縮短數字視頻設備頻道變換時間的方法

2023-04-23 16:20:46

專利名稱：縮短數字視頻設備頻道變換時間的方法
技術領域：
本發明一般涉及數字視頻設備，並且尤其涉及一種縮短數字視頻設備 頻道變換時間的方法。
背景技術：
在數位電視廣播系統中，允許觀眾快速變換頻道是重要的特徵。至少 有兩種主要的源造成了頻道變換延遲。第一種源來自於許多視頻壓縮標準 如運動圖像專家組2 (MPEG-2)和H.264所使用的圖像組(GOP)結構。 在GOP中，圖像是利用幀內或幀間編碼進行編碼的。幀內編碼(I)圖像 (a.k.a幀)利用它自身的信息進行壓縮，由此可以單獨被解碼。而幀間編 碼圖像(即B或P圖像)必須在相關的幀內編碼圖像(I圖像)被解碼之 後，才能被解碼。因為I圖像通常需要比B或P圖像多3至10倍的位數， 所以在位流中，對I圖像編碼的次數很少，以便減小總的位速率。在數字 電視廣播系統中，I幀可以僅僅每1至2秒出現一次。當數字視頻設備調 到某一節目時，在任何圖像能被解碼或顯示之前，該數字視頻設備必須等 到第一I幀被接收。這會產生大量延遲。
頻道變換延遲的第二種源來自於處理部分，如數字視頻設備(如機頂盒(STB))中的緩衝、前向糾錯(FEC)和錯誤隱藏。這些部分需要大量緩
衝和處理，由此造成頻道變換延遲。例如，希望進行流量整形以便傳輸可
變位速率(VBR)流，但是它需要數字視頻設備的緩衝，這將造成延遲。 FEC需要視頻分組緩衝，以便進行分組丟失恢復。在解碼之前，數字視頻 設備需要提供緩衝來保持視頻分組及其關聯FEC分組的至少一個塊。例 如，用於3Mbps恆定位速率(CBR)流的20列、5行FEC保護可能引入 長達350毫秒的延遲。又如，錯誤隱藏需要檢測幀丟失，這是一個延遲事 件。而且，高級錯誤隱藏算法如基於光流的處理提供更好的隱藏結果，但 是其計算量比傳統的幀重複方法大得多。在現代數字視頻設備中，隱藏連 續4幀可能造成長達200毫秒的延遲。為了無重大抖動地顯示視頻，必須 將所有這些延遲都預算到數字視頻設備中，即使不一定需要它們。
因此，鑑於和頻道變換相關的潛在長延遲，需要一種縮短數字視頻設 備頻道變換延遲的方法。在此描述的本發明致力於解決該問題，並且尤其 用於處理和數字視頻設備中信號處理相關的頻道變換延遲。

發明內容
根據本發明一方面，公開了一種變換數字視頻設備頻道的方法。根據 示範性實施例，該方法包括以下步驟接收代表相同節目的第一和第二視
頻流，其中第一視頻流具有至少一個不同於第二視頻流的特徵；處理第一 視頻流，以產生第一處理後視頻流；處理第二視頻流，以產生相對於第一 處理後視頻流具有延遲的第二處理後視頻流；響應頻道變換命令而再現第 二處理後視頻流；以及隨後從第二處理後視頻流切換到第一處理後視頻流，並再現第一處理後視頻流。該特徵例如可以是較短GOP尺寸、較低 解析度以及/或者較低位速率。
根據本發明另一方面，公開了一種數字視頻設備。根據示範性實施例， 該數字視頻設備包括接收裝置如至少一個信號接收器，用於接收代表相 同節目的第一和第二視頻流，其中第一視頻流具有至少一個不同於第二視 頻流的特徵；第一處理裝置如第一信號處理器，用於處理第一視頻流以產 生第一處理後視頻流；第二處理裝置如第二信號處理器，用於處理第二視 頻流，以產生相對於第一處理後視頻流具有延遲的第二處理後視頻流；再 現裝置如再現器，用於響應頻道變換命令而再現第二處理後視頻流；以及 開關裝置如開關，用於在再現器開始再現第二處理後視頻流之後從第二處 理後視頻流切換到第一處理後視頻流、從而使再現器開始再現第一處理後 視頻流。該特徵例如可以是較短GOP尺寸、較低解析度以及/或者較低位 速率。


通過參考以下連同附圖給出的本發明實施例的描述，本發明的上述及 其它特徵和優點以及實現它們的方式將變得更加清楚，並且將更容易理解 本發明，其中
圖1是適於實施本發明的系統的框圖2是根據本發明示範性實施例的圖1數字視頻設備的更詳細框圖； 圖3是根據本發明示範性實施例的定時圖；以及 圖4是根據本發明示範性實施例的另一定時圖。在此展示的範例僅僅說明了本發明的優選實施例，且這種範例不應被 看作以任何方式限制本發明的範圍。
具體實施例方式
現在參考附圖，尤其是圖1，圖1示出了適於實施本發明的系統100 的框圖。如圖1所示，系統100包括編碼器10、延遲單元20、代理服務 器30、組播開關40和數字視頻設備50。根據示範性實施例，系統100代 表網際協議電視(IPTV)廣播系統。
在系統100中，編碼器IO將廣播節目同時編碼為第一流12，其在 此可被稱為"常規流"；以及第二流14，其在此可被稱為"頻道變換流"。 雖然常規流12具有至少一個不同於頻道變換流14的特徵，但是流12和 14都代表來自相同節目的視頻內容。根據示範性實施例，與常規流12相 比，頻道變換流14具有更短的GOP尺寸(例如短0.5秒等)、更低解析度 (例如通用中向格式(CIF)等)以及/或者更低位速率(例如小於200kbps 等)。
延遲單元20用於將頻道變換流14延遲可配置的預定長時間(例如900 毫秒等)。例如，可以由服務提供商為系統100自適應地控制(例如調節) 該延遲。代理伺服器30從編碼器10接收常規流12，從延遲單元20接收 延遲的頻道變換流14，並將這些流12和14發送給組播開關40。根據示 範性實施例，組播開關40可以被實施為數字用戶線接入復用器(DSLAM)。
在系統100、中，可利用網際協議(IP)組播，將壓縮的流12和14通 過IP主幹網發送給組播開關如組播開關40，組播開關40將流12和14選 擇性地轉發給終端設備如數字視頻設備50。根據示範性實施例，在系統100中可使用網際組管理協議(IGMP)來進行頻道選擇。例如，終端設備 如數字視頻設備50可以向組播開關40 (如DSLAM)發送對於期望頻道 的連接請求。當不再想要該頻道時，可以向組播開關40發送離開請求。
根據本發明原理，由延遲單元20引入到頻道變換流14中的可配置延 遲，補償了數字視頻設備50內由丟失恢復部分如FEC和錯誤隱藏造成的 常規流12的處每延遲。該延遲允許數字視頻設備50在頻道變換事件期間 對常規流12執行必要的質量改善，而不造成大的延遲。根據示範性實施 例，如圖1所示，可以在系統100的組播開關40之前的任何地方引入延 遲。
參考圖2，圖2示出了根據本發明示範性實施例的圖1數字視頻設備 50的更詳細框圖。如圖2所示，數字視頻設備50為常規流12和頻道變換 流14提供分開的處理路徑。常規流12的處理路徑包括具有緩衝的接收器 52、 FEC塊54、解碼器56和錯誤隱藏塊58。頻道變換流14的處理路徑 包括具有緩衝的接收器60和解碼器62。數字視頻設備50還包括開關64 和再現器66，再現器66響應所選擇的數據流提供輸出信號進行顯示。根 據示範性實施例，數字視頻設備50可以被實施為機頂盒或能夠處理數字 視頻信號的其它任何類型數字視頻設備。
在圖2中，具有緩衝的接收器52接收並緩衝常規流12，以產生第一 緩衝視頻流。FEC塊54用作糾錯器，並對第一緩衝視頻流執行糾錯，以 產生第一糾錯視頻流。解碼器56對第一糾錯視頻流進行解碼，以產生第 一解碼視頻流。錯誤隱藏塊58用作錯誤隱藏器，並對第一解碼視頻流執 行錯誤隱藏，以產生與常規流12對應的第一處理後視頻流。如圖2所示，對於常規流12的上述處理功能產生了第一處理延遲tl。
同樣，在圖2中，具有緩衝的接收器60接收並緩衝頻道變換流14， 以產生第二緩衝視頻流。解碼器62對第二緩衝視頻流進行解碼，以產生 與頻道變換流14對應的第二處理後視頻流。如圖2所示，對於頻道變換 流14的上述處理功能產生了第二處理延遲t2，第二處理延遲t2短於和常 規流12關聯的第一處理延遲tl (這兩個延遲圖不必成比例)。
在圖2中，丟失恢復或錯誤隱藏對於頻道變換流14的重要性遠小於 對於常規流12的重要性。這是因為，如後面將要描述的，頻道變換流14 僅用於較短時間段(如小於1秒等)，並且尤其用於頻道變換。因此，在 該較短時間內在本地迴路上(即，不是幹路傳輸)數據包丟失的發生率遠 小於常規流12。而且，頻道變換流14中的數據包丟失對最終用戶幾乎沒 有影響。最壞的情況是錯過由頻道變換流14提供的頻道變換時間縮短。 因此，數字視頻設備50對頻道變換流14和常規流12採用不同級別的數 據包丟失保護，即對頻道變換流14採用弱FEC保護或者無FEC保護以實 現短等待時間，而對常規流12釆用強FEC保護以實現更好視頻質量，如 圖2中所反映出來的。
而且，在圖2中，可利用流量整形來平滑傳輸率，並且經常希望將流 量整形用於傳輸VBR流。根據示範性實施例，採用流量整形對於常規流 12的重要性高於對於頻道變換流14的重要性，因為常規流12具有高得多 的位速率。將流量整形應用於常規流12要求具有緩衝的接收器52中具有 額外的緩衝及關聯延遲。因為頻道變換流14具有低得多的位速率，所以 不一定需要流量整形。因此，具有緩衝的接收器60可以提供比具有緩衝的接收器52更小的緩衝及關聯延遲。
如下面將要描述的，在收到常規流12的第一I幀之前，開關64響應 用戶的頻道變換命令最初選擇解碼器62輸出的第二處理後視頻流(對應 於頻道變換流14)，以供再現器66進行再現。此後，當收到常規流12 中的I幀時，開關64切換到錯誤隱藏塊58輸出的第一處理後視頻流(對 應於常規流12)，從而使再現器66開始再現常規流12的內容。該切換操 作能夠縮短頻道變換時間，因為接收器不必等待常規流12的第一 I幀。
參考圖3，圖3示出了根據示範性實施例的定時圖。具體而言，圖3 示出了當圖2的數字視頻設備50的開關64在不同情況下從解碼器62輸 出的第二處理後視頻流(對應於頻道變換流14)切換到錯誤隱藏塊58輸 出的第一處理後視頻流(對應於常規流12)時，流12和14關於該開關 64的定時。圖3也顯示出，重要的是在切換期間不讓常規流12的內容滯 後於頻道變換流14。否則，可能產生這樣的時間窗，在該時間窗內沒有幀 可用於輸出(見下面的第2種情況)。在圖3中，"B"和"b"幀都是指雙 向預測幀。然而，"B"幀代表可用作用於預測其它幀的參考的雙向預測幀 (因而在解碼過程中被臨時存儲)，而"b"幀代表不用作用於預測其它幀 的參考的雙向預測幀(因而在顯示後就被丟棄)。
第1種情況示出了當頻道變換流14和常規流12的內容在開關64上 完全同步時的時序。在該情況下，在流12的任何I幀被接收之前，頻道變 換流14的I幀101首先到達開關64。開關64首先將頻道變換流14的內 容傳送給再現器66，此後在常規流12的第一 I幀102處平穩地切換到常 規流12，然後接著處理常規流12。這要求整個時序內的完美同步和切換。第2種情況示出了當頻道變換流14的內容比常規流12提前一幀時的
時序。在該情況下，開關64首先將頻道變換流14的內容傳送給再現器66。 接收器再次開始處理流14的I幀101，因為I幀101是收到的第一 I幀。 當常規流12的第一I幀102被接收時，因為它滯後於頻道變換流14，所 以頻道變換流14中的對應I幀103巳經被顯示。因此，常規流12的I幀 102必須被丟棄。具體而言，開關64需要等到下一幀(即I幀之後的b幀 104)被接收。這造成了這樣一個幀時間窗，在這個幀時間窗內沒有圖像 被發送給再現器66。
第3種情況示出了當頻道變換流14的內容落後於常規流12時的時序。 在該情況下，開關64能夠執行從頻道變換流14的內容到常規流12的平 穩轉換。為了實現該結果，開關64從常規流12的第一I幀102起緩衝常 規流12的幀，直到收到頻道變換流14的對應I幀103為止。開關64再次 接收流14的I幀101，並發送流，直到收到流12的I幀102為止。在I 幀102和103的轉換期間，開關64首先將被緩衝的幀和隨後的幀發送給 再現器66。
第4種情況示出了當常規流12的第一 I幀102在頻道變換流14的第 一 I幀103之前被接收時的時序。在該情況下，開關64首先選擇常規流 12的內容，並且不必從頻道變換流14轉換。
在圖3中的切換期間，注意頻道變換流14中的I幀103 —般不被再現， 且常規流12中的對應I幀102被發送給再現器66。如以上圖3中所述的， 如果在開關64上常規流12滯後於頻道變換流14，則在切換期間可能發生 小故障(見第2種情況)。如圖2中所表示的，常規流12具有比頻道變換流14長的處理延遲，這可能造成當常規流12到達開關64時滯後於頻道 變換流14。本發明通過在組播開關40之前使頻道變換流14延遲，來解決 該問題(見圖l)。該方法不增加頻道變換時間，因為延遲是在最終用戶發 送頻道變換請求之前發生的，因而最終用戶觀察不到。解決該問題的另一 種方法是，在數字視頻設備50內的頻道變換流14處理路徑中延遲頻道變 換流14。然而， 一般不希望使用該方法，因為它將無疑增加頻道變換時間， 如下面將要描述的。
參考圖4，圖4示出了根據本發明示範性實施例的另一定時圖。具體 而言，圖4比較了兩種延遲解決方法，g卩第一解決方法(即圖4中的解 決方法1)，其中在數字視頻設備50內的頻道變換流14處理路徑中延遲頻 道變換流14;以及第二解決方法(即圖4中的解決方法2)，其中根據本 發明原理在組播開關40(例如DSLAM)之前延遲頻道變換流14(見圖1)。
如圖4的解決方法2所表示，本發明通過在頻道變換流14到達組播 開關40 (例如DSLAM)之前延遲頻道變換流14來縮短頻道變換時間， 如圖1所示。假定IGMP延遲為Di，常規流12的處理延遲為Dr (即圖2 中的延遲tl)，頻道變換流14的處理延遲為Dc (即圖2中的延遲t2)，且 由GOP結構造成的延遲為Dg，則在不應用本發明原理的情況下用於執行
頻道變換的總延遲為
Dtotal = Dg + Di + Dr (1)
相反，在應用本發明原理的情況下用於執行頻道變換的總延遲為
Dtotal = Dg + Di + Dc (2) 如果施加於頻道變換流14的延遲等於或大於Dr-Dc，由於Dc (即圖2中的延遲t2)小於Dr (即圖2中的延遲tl)，所以圖4的解決方法2所代表 的本發明減小了由處理時間造成的延遲。注意，圖1中施加於頻道變換流 14的延遲可以太於Dr-Dc。這是因為圖2的開關64能夠緩衝常規流12(見 圖3的第3種情況)。因此，較長的延遲不影響頻道變換時間。它只增加 了從頻道變換流14切換到常規流12的延遲。
如在此所描述的，本發明提供一種用於縮短數字視頻設備頻道變換時 間的方法。注意，本發明至少提供(i)頻道變換流14和常規流12可以 使用不同級別的數據包丟失保護和不同級別的流量整形。可以向頻道變換 流14應用低級別保護以及低級別流量整形或者無流量整形，以獲得短等 待時間，而可以向常規流12應用高級別保護和高級別流量整形，以獲得 高視頻質量；(ii)數字視頻設備50包括兩條解碼器路徑來選擇常規流或頻 道變換流，以執行頻道變換。開關64優選地包括緩衝器管理特徵，以致 如果常規流12和頻道變換流14對齊或者在頻道變換流14前面，它能夠 執行平穩轉換；以及(iii)在組播開關40 (如數字用戶線(DSL)系統的 IPTV中的DSLAM)之前向頻道變換流14施加延遲，以縮短由常規流12 的較長處理時間造成的頻道變換時間。如果該延遲等於或大於常規流12 的處理時間(即圖2中的tl)與頻道變換流14的處理時間(即圖2中的 t2)之差，則由處理延遲造成的總等待時間受限於較短的頻道變換處理時 間。
本發明可應用於具有或不具有集成顯示器的不同數字視頻設備。因 此，如此處所使用的短語"數字視頻設備"可以指包含集成顯示器的系 統或設備，包括但不限於電視機、計算機或監視器；以及可能不包含集成顯示器的系統或設備，如機頂盒、盒式磁帶錄像機(VCR)、數字通用光
盤(DVD)播放器、視頻遊戲盒、個人錄像機(PVR)、計算機等。
雖然本發明被描述為具有優選設計，但是可以在本公開的精神和範圍 內進一步修改本發明。因此，本申請預定涵蓋使用本發明一般原理的本發 明任何變化、使用或修改。而且，當關於本公開的偏離在本發明所屬的技 術領域中的己知或慣例事項範圍內、且落入所附權利要求範圍內時，本申 請預定涵蓋這種偏離。
權利要求
1. 一種用於變換數字視頻設備中頻道的方法，所述方法包括以下步驟接收表示相同節目的第一和第二視頻流，其中所述第一視頻流具有至少一個不同於所述第二視頻流的特徵；處理所述第一視頻流，以產生第一處理後的視頻流；處理所述第二視頻流，以產生相對於所述第一處理後的視頻流具有延遲的第二處理後的視頻流；響應頻道變換命令而再現所述第二處理後的視頻流；以及隨後從所述第二處理後的視頻流切換到所述第一處理後的視頻流，並再現所述第一處理後的視頻流。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述至少一個特徵包括位速率、 解析度和圖像組(GOP)尺寸的至少之一。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中通過組播系統接收所述第一和第 二視頻流。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述處理所述第一視頻流的步驟 包括以下步驟緩衝所述第一視頻流，以產生第一緩衝視頻流； 對所述第一緩衝視頻流執行糾錯，以產生第一糾錯視頻流； 對所述第一糾錯視頻流進行解碼，以產生第一解碼視頻流；以及對所述第一解碼視頻流執行錯誤隱藏，以產生所述第一處理後的視頻流。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中所述處理所述第二視頻流的步驟 包括以下步驟緩衝所述第二視頻流，以產生第二緩衝視頻流；以及 對所述第二緩衝視頻流進行解碼，以產生所述第二處理後的視頻流。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中響應被接收的所述第一視頻流的 預定部分而執行所述切換。
7. —種數字視頻設備(50),包括接收裝置(52、 60)，用於接收表示相同節目的第一和第二視頻流(12、 14)，其中所述第一視頻流(12)具有至少一個不同於所述第二視頻流(14) 的特徵；第一處理裝置(54、 56、 58)，用於處理所述第一視頻流(12)以產 生第一處理後的視頻流；第二處理裝置(62)，用於處理所述第二視頻流(14)，以產生相對 於所述第一處理後的視頻流具有延遲的第二處理後的視頻流；再現裝置(66)，用於響應頻道變換命令而再現所述第二處理後的視 頻流；以及切換裝置(64)，用於在所述再現裝置(66)開始再現所述第二處理後的視頻流之後從所述第二處理後的視頻流切換到所述第一處理後的視頻流，從而使所述再現裝置(66)開始再現所述第一處理後的視頻流。
8. 根據權利要求7所述的數字視頻設備(50)，其中所述至少一個特 徵包括位速率、解析度和圖像組(GOP)尺寸的至少之一。
9. 根據權利要求7所述的數字視頻設備(50)，其中通過網際網路接收 所述第一和第二視頻流(12、 14)。
10. 根據權利要求7所述的數字視頻設備(50)，其中 所述接收裝置(52、 60)包括用於接收並緩衝所述第一視頻流(12)、以產生第一緩衝視頻流的裝置(52);以及 所述第一處理裝置(54、 56、 58)包括用於對所述第一緩衝視頻流執行糾錯、以產生第一糾錯視頻流的裝置 (54);用於對所述第一糾錯視頻流進行解碼、以產生第一解碼視頻流的裝置 (56);以及用於對所述第一解碼視頻流執行錯誤隱藏、以產生所述第一處理後的 視頻流的裝置(58)。
11. 根據權利要求IO所述的數字視頻設備(50)，其中所述接收裝置(52、 60)包括用於接收並緩衝所述第二視頻流(14)、以產生第二緩衝視頻流的裝置(60);以及所述第二處理裝置(62)包括用於對所述第二緩衝視頻流進行解碼、 以產生所述第二處理後的視頻流的裝置(62)。
12. —種數字視頻設備(50)，包括至少一個信號接收器(52、 60)，用於接收表示相同節目的第一和第 二視頻流(12、 14)，其中所述第一視頻流(12)具有至少一個不同於所 述第二視頻流(14)的特徵；第一信號處理器(54、 56、 58)，用於處理所述第一視頻流(12)、 以產生第一處理後的視頻流；第二信號處理器(62)，用於處理所述第二視頻流(14)、以產生相 對於所述第一處理後的視頻流具有延遲的第二處理後的視頻流；再現器(66)，用於響應頻道變換命令而再現所述第二處理後的視頻 流；以及開關(64)，用於在所述再現器(66)開始再現所述第二處理後的視 頻流之後從所述第二處理後的視頻流切換到所述第一處理後的視頻流，從 而使所述再現器(66)開始再現所述第一處理後的視頻流。
13. 根據權利要求12所述的數字視頻設備(50)，其中所述至少一個 特徵包括位速率、解析度和圖像組(GOP)尺寸的至少之一。
14. 根據權利要求12所述的數字視頻設備(50)，其中通過網際網路接 收所述第一和第二視頻流(12、 14)。
15. 根據權利要求12所述的數字視頻設備(50)，其中 所述至少一個信號接收器(52、 60)包括用於接收並緩衝所述第一視頻流(12)、以產生第一緩衝視頻流的第一信號接收器(52);以及 所述第一信號處理器(54、 56、 58)包括糾錯器(54)，用於對所述第一緩衝視頻流執行糾錯，以產生第一糾 錯視頻流；解碼器(56)，用於對所述第一糾錯視頻流進行解碼，以產生第一解 碼視頻流；以及錯誤隱藏器(58)，用於對所述第一解碼視頻流執行錯誤隱藏，以產 生所述第一處理後的視頻流。
16. 根據權利要求15所述的數字視頻設備(50)，其中 所述至少一個信號接收器(52、 60)包括用於接收並緩衝所述第二視頻流(14)、以產生第二緩衝視頻流的第二信號接收器(60);以及所述第二信號處理器(62)包括用於對所述第二緩衝視頻流進行解碼、 以產生所述第二處理後的視頻流的解碼器(62)。
全文摘要
一種數字視頻設備(50)提供縮短的頻道變換時間。根據示範性實施例，該數字視頻設備(50)包括至少一個接收器(52、60)，用於接收代表相同節目的第一和第二視頻流(12、14)，其中第一視頻流(12)具有至少一個不同於第二視頻流(14)的特徵；第一信號處理器(54、56、58)，用於處理第一視頻流(12)以產生第一處理後的視頻流；第二信號處理器(62)，用於處理第二視頻流，以產生相對於第一處理後視頻流具有延遲的第二處理後視頻流；再現器(66)，用於響應頻道變換命令而再現第二處理後視頻流；以及開關(64)，用於在再現器(66)開始再現第二處理後視頻流之後從第二處理後視頻流切換到第一處理後視頻流，從而使再現器(66)開始再現第一處理後視頻流。
文檔編號H04N5/50GK101422037SQ200680054260
公開日2009年4月29日 申請日期2006年12月18日 優先權日2006年4月18日
發明者戴寄望, 格倫·勞倫斯·卡什, 艾倫·傑伊·斯坦 申請人:湯姆遜許可公司