（载运工具运用工程专业论文）试验车数据采集系统的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 机车牵引试验是在新建线路投入运营、客运列车提速、货运列车增加 牵引吨位、司乘制度改革及机车交路变化等情况下所进行的一项基础性技 术工作，为铁路部门经营决策、制定运输方案、挖潜增效提供科学依据。 试验车数据采集系统是试验车的核心系统。本文研究开发的试验车数据采 集系统包括两个子系统：牵射试验数据采集系统和线路视频数据采集系 统。 通过分析原牵引试验数据采集系统的组成和线路测距误差的原因，在 尽可能少改动原系统软硬件的前提下，提出了解决线路测距误差的方案一 一充分利用机车监控装置的数据。应用串口通讯技术，实现了牵引数据采 集系统与机车监控装置的通讯，实时获取监控装置数据，解决了牵引数据 采集系统的线路距离测量误差问题。 设计开发的线路视频数据采集系统，实时采集压缩线路视频数据并生 成用于回放定位的索引数据。索引数据是通过分析视频数据流提取帧信 息，同时从串口接收机车监控装置的数据而形成的。开发的专用线路视频 播放器，利用索引数据可以方便的按照公里标进行搜索、定位播放，并配 以线路图形象地显示当前播放的位置和公里标。 该系统已在广州铁路集团公司试验车上使用，经过现场的应用测试， 达到了预定的设计目标，验证了系统设计的合理性和实用性。 关键词：试验车，数据采集，串口通讯，视频压缩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fp u t t i n gn e wr a i l w a yl i n e si n t ou s e o r i m p r o v i n gp a s s e n g e rt r a i ns p e e do r i n c r e a s i n gf r e i g h tt r a i n t o n n a g eo rr e f o r m i n gd r i v i n gs y s t e m ，t r a i nt r a c t i o nt e s th a sb e c o m e o n ef o u n d a t i o n a lt e c h n i c a l j o b i tp r o v i d e ss c i e n t i f i cd a t af o r r a i l w a y a d m i n i s t r a t i o nt om a k e m a n a g e m e n t d e c i s i o na n d t r a n s p o r t a t i o n sp l a n ，t od u gp o t e n t i a la n di n c r e a s ep r o f i t i nt h i s p a p e r ，ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rt r a c t i o nt e s tv e h i c l eh a sb e e n s t u d i e da n dd e s i g n e d t h es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m s ：o n ei s t r a c t i o nt e s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ：a n o t h e ri s r a i l w a yl i n e s v i d e od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m o nt h ep r e m i s eo ft h a tt h ef o r m e rt r a c t i o nt e s td a t aa c q u i s i t i o n s y s t e ms h o u l db e e nc h a n g e ds m a l l a sp o s s i b l e ，as o l u t i o n ，t h a t m a k i n gf u l lu s eo ft h ed a t af r o mi o c o m o t i v em o n i t o r i n gd e v i c e ，h a d b e e np r e s e n t e dt or e s o l v et h er a il w a y r a n g i n g e r r o r p r o b l e mb y a n a l y z i n gt h ec o n s t i t u t e so ft h ef o r m e rs y s t e ma n dt h er e a s o no f t h er a i l w a yr a n g i n ge r r o r b ya p p l y i n gs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，i t h a sb e e n i m p l e m e n t e d t h a tt r a c t i o nt e s td a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m c o m m u n i c a t ew i t hm o v i n gm o n i t o r i n gr e g i s t e r e q u i p m e n tt or e c e i v ei t sd a t ai nr e a lt i m e t h u st h er a il w a yr a n g i n g e r r o rp r o b l e mo ft r a c t i o nt e s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a db e e n r e s o l v e d r a i l w a yl i n e sv i d e od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i s p a p e rc a nn o to n l ya c q u i r ea n dc o m p r e s sr a i l w a yl i n e sv i d e od a t a i nr e a lt i m eb u ta l s of o r mi n d e xd a t at h a tc a r lb eu s e df o rs e a r c h i n g a n dp o s i t i o n i n gf r a m ei nl a t t e rp l a y i n gv i d e o t h ei n d e xd a t ah a s b e e nf o r m e db ya n a l y z i n gv i d e os t r e a mt og e tf r a m ei n f o r m a t i o na n d r e c e i v i n gm o v i n gm o n i t o r i n gr e g i s t e re q u i p m e n t sd a t af r o ms e r i a l p o r t u s i n gi n d e xd a t a ，r a i l w a yv i d e op l a y e rd e s i g n e di nt h i sp a p e r c a ns e a r c ha n dp o s i t i o nf r a m ea c c o r d i n gt og i v e nk i l o m e t e ra sw e l l a s d i s p l a y k i l o m e t e ra n d p o s i t i o nb yd r a w i n g t r a c kg r a p hw h e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 p l a y i n g t h e s y s t e m h a d a p p l i c a t i o n i nt r a c t i o nt e s tv e h i c l eo f g u a n g z h o ur a i lg r o u pc o t h r o u g ht e s t i n go ns i t e ，i tw a sp r o v e d t h a tt h es y s t e md e s i g nh a dg e td e s i r eg o a l ，a n dw a sr a t i o n a l i t ya n d p r a c t i c a b i li t y k e yw o r d s ：t r a c t i o nt e s tv e h i c l e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n ，v i d e ec o m p r e s s i o h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 机务牵引试验车的作用 随着国民经济的持续高速发展，铁路运输在新的形势下呈现了许多 新的特点，如新建线路投入运营，客运列车提速、货运列车提高牵引吨位、 牵引机型不断更新、司乘制度的改革以及机车交路变化等。尤其是从1 9 9 7 年至今，对既有线路先后进行了4 次大范围的提速，这使得铁路运输的方 案( 如：牵引定数、运行时分、运行图) 频繁改动，从而对牵引试验的需 求和依赖性大大增加。 机务牵引试验车是进行铁路客、货运输牵引试验的特种车辆。它与机 车连挂运行，通过自身的测量及试验装置记录机车和列车运行有关数据， 为制定合理的牵引定数、运行时分、运行图等运输方案，考核机车牵引效。 能提供了科学的依据【o ”。其试验结果也是机车合理运用及保证运行安全的 基本资料，尤其是在客车提速及重载运输决策中发挥了重要的作用。 目前，各铁路局机务部门都装备了试验车，某些路局已研制了新型的 能满足高速及重载的试验车，为客车提速及货车重载运输提供试验数据。 随着技术的不断进步，试验的目的和任务不仅限于机车的牵引及热工性能 试验，试验的目的和任务也朝着多样化及综合化发展。如何充分利用试验 车的有效资源，使牵引试验发挥更大的作用也是一项紧迫的任务。 1 2 试验车数据采集系统 试验车数据采集系统是试验车的核心系统。 一般牵引试验所检测的技术参数有两类，其一是机车参数：机车挽钩 牵引力及动力制动力、牵引电机电压及电流、主发电机电压、柴油机转速、 柴油机燃油压力、冷却水压力、冷却水温度、机油压力等。其二是列车参 数：列车运行速度、走行公里、列车运行时分、停站时分，歹0 车管压等。 目前我国试验车数据采集系统普遍采用了计算机数据采集及处理系 统，可对采集数据进行可视化显示，动态显示整个试验过程。各铁路局试 验车采用自己研制的或由铁科院研制的j l s 3 型试验车数据采集系统。试 验车数据采集系统般由软硬件两部分组成，般还有视频监控功能。 铁科院研制的j l s 3 型试验车数据采集系统构成包括【u 列： 1 ) 数据采集硬件设备：由各物理量测量传感器，前置放大器、a d 转 换装置、计算机系统和数据输出系统组成。前置放大器中里程记录的1 路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具有显示及修正功能，设开关量输入的1 6 路用作站中心及公里打标：a d 转换装置可输入3 2 路模拟量，将模拟量转换成数字量送入计算机总线：计 算机网络服务系统由3 台计算机和1 台服务器组成，可对采集的数据进行 记录和处理，并由集线器将多台计算机和服务器连接在一起，以保证试验 数据不被丢失：数据输出系统除输出实时显示的数据外，还包括激光打印 机、绘图仪等。 2 ) 数据采集软件：由牵引运行软件、起动与制动软件、打印绘图软件 及试验表格处理软件构成。其中，牵引试验软件，通过事先已输入的线路文 件等参数，可以得出列车运行中与线路相对应的参数，并可以在显示屏上 实时地显示出线路的断面、机车运行位置、机车运行的实际工况参数等实 测数据的运行图：打印绘图软件既可实时打印测试结果，也可在试验后对 试验情况进行汇总打印。 3 ) 视频监控系统：由摄像机阻及信号放大、分配器等设备组成，可对机 车司机室内部、机车运行前方和电力机车受电弓工作情况进行实时监控和 记录。 广州铁路集团公司机务试验车采用了西南交大与广铁集团共同开发 的牵引试验数据采集系统1 0 3 】，该系统有别于铁科院研制的j l s 3 型试验车 数据采集系统： 1 ) 数据采集硬件部分：选用了集信号放大和a d 转换为一体的 p c l 8 1 8 数据采集卡，能进行实时的1 6 路技术参数的采集。系统采用一 台计算机，支持多显示器显示，三台显示器中，一台显示列车运行图，一 台用于采集参数的数字显示，由于采用了视频叠加卡，另一台用于在线路 视频图像上叠加线路公里标数据。 2 ) 数据采集软件集采集、处理及打印功能于一体，采用了工务线路 数据库文件，减少了线路数据编辑的工作量。 3 ) 视频监控系统还可将叠加有线路公里标数据的线路视频图像进行 实时采集压缩，以视频文件的形式保存到硬盘。 1 3 本课题的来源 广州铁路集团公司机务处于1 9 9 8 年建造了台时速2 0 0 k m h 的新型 高速双层试验车，该车采用了西南交大与广铁集团共同开发的牵引试验数 据采集及处理系统。多年来，该系统发挥了重要的作用，尤其是为铁路 亘堂皇堡大学硕士研究生学位论文第3 页 全面提速提供了重要的实验数据。但在使用过程中，也发现系统存在一些 不足，主要是由于当时的技术条件所限制而没能很好地解决，部分问题是 在使用过程中因为功能的扩展而显现出来。 广州铁路集团公司试验车原牵引试验数据采集系统结构如图1 1 所 示： 1 6 个传感器模拟量输入测速电机脉冲信号输入 图卜i 牵引试验数据采集系统框图 该数据采集系统能进行实时的1 6 路技术参数的采集，根据从线路数据 库文件读入的线路数据绘制线路( 断面) 图，在线路图上对机车运行位置、 运行情况和机车运行的实际工况参数等实测数据进行可视化显示：可实时 打印试验结果，也可在试验后对试验情况进行汇总打印。系统考虑了线路 的长短链及公里标突变等问题，也提供了较完善的数据处理功能。 但系统对于试验时的线路测距累计误差没有一个较好的解决方案，需 要人工进行误差修正( 铁科院研制的j l s 3 型也需要人工进行误差修正) 。 在实际的使用过程中，人工误差修正准确性差，劳动强度大而且操作极为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 不便。而线路测距误差是整个系统试验结果准确性的关键指标。机车运行 位置是各采集参数的空间坐标值，是统计试验结果的参照基准，系统试验 结果的正确性关键在于机车运行时位置的测量( 即线路测距) 。 试验车原有一套视频监控系统，可对机车司机室内部、机车运的前方 沿线环境及机车受电弓进行监控，可对机车运行前方沿线环境的视频迸行 实时采集压缩，以视频文件的形式保存到硬盘。线路的图像及视频数据是 最自然最直观的数据，蕴含大量的信息，具有传统线路数据无法比拟的优 点，其应用前景广泛，如铁路抢险救援，道路施工、应急预案制定等，管 理人员可以通过线路的图像及视频数据了解现场的施救或施工环境，能在 第一时间做出决策而不用等到亲临现场察看之后。 由于原有视频监控系统只实现了一般的视频监控功能，采集压缩得到 的线路视频数据仅以文件命名来区分，用通用播放器来播放，是独立于传 统线路数据而存在的线路视频文件，不便查询及管理，可用价值不高。 鉴于以上原因，广州铁路集团公司决定对试验车数据采集系统进行升 级开发，拓展试验车的试验功能，增加视频数据采集功能。其要求是： 1 解决牵引试验数据采集系统线路测距累计误差问题。 2 对采集数据的分析结果采用新的报表格式。 3 实时采集压缩机车运行前方线路环境的视频数据，并生成线路 视频文件和线路坐标( 公里标) 为对应关系的索引数据。 4 开发专用的视频播放软件，播放线路视频时，依据索引信息显示 对应线路的线路断面图和播放位置，同时支持搜索、定位播放。 1 。4 论文的主要研究内容 本文研究的试验车数据采集系统分为两个子系统：牵引试验数据采集 系统和线路视频数据采集系统。本文的主要工作也是针对这两个子系统展 开的。主要内容如下： 1 ) 牵引试验数据采集系统：对原牵引试验数据采集系统进行升级开 发。为解决线路测距误差问题，通过对串口通讯的相关研究，设计并实现 了试验车数据采集系统与机车监控装置的通讯。 2 ) 线路视频数据采集系统：通过对视频压缩的原理及相关标准分析 研究，设计开发了线路视频数据采集系统和专用的线路视频播放器。 本文围绕这两个方面问题展开讨论。全文共分六章，各章内容如下： 第一章介绍了机务牵引试验的作用及本研究课题的来源和主要研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 内容。 第二章首先介绍了串口通讯的相关基础知识，随后对视频压缩的 m p e g 一2 标准予以阐述，包括视频压缩原理、系统流及视频流的语法结构 的分析。 第三章介绍了原牵引试验数据采集系统的组成并分析了线路测距误 差的原因，提出了解决线路测距误差的方案一一利用机车监控装置的数 据。设计实现了与监控装置串口通讯的具体方案。 第四章分析了视频采集系统的需求，随后设计了线路视频数据采集系 统的方案，设计出视频索引文件的数据结构，最后给出了线路视频采集系 统的具体实现。 第五章首先分析了用于线路视频回放的专用播放器的功能要求，随后 给出了专用播放器的具体设计实现。 结论部分总结了本文的研究成果，并指出存在的一些问题和今后需要 进一步研究的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章串口通讯及视频压缩基础知识 2 1 串口通讯基础知识 2 1 1 串口通讯概述 r s 2 3 2 标准应用广泛，每一台微机都有一个或多个r s 2 3 2 端口。本文 牵引试验数据采集系统和线路视频数据采集系统中，通过r s 2 3 2 串口与监 控装置进行通讯，实现监控装置数据的接收。 r s 2 3 2 接口标准( e i a r s 一2 3 2 ) 最初是为远程通讯连接数据终端设备 d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 与数据通讯设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ) 而制定的。但目前广泛的被用于计算机与终端或外设之间的近 端连接标准，通讯距离较近( 1 2 m ) 。r s 2 3 2 标准传输速率较低，并且只能 用于短连接，为满足通讯发展对更快的速度、更长的连接和多节点的需求， r s 4 8 5 、r s 4 2 2 标准就应运而生。r s 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它视为弥补 r s 2 3 2 之不足而提出的。为改进r s2 3 2 通讯距离短、速率低的缺点，r s4 2 2 定义了一种平衡通讯接口，将传输速率提高到l o m b i t s ，传输距离延长 到1 0 0 0 多米，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。r s 4 2 2 是 一种单机发送，多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a 一4 2 2 一a 标准。为扩展应用范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r 8 4 2 2 的标准上制定的r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通讯能力，即允许多个收发器连接到同一条线路 上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线范围，后 来命名为t i a e i a - 4 8 5 - a 标准“。 由于编码机制不同，r s 2 3 2 不能和r s 4 8 5 直接线连，必须通过转换器 才能相连。 w i n d o w s 环境下串口编程的最大特性就是设备无关性，它通过设备驱 动程序将w i n d o w s 应用程序同不同的外部设备隔离。w i n d o w s 封装了 w i n d o w s 的通讯机制，这种方式称为通讯a p i ，w i n d o w s 程序员可以利用 w i n d o w s 通讯a p i 进行编程，不用对硬件直接进行操作“。 在w i n d o w s 中将串口与文件系统统一了起来，对它们的打开、读、写、 关闭等操作都使用相同的a p i 函数，但是它们之间又有差别，譬如串口不 能象文件一样被删除，这些差别体现在a p i 函数中部分参数的设置上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 。1 2 w i n d o w s 串口通讯工作方式 串口通讯会话以调用c r e a t e f i l e 0 函数打开串口开始，接着设置串口 波特率、数据位、校验位、停止位等参数以及超时参数，最后选择一种工 作方式读、写串口。在w i n d o w s 中，串口通讯有两种工作方式可供选择： 查询方式和事件驱动方式。这两种工作方式各有优缺点，可咀根据应用程 序的实际需要选择其中的种工作方式。 1 ) 查询方式 对于从串1 3 读取数据来说，查询是最为直接、易于理解的技术。但是 查询会占用大量的c p u 时间，效率较低。利用查询方式读取串口数据时通 常要建立一个线程，循环查询并读串口在线程里进行。 2 ) 事件驱动方式 事件驱动i o 方式是指线程通过监视通讯资源中的一组事件来进行 i o 操作，这种方式类似于m s d o s 下的中断工作方式，效率高。可被监视 的事件列表如下： 事件掩码含义 e vb r e a k 检测到输入终止 e v c t s o t s ( 清除发送) 信号改变状态 e vd s r d s r ( 数据设置就绪) 信号改变状态 e ve r r 发生了线路状态错误 e vr i n g 检测到振铃 e vr l s d r l s d 信号改变状态 e vr x c h a r 收到任何字符并放进输入缓冲区 e v r x f l a g 收到事件字符，并放进输入缓冲区 e vt x e m p t y 输出缓冲区中最后一个字符发送出去 实际编程中，对串行口的读、写操作需要建立两个工作线程。在读或 写线程中可以通过s e t c o m m m a s k 0 函数设置事件掩码来监视指定通讯资源 上的事件。指定一组事件后，线程可以使用w a i t c o m m e v e n t0 函数等待其 中一个事件发生，在等待过程中它将花费极少的c p u 时间。注意 w a i t c o m m e v e n t 0 函数和读写操作函数一样可以同步使用，也可以异步使 用，这主要取决于在第三个参数中是否指定o v e r l a p p e d 结构，如果指定 为n u l l ，该函数就是同步的，必须等到s e t c o m r f i m a s k 0 中指定的事件有一 个发生时它才返回；如果指定了一个o v e r l a p p e d 结构，该函数即工作在 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 异步方式。通常将该函数工作在同步方式。 2 2 视频压缩技术基础 2 2 1 概述 数字视频图像有许多优点，例如可直接进行随机存储使视频图像的 检索变得很方便；复制数字视频图像和在网络上传输视频电视图像都不会 造成质量下降，很容易进行非线性的视频编辑。但是，图像数字化之后的 数据量非常大，在因特网上传输时很费时间，在硬盘上存储时很占“地 盘”，因此就必须要对图像数据进行压缩。视频数字化的核心技术之一就 是压缩技术。 活动图像专家组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 j ，负责开发视 频图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这标准称为 m p e g 标准，m p e g 标准阐明了声音和视频图像的编码和解码过程，严格规 定了声音和图像数据编码后组成比特数据流的句法，提供了解码器的测试 方法等，但没有对所有内容都作严格规定，尤其是对压缩和解压缩的算法 没有作严格规定，这样既保证了解码器能对符合m p e g 标准的声音数据和 电视图像数据进行正确解码，又给m p e g 标准的具体实现留有很大余地。 人们可以不断改进编码和解码算法，提高声音和电视图像的质量以及编码 效率 2 ”。到目前为止，已经开发并得到广泛应用的m p e g 标准有数字电视 标准m p e g - l 、m p e g 一2 和多媒体应用标准m p e g 一4 。 m p e g 一2 是m p e g 一1 的扩充，能提供更高质量的图像和声音。增加了许 多m p e g l 所没有的功能。本文的线路视频数据采集系统就采用了m p e g - 2 格式。 m p e g - 2 标准共包含了l o 个部分： m p e g 一2 系统( m p e g 一2s y s t e m s ) ，规定电视图像数据、声音数据及 其他相关数据的同步。 m p e g 一2 视频图像( m p e g 一2v i d e o ) ，规定电视数据的编码和解码。 m p e g 一2 声音( m p e g 一2a u d i o ) ，规定声音数据的编码和解码，是 m p e 6 1a u d i o 的扩充，支持多个声道。 m p e g 一2 致性测试( m p e g 一2c o n f o r m a n c et e s t i n g ) 。 m p e g 一2 软件模拟( m p e g 一2s o f t w a r es i m u l a t i o n ) 。 m p e g 一2 数字存储媒体命令和控制扩展协议。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 m p e g 一2 先进声音编码( 船e g _ 2a a c ) ，是多声道声音编码算法标准。 m p e g 一2 系统解码器实时接口扩展标准。 m p e c - - - 2d s m - c c 一致性扩展测试。 m p e g - 2 先进声音编码标准修正版。 结合本文的应用需要，这里我们着重介绍系统部分( m p e g - - 2s y s t e m s ) 和视频部分( m p e g - 2v i d e o ) 。 2 。2 。2m p e g - 2 系统( m p e g - 2s y s t e m s ) m p e 6 - 2 的系统模型如图2 - 1 所示。这个标准主要是用来定义电视图 1 像数据、声音数据和其他数据的组合，把这些数据组合成一个或者多个适 合于存储或者传输的基本数据流。数据流有两种形式，一种称为程序数据 流( p r o g r a ms t r e a m ，p s ) ，另一种称为传输数据流( t r a n s p o r ts t r e a m ， t s ) 。 !翻露p e s 电税爨穰 数据输入 弹蕾敞摄 辅 _ o 力e c1 3 8 1 8 3 ： 葛o 莲ct 3 8 1 8 呻 图2 - 1m p e g 一2 的系统模型1 图中，视频编码器根据i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 标准，对视频信号进行编码压缩， 音频编码器则根据i s 0 i e c l 3 8 1 8 - 3 标准对音频信号进行编码压缩。数据 包装器则分别对编码后的视频和音频组成视频p e s ( p a c k e t i s e d e l e m e n t a r ys t r e a m s ) 和音频p e s 分组。当p e s 分组形成的时候，使用该 分组所需的与传送流及程序流无关的信息可被加入，当p e s 分组加上系统 信息形成传送流或程序流时是不必要加入的。复合器则按照同步的原则生 成程序流或传输流。 程序流是由一个或多个具有相同时间基点的原始数据流的p e s 分组组 合为单个的流。程序流用在出现错误相对比较少的环境下，适用于象交互 多媒体这样一些涉及软件处理系统信息的应用。程序流分组是可变的并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 相对较长。程序流可有固定的或变化的速率【3 0 1 。 传送流将有多个独立的时间基点的多道程序合成一个单独的数据流， 其中属于同一道程序的各个原始数据流的p i g s 分组具有相同的时间基点。 传送流用于出现错误相对较多的环境下，例如在有损失或有噪声的媒体传 输系统中。 程序流相传送流是针对不同的应用而设计的，程序流和传送流之间可 以互换。在这里只对程序流语法结构进行讨论。 在程序流中，p e s 分组被组织成组。组以一组头开始，并跟有零个或 多个p e s 分组。组头以一个3 2 位开始码字开始，其后用来存储时序和比 特率信息。程序流以一可选择重复的系统首部开始，此系统首部带有此流 中定义的系统参数的总结消息。 1 )程序流的语法结构3 0 埘 睫序流程序流睫序流程序漉 。胆序流 程序流 l 组头组体i 组头组体l 组头组体 一 幂科1 s c r 睦序多路预阻填充阻填充l 系统lp e s p e s l p e s 陵用器 留怅度j 字节f 首部防组l分组1 1 分组n 一 巨统首部际统酋部障界限音频界闾定标l c s p s 陪频铡视频锁i 视频界n 循环 际志i 长度i 限 临断志陡标志窿标志陋 一 蠹 1 l l e - s t o 缓冲p s t d 缓冲 陋界限规模喀界限大小 在程序流中组开始标志p a c k s t a r t c o d e 标志组的开始，码值为 o x 0 0 0 0 0 l b a 。 系统首部可出现在任何组的组头之后，节目流的第一个组中应有系 统首部，并且节目流中所有的系统首部的码值应相同。系统首部标志 s y s t e m _ h e a d e r s t a r t c o d e 标志系统首部的开始，码值为o x o o o 0 0 1 b b 。 2 ) p e s 分组结构 p e s 分组由分组首部和其后分组数据构成。2 4 位的分组头与其后的8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 位的流i d 一起构成表示一个分组开始的分组开始码字，2 4 位的分组头的 码值为o x 0 0 0 0 0 1 ，8 位的流i d 标明次数据所属流，可从o x b c 到o x f f 之 间取值。对于视频及音频p e s 分组，数据块是来自编码器的存取单元序列。 所谓存取单元，就是指视频图像或音频帧。 2 2 3m p e g - 2 视频( m p e g - 2v id e o ) 22 3 1m p e g 一2v ld e o 压缩算法 m p e g 一2v i d e o 图像压缩技术基本方法可以归纳成两个要点：在空 间方向上，图像数据压缩采用7 p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 压缩算法来去掉冗余信息。在时间方向上，图像数据压缩采用移动补 偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 算法来去掉冗余信息【2 “。 为了保证图像质量基本不降低而又能够获得高的压缩比，m p e g 专家 组定义了三种图像：帧内图像i ( i n t r a ) ，预测图像p ( p r e d i c t e d ) 和双向 预测图像b ( b i d i r e c t i o n a l l yi n t e r p o l a t e d ) ，典型的排列如图2 2 所 示。这三种图像采用三种不同的算法进行压缩。 图2 - 2m p e g 专家组定义的三种图像 1 ) 帧内图像i 的压缩编码算法 帧内图像i 不参照任何过去的或者将来的其他图像帧，压缩编码采 用类似j p e g 压缩算法，它的框图如图2 3 所示。如果视频图像是用r g b 空间表示的，则首先把它转换成y c r c b 空间表示的图像。每个图像平面分 成8x8 的图块，对每个图块进行离散余弦变换d c t ( d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 。d c t 变换后经过量化的交流分量系数按照z i g z a g 的形状排 序，然后再使用无损压缩技术进行编码。d c t 变换后经过量化的直流分量 系数用差分脉冲编码d p c m ( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，交 流分量系数用行程长度编码r l e ( r u n l e n g t he n c o d i n g ) ，然后再用霍夫 曼( h u f f m a n ) 编码或者用算术编码。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 3 帧内图像i 的压缩编码算法框图“8 2 ) 预测图像p 的压缩编码算法 预测图像的编码是以图像宏块( m a c r o b l o c k ) 为基本编码单元，一个 宏块定义为i j 像素的图像块，一般取1 6 1 6 。预测图像p 使用两种类 型的参数来表示：一种参数是当前要编码的图像宏块与参考图像的宏块之 间的差值，另一种参数是宏块的移动矢量。移动矢量的概念可用图2 4 表 示。 图2 - 4 移动矢量 求解差值的方法如图2 - 5 所示。假设编码图像宏块z 是参考图像宏 块m 。的最佳匹配块，它们的差值就是这两个宏块中相应像素值之差。对 所求得的差值进行彩色空间转换，并作4 ：l ：1 的子采样得到y ，c r 和c b 分量值，然后仿照j p e g 压缩算法对差值进行编码，计算出的移动矢量也 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 要进行霍夫曼编码 图2 - 5 预测图像p 的压缩编码算法框图”8 求解移动矢量的方法如图2 - 6 中。在求两个宏块差值之前，需要找出 编码图像中的预测图像编码宏块m ，；相对于参考图像中的参考宏块所移 动的距离和方向，这就是移动矢量( m o t i o nv e c t o r ) 。 j 页测编码图象 图2 - 6 移动矢量的算法框图 要使预测图像更精度，就要求找到与参考宏块m 一，最佳匹配的预测图 像编码宏块m 。所谓最佳匹配是指这两个宏块之间的差值最小。通常以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 绝对值a e ( a b s o l u t ed i f f e r e n c e ) 最小作为匹配判据， 他一丢l：(,j)-go-a,j-a,)l，。；j=16-0 ) 9 1 ) jv j， 一、 有些学者提出了以均方误差m s e ( m e a n s q u a r ee r r o r ) 最小作为匹配判据， 脚2 击蔫麓拍，j ) _ g 一q 坪。= j = 1 j6 h 圳 | j ；i ，莘a = 1 )ro 一口、 也有些学者提出以平均绝对帧差m a d ( m e a no ft h ea b s o l u t ef r a m e d i f f e r e n c e ) 最小作为匹配判据， 脚2 击磊磊岫) - g ( i - d , , j - a p l j ：1 6 ) 1 ，9 - r 、 捧 i j # 啦= 6 ) r、 其中，d 和4 分别是参考宏块的移动矢量d 似，圳在x 和y 方向 上的矢量。 从以上分析可知，对预测图像的编码实际上就是寻找最佳匹配图像 宏块，找到最佳宏块之后就找到了最佳移动矢量d f 瓦圳。 为减少搜索次数，已开发出许多简化算法用来寻找最佳宏块，下面 介绍其中的一种：二维对数搜索法( 2 d l o g a r i t h m i cs e a r c h ) 。 这种方法采用的匹配判据是m s e 为最小。它的搜索策略是沿着最小 失真方向搜索。二维对数搜索方法如图2 7 所示。在搜索时，每移动一次 就检查5 个搜索点。如果最小失真在中央或在边界，就减少搜索点之间的 距离。在这个例子中，步骤1 ，2 ，5 得到的近似移动矢量d 为( ，广2 ) 、 ( i ，i f - 4 ) 、( 一2 ，广4 ) 、( i + 2 ，广5 ) 和( i + 2 ，j - 6 ) ，最后得到的移动矢量 为d ( 一2 ，产6 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 一1 - 6 i - 5 i - 4 i - 3 i - 2i - 1 土l 十l i + 3 i 十3 什4 l + 5 h 6 f 鹱怒i ； - 5 萍 i - 4 。3 平 - 3 。2上1 上2 2 + ，1 - 1 1 k l i 】 + l 上l 巾2 十3 十4 + 5 ， 图2 7 二维对数搜索法 3 ) 双向预测图像b 的压缩编码算法 双向预测图像b 的压缩编码框图如图2 8 所示。具体计算方法与预 测图像p 的算法类似，这里不再重复。 过去的参考图录 编码图套将来的参考图象 图2 - 8 双向预测图像b 的压缩编码算法框图”8 4 ) 视频帧编排 m p e g 编码器算法允许选择i 图像的频率和位置。i 图像的频率是指 每秒钟出现i 图像的次数，位置是指时间方向上帧所在的位置。一般情况 下，i 图像的频率为2 。m p e g 编码器也允许在一对i 图像或者p 图像之间 选择b 图像的数目。i 图像、p 图像和b 图像数目的选择依据主要是根据 节目的内容。例如，对于快速运动的图像，i 图像的频率可阻选择高一些， b 图像的数目可以选择少一点；对于慢速运动的图像i 图像的频率可以低 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 一点，而b 图像的数目可以选择多一点。此外，在实际应用中还要考虑媒 体的速率。 一个典型的i 、p 、b 图像安排如图2 - 9 所示。编码参数为：帧内图 像i 的距离为n = 1 5 ，预测图像p 的距离为m = 3 。 卜一1 秒钟一l 喇象类型ib 日p8b p bb p b b p 8b b b p b b pb 目pb 日pab 显示且厦序123 45 丘7 目g 帕 j 叠- 1 3 ，4 悟侣 7 j b锄2 j 雹觯船历毋鼬 图2 - 9m p e g 视频帧编排”7 1 i 、p 和b 图像压缩后，i 帧图像的数据量最大，而b 帧图像的数据 量最小。 2 2 3 2m p e g 一2 视频流结构 编码视频流的最高语法结构是视频序列。视频序列使用序列头开始， 序列头后可跟一组图像头，然后是一个或多个编码帧。编码流中编码帧的 顺序为解码处理的顺序，但不必是显示的正确顺序。视频序列由 s e q u e n c ee n d c o d e 结束。在视频序列的各个点处，一特殊的编码帧前面 可能有一重复序列头或一组图像头或两者。( 对一重复序列头和一组图像 头位于一特殊图像之前情况，一组图像头应跟在重复序列头之后) 。图 2 一l o 阐明视频码流的高层结构【2 9 】： i s o j e c l l l 7 2 2 膨快俐扩刖；主? 序列头 醐头批萎? m 醐头 图像扩 篡挈h 徽h 莉幌 图2 1 0 视频码流高层结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 视频码流结构中，码流按照分层组织。视频码流被分为6 层，即序 列层，图像组层，图像层，条层，宏块层、块层。除块层外，每层均设有 头部信息，块层包含被编码亮度、色差的d c t 系数。块层不设头部信息， 设块结束码( e o b ) 。如图2 一1 1 为视频码流的分层结构33 】： 3 6 信源输入格式 7 2 0 。，宏块e 6 块 8 增黼 视频序列层 s e q h e ag o p d a t a | g o p d a t a 幽像组层、 g o ph ep i c d a t ab i c d a t a 圈像层 p i c h ei s l i c e d a t | g o p d a t a 条层 l s l i c e h ei m b d a ti m b d a t al 块层 m bh e ab l k d a t ai b l k ，d a t a 、 块层、 b e tc o e f f d c t 。| e o 图2 一儿视频码流的分层结构 在视频流中，用起始码标识视频码流各分层的起始位置。起始码是 不会在视频流中另外出现的特定位模式，起始码是各分层结构的起始标 志。每个起始码由一个起始码前缀和随后的一个起始码值组成。起始码前 缀由一串2 3 位0 值和跟着的一位1 值组成。这样起始码前缀就是位串 “0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 1 ”。 起始码值是一个八位整数，表明了起始码类型。大部分起始妈类型只 有一个起始码值，而s li c e s t a r t c o d e 由许多起始码值表示，在这种情 况下，组块起始码值是s l i c e v e r t i c a l p o s i t i o n 。 所有起始码都是字节定位的。这由在起始码前缀前面插入零值位来实 现，这样起始码前缀的第一位就是一个字节的最高有效位。 表2 1 定义了视频比特流中用到的起始码的一组码僮口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表2 - 1 起始码的码值 名称起始码值 图像起始码p i c t u r es t a r tc o d e o x 0 0 条起始码s l i c e s t a r t c o d e 0 x 0 1 0 x a f 保留 0 x b 0 保留 0 x b l 用户数据起始码u s e r d a t a