（机械电子工程专业论文）网络广告机的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着网络技术以及资讯业的迅猛发展，多媒体网络广告系统以其具有的低成 本、高稳定性、良好的实时性、方便的管理等优点，展现出良好的应用和发展前 景。 本文在总结分析前人的研究成果的基础上，将先进的嵌入式技术、视频技术、 网络技术有效地结合在一起，设计并实现了一种以e m 8 6 2 1 l 微处理器和嵌入式 u c l i u n x 操作系统为核心的先进网络视频广告播放系统。 论文首先简要介绍了完成该系统设计所具备的基础知识：流媒体技术、音视 频编解码压缩技术m p e g - 4 以及a r m 微处理器技术；然后着重论述了硬件系统 ( 广告机机顶盒) 和软件系统( 客户端软件) 的实现过程，为保证系统的稳定性 和可扩展性，并加快开发速度，设计中采用了模块化设计的方法，硬件部分首先 介绍了机顶盒主要芯片的相关技术参数，然后分析说明了机顶盒的整体结构和工 作原理，并给出了主要模块部分的硬件设计，包括以太网接口模块设计，u s b 接口模块设计，音视频输出接口模块设计，m i n i p c i 插槽模块设计等；软件部 分首先介绍了嵌入式的相关知识，之后给出了软件部分的整体框架，并对主要模 块部分进行了详解，包括u c l i n u x 操作系统核心，网络驱动程序的开发，网络集 中控制协议以及m p e g 4 视频传输系统的实现等。 本文的最后部分对整个系统进行了总结回顾，对预期任务的实现情况进行了 简要展示，提出了系统的一些不足之处及下一步需要做的改进工作。 关键词流媒体；m p e g ；u c l i n u x ；机项盒 山东人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ei n f o r m a t i o n i n d u s t r y , m u l t i m e d i an e ta d v e r t i s i n gs y s t e ms h o w sag o o d a p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n tp r o s p e c t sd u et oi t sl o w c o s t ，h i g hs t a b i l i t y , g o o dr e a l t i m ea n de a s yt o m a n a g e ，e t c o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sp a p e rc o m b i n e sw i t ht h e a d v a n c e d d y a d i ct e c h n o l o g y , v i d e of r e q u e n c yt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y e f f e c t i v e l yt o g e t h e ra n dr e a l i z e sa na d v a n c e dn e t w o r kv i d e oa d v e r t i s i n gs y s t e mw h i c h m a k e se m 8 6 21l m i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e du c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h e c o r e p a p e rf i r s tb r i e f l yd e s c r i b e sab a s i ck n o w l e d g eo fc o m p l e t i n gt h i sd e s i g no ft h e s y s t e m ：s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , v i d e oa n da u d i oc o d i n gc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y ( m p e g - 4 ) ，a sw e l la sa r mm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y a n dt h e nf o c u s e so nt h e r e a l i z a t i o no ft h ep r o c e s st h eh a r d w a r es y s t e m ( a d v e r t i s i n gm a c h i n es e t t o pb o x e s ) a n ds o f t w a r es y s t e m ( c l i e n ts o f t w a r e ) i no r d e rt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y o ft h i ss y s t e ma n ds p e e du pt h ed e v e l o p m e n t , am o d u l a rd e s i g na p p r o a c hi sa p p l i e d i nt h ep a r to f h a r d w a r e ，f i r s t l yi n t r o d u c e st h er e l e v a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fm a j o r c h i p si ns e t - t o pb o x ，a n dt h e na n a l y s i st h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l e ， a n dg i v e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em a j o rm o d u l ep a r t s ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h e e t h e m e ti n t e r f a c em o d u l e , u s bi n t e r f a c em o d u l ed e s i g n ，s o u n d ，m i n i p c is l o t m o d u l a rd e s i g n i nt h ep a r to fs o f t w a r e , f i r s t l yi n t r o d u c e st h er e l e v a n tk n o w l e d g e m e n to ft h e e m b e d d e d ，a n dt h e ng i v e st h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es o f t w a r ep a r t sa n dt h ed e t a i l e x p l a n a t i o n so ft h em a i nm o d u l e sp a r t s ，i n c l u d i n gt h ec o r eo fu c l i n u xo p e r a t i n g s y s t e m ，n e t w o r kd r i v e rp r o g r a md e s i g n ，n e t w o r kc e n t r a l i z e dc o n t r o lp r o t o c o l ，a sw e l l a st h er e a l i z a t i o no ft h em p e g - 4v i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds oo n , a l la b o v e c o m p l e t e st h et h e m eo f t h i sp a p e r t h el a s tp a r to ft h i sp a p e rr e v i e w st h ew h o l e s y s t e m ，b r i e f l yc a r r i e so u tt h e e x p e c t e dr e a l i z a t i o no ft a s k s ，p r o p o s es o m ei n a d e q u a c i e so ft h i ss y s t e ma n dt h en e x t w o r kn e e d e dt ob e d o n et oi m p r o v et h ew o r k k e y w o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ；m p e g ；u c l i n u x ；s e t - t o pb o x l l 原创性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：粒 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：绻殳导师签名：虚骂垒 日 飙_ 华迈 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 现在网络资讯传播业的发展，诞生了电视、报纸、电台、户外、网络等五大 媒体之外的第六大媒体一多媒体网络广告系统，其结构如图1 1 所示，这种新 型媒体相较于其他传统媒体有着不可比拟的优势，一经诞生就迅速覆盖了全国各 大城市的人流密集区，成为大众传媒。越来越多的媒体营运企业和公共宣传窗口 开始采用多媒体播放设备来提升公众关注度。网络广告机的出现是对这种媒体的 革命性改进，网络广告机利用口网络和多媒体系统控制等方式实现了信息显示 和视频广告的播放，实现了足不出户而控制遍布世界的无数个终端的便利，极大 的降低了营运的人工成本，提高了效率，顺应了网络化的潮流。 中央服务器终端广告机 图1 - 1 网络广告系统结构图 网络广告机作为一种多媒体广告和公共信息发布系统，其主要功能是发布视 频、文字、图片等广告信息，因其展示能力强，表达内容丰富，所以适合几乎所 有公共场合，比如车站、机场等交通枢纽，或是商场、超市等公众场合，在这些 场合广告运营商向社会大众发布产品广告，并向产品厂家收取费用。广告的内容 涉及到产品介绍、宣传、电影预告等商业广告。也可包括天气预报、交通信息、 新闻发布等公益内容。 近年来，国内广告机产业蓬勃发展，一方面是因为液晶屏的价格大幅下降， 安装广告机的成本越来越低；另一方面则是国内的商业与消费环境越来越发达， 广告商的需求越来越大。所以现在无论是电梯大堂、车站大厅、公交车、出租车、 火车地铁、酒店大堂、大卖场、便利商店等地，到处都可以看到广告机的安装与 山尔大学硕十学位论文 广告的播放。目前所安装的广告机大部分都是单机的，要更换广告影片时需要更 换播放机的c f 卡或是d v d 光盘，但是随着广告运营商的规模越来越大，要更 换与管理这些广告机的播放内容变得越来越不容易；另一方面广告主也越来越讲 究分众行销，他们希望他们的广告可以直接对他们的目标观众播出，而不是全部 的广告机一起播放。要让广告机所播放的影片可以自动更新，或者管理者可以远 程分别指定各广告机的播放内容，监控各广告机播放状态，或是统计各广告的播 放次数，最简单的方法就是把这些广告机都接上网络，并由位于管理中心的服务 器统一管理这些广告机的播放内容。由此，我实验室对基于网络的广告机进行了 实际应用开发；透过网络实现集中管理所有分布于全国的多媒体广告机播放点， 使节目或广告内容的播放可以全网集中管理，实时更新最新节目内容，以及实时 插播节目等，从而赢得市场。 1 2 国内外研究现状 网络广告机是近几年出现的新鲜事物，特别是在欧洲、日本等国家，广告机 技术发展十分迅速，基于网络的高清终端播放系统在日本已经出现，然而在国内， 对于这种依托网络的多媒体广告和公共信息发布系统的研究还比较少，占据主流 的依旧是传统的播放方式，例如路牌式、橱窗式、霓虹灯式以及卷帘式等，传统 的展示方式，内容单一，没有立体感，只能被动的传递信息，内容不具有可替换 性，造成很大的资源浪费；随着v c d d v d 技术的发展，出现了v c d d v d 机+ 电视机作为广告终端设备的发布系统，然而它只能采用碟片作为广告内容的承载 体，存在更新困难、硬件磨损以及高制作成本的问题；近几年随着网络技术的发 展，广告运营商开始依托网络将p c 机运用到广告发布系统上来，然而面临的新 问题是系统稳定性不高，投资的大幅上升以及后期维护的困难等，该模式较多的 应用于酒店、商场以及医院等场所；而基于网络的实时广告播放系统，以其播放 形式的多样性，播放内容的针对性，监控操纵的实时性，迅速赢得了市场，然而 此类技术刚刚起步不久，软硬件系统的开发仍旧处在试探性阶段，鉴于我实验室 相近技术的开发经验，我们成立网络广告机项目小组，对其进行实用性研究开发。 2 第1 章绪论 1 3 本文的研究内容 如前所述，本项目进行的主要是实用性研究开发，目的是非常明确的，即能 够拿出实用的网络广告机。要实现这一目的，从技术角度考虑，需要完成的工作 主要有两点：一是硬件系统的实现；二是应用软件( 客户端软件与服务器端软件) 的实现。 具体来说，本文主要完成了两部分的工作，一是硬件部分，具体工作为选择 适合的芯片，并对其结构和技术性能进行分析和介绍；对整个产品的结构和工作 原理进行分析和说明，并完成了机顶盒硬件系统的设计；二是软件部分，具体工 作为对软件整体结构进行分析和介绍，重点阐述嵌入式l i n u x ( u c l i n u x ) 在系 统中的应用情况，特别是客户端软件部分的开发，具体包括操作系统的选择、网 络驱动程序的开发、集中控制协议以及m p e g - 4 视频传输系统的实现四个部分， 对于服务器端软件，不是本文的论述重点，只做简要介绍。 另外，对于网络安全、电磁屏蔽以及电磁辐射等部分，不是本文的研究内容， 所以略过。 3 第2 章网络广告机关联技术概述 第2 章网络广告机关联技术概述 2 1 流媒体技术简介 2 1 1 流媒体的基本概念 流媒体【1 】( s t r e a m i n gm e d i a ) 指在i n t e r n c t i n t r a n e t 中使用流式传输技术时的 连续时基媒体，通常也将其视频与音频称为视频流和音频流。实现流式传输一般 都需要专用服务器和播放器。 一般来说，流【2 1 包括两种含义，广义上的流是使音频和视频形成稳定和连续 的传输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称，我们习惯上称之为流媒体 系统；而狭义上的流是相对于传统的下载一回放( d o w n l o a d p l a y b a c k ) 方式而言 的一种媒体格式。应用流技术能从i n t e r n e t 上获取音频和视频等连续的多媒体文 件，在用户端的电脑上创造一个缓冲区，于播放前预先下载一段资料作为缓冲， 避免播放的中断，使得播放品质得以维持，同时用户可以边接收边播放，使得延 时大大减少。流媒体系统主要包括一下五个部分： ( 1 ) 编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格 式； ( 2 ) 流媒体数据； ( 3 ) 服务器：存放和控制流媒体的数据； ( 4 ) 网络：适合多媒体传输协议甚至实时传输协议的网络； ( 5 ) 播放器：供客户端浏览流媒体文件。 如图2 1 所示。 5 剀嗍b 苎! 到l 塑 撸放请求 一一观顿漶播艘僚 2 “0 4 图2 - 1 流媒体系统1 2 1 2 1 2 流媒体的播送技术 随着网络技术的发展，流媒体播放技术【3 1 也不断推陈出新，下面我们就具体 介绍下这些技术。 1 单播与多播 ( 1 ) “u n i c a s t ”( 单播) 所谓单播就是客户端与服务器之间点对点的连接，这也是大多数网络通信的 连接方式。在流媒体播放过程中客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数 据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机，这种数据的传 送方式称为单播。可以看出单播的信源和信宿是一一对应的关系，仅当客户端发 出请求时，服务器才发送单格流。单格示意如图2 - 2 所示。 l r 务器 客户端 善户端 喜户湍 图2 - 2 单插示意图1 2 很明显每个用户必须分别对服务器发送请求，而媒体服务器必须向每个用 户发送所申请的数据包。虽然点播连接可以为客户端提供对流的最大控制，但这 第2 章网络广告机关联技术概述 种方式会对服务器造成很大的负担，同时由于每个客户端各自连接服务器，因此 对网络带宽的占用也是巨大的。网络带宽的占用是与客户端的数量成正比的，如 果不改变连接方式，再多的带宽也会被消耗殆尽。 单播方式播送流媒体，只适用于客户端数量很少的情况，否则的话很难保证 播放的质量。当然随着硬件设备、带宽条件的不断提高，单播很适合视频点播应 用。 ( 2 ) “m u l t i c a s t ”( 多播) 多播也称组播，虽然其概念早己在i p 网络中提出，但一直得不到应有的重 视，直到流媒体等多播技术的发展壮大。多播是一种多地址广播，其发送源和接 收端是一对多的关系，也就是说服务器只向一组特定的用户发送一个数据包，组 中的各个用户可以共享这一数据包，而组外的用户是无法接受到的。 使用多播的好处在于原来有服务器承担的数据重复分发工作转到路由器中 完成，而路由器可以将数据包向所连接的子网转发，每个子网只有一个多播流。 而客户端在接受多播流时只要向本地路由器发送一个消息，通知路由器要接收组 内的多播数据，调整后就可以接收数据了，多播源根本就不知道哪些客户端在接 受多播数据。多播示意如图2 3 所示。 暇务器 客尸端 客户端 客户端 客户瀚 荔户端 图2 3 多播示意图 2 1 多播技术可以让单台服务器承担数万台客户端的数据播送，同时保证较高的 服务质量。这个服务质量的保证主要是依靠于数据包的拷贝数量少和发送目的地 7 山东大学硕十学位论文 址少这两点，从根本上讲是减少了网络中传输的数据总量。从而保证了流媒体传 输的最小带宽占用，使得带宽的利用率增加，同时也减少了服务器所承担的负载。 多播技术虽然有如此大的优点，但也存在许多的局限性，首先就是需要全网 内的路由器支持多播，否则许多用户是无法接收到多播数据的，这一点在局域网 或小范围的网络内容易实现，但在广域网中就有些困难了。另外，多播技术本身 不适用于v o d 应用，原因在于每个v o d 用户对点播的需求是不一样的，因此 无法形成一个统一的多播流，也就无法进行多播。所以说单播连接适合视频点播， 而多播连接更适合现场直播应用。 2 点播与广播 ( 1 ) “o n d e m a n d ( 点播) 点播是指客户端主动连接到服务器端的单播连接，也就是用户通过主动选取 播放内容来初始化的连接方式称为点播。点播中客户端占有主动权，对媒体流可 以做开始、停止、后退、快进等操作。实际上点播就是一种形式的单播，一样占 用大量的带宽。 ( 2 ) “b r o a d c a s t ( 广播) 广播的概念最好理解，可以将其想象成传统广播在i n t e m e t 上的移植。与点 播恰恰相反，广播是客户端被动的接收媒体流，对媒体流不具有任何的控制操作。 广播的发送源与接收端是一对多的关系，这种一对多的关系与多播中的一对多关 系不太一样，因为它将数据包的拷贝发送给网络中的所有用户，而不管用户是否 需要，在一定程度上同样造成了带宽资源的浪费。 实际上广播是多播的一个特例，这个特例就特别在它不是以组为单位传送数 据，而是向客户端每人发送了一个数据拷贝。 广播又分为两类，即广播单插与广播多播，两者都是被动的接收媒体流。广 播单播的用户是通过链接而获得媒体流的，他们都有各自的服务器连接。而广播 多播则需要客户端监视特定的i p 地址来接收媒体流，客户端没有与服务器的单 独连接。图2 4 为广播多播示意图。 8 第2 章网络广告机关联技术概述 编酶器 段务器 凰凰凰凰 霉户嫡 2 1 3 流媒体的基础网络协议 客户麓客户麓客户端 图2 _ 4 广播多播示意图【2 】 t c p i p 4 】( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 为传输控制协 议互联网络协议的英文缩写，该协议族是一个层次结构的网络协议体系：协议 族底层为网络接口层，该层负责与物理网络的连接，不同的物理传输媒介( 如 e t h e r n e t ，a t m ) 有不同的网络接口层。网络接口层之上为i p 层，该层负责计 算机与计算机之间的通信。i p 层之上为传输层，该层负责应用程序之间的通信。 传输层之上为应用层，该层负责具体的程序和应用的语义表示。对于网络多媒体 而言，一般不考虑网络接口层，而对i p 层比较关心，研究重点在于传输层和应 用层。 i p 层是i n t e m e t 的基础，未来的异构网络将在该层统一成为互联网络体系。 传统i p 仅支持单播和广播两种传输方式，组播技术则属于对i p 层协议的扩充。 传输层位于i p 层之上，典型的传输层协议有t c p 和u d p 等协议，t c p 为 面向连接有保障传输协议，而u d p 为面向无连接没有保障的传输协议。从应用 角度来看，组播技术被绑定在u d p 服务中。r s v p 也属于传输层协议，其全称 9 山东人学硕十学何论文 为资源预留协议，它是专为保障多媒体传输q o s 质量而提出的协议，目前r s v p 的研发正处于产业化过程。 应用层与网络应用密切相关，因此这类协议较多且均针对特定应用，例如 h t t p ，t e l n e t ，f t p 协议等；与多媒体密切相关的有r t p r t c p 协议、r s t p 协议等。 2 1 4 流媒体的网络控制协议 1 r t p r t c p 协议【4 】 r t p r t c p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 为实时传输协议实时传输控制协议的英文缩写，r t p 是一种提供端 对端传输服务的实时传输控制协议，用来支持在单目标广播和多目标广播 网络服务中传输实时数据；r t c p 用于统计、管理和控制r t p 数据包的传输， 其主要功能是为应用程序提供会话质量或者广播性能质量的信息。 r t p r t c p 作为端对端协议，在网络层次中，虽然位于应用层，但多数应用 还在r t p r t c p 之上建立更符合要求的协议。在网络传输过程中，r t p r t c p 不处理建立连接工作，其下层网络既可以是有连接的，也可以是无连接的。 如果传输流媒体，r t p r t c p 一般基于组播协议；它并不要求特定地址格式， 而仅要求下层提供相对好的分帧、合帧及分段、合段的工作；该协议不提 供可靠性保障，作为应用的一部分，该协议并不是操作系统的内容。 2 r s v p 协议【4 】 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 是19 9 3 年l z h a n g 提出的一种 资源预留协议。针对i n t e r n e t 原有传输层协议不能保障q o s 质量和不支持多 点传输的缺点，r s v p 在业务流传送之前，预约一定的网络资源，建立静态 或动态的传输逻辑通路，保障了每一业务流都有足够的“独享”的带宽，克服 了由于网络包过多引起的拥塞、丢失和重传，提高了网络传输的q o s 性能， r s v p 已经被接受成为i n t e r n e t 的协议。 3 r t s p 协议【4 】 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 ) 是一种刚开始开发的实时流放协 议，它的设想描述在r f c 2 3 2 6 文件中。r t s p 是应用级的实时流放协议，它 的主要目标是为单目标广播和多目标广播上的流式多媒体应用提供牢靠的 第2 章网络f “告机关联技术概述 播放性能，以及支持不同厂家提供的客户机和服务机之间的协同工作能力。 r t s p 协议想要提供控制多种应用数据传送的功能，提供一种选择传送通道 的方法，例如u d p 、t c p 、i p 多目标广播通道，以及提供一种基于r t p 协 议的递送方法。正在设计的r t s p 将工作在r t p 的上层，用来控制和传送 实时的内容。 r t s p 能够与资源保留协议一起使用，用来设置和管理保留带宽的流式 会话或者广播。 2 2m p e g 系列视频标准简介 m p e g 5 1 1 6 是m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ( 运动图像专家组) 的缩写，它 成立于1 9 8 8 年，致力于高质量、高压缩率的多媒体数据压缩技术研究。 2 2 1m p e g 标准 1 m p e g 1 【7 】标准 m p e g l ( i s o i e c l l 7 2 ) 是m p e g 组织于1 9 9 2 年提出的第一个具有广泛影 响的多媒体国际标准，其正式名称为“基于数字存储媒体运动图像和声音的压缩 标准”。m p e g 一1 可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制式为3 5 2 x 2 4 0 ，对于p a l 制式为3 5 2 x 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为1 5 m b i t s s ，每秒播放3 0 帧，具 有c d ( 指激光唱盘) 音质，质量级别基本与v h s 相当。m p e g 1 的编码速率最高 可达4 5 m b i t s s ，但随着速率的提高，其解码后的图像质量有所降低。 2 m p e g 2 嘲标准 m p e g 2 的正式名称为“i s o i e c l 3 8 1 8 运动图像和相关声音信息的一般编码 方法 ，其第一版草案制定于1 9 9 2 年，1 9 9 4 正式颁布成为国际标准。m p e g - 2 是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细 规定，也是国际主流s d t v 和h d t v 的编码标准。m p e g 2 的传输速率为i o m b p s ， 与m p e g 1 兼容，适用于1 5 6 0 m b p s 甚至更高的编码范围。m p e g 2 有每秒3 0 帧7 0 4 x 4 8 0 的分辨率，是m p e g 1 播放速度的四倍。它适用于高要求的广播和娱 乐应用程序，如：d s s 卫星广播和d v d ，m p e g 2 是家用视频制式( v h s ) 录 像带分辨率的两倍。 山尔人学硕十学何论文 m p e g 2 视频标准的技术规范集包括5 个“档次”( p r o f i l e s ) 和4 个“等级 ( l e v e l s ) 。档次是m p e g 2 标准定义的不同编码算法的子集。较低的档次在编 码时仅使用最为基本的编码工具，而较高的档次则意味着采用更多的编码工具 集，在相同比特率下将得到较好的图像质量，当然所付出的计算复杂度也会相应 增加。同时较高档次的解码器除能解码用本类方法编码的图像外，也能解码用较 低档次方法编码的图像，即m p e g 2 的档次之间具有向下兼容性。等级( l e v e l s ) 主要针对1 1 m rc c i r 6 0 1 标准下的不同图像信源的分辨率。从低级到高级，其 对应的信源的分辨率逐步增加。 3 m p e g 4 【9 】标准 m p e g - 4 的正式名称是“1 4 4 9 6 信息技术：音视频对象通用编码算法 ，其 目的是为多媒体信息压缩提供统一和开放的平台，i s o 于1 9 9 9 年通过了m p e g - 4 标准，它与其他标准的最大区别在于m p e g - 4 是基于对象进行编码【1 0 1 ，将编码 对象由原来的矩形图像改为单独的对象，其主要针对数字电视、交互式绘图应用、 交互式多媒体存储等整合和压缩技术而制定的国际标准。其在一格框架内集合了 众多的多媒体应用，目标就是为多媒体通信及应用环境提供标准的算法和工具， 建立一种可用于多媒体传输、存储和检索等应用领域的统一数据格式。 m p e g 4 主要有如下几个主要的特点【6 】： ( 1 ) 基于内容的交互性 基于内容的操作与比特流编辑：支持无需编码就可进行基于内容的操作与比 特流编辑。 自然与合成数据的混合编码：提供将自然视频图像同合成数据( 如文本、图 形等) 进行有效合成，同时支持各类交互性操作。 增强的时间域随机存取：m p e g - 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。 ( 2 ) 高压缩率【1 1 】 提高了编码效率：在同等码率下m p e g 4 能提供更好的主客观图像质量。 对多个并发数据流的编码：m p e g - 4 提供对同一场景的有效多视角编码，加 上多伴音声道编码及有效的视听同步。在足够的观察视点条件下，m p e g - 4 可以 有效地描述三维自然景物。 ( 3 ) 灵活多样的存取 1 2 第2 章网络广告机犬联技术概述 抗误码特性：m p e g - 4 采用多种抗误码技术，如选择前向纠错、错误掩盖等， 能够有效抵抗传输信道所造成的各类丢包或误码。 基于内容的可伸缩性：可伸缩性表示图像中的各个对象具有不同的优先级， 较为重要的对象使用较高的空间或时间分辨率表示。对于极低比特率的视频应用 来说，尺度可伸缩特性也提供了自适应可用资源的能力。 4 m p e g 7 fl 】标准 m p e g 7 标准的正式名称为“多媒体内容描述接口 ( m u l t i m e d i ac o n t e n t d e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) 。随着多媒体技术和网络技术的不断发展，越来越多的多媒 体信息被数字化，并存储在世界各地的网络中，从而使网络中的信息更为丰富。 但对于视频、音频等内容，却无法通过现有的搜索引擎查询到。为了适应这种需 要，国际标准化组织( i s o ) 在2 0 0 1 年底提出了正式的m p e g 一7 国际标准。m p e g - 7 标准将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化描述，将针对该描述与所描述的 内容相联系，使用户能够快速准确的进行检索。 2 2 2m p e g 图像格式和系统编码 下面以m p e g 4 为例进行简要说明。 m p e g 主要采用以下三种格式的图像【1 2 】( p i c t u r e ) ： ( 1 ) 帧内编码图像( i n t r ac o d e dp i c t u r e s ) ，简称i - p i c t u r e s 。i - p i c t u r e s 是不采 用基准图像的编码所产生的图像。这种图像帧为随机进入压缩编码图像数据序列 提供了进入点。但是，这种编码只有中等的压缩率。 ( 2 ) 预测编码图像( p r e d i c t i v ec o d e dp i c t u r e s ) ，简称p - p i c t u r e s 。p - p i c t u r e s 是采用最近的上一个i - p i c t u r e 或p p i c t u r e 来进行运动补偿预测所产生的图像，其 编码效率高。这种技术叫做前向预测( f o r w a r d p r e d i c t i o n ) 。这些p p i c t u r e s 本身 又作为基准来产生下面的p - p i c t u r e s 或b p i c t u r e s 。它的缺点是传播编码误差。 ( 3 ) 双向预测编码图像( b i d i r e c t i o n a l l yp r e d i c t i v ec o d e d p i c t u r e s ) ，简称 b p i c t u r e s 。它是同时利用前面的和后面的i 或p p i c t u r e s 作为基准，进行运动补 偿预测编码而得到的。这种技术叫做双向预测。它能提供最大的压缩率。而且， 不传播编码误差。缺点是解码器中要有附加的存储器，而且等待时间较长。 b p i c t u r e s 从来不被用作预测的基准。 在视频信号送入压缩编码前，要先经过视频预处理，然后进行运动估值以指 1 3 【l i 尔大学硕十号：何论文 导消除图像中时间冗余成分时的运动补偿，接着消除图像中的空间冗余成分，然 后进行量化和变字长编码，再通过缓冲器输出压缩编码后的比特流，以供多工组 合或经信道编码传输。 如上所述，视频编码过程中第一个关键的步骤是运动补偿预测编码，运动补 偿就是用消去时间冗余的办法提高压缩比，该算法在宏块级别进行，与帧内编码 相比，它可改善压缩比好几倍，其压缩的信息包括：参考宏块与被编码的宏块的 空间矢量，即运动矢量；参考宏块与被编码宏块的内容差别，即误差项。 m p e g 变换编码算法包括以下几个步骤： ( 1 ) 离散余弦变换( d c t ：d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) ( 2 ) 量化 ( 3 ) 运行长度编码 宏像块和预测误差都具有高度的空间冗余度，为了减少这种冗余度，m p e g 算法用离散余弦变换( d c t ) 将8 x 8 像素误差项块从空间域变换到频率域。然后， 该算法将频率系数量化。编码器选择一个量化矩阵，确定在此8 x 8 块内的每个频 率系数如何量化。d c t 和量化结果就导致了许多频率系数为0 ，特别是频率高的 空间频率的系数。为了充分利用这个结果，将这些系数按z 字型顺序编组，以便 造成长串的0 ，然后变成一系列路程振幅对( r u n a m p l i t u d ep a i r s ) ，每一对表示一 些系数和非0 系数振幅。然后将这些路程振幅对用可变长编码，对于经常出现的 用短码，对于不经常出现的用长码。 如图2 5 显示了m p e g - 4 视频压缩编码的流程： 1 4 图2 - 5m p e g 4 视频压缩编码流程 第2 章网络广告机关联技术概述 2 2 3m p e g 系统解码 编码端的符合m p e g 标准的码流组成传输流( t r a n s p o r t 流) ，简称t s 。播 放时，t s 进入解码器。由于t s 中含有打包的视频、音频、辅助数据及各种时钟 信息等，要实现视频音频辅助数据的解码，首先必须对收到的t s 进行解复用， 即进行系统解码。 t s 含有一套或多套节目，用户可以通过解复用对节目进行选择，挑选出所 要求的t s 包，然后对码流进行解码( 若有必要，在解码之前首先要进行解扰) 。 将复用码流分解为视频码流、音频码流和辅助数据，然后分送各码流解码器，同 时还恢复出系统参考时钟( s c t ) 和显示时标( p t s ) 、解码时标( d t s ) 等参数， 这些参数主要用于播放同步和视、音频同步。包识别( p i d ) 处理器是解复用的 关键处理器，p i d 处理分前、后两个过程。前过程即用户选择t s 包；后过程解 析码流。 m p e g 4 视频解码流程如图2 - 6 所示，系统结构图如图2 7 所示。 图2 - 6m p e g - 4 解码流程 如图所示，它给出了基本的解码流程。其中，码流解析就是从码流中得到头 信息，并把纹理数据送交纹理解码过程，运动数据送交运动解码过程。 1 5 山东人学硕十学位论文 图2 7m p e g - 4 视频解码器系统结构图 m p e g - 4 视频解码流通过存储器管理单元存入信道缓冲区。在解码开始时， 变长解码块对视频压缩层数据进行语法分析、解码之后，将宏块层以上的参数， 以寄存器文件形式存放，供系统总控制模块对各解码模块进行控制。同时系统总 控制模块还完成整个系统的解码与显示同步，错误掩盖，中断处理等系统功能。 整个系统的关键部分在于核心解码( v l d 、i z z z 、i a c d c 、i q 、i d c t 、m c ) ， 存储器管理单元从信道缓冲区中取出视频码流，送至核心解码器，在其中依次完 成v o p 、m b 以及相应的变长解码，逆量化运算，逆d c t 运算，解码完后的数 据，经存储器管理单元送至视频缓冲区解码后的图像经过色度上采样等后处理过 程，形成了符合解码要求的4 ：2 ：o 格式的数据，完成解码的工作。 2 3a r m 微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 1 3 】是微处理器行业的一家知名企业，设计 了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能 高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多 媒体、d s p 和移动式应用等。 1 6 第2 章网络广告机天联技术概述 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个 厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系， a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其 中包括i n t d 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这样的大 公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 a r m 产品当前有如下几个系列【1 4 】_ a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、a r m l l 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e r 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 。 1 a r m 7 系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功能要求较高的消费类应用。a r m 7 系列微处理器具有如下特点： 嵌入式i c e r t 逻辑 非常低的功耗 更够提供0 9 m i p s m h z 的3 级流水线结构 代码密码高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集 对操作系统的支持广泛 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列兼容，便于产品升 级换代 主频最高可达1 3 0 m i p s ，运算处理能力强 a r m 7t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令集 同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入 式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品 的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 t d m i 的含义如下： t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩展到3 2 位a r m 指令集，实际 上，它以1 6 位系统的成本，提供了3 2 位r i s c 性能。 d ：表示d e b u g ，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描 1 7 山东人学硕十学何论文 链j t a g ，可使c p u 进入调试模式，从而可方便的进行断点设置、单步调试。 m ：表示m u l t i p l i e r ，是8 位乘法器。 i ：表示e m b e d d e di c el o g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部 分，其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 图2 8 为a r m 7 模块图，图2 9 为a r m 7 功能图。 图2 - 8 a r m 7 模块图 n m h ：铆) m c 丸k y n w a i t k 1 3 埘 p 只o - a 瓣一 幢= x e c y n e n o u t 一 n l r o 删r f q n f i q a r m 7 s e q n i 稿 n r e 3 e t n 日w l o c k a l e b b 譬 一 n t r t 1 8 a b o 只t n o p