基于DirectShow的衛(wèi)星電視多路節(jié)目播放技術(shù)

摘要：首先對MPEG-2系統(tǒng)層協(xié)議進行剖析,然后介紹了DirectShow的應用領(lǐng)域和技術(shù)要點，最后提出了一種基于DirectShow的多路視音頻播放技術(shù)，并給出了主要模塊的設計方案，以及DirectShow鏈路死鎖問題的解決方法。這種方法應用于多路電視節(jié)目的實時播放和節(jié)目素材的收集與整理之中，較傳統(tǒng)的單路節(jié)目播放和采集節(jié)約了硬件成本提高了工作效率。
關(guān)鍵字：DVB-S,DirectShow，MPEG-2，解復用

1 引言

DVB（數(shù)字視頻廣播，Digital Video Broadcasting）是歐洲標準組織提出的電視廣播體系。目前我國已經(jīng)上星的多家省級電視臺均采用了其中的DVB-S（DVB衛(wèi)星傳播）標準。DVB-S的信號傳輸屬于典型的多路單載波（MCPC）模型，每個載波可以承載多路各不相同的電視節(jié)目。傳統(tǒng)采用數(shù)字衛(wèi)星接收系統(tǒng)，只能對DVB-S信號中的某一路節(jié)目進行播放和采集。本文提出了一種在通用接收機條件下基于DirectShow技術(shù)的對DVB-S傳輸流進行解復用，提取并播放其中的多路視頻節(jié)目的設計方案，實現(xiàn)了單監(jiān)視器條件下對多路電視節(jié)目的播放。同時本文所討論的技術(shù)對節(jié)目素材收集、網(wǎng)絡視頻點播以及硬盤錄像機等多媒體應用具有重要的借鑒意義。無線SOC開發(fā)平臺499元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開2 MPEG-2系統(tǒng)層協(xié)議剖析

DVB-S采用MPEG-2作為復用傳輸和視頻編碼協(xié)議。MPEG-2標準（ISO/IEC 13818）是運動圖像專家組MPEG（Moving Picture Experts Group）于1994年推出的編碼標準。運用MPEG-2壓縮技術(shù)既可以獲得比較好的壓縮效果，又能夠保持高清晰度的活動圖像，因此MPEG-2廣泛應用于數(shù)字視頻廣播和數(shù)字多媒體領(lǐng)域。

MPEG-2協(xié)議主要分為系統(tǒng)、視頻和音頻三個部分。MPEG-2的系統(tǒng)層協(xié)議描述了多路數(shù)據(jù)的復用方式，并規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷健?/P>

2.1  傳輸流結(jié)構(gòu)

MPEG-2系統(tǒng)層定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：傳輸流（TS，Transport Stream）和節(jié)目流（PS，Program Stream）。前者是針對那些容易發(fā)生錯誤的環(huán)境而設計，例如通過衛(wèi)星信道進行傳輸?shù)腄VB-S，后者則是針對錯誤較少的環(huán)境而設計，例如DVD光盤等。傳輸流是一種面向分組的多路復用流：基本數(shù)據(jù)流（ES）進行打包成為PES，再經(jīng)系統(tǒng)復用生成TS數(shù)據(jù)，最后打包成固定幀長（188字節(jié)）的TS包進行傳輸。每一個TS包只包含一種ES（壓縮視頻、音頻，或IP數(shù)據(jù)等）。系統(tǒng)層使用一個13比特值作為每個包的標識符，稱為PID。在一道傳輸流中PID與ES是一一對映的關(guān)系。TS包的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

2.2       PSI信息和PID映射關(guān)系

PSI（節(jié)目詳細信息，Program Specific Information）包含了多路節(jié)目的復用信息，它是解復用操作的依據(jù)。PSI包括節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）、節(jié)目映射表（PMT）、網(wǎng)絡信息表（NIT）以及條件訪問表（CAT）等。

PAT的PID固定的為0x0000，它定義了傳輸流中特定序號的節(jié)目與相關(guān)的傳輸流分組的對應關(guān)系。PMT提供了節(jié)目號碼與組成節(jié)目的ES PID的映射關(guān)系。NIT屬于私有分段，通常包括用戶選擇的服務、通道頻率等映射以及該路節(jié)目的供應商和節(jié)目名稱等信息。NIT的PID系統(tǒng)層未作限定，因此理論上任何有效的PID值都可能作為NIT的PID。CAT的PID固定為0x0001，它出現(xiàn)在傳輸流中有加密數(shù)據(jù)的情況下。CAT描述了條件訪問系統(tǒng)的類型，和其它用戶私有信息。

3 DirectShow簡介

DirectShow是微軟公司DirectX框架的一部分。DirectShow的實現(xiàn)是基于COM（組件對象模型）的，因此具有良好的可開發(fā)性和可復用性。

DirectShow側(cè)重于多媒體數(shù)據(jù)的處理。多媒體數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、音像同步要求苛刻、媒體格式眾多等特點。DirectShow框架提供了對顯卡和聲卡等硬件的完整封裝，開發(fā)者可以不必考慮硬件的工作原理以及驅(qū)動編程的具體實現(xiàn)細節(jié)。另一方面，DirectShow組件之間的相對獨立性使開發(fā)者可以專注于處理算法的實現(xiàn)而無需過多考慮組件之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，因此開發(fā)者通過編寫相對簡潔的代碼便可高效地完成較為復雜的多媒體處理。

3.1 Filter鏈路

Filter是DirectShow中最基本的組成部分，它是完成某個特定功能的COM組件。Filter依次連接起來，構(gòu)成了Filter鏈路。DirectShow通過一個稱為Filter Graph Manager（鏈路圖管理器）的COM對象管理整個Filter鏈路。應用程序通過Filter Graph Manager來對鏈路的狀態(tài)進行控制，如播放、暫?；蛲Ｖ沟?。按照功能，F(xiàn)ilter可以分為Source Filter、Transform Filter、Rendering Filter三種類型。

Source Filter用于獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以來自文件也可以是實時的數(shù)據(jù)源如網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集卡等。

Transform Filter接收Source Filter傳送來的數(shù)據(jù)，對其進行處理，比如解復用操作、音像數(shù)據(jù)的分離或編碼/解碼等。

Rendering Filter的主要功能是將數(shù)據(jù)送往顯卡、聲卡進行多媒體演示或者輸出到文件進行存儲。

3.2       工作模式

DirectShow框架定義了兩種工作模式：推模式（Push Mode）和拉模式（Pull Mode）。

推模式下，數(shù)據(jù)被Source Filter主動推向與其相連的Transform Filter，后者再將處理過的數(shù)據(jù)推向下行Filter。推模式通常使用在實時數(shù)據(jù)情況下。對于實時數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)傳輸速率可能不是恒定的（例如網(wǎng)絡媒體傳輸、視頻采集卡等），因此采用推模式Source Filter可以根據(jù)數(shù)據(jù)源的實際狀況決定如何將數(shù)據(jù)傳給下行Filter。

拉模式下Source Filter被動的提供數(shù)據(jù)，與其相連的Transform Filter創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)線程主動的向Source Filter索取數(shù)據(jù)，有一個“拉”的過程。工作在拉模式的Filter一般采用異步讀取數(shù)據(jù)的方式。拉模式通常應用于本地文件播放以及媒體編輯等。

4          設計方案

4.1       原理及流程

衛(wèi)星信號經(jīng)天線接收、放大、變頻后以中頻信號的形式送入通用接收機。通用接收機對信號進行解調(diào)和信道編碼的解碼。輸出的傳輸流數(shù)據(jù)流，首先經(jīng)過PSI分析得到完整的PID映射關(guān)系，然后根據(jù)節(jié)目關(guān)聯(lián)表信息將其中的視音頻數(shù)據(jù)分離送往解碼器，最終在顯示終端上播放。工作流程如圖2所示。

圖2

從數(shù)據(jù)采集、分離到顯示，可以在一條Filter鏈路上實現(xiàn)：Source Filter獲得接收機輸出的傳輸流數(shù)據(jù)；解復用Filter實現(xiàn)分析PSI、解復用功能，并將視頻和音頻數(shù)據(jù)送往解碼器Filter。

完整的Filter鏈路圖如圖3所示。

圖3

圖中每一個方框表示一個Filter。Source Filter沒有輸入并且只有一個輸出。與之相連的是解復用Filter，它有一個輸入和多個視頻、音頻輸出。視頻數(shù)據(jù)被送往MPEG-2解碼器Filter，音頻數(shù)據(jù)送往音頻解碼器Filter。解碼器的輸出連接到了Render Filter。

4.2       Filter工作模式的選擇

處理微機通過高速數(shù)據(jù)采集卡獲得通用接收機的輸出，因此對于Filter鏈路來說，數(shù)據(jù)源是一種實時源。所以選擇推模式作為整個Filter鏈路的工作模式。

5          主要模塊的設計和實現(xiàn)難點

5.1       Source Filter

Source Filter封裝了采集卡的接口函數(shù)，采用雙緩沖工作方式，通過輪詢察看緩沖區(qū)是否已滿。當緩沖區(qū)滿時將數(shù)據(jù)送往與之相連的解復用Filter。

5.2       解復用Filter

解復用Filter是整個Filter鏈路的核心部分。它的功能是分析傳輸流的PSI，建立完整的PDI映射關(guān)系；然后從傳輸流中分離出每路節(jié)目的視頻和音頻數(shù)據(jù)，將它們送往相應的視頻和音頻解碼器，同時接收應用程序的控制信息。解復用Filter對每一個傳輸流包的處理過程如圖4所示。

圖4

5.3 解決鏈路死鎖問題

Filter鏈路通常需要一個傳輸線程。在推模式下，傳輸線程通常由Source Filter創(chuàng)建，數(shù)據(jù)被線程推向解復用Filter，經(jīng)處理生成的視頻和音頻數(shù)據(jù)被送往解碼器，最后在終端上播放出來。整個過程都在單線程內(nèi)完成。

在多路輸出情況下，一般的推模式單線程模型將會導致鏈路死鎖。解決死鎖問題的關(guān)鍵是為每一路視頻或音頻輸出創(chuàng)建專門的傳輸線程，并且線程的創(chuàng)建應該在解復用Filter內(nèi)完成而不是在Source Filter內(nèi)（因為Source Filter只有一個傳輸流輸出）。

在DirectShow SDK中，可以通過使用COutputQueue對象來實現(xiàn)多線程傳輸，最終解決死鎖問題。方法是在解復用Filter中聲明一個COutputQueue對象，在每次啟動傳輸時調(diào)用COutputQueue的Receive（IMediaSample* pSample）函數(shù)。此時對象會自動生成一個傳輸線程，并將其加入到自身的線程隊列中，當線程完成時將其從隊列中清除。

5.3       Video Mixing Renderer9

Video Mixing Renderer9（VMR9）是DirectX9新添加的組件。它使用了Direct3D9技術(shù)，充分利用了顯卡專有的圖形處理能力，并且在做視頻的合成和顯示時不占用系統(tǒng)CPU資源。使用VMR9可以高效的完成多路視頻的播放。如果使用傳統(tǒng)的Video Render Filter，在多視頻顯示條件下，必須為鏈路添加多個Render Filter。而VMR9最多接收十六個視頻輸入，在多路播放時可以將每一路視頻設置在窗口的不同區(qū)域來顯示，還能夠?qū)崿F(xiàn)多個視頻或圖片的疊加，例如在節(jié)目中加入動態(tài)字幕或臺標。

6          實驗結(jié)果

PC機配置

l         操作系統(tǒng)：Windows2000 Professional

l         CPU：P4 2.4GHz

l         內(nèi)存1G Byte

l         顯卡：主板集成，顯存128M Byte

信號參數(shù)：

l         衛(wèi)星參數(shù)：泛美8號，166°E

l         極化方式：垂直

l         下行頻率：3836MHz

l         符碼率：22000波特

l         節(jié)目提供商：TVBS

l         頻道數(shù)目：9（加密頻道數(shù)目6，非加密頻道數(shù)目3）

圖5是顯示界面，圖中正在播放三路非加密節(jié)目。

圖5

7          結(jié)束語

本文作者的創(chuàng)新點：使用DirectShow技術(shù)，結(jié)合通用接收機，解決了數(shù)字衛(wèi)星接收單監(jiān)視器系統(tǒng)無法播放多路節(jié)目的問題，降低了硬件成本，對于非專業(yè)條件下的多媒體節(jié)目的播放（監(jiān)控）和素材的收集具有實用價值。另一方面，使用DirectShow還可以實現(xiàn)其它的功能，例如使用DES（DirectShow Editing Services）可以實現(xiàn)對多媒體文件的非線性編輯等。理論上還可以將本文的設計應用在網(wǎng)絡環(huán)境中：網(wǎng)絡客戶端可以通過PSI信息，選擇播放或錄制感興趣的電視節(jié)目從而實現(xiàn)網(wǎng)絡視頻點播功能。

參考文獻

1、    ISO/IEC 13818-1（MPEG-2 System），ISO/IEC 13818-2（MPEG-2 Video），ISO/IEC 13818-3（MPEG-2 Audio）
2、    Microsoft, DirectX 9.0 Programmer's Reference，2002。
3、    陸其明，DirectShow開發(fā)指南，清華大學出版社，2003
4、    史京玲，劉旺開，白濤.VC環(huán)境下監(jiān)控軟件流程圖界面的開發(fā).微計算機信息，2004年20卷第4期