（模式识别与智能系统专业论文）数字电视系统层传送流复用及相关问题研究.pdf

圭誊銮鎏盔兰! 耋圭兰竺鎏兰 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 望茎 摘要 数字化已经成为当今信息社会发展的一个最显著特征和最关键技术，其中数字视频技 t 术已成为目前通信、多媒体、广播电视和计算机等各种产业发展的焦点。m p e g - 2 标准的 推出使数字视频业务得到了广泛应用，以m p e g 2 标准为基础的数字电视不仅集中体现了 最新技术成果，也促进了相关领域的发展，加速了广播电视、计算机和通信三网合一的进 程。 m p e g 2 标准相对于m p e g 1 的一个重要扩充是提出了系统层传送流的概念。目前 m p e g 2 系统层传送流已经在事实上成为了数字电视领域中系统层传输的普遍标准。多路 数字视频节目如何在信道中合理的传输，每路节目中视频和音频如何同步，这些都涉及到 对m p e g 2 系统层复用的研究。 由于m p e g 2 音视频编码芯片日趋成熟，而复用因为其本身的特点，很难用定制的芯 片完成，因此在工程实践中，m p e g 2 系统层复用器的研制是一个难点。本文创新性采用 d s p 和p l d 硬件结构设计实现了输入流为多路p e s 流，输出为一路多节目传送流的实时 数字电视系统多节目传送流复用器。在深入分析m p e g - 2 系统层语法和时序的基础上，论 述了如何设计和实现多节目的硬件复用器。设计了p s i 信息和p c r 的插入以及复用的交织 策略，并研究了多节目复用情况下输入输出缓存大小的选取，同时扩充了该设计使之可以 兼容d v b 标准。 芝絮翼帅 本文遍研究 设计的复用器在h d t v 二期项目中成功的实时复用了一路h d t v 复用情况下的联合码率控制策略和统计复用。针对采用“超帧” 的联合码率控制方法，给出了一种简单的以g o p 为单位动态调整码率的联合码率控制方 法。在m p e g 2 视频编码i b p 帧码率特性的基础上，给出了一种可以进行帧重排的基于帧 平移法的统计复用方案。 再复用器是数字电视广播系统中的重要设备，本文给出了一种动态修正p c r 的再复用 器设计方案。本文还提出了一种m p e g 一2 传送流码率上变换的算法，并根据该算法，给出 了一种m p e g - 2 码率发生器的设计，并研究了应用于测试及调试中的m p e g 2 码流分析软 件。 本文的众多设计在h d t v 、s d t v 、m p e g 2 码流测试仪等项目以及调试中均有成功的 应用，实践证明这些成果是卓有成效的。 关键词：数字电视，高清晰度电视 联合码率控制，统计复用 m p e g - 2 系统层传送流，多节目复用 m p e g 一2 码流产生1 3 睡i 多 彳一 a b s t r a c t d i g i t a lt e c h n o l o g yn o w h a sb e e nt h em o s ti m p o r t a n ta n dm a r k e dc h a r a c t e ri nt h ei n f o r m a t i o n s o c i e t y a n dd i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g yh a sb e e nt h ef o c u s o ft h ep r o g r e s so fc o m m u n i c a t i o n ， m u l t i m e d i a ，b r o a d c a s t i n g a n dc o m p u t e ri n d u s t r y d i g i t a l t vb a s e do nm p e g _ 2n o t o n l y c o n c e n t r a t e sm o s to ft h en e wt e c h n o l o g yo f i t sf i e l d ，b u ta l s op r o m o t e sm a n yn e wt e c h n o l o g i e si n r e l a t e dd o m a i n si ta c c e l e r a t e s t h e i n t e g r a t i o n o f b r o a d c a s t i n g ，c o m p u t e r n e t w o r k sa n d c o m m u n i c a t i o n m p e g 一2b r i n g sf o r w a r dt h ec o n c e p to fs y s t e ml a y e rt r a n s p o r ts t r e a mc o m p a r e dt om p e g 1 n o wi nf a c t ，m p e g - 2t r a n s p o r ts t r e a mh a sb e e nt h ec o m m o n s t a n d a r di nd i g i t a lt vf i e l d h o wt o r a t i o n a l l yd i s t r i b u t ed i g i t a lt vp r o g r a m si nc h a n n e l ，h o wt os y n c h r o n i z ev i d e oa n d a u d i oi no n e p r o g r a m ，a l lt h e s en e e d r e s e a r c hi nm p e g 一2s y s t e ml a y e n b e c a u s eo fm a t u r eo fm p e g 2v i d e oe n c o d e rc h i p s a n dt h ec h a r a c t e ro fm u l t i p l e x ， d e v e l o p m e n to fm u l t i p l e x e r i sa k e ya n dd i f f i c u l tp o i n ti nd i g i t a l v i d e op r o j e c t s a f t e rt h e p r e s e n t a t i o no fs y n t a xa n dt i m i n go fm p e g - 2s y s t e ml a y e r t h e d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sh o wt o d e s i g na n di m p l e m e n tah a r d w a r e - b a s e dm u l t i - p r o g r a mm u l t i p l e x e r p s ii n f o r m a t i o n ，p c r i n s e r t ， s t r a t e g y o fm u l t i p l e xa n ds i z eo fi n p u ta n do u t p u tb u f f e ra r ed e s i g n e d a l s ot h ed i s s e r t a t i o n a d v a n c e st h e d e s i g nt oc o m p a t i b l ew i t hd v b s t a n d a r d t h em u l f i p l l e x e rb a s e do nm e n t i o n e d d e s i g nm u l t i p l e x e sah d t vp r o g r a ma n das d t vp r o g r a ms i m u l t a n e o u s l yi nh d t vp r o j e c t s u c c e s s f u l l y j o i n tr a t ec o n t r o la n ds t a t i s t i c a lm u l t i p l e xa r ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h em e t h o di s d y n a m i cc o n t r o l l i n ge a c hv i d e oe n c o d e rt ok e 印v i d e oq u a l i t yu s es t a t i s t i c a ld a t ag e n e r a t e db y e a c hv i d e oe n c o d e ta c c o r d i n gt od i s a d v a n t a g eo f s u p e rf r a m e ”j o i n tr a t ec o n t r o l ，ag o p j o i n t r a t ec o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d b a s e do nf r a m es h i f ta l g o r i t h mm e t h o d ，h a r d w a r ed e s i g ni sb r i n g f o r w a r d e d r e - m u l t i p l e x e ri s a ni m p o r t a n ti n s t r u m e n to fd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t h ed i s s e r t a t i o n g i v e sad e s i g nb a s e d o n d y n a m i cc o r r e c tp c r am e t h o do f u p c o n v e xt r a n s p o r ts t r e a mb i t - r a t ei s p r o p o s e da n da c c o r d i n gt oi t ，ad e s i g no fm p e g - 2t r a n s p o r ts t r e a mg e n e r a t o ri sd i s c u s s e d t h e 圭耋銮鎏奎兰曼圭兰簦兰兰翌誓 d i s s e r t a t i o na l s or e s e a r c h e dh o wt oi m p l e m e n tas o f t w a r em p e g 一2s t r e a m sa n a l y z e rw h i c h c a l lb e a p p l i e di nm p e g - 2p r o j e c t sm e a s u r e m e n t sa n dd e b u g g i n g m o s to ft h ed e s i g n sm e n t i o n e di nt h ed i s s e r t a t i o na r eb e i n ga p p l i e di nb r o a d c a s t i n gh d t v s y s t e m ，s d t ve n c o d i n gs y s t e ma n do t h e rd i g i t a l v i d e op r o j e c t s d e b u g g i n gs u c c e s s f u l l y t h e d e s i g n sa n di d e a sa r ep r o v e d i np r a c t i c e k e y w o r d s ： d i g i t a lt e l e v i s i o n ，h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，m p e g - 2s y s t e ml a y e rt r a n s p o r ts t r e a m ， m u l t i - p r o g r a mm u l t i p l e x ，s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x ，j o i n tr a t ec o n t r o l ，r e m u l t i p l e x ， m p e g - 2s t r e a m s g e n e r a t o ra n d m e a s u r e m e n t s 茎三皇堡至釜量生誊鎏錾里墨塑茎2 璧2 耋，要= ：鍪鲨 1 1 引言 第一章：绪论 从2 0 世纪9 0 年代开始，整个社会进入数字化、信息化、知识化年代。数字化使得全 世界经济焕发出了新的活力。目前数字化已经成为当今信息社会发展的一个最显著特征和 最关键技术，开始越来越深入的影响人们的生活。在数字化的大潮中，数字视频技术的 发展是一个重要内容，同时和人类的生活息息相关。数字电视、v c d 、d v d 、可视电话、 交互电视、点播电视、可上因特网和进行电子商务的w e b t v 、机顼盒s t b ( s e tt o pb o x ) 和家用多媒体平台m h p ( m u l t i m e d i ah o m ep l a t f o r m ) 等等，正越来越接近或已经进入了每 个人的日常生活。可以毫不夸张地说，数字视频技术己成为通信、多媒体、广播电视和计 算机等各种产业发展的焦点。 以m p e g 一2 标准为基础的数字电视技术，集中体现了当今信息技术的许多最新成果， 在相关领域引发了一系列的新技术革命，使电视技术发生了本质的飞跃。在图象质量的改 观方面，可以提供扫描线在5 0 0 行左右的标准清晰度电视( s d t v ) 和扫描线为1 0 0 0 行以 上的高分辨率的高清晰度电视( h d t v ) ；就传输方面而言，压缩编码技术的全方位突破， 不仅从演播室到发射之间越来越多的采用数字技术，数字卫星直播也成为卫星广播的主流。 有线电视采用数字技术，可以向用户提供5 0 0 套数字频道和6 0 套模拟频道服务。多种新型 调制方法，如6 4 q a m ，2 5 6 q a m ，8 v s b ，1 6 v s b ，c o f d m 等都已应用在各种传输信道 中，同时各种通信和计算机协议也越来越多地融合到电视传输系统，如a t m s d h 、t c p i p 等业已和m p e g d v b ，d t v 等相结合。 从广义上说，数字电视指在电视信号的获取、产生、处理、传输、接收和存储过程中 使用数字电视信号。这里所说的数字电视信号可以是直接由视频源，如数字摄像机产生的 数字信号，也可以是由模拟信号经过采样得到的数字信号，如经数字化后产生的i t u r b t 6 0 i ，当然，m p e g 压缩码流也属于这一范畴。而通常所说的数字电视，专指地面开路 数字电视广播系统，从演播室节目制作，到发射机、信道传输及接受，所有环节都使用数 l 垫：耋翟至鎏星兰誊鎏兰望墨望茎盟墨竺耋至= 耋：童兰 字电视信号及对数字信号的调制。 数字视频技术发展的关键在于压缩编码技术的研究和国际通用标准的制定。运动图象 的信息量是相当大的，这给它的传输和存储都带来了极大的困难。但是运动图象的冗余度 很高，这给它的压缩及编码带来了可能。对于压缩编码，无论是学术界还是产业界都投入 了大量的人力和物力进行研究。进入九十年代以来，随着视频编码技术的日益成熟，国际 标准组织( i s o ) 和国际电讯联盟( i t u ) 相继推出了一系列视频压缩编码的国际标准：h 2 6 i 、 h 2 6 3 、m p e g 1 、m p e g 2 等。这些标准在不同的领域里部得到了相当广泛的应用，为数 字图象及视频技术的普及作出了极大的贡献。 f 电视系统的数字化给节目制作、传输和播出都带来了革命性的变化。首先，数字化使 三网合一成为可能，从而使多媒体业务有可能经过目前带宽最宽的电视通道到达家庭，从 而将大量的用户群落联系起来，逐步形成统一的信息传输交换网。第二个特点是数字电视 使信息来源多样化、多元化，数字化的发展将每个家庭和电视中心更容易的联系在一起。 轻便的小型数字摄录一体机使电视中心在片源的选择上有更大的灵活性。第三个影响使数 字电视业务的可分级性带来各种业务的统一，在模拟电视系统中，家用、专业和广播级不 同质量的业务使用相同的6 m 带宽。而在数字传输系统中，由于采用了先进的信道编码和 调制技术，根据不同业务按需分配码率，在同一系统中同时存在不同质量的图像业务，如 一 家用电视为1 5 m b p s ，而专业级在4 - 6 m b p s ，广播级则达到8 m b p s ，但都以相同的格式： m p e g 2 的t s 包作为业务载体。第四个变化是数字信道可实现不同种类业务的最佳组合， 如电视、声音、数据，满足众多应用场合的需要，根据信道带宽和业务需求灵活分配各类 视频、音频及数据业务。 为使多种业务综合到一个系统中，制定统一的标准是这一目标得以实现的首要前提。 这一标准涉及和涵盖的范围远超出模拟系统中标准所涉及的方面。模拟设备主要规定设各 之间的接口，如模拟录像机的输入输出信号采用p a l 或n t s c 的复合或分量信号，至于录 像机内部对信号的处理则由各厂家自己决定，如b 格式、c 格式、v h s 、b e t a c a m 等。而 r 在数字系统中，标准不仅针对外围设备，而且还对数字信号整个处理流程甚至每个比特的 细节部作了详细的规定。因此，对符合同标准的设备，其原理都是相同的，设各就是标 准的体现。当然，对于标准中未涉及的部分，如m p e g 2 的编码器，及加解扰等，各厂家 有自己的实现方式。此外，传输的数字化必然加速网络化的进程，从而促进整个社会的信 息化。而网络互连、互通和标准的建立密不可分，所以数字系统的标准有着举足轻重的地 位。 2 数字电视系统层传送流复用及相关问题研究 第一章：绪论 数字电视标准的制定从演播室开始，产生了将n t s c 、p a l 和s e c a m 三种制式统一 起来的i t u r6 0 l 数字演播室标准。随后m p e g - 1 标准所带来的巨大经济效益进一步推动 了数字系统各层面标准的全面制定。m p e g - 2 对标准清晰度电视和高清晰度电视的各层次 进行了详细规定，但未涉及信道，d v b 规定了卫星、有线电视和地面广播等传输媒介中的 各种处理，美国d t v 标准则对s d t v 和h d t v 的显示格式和地面传输中的相关环节进行 了规定，美国c a b l e l a b 提出的数字有线电视标准也倍受关注。标准的制定，将各种视频、 音频和数据业务综合在一个系统中，使计算机和电视的融合成为可能。 但诸如v o d 、网上购物等交互应用需要反向信道的标准，如何与通信、计算机设备互 联各种媒体的表示，都需要制定标准，所有这些都由d a v i c 及其它一些标准化组织来实 现。不难发现整个数字体系标准的走向，电视、计算机、通信三网合一初见端倪。 新一代高画质的电视业务无疑属于高清晰度电视和立体电视。目前的电视系统基于5 0 年代的技术，存在闪烁、亮色互串等问题，尽管也提出了不少改进方法，但终因原有系统 的限制，不能完全解决，而新一代的高清晰电视有1 0 0 0 多行扫描线，1 6 ：9 的宽屏幕，给观 众以全新的感受，这种冲击促进了人们对高质量新代电视的需求。 但高清电视带来的不仅仅是图像质量的提高，关键在于信源码率的压缩和高效率的信 道编码。这使得比模拟电视信息量增加许多的高清晰度电视也能在原有的信道内传送，不 仅使原来只能传一路模拟电视的卫星能传送4 套标准清晰度数字电视节目，更重要的是提 供了一条大容量的数字通道，使多种业务能在广播电视信道中传输。这需要使单向广播通 道双向化，可以利用现有通信线路，如直播卫星系统中的o p e n t v ( t h o m s o n ) 、m e d i a h i g h w a y ( c a 肋a l + ) 、d - b o x ( 德国) 、m e d i am a s t e r ( n o k i a ) 及d i r e c tp c ( 美国) 所实现的i n t e r n e t 浏览等双向业务；或给广播网增加回传信道，如有线电视系统增加反向信道等。 高清晰度电视不仅使图像质量得以提高，而且使现有频率资源的利用率大为增加，必 将引发电视制作和经营方式的巨大变化。与计算机及通信网技术的融合，使多媒体、交互 电视等新型业务的出现成为可能。如：同一节目在不同时段的连续播放( n v o d ) ，完全任意 的节目点播( v o d ) ，网上购物，远程医疗诊断，网络游戏等多种丰富多采的增殖业务。 计算机技术和电视相结合，最初出现在演播室中的非线性编辑系统，如动画特技及演 播室网络设备等领域。近年来，计算机界提出了方像素、逐行扫描等作为和广播界讨价的 筹码，揭示了计算机和电视在新一代电视中的关系。w e bt v 的推出，使得既可以利用电 视机进行网络浏览，又可以在计算机上收看电视，两者的功能发生了交叉，足以证明这两 者之间竞争和融合并存的趋势。而电子节目指导e p g 显示出比传统电视更为灵活的接收方 3 数字电视系统层传送流复用及相关问题研究 第一章：绪论 式。交互式电视，能够提供与节目内容相关的信息，如球赛球员的统计数字，背景资料等： 这些部加速了电视、网络信息一体化的进程。使电视和互联网相互混合。 总之，数字电视极大地改变了现有的广播电视、通信和计算机三分天下的格局，相互 之间的不断竞争与融合，带来了前所未有的机遇和挑战。 本章首先对电视技术的发展作一简要回顾，对比了模拟电视和数字电视的优缺点。概 括介绍了数字电视的基础：国际图象压缩编码标准。然后论述了本文对m p e g 2 传送流方 向研究的背景和意义。最后给出了本文的主要内容。 1 2 电视技术的进展 电视技术的发展基本上可以分为模拟电视和数字电视两个阶段。模拟电视曾给社会带 来了巨大的影响，但由于其自身的缺陷，最后必将不可避免地被数字电视所取代。 1 2 1 模拟电视 模拟电视始于二十世纪三十年代，最初是黑白电视。在这一时期，电视的发展特征是 增加扫描行数，改善伴音质量。例如英国由1 9 3 0 年的3 0 0 行到1 9 3 6 年的4 0 5 行，美国于 ， 1 9 4 0 年采用5 2 5 行，而前苏联于1 9 4 8 年开始采用6 2 5 行的电视系统。之后出现了彩色电 视。彩色电视的出现标志着黑白电视历史任务的终了。由黑白电视转向彩色电视广播遇到 的最主要的问题之一是如何解决两者之问的兼容过渡。也就是彩色电视信号能被黑白电视 机接收而显示黑白图像，彩色电视接收机能够以黑白图像的方式收看黑自电视信号。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用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：n t s c 制、p a l 制和s e c a m 制。 无论黑白还是彩色电视，采用的都是模拟方式，其固有的缺陷随着人们对电视要求的 不断提高变得越来越明显。这些缺陷主要表现在 亮色串扰。由于亮度信号和色度信号分离不完全而造成的亮度信号和色度信号互相 干扰。 - 行间闪烁。由隔行扫描显示引起，多发生在图像垂直方向细节丰富的地方。 - 行顺序效应，表现为行蠕动效应( 也称百叶窗效应或爬行现象) 和半帧频闪烁。n t s c 制色度信号的每行都以同一方式传送，因而不存在行顺序效应，但是p a l 制和 s e c a m 制由于对传输的色度信号做逐行不同的处理而必然引起行顺序效应。 - 色度信号的幅度失真会影响重现色彩的饱和度，也称为微分增益失真。 4 数字电视系统层传送流复用及相关问题研究 第一章：绪论 色度信号的相位失真对重现彩色的色调有明显影响，也称微分相位失真。 - 伴音质量不高。 分辨率不够，清晰度低，尤其是在使用大屏幕电视接收时。 多径接收的影响。由于反射波的影响，会使传输通道的频率特性改变，从而影响收 看质量。 噪声积累。由于模拟电视信号在传输和存储过程中会受到各种干扰和引入各种噪 声，经多次传输或复制后，噪声积累，引起图像质量不断下降。 所以这些都制约着模拟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提 高。所以研究新一代电视制式是社会发展的需要，是人们对电视的观赏要求提高的需要。 而数字技术、超大规模集成电路技术的发展又为新一代电视的产生及发展提供了物质基础。 1 2 2 数字电视 数字电视是指将模拟电视信号转换成数字信号，以数字形式进行处理、传输或存储的 系统。在模拟电视信号数字化以后，由于数据量庞大，以标准清晰度电视( s t a n d a r dd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ， s d t v ) 7 2 0 5 7 6 、4 ：2 ：2 为例，数据率高达2 7 0 m b p s 。要以如此高的数据率 传输大量数据，显然对信道的要求太高，所以在发送端必须对视频数据进行压缩，即压缩 编码，将数据率压缩到几兆比特每秒以内：而在接收端进行解压缩，恢复原始的2 7 0 m b p s 的数据率，再经过数模( d a ) 转换，转换成模拟电视信号在屏幕上显示。另外为了增加 抗误码、抗干扰的能力，在发送端还要进行信道编码，在接收端进行信道解码。整个数字 电视广播系统的示意图如图1 2i 所示。 r 一一一一。一。一一一。一。一一一一。一。一一一一。一一一。一一 图1 2 1 数字电视系统示意图 f i g u r e12 1d i a g r a mo f d i g i t a lt vs y s t e m 数字电视广播与模拟电视广播相比，具有很多优越性。主要表现在以下一些方面 鏊：皇堡至釜量! ：垄鎏墨盟墨望茎型罂竺耋， ，! ，! 一至；耋釜釜警 由于亮度信号与色度信号完全分开处理与传输，所以不存在亮色串扰的问题。 当无差错接收时，其主观评价质量能接近演播室质量，这是模拟电视所无法比拟 的。 - 容易实现数字存储和提供新的功能。由于噪声的影响，模拟视频信号在复制3 - 4 次后其图像质量就会急剧下降。采用数字技术进行存储的视频信号，可进行多次 复制而不会造成图像质量的明显下降，并且很容易提供许多新的功能，诸如多画 面，快速检索图像、图像缩放、随机访问、编辑和处理图像等。 可大大改善视频图像质量。由于采用数字滤波与数字存储，容易使用比较简单的 方法消除噪声，改善图像的信噪比；容易实现自适应场内、场间、帧内和帧间处 理及增强，大大提高图像的清晰度，消除亮度闪烁和重影；可避免系统非线性失 真的影响，从而大大提高系统的稳定性和可靠性。 - 由于数字传输能大大提高功率的利用率，因此数字电视广播所需的发射功率要比 模拟场合低许多，并可使用禁用频道来传送电视节目。同时，由于采用了数字编 码和高效的数字传输( 调制) 方式，可以在一个模拟电视频道中传输多路电视节 目这些都有利于缓解电视频道的紧缺状态，大大提高电视频道的利用率。 - 利用数字传输抗干扰能力强。由于采用了再生方法，基本排除了噪声和失真积累 的影响。 - 采用数字方式易于加密、加扰，实现“条件接收( c o n d i t i o n a la c c e s s ) ”，便于开 展“收费电视”等业务。便于在数字电视信号中开展其它的数字业务，例如数据 广播等。 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 压缩技术的进步，各种相关国际标准的制定( j p e g ，h 2 6 1 ，m p e g 1 ，m p e g 2 ，h2 6 3 等) ，视频压缩技术已经成熟，并已经应用于许多领域，如v c d 、d v d 、数字电视广播、 会议电视、可视电话等。这些都标志着数字电视时代的到来。数字电视由于它相对于模拟 电视有着无与伦比的优点，必将取代模拟电视体制，成为电视技术发展的趋势。目前数字 电视的焦点集中在h d t v ，国外的研究人员已经了大量的研究和实验 2 - - l 5 】，我国的科研人 员也进行了大量的研究，发表了许多相关论文m _ 4 ”，力争我国在高清晰度电视上追上并赶 超发达国家。 。 1 3 图像压缩编码国际标准 图像的压缩编码是数字电视的一项关键技术，它的研究几乎从彩色模拟电视一出现就 已经开始。1 9 4 8 年o l i v e rb m 等人提出了p c m 编码m 1 ，从而奠定了图像编码的研究基础， 同时出现的s h a n n o n 信息论则为系统地研究图像信源特性和压缩编码技术提供了理论基 6 础。经过四十余年图像编码的研究，孕育出一种高效实用的混合编码技术。目前视频压缩 编码的国际建议均采用混合编码技术：采用运动补偿的帧间预测，以利用图像在时间域的 相关性；接着对预测误差进行8 8 像素块的离散余弦变换( d c t ) ，以利用图像在空间域 的相关性：然后对d c t 变换系数进行自适应量化，以充分利用人眼的视觉特性；再采用 h u f f m a n 可变长编码器实现熵编码；最后，在c b r 模式下，采用输出缓冲存储器平滑输出 的码流，以保证输出码率为恒定值。这一图像压缩编码算法是迄今为止已被证明为效率最 高且又实用的算法。下面介绍几个关于图像压缩编码的国际标准。 ( 1 ) h 2 6 1 1 4 6 建议 c c i t t h 2 6 1 建议即“p 6 4 k b s 视听业务的视频编码器( 口= 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 ni 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。一般当p = l 、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。 ( 2 ) j p e g f 4 7 4 8 1 建议 j p e g 建议由“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 t 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 e b u i l d 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”。 目前正在进行j p e g 2 0 0 0 的研究工作。 ( 3 ) m p e g 1 1 4 9 0 ”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 p s 。该标准包括m p e g - l 视频、音频和系统三部分。m p e g 1 视频编码支持c i f 和s i f ( s o u m ei n t e r m e d i a t ef 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 1 将电视图像帧( f l 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 ) 帧以过去的i 帧或p 帧为参考帧进行时间域正方向的帧间预测编码，b ( b i d i r e c t i o n a l p r e d i c t i o n ) 帧则根据过去的参考帧及以后的参考帧进行时间域正负双方向的帧问预测编 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”，增加非因果性即时间域负 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 1 音频部分是面 向速率为6 4 、1 2 8 和1 9 2 k b p s 的数字音频信号的压缩算法，而m p e g 1 系统部分则是阐述 视频、音频码流的复用和同步问题。 ( 4 ) m p e g 2 1 5 2 - 5 4 标准 i t u t 和 s o 从1 9 9 1 年开始联合制定新一代活动图像编码国际标准，于1 9 9 3 年底通 錾主：! 堡至笙兰生生鎏星璺墨塑茎坚罂篮耋! ，! ! ! ! ，! 圣三i i 三i 丝 过了“通用活动图像编码”标准草案，即i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 ( m p e g 2 ) 。其通用性表现在： ( 1 ) 始于多种编码码率，可从几十k b p s 到几百m b p s ；( 2 ) 适于多种图像格式和分辨率， 即可适于c i f 、c c i r 6 0 1 、h d t v 、逐行扫描及隔行扫描等：( 3 ) 适于多种应用范围和图像 质量要求，即可适于可视电话、会议电视、s d t v 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操作等。 m p e g 2 标准在m p e g 1 基础上做了重要扩展和改进包括以下几方面： 1 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“按帧编码” 和“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。 2 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 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的“等 级( 1 e v e l ) ”，每种等级都是对有关参数规定约束条件。 3 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 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 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。 4 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) ， 组成的分组化基本码流( p a c k e te 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，适合支持节目信息的软件处理或d v d 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， 传送码流主要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。 5 由于在字头中做了很多详细规定，使用较为方便灵活：可对每个分组设置优先级： 加密解密或加扰解扰：插入多种解说和字幕等。 ( 5 ) m p e g 4 t s s l hh2 6 3 5 6 - 5 7 1 目前最活跃的标准化工作是被命名为m p e g 4 的甚低码率视频压缩编码标准，采用了 基于对象的图象编码技术，其码率仅为2 8 8 k b p s 、1 4 4 k b p s 、9 6 k b p s ，用于传送话音、头 ， 肩活动图像、静止图像、文本及数据，并将扩展到传送会议电视图像。甚低码率下的图像 格式为q c i f ，帧率为1 5 帧秒5 帧秒。i t u t 于1 9 9 5 年7 月推出了低码率视频压缩编码 的h 2 6 3 建议，其技术核心仍为混合编码方法，但借鉴了m p e g 2 中的半像素运动估计和 运动补偿技术及双向预测技术，可实现比h 2 6 1 更高的压缩比，适合于实现低于6 4 k b p s 的视频压缩编码。 以上一系列国际标准虽然对编码后码流的句法和语义作了严格定义，规定了解码器的 功能而对于编码器，仍存在许多开放部分，任何能够生成符合标准的码流的编码器都是 允许的。而这些开放部分就成为对视频压缩编码技术进行深入研究的热点。它们主要包括： 1 传输缓冲器控制策略、码率控制策略； 2 自适应量化控制策略； 3 场景切换下的控制策略； 4 刷新模式的选择和自适应刷新策略； 5 误码掩盖( e r r o r c o n c e a l m e n t ) 方法： 6 可变传输速率下系统控制策略： 7 与各种信道接口的实现 可见，并不是说由于标准已经制定，m p e g 2 就没有再继续研究的必要。相反，标准 内开放部分的研究和如何实现该标准有很重要的意义。 1 4 本文的研究背景和系统层传送流研究的重要意义 在电视技术5 0 年的发展过程中，虽然技术的进步使电视广播系统的面貌发生了很大 的变化，但是电视的基本结构一直保持了5 0 年没有改变。随着技术的不断发展和人们生活 水平的提高，对电视的质量也提出了更高的要求，尤其是随着电视屏幕的不断增大，现有 电视制式所能提供的清晰度已经不能满足人们的要求。所以高清晰度电视自然被提到日程 上来。 1 9 7 1 年日本n h k 首次提出了高清晰度电视( h i g h d e f m i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 的概 念，随后日本、欧洲、美国都积极着手进行高清晰度电视的研究。从最初的模拟数字混合 体制高清晰度电视，到现在的全数字体制高清晰度电视，从最初的实验室研究到现在开始 的商业广播，高清晰度电视开始了它走向千家万户的历程。 数字高清晰度电视是数字信号处理技术、数字通信技术、计算机技术、大规模集成电 路技术、高清晰度显示技术等领域的多项数字化技术成果的结晶，它的出现和发展正推动 着电视技术的一场巨大的变革。高清晰度电视技术的发展不仅标志着一个国家的技术水平 和经济实力，同时也能带动整个电子信息行业及其相关领域的发展，从而形成一个非常巨 大的市场。 我国作为技术整体落后的发展中国家，经过改革开放二十年来的高速发展，已充分认 识到引进换不来高技术。在政府相关部门的组织下，经过近几年科技、广播、产业界的共 同努力，我国在数字高清晰度电视技术的研究上已取得了重要进展。1 9 9 4 年6 月，我国确 定了高清晰度电视研究开发工作分两步走的战略，即：第一步，在两年内建立一套高清晰 度电视功能样机系统，掌握技术，培养人才，组织队伍；第二步，在“九五”期间，进行 9 数字电视系统层传送流复用及相关i 训题研究 第一章：绪论 我国高清晰度电视试播，尽快建立相关的产业基础。我国高清晰度电视功能样机系统及第 二代高清晰度电视样机系统分别于1 9 9 8 年9 月及1 9 9 9 年8 月研制成功，其中第二代功能 样机系统在1 9 9 9 年1 0 月在中央电视台成功的进行了国庆五十周年庆典的实况直播，表明 我国己完成高清晰度电视研究开发的第一步工作，第二步工作也己取得了一定的进展。这 对于推动我国电子行业的发展、培养人才、保护国内市场具有政治和经济上的双重意义。 本文所作的主要工作就是基于第二代高清晰度数字电视系统中的复用器模块，我们成 功研制了可以多节目复用的高清晰度电视复用器，同时本文涉及到我们在开发调试过程中 和m p e g 一2 传送流标准有关的各个层面。本文的主要研究工作之所以集中在m p e g 一2 系统 层传送流相关方向，这是由于m p e g 2 系统层传送流标准在整个数字电视系统中具有重要 意义和作用。 m p e g 一1 标准推出后，主要应用于低质量的家用数字视频光盘，无法应用于数字电视 广播系统，这正是由于m p e g 1 标准没有制定适用于在有误码情况发生的广播信道内传输 的码流结构。而m p e g 2 标准相对于m p e g 1 标准除了在视频图象质量方面有了很大提高 以外，另一个重要扩展就是扩充了系统层语法。m p e g 2 将原来m p e g 一1 的系统层语法加 以改进，扩展为两类码流：传送流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 和节目流( p r o g r a ms t r e a m ) ，两者 都是由压缩后的视频数据和音频数据以及辅助数据以分组形式构成。传送流是m p e g 1 标 一 准没有的新格式，正是由于传送流的制定，数字电视广播才成为可能。传送流采用1 8 8 字 节长的小包结构，结构复杂，容错性好，适用于在广播信道中传输。传送流的灵活性较大， 允许使用复用器对数据进行快速的重新组合或分离，提供几个节目多路传输功能。由于传 送流在包头上加了很多定义，使用起来非常灵活方便：可对每个分组设置优先级：加密解 密或加扰解扰；更换和插播广告节目等。 目前m p e g 2 系统层传送流已经成为了事实上的广播电视系统流标准，北美的a t s c 和欧洲的d v b 也是以m p e g 2 系统层传送流为基础扩展的标准。同时多节目的复用可以 有效的节省广播信道的带宽。由此可见m p e g 2 传送流方面研究的重要性和必要性。 ， 概括说来，m p e g 2 系统层传送流的研究的意义在于： ( 1 ) 系统层传送流标准是数字电视广播的必要基础。 f 2 ) 复用器是数字电视广播系统的重要组成部分。 ( 3