CN105847873B - 面向监控应用的高清视频码流与数据复用***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向监控应用的高清视频码流与数据复用***及方法，主要解决现***流复用技术中传输频带利用率低与数据传输可靠性低的问题。其***包括数据封装单元(1)和数据复用单元(2)；该数据封装单元(1)用于接收高清视频码流生成并添加空包时戳，接收更新多样化的数据，并对该数据进行封装产生数据包；该通过数据复用单元(2)用于重新识别出带有时戳标记的空包，并将数据封装单元输出的数据包复用进带有时戳标记的空包中，以得到复用的高清视频码流。本发明提高了数据的传输效率和冗余带宽的利用率，可用于工业现场控制、环境检测、智能交通、医疗卫生的有线及无线监控。

Description

面向监控应用的高清视频码流与数据复用***及方法
技术领域
本发明属于视频图像信号处理技术领域，具体涉及高清视频码流的数据复用技术，可用于工业现场控制、环境检测、智能交通、医疗卫生的有线及无线监控。
背景技术
随着多媒体技术的高速发展，数字视频技术在通信领域获得了广泛的应用，日益丰富的集音频、视频、图像、文字、数据为一体的多媒体信息逐渐成为大众关注的焦点。而日益优化的视频编码技术使得高清视频制式在性能与效率方面均获得了显著的提高，相比于标清，高清视频制式具有图像分辨率高、画面信息量大、画质精细等无可比拟的优点，因此观众可以欣赏到更清晰的画面，观察到更多的细节。通常，有线或无线信道的可达传输速率应高于高清视频码流的编码速率，在经过信源与信道的速率匹配适应后，视频码流中含有一定的冗余，这些冗余并无实质性作用，因此为了进一步提高传输信道的带宽利用率并提升其传输业务的多样性，可以充分利用高清视频码流中的冗余来传输更多丰富的数据信息。
另一方面，随着视频监控技术的发展演进，其应用范围逐步扩大，主要涉为工业现场控制、环境检测、智能交通、医疗卫生等各种类型的有线及无线监控领域。此外，公众家庭也逐渐成为监控应用的新市场，监控主要应用在对住房的安全防范和财产的安全保护上。由此可见，监控技术的应用前景已明显地呈现出来。在这样的背景下，监控应用领域除了主要传输视频外，还需要传输语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息，如GPS定位、温度、湿度、工业现场监控传感器等多样化的数据信息，故可以将这些多样化的数据信息复用进高清视频码流的冗余空包，借助于视频码流的信道传输，达到充分有效地利用带宽的目的。
四川长虹电器股份有限公司在其专利申请号：200910312688.6，公开号：CN101765005A中提出了一种“对TS包连续空字节进行利用的方法”。这种方法将数据分割成若干个大小一致的数据块，每个数据块以字节数组的形式替换传输码流TS包的连续空字节。这种方法由于未对数据进行协议封装，而是直接替换DVB广播中TS包的连续空字节，因而导致数据在传输过程中容易丢失，使得数据传输的可靠性比较低。
中国科学院声学研究所在其专利申请号：201110223791.0，公开号：CN102916936A中公开了一种“用于IP over DVB的多IP数据封装方法”。该方法是将若干个IP因特网协议数据包封装到同一数字视频广播DVB段中进行传输，从而实现IP数据与DVB中高清视频码流的复用。但是这种方法由于对IP数据经协议封装后直接复用进高清视频码流中，并未复用进高清视频码流的冗余空包中，因此没有充分利用高清视频码流的冗余空包来传输有效数据，浪费了传输频带资源。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种面向监控应用的高清视频码流与数据复用***及方法，以提高传输的可靠性，节省传输频带资源，进一步提高信道带宽利用率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理
本发明通过在高清视频码流的冗余空包中复用多样化的数据信息来实现监控功能。该方法将监控技术与多媒体技术相结合，在正常传送多媒体视音频数据的前提下，借助于信道与信源自适应匹配所产生的TS数据流冗余包传送语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息等多样化的数据信息，如GPS定位、温度、湿度、工业现场监控传感器等多样化数据的采集与实时传输，以进一步提高高清视频码流传输的带宽利用率，从而满足向监控应用的高清视频传输的信息多样化需求。
根据上述原理，本发明面向监控应用的高清视频码流与数据复用***，包括：数据封装单元和数据复用单元；
所述封装单元包括：
时戳处理模块，用于为高清视频码流中的冗余空包生成时戳，并将生成的时戳添加到相应的空包中；
数据更新缓存模块，用于检验数据是否存在更新，即接收当前时刻的数据，并与前一时刻存储的数据进行比较，若比较结果相同，则保留前一时刻的数据，反之，则删除前一时刻的数据，缓存当前时刻的数据；
协议封装模块，用于完成数据封包操作，即接收数据更新缓存模块送来的数据，按照封装协议的标准，为数据添加相应的头部字段信息；
所述数据复用单元包括：
空包识别模块，用于识别出高清视频码流中已标记时戳的冗余空包，即接收时戳处理模块送来的传输码流TS数据，依据空包的包标识号PID字段，识别出传输码流TS中的冗余空包；
数据***模块，用于完成封包数据与高清视频码流中冗余空包的复用，即接收协议封装模块发送来的封包数据，并将封包数据准确地***到空包识别模块发送来的带有时戳标记的冗余空包的有效载荷域中。
根据上述原理，本发明面向监控应用的高清视频码流与数据复用方法，包括：
1)接收外部输入的高清视频码流TS和由语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息组成的多样化数据MI；
2)根据高清视频码流TS包中包标识号PID字段识别出该高清视频码流中随机离散分布的空包，并生成空包的时戳信息TE；
3)将时戳信息TE添加到空包的包头字段后面，得到带有时戳标记的空包TSE；
4)更新多样化的数据MI，即将当前时刻存储的多样化数据MI与前一时刻存储的多样化数据MI进行比较：若比较结果相同，则保留前一时刻的数据，并产生数值为0的更新指示字段U；反之，则删除前一时刻的数据，缓存当前时刻的数据，得到更新后的多样化数据KMI，并产生数值为1的更新指示字段U；
5)对更新后的多样化数据KMI进行封包操作，得到若干个标准的多样化数据包XMI：
5a)计算更新后的多样化数据KMI的字节长度L；
5b)判断字节长度L是否小于空包有效载荷域的长度N：若是，则执行5d)，否则，执行5c)；
5c)判断L是否为N的整数倍：若是，则执行5e)，否则，执行5d)；
5d)对于L小于N的数据，在该数据末尾填充N-L个冗余字节，使得填充冗余字节后的数据的字节长度L’恰好为N的整数倍，并产生数值为1的冗余标识字段R，并执行5e)；
5e)将更新后的多样化数据KMI分割成固定长度为N的若干个数据块KMIB，依次为每个数据块分配一个分片序号A；
5f)根据数据块KMIB中的数据信息，依次产生数据类型字段Y、优先级指示字段P和目的地址字段D；
5g)将4)中的更新指示字段U，与冗余标识字段R、分片序号A、数据类型字段Y、优先级指示字段J及目的地址字段W组合成一个协议头部字段ZH；
5h)将协议头部字段ZH添加到数据块KMIB的首部，得到标准的多样化数据包XMI；
6)将多样化数据包XMI复用进3)中带有时戳标记的空包TSE中，得到多样化的高清视频码流。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于本发明对数据进行了协议封装，得到封装的数据包，根据数据包的头部信息即可正确接收并提取原始数据，克服了现有技术中未对数据进行协议封装，而是直接替换数字视频广播DVB中高清视频码流TS包的连续空字节，导致数据在传输过程中容易丢失，造成数据传输可靠性降低的不足，提高了数据传输的可靠性。
第二，由于本发明在高清视频码流的冗余空包中复用了多样化数据，克服了现有技术中未将有效数据复用进高清视频码流的冗余空包中，浪费传输频带资源的不足，提高了传输频带资源的利用率。
附图说明
图1是本发明面向监控应用的高清视频码流与数据复用***示意图；
图2是图1中的时戳处理模块的示意图；
图3是本发明面向监控应用的高清视频码流与数据复用方法流程图；
图4是图3中封装多样化数据的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明中的技术进行清详细完整的描述。本实施例以本发明的技术为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本实施例提供的一种面向监控应用的高清视频码流与数据复用***，包括：数据封装单元1和数据复用单元2；
所述封装单元1，包括：时戳处理模块11、数据更新缓存模块12和协议封装模块13。其中，时戳处理模块11包括：时戳生成子模块111与时戳添加子模块112，如图2所示。
该时戳生成子模块111，用于生成空包的时戳。由于空包是按时间的先后顺序被检测到的，每个检测时刻对应的时戳是唯一且不重复的，因此时戳可作为空包独有的时间标签。
该时戳添加子模块112，用于将时戳添加到空包。发送端利用添加的时戳以实现对空包的计数，并获知相邻空包的时间间隔，而接收端则可以利用添加的时戳来实现抖动的消除与包数据的重建。
该数据更新缓存模块12，用于更新并缓存数据。由于监控领域内所采集的包含语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息的多样化的数据，都是不断缓慢变化的，因此，需要时时更新以保证实时采集与传输。
该协议封装模块13，用于完成数据封包操作。原始数据在复用进高清视频码流之前，需要按照封装协议封装成数据包。由于数据包的包头字段中含有原始数据的相关指示信息，因此可以提高原始数据的传输效率与传输的可靠性。
所述数据复用单元2包括：空包识别模块21和数据***模块22。
该空包识别模块21，用于识别出高清视频码流中已标记时戳的冗余空包。由于冗余空包在高清视频码流TS中是离散且随机分布的，因此为方便复用操作的进行，需要根据包标识号PID字段重新识别出TS码流中的冗余空包。
该数据***模块22，用于将封包数据复用进高清视频码流的冗余空包中。复用的关键是把封包数据准确地***TS码流中离散随机分布的空包的有效载荷域中，使多样化的数据可借助于TS信道传输，不必单独预留出额外带宽，节省了频带资源，进一步提高了频带利用率。
上述复用***的工作原理如下：
时戳生成子模块111接收外部连续输入的高清视频码流TS，检测高清视频码流TS中的同步字节，确认时钟同步，之后再根据高清视频码流TS中的包标识PID字段识别出冗余的空包，并获取空包的***识别时间，根据高清视频码流的比特传输速率，生成空包的时戳，并将时戳发送给时戳添加子模块112；
时戳添加子模块112接收时戳生成子模块111发送来的时戳后，将时戳添加到空包的包头字段后面，即空包的有效载荷域的首部，得到带有时戳标签的高清视频码流，并将带有时戳标签的高清视频码流发送给空包识别模块21；
空包识别模块21接收时戳添加子模块112发送来的带有时戳标签的高清视频码流后，根据高清视频码流中的包标识号PID字段重新识别出高清视频码流中带有时戳标签的空包，并将带有时戳标签的空包发送给数据***模块22；
数据更新缓存模块12接收外部当前时刻输入的包含语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息的多样化的数据，并与前一时刻存储的数据进行比较，若比较结果相同，则保留前一时刻的数据，反之，则删除前一时刻的数据，缓存当前时刻的数据，得到更新的数据，并将更新的数据发送给协议封装模块13；
协议封装模块13接收数据更新缓存模块12发送来的更新数据，计算数据的字节长度，并将数据分割成若干个大小一致的数据块，再根据每个数据块的信息，按照封装协议的标准生成相应的头部字段信息，并将头部字段信息添加在数据块的首部，得到若干个封装的数据包，最后将这些数据包发送给数据复用单元2中的数据***模块22。
数据***模块22同时接收空包识别模块21发送来的带有时戳标签的空包和协议封装模块13发送来的数据包，并将数据包准确地***到带有时戳标签空包的有效载荷域中，得到复用的高清视频码流。
参照图3，本实施例提供的一种面向监控应用的高清视频码流与数据复用方法，其实现步骤如下：
步骤1，接收TS码流生成时戳TE。
1.1)接收外部输入的高清视频码流TS；
1.2)检测TS码流包中的同步字段：对TS码流中的同步字段每隔188字节检测一次，当检测到同步字段的数值为十六进制的“47”时，表明码流时钟已处于同步状态，无需再次检测同步字节，反之，表明码流的时钟未处于同步状态，需要再次检测同步字节；
1.3)检测TS码流包中的包标识号PID字段：对TS码流中的包标识号PID字段每隔188字节检测一次，当检测到包标识号PID的数值为十六进制的“1FFF”时，表明检测到空包，并缓存该空包，反之，表明检测到非空包，并过滤该非空包；
1.4)将1.3)中检测到的TS码流中的任意一个空包作为第一个空包k1，并将第一个空包k1的检测时间作为k1的检测时刻t1；
1.5)取任意的一个随机数作为第一个空包k1的时戳T1；
1.6)对第一个空包k1之后依次检测到的每一个空包均进行如下操作：
1.6a)取得当前空包kn的检测时刻tn；
1.6b)计算当前空包kn的检测时刻tn与前一个空包kn-1的检测时刻tn-1的差值Δtn：
Δtn＝tn-tn-1；
1.6c)根据给定的高清视频码流TS的比特传输速率f，计算差值时刻Δtn内传输的高清视频码流TS包的个数Nn：
1.6d)计算当前空包kn的时戳Tn：
步骤2，根据时戳Tn获得时戳标记的空包TSE。
将1.6d)中的时戳Tn添加到空包的包头字段后面，即有效载荷域字段的首部，得到带有时戳标记的空包TSE。
步骤3，接收并更新数据MI。
3.1)接收并存储外部输入的数据MI，该数据MI是由语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息组成的多样化数据；
3.2)将当前时刻存储的多样化数据MI与前一时刻存储的多样化数据MI进行比较：若比较结果相同，则保留前一时刻的数据，并产生数值为0的更新指示字段U；反之，则删除前一时刻的数据，缓存当前时刻的数据，得到更新后的多样化数据KMI，并产生数值为1的更新指示字段U。
步骤4，对更新后的多样化数据KMI进行封包操作，得到若干个标准的多样化数据包XMI。
参照图4，本步骤的具体实现如下：
4.1)计算更新后的多样化数据KMI的字节长度L；
4.2)判断字节长度L是否小于空包有效载荷域的长度N：若是，则执行4.4)，否则，执行4.3)；
由于TS码流中任意一个空包均包含4个字节的包头字段与184个字节的载荷域字段，而封装数据所使用的协议有10个字节的协议头部字段，因此，本发明中N的值为载荷域字段与协议头部字段的字节差值，即N取174；
4.3)判断字节长度L是否为有效载荷域长度N的整数倍：若是，则执行4.5)，否则，执行4.4)；
4.4)对于字节长度L小于有效载荷域长度N的数据，在该数据末尾填充N-L个冗余字节，使得填充冗余字节后的数据的字节长度L’恰好为N的整数倍，并产生数值为1的冗余标识字段R，并执行4.5)；
4.5)将更新后的多样化数据KMI分割成固定长度为N的若干个数据块KMIB，依次为每个数据块分配一个分片序号A；
4.6)根据数据块KMIB中的数据信息，依次产生数据类型字段Y、优先级指示字段J和目的地址字段W；其中：数据类型字段的取值如下表1所示，优先级指示字段的取值如下表2所示：
表1数据类型字段取值
数据类型字段取值 传输的数据种类
00 未使用
01 传感数据
10 IP文件
11 传感数据+IP文件
表1中00表示不使用该数据类型字段；01表示在一个数据包内仅传送传感数据，如GPS定位、温度、湿度、工业现场监控传感器采集的监控测试数据；10表示在一个数据包内仅传送IP文件；11表示在一个数据包内可同时传送传感数据与IP文件。
表2优先级指示字段取值
优先级指示字段取值 数据类型与比例
00 不使用此字段
01 传感数据(80％)
10 IP文件(80％)
11 不设置优先级
表2中00表示不使用该优先级指示字段；01表示在一个数据包内要优先传送传感数据，且传感数据传送的总量占整个数据包容量的80％，数据包内剩余的容量用于传送其他类型的数据；10表示在一个数据包内要优先传送IP文件，且IP文件传送的总量占整个数据包容量的80％，数据包内剩余的容量用于传送其他类型的数据；11表示在一个数据包内可以传送任意比例的传感数据与IP文件；
4.7)用上述3.2)中的更新指示字段U、4.4)中的冗余标识字段R、4.5)中的分片序号A与4.6)中的数据类型字段Y、优先级指示字段P、目的地址字段D组合成一个协议头部字段ZH；
4.8)将协议头部字段ZH添加到数据块KMIB的首部，得到标准的多样化数据包XMI。
步骤5，将多样化数据包XMI复用进步骤2中带有时戳标记的空包TSE中，得到多样化的高清视频码流。
本步骤的具体实现如下：
5.1)检测步骤2中带有时戳标记的空包TSE内的全部数据，保留TSE的包头数据，删除TSE的有效载荷域的数据，得到待复用的空包KSE；
5.2)将多样化数据包XMI添加到待复用的空包KSE的有效载荷域中，得到已复用的数据包FSE；
5.3)将已复用的数据包FSE***到高清视频码流中，得到多样化的高清视频码流。
综上所述，本发明实施例在不影响音视频信息正常传输的前提下，通过将包含语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息的多样化的数据封装成数据包，并将数据包复用进高清视频码流的冗余空包中，使多样化的数据可以借助高清视频码流的冗余信道传输，以便充分利用信道的冗余带宽，提高频带利用率和数据传输的可靠性。
以上对本发明实施例所提供的面向监控应用的高清视频码流与数据复用***及方法进行了详细地介绍，本发明中应用具体个例对本发明的原理和实施方式进行细致地阐述。以上实施例的说明仅为本发明较佳的具体实施方式，只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上想到的变化或改变之处，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面向监控应用的高清视频码流与数据复用方法，其特征在于，包括：
1)接收外部输入的高清视频码流TS和由语音、文件、监控测试数据以及其他传感信息组成的多样化数据MI；
2)根据高清视频码流TS包中包标识号PID字段识别出该高清视频码流中随机离散分布的空包，并生成空包的时戳信息TE；
3)将时戳信息TE添加到空包的包头字段后面，得到带有时戳标记的空包TSE；
4)更新多样化的数据MI，即将当前时刻存储的多样化数据MI与前一时刻存储的多样化数据MI进行比较：若比较结果相同，则保留前一时刻的数据，并产生数值为0的更新指示字段U；反之，则删除前一时刻的数据，缓存当前时刻的数据，得到更新后的多样化数据KMI，并产生数值为1的更新指示字段U；
5)对更新后的多样化数据KMI进行封包操作，得到若干个标准的多样化数据包XMI：
5a)计算更新后的多样化数据KMI的字节长度L；
5b)判断字节长度L是否小于空包有效载荷域的长度N＝174：若是，则执行5d)，否则，执行5c)；
5c)判断L是否为N的整数倍：若是，则执行5e)，否则，执行5d)；
5d)对于L小于N的数据，在该数据末尾填充N-L个冗余字节，使得填充冗余字节后的数据的字节长度L’恰好为N的整数倍，并产生数值为1的冗余标识字段R，并执行5e)；
5e)将更新后的多样化数据KMI分割成固定长度为N的若干个数据块KMIB，依次为每个数据块分配一个分片序号A；
5f)根据数据块KMIB中的数据信息，依次产生数据类型字段Y、优先级指示字段P和目的地址字段D；
5g)将4)中的更新指示字段U，与冗余标识字段R、分片序号A、数据类型字段Y、优先级指示字段J及目的地址字段W组合成一个协议头部字段ZH；
5h)将协议头部字段ZH添加到数据块KMIB的首部，得到标准的多样化数据包XMI；
6)将多样化数据包XMI复用进3)中带有时戳标记的空包TSE中，得到多样化的高清视频码流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中生成空包的时戳信息TE，按如下步骤进行：
2a)将检测到高清视频码流TS中的任意一个空包作为第一个空包k1，并将第一个空包k1的检测时间作为k1的检测时刻t1；
2b)取任意的一个随机数作为第一个空包k1的时戳T1；
2c)对第一个空包k1之后依次检测到的每一个空包均进行如下操作：
2c1)取得当前空包kn的检测时刻tn；
2c2)计算当前空包kn的检测时刻tn与前一个空包kn-1的检测时刻tn-1的差值Δtn：
Δtn＝tn-tn-1；
2c3)根据给定的高清视频码流TS的比特传输速率f，计算差值时刻Δtn内传输的高清视频码流TS包的个数Nn：
2c4)计算当前空包kn的时戳Tn：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中将多样化数据包XMI复用进3)中带有时戳标记的空包TSE，按如下步骤进行：
6a)检测带有时戳标记的空包TSE内的全部数据，保留TSE的包头数据，删除TSE的有效载荷域的数据，得到待复用的空包KSE；
6b)将多样化数据包XMI添加到待复用的空包KSE的有效载荷域中，得到已复用的数据包FSE；
6c)将已复用的数据包FSE***到高清视频码流中，得到多样化的高清视频码流。
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