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南京衄屯学院硕上研究生学位论文中文摘要 摘要 电视会议是利用现有的通信网络实时的传输电视信号，召开会议的一种多媒 体通信方式。随着视频压缩编码技术的发展和计算机网络技术的发展，越来越多 的电视会议系统通过局域网方式来实现。 本文提出了一种基于嵌入式操作系统的图像无线传输解决方案，将无线局域 网技术应用于视频会议系统，通过嵌入式系统开发，完成视频会议系统在无线局 域网、广域网上的传输。实现一个快捷的、不受时空约束的会议电视系统。 关键字：会议电视、m p e g 4 、h 2 6 4 、无线局域网、i e e e8 0 2 1 1 、嵌入式操作系 统、m p c 8 6 0 、v x w o r k s 南京邮电学院硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t v i d e oc o n f e r e n c es y s t e mi sam u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e w h i c hu t i l i z e st h em o d e r nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt ot r a n s m i tt e l e v i s i o n s i g n a l s o a st oh o l dam e e t i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e o c o m p r e s s i n g ，e n c o d i n ga n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n i q u e ，m u c hm o r ev i d e o c o n f e r e n c es y s t e mc a nb ea c h i e v e db yl a n t h i sp a p e rb r i n g sy o uaw i r l e s sv i d e ot r a n s m i t t i n gs o l u t i o n m e t h o d w h i c hb a s e do ne m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m h a v i n gt h ew l a nt e c h n i q u e c o m b i n e dw i t ht h ev i d e o c o n f e r e n c es y s t e m ，i tc a l lb et r a n s m i t t e dt h r o u g h t h ew l a n 、w a nb yt h er do ft h ee m b e d d e ds y s t e m w h i c hl e a d st oa f a s t ，c o n v e n i e n tv i d e oc o n f e r e n c es y s t e m k e y w o r d s ：v i d e oc o n f e r e n c es y s t e m ，m p e g 4 ，h 2 6 4 ，w l a n ，i e e e8 0 2 11 e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，m p c 8 6 0 ，v x w o r k s i l 南京邮电学院学位论文独创性声明 r7 6 5 0 0 2 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名： 日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：! 叠纽 日期： 生! 虻 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章前言 第一章前言 第一节电视会议系统的发展 1 1 1 电视技术的发展 随着人类科技的发展和生活水平的提高，电视已成为人们日常生活中不可缺 少的家电之，而电视的发明可追溯到1 9 世纪中叶。1 8 6 2 年，意大利神父卡塞 利在法国创造了用电报线路传输图像的方法；1 8 7 3 年，英国电器工程师史密斯 发现了光电效应；1 8 8 4 年，德国人布尼科夫发明了机械扫描式电视，并申请了 专利：1 9 0 4 年，英国人贝克维尔发明了每1 0 分钟电传一张照片的电视技术；1 9 2 5 年1 0 月2 日，英国发明家贝尔德在前入的研究基础上发明了世界上第一台有实 用价值的电视，第二年1 月2 7 日，他第一次向人们展示了这台能以无线电波放 出影像的机器，这台最原始的电视每秒只可传3 0 幅画面，并且图像也不象现在 的电视那样清晰，但它却揭开了电视发展的序幕。 随着电视的工业化进程，世界上出现了多种黑白和彩色电视制式。而目前用 于广播彩色模拟电视的标准主要有三种：美国人提出的n t s c 、德国人提出的p a l 和法国人提出的s e c a m ，我国根据自己的情况决定采用p a l 伟4 作为我国的彩色 模拟电视制式。 近年来，模拟电视正经历着向数字电视过渡的进程。但是，正如n t s c 、p a l 和s e c a m 三种模拟制式带来的兼容问题一样，a t s c 、d v b 、i s d b 三大数字电 视标准正在各行其道，极力游说各国政府采用自己的标准。目前我国也正在致力 于制定自己的数字电视标准。 1 1 2 电视会议系统的发展概况 电视会议是利用现有的通信网络实时的传输电视信号，召开会议的一种多媒 体通信方式。电视会议最早是美国的贝尔实验室研制出来的。1 9 6 4 年，美国贝 尔实验室在纽约国际博览会上展示了世界上最早的可视电话p i c t u r ep h o n e 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章前言 m o d i 。不久后，美国b t 公司研制出1 m 带宽的黑白、静止或活动的点对点电 视会议业务。经过改进后成为p i c t u r ep h o n em o d i i ，并于7 0 年代初在彼兹堡和 芝加哥间开始用于商务服务。到7 0 年代中期，一方面随着数字图像编码和微电 子技术的进步，活动图像的压缩编码得到了很大的发展：另一方面，社会的发展 已进入崭新的信息时代，电视会议正迎合了信息交流的迫切需要，具有广泛的应 用前景。8 0 年代，日本首先由六大公司联合制定了可视电话的t t c 标准，试图 迅速占领这一潜在的通信市场。该标准的技术特点是采用简单的数字处理技术， 在模拟电话网上传送黑白静止图像，但从总体上说，这个系统得图像质量是不能 令人满意的，而且成本较高，价格昂贵，不同厂家的产品无法互通，因此未被推 广应用。1 9 7 7 年到1 9 8 2 年，英、法、德等七个国家联合起来，开始他们自己的 电视会议系统研究计划c o s t 计划 议系统。该系统的图像质量明显超过了 并研制出2 m b i t s 的彩色数字式电视会 1 m h z 模拟电视会议系统。在此基础上 i t u t 于1 9 8 4 年制定出适合e 1 或t 1 通信网h 1 0 0 系列建议，首次为电视会议 和可视电话制定了标准。1 9 8 3 年加拿大采用1 5 m b i t s 的会议电视信号，经过卫 星传输，提供公用会议电视业务，1 9 8 4 年起开通了与英国的洲际会议电视业务， 1 9 8 8 年开通了3 8 4 k b i t s 速率的电视会议业务。1 9 8 5 年以后，随着超大规模集成 电路的发展和图像编码压缩技术所用元器件的突破性进展，美、日等国先后研制 出了1 5 4 m b i t s 和5 6 k b i t s 的电视会议系统。 我国关于会议电视方面的研究与开发工作是从上世纪7 0 年代初的黑白模拟 电视会议开始的。1 9 7 8 年在北京和广州之间首次开通了电视会议的实验业务， 北京会议由北京邮电学院负责，广州由南京邮电学院负责。8 0 年代末，南京邮 电学院研制成功8 m b i t s 的彩色数字电视会议系统。在福建省的七个主要城市进 行联网试运行。9 0 年代后，随着h 2 6 1 标准的制定，南京邮电学院、北京邮电 学院和上海交大都开始转入该标准的电视会议系统研制。1 9 9 4 年，南京邮电学 院和上海交大都完成了国内首批符合h 2 6 1 标准的电视会议系统。随后，我国建 立了以北京为中心，覆盖全国3 0 个省市的国家级电视会议骨干网，政府、电力、 公安、军队等部门相继成为我国电视会议系统的使用者。 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章前言 第二节无线局域网( w e a n ) 技术浅析 1 2 1 传统l a n 的局限以及w l a n 的优势 通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线 网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中 的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联接起来时，敷设专用通信线 路的布线施工难度大、费用高、耗时长，对正在迅速扩大的连网需求形成了严重 的瓶颈阻塞。w l a n 就是解决有线网络以上问题而出现的。 w l a n 利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。w l a n 的 数据传输速率现在已经能够达到1 1 m b p s ，目前应用于实际系统中的传输距离在 1 0 0 3 0 0 米之间。它是对有线连网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有 可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。与有线网 络相比，w l a n 具有以下优点： 安装便捷 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线趣工 工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优势就是 免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点( a c c e s s p o i n t ) 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 使用灵活 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦w l a n 建 成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 经济节约 由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要， 这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规 划，又要花费较多费用进行网络改造。而w l a n 可以避免或减少以上情况的发生。 易于扩展 w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，w l a n 就能胜任从只有几 个用户的小型局域网到上千用户的大型网络。并且能够提供像“漫游 ( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性 3 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第一章前言 由于w l ，a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，w l a n 已经 在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。 1 2 2 w l a n 的相关概念 无线接入点( a p ) 在一个典型的w l a n 环境中，有一些进行数据发送和接受的设备，称为接入点 f a v ) 。通常，一个a p 能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户。在同时 具有有线和无线网络的情况下，a p 可以通过标准的e t h e r n e t 电缆与传统的有线 网络相连，作为无线网络和有线网络的连接点。w l a n 的终端用户可通过无线 网卡等访问网络。 扩频 大多数的阢删产品都使用了扩频技术。扩频技术原先是军事通讯领域中使用的 宽带无线通信技术。使用扩频技术，能够使数据在无线传输中完整可靠。并且确 保同时在相同频段传输的数据不会互相于扰。 直序扩频 所谓直接序列扩频，就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱， 而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信 号。 跳频扩频 跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另外一种扩频技术。跳频的载频受一个伪 随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率按随机规律不断改变频率。接收端 的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。 跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰的性能越好，军用的跳 频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信g s m 系统也是跳频系统。出于成本 的考虑，商用跳频系统跳速都较慢，一般在5 0 跳秒以下。由于慢跳跳频系统实 现简单，因此低速w l a n 常常采用这种技术。 微单元和无线漫游 无线电波在传播过程中会不断衰减，导致a p 的通讯范围被限定在一定的范围之 内。这个范围被称为微单元。当网络环境存在多个a p ，且它们的微单元互相有 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 一定范围的重合时，无线用户可以在整个w l a n 覆盖区内移动，无线网卡能够自 动发现附近信号强度最大的a p ，并通过这个a p 收发数据，保持不问断的网络连 接，这就称为无线漫游。 1 2 3 w l a n 的相关协议 w l a n 是2 0 世纪9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，推出后 不断在一些被称为“热点”的地区( 如医院、机场、饭店等) 得到应用，但是各 厂商之间的无线局域网互连互通一直是个问题。i e e e 8 0 2 1 1 委员会是致力于制 订各厂商设备互连标准的一个组织。 1 9 9 0 年，i e e e 执行委员会成立了8 0 2 1l 工作组，其目标是创建无线局域网 ( w l a n ) 标准。8 0 2 1 l 系列规范主要从w l a n 的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层 ( m a c ) 两个层面制订系列规范，物理层标准规定了无线传输信号等基础规范， 郅t 3 9 z 1 l a 、t $ g z 1 l b 、踟z 1 l d 、8 u z 1 l g 、8 9 2 1 l h ，f f d 媒体访嘲径制层杯准是 在物理层上的一些应用要求规范，如8 0 2 1l e 、8 0 2 1 l f 和8 0 2 1l i 。历经十几 年的发展，8 0 2 1 l 已经从最初的8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 b 发展到了目静的 8 0 2 1 1 i 等8 种标准，以下是w l a n 的8 种协议： 8 0 2 1l a ：5g l - t z 波段上的物理层规范。 8 0 2 1 l b ：2 4g h z 波段上的物理层规范。 8 0 2 1 l d ：当前8 0 2 标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，该标准 旨在扩充8 0 2 1 1 无线局域网在其他国家的应用。 8 0 2 1 l e ：改进和管理w l a n 的服务质量，保证能在8 0 2 1l 无线网络上进行 一话音、音频、视频等多媒体业务的传输。 8 0 2 1 1 f ：实现不同厂商无线局域网之间的互操作，保证网络内访问点之间 信息的互换。 8 0 2 1 l g ：是8 0 2 1 1 b 的扩充，通过提高数据率，来增强8 0 2 1 l b 兼容网络 的性能和应用。 8 0 2 1 l h ：增强5 g h z 波段的8 0 2 1 1m a c 规范及8 0 2 1 1 a 高速物理层规范。 8 0 2 1 l i ：增强w l a n 的安全和鉴别机制。 s 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 由于i e e e8 0 2 11 标准存在很多缺陷，其1 m b p s 2 m b p s 的数据传输率和以 太网l o m b p s 速率相距甚远，因此，目前厂商普遍采用的是i e e e8 0 2 1 l b 标准， i e e e8 0 2 u b 无线局域网的带宽最高可达1 1 m b p s ，也可根据实际情况采用 5 5 m b p s 、2m b p s 和lm b p s 带宽，实际的工作速度在5 m b s 左右，与普通的 l o b a s e t 规格有线局域网几乎是处于同一水平。 尽管目前8 0 2 1 1 b 实际上已成为无线局域网( w l a n ) 的主流标准，被多数厂 商所采用，但是其l l i 的传输速率给更多带宽应用需求的用户带来了诸多不便。 与之相比，8 0 2 1 l a 虽然能够提供高达5 4 m b p s 的传输速率，但是不可否认， 8 0 2 1 1 a 技术的标准确定和应用普及仍需假以时日，在此之前，8 0 2 1 l b 仍将是 无线联网产品的主流。此外，由于8 0 2 “a 没有提供对8 0 2 1 l b 的兼容，这就意 味着用户在8 0 2 1 l b 上的投资将得不到保护，这就为8 0 2 1 1 a 的市场应用带来了 重重困难。 应用和市场决定标准之争。在这种背景下，一些新标准，例如8 0 2 1 l bp l u s 和8 0 2 1 1 i 、8 0 2 1 1 9 的相继推出备受厂商的关注。 此外，无线局域网领域还有蓝牙和h o m e r f 技术，以及欧洲电信标准化协会 制定h i p e r ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o ) 接入标准。 第三节m p e g 标准和h 2 6 x 标准的发展概述 1 3 1 视频压缩的必要性和可能性 随着信息时代的到来和全球信息产业的发展，人们在享受数字化时代带来的 便利陕捷的同时也越来越感觉到带宽资源的宝贵，尤其在多媒体传输的领域，一 路模拟彩色电视信号不加任何压缩的数字化后数码率达到2 1 6 m b i f f s ，如此高的 速率给视频信息的传输带来了极大的现实问题。 然而，由于视频数据中存在着很多的冗余信息。例如，在多帧连续图像中 前一帧图像与后一帧图像有很多重复的内容，而且背景基本没有变化：又如，在 一帧图像中，水平方向前一像素和后一像素、垂直方向上一像素和下一像素的信 号电平、色彩也基本相近。只要将这些冗余信息压缩，视频信号的速率是有可能 达到我们的要求的，因此视频压缩技术成为多媒体通信的关键技术之一。 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 1 3 2 视频压缩技术2 个标准的发展 随着数字信号处理技术的发展，人们对于视频压缩技术的研究也不断深入， 开发视频编码标准的正式组织有两个，其一是i t u t ，其二是i s o i e cj t c l 。i t u t 视频编码标准被称作建议，以h 2 6 x 的形式表示( 例如，h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 和h 2 6 l ) 。i s o i e c 标准则以m p e g x 的形式表示( 例如，m p e g - 1 、m p e g 一2 和 m p e g 一4 ) 。 i t u t 建议本来是为视频会议和视频电话等实时视频通信应用设计的，而 m p e g 标准主要则是为视频存储( d v d ) 、广播视频( 广播t v ) 以及视频流( 例如，网 上视频、d s l 上的视频以及无线视频应用) 设计的。这两个标准委员会通常都独 立工作，唯一的例外就是二者合作开发了h 2 6 2 m p e g 一2 标准。 最近，i t u t 和i s o i e c 已经达成协议，再次合作开发由i t u t 发起的h 2 6 l 标准。他们之所以能在开发h 。2 6 l 上达成一致，原因在于，从性能的角度而言， h 2 6 l 超越了现有的所有视频编码标准。 开发h 2 6 l 项目的目的，是为了通过采用“b a c k t o b a s i c s ”方法，开发出 一种基于通用模块的，简单直接的高性能视频编码标准。h 2 6 l 标准的开发工作 是由i t u t 视频编码专家组( v c e g ) 发起的，开始于1 9 9 7 年。到2 0 0 1 年年底，他 们发现，基于h 2 6 l 的软件所能提供的视频质量，就是现有的最好的基于m p e g 一4 的软件也无法与之媲美。于是，i s o i e cm p e g 与i t u tv c e g 结合起来组成了一 个联合视频开发组( 3 v t ) ，接管了h 2 6 l 项目。j v t 希望建立一个唯一的视频编 码标准，同时使其成为m p e g 一4 标准家族和i t u t 建议家族的新成员( 比如，成为 m p e g 一4 中的第1 0 部分或i t u t 中的h 2 6 4 ) 。 ，图1 - 3 2 对i t u t 建议和i s o i e cm p e g 标准的发展演化过程进行了总结。 7 南京邮电：# 院硕上研究生学位论文第一章前言 1 3 3 h 2 6 4 前的一些标准 1 h 2 6 1 标准 1 9 8 4 年国际电报电话咨询委员会的第1 5 研究组成立了一个专家组，专门研 究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合业务数据网络i s d n ，当时的目 标是推荐一个图像编码标准，其传输速率为m 3 8 4 k b s ( 千位秒) ，j i 】= l ，2 ，3 ，4 ，5 。这里3 8 4 k b s 在i s d n 中称为h o 通道。另有基本通道b 的速率为 6 4 k b s ，6 b = 3 8 4 k b s ，5 x h o = 3 0 x b = 1 9 2 0 k b s 为窄带i s d n 的最高速率。 后来因为3 8 4 k b s 速率作为起始点偏高，广泛性受限制，另外跨度也太大，灵 活性受影响，所以改为p 6 4 k b s ，p = l ，2 ，3 3 0 。最后又把p 扩展到3 2 ， 因为3 2 6 4 k b s = 2 0 8 4 k b s ，其中2 0 8 4 = 2 1 1 ，基本上等于2 m b s ，实际上已超 过了窄带i s d n 的最高速率1 9 2 0 k b s ，最高速率也称通道容量。经过5 年以上的 精心研究和努力，终于在1 9 9 0 年1 2 月完成和批准了c c i t t 推荐书h ，2 6 1 ，即” 采用p x 6 4 k b s 的声像业务的图像编解码”，h 2 6 1 简称p x 6 4 。 由于h 2 6 1 标准是用于电视电话和电视会议，所以推荐的图像编码算法必 须是实时处理的，并且要求最小的延迟时间，因为图像必须和语音密切配合，否 则必须延迟语音时间。当p 取1 或2 时，速率只能达到1 2 8 k b s ，由于速率较低 只能传清晰度不太高的图像，所以适合于面对面的电视电话。当p 6 时，速率 3 8 4 k b s 则速率较高，可以传输清晰度尚好的图像，所以适用于电视会议。 2 j p e g 标准 静像数据压缩标准j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) ，直译为 联合摄影术专家组，其中联合是指几个国际组织的联合它是从t 9 8 6 年正式开 始制订的。当时由两个国际组织联合支持，其一，是国际标准组织i s o ；其二， 暑 南京邮电学院预士研究生学位论文 第一章前言 是围际电报电话咨询委员会c c i t t 。到1 9 8 7 年1 1 月，国际电工委员会i e c 也 参加合作，因此说j p e g 是三个国际组织合作的成果。虽然从1 9 8 6 开始，经过 许多次国际会议讨论和修改后，于1 9 9 2 年7 月2 日表决通过标准的第一部分， 但是可能对有关测试标准草案( 即标准的第二部分) 做进一步修改。j p e g 是i s o 的标准，同时也c c i t t 的推荐标准。 j p e g 是数字图像压缩的国际标准。它用于连续变化的静止图像，这里包括 灰度等级和颜色两方面的连续变化。j p e g 包含两种基本压缩方法，各有不同的 操作模式。第一种是有损压缩，它是以d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为基 础的压缩方法。第二种为无损压缩，又称预测压缩方法。但最常使用的是第种， 即d c t 压缩方法，也称为基线顺序编解码( b a s e l i n es e q u e n t i a lc o d e c ) 方法， 因为这种方法的优点是先进、有效、简单、易于交流，因此应用广泛，是以d c t 为基础的最基本、最重要的方法。 3 m p e g 一1 标准 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 的英文缩写。实际 上，它是标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会l ( j t c1 ) 的 第2 9 分委员会( s c 2 9 ) 的第l1 工作组( w gl1 ) ，其全称是w g1 lo fs c2 9o f i s o i e cj t c l 。m p e g 的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，成立于 1 9 8 8 年。 专家组最初的任务有三个：实现1 5 m b s 、l o m b s 、4 0 m b s 的压缩编码标 准，即m p e g - i 、m p e g 一2 、m p e g 一3 。但因为m p e g 一2 的功能已使m p e g - 3 为多余， 所以m p e g 一3 于1 9 9 2 月撤消。m p e g - 4 项目是1 9 9 1 年5 月建议并于1 9 9 3 年? 月确认，其目标是甚低数码率的音频压缩编码( 码率低于2 8 8 k b s ) 。下面分别 介绍各个标准。 随着数字音频和数字视频技术的广泛应用，i s o 的活动图像专家组( m p e g ) 在 1 9 9 1 年11 月提出了i s o1 1 1 7 2 标准的建议草案，通称m p e g l 标准。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 标准适用于数码率在1 5 m b p s 左右的应用环境，也就是为c d r o m 光盘的视频存储和放像所制定的。 m p e g - 1 标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向 3 6 0 个像素竖直方向2 8 8 个象素的空间分辨力，每秒2 4 至3 0 幅画面的运动图像 9 南京嶂屯学院顶十研究生学位论文 第一章前言 有很好的效果，在m p e g 一1 标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念，前 者一定是成逐行扫描的图像，如采待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须 将其转换成逐行扫描的格式。 m p e g 1 标准提供了些录像机的功能：正放，图像冻结、快进、快倒和慢 放。此外，还提供了随机存储的功能，当然，解码器这些功能的实现在一定程度 上同图像数据存储介质相关。 m p e g 1 标准采用了一系列技术以获得高压缩比，第一，对色差信号进行亚 采样，减少数据量：第二，采用运动补偿技术减少帧间冗余度：第三，做二维 d c t 交换去除空间相关性：第四，对d c t 分量进行量化，舍去不重要的信息，将 量化后d c t 分量按照频率重新排序：第五，将d c t 分量进行变字长编码：第六， 对每数据块的直流分量( o c ) 进行预测差分编码。m p e g l 中的图像类型共分四种： i 图像，或称i n t r a 图像，采用帧内编码，不参照其它图像：p 图像，或称 p r e d i c t e d 图像，它们参照前一幅i 或p 图像做运动补偿编码：b 图像，或称双 向预测图像，它们参照前一幅和后一幅i 或p 图像做双向运动补偿编码：d 图像， 或称直流( d c ) 图像，这类图像中只含直流分量，是为快放功能而设计的。 4 ，m p e g - 2 标准 m p e g - 2 是由m p e g 开发的第2 个标准。按计划于j 9 9 4 年1 1 月正式确定为 国际标准，m p e g 一2 是”活动图像及有关声音信息的通用编码”( g e n e r i cc o d i n go f m o v i n gp i c t u r e sa s s o c i a t e da u d i oi n f o r m a t i o n ) 标准。m p e g - 2 标准制定始于 1 9 9 0 年7 月。在此之间，国际电信盟电信标准化部门( i t u t ) 成立了一个有关a t m 的图像编码专家组，从此开始了3 t c li t u - t 的合作。从1 9 9 1 年5 月开始征集有 关图像编码算法( v i d e oc o d i n ga l g o r i t h m s ) 的文件，有3 2 个公司和组织提供了 非常详细的研究结果和d 1 格式的编解码图像录像带。1 9 9 1 年l1 月，在日本的 j v c 研究所进行了对比测试，确定带有运动补偿预测和内插的d c t 最成熟和性能 最好。在1 9 9 2 年1 月的会上又定下了m p e g 一2 是”通用”( g e n e r i c ) 标准。m p e g - 2 的声音和系统部分的工作始于19 9 2 年7 月。m p e g 为制定m p e g - 2 经常与有关国 际组织，如i s o 、i e c 、i t u - t 、i t u r 等开会协调，并注意到了与m p e g - 1 的兼 容一致。国际电联的无线电通信部门( i t u - r ) 从广播电视方面提出的不同需求构 成了m p e g 一2 的档次等级( p r o f i l e l e v e l ) 概念的基础。i t u - r 在m p e g - 2 的质 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 量检验、测试方面做了大量工作。m p e g 一2 的委员会草案i e c c d l 3 8 1 8 是1 9 9 3 年1 1 月产生的。按计划在1 9 9 4 年1 1 月7 日至1 11 3 的新加坡会议上，批准为 国际标准i s o i e ci s1 3 8 1 8 。此后还要对m p e g 一2 进行扩展。 5 m p e g 一4 标准 m p e g 一4 标准将支持7 个新的功能。可粗略划分为3 类：基于内容的交互性、 高压缩率和灵活多样的存取模式。现分别介绍如下： 基于内容的交互性( c o n t e n t b a s e din t e r a c ti v it y ) ( 1 ) 基于内容的操作与比特流编辑支持无须编码就可进行基于内容的操作与比特 流编辑。例如：使用者可在图像或比特流中选择一具体的对象( o b j e c t ) ( 例如图 像中的某个人，某个建筑等等) ，随后改变它的某些特性。 ( 2 ) 自然与合成数据混合编码提供将自然视频图像同合成数据( 文本、图形) 有效 结合的方式，同时支持交互性操作。 ( 3 ) 增强的时间域随机存取m p e g 一4 将提供有效的随机存取方式：在有限的时间 间隔内，可按帧或任意形状的对象，对音、视频序列进行随机存取。例如以一序 列中的某个音、视频对象为目标进行”快进”搜索。 高压缩率( c o m p r e s s i o n ) ( 1 ) 提高编码效率在与现有的或正在形成的标准的可比拟速率上，m p e g 一4 标准 将提供更好的主观视觉质量的图像。这一功能可望在迅速发展中的移动通信网中 获得应用，但值得注意的是：提高编码效率不是m p e g 一4 的唯一的主要目标。 ( 2 ) 对多个并发数据流的编码m p e g - 4 将提供对一景物的有效多视角编码，加上 多伴音声道编码及有效的视听同步。在立体视频应用方面，m p e g 一4 利用对同一 景物的多视点观察造成信息冗余， 在足够的观察视点条件下可有效地描述三维 自然景物。 灵活多样的存取( u n i v e r s a la c c e s s ) ( 1 ) 错误易发环境中的抗错性( r o b u s t n e s s ) ”灵活多样”是指允许采用各种有线、 无线网和各种存储媒体，m p e g 一4 将提高抗错误能力( e r r o rr o b u s t n e s s c a p a b i l i t y ) ，尤其是在易发生严重错误的环境下的低比特应用中( 移动通信链 路) 。注意， m p e g 一4 是第一个在其音、视频表示规范中考虑信道特性的标准。 目的不是取代已由通信网提供的错误控制技术，而是提供一种对抗残留错误的坚 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 韧性。例如：选择性前向纠错( s e l e c t i v ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，错误 遏制( e r r o r c o n t a i n m e n t ) ，或错误掩盖( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 。 ( 2 ) 基于内容的尺度可变性( c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y ) 内容尺度可变性意味 着给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和时间 分辨率表示。基于内容的尺度可变性是m p e g 一4 的核心，因为一旦图像中所含对 象的目录及相应的优先级确定后，其它基于内容的功能就比较容易实现了。对甚 低比特率应用来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资 源的能力。例如，这个功能允许使用者规定：对具有最高优先级的对象以可接受 的质量显示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容( 对象) 则不予 显示，可见，这种方式可最有效地利用有限的资源。 6 m p e g - 7 标准 m p e g 家族的新成员叫作”多媒体内容描述接口”( 简称m p e g 一7 ，它的由来是 1 + 2 + 4 = 7 ，因为没有m p e g 一3 、m p e g 一5 、m p e g 一6 ) ，它将扩展现有内容识别专用解 决方案的有限的能力，特别是它还包括了更多的数据类型。换言之，m p e g 一7 将 规定一个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合。m p e g 一7 还将 对定义其他描述符及其结构( 描述方案) ，和他们之间的关系的方法进行标准化。 这种描述( 也就是描述符和描述方案的组合) 将与内容本身关联起来，以便对用户 感兴趣的素材进行快速高效的搜索。m p e g 一7 将标准化一种用来定义描述方案的 语言，即描述定义语言( d d l ) 。带有与之相关的m p e g - 7 数据的a v 素材，就可以 被加上索引，并可进行检索。这些素材可能包括，静止图像、图形、3 d 模型、 音频、语言、视频、以及关于这些成份如何组成一个多媒体表述( 即所谓”环境”， 组合信息) 的信息。在这些通用数据类型中的特殊情况可能己包括面部表情和个 人特征。 m p e g 一7 象m p e g 家族中的其他成员一样，是针对满足特定需要的音、视频信 息的标准化表述。由于m p e g 一7 是在其它标准表述诸如模拟、p c m 、m p e g 一1 、 m p e g - 2 和m p e g 一4 等基础上建立起来的，而标准化的功能之就是对其中相应部 分提供参考。举例来说，也许一个用于m p e g 一4 的形状描述符，在m p e g 一7 的环境 里可能会有帮助，同样的，用于m f e g 一1 、m p e g 一2 的运动矢量区也可能有这样的 情况。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 但是，m p e g - 7 的描述符并不依赖于它所描述的内容是编码的或存储的方 式，可以把m p e g 一7 的描述说明，附) j t j n 模拟制的电影里或是用纸张打印出来的图 片上。然面，尽管m p e g 一7 的描述不依赖于所处理素材的( 编码) 表达方式，但由 于在一定程度上它是在m p e g 一4 的基础上发展起来的，而m p e g 一4 采用了按照具 有一定时间关系( 同步) 和空间关系( 对于视频而言是在屏幕上，对于音频而言是 在房间内) 的对象，来进行音、视频编码的处理方式，因此用m p e g 一4 编码有可能 把描述说明附加到场景中的成员( 对象) ，比如说音、视频对象身上。所以，m p e g 一7 在描述中要提供不同的程度，才可能实现不同等级的识别。 因为描述性特征必须在应用环境中才有意义，所以他们会因用户范围的不同 和应用领域的不同而有所区别。这就意昧着，同样的素材，因为要和应用范围相 匹配，可能会使用不同类型的特征来描述。我们来看些例子，对于可视素材， 较低的抽象级别可能会用一些象形状、尺寸、纹理、颜色、运动( 抛射) 、位置( ” 对象会在场景中的哪个位置被发现呢? ”) 等属性来描述；对音频内容而言，可能 会采用调式、情绪、节奏、节奏变化、在声场中的位置等属性。而最高的抽象等 级可能会给出关于语意的信息：”在这个场景中，左侧有一只正在吠叫的棕狗， 右侧有只落下来的蓝色圆球，背景中还有汽车经过的声音。”当然，所有这些 描述都会以高效方式进行编码，也即能提高搜索的效率。同时，中间也可能存在 过渡的抽象等级。抽象等级与提取特征的方式有关，许多低等级的特征可以用全 自动的方式提取出来，而高等级的特征就需要更多的人工交互。 7 h 2 6 3 标准 h 2 6 3 是i t u t 提出的作为h 3 2 4 终端使用的视频编解码建议，它是基于运 动补偿的d p c m 的混合编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用d c t 变换和”之”字形扫描游程编码，从而得到输出码流。h 。2 6 3 在h 2 6 1 建议的基础 上，将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索；同时又增加了无限制运动矢量、基 于语法的算术编码、高级预测技术和p b 帧编码等四个高级选项；从而达到了进 一步降低码速率和提高编码质量的目的。 h 2 6 3 视频编码标准是专为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标 准。与h 2 6 1 的p x 6 4 k 的传输码率相比，h 2 6 3 的码率更低，单位码率可以小 于6 4 k ，且支持的原始图像格式更多，包括了在视频和电视信号中常见的o c i f ， 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第一章前言 c i f ，e d t v ，i t u r6 0 1 ，i t u r7 0 9 等等。 h 2 6 3 采用运动视频编码中常见的编码方法，将编码过程分为帧内编码和帧 间编码两个部分。i 帧内用改进的d c t 变换并量化，在帧间采用1 2 象素 运动矢量预测补偿技术，使运动补偿更加精确，量化后适用改进的变长编码 表( v l c ) 的量化数据进行熵编码，得到最终的编码系数。 h 2 6 3 的编码速度快，其设计编码延时不超过1 5 0 m s ；码率低，在5 1 2k 乃至3 8 4 k 带宽下仍可得到相当满意的图像效果，十分适用于需要双向编解码并传输的场合 ( 如：可视电话) 和网络条件不是很好的场合( 如：远程监控) 下图是h 2 6 3 标准的编解码框图： 视 信 l 一一一一型她一一_ j 图卜2 为了达到这些目标，h 2 6 3 采用如下方法： 1 ) 信源编码器基于通用中间格式( c i f ) ，使其可以同时应用于6 2 5 线和5 2 5 线两种电视标准。视频编码器对图像的取样次数为视频信号场线的整数倍，取样 时钟和数字网之间的关系是异步关系，提供可以和其它各种设备信号相结合的独 立的数字比特流。 2 ) 采用可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余的残留信号编码方法。 解码器具有运动补偿的能力，并允许可选择地在编码器中增加这种技术。h 2 6 3 运动补偿采用的是半象素精度，而不是h 2 6 1 建议中的全象素精度和循环滤波 器。而对待传送的符号采用了游程编码。 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章前言 3 ) 允许采用无限制运动矢量模式，在该模式中，运动矢量被允许指到图片的 外部，可使用更大的运动矢量。允许采用基于句法的算术编码模式代替游程编码， 可将最终的比特数显著降低。允许采用高级预测模式，对p 帧的亮度部分采用了 块重叠运动补偿。对图片中的某些宏块采用4 个8 x 8 矢量来代替原来的1 个1 6 x 1 6 矢量。编码器必须决定使用哪一种矢量。允许采用p b 帧模式。一个p b 帧包含一 个由前面解得的p 帧图像预测得出的p 帧和一个由前一个p 帧和当前解码的p 帧共同预测得出的b 帧。使用这种模式可以在比特率增加幅度很小的情况下大幅 度增加帧频。 4 ) 信源编码器的主要原理是预测，块变换和量化。信源格式信源编码器对每 秒发生3 0 0 0 0 1 0 0 1 ( 大约2 9 9 7 ) 次的图像进行操作。对图像频率的允许误差为 5 0p p m 。采用五种图像格式，图像被编码为一个亮度信号和两个色差成分( y ， c b 和c r ) 。五种标准图像格式为：s u b - q c l f ，q c i f ，c i f ，4 c i f 和1 6 c i f 。对每 种图像格式而言，在正交排列时，亮度的取样结构都是d x 个象素每行，d y 行每 幅图像。两个色差成分的取样都是d x 2 个象素每行，d y 2 行每幅图像。d x ，d y ， d x 2 和d y 2 的值在下表给出。 亮度取样的象亮度取样的色度