（信息与通信工程专业论文）数字电视信源解码中视频同步和sdram接口的实现.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 2 l 世纪是数字化媳信息时代 我们所熟悉的电视正迅速走向 数字时代 数字电视的飞速发展远远超出人们的预料 数字电视和商渣晰度电视 h d t v 成为人们关注的焦点 我国广摧电视从模拟向数字的过渡已全面展开 从部分 单 枫设备 数字化固全系统 节窝制作 信号传输 发射和接收 数字化方向发展 数字宅视技术的核心是数字视频 音频编解码技术 本文首先麓单介绍了数 字电视及其所采用的信源编码标准m p e g 2 然后弹细介绍了m p e g 2 系统层传 送流分缎 打包的原始流分组的码流结构 语法和语义 系统层编鹂过程以及刹 用程序特殊信息完成解码的流程 介绍了褫频层的6 层语法结构秘视频序列构 成 在第三章中 本文介绍了拥栽在码流中的时问信息的含义及其 乍月 并在贱 基础上搬出了一种典型的时钟恢复电路和一种新颖的异步法时钟恢复方法 并根 据恢复的系统时钟和提取的显示时闽糠签 完成视频同步 针对确流中帧率和显 示嗾率魄不因 给出了多种不溺模式下瀚帧率转换方法 在第图章中 介绍了s d r a m 的内部结稳 各项基本操作 命令信号组合 分析了m p e g 2 解码嚣对s d r a m 购需求 给出了各项缓存在s d r a m 中的地 址空阗分配秘数据存储格式 对s d i l i v 接口模块的殴计恩路捌方法进行了描 述 最后是全文总结和展望 关键词 m p e g 2 视频同步 倒铈恢复 帧率转换 存储接口 系统层 视频 层 浙江人学坝 j 二论文 a b s t r a c t t h e2 1 c e n t u r yi sad i g i t a li n f o r m a t i o ne p o c h d i g i t a lt e l e v i s i o na n dt t d t v h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n b e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n t h et r a n s i t i o no f b r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o no fo u rc o u n t r yf r o ma n a l o gt od i g i t a li so u t s p r e a d i n gw i d e l y t h e d e v e l o p i n gt od i g i t a li st a k i n gp l a c ef r o mp a r t s s t a n d a l o n ee q u i p m e n t s t ow h o l e s y s t e m p r o g r a mp r o d u c i n g s i g n a lt r a n s m i s s i o n t r a n s m i ta n dr e c e i v e t h ek e yf e a t u r eo fd i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g yi sv i d e o a u d i oe n c o d i n ga n d d e c o d i n g f i r s t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed i g i t a lt e l e v i s i o na n dm p e g 2s t a n d a r d t h e n i n t r o d u c i n g t h es t r u c t u r ea n d s y n t a x o f t r a n s p o r ts t r e a m p a c k e t i z e d e l e m e n t a r ys t r e a n lo fs y s t e ml a y e r t h ee n c o d i n gp r o c e s sa n dt h ed e c o d i n gp r o c e s s m a k i n gu s eo ft h ep r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n i n t r o d u c i n gt h es y n t a xa n ds t r u c t u r e o f v i d e os e q u e n c e i n c h a p t e rt h r e e t h es i g n i f i c a t i o na n d f u n c t i o no ft i m i n gi n f o r m a t i o ni s i n t r o d u c e d ar e p r e s e n t a t i v et e c h n i q u eo f c l o c k r e c o v e r yi sl i s t e da n dan e w m e t h o di s a l s op r e s e n t t h ed e c o d e ra c h i e v e st h ev i d e os y n c h r o n i z a t i o nu s i n gt h ep r o g r a mc l o c k r e f e r e n c ea n dp r e s e n t a t i o nt i m es t a m p t h ef r a m er a t e si nb i ts t r e a ma n di nd i s p l a y e q u i p m e n t sa r ed i f f e r e n t s ot h e r ei t a r s tb eaf r a m er a t ec o n v e r s i o nb e f o r ed i s p l a y t h el a s tc h a p t e ri st h ew o r ks t n n i n a r i z a t i o nm a de x p e c t a t i o n k e yw o r d s m p e g 2 v i d e os y n c h r o n i z a t i o n c l o c kr e c o v e r y f r a n l er a t ec o n v e r s i o n m e m o r yi n t e r f a c e s y s t e ml a y e r v i d e ol a y e r 3 浙江大学硕二j 二论文 第一章绪论 已经为公众提供了6 0 年左右商业服务的模拟电视 如今正在经历重大的变 革 模拟电视所依赖的技术系统正在接近它的使用寿命极限 如同所有其他通信 服务一样 电视和电视广播正在向数字传输平台演进 随着这场革命的深入 向 着数字技术的过渡将与现代电视观众越来越高的技术复杂性相协调 并且有可能 是一个更加自然的结果 一旦显露出技术上的优势 我们有理由相信 由于数字 技术和数字电视所提供的质量改进和服务灵活性 数字电视将很快受到电视观众 的欢迎 数字电视作为未来广播电视系统的发展方向 一直深受业界和媒体的广泛关 注 十几年前 欧洲率先提出这一概念后 美 欧 日三大经济区的电子企业和 广播公司围绕数字电视的研制和开发展开了一场激烈的角逐 与其相并行 各国 政府均在产业政策和贸易政策上大做文章 以大量资金投入以及大规模的产业合 作等手段 对本国企业进行帮助和扶持 数字电视是数字技术 微电子技术 网 络技术 软件技术等高新技术综合应用的重点领域 包含优质的信息源 大容量 宽带频谱资源和广泛的用户群体 在信息化中占有重要的位置 目前 中国在数字电视领域一开始便与科技先进国家保持同步 但因为全国 统一的数字电视标准方案仍在加紧实验 数字电视事实上还处于新技术 新产品 的研发阶段 担负数字电视试点任务的北京 上海 深圳三地及有关科研院所和 企业不断推出数字电视的相关新技术 新产品 并在有线电视网络 多媒体信息 家电领域进行了有益的探索 根据广电总局的战略计划 我国的广播电视数字化 分三步进行 第一步是全面启动和推进 到2 0 0 5 年 卫星传输全部实现数字化 有线电视网以及省级以卜电台基本实现数字化 现有模拟电视接收采用机顶盒兼 容接收数字电视信号 第二步是基本实现数字化 到2 0 1 0 年 广播影视节目制 作 播出以及卫星有线传输实现数字化 地面电视基本实现数字化 数字电视接 收机得到普及 第三步是2 0 15 年全面实现数字化 完成模拟电视向数字电视的 过渡 逐步停止模拟电视的播出 本章先简单介绍一下数字电视的有关内容 然后介绍其应用的信源编码标准 m p e g 2 1 1 数字电视及其标准 1 1 1 数字电视基础 数字电视 d t v d i g i t a lt e l e v i s i o n 是指节日摄制 编辑 发送 传输 存储 浙江大学硕 e 论文 接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统 也可以说数字电视是在信 源 信道 信宿三方面全面实现数字化和数字处理的电视系统 其中电视信号的 采集 摄取 编辑加工 播出发送属于数字电视的信源 传输和存储属于信道 接收端和显示器属于信宿 由电视台送出的图像及声音信号 经数字压缩和数字调制后 形成数字电视 信号 经过空中无线方式或电缆有线方式传送 由数字电视接收机接收后 通过 数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音 因此 数字电视就是 在电视台播出节目和电视机接收节目全过程都采用数字技术进行处理的电视 它 与目前的模拟电视系统在传输方式上是完全不同的 电视节目从摄制 编辑 播 送 传输 接收到显示的全过程均采用全数字化的技术处理 因此 信号在整个 过程中的损失大大减小 接收到的电视节目质量可以达到与演播现场一样的水 平 电视信号数字化的好处在于 1 图像清晰度好 音频质量高 支持5 1 声道的数字环绕声节目源 模拟信号的品质下降是积累的 且很难从视频信号中除去噪声 干扰 而数 字信号可通过精确的再生过程重建原始信号 可以采用纠错编码技术提高电视机 的抗噪声 抗干扰能力 同等传输条件下的抗干扰能力明显优于模拟电视 2 传输效率高 通过数据压缩编码技术 一个频带内可实现多路 多套节目的同时传输 例 如v c d 的图像和声音都是经数字技术压缩的 它的带宽为1 5 m h z 在p a l 制 6 m h z 视频带宽内可安排4 套v c d 节目 进行地面方式发送时 原p a l 信道可 播放高清晰度电视h d t v 或四套标准格式数字电视s d t v 有线电视网中的一 个p a l 通道可播8 l o 套标准清晰度数字电视s d t v 在数字传输系统中整个系 统设计使用先进的信道编码和调制方法 达到适于该信道的最高码率 大大提高 了电视信道的利用率 3 数字电路成本低 无需调整 调谐 所以生产成本降低 维修也较容易 4 提供全新的多业务用途 易于和日渐普及的计算机接口 把计算机作为图像信号源或利用计算机对彩 色电视信号进行处理 普通的模拟电视只能是电视台按预定的节目表播放节目 用户只能被动地接收 数字电视网与电信网及计算机网相结合 实现三网合 不仅使信息源更为丰富 还可n j n 用户与各种信息提供源之间的交互性 实现用 户自由点播节目自由选取网上的各种信息 可提供多种数据业务服务 例如 家 长可对电视节目选择设定密码 以防l i 未成年人收看限制级节日 定制个性化的 个人电视节目服务等 浙江火学硕士论文 电视系统的全面数字化将引起一系列技术革新 1 将最终形成电视 电话和计算机三网合一的综合数字业务网 2 全面数字化的第二个特点是电视制式将实现全球统一 不再会有 n t s c p a l 和s e c a m 等不同的电视制式 而将统一在i t u r 6 0 1 数字标 准之中 3 数字电视业务的可分级性带来各种业务的统一性 不同质量的信源只是 占用的比特率不同 而具有相同的格式 都打包成m p e g 2 传送包 可 以在同一个设备中完成各种不同级别的图像业务 1 1 2 数字电视标准 经过多年的研究 到目前为止 世界上已形成三大数字电视技术标准体系 即美国的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 sc o m m i t t e e 欧洲的d v b d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g 日本的i s d b i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a l b r o a d c a s t i n g 体系 包括传输标准 卫星 有线和地面广播等 音 视频编码 复用 软件环境 条件 接收 交互 测试等相关标准集成组成 1 a t s c 标准 美国高清晰度数字电视联盟 a t s c 是由国内外一百多个电视技术公司组 成的 其主要业务之一是制订包括数字式高清晰度电视 h d t v 在内的先进电 视系统的技术标准 1 9 9 6 年1 2 月2 4 日 美国联邦通信委员会 f c c 正式采 纳了a t s c 数字电视标准 a 5 3 的主要要素作为美国数字电视的标准 a t s c 数字电视标准由四个分离的层级组成 层级之间有清晰的界面 最高 为图像层 确定图像的形式 包括象素阵列 i 晤型比和帧频 接着是图像压缩层 采用m p e g 一2 压缩标准 再下束是系统复用层 特定的数据被纳入不同的压缩 包中 采用m p e g 一2 压缩标准 最后是传输层 确定数据传输的调制和信道编 码方案 对于地面广播系统 采用z e n i t h 公司开发的8 v s b 传输模式 在6 m h z 地面广播频道上可实现1 9 3 m b s r 传输速率 该标准也包含适合有线电视系统高 数据率的1 6 v s b 传输模式 可在6 m h z 有线电视信道中实现3 8 6 m b s 的传输 速率 1 2 d v b 标准 1 9 9 5 年 欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播 d v b 项目 并成立了 d v b 联盟 d v b 联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构 该机构的首要目标是在全球范围内发展和推广其同的数字电视 播标准 d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b 标准 这是一套有关电视广播系统大家庭诸多 浙江大学顿士睡文 电视系统的伞面数字化将引起一系列技术革新 1 将最终形成电视 电话和计算机三网合 f l 综合数字业务蚓 2 全面数字化的第一个特点是电视制式将实现全球统一 不再会有 n t s c p a l 和s e c a m 等不同的电视制式 而将统一存i t u r 6 0 1 数字标 准之巾 3 数字电视业务的可分级性带来各种业务的统一性 不同质量的信源只是 占用的比特率不同 而具有相同的格式 都打包成m p e g 一2 传送包 可 以在h 一个设备中完成各种不同级别的图像业务 1 1 2 数字电视标准 经过多年的研究 到日前为止 世界上已形成二人数字电视技术标准体系 即美国的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 sc o m m i t t e e 欧洲的d v b d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g 日本的i s d b i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g 体系 包括传输标准 卫星 有线和地面广播等 音 视频编码 复用 软件环境 条件 接收 交互 测试等相关标准集成组成 1a t s c 标准 美国高清晰度数字电视联盟 a t s c 是由国内外一百多个电视技术公州组 成的 其主要业务之一是制订包括数字式高清晰度电视 t l d t v 在内的先进电 视系统的技术标准 1 9 9 6 年1 2 月2 4 日 美国联邦通信委员会 f c c 正式采 纳了a t s c 数字电视标准 a 5 3 的主要要素作为美国数字电视的标准 a t s c 数字电视标准山四个分离的层级组成 层级之间有清晰的界血 最高 为图像层 确定图像的形式 包括象素阵列 i lj t 型比和帧频 接着是图像压缩层 采用m p e g2 压缩标准 再r 来是系统复用层 特定的数据被纳入不同的压缩 包中 采用m p e g 2 压缩标准 最后是传蝓层 确定数据传输的调制和信道编 码方案 对于地而广播系统 采用z e n i t h 公司丌发的8 v s b 传输模式 在6 m h z 地面广播频道上可实现1 93 m b s r 传输速率 该标准也包含适合有线电视系统高 数据率的1 6 v s b 传输模式 可在6 m h z 有线电视信道中实现3 96 m b s 的传输 速率 1 2 d v b 标准 1 9 9 5 年 欧洲1 5 0 个组织合作卅发数字视频广播 d v b 项目 并成立了 d v b 联盟 d v b 联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的幽际机构 该机构的首要h 标是在全球范围内发展和推广 k 同的数字电视广播标准 d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b 标准 这是一套自关电视广播系统大家庭诸多 联盟共同制定了数字电视的d v b 标堆 这是一套有荧电视广播系统大家庭诸多 浙江大学硕士论文 要素的统一标准 这些标准已作为r g n 的标n 被大多数国家接受 它较其他 标准的优点是灵活可扩充和移动通信的优势 d v b 标准规定数字电视系统使用统一的m p e g 一2 压缩方法和m p e g 2 传输 流及复用方法 统一的服务信息系统提供广播节g t 的细节信息 统一的r s 纠错 码 统一的加扰系统和条件接收公共接口 允许不同的厂商选用不同的条件接收 系统 对于不同的传输媒体 可采用不同的调制方法及通道编码纠错方法 目前 d v b 已有多个标准 它们分别是 d v b s 用于卫星直播电视 它采用q p s k 调制 使用m p e g 2 格式 用户端达到 c c i r 6 0 1 演播室质量的码率为9 m b p s 达到p a l 质量的码率为5 m b p s 一个 5 4 m h z 转发器传送速率可达6 8 m b p s 并可供多套节目复用 d v b c 用于有线电视系统 它具有1 6 3 2 6 4 q a m 三种方式 采用6 4 q a m 调制 时 一个p a l 通道的传送码率为4 13 m b p s 还可供多套节目复用 d v b 的音频 压缩方法可以有多种选择 立体声m u s i c a m 多声道m u s i c a m 及a c 3 等 d v b t 用于地面开路数字电视系统 d v b t 标准是1 9 9 8 年2 月批准通过的 第一 个正式的开路数字电视系统于1 9 9 8 年初开始运营 m p e g 一2 数字视音频压缩编 码仍然是开路传输的核心 采用c o f d m 调制方式 适用于大范围多发射机的 8 k 载波方式 3 i s d b 标准 i s d b 是日本的d i b e g d i g i t a lb r o a d c a s t i n ge x p e r t sg r o u p 数字广播专家组 制订的数字广播系统标准 i s d b 利用种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不 同种类的信号 同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去 i s d b 具有柔软性 扩展性 共通性等特点 可阱灵活地集成和发送多节目的电 视和其它数据业务 由于i s d b 是在a t s c 和d v b 之后进行开发的 故更多地 考虑了数字j 播新业务的特点 在音频编码 数据复用 时间频率调制等方而自 行设计成专有体系 i s d b t 和d v b t 非常类似 可以说是经修改的欧洲方案 传输方案仍是c o f d m 也分为2 k 和8 k 两种模式 使用的编码方式也与d v b t 相同 因为日本电视射频带宽为6 m h z 所以载波敛 载波间隔有所差别 1 9 9 9 年5 月 日本向i t u r 提交了i s d b t 标准草案建议书 并被i t u r 接受未可供 研究的第三种标准 数字电视的传输途径可分为三种 数字卫星电视 数字有线电视年 数字地面 电视 这三种数字电视由于它们的传输途径不同 它们的信道编码也采用了不同 的调制方式 但三种数字电视的信源编码方式相同 都粟用了m p e g 2 标准 即i s o i e c1 3 8 1 8 标准 1 2m p e g 标准发展和历史 1 9 8 8 年 国际标准化组织i s o 和国际电工委员会 i e c 联合成立了一个致 力于制定有关运动图像压缩编码的专家小组 这个小组就是运动图像专家组 m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p 简称m p e g 这个专家组的任务是为了对数字 存储媒质 电视广播 通信等方面的运动图像和伴音给出一种通用的编码方法 符合这种编码方法的运动视频可以作为计算机数据的形式加以管理 可以存储于 各种存储媒体 可以在现有的或将来的网络上进行传送和接收 m p e g 定义了存储和传送压缩数据的语法 而且定义了解压的过程 然而这 个标准并没有规定如何进行编码 编码方案被留给了编码系统的生产厂商 尽管 如此 所有可实现的编码器都必须提供能被任何 种m p e g 解码器解码的有效 的m p e g 比特流 事实上 这种途径是m p e g 标准具有强劲生命力的表现 因 为编码器可以采用自己特有的算法 但必须符合标准 因此实现方法可以有多种 m p e g 标准是为了把计算机系统和广播电视结合起来建立一个统一的信息 网络而制定的 它是一个包括图像 声音 存储和传输等四个方面的统 的标准 m p e g 标准系列包括m p e g 1 m p e g 2 m p e g 4 和m p e g 一7 等 其中每一个都适 合于一个或一组特定的应用 1 2 1m p e g 一1 最初实现是针对多媒体应用 m p e g 一1 算法基本上应用于比特率约为1 5 2 0 m b s 的磁盘 在具有每帧2 0 4 2 8 8 行 每秒2 9 9 7 和2 5 帧的连续帧扫描率和 每行3 5 2 个象素的连续信号格式中 m p e g 1 支持5 2 5 和6 2 5 两种类型的信号结 构 快速动态信号的编码并不能达到特别好的效果 然而 正如预料的那样 比 特率的减少 压缩比的提高 导致了输出视频图像质量的逐渐下降 可用的比特 率压缩值对于6 m b s 的比特速率约是6 1 而对于1 m b s 的比特率则是2 0 0 1 m p e g 1 系统是非对称的 压缩过程比解压缩过程要复杂的多 代价也高的多 这就导致这种系统在广播类型的业务中特别理想 对于这种业务 它所用的解码 器比编码器要多很多 浙江大学砸 k 论文 1 2 2m p e g 一2 m p e g 一2 的设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率 m p e g 一2 所能提供的传输率在3 1 0 m b i t s s e c 间 其在n t s c 制式下的分辨率可达 7 2 0 x 4 8 0 p a l 制式下分辨率可达7 2 0 5 7 6 m p e g 一2 能够提供广播级的视像 和c d 级的音质 m p e g 一2 的音频编码可提供左右中及两个环绕声道 以及 个加重低音声道 和多达7 个伴音声道 d v d 可有8 种语言配音的原因 m p e g 2 解码器也可播放 m p e g 一1 格式的数据 如v c d m p e g 2 除了做为d v d 的指定标准外 m p e g 2 还可用于为广播 有线电视网 电缆网络以及卫星直播 d i r e c tb r o a d c a s ts a t e l l i t e 提供广播级的数字视频 m p e g 一2 的另一特点是 其可提供一个较广的范围改变压缩比 以适应不同 画面质量 存储容量 以及带宽的要求 1 2 3m p e g 一4 m e p g 一4 代表了最新的视听编码的突破 是针对低比特率的远程会议和要求 高比特率的相关应用的一个标准 它允许同时编码合成的和自然的物体 声音 使服务提供者有更多的选择来创建游戏和其他多媒体应用 通过允许使用者操作 诸如景象和观看角度等方面 扩充了交互的可能性 与m p e g 一2 一样 m p e g 4 是一系列工具的集合 这些工具能够按照视频应 用的不同级别和不同侧重点来对视频信息分组 m p e g 4 的视频编码结构范围从 包括了在5 k b s 和6 4 k b s 之间的数据率的算法和工具的v l b l 低比特率视频 级到i t u r 所定义的2 m b s 比特率的r e c 6 01 高质量视频值 m p e g 一4 本身并不 直接关心对某一特定信道是否要求错误保护 比如说蜂窝比 但是它用排列有 效载荷比特的方法进行了改进 使得恢复能力更加强大 1 2 4m p e g 7 继m p e g 4 之后 要解决的矛盾就是对同渐庞大的图像 声音信息的管理和 迅速搜索 针对这个矛盾 m p e g 提出了解决方案m p e g 7 m p e g 7 力求能够快速 且有效地搜索出用户所需的不i 司类型的多媒体资料 该工作提议于1 9 9 8 年1 0 月提出 于2 0 0 1 年初最终完成并公布 m p e g 7 对各种不同类型的多媒体信息进 行标准化的描述 并将该描述与所描述的内容相联系 以实现快速有效的搜索 该标准不包括对描述特征的自动提取 它也没有规定利用描述进行搜索的工具或 浙江大学硕一l 论文 任何程序 其正式的称谓是 多媒体内容描述接口 m p e g 7 可独立于其它m p e g 标准使用 但m p e g 4 中所定义的对音 视频对象的描述适用于m p e g 7 这种描述 是分类的基础 另外我们可以利用m p e g 7 的描述来增强其它m p e g 标准的功能 m p e g 7 的应用范围很广泛 既可应用于存储 在线或离线 也可用于流式 应用 如广播 将模型加入i n t e r n e t 等 它可以在实时或非实时环境下应用 如 数字图书馆 图象目录 音乐字典等 多媒体名录服务 如黄页 广播媒 体选择 无线电信道 t v 信道等 多媒体编辑 个人电子新闻业务 媒体写作 等 1 2 5 加3 e g 一2 1 随着多媒体应用技术的不断发展 有关多媒体的标准层出不穷 这些标准涉 及到多媒体技术的各个方面 各种不同的多媒体信息分布式地存在于全球不同的 设备上 通过异构网络有效地传输这些多媒体信息 必然需要综合地利用不同层 次的多媒体技术标准 但现有标准是否能真正做到配套衔接 以及在各个标准之 间是否存在缺漏 还需要一个综合性的标准来加以协调 这正是 多媒体框架 m u l t i m e d i a f r a m e w o r k 这一概念在1 9 9 9 年l o 月m p e g 墨尔本会议上被提 出的初衷 在1 9 9 9 年1 2 月的毛伊导会议上 这个新的工作方向被确定为 m e p g 一2 1 m p e g 一2 1 的范围可以描述成是一定关键技术的集成 这些技术可以通过访问 全球网络和设备实现对多媒体资源的透明和增强使用 其功能包括 内容创建 内容产品 内容发布 内容消耗和使用 内容表示 知识产权管理和保护 内容 识别和描述 财政管理 用户的隐私权 终端和网络资源抽耿 事件报告等 1 3m p e g 2 标准内容构成 1 9 9 4 年1 i 月7 日 1 1 日的新加坡会议上 m p e g 2 被批准为国际标准i s o i e c 1 3 8 1 8 此后又对m p e g 2 进行了扩展 m p e g 一2 广泛应用于卫星广播业务 b b s 电缆电视 c a t v 数字电视地面广播 d t t f f 包括美国的用于h d v 的g a 系统和 欧洲的d v b 等 点播电视 v o d 数字音频广播 d a b 多媒体终端 网络数据 库业务 双工通信等众多领域 m p e g 一2 标准特别适用于广播级的数字电视的编 码和传送 被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准 m p e g 一2 标准目前分为9 个部分 各部分的内容描述如下 篼1 部分 系统 s y s t e m 描述多个视频 音频和数据基本码流合成传输 码流和节目码流的方式 第2 部分 视频 v i d e o 描述视频编码方法 浙江大学硕一l 论文 第3 部分 音频 a u d i o 描述与m p e g 1 音频标准反向兼容的音频编码 方法 第4 部分 符合测试 c o m p l i a n c e 描述测试 个编码码流是否符合m p e g 2 码流的方法 第5 部分 软件 s o f t w a r e 描述了m p e g 2 标准的第1 第2 第3 部分 软件实现方法 第6 部分 数字存储媒体一命令与控制 d s m c c 描述交互式多媒体网 络中服务器与用户间的会话信令集 第7 部分 非向后兼容的音频 规定不与m p e g l 音频反向兼容的多通道音 频编码 第8 部分 1 0 b i t 视频 现已停止 第9 部分 传输码流的实时接口 以上8 部分均已获得通过 成为正式的国际标准 并在数字电视等领域中得 到了广泛的实际应用 1 4m p e g 一2 数据压缩技术 为实现视频图像的高压缩比 同时尽量减少图像信息的丢失 m p e g 标准采 用了很多优秀的图像压缩技术和算法 主要包括帧间预测编码和运动补偿 d c t 系数量化 v l c 编码和游程编码等 帧问预测编码和运动补偿的依据是连续帧之问时间冗余度较大 预测差值通 常比图像样点值小 传输预测差值而不是样点值可以降低码率 d c t 是变换编 码 将8 8 象素块从时域变换到频域 变换过程本身并不能降低码率 因为变 换块中的系数数目与图像块中的象素数目相同 这个过程的作用是使变换后的频 率系数更适合于其后的码率压缩技术 d c t 之后是量化 因为眼睛对于图像的 高频细节不敏感 所以对d c t 的高频系数进行粗编码 这样做不会对图像质量 造成可察觉的损失 选择量化矩阵要考虑下面三点 1 要处理的是亮度信号还 是色度信号 眼睛对两者的u 向应不同 2 块 来自帧间还是帧内 3 块 在图像中的位最和图像的内容 有些 块 的编码需要比其他 块 更精确 特 别是对于具有十分平滑梯度的块 编码稍不精确便可察觉 量化后产生大量的0 采用z i g z a g 扫描 使0 值集中起来 以便后面进行v l c 编码 可变字妖编码 的依据是图像帧经过预测 变换和量化编码后 某些码字比另外一些码字出现的 频率高 这样给经常出现的码字分配短码宇 给不常出现的码字分配长码字 可 以降低比特率 1 5 本文内容安排 在以下的章节中 内容安排如下 第二章 介绍m p e g 一2 系统层中t s 层和p e s 层的语法构成 p s i 信息的含 义和作用 详细描述系统层的编码解码过程 给出系统层和视频层的编码层次结 构 第三章 介绍m p e g 一2 码流携带的时间信息 包括p c r p t s d f s 等的含 义和作用 描述 种传统l t j i 扮扩淡复方法 并提出一种新的实现方式 然后洋细 描述视频同步和视频帧率转换的实现方法 并对各种方法的优缺点加以分析 第四章 介绍s d r a m 的基本知识和操作 以及其在m p e g 一2 解码器中的作 用 给出了s d r a m 接口模块的详细框图 并对其中的各个子模块进行详细的分 析 第五章 工作总结和展望 1 6 本章小结 本章介绍了数字电视的基本概念以及好处 现有流行的数字电视标准 介绍 了数字电视信源编码所采用的标准m p e g 2 介绍了m p e g 发展的历史和各标准 特点 简单描述了视频压缩的基本原理 并给出了本文的组织结构 浙江大学坝十论文 第二章m p e g 2 系统层与视频层语法结构 m p e g 一2 标准是作为m p e g 1 标准的扩展开发的 目的是使大量的应用具有 较高的比特率 同时向下与m p e g 一1 兼容并改进它的某些限制 如图像大小和 分辨率 最大位流 错误恢复能力及位流不可伸缩性 m p e g 一2 标准规范只定义了位流语法和解码过程 即规定的是编码后的数据 流格式 而不是编码过程 m p e g 2 编码性能随着数据流结构 动画补偿系统的 精确性和量化处理的变化而变化 提高了编码灵活性 m p e g 2 标准有两个编码层次 第一层是系统层 即i s o i e c1 3 8 1 8 1 部 分 系统层强调将一个或更多的音频 视频或其他的基本数据流合成单个或多个 数据流 以适应于存储和传送 第二层是视频层和音频层 即i s o i e c1 3 8 1 8 2 和 s o i e c1 3 8 1 8 3 部分 视频层和音频层分别完成对视频图像和伴音的压缩 编码 m p e g 2 编码端结构框图如图一所示 相应的解码端结构如图二所示 其中 基本流的打包由视频 音频编码器完成 复用器接收前端编码器来的视频 音频 数据流以及辅助数据 按照一定的复用策略将其交织复用成符合m p e g 一2 系统 层规范的单一的系统码流 为了实现音频 视频的解码同步 在码流中还需要插 入各种时间标记 系统控制等信息 l 税豁缡粥猫卜 裔颡端秘嚣卜 一 爱 川 嚣 数嚣 i 豫怠 图一m p e g 一2 编码端结构框图 塑坚查堂塑 丝苎 气 解复用的过程是上述t s 流复用的逆过程 解复用器从t s 流中分别解出音 频和视频数据的p e s 包以及定时信息 另外 如果t s 流中还包含网络 解密 节目导航或其他私用信息 解复用器也必须对其进行解码 本章介绍了m p e g 一2 系统层中t s 层和p e s 层的语法构成 p s i 信息的含义 和作用 详细描述了系统层的编码解码过程 给出了系统层和视频层的编码层次 结构 2 1 m p e g 2 视频层语法结构 视频编码层 即i s o i e c1 3 8 1 8 2 标准部分详述了数字存储媒体和数字视频 通信中的图像信息的编码描述和解码过程 为了能适应广播电视 家电视听 计算机和不同的数字电视体系的需求 i s o i e c1 3 8 1 8 2 部分标准制定了5 个档次 p r o f i l e 4 个等级 1 e v e l 其中 p r o f i l e 用来规定编码所采用的算法子集 而l e v e l 则规定了一些和图像相关的参 数 比如图像的大小 帧率和码率等 本文所涉及的解码器主要针对m p m l 级别 本层次的语法可分为两类 一类是不可分级语法 不可分级语法的主要特点 是它有对隔行扫描的视频信号的额外压缩方法 第二类足可分级语法 主要特点 是可以从分块的比特流中分割重构出有用的视频信号 这可将整个比特流分成两 个或更多的层次来实现 从一个独立的基本层丌始并逐渐加入 些附加的层 本 文所涉及的解码器主要涉及不可分级语法 视频的压缩比特流分6 个层次编码 序列 s e q u e n c e 层 图像组 g r o u po f p i c t u r e g o p 层 图像 p i c t u r e 层 组块 s l i c e 层 或称片层 宏块 m a c r o b l o c k 层 块 b l o c k 层 除块层外 每层均设有头部信息 2 j 0 浙江大学硕士论文 税额序列蓬 编码的视频比特流的最高语法结构是视频序列 一个视频序列以一个序列头 开始 嚣嚣可选瓣鼹羞 缝强像麴头帮一令或受多的编鹤帧 裰频序列以一令 s e q u e n c ee n dc o d e 终止 视频序列头包含基本的全局信息 比如图像的水平和 蘧妻尺寸 宽褒毙 棘速率 码率 缓存器太小鞠顿内蜮间量化矩蓐系数 一个 视频序列除起始处包含 个序列头外 在序列中间也可包含额外的序列头 任何 个视频序列头可以作为解码进入点 2 图像组屡 两令或多个逡续的图像可以组合成一个图像组 g o p 以提供帧间图像编 码的边界和时间鹤的记录 一个图像组以 个图像组头开始 后蕊可选的l 蕤着一 个或更多的编码i 帧 图像组头中包含视频快速搜索和随机访问的信息 g o p 的 长度是任意静 但至少要有一蕊i 图 3 闼像层 图像层 雹含多个棱编码静犊 每 炙含有多个缰块 每簇戳露像头怒始 冀 后跟随编码的数据 图像头中定义了图像类型 i v b 和在g o p 中帧的位置信 意等 4 组块层 在潮一孬内有两个躐更多数连续豹宏单元缀合在一起裁形成了组块滋 一个 组块包含的宏块数目任愆 一个组块的宏单元的次序与传统的电视光栅扫描次序 群均楚从左到右 缀块星是再溺步单元 提供了一 卜方便鲍用予限制镄误传播 的机制 因为被编码的比特流绝大多数包含可变长的码字 任何一个不正确的传 输错误将导致熬码器失簿码字定位信息 每一个组块层是以组块层起始码开始 的 因为m p e g 2 编码字的排列保证了粥字的非法结合能够模仿起始码 于是维 块层起始码就能被用予在一个错误发生后仍然获得码字定位信息 n 止l 当一个 错误在数据流审发生时 解码黎到达下一个组块层的开始 并虽继续进行正确静 解码 5 宏块屡 宏块 是运动补偿的最小单元 一般取1 6 1 6 的样点矩阵 包含了亮度分 篷帮空黼褶关的篷差分 避 当采溺4 2 0 旃式时 每令宏块交6 其中4 拿亮 度块和2 个色皮块 个b l o c k 组成 当采用4 2 2 和4 4 4 格式时 每个宏 块分剩有8 个 其中4 个亮褒块鞠4 令毪度块 和1 2 令 其中4 令亮发块和8 个色度块 b l o c k 6 块层 块 是作d c t 变换的最小单元 包含被编码的亮度 色度信号的d c f 系数 设有块结束磷 e o b 一般驳8 8 豹g 点矩障 浙江大学硕士论文 一个视频序列的组织结构如下图所示 蔑羝 分卿翁嬲燃鬃磐魁 图三m p e g 2 视频编码码流的分层结构 上图就是整个视频序列的完整结构 整个视频的编码码流由一个或者多个这 样的视频序列构成 如果序列头后没有跟序列扩展 那么此数据流将与i s o i e c 1 1 1 7 2 2 即m p e g 1 的视频部分 完全一致 m p e g 一2 视频部分是完全前向兼 容的 如图四所示 比特流a 是未经压缩的视频图像序列 一幅视频图像称之为 一个显示单元 p r e s e n t a t i o n u n i t 按i s o i e c1 3 8 1 8 2 的标准进行压缩后 一个 显示单元的压缩数据称为防问单元 a c c e s su n i t 如图四c 旷f 半部分所示 在包 浙江大学硕士论文 含一组图像的第一幅编码图像的访问单元中 也包括此组图像的所有前缀数据 如果显示单元是序列或图像组的第一幅图像 则序列头或图组头电是访问单元的 一部分 访问单元按特定的顺序排列连接 得到的就是符合i s o i e c1 3 8 1 8 2 标 准的视频原始流 a u n 删 潮d i g l t a h 鳓 p r e s n e n t 鎏篓瀣蔬耍 i 0 警i 话t n 赫 誊 誊i 篓p 嚣辐鞲 g 酶戮 繇 薯j f 辩默r 甜i 蝴 i 影 s j 鳓协j a i 霸 f j j i 矗8 8 2 驹 l c o m p r e s s e d p i c t u r e 1 0 0k b y t e s 0 姗p o s s e d b p i u r e 1 2k b y t e s c o p r e s s e d p p l o t r e 3 3k b y t e s 图四视频访问单元 显示单元示例 2 2 视频序列重排 i t 由于随机访问和高效压缩这两个要求之间的冲突 引入了三种主要的图像类 型的定义 i 图 p 图 b 图 内部编码图i 图的编码不需参考别的图 仅使用 自身信息进行编码 这种类型的图提供了对编码图像数据序列的访问点 使解码 可由此点开始 但这种类型的图仅采用了最普通的压缩方法 压缩率最低 预测 编码的图p 图采用更有效的编码方法 它使用运动补偿 通过顺序最近的编码的 l 图或p 图来预测 一般也可作为后面预测的参考图 p 图中的宏块或者使用帧 内编码法或者使用前向预测法 可根据情况自由选择 一般的选择标准是看两种 方法编码后的数据量大小 选择数据量小的那种方法 双向预测编码的图b 图 实现了最高程度的压缩 但需要使用过去的和未来的参考图来进行运动补偿 序 列中这三种类型的图的组织是非常灵活的 由编码器根据实际情况来选择其安 排 为了满足上述要求 图像帧的传送顺序与显示顺序是不同的 编码帧在编码 比特流中的顺序就是解码器处理它们的顺序 如果序列中用到了b 图 编码帧 在比特流中的顺序不同于解码过程输出的重构帧或场的顺序 解码端需要进行一 次视频重排 下面是从 个视频序列中的开始部分取出的图像的例子 在本例中 在顺序 蠢 驴锄 一 垩 大兰塑二 堡苎 的p 帧间有两个编码的b 帧 或者在顺序的i 帧和p 帧问有两个编码b 帧 帧 1 i 用来为帧4 p 形成预测 帧4 p 和1 i 共同用来为帧2 b 形成预测 由此编码序 列中的编码帧的顺序应该是1 i 4 p 2 b 3 b 解码器端同样按此顺序解码 但按 1 i 2 b 3 b 4 p 的顺序显示它们 在编码器输入 l234567891 0 1 11 21 3 王bbpbbpbb王bbp 在编码嚣输出 在编码魄特流中 并在解码器的输入 l4237561 0891 3l l1 2 ipbbpbb 壬瑟bpbb 在解磷器输出 l23唾567891 0l l1 21 3 ibbpbbpbb ibbp 图五视频重排示例 连续的编码b 帧的数目是可变的 在顺序的编码p 帧 或编码i 帧和编码p 帧之间 间可能彳i 出现b 帧 编码端可灵活选择 由上可知 对于视频解码器而言 为完成视频序列的重排 在解码器端按正 常的顺序显示视频图像 在缓存区至少需要有两帧的存储空间 存储两个参考帧 的数据