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南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 2 传输流的多节目复用的软件实现 摘要 随耆计算机和通信技术的进步，数字图像通信己经成为一个发展的趋势，自从 i s o i e c 制定的m p e g 2 成为实际的多媒体工业标准后，方方面面的视频音频产品如 雨后春笋般的发展起来，而其中最具代表性的就是数字电视的飞速发展，而紧接着基 于m p e g 一2 传输流复用方式的d v b 标准的建立与其在全球范围内的迅速普及更是在 很大程度上促进了数字图像通信的大规模应用。 为了使压缩的视音频数据流能够通过各种恶劣的传输信道进行传送，m p e g 一2 专 门定义了传输流编码结构来完成这任务。传输流是种可以在误码率比较高的环境 下传输的码流结构，这种错误表现为数据的误码和分组的丢失。 一路传输流中可以包含多路电视节目，在解码器端，用户可以根据自己的喜好从 传输流中恢复某一路节目回放，就像模拟电视节目的选台一样。本文要介绍的就是如 何用软件方式模拟实现d v b 标准中的将多路传输流复用成一路这一环节，以便于传 输和存储。 作者对m p e g 一2 的系统标准做了深入的研究。在这个基础上，根据实际应用中可 能遇到的要求，提出了复用系统的软件结构。同时，也考虑到了软件实现的模块化， 源代码的可继承性和易维护性。 本文第一章对d v b 标准做了概述。第二章对m p e g 一2 标准做了概述。第三章对 传输流做了概述。简要介绍了作者对m p e g 2 标准的理解和复用系统使用到的部分标 准定义。第四章介绍了程序中对多个传输流进行复用的大体实现。第五章对程序的各 个模块进行了详细的说明与分析。第六章给出了复用系统的性能测试结果。总结归纳 了需要完善的地方，以及在程序的设计中要注意的问题。 关键词：d v bm p e g 一2 复用传输流 垒! ! ! 竺 堡主堕塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l f i m e d i at e c h n o l o g y , d i g i t a lv i d e oc o m m u n i c a t i o nh a s b e c o m et h et r e n do fd e v e l o p m e n t a si s o i e cd e f i n e dm p e g - 2i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ， m a n yk i n d so fp r o d u c t i o ns h o wu pi nt h em u l t i m e d i am a r k e t t h em o s tr e p r e s e n t a t i v e p h e n o m e n o ni s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt v a n dt h ef o l l o w i n gf o u n d a t i o no f d v bs t a n d a r dw h i c hb a s e do nt h em p e g 2t r a n s f e rs t r e a mf r a m e w o r ka n di t ss w i f t p o p u l a r i z a t i o nd e e p l ya c c e l e r a t et h ea p p l i c a t i o no ft h ee l i g i t a lv i d e oc o m m u n i c a t i o n t h et r a n s p o r ts t r e a mi sas t r e a md e f i n i t i o nw h i c hi st a i l o r e df o rc o m m u n i c a t i n go r s t o r i n g o n eo rm o r ep r o g r a m so fc o d e dd a t a a c c o r d i n g t om p e g 一2s t a n d a r di n e n v i r o n m e n t si nw h i c hs i g n i f i c a n te r r o r sm a yo c c u r s u c he r r o r sm a yb em a n i f e s t e da sb i t v a l u ee r r o ro rl o s so f p a c k e t s i ti sp o s s i b l et oc o n s t r u c tt r a n s p o r ts t r e a mc o n t a i n i n go n eo rm o r ep r o g r a m sf r o m e l e m e n t a r yc o d e dd a t as t r e a m s f r o mp r o g r a ms t r e a m s ，o rf r o mo t h e rt r a n s p o r ts t r e a m s w h i c hm a yt h e m s e l v e sc o n t a i no d eo rm o r ep r o g r a m s t h ea u t h o rm a k e sad e e pr e s e a r c ht ot h em p e g 一2s t a n d a r di nt h i sp a p e r b a s e do nt h i s w o r k ，w eb r i n gf o r w o r dt h ec o n s t r u c to fm u l t i p l e xp r o g r a mt h r o u g ht h er e q u i r e m e n ti nt h e a p p l i c a t i o n nt h em e a nt i m e ，w ec o n s i d e rn o to n l yt h em o d u f i z a f i o no fo u rp r o g r a m b u t a l s ot h ei n h e r i t a n c ea n dm a i n t e n a r t c ep r o p e r t i e so ft h es o u r c ec o d e i nc h a p t e r1 ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed v bs t a n d a r d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h e m p e g 一2i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no ft r a n s p o r ts t r e a m c h a p t e r4i n t r o d u c e st h er e a l i z eo ft h em u l t i p l e x i n gs y s t e m c h a p t e r5i n t r o d u c e st h em a i n b l o c k so ft h ep r o g r a m ，t h el a s tc h a p t e rg i v e sa t e s t i n gr e s u l to ft h i ss y s t e m k e yw o r d ：d v b m p e g 一2 m u l t i p l e xt r a n s p o r ts t r e a m i e 7 6 3 0 5 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名 年月目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并援权其保存、错阅或上网公布本学位论文豹全部或部分内容。对 予保密论文，按保密的有关规定和程序处理； 研究生签名 年胃吕 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 一2 传输流的多节目复用的软件实现 绪论 计算机数字通信和图像技术日新月异，从早期的m p e g - 1 标准到逐渐成为事实上 的工业标准的m p e g 一2 标准，再到现在如火如荼但尚未完全成熟的m p e g - 4 标准， 数字图像通信始终在技术革新的道路上稳步前进。 数字图像通信的最广泛也是最常见的应用就是数字电视广播系统，与此对应的 d v b 标准的建立更是加速了数字电视广播系统的大规模应用。d v b 标准选定i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，随后对 m p e g - 2 码流进行打包形成传输流盯s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线 电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 m p e g - 2 的音频和视频的编码压缩方式也就是信源编码部分并不是我们的感兴 趣的重点，我们所感兴趣的是对压缩后的m p e g 2 码流打包形成传输流并对多路传输 流进行复用的信道编码的过程。之所以采用传输流的方式是因为传输流适于在容易发 生错误的环境传送数据，这种错误表现为数据位的错误和传输流分组的丢失，比如卫 星信道，地面电视广播等应用环境。而之所以需要对多个传输流进行复用是因为在很 多情况下带宽是有限的，我们需要用有限的带宽传输多路的节目，然后在接收端进行 可选择的接收。 在应用环境下，在编码端对多路节目的传输流进行复用然后发送都是通过专门的 复用器进行的。通过我们对m p e g 一2 标准和传输流结构的仔细分析，我们发现用程序 也完全能够实现对多路传输流的复用，所以，笔者编写了一个对多路传输流进行复用 后输出为一路传输流的一个程序，一方面可以通过p c 来完成对多路传输流的复用而 无需专门的复用器，另一方面也有益于自己加深对m p e g - 2 传输流和复用系统的理 解，何乐而不为! 第一章d v d 标准概述硕士论文 1 d v b 标准概述 1 1d v b 标准的产生与发展 要谈d v b 标准首先要从数字电视说起，自从上个世纪8 0 年代，德国的n t 公 司推出了世界上第台数字视频处理彩色电视机，彩色电视数字化的技术步伐就一直 没有停止过。 从九十年代开始，数字电视技术在世界范围内飞速发展，除了欧洲之外，美国、 日本等技术先进国家也都认识到数字电视技术对本国经济发展的重要性，因此也加入 到数字电视技术的研究的行列，并制定了现代数字视频压缩技术的一系列主要标准 m p e g x 。 电视技术数字化的强劲市场动力促进了d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 的标准 化进程。d v b 标准被欧洲首先采用，并逐渐在北美南美亚洲及澳大利亚广泛应用。 d v b 体系的应用起始于直播卫星系统( 1 3 v b s ) ，近几年逐渐被有线电视系统采用 ( d v b c ) 。d v b 的宗旨是要设计一个通用的数字电视系统，在此系统内的各种传输 方式之间的转换有最简单的方式，尽可能地增加通用性从而保证在技术方面有厂家的 公平竞争可使设备价格不断下降，从而更具竞争力，与此同时又能做到节目的保密性。 做到技术的通用性和节目的保密性同处于一个系统，有统一的服务信息格式，条件接收 的技术规范，但都可以有不同的加密方式。 随着各数字电视的标准出台，多个国家或联合或独立实施数字电视广播项目。欧 洲成立了由三十多个国家2 3 0 多个成员组成的国际机构：数字电视广播( d v b ) 联盟。 d v b 联盟共同制定了d v b 数字卫星电视( d v b s ，q t s k 调制) 、d v b 数字有线电 视f d v b c ，q a m 调制) 、d v b 数字地面广播电视( d v b 玎，c o f d m 调制) 标准。 这些标准现在已经作为世界统一标准被大多数国家接受，世界上许多国家包括中国已 经以d v b 技术进行商业广播。 d v b 标准提供r 一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。d v b 选定i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统 一，随后对m p e g - 2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过 卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 1 2 d v b 标准的构成 支持室内接收、移动接收等需求的d v b 标准包括4 个系统。 1 2 1d v b 传输系统 d v b 传输系统涉及卫星、有线电视、地面、s m a t v 、m m d s 等所有传输媒体。 它们对应的d v b 标准为： 2 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 2 传输流的多节目复用的软件实现 d v b s 数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。 数据流的调制采用四相相移键控调带f i ( q p s k ) 方式，工作频率为1 1 g 1 1 2 g t z 。在使用 m p e g - 2m p m l 格式时，用户端若达到c c i r6 0 1 演播室质量，码率为9 m b p s ；达 到队l 质量，码率为5 m b p s 。一个5 4 m h z 转发器传送速率可达6 8 m b p s ，可用于多 套节目的复用。d v b s 标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选 用了d v b s 标准。 d v b c 数字有线电视广播系统标准。它具有1 6 、3 2 、6 4 q a m ( j z 交调幅) 三种 调南4 方式，工作频率在1 0 g h z 以下。采用6 4 q 越，1 时，一个p a l 通道的传送码率为 4 1 3 4 m b p s ，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终 端需要电缆机顶盒。 d v b t 数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的d v b 传输系统。地面数字 电视发射的传输容量理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖最好。采用编码正交频 分复用( c o f d m ) 调制方式，在8 m h z 带宽内能传送4 套电视节目，传输质量高，但 接收费用也高。 另外，d v b s m a t v 是数字卫星共用天线电视( s m a t v ) 广播系统标准，d v b m s 是高于1 0 g h z 的数字广播m m d s 分配系统标准，d v b m c 是低于1 0 g h z 的数字广 播m m d s 分配系统标准。 1 2 2d v b 基带附加信息系统 d y b 数字广播系统除传送视频、音频信号外，还可传送接收i r d 调谐、节目指 南及图文、字幕、图标等信息。适用于此类基带附加信息系统的d v b 标准包括： d v b s i 为数字广播业务信息系统标准。 d v b - t x t 为数字图文广播系统标准，用于固定格式图文电视的传送。 d v b s u b 为数字广播字幕系统标准，用于字幕及图标的传送。 1 2 3d v b 交互业务系统 d v b 数字广播系统能根据需要，提供交互业务服务。构成交互业务系统的要素 包括：与其他相关国际标准兼容的交互业务网络独立协议、传送交互服务过程命令与 控制信号的回传信道等。对应的d v b 标准有：d v b n i p 、d v b - r c c 和d v b r c t 。 1 2 4d v b 条件接收及接口标准 在d v b 数字广播系统中，有些业务传送加扰的条件接受信息。通过条件接收的 通用接口，使i r d 能够解扰采用通用加扰算法的加扰信息。条件接收是付费电视广 播的基本部分，对数字电视运行的成功至关重要。d v b 数字广播系统与其他电信网 络( 如s d h 、a t m 等) 连接，扩展了d v b 技术的应用范围，可实现d v b 向电信网络 的过渡。此外，还有利于连接专业设备及i r d 的接口。关于这些接口的d v b 标准包 括：d v b - c i 、d v b p d h 、d v b s d h 、d v b a t m 、d v b - p i 和d v b i r d i 。 3 第一章d v d 标准概述硕士论文 1 3 d v b 标准的核心 d v b 标准的核心主要包括以下几方面： 系统采用m p e g 压缩的音频、视频及数据格式作为数据源。 系统采用公共m p e g 一2 传输流( t s ) 复用方式。 系统采用公共的用于描述广播节目的系统业务信息( s d 。 系统的第一级信道编码采用r s 前向纠错编码保护。 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定。 使用通用的加扰方式以及有条件接收界面。 1 3 1d v b 音频特点 d v b 系统的音频编码使用m p e g ll a y e r i i ( 第二层) 音频编码，也称做 m u s i c a m 。音频的m p e g 1 l a y e r l i 编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽效 应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码，这一技 术的采用可以大大地降低音频编码速率。m p e g - 1l a y e t i i 音频编码可用于单音、立 体声、环绕声和多路多语言声音的编码。 1 3 2d 视频特点 对于视频，国际上采用标准的m p e g 一2 压缩编码，m p e g - 2 视频编码系统由一个 大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的不同，它分成 四种信源格式或称“级”( l e v e l ) ，从录像带( v c r ) 的低图像清晰度，到高清晰度电视。 除了根据图像清晰度定义的“级”以外，d v b 视频标准还定义了“类”( p r o f i l e ) 的概 念，每一个不同的“类”能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。 “类( p r o m e ) 目前在m p e g 2 系统中存在5 个“类”。在“类”中存在两种图像取样方式，即： 4 ：2 ：2 和4 ：2 ：0 格式。 “类”的最初级叫做简单类( s i m p l e p r o f i l e ) 、随后是主类( m a i n p r o f i t e ) 、信噪比 可分级类( s r t r s c a l a b l e p r o f i l e ) 、及空间频谱可分级类( s p a c i a l l s c a l a b l e p r o f i l e ) ，最后 为高级“类”( h i g h p r o f i l e ) 。 “级”( l e v e l ) 根据图像节目源清晰度由低到高的不同，d v b 中的m p e g 一2 标准分成4 个 “级”：最初为低级( l o w l e v e l ) ，随后是主级( m a i n l e v e l ) 、1 4 4 0 高级( h i z h 一1 4 4 0 l e v e l ) 和高级( h i g h l e v e l ) ，高级采用了更高的每行1 9 2 0 的取样方法。 目前在世界上最常用的m p e g - 2 标准是丛鱼逃， 即； m a i n p r o f l l e m a i n l e v e l ( 主类主级) ，它是第一代数字有线电视和数字 卫星电视的基础，节目提供者可以提供6 2 5 线质量的节目，图像的长宽比可以是 4 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 一2 传输流的多节目复用的软件实现 4 ：3 或1 6 ：9 ，至于码流率，它是由节目提供者根据节目的质量选定的，图像质 量越高，所需码流率越高，反之则越低。 1 3 3m p e g - 2 码流复用及业务信息 音视频及数字信号首先经过m p e g 一2 编码器进行数据压缩，通过节目复用器形成 基本码流( e & ，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流( p e s ) 。代表不同音频、 视频信号的p e s 码流被送入传输复用器进行系统复用，复用后的码流叫做传输流 ( t s ) ，传输流中包括多个节目源的不同信号。为了区分这些信号，在系统复用器上需 要加入业务信息( s 1 ) ，使接收端可以识别不同的节目。 每个传输码流数据包的长度定义为1 8 8 个字节长。每个传输流数据包的前4 个字 节为包头( h e a d e r ) ，包头后面就是需要传送的有用信息，包括音频、视频或数据信息， 通常是1 8 4 个字节长度，有时在有用信息( u s e f u l l d a t a ) 插入一段适配区域( a d a p t a t i o n f i e l d ) ，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟( p c r ) 。传输流的包头是识别传 输流的关键，大小为3 2 位。 在包头的3 2 位数据中，长度为1 3 位的p i d 码特别重要，它是辨别码流信息性质 的关键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节目和业务信息( s 1 ) 对应有不同的p i d 码。对于一台解码接收机而言，为了找到它所要接收的电视节目，它首先会通过p i d 码找到业务信息( s 1 ) 所对应的不同表格( t a b l e ) ，然后通过这些业务信息表格查到所要 接收节目的p i d 码和对应的时钟p c r ，将节目进行还原。 除p s t ( p r o g r a m s p e c i f i c l n f o r m a t i o n ) 节目说明信息外，业务信息( s d 主要包含： 节目业务群关联表b a t ( b o u q u e ta s s o c i a t i o nt a b l e ) 网络信息表n 1 t ( n e t w o r k l n f o r m a t i ot a b l e ) 节目业务描述表s d t ( s e r v i c ed e s c r i p t i o nt a b l e ) 节目段信息表e i t ( e v e n tl n f o r m a t i o nt a b l e ) 运行状态表r s t ( r u n n i n gs t a t u st a b l e ) 时间及日期表t d t ( t i m ea n dd a t et a b l e ) 时间偏移表t o t ( t l m eo f f s e tt a b l e ) 填充表s t ( s t u f f i n gt a b l e ) 节目关联表p a t ( p r o g r a m a l l o c a t i o nt a b l e ) 有条件接收表c a t ( c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ) 节目映射表p m t ( p r o g r a mm a pt a b l e ) 第二章m p e g 2 标准 硕士论文 2 m p e g 一2 标准 多媒体技术是计算机研究，开发和应用领域中的一个热点。多媒体技术是把文字， 图形，图像，动画，声音等各种信息用计算机集成到一起，提供一个丰富多彩的人机 界面，使人们能更加自然，更加有效地使用计算机。人机交互的这种变革极大的拓展 了人们的信息空间，满足了人脑把多种信息媒体作统一处理的需要。 近几年来，随着广播电视和个人计算机的逐步普及，人们己不满足于普通质量的 a v 节目，对更清晰，更逼真的节目提出了需求。这进一步推动了多媒体技术的发展。 多媒体技术已经逐步发展成为个产业，广泛应用于计算机，通信，消费电子等领域。 多媒体技术的核心是如何对数字化的视频，音频数据进行压缩和整理，使其适合于传 输与存储，而且能够简单方便的进行解码重现。在多媒体技术发展的初期，国际上各 个a v 行业的大公司以及许多研究机构，对各种技术的可能性进行了探索，提出了不 同的方案。 在各种多媒体的信息中，图像是人类获取信息的最直观也是主要的方式。图像所 携带的信息量是非常巨大的，而连续的图像也就是视频所携带的信息量则更为庞大， 在很多场合之下，对于视频信息的观察也是不可替代的。但一直以来人们对图像的传 输都是通过模拟方式进行的，数字图像以及数字视频通信是最近几年才发展并逐渐应 用起来的，其中一个最主要的障碍就是如何对视频图像的信息进行压缩处理。究其原 因则并不复杂：一幅图像经过数字化采样后的生成的数据非常庞大，如果没有高效的 压缩算法，不仅十分浪费传输，存储的资源，有时甚至超出了目前计算机的处理能力， 从而使其本所要利用的数字化的优势丧失殆尽。 因此，对视频图像信息的压缩是整个数字视频通信的核心，两各式各样的图像压 缩算法数以千万计，理论界不断提出新的压缩算法，新的压缩思想，不断探索图像压 缩的新途径。神经网络、小波变换和分形等理论成为研究的热点，同时，人类视觉的 生理心理特性的研究成果也开拓了人们的视野，给从事图像压缩与处理的人们提供了 新的思路。 标准化始终是产业化的先导，图像压缩标准化对电视广播，视频通信，多媒体计 算机和视听工业具有非常重要的意义。国际上各个标准化组织积极的推进视频压缩标 准的制定工作，逐渐形成了一个竞整的视频压缩标准体系。 下表介绍了适应于不同应用系统要求的视频压缩标准。 6 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g - 2 传输流的多节目复用的软件实现 表2 1 适应于不同应用系统要求的视频压缩标准 标准名标准化标准主要用途标准通过时标准编号 组织间 h 2 6 1r r u ，t可视电话，会议电视1 9 9 0 年1 2 月 j p e gi s o 静止图像( 灰度和彩色)1 9 9 1 年3 月 i s o c d1 0 9 1 8 m p e g li s o ，m c 数字存储媒体，多媒体 1 9 9 2 矩i s o ，c1 1 1 7 2 m p e g 一2i s o ，i e c常规电视和h d t v 1 9 9 4 年1 1 月 i s o m c1 3 8 1 8 2 1m p e g - 2 标准的制定与发展 标准化是产业活动成功的前提，为降低编码解码器的成本，并使不同厂家生产 的设备相互间具有互操作性，国际标准化组织i s o 子1 9 8 8 年成立了m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 小组，着手制定运动图像及其伴音的压缩编码标准。 m p e g 小组在标准制定的开始就考虑到借鉴使用相关标准化组织的研究成果，如 j p e g 和h 2 6 1 标准。运动图像可以看成一个静止图像的序列，所以运动图像的帧内 编码技术就采用了j p e g 推荐的d c t 技术。此外，m p e g 又加进了帧间压缩编码技 术( 运动补偿技术) 。因此，可以认为m p e g 的工作是j p e g 工作的延续。同时，m p e g 推荐的标准尽量与h 2 6 1 标准兼容。 m p e g 的第一阶段的成果是于1 9 9 2 年推出的m p e g 一1 标准草案，编号为i s o i e c 1 1 1 7 2 。它采用了色度信息的子采样，以匹配人类视觉系统的灵敏度，量化，运动补 偿( m c ) 用以降低时域冗余度；由离散余弦变换( d c t ) 进行的频率变换用以降低 空间冗余度；可变长编码( v c l ) 以及画面插补。这些技术使得视频数据和音频数据 压缩后的速率上限为1 ，5 m b p s ，从而可以在c d - r o m ，硬盘，可写光盘，数字音频磁 带等介质上进行存储，也可以在局域网，i s d n 网上进行视频与音频数据的传输。 m p e g 一1 标准草案于1 9 9 3 年正式通过。 随着多媒体技术，数字电视技术，多媒体通信以及交互电视技术的发展，m p e g 一1 在视频音频分辨率和传输率方面已不能满足要求，所以i s o i e c 在1 9 9 4 年又推出了 i s o i e c1 3 8 1 8 标准，即m p e g 2 运动图像及伴音通用压缩编码标准。 m p e g 一2 国际标准，作为多媒体计算机，多媒体数据库，多媒体通信，常规电视 数字化及交互式电视系统中的关键技术，是在m p e g - 1 基础上的改进和扩充，目前在 家用卫星广播业务，地面数字电视广播，电子影院，电子新闻采集系统，个人通信， 多媒体邮件，网络数据库，家庭电视剧场，遥控监视以及点播电视系统等方面的应用 方兴未艾。 很快，m p e g _ 2 国际标准就成为了视频产品和视频服务的主流标准。它是音频和 视频信号数字化的基本标准，广泛应用于数字电视( 包括 i d t v ) 及数字声音广播， 以及未来的远程教学和远程医疗等多媒体领域。因此，围绕着m p e g 2 标准开发的视 7 第二章m p e g 2 标准硕士论文 频产品，有着相当广阔的市场前景。 随着超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，为视频数据的处理提供了快速，高 效的硬件平台。高性能数字视频压缩与处理芯片的商业化生产已经开始。而且随着计 算机技术的进步，目前主流p c 机的处理速度已经可以实时地压缩低码率，低质量的 可视电话视频码流。而且在计算机上通过软解压，观看m p e g l 标准压缩的v c d 节 目，甚至m p e g - 2 标准压缩的d v d 都已经深入人们的日常生活中。 2 2m p e g 2 标准的系统组成 从m p e g 一2 标准的系统组成来看，m p e g - 2 标准可划分为两个部分：压缩层和系 统层。如图2 1 2 1 所示。 视频广西丽 刻：建超r “：一剽：赧卜 数据j 婴! 壁：j _ 压缩釜规嘉部分。 图2 2 jm p e g 2 标准简化框图 2 2 1m p e g - 2 标准压缩层 m p e g - 2 国际标准的压缩层部分定义了视频数据的压缩编码耜解码算法以及音频 数据的压缩编码和解码算法。 m p e g 2 国际标准压缩层的视频部分的目的是使运动视频数据作为一种计算 机可处理的数据形式，可以存储在各种存储媒体上，可以在目前或将来的网 络上发送，接收，并且可以在目前或将来的广播信道上传播。 m p e g - 2 国际标准压缩层的音频部分，作为m p e g - l 音频编码标准的扩展， 用于低频率采样，广播，传输和存储介质上的多通道高质量音频的编码表示， 以及多通道高质量音频信号的解码方法。编码器的输入和解码器的输出与现 有的p c m 标准兼容。 压缩层的输入以一定的频率抽样，即a d 变抉后得到的视频数据和音频数据。符 合m p e g 一2 视频和音频标准规范的音视频编码器对输入的原始数据进行压缩编码。 原始编码器输出的数据流就是原始流。 原始流的定义为：对编码的视频数据，编码的音频数据或其他专用数据的比特流 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 2 传输流的多节目复用的软件实现 的通称。 2 2 2m p e g - 2 标准系统层 m p e g 2 国际标准的系统层部分定义了m p e g 一2 数据流的结构，语法，语义。 m p e g - 2 国际标准的系统层部分主要着眼于如何将一个或多个音频流，视频流或 其他的基本数据流合成单个或多个数据流，以满足存储和传输的要求。按照本标准规 范中的句法和语法进行系统层的编码，可以在一个很宽松的恢复和接收的条件下进行 同步译码。 m p e g _ 2 标准系统层分为一个两层的结构。 第一层的目的是为了保证声音和图像的同步回放。在这一层中，对于原始流数据， 比如压缩的视频及音频原始码流，在进行传送分组之前要先进行p e s 分组。这一 层被称为分组的原始流( p a c k e t i z e d e l e m e n t a r ys t r e a m ( p e s ) ) 。p e s 分组的首部 可以含有定时信息解码时间戳字段和展现时间戳字段( d t s 和p t s ) ，码率信息， 以及数据描述等信息，这些都是由信源编码器来设置的： p e s 分组首部也可含有其他的可选字段，而p e s 分组数据字段则包含来自一 个原始流的长度可变的连续字节串。 一p e s 分组之间的间隔随应用系统而异。p e s 分组的长度是可变的。对视频码 流来说，长度值设为0 ，表明对分组的大小没有限制，所以不能利用头信息 跳过特殊的p e s 分组。 一p e s 分组首部包含的时间戳对应于该p e s 分组中的第一个访问单元。 访问单元：访问单元就是一个显示单元的编码表示。对于音频的情况，一个访问 单元就是一个音频帧的编码表示。对于视频的情况，一个访问单元包括一幅画面的编 码数据以及其后的填料数据，直到下一个访问单元的开始字码为止。如果这幅画面不 是以组起始码( g r o u ps t a r t _ c o d e ) 或者序列起始码( s e q u e n c e _ h e a d e rc o d e ) 开始， 那么访问单元以画面开始码字为起点。如果画面是以组起始码或序列起始码开始，那 么访问单元以该起始码的第一个字节为起点。 展现时闻戳：展现时间戳字段告诉解码器它所对应的显示单元应该展现的时间， 而解码时间戳则表明解码器对该访问单元进行解码的期望时间。当对展现时间戳编码 时，它所指的就是对应与p e s 分组的第一个访问单元的那个显示单元的展现时间。 如果p e s 分组中不存在访问单元，则p e s 头中将不包含展现时间戳信息。如果一个 音频帧的同步字的第一个字节出现在分组中，则表明将出现一个音频的访问单元。对 于视频访问单元来说，它可以是个视频序列的头，也可以是一个g o p 的头，还可 以是一幅图像的头，这些头信息均在m p e g 一2 国际标准压缩层规范部分定义。 第= 层的目的是以合适的数据结构来组织压缩数据，使得压缩的音频视频数据能 够正确的传输或存储。根据所使用的传输媒奔的不同，m p e g - 2 定义了两种传输 9 第二章m p e g 2 标准 硕士论文 飘擎嚎网麝黧亚磺 羚透矧燮f 制区薹隧固声蟊耠 可变延迟 17 蕊i i 矗 可变缮j 基 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 2 传输流的多节目复用的软件实现 根据它生成的时间戳信息，重建解码器的系统时钟，在解码器端正确的使用时间戳信 息，这也为解码器正确的同步回放节目提供了基础。 因为通过整个编解码系统的端到端的时延为固定常数，所以音频和视频的显示将 精确同步。为了使解码器系统产生精确的时延以补偿整个端到端的时延为常数，解码 器的系统时钟必须使其工作频率和绝对瞬时值与编码器的时钟相匹配。重建解码器系 统时钟所需的信息在s c r 或p c r 中传送。 p t s ，d t s 和s c r 这三个字段是解码器实现节目同步回放的基础。解码器对数据 流进行语法分析，从p e s 分组中抽取p t s 和d t s 字段以及有关的编码数据。p t s 和 d t s 字段与在该p e s 分组开始的第一个存储单元相对应。在一个p e s 分组中可以存 在个以上的a u 开始部分。图像开始码和视频同步字未必放置在p e s 分组的起始 位置。 编码器没有必要对每个视频或音频的展现单元的p t s 和d t s 字段都进行编码。 p t s 字段和d t s 字段被要求以不超过o 7 秒的间隔出现。这个规定就使得可以利用 p t s 的值构造一个控制环路，以该频率出现的p t s 值保证了该控制环路在某一带宽 内的稳定性。对于那些p t s 没有被编码的展现单元，解码器把上一个p t s 值加上一 个固定增量，作为该展现单元的p t s 。 d t s 说明了一个访问单元的所有字节在原始流解码器中解码完毕的时间。在音频 流中，以及视频流中的b 画面，解码时间与展现时间是相同的，也就是说该访问单 元解码结束之后立刻显示，不需要在缓冲区内重排。因此只有p t s 被编码，d t s 的 值是隐含的。在视频流中，i 画面和p 画面的d t s 值等于其p t s 值减去视频画面的 重排延迟所占的时钟周期数。 2 3 3 解码器系统时钟的恢复 在节目流中，参考时钟字段称为系统时钟参考或s c r ，在传输流中，参考时钟字 段称为节目时钟参考或p c r 。通常s c r 和p c r 定义可认为是相同的。传输流中的 p c r 为某一道节目提供参考时钟，其中节目为具有共同时钟基准的原始流的集合， 将被同步解码和显示。在一个传输流中可以有多道节目，每一道节目都有独自的时间 基准和p c r 。 当系统时钟参考被解码器接收时，它表示解码器系统时钟的正确值。因为s c r 占有多个字节，且系统数据流被定义为字节流，所以在解码器系统时钟服从于接收到 的s c r 的应用系统中，s c r 被定义为s c r _ b a s e 的最后一个字节被解码器接收的时 刻。在数据源可由解码器控制的应用系统中，s c r 解释为s c r _ b a s e 的最后一个字节 应该到达解码器的时间。 在数据源可由解码器控制的应用系统中，例如本地d s m 系统，解码器可以有自 己的系统时钟频率，因此系统时钟无须根据s c r 来恢复。然而在许多重要的应用中， 第二章m p e g 2 标准硕士论文 该假设不能成立。比如下面这种应用情况：一个数据流被同时送到多个解码器。如果 每个解码器都有自己独立的系统时钟和系统时钟频率，系统不能保证s c r 在正确的 时间到达所有解码器。通常一个解码器要求数据源比原发送的速度快一些，而另一个 要求慢一些，而对未确定时间长度的数据接收来说这种差别不能由有限大小的数据缓 冲区来弥补。因此下面主要讨论系统时钟服从于接收到的s c r ( 或p c r ) 时间的应 用情况。 如果解码器的时钟频率和编码器的时钟频率严格匹配，那么音频视频数据的解码 和显示将自动和编码器保持相同的速率，而端到端的延迟将为常数。当编码器和解码 器时钟匹配时，任何正确的s c r 值都可以用来设置解码器系统时钟的瞬时值，而且 此后不需要更多的调整，解码器的系统时钟就将与编码器想匹配。 而在实际的应用系统中，解码器的系数时钟频率不可能与编码器的时钟频率完全 匹配，所以编码器的时钟值被抽样并以s c r 的形式传送给解码器。解码器的系统时 钟可利用接收到的s c r 值而与编码器匹配。使解码器的时钟服从于接收到的s c r 的 典型方法是通过锁相环( p l l ) 。 一种恢复解码器系统时钟的p l l 如下图所示： 图2 3 3 ，1 使用p l l 恢复系统时钟 当解码器要求一个新的时间基准，即要接收一个新节目时，解码器系统时钟计数 器被设置为s c r 中的当前值。通常第一个s c r 被直接装入系统时钟计数器，接着锁 相环工作在闭环状态。p l l 的闭环操作如下所述：当每一个s c r ( 或p c r ) 到达解 码器时，解码器用该s c r 值和系统时钟计数器的值比较，产生一误差信号e ，表示 环路里的误差项。信号e 被输入低通滤波器并经放大以后，产生控制信号f ，用来 控制压控振荡器的瞬时频率。搓控振荡器的输出为频率在2 7 m h z 左右的振荡信号， 此信号作为解码器中的系统时钟频率。2 7 m h z 时钟被输入到计数器中产生当前系统 时钟值，它被3 0 0 分频后输入到3 3 位计数器中得到9 0 k h z 的基本值，模除3 0 0 得到 2 7 m h z 的扩展值。 南京理工大学硕士学位论文d v b 系统中基于m p e g 2 传输流的多节目复用的软件实现 3 传输流 由于本论文的主要目的是实现把多个传输流复用为一个传输流，所以下面着重介 绍与传输流相关的内容。 传输流是m p e g 2 定义的种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的环 境下进行个或多个节目的编码数据的传输和存储。这种错误表现为比特值错误或传 输流分组的丢失。 m p e g - 2 传输流由连续的传输流分组构成。这些传输流分组中携带有两类信息； 经编码压缩过的原始流数据和p s i 表。携带不同类型数据的传输流分组由不同的p i d ( p a c k e ti d e n t i f i e r ) 字段值标识。每个被指定的p t d 值都与特定的传输流分组项对应， 而且是唯对应。 编码压缩过的原始数据流包括视频原始流，音频原始流以及专用数据流。这些原 始流数据有点需要紧密的同步( 就像数字电视节目和数字广播节目锁要求的) ，而有 的不需要同步( 例如下载的软件和游戏数据) 。 相关的p s i 表包含的信息描述了哪些原始流可以构成个节目。p s i 表以分段 ( s e c t i o n ) 的形式传输。对于m p e g - 2 传输流中的每一个节目，都有类特殊的p s i 表对它的组成结构进行描述，这种表称为节目映射表( p r o g r a mt a b l e ) 。这种表被周 期的发送。另一方面，构成该节目的原始流数据由p e s 流连续的发送。从这种意义 上来说，m p e g 一2 传输流并没有传送节目，它所传送的只是原始流和把特定的原始流 构成一个节目的指令信息。 3