（信号与信息处理专业论文）mpeg2视频台标系统及码率变换的研究与实现.pdf

m p e g 一2 视频台标系统及码率变换的研究及实现 摘要 f 演播室编辑存在线性和非线性两种编辑方式。过去，素材的记录长度和时间 成j 下比，如果需要处理其中某个片断，只有从前至后顺序搜寻，才能实现定位， 线性编辑方式受到早期节目记录方式的限制，所以存在编辑处理效率低的缺点。 随着v l s i 技术的日益成熟，节目存储越来越多地采用硬盘及光盘，不仅存取速 度大为提高，而且借助计算机，可以实现对素材任意部分的随机存取、修改，不 再受到节目内容记录j i 瞑序的制约，实现了非线性编辑。 ， 多媒体非线性编辑方式可是说是多媒体技术发展的产物，它是针对传统的编 辑而命名的。它以计算机为平台，配以专用的板卡和高速硬盘，用相应的软件控 制完成视频、音频的制作。m p e g 一2 标准的推出真正使数字视频业务得以广泛应 用，越来越多的节目交换是以m p e g 一2 压缩方式进行的，使演播室制作涉及大量 对m p e g 编码压缩节目的处理，如不同的节目交换，在画面上叠加字、台标，实 、一。一一 现淡入淡出( f a d ei n f a d eo u t ) 。，。 本文介绍了非线性编辑系统的原理及结构组成，并致力于m p e g 一2 视频台标 系统的研究与实现。由于目前演播室多采用m - j p e g 方式制作节目，由于各帧之 间相互独立，所以其上的编辑处理并不复杂，而m p e g 码流利用了帧间相关性消 除时间冗余度以实现高压缩比在其上进行码流编辑m - j p e g 方式制作的节目来得 ， 复杂。趟常的办法是对码流完全解码，加上台标，然后二次编码，这种完全解码 、一， + 再编码级联方式在广播链路中图像降质是非常明显的j 本文避免传统的完全解 ， 码+ 再编码的处理方式，依据所叠加台标的大小及位置，参考不同的图像帧类型 及在一个图像组( g o p ) 中的位置，确定出各帧的台标相关区的大小。对台标及相 关区所在的宏块条( s li c e ) 局部解码，加上台标后再局部编码，帧中其它部分码 流不受任何影响，经过缓存拼接到新的码流中。止述局部解码+ 局部编码的方法 、，一r 仍然在像素域中进行的，本文自5 | 最后研究了m c d c t 域上实现局部解码+ 编码叠 ， 加台标操作的可能性：通过将m c d c t 域转化到d c t 域，在这里牵扯到依据运动 矢量直接在d c t 域上进行当前块的重建，可以预先存储变换矩阵以加快运行速 度。台标及其相关区的确定原理与像素域的确定原理是一致的，依照本文最后提 出的d c t 域上进行图像叠加的方法实现d c t 域上局部解码+ 再编码视频台标系 统。 本文的最后讨论了码率变换再量化过程中出现的问题，较深入地揭示了问题 的实质。并根据最小均方误差准则，系统地给出了问题的解决方案。睡论和模拟 试验均表明，应用本文提出的具体方案，取得了良好的效果，比较有效地减少了 再量化过程中引入的误差。同时针对码率变换传输过程中编解码器端和码率变换 器端的缓冲区控制给出了模型得出较为简单的码率控制方案。r 一 关键词： 数字祝频编辑：非线性编辑丫a t l a n t i c 计划，局部解硝d c t 域运动 补偿，m p e g 一2 7 图像组，宏块条，码率变换y 再量化y 码率控制。 s t u d ya n di m p i e m e n t a t i o no f m p e g 2 l o g os y s t e m sa n d t r a n s c o din g a b s t r a c t t h e r ee x i t sl i n e a ra n dn o n l i n e a re d i t i n gs y s t e m si ns t u d i o s i nt h ep a s t ，r e c o r d i n g l e n g t ho ft h em a t e r i a l si si np r o p o r t i o nt ot h er e c o r d i n gt i m e ，i fs o m ep a r t so ft h e m n e e d p r o c e s s i n g ，t h eo n l ym e t h o d t ol o c a t et h e mi st os e a r c ht h ew h o l e v i d e o t a p ef r o m t h eb e g i n n i n gt ot h ee n d ，s oi ti si n e v i t a b l et of i n do u tt h a tl i n e a re d i t i n gs y s t e m s p o s s e s st h ed i s a d v a n t a g eo fl o wp r o c e s s i n ge f f i c i e n c yd u et o t r a d i t i o n a lr e c o r d i n g m e t h o d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r eh a r dd i s k sa n d c o m p a c t d i s k sa r en e e d e dt or e c o r dp r o g r a m s ，n o to n l yt r e m e n d o u s l yb o o s ta c c e s s i n g s p e e d ，b u ta l s ob y d i n to f c o m p u t e r c a l lw e i m p l e m e n ta c c e s s i n g ，m o d i f y i n ga r b i t r a r y p a r t so fm a t e r i a l sr e g a r d l e s so ft h el i m i t a t i o ni n t r o d u c e db yr e c o r d i n gm e t h o d so f p r o g r a m s m u l t i m e d i an o n l i n e a re d i t i n gf a s h i o ni st h eo u t c o m eo fr a p i d l y d e v e l o p i n g m u l t i m e d i at e c h n o l o g y i tn a m e sa f t e rt h et r a d i t i o n a le d i t i n gm e t h o d s i th e a v i l yr e l i e s o nc o m p u t e rp r o c e s s o r , e q u i p p e dw i t hs p e c i f i cb o a r d sa n dh i 曲s p e e dh a r dd i s k s ，t o p r o c e s sv i d e o a u d i om a t e r i a l sb yg i v e ns o f t w a r e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n so nd i g i t a l v i d e oo w et ot h ei n t r o d u c t i o no fm p e g - 2s t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r ep r o g r a ms 谢t c h i si nm a n n e ro fm p e g 一2c o m p r e s s i o nm e t h o d s t h i sc a u s e sm a n yp r o c e s s e sd e a l t w i t hm p e g - c o m p r e s s e dp r o g r a m so n p r o g r a ms w i t c h i n g ，i n s e r t i n gc a p t i o n sa n dl o g e s ， r e a l i z i n gf a d ei n & f a d e o u to p e r a t i o ne t c t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e s a n da r c h i t e c t u r e so fn o n _ l i n e a r e d i t i n g s y s t e m s ，a l s od e d i c a t e st os t u d y i n ga n di m p l e m e n t i n go f m p e g 2l o g os y s t e m s d u e t ot h ew i d e l yu s e dm j p e gm e t h o d ，t h ef r a m ei s i n d e p e n d e n to fe a c ho t h e li ti s n a t u r a lt h a tp r o c e s s i n gs u c hm a t e r i a l sd o e sn o tc o s tm u c h m p e gs t r e a m sa r ei nu s e o fc o r r e l a t i o n o f e a c hf r a m e t oe l i m i n a t et i m e r e d u n d a n c y t oa c h i e v e h i g h c o m p r e s s i o nr a t i o ，s op r o c e s s i n g o nm p e gc o m p r e s s e ds t r e a m s i sm u c hm o r e c o m p l e xt h a nt h a t o nm j p e gc o m p r e s s e ds t r e a m s t r a d i t i o n a lm e t h o di st of u l l y d e c o d et h es t r e a m s ，t oi n s e r tl o g o ，t h e nt oe n c o d et h es t r e a m ss e c o n d l y , t h i sm a n n e ro f f u l l yd e c o d i n g + r e - e n c o d i n g c a s c a d em e t h o d si n t r o d u c em u c ho b v i o u si m a g e q a a l i t y d e g r a d ei nb r o a d c a s t i n ge n v i r o n m e n t t h i sp a p e ra v o i d su s i n gt r a d i t i o n a l m e t h o d w h i l eb a s i n gu p o nt h es i z ea n dp o s i t i o no ft h el o g on e e d e dt ob ei n s e r t e d ，r e f e r r i n gt o t h et y p eo f p i c t u r ef r a m ea n dt h ei n d e xo f t h ef r a m ei ng i v e ng o p , d e f i n i t e l yd e c i d e s t h el o g oc o r r e l a t e da r e ao fe a c hf r a m e w ef i r s t l yp a r t i a l l yd e c o d et h es l i c e sw h e r e l o g oc o r r e l a t e da r e al i e si n ，t h e ni n s e r tl o g oa n dp a r t i a l l ye n c o d et h es l i c e sm o d i f i e d ， o t h e rp a r t so ft h ef r a m ed on o tn e e dt ob em o d i f i e d a tl a s t ，w es p l i c et h et w o p a r t so f t h es t r e a m st og e n e r a t et h en e w t r a n s p o r ts t r e a m s t h em e t h o dm e n t i o n e da b o v es t i l l p r o c e s s e si np i x e ld o m a i n i nt h el a s tp a r to fc h a p t e r3 ，w es t u d yo nt h ep o s s i b i l i t yo f i m p l e m e n t a t i o no fp a r t i a l l yd e c o d i n g + r e - e n c o d i n gl o g oi n s e r t i o nm e t h o di nd c t d o m a i n ：b ym e a n s o f c h a n g i n gm c d c t d o m a i nt od c td o m a i nw h e r ew em u s tt a k e t h er e c o n s t r u c t i o no fc u r r e n tb l o c ki nu s eo fm vi n t o c o n s i d e r a t i o n w ec a n b e f o r e h a n ds t o r et h et r a n s f o r mm a t r i xt o e x p e d i t e t h e s p e e do fp r o c e s s i n g t h e p r i n c i p l et od e c i d et h el o g o c o r r e l a t e dr e g i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h a ti np i x e ld o m a i n w ec a l lr e a l i z et h ei m p l e m e n t a t i o n o f p a r t i a l l yd e c o d i n g + r e - e n c o d i n gm e t h o di nd c t d o m a i na c c o r d i n gt oo u r p r o p o s e d m e t h o d i nt h ee n do ft h i s p a p e r , w ep r e c i s e l ye x p o s e ap r o b l e mo c c u r r e dd u r i n g r e q u a n t i z a t i o np r o c e s si nm p e g 一2t r a n s c o d i n g f i r s t l yw ee x p a t i a t et h eo r i g i no ft h e p r o b l e m a n dt h e nw e s y s t e m a t i c a l l yp r o p o s eas c h e m e w i t hw h i c hw eu s em s em l e t o r e d u c et h e r e q u a n t i z a t i o n e r r o r s t h e o r i e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u r p r o p o s e ds c h e m ee f f i c i e n t l yr e d u c e st h er e - q u a n t i z a t i o ne r r o r sw h i l er e s u l t si nh i g h e r p i c t u r eq u a l i t y m e a n w h i l e ，w ed e r i v eas i m p l er a t ec o n t r o ls c h e m et ok e e pt h eb u f f e r 胁mo v e r f l o wo ru n d e r f i o w k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e o e d i t i n g ，n o n l i n e a re d i t i n g ，a t l a n t i cp r o j e c t ，p a r t i a l l y d e c o d i n g ，m o t i o nc o m p e n s a t i o ni nd c td o m a i n ，m p e g 2 ，o o p , s l i c e ，t r a n s c o d i n g ，r e - q u a n t i z a t i o n ，r a t ec o n t r o l m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 数字技术正在影响着人们日常生活的方方面面，从随处可见的v c d 、g s m 移 动电话等到业界大力发展的c d m a 、v o d 等，数字技术正以极其平常的姿态深入人 们的生活，在这场数字技术的变革中，数字电视又是其中的一个重要内容。 数字电视的出现，集中体现了许多最新技术成果，在相关领域引发了一系列 的新技术革命，使电视技术发生了本质的飞跃，如在节目编辑制作、图像质量的 改观上，从模拟复合到模拟分量，到数字复合、数字分量、压缩数字分量，d l ， d 一2 ，d 一3 ，d 一5 ，d - 6 ，数字b e t a c a m ，b e t a c a ms x ，d v c p r o ，d v c a m ，d i g i t a l s ， 电脑动画，非线性编辑，桌上演播室，虚拟演播室，视频服务器等，一应俱全， 应有尽有。就传输方面而言，码率压缩技术的全方位突破，不仅使演播室到发射 之间越来越多地采用数字技术，数字压缩卫星直播也成为卫星广播的主流。有线 电视采用数字技术，可以向用户提供5 0 0 套数字频道和6 0 套模拟频道服务。多 种新型调制方法，如6 4 q a m ，2 5 6 q a m ，8 v s b ，1 6 v s b ，c o f d m 等都已开始在各种传 输信道中应用。各种通信、计算机协议越来越多地融合到电视传输系统，如 a t m s d h 、t c p i p 等已开始和m p e g d v b 相结合“。 电视系统的数字化给节目制作、传输到播出都带来了革命性的变化? 。首先 数字电视的节目制作完全不同于原有传统的模拟电视节目，从摄录、制作、编辑、 保存等均不同。从采用数字录像机输出高速的数字原始图像，一般可能经过光缆 输入给音视频编码器，编码器输出的压缩码流由数字录像机或是视频服务器进行 存储。压缩后码流的编辑和制作相对于传统模拟电视而言要困难得多，因为压缩 域的码流未经解码并不能体现原有图像的所有性质。其次，数字电视使三网合一 成为可能，从而使多媒体业务有可能首先经过目前带宽最宽的电视通道到达用户 家庭，从而将大量的用户群落联系起来，逐步形成统一的信息传输交换网，如可 以利用数字电视网进行i n t e r n e t 浏览，网上购物，视频点播等。第四个变化是 数字信道可实现不同种类业务的最佳组合，如电视、声音、数据，满足众多应用 场合的需要，根据信道带宽和业务需求灵活分配各类视频、音频及数据业务。 为使多种业务综合到一个系统中，制定统一的标准是这一目标得以实现的首要前 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 提。这一标准涉及和涵盖的范围远超出模拟系统中标准所涉及的方面。在数字系 统中，标准不仅针对外围设备，而且还对数字信号整个处理流程甚至每个比特的 细节都作了详细的规定。因此，对符合同一标准的设备，其原理都是相同的，设 备就是标准的体现。当然，对于标准中未涉及的部分，如m p e g 一2 的编码器，多 节目复用，统计复用及加解扰等，有些厂家已有自己的实现方式。此外，传输的 数字化必然加速网络化的进程，从而促进整个社会的信息化。而网络互连、互通 和标准的建立密不可分，所以数字电视系统标准有着举足轻重的地位”j 。 数字电视标准的制定从演播室开始，产生了将n t s c 、p a l 和s e c a m 三种制式 统一起来的i t u r6 0 1 数字演播室标准。随后m p e g l 标准所带来的巨大经济效 益( 尤其是在中国) 进一步推动了数字系统各层面标准的全面制定。m p e g 一2 对 标准清晰度电视和高清晰度电视的各层次进行了详细规定，但未涉及信道，d v b 规定了卫星、电缆和地面广播等传输媒介中的各种处理，美国d t v 标准则对s d t v 和h d t v 的显示格式和地面传输中的相关环节进行了规定。标准的制定，将各种 视频、音频和数据业务综合在一个系统中，使计算机和电视的融合成为可能。但 诸如v o d 、网上购物等交互应用需要反向信道的标准，如何与通信、计算机设备 互联，各种媒体的表示，都需要制定标准。目前国际上的相关组织一直在从事各 种标准的制订和商榷之中。 随着计算机视频技术的发展，非线性编辑系统应运而生。它的出现完全改变 了电视编辑人员的编辑思路和工作方式：在节目制作中，把素材剪辑、节目编排、 特技、字幕及配音等全过程，集成在非线性编辑系统中完成，无须翻版倒带一次即 可得到成品带。由于在节目制作过程中素材己变成数字信号，经过计算机各种软 件多次运算处理( 如多层叠画、特技、字幕叠加及配音等) 后，不会发生质量劣化， 从而保证了节目画面的高质量。 1 2 数字电视 数字电视，尤其是高清晰度电视是在现代电子技术、通信技术和信息加工技 术高度发展的基础上集多方面的成就于一身的高科技产物。自从1 9 7 1 年日本n h k 首次提出高清晰度电视的概念“j ，日本、美国、欧洲等积极着手数字电视技术的 研究，相继取得了引人注目的进展。进入九十年代，美国的全数字h d t v 方案后 来居上，它采用先进的图像压缩和数字通信技术，取得很大成功，美国并于9 8 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现 第一章绪论 年1 0 月进行了高清晰度电视的试播。目前，高清晰度电视在世界范围内正在跨 出科研阶段而进入商品化的时代，它的发展标志着一个国家的技术水平和经济实 力，并能带动整个电子信息技术及相关领域的发展，成为技术发展的驱动器和经 济发展的倍增器，被称为继半导体、电子计算机之后电子行业的第三次机遇。因 此，发展我国自己的全数字电视技术对于推动我国电子行业的发展、培养人才、 保护国内市场等有着重要的意义。基于以上原因，我国的专家、学者从八十年代 开始就介绍高清晰度电视，密切注意其发展动向，对发展我国高清晰度电视提出 了许多积极的建议，并于1 9 9 3 年将“高清晰度电视广播的高技术研究”列为国 家自然科学基金重点项目。目前已经研制成功我国的第二代h d t v h d t v 测试与 转播系统。 高清晰度电视涉及到电子信息技术产业的多个方面，包括高清晰度的摄像设 备、高速模数转换、视频音频的信源压缩编码、信道编码、调制技术、记录媒体 和显示技术等。为在普通电视频带内传送高质量的h d t v 信号，图像压缩编码是 关键问题。 高清晰度电视是正常人眼观看h d t v 时，图像的主观质量应接近或达到观看 真实景物的效果，与3 5 m m 电影相当。彩色重现质量优于现代电视标准，宽高比 为1 6 ：9 ，并配有多声道优质伴音。h d t v 信号的信息量是常规电视信号的五倍以 上，传输时占用频带宽，存储时占用媒体容量大，如不经压缩编码，根本不可能 在现有的8 m h z 电视频道内进行传输。因此，对高清晰度电视图像进行压缩编码 是关键技术。 图像编码的研究始于四十年代末，经过四十多年的发展，己日趋走向成熟， 形成了目前最为广泛采用的混合编码方案，即m p e g - 2 标准推荐的方案：采用运 动补偿的帧问预测，以利用图像时间域的相关性；接着对预测误差进行8 8 像 素块的离散余弦变换( d c t ) ，以利用图像空间域的相关性；然后对d c t 变换系数 进行自适应量化，以充分利用人眼的视觉特性：再采用h u f f m a n 可变长编码器实 现熵编码：最后采用输出缓冲存储器平滑码流，以保证输出码率为恒定值。这一 图像压缩编码算法是迄今为止已被证明为效率最高且又实用的算法。”。与此同 时，v l s i 技术迅猛发展，各种数字视频信号处理器和视频编解码芯片相继推出， 为视频压缩编码的实时实现创造了有利的条件。 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 以上种种因素为研制我国自身的高清晰度电视系统创造了十分有利的条件。 因此，国家科委于9 5 年决定研制h d t v 功能样机，并于9 8 年7 月研制成功功能 样机系统，于9 8 年9 月8 日至1 2 日通过中央电视塔进行了h d t v 节目的地面无 线广播和接收汇报演示。我国的第二代高清晰度电视样机系统“高清晰度电视测 试与转播系统”从9 8 年1 1 月开始研制，并于9 9 年9 月完成研制，进行了我国 高清晰度电视的第一次实播，成功转播了国庆5 0 周年的盛大庆祝活动。 1 3m p e g 环境下视频码流的编辑 随着电子技术，尤其是v l s i 的发展，使电视节目编辑得以迅速发展，但仅 当和计算机技术相结合，非线性编辑方式的出现，才真正实现了对数字视频节目 的编辑，使电视节目的制作、后期加工日益成熟”“。 电视非线性编辑系统诞生不足十年，它的发展比当初人们预料的快得多。这 不仅仅是计算机产业的发展所致，而主要是几项关键技术的出现与支持。 l 算法优化、i c 性能提高模拟信号在进入计算机进行处理时首先要进行数字 化。视频信号数字化后数据量十分惊人，一个i t u r 6 0 1 的数字视频流码率为 1 6 5 9 m b p s 。对如此巨大的数据量进行处理对计算机的要求实在是太高了。并且 对数据存储时，如此巨大的数据量成本太高。例如：i g b 的硬盘只能记录4 9 秒电 视信号。因此，必须采用数据压缩技术将数据量降下来。1 9 9 2 年，i s o ( 国际标准 化组织) 颁布了j p e g 标准。这种算法在计算机界只用于压缩静止图像，它的真正 用武之地是在电视非线性编辑设备上。j p e g 算法的好处在于帧内压缩，系统构成 的灵活性比较大，既可以做到无损压缩，也可以做到质量尚可的有损压缩。j p e 6 的信号处理器从9 0 年代以来发展很快，可以达到实时的速度( p a l 制为2 5 帧 秒，n t s c 制为3 0 帧秒) 完成运动视频图像的压缩。因此这时的压缩性能被称为 m o t i o n j p e g 。由于专业视频编辑常常需要对场进行处理，因此压缩必须对场进 行，而不是帧。这样在数字解码器后需经过一个两场存储器f r a m 才能进行后续压 缩处理。这也是m o t i o n j p e g 与j p e g 的最大区别。目前m o t i o n - - j p e g 的算法优 化主要体现在更快的压缩速度、彻底消除丢帧，减少大压缩比时的马赛克效应、 精确索引到场、减少快速运动时的边界抖动、可旁路d c t 作无损压缩。小波算法 也是有损压缩算法，它的优点是压缩效率比d c t 高。其基本思想是：对于给定的数 字信号矩阵，将其分解为一个个高通和低通的子信号，且两者相互正交，在必要时 4 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 可以递归地对每一个子信号分解下去，直到需要的信号带宽为止，然后再进行分 析和运算。由于采用了塔形分解的数据结构，与人眼的观察习惯( 由粗到细，由全 貌到细节) 相一致。它具有的时间和频率定位能力，初步实现了图像中平稳成分和 非平稳成分的分离。适合用d c t 变换进行压缩的图像是那些信号带宽很窄的图像， 而小波变换是一种频率上伸缩自由的变换。当信号带宽较窄时，可以通过缩小的 方法使得对窄带信号的刻划较精细。当信号带宽较宽时，可以通过放大的方式描 述满足精度要求。因此小波算法是一种不受带宽约束的图像压缩方法。较好地解 决了时间和分辨率的矛盾。通过对原始图像在独立的频带与不同空间方向上的分 解，利用人眼视觉在相应频带内和空间选择上敏感性的不同，对图像作出压缩处 理。最近，小波变换经多年的改进，又重新引起人们的重视以及相应的硬件开发。 a d 公司在1 9 9 6 年底制成了7 2 0 2 8 8 分辨率的小波压缩芯片a d v 6 0 1 ，虽然还达不 到广播级指标，但开创了小波集成化的先河。美籍华人欧阳合提出的改进算法， 把小波推向了实用，帧内压缩3 0 0 倍的人像还原后依然清晰明亮。据报道能用于 非线性编辑的小波芯片不久可面世。 2 介质流微型计算机处理任何信号都是得心应手，唯独遇到视频信号力不从 心。在4 8 6 时代，人们把希望寄托在具有1 3 2 m h z 带宽的p c i 总线上。等到使用 p c i 总线的p e n t i u m 出现后，才发现这种局域总线的实际带宽只有4 0 8 0 m h z 。另 外，高速硬盘、光驱、显卡、声卡等外设占去了相当的带宽，剩余带宽没有多少。 更令人失望的是p c i 上的数据是打包分时传送的。各种外设轮流占据总线，而数 字视频信号是连续的、同步的高速数据流，与p c i 总线的传输方式不匹配，除非在 板卡上设置巨大的f i f o 缓冲区，这种缓冲区的价格十分昂贵，而且也只能在剩余 带宽上传输一路压缩比较大的视频信号。鉴于上述情况，1 9 9 5 年，美国著名芯片 制造商b r o o k t r e e 提出了介质流的概念，其核心是不同格式的视频信号用媒体加 速的方法集中处理，是各种高速媒体总线的总称，其中最有名的是m o v i e 一2 总线， 它可以同时容纳8 路l o b i t 量化的视频信号，6 路8 b i t 量化信号，4 路1 6 b i t 量化 的立体声信号以及伺服控制信号，能兼容8 位、1 6 位、3 2 位总线格式，在2 4 2 m b s 有恒定数据带宽，几乎是p c i 有效带宽的3 6 倍。另外，该高数据量总线的设计。 还带给整个系统以开放性和易扩展性等优点。有了m o v i e 一2 总线，就彻底释放 了计算机的资源，多层画面的实时传输完全是在视频板卡上实现的，与计算机无 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 关。也免于非线性编辑系统跟着计算机走马灯似的升级。m a t r o x 、p i n n a c l e 和 d p s 的双通道板卡上都带有m o v i e 一2 总线。在软件技术中，也生产了一个介质流。 这就是o p e n d m l 文件格式标准。微软曾经为多媒体制定过软件结构框架v f w ，它 与苹果机上的q u i c k t i m e 很相似。v f w 限制每个a v i 文件为2 g b ，文件索引到帧， 不支持a l p h a 通道，不支持音频与视频同步，也没有软件端口控制板卡上的硬件 d v e 、划像器和键控等视频部件。1 9 9 5 年o p e n d m l 组织扩展了a v i 文件的大小， 改帧索引为场索引。同年微软开始为m p e g 制定a c t i v e m o v i e ，1 9 9 6 年8 月微软制 定了更完善的软件平台d i r e c t s h o w ，它允许一个a v i 文件大到1 2 0 0 0 0 g b ，支持软 件端口直接控制硬件，支持r a i d ，它能把多达3 2 个硬盘管理成一个逻辑盘，容量 可以高达6 0 0 g b 以上，能记录3 0 小时的数字叭级素材。这实际上使非线性编辑 系统在素材采集上已不存在文件大小的限制问题了。 3 r a i d 实施方式。在双通道非线性编辑系统中，有了m o v i e 一2 总 线，u 1 t r a w i d e s c s i 总线后，视频信号传输的瓶颈是存储视频素材的硬盘。虽然最 近几年温式硬盘的制造技术己达t l j l a 高水平，但硬盘毕竟仍属于机械设备，用马 达旋转加磁头移动方式读写数据，速度只能达到毫秒级。相比之下，r a m 的速度则 是纳秒级，两者相差一百万倍。因此，普通硬盘根本无法实时记录一路无压缩视频 数据。而且写盘的速度比读盘的速度更慢一些。同时还必须考虑到系统的可靠性 和数据的即时可得性。使用r a i d 技术是一种很好的解决方案。系统的可靠性是 指对所存储数据的长时间存取，不会因某个硬盘损坏而丢失数据，可得性是指在 短时间内对存储数据的丢失有恢复功能，即使存储器件损坏，在用户感觉不到的 情况下即可恢复，也就是说可靠性是指有备份，而可得性是指器件有损时系统恢 复时间短。这就意味着一旦有一个硬盘损坏，会马上有备用硬盘取代损坏硬盘的 工作，保持原系统功能不变，具有这种特性的相互独立的硬盘存储阵列称为具有 冗余的相互独立的硬盘阵列r a i d 。r a i d 可以分为7 个级别：0 、1 、3 、5 、l o 、3 0 和5 0 。0 、1 、3 、5 级已标准化。1 0 、3 0 、5 0 仍在讨论中。非线性编辑系统在广 播电视领域的应用不仅仅是原有线性磁带编辑系统的扩展与外延，而重要的是改 变了电视编辑人员的编辑观念和工作方式，随着技术的不断提高和完善，模拟电 视向数字电视的过渡，非线性编辑系统将会在电视编辑中成为占主导地位的编辑 系统。 m p e g 2 视频台标系统及码率变换的研究与实现第一章绪论 1 4 本文内容和成果 本文后续内容如下： 第二章本章主要介绍了i s o i e c j t c l s c 2 9 w g i1 工作组即( m o v i n gp i c t u r e s e x p e r t sg r o u p ) 提出的m p e g 一2 标准的系统部分1 3 8 1 8 1 和视频部分1 3 8 1 8 2 ， 并介绍非线性编辑系统的结构及原理，并介绍了欧洲a t l a n t i c 计划，提出了完 全m p e g 数字演播室的概念。 第三章本章介绍局部解码+ 再编码的方法实现m p e g - 2 视频台标系统的原理，采 用该方法避免了传统的完全解码+ 再编码方法运算量大的缺点，简化了设备，同 时讨论了在d c t 域上实现局部解码+ 编码叠加台标的可能性。 第四章本章重点讨论了码率变换再量化过程中出现的问题，较深入地揭示了问 题的实质。并根据最小均方误差准则，系统地给出了问题的解决方案。理论和模 拟试验均表明，应用本文提出的具体方案，取得了良好的效果，比较有效地减少 了再量化过程中引入的误差。同时针对码率变换传输过程中编解码器端和码率变 换器端的缓冲区控制给出了模型得出较为简单的码率控制方案。 本文的主要创新性研究成果包括： l 研究、讨论了m p e g 一2 视频编码标准及非线性编辑系统的原理。指出其不足之 处及其今后的发展趋势。 2 给出了运用局部解码+ 再编码方法实现了像素域台标系统的叠加的原理，该方 法与传统的完全解码+ 再编码的台标叠加方法相比大大减少了运算量，节约了设 备的成本。 3 讨论了m c d c t 域转换到d c t 域直接进行台标叠加操作的原理，消除了i d c t 环 节，进一步减少了运算量，实现了采用局部解码+ 再编码方案视频台标系统的优 化。 4 讨论码率变换过程中出现的再量化误差问题，较深入地揭示了问题的实质，并 根据最小均方误差准则，系统地给出了问题的解决方案。同时通过针对码率变换 传输过程中编解码器端和码率变换器端的缓冲区控制给出的模型得出较为简单 的码率控制方案。 m p e g 2 视频台标系统及码率变化的研究与实现第二章m p e g 2 标准和非线性编辑系统 第二章m p e g 一2 标准和非线性编辑系统 m p e g 是m o v i n g p i c t u r e s e x p e r t s g r o u p ( 运动图像专家组) 的缩写。1 9 8 7 年， i s o ( i 虱际标准化组织) 和m e ( 国际电子技术委员会) 成立了一个j t e c ( 联合技术委 员会) 以加强信息技术的合作。在j t e c 的组织下，根据不同的领域，成立了不 同的s c ( 分委员会) 。其中，s c 2 9 主要研究声音图像编码的标准。1 9 8 8 年，在 s c 2 9 下成立了一个w g ( t 作组) 来定义用于声音和图像压缩的国际标准。现在， s c 2 9 下共有3 个w g ：w g l 研究静止图像编码标准，w g l l 研究活动图像和声音 的编码标准，w g l 2 研究多媒体和超媒体信息的编码。其中，w g l l 就是m p e g 专家组。m p e g 和i s o i e c 的关系如图2 1 所示。 图2lm p e g 与i s 0 i e c 的关系 f i g2 1 r e l a t i o nb e t w e e nm p e ga n di s 0 i e c m p e g 是一个组织，这个专家组的任务是给用于数字存储介质，电视广播和 通信的运动图像和它的伴音制定一种通用的编码方法。符合这种编码方法的视频 可以作为计算机数据的形式加以管理，可以存储于各种媒体，可以在现有的或将 来的网络上进行传送和接收，也可以在现有的和将来的广播信道中进行分配。人 们习惯于用m p e g 来代表它制定的编码标准。m p e g 标准主要包括m p e g l ， m p e g 一2 ，m p e g 一4 ，m p e g 一7 和m p e g 2 l 等。m p e g 一1 主要是针对数字存储 媒体的声音，图像编码标准，如用于c d ，最高码率为1 5 m b s 。m p e g 一2 主要是 用于传输声音，图像数据压缩标准，它是m p e g 一1 的进一步发展，码率在1 5 m b s 到5 0 m b s 之间。 1 9 9 4 年1 1 月1 1 日，m p e g 在新加坡举行的第2 9 次会议批准了公布m p e g 一2 的决定。这对国际标准化来说具有重要的历程碑的意义，因为它建立了全世界范 m p e g ，2 视频台标系统及码率变化的研究与实现 第二章m p e g 一2 标准和非线性编辑系统 围内数字音频一视频服务和应用的相互操作的可能性。 原先的m p e g 3 是针对h d t v 的标准制定，后由于m p e g 一2 标准中已包 含了针对h d t v 的应用，m p e g 一3 实际上并不存在。m p e g 一4 起初针对无线接入 应用，后随着多媒体的发展，它逐渐向基于网络的低码率的视频应用发展，例如， 基于p c 的多媒体，游戏以及视频会议等等。 2 1 视频压缩技术的历史 国际演播室标准给数字视频( c c i rr e c 6 0 1 ) 规定的取样频率是：对亮度为 1 3 5 m h z ，对比度为6 7 5 m h z ；8 比特量化( 即2 5 6 级) 的黑白动态范围；于是总 码率为1 3 5 x 2 x8 = 2 1 6 m b p s 。这样的码率视频流想通过8 m h z 信道传输是不可 能的，因此必须加以压缩。 国际上研究数字通信已近5 0 年，8 0 年代初，电视会议系统开始出现，传送 的数据率仍然偏高，信道线路成本仍然很高。1 9 8 0 1 9 8 4 年间通过了“数字集 群传输会议电视”的h 1 2 0 和h 1 3 0 建议并于1 9 8 4 年成立“电视电话专家组”， 1 9 8 8 年提出了h 2 6 1 视频编码方案。国际会议c c i t t 到1 9 9 0 年1 2 月为止共通 过了5 项有可视电话，会议电视方面的编码建议，即：h 2 2 1 ，h 2 3 0 ，h 2 4 2 h 2 6 1 h 3 2 0 等。除h 3 2 0 规定了末端设备应具备的功能外，其余4 个建议都是有关基 础技术的建议，其中特别是h 2 6 1 建议规定了采用p 6 4 k b p s ，p = l 3 0 的视频编 码方式。 为了在现有不同的电视制式之间进行图像通信，又规定了世界通用的中间 格式( c ) ，要求各种制式的信号在进入编码器之前，都要变成表2 1 所示的c i f , 在接收端，再根据不同的制式进行复原。此外，为了低比特率通信，还拟定了 q c i f 格式，即1 4 c i f , 不论水平，垂直方向都把图像分解变成c i f 的1 ，2 。 p i x e l s r o wk o w s f r n e f r a m e s s c a nm o d e s e e y c 6c ， y c 6c ，