（通信与信息系统专业论文）车载视频播放系统的设计.pdf

哈尔滨理丁大学1 = 学硕。l 学位论文 车载视频播放系统的设计 摘要 随着汽车电子技术的不断发展和完善。以电子信息技术为主的车载信息 娱乐系统，即音频、视频、导航和遥信成为当今研究的热点问题。本文着重 研究车载视频播放系统的相关理论和设计方法。 对于车载视频播放系统，主要解决的问题是由于高速行驶以及长时间行 驶时所需的存储空间大、视频图像清晰。通过对已有的车载视频播放系统进 行比较，本文提出了一种基于嵌入式系统的大容量高清晰车载视频播放系 统。在详细分析视频数据d c t 高级数据压缩算法和m p e g 4 h 2 6 4 标准的基 础上，对车载视频播放系统的硬件结构和软件任务流程进行设计，在硬件设 计方面，采用飞利浦公司a r m ( l p c 2 2 1 1 0 ) 的微处理器作为主控制器，实现 对视频的解码，缓存和l c d 液晶显示控制。在视频解码部分采用硬件芯片 s a a 7 1 1 l a 对视频图像信号进行解码，提高图像显示的速度。针对车载视频 播放系统数据量大的要求，采用高级d c t 压缩算法，嵌入到车载视频播放 系统的软件中，对大量数据存储空间以轨迹数据存储方式进行回放，突破播 放速度瓶颈，在车载视频图像清晰化方面，在软件设计中采用m p e g 4 的 h 2 6 4 格式标准，通过高清晰t f t 液晶显示屏实现对图像的高清晰显示。 同时在应用软件设计过程中，对系统资源进行合理分配。结合合理的程 序结构，有效地防止系统效率低，共享冲突，任务终止和系统死机的问题， 保证系统实时、高效、可靠地工作。 关键词车载视频；嵌入式控制器；数据压缩：解码 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 d e s i g no f v e h i c l em o u n t e dv i d e ob r o a d c a s ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e sd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a u t o m o t i v ei n f o r m a t i o n e n t e r t a i n m e n ts y s t e m s ，s u c ha sa u d i o ，v i d e o ，n a v i g a t i o na n dt e l e m e t r yb e c o m e h o ti s s u e sp r o b l e m si nt o d a y sr e s e a r c h t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h i n go nt h e a u t o m o t i v ev i d e os y s t e m s r e l a t i v et h e o r ya n dd e s i g n i n gm e t h o d s t oa u t o m o t i v ev i d e os y s t e m s ，t h em a i np r o b l e m st ob es o l v e da r et h el a r g e r e q u i s i t es t o r a g er o o ma n dc l e a rv i d e oi m a g eo w i n g t oh i g h s p e e ds t e e r i n ga n d l o n g t i m es t e e r i n g t h r o u g ht h ec o m p a r eo fe x i s t i n ga u t o m o t i v ev i d e os y s t e m s ，a h i g h l yc l e a rv i d e os y s t e mb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e d o nt h e b a s i so fd e t a i l e da n a l y z i n gt h ev i d e od a t ad c ta d v a n c e dd a t ac o m p r e s s i o n a r i t h m e t i ca n dm p e g 4 h 2 6 4s t a n d a r d ，t h ed e s i g no f t h ea u t o m o t i v ev i d e o s y s t e m s h a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r et a s kf l o wa r ec o n v e y e d i nt h ef a c e t o f h a r d w a r ed e s i g n ，m i c r o p r o c e s s o r ( a r m ) o fp h i l i pc o m p a n yi sa d o p t e da st h e m a i nc o n t r o l l e r ，r e a l i z i n gt h ev i d e od e c o d e ，c a c h ea n dl c d d is p l a yc o n t r 0 1 i n t h ep a r to fv i d e od e c o d e ，c h i ps a a 711 1ai sa d o p t e dt od e c o d et h ev i d e oi m a g e s i g n a l ，e n h a n c i n gt h es p e e do fi m a g ed i s p l a y b a s e do nt h el a r g er e q u i r e dt oc a r v i d e os y s t e md a t a ，u s i n ga d v a n c e dd c tc o m p r e s s i o na r i t h m e t i c ，e m b e d d e dt o t h es o f t w a r eo fc a rv i d e os y s t e m ，s t o r e da r e ao ft h el a r g en u m b e ro fd a t ai s r e t u r n e d ，w h i c hi sb r o k et h eb o t t l e n e c ko ft h ep l a y i n gs p e e d t h ef o r m a ts t a n d a r d o fh 2 6 4i nm p e g 4i sa d o p t e di nd e s i g n i n gs o f t w a r e ，b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o n t h ed e f i n i t i o no fg r a p hi nc a rv i d e os y s t e m t h ep i c t u r ei sc l e a r l ys h o w e db yt f t l c ds c r e e n i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a tt h es a n l et i m e ，t h e r e s o u r c e so fs y s t e mi sr a t i o n a l l ya l l o c a t e d c o m b i n a t i o nw i t ht h er e a s o n a b l e p r o c e d u r es t r u c t u r e ，e f f e c t i v e l yp r e v e n t i n g t h es y s t e m i n e f f i c i e n t ，s h a r i n g c o n f l i c t a n dt h et e r m i n a t i o no ft a s ka n dt h es y s t e mc r a s h e d ，i ti ss u r et h a ts y s t e m i sr e a l t i m e ，e 硒c i e n t ，r e l i a b l ew o r k i l - 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 k e y w o r d s v e h i c l em o u n t e dv i d e o ，e m b e d d e dc o n t r o l l e r , d a t ac o m p r e s s i o n ， d e c o d i n g i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文车载视频播放系统的设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：压玄日期沙年弓月，矽日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 车载视频播放系统的设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密 “ ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：佬叨 聊签名啪敝 日期：国曙年；月r 严日 同期：肿乡月扣 哈尔滨理t 人学工学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 汽车电子娱乐的发展将为中国汽车产业带来了很好的机遇和切入点，因为 它降低了企业发展的进入门槛，提高汽车使用的舒适度，拓展汽车增值空间。 目前，中国车载电子系统制造商已经具有一定经济规模，他们正在通过兼并或 重组等方式，融入车厂的配套体系之中，并逐步打入国际高档轿车配套市场。 发展车载电子设备是迅速发展中国汽车电子产业的重要方向之一。相比之下， 中国汽车电子控制系统的产业化水平和研发能力与国外的差距还很大。在不利 的市场竞争环境面前，我们研究的汽车电子和产业化主要集中在：信息化、时 速表、发动机转速表和油量表将被集网络、诊断和数字显示功能于一体的触摸 式液晶屏幕所取代，并通过车载动态信息系统的“专家智囊团”实现现场诊断、 道路自主导航、电子地图、车辆定位动态显示和轨迹回放、车用音视频导航系 统等功能。 中国汽车市场的高速增长促成了中国车载娱乐系统市场规模的成倍增长， 市场研究表明在2 0 0 3 , - 一2 0 0 6 年间，中国轿车产量合计应在1 2 0 0 - - - 1 6 0 0 万辆左 右，汽车娱乐系统市场的规模在5 0 0 - - 一8 0 0 万套左右，主要提供o e m ( o r i g i n a l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 配套服务。采用车载计算机作为平台，将车载通信、 导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统是该领域的市场发 展趋势。 近几年，随着中国经济的发展，中国政府和普通百姓对中国汽车工业的发 展投入了很多的关注和期待，中国逐渐成长为世界汽车消费大国之一，而中国 的汽车市场也进入了蓬勃的发展阶段，特别是汽车电子行业，各企业纷纷找到 了自己的切入点，汽车电子产品市场在中国逐步兴起并迅速壮大起来。到2 0 0 4 年，中国汽车电子市场已经达到4 5 7 9 亿元，这一数字相当于2 0 0 1 年的1 5 5 4 亿元的三倍。由于汽车消费者对汽车各方面要求的不断提高，汽车电子不仅仅 是汽车中的仪表盘和半导体收音机，e m s 、a b s ( a n t i - l o c kb r a k es y s t e m ) 、安 全气囊、电子导航、娱乐及通信等众多汽车电子产品被应用到国产汽车中，并 以惊人的速度在国产汽车产品中普及。 但是，在汽车电子产品领域，中国才刚刚起步，国产的产品许多还不能满 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 足国内汽车产业发展的需要。随着各汽车厂商对成本的控制力度不断加大，零 配件国产化已经成了汽车电子产品发展的必然趋势。汽车电子j 下逐渐成为信息 产业的“新贵”，汽车车载技术、i t s 终端产品、电子导航、娱乐及通信、车载 p c ( p e r s o n a lc o m p m e r ) 相关产品及汽车电路和检测等领域成为汽车电子系统研 究的热点瞳1 。 如今随着电子技术的不断发展和消费水平越来越高，汽车用户对现有的车 载电子产品已经不在满足于如今仅有的单一功能或是几个产品简单的功能设备 组合。如何将这些功能有机的结合起来，做成一个完善的车载电子系统，提供 多位一体的智能平台，已成为车载电子产品的发展趋势和消费者的呼声。在行 车过程中实时显示汽车位置，以及附近的各种设施。在停车时还可通过该系统 收看电视节目，欣赏c d ( c o m p a c td i s c ) 音乐和看电影。 1 2 国内外车载视频播放器研究现状 1 9 2 2 年，美国人弗罗斯特在一辆福特牌汽车上安装了第一台汽车收音机， 标志着汽车进入了多媒体时代。1 9 9 8 年，歌乐公司就与微软合作，利用 w i n d o w s 操作系统开发出世界上第一台车载电脑系统“歌乐p c ”，综合运用了 汽车音响、计算机技术、导航技术及自动语音识别技术，将汽车带入一个将音 响、视像与通讯三结合的信息网络空间。1 9 9 9 年8 月，通用汽车公司发布了 “网络汽车 ，其特点是司机坐在舒适的座椅上就可以通过声音上网。2 0 0 2 年 秋天，丰田公司与微软公司签署一项协定，在丰田汽车上安装带有w i n d o w s c e 操作系统的车载电脑，来为顾客提供车载网络服务。有了这一项网络服 务，驾车人可以在车里做任何事情：下载音乐、网上购物、选择最佳行驶路线 以及请求公路救援等。除了丰田公司以外，当时还有4 家汽车生产厂家计划在 1 2 种车型上安装使用w i n d o w sc e 操作系统的车载电脑。而宝马公司在2 0 0 2 年9 月就推出了带有w i n d o w sc e 的新型车。本田公司则在2 0 0 2 年夏天推出 了声控车载电脑，并在2 0 0 2 年秋天推出的雅阁车上配备这一系统。2 0 0 2 年中 期，美国英特尔公司决定批量生产车载电脑。现在市场上比较常见的国外车载 系统有以下几种： 。 1 阿尔派i v a d 3 0 0 e 车载系统阿尔派推出的i v a d 3 0 0 e 车载系统，在 d i n ( d e u t s c h e si n s t i t u t 触n o r m u n ge v 1 的标准尺寸机体内兼容了d v d ( d i g i t a l v i d e od i s k ) ，m p 3 ( m p e ga u d i ol a y e r3 1 ，w m a ( w i n d o w sm e d i aa u d i o ) 碟片播 放功能，具有大屏幕触摸屏显示器及控制菜单，可以控制换片机、音频处理 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 器、内置功放、电视调谐器等外围设备b 。 2 索尼n v - x y z 车载系统索尼多媒体导航系统n v o x y z 目前共推出 x y z 7 7 ，x y z 5 5 和x y z 3 3 共三种型号1 。n v - x y z 最大的特点是内置了硬 盘，除了作为传统的汽车导航器外，它车载多媒体信息系统中的媒体播放模块 的研制还可以播放各种类型如图像、音频、视频等多媒体文件，使其成为了一 个车内的媒体中心。此外它操作简单，可使用遥控器进行操作，也支持触摸屏 操作。 3 松下c n h d x 7 3 0 d 车载系统松下电器推出的c n h d x 7 3 具备了几乎 所有汽车音响主机的功能，同时还具备了汽车导航等先进功能。它装载有一个 1 6 g b 的硬盘，以及一个2 0 0 m h z 的c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) ，通过一个 6 5 英寸的宽屏幕l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 做操作界面，除了能作为汽车导 航外，内置了电视接收器、d v d 播放器等。 4 韩国m a x a n 公司韩国m a x a n 公司推出的车载多媒体影音中心 i n f i l l 。它集成了电视、数字多媒体广播、上网和g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 导航器为一体。强大的影音功能还支持d i v x ( d i g i t a l v i d e oe x p r e s sd i z ) ， m p 4 ( m p e ga u d i ol a y e r4 ) 格式和多种音频文件的播放。i n f i l l 系统配有一个7 英寸的t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 显示屏，用户可以通过触摸手柄轻松控制它的 所有功能。i n f i l l 系统自带有4 0 g b 硬盘，除存储一些影音文件外，还可以存储 照片、文档等格式的文件哺1 。 5 德国大众公司德国大众公司推出的数字化多媒体视频娱乐系统，集电 视、收音机、d v d c d 、m p 3 和游戏功能于一体，并且可以和m p 3 播放器、 摄像机、游戏机直接连接使用。7 寸t f t 液晶显示屏，光盘驱动器安装在扶手 箱中。 6 飞利浦公司飞利浦车载信息娱乐系统集成了d v d 播放器、电视、数 字多媒体广播、g p s 导航器为一体。 我国汽车产业经过5 0 年的漫长发展，在“十五”期间迎来爆发期，2 0 0 4 年汽车产量已超过5 0 0 万辆，成为世界上第三大汽车生产国。目前中国人均 g d p ( g r o s sd o m e s t i cp r o d u c t ) 已达1 0 0 0 美元以上，这标志着我国汽车的大众消 费进入了导入期，汽车工业将会以比g d p 更快的增长速度增长。预计今年产 量将在6 0 0 万辆，2 0 1 0 年达到9 6 0 万辆至1 0 0 0 万辆，汽车保有量达到5 5 0 0 万 辆左右，汽车化水平达到4 0 辆千人。2 0 2 0 年达到1 4 0 0 万辆至1 5 0 0 万辆。届 时，中国将成为世界第一汽车消费与生产大国。随着我国汽车产业的蓬勃发 展，汽车电子产品市场规模已从2 0 0 0 年1 0 亿美元增长到2 0 0 5 年8 0 亿美元。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 3 车载视频播放器发展趋势 在汽车产业高度发展的状况下，通过发达国家汽车车载市场的趋势，归纳 中国车载视频播放器的发展趋势如下： 1 功能多样化车载多媒体系统可以为驾驶员提供一系列服务，表现在增 加语音声控、影音娱乐、g p s 导航服务等功能。市场调查表明功能越多越容易 受到用户的欢迎。 2 多元化信息服务显示塞车信息，通知天气预报等信息的服务将逐渐成 为可能，甚至能与办公室和家里进行通信联络，开启家中的照明灯，启动自家 的喷灌系统，控制办公室安全系统等等将不在是梦想。汽车电子产品的未来发 展，多元化的信息服务是其中一个必然的趋势。 3 体积更小，更便携由于体积更小，便携安装方便、适用多种车型的便 携式汽车电子产品呈增长趋势。在价格方面使消费者更容易接受，正因为如此 车载产品呈增长趋势。 4 高新科技将会不断运用如今一些汽车电子产品都可以看到高新技术的 影响，索尼推出的三维影像导航运用了三维技术【6 1 。不久将来，汽车电子产品 无疑会在当前的车载电子产品中有更多高新科技的应用，随着各方面科技的发 展，车载的信息系统可以通过从外获得的系列信息进行处理信息，如输入经 纬度来指定目的地，通过获取路况信息选择最优路径，然后根据图像信息处理 技术和运动预测完成对周围环境的识别，进行自动地加速和减速处理，这样也 许可以设计成无人驾驶的汽车了，用户可以通过车载所提供的娱乐和办公设备 进行工作，使办公室与家零距离。处理器芯片也会更专业化，在车载音频视 频应用日益增长的需求市场，2 0 0 6 年底n x p 推出面向车载d v d 播放器和车 载电视的媒体处理技术。这也体现了发展趋势。 1 4 本课题主要的研究内容 本课题主要研究车载视频播放器的设计。通过对目前车载视频的发展趋 势，发现目前生产的产品价格都比较昂贵。因此，本课题采取经济、舒适、便 携的态度对车载视频及播放系统进行设计。在硬件上利用主控制器a r m 和解 码芯片s a a 7 1 1 1 a 对车载视频播放系统的解码部分、缓存部分、l c d 部分、 电源部分进行了设计。在软件部分对u s b 接口设计；音视频数据流设计；视 频解码的设计；音视频的输出设计；播放控制设计。 哈尔滨理t 人学工学硕j ：学位论文 第2 章车载视频播放器技术 2 1 视频压缩处理 多媒体技术的一项重要内容即是：利用计算机综合处理声、文、图信息， 而其首先需要解决的问题应是把声音和视频信息数字化后送到计算机中。视频 信号源一般是摄像机、录音机、扫描仪以及视频光盘等，而它们的输出大多数 是标准的彩色全电视信号，因此视频信号获取主要是指标准的彩色全电视信号 的获取”1 。 目前通用的电视标准有n t s c ( n a t i o n f i lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ) $ 0 式、p a l ( p h a s ea l t e r n a t el i n e ) 锘o 式、s e c a m ( s e q u e n t i a lc o u l e u ra v e cm e m o i r e ) 制式三种，虽然说这三种制式的信号处理方式不同( 如彩色空间、相位处理各 不相同) ，但其视频获取的流程却是一样的。即需要：首先将彩色全电视信号 经过采集设备分解成模拟的r g b 信号或y u v 信号，然后各个分量的a d 变 换、解码，将模拟的r g b 或t i 信号变换为数字的r g b 信号或y u v 信 号，存入帧存储器，主机可通过总线对帧存储器中的图像数据进行处理，帧存 储器中的数字r g b ( r e dg r e e nb l u e ) 或y u v 信号经过d a 变换转换成模拟的 r g b 或y u v 信号，再经编码合成彩色全电视信号，输出到显示器上，其流程 如图2 1 所示。 模拟 繁年磊芒 - - 。_ 。- - _ _ - _ - - 。_ _ _ _ 。- _ j ( y u v ) 数字 壤 ( y u v ) 当酱 图2 - 1 视频采集流程图 f i g u r e 2 - 1v i d e oc o l l e c t t e df l o wc h a r t 视频图像压缩处理技术的基本思想和方法可以归纳成两个要点：在空间 上，采用了j 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 ) , i 医, 缩算法来去掉冗余信息； 哈尔滨理- 丁大学t 学硕十学位论文 在时间上，采用了移动补偿的算法来去掉冗余信息。 下面介绍视频压缩的相关的几种技术： 1 采样h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 对图像的亮度分量分辨率最敏感，因 而y 亮度象素以满分辨率编码。对色度信息，h v s 不是很敏感。通过与一类 平滑处理有机地相结合，可以减少象素值的数量，以减少被压缩的信息量。 2 量化量化是指用规定范围内的一个值来表示值的一个范围。连续的模 拟信号在定义域上的离散化，叫采样；在值域上的离散化叫量化。量化范围可 以被精确的表示成一个整数码，该码在解码过程中可以用来恢复被量化的那个 值。实际值与量化值之间有个差值称为量化噪声( q u a n t i z a t i o nn o i s e ) 。显然， 量化误差越小，经过量化后的信号就越能够代表真实的信号。h v s 对量化噪 声不敏感，噪声可以允许很大，利用这个特性可以提高编码效率【8 1 。 3 预测编码通常，图像具有很好的连续性，也就是说，可以通过对一个 或多个像素的观测，可以预测出它们相邻象素的大概取值。这种思想导致了预 测编码的产生。预测编码的基本原理：首先根据算法模型，用原有的样本值对 新样本进行预测，得到新样本的预测值。接着，取新样本的实际数值，然后和 预测值进行比较，二者相减得到差值，最后对差值进行编码，这就是预测编码 形成的基本过程。 预测的原理如图2 4 所示： 图9 - 2 预测编码原理 f i g u r e 2 - 2p r e d i c t i v ec o d i n gp r i n c i p l e 预测得越准，差值的幅度越小，压缩率越高。 4 运动补偿这是一种帧间编码的方法，其原理是利用帧间的空间相关 性，减小空间冗余度。帧间编码之所以可以减小冗余度，因为两帧之间具有很 大的相似性。如果将前后两帧相减( 图像组中的移动物体作相应位移) 得到的误 差作编码所需的字节数要比帧内编码所需的字节数少，帧间差集中在零附近， 可用较短的码字传送。 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 5 离散余弦变换d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 变换：变换编码技术是 指对图像信号做数学变换，产生一组变换系数，然后对这些系数进行量化、编 码，使其有利于压缩目标的实现。变换编码的目的是除去图像信号的相关性， 属于有损编码。通过d c t 变换，把图像信号能量集中在少数几个系数上。 下面给出d c t 变换的几点说明。 d c t 变换使用下式计算： 脚v ) = 扣删瞎喜f ( i , j ) c o s l ( 2 i + r 1 ) u z c o s l ( 2 j + 广1 ) v zl ( 2 - 1 ) 它的逆变换使用下式计算： = 秒1c ) c ( v ) 隆f f ( i zzf(u,vu=ov = o ) c d s 半伽警i ( 2 _ 2 ) ，) = j ( 甜) c ( v ) 1) c d s ! 半c d s ! 半l ( 2 2 ) t i l u l u i 上面两式中， c ( ”) ，c ( v ) = 1 1 4 1 4 ， 当u ，v = 0 ( 2 - 3 ) c ) ，c ( ，) = 1 ， 其他 ( 2 - 4 ) 火f ，力经d c t 变换之后，只o ，0 ) 是直流系数，其他为交流系数。 6 可变长编码可变长编码( v c l ) 是一种统计编码技术，它为被编码的数 值分配相应码字。按照统计结果，用较短的码字来表示出现概率高的符号，而 用较长的码字来表示出现概率低的符号，这样可以达到压缩的目的。哈夫曼编 码是统计压缩法的一种变字长编码方法，它是由h u f f m a n 于1 9 5 2 年提出一种 编码方法。 哈夫曼编码的过程如下： 首先，将信号源的符号按照出现概率递减的顺序排列。 其次，将两个最小出现概率进行合并相加，得到的结果作为新符号的出现 概率。 再次，重复进行，步骤1 和2 直到概率相加的结果等于l 为止。 再次，在合并运算时，概率大的符号用编码0 表示，概率小的符号用编码 1 表示。 最后，记录下概率为l 处到当前信号源符号之间的0 ，l 序列。 7 画面插补如果解码器从前面一幅和后面一幅画面来重构一幅画面，那 么中间一幅画面就可以通过插补的技术，即双向预测来重构。中间画面中的象 素块可以通过进行前向和后向预测，也就是通过运动矢量把已知象素块做平移 而获得。解码器可以采取依据前后画面的预测值之平均值作为指定块的象素 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 值。m p e g 视频压缩编码后包括三种元素：i 帧( i f r a m e s ) 、p 帧( p f r a m e s ) 和b 帧( b f r a m e s ) 。在m p e g 编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为i 帧；部分 压缩成p 帧；还有部分压缩成b 帧。帧内图像帧( 或称i 帧) 是用当前图像自身 信息进行编码的，i 帧采用帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。i 帧提供了 在压缩视频数据内潜在的随机存取点，i 帧仅使用变换码，并提供适度的压 缩，i 帧典型的压缩比为l b i t 象素。i 帧采用了基于离散余弦变换 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 的压缩技术，这种算法与j p e g 压缩算法类 似。采用i 帧压缩可达到1 6 的压缩比而无明显的压缩痕迹。在保证图像质量 的前提下实现高压缩率的算法，仅仅靠帧内压缩是不够的，m p e g 采用了帧 间和帧内相结合的压缩算法。 预测图像帧( 或称p 帧) ，是根据当前最近的i 帧或p 帧进行编码的，称为 前后预测。图2 - 3 ( a ) 说明了其预测过程，p 帧可以对b 帧和后面的p 帧进行预 测，但无论怎么样，由于p 帧使用了运动补偿，因而压缩比会比i 帧高。另一 方面，因为p 帧是由以前的i 帧或p 帧预测而来的，所以，p 帧 b ) 图2 - 3 时域画面的双向预测示意图 f i g u r e 2 3t i m e d o m a i np i c t u r eb i d i r e c t i o n a lf o r e c a s ts c h e m a t i cd r a w i n g 编码误差会有扩散的可能。双向图像帧( 或称b 帧) 是同时利用前后帧作为预测 参考进行编码的，所以又称为双向预测。在图2 - 3 ( b ) 说明了预测过程，b 帧不 仅图像压缩比最高，而且b 帧本身不被用来做预测参考，因而不会扩散。 然而，只有采用b 帧压缩才能达到2 0 0 ：1 的高压缩。b 帧法是双向预测的 哈尔滨理t 大学工学硕j ：学位论文 帧间压缩算法。当把一帧压缩成b 帧时，它根据相邻的前帧、本帧以及后一 帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。b 帧数据只有 i 帧数据的百分之十五、p 帧数据的百分之五十以下阳1 。 图2 4 简化的视频编码器 f i g u r e 2 - 4s i m p l i f i c a t i o nv i d e oe n c o d e r 编码器可以有许多种自由选择，以权衡费用，速度和画面质量和编码的效 率等。m p e g 1 对活动图像编码的典型框图，如图2 4 所示。 解码是编码操作的逆过程。下面给出视频解码的基本框图，如图2 5 。对 于固定速率的应用，信道以固定速率向一个f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 缓冲器填 充编码比特流，解码器一面读该缓冲器，面根据规定的语法对比特流中的数 据元素进行解码。 当解码器读比特流时，它首先识别编码画面的开始及画面的类型，然后依 次对画面中的每一个宏块解码。宏块类型和运动矢量( 如果有的话，如i 帧就 没有) 被用于构造当前宏块的相对与前后参考画面的预测宏块，这些参考画面 与存贮在解码器中。比特流中的系数数据被解码和逆量化，然后用一个d c t 逆变换对每个8 8 的数据块做变换，其结果与预测信号相加，并限定在确定 的范围之内。 在画面中所有宏块被处理后，可以重构画面。如果该画面是一幅i 画面或 p 画面，则它是一幅后继画面的参考画面，因此被存贮起来，以替代存贮最久 的参考画面。 再画面被显示之前，可能会对画面的顺序进行重排，使得从编码顺序恢复 到画面自然显示顺序。重排之后，画面是以数字化保存的，可进行后处理。 哈尔滨理t 大学1 = 学硕上学位论文 图2 5 基本的视频解码器框图 f i g u r e 2 - 5b a s i cv i d e od e c o d e rd i a g r a m 2 2 常用的视频编码 2 2 1m p e g 1 的视频编码技术 m p e g 一1 标准：m p e g 即m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p 意为活动图像专 家组n 训。m p e g 1 作为一个国际性的标准，是由国际标准组织i s o 和国际电 工委员会i e c 共同制订的，它的标准号为i s o i e c l l l 7 2 1 ，1 1 1 7 2 2 ，1 1 1 7 2 3 ，其中1 1 1 7 2 1 为整体系统的标准；1 1 1 7 2 2 为图像压缩标准；1 1 1 7 2 3 为声 音压缩标准。m p e g 1 标准规定了传输码率约为每秒1 5 m 比特，主要用于数 字存贮媒体的活动图像及伴音编码。这个传输码率主要是考虑到与当前计算机 网络及个人计算机相适应。其实m p e g 1 的应用可涉及到电影、电视及利用电 话线路进行双向通信的电视电话等方面。 视频被描述为一组连续的画面，而每幅画面可看成是一个二维的像素陈 列。每一像素的彩色表示包含三个分量：y ( 亮度) 以及两个色度分量c b 和 c r 。 数字视频的压缩主要利用了下列几种技术：亮度色度的采样、量化，运动 补偿，离散余弦变换( d c t ) 、可变长编码( v l c ) 以及画面插补技术等引。 视频标准的技术指标：m p e g 1 视频标准有关图像的指标如表2 1 所示 m p e g - 1 视频格式：为了更好地阐述压缩编码技术，介绍m p e g - 1 视频流 的数据结构。m p e g 1 标准定义了视频流数据结构的分级n 副，如图2 6 ：数据 结构的最顶层为图像序列，图像序列包含一个或多个图像帧组，图像序列以序 哈尔滨理工大学t 学硕 学位论文 列结束码终止。图像帧组包含了开始标记( 如尺寸，色素比例、帧速等信息) 和 允许随机存取的一个或多个图像帧( 或称为图像串) 。图像帧是视频序列的基本 编码单位，一幅图像帧有包含了若干个图像切片1 。 表2 1m p e g 1 视频数据 t a b l e 2 1 甲e g 一1v i d e od a t a 序列开始标记l 序列l 序列结束标记 水平尺寸i 垂直尺寸l 像素比例l 帧速 1 其他信息ij 像组 并始标记f 时间码f 其他信息f图像1 图像2 i 结束标记 开始标记i 附加信息1切片1 切片2 i 结束标记 弃始标记l 垂直位置i 量化级i 附加信息l 宏块1 i 结束标记 宏块编码信息ly 子块l y 子块2y 子块1y 子块2c b 子块lc b 子块 图9 - 6m p e g 1 标准的层次结构 f i g u r e 2 - 6m p e g - 1s t a n d a r dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e 哈尔滨理丁大学t 学硕l 学位论文 一个图像切片包含若干个宏块。宏块是运动补偿和量化控制的基本单位， 它由1 6 1 6 象素组成。每个宏块包括了6 个图像子块：即4 个亮度子块、1 个 红色色度子块c r 和1 个蓝色色度子块c b 。每个宏块的头部信息包含量化和补 偿信息。考虑到人眼的视觉特性，在水平和垂直方向上，亮度信号y 与色差信 号c r 、( 或c b ) 取样点的比值都是2 ：1 。因此每个宏块中亮度子块和红蓝色度的 比例为y c r ：c b = 4 ：l ：1 ，见图2 7 n 引。子块是基本的编辑单元，有6 4 个象素，存 在一个8 8 的二维数组里。d c t 就是以子块为单位进行处理的。 2 2 2m p e g 4 标准概述 田口口 yc rc b 图2 7 宏块结构 f i g u r e2 - 7g r e a ts t r u c t u r e i s o 的m p e g 4 标准的第一版于1 9 9 9 年1 月正式公布，标准的第二版于 1 9 9 9 年1 2 月公布n 制。较之m p e g 前两个图像压缩标准而言，m p e g 4 为多媒 体数据压缩提供了一个更为广阔的平台，它更多定义的是一种格式和框架，而 不是具体的算法。m p e g 4 的出发点就是希望建立一个更自由的通信与研发环 境，人们可以将各种各样的多媒体技术充分利用到编码中，除了包括压缩本身 的一些工具、算法，还包括图像分析和合成、计算机视觉、计算机图形、虚拟 现实和语音合成等技术“ 。m p e g 4 设计之初是为了在电话线上传输视频和音 频数据，是一个超低比特率运动图像和语音的压缩标准，但是随着研究工作的 深入，它所包含的内容和将要起的作用已经远远超出了最初的设计思想。 采纳了基于对象( o b j e c t b a s e d ) 的编码、基于模型( m o d e l b a s e d ) 的编码等第 二代编码技术是m p e g 4 标准的主要特征，所谓的对象是在一个场景中能够访 问和操纵的实体，对象的划分可以根据其独特的纹理、运动、形状、模型和高 层语义为依据n 引。这种编码是一种基于内容的数据压缩方式，以前的压缩算法 只是去掉帧内和帧间的冗余，m p e g 4 则要求对图像和视频作更多的分析，甚 至是理解。如将图像分割为运动物体对象和静止不动的背景对象平面，并对这 两个对象进行分别处理。背景对象采用压缩比较高、损失比较大的办法进行编 哈尔滨理丁大学工学硕十学位论文 码，运动物体对象采用压缩比较低、损失较小的办法，这样就在压缩率和解码 图像质量间得到较好的平衡n 引。基于对象的编码除了能提高数据的压缩比，还 能实现许多基于内容的交互性功能幅。 基于对象的分级功能是m p e g 4 提供的又一个新的功能，同时兼容于 m p e g 2 标准中的图像分级功能，分级工具主要用于互联网和无线网等窄带的 视频通信、多质量视频服务和多媒体数据库预览等服务。m p e g 4 提供了两种 基本的分级工具：时域分级和空域分级，时域分级是降低原视频序列的帧率， 空域分级是降低原视频序列的分辨率妇。在每类分级工具中，视频序列都可以 分为两层：基层和增强层，基层提供了视频序列的基本信息，增强层提供了视 频序列更高的分辨率和细节，基层可以单独出书和解码，而增强层则必须与基 层一起传输和解码。m p e g 4 也支持时域和空域的混合分级。 m p e g 4 编码可以在易错的通信环境下实现安全的低码率编码和传输。 m p e g - 4 的编码具有鲁棒性和纠错功能幢引。它采用3 个策略来达到此目的：再 同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) 、数据恢复( d a t ar e c o v e r y ) 、错误隐藏( e r r o r c o n c e a l m e n t ) 。再同步工具在检测到误码时重新在解码器和码流间建立同步 点，前一个同步点和新建立的同步点的码流就是发生误码的数据；数据恢复是 通过标准中提供的一种可逆变长编码技术来恢复两个同步点之间的数据；错误 隐藏通过空间的纹理相关性和视频前后帧的相关性对错误的图像区域进行隐 藏。 m p e g 4 视频编码中的数据结构分类：m p e g 4 中有以下四个层次的数据 结构，他们都以类的形式定义。 v s ( v i d e os e s s i o n ) 视频场景，它位于数据结构层次的最高层，一个完整的 视频序列可以由几个v s 组成。 v o ( v i d e oo b j e c t ) 视频对象，它是场景中的某个物体，它是有生命期的， 有时间上连续的许多帧构成妇驯。 v o l ( v i d e oo b j e c tl e v e l ) 视频对象层，v o 的三种属性信息编码于这个类 中，这个类的引入主要用来扩展v o 的时域或空域分辨率。 v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) ，视频对象平面，它可以看作是v o 在某一时刻 的表现，即某一帧v o 。 以上四个类的关系如图2 8 所示 m p e g 4 编码和解码是针对v o p 进行的，其逻辑结构如图2 - 9 所示。编码 时首先由输入的视频序列定义v o p ，针对每一个v o p 分别进行编码，将所有 v o p 编码的结果合成在一起，形成压缩视频数据流幢制。解码时首先将压缩视频 哈尔滨理t