（信号与信息处理专业论文）usb数字摄像平台的软件开发.pdf

中文摘要 本论文介绍的u s b 数字摄像平台，是一种基于u s b l 1 协议与m p e ( ；i i 标 准的新型数字音、视频编，解码系统。该系统集成了数字摄像机，视频展台，视 频采集卡，m p e g 解压卡，电视卡等功能，具有高度的集成性和灵活性，使用方 便。该平台可用于视频采集、视频监视、视频会议以及远程教学等领域，拥有广 阔的市场前景。 论文详细地论述了该系统的硬件原理及软件结构，并且对其涉及的背景知识 做了简要描述，包括：数字图像压缩方法以及m p e g 标准；u s b 协议、u s b 外 设的固件、w d m 驱动程序的开发；w i n d o w s 平台下应用程序的开发；c o m 编 程以及微软的d i r e c t s h o w 多媒体开发工具；t c p i p 协议以及w i n d o w ss o c k e t s 编程等等。 本论文在深入研究系统硬件和软件的基础上，对t v 接收功能进行了改进， 实现了由北美电视广播标准向我国的电视广播标准的转变。该工作主要是在 s t r e a mm a c h i n e 公司提供的3 5 版软件的基础上，对软件开发包中的源过滤器进 行修改，并且实现了预定的目标。此外，为了扩展该系统的应用范围，开发了系 统的网络功能。具体方案是借助原有系统的视频采集、数字压缩、以及数字存储 功能，将原系统视为网络视频服务器的采集模块，通过网络模块的开发，实现 m p e g 节目流在局域网中的点对点、一点对多点的实时传输和实时播放功能。本 论文对该任务的实现做了详细的描述，并对软件今后的改进方向提出了建议。 关键词：m p e gu s b d i r e c t s h o wt c p i p a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w d i 【百t a lv i d e oa n da u d i oe n d e c o d e rs y s t e m ，w h i c h b a s e do nu s b1 1p r o t o c o la n dm p e g i is t a n d a r d t h es y s t e mi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n o fd i g i t a lc a m e r a ，v i d e op r e s e n t er i vc a r d ，m p e gd e c o m p r e s s i o nc a r d ，a n dv i d e o c a p t u r e c a r d i th a sl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g h l yi n t e g r a t i o n ，f a c i l i t y a n d e f f e c t i v e l yc o m p r e s s i o na b i l i t y t h es y s t e mh a sab r i g h ta n d w i d ef o r e g r o u n d ，w h i c h c a nb eu s e di nv i d e oc a p t u r e ，v i d e om o n i t o r , n e tv i d e om e e t i n g ，r e m o t ee d u c a t i o n ，a n d s 0 0 n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fh a r d w a r ed e s i g na n ds t r u c t u r eo fs o f t w a r ei n d e t a i l ，i n t r o d u c e ss o m en e c e s s a r yk n o w l e d g e a n dt e c h n i q u ei n v o l v e di nt h es y s t e ma t t h es a m et i m e ，i n c l u d i n gd i g i t a lp i c t u r ec o m p r e s s i o nm e t h o d ，m p e gs t a n d a r d ，u s b p r o t o c o l ，t h ed e v e l o p i n go fu s b f i r m w a r ea n dw d md r i v e r s ，t h ea p p l i c a t i o nf o r w i n d o w s p l a t f o r m ，c o mp r o g r a m m i n g , d i r e c t s h o w d e v e l o p m e n tk i t ，t c p i p p r o t o c o la n d w i n d o w ss o c k e t s ，e t c t h ef i r s tt a s ko ft h i sp a p e ra i m sa ti m p r o v i n gt h e3 5v e r s i o ns o f t w a r eo f f e r e db y s t r e a mm a c h i n e c o ，m a k i n gi ts u i t a b l et ot h es t a n d a r do fc h i n e s et vb r o a d c a s t i n s t e a do ft h es t a n d a r do fu s a t vb r o a d c a s t ih a v em o d i f i e dt h es o u r c ef i l t e ro ft h e s y s t e m ，a n dr e a l i z e d t h ei n t e n t i o n t h es e c o n dt a s ka i m sa td e v e l o p i n gt h ef u n c t i o no fn e tv i d e o t a k i n ga d v a n t a g e o ft h ea b i l i t yo fv i d e oc a p t u r e ，d i g i t a lc o m p r e s s i o na n dd i g i t a ls t o r a g e ，w er e g a r dt h e i n t r i n s i cs y s t e ma sac a p t u r em o d u l eo fn e tv i d e o s e r v e rs y s t e m t h e nid e v e l o p8 s e v e r c l i e n ta p p l i c a t i o n ，b yw h i c hw e c a nm a k et h em p e g p r o g r a ms t r e a mt r a n s f e r f r o mo d ep o i n tt oa n o t h e rp o i n to rt os e v e r a lp o i n t si nl a n f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r g i v e s s o m ea d v a n c ef o ri m p r o v e m e n ti nt h ee n d k e yw o r d s ：m p e g u s bd i r e c t s h o w t c p i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是奉人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘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了谢意。 学位论文作者签名签字日期：如。乒年工月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权玉盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：加丫年二月形曰 、d 导师签名：乃丑 扩吣。 签字目划：弘t 芦年2 - 月f 彳目 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字图像编码的意义 第一章绪论 近代通信从窄带的电话、语音广播到各种宽带的活动图像传输，如可视电话、 会议电话、普通电视广播、直到高清晰度电视广播，都在由模拟方式向数字方式 发展。这是由于数字传输有许多模拟传输所不具备的优点，如：传输质量高；易 于采用纠错编码技术提高抗干扰能力；易于加密；便于利用时分复用技术纳入多 种信息业务兼容的综合数字通信网；数字电路容易大规模集成，数字设备町靠性 高，维护简便等等。 数字传输在提供众多优点的同时，也带来了一些困难。最主要的问题是模拟 信号数字化后，码率太高，频带大大加宽，对信道利用不经济。例如，路6 m h z 的普通电视信号数字化后，其数码率将高达1 6 7 m b p s ，对存储器容量要求很大， 占有的带宽将达8 0 m h z 左右，这样将使数字信号失去实用价值。数字压缩技术很 好地解决了上述困难，压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带。囚 此，数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之。 数字压缩是通过寻求一种有效的编码方式来实现的，这种编码方式称为信源 编码，又称高效编码。图像编码是对图像信源进行信源编码，是在保证所要求的 图像质量前提下，设法压缩所必需的传输码率，达到节省传输带宽或节省视频信 息数字存储所需空间的目的。 目前视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的h 2 6 1 、h 2 5 3 ，运 动静止图像专家组的m - j p e g 和国际标准化组织运动图像专家组的m p e g 系列标 准，此外在互联网上被广泛应用的还有r e a l n e t w o r k s 的r e a l v i d e o 、微软公司 的_ l v m t 以及a p p e 公司的q u i c k t i m e 等。 1 2 网络视频的发展前景 我国视频技术的发展大致经历了模拟视频、p c 视频、网络视频三个阶段。 同前视频技术正在向以嵌入式技术为依托，以网络、通信技术为平台，以智能图 像分析为特色的方向发展。 随着数字图像压缩编码技术的不断成熟，网络技术的不断发展，网络视频的 天津大学硕士学位论文 第章绪论 应用越来越多，尤其在9 1 1 和s a r s 等突发事件以后，网络视频技术，如视频 会议、远程教育、远程医疗、远程监= 宁等的应用价值愈来愈得到幸f = 会的认可，齐 行各业、各个机构对该业务的需求越来越大，其发展趋势异常迅猛。无沦从应t j 方面、技术方面，还是从市场方面看，网络视频的应用已经成为一股热潮。 从应用方面看，目前我国网络视频技术庸用越来越广，涉及政府、教育、银 行、电信、医疗、企业、军事等诸多领域或部门。据条有关上海电信的报道， 上海电信2 0 0 3 年4 月以来呈满负荷运转，几乎每天，所有工程师都被邀请上门 帮助调试已经安装的视频会议设备，家庭用户安装宽带的申请也明显增加，4 月 2 1 日到2 7 日一周的申装用户超过1 万，并有继续大幅增长的趋势。据有关预测， 我国的视频会议系统在应用规模上，已处于世界前两名，在应用技术上也不比国 外落后。尤其在会议型应用方面，我国已经超过了国外。总之，目前的网络视频 应用蓬勃发展。 从技术层面看，硬件视频和软件视频的同步发展、技术成本的不断f 降，f f 在大力推进网络视频的大规模应用。在硬件视频方面，视频终端的价格由9 0 年 代初刚开始商用阶段的1 0 万美元台，降低到5 0 0 0 3 0 0 0 0 美元一台，目前还 在大幅度下降。同时由于图像压缩算法的不断进步，在不降低图像质量，甚至质 量有所提高的前提下，所占用的信道宽度也从最初的2 m b 下降到1 2 8 3 8 4 k b 。 在软件视频方面，基于i p 和p c 的视频系统已经突破了防火墙、带宽、多语言混 合等技术限制，能够方便地为人们提供随时随地的视频应用。如f v c 、v 2 等公 司开发的软件视频系统都已经投入商用。另外，大规模组播视频技术也已经得到 成功应用。这种组播技术系统与其他视频会议系统相比，具有超强的交互能力， 任何一个会场都可以显示所有会场的图像并成为大会中心，进行自由讨论。从理 论上讲，只要有足够带宽，该系统可以支持无限多个会场同时举行会议，而且图 像清晰，价格低廉。 从市场层面看，有资料显示，2 0 0 1 年，全球在网络视频产品的投入为3 6 亿 元，每年增长达2 2 。按这个增长速度估计，2 0 0 3 年全球的网络视频产品投入 约为5 4 亿元。从目前的情况看，这还只是个保守的估计。另外，大量的外国 公司如v t e l 、p o l y c o m 、a e t h r a 、v c o n 、f v c 等进入国内，也表明了网络视频在 不断升温。 1 3 本论文的任务 本课题在深入剖析u s b 数字摄像平台的硬件原理与软件结构的前提下，在 对必要的背景知识( 包括：u s b 传输协议、微软的d i r e c t s h o w 多媒体丌发包、 天津大学硕十学位论文第一章绪论 w i n d o w s 多线程编程、t c p i p 协议和w i n d o w ss o c k e t 网络编程、c o m 编程以及 v i s u a lc + + 软件丌发及编译工具) 的充分理解和熟练掌握的基础卜，完成对该系 统软件的改进和功能的扩展。 课题的任务之一：将系统中接收电视j 一播功能部分的软件进行修改，山原来 适于北美电视广播标准，转而改为适于我国电视j 一播标准。该工作是在s t r e a m m a c h i n e 公司提供的3 5 版软件包中的源过滤器进行修改，并且实现了预定的日 标。 课题任务之二：扩展该系统的网络应用功能，具体要求为，借助原有系统的 视频采集和数字压缩、存储功能，使原系统成为网络视频服务器的采集模块。通 过网络模块软件的开发，实现局域网中，m p e g 节目流的点对点、一点对多点的 实时传输和实时播放功能。 天津大学硕士学位论文 第二章数字图像编码与u s b 技术概述 第二章数字图像编码与u s b 技术概述 2 1 数字图像编码概述 2 1 i 数字图像压缩的根据 图像信号可以压缩，其根据来自两个方面，一方面是图像信号中存在大量冗 余度可供压缩，并且这种冗余度在解码后还可无失真地恢复，这种压缩为无损压 缩；另一方面可以利用人的视觉特性，在不被主观视觉察觉的容限内，通过减少 表示信号的精度，以一定的客观失真换取数据压缩，这种压缩为有损压缩。图像 信号的冗余度存在于结构和统计两方面。图像信号结构上的冗余度表现为很强的 空间( 帧内的) 和时间( 帧问的) 相关性。信号统计上的冗余度来源于被编码信 号概率密度分布的不均匀。 2 1 2 图像编码的过程 图像编码的整个过程一般由以下三个步骤完成： ( 1 ) 对表示信号的形式进行某种映射，即变换一下描述信号的方式，通过这 种映射解除或削弱存在于图像信号内部的相关性，降低其结构上存在的 冗余度。 ( 2 ) 在满足对图像质量一定要求的前提下，减少表示信号的精度，这通过符 合主观视觉特性的量化来实现。 ( 3 ) 利用统计编码消除最终用于编码的信号所含的统计冗余度。 2 1 3 图像编码的常用方法 图像编码常用的方法有：p e n ( 脉冲编码调制) 、预测编码、变换编码( kl 变 换、离散余弦变换等) 、插值和外推法( 空域亚采样、时域亚采样、自适应) 、统 汁编码( h u f f m a n 编码、算术编码、行程编码等) 、矢量量化和予带编码等。新一 代的数据压缩方法，如基于模型的压缩方法、分形压缩和小波变换方法等也已经 接近实用化水平。上述预测编码和变换编码占有重要的地位，而由这两种基本编 码方法联合构成的“混合型”编码目前已成为运动图像编码方案中的主流类型， 已为c c i t th 2 6 1 、m p e g 等国际标准所采纳，并构成了当前国际上正在积极研究 天津大学硕士学位论文 第二二章数字图像编码与u s b 技术概述 的全数字高清晰度电视传输系统视频信源编码的基本框架。图2 一l 为通用的运动 图像信源编码方案，已被从可视电话、会议电视、常规电视到高清晰度电视的各 种档次的数字视频系统和产品所采用。 图2 1 数字图像编码器原理框图 r l 一输出髅 l 缓仃器i 数据压缩研究中应注意的问题是，首先，编码方法必须能用计算机或v l s i 硬件电路高速实现：其次，要符合当前的国际标准。国际上对数字图像编码曾制 定三种标准，这三种标准是：主要用于会议电视的h2 6 1 标准，主要用于静止图像 的j p e g 标准，主要用于运动图像的m p e g 一1 、m p e g 一2 标准。这三种标准采用帧内 图像编码或同时采用帧间图像编码。所谓帧内编码是仅利用空间相关性对一帧图 像编码，帧间编码则是采用时间相关性对一个图像序列进行编码。帧内编码主要 是用变换编码方法，帧间编码主要是用预测编码。下面对上述一些概念加以说明。 帧内编码 帧内编码是针对帧内空间相关性，经“变换”、“量化”和“码字分配”三个 环节来减小图像源的冗余度，并利用显示器和人的视觉系统的局限性来压缩图像 数据。图2 2 列出了编码和解码的过程，在发送端，对图像f ( n l ，n 2 ) 做变换， 并对变换系数t f ( k t ，k 2 ) 做量化，然后对量化的丁f ( k l ，k 2 ) 编码，做码字 分配。在接收端，对码字做解码，将获得的量化的变换系数r f ( k l ，k 2 ) 做反 变换，从而重建图像r ( n l ，n 2 ) 。 天津人学硕士学位论文 第二章数字图像编码与u s b 技术概述 f ( n l , 雨丛堕销i 赢订一 一l 一l j 工j 生旦生医i 习二型际百f 卜 l - - - - - _ j t 、一j 图2 2 帧内编码过程 变换 变换运算的原则：节省变换运算的计算量：减少变换系数的相关性，使能罱集 中于一部分变换系数，从而可以除去大多数系数而不会严重影响图像质量。这里 要注意能量是否集中还和信号本身的性质有关。例如，一个白噪声信号的某个幅 值和这个信号的其他幅值是无关的，这个信号并不具有能量集中的性质，而普通 的图像经变换运算，减小像素幅度之间的相关性后，具有能量集中的性质。 在变换编码中，一幅图像可分为许多子图像或图像块，每个块分别编码。一 次对一个块的图像编码，这样编码器可以自适应于局部图像的特点。例如，选择 量化和比特分配方法在均匀背景区和边缘背景区可以各不相同。同时对子图像编 码减少了存储和计算方面的要求，而且在一个多处理的环境下，图像块的变换可 以平行计算。尽管图像分块处理有如上优点，但图像块的大小不能无限制地减小， 因为当将一个图像分成比较小的片段进行变换时对图像像素幅度之问的相关性 的利用就差了。所以用于图像变换编码的图像块的大小通常为8 x 8 或1 6 x 1 6 ，不 宜再小。 常见的变换方法有付立叶变换、沃尔什变换、哈尔变换、k l 变换、离散余 弦变换( d c t ) 等，d c t 变换已被目前的多种静态和活动图像编码的国际标准 建议所采用。 幅度量化 令f 代表一个连续的标量，它可以是一个像素的幅值，也可以是变换系数。 要用有限的比特来表示f ，那就只能用有限的量化电平或称重建电平对f 进行量 化处理。对一个具体的f 值指定l 个电平中的一个，这个过程称为幅度量化。其 中均匀量化是最简单的一种量化，但并非最佳的，f 很可能在一个特定的区域里 比其他区域多。因而，有理由在这个区域指定划分更多的电平，反之，如果f 很 少在某区域里出现，该区域中的重建电平很少被用到，则应在此区域减少电平的 划分。这样量化的重建和决策电平不再有均匀的间隔，这就是非线性量化。 码字分配 量化的结果，得到一个个特定的重建电平，但是要将它传到接收机去，为此 需要给l 个重建电平中的每一个指定个特定的码字( 一串0 到1 ) 。接收机收 天津大学硕士学位论文 第二章数字图像编码与u s b 技术概述 到码字后，要在“码书”中找到合适的项来识别这个重建电平。码字的分配有定 长编码和变长编码之分，定长编码虽然简单，但在平均比特率的利用方面并非最 佳，而变长编码对概率大的符号( 此处为重建电平) 给予短的码字，对概率小的 符号给予长的码字，可以减小平均比特率。h u f f m a n 编码是一种高效、简单的变 长编码方式，其优点是能很好地与待编码的符号的概率分布匹配，但其硬件实现 较为复杂。因此，在实际应用中有时采用实现较为简单的准可变字长编码。 帧间预测编码 在经典的图像编码技术中，预测编码和变换编码是主要的两类编码方法。预 测编码的硬件实现比较简单，对于图像质量要求高的场合，采用预测编码，例如， 差分脉冲编码调制( o p c m ) 可以达到与变换编码同样程度的码率压缩。在视频序列 编码中，进行时间轴冗余度压缩的主要手段是运动补偿帧问预测。在预测编码时， 不直接传送图像样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值间的差值进行编 码、传送。帧间预测编码的过程如图2 3 所示，它是利用前一帧来估计当前帧。 如果要用n 个过去帧，那就要存储n 帧，这样需要存储器的容量过大，所以在 帧间预测编码中，只考虑上一帧而不考虑n 个过去的帧。 l 一一一j 图2 - 3 帧间预测编码原理图 对于运动图像为了使预测误差e ( n l ，n 2 ，n 3 ) 尽可能小，从而达到减少码 率的目的，就一定要采用适当的预测方法，这个方法就是运动处理。运动处理要 有两个过程。第一个过程是对运动物体的位移做出估计，即运动物体从上一帧到 当前帧位移的方向和像素数要做出估计，也就是要求出运动矢量，这个过程称为 运动估计。第二个过程是按照运动矢量，将上一帧做位移，求出对当前帧的估计， 也就是求出f7 ( n 1 ，n 2 ，n 3 ) ，这个过程称为运动补偿。 运动图像处理的全过程如图2 - 4 所示。图中当前帧和过去帧的匹配搜索产生 运动矢量，用这个运动矢量将过去帧位移，求得当前帧的估计f7 ( n 1 ，n 2 ，n 3 ) ， iiii 一 ” 一 n 一 n f l ， ! 堂奎堂堡主堂垡笙苎 墨三童垫兰璺堡叁塑皇旦! 呈垫查堑堕 - _ - - - - - h _ ，_ w _ 一 一 ，_ _ j 一一 这个估计值和当前帧的插值e ( n l ，n 2 ，n 3 ) 经量化后被送到接收机，同时送去的还有 运动矢量。 往告搠一冀照撼艘1 言扦f + 缸i r t 2 ，曲 图2 4 运动图像处理原理图 2 2m p e g 图像编码标准简述 2 2 1 m p e g 图像编码的关键技术与语法层次 m p e g 是m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ( 运动图像专家组】的缩写。m p e g i 和m p e gi i 是该专家组完成的两个标准i s 0 i e c l l l 7 2 以及i s o i e c l 3 8 1 8 ，以适 用于不同带宽和数字影像质量的要求。m p e g 优于其他影像压缩方案的地方是： 具有很好的兼容性、压缩比最高可达2 0 0 ：1 、数据的损失小。m p e gi 是m p e gi i 的一个子集，任何m p e gi i 的解码器要能够解m p e gi 的码流。m p e g 中关键 表2 1m p e g 视频编码层次结构 语法规定的层次功能 s e q u e n c el a y e r 图像序列层随机存取段落 g r o u p o fl a y e r 图像组层随机存取视频单位 p i c t u r el a y e r 图像层基本编码单位 s l i c el a y e r 宏块条层重新同步单位 m a c r o b l o c kl a y e r 宏块层运动补偿单位 b l o c k l a y e r 块层d c t 单位 压缩技术有三个：d c t 、运动补偿和h u f f m a n 编码。d c t 大大减少了图像的空 天津大学硕士学位论文第二章数字图像编码与u s b 技术概述 间冗余度，运动补偿大大减小了对问冗余度，而h u f f m a n 编码则在信息表示方面 大大减小了冗余度。 m p e g 为更好地表示编码数据，用语法规定了一个层次性的结构。与此相应， m p e g 所表示的图像序列也被解释为一种有结构的数据，分为六层，各层次的名 称及功能如表2 l 所示。 m p e g 标准中有三类图像分别是帧内图、预测图和双向图。帧内图：也称i 帧，是仅利用该帧图像本身的信息进行编码，由于i 帧只使用变换编码，所以提供 的是中等压缩，i 帧提供了进入压缩过的图像数据中的随机存取点。预测图：预 测图也称为p 帧，是根据前面最靠近的i 图或另个p 图进行预测，此称正向预 测。预测图像由于使用运动补偿，比i 帧提供更多的压缩。双向图：也称b 帧， 它是既用过去的帧又用“未来”的帧作基准，即反向预测( 在处理之前存储所用 的帧，包括“未来”的帧) ，通过内插重建的帧，此称双向预测。 m p e g 算法可以让编码器选择i 帧出现的频率和位置。这个选择是根据满足 图像序列中随机存取和景物切换的需要而定的。编码时也要对每一对基准( i 或 p ) 之间的b 帧的数目作选择；因为这个选择是基于编码器中存储器的数量和正 在编码的对象性质而定的。视频码流的传送要考虑有利于解码器的解码，为此不 能按显示次序传送，要在b 帧传送之前先送它的基准图像i 帧和p 帧。 2 2 2m p e g 视频编码器原理 燮；际 竺r 丽矿1 竺! 系数倩 搜：索块：匹配 运动矢量 i 燮：；赫医羽医 习再赢 景筹匣竺h 兰竺竺! h 匹配块i b l 的平均以差值块恤一b | 和 及1 或2 个运动矢量 运动矢量 图2 5m p e g 编码器原理框图 量化 天津大学硕士学位论文 第二章数字幽像编码与u s b 技术概述 m p e g 算法标准并没有规定编码过程，它规定的是码流的语法和语义以及解 码器中的信号处理，所以制作编码器时，可以在成本、速度和图像质量，编码效 率之间作折衷选择。图2 - - 5 为m p e g 视频编码器的原理框图。 2 3u s b 技术概要 2 3 1u s b 技术的发展 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用 计算机的系统资源( 如中断，i o 地址，d m a 通道等) 。无论是串口还是并口都是 点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添 加一个i s e i s a 或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。 u s b 总线是i n t e l 、d e c 、m i c r o s o f t 、i b m 等公司联合提出的一种串 行总线标准，主要用于p c 机与外围设各的互联。u s b 总线具有低成本、使用方 便、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在p c 机及嵌入式系统上。 u s b 第一版的规范定为1 1 ，其最大传输速率为1 2 m b p s ，最多可支持1 2 7 个u s b 外设连接到计算机系统，物理结构为星型，也就是说，即使主板上只有 一个u s b 接口，只要能找到合适的u s bh u b ，你就可以实现连接最多1 2 7 个u s b 设备。 随着全新的u s b2 0 规范诞生，u s b 设备的传输速率已经高达4 8 0 m b p s ， u s bo t g 标准的提出，让u s b 2 0 可以摆脱设备端一定要有主机端的束缚，大 大扩展了u s b 2 0 标准的应用范围。 2 3 2u s b 总线优缺点 u s b 总线的优点如下： ( 1 1 使用简单：所用u s b 系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检 测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。 f 2 1 应用范围广：u s b 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同 步传输和异步传输两种传输方式。一个u s b 系统最多可支持1 2 7 个物理设备。 u s b 设备的带宽可从几k b p s 到几m b p s ( 在u s b 2 0 版本，最高可达几百m b p s ) 。 一个u s b 系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的i s d n 、 语音，高速的磁盘、图像等( 仅u s b 2 0 版本支持高速设备) 。 f 3 、较强的纠错能力：u s b 系统可实时地管理设备插拔。在u s b 协议中包含了 传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。 天津大学硕士学位论文 第二章数字图像编码与u s b 技术概述 ( 4 ) 总线供电：u s b 总线可为连接在其上的设备提供5 v 电压1 0 0 r n a 电流的供电， 最大可提供5 0 0 m a 的电流。u s b 设备也可采用自供电方式。 ( 5 ) 低成本：u s b 接r 电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b 系统接口 电缆也比较简单，成本比串h 并口低。 u s b 总线也存在一些缺点，比如u s b 技术还不是很成熟，特别是高速设备。 市场上现有的u s b 设备价格都比较昂贵，但随着u s b 技术的日益成熟，设备的不 断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。 2 3 3 u s b 系统拓扑结构 一个u s b 系统包含三类硬件设备：u s b 主机f u s b h o s t ) 、u s b 设备 ( u s bd e v i c e ) 、u s b 集线器( u s bh u b ) 。 n 1 u s b 主机 在一个u s b 系统中，当且仅当有一个u s b 主机时，u s b 主机有以下功能： 管理u s b 系统；每毫秒产生一帧数据；发送配置请求，对u s b 设备进行配置 操作；对总线上的错误进行管理和恢复。 ( 2 ) u s b 外设 在一个u s b 系统中，u s b 外设和u s b 集线器总数不能超过1 2 7 个。u s b 设 备接收u s b 总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己 的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包：若地址相符，则通过响应u s b 主机的数据包与u s b 主机进行数据传输。 ( 3 ) u s 3 集线器 u s b 集线器用于设备扩展连接，所有u s b 外设都连接在u s b 集线器的端口上。 一个u s b 主机总与一个根集线器( u s br o o th u b ) 相连。u s b 主机为其每个端口提 供1 0 0 m a 电流供设备使用。同时，u s b 集线器可以通过端口的电气变化诊断出设 备的插拔操作，并通过响应u s b 主机的数据包把端口状态汇报给u s b 主机。一般 来说，u s b 设备与u s b 集线器间的连线长度不超过5 m ，u s 8 系统的级联不能超过 5 级( 包括r o o th u b ) 。 2 3 4u s b 总线数据传输 从物理结构上，u s b 系统是个星形结构；但在逻辑结构上，每个u s b 逻辑 设备都是直接与u s b 主机相连进行数据传输的。在u s b 总线上，每m s 传输1 帧 数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。u s b 设备可根据数据包中的地 址信息来判断是否响应该数据传输。在u s b 标准1 1 版本中，规定了4 种传输方 天津大学硕士学位论文第二章数字图像编码与u s b 技术概述 式以适应不同的传输需求： ( 1 ) 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置 设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大 有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为8 个字 节。 ( 2 ) 同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 同步传输仅适用于全速高速设备。同步传输每m s 进行一次传输，有较大的 带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1 0 2 3 个字节。 ( 3 ) 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可 为1 t 2 5 5 m s ，而低速设备的中断传输周期为1 0 2 5 5 m s 。全速设备每次中断传输的 最大有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为8 个字节。 ( 4 ) 批量数据传输( b u l kt r a n s f e r ) 批量数据传输是非周期性的数据传输，仅全速高速设备支持批量数据传输， 同时，当且仅当总线带宽有效时才进行批量数据传输。批量数据传输每次数据传 输的最大有效负荷可为6 4 个字节。 天津大学硕士学位论文第三章系统的功能、特点及硬件介绍 第三章系统的功能、特点及硬件介绍 3 1 系统的功能 该系统是基于u s b l 1 协议且与m p e gi i m p e gi 兼容的编解码系统。具有 如下功能：1 1 压缩编码功能：用于实时采集模拟音视频信息，并将其数字化，而 后依m p e g 标准将数据进行压缩编码，通过u s b 接口将数据存储于硬盘，以便 进行编辑和网络传输。2 、解压缩功能：可实现对符合m p e g 标准的音视频文件进 行软件或硬件解压缩，将其进行数模转换，并进行模拟视频编码，在电脑或监 视器上回放。3 ) 电视接收功能：可用于符合我国有线电视广播节目的接收。 3 2 系统的特点 1 高度集成性：该系统集成了数字摄像机，视频展台，视频采集卡，m p e g 解压卡，电视卡等功能。 2 方便性：通过u s b 接口与微机相连，可热插拔。可以将采集到的音视频 数据压缩为* m p g 文件，存储在硬盘e 。 3 灵活性：用户可根据实际需求，自行设定m p e g 压缩编码的参数。 3 。3 系统硬件的研究 3 3 1 系统硬件总体结构及工作原理 系统结构框图如图3 1 所示。其中，s a a 7 1 1 4 将模拟视频信号转换为标准 的i t u rb t 6 0 1 b t 6 5 6 的数字格式，供s m 2 2 1 0 迸行m p e g 编码。s a a 7 1 1 4 的输 入可以源自摄像头或外接设备。此外，系统中的高频调谐器也可为s a a 7 1 1 4 提供 “素材”。视频编码芯片b t 8 6 0 可以接收s m 2 2 1 0 解压后的数字视频信号，完成 p a l n t s c 制编码。s m 2 2 1 0 编解码所需缓存空间由片外的s d r a m 提供。主机通过 u s b 电缆下载控制微码至u s b 控制芯片c y 7 c 6 4 6 1 3 。c y 7 c 6 4 6 1 3 通过i 总线设置 f 1 1 2 5 6 、s a a 7 1 1 4 和b t 8 6 0 的寄存器，同时c y 7 c 6 4 6 1 3 与s m 2 2 1 0 的主机接口单 元相连，完成m p e g 码流的传输、任务的协作以及信号的同步。 天津大学硕士学位论文第三章系统的功能、特点及硬件介绍 图3 1 系统硬件框图 该系统在编码状态，数字视频数据经s m 2 2 1 0 压缩编码成m p e g 码流后，经 由u s b 电缆导入微机在显示器一l i ! i i i ，或存储为扩展名为+ m p g 的文件。解码 天津大学硕士学位论文第三章系统的功能、特点及硬件介绍 状态，可选择硬件或软件解码。硬件解码条件下，将硬盘上存储的文件数据导出 经硬件系统解码回放到监视器上，软件解码则用于在电脑显示器上进行回放。 系统硬件不含对声音处理能力，该工作通过软件控制主机声卡来实现的。 3 3 2m p e g 编解码芯片8 m 2 2 10 3 3 2 1 芯片特性、参数介绍 8 m 2 2 1 0 是s t r e a mm a c m f i e 公司的实时m p e gi i m p e gj 视频编解码芯片，完 全兼容t s 0 i e c1 3 8 1 8m p m l 格式。编码模式，s m 2 2 1 0 将输入的l r urb t 6 0 l 或i t u rb t 6 5 6 格式的数字视频，压缩成m p e g 节目流。芯片特性如下： a ) 视频编码器：单芯片实时m p e g 1 和m p e gi i 主级主类数字视频编码，遵从 i s 0 i e c l 3 8 1 8 2 ，视频流速率上限达1 3 ，5 m p e l s s ( 1 6 b i t ) ，2 7 , e 】s s ( 8 b i t ) ： b ) 支持恒定比特率( c b r ) 和变比特( v b r ) 率模式，对于i p b 帧图像，c b r 达1 5 m b p s ， v b r 达1 0 m b p s ；对于仅有i 帧图像，v b r 达3 0 m b p s ； c ) 高性能的运动补偿，半像素精确度，水平搜索范围6 3 5 ，3 1 5 ，1 5 5 ，7 5 像素 帧，垂直搜索范围3 1 5 ，1 5 5 ，7 5 像素帧； d ) 对外部s d r a m 存储器容量需求较小； e ) 支持多分辨率以及扫描速率： n t s c ：( 7 0 4 ，6 4 0 ，5 4 4 ，4 8 0 ，3 5 2 ) x4 8 0o r 3 5 2x2 4 0 帧频为3 0 或2 9 9 7 h z p a l ：( 7 0 4 ，6 4 0 ，5 4 4 ，4 8 0 ，3 5 2 ) x 5 7 6o r3 5 2 x 2 8 8帧频为2 5 h z ； f ) 集成了视频预处理与后处理功能：预处理器接收i t u rb t 6 0 14 ：2 ：2 与叭输 入格式； g ) 8 1 m 工作频率； h 1 内建的可编程预处理滤波器；可编程的半水平分辨率( h h r ) ，2 3 水平分辨率滤 波器； i ) 编码参数可编程：i 帧与p 帧的间隔；用户定义的量化矩阵；平均比特率；有效 图像区域选择； i ) 视频解码器：对符合丛瑙翌壁的m p e gi i 与m p e gi 视频进行解码，支持全 d 1 ，2 3 d 1 ，1 2 d 1 ，变长解码，视频流语法分析与解码，错误发现及处理； k 1 运动预测：支持基于帧、场、1 6 x 8 以及双基预测的运动补偿模式，完成半像素 和双向插补错误检测处理。 天津大学硕士学位论文第三章系统的功能、特点及硬件介绍 3 3 2 2 芯片内部单元介绍 s m 2 2 1 0 的内部结构如图3 2 所示： + 18 y + 33 v 2 7 m h z 系统时钟 图3 2s m 2 2 1 0 内部结构框图 各单兀的功能如r ： 视频引擎单元( v e u ) ：是s m 2 2 1 0 的核心处理单元，它在s 1 i c e 层以下处理数据， 进行d c t 和反d c t ，量化与反量化，变长编解码和运动补偿。i d c t 输出符合 i e e e1 8 0 0 精度的要求。 视频流单元( v s l ) ：在s 1 i c e 层以上处理位流数据。在编码时，v s u 负责在压缩 的位流中插入视频头信息。在解码时，它解出基本位流( e s ) 与显示时间戳( p t s ) 。 由打包的基本流( p e s ) 得到的p t s 信息被放入用于音视频同步的基本流e s 用户 数据域内( u s e rd a t af i e l d ) 。除了p e s 外，v s u 还能提取出e s ，并将其放入解 码缓冲区中。 细化与判决单元( r d u ) 包含两个功能：一、将由m e u 产生的粗精度的运动矢量 细化到半像素精度；二、自适应的选择最适宜的运动类型，运动补偿模式，d c t 编码模式。 运动估计单元( m e u ) ：计算场模式或帧模式的全像素精确度运动矢量，可以进行 前向或后向估计。前向估计用于p 帧的宏块，双向估计用于b 帧的宏块。 s d r a m 控制单元：为所有的功能单元提供对片外s d r a m 存储器的接口，支持3 0 帧秒的视频编码速率。 微控制器单元( m c u ) ：内部的r i s c 处理器调度各子单元，完成全局的同步。它 天津大学硕士学位论文第三章系统的功能、特点及硬件介纲 由h i u 从主机下载微码，并运行，调度的芯片工作。 主机接口单元( h i u ) ：支持嵌入式系统通常的设计要求。用于与主机控制器的通 讯。主机接口可以通过p c i 接口与基于p c 的主机系统相连。 预处理单元：选择输入视频的有效区域并进行变换，i n v e r s et e l e c i n e ( i n v e r s e t eje c i n e ，简单的说