DVB-S2中三维传输方案

邵永庆,张白愚,黄 焱

(1.重庆通信学院国家3G研究中心,重庆 400035; 2.信息工程大学信息系统工程学院,河南郑州 450002)

DVB-S2中三维传输方案

邵永庆1,2,张白愚2,黄 焱2

(1.重庆通信学院国家3G研究中心,重庆 400035; 2.信息工程大学信息系统工程学院,河南郑州 450002)

根据DVB-S2码流自身的特点以及参考二维视频数据的传输,提供了三维视频节目在第2代卫星广播电视标准信道中的3种基于数据链路层传输方式,并给出了相应的发送协议栈.根据每种传输方式的规定,计算了每种情况下码流的传输效率,并进行对比.综合各种因素,得出每种传输方式都有自己的优缺点和适用范围,任何一方都不能完全被替代.

第2代卫星广播电视标准;三维视频;传输方案;传输效率

2009年底,美国立体电影《阿凡达》的放映掀起了三维(Three Dimensional,3D)显示的热潮,它让观众感受到了3D的惊人魅力.三维视频所特有的景深效果,使观看者不仅有强烈的真实感,更有身临其境、融入其中的感觉.基于这些优点三维视频逐步走入普通百姓的视线,并得到了飞速发展[1].3D显示技术是3D业务发展的基础,对显示技术的研究可以追溯到很早,早期的研究仅仅局限在学术领域,距市场化应用还有很大的距离.近些年,相关领域的快速发展,显示技术得到了质的飞跃,为3D业务的发展与普及打下了良好的基础.目前,一些大型公司以及科研机构已经投入了大量的人力物力去研究3D技术,希望自己的产品早日进入市场,并成为主导.

虽然对3D显示技术的研究取得了一定的成果,但是对其传输的研究相对较少,或者说缺少相关的规范,用卫星传输3D数据的研究则更少.目前所看到的3D画面大部分都是通过移动载体进行传播,如电影院看到的3D电影.通过“线路”进行传输的较少,如网络、卫星传输等.通过移动载体传播成本高、传播周期大、不灵活,通过“线路”传输成本低、方便灵活、易于接收等优点逐渐显露出来.随着人们对3D业务需求的日益增加,对3D数据传输的研究具有重要的现实意义.数字视频广播(Digital Video Broadcasting,DVB)组织于2012年1月正式公布了用DVB信道传送3D信号的第1个技术说明:DVB和Frame Compatible Planostereoscopic 3DTV[2].根据相关标准,笔者给出了第2代卫星广播电视标准(The Second Generation of Digital Video Broadcasting-Satellite,DVB-S2)中3D视频的传输框图,如图1所示.虚线框部分为研究的重点,主要讨论3D视频编码后的数据流如何封装以及在DVB-S2信道中的传输.

图1 DVB-S2系统中3D视频的传输框图

1 3D信号编码简介

研究3D视频信息的传输,需要对其编码有一定的了解.现阶段,市场上的大部分经过非移动载体传输的3D信号都是采用多视点视频编码(Multiview Video Coding,MVC)技术.在2D视频编码领域应用较为广泛的标准是2003年3月由联合视频组(Joint Video Team,JVT)颁布的H.264(亦称MPEG-4的第10部分),主要应用在数字视频存储、IPTV、数字卫星广播以及手机电视等业务.虽然H.264标准非常灵活方便,但它只是对2D视频进行编码,没有制定关于3D视频的编码标准.正是在这种背景下,JVT提出了多视点视频编码MVC的概念.多视点视频主要通过在场景中放置多台摄像机,记录下多个视点的视频数据,提供给用户以视点选择和场景漫游的交互能力[3].MVC是对多视点视频的一种高效的压缩编码方式,其基本原理是建立在H.264基础之上的,是H.264的一个扩展,也是现阶段视频通信领域的关键技术和研究热点之一.文中用DVB-S2信道传输的3D信号的编码就借鉴了MVC技术.

2 3D信号在DVB-S2信道中的传输方式

由于显示技术的发展,普通的家用电视已经可以播放3D视频,这使得研究“线路”传输3D视频具有实际意义.虽然DVB组织颁布了3D视频的相关标准,但标准中没有具体指出数据链路层以上的具体传输方式.这里研究的重点就是3D视频信号在DVB-S2系统中链路层以上的内容,以使人们更加方便地通过卫星广播或卫星上网的方式获取3D视频.现在市场上大部分3D视频都是2视点视频,此类视频在制作过程中都是模仿人的左右眼,通过两个摄像机同时进行录制[4].1路3D信号可以简单地理解成两路HDTV,再加上控制信息和说明信息.根据欧洲电信标准化协会(ETSI)标准中的相关标准以及借鉴MVC技术,可将1帧3D画面分成3帧普通的高清晰度电视(High Definition Television,HDTV)画面:一个基准画面和另外两个画面,然后再按照H.264进行编码.因此,其在DVB-S2中的传输方式可以参考HDTV,具体情况如图2所示.

根据对DVB-S2中2D信号的研究,以及对其中码流信息的掌握,DVB-S2信道中3D信号可以通过两种方式传输:(1)直接封装到MPEG-2格式的码流中,以广播的方式发送给用户.(2)以IP数据的方式,经相关协议将数据封装在可直接传输的码流中,再通过DVB-S2信道传送,此方式主要用于单播传输或组播传输.

由前文知,3D数据可以简单理解为3路HDTV数据,再加上一些控制信息组成,而每一路HDTV采用的编码方式为H.264/AVC.在传输过程中,先将3D视频信息和伴音内容分别进行编码,然后再将伴音码流和视频码流复用成3DTV数据流[5].

在DVB-S2中传输的数据流包含两种:传送码流(Transport Stream,TS)和普通码流(Generic Stream,GS).TS流具有固定的长度(188 B,不含校验字段);GS流是不定长的,可以根据需要进行调整,灵活性强[6].TS流主要应用于广播业务,也可以用来传送IP等其他业务的数据;而GS流主要用来传输IP数据等单播或多播业务.下面讨论两种3D视频的两种传输方式.

图2 3DTV信号和HDTV信号的传输系统框图

2.1以广播的方式进行传输

若3D信号以广播的形式发送,需要将3DTV数据流直接封装到具有188 B固定长度的MPEG-2 TS流中.将3D视频数据流直接封装到MPEG-TS流中,通常是指广播类的节目,它是针对所有接收用户.因为是针对所有的接收用户,所以数据流的复杂程度低.根据DVB标准对数据流的规定,将前文提到的3DTV数据流打包成打包基本流(Packetized Elementary Stream,PES),再和节目专用信息(Program Special Information,PSI)进行复用,形成具有188 B固定长度的DVB-S2码流.具体的发送协议栈如图3(a)所示.

图3 3D数据在DVB-S2中的发送协议栈

此类传输方式的优点是:对接收机的要求较低,用户接收起来比较方便.缺点是:只能用于广播类传输,不适合应用广泛的点对点业务,如视频点播业务(Video on Demand,VOD)等.在个性化需求日益突出的今天,广播类节目并不是每个人都喜欢的,人们要想获得自己想要的3D节目还得通过其他渠道.由于是广播方式发送,需要给其分配相对固定的带宽,这就降低了频带的利用率.这种以广播方式的高成本传输3D节目的方式,适合用户数量庞大的媒体机构,如中央电视台已经开设的CCTV-3D频道.

2.2 以IP数据的方式进行传输

在DVB-S标准中,只有一种传输码流:TS流,为了应对数据量大幅增加的IP业务以及私有业务[7],DVB-S2标准新增了一种码流:GS流[8].因此,3D数据以IP方式在DVB-S2信道中可以通过两种码流进行传输,一种是利用TS流进行传输,另一种是利用GS流进行传输.

2.2.1 在TS流中传输

3D视频在TS流中以IP数据的方式进行传输和普通的IP数据的处理流程[9]相似.以在线观看3D视频为例,阐述数据的封装方式.这里要用到实时传输协议(Real-time Transport Protocol,RTP),虽然处理起来相对复杂,但更能透彻地分析问题.RTP是为视频、音频等实时数据提供端到端的传递服务,可以向接收端传输恢复实时数据所必需的定时和顺序信息,并向收发双方和网络运营者提供服务质量(Quality of Service,QoS)监测手段.RTP承载普通编码的视频数据比较复杂,在RTP首部后还需要加一个视频压缩头.但用H.264编码的压缩视频比较特殊,H.264运用了网络提取层(Network Abstraction Layer,NAL)接口,它可以包含一个类型的语义元素,不需要再添加视频压缩头,因此将封装过程简单化了.数据封装的传输过程如下:

Step1 将经过多视频编码器后得到的含有伴音信息的数据流封装在RTP协议下.

Step2 加上UDP的头.

Step3 进行IP封装,或根据实际的需要添加其他协议的头.

Step4 经多协议封装(MPE),再打包得到可以直接传输的MPEG2-TS流.具体的发送协议栈如图3(b)所示.

如视频信息不需要实时传输,可以直接把编码后的原始数据流按照TCP/IP协议进行封装,然后经过MPE,打包成可以在信道中直接传输的TS流.

2.2.2 在GS流中传输

DVB-S2中新增的GS流主要是针对IP业务的.因此,3D视频数据在GS流中传输也很灵活.GS流是由GS包组成.一般情况下,TS流主要采用的是MPE封装,也有一小部分数据流采用的是单向轻量封装(Unidirectional Lightweight Encapsulation,ULE);而GS流采用的是GSE封装.相对于MPE,一般封装方式(Generic Stream Encapsulation,GSE)的头部开销很小,主要是因为MPE中必备的MAC地址已经不再使用(在一些场合,可以直接连接目的主机),这样就提高了IP组播或单播的传输效率.当需要目的地址时,可以在GSE头部的扩展字段添加.GS流有别于TS流的一个最主要的特点是:GS包是不定长的,发送端可以根据需要调整包长的大小,这样就增加了码流的利用效率,这些都是GS流灵活性的具体体现.TS包有固定的同步字节0X47,而GS包没有特定的同步字节,在获得高效的传输率的同时,也增加了数据流的处理难度,说明了效率和复杂度这两点是相互对立的.3D视频信息在GS流中传输的步骤如下:

Step1 信源编码,用多视点编码器将视频内容及其伴音编码成适合传输的数据流.

Step2 根据需求,将步骤1中的数据流用TCP/IP或者其他封装协议进行封装.

Step3 进行GSE封装,打包成GS包.

具体的传输协议栈如图3(c)所示.

还需要特别指出的是,GSE封装是专门为GS流制定的封装协议[6],是一种高效的封装方式,可以说是GS流灵活高效的主要原因.GS流是由GS包组成的,而GS包是由GSE封装头部和数据协议单元(Protocol Data Unit,PDU)组成的,具体的头部格式如图4所示.

图4 GSE的头部格式

图4中,属于同一个文件的PDU具有相同的Frag ID,GSE Length是指一个GS包的长度(头部+数据),Total指具有相同Frag ID号的所有GS包的长度和,Protocol Type是协议类型,指出PDU中携带的数据类型,Label和Ext.headers都是可选字段,为数据的传输进行补充说明.

3 3D数据的传输效率

根据前文可知,3D数据通过DVB-S2信道[10]发送给用户,可以有两种不同的传输方式:以广播的方式和以IP数据的方式(又可以具体分为通过TS流传输和通过GS流传输).下面具体讨论数据在各种码流中的传输效率,即有效载荷长度和传输这段数据所需的基带帧长度的比值[11].首先,计算数据以广播的方式传输的效率,即

其中,184是一个TS包的最大负载长度,10是基带帧头部开销.下文若再次出现相同参数,其意义相同,不再赘述.文中涉及到的长度单位均为B.

在TS流中,以IP方式传输的效率为

式(4)中的8为RTP头长度,式(5)中的8为UDP头长度,式(6)中的20为IP头部长度.

在GS流中,以IP方式传输的效率为

仿真时,取基带帧长度LBBframe为1 500 B.其中,Ldata表示数据长度,LRTP表述RTP包长,LUDP表示UDP包长,LIP表示IP包长,LGSE表示GS包的长度,LBBframe_header表示基带帧头部开销,LBBframe表示基带帧长度.

由图5可知,无论按哪种方式传播,效率都是随着数据长度的增加而增加的,并且当数据长度达到一定值后,传输效率趋于稳定.当效率趋于稳定时,IP数据在TS流中传输和GS流中传输相比,传输效率低了几个百分点,验证了GS流的高效性,也是DVB组织增加GS流的初衷之一.而3D数据以IP的方式在TS流中传输效率远低于以广播的形式传播,即使在高效的GS流中,效率也稍低于广播方式的,因为以IP方式传播,需要封装较多协议,增加了头部开销,降低了数据的传输效率.

图5中的曲线是实际效率曲线的包络,实际曲线会有拐点,因为仿真时,数据的长度是从小到大逐渐增加的,每当数据的大小刚好能封装整数个包(TS包或GS包)时,数据量再加1 B时,系统会再分配一个包,而这个包中只有1 B有效数据,很多地方要用填充.因此,计算效率时会稍微降低.然后,再随着数据量的增加而变大,曲线的总体趋势是逐渐增加的.

图5 3种方式的传输效率图

虽然物理层不是文中的研究范围,但不得不提到DVB-S2中的自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)技术,因为就目前接收到的GS流看,大部分都是和ACM技术搭配使用的,即GS流在物理层都是按照ACM的方式进行传播的.ACM的优势主要体现在自适应上,它可以根据信道状况的好坏,自主地选择不同的编码调制方式,这就需要接收端能够快速地调整自己的解码方案.在获得了高效的数据传输效率的同时,也增加了接收端的复杂程度.

从灵活性角度出发,3D视频数据在GS流中以IP的方式传播最佳,但是综合各方面因素,每一种传输方式都有各自的优缺点.数据以广播的方式发送,缺点是占用频带较大,可选择性小;优点是数据传输效率高,接收成本低.数据以IP的方式在TS流中传输,缺点是数据传输效率低;优点是接收成本低,频带利用率高.数据以IP的方式在GS流中传输,缺点是接收成本高;优点是数据传输效率高,频带利用率高.因此,它们是相互补充的,谁也不可能完全替代谁.

4 结束语

讨论了目前比较流行的3D视频在DVB-S2信道中的传输方式,主要从链路层的角度出发,讲述了3D视频的几种不同的传输方式,并讨论了在每种传输方式下的传输效率.

目前国内还没有制定正规的卫星传输3D视频的标准,DVB组织虽然给出了3D视频传输的第1个技术说明,但说明中没有给出链路层以上具体的传输方式.文章借鉴2D视频在DVB-S2信道中的传输方式,再结合DVB-S2中新增GS流的特点,给出了3D视频的3种传输方式,并仿真计算了每种方式下的传输效率.虽然在理论上证明了可行性,但还需在实践中进行检验,来测试方案的可行性.相信在不久的将来,随着人们对更具有感官印象的3D视频的青睐,通过星载网络或者广播方式传输的3D信号会越来越多,3D显示产品将走进千家万户,3D视频也将以其无可比拟的优势逐渐代替2D视频,真正成为我们生活中的一部分.

[1]王琼华.3D显示技术与器件[M].北京:科学出版社,2011.

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[3]霍俊彦,常义林,李明,等.多视点视频编码的研究现状及其展望[J].通信学报,2010,31(3):113-121. Huo Junyan,Chang Yilin,Li Ming,et al.Study Status and Prospective of Multiview Video Coding[J].Journal on Communications,2010,31(3):113-121.

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(编辑:齐淑娟)

The 3D transmission scheme in DVB-S2

SHAO Yongqing1,2,ZHANG Baiyu2,HUANG Yan2
(1.National Research Center of Third Generation Mobile Communication System,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China;2.Communication Engineering College,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China)

According to the characteristics of DVB-S2 streams and 2D data transmission,three kinds of transmission modes based on the data link layer are provided in the DVB-S2 channel,and the corresponding transmission protocol stacks are also given.According to the regulation of transmission modes,the transmission efficiency is calculated in each case and then a comparison is made.Synthesizing various factors,we conclude that each transmission mode has its own advantages and disadvantages in different applications,and that none of them cannot be completely replaced by others.

the second generation of digital video broadcasting-satellite;3D program;transmission plan; transmission efficiency

TN94

A

1001-2400(2014)01-0147-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.026

2012-10-22 < class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2013-09-16

跨异构蜂窝网络的多模指挥调度系统关键技术研究及应用基金资助项目(CSTC2012gg-yyjsB40005);“新一代宽带无线移动通信网”资助项目(2013ZX03006003-006);国家自然科学基金资助项目(60872142)

邵永庆(1988-),男,信息工程大学硕士研究生,E-mail:shaod3@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.182_022.html