数字电视接收模块播放器设计文献综述与开题报告.doc

本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文文 数数字字电视电视接收模接收模块块播放器播放器设计设计 文献综述与开题报告文献综述与开题报告 姓名与学号姓名与学号 指导教师指导教师 年级与专业年级与专业 信息与通信工程信息与通信工程( (通信工程通信工程) ) 所在学院所在学院信息与电子工程学系信息与电子工程学系 i 一、题目一、题目：数数字字电视电视接收模接收模块块播放器播放器设计设计 二、指二、指导导教教师对师对文献文献综综述和开述和开题报题报告的具体内容要求：告的具体内容要求： 文文献综献综述述 根据根据毕业设计课题毕业设计课题所在所在领领域域【数字电视接收模块播放器设计数字电视接收模块播放器设计】进进行行调研与调研与 文文献阅读献阅读，撰，撰写写的的报报告包括：告包括： 国内国内外外现状现状 研研究方向究方向 进进展情展情况况 存在存在问题问题 参参考文考文献献 要求字要求字数数 30003000 字以上，文字以上，文献综献综述要述要与与切切题题。 开题报开题报告告 包括：包括： 1. 1. 课题课题意意义义 2. 2. 背景背景与国内与国内外外现状现状 3. 3. 研研究究内内容容 4. 4. 研研究方案究方案与与可行性分析可行性分析 5. 5. 实实施施计划计划 6. 6. 预预期期结结果果 7. 7. 参参考文考文献献 ii 要求字要求字数数 35003500 字以上。字以上。 格式一般要求格式一般要求 1. 1. 根据根据学学系提供的文系提供的文献综献综述和述和开题报开题报告告格式格式书写书写（参见参见系系网页网页） 。 2. 2. 所列所列参参考文考文献献要在要在报报告中有引用。告中有引用。 指导教师（签名）指导教师（签名） 年年 月月 日日 iii 目目 录录 文献综述文献综述1 开题报告开题报告5 文献翻译和原稿文献翻译和原稿10 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 1 文献综述文献综述 指导老师：谢磊 信息与电子工程学系 通信 0703 班 孔敏 3071102518 1 背景介绍背景介绍 数字电视属于数字传输系统，是原有电视系统的数字化。下一代的电视系统是可以传 送播放普通清晰度电视和高清晰度电视等不同级别图像，集图像、音频、数据等多业务的 数字综合系统。进入 21 世纪后，随着数字技术的高速发展，数字电视已经越来越多的进入 千家万户，随着我国在 2015 消模的逐渐临近，可以说，我们将真正进入一个全新的数字电 视时代。 从近些年的发展可以看出，我国数字电视的发展趋势非常好，有线用户已经达到相当 的规模，2010 年第二季度数字电视报告显示，我国有线数字电视用户总量已达到 7470 万 户1，但市场还有进一步上升的空间，与此同时，数字电视其他业务也在蓬勃发展。随着 生活水平的提高，消费者已经不仅仅满足于有线数字电视了，对于 pc，手机和其他一些移 动设备，也需要能够接收数字电视，这样以便在越来越快的生活节奏中，能够随时随地收 看数字电视，因而像 iptv、手机电视、互联网电视等必将成为未来的一个趋势，而本课题 研究的数字电视接收模块播放器的设计正是为了满足这一发展需求。数字电视 usb 接收 模块是一种数字电视接收设备，通过无线数字信号接收，经过信号处理，通过 usb 接口 传输到电脑或者其他支持 usb 接口技术的播放设备，由本课题所要设计的数字电视接收 模块播放器实现实时播放。而 usb 设备以其高速，可热插拔，便于携带等优点更是符合移 动高清数字电视这一发展方向。而随着人们生活水平的不断提高，对于丰富娱乐生活的追 求也将会不断提升，因而 usb 数字接收模块拥有很好的市场前景。 国内外研究现状国内外研究现状 2.1 国内外移动数字电视标准国内外移动数字电视标准 本课题研究领域最主要的一个应用就是移动数字电视，所以我们来关注下世界上主要 的一些移动数字电视标准和系统：有美国的 mediaflo，欧洲的 dvb-h，日韩的 sdm-b 以及中国的 cmmb （1）美国的 mediaflo 系统 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 2 mediaflo 系统是由美国高通公司研发的移动数字电视技术标准，采用 ofdm 调制方 式，信道编码方案采用 reed-solomon 码和 turbo 码，工作在 uhf（特高频）和 vhf（甚 高频）频段，主要针对手机终端使用。目前，多家世界知名的手机厂商正在开发支持 mediaflo 技术的手机。mediaflo 系统主要包括两部分：flo 媒体分发系统（mds）和 flo 空中接口（ai） ，媒体分发系统 mds 是一个革命性的，可管理端到端多媒体内容分发 系统，支持通过多个无线网络，安全、有效地分发节目内容，支持“准点播”式的短片分 发方式、提高网络利用率和创造差异化服务。floai 是一个全新的空中接口标准，专为手 持移动终端接收而设计，可提供比其他竞争技术更优的用户感受。mediaflo 系统在频域 分集，时间分集，统计复用增益，时域功耗减少，频域或码域功耗减少，信道数目，网络 建设成本以及频谱利用率等方面都比其他技术有明显优势2。此外，它的平均频道切换时 间是 1.5s，远低于 dvb-h（约 5s）和 s-dmb（约 5s） ，而且终端功耗方面也比其他标准要 来的少，这点非常利于移动设备。 （2）欧洲的 dvb-h dvb-h 是由 dvb 组织开发的，在 dvb-t 基础上发展起来的针对手持移动终端的一种 技术，于 2004 年被欧洲电信标准协会批准为欧盟移动电视标准。dvb-h 采用 ofdm 调制 方式，信道编码方案采用 reed-solomon 码和卷积码。为了更好地支持移动接收，dvb-h 中额外引入了时间分片，以降低功耗，可节省多达 90%的电源消耗；引入 4k 模式，在提 高对移动性支持的同时能后实现较大的覆盖范围；引入 mpe-fec，为基于 ip 组播的业务 提供服务，增强抗干扰和纠错能力。3 （3）日韩的 s-dmb s-dmb 是日韩共同采用的卫星移动多媒体广播标准，最大限度地采用了移动技术，是 在专用频段 mss（2170-2200mhz）上提供广播能力的 mbms 的扩展。s-dmb 系统组成的 传输网络能够为移动网络运营商提供广播/多播类业务所需的带宽通道和系统容量，可以为 包括大用户群的移动终端用户、车载终端用户直接提供移动广播业务。s-dmb 具有覆盖广 的优势，支持国际漫游；且兼容 3gpp 系统和标准，可配合使用现有市场占有率极大的 3g 手机终端。 （4）中国的 cmmb 中国移动多媒体广播（cmmb）是国内自主研发的第一套面向手机、 pda、mp3、mp4、数码相机、笔记本电脑多种移动终端的系统，采用我国自主研发的多 媒体移动电视技术标准 stimi，2006 年成为国家标准。cmmb 采用 ofdm 调制方式，信 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 3 道编码方式创造性的采用低密度奇偶校验（ldpc） ，与此同时，为了节省移动终端的耗电 量，在 ldpc 编码方式的基础上，加入了“时隙”技术，使得移动设备的续航能力得到了 很大提升。cmmb 的复用系统技术与 dvb-h 的 mpeg2-ts 复用技术完全不同，作为数据 链路层协议，与下层的物理层紧密结合，同时对其之上的高层协议具有良好的支持特性， 它完成匹配广播信道传输技术的时隙结构，可实现对终端省电的支持，并且具有很好的应 用灵活性和可扩展性，可以承载多种音视频码流，支持灵活的数据业务4，通过将关键的 业务辅助信息和信道调度控制信息放置在专用的高保护率信道中传输，能够很好的适应无 线传输恶劣环境，具有很强的容错性，这些都使得 cmmb 能够适应移动多媒体广播电视技 术和业务的发展要求。 2.2 国内外主流播放器国内外主流播放器 作为本课题的核心，数字播放器当然也是研究的一个重点。该播放器由 usb 接收模 块接收音视频数据文件传输给播放软件进行播放。数字电视播放器需要播放的是 ts 码流， 这是 mpeg-2 标准定义的一种码流，其实质核心部分是实时播放器。 播放器种类繁多，比较优秀的播放器有 realnetworks 公司的 realmedia，microsoft 公 司的 windos media player 和 apple 公司的 quicktime，但这些公司由于商业化竞争，其播 放器代码作为商业机密都不曾公开，故而我们重点关注一些开源的播放器，比如 media player classic、mplayer、vlc media player 等等。而其中，又以 vlc media player 性能较 好。 vlc media player 是 videolan 计划的多媒体播放器，它支持众多音频与视频解码器 及档案格式，并支持 dvd 硬碟，vcd 硬碟及各类串流协定。它还具有跨平台的特性，能 在 windows，linux，mac os 等操作系统下使用。它亦能作为 unicast 或 muhieast 的串流 服务器在 ipv4 或 ipv6 的高速网络连线下使用还具有播放多媒体文件及加密 dvd 影碟 的功能。vlc 媒体播放器既能用作媒体流服务器，又可当成客户端接收网络流5。vlc 媒 体播放器可以流化播放和接收的源非常多，包括：mpeg-1、mpeg-2、mpeg-4、dvds、 数字卫星频道、数字地面电视频道、以单播或组播方式播放的网络电视频道等6。 2.3 mpeg-2 标准标准 mpeg-2 标准是 mpeg 组织于 1994 年推出的，针对标准数字电视盒高清晰度电视在各 种应用下的压缩方案和系统层的规定，其国际标准分为系统、视频和音频三部分，分别定 义了视频、音频数据的压缩编码和解码算法，mpeg-2 数据流的结构、语法、语义。其信 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 4 噪比可分级类和空间可分级类，提供了一种多级广播的方式，将图像的编码信息分为基本 信息层和一个或多个次要信息层。基本信息层包含对图像解码至关重要的信息，解码器根 据基本信息即可进行解码，但图像的质量较差。次要信息层中包含图像的细节。广播时对 基本信息层加以较强的保护，使其具有较强的抗干扰能力7。这样，在距离较近，接收条 件较好的情况下，可以同时收到基本信息和次要信息，恢复出高质量的图像；而在距离较 远，接收条件较差的条件下，仍能收到基本信息，恢复出图像，不至造成解码中断。故而 特别适合广播级的数字电视的编码及传输8。 2.4 存在问题存在问题 由于移动数字电视是用无线进行传输，而无线信号易受干扰，存在多径衰落等问题， 因而可能会出现黑屏和信号中断等问题，故接收模块的设计应尽可能的提高稳定性，以保 证收看质量。此外，由于移动数字电视还在发展中，其信号覆盖地区不够广，所以如何提 高覆盖率也是一个问题。 研究展望研究展望 未来的移动数字电视必将朝着高画质，高稳定性的方向发展。就画质方面，逐步从标 清到高清再到 3d，这样的发展趋势必然使得传输数据量的极度增加，作为无线传输，提高 信道容量是必然趋势，而随着第四代通信技术的发展，将 lte 用到数字电视的传输也将成 为一种可能。此外，作为接收模块接口的 usb 也将从 2.0 朝着 3.0 迈进，其速度从 usb2.0 的 480mbps 到达 usb3.0 的 5gbps，这也从另一方面保证了高画质的需求。而对于播放器 的设计而言，提高码率以及接收播放的稳定性也是势在必行。相信在未来，移动数字电视 也将成为我们日常生活中必不可少的一部分。 参考文献参考文献 网络文献网络文献 1 2010 年第二季度数字电视产业报告 期刊期刊 2 宋挥师. 先进的手持移动电视技术标准高通 mediaflo. 广播与电视技术. 2006,33（3）15 3 倪兴,杜娟,李民详等. 手机电视技术分析与比较. 电视技术. 2006， （5） 4 李建军. 一种新的移动多媒体广播标准cmmb. 电视技术. 2008,32（4） 5 吕鹏,李莎. 构建基于 vlc 的网络电视直播系统. 电脑知识与技术. 2009， （5） 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 5 6 yew-san lee,bai-jue shieh,chen-yi lee. a generalized prediction method for modified memory-based high throughput vlc decoder design . ieee transactions on automatic control.1999, 46(6) 7 李斌,李伦. mpeg-1mpeg7 的分析与评价. 电视技术. 2001， （1） 8 mcveigh.j, chen.g.k, goldstein.j, a software-based real-time mpeg-2 video encoder. ieee transactions on circuits and systems for video technology . 2000,10（7） 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 6 开题报告开题报告 一、一、 问题提出的背景问题提出的背景 背景介绍背景介绍 进入 21 世纪后，随着数字技术的高速发展，数字电视已经越来越多的进入千家万户， 随着我国在 2015 消模的逐渐临近，可以说，我们将真正进入一个全新的数字时代。 我国在数字电视领域的研究与推广中，一直与世界先进国家保持同步。2006 年，中国 国家广电总局颁布了中国移动多媒体广播行业标准 cmmb。同年，国家标准化管理委员会 发布公告，dmb-th 正式批准成为强制性国家标准。2008 年是中国数字电视产业全面发展 的一年，有线数字电视继续向高峰推进，地面数字电视正式实施，奥运会采用地面高清信 号免费向全世界转播，卫星直播开始进入产业培育期；数字电视的投融资政策进一步放开、 机卡分离体制逐步开始实行，数字电视产业化进程加快。2009 年，在加快有线数字化整转 步伐的同时，运营商也加大了对双向网改造和网络整合的力度，积极发展增值业务，取得 了不错的成效。2010 年数字电视更是发展提速， “三网融合”试点城市的确定、iptv、手机 电视、互联网电视等都为数字电视领域带来了前所未有的发展机遇。第二季度报告显示， 我国有线数字电视用户总量已达到 7470 万户。在 2011 年初，中广更是宣布，全国 331 个 地级市和 36 个百强县都已经完成了 cmmb 信号覆盖，城区覆盖率已经达到了 90%以上1。 从近些年的发展可以看出，我国数字电视的发展趋势非常好，有线用户已经达到相当 的规模，但市场还有进一步上升的空间，因而本课题的研究正是符合了这一发展趋势。 本研究的意义和目的本研究的意义和目的 随着生活水平的提高，消费者已经不仅仅满足于有线数字电视了，对于 pc，手机和其 他一些移动设备，也需要能够接收数字电视，这样以便在越来越快的生活节奏中，能够随 时随地收看数字电视，因而像 iptv、手机电视、互联网电视等必将成为未来的一个趋势。 本课题研究的数字电视接收模块正是为了能够进一步拓宽数字电视的收看领域，通过 usb 接口可以在 pc 上收看数字电视，因而在理论研究的同时将具有良好的实际应用。 数字电视接收系统在 pc 机端应用程序的核心部分就是本课题所要设计的实时数字电 视播放器。我们要播放的数字电视码流是 mpeg2 标准定义的 ts 码流。虽然现在在 pc 机 上的播放器种类繁多，但却鲜有能够支持数字电视 mpeg2 格式的，因而设计一款支持数 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 7 字电视的播放器将变得极为有意义。 二、论文的主要内容和技术路线二、论文的主要内容和技术路线 主要研究内容主要研究内容 1.1 视频播放原理视频播放原理 本课题需要设计播放器，因而我们首先要了解视频播放的基本原理。几乎所有的视频 播放器，如 vlc、mplayer、xine，包 括 directshow，在播放视频的原理和架构上都是非 常相似的。大致的来说，播放一个视频分为 4 个步骤2： 1. acess 访问，或者理解为接收、获取、得到 2. demux 解复用，即把合在一起的音频和视频分离 3. decode 解码，包括音频和视频的解码 4. output 输出，分为音频和视频的输出 以 vlc 播放器为例，播放一个 udp 组播的 mpeg ts 流，access 部分负责从网络接收 组播流，放到 vlc 的内存缓冲区中，access 模块关注 ip 协议，如是否 ipv6、组播地址、 组播协议、端口等信息。音视频在制作的时候是独立编码的，为了提高传输效率所以合起 来，因此在解码之前需要解复用。 demux 分解出来的音频和视频流分别送往音频解码器和 视频解码器。因为原始的音视频都需要占用大量空间，数据的冗余度较高，在制作的时候 需要进行压缩。音视频解码器的作用就是把这些压缩了的数据还原成原始的音视频数据。 视频解码器输出的是一张一张位图格式的图像，但是要让人从屏幕看得到，还需要一个视 频输出的模块，此外，由于解复用之后音视频相互独立，所以在输出进行播放时还需要进 行同步。 1.2 mpeg-2 标准及标准及 ts 码流码流 mpeg-2 标准主要规定了传输流（ts）和程序流（ps）两种结构，其中 ts 流适合于 信道状况相对恶劣、具有较高误码率的场合，因此成为我国数字电视领域普遍使用的一种 码流形式，故本课题主要研究 ts 码流。ts 流包结构长度固定，在做同步时具有一定优势， 且为其多路数据复用提供了充分的灵活性。ts 码流是将原始的音频和视频信息按照合适的 尺寸划分为 es 流，之后附加信息形成 pes 包，再按照一定的规则将 pes 包附加上系统信 息而成为 ts 包，进而组成完整的 ts 码流3。数字电视在传输时，为了节省带宽，ts 流往 往包括多套节目，因此要将其解复用，把属于不同的节目的 pes 流分开，保留各个 pes 的 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 8 时间信息，选择要播放节目的音视频流并且分别进行解码然后播出。 1.3usb 接口接口 本课题是用 usb 接口传输接收的数据流的，所以我们需要对 usb2.0 进行研究，了解 包括 usb 数据包、帧结构和数据流种类等问题。usb 传输的数据包的类型用称为 pids 的 特定代码来定义，包括令牌、数据、握手、特殊类型四种类型。也要了解 usb 的帧结构 和数据传输类型，熟悉 usb 传输的整个流程，掌握数据的传输过程。 技术路线技术路线 2.1 播放器设计思路播放器设计思路 2.1.1 用 directshow 搭建播放器 directshow 是微软公司在 activemovie 和 video for windows 的基础上推出的新一代基 于 com 的流媒体处理开发包，与 directx 开发包一起发布。directshow 使用一种叫 filter graph 的模型来管理整个数据流的处理过程，运用 directshow，可以使在多媒体数据库管 理系统（mdbms）中多媒体数据的存取变得更加方便，它还广泛地支持各种媒体格式， 包括 asf、mpeg、avi、dv、mp3、wave 等，为多媒体流的捕捉和回放提供了强有力的支 持。directshow 应用架构采用模块化组建结构，该结构对多媒体数据的处理通过过滤器 filter 来完成，每个过滤器完成特定的功能，不同的过滤器组合在一起处理多媒体数据，然 后根据应用程序按照所要实现的功能建立起相应的过滤图表来控制整个数据的处理过程4。 除了系统提供的大量 filter 外，我们可以定制自己的 filter，以完成我们需要的功能，这使 得所设计的播放器更加灵活性可以添置个性化的功能需求。 2.1.2 vlc 播放器修改而来的播放器 利用成熟的播放器进行修改来设计数字电视的播放器可以达到不错的效果，考虑到工 作量以及播放器的稳定性，这也是个很好的选择。开源的播放器有很多，大部分是十分优 秀的播放器，比如前面所提到的 media player classic、vlc media player、mplayer 等等。 vlc media player 是一款跨平台的多媒体播放器，能在 windows，linux，mac os 等操作系 统下使用，并且支持多种音频和视频格式（mpeg-1、mpeg-2、mpeg- 4、dix、mp3、ogg 等以及 dvd、vcd、cd 音频和各种流媒体协议） 。5此外，vlc 还具 有转码能力（udp unicast 和 multicast、http 等） ，可作为流媒体服务器使用。综上，通过 修改 vlc 播放器而设计出一款性能优异的数字电视播放器。 2.2 基于基于 usb 的数字电视接收模块硬件架构的数字电视接收模块硬件架构 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 9 基于 usb 的数字电视接收模块主要由 4 部分构成：高频头，信道解码芯片，usb 传输 控制芯片和 pc 端播放器6：其结构如图 1 所示 图图 1 高频头：将接收到的射频信号通过下变频转换为基带信号，并将信号输送至信道解调芯片 信道解调器：完成自动增益控制、pn 帧头捕获、信道估计与均衡、自动侦测与锁频、fft 变换等，将基带信号转换成 ts 码流输出，并将 ts 码流输至 usb 传输控制芯片。 usb 传输控制芯片：该模块作为主控模块，加载相应的驱动程序后，通过ic 总线完成对 高频头和信道解调器的初始化和后续控制，并将 ts 码流传输至 pc 机端。 pc 端播放器：实现对 ts 码流的接收，并能从 ts 码流中解复用出所需频道信号，实时同 步后进行播放。7 可行性分析可行性分析 由上面的分析来看，设计数字电视接收模块播放器的基本方式有两种：一是利用开源 的播放器进行修改或者捆绑解码器，另一种是基于 directshow 技术，自行编写播放器。考 虑到工作量以及播放器的播放效果以及稳定性问题，本课题将采用第一种方法。由于 vlc 播放器优良的性能以及其多平台兼容性，故我们将根据其开源代码进行修改以设计出一款 适用于数字电视的优秀播放器。 三、三、研究计划进度安排及预期目标研究计划进度安排及预期目标 进度安排进度安排 课题从 2011 年 3 月开始，预计至 2011 年 6 月中旬完成最终实物以及毕业论文的撰 写。 第一阶段（开学至三月中旬）：文献阅读，对课题的意义相关背景以及前人的研究有 一定的了解。对课题有整体的把握，确立研究方向以及研究方法，搜索相关技术文档，了 高频头 信道解调芯片usb 传输控制芯片 pc 主机 i2c 总线 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 10 解播放器设计的基本原理，为编写播放器做好理论准备。 第二阶段（三月中旬至四月中旬）：对 vlc media player 源代码进行理解，并编译调 试，试着处理 ts 格式文件。修改 vlc media player 源代码，使得播放器能够播放数字电 视流。 第三阶段（四月中旬至五月初）：硬件电路了解，了解 usb2.0 接口，理解芯片原理， 以及外围电路的设计，对于各硬件模块各自功能进一步把握。 第四阶段（五月初至五月中旬）：将播放器与硬件部分、驱动程序、控制程序整合成 为一个整体系统，开始联网接收数字电视信号进行测试使之能完成正常的数字电视接收播 放功能，如有时间多余，适当增加一些播放器的其他功能，如录像功能等。 第五阶段（五月中旬至五月底）：根据所得结果以及研究过程进行毕业论文的撰写并 准备答辩工作。 预期目标预期目标 预期播放器能够与硬件部分顺利实现数字电视节目的播放功能，且在播放过程中，系 统的稳定性较好，较少或基本不出现画面的停滞以及乱码现象。 通过本次数字电视接收模块播放器设计，能够加强自己编程能力，且对于视频播放过 程有一个深入的了解，与此同时，对于 usb 以及一些硬件接口有一定的了解，为以后进一 步的深造打好基础。 参考文献参考文献 网络文献网络文献 1 中国数字电视发展现状和趋势 /topic/article/200906/200906100939145279.html 2 视频播放的基本原理 /szu030606/archive/2010/10/12/5936673.aspx 期刊期刊 3 黄成辉,邓裕昭. mpeg-2 中 ts 码流包结构和功能应用. 中国有线电视. 2008,（3） 4 邓丽娜,顾伟楠. 基于 directshow 的媒体播放器的设计与实现. 计算机应用于软件. 2006, 23（1） 5 吕鹏,李莎. 构建基于 vlc 的网络电视直播系统. 电脑知识与技术. 2009， （5） 6 yew-san lee,bai-jue shieh,chen-yi lee. a generalized prediction method for modified memory-based high throughput vlc decoder design . ieee transactions on automatic control. 1999, 46(6) 7 徐芳,程恩. usb 数字电视接收棒的设计与实现. 现代电子技术. 2009,21 8 cheng-teh hsieh, seung p. kim, a concurrent memory-efficient vlc decoder for mpeg applications. ieee transactions on consumer electronics. 1996,42（3） 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 11 文献翻译和原稿文献翻译和原稿 一种并发的节省存储空间的应用于一种并发的节省存储空间的应用于 mpegmpeg 格式的格式的 vlcvlc 解码器解码器 cheng-the hsieh seung p.kim 摘要摘要：提出一种应用于 mpeg 的高性能的可变长解码器（vlc） 。通过并发解码和最大似 然位模式匹配，它可以拥有更高的吞吐量，但只需更小的存储空间。它的吞吐量可以比一 般的标准技术提高 45%而内存大小只要 256 字。 一、引言一、引言 由于过去几年数字技术的高速发展，在现在的市场上，通过低比特率的传输信道传输 图像信息成为可能。由于传输的图像数据非常庞大，所以将数据压缩技术应用于此是非常 必要的。无损高压缩率的算法：像 jpeg 和 mpeg 被用于此。1.离散余弦变换，用于减少 每一帧空间上的冗余。2.运动补偿用于减少连续帧之间的时间上的冗余（只应用于 mpeg） 。 3.变长码或者说霍夫曼码用于减少离散余弦变换和量化后的数据上的冗余。 vlc 编码是根据输入符号的数据特性然后进行列表查找，将信源符号变为变长码的一 种映射。目的是将短码分配给较高出现频率的符号，反之亦然，为了获得整体较好的编码 效率。如果码书包含长度从 lmin 到 lmax 的码字，那么 vlc 码字符的统计特性将用下式 表示： (1) minminmax1p lp lp l (2) max min 1 l i l p i 这里是指长度为 i 的码字出现的概率。 p i 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 12 从原理上讲，一般 vlc 解码系统如图 1 所示。这是一种查找表的方式，先要进入存储 表找到符号和码字长度，然后输出解码后的符号并将码字长反馈回去以开始下一个解码。 由于 vlc 码的码字长度是不固定的，输入的 vlc 解码器的比特流是没有确定的码长边界 的，因此使得解码的过程复杂化。首先，vlc 解码器必须确定码字长度以提取相应的码字 使得接下来的解码过程得以保证。因此，vlc 解码是一个递归的过程，而不能使用流水线 操作。这将意味着解码速度会被限制。第二个问题是内存利用的效率。在 mpeg-2 中， vlc 码书的大小只能有 114 个字，但其比特位数却在 2-16 位。vlc 解码器必须去匹配码 书中所有的码字，但是如果进来的比特流没有经过预先处理的话，要直接匹配所有可能的 符号，查找表的存储容量将要达到 65536 个。这意味着浪费了大量的存储空间，而且使得 查找效率也非常低。 本文主要描述两种能使得 vlc 解码更快而 且节省存储空间的方法。其余部分规划如下：第 二部分，简单介绍一些相关的研究；第三部分， 我们呈现了两种 vlc 解码方式极其仿真结果； 第四部分讲了这种实现方式的系统结构；第五部 分是总结以及将来要做的一些工作。 二、相关研究二、相关研究 一般来讲，vlc 解码是根据连续收到的比特 流通过搜索树算法来执行的（比如一次收一到两 个比特，直到最后一个比特被收到） ，因此解码 周期是不固定的，对于一些长码，时间会非常长， 所以这不适合实时处理。比较新的一种方式是并 行比特解码，它通过在一个时钟周期内在 pla（rom）3或者 cam4上并行的匹配所有 可能的码字来解码。基于 rom 的结构的缺点是 缺乏可编程性，而 cam 的缺点是价格高。 在并行比特解码器中，存储效率是需要被考 虑的一个重点。以前的论文5678910， 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 13 对于 vlc 解码器，提出过很多用于预先处理输入比特流的算法。这些算法利用分簇策略将 码字根据比特形式或按固定数理分组。换句话说，vlc 解码被分成两步。首先，比特流的 比特形式需经过验证或者将一固定数目的比特被加入到比特流中作为在存储表中搜索的第 一个参照。在比特形式或者那串固定数目的比特被去掉之后，码字中剩下的比特被用于更 小的存储表中的第二轮搜索。hashemian 将码字分成固定长度的簇用于加快搜索速度，但 是需要加入额外的信息去标志一个簇的结束或者下一个簇可能的地址。在568中，他们 用一种“首 1”检测的方法去识别出码字中“首 1”的数量作为一个区分以更有效的接入目 标存储表。wei 和 meng9将相同码长的按数值排序的单调码与“首 1”检测法一起应用于 高效的霍夫曼码。 三、最大似然位模式匹配和并发解码算法三、最大似然位模式匹配和并发解码算法 为了提高存储效率和增加 vlc 解码系统的吞吐量，提出了两个新的方法：最大似然位 模式匹配和并发解码。 a a最大似然位模式（最大似然位模式（mlbpmlbp）匹配法）匹配法 大多数（98%）jpeg 和 mpeg-1 的码前缀比特都是用首 1 形式（jpeg）或者首 0 形 式（mpeg-1） ，这可以用来在前期搜索中将码书分割5-9。在 mpeg-2 中，用首 0 形式 的前缀码，帧内码的 vlc 码书（mpeg-1 的一种改良版本）占 86%的整个码书，而首 1 形 式则占了 40%的短码，这意味着，不仅是首 0 形式，而且首 1 形式的码也将经常出现在数 据流中2,12。因此，如果只用首 0 探测法去处理 mpeg-2 的帧内码，那么内存利用率将 不会很高，同时系统的吞吐量的提升也将会受限。 为了达到更好的效果，一种新的分类方式，最大似然位模式（mlbp）被引入， mpeg-2 帧内码的部分 vlc 码书将按 mlbp 进行分类，如表 1 所示。对于同等长度的码字， 将按 mlbp 进行分组。从根本上来说，它试图提取出同等长度码字中的位模式作为在内存 中查找的第一个标识（组号） 。 mlbp 的格式是固定的，它包括首 1 形式和首 0 形式，甚至不需要从 码字的第一个比特开始。在提取出 mlbp 后，剩下的比特被称作残余 位，这将被作为查找的第二个标识。 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 14 残余位的码字长度被规定为 0-3，设计者如此设计是为了权衡码字的匹配电路和存储空间。 为了简单起见，我们常常把最后三位作为残余位。在有些残余位中，会有无关比特，这说 明只有组号与解码有关。因此，组号和残余位被合在一起使用作为在随机存储器中查找符 号的地址。 在这种分组策略中，有些组的 mlbp 是其他组的子集。像图表 2 中，第 4 组的 mlbp（001）是第 11 组的（00100）的子集，这意味着不论什么时候第 11 组被识别出来， 这两组的匹配标识很有可能一样。我们不希望发生这种情况，所以需要有一个高优先级的 标识去覆盖低优先级的标识。不同的组需要有优先级比较，像表 1 中的最后一行那样。 mblp 通常是一类用于提高 mpeg-2 存储效率的码字，它同样适用于 jpeg 和 mpeg-1。 b b并发解码算法并发解码算法 vlc 编码是根据输入符号的概 率分布的，例如，短码出现的更多。 所以，很有可能解码时要解更多的 短码。在 mpeg 中，码长为 2-16 位。 如果输入码字要一次性匹配 16 位， 则最坏的情况是 16 比特的的输入数 据包含 8 个 2 比特码字，一次要走 8 个解码循环才能结束这个 16 位的数 据。因此，缓存器需要用来缓解解码 过程中产生的拥堵。 并发解码算法的目标是通过同时 匹配两个或多个短码以加速解码过程。 我们用一个简单的例子来说明这个原 理。假设一部码书包含长度从 2 到 4 的码字，一次需要并行处理的码字长 度为 4，则输入数据可能的组合为(i) 2,2(ii)3, (iii)4,我们用一个码字树来表示，如图 2 所示。它列出了可能的长度匹配结果。如 果可能的结果是(ii)或(iii)，则解码效果与一般的并行解码一样3-9，但是如果是(i)，那么 这两个码字可以被这个算法同时解码，这意味着更高的平均解码速度和解码系统只需更小 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 15 的缓存空间。图 3 是一个通常的 2 层码树，即并发解码的可能匹配的码字形式都列在枝上。 每一层都是一个需要被解码的码字，这意味着在图 3 中，两个码字要同时被解码。第一个 码字需要的匹配长度是 2 到 k。与此同时，对于第二个码字（在第 2 层上）如果第一个解 码码字是 2 比特，则第二个码字的长度是 2 到 k2 比特，如果第一个解码码字是 3 比特，则 第二个码字的长度是 2 到 k3 比特以此类推。 第一层的解码与一般的比特并行匹配是一样的，所以它必须包括所有的码字。这意味 着第一层的 k 等于码书中最长的码。在第二层，较短的码（更高概率的码）将根据 vlc 的 统计特性和硬件实现来选择，所以 ki 的数值的选择将要均衡考虑系统性能和硬件成本这两 个方面，对于所有的 i，ki 需要满足 0kik。在图 3 中并行解码的基本步 骤如下： 1、从根上开始解码。 2、同时，对于每一层的可能码长， 进行每一个树枝上的位模式测试。 3、如果在第二层有多于一个的正确 树枝，则只选择从根出发具有连续 路径的那枝，即，并发解码算法的 的解码必须是连续的不被打断的比 特流。 4、如果接下去的层中枝上没有从根出发的连续路径，则解码过程可能再第一层就停止，这 意味着并发解码并没有用于第 2 个码。 5、每一层的总的匹配码长要进行反馈以调整输入的数据流。 6、回到步骤 1 这个过程同样可以应用到多层的并发解码中。当有更多的层和更长的的码时，并发解 码的效果会更好。但当出现 mpeg 中最长的 16 位码时，由于组合过多，硬件实现将变得 不太实际。因此，必须要权衡解码速度和硬件复杂度这两部分。首先，长码要尽量少的出 现在输入中，这样可以使得解码聚集于短码。其次，因为一次性正确解码多个码字的概率 随着码字数量的上升而减小，所以只有一部分层是有效的，而且对于多层来讲，硬件成本 也会非常高。所以一个号的方案需要有较少的层，而且每层只有那些高概率的枝。图 4 是 一种比较合理的方案。 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 16 c c仿真仿真 从 mpeg-2 视频序列的实验结果中看出，码字小于 11 比特的累积概率超过 0.9。因此， 这个算法的假设是合理的，这意味着它值得去并行的解码更多的短码。表 3 列出了样本序 列的累积概率。基于图 4 的并发 vlc 解码效果的仿真如下图 5-图 8，它包括了不同的高概 率码字组合。从这些图中的数据我们甚至可以发现即使对于最简单的，图 4 中 n=2 的情况， 解码速度可以提高到至 40%。因此，这些结果证实了并发解码算法对于较短的码可以有效 加速 vlc 解码。 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 17 四、系统架构四、系统架构 在这一章中，列出了以上两种方案的实现结构。图 9 所示的是执行 mlbp 的 vlc 解码系 统的结构图。校准缓存器用于调整输入序列以使得 vlc 码的第一个比特与桶形移位器的第 一个比特，mlbp 匹配数据块 b0 对准。图 10 中所示的 mlbp 匹配数据块，产生 3 个变量： (1)组标识(g1-g24)用于控制桶形移位器以提 取残余位(r0-r2)，(2)长度标识(l2-l16)用 于对缓存器队列进行反馈以用于对准到下一 个 vlc 码，(3)组码(c0-c4)用于解码随机存 储器。 以下是 mlbp 匹配部件的具体设计。有两 种实现 mlbp 匹配部件的选择。第一种如图 11 所示，仅仅用 and 门电路去识别比特形式， 这种方式不可编程，但硬件成本低。第二种 方法如图 12 所示，用关联存储器作为比特匹 配单元，这种方式硬件成本高，但是可编程。 图 10 中的优先掩码逻辑是针对表 1 中的优先 校对而设计的。总的来说，它掩盖低的逻辑优先级的标识通过图 13 的逻辑，即只有高优先 级的标识会有高电平如果两个形式都匹配的 话。桶形移位器从 16 位的输入中根据组标 识(g1-g24)输出 3 比特残余位。存储器是 256 字的随机存储器，它可以存储 3 比特的 残余位(r0-r2)和 5 比特的组码(c0-c4)。如 果存储器可以被放到芯片上，则不需要从组 标识(g1-g24)中产生组码(c0-c4)，而且存 储空间可以减少到码书的空间（114 个字节） 。 原因是只有残余位和组标识对分配片上 存储解码符号的位置有效。 图 9 的并发解码算法的系统需要一 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 18 些修改。多 mlbp 匹配块并发的解码第二个码字以代替单 mlbp 匹配块，在这里第二层的 mlbp 匹配块只包含更高概率的比特形式。图 14 显示了多 mlbp 匹配块嵌入 vlc 解码的情况。 因为两个变量和两层块同时出现，所以使用组合逻辑和桶形移位器去正确的控制和反馈这 些变量，组标识，组码和长度标识。 五、总结 本文提出了一种高效的应用于 mpeg 的 vlc 解码方法。通过并发解码算法和码字的 最大似然位模式匹配，它拥有高吞吐量且只 需更小的存储空间。mlbp 通过提取码字间的 冗余信息将存储空间从 65536 减少到 256 字 节，在片上存储器中甚至可以达到 114 字节。 并发解码算法的核心是利用了 vlc 码的特 性，高概率的符号用短码表示以达到高吞 吐量。在 mpeg-2 样本序列中，输入数据码 长少于 11 比特的占超过 90%，从仿真结果 来看，解码速度可以增加 45%。不仅对于 mpeg-2，这些新方法同样适用于 jpeg 和 mpeg-1 的解码。将来的一些研究会包括在 考虑效果和成本的情况下对并发解码算法 最理想模型的仿真。 浙江大学本科生文献综述和开题报告 数字电视接收模块播放器设计 19 原稿原稿 a concurrent memory-efficientvlc decoder for mpeg applications cheng-teh hsieh and seung p. kim departmentof electrical engineering polytechnic university abstract-a high performance variable-length coding (vlc) decoder for mpeg applications is proposed. it has higher throughput and requires small memory size by concurrent decoding and maximum likely bit pattern matching. mpeg-2 experimental video data are used to simulate the performance. the throughput can reach up to 45% improvement over standard techniques and the memory size is only 256 words. . introduction due to the fast pace of digital technology over the last few years, visual communication over low bit-rate trans- mission channel is available in todays market. the amount of visual data to be transm