（信号与信息处理专业论文）基于cdma1x的h264视频传输系统及其qos的研究.pdf

基于c d m a l x 的h 2 6 4 视频传输系统及其q 0 s 的研究 摘要 近些年来移动通信和因特网技术得到迅猛发展，人们对于数字视频及 图像传输业务的需求大幅度增加，另一方面，相比较其它类型的信息传输 业务如文本和数据，视频通信需要占用更多的带宽资源，因此为了实现在 带宽受限的条件下( 如无线信道) 的传输，视频必须经过压缩。 h 2 6 4 a v c 是由i t u ( 国际电信联盟) 的v c e g 和i s o i e c 的m p e g 两大组 织联合组成的j v t 共同制定的一项新的视频压缩技术标准，它具有编码效 率高，网络适应性强的特点，使得运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶 段，能以低比特率在不同网络上实时传输高质量视频流。 本文将把h 2 6 4 视频压缩标准与c d m a 移动无线网络相结合，实现基于 d m 6 4 2 的无线视频传输系统。本文的工作主要集中在以下几个方面： 1 首先是系统硬件传输平台的建立，使用中兴的m g 8 15 模块，制版并 编写相应的硬件驱动，以及p p p 协议的实现。 2 传输策略的制定，选择传输层协议。在本系统中采用u d p 协议并对 其进行软件实现。同时为了检测到传输过程中的丢包、错序等信息， 参考r t p 协议为每一个数据包添加一个包头。 3 针对无线网络传输的特点，提出一种基于丢包间隔的拥塞控制策 略。该策略使用丢包间隔信息代替丢包率信息，对网络拥塞的反应 更加及时，因此获得了更好的控制效果。 4 对传输中的错误以及丢包引起的图像质量下降进行控制，并结合拥 塞控制，提出基于包重要性的丢失重传策略，减少了网络中需要重 发的数据。 关键字：c d m a ，视频压缩，无线监控，拥塞控制，差错控制 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fh 2 6 4v j d e os t r e a m i n gs y s t e m a n di t sq o sc o n t r o lb a s e do nc d m a l x a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fk e yt e c h n i q u es u c ha s w i r e l e s sn e t w o r ka n dv i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n i q u e ，t h ed e m a n do f d i g i t a li m a g i n a t i o nt r a n s m i s s i o n i s g r e a t e r t h a ne v e r a sw ek n o w ，t h e t r a n s m i s s i o no fv i d e ow 订1o c c u p ym o r en e tr e s o u r c e s ，s ow es h o u l dc o m p r e s s t h ev i d e ob e f b r et r a n s m i s s i o n 一h 2 6 4 a v cw a sj o i n t l yd e v e i o p e db yi t u tv i d e oc o d i n ge x p e r t sg r o u p a n di s o i e cm o t i o np i c t u r ee x p e ng r o u p ，h 2 6 4i san e wv i d e oc o m p r e s s i o n s t a n d a r d ， h a st h ec h a r a c t e r i s “c so fs t r o n gn e t w o r ka d a p t a b i l i t ya n dh i g h c o d i n ge m c i e n c y ，i m p r o v e sm a k e st h es p o r ti m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e st o ah i g h e rs t a g e i tc a nr e a l t i m e l yt r a n s m i th i 曲q u a l i t yv i d e on o wa tal o wb i t r a t ei nt h ed i f f b r e n tn e t w o r k i n t h i sp a p e r ，w ec o m b i n et h eh 2 6 4v i d e oc o n l p r e s s i o ns t a n d a r d w i t h c d m am o b i l ew i r e l e s sn e t w o r k ；r e a l i z eaw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r ，s e v e r a lp o i n t sa r ef b c u s e d ，w h i c ha r el i s t e db e l o w ： 1 f i r s t i y ，e s t a b l i s has y s t e mh a f d w a r et r a n s m i s s i o np l a t f o r m d e s i g n p c ba d o p t i n gm g 8 1 5m o d u l eo f z t e ，p r o g r a mc o h e s p o n d i n g h a r d w a r ed r i v e r sa n dr e a l i z et h ep p p p r o t o c 0 1 2 s e c o n d l y ，d e s i g nt r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya n ds e l e c tt r a n s p o np r o t o c o i w ea d o p ta n dr e a l i z eu d pp r o t o c o li no u rs y s t e m i no r d e rt 0d e t e c t e p a c k e tl o s s ，w r o n gs e q u e n c ei n f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n ； w ed e s i g nap a c k e th e a df b re a c hp a c k e tr e f e r r i n gt ot h er t p p r o t o c 0 1 3 w ep r o p o s eac o n g e s t i o nc o n t r o ls n a t e g yb a s e d0 nl o s si n t e r v a l t h e s t r a t e g yu s el o s si n t e r v a li n s t e a do fl o s sr a t i o ，r e a c tm o r e “m e l yo nt h e n e t w o r kc o n g e s t i o n ，a n dt h e r e f o r eg a i nb e t t e rr e s u l t s 4 c o n t j o lt h ei m a g eq u a l i t yd e c l i n ed u et ot h et r a n s m j s s i o ne r r o ra n d p a c k e t l o s s c o m b i n ew i t hc o n g e s t i o nc o n t r o l ， p r o p o s e al o s s r e t r a n s m i s s i o ns t r a t e g yb a s e do nw e i g h t i n e s so fp a c k e t ，a n dr e d u c et h e n e e d f u lr e t r a n s m i td a t a k e yw o r d s ：c d m a ，v i d e oc o m p r e s s i o n ，w i r e l e s sm o n i t o r i n 岛c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 e r r o rc o n t r o l 5 插图清单 图1 1 标准视频编码器发展历史 图2 1c d m a 工作原理图 图2 2p p p 协议在网络模型中的位置 图2 3p p p 状态转移图 图2 4l c p 的报文格式 图3 1 拥塞对网络性能的影响 图3 2 不采用f m 0 的片划分 图3 3f m 0 棋盘分片例图 图4 1 无线视频监控系统框图 图4 2 视频采集端硬件框图 图4 3m g 8 1 5 a 的内部结构图 图4 4c d m a 无线网络接口硬件图一 图4 5 终端软件的结构图 图4 6p p p 协议的工作流程 图4 7p p p 协商过程的详细数据帧 图5 1c 踟a 2 0 0 0 l x 无线网络测试模型图 图5 2 丢失间隔计算流程 图5 3 接收端判断是否重传流程 9 nbm驰拍”孙凹如勉弧钒钉 表格清单 表2 1p p p 协议的封装格式1 3 表5 1u d p 传输包大小与丢包率、带宽利用率的关系3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字矿壹弧厉签字日期：凋年f l 月上；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒壁王些盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名砖彳匕雷一名：文蠲 签字日期：日年仁月z 日签字日叫年p 月_ 2 歹日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，首先要感谢我的导师蒋建国教授对课题和论文的 精心指导。蒋老师平易近人、学识渊博，有着丰富的实践经验，他求真务 实的治学精神深深的影响了我。身为学院的负责人，蒋老师身负沉重的行 政业务，但是还是挤出时间参加试验室的例会，记得很多次，蒋老师都是 刚刚出差回来，直接到实验室参加每周例会，眼中还布满血丝，他身体力 行，给我们学生做出了榜样。 感谢齐美彬老师，每次请教问题，他总是非常细致的给予讲解，本课 题得到齐老师很多的指导，使我能够在实践中加深对项目的理解，提高自 己的开发技能。他更是教我们做人要坦荡待人、光明磊落，和我们像朋友 一样的交流，使我受益匪浅；还要感谢吴从中老师，是他在我进试验室的 那一刻起对我的教导，使我接触到了实际的课题，使我对做科研有了信心 和兴趣，吴老师利用他的经验帮我解决了很多的实际问题，使我能够顺利 的完成这篇论文。同时感谢詹署老师、李小红老师、夏娜博士、尤小泉老 师，感谢他们这几年来在学习对我的关心和帮助。 感谢我的师兄常传文，是他在我刚进试验室什么也不懂的时候，不知 疲倦的指导我，在他的指导下，我的动手能力得到了大幅的提高，这也是 我能够完成这篇论文的前提条件。同时要感谢我的同学刘扬，童卫勇，在 与他们的讨论中，获得了许多好的建议和想法，也解决了很多问题。同时 还要感谢胡嘉凯师兄，还有李援、尹翔、张国富、李勇、王德宝、袁玮、 包先雨、徐亚东、蒋庆汝、吴琼、苏兆品、郝永杰、操龙敏等同学，几年 来我们通力合作，完成了多个项目，生活上互相关心，互相帮助，几年来 大家工作在一起，建立了很深的感情，同时也营造了实验室良好的氛围。 感谢我的父母多年来的养育之恩，他们对我所寄予的厚望是我不断向 前的动力，他们目光中所透露的舔犊深情给了我最强有力的支持和信任。 最后，作者还要感谢在百忙之中抽出宝贵时间阅读本论文的各位评委 谢谢1 6 作者：李化雷 2 0 0 7 1 2 1 0 第一章绪论 1 1 无线视频监控系统的意义及应用 在人们的生产生活中，存在大量的现场数据、图像等信息需要进行实 时检测和监督管理，必要的情况下还需要进行一些交互处理和控制。而随 着i p 网络的快速发展，通过i p 网络实现的远程监控系统已经获得了广泛的 应用，而当今i p 网络的发展中又以宽带无线网络的发展最让人激动：从 g s m 到c d m a ，到即将到来的3 g ；由采用8 0 2 1 l 系列协议的无线局域网快速 发展到w i m a x 。无线宽带网络的快速发展，引发了在无线网络上视频多 媒体数据传输的热潮。这也是当今通信领域研究的热点问题。 1 1 1 视频监控系统的发展 一般情况下，计算机监控系统都是在现场或现场附近，这样便于问题 的及时处理。但是随着市场经济全球化，人们的生活方式也呈现多样化， 从封闭到开放，固定到流动等。作为贯穿于国民生产各个领域的监控技术， 其研究对象也呈现出广域分布化、大规模化、复杂化、移动性、多样性、 动态性以及智能化等新特点。正是由于监控对象出现了广域分布化的特 点，随之而来必然对监控系统提出了大规模化、复杂化、移动性、多样性、 动态性以及智能化等新需求，极大的促进了视频监控系统的发展。 到目前为止视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统、基于p c 的多 媒体监控系统、基于网络的远程视频监控系统三个发展阶段。 在2 0 世纪9 0 年代初以前，视频监控系统主要是以模拟设备为主的闭路 电视监控系统，被称为第一代模拟监控系统。该系统采用同轴电缆以模拟 方式传输图像信息，存储量大，监控图像一般只能在控制中心查看。这种 方式由于受到布线、距离等因素的限制且无法联网，所以一般传输距离不 能太远，主要应用于小范围内的监控。 2 0 世纪9 0 年代中期，基于p c 的多媒体监控系统随着数字视频压缩编码 技术的发展而产生。系统在远端有若干个摄像机、各种检测和报警探头与 数据设备，获取图像信息后通过各自的传输线路连接到多媒体监控终端 上，然后再通过通信网络将这些信息传到一个或多个监控中心。可是仍然 存在着距离受限、布线烦琐、费用较高等物理条件的限制。 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络技术的发展，产生了基于i n t e r n e t 的远程网 络视频监控系统。同时图像压缩编码技术的快速发展更是加快了远程网络 视频监控系统的发展，高性能的视频编码算法如h 2 6 4 为低码率网络条件 下的视频监控提供了可能。结合无线传输技术和视频压缩技术进行无线视 频监控是当前的研究热点问题。 1 1 2 无线视频监控系统的意义 无线通信近几年来得到了突飞猛进的发展。无线通信改变了有线通信 的局限性，给人们随时随地地交流信息提供了可能性。这些新的无线通信 技术的应用己经深入到人们生活的各个层面，改变了人类生活和工作的模 式。与此同时，另一领域也异军突起，同样也给我们提供一种全新的生活 和工作模式，那就是国际互联网i n t e m e t 。i n t e m e t 以海量信息的沟通和交流 得到了前所未有的实时、快捷和高效，引起了世人的广泛关注。正是由于 通信技术和网络技术的迅猛发展，基于i n t e r n e t 网和g p r s c d m a 网的远程 监控系统的应用引起人们的广泛关注。 另一方面，嵌入式系统作为计算机一种应用形式，作为嵌入宿主设备 中的微处理机系统。典型机种如微控制器、微处理器和d s p 等。嵌入式处 理器使宿主设备功能智能化，设计灵活和操作简单，具有功能丰富、实时 性强、结构紧凑、可靠性高和面向对象等共同特点。广义而言，嵌入式系 统是指作为一种技术过程的核心处理环节，能直接与现实环境接口交互的 信息处理系统。当前，嵌入式系统接入无线网络的应用在我国才刚刚起步， 它实现了基于现有无线网络的测量、控制和信息传递、具有全分布式控制、 系统开放性强、互操作性强等优点。 因此，基于g p r s c d m a 网络的嵌入式传输系统既利用嵌入式系统结 构紧凑、功能强和实时性强等特点又可以利用g p r s c d m a 网络进行数据、 图像的传输，扩展了视频监控的应用范围，可以依照各行业的一般特殊需 求广泛应用于各种地方，如：安全保安方面、托儿所，幼稚园、商场营业 场所、游乐场公园、环境气象监测、交通路况监看、餐饮速食店饭店、 公司工厂车间、银行加油站、网络设备等。总之，将无线g p r s c d m a 通 信技术、嵌入式处理技术、图像压缩技术应用到远程监控系统中，实现无 线远程监控系统的完整解决方案，具有很强的行业价值和科研意义。 1 2 无线网络和移动通信的现状和发展前景 移动通信是目前发展最快的通信系统之一，它起源于无线通信，因其 具有独有的灵活性和随意性而能满足人们的实际需要。自2 0 世纪9 0 年代以 来进入移动通信飞速发展的阶段，全球用户数每2 0 个月翻一番，我国的移 动用户也在高速增长。到2 0 0 6 年上半年我国移动电话己达到4 3 亿户，用户 规模跃居世界第一位。其中中国移动的移动电话用户达2 7 4 亿户，占整个 移动电话市场的6 4 3 ；中国联通的移动电话用户达1 5 2 亿户，g s m 用户为 1 o 亿，市场占有率达2 3 7 ，而c d m a 用户约为o 5 亿( 参见文档【2 1 ) 。 2 从技术层面上看，移动通信经历了三个发展阶段蜂窝移动通信技术”】 。第一代移动通信系统是2 0 世纪7 0 年代出现的模拟移动通信系统【6 】。它对 移动通信的最大贡献就是蜂窝结构、频带复用、大区域覆盖、支持移动终 端的漫游和越区切换，实现不间断通信。第一代移动通信的最大特点体现 在移动性上，这是其他任何通信方式和系统所不具有的。 第二代移动通信系统是2 0 世纪9 0 年代兴起的目前正在广泛使用的数 字移动通信系统如g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ， p d c ( p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a r ) ，c d m a o n e ( i s 一9 5 ) 和u s - t d m a ( i s 一1 3 6 ) 。这个阶 段数字信号处理是最基本的特征，它以数字电路单元为基本模块，实现话 音通信和短信数据业务。它对移动通信发展的重大贡献是使用s i m ( 用户表 示模块，s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 卡，轻小手机和大量用户的网络支撑 能力。第二代移动通信的迅猛发展使得移动通信成为当今通信发展的主 流。 第三代移动通信系统l m t 2 0 0 0 ( i n t e r n e tm o b i l e m u l t i m e d i a t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 是面向多媒体业务的通信系统，该系统提供高质 量的图像和视频通信，其基本特征是智能信号处理技术，智能信号处理单 元将成为它的基本功能模块。智能信号处理技术目前最典型的是智能天 线，它是实现大通信容量的关键。 目前业界对第四代移动通信系统的研究已经开始，第四代通信系统是 多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入i p 系统。同第三代移动通信 系统相比，其目的是提供在任何地方宽带接入互联网，提供信息通信之外 的定时定位、数据采集、远程控制等综合功能。 1 3 视频图像压缩标准的发展及现状 标准化是产业化活动的前提，一项技术在能够广泛应用于工业生活之 前必须存在全球统一的工业标准。近年来，一系列国际视频编码标准的制 定，极大地促进了视频压缩编码技术和多媒体通信技术的发展。视频压缩 编码标准的制定工作主要是由国际标准化组织i s 0 和国际电信联盟i t u 完 成的。由i t u 组织制定的标准主要是针对实时视频通讯的应用，如视频会 议和可视电话等，它们以h 2 6 x 命名；而由i s o 和i e c ( 国际电工委员会) 的共 同委员会中的m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e ng r o u p ) 专家组制定的标准主要 针对视频数据的存储( 如v c d 和d v d ) ，广播电视和视频流的网络传输等应 用，它们以m e p g x 命名。各种视频压缩编码标准都是根据人们在不同领 域中对声像数据的要求所制定的，并且随着人们的需求不断地发展。| 垄| 1 1 按照时间顺序表述了视频编码标准的发展历程【7 j i 驯1 9 j 。 1 m p e g 一1 标准 i s o m p e g 在1 9 9 1 年1 1 月提交了i s 01 1 1 7 2 标准一“用于数字存储媒体 的码率为1 5 m b i t s 的运动图像及其声音编码( c o d i n go f m 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 o f o rd i g i t a ls t o r e m e d i aa tu p t o1 5 m b i t s ) ”建议草案，即通常 所说的m p e g 1 。该标准于1 9 9 2 年1 1 月通过，1 9 9 3 年8 月公布。m p e g 一1 标 准只规定了码流语法和解码过程，用户可以很好地利用这个语法的灵活性 来设计质量非常高的编码器和成本非常低的解码器。编码器的设计中一些 重要参数，如运动估计值、自适应量化和码流速率控制等可以由用户自由 确定。速率约为1 2 m b s 的用m p e g l 算法压缩的视频图像的质量相当于 v h s ( 家用视频系统) 记录质量。m p e g l 标准是v c d 工业标准的核心，现 在己经走入千家万户。 2 m p e g 一2 标准 m p e g 2 是i s o m p e g 制定的第二个国际标准。m p e g 2 标准扩展了 m p e g 1 标准，能够支持高分辨率图像和声音。目标码率是在3 15 m b i t s 传输速率条件下提供广播级的图像，而且能够提供信噪比( s n r ) 、时间和 空间三种分级编码。该标准应用于卫星广播时，在当前的一个模拟信道中， 不牺牲质量的情况下能提供5 路数字的编码节目。因此，m p e g 2 标准能广 泛应用于卫星广播业务( b b s ) 、电缆电视( c a m ) 、数字电视地面广播 ( d t t b ) 、点播电视( v o d ) 、数字声音广播( d a b ) 、多媒体终端和网络数据 库业务等众多领域。m p e g 2 是工业标准d v d 的核心标准，是m p e g 1 的一 个超集，它后向兼容m p e g 1 ，又对m p e g 1 作了重要的改进和扩充。针对 隔行扫描的常规电视图像专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式， 并对运动补偿作了相应的扩充，使其编码效率显著提高1 1 0 l 。 3 m p e g 一4 标准 m p e g 一4 于1 9 9 8 年推出，其应用目标是：窄带传输、高画质、高压缩 比、良好的交互性以及将自然物体与人造物体相溶合的表达方式，同时还 特别强调了广泛的适应性和可扩展性。m p e g 一4 的最高图像清晰度为7 6 8x 5 7 6 ，远优于m p e g l 的3 5 2 x 2 8 8 ，可以达到或接近d v d 的画面效果，这使 得它的图像高清晰度非常好。但是由于算法的复杂性和局限性，在窄带情 况下不易实现编码的实时性，尤其在针对低于1 m b i t s 传输时遇到了困难。 4 h 2 6 3 标准 h 2 6 3 是i t u t 于1 9 9 5 年提出的更低比特率的视频编码方案。它可将 图像最低编码到2 0 k b p s 。其图像质量达到1 7 6 x 1 4 4 或1 2 8 x 9 6 分辨率下的 5 1 5 f s 的水平。h 2 6 3 非常适合在固定带宽的信道中传输视频信号。 4 一玎标准? 嚣? 嚣 l 联台视糍组一 h ，6 2 ， h2 8 4 ， 运妨图像专家组和视频编码专家组 m p e g 2 p g 4 v c ( 9 5 ) i 缝鳢岌景) m p e g t 4 焙a m p e g 标准 m 。爵 s p ，a s p ) 0 1 ) il i ji 1- r 1 ，i_ i 、rii 1 9 8 4 9 8 6 俜8 81 o1 9 9 2 悖* 1 9 1 9 瞻2 0 2 0 0 22 42 0 0 6 图1 1 标准视频编码器发展历史 5 h 2 6 4 标准 h ，2 6 4 作为面向电视电话、电视会议的新一代编码方式，最初是由i t u 组织的视频编码专家组v c e g 于1 9 9 8 年开始制定的，目标是在同等图像质 量条件下，新标准的压缩效率比任何现有的视频编码标准要提高1 倍以上。 直到2 0 0 1 年底，m p e g 组织也加入了i t u t 的v c e g 组织，组成了联合视频 专家组( j o i n tv i d e ot e a m ，j v t ) 共同完成制定工作。h 2 6 4 标准草案于2 0 0 3 年3 月正式获得通过。h 2 6 4 仍基于经典混合编码算法的基本结构，在变换 编码、熵编码和运动估计等方面采用了一系列先进技术，是视频编码技术 和图像工程的最新研究成果，其性能超越了以往所有的视频编码标准，具 有广阔的应用前景。 总之，上述这些标准支持不同速率、不同的图像质量要求等条件的视 频业务，能够满足包括电视会议、视频电子邮件、可视电话和广播级视频 等不同应用的要求。随着视频应用需求的不断发展，视频压缩技术也有了 很大的提高，新出现的压缩标准有了更高的压缩效率( 在相同的图像质量 下需要更低的传送码率或在相同的传输速率提供质量更好的图像) ，同时 支持不同的传输速率以适应不同的网络传输。 1 4 论文的研究背景及主要工作 未来移动通信的主要业务将是多媒体业务，利用i p 分组网和无线移动 网络传送有一定的q o s ( 服务质量) 保证的实时视频流是多媒体应用的一个 重要形式。但由于无线网络本身的一些特点，多媒体通信在无线中的质量 远远不如有线网络。无线通信系统的共同特点是带宽相对较窄且波动性较 大，误码率很高，传输时延大，丢包率大，因此在无线通信系统中开展视 频业务十分困难。在无线通信环境下，利用视频编码技术和相应得传输策 略，克服信道的高误码比、包丢失，提供具有一定q o s ( 服务质量保证) 的视 频流，是目前无线视频传输研究的主要内容。 当前，新一代视频压缩标准h 2 6 4 ，相对于h 2 6 3 和m p e g 一4 来晚，前 者拥有更低的输出比特率和更好的差错控制机制。同时，各个厂商也大规 模的推出多媒体处理器( m e d i ap r o c e s s o r ) ，如t i 公司的d m 6 4 2 ，与基于p c 机的c p u 技术、基于专用芯片组技术相比较，多媒体处理器因为具备特有 的数字视音频输入输出接口、多媒体协处理器等使得应用变得更加简单， 而且设备厂商可以根据市场变化随时进行软件应用的调整，及时地适应市 场需求，而不会受制于专用芯片组本身。多媒体处理器支持的嵌入式操作 系统以及软件优化，可以使视频传输系统更高效、稳定、可靠。从差错控 制技术的发展来看，经典的周期性帧内刷新，差错隐蔽等技术已经广泛应 用于各种基于有线网络的视频传输系统中，有线信道误码率较低、带宽相 对恒定，可以根据相应的信道模型，来设计差错控制策略。但是在无线网 络中，很难得到信源、信道的统计模型来设计最优的差错控制方案，而完 全基于编码端或者解码端的差错控制策略往往效果不佳，这就需要编码端 和解码端经常交互一些信息，根据信道的实时变化，适当调整差错控制方 案。从传输手段的角度来说，根据实时性、交互性的要求，绝大多数视频 传输系统的选择u d p i p 作为传输层协议。i p 为各种异构网络互联提供了可 能，从而真正实现远程的视频传输。 在这种背景下，本文设计和实现了基于c d m a 2 0 0 01 x 的h 2 6 4 无线视 频监控系统【j “，并根据c d m a 无线传输信道的特点，对改善视频传输质 量作了大量的研究，并制定了相关控制策略，进验证，具有良好的效果。 文中根据实际的项目开发经验，详细分析了基于c d m a 的嵌入式无线 监控系统中监控终端的系统结构，深入研究该系统硬件结构，并依照嵌入 式系统软件开发流程完成了监控终端软件的总体设计，最后完成了底层驱 动、协议实现及系统终端应用软件的编写工作，并配合上层监控软件完成 系统的调试工作。 本文将按照以下几个章节对该监控系统的研究和实现进行介绍： 第一章简要介绍了无线视频系统的意义、无线网络及移动通信的发 展、视频压缩标准的发展及现状。 第二章对系统中使用到的各种技术进行了简要的介绍。主要包括对最 新视频压缩算法h 2 6 4 ，以及c d m a 无线传输等方面的介绍。 第三章对目前多媒体传输中常见的质量保证机制进行了一定的研究， 并讨论了h 2 6 4 视频压缩标准提供的质量保障工具。 第四章介绍了整个监控系统及监控终端硬件、软件结构及实现。 第五章针对无线网络的特点以及目前系统具有的条件，制定了对应的 质量保证机制，主要体现在对拥塞和网络传输错误的控制上。 6 第六章对论文的工作进行了总结，并指出其中的不足以及以后的研究 方向及工作重点。 2 1h 2 6 4 压缩标准 第二章系统关键技术概述 h 2 6 4 标准是由i t u tv c e g 和i s o i e cm p e g 联合组成的j v t 丌发的 最新一代的视频压缩标准，是目前图像通信领域研究的热点。h 2 6 4 的编 解码框架与以前提出的标准，如h 2 6 1 ，h 2 6 3 及m p e g 1 2 4 并无显著变化， 也是基于混合编码的方案。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多 的选项，获得比h 2 6 3 更好的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力， 采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标 范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输( 存储) 场合的需 求。 2 1 1h 2 6 4 发展历程 h 2 6 4 标准是在以前标准的基础上发展而来。早在1 9 9 5 年，i t u t 所属 的v c e g 在完h 2 6 3 标准后，为了弥补h 2 6 3 标准的一些缺点，增加一些新 的特性，就开始着手制定了短期和长期的计划。短期计划的结果产生了 h 2 6 3 + 和h 2 6 3 - ，而长期计划的目的是形成一个与现有标准相比有较大性 能改善的新一代视频压缩标准。该标准在初期的定制过程中形成的草案称 为h 2 6 l ，经过i t u t 所属的v c e g 和i s 0 i e c 所属的m p e g 以及该方面的其 它一些专家的共同努力，该标准不断的完善，最终正式的标准称为h 2 6 4 或m p e g 4 a v c 。h 2 6 4 标准的具体发展过程如下所示： 1 ) 1 9 9 8 年1 月，v c e g 向全世界征集视频编解码方案； 2 ) 1 9 9 8 年1 1 月，v c e g 形成了第一份正式的评价文献； 3 ) 1 9 9 9 年8 月，v c e g 形成了第一个草案文档和第一个测试模型； 4 ) 2 0 0 1 年7 月，m p e g 对“a d v a n c e d v i d e oc o d i n g ”进行招标。同年底， 在目睹了基于h 2 6 l 标准的软件编码后的视频流质量远远优于当时基于 m p e g 一4 标准的软件后的视频流质量后，i s o i e c 的m p e g 就与i t u t 的 v c e g 联合形成了j v t 来共同研究开发该标准； 5 ) 2 0 0 2 年5 月，j v t 形成委员会草案c d ( c o m m i t t e ed r a f t ) ； 6 ) 2 0 0 2 年5 月，j v t 形成了最终委员会草案f c d ( f i n a lc o m m i t t e e d r a f t l ； 7 ) 2 0 0 2 年5 月，j v t 形成了最终国际标准草案f d i s ( f i n a ld r a f c i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d ) ； 8 ) 2 0 0 3 年3 月，h 2 6 4 被正式确定为国际标准。 2 1 2h 2 6 4 的档次 h 2 6 4 定义了3 个档次：基本档次( b a s e l i n ep r o f i l e ) 、主档次( m a i n p r o f i l e ) 、扩展档次( e x t e n dp r o f j l e ) 。 基本档次主要包含低复杂度、低延时的技术特征，利用i 片和p 片支持 帧内和帧间编码，不支持加权预测方式。它选择用c a v l c 而不是以c a b a c 对变换量化后的残差数据进行熵编码。它最多支持将一帧分成8 个片组， 这样在网络上传输时，对每个片组分别打包可使一个包丢失时不会引起整 个帧的丢失。主要用于可视电话、会议电视、无线通信等实时视频通信。 主档次主要针对更高编码效率的应用，不支持多个片组、任意片序、 数据分割、冗余图像这些可用于对付网络丢包的措施。支持基于上下文的 自适应的算术编码( c a b a c ) 。主要用于数字广播电视和数字视频存储。 扩展档次主要针对流媒体的应用，除了不能支持上下文自适应二进制 算术编码外，其支持的范围最为广泛，包括对数据分割，s i s p 的支持， 以及所有的容错技术。 因此，对网络视频电话以及视频会议这类对实时交互性要求高的应用 而言，使用基本档次是最好、最自然的选择。对于实时性要求相对宽松的 网络流媒体而言，选择扩展档次较为合适，既提供抗丢包措施，又可利用 b 类型预测帧获得更高压缩效率。而对于d v d 、高清晰度数字电视等不通 过包交换网络传输的高码率应用，利用主档次支持的上下文自适应二进制 算术编码技术可获得最高的压缩效率。 2 1 3h 2 6 4 标准采用的新技术 h 2 6 4 标准和以前的标准( 如h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g 1 、m p e g 4 ) 的编解 码器框架没有太大的区别，但在各个功能模块的细节上则采用众多的新技 术，主要体现在以下几点： ( 1 ) 更高精度运动估计。在h 2 6 3 中采用了半像素估计，在h 2 6 4 中则 进一步采用l 4 像素甚至1 8 像素的运动估计，即真正的运动矢量的位移可 能是以1 4 甚至1 8 像素为基本单位的。在h 2 6 4 中采用了6 阶f i r 滤波器的内 插获得1 ，2 像素位置的值。当1 2 像素值获得后，1 4 像素值可通过线性内插 获得。 ( 2 ) 树型结构的运动补偿。h 2 6 4 标准支持从1 6 x 1 6 到4 x 4 范围尺寸的运 动补偿块，在这个范围中亮度样本有多种选择。每个宏块亮度分量可以按 4 种模式划分：1 6 x 1 6 、1 6 x 8 、8 x 1 6 和8 x 8 。其中，每一个子块都是宏块的 一部分。如果选择了8 x 8 的模式，每一个8 x 8 模块又可以按4 种模式分开： 8 x 8 、8 x 4 、4 x 8 和4 x 4 。这种块和子块的不同模式可以产生大量的组合，即 实现了树型结构的运动补偿。 9 ( 3 ) 多参考帧运动估计。在 l 2 6 4 中，可采用多个参考帧进行运动估计， 即在编码器的缓存中存有多个参考帧，编码器可以从其中选择一个或多个 帧作为参考帧，这样可以获得比只使用一个参考帧更好的编码效果。 ( 4 ) 小尺寸的4 x 4 的整数变换。 l 2 6 4 对图像残差采用基于块的预测变 换编码法，但变换是整数操作而不是实数运算，其过程和d c t 变换基本相 似。这种方法的优点在于：在编码器中和解码器中允许精度相同的变换和 反变换，便于使用简单的定点运算方式。变换的单位是4 x 4 块，而不是以 往常用的8 x 8 块。由于用于变换块的尺寸缩小，运动物体的划分更精确， 这样，不但变换的计算量比较小，而且在运动物体边缘处的衔接误差也大 为减小。 ( 5 ) 采用具有网络友好性的分层结构：在算法概念上分为两层：视频 编码层( v c l ) ，包括核心压缩引擎和块、宏块及片的语法级别的定义，可 以在独立于网络的情况下进行高效的编解码；网络适配层( n a l ) 负责将 v c l 产生的比特字符串适配到各种各样的网络和多元环境中，它覆盖了所 有片级以上的语法级别。 2 2c d m a 网络的概述 移动通信经历过第一代和第二代的发展，其调制方式也经历了从模拟 调制到数字调制技术的发展。第一代采用频分多址( f d m a ) 模拟调制方式， 这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系 统采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字调制方式，提高了系统 容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。t d m a 方式的主 要缺点是：( 1 ) 系统容量仍不理想；( 2 ) 和f d m a 方式一样，t d m a 方式的 越区切换性能仍不完善。为了克服f d m a 和t d m a 两种多址方式的缺点， 北美推出了i s 9 5 c d m a 数字移动通信系统，i s 9 5 c d m a 系统以其频率规 划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软 容量等特点显示出巨大的发展潜力，立即在全世界范围内掀起一股研究 c d m a 技术的热潮。随着社会进步及用户数量的急剧增长，频率资源只益 紧张，要求第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 能提供更大的系统容量，更高的 通信质量，并能提供2 m b i t s 数据业务，以满足人们对多媒体通信的要求并 适应通信个人化的发展方向。第三代数字蜂窝移动通信系统的三大主要候 选方案是北美的c d m a 2 0 0 0 系统和欧洲的w c d m a 系统，以及我国的 t d s c d m a ，都是建立在c d m a 技术基础上。由于c d m a 技术在抗干扰、 保密性、系统容量等方面的优势，因此成为第三代移动通信的首选技术。 2 2 1c d m a 工作原理 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t ia c c e s s ，码分多址) 的工作原理就是利用扩 频原理，对要发送的原始信号，用比原始信号的频率高出几个数量级的伪 随机码，对其进行异或调制，然后发送。伪随机码之间互相正交，其卷积 为0 ，且具有唯一性。接收端在接收到信号以后，用发送端的伪随机码对 其进行异或解调，恢复成原始信号，这就要求传送时，接收端知道发送端 的伪随机码。因为伪随机码之间互相正交，经过不同伪随机码调制的信号 被另外伪随机码解调后会被屏蔽掉，要窃听他人的通话，必须要找到他人 的伪随机码。但伪随机码共有4 4 万亿种可能的排列，因此，要破解密码或 窃听通话内容是太困难了。因此c d m a 的抗干扰能力疆，保密性好，c d m a 的工作原理如图2 1 所示。 发送靖 2 2 2c d m a 的技术特点 图2 1c d 姒工作原理图 接收蛐 c d m a 是由中国联通推出的服务，码分多址技术己成功地应用于第二 代移动通信中，而且第三代移动通信的主要方案也都是基于c d m a ，因此 c d m a 技术具有无可争辩的竞争力。c d m a 网络具有以下特点： ( 1 ) 成本低廉： 尤其在通信网络的规模比较大时更为明显，建设投资小，网络建设中 省去了大量的组网投资；其次是维护、运行费用低。 ( 2 ) 网络组建的灵活性和方便性： 由于c d m a 网络的基础设施已经十分完善，通信系统的组建只需要考 虑中心站和外围布点的问题。在外围布点时可以充分地享受无线网络带来 的地点选择上的自由性和移动通信网络的较全面的覆盖范围。基本上可以 不考虑布点的限制，甚至支持可移动的站点。对于复杂、易变，站点位置 经常性变化的网络( 城市改造