（信号与信息处理专业论文）数字高清晰度电视视频解码与显示实用技术的研究.pdf

摘要 数字高清晰度电视( h d t v ) 以其潜在的广阔市场和巨大的经济效益，已 经成为国际高科技领域研究开发的热点之一。我国于1 9 9 8 年9 月在北京成功 地进行了h d t v 地面广播和接收演示试验。 本论文的内容是关于如何使用国外的专用i c 来实现h d t v 视频解码及其 显示，它启动了从原来的理论研究向实用开发的过渡。本论文介绍了机顶盒 ( s t b ) 的系统设计( 软件和硬件) ，视频解码及其显示的原理和实现以及整 个机顶盒电路的调试。 舰顶盒的视频解码和显示包括三个部分：解码电路、外围存储器( s d r a m ) 和后处理电路。s t i 7 0 0 0 作为视频解码芯片，它不仅可以用来接收解复用后所 获得的p e s ，e s 流，还可以用来接收符合d i 标准的标准清晰度电视的数字信 号。因此，机顶盒系统不仅可以接收d 1 v 节目，同时配上s a a7 1 1 1 a 还可以 接收目前的模拟电视( n t s c p a l ) 节目。此外，它还可以实现不同显示格式 之间的转换。s d r a m 是用来存放解码帧、显示帧、o s d 数据和压缩码流的， 系统中一共使用了1 2 8 m b i t s 的s d r a m 。后处理电路包括h d 信号的后处理 和s d 信号的后处理。h i ) 信号，通过d a 变换和矩阵变换送到显示器，而s d 信号通过d e n c ( s t v0 1 1 8 ) 编码后输出到显示器。系统还提供了强大的o s d 菜单界面操作，方便用户的使用一7 此外，本文还介绍了机顶盒所使用的实时操作系统o s 2 0 。 总之，本项研究采用s t i 7 0 0 0 启动了h d t v 视频解码与显示的的实用开发 进程。 关键词：高清晰度电视视频解码o s dm p e g 2s t i 7 0 0 0s t b a b s t r a c t t h ed i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d 呵、，) h a sr e c e i v e d c o n s i d e r a b l e a t t e n t i o ni nh i g h - t e c hf i e l di nt h ew o r l db e c a u s eo fi t sl a t e n tw i d em a r k e ta n d e c o n o m i cp r o f i t i ns e p t e m b e r1 9 9 8 ，t h et e r r e s t r i a li - i d t vb r o a d c a s t i n ga n d r e c e i v i n gt e s tw a sd e m o n s t r a t e di nb e i j i n gs u c c e s s f u l l y t h ec o n t e n to f t h i st h e s i si sa b o u th o wt ou s et h ea s i cf r o mf o r e i g nm a r k e tt o i m p l e m e n th d t vv i d e od e c o d i n ga n dd i s p l a y i n g i tl a u n c h e st h et r a n s i t i o nf r o m t h e o r e t i c a ls t u d y i n gt op r a c t i c a ld e v e l o p i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es y s t e m d e s i g n i n go fs e tt o pb o x ( s t b ) ，i n c l u d i n gs o r w a r ca n dh a r d w a r e ，p r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o no f v i d e od e c o d i n ga n dd i s p l a y i n ga n dd e b u g g i n go f w h o l ec i r c u i to f s t b v i d e od e c o d i n ga n dd i s p l a y i n go fs t bi n v o l v et h r e ep a r t s ：d e c o d i n gc i r c u i t ， p e r i p h e r a lm e m o r y ( s d r a m ) a n dp o s t - p r o c e s s i n gc i r c u i t a sad e c o d ec h i p ， s t i 7 0 0 0c a nb eu s e dt or e c e i v en o to n l yp e ss t l 嘲a no re ss t r e a n lr e s u l t e df r o m d e m u l t i p l e x i n g ，b u ta l s od i g i t a ls t a n d a r dd e f i n i t i o nt vs i g n a l ，w h i c hi sc o n f o r mt o d is t a n d a r d s os t bc a nr e c e i v eb o t hd t v p r o g r a m a n dc u r r e n tn t s c p a lt v p r o g r a m ( w i t hs a a7 11i a ) m o r e o v e r , s t i 7 0 0 0i sa b l et or e a l i z et r a n s f o r m i n g a m o n g d i f f e r e n to u t p u td i s p l a yf o r m a t s s d r a mi sd e s i g n e dt os t o r ed e c o d ef r a m e s ， d i s p l a yf r a m e s ，o s dd a t aa n dc o m p r e s s e dd a t a t h et o t a lc a p a c i t yi s1 2 8 m b i t s t h e p o s t p r o c e s s i n gc i r c u i tc o m p r i s e sp o s tp r o c e s so fh ds i g n a la n dp o s tp r o c e s so fs d s i g n a l h ds i g n a li sl x a n s p o r t e dt od i s p l a ya f t e rd ac o n v e r s i o na n dm a t r i x c o n v e r s i o n s ds i g n a li se n c o d e df i r s tb y d e n c ( s t v0 1 1 8 ) ，a n dt h e ni sa p p l i e dt o d i s p l a y s y s t e ms u p p o r t sp o w e r f u lo s d ，w h i c hs u p p l i e sc o n v e n i e n c et ou s e r s i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h er e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m o s 2 0 i ng e n e r a l ，t h i sw o r kh a sl a u n c h e dt h ep r o c e s so fp r a c t i c a ld e v e l o p i n gh d t v v i d e od e c o d i n ga n d d i s p l a y i n g0 n t h eb a s i so f e x p l o i t i n gc h i ps t i 7 0 0 0 k e yw o r d s ：h d t v v i d e od e c o d i n go ns c r e e nd i s p l a ym p e g 一2 s t i 7 0 0 0s e tt o pb o x 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高清晰度电视( h d t v ) 及其发展 随着科学技术与社会的进步，现行彩色电视的图像质量已不能够完全满足 消费者的需要，因此高清晰度电视的发展成为必然趋势。高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，简称h d t v ) 是继黑白电视和彩色电视之后的新一代电视。 它能提供大屏幕高清晰的优质图像，高保真的伴音，给人以身临其境的视听享 受。 根据国际无线电咨询委员会( c c i r ) 对h d t v 的权威定义：当观众在约为 画面高度三倍的距离处观看时，具有正常视力的观众所能看到的画面质量应该 与在原始场景中所能觉察出的细节一致；演播室信号应具有约两倍于现行标准 的水平和垂直分辨率；显示屏幕对角线的长度应该大于一米，其图像的宽高比 应为1 6 ：9 ：此外通常还要配有多声道环绕声的优质伴音。 1 1 1 国外h d t v 的发展 日本对h d t v 的研究起步最早，早在七十年代初期n h k 就向c c i r 提出 过h i ，v i s i o n 建议，并于1 9 7 8 年进行了h d t v 的传输和接收实验。虽然实验的 结果还令人满意，但由于传输所占用的带宽太大，因此限制了这种系统的应用。 为此，n h k 又对能压缩传输频带的新系统进行了研究，于1 9 8 4 年正式公布了 研究方案，命名为m u s e 制。m u s e 制采用了时分多路传输技术和带宽压缩技 术，它能以8 1 m h z 的视频带宽在一个卫星信道中进行宽高比为1 6 ：9 的11 2 5 行的h d t v 广播；同时传送两路数字编码的高保真伴音信号和其他数据信号。 日本在1 9 8 8 年成功地运用其h d t v 系统对汉城奥运会进行了实况传播，并于 1 9 8 9 年开始了h d t v 的实验广播。1 9 9 1 年开始正式广播，目前每天大约播出1 4 个小时的节目。 在八十年代后期，国际上出现了卫星电视广播的高潮。欧洲积极地进行了 符合本地特点卫星广播系统的研究，于1 9 8 3 年正式推出m a c 制作为卫星传输 制式，并从1 9 8 6 年春实施尤里卡9 5 ( e l l 9 5 ) 计划，开始研究h d m a c ，设计 了一条从m a c 到l i d m a c 逐步过渡到h d t v 的道路。并于1 9 9 2 年成功实现 了对巴塞罗那奥运会的h d l n ，卫星实况转播。 同日本和欧洲相比，美国在h d 了 、，的研究方面起步较晚，但却是发展最快 的。尽管美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行h d t v 规格作为统一的世界标准， 但当意识到h d t v 潜在的巨大市场之后，美国联邦通讯委员会( f c c ) 于1 9 8 8 年9 月提出高清晰度电视要与现行的n t s c 制兼容。美国在1 9 9 1 1 9 9 2 年对五 种建议的h d t v 地面广播制式进行了测试，由于被测试的四种全数字制式在技 术和经济上的优劣没有显著的差别，为了取长补短，同时统一国内市场，四个 数字系统的提出者于1 9 9 3 年5 月组成了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统 一的标准。1 9 9 5 年4 月a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样 机研制成功，1 0 月“a t s c 数字电视标准”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月 2 6 日，f c c 终于批准了该标准。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 个月内有2 2 座电视台转为数字电视播出；2 4 个月内，四大商业电视网在全美 十大城市进行数字电视播出( 其中三大电视网播出数字h d t v ) ；3 0 个月内有 1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电视；最终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的 播出。到1 9 9 9 年7 月已经有6 9 个电视台开始进行地面数字广播。美国计划用 9 年左右的时间来完成由模拟电视向数字电视的历史性转轨过程。 美国的全数字h d t v 制式及其非过渡方案对欧洲和日本造成了极大的冲 击。欧洲终于在1 9 9 3 年宣布终止h d - m a c 的研究，开始将目标转向开发全数 字h d t v 上。由德国通信部建议成立了欧洲开发小组，由1 7 0 多个组织共同开 发全数字电视系统，包括地面广播、卫星广播和有线电视传输的数字标准清晰 度( s d ) 电视和高清晰度电视( h d ) 。并于1 9 9 3 年9 月创建了数字视频广播 项目( d v b ) 。但欧洲一直认为h d t v 的市场尚远，因此当前致力于数字标准 清晰度电视的研究开发。相继出台了卫星数字电视广播传输标准( d v b s ) 、有 线数字电视广播传输标准( d v b c ) 和地面数字电视广播传输标准( d v b - t ) 。 欧洲的策略是：利用s d t v 在目前便于普及的优势，抢占数字电视的世界市场， 加速在全世界普及d v b 标准，以此来与美国的数字电视标准相抗衡。 由于模拟h d t v 在日本已经形成了一定的规模，不是很容易就可以放弃的， 这也阻碍了数字日本h d t v 的发展。目前日本正在逐步完善和推广其相关的技 术标准i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。并计划在2 0 0 0 年9 月实 施悉尼奥运会的数字h d t v 实验广播，在2 0 0 0 年底开始卫星数字h d t v7 个 频道的广播，同时开始地面数字电视广播的实验播出，2 0 0 3 年计划在东京，大 坂和名古屋开始数字广播，到2 0 0 6 年在日本的其它地区开始广播，2 0 1 0 年最 终停止现行的模拟电视的广播。 至于世界其它一些国家和地区，尤其是韩国和我国台湾，本地市场有限， 属于出口经济，生产符合美国和欧洲数字电视标准的接收机是他们的本质任务， 相信美国的h d t v 市场将会直接促进这些地区相关产品的研制和开发。 1 1 2 全数字电视的特征 从h d t v 的发展不难看出，数字化是当前科技发展的大趋势。h d t v 尤其 是数字h d t v 的出现不仅仅给我们带来了高清晰度的图像，更重要的是促进了 全球对数字音视频码率压缩技术和高效率的信道编码技术的研究，使得原来只 能传送一路模拟电视的卫星或其他信道现在可以一传四或一传八，从而大大提 高了频率资源的利用率。并且随着因特网的出现，通信技术的发展，出现诸如 多媒体、交互电视等新颖的服务业务。由此可见，电视领域正面临一场质的革 命。 目前在社会上很流行一种说法：某某产品是“全数字化”的。其实他们所 宣扬的“全数字化”是狭隘的。“全数字化”是指：整个系统充分利用数字图像 压缩编码、数字伴音压缩编码、数字多路复用以及频道中数字通信( 纠错码和 调n 解调) 等技术。与模拟电视信号相比，数字电视信号具有以下的优点： 1 可以利用数字图像压缩处理技术和数字伴音压缩技术来处理音视频 信号，压缩信号所占带宽； 2 数字信号在传输过程中不会产生失真和噪声的累积，这样就可以提 高系统的抗干扰能力； 3 易于实现加密和各种信息的复用传输： 4 数字电视信号的发射功率要比模拟电视信号低很多，可以启用禁用 频道，有利于频带的规划。 5 在不发生传输误码的情况下，接收机解码所得的图像质量与在演播 室获得的图像质量可以非常接近； 6 适于进入蓬勃发展的数字通讯网，可以很方便地与计算机连接，易 于进行图像处理； 7 易于实现拟制多径反射回波( 重影) 的数字处理； 8 容易大规模集成，提高性能价格比，便于大规模生产和维修。 从上述我们不难看出，只要充分利用数字信号的优点，就可以提供高精细、 高性能、高质量并能与计算机、因特网密切联系的新型的服务业务。总之，数 字电视广播的前途是不可估量的。 1 2 美国a t s c h d t v 在美国，a t s c 在1 9 9 5 年4 月通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月o a 样机研制成功。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 批准该标准。 1 9 9 5 年8 月，美国“g a ”h d t v 样机研制成功，进行了全面的室内和野 外的测试实验，其主要视频编码参数如表1 1 所示。 a t s c 数字h d t v 具有以下特点： 视频压缩采用m p e g - 2 标准： 信道传输采用8 v s b 或1 6 v s b ，可以和a t m 传送保持高度的操作性； 能够支持十八种图像格式，可以和计算机图形显示保持互操作性； 音频编码采用了d o l b y 公司的a c 3 系统，可以提供5 1 声道的环 绕立体声。 1 3 我国h d t v 研究的状况及其意义 h d t v 是利用信息论、数字信号处理、计算机技术、超大规模集成电路 ( v l s i ) 、通信技术等当今世界上的高新技术成果，综合发展起来的一项新兴前 沿技术，它的发展对上述各技术领域今后的发展产生深远的影响，进而带动社 会各部门的发展与技术更新。因此，h d t v 技术的研究与应用不仅仅有着广泛 的社会意义，而且会对一个国家的信息产业的发展产生巨大的推动作用，其潜 在的巨大经济效益是不容忽视的。而且，日本、美国和欧洲在h d l 、，制式上的 相争也阻碍了世界上统一的h 】) 1 v 制式的形成，这也为我国发展h d t v 事业提 供了一个良好的机遇。 我国在8 0 年代末期就开始了h d t v 的研究。1 9 8 9 年，原国家科委组织了 h d t v 软科学研究，并且经过“八五”攻关项目“高清晰度电视研究”，使我国 在h d t v 仿真实验研究方面已达到国际先进水平。1 9 9 4 年6 月，国务院召开专 门会议研究加快h d t v 研究开发的问题，决定采取“分两步走”的策略。1 9 9 6 年4 月，作为第一步目标的高清晰度电视功能样机系统总体实施方案得到批准。 同年在全国范围内公开招标，整个研制工作于1 9 9 6 年7 月全面开展。一共有1 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 美国h d t v 样机的视频编码参数 视频参数 图像格式1图像格式2 有效像素数 1 2 8 0 x 7 2 01 9 2 0 x 1 0 8 0 总采样数 1 6 0 0 x 7 8 7 52 2 0 0 x l1 2 5 扫描格式，帧频( h z )逐行6 0 3 ；0 2 4隔行6 0 ，逐行3 0 2 4 色度取样 4 ：2 ：0 幅型比 1 6 ：9 数据率1 0 - 4 5 m b p s 恒定比特率或可变比特率 计色法 s 呼t es 1 7 3 9 2s m p t e2 7 4 m 图像编码类型 ipb 视频刷新周期性传送l 帧或顺序刷新 图像结构 帧图像场图像自适应 系数扫描顺序z i g - z a g a l t e m a t e d c t 模式帧 帧，场自适应( 只限6 0 h z ) 运动补偿模式帧帧，场自适应 p 帧运动矢量搜索范围水平：不限垂直：1 2 8 ，+ 1 2 7 5 b 帧莲明矢量搜累范围水平：不限垂直：1 2 8 ，+ 1 2 7 5 运动矢量精度1 2 精度 帧内直流系数精度 g f 9 1 0 b i t s 码率控制带前置分析器的修正的t m 5 算法 电影模式处理 自动3 ：2 下拉检测和编码 最大v b v 缓存大小 8 m b i t s 帧内帧间量化距阵 可装载距阵( 随场景变化) ，自适应量化 变字长编码 帧内，i 贞阃单独的游程幅度码本 掩错 运动补偿帧保持 个单位，2 0 0 多名研究人员参加这个项目。经过全体人员的努力，用两年多的 时间研制出了我国第一套数字h d t v 功能样机系统，该系统的性能达到了1 9 9 5 年美国“g a ”的样机水平。1 9 9 8 年9 月成功地在北京中央电视台进行了开路 演示试验，并且在1 9 9 9 年l o 月1 日，中华人民共和国建国5 0 周年之际，对天 安门广场的国庆大典进行了现场赢播，获得了成功。 目前国家计委正牵头组织有关部门进行数字高清晰度电视产业化的前期各 项准备工作。主要目标是我国数字电视地面广播体制标准的确定，建立h d t v 试播台，并完成h d t v 的a s i c 、显示器件等关键部件研制及接收机整机产业 准备，以便可以于2 0 0 3 年左右在有条件的大中城市开始h d t v 商业广播。 在数字化时代到来之际，数字电视产业显示出了明显的知识经济特征，国 际竞争环境日趋严酷，一旦处理不当，将会受制于人。因此，我们应该很好地 利用已形成的科研基础，以科技和自主知识产权为核心，协调规范标准的制定 工作，加速产业准备，以使我国的数字电视产业能成为一个具有活力，能带动 行业增长，对国民经济有重要贡献和在国际上具有很强竞争力的产业。 1 4 本论文的任务 在过去几年中，本学科已经有多名研究生围绕数字h d t v 进行了论文工作。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 其中，周萍博士生对数字h d t v 视频解码器进行了深入的研究和探索，她所提 出的视频解码器的实验方案和用f p g a 初步设计制作的“最小”解码系统板 f 7 9 1 ，为后来的研究工作提供了十分有用的技术参考。王承宁博士生在周萍工 作的基础上，完成了一个完整的基于f p g a 的视频解码器的研制，它是国家重 大项目“h d t v 功能样机系统”中信源解码器的核心部分 s l b o 】，为进一步研 制开发我国第一代数字h d t v 视频解码专用芯片打下了坚实的技术基础。同时， 他们的工作也是本课题顺利完成的重要前提。 本论文是课题“数字高清晰度电视机顶盒研制”的重要组成部分。经过收 集资料、分析和调研，课题组最终确定了采用s g s - t h o m s o n 公司生产的 s t 2 0 t p 3 为系统控制和解复用芯片，s t i 7 0 0 0 为视频解码芯片，s t i 4 6 0 0 为音频 解码芯片的技术开发方案。 机顶盒作为一个产品，它不能像功能样机那样只能具有基本的视频解码功 能，还应该具备更多的实用性。因此根据功能要求可以将整个课题按表1 1 进 行任务分工。 表1 1 数字h d t v 机顶盒研制任务的划分 信源解码板除了信道解码电路外的其他所有电路 硬件 信道解码板设计信道解码的电路( 无线和有线接收) 视频解码 提供视频解码的控制程序( d t v 和模拟电视) ，o s d 底层库函数 音频解码提供音频解码的控制程序( d t v 和模拟电视) 系统解复用提供符合m p e g 中p s i 或者a t s c 中p s i p 规定的 软件 解复用程序 信道解调提供信道解码的程序( 无线和有线接收) o s d 实现o s d 界面控制菜单 其它功能e e p r o m 、f l a s hr o m 、r s - 2 3 2 、控制面板、遥控 器等 本论文的主要工作是完成表1 1 中的视频解码单元，其它功能单元中的 e e p r o m 、f l a s hr o m 两个方面。此外还完成数字h d t v 机顶盒接机硬件的调 试。本论文的具体工作是： 1 全面、深入地研究m p e g 2 标准的相关部分，熟悉和掌握标准中的各 项技术规定： 2 熟悉s t i 7 0 0 0 用户手册。掌握s t i 7 0 0 0 的软件编程技术( 包括视频解码、 显示和o s d ) ； 3 负责整机的其他附加电路的软件编程，如：e e p r o m ，f l a s h ，s t v0 1 1 8 ， s a a7 1 1 1 a ； 4 参加对整个机顶盒的硬件电路的调试。 第二章m p e g 2 标准简介 2 1m p e g 概述 数字压缩技术的研究已逾四十余载，其编码算法已建立了数个国际标准和 建议( 如j p e g 、h 2 6 1 、m p e g 等) ，其中m p e g 数字图像压缩和解压缩技术对于 多媒体技术的发展有着重大意义。m p e g 是m o v i n gp i c t u r ee x p e l sc r o u p ( 运动 图像专家组) 制定的一种高质量视频压缩的国际标准，其目的是规定通用的活 动图像及伴音的编码标准，以适于各种应用目的( 如存储媒体、分配传输和通 信等) 。m p e g 标准是所有数字视频应用，如数字卫星传输、数字视盘以及多 媒体的关键技术依据，但其覆盖范围却是远远超过了纯视频领域的应用，它同 时也为音频的编码和数据、同步信号和有关服务信息的复用提供了工具。m p e g 是以o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 模式的数据通信为目标，是在“信息技 术联合i s o i e c 技术委员会”领导下于1 9 8 8 年建立的，其任务是制定活动图 像、伴音及其组合编码的标准，并具有以下三个特点： 1 标准的演绎性 传统的标准化是特定工业产品经过上市、大量应用后缓慢地归纳过程，而 m p e g 标准的制定超前于市场的要求，充分利用现今最先进的技术手段， 给予充裕的自由度，并与其它标准化团体( 如e b u 、s m p t e 、i t u 等) 紧 密联系，对成为正式标准之前的标准草案不断加以适当的修改。 2 标准的通用性 传统的标准是使标准中定义的技术、功能与某一个特定应用领域紧密相 关。而m p e g 标准采用了一种“类级“的参考模型，可以尽可能地将编 码定义与依赖于应用的各参数进行去相关，这使得该标准应用范围极为广 泛，几乎涉及到所有的数字领域。 3 标准的开放性 m p e g 标准仅对编码码流结构和解码器算法规则进行了规定，但未对编解 码的具体实现方法做硬性的规定，使得可以进行不同分阶段的优化。 到目前为止，m p e g 组织已经制定了m p e g - l 、m p e g 一2 和m p e g - 4 标准， m p e g 7 标准正在制定中。 m p e g 1 标准的名称为”用于数字存储媒体的1 5 m b i t s s 以下活动图像编码 和相关音频编码，是针对较低码率的音视频编码，主要用于c d 视盘。 m p e g 4 标准的目的是为了低比特率，即k b i t s 范围的编码而建立的一个 共同的基础。m p e g 4 彻底改变了m p e g 2 对信息的加工和消费方式。对于来 自传感器的音视频信号不再仅仅是编码，把音视频信息打包，而是把这些信号 看作“音频和视频对象a v o ”。 正在制定的m p e g 7 是一个用于数据库搜索的规范，它以一种标准化的方 式来描述各种类型的多媒体数据。这种描述方式与信息内容有关，允许用户以 自己感兴趣的方式快速高效地检索所需信息。 m p e g 2 又称为g e n e r i cc o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n d a s s o c i a t e da u d i oi n f o r m a t i o n ，共有9 项：系统；视频；音频； 天津大学硕士学位论文 第二章m p e g - 2 标准简介 符合性测试；软件；数字存储媒体的指令和控制；非向后兼容的音频； 1 0 比特视频；实时接1 ：3 。其中系统、视频和音频的应用非常广泛。系统 层标准为i s o i e ci s1 3 8 1 8 1 ，定义了规范的系统编码：包括复合视频和音频 数据的复用结构以及实时应用中的重放同步序列所需的表示定时信息的方法： 视频标准为i s o i e ci s1 3 8 1 8 2 ，定义了视频数据的编码表示和重建图象所要 求的解码过程：音频标准为i s o i e ci s1 3 8 1 8 - 3 ，定义了音频数据的编码表示。 美国大联盟所采用的a t s c 数字电视标准的是i s o i e ci s1 3 8 1 8 1 系 统规范的一个兼容子集。 我国h d t v 功能样机研究项目总体组规定功能样机的研制也要以m p e g 一2 标准为基础，同时参照美国大联盟制定的数字电视标准。 本论文课题所研制的数字h d t v 机顶盒也是遵循m p e g 2 标准的， 正因为m e p g 2 标准是m e p g 大家庭中使用最广的。因此有必要在此对 m e p g 2 标准作一个简单的介绍。 2 2m p e g 2 标准 m p e g 2 在m p e g 1 标准的基础上进行了重大的改进和发展，是数字电视 系统中视频压缩标准的基础。它具有下面几个显著的特点： 1 提供演播室级的高质量图像 m p e g 2 在码率为3 - 5 m b i f f s 时，就可以获得具有n t s c p a l ，s e c a m 档 次的图像质量，当码率取到8 1 0 m b i f f s ，所获得的图像质量就接近c c i r 6 0 l 标准的图像质量。 2 具有可变压缩率的编码技术 m p e g 2 实际的压缩比取决于节目的内容和所需的重放质量，一般运动和 背景的变化越大，那么它的压缩比就越小，这样就可以保证高画质的前提下提 高压缩效率。通常，当m p e g 2 的压缩比一般为3 0 ：l 时，就能够提供广播级 的图像质量。 3 具备码流的可分级性 m p e g 2 将所有方面的需求协调成一个单一语法。为避免形成极为复杂的 标准，它采取了一种工具箱式的语法，并相应定义了整个语法的一组子集，称 为”类”( p r o f i l e s ) ，根据需要从工具箱选取一个子集以满足某种特定应用的要求。 由于图像分辨率与其它参数相比是一个重要的因素，因此每个”类”根据具体参 数的差异有可分为几个”级，( l e v d ) 。五个”类”和四个”级”的组合对应了不同的 图像质量和压缩比，其中有定义的就有十一种组合，如表2 1 所示。 表中，s i m p l e 类的解码无内插图像帧，可以节省r a m 空间。工作在m a i n 类的则采用了双向预测，虽增加了存储量，但改善了图像质量，只是无可调性。 s n r 类是对m a i n 类的改进，给出了按信嗓比的可分级性。s p a t i a l 类支持图像 空间域分辨率的可分级性。h i g l l 类支持色取样4 ：2 ：2 及全部可分级性。另外， l o w 等级相当于i t u th 2 6 1 建议的c i f 或m p e g 1 的s i f ，m a i n 等级等同于 c c i r 6 0 l 常规电视和d v d 。h i l g h l 4 4 0 等级与每行1 4 4 0 取样的h d t v 对应， h i g h 等级与每行1 9 2 0 取样的h d t v 对应。只要了解解码器在某一”类”和”级” 天津大学硕士学位论文 第二章m p e g - 2 标准简介 上工作，就能知道它的工作效率和内存容量。”类”越高，压缩率越高，等级越 高，它所支持的图像分辨率也就越高。 表2 1m p e g 2 标准中p r o f i l e l e v e l 组合表 q o r o f il e s n r s p a t i a l l yh i g h s i m p l e m a i ns c a l a b l es c a l a b l e( 4 ：2 ：2 ) l e v e l ( 4 ：2 ：0 ) ( 4 ：2 ：0 )( 4 ：2 ：0 )( 4 ：2 ：0 )( 4 ：2 ：0 ) h i g h m p f h lh p 酬l ( h d t vu s a ) h i g h 一1 4 4 0 m p h 1 4 0 0s s p h 1 4 4 0h p 酬1 4 4 0 ( h d t vc h n )( h d t ve u r ) m a i ns p m lm p m l s n r p m l h p m l ( c a t v )( c d ，d t v ，v c d ) l o wm p l ls n r p l l 表中组合里的m p m l 是d v d 采用的标准规格，这规格是超大规模i c 最容易突破的领域，目前已经有许多公司生产出这一类i c ，如：p h i l i p s 、 s g s t h o m s o n 、l s il o o i c 等公司。s p m l 所需的成本要比m p m l 低， 这主要是因为s i m p l e 类没有b 帧，这样能够节省一半的存储器空间，它主要 用于c a t v 和v c r ：m p h l 规格为美国的h d t v 所采用。目前已经有s t s t h o m s o n 公司生产出h d t v 的专用i c ，p h i l i p s 公司也在完善它们的h d t v 专用i c ；s s p h 1 4 4 0 是欧洲广播公司所采用的h d t v 格式。 4 灵活的复用方式 m p e g - 2 有两种系统复用的方式：传送流( t s ) 和节目流( p s ) 。节目流有点 类似于m p e o 1 ，它是由一个或多个p e s 包组成，在节目流中的各个包要具有 相同的时间基准，节目流包的大小是可变的，节目流通常用于基本无误码的环 境下，如：交互式多媒体应用等。传送流则由一个或多个节目流构成，它可以 包含多个时间基准，传送流的包长是固定的，大小为1 8 8 个字节，传送流适于 可能存在误码的情况下，如广播及远程通信等。 其实这两种码流之间的界限并不是很清楚，而且也不存在子集或超集的关 系，两者都是以包结构为基础的，是可以相互转换，借用p e s 包的公共交换 格式可以从传送流中获取一个节目流内容，但非节目流需要的所有内容均包含 在传送流中。 采用传送流，其灵活性大大地增强了， 速重组和分离。正是由于传送流具有灵活、 它可以高效、方便地应用于宽带场合。 5 视频码流具备可调性 允许借用再复用模块对码流进行快 多个时塞和可变速率的特性，使得 为了保证解码器能够实现n t s c p a l s e c a n 显示时，图像用m p e g 2 编 码后，有可能向上兼容h d t v ，向下兼容会议电视。m p e g 2 采用了分级压缩 编码( h i e r a r c h i c a lc o d i n g ) 方式。在非可调句法( m p e o 1 ) 中，只存在有损编码的 基层。而m p e g 一2 为了达到其兼容的目的，还在基层上添加了一些增强层，这 天津大学硕士学位论文 第二章m p e g - 2 标准帕介 些增强层采用的是无损压缩算法。基层可以独立解码，而增强层的解码要依靠 基层。分级编码方式可分为四大类： 空间可调性( s p a t i a ls c a l a b i l i t y ) 信噪比可调性( s n r ) 时间可调性 数据分区 6 帧，场自适应视频处理 当运动较少时，由于帧的相关性大于场，因此帧处理效果优于场处理， 可获得较大程度的压缩。而在多运动或多细节的区域，场处理图像质量要优于 帧处理。m p e g 2 采用的是帧场自适应处理方法。通过对运动特性和图像细节 的丰富程度作出判定，来选择采用场处理还是帧处理。 2 3m p e g 2 标准视频部分简介 目前，m p e ( 3 2 标准已经在全世界范围内得到了广泛的应用，它是数字电 视系统研究的基础，其中的系统和视频部分是信源解码器研制工作的理论依 据。美国a t s c 数字电视标准及欧洲d v b 标准均将m p e g 2 作为其数字电视 视频编码的标准蓝本。许多国家亦纷纷宣布本国未来的数字电视将采用符合 m p e g 2 标准的系统。并且世界上许多知名的a s i c 生产产家都以惊人的速度 推出了m p e g 2 视频专用解码芯片，许许多多基于m p e g 2 标准的应用产品， d v d 、m p 3 、d t v 已经以迅雷不及掩耳之势进入了千家万户。 我国的数字h d t v 功能样机系统的视频编码部分也以m p e g - 2 标准的视 频部分为基础的。同样本论文课题所研制的数字h d t v 机顶盒中的视频解码 也是遵循i s o i e ci s1 3 8 1 8 - 2 标准。 m p e g 2 标准充分利用数字图像处理技术的最新发展来尽量压缩数字视频 信号。它根据活动图像的特点和人眼的视觉特性，并利用下列技术对图像数据 进行压缩： 1 采用帧内编码帧( i 帧) 、预测编码帧( p 帧) 和双向预测帧( b 帧) - - 种帧 结构模式，p 帧和b 帧采用了运动预测和运动补偿。去除序列图像在 时间域上的相关性，仅传送很小的帧差信号，大大压缩了图像数据； 2 对帧问预测误差或帧内原始图像数据进行8 x $ 像素块的离散余弦变 换，以消除图像在空间域上的相关性； 3 在离散余弦变换中对8 x 8 的d c t 系数设置自适应量化器，以充分利 用人眼特性，量化后的系数在利用一定的扫描方式进行排序，以便进 行变字长编码； 4 对量化后的d c t 系数采用h u f f m a a 变字长编码，实现熵编码：即：对 于出现概率小的系数可以采用长字长的码子，对于出现概率大的码子 则采用短字长的码子。这样就可以消除图像中的统计相关性； 5 此外对d c t 系数的游程编码、色度分量的水平垂直亚取样以及编码 器总体上采纳的防止码率上下溢的编码控制策略都极大地提高了系统 的编码效率。 天津大学硕士学位论文 第二章m p e g - 2 标准饷介 编码视频比特流中的最高语法结构是视频序列。一个视频序列包括序列 头，每个序列头后可以有多个图像组层，而每个图像组层又可以包含多个编码 帧。m p e g - 2 的视频数据编码采用多层结构。它们从高到低是序列层( s e q u e n c e l a y e r ) 、图像组层( g r o u p o f p i c t u r e sl a y e r ) 、图像层( p i c t u r el a y e r ) 、条层( s l i c e l a y e r ) 、宏块层( m a c r o b l o c kl a y e r ) 、 p i l 一 回国回回 v i d e o g r o u po s f e 罴c t u r e p i 一 回国回回回回回国回国 这种多层嵌套结构使得编出的码流结构明了、易读，便于演播室实现快进、 快退、暂停和插入i 临时图像组等特技效果。 总之，m p e g - 2 标准的出台，结束了全世界数字图像编解码的各自为阵的 混乱局面，为今后全球数字电视制式的统一打下了基础。 卿 网圉 天津大学硕士学位论文 第三章s t i 7 0 0 0 视频解码芯片简介 第三章s t i 7 0 0 0 视频解码芯片简介 s t i 7 0 0 0 是s o s t h o m s o n 公司生产的符合m p e o - 1 和m p e o 一2 的h d t v 视频解码专用芯片。它主要应用于高清晰度电视、先进电视、数字电视和数字 机顶盒。 3 1s t i 7 0 0 0 视频解码芯片的结构 图3 1 是s t l 7 0 0 0 的功能模块框图。整个l c 一共有四个外部接口：微控制 器接口，本地s d r a m 存储器接口，标准清晰度或高清晰度视频输出接口，标准 清晰度数字视频输入接口( d 1 ) 。这些接口加上一定数量的s o p , a m 以及视频后 处理电路就构成了一个完整的m p e g - 2 视频解码系统。s t i 7 0 0 0 一共提供了2 2 个中断和1 0 8 个寄存器供开发人员使用。下面对s t i 7 0 0 0 的几个接口作一简单 介绍，在后面的章节中将有更详细的说明。 一微控制器接口 微控制器接口共有下列信号： 一d 7 一d o8 位数据线；a 7 一a 08 位地址线；一r w 读写选择； 一读写选通；一s m 日 c d 写选通；一r 阳c d 请求： 一鹏q 中断请求。 这个接口主要有以下三个功能： 1 将压缩数据传向视频解码器； 2 为控制s t i 7 0 0 0 提供中断和访问内部寄存器的路径； 3 通过存储器访问来对o s d 和数据进行操作。 压缩数据的传输和对内部寄存器的读写是共用控制器的数据线d 7 一d 0 。微 控制器有两个选通信号：岱和s t r b 。当进行寄存器读写操作时，s t r b 为高电 平：反之进行压缩数据传输时，四为高电平。开始码检测器是用来捕获视频序 列中的不同层的开始码的。s t i 7 0 0 0 既可以接受p e s 流又可以接受e s 流，