（电路与系统专业论文）基于MIPS核CPU的数字电视的视频解码和显示研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 数字电视是电视产业发展的必然趋势【1 ，2 j 川。数字电视系统以全数字的方法对视 频和音频信息进行编码，传送到数字电视接收机，由接收机进行解码以还原图像和 声音f l , 4 1 。其中，视频信息的解码和显示直接影响到画面质量，是一个重要研究课题。 对视频信息解码和显示的平台包括硬件及操作系统两个方面。在硬件方面，最 有代表性的两类方案分别采用 a r m + d s p 和专用解码芯片嘲。前者缺点是成本高， 后者缺点是通用性差。m i p s 核c p u 的成本低、通用性好，医此本文采用我国生产 的一款m i p s 核c p u 作为硬件的主控芯片；在操作系统方面，国内常用肛c o s i i 、 # c l i n u x 、w m c e 等1 6 】。# c o s i i 比g c l i n u x 和w i n c e 移植简单、裁剪方便，并且 是微内核操作系统，其内存管理算法避免了内存碎片的产生 ”，这使得利用较少的 资源做视频解码成为了可能。因此本文选用# c i o s i i 。 本文主要内容是：采用以m i p s 核c p u 作为主芯片的硬件架构，给出了移植 正o s 以适应该m i p s 核c p u 的方法，修改了# c o s i i 中和编译器相关的数据 类型以正确编译、修改了和c p u 相关的宏定义以控制中断等。针对t s ( 传输流) 非加密信息，以c 语言的形式分别定义了t s 分组数据包的结构体、数据包头信息 结构体、p e s ( 打包的基本流) 结构体等。使用了链表以记录所需频道盼数据包识 别符信息，给出从t s 中解析e s ( 基本流) 数据的实现方法。分别阐述了如何对 e s 数据进行可变长度解码、反扫描、反量化、逆离散余弦变换等以最终得到图像 数据的方法，其中使用了逻辑运算代替算术运算以提高程序执行速度。给出了上述 过程的流程图和部分代码。最后总结了当前视频信息解码中存在的不足，对今后要 做的后续工作提出一些建议。 关键词：数字电视；视频；m p e g ；m i p s ；g c o s i i a b s t r a c t d i g i t a l iv i st h et r e n do ft vi n d u 删1 , 2 , 3 , 4 1 d t 、，s y s t e me n c 脚e sv i d e oa n da u d i o s i g n a l sw i t ham e t h o do f a l l - d i g i t a la n dt r a n s m i t st h e m t od t v r e c e i v e r s ，w h i c hd e c o d e s t h es i g n a l s i d e c o d i n ga n dd i s p l a yo ft h ev i d e os i g n a la f f e ! c - t st h ep i c t u r eq u a l i t y i m m e d i a t e l yh e n c ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h ep l a t f o r mo f d e c o d i n ga n dd i s p l a yo f v i d e os i g n a li n c l u d e st w oi s s u e s ：h a l x l w a r o a n do p e r a t i n gs y s t e m 耶1 em o s tr e p r e s e n t a t i v eo p t i o n so f 也eh a r d w a r ec h o o s e ”a r 】+ d s p ”o rs p e c i a ld e c o d e rc h i p t “t h ed r a w b a c ko f t h ef o r m e ri sh j 【g hc o s t , w h i l et h el a t t e r i sp o o r 砒g e n e r a lp o u r p o s e c p uw i t ham i p sc o r ch a st h ea d v a n t a g eo fc o s t - e f f e c t i v e a n dc a nb eu s e df o rg e n e r a lp o u r p o s e w h i c h 啪t h er e a s o n sw h yc h o s e nb yt h i sp a p e r ；, o nt h eo p e r a t i o ns y s t e ms i d e , 弘, c o s i i ，z c l i n u x ，w i n c ea r ct h em o s tc o i n h i o i io n e s 6 口c o s i i i s s i m p l e ra n dm o r ec o n v e n i e n tt h a n # c l i n u xa n dw i n c e ，a n di s a m i c - k e m e ls y s t e m i t sm e m o r ym a n a g e m e n ta v o i d sg e n e r a t i o no ft h ed e b r i s l 1a n d m a k e sd e c o d i n gw i t hf e w e rr c s o l l l f c e 8 雒p o s s i b l e t h e r e f o r et h i sp a p e rs e l e c t s # c o s i i t h i ss e c t i o ni sm a i n l ya b o u t ：s e l e c t i n gh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ew i t ham i p sc p ua s t h em a i nc h i p p r e s e n t i n gam e t h o do ft r a n s p l a n t i n gf c o s i it oa d a p tt h ec p u d a t a t y p e s w h c h r e l a t e dw i t ht h ec o m p i l e r , a l ec h a n g e dt oc o m p i l ec o r r e c t l ya n dt h e d e f i n i t i o n so f m a c r o s ，w h i c hi sr e l a t e dw i t ht h ec p u , i sc h a n g e dt oc o n t r o li n t e r r u p t sa n d s oo n a g a i n s tt h en o n - s c r a m b l e di n f o r m a t i o ni nt s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) t h i sp a p e r d e f i n e ss t r u c t so ft sd a t ap a c k e t , t h eh e a do fd a t ap a c k e ta n dt h ep 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 ) i l lcl a n g u a g e l i n k e dl i s ti su s e dt or e c o r dt h ep 珏 so ft sp a c k e t s o fc u r r e n tc h a n n e l i m p l e m e n t a t i o no fe x p o r t i n ge s ( e l e m e n t a r ys t r e a m ) f r o mt si s s h o w n t h es t e p so fv l cd e c o d i n g , i n v e r s es c a n n i n g , i n v e r s eq u a n t i z i n g i d c ta r e i n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y l o g i co p e r a t i o ni su s e di n s t e a do fa r i t h m e t i co p e r a t i o n t h e p r o g r a md i a g r a ma n dp a r to ft h es o u l c oc o d ei sg i v e n f i n a l l y , d e f i c i e n c i e s 躺p o i n t e d o u ta n dt h ef o l l o w - u pw o r kt od oi nt h ef u t u r ei sr e c o n m l e n d c db yt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d i g i t a lt v ；v i d e o ；m p e g ；m i p s ；t a z o s - i i n 硕士擘住论文 m a s t e r 。st h e s i $ 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。本人授权华中师范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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。匾童途塞埕銮厦澄厦；旦坐生；旦二生；旦三生筮查。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 顾士学位论文 m a s t i 信号杂波比和连续处理的次数无关。 可避免系统的非线性失真的影响。 数字设备输出信号稳定可靠。 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。 由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时 间，可实现文字多工广播( t e l e t e x t ) 。 压缩后的数字电视信号经过数字调制后，可进行开路广播，收看到的电视 图像及声音质量非常接近演播室质量。 可以合理地利用各种类型的频谱资源，而且在今后能够采用”单频率网 络 ( s i n g l ef i e q u 锄c yn e t w o r k ) 技术。 在同步转移模式( s t m ) 的通信网络中，可实现多种业务的”动态组 合 ( d y n a m i cc o m b i n a t i o n ) 。 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s l s 很容易实现加密解密和加扰，解扰技术，便于专业应用( 包括军用) 以及广播 应用( 特别是开展各类收费业务) 。 具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转 移模式( a 办d 的网络中传输，也便于与计算机网络联通。 可以与计算机“融合 而构成一类多媒体计算机系统，成为未来“国家信息基 础设施( n ) ”的重要组成部分。 基于上述优点可以看出：数字电视将带来一场深刻的革命这不仅仅是技术 上的革命，而且将带来广播电视运营体制、管理方式以及用户收听收看方式的根本 性变革，甚至对整个信息产业的发展产生深远影响； 当前，虽然我国有些电视厂商宣称自己的产品是“数字电视”，但是参照以上对 数字电视的定义可知，这些产品和真正意义上的数字电视还有一定的差距。因此， 研究真正意义上的数字电视是一个比较迫切而且有现实应用意义的课题，视频信息 的解码和显示是其中的一个重要研究内容。 1 3 数字电视在国内外的发展状况 1 3 1 美国 1 9 9 6 年f c c ( f e d c r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i 蛐，美国联邦通信委员会) 通 过了美国的数字电视地面传输标准a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e r ) 。 a t s t 的视频格式包括h d t v 和s d t v 。1 9 9 8 年，美国开始试播全数字高清晰度彩 色电视。f c c 制定了8 年从模拟到数字电视的过度计划，在过渡期内采用同博方式， 给每个原n t s c 频道增拨一个d t v 频道，即同一个节目回时用n t s c 和h d t v 两 种标准播出 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 。 1 3 2 欧洲 自从美国的全数字电视系统的研制成功后，欧洲放弃了前途不佳的h d - m a c 模 拟高清晰度电视制式。1 9 9 3 年9 月成立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 ) ，即数 字视频广播项目，于1 9 9 4 年先后制定出d v b s ( 卫星) ，d v a - c ( 有线) 、d v b t ( 地 面) 标准。开始d v b 标准只包括普通清晰度电视s d t v ，后来又加入了h d t v 的内 容。欧洲的全数字电视系统包括了地面广播、卫星传送、有线电视1 2 ，1 3 ，1 4 1 习 1 3 3 日本 1 9 8 3 年，日本开始研究i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i o t a lb r o a d c a s t i n g ) 综合业 务数字广播标准；1 9 9 9 年，制定了i s d b t 地面综合业务数字广播标准，在调制方 2 顾士学位论文 m a s t e r 。s t t l e s i $ 面i s d b - t 与d v b - t 一样选择了多载波调制，但又有所改进。日本于2 0 0 1 年开播 6 套数字卫星数字高清晰度电视，2 0 0 3 年在主要城市开展地面数字高清晰度电视广 播t 1 1 , 1 2 a 3 , x 4 0 15 1 。 1 3 a 中国 我国对数字高清晰度电视的研发工作也进行了多年，自行研制成功多种制式的 信道编解码器、调制解调器和h d t v 接收机，并于1 9 9 9 年1 0 月1 日成功地和用高 清晰度电视对建国五十周年庆典活动进行了转播【1 6 l ”。 我国的数字电视普及计划是：2 0 0 5 年全国四分之一的电视台发射和传输数字电 视信号；2 0 1 0 年全国将全面实现数字广播电视，东部相对发达地区将普及数字电视； 2 0 1 5 年全国将停止模拟广播电视的播出13 1 9 , 2 0 2 ”。 我国己经制定了有关数字高清晰度电视的标准，如高清晰度电视节目制作及交 换用视频参数标准、演播室高清晰度电视数字视频信号接口标准、数字分量演播室 接口中附属数据信号嵌入格式、数字有线电视广播标准、数字卫星电视广播标准等。 数字电视地面标准的出台相对较迟。融合了清华大学的d m b t 、上海交大的 a d t b t 和广播科学研究院的t i m i 这三项标准的方案( 曾命名为“c d m b - t ) ，一度 呼声很高。2 0 0 6 年7 月1 3 日，国家广电总局下属的中广协会数字新媒体委员会网 站上披露：数字电视地面传输标准采用清华大学的d m b - t 标准 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 2 0 0 6 年，我国标准委发布的数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和 调制确定了我国的数字电视地面传输标准，并将从2 0 0 7 年8 月1 日正式实施1 1 阳“。 1 4 我国数字电视在今后一段时间内的发展趋势预测 国家广电总局在在数字电视产业高峰论坛中提及了国家关于地面数字电视的 政策导向及未来趋势。具体内容如下1 2 2 2 3 j ： 地面数字电视广播系统是广播电视体系中重要的组成部分，要保证地面数 字电视的覆盖，至少不低于模拟电视的覆盖能力。 地面数字广播的定位在传输方面应该保持单项的基本模式和扩展模式。在 接收方面应该支持室内、室外和移动接收和便携接收模式。 固定接收还要支持除了多频道的标清业务和高清业务，在服务对象方面， 面向广大农村、城近郊区以及城市内具有无线需求的受众。 移动接收主要是面向城市内具有移动接收需求的观众。 此外，随着网络的铺开、业务的拓展，城乡之间的业务需求会逐渐走向互相渗 透和发展。地面数字电视会按照一个新的体系完成移动接收和固定接收两个方向发 3 硕士学位论文 s t e r s t r e s i s 展。移动接收包括车载电视、手机等，固定接收包括高清晰度电视等。 1 5 什么是m i p s 核c p u c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 。中央处理器) 是很多嵌入式电子产品，特别是高 端电子产品中不可或缺的一部分。目前市场上有很多种c p u 。在做高端嵌入式应用 时，国内最常见的有a r m 核和m i p s 核的c p u 等1 2 4 。 m i p s ( m i l l i o nm s 拄l l c t i o n sp e rs e c o n d 每秒百万条指令) 核c p u 是最成功的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 处理器之一肼2 5 期。m i p s 核c p u 是一个相当完备的系列，可大可小，有用于巨型机、服务器的6 4 位的，也 有用于嵌入式的3 2 位的。3 2 位的m i p s 核c p u 具有成本低、功耗低的特点，其指 令流水线的效率较高，因此特别适合于做高端嵌入式应甩m 捌。 1 6 本文主要研究内容 1 6 1 国内同行的研究特点 从硬件上来看，最具代表性的方案有两大类：一类选择a r m 作为处理器、d s p 作为协处理器，由a r m 做主要的资源分配、资源管理、外围驱动、框架处理等， 由d s p 做快速的数字信号运算；另一类采用专用的视频解码芯片，如 s a a 7 1 9 1 b s a a 7 1 9 2 a 等【5 0 9 删；从嵌入式操作系统上来看，很多研究的着眼点在于 选择w i n c e 操作系统或面向嵌入式的# c l i n u x 等操作系统1 6 】。 1 6 2 本文的研究内容和特点 本文的主要研究内容是：在嵌入式系统下，数字电视的信号从接收到解码、显 示的过程。选择了我国生产的一款m i p s 核c p i 卜，z 4 7 3 0 作为主芯片；嵌入式操 作系统选择t c o s 。这样选择的好处是： 在硬件方面，a r m 和d s p 的知识产权( p ) 核都是外国的，不管是外国生产 商做好之后销售给我国，还是外国提供口核给我国生产，我国都要向外国交纳一定 数额的i p ( 专利) 费用。而目前，我国的一个战略思想是“坚持自主创新，掌握信 息领域的核心技术，通过自主、可靠、安全的处理器设计，为战略性的国家需求服 务” 3 1 1 。在这一战略思想的指导下，我国研发出了具有完全自主知识产权的微处理 器龙芯，而龙芯就是m i p s 核的c p u ，其定位是面向大众的。在微电子领域， 一旦做到了某个里程碑式的进步，就可以稍加修改，制造出大量的同类产品。可以 预见，在不久的将来，国内将新增大量的m i p s 核c p u ，这将使成本大幅下降。专 用的解码芯片虽然，本文采用的这款m i p s 核c p u 也是我国生产的，是一款高性能、 4 低功耗的m i p s 核a ，u 。 在操作系统方面，# c l i n u x 和w i n c e 的裁剪和移植相对麻烦，而且内核比较大。 而a c o s i i 系统是一个微内核操作系统，即便包含全部功能( 信号量、消息邮箱、 消息队列及相关函数) 编译后的内核仅有6 1 0 k b t 6 。另外，o s i i 对内存进行 分区的内存管理算法不会产生内存碎片，这些性质都使得利用较少的资源做视频信 息的解码成为了可能。 在视频信息的解码方面，本文研究了从t s ( 传输流) 中分离e s ( 基本流) 的 方法，针对t s 非加密频道的信息，以c 语言的形式分别定义了t s 分组数据包的 结构体、数据包头信息结构体、p e s ( 打包的基本流) 结构体等。使用了链表以记 录所需频道的数据包识别符信息，给出从t s 中解析e s ( 基本流) 数据的实现方法。 分别阐述了如何对e s 数据进行可变长度解码、反扫描、反量化、逆离散余弦变换 等以最终得到图像数据的方法，其中使用了逻辑运算代替算术运算以提高程序执行 速度。给出了上述过程的流程图和部分代码。最后总结了当前视频信息解码中存在 的不足，对今后要做的后续工作提出一些建议。 5 硕士学位论文 m s t e r 。s1 - h s i s 第二章概述 2 1 项目背景和功能模块简介 本项目是深圳市江波龙电子有限公司“基于m d 核c p u 的嵌入式数码相框颂目 的扩展部分。该项目的目标产品是一个可移动的嵌入式多媒体电子产品，目标产品 及功能是： 壁挂或便携式电子产品，可以使用变压器或电池供电 支持常见的存储设备( s d 卡、m m c 卡、c f 卡、索尼记忆棒、u 盘、移动 硬盘等) 支持遵循e x i f 和d c f 标准的j p e g 图片浏览 支持m p 3 音乐播放 支持m p e g 4 视频文件播放 支持u d 显示 支持红外或射频遥控功能 项目的扩展部分还支持： 数字电视 调频收音机 本文着眼点在于上述项目的扩展部分中的数字电视模块，主要研究了嵌入式操 作系统# c o s i i 的移植、数字电视信号的接收与解码、显示部分。 2 2 研究本项目的原因和意义 当前电子产品越来越朝向多媒体方向发展，同时，电子产品的种类也越来越丰 富。这些因素综合起来，使得用户往往有这样一种需求：希望使用的电子产品是一 个多功能的电子产品，不但能收看电视，而且能够在看电视之余还有其它功能，如 播放歌曲、显示图片等，即该电子产品兼具数码相框的功能。 数码相框已经在国内外都有成品在售。目前国内市场上之所以还没有类似于此 的大量的嵌入式数字电视，是因为我国的数字电视标准才刚丹h 制定。如前所述，我 国于2 0 0 6 年9 月才颁布国内数字电视信号的地面传播标准，因此现在对数码相框 进行扩展以迎合我国国情，是一个推进我国数字电视化进程、迅速占领数字电视市 场的必要环节。 6 2 3 系统架构介绍 为构建这样一个多功能的系统，必须有以下硬件资源： 数字信号前端接收接收数字电视地面信号 侧_ 起整个系统的控制作用，选用的是j z a 7 3 0 存储器件一用于存放固件程序和数据、用户配置信息等 显示器一显示产品操作界面、数码相框图片和数字电视画面 调频收音机信号接收模块接收调谐收音机信号 声音输出模块播放m p 3 、w a v 等音乐、收音机声音和数字电视声音 红外接收模 典接收红外遥控信号 外部存储器接口用于和外部存储器接口 系统的部分原理框图见图2 3 1 ： 图2 3 1 2 4 数宇电视部分介绍 图2 3 1 中，和数字电视的接收、解码和显示相关的硬件资源有：数字电视的前 端接收模块、c p u 、显示器这里只考虑和数字电视相关的部分，按时间顺序介绍 如下： 2 a 1 数字电视信号从产生到发射的过程 2 4 1 1 数字信号的产生过程简述 传统的电视信号是模拟量。之所以称为模拟”，是因为其信号的波形随着信息 的连续变化而连续变化( 见图2 4 ，1 1 1 a ) 。模拟信号的优点在于其能够比较真实地 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 模拟”原来信号的变化过程，所以在一些对模拟信号处理得很好的高档音响中往往 使用模拟信号。 从另一方面来看，“模拟”的特点也是模拟信号的一个重大缺点。因为很多实际 中的传输信道一般都不是理想状态的信道。只要在传输的任何一个环节受到扰动， 这种模拟信号就会和原来的信号产生不一致，即是经常说的干扰或者失真。这特 点极大地限制了模拟信号的使用。所以，在实际中，经常看到采用模拟信号的电子 产品的效果反而并不好。 由于在实际中存在上述情况，信息科学领域的研究人员提出了一种新的方法， 即采用数字信号的办法。这种方法主张对模拟信号进行抽样、量化、编码，使之转 化为数字信号。 显然，模拟信号是连续时间信号；对其进行抽样后，将产生离散时间信号( 见 图2 4 1 1 1 b ) 。这个抽样得到的离散信号往往是一个电压值。一般地，从最高电压 到最低电压会标注若干个刻度，根据刻度标注，可以判断出该抽样后的电压值在哪 两个刻度值之间。而每一个刻度值又都有一个对应的数字编码，从而该抽样信号也 对应于一个数字编码。以这个数字编码来表示该时刻的抽样信号，即是数字信号( 见 图2 4 1 1 1 c ) 。此即模拟信号到数字信号的抽样、量化和编码过程嘲。 图2 4 1 1 1 数字信号一般采用有限个数字，通过这些数字的不同组合方式来代表所有的信 息。例如最常见的是采用可和“1 ”两个数字，o 代表低电平，“l 代表高电平 这样做的好处是，由于数字信号的电压门限很宽而极大地提高了抗干扰性。例 如电压信号，如果最低电压是0 v 且最高电压是5 v ，则一个可能的判据是：只要在 o 2 v ，都可以认为是仃；在3 5 v ，都可以认为是“l ”。这样一来，信道中即使 受到一些干扰，对数字信号也几乎没有影响1 3 2 】。 数字信号的一个理论上的缺点是：它不是原始信号的真实反映，而是一个近似 值。这是因为：在量化的过程中，把连续的模拟信号的转化成了以不同刻度表示的 离散性信号。这必然引入误差。因此说，数字信号只是原始信号的一个近似表示， 8 硕士擘住论文 m a s t e r st h 8 1 8 见图2 4 1 1 i b 、c 。 之所以说这是一个理论上的缺点，是因为：如果提高量化精度，数字信号就能 逼近原始信号。随着量化精度的不断提高，数字信号能够越来越逼近原始信号，直 至人跟无法察觉这种信号和原始信号之间的区别。例如，在o 5 v 之间，如果进行 1 0 2 4 级别的量化，则两个刻度之间只有不到0 0 0 5 v 。误差就更小，只有刻度的一 半，即不到0 0 0 2 5 v 。此时的数字信号和原始信号相比，几乎可以认为没有误差。 或者说，存在误差，但人感觉不到。因此这样也可以相对真实地反映原始信号。相 比之下，如果使用模拟信号，只要在传输过程中稍加扰动，就会产生比0 0 0 2 5 v 更 大的误差。这正是数字电视比模拟电视更清晰的原因。 摄像机产生数字信号的原理框图见图2 4 1 1 2 。 图2 4 1 1 2 2 4 1 2 数字电视信号的压缩技术 尽管数字信号有很多优点，如容易编辑、图像清晰、稳定可靠等，然而，制作 标准清晰度的数字视频会产生每秒2 0 0 兆比特以上的数据，制作高清数字电视所需 要的数据量会更大。这几乎是让现有设备无法容忍的，将使数字信号失去实用价值 z , s i 。 数字压缩技术很好地解决了这个困难，压缩后信号所占用的频带宽度远远低于 原来信号的频带宽度。例如，某段一分钟的视频图像，记录两个儿童在大草原上牧 马以及他们在草地上摔跤的情况。不考虑压缩，如果对视频图像按照2 5 帧j 眇( p a l 制式) 捕获，帧分辨率按照7 2 0 x 5 7 6 ，颜色分辨率按照3 色单字节，则1 分钟的数 据量为： 6 0 秒2 5 帧秒7 2 0 x 5 7 6 像素3 字节像素= 1 8 6 6 2 4 m ( 字节) 需要三张普通光盘才能存储这一分钟的视频数据。 一种基于内容进行压缩处理的方式则是：把视频内容分为若干个对象，包括草原 背景、放牧的马群、两个儿童以及摔跤过程。分别提取出活动对象“两个儿童和放 牧的马群”，而把草原作为图像的背景，则儿童、马群和背景就是这段视频图像的 内容。由于背景基本不变，因此在这一分钟的1 5 0 0 帧过程中，只要在第一帧中传 送背景，其它帧不用再重复传送，这样就节省了大量的数据量：对马群提取以后单 9 硕士学位论文 榔t e r 。st h e s i $ 独编码传送，在不同帧的编码中只记录马群的形态变化，而在视频中，马群不是主 要关心的对象，所以对其编码只达到常规活动可辨，而不刻意加强描述信息：对儿 童也单独编码，但儿童摔跤的过程是本段视频中最被“关心”的内容，所以对其加强 时间域扩展编码和空间域扩展编码，时间域扩展编码是在关键动作时刻增加一些中 间帧，使其看起来动作更加连贯清晰；空间域扩展编码是对诸如面部表情等部位扩 展分辨率予以细致的描述。 这样的编码方式使得数据量的压缩效果比其它方法扩大了几倍，即压缩后的数 据率更少，但对图像的表现效果却更好，因为这种方法刻意加强了对人们最关心内 容的描述和表达0 3 1 。 因此说，数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之一。到此就 必须要介绍数字电视信号的编码方法和m p e g 了。 2 4 1 3 数字视频信号的两种编码方法 视频信号有两种编码方法，即复合编码和分量编码。复合编码是将复合彩色信 号直接编码成p c m 形式。复合彩色信号是指彩色全电视信号，它包含有亮度信号 和以不同方式编码的色度信号。分量编码是将三基色信号r 、g 、b 分量或亮度和色 差信号y 、( b y ) 、( r y ) 分别编码成p c m 形式。 复合编码的优点是码率较低，设备较简单，适用于在模拟系统中插入单个数字 设备的情况。它的缺点是：由于数字电视的抽样频率必须与彩色副载频保持一定的 关系，而各种制式的副载频各不相同，难以统一。采用复合编码时由抽样频率和副 载频问的差拍造成的干扰将影响图像的质量。 分量编码的优点是编码与制式无关，只要抽样频率与行频有一定的关系，便于 制式转换和统一，而且由于y 、( r 一、一分别编码，可采用时分复用方式， 避免亮色互串，可获得高质量的图像。在分量编码中，亮度信号用较高的码率传送， 两个色差信号的码率可低一些，但总的码率比较高，设备价格相应较贵【卅。 2 4 1 4 数字视频信号的一般编码格式 数字视频信号的抽样频率和格式现行的扫描制式主要有6 2 5 行5 0 场和5 2 5 行 6 0 场两种，它们的行频分别为1 5 6 2 5 赫兹和1 5 7 3 4 2 6 5 赫兹脚】。i t u - r 建议的分量 编码标准的亮度抽样频率为1 3 5 兆赫兹，这恰好是上述两种行频的整数倍。根据奈 奎斯特抽样定理，抽样频率至少要大于2 x 6 = 1 2 兆赫，因此取1 3 5 兆赫是合适的【l 挪】。 由于色差信号的带宽比亮度信号窄得多，所以在分量编码时两个色差信号的抽 样频率可以低一些，同时也考虑到抽样的样点结构满足正交结构的要求，r r u r 建议两个色差信号的抽样频率均为亮度信号抽样频率的一半，a p 6 7 5 兆赫，每行的 l o 顾士孝位论文 m a s t e rst h e s i s 样值点数也是亮度信号样值点数的一半，即分别为4 3 2 个行和4 2 9 个行【l 阄。因 此，对演播室数字电视设备进行分量编码的标准是：亮度信号的抽样频率是1 3 5 兆 赫，两个色差信号的抽样频率是6 7 5 兆赫，其抽样频率之比为4 ：2 ：2 ，因此被称为 4 ：2 ：2 格式。对于用于信号源信号处理的质量要求更高的设备，还可以采用 4 ：4 ：4 的格式【3 7 郊, 3 9 4 0 1 。 2 4 1 5 m p e g 的压缩编码方式 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 ) 是运动图象专家组的简称，它是由i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 就压缩专题而建立的。这 个专家组所提出的压缩编码方式也被人们称为m p e 0 4 1 1 。 碉p e g 技术是当今最流行的音频视频压缩技术之一，这是因为它不仅仅是一个 单独的标准，而且是一系列以相似理论为基础且适合于很多应用的标准【4 ”。 压缩技术与电视有很大的关系。一种简单的压缩形式是交织，它使带宽以2 ：1 的比例降低；用色差信号代替r g b 信号是另一种压缩形式。由于眼睛对色彩细节并 不十分敏感，所以色差信号只需要较窄的带宽。当彩色电视广播出现时，方面黑 白电视的频道结构必须保留，另一方面又在发展复合视频信号。复合视频系统，如 p a l 、n t s c 和s e c a m ，都是压缩的形式，这是因为它们在进行彩色电视广播时使 用的带宽与黑白电视中使用的带宽相同【l 罔。 在所有实际的节目内容中有两种信号分量：一种是异常而无法预见的，另一种 则是可以预见的。异常分量叫作熵，它是信号中的真实信息。余下的部分叫作冗余， 因为它不是必需的。压缩过程就是要去掉尽量多的冗余的过程 s a t 。 冗余可能是空间性的。例如，某一帧画面中，有大片的区域是同一种颜色，则 在该区域内，相邻的象素几乎具有相同的值，这是空间上的冗余； 冗余也可能是时间性的。例如，在新闻节目中，往往长时间显示主持人和其后 面豹背景。面背景在整个节目的播放过程中几乎无变化，这就是在时间上的冗余 l 捌 m p e g 压缩系统的工作方式是：在编码器中，将熵从冗余中分离出来。要录制 或传输的时候，一般要必须使用到熵，只使用很少的一部分冗余信息，由编码器计 算并给出冗余的方式和格式等，解码则计算并恢复传输信号中的冗余。为了消除空 间上和时间上的冗余，m p e g 分别给出了帧内编码和帧间编码两种方法。 帧内编码是一项利用空间性冗余或画面中冗余的技术；而帧间编码则是利用时 间性冗余的技术。帧内编码可以单独使用( 如用于静止画面的j p e g 标准) ，也可以 如在m p e g 中那样与帧间编码一起组合起来使用。 帧内编码依赖于典型图象中的两个特点：其一，并非所有的空间频率会同时出 现。其二，空间频率越高则幅度通常越低。帧内编码需要对图象中的空间频率进行 分析。该分析是诸如弱波和d c t ( 离散余弦变换) 那样的交换的目的。交换产生描 述每个空间频率大小的系数。一般来讲，许多系数均为零，或接近于零。这些系数 可以被省略，只需要加上一个零系数的个数即可，从而使数据率降低【4 l 朋朋】。 帧间编码则依赖于找到连续画面的相似之处。如果解码器中有了一个画面，那 么下一个画面可以通过仅仅发送画面差异来创建。当物体移动时，画面差异会增加， 但由于移动物体在画面之间一般不大改变其外形，所以画面差异的大小可以通过运 动补偿来抵消。如果运动可以被度量，那么可以通过将前面画面中的部分内容移动 到新位置上的方法来创建当前画面中的近似值。这个移动处理过程由通过传送到解 码器中的矢量来控制。矢量传送比发送画面差异数据所需的数据要小得多。运动补 偿只是简单地降低了差异图象中的数据量，而无法完全消除连续画面问的差异 【4 l a 2 a 3 , 4 4 1 。 单个m p e g 音频或视频编码器的输出叫作基本数据流( e s ) 。基本数据流是一 个无限接近实时的信号。为方便起见，它在“打包基本数据流( p e s ) ”中又被分割成 大小合适的数据块。这些数据块又需要报头信息以识射打包数据的开始，还必须包 括时问标记，因为打包破坏了时间的连续和单调性p 嗣。 按照m p e g 标准，数字电视信号编码后是以流”的方式传播或储存的。在m p e g 中，有两种流的格式：p s ( p r o g r m ns t r e 锄，节目流) 和t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ，传 输流) 。这两者的应用范围不一样，典型应用代表分别是d v d 和无线数字电视广播。 只要所有编码器均锁定到同一时钟上，一个视频p e s 和一些音频p e s 能够组 合起来形成p s ( 节目流) 。每个p e s 中的时间标记确保了视频和音频之间的唇同步。 节目流含有带有报头信息的各个不同长度的数据包。它们在与光盘和硬盘之间相互 的数据传送中发挥着作用，能够无误差地传送任意长度的文件。d v d 就是使用节目 流。 对传送和数字广播而言，几个节目和与它们相关的p e s 能复合成单个的t s ( 传 输流) 。传输流与节目流不同，前者中的p e s 数据包进一步分成小的固定尺寸的数据 包。并且能承载根据不同时钟编码的多个节目。之所以能够这样做是因为传输流具 有节目时钟参考( p c r ) 机制，允许传送多个时钟信息，并在解码器上选择和再生其 中的某一个脚。 本项目研究的是空问的数字电视信号，所以着眼点在于 i s ( 传输流) 。 t s ( 传输流) 不仅仅是音频和视频p e s 的简单复合。除了压缩音频、视频和数 硕士学位论文 t a s t e r st h e s i $ 据之外，传输流中还含有描述数据流的大量的“亚数据”。这包括列出传输流中每个 节目的节目关联表( p a t ，p r o g r a m a s s o c i a t i o n1 a b l e ) 、节日映射表( p m t ，p r o g r a m m a p p i n gt a b l e ) ，网络信息表( n i t ，n e ti n f o r m a t i o nt a b l e ) 和条件访闯表( c a t ， c o n d i t i o n a c c e s s t a b l e ) 2 p a t 中的每一条目与节目映像表( p m t ) 相对应，后者列出 组成每个节目的基本数据流。有些节目是公开的，而有些节目可能要有条件地进入 ( 加密) 。这些信息也放在“亚数据”中。 i s 由固定大小的数据包( t sp a c k e t ) 组成，每个为1 8 8 字节( 加入了循环冗余 校验的数据包为2 0 4 个字节) 。每个数据包带有一个数据包识别符( p i d ) 。同一基本数 据流中的同类数据包带有相同的p i d ，所以解码器( 或解多路调制器) 能够选择其所 需的基本数据流，并去除剩余的部分。数据包连续性计数能够确保收到对数据流进 行解码所需的每个数据包。 t s 的结构比较复杂，它使用节目关联表( 列汀) 和编码识别器在节目中将节目 特定信息与基本数据流区分开。在每个基本数据流中都有一个复杂的结构，允许解 码器区分矢量、系数和量化表等等【8 撕j 。 2 4 1 6m p e g 关于画面的传送 前面提及，冗余分为空间冗余和时间冗余。为了减少这两种冗余，需要进行分 别帧内编码和帧问编码。对于帧内编码，其相对简单，是某帧除去了空间冗余的近 乎完整的画面：而帧间编码相对复杂，涉及到运动补偿和双向编码，这里重点介绍 这一种编码方式。 显然，运动会降低画面之间的相似性，因而增加创建差异画面所需要的数据。 而运动补偿则是用来增加画面的相似性f 4 7 】。 当一个物体在电视屏幕上通过时，它可能在每幅画面上出现在不同的位置，但 其本身的外形并没有多大的改变。通过在编码器上测量运动可以降低画面差异。画 面差异以矢量的方式送到解码器。解码器使用该矢量将土一幅画面的一部分移至新 画面中更恰当的位置上。屏幕上某个画面域称为一个宏块，由一个矢量控制着该宏 块移动。宏块的大小由d c t 编码和色彩亚取样的格式来决定。在4 ：2 ：0 系统中，彩 色取样的垂直和水平空间正好是亮度空间的两倍。单个的8 8 的d c t 彩色取样块在 同一区域上延伸为四个8 x 8 的亮度块；所以这是矢量能够移动的最小画面区域。一 个4 ：2 ：0 的宏块包含四个亮度块、一个c r 色差信号块和一个c b 色差信号块。 运动矢量包含一个竖直分量和一个水平分量。在典型的节目内容中，运动是在 一些画面上连续发生的。而如果一个物体以固定速度移动的话，矢量就不发生变化， 矢量差异为零。运动矢量只与宏块有关，而与图象中的实际物体无关。但有时宏块 硕士学位论文 m a s t e r 。s1 h e s i $ 的一部分移动，而另一都分不移动。在这种情况下就不