Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital que comprende un sistema de control (1) que gestiona la generación canales sintéticos de televisión digital (41);

un cluster de generación de vídeo sintético (2) que genera fotogramas y los codifica a vídeo digital en tiempo real a partir de las órdenes (21) recibidas del módulo de cliente (4), encapsula los fotogramas y transmite el flujo elemental de vídeo codificado (23) obtenido a una plataforma de distribución de televisión (3); la plataforma de distribución de televisión (3) que recibe y transforma el flujo elemental de vídeo codificado (23) al medio físico de difusión que utilizan los canales sintéticos de televisión digital (41) en su comunicación con el módulo de cliente (4); un módulo de cliente (4) que interacciona con el usuario enviando órdenes (21) al sistema y recibe y descodifica los canales sintéticos de televisión digital (41).

Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las comunicaciones digitales.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La mayoría de los terminales de la televisión digital (set-top boxes) incorporan hardware especializado para la descodificación de flujos de vídeo. No obstante, su potencia de cálculo resulta escasa para otras tareas, debido a los requisitos de diseño (bajo coste, reducido consumo de energía, etc.) . Por otro lado, los usuarios se han familiarizado con aplicaciones que se basan en visualizaciones complejas, como la creación de escenas sintéticas de mundos virtuales usando aceleración 2D/3D; estas aplicaciones no parecen viables en entornos reales de televisión digital: el aumento de las capacidades de los terminales para abordar estas exigencias en términos de potencia de procesamiento gráfico parece inabordable debido a su coste.

Una solución trivial comprendería el uso de un codificador hardware para codificar la salida de vídeo digital (como DVI, HDMI o SDI) de un ordenador que ejecuta una aplicación de visualización compleja. Sin embargo, esta solución ni escala adecuadamente ni es efectiva en coste, teniendo en cuenta la orientación del servicio para miles de usuarios concurrentes.

Una de las alternativas para mitigar este problema es utilizar la potencia de computación de la CPU (Central Processing Unit) de los ordenadores modernos para llevar a cabo tanto la ejecución de la aplicación (generación de cada fotograma descomprimido) como la codificación mediante software de estos fotogramas en tiempo real. En este caso, la escalabilidad puede lograrse mediante la distribución de la ejecución de la aplicación y la codificación software en un cluster de ordenadores, siempre que los servicios individuales sean (y la mayoría de las veces lo son) independientes entre sí. A pesar de que esta solución de codificación software permite que cada nodo sea capaz de ejecutar y codificar varias aplicaciones simultáneamente, la capacidad de la CPU es un cuello de botella debido al hecho de que la codificación en tiempo real es una operación costosa en términos de recursos computacionales, así como también lo son las aplicaciones que generan complejos contenidos interactivos sintéticos.

Es por tanto deseable un sistema que resuelva los problemas y las limitaciones de lo existente en el estado de la técnica.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención es la generación de múltiples vídeos sintéticos en tiempo real (incluidos los contenidos en alta definición, 1080p o superiores) , su codificación y adecuación al formato utilizado por los terminales de usuario de la red de televisión digital para dar servicio a numerosos usuarios, además de la reducción del coste por canal.

Para ello, la presente invención genera secuencias de vídeo sintético y las entrega utilizando la red de televisión digital a los terminales de usuario en un formato adecuado (vídeo digital, normalmente MPEG-2 o H.264) encapsulados en flujos de transporte MPEG (según norma ISO/IEC 13818-1) o RTP (según norma IETF RFC 3550) . El terminal recibe estos contenidos y los descodifica de forma análoga a cómo lo haría con cualquier otro canal de difusión de contenidos o vídeo bajo demanda. Es decir, el sistema desarrollado en esta invención está concebido para funcionar de forma transparente con los terminales disponibles actualmente por los usuarios de TV digital.

El sistema propuesto comprende cuatro grandes bloques:

a) Sistema de Control b) Cluster de Generación de Vídeo Sintético c) Plataforma de Distribución de Televisión d) Módulo de cliente a) Sistema de Control El Sistema de Control comprende los siguientes componentes:

a.1) Frontal de Admisión El Frontal de Admisión está a cargo de recibir las solicitudes de nuevos servicios o de reconexiones desde el lado cliente en un protocolo de transporte específico (por ejemplo, XML sobre HTTP) , transformar las peticiones al formato de comunicaciones interno manejado por el Sistema de Control y encaminarlas al Gestor de Admisión.

Entre la información suministrada al Frontal de Admisión figura la identidad del cliente (por ejemplo, su dirección física en la red del operador) y el servicio solicitado (por ejemplo, una aplicación concreta) .

Constituye una capa de abstracción que desacopla el Cliente del Sistema de Control, posibilitando la utilización de distintos protocolos y mecanismos de transporte sin afectar al resto del sistema.

a.2) Gestor de Admisión El Gestor de Admisión está a cargo de gestionar las peticiones de nuevos canales sintéticos de televisión digital o de reconexiones utilizando el protocolo de comunicaciones interno del Sistema de Control. Para ello, el Gestor de Admisión se comunica con: (i) el Gestor de Autorización y Contabilización, para comprobar que el cliente tiene acceso al canal sintético de televisión digital solicitado y registrar su uso para su contabilización y posterior facturación; (ii) el Gestor de Recursos, para reservar los recursos necesarios para servir la aplicación especificada por el cliente; (iii) el Gestor de Sesiones, para crear una nueva sesión para el cliente con la asignación de recursos reservados o para localizar una sesión previamente creada en un intento de reconexión.

a.3) Gestor de Autorización y Contabilización El Gestor de Autorización y Contabilización está a cargo de la autenticación y autorización del usuario, en base a unos criterios previamente definidos (por ejemplo, asociaciones entre clientes y servicios autorizados) y el registro de nuevos servicios autorizados y denegados.

a.4) Gestor de Recursos El Gestor de Recursos está a cargo de la gestión de los recursos necesarios para la creación de un nuevo canal sintético de televisión digital. Los recursos se dividen en dos grupos: (i) Canales (Cn) , representando un canal de televisión concreto utilizado por la Plataforma de Distribución de Televisión (por ejemplo, una determinada frecuencia en el espectro) más toda la información necesaria para asociar el canal de televisión concreto con el Cluster de Generación de Vídeo Sintético (por ejemplo, dirección UDP a la que se envía el vídeo IP asociado a un canal de televisión concreto) , y (ii) Unidades de Proceso (UPn) , representando todos los recursos computacionales necesarios para ejecutar la aplicación (un valor multidimensional que incluye capacidad de CPU, GPU y memoria) .

a.5) Gestor de Sesiones El Gestor de Sesiones está a cargo de lanzar y supervisar la Aplicación de Generación de Vídeo Sintético (AGVS) , y de liberar adecuadamente los recursos asignados a la misma cuando ésta finaliza (de forma normal o anormal) su ejecución.

Uno de los recursos necesarios es la ubicación física en la que se ejecutará la aplicación concreta.

El flujo de admisión de un nuevo servicio es el siguiente:

1. Un cliente lanzadera solicita la creación de un nuevo servicio al Frontal de Admisión, proporcionando su identidad y la aplicación concreta a lanzar.

2. El Frontal de Admisión convierte la petición realizada en el punto anterior al formato de comunicaciones interno del Sistema de Control y redirige la petición al Gestor de Admisión.

3. El Gestor de Admisión solicita autorización al Gestor de Autorización y Contabilización.

4. El Gestor de Autorización y Contabilización comprueba que el usuario tiene acceso en ese momento a la aplicación solicitada y registra su decisión.

5. Si el Gestor de Autorización y Contabilización no autoriza el servicio solicitado por el cliente, el Gestor de Admisión prepara una respuesta negativa para la petición. Saltar a 11.

5. El Gestor de Admisión solicita al Gestor de Recursos los recursos necesarios para lanzar la aplicación.

6. El Gestor de Recursos comprueba que todos los recursos necesarios para la ejecución del servicio estén disponibles, en cuyo caso los reserva y los devuelve como parte de una respuesta afirmativa. Si no están disponibles, el Gestor de Recursos deniega la petición sin bloquear ningún recurso.

7. Si el Gestor de Recursos deniega la petición por imposibilidad de reservar los recursos necesarios, el Gestor de Admisión prepara una respuesta negativa para la petición. Saltar a 11.

8. El Gestor de Admisión solicita al Gestor de Sesiones que lance una Aplicación de Generación de Vídeo Sintético (AGVS) concreta con los recursos reservados.

9....

1. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital caracterizado porque comprende:

• un sistema de control (1) configurado para gestionar la generación de canales sintéticos de televisión digital (41) y los recursos asociados a la generación de dichos canales sintéticos (41) ;

• un cluster de generación de vídeo sintético (2) configurado para, mediante al menos una unidad de procesamiento gráfico, generar fotogramas y codificar dichos fotogramas a vídeo digital en tiempo real a partir de una pluralidad de órdenes (21) recibidas del módulo de cliente (4) , encapsular los fotogramas codificados y transmitir el flujo elemental de vídeo codificado (23) obtenido a una plataforma de distribución de televisión (3) ;

• la plataforma de distribución de televisión (3) configurada para recibir y transformar el flujo elemental de video codificado (23) al medio físico de difusión que utilizan los canales sintéticos de televisión digital (41) en la comunicación de la plataforma de distribución de televisión (3) con el modulo de cliente (4) ;

• un módulo de cliente (4) configurado para interaccionar con el usuario del sistema enviando órdenes (21) al sistema, comprendiendo dichas órdenes el envío de solicitudes de nuevos canales sintéticos de televisión digital (41) , y recibir y descodificar los canales sintéticos de televisión digital (41) entregados por la plataforma de distribución de televisión (3) .

2. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de control (1) comprende:

• un frontal de admisión (5) que recibe solicitudes de nuevos canales sintéticos de televisión digital

(41) y reconexiones procedentes del módulo del cliente (4) , transforma dichas solicitudes al formato de comunicaciones interno previamente establecido y las encamina al gestor de admisión (6) ;

• un gestor de admisión (6) que gestiona las solicitudes que recibe del frontal de admisión (5) y se comunica con un gestor de autorización y contabilización (7) para comprobar que el cliente tiene acceso al canal (41) solicitado y registra el uso de este canal (41) para su posterior contabilización, con un gestor de recursos (8) para reservar los recursos necesarios para servir la aplicación especificada por el cliente, y con un gestor de sesiones (9) para crear una nueva sesión para el cliente con la asignación de recursos reservados y para localizar una sesión previamente creada en una reconexión;

• un gestor de autorización y contabilización (7) que autentica y autoriza al usuario, a partir de unos criterios predefinidos, y registra los accesos autorizados y denegados;

• un gestor de recursos (8) que gestiona la disponibilidad y asignación de recursos para la creación de un nuevo canal (41) ;

• un gestor de sesiones (9) que lanza y supervisa una aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) encargada de generar, por cada sesión (35) que establece, los fotogramas en función de las órdenes (21) recibidas del módulo de cliente (4) , transformar en un flujo de vídeo digital a utilizar por la plataforma de distribución de televisión (3) , y liberar los recursos asignados a dicha aplicación (AGVS) cuando ésta finaliza su ejecución.

3. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según la reivindicación 2, caracterizado porque las solicitudes que recibe el frontal de admisión (5) comprenden la identidad del cliente y el identificador de la aplicación que generará el canal sintético de televisión digital (41) solicitado.

4. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, caracterizado porque los recursos gestionados por el gestor de recursos (8) comprenden asociaciones (33) entre un canal sintético de televisión digital (41) y un canal de comunicaciones AGVS-plataforma de distribución de televisión (39) en el que se entrega el flujo de vídeo digital a la plataforma de distribución de televisión (3) , y, unidades de proceso (34) encargadas de generar y codificar en tiempo real los flujos de vídeo procedentes de una pluralidad de órdenes (21) recibidas del módulo de cliente (4) .

5. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cluster de generación de vídeo sintético (2) comprende una pluralidad de nodos de proceso (N) interconectados entre sí, con el sistema de control (1)

y con la plataforma de distribución de televisión (3) donde en cada uno de los nodos de proceso (N) se ejecuta una aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) por cada sesión (35) activa del nodo de proceso (N) , comprendiendo cada aplicación (AGVS) :

• un controlador de interacción con el sistema de control (12) que gestiona las comunicaciones entre el gestor de sesiones (9) y la aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) ;

• un controlador de puerto de comunicación con el cliente (13) que gestiona las comunicaciones con el cliente de vídeo sintético (20) , encargado de la descodificación y visualización del vídeo generado por el cluster de generación de vídeo sintético (2) distribuido a través de la plataforma de distribución de televisión (3) , y del envío de órdenes de usuario (21) a un módulo de lógica específica de la aplicación de generación de vídeo sintético (15) , encargado de definir las órdenes de dibujado (22) para la generación de cada uno de los fotogramas (40) del vídeo;

• un encapsulador de flujos de vídeo (14) que empaqueta los flujos elementales de vídeo codificado (23) codificados por un codificador de video (17) y los envía por el canal de comunicación AGVS-plataforma de distribución de televisión (39) a la plataforma de distribución de televisión (3) ;

• un módulo de lógica específica de la aplicación de generación de vídeo sintético (15) que define y envía en tiempo real las órdenes de dibujado (22) al renderizador de fotogramas (16) a partir de las órdenes de usuario (21) recibidas del controlador de puerto de comunicación con el cliente (13) ;

• un renderizador de fotogramas (16) que recibe las órdenes de dibujado (22) proporcionadas por el módulo de lógica específica de la aplicación de generación de vídeo sintético (15) y genera en tiempo real los fotogramas (40) que conformarán el canal de televisión sintético digital (41) ;

• un codificador de vídeo (17) que recibe los fotogramas (40) y los vectores de movimiento por píxel (24) generados por el renderizador de fotogramas (16) , genera los flujos elementales de vídeo codificado (23) con el formato preestablecido y envía dichos flujos elementales (23) a la plataforma de distribución de televisión (3) .

6. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según la reivindicación 5, caracterizado porque los nodos de proceso (N) comprenden al menos una unidad de proceso central y al menos una unidad de procesamiento gráfico.

7. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado porque el controlador de puerto de comunicación con el cliente (13) define un canal de comunicación AGVS-CVS (38) sobre el que difundir órdenes del cliente de vídeo sintético (20) a la aplicación de generación de vídeo sintético (15) y eventos desde la aplicación de generación de vídeo sintético (15) al cliente de vídeo sintético (20) .

8. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 5-7, caracterizado porque el envío de las órdenes de dibujado (22) del módulo de lógica específica de la aplicación de generación de vídeo sintético (15) al renderizador de fotogramas (16) emplea una API gráfica de bajo nivel.

9. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 5-8, caracterizado porque el codificador de vídeo (17) comprende:

• un codificador de bloques (18) configurado para codificar en tiempo real bloques de píxeles de los fotogramas (40) generados por el renderizador de fotogramas (16) en la unidad de procesamiento gráfico comprendiendo:

- dividir, cada fotograma (40) que recibe del renderizador de fotogramas (16) , en los bloques de nxn píxeles que establezca el estándar de vídeo prefijado;

para cada bloque de nxn píxeles:

- convertir (26) los bloques del espacio RGB al espacio YUV;

- aplicar la transformada discreta del coseno (27) ;

- cuantizar (28) los coeficientes obtenidos tras la transformada discreta del coseno (27) ;

- reordenar (29) los coeficientes cuantizados comprendiendo la determinación de las repeticiones de los coeficientes reordenados;

- codificar (25) los pares formados por los coeficientes reordenados y las repeticiones de los mismos mediante el algoritmo de codificación prefijado por el estándar de video seleccionado;

- almacenar en una memoria de la unidad de procesamiento gráfico la codificación anterior;

• un compositor de fotogramas (19) ubicado en la unidad de proceso central que recibe, para cada bloque de nxn píxeles, los flujos de bits generados por el codificador de bloques (18) , los ensambla añadiéndoles una cabecera predefinida y formando el flujo elemental de vídeo codificado (23) que envía al encapsulador de flujos de vídeo (14) .

10. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 5 y 9, caracterizado porque, si los fotogramas (40) se codifican de forma predictiva, el renderizador de fotogramas (16) está configurado para calcular los vectores de movimiento por píxel (24) y para almacenar en un buffer de memoria de la unidad de procesamiento gráfico dichos vectores de movimiento por píxel (24) .

11. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según la reivindicación 10, caracterizado porque, si los fotogramas (40) se codifican de forma predictiva, el renderizador de fotogramas (16) comprende en el cálculo de los vectores de movimiento por píxel (24) , calcular un vector de movimiento por cada vértice de cada objeto presente en el fotograma e interpolar dichos vectores de movimiento por vértice para todos los píxeles de los objetos presentes en el fotograma.

12. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque, si los fotogramas (40) se codifican de forma predictiva, el codificador de bloques (18) está configurado para realizar en la unidad de procesamiento gráfico:

- dividir cada fotograma (40) que recibe del renderizador de fotogramas (16) , en los bloques de nxn píxeles que establezca el estándar de vídeo prefijado;

para cada bloque de nxn píxeles:

- convertir (26) los bloques del espacio RGB al espacio YUV;

- obtener los vectores de movimiento por bloque (42) de píxeles convolucionando los vectores de movimiento por píxel (24) ;

- realizar la compensación de movimiento (37) aplicando los vectores de movimiento por bloque

(42) al fotograma anterior (43) ;

- calcular la diferencia entre los píxeles (44) del fotograma actual convertidos al espacio YUV (26) y los píxeles del fotograma anterior (43) tras realizarle la compensación de movimiento (37) ;

- aplicar la transformada discreta del coseno (27) sobre la diferencia entre los píxeles (44) ;

- cuantizar (28) los coeficientes obtenidos tras la transformada discreta del coseno (27) ;

- cuantizar de forma inversa (45) los coeficientes cuantizados;

- aplicar la inversa de la transformada discreta del coseno (46) sobre los coeficientes cuantizados de forma inversa;

- almacenar la inversa de la transformada discreta del coseno (46) como fotograma anterior (43) ;

- reordenar (29) los coeficientes cuantizados comprendiendo la determinación de las repeticiones de ceros en los coeficientes reordenados y la generación de una secuencia de pares coeficienterepetición;

- codificar (25) la secuencia de pares coeficiente-repetición mediante el algoritmo de codificación prefijado por el estándar de video seleccionado;

- almacenar en una memoria de la unidad de procesamiento gráfico la codificación anterior.

13. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 9-12, caracterizado porque la reordenación de coeficientes cuantizados comprende:

- dividir los coeficientes cuantizados, según el orden de recorrido preestablecido por el estándar de vídeo aplicado, en una cantidad de secciones de tamaño igual al número de hilos de ejecución que procesan el bloque de nxn píxeles cuyos coeficientes se reordenan;

en cada sección:

- calcular la repetición final de la sección como el número de coeficientes de valor cero contiguos presentes al final de la sección;

- almacenar la repetición final calculada en un buffer de memoria accesible por todas las secciones;

- calcular la repetición inicial de la sección como la repetición final de la sección anteriormente analizada, siendo cero la primera sección;

- si la repetición final de la sección anteriormente analizada es igual al número de coeficientes por sección, se suman los valores de repetición final de las secciones anteriores hasta llegar a una sección cuyo valor de repetición final es inferior al número de coeficientes por sección o se alcance la primera sección.

14. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el gestor de recursos (8) gestiona asociaciones (33) que vinculan el canal de comunicación AGVS-plataforma de distribución de televisión (39) con un canal sintético de televisión digital (41) siendo dichas asociaciones (33) asignadas en exclusiva a cada sesión (35) que sirve a un cliente de vídeo sintético (20) .

15. Sistema de generación de canales sintéticos de televisión digital, según cualquiera de las reivindicaciones 2 y 5, caracterizado porque el módulo de cliente (4) comprende:

• una lanzadera de vídeo sintético (31) que interactúa con el frontal de admisión (5) para solicitar la creación de una nueva sesión (35) para un nuevo canal sintético de televisión digital (41) y que lanza el cliente de video sintético (20) con información de configuración comunicada por el sistema de control (1) ;

• un cliente de video sintético (20) que comprende:

o un controlador de puerto de comunicación con la aplicación de generación de vídeo sintético (32) , que define un canal de comunicación con el cliente de la aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) sobre el que difundir órdenes del cliente de vídeo sintético (20) a la aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) y eventos desde la aplicación de generación de vídeo sintético (AGVS) al cliente de vídeo sintético (20) ;

o un descodificador (36) que recibe y descodifica los canales sintéticos de televisión digital

(41) procedentes de la plataforma de distribución de televisión (3) .