（通信与信息系统专业论文）基于单片视频压缩芯片的mpeg2编码器设计与实现.pdf

硕 学位论文皋f 单j 说频殊缩芯片的m p e g 2 编码器设计j 实现 摘要 在计算机技术快速发展的今天，多媒体技术被越来越多的应用于生产生活的各个 领域，而多媒体对存储空问和网络传输速率的要求也越来越高。对于一些较大容量的 多媒体文件，目前存在的存储和传输条件仍然不能很好的满足大多数用户的需要。本 课题旨在通过算法改进，提高m p e g 2 视频的编码比率、压缩率、传输速率和执行性能， 使其具有先进的技术指标，编码率和压缩率达到一个新的水平，改善系统的实时性、 有效性和方便性，满足日益迫切的需要。 许多经典的编码算法，比如h u f f m a n 编码、基于运动补偿编码以及预测编码和离 散余弦( d c t ) 编码等等，对于稍微复杂的视频的压缩率是非常有限的，并且在应用这 些传统算法时，带来的代价很高，执行性能差。本课题在研究了 l p e g 一2 编码算法和 硬件性能的基础上，对其进行了分析、改进、设计与实现，给出了一种基于p h i l i p s 视频编码芯片s a a 6 7 5 2 的m p e g 一2 码流的编码方案，并提出了一种基于p h i l i p s 视频 解码芯片s 从7 1 1 4 的m p e g _ 2 码流解码播放方案。由基于专用芯片的m p e g 一2 视频压缩 解码器硬件系统对视频文件进行解码操作，生成视频压缩算法所需要的子文件。然后 对这些视频子文件进行压缩处理，生成，式缩后的视频文件。最后在视频压缩编码的硬 件系统上对这些子文件进行编码，生成一个新的压缩后的视频文件。 通过对系统的调试和实验，生成的压缩后视频不但实现了特定的压缩率，而且在 视频帧图像的嘲面上也并没有出现明显的扭曲变形和像素丢失。经项目试验实测，各 项性能都有较大提高，系统运行稳定、町靠。 关键字：视频压缩编码，运动补偿，离散余弦，视频解码，m p e g 一2 编码 a b s 仃a c t 硕l 。学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g y i si n c r e a s i n g l yw i e l d e di nm a n ya r e a so fh u m a l l sp r o d u c t i o n 觚dl i f e ，a i l dt h en e e d sf o r l a r g e rm e m o 巧s p a c ea n df 犯t e rn e t w o r kt r a n s m i s s i o nr a t ea r ei n c r c a s i n g l yi n s t a l l t f 0 r s o m el a r g e s c a l em u l t i m e d i ad o c u m e l l t s ，m ee x i s t i n gs t o r a g ea i l dt r a n s m i s s i o nc o n d i t i o 璐 a r es t i l ln o tw e np o s i t i o n e dt 0m e e tt h en e e d so f m o s tu s e r s t h ed i s s e r t a t i o na i m st o i n c r e a s e 锄di i l l p r 0 v em p e g 2v i d e o se n c o d i n gr a t e ，c o m p r e s s i b i l i t y 仃a n s m i s s i o nr a t ea i l d p e r f o r m a n c eq u a l i t yt h r o u g ha l g o r i t h r ni m p r o v e m e n t ，a n dt h u sm e e tm ed i v e r s i 矗e dn e e d s b ya d v 锄c i n gi t st e c h n i c a li n d i c a t o r r a i s i n gt h ee n c o d i n gr a t ea i l dt h ec o m p r e s s i b i l i t yt oa n e w l e v e i ，i m p r 0 v i n gt 1 1 es y s t 锄sr e a l - t i m i n g ，v a l i d i t ya i l dc o n v e n i e n c e t h ec o m p r e s s i b i l i t yo fs o m ec l a s s i c a l e n c o d i n ga l g o r i t h i n s ，i n c l u d i n g h u f j 丘1 1 a n c o d i n 岛m o t i o nc o m p e n s a t e dp r e d i c t i v ec o d i n g ，p r e d i c t i v ec o d i n g ，d i s c r e t ec o s i n e t i 独s f o m lc o d i n g ( d c t ) ，e t c ，i sv e 拶l i m i t e di ft h eo r i 西n a l 、r i d e 0i ss l i g h t l yi n 砸c a t e ，a i l d t h ec o s ti sh i 曲w i t i lm ep e r f o 肌a n c eb a d i f 印p l 如n gt h e s et r a d i t i o n a ia l g o 矗t h m s b a s e d0 n t l l es t u d yo ft h em p e g 一2e n c o d i n ga l g o r i t h m 锄dh a r d w a r ep e r f 0 瑚锄c e ，m i sd i s s e r t a t i o n p u t sf 0 刑a r dap h i l i p sv i d e oe n c o d e rc h i p - s a a 6 7 5 2 - b a s e dm p e g 一2s t r e 锄c o d i n g s c h 锄e s ，a n dp r e s e m sap h i l i p sv i d e 0d e c o d e rc h i p s a a 71 1 4 - b a s e dm p e g - 2 眦锄 d e c o d ep l a 如n gs c h e m e d ，a r e rs o m ea n a l y s i s ，i m p r 0 v e m e n t ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no n t h em p e g 一2e n c o d i n ga l g o r i t l l i l la 1 1 d h a r d w a r ep e r f o 肌a n c e a r e rb e i n gd e c o d e d b ya s p e c i f i c c h i p - b a s e dm p e g 一2v i d e 0c o m p r e s s o r h 砌w a r es y s t 锄，t h eo r i g i n a lv i d e o sw i l l c h a n g ei m ov i d e os u b f i l e sw h i c ha r er e q u i r e df o rv i d e o 能q u e n c yc o m p r e s s i o na l g o r i t h m c o m p r e s st h es u b f i l e sa n dg e n e r a t es o m ec o m p r e s s e dv i d e od o c 啪e m s f i n a l l y e n c o d e t h e s es u b - f i l e sa tt h eh a r d w a r eo ft h ev i d e oe n c o d i n gs y s t e ma n dt h en e wc o m p r e s s e d v i d e o sw i l lb eg e n e r a t e d 1 t l ef i n a lc o m p r e s s e dv i d e ow i l ln o t0 n l ya c h i e v ea s p e c i f i cc o m p r e s s i b i l i t y ，a n da l s o t h e r ei sn oo b v i o u sd i s t o n i o na n dp i x e l l o s si nt h ep i c t u r e so ft h ev i d e o 厅锄e s 1 1 1 1 er e s u l t o ft h et e s ts h o w st h ep e r f 0 肌a l l c eh a sb e e n 班a t l yi m p r o v e d ，a n da l s om e s y s t e mi ss t a b l e a n dr e l i a b l e k e y w o r d s ： v i d e o c o d i n g ， m o t i o nc o m p e n s a t i o n ， d i s c r e t ec o s i n e ，v i d e od e c o d i n g ， m p e g 一2e n c o d i n g 硕t ：学位论文基f 单片税频f k 缩芯h 的m p e g 2 编码器设计j 实现 l 绪论 1 1 图像压缩编码的发展背景与意义 无论是普通人的生活还是某些科技工作者的工作领域，都可能接触到将数据信 息进行传输与存储的情况。例如遥感照片、数字电视、由雷达等拍摄的图像、传真 照片以及会议电视和町视电话，包括教育、商业、管理等方面的图文资料、c t 机、 x 射线机等拍摄的医用图像、天气云图等等，各种数据的存储和传输部需要通过传 输介质进行，也即只有借助f 各种介质才会完成传输。这其中有一点很重要，其关 系到数据传输的整体质量，即数据的传输速度和传输质量以及传输容量的的限制等 因素。数据传输过程中的数据大型化，使得研究者必须思考如何在面对传输宽带有 限的条件下尽可能快速和高效地进行大量数据的传输。这就涉及到对图像等数据进 行压缩的问题，数据的压缩必须要保证压缩后的质量在用户可接受的范围内。从而 使得图像数据的压缩技术成为研究的热点问题。 对图像编码技术的研究很早就有。具体的研究发展历程可以概括如下：第一阶 段，限于客观条件，对图像编码技术中的较基础的预测理论方法和复原理论等技术 进行研究，如有学者对p c m 与d p c m 进行了对比分析之后提出的线性预测技术等； 第二阶段主要是关注各种编码算法等技术，如动态补偿算法和傅里叶变换算法等， 二十世纪7 0 年代开始进行预测编码的研究，8 0 年代开始对运动补偿( m c ) 所用的运 动估值( m e ) 算法进行研究，有人提出变换编码，采用二维离散傅罩叶变换。重点在 探讨如何更好的充实和丰富编码技术；第三阶段，为编码技术的标准化，在丰富的 编码技术理论基础上进行图像编码技术的标准制定工作。这其中就包括了如9 1 年 制定的静止图像j p e g 标准、9 3 年制定的有关活动图像的m p e g 一2 国标、9 4 年美国 制定的数字电视标准、9 8 年制定的h 2 6 3 + 标准以及m p e g 一4 草案等。具体为： 1 9 9 0 年针对会议电视和可视电话而制定的h 2 6 l 标准。 _ 1 9 9 1 年针对静止图像编码而制定的j p e g 标准。 一 1 9 9 1 年针对电视数字图像存储而制定的m p e g l 标准。 _ 1 9 9 3 年针对活动图像与其伴音压缩而制定的通用编码国际标准 m p e g 一2 。 -1 9 9 4 数字h d t v 系统的说明书草案由荚国“大联盟公布。“数字电视 标准”由美国“先进电视系统委员会”拟定。 1 9 9 6 年i t u t 针对甚低码率视频编码而制定了h 2 6 3 标准。 1 9 9 8 年【t u t 拟定出h 2 6 3 v e r s i o n 2 草案，即h 2 6 3 + 标准。 一1 9 9 8 年拟定处p e g 一4 草案，并首次在编码中引入了视频对象( v i s u a l 0 b j e c t ) 和基f 内容编码的概念幢。 绪论颂f 学位论史 总所周知，赢技术的广泛应用和高速发展离不肝诸多的技术和应用标准。图像 编码技术同样如此，在各种编码技术的辅助f ，编码技术在应用及产业化方面取得 了很好的成绩。诸如，激光数字唱盘及其他编码技术产品大量推进市场，带给用户 高质量的生活享受的同时迎来图像技术的高速发展阶段。 1 2 国内外图像压缩编码技术发展现状 国外很早就开始了m p e g 2 编码器和解码器的设计和生产，并经历了一个由可编 程芯片设计到使用a s i c 芯片或运算能力强大的处理器构成系统的过程。最早的 m p e g 2 编码器是用大量的可编程集成电路芯片设计，产品的体积非常大，为一个9 u 高度的2 2 8 6 c m ( 1 9 i n ) 标准机箱，功耗也高，系统的可靠性较差。改进后的编码器采 用运算功能强大的带有专用处理电路的处理器设计，系统的集成度有了很大的提高， 如c c u b 公司的基于v r p i i 的系统，采用多片v r p i i 芯片构成一个硬件实时编码 器。随后出现了用专用集成电路的编码器，如i b m 公司的m e 3 0 系统，采用三片集成 电路，构成视频处理单元。 从困内来看，以前许多单位在m p e g 2 软件编码器和解码器算法样机方面做了许 多工作，能够完成非实时的编解码工作。近两年来国内在编码器和解码器的设计上 已经从软件走向硬件的实时实现e 。编码器设计采用的是以国外的专用芯片设计方 案，已成功地应用在高清晰度电视硬件样机的设计中。解码器的硬件设计国内开始 也较早，在1 9 9 5 年国内已经有了采用专用芯片的成功设计，目前国内许多厂家已经 有了采用国外厂商成套产品的设计，广泛应用在电视机项盒产品设计中。 图像编码技术的产业化和实际工程中的应用成为很多人思考的问题，特别是在 有关图像编码技术的国际标准纷纷出台后，变得尤为突出。该技术的广泛应用意义 重大，到叮以使现有信息产业之结构发乍j e 常大变话的程度，从而使广播，通信， 计算机产业的界限变得更加模糊了。目前，国外的一蝗有线电视公司和通信、计算 机公司之间的相巨合作，如：美困最大的有线电视公司和软件公司合作开发交互式 电视等都充分体现了其意义之蓖大。 图像质量高、频谱利用率高、具有町扩展性、易f 加密、可以实现多种业务的 动态组合和统计复用、可以灵活组成交砭式电视系统等这些数字电视具有的优点使 得如今很多国家都在大力推广数字电视技术，并且这止粤优点还是模拟电视所无法 的。按最近的数字有线电视公司的公告，象安徽合肥地区基本七完成了数字电视的 转换，模拟电视信号己切断。按此情形，我们町以预想，在不久的将来，数字电视 必然最终取代模拟电视。其视频质鼍以及弓用户的交互性等诸多方面性能，都大大 超越模拟电视。 但是数据量庞大约束着数字电视，因而要保证传输质量及数量的要求，视频压 缩技术的能力就显得极为霞要。所以，最近几年图像编码研究主要集中在视频压缩 硕 ：学位论文 甚卜单h 视频 泰缩芯片的m p e g 2 编码器设计与实现 上，以改进数字电视的性能，促使各等级的数字电视的成功实现，扩大其应用领域。 这也表明图像编码技术对数字电视的发展起着至关重要的作用。图像编码【卡 际标准 中视频压缩编码和静止图像编码围际标准的数量比例中呵以说明这些问题。 图像编码技术的重要作用使得很多的学者都将研究兴趣集中到这一点。实际上 图像编码技术在有关图像编码的国标中的大比例就充分说明其重要性。一般来说， 数字电视以分辨率为划分标准的话，它可以大致分为视频电话、数字会议和数字标 清电视以及高清电视等等。当然该项技术在很多其他领域也有应用，如指纹采集系 统，电子书籍的出版，信息遥感系统等高技术领域。 可以预期，图像编码技术在未来将会获得更加广泛的应用，特别是伴随着该项 技术的高速发展，其与之相关的各种技术和标准也随着不断的丰富。比如，相关人 员认为m p e g 一4 在将来甚至可以突破一般意义上的视频电话，在计算机和通信等领 域获得发展而形成新的有广泛应用前景的国际标准。 总的来说，图像压缩技术为全新的应用领域的开拓打下了i 隆实的基础。图像压 缩技术的基本应用，以至在更深更广层次上的应用就成为我们研究的热点。图像压 缩技术在将来的的应用前景是非常广泛的。 1 3 论文主要研究工作与内容安排 本课题以图像压缩理论为基础，莺点研究了m p e g 一2 中的图像编码技术、视频 压缩编码和解码原理，并独立完成了以下工作： l 、研究了图像f k 缩的基本方法，提出了一种基于p h i l i p s 的m p e g 一2 视频编码芯片 s a a 6 7 5 2 的编码方案，并独立完成了整个系统硬件制作、软件的调试工作。 2 、提出了一种基于p h i l i p s 的m p e g 一2 视频解码芯片s 从7 1 1 4 的解码方案，并独立 完成了整个系统硬件制作、软件的调试工作。 3 、设计m p e g 一2 编码系统的硬件原理图，以s a a 6 7 5 2 为核心，用a t m e g a l 6 通过1 2 c 总线控制s 从6 7 5 2 ，在p r o t e l 上画出系统的原理图。 4 、系统性能指标的测试，包括对m p e g 一2 编码和解码系统进行调试，确保系统性能 的正确性。 论文章节安排如下： 第l 章概略介绍图像压缩编码技术的发展历程及前景，对图像压缩编码方法 的实际应用作了简要介绍，说明本项目的背景、研究意义及本论文的圭要工作。 第2 章主要介绍m p e g 一2 视频编码的技术基础，包括m p e g 一2 视频编码国际标准， 视频信号数字化处理的概念和过程，以及m p e g 一2 视频编码的主要技术和方法。 第3 专m p e g 一2 - 编码器硬件电路设计，主要包括m p e g 一2 编码器结构设计，压缩编 码系统设计，m p e g 一2 编码号用芯片s 从6 7 5 2 h s 与s a a 7 1 1 4 视频解码芯片的的原理和 功能，以及d s p 等硬件接 j 的设计。 绪论硕卜学位论定 第4 章系统控制软件设计，介绍单片机及接f 1 的技术基础，通过单片机对 s a a 7 1 1 4 与s 从6 7 5 2 h s 的初始化设计和控制，以及芯片1 6 c 5 5 0 的初始化与i 总线 的设计。 第5 章主要讲述m p e g 一2 编码系统的调试及测试，包括对硬件系统和软件系统 各项技术指标性能的测试方法与过程。 第6 章对本论文工作进行了总结，并提出下一步要进行的研究方向。 4 硕l 学位论文皋于单h 视频脉缩芯j 1 的m p e g 2 编码器设计0 实现 2 视频压缩编码技术 2 1 肝e g 一2 视频压缩编码标准 2 1 1 肝e g - 2 标准 为满足对运动图像及其他音频编码的需要，特别是在数字媒体，数字电视的存 储和传播等应用领域的需求，制定了有关活动图像和相关声音信息的编码方法，也 即m p e g 一2 标准。该编码标准主要是针对大范围的码率。一般来说，该标准可以实 现对音频和图像的高质量的压缩，还可以实现多音频多点多模式等的传输。其压缩 比率甚至已经达到2 0 0 ，其速率也达到接近4 0 m b s 。 m p e g 一2 标准t 要包括以下部分：系统标准、视频标准、音频标准、兼容测试方 法、软件仿真实现、命令与控制、n b ca u d i o 、1 0b i t 视频扩展、传输流的实时接 口和d s 肛c c 的一致性扩展等。这其中，系统标准主要是音频图像等合成节目流和 传输流的方式。兼容测试主要是测试编码流与m p e g 一2 码流是否相符。而1 0b i tv i d e o 即l ob i t 视频扩展。i s o i e c l 3 8 1 8 9 ，也即r e a lt i m ei n t e r f a c e 其实现传输流 的实时接口。i s o i e c l 3 8 1 8 一1 0 也即d s m c cc o n f o r m a n c e ，d s m c c 的一致性扩展。 这个标准由以下1 0 部分组成： 1 ) i s 0 【e c l 3 8 1 8 一l ，s y s t e m ：系统。描述多个视频、音频和数据原始流合成 传输流和节目流的方式。 2 ) i s o i e c l ：j 8 1 8 2 ，v i d e o ：视频。描述视频编码方法。 3 ) i s o i e c l 3 8 1 8 3 ，a u d i o ：音频。描述与m p e g l 音频标准反向兼容的音频 编码方法。 4 ) i s o i e c l 3 8 1 8 4 ，c o m p li a n c e ：兼容测试。描述测试一个编码码流是否符 合m p e g 一2 码流的方法。 5 ) i s o i e c l ：；8 1 8 5 ，s o f t w a r e ；软件仿真。描述了m p e g 一2 标准第一、二、 三部分的软件实现方法。 6 ) i s 0 i e c l 3 8 1 8 6 ，d s m c c ：数字存储媒体一命令与控制。描述交互式多媒 体网络中服务器与用户间的会话信令集。 7 ) i s 0 i e c l 3 8 1 8 7 ，n b ca u d i o ：描述不与m p e g l 音频反向兼容的多通道音 频编码。 8 ) i s o i e c l 3 8 1 8 8 ， l ob i tv i d e o ：1 0b i t 视频扩展。 9 ) i s o i e c l 3 8 1 8 9 ，r e a lt i m ei n t e r f a c e ：传输流的实时接口。 l o ) i s o i e c l 3 8 1 8 一l o ：d s m c cc o n f o r m a n c e ，d s m c c 的一致性扩展”0 。 视频和爵频和系统是m p e g 一2 标准的核心内容。基于本文的蕾要研究方向是视 频编码方法，所以系统和视频部分将作主要的介绍。 5 视频j 卡缩编码技术颀卜学位论文 2 1 2 肝e p 2 的系统层 该系统规定了节目流和传送流两种码流结构，这样定义主要是基于使得其能够 通过光缆和i ! 譬以及各种电视频道等进行数字信息的传输和兼容而考虑。该系统的 两种流码结构使用的地方有所不同。如2 1 1 所示的为m p e g 一2 系统层的结构。 图像p e s 书目流 系统规范 流 图2 1 1m p e g 一2 系统层的结构图 节目流和传送流是该系统的两种关键的码流结构。节目流是由一系列有序的包组成， 而包是由包头( 可选系统头) 和若干p e s 分组包构成心6 1 为更好的说明主题，现在 分析如下。原始的视频和爵频数据经图像编码和声音编码后生成视频基本流e s 和 音频e s 。再分别送到各自的数据包形成器，先对压缩数据流进行打包，形成p e s 数 据包。显然不允许直接传输p e s ，只允许传输p s 和t s 。p e s 数据包是节目流和传送 流共用的一种数据结构，它除了含有压缩后的视频和音频信息外，还含有一些系统 信息。 最后，p e s 数据包由复合器复合成系统节目流和传输流输出。 下面对节目流( p s ) 和传送流( t s ) 做。一简要介绍 1 ) m p e g 一2 节目流( p s ) 与m p e g 一1 系统流兼容。标准要求m p e g 一2 节日流解码器 能够正确对m p e g l 系统流进行解码。同m p e g l 系统流一样，m p e g 2 节目流适用f 无误码影响的环境( 如磁盘存储器等) 以及基f 软件的解码处理。节目流( p s ) 的数据 包通常比较长而且其长度不是固定的。一般来说，先进的节目流数据包的k 度要与 磁道的长度相适应，节目流数据包长度在l k 一2 k 字节范围内，其长度通常和磁盘磁 道的长度相匹配。m p e g 一2 节目流的应用场合主要是软件解码方法和诸如磁盘存储等 无误码的环境。图2 1 2 为节日流解码器的工作过程及原理图。 6 硕 学化论文 基于单片砚频脉缩芯，；的m p e ( j 2 编码器殴计j 实现 数字存储媒体 媒体 特殊编码器 m p e g - 2 节目流 图像 解码器 嚣篡i 雨 解复片j 器l 1 ：= ： 声眚 解码器 已解码图像 已解码声音 图2 1 2 典犁节目流解码器 鲁棒性的改善。噪声信道的信息传输的鲁棒性不是很好，而该标准的传送流则 很好的改善了这种鲁棒性。传送流较容易实现多个节目流的适当融合处理，特别是 对于时间基准不同的节目也可以实现。传输流的数据包长度正好适合硬件的直接处 理，在卫星及数字电视等系统的信道中传播也较容易实现。图2 1 3 给出的是传送 流解码器的工作原理图。 图像 数据线路 解码器 已解码 t 厂 数据线路 一淼 i 特殊编码器 严 _ 一时钟控制 ， t 声音 m p e g 2 传送流 解码器 已解码 图2 1 3 传送流解码器 2 1 3m p e g 一2 的视频部分 相对于m p e g l 而占，m p e g 一2 标准通过设置“场内编码”和“帧内编码”等两 种模式提高数字编码的压缩率等，一定程度扩展了视频的应用领域。此外还引入 “可分级性”理论，将视频压缩概念进行扩展，实现了压缩编码的分级化，该技术 甚至实现了对清晰度不高的图像的分级压缩化实现向下扩展。关于视频部分编码与 压缩更详细的内容将在以下章节中作进一步的介绍。 2 1 4 视频编码标准 一、h 2 6 l 、h 2 6 3 标准 1 h 2 6 1 标准。该标准的主要是针对电视电话会议而争门设计的，主要解决视 频会议在i s d n 在实现技术。该标准在编码过程中，占用的计算机资源相对较少， 7 说频脉缩编码技术硕卜学位论文 且在运动可视化和图片质量问实现f 衡化，但是不能与m p e g 算法兼容。该技术标 准主要足恒定码流的质疑可变化编码技术。 2 h 2 6 3 标准。h 2 6 3 标准在较宽的流码范围都适用，而非其最初设计的主要 为低码流通信服务。其在定的范围内可以用来取代h 2 6 1 标准。相对于h 2 6 1 标 准而占，这项标准的主要特点有其使用半象素精度进行运动补偿，采用无限制的运 动向量，数据流层次结构可选即意味着其编解码的纠错能力较强，基于语法的算术 编码，此外其还支持多种分辨率。随着技术的不断发展，h 2 6 3 标准也在改进过程 中，其加强版h 2 6 3 + 标准也被推出，主要是改进了其可扩展性的同时提高了该技术 标准的压缩编码的能力。 h 2 6 3 标准在低码率下能够提供比h 2 6 l 更好的图像效果，两者的区别有： ( 1 ) h 2 6 3 的运动补偿使用半象素精度，而h 2 6 l 则用全象素精度和循环滤波；( 2 ) 数据流层次结构的某砦部分在h 2 6 3 中是可选的，使得编解码可以配置成更低的数 据率或更好的纠错能力；( 3 ) h 2 6 3 包含四个可协商的选项以改善性能；( 4 ) h 2 6 3 采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码；( 5 ) 采用事先预测和与m p e g 中的 p b 帧一样的帧预测方法；( 6 ) h 2 6 3 支持5 种分辨率，即除了支持h 2 6 l 中所支持 的q c i f 和c i f 外，还支持s q c i f 、4 c i f 和1 6 c i f ，s q c i f 相当于q c i f 一半的分辨 率，而4 c i f 和1 6 c i f 分别为c i f 的4 倍和1 6 倍。 1 9 9 8 年i u t t 推出的h 2 6 3 + 是h 2 6 3 建议的第2 版，它提供了1 2 个新的可 协商模式和其他特征，进一步提高了压缩编码性能。如h 2 6 3 只有5 种视频源格式， h 2 6 3 + 允许使用更多的源格式，图像时钟频率也有多种选择，拓宽应用范围：另 一重要的改进是可扩展性，它允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信息 在易误码、易丢包异构网络环境下的传输。另外，h 2 6 3 + 对h 2 6 3 中的不受限运 动矢量模式进行了改进，加上1 2 个新增的可选模式，不仅提高了编码性能，而且 增强了应用的灵活性。h 2 6 3 已经基本上取代了 1 2 6 l 心引。 相对h 2 6 3 标准而占，h 2 6 3 + 标准可选模式更加多，支持多显示率和多分辨率 等。总体来说h 2 6 3 + 标准技术上更加先进，用户使用起来更加的方便和舒适。 二、j p e g 标准 m j p e g 技术标准的硅著特点就是可以将运动视频序列作为连续的静止图像来 处理。该处理技术使得压缩过程中町以精确实现对帧的编辑。其内部的算法董要是 基于可变长编码技术，关键技术还有运动补偿、变换编码和游程编码等技术。m j p e g 技术标准是对称和町逆的，同样的软件和硬件就町以实现压缩和解压两个过程。其 t 要优势可以概括为，其较容易实现精确编辑和，k 缩，其实现起来较容易对设备要 求不是很高。 其也有不足之处，如压缩率不是很高，主要原冈就是其爪缩时没有对帧与帧之 8 硕卜学位论文皋卜单片说频乐缩芯片的m p e g 2 编码器没计j 实现 问的时问冗余处理，只关注帧内的时间的压缩处理。当然，该技术的优势还是比较 明显的，在实际的应用中有着广泛的应用。但是有。点需要提出的是，该技术标准 的压缩方式并没有对编解码器和存储方式进行格式化的要求，导致了不同的生产单 位生产出来的各种服务产品的m j p e g 版本不兼容。 三、m p e g 系列标准 虽然已经发展了新一代的h 2 6 4 a v c 视频编码标准，但目前被广泛应用于数字 电视广播、数字化视频光盘、视频编码、视频检索、视频监控等场合的依然是m p e g 标准，大量的视频素材也是m p e g 视频流7 1 。m p e g 系列技术标准包括了诸如m p e g l 、 m p e g 一2 和m p e g 一4 以及m p e g 一7 和m p e g - 2 l 等技术标准。这一系列标准的开发和完善 得益于该领域的公司的全球化的合作。各个公司的技术合作和发展使得该压缩技术 的专家组不断的充实，实力越来越强大，制定的技术标准的使用范围也越来越广泛。 从“活动图像”的编码技术标准到“及其伴随的音频”组合编码技术标准再到“用 于数字存储媒体”技术标准等发展过程，可以发现该系列标准的不断发展阶段。 l 、m p e g l 技术标准和m p e g 一2 技术标准。 m p e g 一1 标准主要解决1 5 m b p s 数据传输率条件f 的图像编码及伴音编码等问题，自 其出现起就在随身听等电子音乐产品中获得了广泛的应用，使得v c d 和m p 3 大星被 使用，w i n d o w s 9 5 以后的版本都自带一个m p e g l 软件解码器，还包括可携式m p e g l 摄像机等等。 m p e g 组织于1 9 9 4 年推出m p e g 一2 压缩标准，以实现视音频服务与应用互操作 的可能性。m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用f 的压缩方 案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3 兆比特1 0 0 兆比特，标准的l f 式规范 在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 一2 不是m p e g l 的简单升级，m p e g 一2 在系统和传送方面 作了更加详细的规定和进一步的完善。m p e g 一2 特别适用于广播级的数字电视的编码 和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。 m p e g 一2 技术标准- 芒要解决音频和视频二者的互操作等应用问题。该标准详细规 定了高清数字电视应用条件下的图片及声音压缩技术方法。m p e g 一2 技术标准充分利 用图像中的空间相关性和时间相关性，将两个相关性中的多余信息在压缩和传输的 过程中去掉，对于信息接收者而占，在接受到数字信息后则叮以通过一定的算法和 技术实现信息的还原。总体而占，相比较m p e g l 标准，m p e g 一2 标准更加的完善和 先进，尤其是在数字电视的数字信号传输方面被广泛的认可伫引。 事实上，m p e g 一2 编码技术可以大致分为i 帧，p 帧以及b 帧二大类。【帧编码 技术利用图像的空间相关性，实现图片的帧内编码，并不利用时l h j 相关性；而p 帧 和b 帧则充分的同时利用到图像中的空间相关性和时间相关性，实现图片的帧i 日j 编 码。一般来说，相对p 帧而言，b 帧编码的压缩率更高。其主要原闪是p 帧编码主 9 视频k 缩编码技术 硕 学位论文 要是采用前向时间预测原理，而b 帧编码同时采用前向时间预测和后向时间预测技 术，也即双向时间预测，因此大大提高了压缩倍数。 m p e ( ；一2 的编码码流分为人个层次。为更好地表示编码数据，m p e g 一2 用句法规定了 一个层次性结构。m p e g 一2 视频流部分的语法分为序列、组帧、帧、组、块和宏块血 个级别m 3 5 1 。 m p e g 一2 标准在广播电视领域中的差要应用如f ： ( 1 ) 视音频资料的保存 ( 2 ) 电视节目的非线性编辑系统及其网络 ( 3 ) 卫星传输 ( 4 ) 电视节目的播出1 总体来说，m p e g 一2 技术标准的应用范围较广，数字电视信号的传播，其他设备 的数字信号传输，各种音频视频信号的存储和传输等。 2 、m p e g 一4 标准和m p e g 一7 标准。 m p e g 一4 标准和m p e g 一7 标准都是在m p e g 一2 标准基础上发展和扩展而来。但 m p e g 一4 与前两套系统有着很大的区别。它不仅仅是一种具体压缩算法，而是针对数 字电视、交互式绘图应用( 影音合成内容) 、交互式多媒体( w w w 、资料撷取与分散) 等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。m p e g 一4 标准的对象是大多数的多媒体 应用，旨在为多媒体通信及其应用环境提供标准的算法与工具，从而建立起的统一 数据格式能被多媒体存储、检索、传输等，一系列应用领域普遍采用。m p e g 一4 中对视 频对象的定义为“在视频场景中用户可以存取( 搜索、浏览) 和操作( 剪切、粘帖) 的实体”m 1 。 m p e g 一4 的编码理念是：其与以前标准最显著的差别在丁二它所采用的基于对象的 编码理念，即在编码时将。幅景物划分成时间和窄间上相瓦联系的若干个视频和音 频对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然后对不同的对象分别进行解码， 最终组合成所需要的视频与音频。如此既方便使用者叮以对不同的对象采用不同的 编码方法和表示方法，又有利于不同数据类型之间的融合，并且也便于实现对于不 同对象的操作及编辑。例如，使用者可以在真实的场景中置入一个卡通人物，或者 将真人模拟于身处虚拟的演播宅咀，还可以在互联网上方便的实现交砭，根据自己 的需要有选择的对图形文本对象或各种视频音频进行组合。 总之，m p e g 一4 标准的制定专门是针对如交互式多媒体和数字化电视j e 程的图像 和声音的压缩整合技术而占，其关注的重点是将各种多媒体集成到一个整合体中， 通过标准化的内部算法实现数字信息的存储传输和转换过程的标准化。该技术标准 的t 要的关注点是对各种视昕数据的实现、各种数据流的传输存储转化等管理以及 广泛的支持。技术上，该标准将某一场景细分为在时间和窄问f ：相巨联系的对象并 进行编码，在传输给接收者后在接收段实现解码获得所需要的信息。 1 0 硕t 学位论文基于单片视频限缩芯j 的m p e g 2 编码器设计j 实现 相对而占，m p e g 一4 标准町以实现跨类型的数据整合，自动选取不同的编码方法 和技术，实现编码和解码等操作的简便化。其最终的效果就是图片的压缩率较高， 编码和解码的质量较高，具有较高的通用性，内容交互也町以实现。诸多的优势使 得其在很多的领域被广泛应用。如有线和无线通信领域、大型电子游戏的运行维护、 数字电视和电话商务会议等等。 比之m p e g l 、m p e g 一2 ，m p e g 一4 独特的优点总结如下： ( 1 ) 高效的压缩性 ( 2 ) 通用的访问性 m p e g 一4 主要应用则为如下： ( 1 ) 因特网视音频广播的应用 ( 2 ) 无线通信的应用 ( 3 ) 静止图像压缩的应用 ( 4 ) 电视电话的应用 ( 5 ) 计算机图形、动画与仿真的应用 ( 6 ) 电子游戏的应用 m p e g 一7 技术标准的突出特点就是标准化，尤其是实现多媒体信息的统一化。基 于标准化描述的m p e g 一7 技术标准扩展了内容识别的技术限制，涵盖了越来越多的 数字类型。该技术标准支持用户对乇客观属性和统计等组合信息的各种描述，特别 是视频和音频信息的处理方面。该技术描述对象的属性多样化，使得技术的使用客 户能够方便的查询自己感兴趣和所需要的各种信息。其标准化的范围比较广泛，如 描述子、描述结构、描述语言以及描述方法等。大范围的标准化使得其在数据管理 和数字资源化方面具有良好的实用性和操作性。该技术标准的应用分为涵盖了所有 音频和视频应用领域，如远程数字教育系统、网络个性化服务、生物医疗的服务、 建筑内部管理及外部应用等等领域。广泛的应用表明其获得了用户的一致认可。 3 、m p e g 一2 1 技术标准。 m p e g 一2 1 技术标准差要是基于快速发展的电子商务时代而提出的。经济全球化 的高速发展和网络化的快速覆盖，使得各种有关音频和视频等数字信息的传递成为 了最基础的服务，对于像多媒体的及时视频服务，各种集成的数字电f 产品的开发 和分享，个性化的客户需求的满足，甚至是诸如各种知识产权的保护和发展等领域 都迫切的需要一种广泛适应的标准化的电子技术标准来规范和协调各种数字信息 的使用和发展。在此背景下m p e g 一2 l 技术标准的制定被提七h 程。 该技术标准的关键点在于技术的集成。重点是关注各种数字关键技术的集成 化，将所有不同的标准及协议进行整合，在新的技术标准下，实现技术的有机合成。 通过集成化的数字环境，实现各种资源的更加广泛的使用和开发，最终使得用户获 视频限缩编码技术硕t ：学位论丈 得各种诸如信息的发布使用和修改等不m 的使用功能。 四、其它压缩编码标准 除r 以上所提到的压缩编码技术外，还有一些其他的编码技术。如比较熟悉的 r e a lv i d e o 编码技术、删t 编码技术和q ui c k t i m e 技术等。r e a iv id e o 主要是针对 窄带吒联网而开发的技术。w m t 技术通过与客户机及相关服务器的结合实现信息的 压缩。q u i c k t i m e 技术则主要是基于r t p 协议实现数字信息的多重，k 缩编码技术。 由此可见，标准化是产业化成功的前提。h 2 6 l 、h 2 6 3 推进了电视电话、视频 会议的发展。早期的视频服务器产品大多采用m j p e g 标准，从而开创视频信号非线 性编辑的时代。m p e g 一1 成功地推动了v c d 产业在中国的发展，m p e g 一2 标准带动了 d v d 及数字电视等多种消费电子产业，其它m p e g 标准的应用也在实施或开发中， r e a l n e t w o r k s 的r e a lv i d e o 、微软公司的1 j i m t 以及a p p l e 公司的q u i c k t i m e 带动 了网络流媒体的发展，视频压缩编解码标准紧扣应用发展的脉搏，与工业和应用同 步。未来是信息化的社会，各种多媒体数据的传输和存储是信息处理的基本问题， 因此，可以肯定视频压缩编码标准将发挥越来越大的作用。 2 1 5 肝e g _ 2 视频编码的优势 m p e g 一2 在开始制定的时候，有大肇的广播电视设备供应商参与，被设计成能满足 多种应用需要的标准。体现在其特性上，有两个大的特点。一个是运动补偿带来的高 压缩比，另一个就是根据不同的需求，通过参数的调节做到码率可变。从m p e g 一2 标准 的文件内容中我们町以看出，m p e g 一2 针对性最强的应用是存储和传输，因为m p e g 2 详 细定义了压缩数据在存储和传输中的句法结构，并且只定义了对m p e g 一2 压缩数据的解 码过程。m p e g 2 灵活可变的取样结构( 4 ：2 ：2 或4 ：2 ：0 ) 、图像组长度( 从只有i 帧的帧 内压缩到i b 帧或l b b p 帧的长g o p 帧间压缩) 和码率( 从1 5 m b p s 至3 0 0 m b p s ) 能够满足 从信号采集、传输、制作、存储、播出和发行等各个领域的多种需求。实际上目前除 了m p e g 2 以外没有任何一种压缩方式能