（通信与信息系统专业论文）基于davinci的ip机顶盒的研究与开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 嵌入式机顶盒以电视机为显示设备，以因特网为传输网络，给用 户提供多媒体信息服务。它是为了让广大普通家庭通过电视机享受到 网络、数字媒体、计算机技术所带来的丰富应用，特别是让那些不习 惯于操作p c 的儿童或中老年人，充分享受网络所带来的乐趣。随着 宽带网络和数字电视的普及和发展，嵌入式机项盒也将在功能上进一 步扩展和完善，并得到更加广泛的应用，因此对机项盒系统的研究具 有重要的理论意义和实际价值。 嵌入式系统和流媒体成为计算机和网络通信技术中两个新的发展 方向。嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高等优点， 目前它已经广泛地应用于消费电子、网络通信、工业控制等领域。而 流媒体技术则在互联网信息服务上取得了广泛应用，如视频点播、在 线影院、远程教育、交互式电视、实时视频会议等。机顶盒则是信息 家电中嵌入式和流媒体两种技术结合最为典型的应用产品。 本文设计的基于d a v i n c i 的i p 机顶盒融合了计算机、通信、多媒 体等先进技术，硬件平台采用了德州仪器( 1 1 ) 公司基于a r m + d s p 的 双核处理器架构的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 片上系统，软件设计采用了嵌入式 l i n u x 操作系统以及基于d a v i n c i 技术的多媒体编解码引擎结构。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍嵌入式流媒体机顶盒的概念、发展前景及结构功能，分析机项 盒设计中所用到的相关技术，给出系统设计的整体方案。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 描述了d a v i n c i 的软硬件结构及其嵌入式开发环境的建立步骤，阐 述了基于d a v i n c i 技术的多媒体编解码引擎结构的算法建立和实现 流程。 ( 3 ) 详细论述了网络传输层和用户应用层的设计和实现过程，包括流媒 体协议、红外遥控器控制及屏上用户界面( 0 s d ) 的显示，并给出了 系统测试的结果。 本机顶盒的测试结果表明，视频显示效果清晰，播放流畅，并具 有较好的实时性，这为将来机顶盒的功能扩展如：邮件收发、信息咨 询等奠定了良好的基础。 关键词：机顶盒嵌入式流媒体达芬奇编解码引擎屏幕显示 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds e t - t o pb o x ( s t b ) ，w h i c hu s e st h et va sad i s p l a y d e v i c ea n dt h ei n t e m e ta st r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，p r o v i d e sm u l t i m e d i a i n f o r m a t i o ns e r v i c e st oc o n s u m e r s i tw i l lb r i n gal o to fe n j o y m e n t so f n e t w o r k ，d i g i t a lm e d i aa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt h r o u g ht e l e v i s i o nt o m a n yf a m i l i e s ，e s p e c i a l l yt oc h i l d r e na n dt h ee l d e r l yw h oa r en o tp r o f i c i e n t i no p e r a t i n gp c w i t ht h e p r e v a l e n c ea n dd e v e l o p m e n to fb r o a d b a n d n e t w o r k sa n dd i g i t a lt e l e v i s i o n ，t h ee m b e d d e ds t bw i l lb ee x p a n d e da n d i m p r o v e di nf u n c t i o na n db eu s e dm o r ew i d e l y s ot h es t u d yo ft h es t b s y s t e mh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e e m b e d d e ds y s t e ma n ds t r e a m i n gm e d i ab e c o m et w on e w d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n so ft h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e e m b e d d e ds y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c h a ss m a l l s i z e ，s t r o n g p e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n n o w i th a sb e e nw i d e l yu s e di nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ， i n d u s t r i a lc o n t r o l ，a n do t h e rf i e l d s s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y g e t sa w i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s i ni n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，s u c ha s v i d e o o n - d e m a n d ，o n l i n et h e a t e r ，d i s t a n c ee d u c a t i o n ，i n t e r a c t i v et e l e v i s i o n , r e a l - t i m ev i d e o e o n f e r e n c i n g , e t c s e t t o p b o xi st h em o s t t y p i c a l a p p l i c a t i o nc o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e ds y s t e ma n ds t r e a m i n gm e s ai n t h ei n f o r m a t i o nd o m e s t i ce l e c t r i ca p p l i a n c e s i nt h i sp a p e r ，t h ei ps t bb a s e do nt h ed a v i n c ic o n t a i n sc o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o n s ， m u l f i m e d i aa n do t h e ra d v a n c e d t e c h n o l o g i e s i t s h a r d w a r ep l a t f o r mh a su s e dt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 s y s t e m - o n - c h i pw h i c hb a s e s o na r m + d s pd u a l - c o r e p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r eo ft e x a si n s t r u m e n t sf r o i n 江苏大学硕士学位论文 c o m p a n y t h es o f t w a r ed e s i g nh a su s e de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a n dm u l t i m e d i ac o d e ce n g i n eo fd a v i n c it e c h n o l o g y t h em a i nt a s k so f p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p t ，d e v e l o p m e n tp r o s p e c t ，s t r u c t u r e a n df u n c t i o no f e m b e d d e ds t r e a m i n gm e d i as t bh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，t h er e l e v a n t t e c h n i q u e su s e di nt h es t bd e s i g nh a sb e e na n a l y z e da n dt h ew h o l e s c h e m eo fs y s t e md e s i g nh a sb e e ng i v e n ( 2 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e e s t a b l i s h m e n ts t e p so fe m b e d d e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti nd a v i n c ip l a t f o r mh a v eb e e nd e s c r i b e d ，t h e a l g o r i t h mc r e a t i o na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fm u l t i m e d i ac o d e c e n g i n es t r u c t u r eb a s e do nd a v i n c it e c h n o l o g yh a v e b e e ne x p a t i a t e d ( 3 ) t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nl a y e r a n du s e ra p p l i c a t i o nh a v eb e e ne x p a t i a t e d ，w h i c hc o n t a i ns t r e a m i n g m e d i ap r o t o c o l s ，t h ei n f r a r e dr e m o t eo r ) c o n t r o la n do s d a tl a s t ， t h es y s t e mt e s t i n gr e s u l t sh a v eb e e ng i v e n t h et e s t i n gr e s u l to ft h i ss t bs h o w st h a tt h ev i d e os h o w sd e a r l y , p l a y ss m o o t h l y , a n dh a sag o o dr e a l - t i m er e s p o n s e s oi tl a y sag o o d f o u n d a t i o nf o rt h e e x p a n s i o no fs t bs u c h a se - m a i l 、i n f o r m a t i o n c o n s u l t a t i o n ，e t c k e yw o r d s ：s e t t o pb o x ，e m b e d d e ds y s t e m ，s t r e a m i n gm e d i a ，d a v i n c i ， c o d e ce n g i n e ，o n s c r e e nd i s p l a y ( o s d ) i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：次状 2 7 年二月2 - 日 指导教师签名：i 姗 1 年t 月哆e l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：层狱 日期：1 印年肛月i 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近几年，多媒体的发展日新月异，宽带网接入及数字媒体产品开始普及至家 庭，面向家庭的流媒体终端产品流媒体机顶盒这个角色开始慢慢浮出水面。 所谓“流媒体机顶盒 就是通过因特网从服务器上接收流媒体音视频数据并以电 视机或者显示器作为屏幕显示终端，来实现宽待影视节目的播放。因此，流媒体 机顶盒是现代家庭网络化、信息化、数字化的一个重要标志，它采用流媒体技 术，将数字化的音视频数据通过m 网络进行传送，并且在客户端可以一边接收二 进制的音视频数据，一边播放欣赏。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的， 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它 与人们的日常生活是紧密相关的，从m p 3 、p d a 等微型数字化设备到信息家电、 智能电器、车载g i s ，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。 l i n u x 则是嵌入式系统中研究最多、最广的操作系统，这与它的内核精简，源码开 放等优良特性是分不开的。d a v i n c i 技术【2 】贝0 是，1 1 公司针对数字音视频开发提供 的一款高度集成的片上系统( s o c ) ，它集成了可编程数字信号处理器( d s p ) 内核、 a r m 处理器以及视频加速协处理器，凭借其高效的处理能力成为数字音视频产品 首选的开发平台。 嵌入式流媒体机顶盒是网络音视频技术和通讯技术发展到一定阶段的产物， 融合了嵌入式、信号处理、网络通信等多项先进技术。所以，以计算机技术、芯 片技术和软件技术为核心的嵌入式多媒体终端设备一直是通信领域研究的主要方 向之一。 现在，中国的彩电工业已经具备了完整的工业体系，成为全球最大的彩电生 产基地。2 0 0 5 年我国彩电在农村普及率已达到8 0 ，大城市的普及率几乎是1 0 0 。 而另一方面，目前中国的家庭计算机普及率还不到5 0 。虽然计算机的发展强劲， 相对比于成熟度高，普及率几乎1 0 0 的电视机来讲，还有相当的差距，计算机由 于其操作的复杂性，对于目前中国的总体文化水平看，还不可能全面铺开。 本文研究和设计的这款基于d a v i n c i 平台的嵌入式机顶盒就是为了让广大的 普通家庭通过电视机享受到网络、数字媒体、计算机技术所带来的丰富应用。因 此，电视机作为消费类型的终端，如果能结合宽带网上丰富多彩的多媒体内容， 将使宽带网的用户终端极大的扩展，也预示着结合宽带网络和电视机显示的流媒 江苏大学硕士学位论文 体机顶盒必然具有的巨大市场。 另外，随着中国宽带互联网的普及，宽带用户的数量发展迅猛，并且，在巨 大的市场潜力驱使下，随着技术的不断发展，宽带会越来越宽。作为面向宽带口 网增值服务的流媒体机顶盒产品，虽然目前在整个上网终端的数量中占的比例很 少，但增长强劲，极具发展空间。目前众多国际大公司所提倡的消费类电子产品 都趋向于具备联网功能，可以预见在今后的一段时间内，非计算机设备的上网数 量将有巨大的增长，而以宽带口网络作为主要传输模式的流媒体机顶盒将成为生 力军。流媒体机顶盒在酒店宾馆、高等住宅小区、卡拉o k 歌厅、多媒体教室等 多种场合有着广泛的应用前景。用户可以使用遥控器选择收看感兴趣的电影、电 视剧、体育、m t v 、教育等节目，并且可以根据需要实现暂停、播放、快进快退 控制。利用口可以轻松实现上网浏览和收发e m a i l 。酒店宾馆可以利用全功能流 媒体机顶盒增加服务功能，吸引商旅人士；高等住宅小区则可以通过流媒体机项 盒，使“光纤到楼、以太到户”的先进网络设施得到最充分的体现和发挥；卡拉 o k 歌厅更是可以从根本上解决因带宽引起的“点歌难 等问题。目前网络基础、 流媒体技术、嵌入式技术的发展已经开始进入成熟期，接着将迎来一个发展高潮。 综上所述，基于嵌入式的流媒体机顶盒汇聚了计算机、通信、多媒体等最新 技术的发展，它被认为是国内需求量大，也是业界认为发展前景最好的产品，它 将成为中国交互式网络电视( 唧) 未来的发展方向，是大势所趋。 1 2 国内外发展状况 美国是世界上最早发展数字电视的国家，不仅在技术领域完成了数字电视三大标 准的制订工作，而且率先实现了商用播出。到2 0 0 3 年其地面数字电视的覆盖率已 达9 4 欧洲数字电视的卫星广播于1 9 9 6 年开播，目前用户已超过5 0 0 万，并己扩 展至东欧。整个欧洲采用以d v b 为框架的数字电视标准，发展的侧重点放在标准 清晰度数字电视( ( s d t v ) 。日本也于2 0 0 6 年实现地面数字电视全国覆盖，主要是 高清晰度数字电视( h d t v ) 节目，计划到2 0 1 1 年全国范围内的所有电视台都将采用 数字信号发送，彻底结束模拟信号发送的历史。 目前我国数字电视产业也正在迅速发展，但各地区发展不平衡的国情决定了 我国电视系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择、有步骤，分批、分阶段 进行。我机项盒在国内已经出现很长一段时间，但真正进入试用期是在最近几年， 而且主要是应用在青岛、上海、广州等大城市，而在中国最广大的农村及城镇仍 然使用的是有线电视。现在国内的几家厂商推出的数字电视机顶盒大都使用的是 有线电视网实现音视频信号的传输，只能简单的使模拟电视能够接受从有线台传 2 江苏大学硕士学位论文 来的数字电视和实现付费收看。 我国的十一五规划中写道：“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等 信息基础设施建设，推进三网融合。所谓“三网融合 ，就是指电信网、广 播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的 信息通信网络。“三网融合 是为了实现网络资源的共享，避免低水平的重复建 设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速带宽的多媒体基础平台。所以基于 i p 网的流媒体机顶盒将是我国i p t v 的下一步的发展趋势，而就目前来看国内采用 t i 公司的d a v i n c i 技术基于嵌入式l i n u x 的流媒体机顶盒基本还是空白。 1 3 论文的研究工作及特色 在攻读硕士期间，作者进行了大量的研究工作，包括特定人语音识别的研究， m p e g 4 、h 2 6 4 、a v s 等视频编解码技术，流媒体协议，基于嵌入式l i n u x 的技术开 发，正是通过对这些内容的研究才使得本文顺利完成。 本文的研究工作及特色主要体现在以下几方面： ( 1 ) 本i p 机顶盒的系统设计以t i 公司2 0 0 6 年1 2 月推出的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 片上 系统为硬件基础进行开发，它充分利用a r m 核的多任务处理能力和d s p 核的 高速多媒体处理性能，使得机顶盒具有实时编解码能力，同时具有很好的实 时响应能力。 ( 2 ) 本机顶盒的软件系统采用的是一种层次型结构，它包括底层软件、中间软件 接口、上层应用程序。其中底层软件有实时操作系统l i n u x 和各种硬件驱动 程序构成，用来管理整个机项盒的硬件资源，中间软件接口主要是d a v i c n i 的音视频算法a p i 接口以及流媒体音视频数据的输出接口，应用程序主要是 播放程序和用户显示界面。这种设计结构使得上层应用软件和底层软件完全 分离开，便于以后机项盒的系统升级和功能扩展，进行二次开发。 ( 3 ) 对于机顶盒的最重要的客户端解码播放软件，作者做了以下设计工作： 设计接收流媒体音视频数据的a p i 接口供中间解码器调用； 使用d a v i n ci 的编解码引擎结构c e 的a p i 设计解码播放线程以及获取 用户命令操作的接口； 使用o s d 设计音视频数据显示和用户操作播放界面 ( 4 ) 采用苹果公司的d a r w i ns t r e a m i n gs e r v e r4 1 流媒体服务器，对整个机顶 盒进行系统测试，结果表明机项盒工作稳定可靠，音视频播放清晰流畅。 3 江苏大学硕士学位论文 1 4 论文的结构安排 本论文共分为七章，各章的结构内容如下： 第一章首先简要介绍了流媒体、嵌入式、d a v i n c i 技术的研究背景，接着引出 了嵌入式机顶盒的研究意义及其在相关领域的发展和应用，最后说明了本论文的 主要研究工作和章节安排。 第二章针对嵌入式机顶盒的结构功能并结合一些相关理论技术提出了系统设 计的整体方案。 第三章重点介绍了d a v i n c i 平台的软硬件结构，同时也描述了基于d a v i n c i 平 台嵌入式开发环境的建立步骤。 第四章d a v i n c i 的多媒体编解码引擎( c o d e c e n g i n e ) 的配置和使用是整个系统 设计的核心，主要介绍了d a v i n c i 平台下的c o d e ce n g i n e 的工作原理，以及如何 创建和使用一个c o d e ce n g i n e 算法。 第五章针对机顶盒的网络传输层流媒体网络传输协议- r 1 1 p 舳、 r t s p 进行了研究与设计，并给出了具体的实现方法。 第六章设计了用户应用层的各接口线程包括o s d 的显示接口、基于红外遥控 器的控制接口以及音视频的解码线程接口，并给出了相应的实现流程。 第七章总结和展望，根据自己研究结果和体会，提出了下一步研究的方向。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式机顶盒的结构功能和相关技术 嵌入式机顶盒作为家用消费终端，最主要就是给用户提供音视频的点播、直 播、录播等服务，将来还需要加入持通信、信息、游戏以及电子交易等增值应用 服务。机顶盒作为客户端首先从i n t e r n e t 网来接收服务器上的各种多媒体数据， 然后经过解复用，音视频解码，最后将数据传给显示设备( 电视机或显示器等) 供用户观看。 2 1 嵌入式机顶盒的结构功能 2 1 1系统结构 本文设计的基于d a v i n c i 平台的嵌入式机顶盒为层次型结构3 】【4 】，由硬件平台 和软件系统组成，其优点在于使底层的硬件对上层软件透明，增加和替换硬件不 用修改高层的应用程序软件，应用软件修改时也不必了解硬件的结构。这样升级 和扩展起来十分方便。可以分成四层，如图2 1 所示： 应用软件： 中间件： 底层软件： 硬件： 应用服务程序 d a v i n e i 算法接口网络传输协议 实时操作系统l i n u x硬件驱动程序 硬件平台- - t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 图2 1 机顶盒的结构层次 ( 1 ) 硬件：硬件层提供机顶盒硬件平台，主要由c p u 、存储器、视音频和图形处 理存储器和各种接口电路组成。c p u 与存储器用于存储和运行各种软件程 序，并对硬件层的其他模块进行控制；视音频和图形处理部分完成视音频模 拟编码和图形处理功能；接口电路提供丰富的外部接口，包括通用串行接口 u s b 、以太网接口、r s 2 3 2 和视音频接口等。 ( 2 ) 底层软件【5 】：它主要是由实时操作系统l i n u x 内核和各种硬件驱动程序构成。 操作系统通过硬件驱动程序访问硬件平台上的各个部件，管理整个机顶盒的 资源，包括：内存、传输通道、网络和外设等，控制各应用服务程序的运行。 ( 3 )中间件：它主要是由d a v i n c i 提供的各种音视频编解码算法接口和网络层的 各种传输协议构成。它上层的将应用软件和依赖于硬件的底层软件分开，使 5 江苏大学硕士学位论文 应用程序不依赖于具体的硬件平台。 ( 4 ) 应用软件：给用户提供的各种应用服务程序，如播放器，用户界面显示等。 根据上面结构分析，本文设计嵌入式机顶盒的整个系统框架结构如图2 2 所示。 流媒体服务器 2 1 2 功能概述 图2 2 机顶盒的系统框架结构 从总体上讲，本文的这款在d a v i n c i 平台下设计的嵌入式机顶盒是基于宽带口 网络的，以普通电视机或显示器为显示终端，以音视频流媒体为主要服务内容。 这样用户不需要计算机，即可享受到宽带网络带来的各种音视频、娱乐、电视商 务等各种增值服务。它的主要功能如下【6 j ： ( 1 1 )高可靠性和稳定性 采用l i n u x 作为本款机顶盒的操作系统，提高了其运行的可靠性和稳定性。 ( 2 1 ) 较强的通用性和开放性 本款机顶盒提供了各种标准p c 接口( u s b 、以太网接口等) ，以及各种音视 频输出接口( 如：s v i d e o 或c o m p o s i t ev i d e o 等) ，可以方便的连接电视机和 宽带网，这些接口为流媒体机顶盒提供了较好的二次开发环境。 ( 3 ) 支持i n t e r n e t 的交互性 采用口网络进行传输，最大的好处就是其与生俱来的交互功能。采用口宽 带网作为承载主体，所有互联网所享有的性能都能在电视画面上得到体现。 用户只需使用红外遥控器这种输入设备，即可提交他们的信息，点播、查询 等功能。 ( 4 )支持多种音视频格式解码 采用d a v i n c i 技术中的编解码引擎结构，这样便于集成各种编解码格式的音 6 江苏大学硕士学位论文 视频，如视频格式可以支持m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 ，音频格式支持a a c 、 m p 3 ，提高了机顶盒的应用范围。 ( 5 ) 友好的用户界面 对于老年人及儿童来说，计算机上的操作过于复杂，因此机顶盒还要提供一 个友好的交互界面供用户操作并将复杂的键盘操作集成到一个红外线遥控器 上，这样使用起来非常简单方便。 2 2 机顶盒的相关技术 2 2 1音视频的编解码算法 目前，在众多的视频编码算法中，被广泛采用的是国际标准化协会( i s o ) f 佝 i v p e g 算法和国际电信联盟( i t u d 的h 2 6 x 算法。 ( 1 ) m p e g 视频压缩算法1 7 1 m p e g 是“运动图像专家组 ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的缩写，它成立于 1 9 8 8 年，是一个专门从事活动图像压缩标准制定的组织。从1 9 9 0 年开始， m p e g 组织先后推出m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 压缩标准得到i s o c 通过，正式成为国际标准。m p e g 标准受到多媒体开发商和硬件厂商的重视， 是目前应用最广的压缩标准。 m p e g 1 m p e g 1 是第一个m p e g 标准，用于码率高至1 5 m b i t s ( 视频1 1 m b i t l s ， 音频1 2 8 k b i t s ，其余带宽用于m p e g 系统本身) 的数字存储媒体的活动图像 和相应的音频编码( c o 血go fm o v i n gp i c t u r e s a n da s s o c i a t e da u d i of o r d i g i t a l s t o r a g em e d i aa t 叩t oa b o u t1 5 m b i t s ) ，它支持c l f 0 5 2 x 2 8 8 ，v c d 标 准) 空间分辨率，可分为帧内图o 帧) 、预测图口帧) 、插补图0 3 帧) ，时间分 辨率可以是2 5 帧秒或3 0 帧秒。它在算法上主要采用基于块的运动补偿、 d c t 变换和量化的混合编码。m p e g 1 主要用于c d r o m ，v i d e o c d ，也 可用于数字电话网上的视频传输，如非对称用户线路( a d s l ) 上的视频传输， 视频点播( v o d ) ，以及教育培训应用等。 m p e g 2 m p e g 2 是用于码率2 m 一1 0 0 m b i t s 的运动图像和伴音信息的通用编码 ( g e n e t i cc o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n da s s o c i a t ea u d i o i n f o r m a t i o n ) ，它支持 3 5 2 x 2 8 8 ( v c d ) 、7 2 0 x 5 7 6 ( d v d ) 到1 9 2 0 】【1 1 5 2 ( 加) 1 、厂) 空间分辨率，时间分辨 率可达5 0 帧秒或6 0 帧秒。它的算法也是基于运动补偿的预测和带有 7 江苏大学硕士学位论文 d c t 的帧间内变长编码，基本结构与m p e g 1 完全相同。它与m p e g 1 的 区别主要在于：( 1 ) 它能有效支持电视的隔行扫描格式；( 2 ) 它支持可分级的 可调视频编码，可调视频信号编码的层次既可以按空间分辨率，也可按时间 分辨率、信噪比和数据比特的重要性等来划分，这适用于需要同时提供多种 质量的视频业务的情况。m p e g 2 向下兼容，支持m p e g 1 格式数据的解 码。m p e g 2 可用于广播、有线电视网、电缆网络及卫星直播业务，是d v d 采用的标准。 m p e g 4 t 8 1 1 9 1 为了适应多媒体通信尤其是视频会议、视频电话应用需求，1 9 9 4 年m p e g 小组开始指定m p e g 4 标准，其最初目标是对音频、视频对象进行高效压 缩编码以适应极低比特率的应用，后来经过不断发展成为一个适应于多种多 媒体应用、具有良好交互性能、提供多种编码速率的国际标准。它对可移动 的视频编码速率为4 8 k 一6 4 k b i t s ，对影视应用最高码率可达2 m b i t s 。它支 持最大空间分辨率7 2 0 x 5 7 6 ，时间分辨率可以是2 5 帧3 0 帧秒。m p e g 4 引入视频对象v o ( v i d e oo b j e c t ) 实现基于内容的压缩，更适合于交互服务以 及远程监控。它允许你加入其中，由被动变主动；它的另一个特点是其综合 性，m p e g - 4 试图将视觉效果意义上的自然物体与人造物体相融合，所以它 的设计目标具有更广的适应性和扩展性。m p e g - 4 的应用前景非常广阔，它 将在数字电视、动态图像、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信 与内容存储和检索系统、i n t e m e t 上的视频流和可视游戏等多方面产生较大的 推动作用。 ( 2 ) h 2 6 x 视频压缩算法【1 0 l r i i u t 于1 9 9 5 年1 1 月制定了一系列基于通用电话交换n ( g s t n ) 低码率 多媒体终端的建议，其中涉及到视频图像压缩的有h 2 6 1 、h 2 6 3 及h 2 6 3 + 、 h 2 6 4 。这些建议目前已大量用于口视频通信。 h 2 6 1 h 2 6 1 是为i s d n 的电视电话会议制定的标准，它采用帧间预测减少时间 冗余，d c t 编码减少空间冗余的混合编码模式，传输 码率为px6 4 k b i t s ( p = l t 0 3 0 ) 。它支持c i f ( 3 5 2x2 8 8 ) 和q c i f ( 1 7 6 1 4 4 ) 空间分辨率，时间分辨率支持7 5 、1 0 、1 5 以及3 0 帧秒。 h 2 6 3 及h 2 6 3 + h 2 6 3 由h 2 6 1 改进而来，它的信源编码算法仍然是帧间预n d c t 混合编 码，它采用半象素的运动补偿，提供4 种可协商选择的编码方法：无限制范 围的运动矢量、基于语法的算法编码方法、先进预测和p b 帧。它的传输码 8 江苏大学硕士学位论文 率为8 k - - 1 5 m b i t s ，支持s u b q c q 、q c 礤、c i f 、4 c i f 、1 6 c i f 空间分辨 率和2 5 帧秒、3 0 帧秒时间分辨率。它适合于口视频会议和可视电话， 已被许多多媒体通信终端标准所吸收，如1 t u t h 3 1 嘶b i s d n ) 、 h 3 2 0 ( i s d n ) 、h 3 2 4 口s t n ) 、h 3 2 3 ( l a n ，w l a n ，i n t e m e t ) 等。h 2 6 3 + 是h 2 6 3 的扩展集，它允许使用更多的视频源格式，拓宽了应用范围；h 2 6 3 + 允许多 种帧率、多种速率及分辨率，增强了视频信息在易误码、易丢包异构网络环 境下的传输。增强了可扩展性。h 2 6 3 + 添加了1 2 个新的可选模式，不仅提 高了编码性能，而且增强了应用的灵活性。 ( 3 ) 音频压缩编码技术【l l 】 音频信号数字化之后，数据量同样很大，一个单声道的高保真立体声音 频信号( 频率范围5 0 h z 2 0 9 h z ) ，按n y q u i s t 准则以4 4 1 k h z 的频率采样、 1 6 b i t 量化，其数据速率也将达到7 0 5 k b i t s 。对音频信号进行压缩是提高通 信容量的重要措施。典型的音频压缩技术可分为两类，一类是r i - u t 针对 窄带语音信号( 频率范围3 0 0 3 4 0 0 h z ) 和宽带语音信号( 频率范围5 0 7 0 0 0 h z ) 制定的g 系列，它主要用在公共电话网和综合业务数字网；另一类是m p e g 组织针对通用音频信号( 频率范围2 0 h z 2 0 k h z ) 制定的m p e g 系列，主要 用于数字存储和因特网传输。 g 系列 g 7 1 1 标准对8 k h z 采样的窄带语音使用p c m 编码，采用8 b i t 非线 性a ( u ) 律量化，数据速率6 4 k b i t s ；g 7 2 1 标准对窄带语音采用自适应差分 编码调$ 1 j ( a d p c m ) ，数据速率3 2 k b i t s ；g 7 2 2 标准对1 6 k h z 采样的宽带 语音采用子带自适应差分脉冲编码调s t j ( s b - a d p c m ) ，数据速率6 4 k b i t s ； g 7 2 3 采用多脉冲激励最大似然量化( m r m l q ) 算法，它包括两个语音编码 器，分别工作在5 3 k b i 帕和6 3 k b i t s ；g 7 2 8 采用基于低时延码本激励线 性预测( l d c e l p ) 编码算法，数据速率1 6 k b i t s ；g 7 2 9 采用共轭结构代数 码激励线性预澳y ( c s - a c e l p ) 算法，数据速率8 k b i t s 。 m p e g 1a u d i o m p e g 一1a u d i o 的编码对象是2 0 2 0 k h z 的宽带声音，采用感知子带 编码。它的编码器接收3 2 k h z 、4 4 1 k h z 或4 8 k h z 的线性p c m 信号，为 声音标准提供三个独立的压缩层次。层1 编码器比较简单，输出数据率 3 8 4 k b i t s ，主要用于数字盒式磁带；层2 编码器复杂程度中等，输出数据率 1 9 2 2 5 6 k b i t s ，主要用于数字广播声音、数字音乐、v c d 等；层3 编码器 比较复杂，输出数据率6 4 k b i t s 。 m p e g 2a u d i o 9 江苏大学硕士学位论文 m p e g 2 a u d i o 和m p e g 1a u d i o 使用相同种类的编码器，三个压缩层 次结构也相同。m p e g 2 a u d i o 在m p e g 1 a u d i o 的基础上做了以下扩充： a f l 增加了1 6 k h z 、2 2 0 5 k h z 和2 4 k h z 的采样频率。 坊扩展编码器的输出数据速率到8 - - 一，6 4 0 k b i t s 。 曲增加了声道数，支持5 1 声道和7 1 声道的环绕声。 m p e g - 4a u d i o m p e g - 4 a u d i o 标准可集成语音到高质量的多通道声音，从自然声音到 合成声音。编码方法包括参数编码、码激励线性预测c e l p 编码、时间频 率编码、结构化声音编码和文本一语音转换的合成声音 1 9 1 。对于数据率在 2 k 6 4 k b i t s 之间的自然声音，m p e g 4 定义3 种类型的声音编码技术： 幻使用参数编码，对于采样率为8 k h z 的语音，编码器的输出数据率为 2 k 一- 4 k b i t s ，对于采样率为8 k h z 或1 6 k h z 的声音，编码器输出数 据率4 k 一1 6 k b i t s ； b 1使用c e l p 编码，对于采用率为8 k h z 的窄带语音或采样率为1 6 k h z 的宽带语音，编码器输出速率6 艮2 4 k b i t s ： 西使用时间一频率技术，采用矢量量化v q 和线性预测编码器，对于采 样率大于8 k h z 的声音信号，编码器输出数据率1 6 k - 6 4 k b i t s 。 m p e g 4 译码器支持合成乐音和文本一语音转换合成声音。合成乐音是 在乐谱文件或者描述文件的控制下生成的声音，乐谱文件是按时间顺序组织 的一系列调用乐器的命令。合成乐音传输的是乐谱而非声音波形或参数。文 本一语音转换编码器的输入可以是带有韵律参数的文本，它的输出数据率在 2 0 0 b 。1 2 k b i t s 的范围。 2 2 2 图形图像显示技术 我国的电视机制式选用北美p a l 制，机顶盒用1 - v 作为显示器，故播放器必 须支持p ! a j l 制式7 2 0 x 5 7 6 标清分辨率图像解码。满足r i i u r b t 6 0 1 要求，支持宽 高比为4 ：3 或1 6 ：9 的视频解码。为适应不同平台的需要，机顶盒应支持多种显示 分辨率和格式的图形显示1 2 】，对于显示图形要求支持清晰度为7 2 0 x5 7 6 ； 3 5 2 x 2 8 8 ；4 4 8 x 3 3 6 ；6 4 0 x 4 8 0 ；8 0 0 x 6 0 0 的图形显示，每个像素至少支持1 6 位彩 色：可以自动按输入调整输出图形。 2 2 3 流媒体技术 流媒体指在i n t e m e t 中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频或 多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存， 1 0 江苏大学硕士学位论文 在播放开始时有一些延迟，后续数据流随时传送随时播放【l 引。如果数据流动速度 保持足够快的话，播放是连续的。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部从 i n t e m e t 上下载才能观看的缺点。无论文件有多大，用户都只需在观看前等上几秒 钟即可。目前支持流式传输的协议主要包括：实时传输协议r t p 限e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 和实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 、实时流化协议 r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 等。 2 2 4 达芬奇( d a yin oi ) 技术 d a v i n c i 是一款高度集成的片上系统( s o c ) ，它包含了针对数字音视频开发基于 d s p 的系统解决方案，由四个基本部分组成，即处理器、软件、开发工具套件和 支持。达芬奇处理器是一个单片系统，集成有r n 高性能c 6 4 + 核, l , d s p 和a r m 9 核 心处理器以及视频前端处理器和视频加速器，还有非常丰富的外围设备，如数字 视频、数字音频、高速网络、d d r 2 高速存储器、衄1 a 硬盘和多种存储卡等接口。 在软件方面达芬奇平台全面支持由底层到高层的软件系统，它在嵌入式操作系统 方面对l i n u x 的支持极为完善，也有支持w m c e 的能力；在数字视频、影像、语音 和音频上可以支持h 2 6 4 、m p e g 4 2 、h 2 6 3 、v c l 、j - p e g 、g 7 1 1 g 7 2 3 、m p 3 、 w m a 等多种编解码器；通过多媒体框架结构