（通信与信息系统专业论文）数字电视系统中epg系统的研究及仿真实现.pdf

数字电视系统中e p g 系统的研究及仿真实现 摘要 一 数字电视将是一场信息产业的革命。它不仅具有高效传输、高质量画面伴 音、高性能的抗干扰接收的优势，而且引入了宽带i n t e r n e t 浏览、综合信息发 布、家庭购物、电子商务等新业务。髓着数字电视技术的发展及普及，数字电 视必将成为家庭信息获取、娱乐与消费的主要平台。数字电视系统可以根据其 是否具有回传信道划分为增强型数字电视系统和交互式数字电视系统。除了传 统的音视频业务外，增强型数字电视系统还提供多种增值业务，包括e p g 、本 地交互性应用( 如数据广播应用、准视频点播等) 。交互式数字电视除支持增 强型数字电视的上述应用外，还提供一系列与广播服务相关或无关的交互应用 ( 如视频点播、电子购物、远程医疗、网络浏览等) 。为了提供上述应用，交互 式数字电视必须具有回传信道。 e p g 是未来数字电视系统的重要组成部分，是用户获取各项业务的窗口。 e p g 系统的设计必须前后端综合考虑。在发送端，将存在e p g 服务器，负责产 生e p g 数据，提供给复用器；在接收端，数字电视机顶盒中将包括对e p g 数 据的解析模块、本地e p g 数据库和负责根据用户输入显示业务信息的e p g 应 用。由于国内对数字电视的研究还处于起步阶段，基! e p g 的研究还比较有限， 本文对e p g 系统做了一些初步的研究。 第一，本文对电视技术的基本原理和发展作一个简要的说明和回顾，对比 模拟电视和数字电视的优缺点，揭示了数字电视是当今悛展的主流和必然趋 势。 、 第二，本文对数字电视系统的发展状况进行了调研，对各主要标准化组织 的数字电视标准进行了初步研究，并对数字电视机顶盒的系统结构进行了研 究。 筇三，本文对e p g 相关标准进行了研究，特别是对d v b 组织的d v b s i 标准进行了比较详细的研究。d v b s i 是d v b 标准制定的数字视频广播业务信 息标准。并对比a t s c 的对应标准p s i p ，比较两者的区别与联系。 第四，本文结合我们课题组设计的增强型数字电视的软件仿真系统，讨论 了基于d v b s i 标准的本地型e p g 系统的软件设计和实现。该系统的实现是放 在软件仿真系统环境中进行的，分为发送端和接收端两个子系统。本文分析了 软件仿真系统的系统设计，包括前端系统设计和后端系统设计。在此基础上， 对e p g 系统加以实现了 关键字：数字电视，交互式电视，电子节目导引，增强型数字电视 s t u d y a n d i m p l e m e n t a t i o n o fe p g i nd i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m s a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o nw i l lb ear e v o l u t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i tn o to n l yh a st h e a d v a n t a g eo fh i g hc a p a c i t y d a t at r a n s m i s s i o n 、h i g h - q u a l i t ya u d i oa n dv i d e o 、h i g h _ p e r f o r m a n c ea n t i - j a m m i n g ，b u ta l s ob r i n g sn e ws e r v i c e s s u c ha sb r o a db a n di n t e r a c t b r o w s i n g 、i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n 、e b u s i n e s s a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，d i g i t a lt e l e v i s i o nw i l lb e c o m et h em a i np l a t f o r mo f i n f o r m a t i o n a c q u i r i n g a n de n t e r t a i n m e n t d i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc a nb ed i v i d e d i n t ot w o c a t e g o r i e s ：e n h a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o na n d i n t e r a c t i v ed i g i t a lt e l e v i s i o n ，a c c o r d i n gt o w h e t h e r t h e y h a v er e t u r nc h a n n e l s a p a r tf r o mt h et r a d i t i o n a lv i d e oa n da u d i op r o g r a m s ， e n h a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o nc a np r o v i d ea p p l i c a t i o n ss u c ha se l e c t r o n i cp r o g r a m m e g u i d e ( e p g ) 、l o c a li n t e r a c t i v i t y ，e t c ，w h e r e a si n t e r a c t i v ed i g i t a lt e l e v i s i o nc a np r o v i d e a p p l i c a t i o n so f n e t w o r ki n t e r a c t i v i t y , i n c l u d i n g v i d e oo nd e m a n d ，d i s t a n ts h o p p i n g ，w e b a c c e s s ，a n ds oo n t op r o v i d et h ea p p l i c a t i o n sa b o v e ，i n t e r a c t i v ed i g i t a lt e l e v i s i o nm u s t h a sr e t u h lc h a n n e l e p gi sa ni m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yc o m p o n e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m ，i ti st h ew a y f o ru s e rt og e ti n f o r m a t i o no fe a c hs e r v i c e t oi m p l e m e n t a e p g ，w e m u s tt a k et h es e r v e r a n dc l i e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n t h e r ew i l lb e ae p gs e r v e rw h i c hi s r e s p o n s i b l e f o r p r o d u c ee p g d a t at h a tw i l lt h e nb es e n dt om u x a n dt h es e t t o pb o x ss h o u l dh a v e m o d u l e ss u c ha se p gd a t ap a r s i n g 、e p gd a t a b a s ea n de p g e n g i n e i nc h i n a ，d i g i t a l t e l e v i s i o ni ss t i l li ni t s i n f a n c y ，a n dr e s e a r c hi nt h i sa r e ao f e p gi sl i m i t e d t h i sp a p e r c a r r i e ds o m ee l e m e n t a r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ki nt h i sa r e a f i r s t ，t h ep a p e rg i v e s ab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h et e c h n o l o g ya n d d e v e l o p m e n to f t e l e v i s i o n ， a n ds h o wt h a td i g i t a lt e l e v i s i o ni st h et r e n do ft e l e v i s i o nt e c h n o l o g y ，b ym e a n so ft h e c o n t r a s tb e t w e e nd i g i t a lt e l e v i s i o na n da n a l o g yt e l e v i s i o n s e c o n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，g i v e s ab r i e f i n t r o d u c t i o nt os t a n d a r do r g a n i z a t i o n si n d i g i t a lt e l e v i s i o n ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo f s e t t o pb o x t h i r d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee p g r e l a t e ds t a n d a r d s i n c l u d i n gd v b s i ( t h es p e c i f i c a t i o n i i i o fs e r v i c ei n f o r m a t i o n i nd v bs y s t e m ) w h i c hi s p r o p o s e db y d v ba n dt h e p s i p ( p r o g r a m a n d s y s t e mi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) w h i c h i sp r o p o s e d b ya t s c ，a n dg i v e s t h ec o n t r a s ta n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e n b o t h f o u r t h ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ee p g u s i n gt h e e n h a n c e d d i g i t a lt e l e v i s i o n s i m u l a t i o n s o f t w a r ed e m o s y s t e md e v e l o p e db y o n rr e s e a r c h g r o u p t h ee p g i s d e s i g n e db a s e do nd v b s i ，a n dt h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h es y s t e m d e s i g no f t h ed e m os y s t e mi n c l u d i n gt h es e r v e rs i d ea n dt h er e c e i v e rs i d e ，a n dt h e nf o c u s o nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f e p g ，i n c l u d i n ge p g s e r v e ra n dt h es e t t o pb o x s i d ee p g r e l a t e dm o d u l e s k e yw o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o n ，i n t e r a c t i v et e l e v i s i o n ，e p g ( e l e c t r o n i cp r o g r a m m e g u i d e ) ，e n h a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o n 塾! 皇塑墨竺! ! ! 鱼墨竺竺婴堑兰堕璺璺塑l 一 第一章绪论 1 1 引言 随着数字信号处理技术、大规模集成电路、计算机和通信技术的迅速发展 与结合，电视和电视广播正在走向数字传送平台。数字电视将是一场信息产业 的革命，它不仅具有高效传输、高质量画面伴音、高性能的抗干扰接收的优 势，而且引入了宽带i n t e m e t 浏览、综合信息发布、家庭购物、电子商务等新业 务。随着数字电视技术的发展及普及，数字电视必将成为家庭信息获取、娱乐 与消费的主要平台。 由于h d t v 技术涉及广播电视、通信、计算机和微电予等诸多领域，集现 代电子技术、通信技术和信息加工技术各方面发展成就于一身，而必将对较宽 范围的工业界带来深远的冲击，并推动整个电子信息技术及相关领域的发展。 可以说，高清晰度电视的发展标志着一个国家的技术水平和经济实力，甚至被 称作是继半导体、计算机之后电子行业的第三次机遇。数字电视技术的发展为 信息产业，特别是消费类电子产品制造业带来了巨大的商机。我国的电视机生 产经历了几十年的发展，已经有了一个很大的规模，生产能力在世界上处于前 列。但由于国内市场趋向饱和，一些企业已组织力量对数字电视进行研究和开 发。同时我国也是电视消费大国，目前的电视机保有量达3 5 亿台，其中有线 电视用户9 0 0 0 万户，是计算机互联网用户的l o 倍以上。在未来1 5 年左右的时 间内，随着电视体制从模拟向数字过渡，国内巨大的市场潜力必将转化为巨大 的经济利益。 本章首先对电视技术的基本原理和发展作一个简要的说明和回顾，对比模 拟电视和数字电视的优缺点，揭示了数字电视是当今发展的主流和必然趋势； 接着简要介绍了图像压缩的基本原理和主要方法；最后给出了本文的主要内 容。 墼兰皇堡墨竺尘! ! 鱼墨竺塑婴窒皇堕壅窒堡 1 2 电视的基本原理和发展 电视的发展到目前基本上可以分成三个阶段：黑白电视、彩色电视和数字 电视，前两者属于模拟电视范畴。模拟电视曾经给社会和人类带来了巨大的影 响，但由于其自身所固有的缺陷，它正在逐步走出历史的舞台。而随着图像压 缩技术的发展和完善，以数字视频技术为主体的数字电视由于同模拟电视相比 较具有很大的优越性，正逐步取代模拟电视。 1 2 1 模拟电视 模拟电视的发明迄今已有五十几年的历史，最初的电视是黑白电视，它收 看的是没有彩色的灰度图像。这一时期电视技术的发展主要集中在增加扫描行 数、改善伴音质量上。五六十年代，北美和欧洲又分别引入了彩色电视广播， 彩色电视的出现，标志着黑白电视系统的历史任务的终结。由黑白电视转向彩 色电视广播遇到的最主要的问题之一就是如何解决两者之间的兼容过渡，也就 是彩色电视信号能被普通黑白电视接收机接收而显示通常质量的黑白图像，彩 色电视接收机能够以黑白图像的方式收看黑白电视信号。对于彩色电视系统来 说，除了每帧扫描行数、每秒扫描场数、信道频带宽度以及隔行扫描方式等作 为基本技术要求和参数外，在发射端和接收端还必须采取某种特定的信号处理 方式，从而构成了具有不同特点的各种彩色电视制式。彩色电视是以三基色为 基础的彩色制式，其主要区分标志是三个信号( 三个基色信号或者由其组成的 亮度信号和色差信号) 的处理方式。 自彩色电视问世以来，各国研制了许多制式。自五、六十年代开始，实际 用于彩色电视广播的只有属于同时制的n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ) 制和p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ) 制，以及属于顺序一同时制的 s e c a m 制，它们都是兼容制式。由于n t s c 、p a l 和s e c a m 制都采用了与黑 白电视兼容的亮度信号，因而它们之间的差别主要体现在两个色差信号对副载 波的凋制方式上。 n t s c 制称为正交平衡调幅制，采用了平衡调幅方式和频谱交错原理，用于 美国、加拿大、日本及美洲大部分国家。为了用单一的副载波传送色度信息， 数字电视系统叫1e p g 系统的研究与仿真实现 n t s c 色度信号由两个色差信号分别对初相位为o o 和9 0 0 的两个相同频率的副载 波平衡调幅再混合而成。n t s c 色度信号可表达如下： s = ( b y ) s i n c o 。r + ( r y ) c o s o ) ，。， ( 1 1 ) 式中甜。为副载波角频率。 p a l 制又称为逐行倒相正交平衡调幅制，p a l 色度信号仍为正交平衡调幅 信号，主要用于英国、中国和许多西欧国家。p a l 制克服了n t s c 制的相位敏 感性，采用的色差信号是等带宽的u 、v 色差信号，p a l 制的色度信号由式 ( 卜2 ) 所示： s = us i nc o 。t + i ( t ) v c o s o 。t( 1 2 ) 式中的t ( f ) 表示逐行取值为+ 1 和一1 的开关函数。 s e c a m 制又称顺序传送与储存复用调频制，主要用于法国、俄罗斯和东欧 国家。p a l 制克服n t s c 制的相位敏感性是采用相位逐行交变和用梳状滤波器 将色度信号的两个分量分离开的办法，是一种频分原则。而在s e c a m 制中， 采用依次传送色差信号( 占一y ) 和( r y ) ，n 而在n - - n n 内在传输通道中只有 一个信号存在，也就不会发生互串现象，这是种时分原则来避免串色及其造 成的彩色失真。另外在s e c a m 制中，色差信号对副载波的调制不同于前两 种，它采用的是调频而非调幅。 这三种制式虽然各有优缺点，但是都是采用模拟方式，在黑白电视信号中 加入色度副载波的方法传送色度信号，但其本身的固有缺陷( 亮度串扰、行间 闪烁、爬行、噪声积累等) 制约着彩色电视质量的进一步提高，而人们对电视 质量的要求却在逐步地提高。而随着数字信号处理技术、大规模集成电路技术 的发展，数字电视正在逐步取代模拟电视。 塾兰! ! 望墨竺! ! ! ! 鱼至竺塑婴壅兰堕壅壅些一 1 2 2 数字电视 数字电视是指将电视信号以数字形式进行处理、传输或者存储的系统。整 个数字电视系统的示意图如图1 1 所示。 接收端 图1 1 数字电视系统结构 f i g u r e1 - 1s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lt e l e v i s i o n 与模拟电视系统相比，数字电视系统具有如下一些优势： 多次中继或复制后不会产生噪声累积，适用于远距离多次中继或反复编 辑和复制。 可充分使用压缩编码技术压缩数据率，降低数码率或存储空间。 可采用纠错编码技术，提高抗干扰能力。 可采用大规模集成电路，降低功耗，减少体积，大规模生产成本低。 可采用数字信号加密、加扰，实现“条件接收( c o n d i t i o n a l a c c e s s ) ”，便于开展“收费电视”等业务。便于在数字电视中开展其 他有效的数字业务，例如图文电视、电子邮件、图文传真。 原来限制数字电视发展的一个主要因素是视频的压缩编码问题，但这一问 题随着视频压缩技术的发展，各种国际标准的制定( j p e g 、h 2 6 1 、m p e g 1 、m p e g 。2 、h 2 6 3 ) ，得以解决。这些都标志着数字电视的时代已经来临。 4 塑兰! ! 塑墨竺! ! ! ! 里墨竺塑婴壅量堕壅壅婴一 1 3 数字电视所用图像编码方法 图像压缩编码是数字电视系统中的一项关键技术，但其研究却远早于人们 对数字电视的研究。早在1 9 4 8 年，o l i v e r 即提出电视信号的线性p c m 编码理 论。经过四十多年的发展，图像编码理论日趋走向成熟。 1 3 1 图像压缩算法 图像数据压缩算法是利用原始图像中存在很大的冗余度进行的，例如，一 幅图像内邻近像素之间的相关性，电视图像前后帧之间的相关性等；其次，许 多应用领域通常允许有一定的失真，这就为提高压缩比提供了有利条件：第 三，由于人眼是图像信息的最终接收者，如果在图像压缩时能够充分利用人眼 的视觉特性，就可以在保证重建图像质量的前提下，进一步提高压缩比。 图像压缩编码就是充分利用图像本身固有的统计特性和人的视觉系统特性 来减少图像信息的冗余度并获得满意的主观质量，其基本原理框图如图1 2 所 不。 映射后 量化后 图1 2图像压缩编码基本原理框图 f i g u r e1 - 2b a s i ct h e o r yo f i m a g ec o m p r e s s i o n 首先对原始图像进行变换，然后进行量化和编码。变换完成对图像信息恰 当的分解与表征，改变图像数据的特性，去除图像空间域、时间域、频率域冗 余度，使之便于进行压缩编码。例如，图像数据在相邻像素间具有高度相关 性，其差值分布接近拉普拉斯分布，标准差远小于原始图像的标准差，因此， 对差值信号进行量化编码所需的比特数必然小于直接对原始图像逐点进行量化 编码所需要的比特数，从而达到了数据压缩的目的。 量化器通过分层将映射变换后连续的模拟量离散化，以利于数字处理。根 据样本取值范围分层的均匀与否，量化可分为均匀( 线性) 量化和非均匀( 非线性) 垫兰皇塑墨堑：! ：! ! 鱼墨堕塑婴壅皇堕壅壅堡一 量化。另外，如果量化是对映射变换后的数据逐个进行，则又称为标量量化； 若是成组进行，则称为矢量量化。量化引入误差，并且在重建图像时不可恢 复。但由于人眼的视觉特性允许重建图像有一定的失真，从而使得能够保持一 定重建图像质量的量化成为可能。如何充分利用人眼的视觉特性，通过量化消 除图像的视觉冗余度，是量化器设计的关键问题，目前尚处于研究阶段。 量化后的数据还需经过二进制编码最终生成码字输出，即对每个量化级应 该指定一个专门的码字，其目的是去除符号冗余度。根据s h a n n o n 信息论，信 源所占有的平均信息量( 熵) 就是进行无失真编码的理论极限。所以编码器的 任务就是要寻找一种编码方法，以便尽可能地接近这一极限，从而最大限度地 去除符号冗余度。因此，该编码器又称为熵编码器。 1 3 2 图像压缩编码的主要方法 上一节讨论了图像压缩编码的基本原理，它主要分成三个部分：映射变 换、量化器和编码器。经过许多年的发展，已有多种图像编码方法出现，归纳 起来主要有： 预测编码 熵编码 变换编码 矢量量化 子带编码 以上方法于1 9 8 4 至1 9 8 8 年间相继提出，一般将它们称为经典法，而将1 9 8 8 年以来出现的图像编码方法称为现代法，主要包括模型法、分形编码和神经网 络编码方法等。 现代图像编码方法突破了经典法所依据的信源编码理论之框架( 例如，假 设图像是平稳的随机场) 。在同样的压缩比下，现代方法比起经典方法处理后 的重建图像在主观质量方面有显著的改善；或者是，在重建图像质量的主观质 量大致相当的条件下，现代方法的压缩比是经典法几倍至几十倍。但由于现代 法的算法复杂度大，许多算法还仅处于理论研究阶段，实际实现尚有一定的难 度。因此，在实际应用中多采用经典方法。 数字电视系统巾e p g 系统的研究与仿真实现 数字电视的编码算法集中了当今图像压缩算法方面大多数研究成果，其集 成了上述编码方法中的预测编码、变换编码以及量化编码等多种编码算法，因 而其压缩效率很高，一般可达5 0 倍左右，预测采用了帧内和帧间相结合的方 法，变换采用d c t ，并对d c t 系数进行量化压缩，最后利用v l c 游程编码利 用最后的一点压缩空间进行压缩。该压缩算法在m p e g 一2 编码国际标准中规 定。 1 4m p e g 2 视频压缩编码国际标准 1 4 1 图像压缩编码标准 目前图像压缩编码主要有以下国际标准。 h 2 6 1 建议 c c i t th 2 6 1 建议即“p 6 4 k b s 视听业务的视频编码器( p = 1 3 0 ) ”， 具有覆盖整个i s d n ( 综合业务数字网) 基群信道的功能，适用于会话业务的活 动图像编码，广泛应用于会议电视和可视电话。h 2 6 1 支持c i f ( c o m m o n i n t e r m e d i a t ef o r m a t ) 或q c i f ( q u a r t e rc i f ) 格式。c i f 格式的空间分辨率为 3 5 2 2 8 8 ，q c i f 为其四分之一，即1 7 6 1 4 4 。一般当p = 1 、2 时，采用q c i f 格式，应用于每秒帧数较低的可视电话；当p 6 时，支持图像分辨率为c i f 格 式的会议电视。h 2 6 1 建议的技术核心为混合编码方法。 j p e g 建议 j p e g 建议是由“联合图片专家组”于1 9 9 1 年正式制定的，应用于静止图 像的传输和存储。j p e g 标准的基本系统提供“顺序扫描重建( s e q u e n t i a lb u i l d u p ) ”的图像，其压缩编码算法与h 2 6 1 的“帧内模式”相同；扩展系统中可 选用“逐渐浮现重建( p r o g r e s s i v eb u i l d i n g u p ) ”方式，即重建图像可以整幅 “由粗到细”显示，其原理即h 2 6 1 的“帧间模式”。 m p e g 一1 标准 “活动图像专家组”于1 9 9 1 年制定了应用于数字存储媒体的活动图像编码 及其伴音的m p e g 1 标准，码率为1 5 m b s 。该标准包括m p e g 一1 视频、音频 数字电视系统巾e p g 系统的研究与仿真实现 和系统三部分。m p e g 一1 视频编码支持c 1 f 和s i f ( s o u r c ei n t e r m e d i af o r m a t ) 格式，压缩编码的框图基本与h 2 6 1 相同，但有重要的改进，以提高重建图像 质量和满足数字存储媒体在电视图像重放时的需要。m p e g 一1 将电视图像帧 ( f r a m e ) 区分为三类：i ( i n t r a ) 帧做帧内编码，p ( p r e d i c t i o n ) 以过去的i 帧 或p 帧为参考进行时间域正方向的帧问预测编码，b ( b i d i r e c t i o n a lp r e d i c t i o n ) 帧则根据过去的参考i i ! ! j i ( il | j ! j i 或者p 帧) 以及后米的参考帧( i 帧或者p 帧) 进 行时间域正负双方向的帧间预测编码。这一双向帧间预测技术能够恰当地对待 “暴露出来的背景”，增加非因果性( 时间负方向) 的预测，以改善帧间预测 误差的统计特性，较好地保存边缘轮廓，降低原始图像的噪声，并且b 帧的误 码造成的图像损伤不会在时间域正负方向扩散。m p e g 一1 音频部分是面向速率 为6 4 、1 2 8 和1 9 2 k b s 的数字音频信号的压缩算法，而m p e g 一1 系统部分则是阐 述视频、音频码流的复用和同步问题。 m p e g 一2 标准 i t u t 和i s o 从视频图像通信的角度制定了h 2 6 1 建议，从视频信息存储 的角度制定了m p e g 一1 标准。这些标准和建议是与应用有关的技术规范，对于 不同的应用要求有相应不同的处理技术和标准，并有各自的码流句法，不能实 现相互间的码流交换，因而没有解决实际应用与操作的问题。i t u t 和i s o 从 1 9 9 1 年开始联合制定新一代活动图像编码标准，于1 9 9 3 年底通过了“通用活动 图像编码”标准草案，即h 2 6 2 1 3 8 1 8 。2 ( 也即m p e g 一2 ) 。其通用性表现在： 1 ) 适用于多种编码码率，可从几十k b i t s 到几百m b i t s ； 2 ) 适用于多种图象格式和分辨率，即可适用于c i f 、s i f 、h d t v 、逐行扫 描等； 3 ) 适用于多种应用范围和图像质量要求，即可适用于可视电话、会议电 视、演播室质量和h d t v 质量等。为了适应通用性要求，m p e g 2 标准 的制定趋向于一种开放性编码结构，即仅对编码结构和解码器算法规则 作出规定从而使不同的应用可进行码流交换，实现业务及综合及业务操 作等。对于该图像压缩标准的具体叙述具体叙述见下节。 m p e g 一4 数字屯视系统巾e p g 系统的研究与仿真实现 m p e g 一4 是1 9 9 8 年公布的新标准。m p e g ，4 标准综合了数字电视、交互式 图形学和i n t e r n e t 等领域的技术和功能。m p e g 一4 的编码码率揽括了从低至 5 k b i t s 到高于2 m b i t s 的一个很大的范围，提出了与以往图象编码标准完全不同 的编码概念。其编码是围绕基本单元- 视音对象( a u d i o v i s u a lo b j e c t ：a v o ) 展开 的，即分别对所分割出来的对象编码后作为基本码流。m p e g 一4 不再是一个标 准化的固定算法，而是建立一个可扩展的编码工具集，由工具集构造各种算 法。对于a v o ，可以是自然或合成的两维或三维的声音和图象及其他数据。 与以往的标准相比，m p e g 一4 的视频方面的特色可以归纳为四大方面： 1 ) 基于内容的可交互性。在不作解码的情况下，支持基于内容的处理和码 流的编辑；支持人工图象声音与自然图象声音的合成；支持基于内容 的随机存取。 2 ) 更好的压缩性能。在码率相近的情况下，m p e g 一4 有比现有标准为佳 的视觉效果；支持多路码流( c o n c u r r e n t d a t as t r e a m ) 的同时编码。 3 ) 在不同应用环境下都具有较好的鲁棒性； 4 ) 支持基于内容的可分级编码。 m p e g 7 标准 m p e g 。7 是一个酝酿中的国际标准，其正式名称为多媒体内容描述接口 f m u l t i m e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) 主要面向大型多媒体数据库的检索、识 别、验证等媒体服务，其技术核心是实现对多媒体内容特征提取及参数性描述 ( p a r a m e t r i cd e s c r i p t i o n ) 。m p e g - 7 将致力于这些描述子( d e s c r i p t o r ) e l l 描述程序 ( d e s c r i p t i o ns c h e m e ) 的标准化及对它们的编码问题。m p e g 一7 的主体部分将于今 年完成。 1 4 2m p e g 2 图像编码国际标准 为了适应通用性要求，m p e g 2 标准的制定趋向于一种开放性编码结构，即 仅对编码器码流结构和解码器算法规则作出规定，从而使不同的应用可进行码 流交换，实现业务综合及业务互操作等。 m p e g - 2 标准在m p e g 一1 基础上做了重要扩展和改进，包括以下几个方 面： 针对隔行扫描的常规电视图像( n t s c p a l s e c a m ) 专门设置了“按帧编 数字屯视系统巾e p g 系统的研究与仿真实现 码”和t 按场编码”两种模式，并采用了适合于隔行扫描的帧场自适应运 动补偿。 根据技术复杂度，将各类应用划分为不同“档次”( p r o f i l e ) 。其中每种档 次都是m p e g 一2 语法的一个子集。根据图像格式的复杂度，将每种档次 划分为不同“等级”( 1 e v e l ) ，每种等级都是对有关参数规定约束条件。例 如，m p e g 一2 标准主要档次主要等级( m p m l ) i | 勺视频编解码适用于有 效处理c c l r r e c 6 0 1 隔行扫描图像，图像分辨率为7 2 0 像素x 5 7 6 行， 码率限制在o 一6 m b s 。 增加“可分级性”( s c a l a b i l i t y ) ，它指解码器对m p e g 一2 码流中已排序的子 集进行解码的能力。例如，对常规电视按m p e g 一2 压缩编码后的码流若 分成两个子集，对优先权高的子集解码后即可获得会议电视质量的图 像，而对两个子集一起解码才能获得常规电视质量的图像。已定义的可 分级性有空间域的、信噪比的、时间域的、数据分割的和混合型的等。 系统层语法有较大扩展。共有两类码流：传送码流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 和 节目码流( p r o g r a ms t r e a m ) ，两者都是由压缩后的视频或音频码流数据 ( 还有辅助数据) 组成的分组化单元码流( p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ， p e s ) 所构成。节目码流应用于相对无误码的环境中，适合支持节目信息 的软件处理或c d r o m 之类的多媒体应用；传送码流的灵活性较大， 允许使用复用器对码流进行快速重新组合分离，传送码流设计应用于 有误码的环境，例如在有损耗或噪声的媒体中存储或传输。 由于在字头做了很多详细规定，使用起来较为方便和灵活：可对每个分 组设置优先级；加密懈密或加扰解扰；插入多种解说声音和字幕等 1 5 本文的主要内容及研究成果 数字电视的发展是集现代电子技术、通信技术和信息加工技术多方面成就 于一身，体现了一个国家电子信息行业技术水平实力。 本文主要就数字电视系统中e p g 系统的标准进行了研究并加以实现。主要 数字电视系统巾e p g 系统的研究j - 7 仿真实现 内容安排如下： 第一章概述了电视的基本原理和发展，指出数字电视技术是当今电视技术 发展的主流，它必将最终取代模拟电视。在这一章还简要介绍了图像压缩编码 的原理和主要方法，并介绍了有关国际标准。 第二章主要介绍数字电视标准化组织及相关标准，针对于数字电视系统， 描述了接收机的系统架构及e p g 在数字电视系统中的重要性。 第三章介绍了与e p g 相关的国际标准及标准间的比较。 第四章介绍了基于d v b s 1 标准的e p g 系统的前、后端软件实现方案。 最后是结束语 本文的研究成果概括如下： 系统的回顾了数字视频技术的发展，对世界上视频技术发展趋势进行深 入的剖析。 对数字电视系统的发展状况进行了调研，并对各主要标准化组织的数字 电视标准进行了初步研究，这对以后对数字电视系统的进一步研究有一 定的指导意义。 对e p g 系统的发展状况进行了研究，尤其是对d v b 的e p g 相关标准 进行了比较详细的研究。目前，国内对数字电视系统的增值服务( 包括 e p g 系统) 的研究还很有限，本文提出的e p g 系统实现方案对于实际 系统的e p g 的设计有借鉴意义。 对数字电视系统的前、后端系统架构进行了研究，提出了软件仿真系统 架构。该系统功能仿真完整的数字电视系统( 省略了传输环：常) ，目前 已经可以进行主要功能演示，部分模块已经向实际系统移植，它对实际 系统的设计有一定的指导意义。 塑! ! ! 堡墨堕! ! ! 鱼墨堑竺里窒皇堕壅塞婴 一 2 1 引言 第二章数字电视系统 数字电视系统_ 3 1 可以根据其是否具有同传信道划分为增强型数字电视系 统( e d t v ：e n h a n c e dd t v ) 和交互式数字电视系统( i d t v ：i n t e r a c t i v ed t v ) 。 增强型数字电视除包括视频与音频的数字广播外，应支持电子节目导引 ( e l e c t r o n i cp r o g r a m m eg u i d e ) 、准视频点播( n e a rv i d e oo nd e m a n d ) 等新型应 用，同时e d t v 还应支持数据广播，以使本地交互和数据下载成为可能。 交互式数字电视除支持e d t v 的上述应用外，还提供一系列与广播服务相 关或无关的交互应用( 如视频点播、电子购物、远程医疗、网络浏览等) 。为了 提供上述应用，i d t v 必须具有回传信道。 交互式数字电视是当前多媒体通信应用的一项前沿技术，是面向未来的信 息、通信等相关技术相结合的新技术。它在单向分配业务的基础上，增加交互 功能，形成双向信道，这样，不仅用户可通过上行返回信道参与选择，通过下 行节目信道收看节目，而且，这也使得家庭成为一个个信息消费单元，通过双 向有线网搭载上信息高速公路，在家中就可以获得所需信息。以有线电视为龙 头，许多国家已经开展了视频点播( v o d ) 等多种数据业务的试验，掀起了交 互式有线电视研究的热潮，并投入大量的资金和人力进行研究。 机顶盒( s e t t o pb o x ) 作为用户端的信道和信源解码器，在数字电视系统 中扮演着重要的角色。它的价格相对于电脑要更加低廉，而且对普通用户来说 使用更加方便，所以数字电视系统的前景将非常的广阔，在各项技术都趋于成 熟后，在不久的将来，数字电视系统将得到迅速的发展，走入普通百姓的家庭。 而且在将来，数字电视和互联网也将得到更好的融合。 本章将首先简单介绍数字电视领域的标准组织，然后给出了机顶盒的系统 架构，最后给出了e p g 的几种实现方案。 垫主塑塑墨竺! ：! ! 鱼墨竺塑竺壅皇堕塞茎堡 2 2 数字电视领域的标准组织 数字电视的研究和应用作为目前信息技术领域的热门话题，吸引了包括广 播电视业界政策制定者、管理决策者、产业界、研究机构的关注。致力于数字 电视相关标准制定的组织主要有：欧洲的d v b 组织，欧洲的d a v i c 组织以及 美国的a t s c 组织等。 2 2 1d v b 组织 欧洲d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 计划于1 9 9 3 年9 月正式开始，它由 当时的“欧洲数字视频广播启动小组”发起，有来自全球2 5 个国家的超过2 0 0 多 个组织参加，目的是要制定欧洲的基于m p e g 一2 的数字电视业务的框架。经过 多年的努力，d v b 制定了包括基带数据格式、传输系统、条件接收和交互式业 务在内的众多标准，这些标准统称d v b 标准。 d v b 标准的基带数据格式是采用m p e g 2 标准，即视频和音频编码以及不 同码流的复用均符合m p e g 一2 标准。由于m p e g 2 是一组通用标准集，利用其 开放性编码结构，以m p e g 一2 子集作为“实现指南”来实现不同图像质量的要 求，如常规电视( 5 m b s ) 、增强电视( 1 0 m b s ) 直至高清晰度电视( 2 5 m b s ) 。 这种渐进的原则决定欧洲数字电视研究的重点是实现可分级性( s c a l a b i l i t y ) 和 图像质量的逐渐降质( g r a c e f u ld e g r a d a t i o n ) ，并把可分级性、图像质量的逐渐 降质特性、数字t v 和h d t v 的兼容性以及多路复用的灵活性作为未来广播系 统的基本要求。基带数据除了基本的音、视频数据外，还包括业务信息( s i ) 和数据广播等附加数据，这些数据的格式是以m p e g 2 的p r i v a t e s e c t i o n 语法结 构为基础并加以扩展和限制。 根据传输媒介的不同，d v b 传输系统标准可分为卫星数字电视的d v b s t ”】、 有线数字电视的d v b c t ”1 及地面数字电视的d v b f ”j 。目前d v b s 和d v b c 已经成为全世界应用在卫星和有线电视网络中的数字电视的传输标准。 d v b 的标准反映了制造商、广播商、节目供应商以及网络运行者的要求， 必须经过e t s i 批准才能成为e t s 标准，即欧洲电信标准。 数字f 包视系统巾e p g 系统的研究弓仿真实现 2 2 2d a v i c 组织 d a v i c ( d i g i t a la u d i o v i d e oc o u n c i l ) 组织是于1 9 9 4 年在日内瓦建立的非 赢利性组织，其目标在于通过制定开放的接口规范和协议促进交互式数字音视 频应用和业务的发展。 d a v i c 标