机顶盒实时监测视频I帧间隔时间供前端优化研究
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摘要 伴随数字电视业务的蓬勃发展，机顶盒已成为普通家庭用户主要娱乐终端设备。广播电视网逐步实现了产品化，网络话，数字化，市场发展前景广阔。用户数量增多带来的各种投诉居高不下，其中，机顶盒换台速度慢占比较大。对此，加强机顶盒快速换台研究，提升机顶盒换台速度已成为相关工程师研究与关注的重点。基于此，在数字电视原理分析与实践工作经验总结的基础上，从机顶盒快速换台展现音视频内容入手，就机顶盒实时监测视频I帧间隔时间供前端优化音视频流数据进行了研究与分析，以供相关专业技术人员参考。
【关键词】机顶盒 I帧间隔 换台速度
“机顶盒”是数字视频变换盒（SetTopBox）的简称，是实现数字音视频信号在电视上展示的关键设备。机顶盒的功能已从一个多频率的调谐器和解码器跃升为大量电影、多媒体事件、新闻等联机数据库的一个控制终端。随着数字电视、机顶盒的普及，和设备日趋复杂，以及加密节目的因素，用传统的工具已经无法分析出用户端节目的I帧间隔，给运营商通过调整播出节目的I帧时间间隔，进而调整用户端节目换台时间过长问题，造成了很大的麻烦。如果运营商能根据I帧时间间隔的检测结果，对I帧过长的节目进行处理，减少I帧的间隔时间，则就可以从本质上提高换台速度。这也是本文研究的主要目标所在。
1 合理设置视频I帧时间间隔的重要性
数字电视机顶盒的换台时间，与遥控器响应时间、高频头锁定时间、ECM获取时间、设置解扰字的时间，运营商节目播出的I帧时间间隔密切相关。
MPEG图像是由I帧，B帧，P帧组成，其中I帧是一个全帧压缩编码帧，解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像，I帧不需要参考其他画面可直接构建完整图像，I帧是P帧和B帧的参考帧，I帧是帧组GOP的基础帧。P帧是以I帧为参考帧，在I帧中找出P帧某像素的预测值和运动矢量，取预测差值和运动矢量一起传送。在接收端根据运动矢量从I帧中找出P帧某像素的预测值并与差值相加以得到P帧某像素样值，从而可得到完整的P帧。B帧以前面的I或P帧和后面的P帧为参考帧，找出B帧某像素的预测值和两个运动矢量，并取预测差值和运动矢量传送。接收端根据运动矢量在两个参考帧中算出预测值并与差值求和，得到B帧某像素样值，从而可得到完整的B帧。
I帧和P帧的解码算法比较简单，资源占用也比较少，I帧只要自己就能完成解碼，P帧也只需要解码器把前一个画面缓存一下，遇到P时就使用之前缓存的画面就好了，如果视频流只有I和P，解码器可以不管后面的数据，边读边解码，线性前进，大家很舒服，但占用的空间很大，不适合网络实时传输视频流。
通过网络传输的视频大都都采用了B帧，因为B帧记录的是前后帧的差别，比P帧能节约更多的空间。但这样一来，文件小了，缓解了网络传输压力，解码器任务就重了，因为在解码时，不仅要用之前缓存的画面，还要知道下一个I帧或者P帧的画面，通俗的说就是要预读预解码，而且，B帧不能简单地丢掉，因为B帧其实也包含了画面信息，如果简单丢掉，并用之前的画面简单重复，就会造成画面丢帧，并且由于网络传输的视频为了节约空间，往往使用相当多的B帧，B帧用的多，如果I帧间隔设置不合理，换台速度就会出现较大波动。
I帧的压缩率约为7，P帧的压缩率约为20，B帧的压缩率可以达到50左右，可见使用B帧能节省大量空间，节省出来的空间可以用来保存多一些I帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质，可见合理设置I帧的重要性。
从多年的数字电视实践经验去分析，I帧时间间隔过长是影响机顶盒换台速度的重要原因之一。运营商视频节目来源不同，I帧的间隔时间可能就存在差异，实际播放过程中导致个别节目换台时间较长，用户投诉较多。目前传输的数字电视节目已加密节目为主，用传统的工具已经无法分析出用户端节目的I帧间隔，给运营商通过调整播出节目的I帧时间间隔，进而优化用户端节目换台时间过长问题，造成了很大的麻烦。如果运营商能根据I帧时间间隔的检测结果，对I帧过长的节目进行处理，减少I帧的间隔时间，则就可以从本质上提高换台速度。
2 机顶盒提供实时监测视频I帧间隔时间技术
机顶盒每次换台的时候，当第一帧I帧芯片解码出来的时候，就开始计数和计时，然后每次检测到I帧，则增加计数，同时统计I帧间隔时间。
机顶盒在切换到新的节目时候，首先视频解码器会从锁定的TS码流中寻找，首先找到的I帧参考点，首先找到的这个I帧参考点就是第一个I帧。当视频解码器把I帧数据解码还原成图像后，准备呈现给用户的时候。这个时候就是I帧的起始点时间。我们称为开始基准时间点T0。然后找到第二个I帧数据解码成图像后，我们称为T1时间点，第三个I帧称为T2时间点，第四个I帧称为T3时间点，依次类推我们可以得到T4，T5，T6，T7......这些I帧时间点。相邻两个I帧时间点Tn+1与Tn的时间间隔就称为相邻I帧的间隔时间Dn。
我们把相邻两个I帧的时间间隔最大的Dn称为I帧最大间隔时间，相邻两个I帧的时间间隔最小的Dn称为I帧的最小间隔时间。那么I帧平均间隔时间=（Tn–T0）/n。机顶盒通过技术手段呈现这些内容。例如把统计出来的I帧平均时间间隔、最大时间间隔和最小时间间隔时间通过特定菜单呈现给运维人员，或者通过特定的回传通道传输给统计服务器，供相关专业技术人员分析使用。
3 结论
总之，无论是DVB机顶盒还是IP网络机顶盒，运用本文所述技术方法，数字电视终端能准确的检测运营商加密节目的I帧间隔，解决了常规软件分析不了加密节目的I帧间隔问题，为运营商提供了一个实时监控每个节目的I帧间隔时间的机顶盒解决方案。此方案仅通过优化软件即可完成，不增加硬件成本。如果用户反馈节目换台时间异常，节目运营商可获取用户反馈的指定节目的I帧时间间隔的数据，如果是因为I帧间隔导致的换台时间异常，可以在节目播出端，对节目进行更加合理的优化处理，确保播出节目的I帧间隔合理，提高节目的流畅性和提高终端机顶盒换台的速度，给用户更加好的体验。为有线电视终端事业稳定与可持续竞争发展提供技术支撑，奠定良好基础，促进用户和运营商关系良性发展。
参考文献
[1]王进.视频流媒体的数据结构中IBP帧的格式解析[J].中国科技成果，2016，17（11）：38-40.
[2]黄海驰.数字电视机顶盒的基本原理、技术及构成探讨[J].价值工程，2010，29（24）.
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