用於視頻多處理器系統中頻道的處理器分配的製作方法
2023-09-15 10:39:30
專利名稱：用於視頻多處理器系統中頻道的處理器分配的製作方法
技術領域：
本發明涉及譬如，用以轉碼數字視頻信號的具有一或多個處理器的系統。
通常，有必要將有線電視網路或其類似物中所提供至訂戶終端的數字視頻節目的位率加以調整。譬如，第一組信號可能是通過衛星傳送，接收在頭端。頭端的操作者可能會希望在將饋送至訂戶的所選節目中加入本地資源，像是儲存媒體或本地現場饋送裡的節目(譬如，廣告節目或其它的內容)。另外，常常還需要在整個可供使用的頻道頻寬中提供節目。
於是，發展出一種統計式再多工器，或轉碼器，其處理的是已預壓縮的視頻位流，將之再壓縮成特定的位率。相類似的情況，統計式多工器所處理的則是未壓縮的視頻數據，將其壓縮成所希望的位率。
此種系統中，有若干個數據頻道，接受著若干個平行配置的處理器的處理，每一個處理器典型地均可接受多個數據頻道。但在某些情況中，像需要許多運算的高畫質電視的處理，一個頻道的數據將會分成幾部份，分派至不同的處理器接受處理。
不過，需要一改良的多處理器系統，此種系統應採用若干個轉碼器，以處理來自於若干個數據頻道的數據。該系統應動態地分配各轉碼器，處理來自於該等頻道的視頻數據圖框。
本發明提供具上述及其它優點的處理器系統。
發明內容
本發明涉及譬如，用以轉碼數字視頻信號的具有一或多個處理器的系統。
多處理器系統根據各頻道的預估處理需求，動態地為視頻頻道分配處理器。此分配行為的目的在於，使處理資源的使用率達到最大，視頻品質因接受處理所受到的影響降至最低，處理能力(即轉碼器的通量)愈強大，品質衰減愈少。
本發明第二多個處理器處理第一多個視頻數據頻道的特定方法，其所包含的步驟捕捉每一頻道的數據樣本；根據各頻道的樣本，取得各頻道的複雜度測量；將每個頻道分配給至少一個處理器以接受處理；各頻道根據處理器所分配到的頻道的複雜度，維持其執行時累積複雜度的平衡。
為頻道分派處理器的分派順序乃依頻道的複雜度相反而行，即高複雜度的頻道較低複雜度的頻道先行分派。
另外，具最低累積複雜度的處理器接受下一次的頻道分派。
相對應的裝置亦予以呈現。
圖2說明了在本發明的多轉碼器系統中分派已壓縮數據的頻道至轉碼器的方法。
圖1是本發明的多處理器系統100。
已壓縮數據的L個頻道均供應至一類似於解多工器的開關130。該等頻道可能是譬如，有線電視頭端通過傳輸多工所提供。有些頻道可能是通過遠端分配點，像定通過衛星接收得來，而有些頻道則可能是由當地所提供，像是當地所插入的廣告節目或其它的本地節目。傳統的解調、修飾、緩衝等步驟並未予以顯示，但本領域技術人員應明白其存在。
接受控制器155控制的開關130，可為頻道選徑至M個轉碼器(譬如，轉碼器1(160)，轉碼器2(170)，…，轉碼器M)的其中之一。
轉碼完畢的數據則通過總線190輸出，在多工器195處接受多工處理，然後通過傳送器197傳送至譬如有線電視網路中的終端人口。
提供每一頻道的樣本(譬如，圖段)至分析器140，該分析器則使用相關存儲器145來儲存這些樣本並加以分析。分析後的結果會為控制器155所採用，以作為分配轉碼器160，170，…，180時的依據。該各轉碼器160，170，…，180也稱之為」轉碼器核心處理元件」或TPE。
當需要重新規劃的情況發生時，譬如，當輸入頻道的情況變更(譬如，加入、移除了新頻道或某頻道遭到取代)時，分配TPE以使其得以處理不同頻道中的視頻圖框的動作就需執行。注意，L可以小於、等於或大於M。這也就是說，一個TPE可以處理不止一個頻道，譬如，標準畫質的電視(SDTV)頻道，或是一個頻道可以由不止一個處理器來處理，譬如，計算需求非常大的高畫質的電視(HDTV)頻道。
TPE會分析頻道，將頻道中的圖像型式(譬如，所知的MPEG標準中的I，P或B圖像)解碼出來以作處理。
本發明可使轉碼假影現象降至最低，限制TPE轉碼每一個圖框所需的平均通量使其不超過TPE的處理能力。
將頻道分派至轉碼器核心處理元件(TPEs)。
圖2說明了於本發明的多轉碼器系統中，分派已壓縮數據的頻道至轉碼器的方法。
本發明分派技術的目標在於平均地分擔各TPE的工作負擔，使這些資源的使用(即，TPE的可供使用通量)可達最佳情況。此分派技術在啟動期間或重規劃期間由分析器140執行。啟動是自發的。當該多處理器100中有一或多個頻道加入、刪除或遭到取代時則進入重規劃期。
一旦執行完分派技術後，其結果就會傳送至控制器155。
方塊200，轉碼器接受初始化，相關的累積複雜度值及累積分辨度值均重置為零。分派法則每重新執行時，此初始化動作即做一次。
方塊210，位流分析器140從每一視頻頻道(方塊210)的輸入位流中捕捉樣本，存入相關存儲器145中。此圖段最好是一圖像組(GOP)的最小單位。已可成功地使用一秒時間長度的樣本(30個圖框)。該位流分析器140根據圖像的型式(I，B或P)及其所捕捉樣本中圖框的分辨度，來估算頻道的處理周期需求(譬如，以下將會討論的複雜度(Comp[i])；該分辨度的定義為，該輸入串流中每秒平均的巨區塊數(即，巨區塊的平均速率)。該等圖像的高、寬及圖框率信息均提供在MPEG位流的表頭中。有了這些參數，就可得出巨區塊率，具體地，巨區塊率＝(圖像寬/16)*(圖像高/16)*圖框率，圖框率改變或視頻分辨度改變時(這在MPEG位流中不常發生)，巨區塊率將隨之改變。
假設所捕捉到的樣本可適度地表現出該輸入位流的特徵。因此可假設每一頻道的複雜度與根據其樣本所計算得來的複雜度相同。根據本發明，每一個第i頻道的複雜度是B圖框數及分辨度(方塊220)的函數。具體地，可以使用下列的複雜度測定格式，但其它的測定法也是可以使用。
Comp[i]＝F(M[i])*Res[i]U[i]*GCBR(輸入位率[i]一輸出位率[i])，其中M[i](M＝1，2，3或更高)等於1加上該圖段中B圖框數(」#」)與P及I圖框數的比(即，1+#B/(#P+#1))；Res[i]，該頻道的分辨度，是區巨塊每秒的平均數目(即，平均的巨區塊率)；U[i]則是在有需要時，可設定該頻道優先順序的使用者控制參數。優先順序較高、平均及較低的頻道其U[i]值分別設定為大於1，等於1及小於1。
應注意MPEG標準中各圖框的巨區塊數目是固定的。不過，不同的視頻節目提供者會使用不同的分辨度(譬如，全分辨度，半水平分辨度或3/4水平分辨度)。因為該等輸入頻道的出處可能各不相同，所以它們的分辨度可能也不一樣。
具有相同分辨度及相同GOP結構的頻道，其複雜度亦相同。不過，各頻道的分辨度及GOP結構時常不盡相同。
若頻道的輸出入端的位率均是固定的(CBR)，則可再多用上一個因子—GCBR，其為輸入位率與輸出位率的差。分析器140可以使用譬如，位計數器計算出輸入位率，而輸出位率則是由使用者所設定。
可以使用實驗或分析得來的數據來決定函數F及GCBR。譬如F(M)(阿爾發*(M-1)+1)/M，其中阿爾發(譬如，0.75)是B圖框名義複雜度與P圖框名義複雜度的比。同樣地，舉例，GCBR(R)＝貝他*R，其中貝他＝0.25每百萬bps。
方塊230，一旦計算出複雜度估值後，就可以使用迭代的「渴望」法則。以如下的方法將頻道分派至TPE。在處理分派的期間，持續地追蹤每一個TPE的累積複雜度值，此值為所有分派至TPE的頻道其複雜量度的總和(記得一個TPE可以分配到多個頻道)。該累積複雜度是每一個TPE在被分派到頻道時，其將會消耗的處理周期的指標。選擇性地，還可持續追蹤累積分辨度，其是一個TPE被分派到的頻道的分辨度的總和。
為分派頻道至TPE，必須做出一複雜度值陣列，Com[]，其排列的順序乃由大到小。初始，首先將未分派頻道中複雜度最高的頻道，分派至第一TPE，像是TPE160。第一個接受分派的TPE乃隨機選取的，或是以任意預定的方式選取的，這定因為在此時每一個TPE所具有的累積複雜度均相同。
通常，若有多個頻道的複雜度值是相同的，則選擇具有最高分辨度的頻道。若分辨度值再次相同，則選擇頻道號碼較低的那個頻道，或者是在這些複雜度值、分辨度值均相同的頻道中隨機地選取一個。
第一個頻道分派過後的TPE挑選，就是選擇累積複雜度值最低的那一個。若出現累積複雜度相同的TPE，則選擇累積分辨度較低的那一個。若分辨度值仍然相同，則選擇該被分派頻道數較少的那一個TPE。若被分派的頻道數仍然相同，則選擇TPE號碼較低的那一個TPE。
方塊240，檢查判斷分派該頻道之後，是否造成該TPE超載。當該TPE的累積分辨度加上該所選頻道的分辨度的和，超過某預定上限(譬如，121，500)時，此超載的情況就會發生。該上限是該TPE處理能力的量化值。譬如，假設一個TPE最多可處理三個全分辨度(720×480個像素)、具有16×16個巨區塊的頻道，則總分辨度為3*(720/16)*(480/16)*30＝121,500個巨區塊。另外，該上限值使得一個TPE所可接受的頻道數有了一個最大值，這也就是說，此最大頻道數也成了設計TPE時的量化值。
方塊250，若判斷出將該等未分派頻道中具最高複雜度的頻道分派之後，會造成超載的情況，則將該頻道轉分派至具次低累積複雜度的轉碼器。
若不會造成超載的情況，則將該所分派的頻道的複雜度與該接受分派的TPE的累積複雜度相加，以得出該TPE的新累積複雜度(方塊260)。同樣地，所分派的頻道的分辨度亦須與該TPE的累積分辨度相加，以得出該TPE的新累積分辨度。
注意，當有不止一個頻道被分派至一TPE時(此處假設的就是這種情況)，則一個TPE的累積複雜度與累積分辨度，在觀念上是有關連性的。若只有一個頻道被分派至一TPE，則該TPE的累積複雜度及累積分辨度就分別與該所分派頻道的複雜度及分辨度相同，因此在TPE的處理能力適於每一個單一頻道的假設前提下，就無所謂TPE的超載問題。
方塊270，若所有的頻道均已分派至轉碼器，則處理完成，持續等待，直到下一個重規劃發生(方塊280)，則該處理程序由方塊200開始再一次地啟動。若尚有其它的頻道未被分派，則更處理程序會回到方塊230，繼續將所剩未分派的頻道中具最高複雜度的頻道，在不會造成超載的情況下，分派至具最低累積複雜度的TPE。
基本上，該等頻道的分派次序定由複雜度高至複雜度低排列的。另外，每一次分派時，所選擇接受分派的轉碼器均定具有最低累積複雜度的轉碼器。
注意，本例假設一個頻道僅由一個TPE處理。當頻道的數目小於或等於TPE的數目時，則一個頻道分派至一個TPE。亦可以將對本發明擴展到一個頻道(譬如，高畫質電視頻道)需要不止一個TPE來處理的情況。具體地，在方塊240處，若高畫質電視頻道對即使定最低累積複雜度的TPE都造成超載的現象，則該TPE就僅能以其最大的通量處理此頻道的一部分(方塊230)。然後，再回到方塊230，進入下一個分派頻道的周期，將該頻道的所剩部份，分派至下一個具最低累積複雜度的TPE(如果有必要，則再一次地僅分派該頻道的一部份，以避免超載的情況)，直到整個頻道均分派完畢為止。
通常，先將高畫質電視頻道分派出去，會用掉多個TPE。然後再將所剩的TPE通量分給僅需要用掉一部分TPE通量的頻道。
注意，所有的頻道不必同步(譬如，圖框成列)，分析器140使用該樣本時，也毋需從圖框的邊界開始、結束。輸入位流的樣本應該是夠的長，方可正確地代表該頻道的統計情況。另外，注意，該分析僅針對位流樣本，並非即時的。
於是，可看到本發明提供出一種有效率的視頻處理器系統，其中根據頻道的複雜度測量，將數據頻道分派至處理器以使該處理器的資源使用率達到最大。
雖然要領已以各種較佳具體實施例說明完畢，但應了解，只要定不脫離本專利的權利要求書的範圍，均可針對該等具體實施例做各種修改及調整。
譬如，本發明可以使用編碼器(編碼器可編碼未壓縮的原始數據)及轉碼器譬如，在編碼器的應用中，人們可以使用輸入視頻中移動的量來估算頻道的「複雜度」，然後再使用此處所說明的分派法則，將分派處理資源以編碼頻道。
另外，雖然在所討論的建置中，各TPE均是相同的，但該分派法則可針對不同處理能力的TPE而修改。具體的，在圖的方塊130中，人們可以選擇使用百分比最低的TPE，而非選擇累積複雜度最低的TPE，該使用百分比的定義為(累積複雜度/TPE可處理的最大複雜度)。
雖然此處所討論的視頻的轉碼及編碼具體實施例中，略過了音頻數據的處理，但該處理器分派的觀念可應用在音頻或其它型式的數據上。
權利要求
1.一種於第二多個處理器處處理第一多個視頻數據頻道的方法，包含下列步驟捕捉每一頻道的數據樣本根據每一頻道的樣本，取得每一頻道的複雜度測量；分派每一頻道至至少一個該處理器以於該處接受處理；以及每一處理器根據其所分派的頻道的複雜度，維持其累積複雜度的動態結餘；其中該等頻道分派至該等處理器的順序，與該等頻道的複雜度相反，使較高複雜度的頻道先於較低複雜度的頻道分派。
2.如權利要求1所述的方法，其中該等頻道的分派至該等處理器乃使具最低累積複雜度的處理器接收下一頻道的分派。
3.如權利要求1所述的方法，其中該等頻道的分派至該等處理器乃使具最低利用部分的處理器接受下一頻道的分派。
4.如權利要求1所述的方法，其中該等處理器包含各自的轉碼器以將分派至其的頻道加以轉碼。
5.如權利要求1所述的方法，其中每一個樣本均包含多個視頻圖框。
6.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本的複雜度測量是其圖像組(GOP)結構的函數。
7.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本的複雜度測量是其圖素分辨度的函數。
8.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本的複雜度測量是其圖框率分辨度的函數。
9.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本的複雜度測量是其平均巨區塊率的函數。
10.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本的複雜度測量是其頻道優先順序的函數。
11.如權利要求1所述的方法，其中每一個樣本在分派至相關處理器時，具有第一固定位率，而在該相關處理器接受處理時，具有不同的第二固定位率，則其複雜度的測量乃第一及第二固定位率差的函數。
12.如權利要求1所述的方法，其中每一樣本其複雜度的測量乃其B—框數與P及I—圖框數比的函數。
13.如權利要求1所述的方法，其中分派至每一處理器的頻道的複雜度，會加入每一處理器其累積複雜度的動態結餘。
14.如權利要求1所述的方法，還包含的步驟若某一頻道的分派將造成某一處理器的超載，則可避免將該頻道分派至該處理器。
15.如權利要求1所述的方法，其中該等頻道包含至少一需要不止一個處理器處理的特殊頻道；以及將該特殊頻道的多個部份分別分派至多個處理器，使至少該等部分的第一個消耗該各處理器其一的最大通量。
16.如權利要求15所述的方法，其中該特殊頻道包含高畫質電視(HDTV)數據。
17.如權利要求1所述的方法，其中該等頻道分派至該等處理器的順序，乃使最高複雜度的頻道，或於多個具相同最高複雜度的頻道中挑選其一，最先受到分派；而最低複雜度的頻道，或於多個具相同最低複雜度的頻道中挑選其一，最後受到分派。
18.如權利要求17所述的方法，還包含的步驟根據每一頻道的樣本，取得每一頻道的分辨度測量；以及每一處理器根據其所分派的頻道的分辨度，維持其累積分辨度的動態結餘。
19.如權利要求18所述的方法，其中在多個具相同最高複雜度的頻道中，最高分辨度的頻道首先分派。
20.如權利要求18所述的方法，其中在多個具相同最低複雜度的頻道中，最低分辨度的頻道最後分派。
21.如權利要求18所述的方法，還包含的步驟若某一頻道的分派將造成(a)接受分派的處理器的累積分辨度與(b)該頻道的分辨度的和，超過預定的上限，則避免該頻道分派至該處理器。
22.如權利要求17所述的方法，其中該等頻道的分派至該等處理器乃使具最低累積複雜度的處理器接收下一頻道的分派。
23.如權利要求22所述的方法，其中若有多個處理器具相同的累積複雜度，則其中具最低累積分辨度者接收該下一頻道的分派。
24.一種於第二多個處理器處處理第一多個視頻數據頻道的裝置，包含捕捉每一頻道數據樣本的裝置；根據頻道的樣本，取得每一頻道的複雜度測量的裝置；分派每一頻道至至少一個該處理器以於該處接受處理的裝置；以及根據每一處理器所分派的頻道的複雜度，維持每一處理器累積複雜度的動態結餘的裝置；其中該等頻道分派至該等處理器的順序，與頻道的複雜度相反，使較高複雜度的頻道先於較低複雜度的頻道分派。
全文摘要
一種有效率的譬如，用以轉碼視頻數據的處理系統。在多處理器的具體實施例中，為數據頻道分配處理器以使處理器資源的使用可達最大。從每一頻道的樣本中測量出各頻道的複雜度，然後各處理器以其所分配到的頻道的複雜度為基礎，得出處理器的累積複雜度。頻道分配處理器的方式為最複雜的頻道最先分派，具最小累積複雜度的處理器則接收下一個頻道的分派。
文檔編號H04N5/92GK1461567SQ01815922
公開日2003年12月10日 申請日期2001年8月20日 優先權日2000年9月20日
發明者胡少偉 申請人:通用儀器公司