一PES分组中的字节数。随后是各种控制和标志字段C&F，例如是包括一个数据队列指示器DAI和一个字头长度字段HLEN。在接下来的字头HDAT内是由C&F字段中有关的值所确定的各种选项字段，例如，可以提供一个显示时标PTS，用来参照系统时钟指定应该在当前PES分组中的哪一个“显示单元”开始提供图像，音频帧等等的时间。在某些情况下，显示单元是按照与其显示顺序不同的顺序来解码的，在这种情况下还可以提供一个解码时标DTS。
顺序的PES分组中具有相同SID的有效负载PY-0到PY-N构成了数据的一个连续的单元数据流，在图2中用ES表示。对于视频单元数据流ES-VIDEO的情况，可以提供摘录(slip)SEQ的各种图像顺序，在它们各自的起点包括一个顺序字头SEQH。在顺序字头中规定了包括量化矩阵，缓冲器大小等等解码器的各种参数。因此，只有在顺序字头的位置上起动解码器才能实现视频数据流的准确重放。在每一顺序的数据之内有各自对应着一个图像(根据具体应用是场或帧)的一或多个视频数据的“存取单位”。每个图像前面是一个图像起始代码PSC。一组图像GOP前面可以是接在一个特殊顺序字头SEQH后面的一组起始代码GSC。
众所周知，为了降低暂时冗余度，MPEG-2和其他调制解调数字格式的图像是通过彼此参照来编码的。运动补偿从用于相邻图像的已经解码的内容中提供对一个图像内容的估算。这样的一组图像GOP就可能包括：不参照其他图像来编码的一个内部编码的“I”帧；根据前一个I帧用运动矢量编码的“P”(预测)编码图像；以及双向预测的“B”图像，它是通过前后顺序中的I和/或P帧的预测来编码的。B图像所需的数据量比P图像的数据量小，而P图像又比I图像所需的数据量小。另一方面，因为P和B图像仅仅是参照其他图像来编码的，只有I图像能提供开始重放一个给定序列的实际入口点。另外还要注意到GOP数据，I和P图像是在相应的B图像之前编码的，并且在解码后重新排序而获得正确的显示顺序。因此，B和P图像中的显示时标PTS和解码时标DTS可能是不同的。
最后还在图2中表示了一种音频单元数据流ES-AUDIO。它包括带有帧起始代码的数据FRM的简单的帧。允许采用不同采样速率(32kHz，48kHz等等)和数据速率(例如是每秒32kbit或者是可变速率)的各种音频格式。在程序特性信息PSI和PES分组字头中为音频和视频数据流的这些及其他特性进行编码。
具有相同的显示时标PTS的音频帧和视频图像需要在解码器的输出端同时出现。另一方面，在根据不同的单元数据流编排数据的分组时有很大的自由度，让具有相同PTS值的音频和视频存取单元能够在传送数据流TS中分开。
Program Stream(PS)格式
图3表示为MPEG-2信号规定的另一种主要格式类型程序数据流(PS)。在图的顶部表示和图2中的传送数据流一样同样是以PES分组PES-PKT的形式传送同样的单元数据流ES-VIDEO和ES-AUDIO的PS。程序数据流分得不是很细，并且是按照TS来分组，它一般仅仅传送单一显示所需的数据流。用一个由特殊包起始代码PSC，一个系统时钟参考时标SCR，和一个用来指示程序流PS应该按多少比特率提供给解码器的programme_mux_rate的指示PMR构成的基本字头将整个PES分组PES-PKT按一或多个组包装成程序流包PACK。例如在公知的光盘电视系统规范中的典型programme_mux_rate是10.08Mbits/s。一个程序流包可以包括填塞的STF和一个系统字头SYSH。从图3的顶上可见，在发送任何视频包V或音频流包A1，A2之前，以一个广泛系统字头开始程序流，它规定了编码和解码器的各种参数，顺序字头的目录及其在光盘或载有这一程序流的其他存储媒体上的位置，以便解码器能够对一个特定程序正确地解码。因为此处没有带PID码的传送分组结构，由程序流的PES分组中的数据流标识符SID来规定在给定的PES分组中传送的单元数据流的类型，在必要时还要规定由若干数据流之一传送的类型(音频1，音频2等等)，这样就能找到正确的数据流并且提供给解码器。由系统字头SYSH中的系统信息提供进一步的说明。
公知的光盘电视系统规定了程序流中的每个包仅仅传送一个程序流的PES分组，实际上每个包往往只传送单个PES分组。如果是存储在光盘或类似的记录媒体上，每个PES包就大体上对应着光盘文件结构的一个检索单位或“扇区”。一般来说，MPEG-2标准允许在各个包内混合不同类型和数量的PES分组，并且在其他应用中允许改变包的大小。
System Target Decoders(系统目标解码器)
为了确保一个真实解码器的缓冲和其他方面在不打破现有的音频-视频程序的条件下能够对每一种类型的数据流解码，MPEG-2标准规定了一种传送数据流“系统目标解码器”(T-STD)模型和一种程序流系统目标解码器(P-STD)模型。广义地说，每个系统目标解码器是一种假设的真实解码器的模型，它具有用于多路分解TS或PS格式的不同单元数据流的装置，具有用于每一种音频，视频和数据的系统控制类型的解码器，并且在输入数据流和解码器之间具有在每个能量流从一个数据信道到达起和实际被解码并显示的时刻之间用来保存数据的缓冲器。
T-STD和P-STD在形式上大体类似，在MPEG-2规范中有具体解释。然而，T-STD和P-STD之间的区别在于，如果没有至少在PES分组一级上的重新编制，一个传送数据流不能直接映像成程序数据流，从PS到TS格式的转换也是一样。例如，TS格式的音频解码器的缓冲器比P-STD要小。再例如，T-STD中的每个主缓冲器前面是一个传送缓冲器，它的作用是用来平滑传送数据流本身中的极为“突发”的数据。尽管一个给定数据流中的数据有可能以每秒40兆比特的峰值速率在短促的几个传送分组中到达，如果考虑到整个传送数据流的多路复用，一个数据流的平均速率则要低得多。为传送缓冲器定义了一个“泄漏速率”，用来将输入数据的速率扼制在每秒2兆比特，也许这样就能让数据进入主缓冲器。
从Transport Stream到Program Stream的转换
图4表示图1的应用示例中利用记录设备104的转移多路复用(transmultiplexing)的过程。通过数字接口从数字TV解码器102的输出接收的一个DVB标准的MPEG-2 Transport Stream被转换成公知的光盘电视系统Program Stream格式记录在光盘106上。
Transmultiplexing的理由
某些现有和建议的光盘式格式采用了一种Program Stream光盘格式。这种格式是MPEG-2允许的可能的Program Stream格式当中的一个子集。它们都采用一种有限的编组结构，其中的包仅包含一种数据类型，并且每一个光盘扇区有一个包。I-图像的频率是规定的，并且对具体数据元的排列有特殊要求。提出这些限制的理由是为了尽量简化多路复用和重放能力以实现特技模式(例如是快进和快退图像搜索)，简化随机存取，并且达到规定的性能。WO-A-99/20045描述了用来在数字录像机中实现便捷的随机存取和特技播放的附加信息。
与此相反，DVB和类似的广播格式(ATV，ATSC，B4SB等等)都是基于Transport Stream的，很少涉及到MPEG允许的可能性范围内的子集。它们一般都能通过为系统信息定义额外的数据格式来满足MPEG标准。它们各自都稍有不同。一般来说，一个单一Transport Stream能传送许多独立的程序。而单一Program Stream一般只传送一个程序。
如果能将不同光盘格式的数量理想地限制在仅仅一种，就能够实现简单的记录，并且将所有输入信号转换成这一格式。这样就能尽量减少唱机的软件和硬件数量，并且容易为终端用户提供能够有效处理所有信号(例如组合，编辑，按所有模式重放等等)的保证而不论信号的来源。因此就需要在无损质量的条件下从TS转换到PS格式，并且对处理能力和存储空间没有过高的要求。
为了说明一个实例，可以考虑从一种DVB广播到一个假设的DVR记录设备的记录。“VBV”表示符合MPEG-2规范规定的视频缓冲器的大小。
                   表1：DVB传送数据流参数
     参数        大小           注释
用于MP@ML的VBV 229376字节(1835008比特)   与所有MPEG-2应用相同
STD Video缓冲器大小 VBV大小+2500+7500   除了单元数据还要向缓冲器输入PES字头
传送速率 40Mbits/s
视频速率 18Mbits/s(1.2×15Mbits/s)   典型值要小得多(4-6Mbits/s)
STD音频缓冲器大小 3584字节
音频速率 最高384kbits/s   MPEG-1立体声
                    表2：DVR程序数据流参数
       参数       大小           注释
用于MP@ML的VBV 229376字节(1835008比特) 与所有MPEG-2应用相同
STD Video缓冲器大小 VBV大小+2500+7500 仅有单元数据进入缓冲器
program_mux_rate 10Mbits/s
视频速率 10Mbits/s 典型值要小得多(例如是6Mbits/s)
STD音频缓冲器大小 3584字节
音频速率 最高384kbits/s MPEG-1立体声-所支持的其他格式(例如LPCM)
转移多路复用装置&方法
图4表示在本实施例中从TS到PS的转移多路复用的基本数据结构和关键步骤，在左侧表示输入数据流TS，右侧是输出数据流PS。
图1的数字录像机106包括一个TS多路分解器402，一组缓冲器404-410，和一个PS再复用器412。缓冲器404和406分别是用于视频和音频有效负载数据的FIFO(先进先出)排队。排队缓冲器的大小对视频是Bv，对音频是Ba。缓冲器408和410分别是用于视频和音频的时标排队。再复用器412维持一个系统目标解码器模型STD，这其中包括视频STD416和音频STD418。转移多路复用器在处理时间安排问题和如何按需要执行中间缓冲上是不同的。
尽管在图中用单独的方框表示了转移多路复用器的关键功能性部件和步骤，显然也能用一个其他唱机104或其他装置也能使用的通用处理器和共享的存储器来实现所述的各个缓冲器和步骤。按照一般的设计要求，在合适的点上可以采用等效的专用数字信号处理器和/或专用硬件。
本文中假设Transport Stream可以是透明地(没有扰频)输入到记录设备，或者也可以是在记录设备内部解扰频。如果不是这种情况，就需要在其与机顶盒之间采用单独的记录模式并播放实时比特率。因为这种Transport Stream格式是通用的，无论如何总是需要再生出分组并且做一定程度的重新编排才能在输出数据流中传输。
TS多路分解器402
多路分解器402的作用如下(按照上述参照图2&3解释的MPEG术语)：
*读出按恒定速率到达的数据流-分组，或是在一个“部分-TS”只传送一个程序的情况下按分段恒定速率。
*锁定在这一传送分组结构上-找到和检查同步字。
*分析数据流，找到包含构成Program AssociationTable(PAT)(在PID＝＝0)的那些部分的分组。
*从PAT找到包含每一个程序的Program Map Table(PMT)的那一组PID。
*从有关的传送分组产生PMT。
*根据用户输入来检查PMT，找到包含需要记录的单元数据流的那些PID以及哪一个包含了这一程序的PCR(程序时钟参考)。
*过滤传送数据流，用规定的PID向再复用排队发送传送数据流，并且放弃剩下的。
*剥离PES字头。
*分析单元数据流，找出序列起始代码和图像起始代码(视频)以及帧起始代码(音频)。
*获取起始代码，图像类型和位置，在必要处通过插补为每一帧产生时标PTS/TDS。
*处理时标，以便处理/消除时基的断续(恢复时标)。
*为每一个存取单位的起点产生PCR。
*向有关的排队404/406发送单元数据。
*向对应的时标排队408/410发送时标数据FIFO，包括所对应的单元数据的指针。
注意到这时已经失去了PES分组结构，而排队内容基本上对应着图2&3的连续单元数据流ES。
PS再复用器414
再复用器414反复执行以下的动作，产生PS格式的输出数据流：
*编制一个在接下来的输出数据流中包含的包(音频或视频)。如下所述可以采用多种策略，结果的装置大小和成本是不同的。在这一过程中不断地更新解码器模型416&418。
*产生一个包字头(参见图3)。
*产生一个PES字头，包括插入来自合适的时标排队408/410的一个时标。在这一点上强制执行排列规则。
*从合适的FIFO排队404/406中读出数据并且产生分组有效负载数据。
*将包写入输出信道(在此处也就是存储媒体)。
以上两个步骤可以用混合的硬件和程序来实现，可以采用通用微处理器或者是数字信号处理器芯片(DSP)。在一个实施例中采用单个处理器，由图4中所示的转移多路复用器运行两个程序：其一(402)是执行Transport Stream多路分解，将单元数据流数据和时标写入输出排队；另一个(414)读出这些排队并且将数据再复用成ProgramStream。
以下要具体描述实施的各个方面。
系统信息分析和PID过滤
MPEG-2 Transport Stream Program Specific Information(PSI)及其DVB实施的分析是非常复杂的。任何记录设备都需要具备这种复杂性才能从多路复用中选择记录单一程序而不是记录整个多路复用，与存储在光盘上的格式(PS或TS)无关。
每个传送分组有一个用于其所属的数据流的PID号。第一次接收到输入数据流TS时，多路分解器402首先要通过过滤和分析PID号0中的PSI字段而产生Program Association Table(PAT)。由PAT给出程序号的目录以及包含用于该程序的Program Map Table(PMT)的PID号。在获得PAT之后，每当接收一个传送分组时必须要核对它的PID号看看是不是PAT中所规定的号。由分组的PID指示它所属的应该处理的程序，或者是应该放弃。
如果是一个PMT分组，就应该分析，并且应该组成为程序提供PMT的PMT字段。PMT提供了PID号的目录和构成需要记录的每一个单元数据流的数据流类型(音频，视频，覆盖图形等等)。另外它还能指示出在哪一个PID分组中传送这一程序的PCR(程序时钟参考)。这种间接结构意味着PID过滤步骤中包含针对PAT检查每一个传送分组的PID值。也可以在PMT中以描述符的形式插入附加信息，例如是用来描述每个单元数据流。
输入数据流的PMT和PAT可以随便并且随时更新。
时标中断
Transport Stream规范允许在程序的时基(PCR)中出现中断。传送数据流中的不同程序一般都具有各自的PCR。在将它转换成PS时需要重新标记PTS/TDS和PCR。重新建立PTS/DTS值从零开始一个SCR对于避免造成“绕回”是一个好办法。尽管完全有办法适应绕回，有些格式还是需要SCR从零开始。
Transport Stream PES分组结构
MPEG-2 Transport Stream规范对PES分组结构没有要求。它不需要有固定的大小，也不需要对准视频或音频帧。在实践中采用了许多不同的结构。反之，Program Stream用PES分组作为交错单位。因而就必须有一个转移多路复用器对单元数据流拆组并重新分组。公知的光盘电视系统采用的包是2048字节，将分组装在包内。
TS格式不保证每一个帧/场都有一个PES分组。如果有一个PES分组，也没有规定要有PTS/DTS。因此，传送分析器就必须要分析单元数据流(音频和视频)，找到顺序，图像和帧起始代码。音频可以采用任意比特率。因此，音频帧需要有一个完美的分析器。
视频分析器需要进一步提取图像类型，重复首场标志等等，并且能够明白MPEG-2 Video Annex C的全部内容，因为几乎所有MPEG-2Video格式都是允许的。在一个自动记录设备中需要有一个以上多路复用器。在自动记录设备中，编码器可以采用完整MPEG规范的一个已知的子集，并且用来简化多路复用。
用程序来维持A-V同步
通过程序来维持音频和视频的同步是重要的。在传送数据流中，需要同步提供的帧是用它们的时标来识别的(PTS/DTS)。同步的音频和视频帧在比特流中往往相距很远(不对称)。在首次读出传送数据流时需要一些时间来分析和提取可靠信息。如上所述需要做：
1.找到并检查传送同步字(图2TS中的SYNC)
2.找到PAT和PMT
3.开始分析单元PID
4.视频：等待序列起始代码和I-图像
5.音频：获取帧同步(可能有若干个帧，因为帧起始代码在比特流中不一定是唯一的)
只有在完成这些步骤之后，多路分解器402才能输出单元数据流。结果是可以用来记录的第一音频帧和可以用来记录的第一视频帧不是同步的。因此，再复用和记录程序就需要知道每一帧的时标(PTS)才能将这些帧重新对准。从理论上说，这一时间信息可以有多种通信方式。采用PES分组字头可能是最方便的。遗憾地是，TransportStream不能保证在这一PES分组内具有可以开始记录的那一帧的时标，无论如何都需要为数据流重新编组，如上所述。
本实施例选择的方案是每一个单元数据流都有一个单独的时标排队。这一时标排队为单元数据流排队中的每一帧记录有PTS/TDS，反映这一帧的适当字节的传输时间的PCR的采样值，以及对这一帧在单元数据流排队中的第一字节的指针。从所有PTS，DTS和PCR/SCR值中减去一个常数，以便将时基重新定制在零。调整这一常数以消除广播时基的中断。
需要对第一数据流进行分析。对于音频需要可靠地识别出每一帧的起点(预先不知道比特率采样速率，当然也就不知道帧的大小，必须要动态地计算)。对于视频需要找到每一个图像(场或帧)的起点，图像编码类型，图像结构(场或帧)，重复第一场和结束场第一标志的值，从中确定这是第一场还是第二场。为了按照13818-2附件C中的VBV模型计算出PTS/DTS的准确值需要有这一信息。
即使需要不转换成Program Stream而是直接记录TransportStream，也需要几乎所有这些分析功能。需要找到图像的起点和终点，产生索引信息以便特技模式能够随机存取(参见上述WO-A-99/20045中所述)。有时候需要分析音频以找到同步的音频帧。或许需要在记录格式中为重放入口点(带Sequence/GOP的I-图像)加上时标。广播格式不能保证这些帧具有时标-需要找到这种时标并且插入时标。
Program Stream中的分组编制-SCR计算
为了传送单元数据流而对分组进行编制是转移多路复用中最艰难的一个问题。有这样几种不同的策略，每一种都要对存储器的使用，复杂性和包装效率采取不同的折衷。唯一的要求是产生的数据流要符合Program Stream STD模型。
所记录的单元数据流的输入比特率必须足够低才能存储到光盘上(单元数据流比特率的总和必须小于program_mux_rate)。
可供考虑的一种方案是用至少和STD缓冲器(对视频是230k)一样大的缓冲器大小来存储单元数据流。这样，程序数据流多路复用器就能运行正常的编制算法，为每一个数据流维持PS STD模型，对单元数据流中的分组执行这一算法。对于SCR值要确定分组编制方法，与TS中的PCR值无关。这样做往往是可行的，但是需要很大的中间排队(对视频是250k)和大量的处理工作。它还需要一种比较复杂的编制算法-尽管对一般的PS多路复用器只需要一种基本算法。
如果需要对视频执行代码转换(例如是为了控制比特率)和再复用，就需要有完整的重新编制算法。代码转换在任何情况下都需要有存储器。否则，处理能力和存储器的使用就会使装置变得比较昂贵，并且会影响其并行执行其他任务的能力。
本发明选择的方案是在产生输出数据流PS之后尽快编制原始Transport Stream。这样就能在从TS分组提取数据之后尽快将数据包装在程序数据流的PES分组中。这样能将数据在多路复用器中的延迟减到最小，也就减轻了单元数据流排队中所需的缓冲量。这种原理的实施无需进一步解释。
传送数据流分组有效负载是184字节(如果有图2的自适应场AF还可以更少)。可以按这一大小来编制Transport Stream。然而，公知的光盘电视系统中的一个程序数据流的正常大小的有效负载大约是2300字节(图3)。有可能将184字节的程序数据流PES分组插入各个包，但是效果很差。最好是累计许多TS分组直至能形成了个较大的PS分组。理想的Program Stream分组应该能完全充满一个扇区。这对视频数据流是可能的。
然而，对于音频必须要选择一种不同的方案。MPEG-1音频帧大小从192字节(64kbits/s 48kHz)到1728字节(384kbits/s 32Hz)不等。解码器可以用输入数据流“及时”获得每个音频帧的最后一字节，在这种情况下，准备好的帧马上就能被多路复用。不能一直等到接收完音频数据的一个完整扇区就要将音频数据插入TransportStream。
MPEG-2系统规范将音频传送缓冲器的“泄漏-速率”限定在2Mbits/s。按照2Mbits/s传输一个完整传送分组的184字节所需的时间是0.736ms。假设的DVR Program Stream的总带宽program_mux_rate是10Mbits/s(表2)。按照“最坏的设想”，最大的帧(1728字节)是按照在传送数据流中一帧的最后一个数据字节可以在T-STD中显示之后马上显示来编制的。按照10Mbits/s传输1728字节的完整一帧所需的时间是1.4ms。
本发明的装置允许在多路复用之前用再复用器412积累一满帧的音频数据。为了在不违反规则的条件下实现这一目的，为了补偿必须避免延迟传输音频帧数据的可能性，有必要在所有数据流中增加一些额外的延迟(大约1.4ms或1750字节)。它对编制算法的干扰会在充满的VBV缓冲器中增加大约2k。从理论上说，在极端情况下会导致视频STD缓冲器溢出。然而，实际上不会有问题，这是因为：(i)在多路复用算法中必须留有一定余地，(ii)在输入和输出STD(T-STD/P-STD)之间的STD缓冲器大小是稍有不同的，并且(iii)在PS STD缓冲器中没有考虑到PES字头。
程序数据流中的SCR值是通过在单元数据流中为每一帧的传输时间而设计的PCR值来确定的。这种算法需要一个排队缓冲器，其大小约为每个单元数据流的扇区大小的二倍(大约是4k-5k字节)。通过模拟已经确认这一算法可以用于10k大小的排队缓冲器，比完整的多路复用所需的250k要好得多。

Claims (20)

1.一种将按照特定的Transport Stream(TS)格式接收的数据流转换成一种特定的Program Stream(PS)格式的输出数据流的方法，在所述TS格式中，编码信息的至少第一和第二个分组的单元数据流涉及到一个指定程序，它已经被进一步分组成TS分组并且和涉及到不同程序的其它数据流一同多路复用，在所述的PS格式中，第一和第二单元数据流和总体上涉及一个选定程序的可选择的数据流被分组，并且交错这些分组形成一个多路复用的PS包数据流，每个PS包包括一个包字头和分组的单元数据流的一或多个完整分组，上述的方法包括：
(a)从接收的数据流中提取用来识别第一和第二单元数据流各自的当前流索引的程序映像信息；
(b)对接收的数据流的数据滤波，提取携带指定单元数据流的分组；
(c)按照分组字头信息分析第一和第二单元数据流，识别出各个指定单元数据流的有效负载内的显示单位的顺序；
(d)在再分多路复用之前分别按顺序将各个数据流的显示单位写入第一和第二有效负载排队；
(e)按照单元数据流之间的同步关系并且利用一个PS目标解码器模型和PS数据流限制确定一个有效PS时间表，从第一和第二有效负载排队将有效负载数据再分多路复用成一串PS分组；以及
(f)按照确定的PS时间表从各个排队中恢复上述有效负载数据，插入分组字头，从而对各个单元数据流重新分组，产生PS包字头并且将第一和第二单元数据流多路复用成一串PS包，从而产生上述输出信号；
这其中在步骤(e)所确定的PS时间表取决于接收的TS格式信号内的显示单位的时间安排。
2.按照权利要求1的方法，其特征是进一步包括：
(g)从接收的数据流中提取和分组的单元数据流中的特定点相联系的时间参考，并且为各个单元数据流中的每一个显示单位计算一个时标值，包括在接收的TS格式数据流中没有附带时间参考的那些显示单位的内插的时标值；以及
(h)将时标值写入第一和第二时标排队，使其对应着进入第一和第二有效负载排队的各个显示单位；以及
(i)在恢复对应的有效负载数据时从排队中恢复各个时标值。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征是，从一个包内开始的用于任何新的显示单位的PS包中包括一个显示定时参考值，上述显示定时是根据接收的数据流内部的TS传输定时和伴随某些显示单位的显示定时参考场计算而得的，并且插补没有伴随接收的TS格式数据流中的传输定时参考的显示单位。
4.按照权利要求3的方法，其特征是第一单元数据流的数据速率明显大于第二单元数据流。
5.按照权利要求3或4的方法，其特征是在步骤(e)中，普遍累计来自第一单元数据流的多个TS分组的有效负载数据，在编排PS程序表中的任何上述数据之前基本上充满一个完整的PS包。
6.按照权利要求5的方法，其特征是在步骤(e)中，可以编排对应着第二单元数据流的一个完整的显示单位的有效负载数据，不需要等待这一单元数据流的数据实际上充满一个完整的PS包。
7.按照权利要求6的方法，其特征是在步骤(e)中，在第一有效负载排队中可以延迟第一单元数据流的数据，该延迟至少等于接收第二单元数据流的一个完整显示单位所需的最小时间，而第二单元数据流的一个显示单位可以在完成接收时立即编排。
8.按照权利要求7的方法，其特征是不同的显示单位数据大小和/或不同的数据传输速率在第二单元数据流的TS格式内部是有效的，而上述最小时间被固定在至少等于用最低速率接收最大的一个完整显示单位所需的时间。
9.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是PS格式规定了一个最小缓冲器大小，用来在解码过程中在一个兼容的解码器中保持第一单元数据流有效负载，同时第一有效负载排队的最大容量小于最小缓冲器大小的十分之一。
10.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是PS格式规定了一个最小缓冲器大小，用来在解码过程中在一个兼容的解码器中保持第一单元数据流有效负载，同时第一有效负载排队的最大容量小于上述最小缓冲器大小的二十分之一。
11.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是第一有效负载排队的最大容量在每个PS包大小的一倍半(1.5)和四(4)倍之间。
12.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是在时标排队的入口中可以为对应的显示单位记录该显示单位在接收的数据流内部的一个TS格式传输时间，和解码之后用于该显示单位的一个显示时间，这其中包含同一个显示单位的PS包中包括这个包的PS格式传输时间的指示，以及用于这一PS包内部的至少一个显示单位的显示时间的指示。
13.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是参考单个时基计算出PS格式输出数据流中包括的定时参考值，与整个接收的TS格式数据流中的时基变化无关。
14.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是产生上述PS包和单元数据流分组，将一个新的显示单位的起点对准一个PS包的起点，不考虑接收的TS格式数据流中相应特征之间的错位。
15.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是产生上述PS格式数据流，采用固定的程序映像，不考虑TS格式数据流中告知和随后的程序映像。
16.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是第一单元数据流的显示单位包括编码的视频图像，而第二单元数据流的显示单位包括编码的音频帧。
17.按照前述任何一项权利要求的方法，其特征是所述TS格式与MPEG-2 Transport Stream规范兼容，而所述的PS格式与MPEG-2Program Stream规范兼容，这两种规范都符合ITU-T RecommendationH.222.0和ISO/IEC 13818-1的定义。
18.一种记录音频-视频程序的方法，其特征在于从按照传送数据流(TS)格式传输的多个程序当中选择要记录的程序，用上述任何一项权利要求的方法转换成一种程序数据流(PS)格式，然后记录在记录媒体上用于以后恢复和解码。
19.一种装置，它包括用来接收第一种格式的一个输入数据流的装置，在第一种格式中至少有两个多路复用的单元数据流，以及用来将数据转换成第二种格式并产生输出数据流的装置，上述转换装置中包括专用于执行前述任何一项权利要求所述方法的装置。
20.按照权利要求19的装置，其特征是它包括以下装置之一：用于数字视频程序的一种独立解码器装置，具有用来显示视频程序的显示器的一种显示装置，以及用来播放，选择和记录数字视频程序的一种重放装置。
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