（电子科学与技术专业论文）基于g703的图像压缩处理系统研究.pdf

a b s t r a c t l a s e rc o m m u n i c a t i o n sc a nb r i n gm o r ei n f o r m a t i o n ，c a nu s em o r ev i at o d e l i v e r e n g m e e n n gd a t a f o r1 t se x t r ad i r e c t i o na n dw e l ls e c r e c y , i tb ew i d e l yu s e di nm u c hf i e l d t i l l sp a p e rd e s i g na p e r l e c tf l a m i n gs y s t e mc a l lb eu s e di na t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o n w h i c ho nt h eb a c k g r o u n do f a t m o s p h e r i c1 a s e rc o m m u n i c a t i o n t h es t a n d a r dt h a tg 7 0 3i sac r i t e r i o no fc h a r a c t e r i s t i cw h i c hr e l a t e dt od i g i t a ls y s t e r n ， i t7 sa l s ot h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s tw e l c o m e ds t a n d a r d i na d d i t i o n ，i m a g ea n dv i d e o c o n t a i nl o t so fb a s ed a t ei n f o r m a t i o nw h i c hn e e dt ob ec o m p r e s s e db e f o r et r a n s m i s s i o n b a s e do nd a t ec o m p r e s s ，ap r 0 3 e c ts e tu pi nt h i sp a p e r w ee m p h a s i z et h ei m a g e c o m p r e s s a l g o r i t h mo fm p e g 一2 ，b e s i d e sw ea l s od e s i g nap r o j e c tb a s e do nc t 7 0 3 ，w h i c hc a ni m p r o v e t h er a t eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i ti ns y s t e m k e y w o r d s ：l a s e ri m a g ec o m m u n i c a t i o n ，c o d i n go fm p e g 2 ，g 7 0 3 i i 长春理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的博士学位论文，基于g 7 0 3 的图像压缩处理系统研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 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作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 益挖二旺年立月望日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 导师签名： 2 鱼年立月鸟日 蛩丛年立月蔓日立生监趋 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论弟一早三百比 大气激光通信，又称无线光通信，是以大气作为传输介质的一种通信，是激光出现 后最先研制出的一种通信方式。大气激光通信和激光光纤通信是激光通信的两个重要 组成部分。大气激光通信与光纤通信相似，两者区别仅在于信息传输媒体由光纤变成 大气，并加入了光学系统。因此，激光大气通信可以直接应用许多光纤通信中的成熟 技术。近年来，由于近距离带宽瓶颈的凸现，基于大气传输的激光通信技术受到了各 国的重视 1 l 。 空间激光通信与微波空间通信相比较，空间激光通信有如下优势： 传输速率高：与微波相比，光波频率高3 - 5 个数量级，频率资源丰富得多， 可以获得高得多的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现空间多任务提 供了时间保障。 体积小、重量轻，功耗小：激光波束比微波波束的发散角小3 - 一5 个数量级， 这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。 可靠性高：由于大气激光通信系统使用激光作为光源，其发散角很小，能量集 中在很窄的光束中。窄光束意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，这对于卫星较 多的低轨道星座群之间相互通信非常重要，因为它的可靠性高，所以避免了相互影响 冲突，稳定性增强，提高通信效率。 保密性好：空间激光的波束非常窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法 发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。并且用户到集线器之间 的链路通常是加密的，安全保密性较强【2 1 。 随着空间激光通信技术的发展和成熟，图像传输由于传递信息量大、具体、生动、 形象等优点，成为了空间光通信信息传输的一个重要组成部分。激光图像通信是指利 用激光束进行图像传输的一种通信方式。这种通信方式是未来通信领域中发展的一个 重要研究方向，特别是在空间探索科学研究、国防和导弹防御领域将具有十分重要的 战略意义。 数字技术发展迅猛，图像和视频产品的数据采集量也越来越大，图像视频压缩技 术在这种情况下应运而生。具体的压缩技术，以及压缩的依据我们将在本论文的单独 章节加以专门介绍。 随着当前传输的信息量越来越大，低速数据通信己不能满足日益发展的需要。系 列数字接口的物理电气特性的规范g 7 0 3 建议，是数字通信中最常用的，也是最重要 的标准之一，而e l 接口是符合g 7 0 3 建议的接口。e 1 接口及e 1 接口的复接能很好的提 高信息的传输速率。 1 2 大气激光通信的国内外现状 由于无线电频谱资源日益紧缺以及军事领域的需要，西方发达国家都在开发新的通 信频段。激光可以完成卫星对地面、卫星对卫星、飞机与飞机以及飞机与卫星之间的 通信，因此在军事上表现出了远大的应用前景。 ( 1 )国外发展空间无线激光通信现状 自从2 0 世纪6 0 年代激光器问世以来，即开始了空间激光通信系统的研究工作， 进入8 0 年代后，掀起了空间激光通信技术研制热潮。美国、欧洲、日本、俄罗斯等发 达国家先后开展空间激光通信系统关键技术攻关、工程样机研制及演示验证系统的研 究工作。图1 1 所示的统计图可以清晰地表明：随着技术和器件水平进步，空间激光 通信系统不仅性能指标得到不断提高，而且研制成功概率和技术成熟度也在不断提高。 图1 1 表明了各国空间激光通信技术研究的现状。 l 了一删1 拉篓罄： l m l 塞戈：雠。嚣二oa三,三 l 壅删 图1 1 各国空间激光通信技术研究 2 各国具体发展现状如下： 欧洲 欧洲宇航局于1 9 9 6 年夏天在c a i a 岛上建立了一个光学地面站，己于1 9 9 7 年中期 投入运行。地面站终端与s i l e x 的l e o 光学终端很相似，只不过光学天线口径为1 m 。 这个地面站用来验证载于a r t e m i s 卫星上的g e 0 终端的性能。2 0 0 1 年光学地面站接收 来自a r t e m i s ( 高轨卫星) 的光束并对其进行评估，并同时向a r t e m i s 发射以光通信的 形式的数据。除了作s i l e x 的进轨验证工具外，光学地面站将也可用以空间碎片追踪 及大气和天文观察的雷达监测。整个s i l e x 系统从s p o t i v ( l e o ) 至a r t e m i s ( g e 0 ) 的通 信码率和a r t e m i s ( g e 0 ) 至s p o t ( l e o ) 的码率分别是5 0 m b s 和2 m b s 。 法国 法国武器装备总署与e a d sa s t r i u ms a s 公司，于2 0 0 3 年签订了开发激光通信样 机的合同，2 0 0 6 年1 2 月，实现了飞机( 神秘2 0 ) 和地球同步卫星激光通信，速率5 0 m b p s ， 飞机飞行高度6 0 0 0 m 以上。 日本 2 0 0 3 年9 月8 日到1 6 日，日本的l u c e 系统工程样机放置在欧洲宇航局的地面站 上成功的捕获了s i l e x 在高轨终端的信标，并成功的进行了通信，通信距离3 8 0 0 0 i ( i i l 。 传输速率为2 0 4 8 m b p s 。 2 0 0 5 年1 2 月9 日e s a a r t e m s 卫星与日本k i r a r i 卫星( 属于日本0 i c e t s 计划实验 内容) 实现了首次双向光学链路通信，这是全球首次成功实现星间双向激光通信实验。 参与该次实验的日本k i r a r i 卫星运行在6 1 0 k m 高度的低地球轨道上，它与定位于 3 6 0 0 0 k m 高度静地轨道上的a r t e m i s 卫星相距4 5 ，0 0 0 k m ，两星以每秒几千米的相对速 度运动。 德国 2 0 0 8 年3 月美国n f i r e 卫星与德国t e r r a s a r x 卫星使用激光终端成功进行了太 空宽带数据传输。距离5 0 0 0 公里的两颗卫星建立了光学链接，并以5 5g b i v s 的数据 传输速度完美地实现了双向操作。此数据传输速度相当于每小时传输2 0 万张a 4 文件 或4 0 0 张d v d 。 美国 美国是最早开展航空平台激光通信终端技术研究的国家，而且受到美国国家航空 和宇宙航行局( n a s a ) 和美国国防部弹道导弹防御组织( b m d o ) 两大组织的高度重 视，它们分别组织多家公司、研究所和高校开展不同链路的研究工作。 美国宇航局选择喷气推进实验室( j e tp u l s i o nl a b ，j p l ) 进行卫星激光通信系统的 研制，1 9 9 5 年完成了激光通信演示系统l c d s ，数据率7 5 0 k b s 。 2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国的t e r a b e a m 与l u c e n tt e c h o l o g y 合作，在水上中 心与演播中心之间建立了8 波道的无线数据通信链路，运行期间始终保持畅通，效果 良好。2 0 0 0 年夏季由国际通信业巨头美国郎讯推出的光通信商用系统，采用四波长波 分复用技术，每路波长速率2 5 g b p s ，总容量达1 0 g b p s ，工作距离5 k m 。2 0 0 1 年8 月， t e r a b e a m 又成功地为m i c r o s o f tc o r p o r a t i o n 年度员工大会提供了无线数据传输服务。 2 0 0 6 年1 2 月美国成功演示“转型卫星”通信终端与机载激光通信终端间的协同性地面 半实物仿真。 由n a s a 发起，b a l l 公司、m i t 林肯实验室等参加制订了发展计划n a s a 的激 光链路通信计划。n a s a 所属的j p l 实验室，正进行无人机对地面激光链路通信终端 a p t 技术研究；b a l l 公司制订了l c d s ( l a s e rc o m m u n i c a t i o nd e m o n s t r a t i o ns y s t e m ) 计划，拟在2 0 0 7 年实现飞机( u 2 ) 与卫星间光通信试验计划。 ( 2 ) 国内发展现状 桂林第3 4 研究所于1 9 9 9 年研制出一个近地4 k m 的激光大气通信机，通信光源采 用波长为8 5 5 n m 的半导体激光器，系统兼容1 2 5 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 k b p s 速率。该系统 进行了长达3 6 0 小时的户外试验，这期间经历了大雾、大雨、小雨、晴天等天气变化， 试验结果表明，除能见度极低的大雾天气外，通信系统都能正常工作，通信质量良。 2 0 0 3 年，三十四所开始正式推出f s o 产品系列，最远通信距离可达8 公里，短距应用 时速率可达1 2 5 g b p s 。 在2 0 0 0 年1 1 月中国( 湖北) 科技博览会上，上海光机所报导的激光无线通信系统传 输速率己提高到1 5 5 m b p s 。另外，在2 0 0 3 年1 月上海光机所信息光学实验室研制成功 的无线激光通信系统，具有双向高速传输和自动跟踪功能，兼有体积小重量轻的特点。 2 0 0 7 年1 0 月2 0 日，武汉大学成功地在北京郊区实验场进行1 2 5 g b p s 速率1 6 k m 距离 的空间激光通信。试验中将8 个通道的d v d 高清画面和声音数据，同时通过无线激光 链路传送到1 6 k m 外的接收端，并实时进行高质量播放。 2 0 0 7 年，北京理工大学的许廷发等设计了一套用于传送视频信号的低功耗红外无 线传输系统。该系统以反熔丝工艺的f p g a 器件作为编解码核心，高速串行红外收发 器作为收发模组。该传输系统的位速率高达1 6 m b i t s ，而发射模块的功耗低于5 0 0 m w ， 适合应用于大型视频处理系统中作视频采集设备与视频处理设备间的无线接口。 长春理工大学主要研究了飞机与卫星间高速、轻型激光链路通信等总体技术。验 证其关键技术，建立飞机与地面间激光通信链路，研制机载与地面激光通信终端演示 验证试验样机，完成了飞机与地面间激光链路通信演示。研究机载激光通信终端总体 技术，例如a p t 技术、高速率的通信光调制与发射技术、抗干扰与激光弱信号探测技 术等：验证机载激光通信平台适应性技术；分析、研究大气信道特性与适应性技术。现 阶段为实际链路的试验阶段，进行野外动态实验。 4 1 3 本论文的主要研究内容 本文是在空间激光图像传输应用背景下，研究视频图像的压缩编码技术，以及基 于g 7 0 3 标准应用e 1 传输和e 1 接口的实现，从而提高视频数据的传输速率。具体研 究内容如下： ( 1 ) g 7 0 3 标准及g 7 0 3 传输格式； ( 2 ) 各种图像压缩标准及压缩算法； ( 3 ) 基于g 7 0 3 的图像压缩处理系统研究的总体方案设计； ( 4 ) 发送端压缩编码模块设计； ( 5 ) 接收端解压缩解码模块设计； ( 6 ) 基于( 3 ：7 0 3 的接口设计； ( 7 ) f p g a 总体时序控制； 第二章总体技术方案研究 2 1空间激光视频通信系统的总体方案 空间激光视频通信是将视频信息加载在激光束上进行数据传输的一种通信方式， 空间激光视频通信系统总体设计如下图2 1 所示。 a d视频 激光 一羹耋c c d 相机卜 转换 编码 _ 发射 一嚼 视频光电 超 解码 一 接收 图2 1空间激光视频通信系统框图 上图2 1 是空间激光视频传输系统的基本组成框图，其中c c d 相机、a d 转换单 元、视频编码单元、激光发射单元和光学天线依次连接便构成了空间激光视频传输系 统的发射单元；而由光学天线、光电接收单元、视频解码单元、d a 转换单元和监视 器依次连接便构成了空间激光视频传输系统的接收单元，各模块的主要功能是： c c d 相机：将光信号转换成电信号，主要用于采集图像信息； a d 转换：将需要传送的模拟视频信号进行a d 转换，将模拟信号转换成数字信号； 视频编码单元：采用国际通用的视频编码技术，对输入的数字图像信息进行压缩及 编码，最后输出串行编码； 激光发射单元：加载图像的信息并对其进行调制，然后将图像信息通过激光传送； 光学天线：采用天线设备，发射接收一体化的光学系统，以实现平行光发射，完成信 号激光的发射与接收； 光电接收：采用a p d 或p i d 作为探测元件，实现将光学天线接收到的光信号转换 成电信号的功能，能适应在恶劣的环境下可靠的接收光信号； 视频解码单元：完成视频编码单元的相应视频解码功能； d a 转换器：完成模拟视频信号的还原； 监视器：作为系统的终端用来显示，能够直接观看收听视音频信息，一般的电视 机就可； 2 2 图像压缩标准 2 2 1 图像压缩编码的必要性 受益于数字技术的迅速发展，各种图像，音频采集产品越来越先进，他们能对采 6 集目标进行精密而详细的描述。由于信息量巨大图像编码技术应运而生。他的核心思 想是用最少比特的数据准确的反应实际所捕捉的物体图像。压缩编码技术的出现极大 的提高了数据传输的效率，节约了数据储存空间，降低了计算机的运算负担。数字压 缩技术的出发点是信息的冗余。我们知道信号中大量的图像部分在组合成整体图像的 过程中，边缘会产生叠加，这就是空间冗余，另外像大家熟知的影片拍摄的画面如果 每秒超过2 4 幅，人们就觉得这些画面是连续的，也就是说人眼对于事物的观察时有局 限性的，人眼观察不到的信息属于视觉冗余的部分，另外我们知道数据传输时随时间 变化而变化的，不同的时间传出的数据具有不同的特性，数据和数据进行连接的时候， 在他们的时间属性上会产生叠加，这部分是时间冗余。压缩编码技术就是消除上述几 种冗余【6 1 。 2 2 2 各种图像压缩标准 不同的存储器件对图像的存储格式有不同的要求，不同的传输媒介对图像信号的 传输速度也有不同的限制，最后接收图像信号的装置也有对进入其内数据的严格要 求，这就导致了不同图像压缩标准的出现，以适应不同场合，不同载体的需要。 ( 1 ) h 2 6 1 标准 1 9 8 8 年c c i t t ( 现仃ut ) 制定了电视电话会议电视的h 2 6 1 建议草案 ( 数码率= p 木6 4 k b 豇s ，p = 1 3 0 ) ，它是自1 9 4 8 年以来电视图像压缩编码4 0 年研究 成果的结晶。这是一种“信息非保持型( l o s s ) 的压缩编码算法，器要点是：采用 有运动补偿( 由运动估计器计算运动矢量) 的帧间预测，以利用电视图像在时间域的 相关性；接着对帧间预测误差( 在帧内模式则是对原始图像数据) 进行( 8 像素宰8 行) 像素块( b l o c k ) 的离散余弦变换( d c t ，d i s c r e t ec o s t i n et r a n s f o r m ) ，以利用电 视图像在空间域的相关性；然后在d c t 变换域h u f f m a n 变字长编码器实现商编码一 一种信息保持型( l o s s l e s s ) 编码；最后，按照某种编码控制策略改变有关参数，平滑 输出缓冲存储器中的数码流，防止上溢和下溢，以保证输出数码率为恒定值。 h 2 6 1 的码流恒定，编码的质量是变化的，它的特点是引进了一个平衡机制，在 这个机制的作用下，运动物体所产生的图像没有静止物体产生的图像清晰。但是这样 做也有一个好处，那就是优化带宽，从而减轻了c p u 的运算负担。 ( 2 ) h 2 6 3 h 2 6 3 是凡历一丁的压缩编码标准，是h 2 6 1 的改进型，为低码率通信而设计的。 h 2 6 3 无论从编码的性能，纠错的能力，以及图像的清晰度上都有所提高。 ( 3 ) j p e g 标准 静止图像数据压缩标准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 ) 也可以直译为联 合图像专家组，其中联合是指几个国际组织的联合。它是从1 9 8 6 年正式开始制定的。 7 当时由两个国际组织联合支持：国际标准化组织( i s o ) 和国际电报电话咨询委员会 ( c c i t t ，后改称国际电信联盟刀u ) 。 j p e g 用于定义连续变化的静止图像，所谓连续变化是指灰度等级和颜色两个方面 的连续变化。j p e g 包含两种基本压缩方法，各有不同的操作模式。第一种是有损压缩， 它是以d c t 为基础的压缩方法。第二种是无损压缩，又称预测压缩方法，但是最常使 用的是第一种，即d c t 压缩方法也称为基线顺序编解码( b a s e l i n es e q u e n t i a lc o d e c ) 方法，由于这种方法的优点是先进、有效、简单和易于操作，因此成为应用广泛的和 最重要的方法。j p e g 的压缩效率不如其他方式的编码，这是由于他对冗余的压缩只建 立在单独的一个帧内的空间冗余，不同帧与帧之间的时间冗余不能进行处理。 h 1m p e g 一1 标准 1 9 9 2 年由国际标准化组织( i s o ) 通过了m p e g 一1 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 图像编码压缩标注。它是一种活动图像编码压缩标准。虽然它的图像压缩算法的框图 基本与h 2 6 1 相同，但是有重要的改进，以提高重建图像的质量和满足数字存储媒体 在电视图像重放方面的需要。当然，它仍适用于电视图像的数字传输。m p e g l 压缩 方法采用了三种压缩编码技术：运动估计和补偿、d c t ( 离散余弦变换) 和h u f f m a n 编 码。采用运动估计和补偿的方法消除时间冗余使图像压缩；采用d c t ( 离散余弦变换) 和h u f f m a n 编码的方法处理空间冗余使图像压缩，这种采用多种压缩方式相结合的技 术对图像进行压缩，大大提高了压缩比率。 此外，m p e g 一1 在系统层将压缩后的视频、音频数据以及其他辅助数据分类组成 字长为1 8 8 字节的分组( p a c k e t ) ，以便灵活的适应不同的传输或存储方式及媒体。另 外，在每个分组的字头( h e a d e r ) 设置时间标记( t i m es t a m p ) 便于在解码器中保证声 音和口形合拍，同时有利于电视节目制作人进行节目编辑；而且增强了录像机放像过 程中常用的正向搜索、反向搜索、反向重放和正向慢放、反向慢放等功能。m p e g 一1 视频数据传输速率是1 5 m b i t s ，加上声音等其他附加信息为2 0 4 8 m b i t s ，可与一次群 接口。 ( 5 ) m p e g - 2 标准【1 8 】 m p e g 2 诞生于1 9 9 4 年，适应范围宽广，在当时它是几乎可以适应所有的媒体播 放器的图像编码技术。由于它适应性良好甚至将它之后出现的m p e g 3 都给取代了。 但是他的传输速率由于技术水平的原因被限制在一个区域。最低是2 m b p s ，最高不能 超过1 0 m b p s 。 ( 6 ) m p e g 4 标准 对比来说m p e g - 4 起始于1 9 9 9 年，他的适应性和对其他芯片接口支持方面已经超 越了m p e g 2 ，而且m p e g 4 支持远程监控，但是在当时由于它属于一种高端的技术， 只能在厂商的一些旗舰产品中看到支持他的芯片。目前d s p 的使用人群越来越多，其 中的大多数使用者可以用它来完成的压缩编码。 由于产品的实用性角度，以及获得产品渠道的容易性上考虑，本文采取的压缩标准 是m p e g 2 标准。下面着重对m p e g 2 压缩标准加以说明。 m p e g 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 ) 的简称，总体来m p e g 标准起始于1 9 8 8 ，到最后2 0 0 2 年形成m p e g 1 2 历经1 4 年，更新1 0 余代，其编码的 数字存储量，视频码率逐步得到完善和提高，从最初的固定的1 5 m 到最后形成的5 k 到5 m 的宽度范围。下表2 1 是m p e g 系列标准。 表2 1m p e g 标准 标准简称 标准全称 制定专家组批准时间 最高约1 5 m b p s 数字存储媒体 运动图像专1 9 8 8 年开始制定，1 9 9 2 的运动图像及伴音编码家组年1 1 月通过，作为 m p e g 1 ( c o d i n g o fm o v i n gp i c t u r e( 第1 阶段)i s o i e c l1 1 7 2 号文件 a n da s s c i a t e da u d i of o rd i g i t a l s t o r a g em e d i aa tu pt oa b o u t 1 5 m b p s ) 标准 运动图像及伴音编码运动图像专1 9 9 0 年7 月开始制定， m p e g 一2 ( c o d i n go fm o v i n gp i c t u r ea n d 家组1 9 9 4 年1 1 月通过作为 a s s c i a t e da u d i o )( 第2 阶段)i s o i e c l 3 8 1 8 号文件 视频编码率：4 - 10 m p b s 视音频对象的编码( c o d i n go f运动图像专1 9 9 3 年7 月开始制定， m p e g 4a u d i o v i s u a lo b j e c t s )家组1 9 9 9 年5 月通过，作为 视频码率：5 k b p s - 5 m b p s i s 0 i e c14 4 9 6 多媒体内容描述接口运动图像专1 9 9 7 年7 月开始制定， m p e g 7 ( m u l t i e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o n家组2 0 0 1 年1 2 月产生标准草 i n t e r f a c e ) 标准案，作为i s o i e c l 5 9 3 8 号文件 多媒体框架( m u l t i m e d i a运动图像专1 9 9 1 年l o 月形成多媒体 田e g 一1 2f r a m e w o r k )家组 框架理念，2 0 0 0 年5 月开 始制定，原计划2 0 0 2 年2 月完成 m p e g 2 本身不存在对于编码器的规定，它规定的是输出信号比特流的结构以及 其解码的方法。这样为了定义功能和品质，在m p e g 2 中导入了类和等级，由此定义 编码和解码算法的基本结构。本文在系统设计中应用m p e g 2 压缩算法对图像信息进 行压缩，所以下面着重对m p e g 一2 进行阐述。 9 2 3 图像压缩算法及相应码流结构 2 3 1m p e g 2 压缩算法 m p e g 2 的压缩算法基于3 种基本技术： 用d p c m ( 结合运动补偿) 去除时间方向的冗余度； 用d c t 去除空间域的冗余度； 用可变字长的熵编码去除统计多余度； ( 1 ) 时间轴方向冗余度的去除：运动补偿的帧间预测 运动补偿，通过匹配不同模块在图像中的位置移动而实现。这要利用一个递推关 系式表达的数学方程。在这个递推关系式中第n 个变量依靠前面n 1 个值确定。 将第n 个变量( 实际上是系统采集到的图像模块) 中的每一个像素点和之前的n 1 个 模块进行比对，找出差别最小的，就可以认为这个模块是从和它差别最小的模块之中 演变而来的，根据他们的差异特性总结出规律，然后预测下一个模块的大致影像，这 就是运动补偿。运动补偿的一个典型的关系式表述如下： mn r ( k ，i ) = r a i n l 无o ，j ) - 无一，( f + 七，j + 1 ) 1 1 ) 艘 ( 2 1 ) 、 i = 1 ，= l f ( k ，i ) 表示其中第n 幅图像与前边图像的相关函数，f ( i ，j ) 表示在补偿过程中包含所有相 同像素点的模块。s r 表示n 一1 个模块的搜索区域。运动补偿过程如图2 2 所示。 前一帧中 墼笛r-n中i撰_fn(i,j) 限定搜索区( s r ) 7 图2 2 运动补偿过程 ( 2 ) 用d c t 去除空间域的冗余度 图像变换时视频编码系统的核心组成部分，变换主要体现在图像信息的存在形式： 在空间域以像素灰度值形式表示，在频域以变换系数的形式表示。即变换编码的基本 思想是将在空间域描写的图像信号变换到频域进行描写。 变换编码主要分为映射变换、量化及编码等几部分。映射变换主要是把图像中的每 个像素从一种空间变换到另一种空间，然后针对空间变换后的信号再进行量化与编码； 映射变换能够产生一系列更加有效的系数，对这些系数进行编码所需的总比特数少于 对原始图像进行编码所需要的总的比特数，由此数据率能够压缩。 1 0 视频图像信号中常用的变换算法有w h t ( 沃尔什哈大马变换) 、d f t ( 离散傅里叶变 换) 、d c t ( 离散余弦变换) 和d w t ( 离散小波变换) 等。 一维d c t 的定义如下： 设 f ( x ) ix = o ，n 一1 ) 为对带宽有限信号厂o ) 取样得到的数据序列，一共有n 个样值， 其一维离散余弦的正变换定义： 、 m ) _ c 污薹m ) c o s 紫 ( 2 2 ) 式中，“= 0 1 n 一1 。其中 c ( 甜) = i1 ， i1 2z ，= 0 一维离散余弦变换的逆变换定义为： 厂( x ) = 2 厩- n 。：- 。ic ( “) ，( z ，) c 。s 警( 2 x + d u n ： 厂( x ) = c ( “) ，( z ，) c o s 而一 式中x = 0 ，n 1 ；u = 0 ，n 1 可见一维d c t 的正反变换的变化和都是 酏加c 专c o s 鼍笋 其中詹0 ，x ) ，扰= o 1 ，n 一1 称为d c 丁的基向量元素族，它满足如下的正交条件： 兰口。，x)口(g，x)=三p；=qm=0 ： 口0 ，x b ( g ，x ) = 二。 1 ”y h ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 利用公式( 2 6 ) 的正交性，从( 2 2 ) 的d c t 表达式得到( 2 4 ) 根据( 2 2 ) 得到一维离散余弦变换的矩阵型式f = g f 卜1 1 一j c o s ( ) c 。s ( 3 少c o s ；( 2 n - 1 ) g = ic 。s ( 2 e r 2 n ) c 。s ( 6 e r 2 n ) “。s ( 2 ，z 一1 ) 万2 ) ( 2 7 ) 每二磊诫二二淤磁品沥 可以将一维d c t 的定义推广到二d c t ，设图像样值 f ( x ，y ) g ，y 】x ，y = 0 , 1 ，n 一1 是二维图像佰亏阴数琚矩l j 军，兵二维d c t 定义为： ，v ) = 2 c ( 甜) c ( v n 。：- 。! n 。- 。1 f ( u ) n zz f ( x ，) ，) c 。s ! 三苎兰焉当丝c 。s 紫 ，v ) = 2 c ( 甜) c ( 1 ， x ，) ，) c o s ! 兰警c o s ! 兰警 工= 0v = o 二v厶 其中u , v = 1 , 0 ，n 1u , v = 0 ，1 n 1 c ( 以) ：j 彪，v - 0 当“，1 ，= 1 , 2 n 一1 二维离散余弦变换的反变换d c t 为 厂( x ，y ) ：二n - in - ic ( ”) c ( v ) ，( u ，v ) c o s 羔兰苎! 业c o s 羔兰! 二业 ( 五力2 亩刍乞v = 0 c ( ”) c ( v ) ，(警c 。s 警v “譬o 二v二v 其中x , y = 0 ，1 ，oo n - 1 d c t 变换用于编码，i d c t 变换用于解码。二维的d c t 变换可以分解成两个一维的d c t 变换，这两个一维变换相互独立，是串联的关系。如下面的变换： f ( 甜，) ：、f i c ( v ) n = i 1 ，f f 一- 歹c ( 材) n - 1f ( x , y ) c o s 羔垫型业l c o s ( 2 y + 1 ) v z ( 2 1 1 ) f ( 甜2 、丙c ( v 毛l 、万c ( 材刍警i c o s 矿 2 1 1 ) 即先沿图像的每一列进行一维d c t 得到 似川= 居c 丢n - 1 m 川c o s l ( 2 x + 矿1 ) u z 。 ( 2 1 2 ) 再沿厂0 ，v ) 的每一行进行一维d c t 得到 聃= 号c 丢n - 1m 川c o s l ( 2 y + r 1 ) v z ( 2 1 3 ) 厂( “， ，) 】- g l f ( x ，y ) i f g 】， ( 2 1 4 ) 其逆变换矩阵形式为 【f ( x ，j ，) 】= 【g 7 1 厂( z f ，1 ，) 0g 】r ( 2 1 5 ) 上两式中 厂( x ，y ) 是空间数 阵y l j f ( u ，1 ，) 是变换系数阵列 g 是变换矩阵 g 】t 是 g 的 转置。 m p e g 2 采用d c t 变换消除空间冗余，考虑到视频信号具有隔行扫描特征。由于 m p e g 2 可以配置成两种不同的程序结构帧模式和场模式。相应的d c t 变换单元模块 的划分也有两种。其中基于帧的单元模块会被划分成8 * 8 像素的模块，基于场的单元， 本来每个模块的像素是1 6 木1 6 ，最后会被划分成4 个8 * 8 的模块，但无论怎样，无论它 1 2 ) ) ) ) 幻 9 加 z 2kl 是基于帧或场的单元模块，最后做d c t 变换的时候都必须划分成8 * 8 像素。 ( 3 ) 用可变字长的熵编码去除统计多余度； s h a n n o n 第一定律确定在无损编码条件下数据压缩的理论极限是信息的熵，在此基 础上提出了怎样建立最优数据压缩编码方法。这类保存信息熵的编码方式统称为熵编 码( e n t r o p yc o d i n g ) ，通过熵编码压缩后的数据经过解码后可以无失真的恢复原始数 据。无失真信源编码定理：设单符号、离散、无记忆信源的熵为日) ，若用二进制码 对其变字长，非续长编码，一定可以找到一种编码方式，其平均码长m 满足： h p ) 鬲日妙) + 1 ( 2 1 6 ) 不等式表明，信源的熵是作无失真二进制变字长编码时平均码长的下限。 如果符号吼用等于其信息量的码长： 一l 0 9 2 p h ) ( 2 1 7 ) 编码，则可以使平均码长m 达到其下限一熵： 荔= p ) l o g ：p 瓴) = h ( u ) ( 2 1 8 ) 所以，这种变字长的统计编码又称熵编码。从不等式我们可以得到如下结论：熵编 码改变的是字节的长度，但是由于字节的长度是以个整数，当l o g ：p ( a k ) 不为整数时， 上述关系式就不在适合，s h a n n o n 、f a n o 、h u f f m a n 等人提出了一种改进的方式h u f f m a n 码。 h u f f m a n 编码是1 9 5 2 年为压缩文本所设计的编码方法，也是目前消除视频信息冗 余所最常使用的方法之一。h u f f m a n 编码的思想是针对所有编码符号，对出现概率最 大的符号赋予最短的码字；概率越小，表示码字越长；对于出现概率最小的编码符号 则采用最长的码字加以表示，从而使表示每个符号的平均比特数最小。h u f f m a n 编码 具有较高的压缩比，构成如下： 设有m 个消息，表示为 ；1 。1 昱1 2u b 3 j j u 匕m ， ( 2 1 9 ) h u f f m a n 编码分为以下几步来实现：首先按出现概率从大n 4 , 的顺序排列出现的信 息；然后将出现概率最小的消息结合成一个，再对消息队列进行一次排序处理；接着 重复以上的步骤直到出现以下形式为止x 。= 【芹u o 0 ) 最后将消息赋值。 2 3 2m p e g - 2 码流结构 m p e g - 2 在概念上将编码结构分为两层：系统层和压缩层，系统层在外部，压缩层 在里面。下面分别分析系统层和压缩层的码流结构。 ( 1 ) m p e g 一2 系统层的码流结构 m p e g 一2 系统层的主要作用是打包和复用m p e g 一2 中的多个压缩层码流。为了便于兼 容m p e g 一2 结构，m p e g 一2 的系统层编码包含两种类型的码流结构：节目流和传送流。之 所以要考虑m p e g - 1 的兼容问题，是由于目前m p e g - 1 的应用十分广泛，遍布于各种太 空、高空、路面通讯系统之中，兼容m p e g - 1 是为了保证其应用领域的广泛性。 m p e g 一2 为t s 流和p s 流分别提供了相关的解码方式和语法，能够保证压缩码流的 同步译码和音视频信号的重构。t s 流和p s 流的数据结构称为p e s 数据包，包含编码 后的音视频信息和相关系统信息。m p e g - 2 系统层结构如图2 3 所示。最初的声音和图 像信息数据分别经过各自指定的编码器编码之后，将编码后的信息数据分别传递到系 统层进行各自的数据打包，分别形成数据p e s 流和声音p e s 流，最后再由复合器复合 成系统节目流和传输流分别送出。 图像 p es 图 吉 i p e s k 一m p e g - 2 系统规范 一 l - 图2 3m p e g 2 系统层结构流程图 节目流： m p e g 2 节目流能够将一个或多个具有相同时间基点的数据流合成单个数据流。 m p e g 2 标准规定节目流与m p e g 1 系统流完全兼容，即m p e g 2 节目流解码器同样 可以正常在m p e g 1 标准系统流中工作。另外，节目流解码器还同样支持m p e g 2 标 准的一些特性，如随机访问、特技模式等。节目流的p e s 数据包通常比较长并且其长 度不固定，典型的长度在1 2 k b 之间。下图2 4 是节目流解码器的结构框图。 1 4 数 已解码图像 己解码声音 i l 一一一一j 图2 4m p g e 2 节目流解码流程图 传送流： m p e g 2 传送流面向通信传输信道定义，能够有效地提高传送码流对信道噪声得 到鲁棒性。传送流中可以包含多个信道节目。传送流由一系列的传送分组构成，每个 传送分组时包括头信息在内共计1 8 8 b i t 的数据包，因此更便于适用嵌入式硬件进行处 理，也适合在各种有线和无线信道中传输。典型的传送流解码器流程如下图2 5 所示。 己解码图像 己解码声音 图2 5i v l p e g 一2 传送流解码流程图 ( 2 ) m p g e - 2 压缩层码流结构 m p g e 一2 编码码流的结构实现过程类似于程序的树形结构，包含六个层次。最上面 是视频序列层( v i d e os e q u e n c el a y e r ) 、下面的是图像组层( g r o u po f p i c t u r el a y e r ) 、然后 是图像层( p i c t u r el a y e r ) 、接着还有片组层( s l i c el a y e r ) 最后是宏块层( m a c r ob l o c k l a y e r ) 和子块层( b l o c kl a y e r ) 。这六个层次自上而下的关系可以拿树干，枝权形象的说 明。最上边的一层是树的主干，后树的分支，分支上的枝权以此类推。如图2 6 为m p g e 一2 码流结构图。 图像序列层： 图像组层： i 数据头：图像大小、帧速率 l 、量化矩阵、层号、分级法g o l 0 1g o p 一2g o p n 、码率 图像层 宏块条层 宏块层 块层 数据头： 基本部分：图像起始码等宏块条层 扩展部分：图像编码扩展 附加数据： 宏块条在整个图像中的 宏块一1宏块一2宏块一n 位置，仝局量化参数， 变量有限切换点 图2 6m p g e 一2 码流结构 2 5g 7 0 3 标准及帧结构 2 5 1g 7 0 3 标准 g 7 0 3 协议：是数字网络接口协议。随着光纤通信和数字传输技术的飞速发展，利用 6 4 k b i t s 和2 1 v l b i t s 速率的数字信道传输数据的应用越来越多，( 3 ：7 0 3 协议定义了分级数 字接口的物理电气特性。数字接口的比特率分级由g 7 0 3 协议规定。g 7 0 3 对各种速率 的接口分别定义了功能特性和电气特性。 g 7 0 3 接口：g 7 0 3 接口是i t u t 在g 7 0 3 建议中制定的一组关于p d h 的数字系列比 特率接口。p d h 数字系列比特率在i t u tc t 7 0 3 中规定了两种： 第一种是以1 5 4 4 k b s 为第一级p d h 数字系列的比特率， 第二种是以2 0 4 8 k b s 为第二级p d h 数字系列的比特率。 我国采用第二种p d h 数字系列比特率。该系列比特率如下表2 2 所示： 1 6 表2 2 p d h 数字系列比特率 第0 级 第1 级第2 级第3 级第