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1、一种基于传输流的视频点播功能实现方法 (1.中国科学院 研究生院, 北京 100049；2.中国科学院 声学所 国家网络新媒体工程技术研究中心, 北京 100190） Implementation method of VCR function in VoD based on transport stream ZHU Xiaoyong1,2,NI Hong2,SUN Peng2,YAO Qiong1,2 (1.Graduate School， Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;2.National Network & New M
2、edia Technology Research Center, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190, China) Abstract:As an efficient multimedia transport and storage format, TS(transport stream) is widely used in various network VoD systems. However, the inhere format of TS designed for broadcastin
3、g application can not provide adequate support for flexible manmachine function (VCR function). Based on the characteristic of TS format,the paper designed a fast localization method according to the time ,and then put forward an efficient data selecting scheme used in fast/back forward to support V
4、CR function of TS and the realization of manmachine function in VoD based on transport stream. Key words:transport stream (TS); video cassette recording(VCR); demultiplex 0 引言 MPEG?B2传输流TS1是为音视频等多媒体数据传输而设计，其广泛应用于DVB、IPTV等广播系统。TS格式充分考虑了复杂易错的网络环境，具有良好的容错能力，如任意截断后的每个片段均可单独正常播放。作为视频广播的最主要格式，TS已应用多年，形成丰富
5、的节目源，因此现在的视频点播系统中，TS流格式的多媒体源文件（如高清节目）占有相当大的比例。 友好的人机交互是点播系统的重要表现特征，使用者应该能够像对待DVD碟片一样进行节目的快进、快退、暂停和随机访问等操作，即通称为VCR操作。TS面向广播信道设计，其初衷是为了提供顺序播放，缺少对交互式操作的有效支持，从而使得基于TS文件的视频点播系统难以实现VCR操作。目前关于视频流的VCR技术的研究内容大都是讨论如何在网络流媒体系统中提供VCR操作，如文献2,3描述的VCR技术；或采用建立TS文件中关键帧索引的方法，如文献4中提到服务器点播系统，可以对VCR操作提供有利支持，但这种方法需要对文件事先预
6、解析，不仅浪费磁盘空间（文献4中说明索引文件大约占原始TS文件的1/6的空间），而且在播放文件前进行预解析需要耗费大量的时间，严重影响了用户体验。如何在无须作任何预处理，或仅作少量处理的前提下，能够对TS文件进行流畅的VCR操作是一个亟待解决的难题。 本文重点分析了TS文件VCR操作的难点，并对TS格式进行了针对性分析，设计了相关算法解决TS文件的VCR操作问题。 1 TS文件的VCR功能 11 TS格式 MPEG?B2码流格式分为两种，即节目流PS（program stream）和传输流TS（transport stream）格式。TS将音视频及其他辅助数据复用在一起形成TS，构成TS的基本
7、单位是TS包，TS包的长度是固定的，为188 Byte。每个TS包分成首部和有效负载两部分。首部包含同步字节0x47、标志位、PID和适应字段等。其中：PID是packet ID的缩写，长度为13 bit，作为不同的TS负载区分彼此的标志。TS包的有效负载主要有三种，即节目特定信息（program specific information，PSI）、视频或音频的PES包（packetized elementary stream）和私有数据。其中音视频PES数据占TS数据的主要部分。PES数据的主要结构如图1所示。其中可选项中的PTS为该PES包中第一个访问单元被解码后的显示时间，通过该时间可得
8、到该PES包中数据对应的节目时间。 虽然TS格式是由MPEG2系统层定义的，但文件中音视频的编码格式并不局限于MPEG系列，视频编码格式为VC1,H.264的TS文件也占有很大的比例。 12 VCR功能及操作 VCR是指卡带式影像录放机。随着时间的推移，人们把对节目的快进、快退、暂停及随机访问等人机交互操作统称为VCR操作。 文件数据存储在本地设备作为本地文件时，VCR操作的难点主要在于快进、快退和随机访问的本地数据处理。目前多媒体文件中使用的视频压缩算法，如MPEG系列、H.26x，多采用去除时间域冗余的压缩算法，即前后向帧预测，只有关键帧才可以单独解码。快进、快退实现多倍速播放时多采用仅解
9、码关键帧的模式，因此快进、快退的关键在于根据提供的时间能够快速精确地定位到文件中对应位置，并开始解码播放，也就是需要定位最接近的那个关键帧。 13 TS文件本地VCR操作难点分析 不同于AVI、MP4、MKV等其他文件格式，TS文件中并不存在一个关于所有帧或所有关键帧信息的索引。另外，TS文件中最基本的单位是TS包，TS将音视频数据复用在TS包内，只有对TS包进行解复用后才能得到相关的数据帧信息。这些均给TS文件的VCR处理带来了难题。多媒体文件的快进、快退采用的是基于关键帧的方式，而TS文件中关于数据帧的信息封装在TS包中，获取帧信息就必须对TS包进行解复用，而解复用本身就是非常耗资源的操作
10、。因此在快进、快退过程中不可能对所有TS包解复用后再挑取关键帧，必须在快进、快退过程只对部分TS包进行解复用，然后解码显示。部分TS包挑取的原则是尽量保证该部分TS包中含有关键帧，因此数据块选择算法的目的是增加视频关键帧的命中率。如果TS包挑选得不合适，就会造成快进（快退）过程画面的不均匀，甚至没有画面。另外，根据时间快速定位文件必须得到文件中数据帧的时间信息，但这些时间信息也封装在TS包内，必须解复用后才能得到。对于CBR(constant bit rate)的影片，可以简单用文件码率（文件总大小除以文件总时长）乘以搜索时间来粗略估计文件中的位置，但TS包中固有的音频数据包和其他辅助数据会使
11、得这种估算算法存在一定的误差。这种估算算法对于VBR(variable bit rate)的影片更是不能适用，时间偏差能达到几十秒甚至几分钟，因此迫切需要一个针对TS文件的精确且快速的定位算法。 2 TS文件的时间快速定位算法 21 快速定位算法 TS文件快速定位算法的基本设计思想是：估算搜索时间对应的位置，解复用该位置处的数据，得到该处的节目时间。若等于搜索时间，则搜索成功；否则再利用估算位置处的节目时间重新估算码率，然后根据上一次位置处的时间与搜索时间的差值和估算出的码率重新计算新的位置，直至搜索成功为止。具体算法步骤（图2）如下： a)计算文件的总时长Ttotal。顺序解析文件头数据，直
12、至发现第一个含时间的PES数据，记该时间为Tfirst；逆序解析文件尾的数据，直至发现第一个含有时间的PES数据，记该时间为Tlast，则文件的总时长Ttotal(TlastTfirst)/90000。其中90 000为TS格式中PTS的时间分辨率。 b)估计搜索时间处对应的码率B。考虑到VBR的影片中，在文件不同位置处码率可能不同，估算码率是为了更准确地计算出对应于搜索时间处的文件位置。码率的计算公式为数据块的大小除以数据块的时长。记搜索时间为Tseek，数据块的起始位置为start，对应的时间为Tstart，终止位置为end，对应的时间为Tend，则数据块的时长为Tend-Tstart。初始时，start=0，end=filesize，码率初始估计值B=filesize/(Tend-Tstart)。迭代一次后，根据码率估算出新的文件位置Pnew（见c)的描述）， 解复用该处的数据后得到该处的时间为T。若Tstart