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南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频套议中的应用 摘要 本论文主要讨论了基于i p 网络的m p e g 2 视频会议系统编码终端的实现。 首先本文在对i p 网络视频会议系统的经典协议h 3 2 3 进行了一定介绍的基础上， 搭建了一个较为简单的会议电视系统平台。在基于这个平台的会议电视系统终端 的实现过程中本文简要论述了基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的系统板底支持 包的设计与实现，详细说明了其应用软件的模块划分和实现流程。接下来本文对 此编码终端中i p 网络模块和视频编码模块的通信接口做了较为详细的介绍。最 后论文讨论了整个系统开发过程中的调试手段和固化方法，并提出了本系统的优 缺点和未完成之工作。 关键词：嵌入式操作系统、v x w o r k s 、t o m a d o 、视频会议、电视会议 南京邮电学院硕士擘位论文 嵌八式探作系统在视频会议中的应用 a b s t r a c t t h i sp a p e ri s s u e dav i d e oc o n f e r e n c et e r 玎n i n a lb a s e do ni pn e t w o r kw h i c hu s e d m p e g - 2c d d i n g f i r s t j y “i n 如d u c c dt h eh 3 2 3s t a n d 莉e n ya i l dc o n s t c t e da s i m p l ea v i d e oc o n f e r e n c ep l a t f o 肌s e c o n d l y ，m ep a p e ri n t e r p r e t e dt h er e a l i z a t i o no f t h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s 把mv x w o r k s sb o a r ds u p p o r tp a c k e t ，a i l dd i s c u s s e dm e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nd e t a i l s t h i r d l y ，i ts h o w e dt h e d e s i g no f t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f k eb e t w e e nt h ei pn e t 、v o r km o d u l ea i l dt h ec o d i n g m o d u l e f i n a i i y ，血ep 印e ri n t r o d u c e dt h ed e b u g g i n go f m e s o r 、v a r cp r o g r 锄a i l dh o w t of i x e do u rp m g r a mi n 也es y s t e m s h o r t c o m i n g s 吼dm 。o n g p o i mo fo u ts y s t e mw e r e l a i do u t ，a n dt h eu n d o n e t h i n g sw h i c h s h o u l db ed o n eb yt h es e q u e l a ew e r er e v e a l e di n t h e i a s t k e y w o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 、v x w o r k s 、t b m a d o 、v i d e oc o n f c r e n c e 2 南京邮电学院硕士学位论文嵌八式操作系统在视频会议中的应用 第一章前言 第一节嵌入式系统的发展与会议电视系统的发展 1 1 1 嵌入式系统的基本概念与特点 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适 用于应用系统对空间体积、系统功能、可靠性与实时性等有严格要求的专用计算 机系统。简而言之，嵌入式系统就是嵌入式技术和计算机技术相结合的系统。 其实，早在2 0 世纪6 0 年代嵌入式计算机技术已用于国防系统中，是一种所 谓的专用机。二十世纪7 0 8 0 年代嵌入式微处理器逐渐应用于工业控制等领域。 目前，从航天飞机到家用微波炉，嵌入式计算机系统广泛应用于工业、交通、能 源、通信、科研、医疗卫生、国防以及日常生活等领域，并发挥着极其重要的作 用。 嵌入式计算机系统具有区别于通用计算机系统的一些特征，主要有以下几 点： 1 1 专用的嵌入式c p u ：嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多 工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从 而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也 越来越紧密。目前市场上有许多专门用于嵌入式操作系统的c p u ，例如 a r m 、p o w e r p c 、i n t e l 等等他们都有各自的特点和优势，在选用c p u 的时 候应该充分的考虑各款c p u 的性能和特点。做出适当的选择。 2 ) 专用性和算法的唯一性：它总是被设计成为完成某一特定任务，一旦设计完 成就不再改变。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也 和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场就具有较长的生命 周期。 3 ) 多种技术的结合体：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子 技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个 3 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频会议中的应用 技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 4 ) 硬件与软件的互相依赖性：由于它的专用性决定了它的设计目标是单一的， 硬件与软件的依赖性强，因而一般软件要进行共同设计，以求达到共同完成 预定的功能，并满足性能、成本和可靠性目标。嵌入式系统的硬件和软件都 必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更 高性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。 5 1 实时性：嵌入式计算机系统大多数是实时控制系统，例如工业仪器、控制装 置、数控系统、信息家电、军用设备和控制系统等都对实时性要求较高。 e 由于嵌入式计算机系统具有上述特点，嵌入式计算机系统的软件则是更具 有特色的软件。对于嵌入式实时系统来说，它具有如下特点： 1 1 响应时间快，并且有确定的硬实时性要求：一般来说，嵌入式系统软件对外 部事件的反应是快速的、确定的、可重复实现或周期性的，不管系统当时的 内部状态如何都是可以预测的。同时对于事件的处理往往要求在死线到来之 前完成，否则可能引起系统的崩溃。 2 ) 具有处理异步并发事件的能力：在实际环境中，嵌入式系统大多数是事件驱 动的系统，而且处理的外部事件是多发的而且是并发的随机事件，也就是异 步事件。嵌入式应用软件应能有效地处理这些并发事件。所以往往采用多进 程( 多任务) 运行机制，以适应这种复杂的并发环境。还采用线程和轻进程， 以获得更快的切换速度。轻进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统 层之阳j 。系统对线程资源的分配、对线程的控制是通过轻进程来实现的，一 个轻进程可以控制一个或多个线程。嵌入式实时操作系统一般提供多任务或 多处理机制来管理资源和任务切换。 3 1 具有快速启动、出错处理和自动复位功能：要求快速启动是对嵌入式实时系 统的普遍要求，因而也不允许控制程序在运行前从磁盘上加载。所以，嵌入 式系统程序大都放置在快速只读存储器中并可以直接执行，因而程序是绝对 定位、可再入的。并且应用程序应采用特殊的容错和出错处理措施，具有故 障诊断和修复能力在运行死机之前自动恢复先前的运行状态。 4 1 应用软件与操作系统之间的界限模糊，往往是一体化设计的程序：在通用计 算机系统中，像操作系统等软件与应用软件之间的界限分明，应用软件是独 4 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频会议中的应用 立设计、独立运行的。但是，在嵌入式系统中，操作系统与应用软件是一体 化设计的，也就是说应用软件与操作系统是为特定的应用而设计的。嵌入式 系统的配置不同，其操作系统和应用软件的配置也不同。所以嵌入式系统的 设计往往是硬件与软件起进行设计。 5 ) 软件开发困难，要使用交叉开发环境：嵌入式系统的特点使得其软件受到事 件和空间的严格限制，加上运行环境复杂，使得嵌入式系统软件的开发变得 异常困难。为了设计一个满足功能、性能和死线要求的代码并把它写进给定 数量、位置的r o m 中是困难的。它需要特别了解专门设计方法的人员，也 需要在专门的开发平台上进行交叉开发，开发环境与运行环境不同。开发平 台叫宿主系统，而嵌入式系统的运行系统叫目标系统。嵌入式系统的软件交 叉开发环境对开发安全可靠、高性能和复杂的嵌入式系统起着非常重要的作 用。 1 1 2 电视技术的发展简介 电视如今已经成为人们生活中不可缺少的一部分。而电视的发明史可以追溯 到1 9 世纪，1 8 6 2 年，意大利血统的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现象。1 8 8 4 年，德 国人命尼科夫发明了机械扫描式电视，并登记了专利。1 9 0 4 年，英国人贝克威 尔发明了一次电传一张照片的电视技术，但每传一张照片需要1 0 分钟。1 9 2 5 年 1 0 月2 日，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有 实用价值的电视机。第二年1 月2 7 日，贝尔德第一次向人们展示了这台能以无 线电播放电影的机器，因其在阴极真空管中以电子显现影像而被称为电视。这台 外形古隆、图像也不清晰的电视机每秒钟只可电传3 0 幅画面，但它的诞生揭开 了电视发展的新篇章。 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 制作为我国的彩色 模拟电视制式。我国标准的p a l 制电视采用场频5 0 h z 、行频1 5 6 2 5 、每帧6 2 5 线、采用隔行扫描方式。 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频套议中的应用 正如通信系统的由模拟向数字方向发展一样，电视技术也正在经历由模拟向 数字电视过渡的时期。但是，正如n t s c 、p a l 和s e c a m 三种制式给各国电视 节目的转播和系统兼容带来了许多麻烦一样，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各自的标准。我国政府正致力于制定 自己的数字电视标准，我国数字电视标准预计将在2 0 0 4 年正式出台。 1 1 3 会议电视系统的发展概况 会议电视是利用电视和通信网召开会议的一种通信方式。会议电视最早是美 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 出了世界上最早的可视电话p i c t u r ep h o n em o d i 。其后不久，美国b t 公司研制 出l m h z 带宽黑白会议电视系统，可提供黑白、静止或活动的点对点会议电视业 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 年代初在匹兹堡和芝加哥之 问开始用于商业服务。到7 0 年代中期，一方面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很大的发展：另一方面，社会的发展已进入新的信 息时代，会议电视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，这个系统的图像质量仍不能令人满意，而 且单机价格昂贵，不同的厂家的产品无法互通，因此未能得到推广应用。1 9 7 7 年到1 9 8 2 年，英国、法国、德国等七个国家进行了联合行动，开始了他们的研 制会议电视系统的c o s t 计划，研制出2 m b i t ，s 的彩色数字式会议电视系统，并 在交响乐卫星上通过现场试验。图像质量明显超过了1 m h z 模拟会议电视系统。 在此基础上i t u t 于1 9 8 4 年制定出合适e l 或t l 通信网h 1 0 0 系列建议，首次 为会议电视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 “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 速率的会议电视业务。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 国不仅研制出6 3 m b i “s 的会议电视系统，还先后研制出1 5 4 m b i t ，s 和5 6 k b i t ，s 的会议电视系统。 6 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频会议中的应用 我国关于会议电视方面的研究与开发工作是从七十年代初的黑白模拟会议 电视开始的。1 9 7 8 年在北京和广州之间首次开通了会议电视实验业务。北京会 议是由北京邮电学院负责，广州的会议由南京邮电学院负责。8 0 年代末，南京 邮电学院研制成功了8 m b i “s 彩色数字会议电视系统，在福建省的七个主要城市 进行了联网试运行。9 0 年代以后，随着h 2 6 1 建议的推出，上海交通大学、南 京邮电学院以及北京邮电学院等单位都开始转入 l 2 6 1 会议电视系统的研制。 1 9 9 4 年上海交通大学和南京邮电学院几乎同时完成了国内首批符合h 2 6 1 标准 的会议电视样机。1 9 9 4 年起，我国建立了以北京为中心，覆盖全国3 0 个省市的 国家级会议电视骨干网。随着我国对信息产业基础设施建设的不断投入，政府、 电力、公安、军队等部门成为我国会议电视系统的第一批使用者，省市级政府部 门、交通部门、大型企业是当前会议电视发展的增长点。 1 1 4 嵌入式操作系统在会议电视发展过程中的作用 在会议电视发展的初期，以模拟传输和电路交换为主的会议电视在一些需要 控制的场合大多由单片机来实现，这在七、八十年代的会议电视应用中还是基本 能满足需求的。随着通信系统的不断进步，会议电视正在向数字传输和更为高效 的分组交换转变，会议电视的规模也在不断的扩大，这对会议电视终端和系统的 监控管理提出了更高的要求，特别是基于i p 网络的会议电视因其对网络资源的 高效使用和较低的运行成本成为会议电视发展的一大趋势。然而，原有的单片机 系统和简单的汇编程序无法满足会议电视日益增强的监控管理和网络协议的需 求，这无疑将阻碍会议电视的发展。幸运的是，嵌入式操作系统的出现很好地满 足了会议电视当前的发展需求。由于利用嵌入式操作系统能较为容易地开发出强 大的应用软件，能够更好地实现多点接入，同时能够非常好地支持各种网络协议 和通信协议，因此，目前嵌入式操作系统在视频会议特别是基于i p 的会议电视 系统中得到了大量的应用。 7 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频会议中的应用 第二节m p e g 标准在会议电视系统中的应用 1 2 1 视频编解码技术的发展 现有普通电视源的信号( 例如电视台的电波，摄像头提供的信号，v c d 、 d v d 提供的信号) 均是模拟信号而视频信号的压缩处理都是针对数字信号的， 因此在压缩编码首先要对模拟信号进行抽样、量化和编码，然后再对编码后的数 据进行具体的处理。视频编解码流程的基本框图如图1 1 所示。 图1 1 视频编解码流程的基本框图 1 1 图中变换通常是d c t 变换，而近来也有许多视频编码标准在此引入了小 波变换、整数变换等理论。图中的量化是对频域系数进行量化，而运动补偿是由 运动估计找到运动矢量，而后计算预测误差，这是帧间编码的基本过程。环路滤 波器是低频滤波器，用于消除高频噪波，当采用帧间模式和运动补偿时，通常采 用环路滤波器来消除边缘的赝像。 1 2 2 视频编解码的国际标准 为了消除数字设备之间的制式差别和使6 2 5 行系统与5 2 5 行系统之间能够兼 南京邮电学院硕士学位论文嵌入式操作系统在视频会议中的应用 容，在1 9 8 2 年2 月c c i r 第1 5 次全会上，通过了6 0 1 号建议，确定以分量编码 4 ：2 ：2 标准作为电视演播室数字编码的国际标准。而此后国际电信联盟( i t u t ) 与国际标准化组织( i s 0 ，i e c ) 或是各自或是共同制定了系列的视频编解码标 准，这些标准中比较重要的标准及其制定时间和组织如图1 2 所示。 ，t u 一标准i ：磊 厂i ；i j f i ；i i _ 一t i 磊i ： i t u t 和 ”譬擎雨赢磊：_ 1 h 2 6 4 ，m p e g - 4 ( a v c ) 1 ， 。誉一i上 二三! 亘二：_ ：二：! 亟 l i 1 9 8 41 9 8 81 9 8 81 9 1 21 9 9 41 9 9 6伯9 82 02 2 2 4 图1 2i t u t 和m p e g 视频编码标准的历史 1 2 3 会议电视标准发展的分支 在图1 2 中可以看到，当今的视频编码中，特别是应用于会议电视系统的视 频编码标准中m p e g 系列和h 系列的国际标准是两大主流。下面就简要介绍h 系列与m p e g 系列与会议电视有关的几个视频编码标准。 1 9 8 4 年c c i t t ( 国际电话电报咨询委员会) 第1 5 研究组建立了一个专家组 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，其传输码率为m 3 8 4 k b s ，其中m = l ，2 ， 3 4 5 。这里3 8 4 k b s 在i s d n 中称为巩通道。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 l ，即“采用p 6 4 k b s 的声像业务的图像编解码”， l 2 6 l 简称p 6 4 。 h 2 6 1 标准的信号在较高速率的数字网上传输，它不能应用于公共模拟电话 网( p s t n ) 。因此，人们开始研究极低码率视频编码技术。于是i t u 提出了 l 2 6 3 建议，它是关于比特率低于6 4 k b i “s 的窄带通道视频编码建议。由于h 2 6 3 是在 i t u t 的h 2 6 l 建议的基础上发展而来的，因此两者有许多共同之处。例如h 2 6 3 信源编码基本框图与h 2 6 l 十分相似，其信源编码算法的核心仍然是h 2 6 1 建议 中采用的d p c m d c t 混和编码器。但是为了适应极低码率传输的要求，h 2 6 3 在图像格式、块组( g o b ) 结构、字头、运动矢量数据、d c t 系数变长编码、 运动估计精度、误码处理和可选模式等方面做了改进。 9 南京邮电学院硕士学位论文嵌入式棘作系统在视频会议中的应用 在i t u t 一系列视频编码标准推出的同时，i s o ，i e c 也推出了m p e g 系列 的视频编码标准。 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 的英文缩写。实际上， 它是国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会1 ( j t c l ) 的第2 9 分委员会( s c 2 9 ) 的第1 1 工作组( w g l l ) ，其全称是w g 2 2o f s 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。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“月提出了i s 0 1 1 1 7 2 标准的建议草案，通称为m p e g 1 。 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 个像素的 空间分辨力，每秒2 4 至3 0 幅画面的运动图像有很好的效果。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，前者一定是逐行扫描的图像，如果 待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换为逐行扫描的格式。 m p e g 2 是由m p e g 开发的第2 个标准。按计划于1 9 9 4 年1 1 月正式确定为 国际标准。m p e g 2 是“活动图像及有关声音信息的通用编码”标准。m p e g 一2 标准制定始于1 9 9 0 年7 月。在此之间，国际电信联盟电信标准化部门( 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j t c l 和i 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的文件，共有3 2 个公司和组织提供了 非常详细的研究结果和d 1 格式的编码图像录像带。1 9 9 1 年1 1 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。1 9 9 2 年1 月的会上又定下了m p e g _ 2 是“通用”标准。m p e g 2 的声音和 系统部分的工作丌始于1 9 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l s 0 、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 0 1 的兼容 一致。国际电联的无线通信部门( 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 2 的档次等级( p r o f j l e l e v e l ) 概念的基础。i t u r 在m p e g 2 的质量 检验测试方面做了大量的工作。m p e g 2 的委员会草案i s o i e cc 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 1 日的新加坡会议上，批准国际 标准i s o i e ci s1 3 8 1 8 。此后还要对m p e g 2 进行扩展。 目前，m p e g 2 已经为全世界所承认。它是声音和图像信号数字化的基础标 l o 南京邮电学院硕士学位论丈嵌入式操作系统在视频会议中的应用 准已广泛用于数字电视及数字声音广播、数字图像与声音信号的传输。以及多 媒体等领域。 以上四个标准现在均广泛的应用于会议电视系统而i t u t 根据应用场合的 不同为会议电视系统制定了几个不同的标准，具体如表1 1 所示： 会议电视系统的国际标准 1 瓣卜，z 。| l h ，z 。 h 3 2 2 l h 3 2 3 9 h 3 - 。 l h 3 2 g 7 1 l g ，7 1 1g 7 1l ，g 7 2 2 g 7 1 lg 7 1 1 音频编解g 7 2 2g 7 2 3 1 码 g 7 2 3 1g 7 2 2g 7 2 2 g 7 2 2 g 7 2 3g 7 2 8 g 7 2 8g 7 2 8 g 7 2 8 g 7 2 8g 7 2 9 数据图文l 。t 1 2 0 卜ml0 共享 9 i 9 黑l 黝h 。嬲列怒? l 麟 复用 控制信令 h 2 4 5h 2 4 2h 2 4 2 | h 2 4 5 卜2 4 2 肌2 4 5 f h 2 4 2 传输速率9 3 3 6 k b s i2 m b 86 1 6 m b si1 0 1 0 0 m b si1 6 l o o m b s 适用蚓一s 。nl | l 锱证防糯p 1 8 黔a t b s d 。n 表1 1 会议电视系统的国际标准 为推进会议电视系统的标准化进程，c c i t t 在早期便成立了视听会议研究 小组，针对不同的网络环境制定了相应的多媒体通信终端标准。这些标准为会议 电视、多媒体通信的实现提供了十分灵活的组网方式，使厂商把发展的重点放在 提高产品与会议电视技术的有关方面。有关的国际标准及其相互关系如表所示。 刁i 同的标准适用于不同的网络环境，会议电视、多媒体通信国际标准的应用目标 及其关系如图所示。 南京邮电擘院硕士学位论文嵌入式操作系统在视频会议中的应用 图1 3 会议电视系统国际标准之间的关系 1 2 4m p e g 标准在会议电视中应用的特点 在本论文所讨论的系统中，我们采用了m p e g 系列编码标准作为我们的视 频编码标准。h 系列与m p e g 系列各有其特点： h 2 6 1 是一种帧间预测减少时域冗余、变换编码减少空域冗余的混合编码方 法具有压缩比高、算法复杂度低等优点，广泛应用于早期的会议电视系统。 1 9 9 6 年i t u t 推出的h 2 6 3 标准，对h 2 6 l 进行了改进和扩充，能提供更 好的图像质量、更低的速率，是目前i p 视频通信采用最多的一种编码方法。h 2 6 3 + 是h 2 6 3 建议的第二版，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。 h 2 6 x 标准一般采用数据速率为3 8 4 k 2 m ，典型速率是7 6 8 k 。它的主要 优点是标准化程度高、技术成熟，获得了业界主流厂商的支持，可选择的产品型 号多、档次齐全、功能丰富；主要缺点是算法主要针对会议室图像特征进行优化， 对大幅动态图像编码效果不佳，即使采用2 m 速率，在传递大幅运动图像时候也 会有马赛克或者迟滞、掉帧的现象。 m p e g 1 标准适用于码率在1 5 m b p s 左右的应用环境，也就是c d - r o m 、 南京邮电学院硕士学位论文嵌八式操作系统在视频会议中的应用 光盘的视频存储和放像所指定的。m p e g 2 制定于1 9 9 4 年，是主要针对3 1 5 m 数据速率的运动图像及其伴音编码的国际标准。其在高码流下可实现4 c i f ( 7 0 4 5 7 6 ) 图像分辨率，在小于2 m 情况下则提供c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) 图像分辨率。 m p e g 一4 于1 9 9 8 年1 1 月公布，其传输速率在4 8 k 1 0 m 之间，分辨率从 q c i f 到4 c i f ，其通过帧重建技术可以在很窄带宽上获得较佳的图像质量。 m p e g - 4 试图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多种格式的多 媒体通信的融合。 m p e g 标准的主要优点是图像质量好、运动连续，大幅动态图像的质量明显 比h 2 6 x 标准高；缺点是占用带宽较大，一般速率为2 m 6 m ，m p e g 2 的典型 速率是3 m ，m p e g 4 的典型速率是2 m 。目前采用m p e g 标准的主要是国内厂 家，标准化程度也有待提高。 由于人们对会议电视图像质量的要求不断提高，而基于租用电信e 1 信道的 系统、基于专用i p 网的系统以及基于光纤网的系统都能满足较高质量图像对网 络环境的要求，因此，我们根据实际情况，选用了m p e g 系列的视频编码标准 作为我们系统的视频编码标准。 第三节本论文讨论的主要内容与框架结构 本论文所讨论的会议电视系统使基于i p 的，因此研究基于i p 网络的会议电 视系统的经典协议h 3 2 3 显得十分必要。这里所要实现的系统是会议电视的终端 系统，它对模拟视频信号进行数字化以后，进行m p e g 一1 或m p e g 一2 编码，将 编码以后的数据打包成帧后送到先入先出缓冲器f i f o 进行缓冲，当f i f o 达到 半满以后由m p c 8 5 0 为核心的网络模块一次读入数据并打包发送到以太网上。 此过程接受监控软件的控制，并可以通过p c 终端上的监控软件控制编码器的发 送地址、视频图像的模拟制式、编码的码率和编码的方式等等信息，同时可以远 程修改整个系统的i p 地址和端口号等一系列网络参数和特性。在实际研发过程 中，一套完整的系统是由编码终端与解码终端构成，以上阐述了编码终端的基本 功能，而解码终端的许多功能基本与其十分相似不同点在于数据流程是编码终 端的逆过程。限于本论文的篇幅所限，本论文不对解码终端进行详细的讨论，仅 详细讨论这种基于i p 网络的会议电视系统编码终端的设计和实现。 南京邮电学院硕士学位论文 嵌八式操作系统在视频会议中的应用 本论文的所讨论系统的总体框架如图1 4 所示。 图1 4 系统整体框图 1 4 南京邮电学院硕士学住论文嵌入式操作乐统在视频会议中的应用 第二章h - 3 2 3 协议概述 第一节h 3 2 3 的简介与应用范围 2 1 1h 3 2 3 简介 h 3 2 3 标准是国际电联( i t u t ) 的s t u d yg m u p1 6 在1 9 9 6 年提出的，并于 1 9 9 8 年2 月修订第2 版，现在正在进行第五版的修订工作。h - 3 2 3 是一个广范围 的标准，包括独立的设备、个人计算机嵌入技术以及点对点和多点会议系统。 h 3 2 3 还涉及呼叫控制( c a l ic o n t r 0 1 ) 、多媒体管理、带宽管理以及和各种网络之间 的接口。h 3 2 3 标准十分广泛和灵活，应用范围从仅提供话音服务的电话到支持 多媒体功能的视频会议站点。 l 3 2 3 正在成为市场主流，其主要原因在于：h 3 2 3 为现有设备如i p 网络等建立了多媒体标准，用户可以在不改变其网络设施的 情况之下进行多媒体应用； l 3 2 3 提供设备到设备、应用到应用和供应商到供应 商的互联性，因此允许用户方面的产品兼容性没有问题：i p 局域网发展迅速， e t h e m e t 的带宽从1 0 m b p s 发展到1 0 0 m b p s ，目前千兆网正逐渐占据市场：个人 计算机由于其快速的c p u 、增强的指令集、强大的多媒体处理能力和多媒体加 速芯片，因此性能不断提高；h 3 2 3 提供了局域网络和其它网络的互联标准；网 络负载受管理。h 3 2 3 网络管理可以控制视频会议所用的网络带宽。多点传送功 能( m u l t i c a s t ) 的支持减小了对带宽的需求：h 3 2 3 由多个计算机和通讯公司或组 织支持，包括：i n t e l ，m i c r o s o f c ，c i s c o ，i b m 。这些公司的参与进一步提高了 l 3 2 3 在市场的知名度。 h 3 2 3 的优越性主要体现在以下几个方面： 标准化的编码解码( c o d e c ) ：h 3 2 3 建立了音频、视频数据流的编码解码标 准，以此保证来自不同供应商的设备的共同支持。 互操作性：用户使用视频会议时不必担心终端设备的兼容性。除了保证终端 设备可以对接受到的信息解码，h 3 2 3 还建立了接受段客户同发送方的通讯 方法，该标准同时建立了通用呼叫设置和控制协议。 网络无关性：h 3 2 3 运行于通用的网络结构之上，由于网络技术的发展和带 南京邮电学院硕士学位论文嵌入式操作系统在视频会议中的应用 宽管理技术的提高，基于h 3 2 3 的方案能够继承这些增强的功能。 平台和应用无关性：h 3 2 3 没有和任何硬件及操作系统进行捆绑。h 3 2 3 可 以用于各种环境，包括计算机视频系统、i p 电话设备、c a t v 机顶盒等等。 多点支持：虽然h 3 2 3 可以在不需要专门的多点控制单元( m c u ) 的情况下支 持三个或更多的终端设备的会议，但m c u 提供性能良好、结构灵活的功能。 m c u 可以是一个h 3 2 3 系统的构成元素。 带宽管理：音频视频流信息对网络的带宽十分敏感，并有可能影响整个网络 的运作。网络管理能够根据网络的情况或者h 3 2 3 可用带宽限制并发连接数 量，通过这种限制可以保证网络流量，防止网络瘫痪。 多点发送支持：h 3 2 3 支持在多点会议中的多点发送功能。所谓多点发送是 将一个数据报发送到一个目的集合中，而避免重复。相反，单点发送是多次 进行点对点发送，而广播发送是将数据发送给所有目的，这两种发送方式由 于数据包的重复发送使得网络使用效率低。 灵活性：一个h 3 2 3 会议可以包含各种终端设备。例如，一个仅提供话音支 持的专用电话设备可以参加一个具有视频、数据功能终端的会议。此外一个 h 3 2 3 多媒体终端能够和t 1 2 0 数据终端共享数据，同时和其它h 3 2 3 终端 共享音频视频和数据。 网间会议：有些用户希望能够通过l a n 进行远程会议，例如，h 3 2 3 建立了 基于l a n 的桌面系统和基于i s d n 系统连接。h 3 2 3 采用来自不同视频会议 标准的通用编码解码技术以减小传输延迟提高系统性能。 2 1 2h 3 2 3 的范围以及与其它协议的关系 h t 3 2 3 标准是用于包交换网的多媒体通信的标准，用于不支持q o s 的网络环 境，这些网络构成当前企业的主要计算机环境，包括高速e m e m e t 、f d d i 、令牌 环网和a t m 上的t c p i p 和i p x 。 h 3 2 3 标准范围不包括网络接口、物理网络和网络上的传输协议。它所述网 络包括( 但并不限于) ： 以太网( i e e e8 0 2 t 3 ) ； 快速以太网( i e e e8 0 2 3 u ) ； 1 6 南京邮电学院硕士学位论文嵌八式搛作系统在视频会议中的应用 f d d i ： 令牌环( i e e e8 0 2 5 ) ； a t m 。 h 3 2 3 的具体范围以及它与i t u t 其它相关标准之间的关系如图2 1 所示 图2 1h 3 2 3 的范围 第二节h 3 2 3 的功能实体 f 如图2 1 所示，h 3 2 3 协议的功能实体主要包括终端( t e n l l i n a l s ) 、网关 ( g a t e w a y s ) 、关守( g a t e k e e p e r s ) 、多点控制器( m u l t i p o i n tc o n t r o l l e r s ) 、多点 处理器( m u l t i p o i n tp r o c e s s o r s ) 以及多点控制单元( m u l t i p o i n t c o n t r o lu n i t s ) 。 下面简要阐述各个功能实体的基本作用： 南京邮电学院硕士学位论文嵌入式操作系统在视频会议中的应用 2 2 1h 3 2 3 终端( 1 e r m i n a i s ) h 3 2 3 终端提供了点对点或多点会议中音频( 以及可选的视频及数据) 通信 能力。通过网关实现与其它h 系列终端、g s t n 或i s d n 话音终端以及g s t n 或 i s d n 数据终端的互操作( i n t e r 、v o r k i n g ) 。在我们的系统中，主要涉及到了h 3 2 3 终端部分。 h 3 2 3 终端的例子如图2 2 所示。图中显示了用户设备接口、视频编解码器、 音频编解码器、远程信息处理设备、h 2 2 5 o 层、系统控制功能以及分组网络的 接口。所有 l 3 2 3 终端必须具有一个系统控制单元、h 2 2 5 o 层、网络接口和一 个音频编解码器单元。视频编解码器和用户数据应用是可选的。 埋黛蕾码嚣 视频i 0 设名 接收路径延 音疆码嚣 时 音颇i 0 设名 用户散据应 用t1 2 0 h 2 5 5 0 层网络接口 系统控制 h2 4 5 控制 系统控制呼叫控制 用户接口 m s 控制 图2 2h 3 2 3 终端设备 如上图所示，包含在h 3 2 3 标准范围内的终端单元有： 视频编解码器( h 2 6 1 等) 对来自视频源( 如摄像机) 的视频进行编码发送， 对接收到的视频码进行解码并输出到视频显示器。视频编解码器是可选的。 如果提供视频能力，必须符合本标准的要求。所有提供视频通信的 l 3 2 3 终 端必须能够根据h 2 6 1q c i f 进行编解码。作为可选项，终端也可以根据h 2 6 l 或h 2 6 3 的其它模式进行编解码。如果终端支持h 2 6 3c i f 或更高分辨率， 它必须也能够支持h 2 6 1c i f 。所有支持h 2 6 3 的终端必须支持h 2 6 3q c i f 。 南京邮电学院硕士学位论文嵌八式搛作系统在视频会议中的应用 网络中的h 2 6 1 和h 2 6 3 编解码器必须不带b c h 纠错和纠错帧。通过h 2 4 5 协商，也可以使用其它视频编解码器和图像格式。通过h 2 4 5 控制信道进行 协商，可以发送和或接收多于一个视频信道。h 3 2 3 终端可以同时传输多于 一个的视频信道，例如，传输讲话者和另一个视频源。h 3 2 3 终端可以同时 接收多于一个视频信道，例如，在分散多点会议中显示多个参加者。 音频编解码器( q 7 1 1 等) 对来自麦克风的音频信号进行编码发送，对接收 到的音频码进行解码并输出到扬声器。所有h 3 2 3 终端都必须具有一个音频 编解码器。所有h 3 2 3 终端都必须能够根据g 7 1 l 建议进行语音的编码和解 码。所有终端都必须能够发送和接收a 律和u 律语音。终端可以选择其它音 频编解码器进行语音编解码，这要通过h 2 4 5 协商来通知。编码器使用的音 频算法必须从h 2 4 5 能力交换中得到。 l 3 2 3 应当能够支持非对称操作，举 例来说，如果终端具有g 7 1 1 和g 7 2 8 两种能力，它应当能够发送g 7 1 1 而 接受g 7 2 8 。如果支持g 7 2 3 1 音频，音频编解码器必须能够根据5 3k b 州s 模式和6 3k b i t s 模式进行编码和解码。音频流根据h 2 2 5 0 建议进行格式化。 数据信道支持远程信息处理应用，如电子白板、静态图像传输、文件交换、 数据库访问、音频图形会议等。建议t 1 2 0 是实时音频图形( a u d i o g r a p h i c s ) 会议的标准数据应用。t 1 2 0 建议是h 3 2 3 终端和其它h 3 2 3 、h - 3 2 4 、h 3 2 0 或h 3 l o 终端之间数据协同工作的缺省基础。这里，任何可选的数据应用均 通过使用一个或多个i t u t 建议实现，并通过h 2 4 5 协商。 系统控制单元( h 2 4 5 ，h 2 2 5 0 ) 为h 3 2 3 终端的正确操作提供信令。它提供 呼叫控制、能力交换、命令和指示的信令、以及消息等。 h 2 2 5 o 层( h 2 2 5 o ) 对发送的视频、音频、数据和控制流进行格式化，形 成消息输出到网络接口；从网络接口接收到的消息中提取视频、音频、数据 和控制流。另外，对每一种媒体类型，完成适当的逻辑成帧、顺序编号、差 错检测和差错纠正。视频、音频、数据或控制信息的逻辑信道根据h 2 4 5 建 议的过程建立。逻辑信道是单向的，并且在传输的每一个方向都是独立的。 一些逻辑信道，如用来传输数据的逻辑信道，可以是双向的，并且通过 l 2 4 5 建议的双向打丌逻辑信道过程进行关联。对于每个媒体类型可以发送任意多 个逻辑信道，但每个呼叫只能有一个h 2 4 5 控制信道。除了逻辑信道之外， 1 9 南京邮电学院硕士学位论文嵌八式操作系统在视频会议中的应用 l 3 2 3 端点使用两个信令信道进行呼叫控制以及与关守有关的功能。这些信 道所使用的格式必须遵从h 2 2 5 0 建议。 2 2 2 网关( g a t e w a y ) h 3 2 3 网关( g w ) 是一个网络端点，它为分组网络的h 3 2 3 终端、电路交 换网上的其它i t u 终端、或者其它h 3 2 3 网关之间提供实时双向通信。其它i t u 终端包括遵从以下建议的终端：h 3 1 0 ( b i s d n 上的h 3 2 0 ) 、h 1 3 2 0 ( i s d n ) 、 h 3 2 l ( a t m ) 、h 3 2 2 ( g q o s l a n ) 、h 3 2 4 ( g s t n ) 、h 3 2 4 m ( 移动) 、v 7 0 ( d s v d ) 。 网关必须在传输格式之间( 例如h 2 2 5 o 到，从h 2 2 1 ) 和通信过程之间( 例 如h 2 4 5 到，从h 2 4 2 ) 提供适当的转换。这些转换在h 2 4 6 建议中规定。网关也 必须能够在网络一侧和电路交换网络( s w i t c h e dc i r c m i t n e t w o r k ，s c n ) 一侧执 行呼叫建立和清除。在网关中也可以执行视频、音频和数据格式的转换。一般而 言，网关的作用( 当不用做m c u 时) 是以透明方式将网络端点反映为s c n 端 点，反之亦然。 网关具有( 分组) 网络上的h 3 2 3 终端或m c u 的特性，也具有s c n 网络 上的s c n 终端或m c u 的特性。由生产厂商选择网关具有终端特性或是m c u