CN1750643A - 具有改进的等待时间的频道切换代理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种频道切换代理，其从特定用户接收频道切换信号，由此请求新的频道。根据本发明的频道切换代理，作为后台任务，将新频道的最后转发的GoP高速缓存到存储器中，并且一旦接收到频道切换信号就重新开始从该GoP的第一帧向前传输。只要新的锚定帧可用于进一步的转发，频道切换代理就停止从高速缓冲存储器发送帧，并开始转发真实流。这可能导致较小的失配(可视低频干扰)。然而，通过这样做，解码器可以开始较快地显示新频道的移动图像，由此改进系统等待时间和用户体验。这种频道切换代理可以形成特别是边缘设备或视频服务器的一部分。

Description

具有改进的等待时间的频道切换代理
技术领域
本发明涉及一种频道切换代理(zapping agent)，其包括：
-第一接收装置，其适于接收来自特定用户的请求，由此请求特定的视频流；
-第二接收装置，其适于从视频源接收所述特定的视频流。
背景技术
到客户场所(CP，Customer Premise)的带宽通常非常小，以致于只能承载几个视视频道。所有的频道仅在多播(或分配)点是可用的，例如在用户所连接的边缘设备(或接入设备)，或者进一步在网络中的视频服务器。多播点只转发用户请求的一个或多个频道。
图1a描述了数据通信系统1，其包括视频服务器11，边缘设备12和在特定用户位置的客户端设备(CPE)13。
边缘设备12向视频服务器11提供接入，并聚集用户业务。边缘设备12例如是例如数字用户线接入多路复用器(DSLAM)的接入多路复用器，或者是例如以太网桥的网桥，或者是例如互联网协议(IP)路由器的路由器，或者是例如异步传输模式(ATM)交换机的交换机。
视频服务器11包括编码装置ENC1至ENCN，用于将分别代表N个视频频道ch1至chN的N个模拟或数字的视频信号S1至SN编码为视频帧，由此产生N个视频流VS1至VSN。视频流VS1至VSN都被转发给边缘设备12，用于进一步朝向用户传输。
CPE 13包括解码装置DEC，其用于解码和显示视频流VS1至VSN中的任何一个。
边缘设备12包括频道切换代理ZapAg，其控制哪个特定频道要被发送给哪个特定用户。
CPE 13包括频道切换客户端ZapCI，其与频道切换代理ZapAg相连接。频道切换客户端ZapCI向频道切换代理ZapAg发送频道切换信号zap_chn，由此请求特定的视频流VSn(1≤n≤N)。于是，频道切换代理ZapAg向CPE 13转发相应的视频流VSn。
图1b描述了数据通信系统2，其中视频流VS1至VSN仅仅在视频服务器11处是可用的。在这种配置中，视频服务器11包括频道切换代理，用于可能地通过中间网络设备来控制向用户传送视频流。
使用帧间编码(inter-frame encoding)来减小被编码的比特速率，同时通过参考先前的和/或后续的被编码的图像来编码图像，来保持可接受的图像质量。使用帧间编码的视频编码的例子是MPEG2。
在运动序列(motion sequence)中，单个帧被组合在一起(称为图像组或GoP)。GoP包括一个锚定帧(anchor frame)(或帧内，或I帧)作为第一初始元素，和最终与这个锚定帧有关的另外的δ帧(或帧间)。
例如通过减少图像中的空间冗余，在不参考其它图像的情况下对锚定帧进行编码。通过例如运动补偿的前向和/或后向预测技术对δ帧进行编码，并且该δ帧参考其它图像，由此达到较高的压缩比。δ帧的例子是预测帧(或P帧)和双向内插帧(或B帧)，所述预测帧是参考先前的I或P帧而被编码的，所述双向内插帧是参考先前的和下一个I或P帧而被编码的。
作为例子，典型的GoP是IBBPBBPBBP形式的视频帧序列。
应当指出，通常采用与显示顺序不同的顺序来发送视频帧，以便使得解码是因果的(causal)及较快的。
参考先前的例子，GoP将作为IPBBPBBPBB而被发送。
还应当指出，帧也可以与另一个GoP(开放的GoP对封闭的GoP)的帧有关。
参照先前的例子，视频序列IBBPBBPBBP形成了封闭的GoP。
图2a描述了两个视频流VSm(1≤m≤N，m≠n)和VSn的时间线(time-line)表示。
当用户开始从频道chm到频道chn的频道改变时，多播点停止发送先前频道的帧，并且开始发送新频道的帧(见图2a中的t_zap)。
当发送频道切换信号时，CPE典型地刷新(flush)其解码缓冲器，并且等待新的帧。解码器接收的第一帧可能不是锚定帧，由此不可能进行解码直到接收到新的锚定帧。于是，在显示新的频道之前，解码器将仍等待要接收的足够数量的帧(见图2a中的t_streaming)。因此，在t_zap和t_streaming之间的时间可以远远高于一个GoP的时间，这给用户带来缓慢响应的频道切换的体验。
对于这种频道切换过程的优化是现有技术已知的，并且在图2b中被描述。其包括在多播点高速缓存最后转发的锚定帧，并依据频道切换信号来发送被如此高速缓存的锚定帧。然后，在CPE的解码器将快速地接收并解码这个I帧(见图2b中的t_still_image)。在等待新的GoP时，显示单个被解码的I帧的静止图象。由于用户即使在静止图像中也看到了新的频道，因而这导致了改进的用户体验。
发明内容
本发明的目的是进一步改进系统等待时间和用户体验。
根据本发明，由于所述频道切换代理还包括下列装置的事实而达到了所述目的：
-储备(backlogging)装置，其被耦合到所述第二接收装置，并适于将当前被转发的所述特定视频流的一个第一图像组的一个第一锚定帧和另外的δ帧，储备(backlog)在先进先出结构存储器中，
-频道发送装置，其被耦合到所述第一接收装置、第二接收装置和先进先出结构存储器，并且适于：
-一量接收到请求，就向特定用户发送来自所述先进先出结构存储器的第一多个视频帧，所述第一多个视频帧包括所述一个第一锚定帧作为第一被发送元素，和至少一个另外的δ帧，
-于是，当随后邻接于所述一个第一图像组的所述特定视频流的一个第二图象组的一个第二锚定帧从所述视频源被接收，并且可用于进一步的转发时，停止从所述先进先出结构存储器向所述特定用户发送视频帧，并向所述特定用户转发来自所述视频源的第二多个视频帧，所述第二多个视频帧包括所述一个第二锚定帧作为第一被转发元素，和另外的视频帧。
根据在视频帧实际被发送之前被缓冲的程度，当前被转发的GoP并不必要是当前被发送的GoP。
频道切换代理将最后转发的GoP高速缓存在存储器中，并且一旦接收到频道切换信号，就重新开始从该GoP的第一帧向前传输。
只要新的锚定帧可以用于进一步的转发，频道切换代理就停止从高速缓冲存储器发送帧，并开始转发(或广播)真实流。当频道切换信号是异步事件时，这可能导致较小的失配(可视低频干扰(visual glitch))。
然而，通过这样做，解码器可以开始更快地显示新频道的移动图像，由此改进了系统等待时间和用户体验。
在平滑地向真实流转换之前，只要用户请求频道，频道切换代理就重新开始频道的最后的视频序列的传输，也就是说，在向朝着多个用户广播单个视频流的单个多播资源转换之前，而与所述用户被转换到该频道的时间无关，并且不需要用户专用的转发过程，这使得该解决方案具有高度的可缩放性。
应当指出，几个被高速缓存的帧可能没有被解码，或者可能被不正确地解码，这是由于仅第一GoP的一部分可能在解码器是可用的(例如，如果丢失了下一个P帧，则B帧就不能被解码)。
附加的权利要求中提及了频道切换单元的其它特征实施例。
本发明还涉及一种用于发送视频内容的方法，其包括下列步骤：
-接收来自特定用户的请求，由此请求特定的视频流，
-接收来自视频源的所述特定的视频流。
根据本发明的方法还包括下列步骤：
-将当前被转发的所述特定视频流的一个第一图像组的一个第一锚定帧和另外的δ帧储备在先进先出结构存储器中，
-一旦接收到所述请求，就向所述特定用户发送来自所述先进先出结构存储器的第一多个视频帧，所述的第一多个视频帧包括所述一个第一锚定帧作为第一被发送元素，和至少一个另外的δ帧，
-于是，当随后邻接于所述一个第一图像组的所述特定视频流的一个第二图象组的一个第二锚定帧，从所述视频源被接收并且可用于进一步的转发时，就停止从所述先进先出结构存储器向特定用户传输视频帧，并向该特定用户转发来自所述视频源的第二多个视频帧，所述第二多个视频帧包括所述一个第二锚定帧作为第一被转发元素，和另外的视频帧。
根据本发明的方法的实施例对应于根据本发明的频道切换代理的实施例。
应当指出，也在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为限于其后列出的装置。因此，“包括装置A和B的设备”这一表述的范围不应当限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着该设备关于本发明的相关部件是A和B。
类似地，应当指出，也在权利要求中使用的术语“耦合”不应当被解释为受限于仅直接的连接。因此，“耦合到设备B的设备A”这一表述的范围不应当受限于这样的设备或系统：其中设备A的输出被直接连接到设备B的输入，和/或反之亦然。这意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，和/或反之亦然，所述路径可以是包括其它设备或装置的路径。
附图说明
结合附图，通过参考下面的实施例的描述，本发明的上述及其它目的和特征将变得更加明显，并且本发明本身将得到最佳的理解，其中：
-图1a示出了数据通信系统1，其包括视频服务器11，边缘设备12和在特定用户位置的客户端设备(CPE)13；
-图1b示出了数据通信系统2，其中视频流VS1至VSN仅在视频服务器11处是可用的；
-图2a说明了两个视频流VSm(1≤m≤N，m≠n)和VSn的时间线表示；
-图2b说明了现有技术已知的频道切换过程的优化；
-图3是根据本发明的频道切换代理的功能说明；
-图4是在频道切换代理内和在CPE的各种重要的数据流的时间线表示。
具体实施方式
图3描述了频道切换代理101，其包括：
-第一通信端口111，特定用户usrX被耦合到该第一通信端口，
-第二通信端口112，视频源被耦合到该第二通信端口，
-先进先出(FIFO)高速缓冲存储器113，
-第一接收装置R×1(或114)，其通过第一通信端口111与在用户usrX位置处的频道切换客户端相连接，
-第二接收装置R×2(或115)，其通过第二通信端口112与视频源相连接，
-储备装置116，
-频道发送装置117。
在本发明的优选实施例中，频道切换代理101形成DSLAM的一部分。
第一接收装置R×1被耦合到第一通信端口111和频道发送装置117。第二接收装置R×2被耦合到第二通信端口112、储备装置116和频道发送装置117。储备装置116还被耦合到高速缓冲存储器113。频道发送装置117还被耦合到高速缓冲存储器113和第一通信端口111。
储备装置116包括写模块Wr，其使用写指针Ptr_Wr用于将视频帧写入高速缓冲存储器113中。
写模块Wr被耦合到第二接收装置R×2和高速缓冲存储器113。
频道发送装置117包括：
-读模块Rd，其使用读指针Ptr_Rd用于从高速缓冲存储器113读取视频帧，
-发送模块Tx，
-转发模块Fw，
-控制模块Ctrl，
-单向开关Sw。
读模块Rd被耦合到第一接收装置R×1、发送模块Tx、控制模块Ctrl和高速缓冲存储器113。控制模块Ctrl还被耦合到开关Sw和第二接收装置R×2。第一开关位置121被耦合到发送模块Tx，第二开关位置122被耦合到转发模块Fw，开关输出被耦合到第一通信端口111。转发模块Fw还被耦合到第二接收装置R×2。
第一接收装置R×1适于接收来自频道切换客户端的频道切换信号，由此清求新的频道(见图3中的zap_chn)。于是，第一接收装置R×1触发频道发送装置117以开始向用户usrX传输新的频道(见图3中的start_chn)。
第二接收装置R×2适于接收来自视频源的新频道的视频帧。视频帧对于写模块Wr和转发模块Fw而言是可用的。写模块Wr还被通知该新的可用帧是否为锚定帧，同时控制模块Ctrl被通知在视频流VSn内的新的锚定帧可用于进一步的转发(见图3中的new_I)。
写模块Wr适于将最后转发的GoP储备到高速缓冲存储器113中。一旦接收到来自第二接收装置R×2的新的锚定帧，写模块Wr就将指针Ptr_Wr复位为高速缓冲存储器113的第一元素(见图3中的resetw)。然后，只要写操作完成，指针Ptr_Wr就被递增(见图3中的incw)。
读模块Rd适于从高速缓冲存储器113读取视频帧，并使它们可用于发送模块Tx，用于向用户usrX进行进一步的传输。根据来自第一接收装置R×1的触发(见图3中的star_chn)，读模块Rd将指针Ptr_Rd设置为与新频道相关联的高速缓冲存储器的第一元素(见图3中的setr)。然后，只要读操作完成，指针Ptr_Rd就被递增(见图3中的incr)。读模块Rd还适于触发控制模块Ctrl以将开关Sw设置到位置121(见图3中的init_sw)，由此允许从高速缓冲存储器113向用户usrX发送视频帧。
写模块Wr和读模块Rd的操作将被同步，以便保持存储完整性。
转发模块Fw适于从第二接收装置R×2获得视频帧，并向开关位置122转发该视频帧。
发送模块Tx适于从读模块Rd获得视频帧，并向开关位置121发送该视频帧。
控制模块Ctrl适于控制开关Sw(见图3中的set_sw_pos)。更特别地，当请求新的频道时，根据来自读模块Rd的触发，控制模块Ctrl将开关Sw设置到位置121(见图3中的init_sw)，并且当新的锚定帧可用于进一步的转发时，根据来自第二接收装置R×2的触发，该控制模块将开关Sw设置到位置122(见图3中的new_I)。
转发模块Fw、发送模块Tx和开关Sw的操作将被同步，以便避免帧恶化并且最小化输出视频流的抖动。
频道切换代理101的操作将参考图3和图4来进行。
在本发明的优选实施例中，为第二接收装置R×2、写模块Wr、读模块Rd、转发模块Fw、发送模块Tx和控制模块Ctrl供给参考时钟clock_ref，该时钟匹配于所请求的视频流的帧速率(典型地为24或30帧每秒或fps)。
更特别地：
-第二接收装置R×2在时钟信号clock_ref的上升沿上使最后接收的视频帧可用于写模块Wr和转发模块Fw，
-写模块Wr在时钟信号clock_ref的下降沿上将视频帧写入高速缓冲存储器113中，同时读模块Rd在时钟信号clock_ref的上升沿上从高速缓冲存储器113读取视频帧，由此保持存储完整性，
-转发模块Fw和发送模块Tx在时钟信号clock_ref的下降沿上向开关Sw发送视频帧，由此当开关Sw从位置121移动到位置122时最小化抖动，
-控制模块Ctrl在充分远离时钟信号clock_ref的下降沿的情况下转换开关Sw，由此避免帧恶化。
图4中分别沿着Wr和Rd时间线，分别作为(R)和(S)描述了“复位指针Ptr_Wr”和“设置指针Ptr_rd”事件。
假定用户usrX切换到频道chh。频道切换客户端向频道切换代理101发送频道切换信号zap_chn，由此请求频道chn。该频道切换信号zap_chn在时刻t_zap通过第一接收装置Rx1而被接收，并且同时转发GoP GoPi，其后紧随GoP GoPi+1、GoPi+2等等。
在本发明的优选实施例中，视频频道chh被编码为IBBPBBPBBP形式的视频序列。
GoPi包括视频帧I1 B1 B2 P1 B3 B4 P2 B5 B6 P3，GoPi+1包括视频帧I2 B7 B8P4 B9 B10 P5 B11 B12 P6等等，其中：
-I1和I2是I帧，
-P1到P6是P帧，
-B1到B12是B帧。
如果使用另一个序列和/或其它帧类型，则本说明书将保持有效。
视频帧I1、B1、B2等在时钟信号clock_ref的上升沿被接收并且变为可用(见图4中的R×2时间线)。
视频帧被推入高速缓冲存储器113中并被转发给开关位置122，这是在没有被选择的时刻进行的(见图4中的Wr和Fw时间线)。
一旦接收到频道切换信号zap_chn，第一接收装置Rx1就触发读模块Rd(见图3中的start_chn和图4中的211)，以开始从高速缓冲存储器读取并发送视频序列。
读模块Rd预先或同时触发控制模块Ctrl(见图3中的init_sw和图4中的212)，以将开关Sw设置到位置121(见图4中的Sw时间线)。
然后，读模块Rd开始从高速缓冲存储器113读取帧。帧可用于发送模块Tx，该发送模块通过开关位置121向用户usrX发送这些帧(见图4中的Rd，Tx，Sw和usrX时间线)。
当新的锚定帧12可用于进一步的转发时(见图4中的213)，第二接收装置R×2触发控制模块Ctrl(见图3中的new_I和图4中的214)，控制模块还将开关Sw转换到位置122(见图3中的set_sw_pos)。接着，第二接收装置R×2使所述新的锚定帧可用于转发模块Fw，用于进一步的传输。转发模块Fw通过开关位置122向用户usrX转发该帧和其随后的帧(见图4中的R×2，Fw，Sw和usrX时间线)。
读模块Rd和发送模块Tx可以停止从高速缓冲存储器发送新的帧，还可以作为优选实施例的情况，保持向开关位置121读取和发送视频帧，该开关位置121事实上不再被选择。
如果t_zap出现在时间间隔201内，用户usrX位置处的解码装置将接收视频流I1 B1 B2 P1 B3 I2 B7 B8等等。然后，解码装置在显示真实流之前，将显示高速缓存的视频序列的几个移动图像。由于B4帧是根据P1和P2来预测的，而缺少后者，解码装置将不能解码该B4帧。
如果t_zap出现在时间间隔202中，解码装置将接收视频流I1 B1 B2 P1 B3 B4P2 B5 B6 I2 B7 B8等等。解码装置在显示真实流之前将显示高速缓存的视频序列的较多的帧，这使得过渡更加平滑。
如果t_zap出现在时间间隔203中，在发送模块Tx发送第一帧之前，开关Sw将被转换到位置122。在这种情况下，解码装置将不能从高速缓冲存储器得到任何帧，并将被立即供应以真实流。
出于便利的目的，尽管按照显示的顺序，在视频流各自的时间线上描述了该视频流，但是应当理解，实际的发送顺序可能(且很可能)是不同的。然而，如同用户usrX所观察的那样，这将不改变系统响应时间。
在本发明的可选实施例中，频道切换单元101形成了视频服务器的一部分。如果是这样，端口111将代表朝向共置的(co-located)编码装置的内部通信端口，并且第二接收装置R×2将被简化至例如通过共享存储器获得视频流及向储备装置116和频道发送装置117传送视频帧的基本功能，并且同样该第二接收装置可以与这两个装置中的一个或两个合并。
最后应当注意，上面根据功能块描述了本发明的实施例。根据上面给出的这些块的功能描述，对于设计电子设备领域的技术人员而言，如何利用已知的电子部件来制造这些块的实施例是显而易见的。因此并没有给出所述功能块的内容的详细结构。
尽管上面结合特定装置描述了本发明的原理，但是应当清楚地理解，该描述仅仅是作为例子而给出的，并不作为对本发明范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种频道切换代理(101)，其包括：
-第一接收装置(114)，其适于接收来自特定用户(usrX)的请求(zap_chn)，由此请求特定的视频流(VSn)，
-第二接收装置(115)，其适于接收来自视频源(ENCn)的所述特定的视频流，
其特征在于，所述频道切换代理还包括：
-储备装置(116)，其被耦合到所述第二接收装置，并且适于将当前被转发的所述特定的视频流的一个第一图像组(GoPi)的一个第一锚定帧(I1)和另外的δ帧(B1，B2，P1，B3，B4，P2，B5，B6，P3)储备先进先出结构存储器(113)中，
-频道发送装置(117)，其被耦合到所述第一接收装置、所述第二接收装置和所述先进先出结构存储器，并且适于：
-一旦接收到所述请求，就从所述先进先出结构存储器向所述特定用户发送第一多个视频帧(I1，B1，B2，P1，B3)，所述第一多个视频帧包括所述一个第一锚定帧作为第一被发送元素，和至少一个另外的δ帧(B1，B2，P1，B3)，
-于是，当随后邻接于所述一个第一图像组的所述特定的视频流的一个第二图象组(GoPi+1)的一个第二锚定帧(I2)，从所述视频源被接收并且可用于进一步的转发时，停止从所述先进先出结构存储器向所述特定用户发送视频流，并从所述视频源向所述特定用户转发第二多个视频帧(I2，B7，B8等)，所述第二多个视频帧包括所述一个第二锚定帧作为第一被转发元素，和另外的视频帧(B7，B8等)。
2.根据权利要求1的频道切换代理，其特征在于，所述频道切换单元构成接入多路复用器(12)的一部分。
3.根据权利要求1的频道切换代理，其特征在于，所述频道切换单元构成视频服务器(11)的一部分。
4.一种用于发送视频内容的方法，其包括下列步骤：
-接收来自特定用户(usrX)的请求(zap chn)，由此请求特定的视频流(VSn)，
-接收来自视频源(ENCn)的所述特定的视频流(I1，B1，B2，P1，B3，B4，P2，B5，B6，P3，I2，B7，B8等)的视频帧，
其特征在于，所述方法还包括下列步骤：
-将当前被转发的所述特定的视频流的一个第一图像组(GoPi)的一个第一锚定帧(I1)和另外的δ帧(B1，B2，P1，B3，B4，P2，B5，B6，P3)，储备在先进先出结构存储器(113)中，
-一旦接收到所述请求，就从所述先进先出结构存储器向所述特定用户发送第一多个视频帧(I1，B1，B2，P1，B3)，所述第一多个视频帧包括所述一个第一锚定帧作为第一被发送元素素，和至少一个另外的δ帧(B1，B2，P1，B3)，
-于是，当随后邻接于所述一个第一图像组的所述特定视频流的一个第二图象组(GoPi+1)的一个第二锚定帧(I2)，从所述视频源被接收并且可用于进一步的转发时，停止从所述先进先出结构存储器向所述特定用户传输视频帧，并从所述视频源向所述特定用户转发第二多个视频帧(I2，B7，B8等)，所述第二多个视频帧包括所述一个第二锚定帧作为第一被转发元素，和另外的视频帧(B7，B8等)。
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