（计算机应用技术专业论文）数字电影信息的mxf封装加密技术的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前，电影数字化已经成为现实，但是数字电影所采用的视音频数据格式不断 增加。为了使视音频数据能在各存储设备间自如的进行文件交换，应将其封装成统 一的格式。同时为了确保数字影片的安全，不受非法获取，需要对内容进行加密处 理。所以，解决数字视音频的数据格式通用性和提高其安全性问题在数字电影中起 着至关重要的作用。 本论文在深入研究m p e g - 4 视频格式、a c - 3 音频格式、m x f 格式、m x f 封装m p e g - 4 视频格式和a c - 3 音频的技术要素、m x f 封装加密现状的基础上，结合数字电影封装 加密的要求，同时在通过编程比较了几种加密方案的性能后，提出一套m x f 封装加 密方案。并在v c + + 6 0 环境下设计开发了m x f 封装加密视音频系统。 关键词；m x f ，数字电影，封装加密 a tp r e s e n t ，m o v i ed i g i t i z a t i o nh a sb e e nr e a l i z e da l r e a d y , h o w e v e r , t h ed a t a f o r m a to fv i d e o a u d i oa d o p t e db yd i g i t a lf i l m sm o r ea n dm o r ei n c r e a s e d i no r d e rt o e a s i l ye x c h a n g et h ef i l e sa m o n gd i f f e r e n ts t o r a g ee q u i p m e n t s ，t h ev i d e o a u d i od a t a s h o u l db e e np a c k i n gu s i n gt h eu n i f i e df o r m a t a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t e n to f d i g i t a lf i l m ss h o u l db e e ne n c r y p t e ds oa st oe n s u r ei t ss e c u r i t y t h e r e f o r e ，t h e i n t e r c h a n g c a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ff i l ef o r m a ti ss i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n ti nd i g i t a l f i l mf i e l d b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nm p e g 4v i d e of o r m a t a c - 3a u d i o f o r m a t ，m x ff o r m a ta n dk e yt e c h n i c a le l e m e n to fm x fp a c k i n ga sw e l la ss t a t u so f m x f p a c k i n ga n de n c r y p t i n g ，c o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n to fd i g i t a lf i l me n c r y p t i o n ， a f t e rc o m p a r i s o nb e t w e e ne n c r y p t i o ns c h e m e s p e r f o r m a n c eb yp r o g r a m ，t h e s o l u t i o no fp a c k i n ga n de n c r y p t i o nb ym x fw a sd e s i g n e d ，w h i l et h ep a c k i n ga n d e n c r y p t i n gs y s t e mo fv i d e o a u d i ou s i n gm x f w a s d e v e l o p e du n d e rv c + + 6 0 z h a n gl i j u a n ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l iw e i k e yw o r d s ：m x f , d i g i t a lf i l m ，w r a pa n de n e r y p t l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数字电影信息的m x f 封装加密技 术的研究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ；益醢鳢 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：i 蔓函鲶 日期：匈：13 导师签名： 日期： 莲和 砂7 ，；，2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 从2 0 世纪7 0 年代开始，数字技术突飞猛进的发展促进了计算机、通信和广播 等三大传统信息系统领域的融合，产生了基于数字互动的媒介汇流( c o n v e r g e n c e ) 和产业整合现象。伴随着数字化时代的到来，电影的数字化已经成为现实，数字化 对电影的革命性挑战，应该说其意义远远超出了当年声音进入默片或者彩色代替黑 白等对电影所产生的影响“1 2 0 0 0 年国家为帮助解决贫困农村的电影放映问题设立了。2 1 3 1 1 - 程”专项资 金，其目的是为了实现2 l 世纪初我国每个自然村每月放映一都电影。2 0 0 4 年国家 广电总局为满足农村电影放映市场日益高涨的需求、更好的实旌。2 1 3 1 工程”，委 托电影数字节目管理中心研发“数字电影流动放映系统( d 淞) ”。d m s 系统包括影片 制作子系统、影片发行子系统和影片放映子系统三个部分。影片制作子系统主要由 数字录象机、视频采集压缩服务器、音频编码器和采集服务器、制作管理服务器以 及数据库等构成，包括胶转磁技术生成数字母版、信号采集、视频音频处理、节目 版权保护和节目入库等工艺过程；影片发行子系统主要是通过卫星和节目输入盘两 种方式放行影片；影片放映子系统包括终端播放服务器、功放、音箱、投影机和银 幕。 虽然d m s 系统已经投入使用，但其还有一些技术问题需要解决： 1 ) d m s 系统的视频采用m p e c r - 4 格式，音频采用杜比a c 一3 格式，目前d m s 系统 制作的影片将这两种格式的视音频分开，这样就造成影片不容易管理。所以d m s 系 统需要用具有通用性的格式文件把视音频数据封装在一起，即能在各种设备之间有 效的进行数据交换而且不影响视音频质量，达到减少影片管理成本提高影片质量 的目的。 2 ) 目前d m s 系统对视音频内容进行加密的强度不够，这样虽然能使非授权用 户得到影片后无法正常观看，但是非法用户很容易破解加密影片，即便不破解，也 可以看到大部分内容，所以d m s 系统需要更加安全的加密体系。 数字电影信息的m x f 封装加密技术的研究，解决了以上d m s 系统存在的两个问 题。而且目前在解决数字影片的文件格式的通用性问题上，广泛采用的是m x f 文件 格式。随着m x f 标准化的快速发展，它得到了电影行界广泛支持，越来越多的软、 硬件都支持它。2 0 0 5 年7 月2 0 日发布的( d i g i t a lc i n e m as y s t e ms p e c i f i c a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 v 1 0 明确要求数字电影交换格式采用m x f 格式，该技术规范是一个对全球数字影 院发展具有权威性的技术文件，它是由美国7 家大型制片公司共同出资建立的一个 专门起草、制定数字影院技术规范并进行相关测试、评价的机构( 即d c i 组织) 拟 定所以，对m x f 封装加密的研究意义不局限于d m s ，它具有极大的技术参考价 值。其中，本文提出的加密方案消耗小且能达到足够的安全性级别，开发的系统具 有灵活性、可扩展性等优点，使本文研究的m x f 封装加密技术具有广阔的应用前景。 1 2 论文主要从事的工作 在撰写该论文之前主要从事的工作如下： 1 ) 实现m 】( f 封装视音频格式 ( 1 ) 研究m p e g 一4 视频格式和a c - 3 音频格式。 ( 2 ) 研究呶f 格式 ( 3 ) 研究妪f 封装硅p e f f - 4 视频格式和a c - 3 音频格式的技术要素。 ( 4 ) 在v c + + 6 0 环境下实现m x f 封装m p e 争4 视频和a c 一3 音频。 2 ) 实现m x f 格式文件加鹪密 ( 1 ) 介绍了m x f 和视频加密的研究现状。 ( 2 ) 编程比较几种加密方案的性能，优化a e s 算法。 ( 3 ) 设计舣f 格式加密与m p e g - 4 加密相结合的加密方案。 ( 4 ) 在v c + + 6 0 环境下实现m x f 格式加密与m p e g - 4 加密相结合的加密方 案。 1 3 论文的内容组织 本文共分为六章，各章主要内容为： 第一章简要介绍了选题背景、意义以及课题主要研究的内容。 第二章主要介绍了当前视音频发展现状和主流视音频的特点，并对t i p e g - 4 视 频和a c - 3 音频的编码技术进行详细介绍。 第三章首先分析视音频封装现状和要求，然后研究m x f 封装m p e g 一4 和a c - 3 的 技术要素。 第四章首先分析m x f 加密现状和要求，然后对m p e g - 4 视频选择加密方案进行 研究，提出了一套m x f 格式加密与m p e g - 4 加密相结合的加密方案。 第五章具体介绍m ) 【f 封装加密技术实现的整个过程。 第六章对全文做了总结，提出了论文中的不足和优点。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章m p e g - 4 视频与a c - 3 音频的编码技术 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 是在1 9 8 8 年由国际标准化组织 i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 和国际电工委员 i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c 8 lc o m m i s s i o n ) 联合成立的专家组，负责开 发电视图象数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组开发的 标准称为m p e g 标准啪。到目前为止，已经提出的标准有m p e g - 1 、m p e g 一2 、m p e g - 3 、 m p e g 一4 、m p e g 一7 和m p e g 一2 1 m p e g 的标准有各自的优缺点和适用范围，其中发展最 迅速、影响最大的多媒体数据压缩编码国际标准是m p e g - 4 m p e g - 4 标准的全称是 音频和视频对象的通用编码，它是伴随着互联网产生和发展起来的m p e g - 4 定义 了多媒体编码和解码、互联网上的传输以及人与媒体交互的一整套框架，涵盖了多 媒体的绝大部分应用领域。m p e g - 4 基于对象的编码思想使其具有高压缩比、可扩 展性、可交互性等许多优点，代表着未来多媒体数据压缩编码的发展趋势，成为流 媒体应用中压缩视频流的首选标准 目前存在着各种数字多媒体音频格式，最为知名的数字音频格式是m p e g - 2a a c 、 m p 3 、m p e g - 4 音频、d o l b ya c 一3 。肿e g 一2a a c 实现了高压缩率、灵活的编解码、基 于目标的编码功能允许和声音视频交互作用使在移动环境中的交互应用成为可能， 它的主要应用范围是广播、基于内容的存储和检索、数字电视机顶盒和d v d 等。m p 3 通过利用立体声效果及限制声音带宽，在更低的比特率下达到可接受的声音质量， 它的主要应用范围是数字音频广播、i n t e r n e t 流、便携式声音系统、计算机上音乐 文件的存储和交换等。m p e g 一4 音频提供标准化的技术元素，促成了生产、分配和内 容访问三个领域的整合，它的主要应用范围是广播、基于内容的存储和检索、数字 电视机顶盒及d v d 等。d o l b ya c 一3 是d o l b y 实验室开发的一项5 1 分离声道音频编 解码技术。这一技术事实上已经成为消费类数字新格式的音频标准，已被d v d 、数 字有线网络和数字电视等领域广泛采用。d o l b ya c - 3 能够以比传统的c d 上一个声 道的音频比特率更低的比特率存储和传输6 个分离声道的音频，音频数据一般压缩 到原始数据的1 l o 。d o l b ya c 3 可以根据特定的应用选定比特率和声道数，同时所 有的类型采用相同的原理，保证了格式间的兼容性和对将来需求的扩展性。d o l b y a c 3 所传输的音频质量、不同凡响的系统特性设置、实用于多种多样的经济实惠的 消费类解码器，以及杜比实验室提供的高水平的应用工程支持并从而建立的精力充 沛的技术支持架构，使得d o l b ya c 一3 在全世界范围内被广泛的应用。 3 华北电力大学硕士学位论文 2 1m p e g - 4 概述 2 1 1 什么是m p e g - 4 m p e g - 4 引入了基于对象表达( o b j e c t b a s e dr e p r e s e n t a t i o n ) 的概念来表达 视听对象a v o ( a u d i o v i s u a lo b j e c t s ) 。m p e g 一4 扩充了编码的数据类型，由自然 数据对象扩展到计算机生成的合成数据对象，采用合成对象自然对象混合编码 s n h c ( s y n t h e t i c n a t u m lh y b r i dc o d i n g ) 算法。在实现交互功能和重用对象中 引入了组合、合成和编排等重要概念。m p e g - 4 中制定了一个称为传输多媒体集成框 架d m i f ( d e l i v e r ym u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ) 的会话协议，它用来管 理多媒体数据流。该协议在原则上与文件传输协议f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 类似，其差别是：f t p 返回的是数据，而d m i f 返回的是指向到何处获取数据流的指 针。d m i f 覆盖了三种主要技术：广播技术、交互网络技术和光盘技术“1 。 m p e g - 4 将应用在移动通信和公用电话交换网p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 上，并支持可视电话( v i d e o p h o n e ) 、电视邮件( v i d e om a i l ) 、电子报 纸( e l e c t r o n i cn e w s p a p e r s ) 和其他低数据传输速率场合下的应用。截止目前， 已作为国际标准草案d i s ( d r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) 的m p e g - 4 标准由2 0 个部分组成，其中前六部分为嘲： 1 ) m p e g - 4 系统标准，标准名i s o i e cd i s1 4 4 9 6 一lv e r y - l o wb i t r a t ea u d i o - v i s u a lc o d i n g p a r t l ；s y s t e m s 。 2 ) m p e g 一4 电视图象标准，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 - 2v e r yl o wb i t r a t e a u d i o v i s u a lc o d i n g p a r t2 ：v i d e o 。 3 ) m p e g 一4 声音标准，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 - 3v e r yl o w b i t r a t ea u d i o - v i s u a lc o d i n g p a r t 3 ：a u d i o 。 4 ) m p e g - 4 一致性测试标准，标准名是i s 0 i e cd i s1 4 4 9 6 4v e r y - l o wb i t r a t e a u d i o v i s u a lc o d i n g p a r t4 ：c o n f o r m a n c et e s t i n g 。 5 ) m p e g - 4 参考软件，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 - 5v e r y - l o wb i t r a t ea u d i o - v i s u a lc o d i n g p a r t 5 sr e f e r e n c es o f t w a r e 6 ) m p e g - 4 传输多媒体集成框架，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 - 6v e r y - l o w b i t r a t ea u d i o v i s u a l c o d i n g p a r t6 ：d e l i v e r ym u l t i m e d i ai n t e g r a t i o n f r a m e w o r k ( d m i f ) 。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2m p e g - 4 应用特点 m p e g 一4 标准提供了一整套技术来满足作者、服务提供商和最终用户的需求偏 好。对于作者来讲，m p e g - 4 使得基于内容的产品成为现实，这种产品具有很大的可 用性，具有比现在的独立技术及其扩展技术所能提供的更大的灵活性，而且有可能 进行更好的管理和著作权的保护。对于网络服务提供商来说，m p e g - 4 提供了透明的 信息，它能够在相对标准的实体的帮助下解释并翻译成每个网络相应的本地信号讯 息。对子最终用户来说，m p e g - 4 在作者所置的限制内提供更高水平的内容交互。它 也为新兴网络，包括那些应用相对低速率的网络以及移动网络提供多媒体服务。在 这些应用中，它的主要特点如下： 1 ) 基于内容的交互功能，m p e g 一4 采用了用现代图像编码方法，利用人眼视频 特性抓住图像信息传输的本质，从轮廓、纹理的思路出发，支持基于视频内容的交 互功能。而基于内容交互功能的关键在于基于视频对象的编码。为此，m p e g - 4 引入 视频对象平面( v o p ) 的概念面向视频对象进行编码，在这一概念中，根据人眼感 兴趣的一些特性，如形状、运动、纹理等，将图像序列中每帧的场景看成是由不同 v o p 所组成的，而同一对象连续的v o p 称为视频对象( v o ：v i d e oo b j e c t ) 。 2 ) 支持自然及合成信息的混合编码，m p e g - 4 支持合成信息的编码，可对合成 的v o 及其活动信息进行参数化描述。对于频繁出现的视觉对象则分别定义了它们 的纹理形状和动画参数。 3 ) 高效编码，包括视频v o 数据的高效编码和多个并发数据的有效同步编码。 4 ) 基于内容的伸缩性，指分级编码后，纹理、图像和视频基于内容的伸缩性， 视频序列中时域、空间及质量的伸缩性，表现为时域实时或非实时、数据率大小及 重建的图像质量上 2 2m p e g - 4 数据结构 2 2 1m p e g - 4 视频编码基本结构 m p e g 一4 的视频流语法从上到下大致分为；视频序列v s ( v i s u a ls e q u e n c e ) 、 视频对象v o ( v i s u a lo b j e c t ) 、视频对象层v o l ( v i d e oo b j e c tl a y e r ) 、视频对 象平面组g o v ( g r o u po fv o p ) 和视频对象平面v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 。v s 对 应于一段完整的视频场景，包含一个或多个v 0 ，v o 对应于场景中具体的人或者是 其它的物体，如新闻节目中解说人员的头像，v o 码流中包括的纹理、形状和运动信 息层构成了v o l ，v o l 是v 0 在时间或空间上的分级描述，用于实现分级编码，一个 5 华北电力大学硕士学位论文 v 0 可以由一个或多个视频对象层组成，在m e p g 一4 的码流中g o v 是可选的，多个v o l 组成6 0 v ，用于实现比特流的随机存取，v o p 是v 0 在某一时刻的取样，某一帧中的 视频对象就是v o p ，v o 是以v o p ( 视频对象平面) 的形式出现的，所以编码也是针 对该时刻v o 的形状、运动、纹理三类信息进行的，图2 - 1 是m p e g - 4 的视频编码结 构图咐 图2 - 1m p e c 一4 视频编码结构图 下砸对编码关键模块进行介绍”1 ： 1 ) 形状编码：m p e g - 4 引入了形状信息编码，尽管形状编码在计算机图形学、 计算机视频和图像压缩领域不是新技术，但将其纳入完整的视频编码标准中，这还 是第一次。v 0 的形状信息有两类：二值形状信息和灰度形状信息。二值形状信息用 0 、1 来表示v o p 的形状，0 表示非v o p 区域，l 表示v o p 区域。二值形状信息编码 采用基于运动补偿块技术，可以是无损或有损编码。灰度形状信息用0 “2 5 5 之间的 数值来表示v o p 的透明度，其中0 表示完全透明( 相当于二值形状信息中的o ) ， 2 5 5 表示完全不透明( 相当于二值形状信息中的1 ) 灰度形状信息的编码采用基 于块的运动补偿d c t 方法( 同纹理编码相似) ，属于有损编码。目前标准中采用矩 阵形式来表示二值或灰度形状信息。 2 ) 运动信息编码：类似于现有的视频编码标准，m p e g 一4 采用运动预测和运动 补偿技术去除图像信息中的视频冗余度，而这些运动信息的编码技术可视为现有标 准向任意形状的v o p 延伸。v o p 编码有3 种模式，即帧内( i n t r a - f r a m e ) 编码模式 ( i v o p ) ，帧间( i n t e r f r a m e ) 预测编码模式( p v o p ) 和帧间双向预测 ( b i d i r e c t i o n a l y ) 编码模式( b - v o p ) 。在m p e g 一4 中运动估计和运动补偿可以是 基于1 6 1 6 像素宏块，或是8 * 8 像素块。为了能适应任意形状的v o p ，m p e g 一4 引入 了图像填充( i m a g ep a d d i n g ) 技术和多边形匹配( p o l y g o nm a t c h i n g ) 技术。图 6 华北电力大学硕士学位论文 像填充技术利用v o p 内部的像素值来外推v o p 外的像素值，以此获得运动估计的参 考值。多边形匹配技术则将v o p 的轮廓宏块的活跃部分包含在多边形之内，以此来 增加运动估计的有效性。 3 ) 纹理编码：纹理编码的对象可以是帧内编码模式( i - v o p ) ，也可以是帧间 编码模式b - v o p 或p - v o p 运动补偿后的预测误差编码方法基本上仍采用基于8 * 8 像素块的离散余弦变换d c t 方法。在帧内编码模式中，对于完全位于v o p 内的像素 块，则采用经典的d c t 方法；对于部分在v o p 内、部分在v o p 外的像素块则首先采 用图像填充技术来获得v o p 之外的像素值，之后再进行d c t 编码。帧内编码模式中 还将对d c t 变换的d c 及a c 系数进行有效的预测。在帧间编码模式中，为了对b v o p 和p - v o p 运动补偿后的预测误差进行编码，可将那些位于v o p 活跃区域之外的像素 值设为1 2 8 。变换之后的d c t 系数还需经过量化( 采用单一量化因子或量化矩阵) 、 z i g z a g 扫描及变长编码，这与现有标准基本相同。 4 ) 可分级编码：m p e g 一4 提供了基于对象的分级功能，并同时兼顾m p e g 一2 中的 图像分级功能引入分级编码可使得接收机可依据具体的信道带宽、系统处理能力、 显示能力及用户需求进行多分辨率的解码及重放。m p e g - 4 通过视频对象层v o l 的数 据结构来实现分级编码。每一种分级编码都至少有两层v o l ，低层称为基本层，高 层称为增强层。空域可分级性可通过增强层强化基本层的空间分辨率来实现，因此 在对增强层中的v o p 进行编码之前，必须先对基本层中相应的v o p 进行编码。同样 对于时域可分级性，可通过增强层来增加视频序列中某个v o ( 特别是运动的v o ) 的帧率，使其与其余区域相比更为平滑。 2 2 2m p e g - 4 视频码流语法 1 ) 起始码：它是一些在视频流的其它部分不会出现的比特组合。每个起始码由 起始码前缀和跟在它后面的起始码值组成。起始码前缀是由2 3 个0 和1 个1 组成 的比特序列，也就是“0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 ”。如：用十六进制编辑 器找开文件上，以二进制数查找o oo o0 1b 6 ，后取其后面一个字节，该字节的高 两位为帧类型定义：o o 为i 帧( 关键帧) ，o l 为p ，1 0 为b ，1 1 ( 暂时无) 。起始 码值是一个8 比特整数，它来指示起始码类型。大多数类型起始码使用唯一的起始 码值。但是v i d e o _ o b j e c t s t a r t c o d e 和v i d e o _ o b j e c t l a y e r _ s t a r t c o d e 可以使 用多种起始码。 2 ) 码流基本结构：m p e g - 4 视频码流的最高组织层次是视觉序列，它的开始以 v i s u a lo b j e c t s e q u e n c es t a r t c o d e 为标志，以v i s u a l o b j e c t s e q u e n c e e n d c o d e 为结束标志。在视觉对象序列中包含视觉对象，视觉对象以v is u a l _ o b j e c t s t a r t c o d e 为开始标志，然后是视觉对象类型字段表示当前的视觉对象的类型。如： 7 华北电力大学硕士学位论文 视频、静态纹理、人脸、网格等。然后对视频对象层和其它的一些访问标志，最后 是视觉对象的结束标志。在视频对象层中同样有开始和结束标志，中问还有一些码 流配置信息，控制字段，还包含着重要的视频信息视频对象平面，视频对象平面 中包含每一帧的间隔，长度和宽度尺寸，这些都是非常重要的视频信息。 2 3a c - 3 概述 2 3 1a c - 3 的应用介绍 a c - 3 数字音频标准于1 9 9 4 年1 1 月被a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m s c o m m i t t e e ) 采纳。它的主要特点如下嘲： 1 ) 声音质量高，能够携载多声道音频。 2 ) 可用于多种传输方式，包括地面、有线、卫星、和宽带传输，并可以从存储 系，统如d v d - v i d e o ，d v d - a u d i o 和硬盘刻录系统中还音。 3 ) 高质量传输单声道和立体声音频 4 ) 具有。下混合”特性的可升级接收机设计 5 ) 低成本的单声道和立体声接收机应用。 6 ) 消费者和广播商可拥有从单声道和立体声到多声道音频的简易升级途径，提， 供了具前瞻性的系统 数字音频压缩的目的是产生音频信号的最少数字表示，使它解码以后听起来和 初始声音一样。 2 3 2a c - 3 的编解码原理 a c 一3 编码器接收p c m 信号并产生跟标准一致的比特流，解码后产生满足特定应 用的音频信号。a c 一3 算法通过粗略的量化音频信号的频域表示实现了高的编码效率 ( 输入与输出的比特率之比) 。编码的第一步将音频信号的一系列p c m 时间采样转 为一系列频率系数块，这是通过分析滤波器组完成。单一的频域系数用二进制指数 表示成二进制指数和二进制尾数，一组指数编码成信号频谱的粗略表示即频谱包 络，该频谱包络被核心比特分配程序使用来决定对每个尾数分配的比特数。六个音 频块的编码的频谱包络和粗量化的尾数格式化为a c - 3 帧。a c 一3 比特流就是一系列 a c 一3 帧，a c 一3 的简略编码过程图如图2 - 2 所示，实际上的a c - 3 编码比图2 2 所示 的要复杂得多。 8 华北电力大学硕士学位论文 p c m 时阃 采样 图2 - 2a c - 3 编码图 a c - 3 比特蠢 解码过程基本上是编码过程的逆过程，如图2 3 所示，解码器必须同步编码比 特流、检查错误并拆卸各种数据，如频谱包络和量化的尾数，比特分配程序运行结 果用于拆分和反量化尾数频谱包络解码产生指数，指数和尾数反变换到时域产生 解码的p c m 时问采样。实际上的a c 一3 解码也比图 3 所示的要复杂得多啪。 a 比特流 2 3 3a c - 3 的语法 图2 - 3a c 一3 解码图 1 、a c - 3 的同步帧 a c 一3 串行编码的音频数据流是由一系列同步帧组成，每个同步帧包含六个编码 的音频块( a b ) ，每个音频块代表2 5 6 个新的音频采样，每个帧头部的同步信息( s i ) 包含用于保持和获得同步的信息，s i 后的比特流信息( b s i ) 包含描述编码的音频 9 华北电力大学硕士学位论文 服务的参数，编码的音频块后是辅助数据域( a u x ) ，一个附加的c r c 字位于s i 的 开头，它的使用是任选的。 2 、语法规范 连续的音频比特流包含一系列同步帧，同步帧由s y n i n f o 域、b s i 域和六个编 码的a u d b l k 域、a u x d a t a 域、e r r o r c h e c k 域组成。 每个比特元素及其长度都在下面的伪代码列出。值得注意的是比特流元素到达 是最高位先或最左位先。由于篇幅原因，本节只列出s y n i n f o 域的语法信息，如表 2 - 1 所示，其余的语法可参考a c 一3 的标准。 表2 - 1s y n c i n f o 语法 s y n t a x w o r ds i z e s y a c i n f o o ( s y n c w o r d 1 6 c r c l1 6 f s c o d2 f m s i z e c o d 6 * e n do fs y n c i n f i o 3 、比特流限制 比特流的限制通过a c 一3 编码器编码加于比特流，这些限制使a c - 3 的解码器的 输入存储齐缓冲区更小，a c 一3 的比特流的限制如下： 1 ) s y n c i n f o 域、b s i 域中的块0 和块1 的组合大小不能超过帧长的5 1 8 。 2 ) 第5 尾数数据、辅助数据域和e r r o r c h e c k 域之和不得超过帧长的3 8 。 3 ) 块0 应该包含在开始正确解码比特流之前包含所有必须信息。 4 ) 每当c p l i n u 的状态从关变成开时，所有的耦合信息包含在耦合开始的音频 块里。 5 ) 耦合不应该被用于双重的单一( i + i ) 或单一( i 0 ) 模式。 6 ) 如果其他比特流元素改变元素维度被重复使用，那么比特流元素不能被先 前块再使用。 华北电力大学硕士学位论文 第三章m x f 封装m p e g - 4 与a c - 3 数据格式的技术研究 目前，随着数字视频的数据格式的不断增加、存储设备的种类越来越多，为了 使视音频数据能在各存储设备间自如的进行文件交换，需要把视频内容封装成统一 格式。封装是某种组织和包装这些素材的方式，使其适于存储和传输，到达最终目 的地方后能够方便的存储和解包播放。 3 1 视音频封装现状研究 目前比较流行的封装格式有三种：m x f 、g x f 和a a f m x f ( m a t e r i a le x c h a n g e f o r m a t ) 为“素材交换格式”，主要用于设备问的文件交换并支持简单的编辑功能； g x f ( g e n e r a le x c h a n g ef o r m a t ) 为“通用交换格式”，主要用于存储文档的交换； a a f ( a d v a n c e da u t h o r i n gf o r m a t ) 为“先进制作格式”，支持复杂、灵活的编辑 功能。2 0 0 5 年7 月2 0 日发布的( d i g i t a lc i n e m as y s t e ms p e c i f i c a t i o nv 1 0 明确要求数字电影交换格式采用m x f 格式。 目前还没有具有用m x f 封装m p e g 一4 、a c 一3 格式功能的产品和系统，以及支持 播放主体为m p e g - 4 、a c - 3 数据格式的m x f 播放器。国内在此方面的相关产品还在 发展中。但目前国外支持蜮f 封装其他数据格式的产品越来越多，主要有： 1 ) s n e l l w i l c o x 的产品m x fd e s k t o p ：它具有m x f 封装m p e g 一2 的功能，并 可以把封装以后的数据原样解封装出来，但是不具有封装m p e 争4 和a c 一3 数据格式的功能。 2 ) t h es o u r c e f o r g e n e tt e a m 开发出m x f l i b ( ac + + l i b r a r yf o rm x ff il e i o ) 。它现在已经提供封装m p e g 一2 p c m 等数据格式的m x f 文件接口，但 还不具备提供封装m p e g 一4 、a c - 3 数据格式的m x f 文件接口。 3 2 封装的要求 数字电影的封装需要达到以下要求： 1 ) 封装的格式为开放标准。 2 ) 交互操作性。 3 ) 可升级性。 4 ) 可扩展性。 5 ) 同步。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 3 3m x f 概述 m x f ( m a t e r i a le x c h a n g ef o r m a t ) 为“素材交换格式”，是专业m p e g 论坛 ( p r o - m p e 6f o r u m ) 制定和推广的一个开放的文件格式，其目标是解决节目制作系 统中不同环节的设备间视音频节目素材和相关数据及其元数据的交换“。m x f 可以 在不同的网络协议和操作系统下工作，它也不对压缩格式进行转换，它甚至可以处 理未压缩的视音频，它拥有多种封装模式灵活的封装视音频数据。下面分别介绍了 m x f 的标准、数据结构。 3 3 1m x f 标准 m x f 标准是由摄影与电视工程师协会s m p t e ( s o c i e t yo fm o t i o np i c t u r ea n d t e l e v i s i o ne n g i n e e r s ) 标准定义s l d p t e 标准化活动服务于移动图象的所有分支， 包括电影、录象和多媒体。s m i 叩e 标准中关子m x f 标准包含四个基本部分； 1 ) 基本文档：包括四个标准，涉及舣f 的文件格式规范、使用规范、m x f 元数 据使用规范以及慨f 使用的k l v 编码规范。 2 ) 可选操作模式文档：包括七个标准，共定义了十种操作模式，即可以把素 材封装成十种不同结构的m x f 文件。 3 ) 封装容器文档：包含十二个标准，针对不同格式的素材定义了不同的存储 到m x f 文件的方法，例如：s m p t e3 8 1 m 定义了如何把m p e 6 格式的内容存储到m x f 文件，s m p t e3 8 跏定义了如何把d v 格式的内容存储到m x f 文件。 4 ) 元数据字典注册文档：包括三个标准，关于元数据原理、元数据字典及 通用标签的注册的标准。 四个基本部分总共由2 6 个标准组成，如下表3 - 1 ，其中备注打勾的为m x f 封装 m p e g - 4 、a c 一3 相关的标准。为了研究的准确性，在研究过程中，按照如下标准进行 研究。 华北电力大学硕士学位论文 表3 1m x f 标准 标准分类标准名称标准描述 备注 t h e m x ff i l ef o r m a t s 枷y r e3 7 7 m s p e c i f i c a t i o n ( t h eo v e r a l l v m a s t e rd o c u m e n t ) m x fe n g i n e e r i n gg u i d e ( ag u i d e 基本 s 班y r ee g 4 1 v e x p l a i n i n gh o wt ou s em x f ) 文档 m x fd e s c r i p t i v em e t a d a t a ( a s 班y r eb g 4 2g u i d ee x p l a i n i n gh o wt ou s e v d e s c r i p t i v em e t a d a t ai nm x f ) h o wt ok l vc o d e t h e a v s 姗y r e3 3 喇v e s s e n c e p a r t o p - h t o m ( av e r ys i m p l ea n d s 姗y r e3 9 0 mh i g h l yc o n s t r a i n e dl a y o u tf o r v s i m p l em x ff i l e s ) 可选 s 班y r e3 7 跏 0 卜l a ( t h el a y o u to p t i o n sf o ra 操作 m i n i m a ls i m p l em x ff i l e ) v 模式 s m p t e3 9 1 mo p - l b s 蛳y r e3 9 2 m0 p - 2 a s y r e3 9 3 mo p 一2 b s m p t e4 0 7 mo p 一3 a ， 0 p 一3 b s y r e4 0 8 mo p - i c ，o p - 2 c 。o 卜3 c g e n e r i cc o n t a i n e r ( t h ew a yt h a t s y r e3 7 9 mv e s s e n c ei ss t o r e di n 蜮ff i l e s ) g c - m p e g ( h o wt os t o r ei i p e g s 协y r e3 8 1 m e s s e n c ed a t ai nm x fu s i n gt h e v g e n e r i cc o n t a i n e r ) g c d v ( h o wt os t o r ed ve s s e n c e 封装 s 姗y r e3 8 3 md a t ai n 蜮fu s i n gt h eg e n e r i c 容器 c o n t a i n e r ) g c _ c p ( h o wt os t o r es d t i _ c p s m p t e3 8 5 m e s s e n c ed a t ai n 蜮fu s i n gt h e g e n e r i cc o n t a i n e r ) g c d i o ( h o wt os t o r es m p t ed i o s 姗y r e3 8 6 m e s s e n c ed a t ai nm x fu s i n gt h e g e n e r i cc o n t a i n e r ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 表3 一tm x f 标准( 续) 标准分类标准名称标准描述 备注 g c d l l ( h o wt os t o r es 姗y r ed 1 i s 协y r e3 8 7 m e s s e n c ed e t ai nm x