CN1510922A - 封装mpeg－4压缩视频数据的方法及其应用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种封装MPEG－4压缩视频数据的方法及其应用系统，所述方法依次包括如下步骤：将MPEG－4基本数据流封装在MPEG－2的打包基本流的净负荷中；将视频数据封装在传送码流包的净负荷中；插入空的传送码流包，加入节目关联表和节目映射表。所述应用系统，包括视频编码器，信道编码模块，信道解码模块，视频解码器；在视频编码器和信道编码模块之间有一将MPEG－4视频数据复用打包成传送码流格式的模块，在信道解码模块和视频解码器之间有一解开传送码流格式中的MPEG－4视频数据的模块。使用该方法及其应用系统，大大减少带宽占用量，实现简单，兼容性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装MPEG-4压缩视频数据的方法及其应用系统，更具体地来说，涉及一种封装MPEG-4压缩视频数据的方法以及能够传输该封装的MPEG-4数据且能兼容传输MPEG-2压缩视频数据的应用系统。
背景技术
数字电视系统可以传送多种业务，如高清晰度电视、常规清晰度电视、立体声及数据业务等等。下一代电视系统是可以传送普通清晰度电视和高清晰度电视等不同级别图像，集图像、声音和数据等多种业务的数字系统，这一点已经在世界各国广播工作者和科学家在付出巨大代价后被人们所认知。
现有的基于MPEG-2的系统，包括通过通讯信道依次连接的视频解码器，信道编码模块，数据发送端和依次连接的数据接收端，信道解码模块，视频解码器；所述数据发送端和数据接收端之间虚拟连接。该种系统主要采用传送码流(Transport Stream，TS)作为传输码流，这主要是由于传送包将时基相互独立的打包的基本码流组合成单一的码流。其适用于误码较多的环境，传送包的长度为188字节(byte)。
MPEG-4是新一代的音频/视频对象(objects)的编码。其目标是建立一个通用有效的编码方法，对称之为音频/视频对象的应用音频/视频数据格式进行编码，这些音频/视频对象可以是自然的(Natural)或合成的(Synthetic)。使用的工具可以来自如MPEG-1，MPEG-2，G.723，H.261和H.263等已有的标准，这有利于与原格式反向兼容。也可以采用MPEG-4专门开发的工具来编码。
随着人们对图像质量提出更高的要求和数字电视节目内容的日益丰富，如果还是采用MPEG-2的压缩技术，必然对数字电视传输的带宽提出更高的要求。这样一来，数字电视传输负担将很重。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种封装MPEG-4压缩视频数据的方法及其应用系统，以有效节省传输带宽，对传输系统的改动最小且数据兼容性较高。
本发明的技术方案如下：
一种封装MPEG-4压缩视频数据的方法，依次包括如下步骤：将MPEG-4基本数据流封装在MPEG-2的打包基本流的净负荷中，将经上面的基本流打包后的MPEG-4的视频数据封装在传送码流包的净负荷中，插入空的传送码流包，加入节目关联表和节目映射表。
一种应用封装MPEG-4压缩视频数据的系统，包括视频编码器、视频解码器、信道编码模块、信道解码模块；在所述视频编码器和信道编码模块之间还有一将MPEG-4视频数据复用打包成传送码流流格式的模块，在所述信道解码模块和视频解码器之间还有一解开传送码流流格式中的MPEG-4视频数据的模块。
通过修改MPEG-2系统的TS的部分格式，使之能复用MPEG-4生成的数据，进而应用现有的传输系统对TS的处理方法来传输MPEG-4的内容。此方法和应用系统由于采用压缩比高的MPEG-4压缩技术，因此能大大减少带宽的占用量，而且可以利用MPEG-4交互性好的特点支持双向交互式通信，此外还具有实现简单，兼容性好的优点。
附图说明
图1为MPEG-2系统中的PES结构图；
图2为MPEG-2系统中的TS结构图；
图3为本发明的应用系统的框图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的特点和效果，下面将分两部分来对本发明进行详细说明，即MPEG-4的TS流复用方法的描述和系统描述。
MPEG-4的TS流复用
TS流由于其包的大小固定，并且相对于节目流来说其长度短，只有188字节(bytes)，所以其非常适用于容易产生误码的传输环境。
本发明为了把MPEG-4的视频数据能够在现有数字地面广播线路中传输，必须把MPEG-4的视频数据复用打包成TS流的格式。
原始视频数据经过MPEG-4压缩编码之后，生成的是MPEG-4的基本数据流，为了能够封装在MPEG-2的传输流中，本发明首先要把MPEG-4基本数据流封装成MPEG-2的PES(Packetized Element Stream，打包基本流)数据格式，然后才进行TS流格式的封装。
PES包结构如图1所示。PES包可以分为PES包头和PES的净负荷。本发明就是把MPEG-4的基本数据流放在PES的净负荷中，同时提取MPEG-4基本数据流的时间参数段的信息(如显示时间戳PTS、系统解码时间戳DTS等)，这些信息为后面的PES包封装做准备。
如果MPEG-4的基本数据包中没有这些时间参数信息时，其PES包封装比较简单，只需加上PES包头信息，即加上包开始码前缀，其值为0x000001；Stream ID(流ID)，其值将根据所封装的MPEG-4的基本流属性来确定，MPEG-4视频和音频的基本流将被赋予不同的Stream ID值；PES包的长度字段，其值就是PES包的净负荷大小。
当封装的MPEG-4的基本数据包中有时间参数信息时，除了要加上前面所说的PES包头信息外，还要加上部分可选的头信息。为了节省PES头的传输开销，本发明在可选头信息中选取尽可能少的信息。具体方法是，我们只需把从MPEG-4的基本数据中提取出来的时钟信息放在对应的PTS、DTS、ESCR和ES码率字段里，最后计算其PES头部数据的CRC校验值，放在对应的PESCRC字段中，而不采用PES扩展部分。其结构如图1所示。其它字段(图中未画出)的定义可以参考ISO/IEC 13818-1的标准。
根据ISO/IEC 13818-1的标准，可以知道TS流的结构如图2。每个TS包主要包括一个TS包头和TS包的净负荷。本发明主要把经过上面的PES打包后的MPEG-4的视频数据封装在TS包的净负荷中。
在TS包头部主要有以下字段：同步字节、传输误码指示、净负荷单元开始指示、传输优先级、节目标识号(PID)、传输扰码控制、自适应域控制字段，连续计数值以及自适应域。同步字段主要是为了TS包同步作用的。传输误码指示是为了指示当TS包在传输过程中发生错误的指示标记。净负荷单元开始指示是表示其TS包的净负荷是否为视频数据单元的开始部分。传输优先级是表示其TS包的传输优先级别。节目标识号(PID)是为了区分TS包中净负荷的节目类型，净负荷为同一节目数据其值相同，如果为不同的节目数据时其值则不同。传输扰码控制是为了实现对TS数据的安全保护，防止数据窃听和泄密。自适应域控制字段主要是指示TS包头中是否包含自适应字段，其详细结构图中未画出。连续计数值是对传输的TS包的数目进行计数。具体细节请参考ISO/IEC 13818-1的标准。
在本发明中，它们对应的字段值如下：同步字节的值为0x47；传输误码指示为0，表示传输没发送错误；当MPEG-4单元数据是在第一个TS包的负荷时，开始指示字段为1，其它为0。由于没有采用优先级来传输，所以其传输优先级字段为0。不过如果以后要采用不同的传输优先级时，其对于高优先级的TS包其传输优先级字段为1，低优先级的TS包其传输优先级为0。不同的节目流封装的TS包的节目标识号(PID)不同，在原来的ISO/IEC 13818-1的标准中，其值分配如下：
表1 原有的PID分配表
| Value | Description |
| 0x0000 | Program Association Table(节目关联表) |
| 0x0001 | Conditional Access Table(条件接入表) |
| 0x0002-0x000F | Reserved |
| 0x00010...0x1FFE | may be assigned asnetwork_PID，(网络PID)Program_map_PID(节目映射PID)，elementary_PID(基本流PID)，or for otherpurposes. |
| 0x1FFF | Null packet(空包) |
为了支持传输MPEG-4压缩技术生成的数据同时兼容现有的基于MPEG-2的方案，本发明对PID分配表进行重新划分。其新的分配如下：
表2 改进的PID分配表
| Value | Description |
| 0x0000 | Program Association Table(节目关联表) |
| 0x0001 | Conditional Access Table(条件接入表) |
| 0x0002-0x000F | Reserved |
| 0x00010...0x00FF | network_PID，(网络PID)Program_map_PID(节目映射PID) |
| 0x0100...0x0FFF | MPEG-2的基本流数据 |
| 0x1000...0x1FFE | MPEG-4的基本流数据 |
| 0x1FFF | Null packet(空包) |
其中的MPEG-2和MPEG-4基本流数据分配范围是本发明自己定义的，不过其它用户也可以参考这种方法自己设定说明其分配范围。当TS流解复用时，解复用器发现其TS包头中的PID值在0x0100...0x0FFF范围里面时，就可以知道其封装的数据为MPEG-2的基本流数据，从而把其负荷中的数据交于MPEG-2的解码器处理；解复用器发现其TS包头中PID值在0x1000...0x1FFE时，就可以知道其封装的数据为MPEG-4的基本流数据，从而把TS净负荷中的MPEG-4的基本流数据交于MPEG-4解码器解码。这样就完成了兼容现有的基于MPEG-2的系统。
自适应字段控制域字段的值分配如下：
表3 自适应域字段值
| 值 | 解释 |
| 00 | 保留 |
| 01 | 只有净负荷 |
| 10 | 只有自适应字段 |
| 11 | 净负荷紧接自适应字段 |
在本发明中，当TS包包含自适应字段时，其值为11时，表示TS包中含有自适应字段，并且TS包的净负荷紧接着自适应字段(其他用户也可以设其为10，采用自适应字段与有效负荷分开打包的方式)；其值为01时，表示TS包中不包含自适应字段。不过有些TS包必须包含自适应字段，主要是由于其字段之中包含有系统参考时间字段(PCR)，此字段主要能够正确的恢复系统时钟。自适应域中的字段定义与原有的MPEG-2的打包方式相同，在此不做详细描述，具体细节请参考ISO/IEC 13818-1的标准。
完成MPEG-4的基本数据的TS包封装后，最后要做的工作就是空的TS包的插入、PAT(Program Association table，节目关联表)和PMT(Program map table，节目映射表)的加入。其中空TS包的插入主要为了调节复用的TS包的复用码率，使得复用后的TS包码率与复用前的MPEG-4的基本数据码率相当。PAT包与PMT包的加入主要是为了完成传输包中视音频数据的索引与传输包中PCR的索引。其详细定义请参考ISO/IEC 13818-1的标准。
系统描述
图3为本发明的系统框图，本发明将利用上述封装方式把采用MEPG-4压缩技术生成的视频节目应用到现有的数字电视广播系统中，充分发挥现有的基于MPEG-2压缩技术的数字电视广播系统的优势，对其系统进行最小的改进，同时又能兼容现有的数字广播系统。
本系统的发送部分主要包括：视频编码器10，音频编码器11，TS复用12，信道编码13，发送端14。系统中的视频编码器10，本发明采用MPEG-4压缩算法对视频源进行压缩，同时仍保留原有的MPEG-2压缩算法，而音频编码器11可以采用现有的各种压缩技术(比如杜比AC3，MPEG-1音频编码第三层规范等)，然后对压缩后的视频和音频数据流，送入TS复用12进行TS流(传输流，Transport Stream)复用，其具体复用细节请参考上述的“MPEG-4的TS流复用”部分的描述。经过TS流复用的数据送入信道编码13进行信道编码和调制，最后送入发送端14，输入到具体的物理信道，完成传输过程。
下面将以美国的ATSC系统的信道编码方式为例进行简要说明。
该传输系统的信道编码部分主要包括：数据交织，Reed-Solomen信道纠错编码，然后进行信道均衡，接着进行VSB(残留边带调制)，再进行64QAM调制，最后送入发送端。
本系统的接收部分主要包括：接收端15，信道解码16，TS解复用17，视频解码器18，音频解码器19，视频显示20，音频播放21。接收部分相应的处理过程是：首先通过接收端15对接收到的信号进行解调等预处理，然后送入信道解码16，信道解码后的数据送入TS解复用17进行进行TS流数据的解复用处理。这里仍以美国的ATSC系统的信道解码方式为例进行简要说明。后向信道解码部分主要包括：调谐器，VSB残留边带解调，信道均衡处理，Reed-Solomen信道解码，数据反交织，最后恢复出MPEG-2的TS流的数据。
在TS流数据解复用过程中，TS解复用17将根据PID的值对音频数据和视频数据，包括MPEG-2和MPEG-4的视频数据等，进行分离，其分离方法已在在上面进行详细描述。分离后的数据将被送入视频解码器18和音频解码器19中进行解码处理。其中，视频部分的处理方法是：传统的MPEG-2的压缩数据采用MPEG-2解码方法进行解码，而MPEG-4的压缩数据采用MPEG-4解码方法进行解码，最后完成解码后的音频和视频数据分别送入音频播放21和视频显示20部分进行回放。这样就完成整个的接收、解码和回放过程。
整个过程不仅兼容传统的采用MPEG-2压缩方法生成的视频节目的传输，同时也支持新的MPEG-4压缩方法的视频节目的传输。
本发明并非仅仅应用于上述实施例所描述的系统中，也可以应用到其他的传输系统，比如欧洲的DVB系统，我国自己的传输系统等。另一方面，由于MPEG-4压缩技术可以生成各种分辨率和清晰度的视频，包括低分辨率，标准清晰度和高清晰度的视频节目，故本发明可用于各种分辨率和清晰度的视频节目的压缩和传输，包括低分辨率，标准清晰度和高清晰度的视频节目。
Claims (16)
1.一种封装MPEG-4压缩视频数据的方法，依次包括如下步骡：
A.将MPEG-4基本数据流封装在MPEG-2的打包基本流的净负荷中，
B.将经上面的基本流打包后的MPEG-4的视频数据封装在传送码流包的净负荷中，
C.插入空的传送码流包，加入节目关联表和节目映射表。
2.如权利要求1所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述封装了MPEG-4基本数据流的打包基本流加上包括包开始码前缀、流ID和打包基本流包的长度字段的包头信息。
3.如权利要求2所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述包开始码前缀的值为0x000001。
4.如权利要求2所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述打包基本流包的长度字段的值为打包基本流包的净负荷大小。
5.如权利要求2所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述封装了MPEG-4基本数据流的打包基本流加上部分可选的头信息。
6.如权利要求5所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述的加上部分可选的头信息，包括如下步骤：
6-A.从MPEG-4基本数据中提取时钟信息；
6-B.将上述时钟信息放在对应的PTS、DTS、ESCR和ES码率字段中；
6-C.计算打包基本流头部数据的CRC校验值，放在对应的打包基本流的CRC字段中。
7.如权利要求1或2或6所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述传送码流包的头部包括同步字节、传输误码指示、净负荷单元开始指示、传输优先级、节目标识号、传输扰码控制、自适应域控制字段，连续计数值以及自适应域控制字段。
8.如权利要求7所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述同步字节的值为0x47。
9.如权利要求7所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，对所述传送码流包的节目标示号进行重新划分。
10.如权利要求9所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，将节目标示号值为0x00010到0x1FFE的范围分配为三个区域，一个分配网络节目标示号和节目映射节目标示号，一个分配MPEG-2的基本流数据，一个分配MPEG-4的基本流数据。
11.如权利要求7所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，所述自适应字段控制域字段值的定义与MPEG-2的打包方式相同。
12.如权利要求1所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，对所述传送码流进行解复用处理。
13.如权利要求12所述的封装MPEG-4压缩视频数据的方法，其特征在于，对所述解复用处理根据节目标示号的值分离音频数据和视频数据。
14.一种应用封装MPEG-4压缩视频数据的系统，包括视频编码器、视频解码器、信道编码模块、信道解码模块；其特征在于，在所述视频编码器和信道编码模块之间还有一将MPEG-4视频数据复用打包成传送码流流格式的模块，在所述信道解码模块和视频解码器之间还有一解开传送码流流格式中的MPEG-4视频数据的模块。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述解开传送码流流格式中的MPEG-4视频数据的模块根据节目标示号的值分离音频数据和视频数据，再分别传输到各自的解码器。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述视频数据包括MPEG-2视频数据和MPEG-4视频数据。
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