（交通信息工程及控制专业论文）视频压缩技术及高清数字电视解码芯片设计.pdf

摘要 数字高清平板电视以其图像清晰度高、色彩还原效果好、接口资源丰富、u s b 播放 功能、便于与信息网络融合等特点，逐渐成为真正的家庭多媒体娱乐中心。但由于视频 数据量越来越大，所以需要视频压缩来传输与存储。面对竞争激烈的市场和转瞬即逝的 商机，设计一套性价比高、技术成熟、适应市场需求而又开发周期短的数字高清平板电 视机方案，赢得市场份额，对于电视制造商来说具有重大意义。 本论文介绍了数字高清平板电视的概念，根据市场定位和项目要求，设计出基于 g e n e s i s 公司f l l l 0 6 2 0 视频处理芯片的数字高清平板电视机系统方案。首先，论文对视 频压缩的发展与应用和视频编码的标准作了介绍，并重点研究了视频压缩技术和 m p e g 4 算法。其次，论文对系统组成及项目构架作了介绍，并重点讨论了视频数字处 理模块的结构功能，高频解调解码模块的工作原理以及外围硬件电路的设计。最后，给 出了系统整体软件框架及功能软件的设计，并详细介绍了适合我国电视制式的自动搜台 程序设计，基于n e c 协议的遥控解码程序设计。 论文所设计和实现的数字电视机方案经厂家的产品测试，支持多种制式视频信号， 支持各种高清和标清信号。在测试信号下图像质量优良，软件稳定可靠，用户界面友好， 符合厂家的全部功能要求。产品方案已完成大规模量产，产生了巨大的经济效益和社会 效益。 关键词：数字电视、f l l l 0 6 2 0 、图像处理 a b s t r a c t w i t hm a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sj u s tl i k e g o o di m a g eq u a l i t y , p e r f e c t c o l o r r e p r o d u c t i o n ，a b u n d a n t i n t e r f a c e r e s o u r c e ，u s bm e d i a v i e w , e a s y t ob l e n dw i t ht h e i n f o r m a t i o nn e t w o r k ，d i g i t mh d t vi sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h er e a lf a m i l ym u l t i m e d i a r e c r e a t i o n a lc e n t r e a sar e s u l to fv i d e od a t ab e i n gm o r e a n dm o r e ，w en e e dv i d e o c o m p r e s s i o nt ot r a n s p o r ta n ds t o r e w i t ht h em a r k e ta n db u s i n e s s sc o m p e t i t i o n ，h o wt o d e s i g nad i g i t a lh d t vp r o j e c tt om e e tt h eu s e r s n e e da n dw i nt h em a r k e ts h a r ei sg r e a t i m p o r t a n c et ot h et v m a n u f a c t u r e r t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p to fd i g i t a lh i g hd e f i n i t i o n t v a c c o r d i n gt o t h e m a n u f a c t u r e r sr e q u e s t s ，w ed e s i g nt h ep r o j e c to fh i g hd e f i n i t i o nd i g i t a lt vb a s e do nt h e v i d e op r o c e s s i n gi cf l i10 6 2 0 f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e sv i d e oc o m p r e s s i o nd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o n sa n dt h es t a n d a r do fv i d e oc o d i n g s o m ep a r t so fs t r u c t u r ea r ee m p h a s i z e d s u c ha sv i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n dm p e g 一4a r i t h m e t i c s e c o n d ，t h et h e s i sd i s c u s s e s t h es y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h ei t e m ss t r u c t u r e s o m ep a r t so fs t r u c t u r ea r ee m p h a s i z e ds u c h a sv i d e od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t u n e ra n dp e r i p h e r yh a r d w a r ec i r c u i t l a s t ，t h e t h e s i sd e s i g n st h ew h o l es y s t e mc o n t r o l l i n gs o r w a r ea n dt h ef u n c t i o nc o d ei n c l u d i n gr f p r o c e s s i n g ，i rr e m o t ed e c o d i n g t h ep r o d u c t i o no f t h ep r o j e c tc a ns u p p o r ta l lt y p e so f v i d e os i g n a la n da l lf o r m a t so f h i g h d e f i n i t i o nv i d e os i g n a la n ds t a n d a r dd e f i n i t i o nv i d e os i g n a l i th a sg o o dv i d e oq u a l i t y , s t a b l e a n dr e l i a b l ec o n t r o l l i n gs o f h a r ea n daf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e i tc a nm e e ta l lf a c t o r yr e q u e s t s t h i sp r o d u c t i o nh a sb e e np u t t e di n t op r o d u c t i o n ，w h i c hh a sb r o u g h tg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t k e yw o r d s ：d i g i t a lt v ；f l i10 6 2 0 ；i m a g ep r o c e s s i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：瓠瑞晾 缈孑年月岁口e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 、引蝻玮7 矽占年，月夕。日 导师签名： 贰刎l 确 押3 年j ，只；4 日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百1 = 匕 1 1 课题背景 随着电视的普及和人们精神生活的提高，对于电视的要求也越来越高，像需要电视 能识别各个国家制式、播放u s b 功能等，并且对图像质量和清晰度的需求也大大提高。 但是在电视传输的带宽是有限的情况下必需要有合适的视频压缩技术来压缩视频，从而 保证更高品质的视频传输。在传输完后，需要合适的电视解码芯片来解出视频、音频流， 再通过后端的处理后最终到达用户面前。本论文介绍了最新采用的m e p g 压缩技术、原 理、及其核心算法，并为厂家设计了一款高端数字电视芯片，来满足现今人们对电视的 要求。 我国彩电业起步于7 0 年代中期，至今已经历了三个历史时期，即7 0 年代中期至8 0 年代初期的导入期，8 0 年代中期至9 0 年代初期的成长期，9 0 年代中后期的成熟期。自 从国家科技部1 9 9 5 年批准实施中国高清晰度电视重大科技产业工程项目以来，中国电 视已经历了几十年的发展，并取得了举世瞩目的成绩。随着生活水平的提高，人们对电 视的要求也越来越高，人们开始追求更为清晰的图像，追求观看电视的真实感，这就形 成了高清晰度电视的概念。上世纪七十年代，日本率先推出扫描行数为1 1 2 5 行的m u s e ( m u l t is u b n y q u i s ts a m p l i n ge n c o d i n g ) 模拟高清晰度电视标准，美国于九十年代中期 推出了a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o nr e s e a r c hc o n s o r t i u m ) 数字电视标准【1 】。欧洲同时也 推出了d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 标准。我国从1 9 8 9 年开始数字高清电视的研究， 并于2 0 0 7 年底推出了清华d m b t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i a t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ) 地面数字电视标准，2 0 0 8 年将用数字高清广播电视转播奥运会，2 0 1 0 年将全面实现数 字高清广播电视，在东部相对发达地区普及数字高清电视，2 0 1 5 年将停止模拟广播电视 的播出，数字高清广播电视推广至中西部地区【2 】。 数字电视是电视数字化和网络化后的产物。数字电视是一个系统，是指从电视节目 的采集、制作、编辑、播出、传输、用户端接收、显示等全过程的数字化，换句话说就 是系统所有过程信号全是由o 、1 组成的数字流。数字电视已不仅仅是传统意义上的电 视，而是能提供包括图像、数据、语音等全方位的服务，是3 c 融合的一个典范，是计 算机、传输平台、消费电子三个环节的聚焦点。现有模拟电视频道带宽为8 m h z ，只能 传送一套普通的模拟电视节目。采用数字电视后一个频道内能传送1 8 套数字电视节目 ( 随着编码技术的改进，传送数量还会进一步提高) ，电视频道利用率大大提高。 数字电视可以大大改善图像的质量，提高图像的清晰度，数字电视成为新一代电视 第一章绪论 的发展方向。以前的数字化处理电视不是直接接收数字电视信号，而是将接收到的模拟 电视信号在电视机内进行数字化处理，获得较好的图像和伴音质量，数字化处理电视是 数字电视发展的过渡阶段。人们在追求图像质量的同时，也对电视提出了健康和外观方 面的要求，平板电视解决了电磁辐射、画面闪烁等问题，占用空间小，外观典雅时尚， 因而具有巨大的市场发展潜力。能够直接接收并处理外来数字电视信号的电视机称为数 字电视机。 数字视频有许多优点，但是由于其占用带宽太宽而限制了它的实际应用。数字视频 压缩技术的发展，推动了数字视频的实际应用。现以p a l 制彩电的卫星传输为例，说 明压缩的作用和意义。我国p a l 制彩电的视频带宽f e = 6 0 m h z 。亮度信号的取样频率 为1 3 5 m h z ，色度信号的取样频率为6 7 5 m h z ，每个取样8 比特，那么传输p a l 制彩 电所需要的传输速率见公式( 1 1 ) ： 1 3 5 8 + 2 x 6 7 5x 8 = 2 1 6 m b s ( 1 1 ) 这样高的传输频率，采用2 p s k 调制，所需传输带宽大于2 0 0 m h z ，即使采用4 p s k ， 所需传输带宽也要1 0 0 m h z 以上。在现存的传输媒介中，要占用这样宽的带宽来传送视 频不仅困难，也是不经济的。目前的数字视频压缩技术，已经可以做到把2 1 6 m b s 的 速率压缩到8 m b s 左右。而去压缩后的质量可以达到广播级。 数字视频的主要挑战在于原始或未压缩的视频需要存储或传输大量数据。例如，标 准清晰度的n t s c 视频的数字化一般是每秒3 0 帧速率，采用4 ：2 ：2 y c r c b 及7 2 0 x4 8 0 ， 其要求超过1 6 5 m b p s 的数据速率。保存9 0 分钟的视频需要11 0 g b 空间，或者说超过标 准d v d r 存储容量的2 5 倍。即使是视频流中常用的低分辨率视频( 如： c i f ：3 5 2x2 8 8 ，4 ：2 ：0 ，3 0 帧秒) 也需要超过3 6 5 m b p s 的数据速率，这是a d s l 或3 g 无 线等宽带网络速度的许多倍。目前的宽带网可提供l - - 1 0 m b p s 的持续传输能力。显然数 字视频的存储或传输需要采用压缩技术。 1 2 数字电视 1 2 1 传统电视技术的缺陷 传统的黑白电视和彩色电视，都属于模拟电视，模拟电视是指在图像信号的摄取、 处理、调制、传输和显示过程中，图像和伴音信号都是连续变化的模拟信号。模拟电视 在发展中不断完善、改进，在图像质量、设备成本等方面日趋成熟，具有一定的优势， 但也存在许多难以克服的缺陷。 世界上现存的三大彩色电视制式( p a l 制、n t s c 制、s e c a m 制) ，都是在黑白电 2 长安人学硕士学位论文 视的基础上发展起来的，为了与黑白电视兼容，采用了恒亮传输方式和频带压缩技术【4 1 ， 这使广播电视系统存在着先天的缺陷，由于彩色负载波所携带的色度信号处于亮度信号 频带内，亮色干扰难以彻底消除，稳定性较差。 模拟电视信号在多次传输和复制过程中会形成噪声积累，使图像质量不断下降。由 信道引入的线性失真和非线性失真会使电视频谱高端产生较大衰减，使图像清晰度下 降。另外，模拟信号难以在电路中实现存储、变换与加工，无法制作各种特技。 传统广播电视采用隔行扫描方式，隔行扫描固有的行间闪烁，垂直边缘锯齿化及爬 行效应等，会严重影响图像清晰度，造成视觉疲劳。 这些缺陷是传统电视系统固有的，无法通过传输技术和电路技术的进步来消除。然 而随着数字技术、大规模集成电路技术和视频数字存储技术的发展，可以将模拟信号转 变为数字信号进行处理、存储、控制和传输，电视技术进入一个崭新的时代。 1 2 2 数字电视 数字电视( d i g i t a lt v ) 是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字化 的数字电视广播系统。数字电视利用m p e g 标准中的各种图像格式，把现行模拟电视制 式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约4 6 9 - - 2 1 m b p s ，其图像质量可以达到电视 演播室的质量水平，图像水平清晰度达到5 0 0 - - - 1 2 0 0 线以上，并采用a c 一3 声音信号 压缩技术，传输环绕声信号。 按图像清晰度分类，数字电视包括数字高清晰度电视( h d t v ) 、数字标准清晰度电 视( s d t v ) 和数字普通清晰度电视( l d t v ) = 种。h d t v 的图像水平清晰度大于8 0 0 线， 图像质量可达到或接近3 5 m m 宽银幕电影的水平；s d t v 的图像水平清晰度大于5 0 0 线， 其图像质量为演播室水平：l d t v 的图像水平清晰度为2 0 0 3 0 0 线，主要是对应现有v c d 的分辨率量级。 按信号传输方式分类，数字电视可分为地面无线传输数字电视( 地面数字电视) 、卫 星传输数字电视( 卫星数字电视) 、有线传输数字电视( 有线数字电视) - - 类。 按照产品类型分类，数字电视可分为数字电视显示器、数字电视机项盒和一体化数 字电视接收机。 按显示屏幕幅型比分类，数字电视可分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型。 1 2 3 数字电视系统的关键技术 ( 1 ) 数字电视的信源编解码技术 3 第一章绪论 a ) 视频编解码技术。数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程 中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1 9 2 0 1 0 8 0 显示格式下，数字化后的码 率在传输中高达9 9 5 m b i t s ，这比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而数字电视的 图像不能象模拟电视的图像那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。视频编码技术 主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由9 9 5 m b i t s 减少为2 0 3 0 m b i t s 。 b 1 音频编解码技术。与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压 缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模 拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。 ( 2 ) 信源编解码的相关标准 国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的h 2 6 1 标准、 主要用于静止图像的口e g 标准和主要用于连续图像的m p e g 标准。 在h d t v 视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本没有分歧，都采用m p e g 2 标准。m p e g 压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中 进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了m p e g 2 标准；美国采纳了杜l l , ( d o l b y ) 公司的a c 3 方案，m p e g 一2 为备用方案。但随着技术的进步，1 9 9 4 年完成的m p e g 2 随着技术的进步现在显得越来越落后，国际上正在考虑用m p e g 4 ，a v c 来代替目前的 m p e g 2 。 中国方面，中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视的a v s 标准。 该标准据称具有自主知识产权，与m p e g 2 标准完全兼容，也可以兼容m p e g 4 ， a v c h 2 6 3 国际标准基本层，其压缩水平据称可达到m p e g 2 标准的2 3 倍，而与 m p e g 4 ，a v c 相比，a v s 更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。 ( 3 ) 数字电视的复用系统 数字电视的复用系统是h d t v 的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视 频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送 给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。在h d t v 复用传输标准方面，美国、欧 洲、日本没有分歧，都采用了m p e g 2 标准。美国已有m p e g 2 解复用的专用芯片。 ( 4 ) 数字电视的信道编解码及调制解调 数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提 高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目 4 长安大学硕士学位论文 前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带 宽的不同，尤其是调制方式的不同。数字传输的常用调制方式有： a ) 正交振幅调制( q a m ) ：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电 缆传输。 b ) 键控移相调s u ( q p s k ) ：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。 c ) 残留边带调制( v s b ) ：抗多径传播效应好( 即消除重影效果好) ，适合地面广播。 d ) 编码正交频分调s f j ( c o f d m ) ：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同 频网广播。 1 3 视频压缩技术 视频压缩对于消费视频产品越来越重要，静止图像压缩技术为视频压缩提供基础， 可以使用静止图像压缩对视频进行逐个帧的压缩，例如“动态j p e g ”，即m j p e g 。但是 现代视频编解码器的功能远不限于此，它采用静止图像压缩技术，增加了动态估算补偿， 利用了视频序列中帧之间的相似性。视频压缩已经在许多产品中得到应用，包括d v d 、 数字电视、个人录像机、互联网视频、多媒体自动唱机、拍照手机、p d a 和摄像机等。 不同的产品有不同的需求：帧的大小、帧速率、视频质量、位速率以及后处理选项等各 不相同，导致计算和存储要求也各不相同。 1 3 1 视频压缩的发展与应用 传统的压缩编码是建立在香农( s h a n n o n ) 信息论基础上的，它以经典的集合论为 基础，用统计概率模型来描述信源，但它未考虑信息接受者的主观特性及事件本身的具 体的含义、重要的程度和引起的后果。因此，压缩编码的发展历程实际上是以香农信息 论为出发点，一个不断完善的过程。 从不同角度考虑，数据压缩编码具有不同的分类方式： ( 1 ) 按信源的统计特性可分为预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带一小波编码、 神经网络编码方法等。 ( 2 ) 按人眼的视觉特性可分为基于方向滤波的图像编码、基于图像轮廓一纹理的编码 方法等。 ( 3 ) 按图像传递的景物特性可分为分形编码、基于内容的编码方法等。 随着产业化活动的进一步开展，国际标准化组织于1 9 8 6 年、1 9 9 8 年先后成立了联 合图片专家组j p e g 和运动图像压缩编码组织m p e g 。j p e g 专家组主要致力于静态图 5 第一章绪论 像的帧内压缩编码标准i s o i e c l 0 9 1 8 的制定；m p e g 专家组主要致力于运动图像压缩 编码标准的制定。 众所周知，人类通过视觉获取的信息量约占总信息量的7 0 ，而且视频信息具有直 观性、可信性等一系列优点。所以，视讯技术中的关键技术就是视频技术。 目前，视频技术的应用范围很广，如网上可视会议、网上可视电子商务、网上政务、 网上购物、网上学校、远程医疗、网上研讨会、网上展示厅、个人网上聊天、可视咨询 等业务。 但是，以上所有的应用都必须压缩。传输的数据量之大，单纯用扩大存储器容量、 增加通信干线的传输速率的办法是不现实的，数据压缩技术是一个行之有效的解决办 法，通过数据压缩，可以把信息数据量压下来，以压缩形式存储、传输，既节约了存储 空间，又提高了通信干线的传输效率，同时也可使计算机实时处理音频、视频信息，以 保证播放出高质量的视频、音频节目。可见，多媒体数据压缩是非常必要的。由于多媒 体声音、数据、视像等信源数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。数据压 缩可以将庞大数据中的冗余信息去掉( 去除数据之间的相关性) ，保留相互独立的信息 分量，因此，多媒体数据压缩是完全可以实现的。 图像编码方法可分为两代：第一代是基于数据统计，去掉的是数据冗余，称为低层 压缩编码方法；第二代是基于内容，去掉的是内容冗余，其中基于对象( o b j e c t - - b a s e d ) 方法称为中层压缩编码方法，其中基于语义( s y n t a x - - b a s e d ) 方法称为高层压缩编码方 法。 基于内容压缩编码方法代表新一代的压缩方法，也是目前最活跃的领域，最早是由 瑞典的f o r c h h e i m e r 提出的，随后日本的h a r a s h i m a 等人也展示了不少研究成果。 1 3 2 视频编码原理 目前大家感兴趣的所有视频标准都采用基于模块的处理方式。每个宏模块一般包含 4 个8 8 的光度块和2 个8 8 的色度块( 4 ：2 ：0 色度格式) 。视频编码基于运动补偿预测 ( m c ) 、变换与量化及熵编码。在运动补偿中，通过预测与最新编码的视频帧处于同一区 域的视频帧中各宏模块的像素来实现压缩。例如，背景区域通常在各帧之间保持不变， 因此不需要在每个帧中重新传输。运动估计( m e ) 是确定当前帧即与它最相似的参考 帧的1 6 x 1 6 区域中每个m b 的过程。m e 通常是视频压缩中最消耗性能的功能。有关当 前帧中各模块最相似区域相对位置的信息( “运动矢量”) 被发送至解码器。 m c 之后的残差部分分为8 x 8 的模块，各模块综合利用变换编码、量化编码与可变 6 长安大学硕十学位论文 长度编码技术进行编码。变换编码( 如：离散余弦变换或d c t ) 利用残差信号中的空间 冗余。量化编码可以消除感知冗余( p e r c e p t u a lr e d u n d a n c y ) 并且降低编码残差信号所需要 的数据量。可变长度编码利用残差系数的统计性质。通过m c 进行的冗余消除过程在解 码器中以相反过程进行，来自参考帧的预测数据与编码后的残差数据结合在一起产生对 原始视频帧的再现。在视频编解码器中，单个帧可以采用三个模式中的一个进行编码 即i 、p 或b 帧模式。几个称为i n t r a ( i ) 的帧单独编码，无需参考任何其它帧( 无运 动补偿) 。某些帧可以利用m c 编码，以前一个帧为参考( 向前预测) 。这些帧称为预 测帧p 。 b 帧或双向预测帧通过之前的帧以及当前帧的后续帧进行预测。b 帧的优势是能够 匹配堵塞在采用向前预测的上一帧中的背景区域。双向预测通过平衡向前及向后预测可 以降低噪声。在编码器中采用这种功能会要求更多处理量，因为必须同时针对向前及向 后预测执行m e ，而这会明显使运动估计计算需求加倍。为了保存两个参考帧，编码器 与解码器都需要更多内存。b 帧工具需要更复杂的数据流，因为相对采集及显示顺序而 言，帧不按顺序解码。这个特点会增加延时，因此不适合实时性较高的应用。b 帧不用 于预测，因此可以针对某些应用进行取舍。例如，在低帧速应用中可以跳过它们而不会 影响随后i 与p 帧的解码。 一 1 3 3 传统视频编码标准 ( 1 ) h 2 6 1 i t u 编制的h 2 6 1 3 1 标准是第一个主流视频压缩标准。它主要针对双工视频会议应 用，是为支持4 0 k p b s - 一2 m b p s 的i s d n 网络而设计的。h 2 6 1 支持3 5 2 x2 8 8 ( c ) 及 1 7 6 x 1 4 4 ( q c i f ) 分辨率，色度分辨率二次采样为4 ：2 ：0 。由于可视电话需要同步实时编解 码，因此复杂性设计得较低。由于主要用于对延迟敏感的双向视频，因此h 2 6 1 仅允许 采用i 与p 帧，而不允许b 帧。 h 2 6 1 采用基于块的d c t 进行残差信号的变换编码。d c t 把像素的每个8 x 8 块映 射到频域，产生6 4 个频率成分( 第一个系数称为d c ，其它的称为a c ) 。为了量化d c t 系数，h 2 6 1 在所有d c 系数中采用固定的线性量化。量化后的系数进行行程编码，其 可以按非零系数描述量化的频率，后面跟随一串零系数，在最后一个非零值之后以块代 码结束。最后，可变长度编码( h u f f m a n ) 将运行级别对( r u n 1 e v e lp a i r ) 转换成可变长度编 码( v l c ) ，其比特长度已针对典型概率分布进行过优化。 基于标准块的编码最终产生模块化视频。h 2 6 1 标准利用环路滤波避免这种现象。 7 第一章绪论 在模块边缘采用的简单2 df i r 滤波器用于平滑参考帧中的量化效应。必须同时在编码 器及解码器中精确地对每个比特应用上述滤波。 ( 2 ) m p e g 一1 m p e g 一1 【4 】是i s o 开发的第一个视频压缩算法。主要应用是数字媒体上动态图像与 音频的存储与检索，如速率为1 1 5 m b p s 采用s i f 分辨率( 3 5 2 x 2 4 0 ，2 9 9 7 f p s 或者 3 5 2 2 8 8 ，2 5 f p s ) 的v c d 。m p e g 1 与h 2 6 1 相似，不过编码器一般需要更高的性能， 以便支持电影内容的较高运动性而不是典型的可视电话功能。 与h 2 6 1 相比，m p e g 1 允许采用b 帧。另外它还采用自适应感知量化，也就是说， 对每个频段采用单独的量化比例因子，以便优化人们的视觉感受。m p e g 1 仅支持逐行 视频，而m p e g 2 同时支持分辨率及比特率更高的逐行与隔行视频。 ( 3 ) m p e g 一2 m p e g 2 1 5 j 专门针对数字电视而开发，很快成为了迄今最成功的视频压缩标准。 m p e g 2 既能够满足标准逐行视频的需求( 其中视频序列由一系列按一定时间间隔采集 的帧构成) ，又能够满足电视领域常用的隔行视频的需求。隔行视频交替采集及显示图 像中两组交替的像素( 每组称为一个场) 。这种方式尤其适合电视显示器的物理特性。 m p e g 2 支持标准的电视分辨率，其中包括：针对美国和日本采用的n t s c 制式隔行 7 2 0 x 4 8 0 分辨率，每秒6 0 场，以及欧洲和其他国家采用的p a l 制式的7 2 0 x 5 7 6 分辨率， 每秒5 0 场。 m p e g 2 建立在m p e g 一1 基础之上，并具备扩展功能，能支持隔行视频及更宽的运 动补偿范围。由于高分辨率视频是非常重要的应用，因此m p e g 2 支持的搜索范围远远 大于m p e g 1 。与之前的标准相比，它显著提高了运动估计的性能要求，同样它的编码 器需要有比h 2 6 1 和m p e g 1 高得多的处理能力。m p e g 一2 中的隔行编码工具包含优化 运动补偿的能力，同时支持基于场和基于帧的预测，而且同时支持基于场和基于帧的 d c t i d c t 。m p e g 2 在3 0 ：1 左右的压缩比时运行良好。m p e g 2 在4 - 8 m b p s 时达到的 质量适合消费类视频应用，因此它很快在许多应用中得到普及，如：数字卫星电视、数 字有线电视、d v d 以及后来的高清数字电视等。 另外，m p e g 2 增加了分级视频编码工具，以支持多层视频编码，即：时域分级、 空域分级、s n r 分级以及数据分割。尽管m p e g 2 中针对分级视频应用定义了相关类 另l j ( p r o f i l e ) ，不过支持单层编码的主类( m a i np r o f i l e ) 是当今大众市场中得到广泛应用的唯 一m p e g 2 类。m p e g 2 通常称为m p e g 2 主类。 8 长安大学硕，卜学位论文 m p e g 2 解码最初对于通用处理器及d s p 具有很高的处理要求。优化的固定功能 m p e g 2 解码器开发己问世，由于使用量较高，成本已逐渐降低。m p e g 2 证明低成本 芯片解决方案的供应是视频编解码标准成功和普及的关键。 ( 4 ) h 2 6 3 h 2 6 3 t 6 】在h 2 6 1 之后得到开发，主要是为了以更低的比特率实现更高的质量。其主 要目标之一是基于普通2 8 8 k b p s 电话调制解调器的视频。目标分辨率是 s q c i f l 2 8 9 6 c 巧3 5 2 x 2 8 8 。其基本原理与h 2 6 1 大同小异。 h 2 6 3 的运动矢量在两个方向上允许是1 2 的倍数( “半像素”) ，参考图像以数字 方式内插到更高的分辨率。这种方法可以提高m c 精度及压缩比，m v 可采用更大的范 围。为不同方案提供许多新的选项，包括： a ) 4 个运动矢量每个块采用一个运动矢量，而非整个m b 采用单个运动矢量。 b ) 3 dv l c ：h u f f m a n 编码将块结束( e o b ) 指示符与每个运行级别对结合在一起。 这种功能主要用于低比特率，这时大多时候只有一、两个编码系数。 尽管存在这些功能，但是仍然很难在普通电话线上实现理想的视频质量，而且目前 基于标准调制解调器的可视电话仍然是一个难题。不过，由于h 2 6 3 一般情况下可提供 优于h 2 6 1 的效率，它成为了电视会议首选的算法，但是为了兼容旧系统，仍然需要支 持h 2 6 1 。h 2 6 3 逐渐发展成为了h 2 6 3 + ，其增加了可选的附件，为提高压缩并实现分 组网的鲁棒性提供支持。h 2 6 3 及其附件构成了m p e g 一4 中许多编码工具的核心。 ( 5 ) m p e g 4 m p e g 4 t 7 】由i s o 提出，以延续m p e g 2 的成功。一些早期的目标包括：提高容错 能力以支持无线网、对低比特率应用进行更好的支持、实现各种新工具以支持图形对象 及视频之间的融合。大部分图形功能并未在产品中受到重视，相关实施主要集中在改善 低比特率压缩及提高容错性上。 m p e g 4 简化类( s p ) 以h 2 6 3 为基础，为改善压缩增加了新的工具，包括： a ) 无限制的运动矢量：支持对象部分超出帧边界时的预测。 b 1 可变块大小运动补偿：可以在1 6 x 1 6 或8 x 8 下进行运动补偿。 c ) 上下文自适应帧内d c td c a c 预测：可以通过当前块的左右相邻块预测d c a c d c t 系数。 d ) 扩展量化a c 系数的动态范围，支持高清视频，从h 2 6 3 的 一1 2 7 ：1 2 7 】到 2 0 4 7 ，2 0 4 7 1 。 9 第一章绪论 e ) 增加了容错功能，以支持丢包情况下的恢复，包括： 片断重同步( s l i c er e s y n c h r o n i z a t i o n ) ：在图像内建立片断( s l i c e ) ，以便在出现错误后 更快速的进行重新同步。与m p e g 2 数据包大小不同，m p e g 4 数据包大小与用于描述 m b 的比特数量脱离了联系。因此，不管每个m b 的信息量多少，都可以在位流中按相 同间隔进行重新同步。 数据分割：这种模式允许利用唯一的运动边界标记将视频数据包中的数据分割成运 动部分和d c t 数据部分。这样就可以实现对运动矢量数据更严格的检查。如果出现错 误，可以更清楚地了解错误之处，从而避免在发现错误情况下抛弃所有运动数据。 可逆v l c ：v l c 编码表允许向后及向前解码。在遇到错误时，可以在下一个s l i c e 进行同步，或者开始编码并且返回到出现错误之处。 新预测( n e w p r e d ) ：主要用于在实时应用中实现快速错误恢复，这些应用中的解 码器在出现丢包情况下采用逆向通道向解码器请求补充信息。 m p e g 4 高级简化类( a s p ) 以简化类为基础，增加了与m - p e g 2 类似的b 帧及隔行 工具( 用于l e v e l 4 及以上级别) 。另外它还增加了四分之一像素运动补偿及用于全局运 动补偿的选项。m p e g 4 高级简化类比简化类的处理性能要求更高，而且复杂性与编码 效率都高于m p e g 2 。 m p e g 4 最初用于因特网数据流，例如，已经被a p p l e 的q u i c k t i m e 播放器采用。 m p e g 一4 简化类目前在移动数据流中得到广泛应用。m p e g 4a s p 是已经流行的专有 d i v x 编解码器的基石。 1 4 论文完成的工作 本论文主要完成以下工作： ( 1 ) 分析了传统电视技术的缺陷及数字电视的优点，详细介绍了全球数字电视标准、 数字电视发展的前景以及各个视频编码的标准。 ( 2 ) 在解释为什么要视频压缩的基础上，论文采用了m p e g 视频压缩技术。 ( 3 ) 分析了视频压缩技术，对视频压缩进行了理论阐述，并对m p e g 4 算法进行了研 究和实现。 ( 4 ) 在分析了视频压缩的基础上，设计了高清数字电视解码芯片。详细介绍了视频处 理芯片f l l l 0 6 2 0 的特性、系统的整体设计、外围器件的选择、输入端口的设计、声音 模块的设计、控制模块的设计、红外遥控的设计等。 ( 5 ) 对软件设计规格书进行了详细分析，在此基础上，对控制软件的结构、初始化程 1 0 长安大学硕 学位论文 序、主循环程序等进行了设计，开发了功能丰富、操作方便的o s d 菜单，设计了适合 中国电视制式的搜台程序。 ( 6 ) 为厂家设计的这款电视芯片已经能够量产，现市场已经能够买到，该电视可以播 放1 0 8 0 p 的信号，支持d m b t ，支持u s b 播放r m v b 格式电影、a v i 格式电影，j p e g 图片以及m p 3 的播放。 第二章视频压缩 第二章视频压缩 2 1 m p e g 介绍 m p e g 是当今最流行的音频视频压缩技术之一。这是因为它不仅仅是一个单独的 标准，而是一系列以相似理论为基础且适合于不同应用的标准。m p e g 是运动图像专家 组的简称，它是由i s o ( n 际标准组织) 就压缩专题而建立的。m p e g 可以被描述为各种 简称的相互作用。 2 1 1 为什么需要视频压缩 数字视频技术的最初成功是在后期制作应用中，数字视频的高成本被无限制的层次 和效果能力所抵消。然而，制作标准数字视频会产生每秒2 0 0 兆以上的数据，这一数据 率要求扩展存储能力和传送带宽。只有降低存储和带宽要求，才能使用数字视频技术， 而降低这些要求也正是压缩的目的。压缩是一种使用较少的数据来表现数字音频和视频 信息的方法。 压缩有以下的优点：设备的复杂性和成本相应降低，对于给定的一段源内容而言， 只需要较小的存储量。通过高密度录制，如使用磁带，压缩让用户能使用小型化设备和 使用电子新闻采集仪( e n c ) 成为可能。磁带的出现使压缩进一步提高，因为只需少量的 磁带便可跳过一段给定的节目内容。另外，随着如r a m 那样的高容量介质的出现，压 缩又可在新的应用场合中使用。在实时工作状态下，压缩技术降低了所需的带宽。另外， 压缩技术允许在介质之间实现比实时更快的传送，比方说在磁带和磁盘之间传送。压缩 录制格式只需较低的录制密度，从而降低了录制设备对环境因素和维护的敏感性。 2 1 2 视频压缩的介绍 压缩技术与电视有很大的关系。交织是一种简单的压缩形式，它使带宽以2 ：1 的比 例降低。用色差信号代替r g b 信号是另一种压缩形式。由于眼睛对色彩细节并不十分 敏感，所以色差信号只需要较窄的带宽。当彩色电视广播出现时，一方面黑白电视的频 道结构必须保留，另一方面又在发展复合视频信号。复合视频系统，如n 地、n t s c 和 s e c a m ，都是压缩的形式，这是因为它们在进行彩色电视广播时使用的带宽与黑白电 视中使用的带宽相同。 如图2 1 所示，在传统电视系统中，r g b 摄像机信号被转变为用于制作的y 、p r 、p b 分量信号，并通过编码成为用于传输的模拟复合信号。在现代电视系统中，y 、p r 、p b 信号经数字化，并在制作过程中以s d i 形式中的y 、c r 、c b 信号方式承载，再通过m p e g 1 2 长安大学硕士学位论文 编码用于传输。很显然，广播工作者会认为m p e g 是复合视频信号的一种更高效的替代 物。另外，m p e g 有更大的灵活性，因为它所需的数据率可以进行调节，以适应不同的 应用场合。在较低的数据率和分辨率下，m p e g 能够用于电视会议和电视电话。 gy 卜 摄像机 b 编码 p r 复合 模拟复合输出 。 矩阵 编码 r i rp b ( p a l 、n t s c 、s e c a m ) a ) 模拟信号录制过程 gyyy 卜 摄像机 b 编码 p r 模数 c r 操作 c r m p e g 数字压缩输出。 矩阵转换器 处理 编码 lrp bc bc b j广jl s d i b ) 数字信号录制过程 图2 1 图像录制过程 d v b 和a t s c ( f l - i 欧洲和美国首创的数字电视广播标准) 如果没有压缩技术就会失去 使用的可能性，因为它们所需的带宽会太宽。压缩技术延长了d v d ( 数字视频通用光盘) 的播放时间，能够在标准尺寸的光盘中存入整部电影。 在所有实际的节目内容中有两种信号分量：一种是异常而无法预见的，另一种是可 以预见的。异常分量叫做熵，它是信号中的真实信息。余下的部分叫做冗余，因为它不 是必需的。冗余可能是空间性的，它位于画面的大片单色区域中，相邻的像素几乎具有 相同值。冗余也可能是时间性的，它是连续画面间相似部分使用的地方。所有压缩系统 的工作方式都是在编码器中将熵从冗余中分离出来。只有熵被录制或传输，而解码器则 计算传输信号中的冗余。如图2 2 所示，一帧图像在高亮区域，图像内容仅有很少变化， 因此有重要的空间冗余。 1 3 * 一章说颤压缩 图2 2 视频帧一r 相似的区域l 背景区域经过了低通滤波器处理的同一帧图像，去掉了一些高频部分，如图2 3 所 图2 3 视频帻一( 对背景进行低通滤波) 人的腱和脑对低频部分更敏感，所以图像还是可以识别的，而不管那些去掉的图像 睦宣 学碗学位论立 信息。下一帧图像如图24 所示，照相机是以2 5 帧，秒来捕获图像，所以两帧图像在1 2 5 秒间仪有微小的变化。这就有清晰而重要的时间