[发明专利]切换频道方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及数字电视广播技术中用户端快速切换频道的方法及装置。

背景技术

数字电视广播正在推广普及。其延伸业务手机电视也蓄积待发，且具有更广阔的前景。在手机电视应用中提出在用户端快速切换节目播放频道的问题，要求同现有的模拟电视所具备的功能一样，在播放过程中立即响应用户的切换频道请求显示新频道图像。

对于模拟电视广播，切换到另外一个频道后可立即显示图像。因为每个取样时刻的场图像信号的处理、模拟视频编码、模拟视频解码都彼此独立，无任何时间依赖性，即当前时刻的图像产生需要利用过去时刻已经产生的图像。但是数字电视广播与其不同。为了提高传输效率，将数字视频数据进行包含变换域量化的有损压缩，形成压缩码流。压缩算法包括帧内预测编码、运动补偿帧间预测编码和双向运动补偿帧间预测方法，在帧层次上分别形成I帧、P帧和B帧码流。视频序列的时域结构如图1所示。其中帧间预测引入时间依赖，即当前时刻的图像重建需要利用过去时刻已经重建的图像。帧内预测没有引入时间依赖。故I帧不存在任何时间依赖，P帧存在对过去帧的依赖，B帧同时存在对过去帧和后续帧的依赖。在切换到另外一个频道后，如果遇到P帧和B帧码流，解码后都无法显示新频道图像。即使清除了帧缓存区中旧频道过去帧重建图像数据，也只能看到无主观意义的帧间预测残差痕迹。只有遇到无时间依赖的I帧才能显示新频道图像。但是I帧在序列中出现过多会显著降低压缩性能，引起码率升高、码字分布突变、图像质量下降等不良后果。I帧间隔太长，又会引起切换响应时间过长，产生切换过慢的感觉，降低服务质量。

现有的数字视频传输应用大多具备反馈信道。用户切换请求可以经过反馈信道从接收端到达发送端，从而允许在发送端完成码流切换，有利于获得切换响应速度和编码效率(压缩比)俱佳的效果。对于发送端实时编码的应用，如会议电视和可视电话，仅在收到反馈信道送来的一个I帧刷新请求的时刻，编码器才编一个I帧码流，供远端切换视频源。如图2所示，在通过E1专线传输的H.320会议电视系统中，会场的终端在收到多点控制单元MCU通过H.230信令送来的快速更新请求VCU(Voice Channel Unit，语音信道单元)命令后，立即编一个I帧发送出去，使得远端立即切换会场。在会议进程中全编P帧。对于存储于服务器上的流媒体的传输应用，如视频点播VOD，通过单独的反馈逻辑信道传送RTCP(RadioTransmission Control Protocol，无线传输控制协议)协议，供发送端服务器调整传输内容和缓存方法，允许在发送端完成节目切换。为了获得比I帧切换更高的传输效率，最新视频编码标准H.264专门提供新的码流结构和切换方法-切换帧，包括SP帧和SI帧，为伴随待传输内容存储的专门用于切换的附加码流，不切换时不发送，只有在响应切换请求时发送切换时刻的切换帧码流，桥接两个码流并且在接收端生成没有任何失谐的重建图像。这里关注不同频道、不同视频源的切换，即SI帧切换，如图3所示。在待传输的码流中周期性分布着SP帧及其附加码流SI帧。其中SP帧在码流内部，随码流的传输而传输；SI帧在码流外部，不切换时不传输。SP帧的重建图像与SI帧的重建图像完全一致，从而保证切换过程不引入解码失谐。SP帧的编码方法包含运动补偿帧间预测，在率失真性能(压缩性能)上明显优于普通I帧而略低于普通P帧，同时引入对过去帧的依赖；SI帧的编码方法是完全帧内预测方法，没有引入时间依赖，可在切换后立即显示码流二的图像。在图3中，服务器先发送码流一。在收到RTCP的切换请求后发送码流二的SI2帧。此时已经可以显示码流二的图像。接着发送随后的P帧。于是完成从码流一至码流二的切换。

数字电视广播没有反馈信道。众多用户接收电视台提供的多个频道。对于具体用户的频道切换请求在信号发送后执行。此时图2的方法完全不适用，图3的方法在传输效率上比干脆用普通I帧切换的方法还差，这是由于多出SP帧码流，编解码过程还复杂。唯有使用I帧切换，如图4所示。为提高切换响应速度，不得不提高I帧出现频率，如每隔1秒插一个I帧。I帧在序列中出现过多会显著降低压缩性能。对于分辨率在标清和高清的高码率数字电视广播，码率的限制程度不高，切换响应速度与编码效率的矛盾尚不明显。对于面向手机的低分辨率低码率数字电视广播，切换响应速度与编码效率的矛盾显得非常突出：在300Kbps左右的码率上，每隔2秒插1个I帧，图像质量还过得去；每隔1秒插一个I帧，图像质量已经无法接受；2秒钟的切换响应时间又让人感觉频道转换得太慢。最新应用迫切需要一种