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1、西华大学课程设计说明书 1. 前言 IPTV编码器是一种用于广播或者电视转播项目的专业音视频数据处理设备，由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成，通过串行接口控制摄像头和麦克风录制音频和视频信号，并对其进行编码，完成声音图像数据的采集和复原等。IPTV编码器输出的主要是基于MPEG-4或H.264的图像数据以及音频数据。目前国际上主流的IPTV编码器是针对媒体传输和IPTV解决方案的第四代实时MPEG-4 AVC/H.264编码器。它们大多采用MPEG-4 AVC/H.264压缩技术，这基本是标清广播采集、分配和IPTV应用
2、的理想选择。它们能以不到2Mbps的码流传输全分辨率最高质量的视频。MPEG-4编码技术在宽带接入日益普及的环境下，在网上观看、下载电影成为很多用户非常熟悉的应用。压缩电影的背后是MPEG-4技术，而MPEG-4背后有一条不平凡的发展道路。运动图像专家组这个名称对很多人来说还很陌生，但提到它的英文简称MPEG（Moving Picture Experts Group）,便几乎是尽人皆知了。MPEG是隶属于ISO/IEC的一个专家工作组，主要负责为数字音视频编码算法开发和制定标准。MPEG组织始建于1988年，并于1992年制定出MPEG0-1标准，它能将视频数据压缩成1-2Mpbs的标准数据流
3、，工业产品VCD机和MP3播放器都是以该标准为基础衍生出来的。随后的1994年，该组织制定出MPEG-2标准，它是为了获得更高的分辨率（720*486）、提供广播级视频和CD品质的音频而产生的高质量音视频编码标准，传输速率在3-10Mbps，它也是数字电视、DVB和DVD所遵循的压缩标准。随着研究工作的深入发展，ISO又公布了“超低比特率活动图像和语音压缩标准”，排序MPEG-4。1998年10月批准第一版，1994年4月又公布了第二版及其校验模型（VM）。MPEG-4正式编号是ISO/IEC国际标准14496，它是一种新型的多媒体标准。与前标准一个重要区别就在于，它是一个基于对象的视频编码压
4、缩标准，它所定义的码率控制的目标就是获得在给定码率下的最优质量，它为互联网上传输高质量的多媒体视频提供了很好的技术平台。2. 总体方案设计随着视频技术和MPEG4应用领域更加广泛，国内对IPTV编解码器研究探索也将步入更高层次的阶段，从应用现状和市场需求的角度来看，对MPEG4编解码器的研究和开发更是重点。目前实现IPTV编码器的方式主要有三种，分别是纯硬件方式、软件方式和基于DSP的方式，三种方式各有特点。2.1 各方案论证（1） 纯硬件方式纯硬件方式就是使用专用集成芯片来实现视频编码，随着VLSI（超大规模集成电路）技术的发展，各大VLSI厂商相继推出了各种高性能的视频图像处理专用芯片，如
5、Philips公司的Trimedia系列、IBM公司的MPEG S系列等。这种方式将视频压缩算法固化在芯片中，特点是开发周期短，压缩率高，运算速度快，图像质量和系统实时性较好，缺点是一旦视频编码方案固定，则系统升级与更新比较困难，而且专用芯片造价比较高，通用性差，不易推广。（2） 软件方式软件方式就是利用PC机通过基于计算机操作系统的软件来实现视频编码，虽然比较容易实现软件的升级，但系统性能受PC机处理器运算能力所限，最大缺陷为速度慢，实时处理视频信号不容易实现，其主要是用于前期仿真，验证算法的正确性。（3） 基于DSP的方式基于高速DSP实现视频编码是应用最多的一种方法。利用DSP的高速信号
6、处理能力，使用软件实现的算法在其上运行时可以大大缩短执行时间，获得高压缩率，同时由于数字视频的标准广泛，产品的更新要求更多，采用DSP做产品将更加具有优势，当进行软件升级或使用新的编码标准的时候，只需要对代码进行修改和调整DSP的配置就可以实现。该方案易升级，应用灵活，通用性强，具有更加实际的产品发展前景。随着DSP向高速、低功耗、多媒体化、多处理器的方向发展，使得用DSP实现视频编码更加方便，图像质量也更好。我的设计主要是通过对MPEG4编码标准原理和算法进行深入分析，以MPEG4的公开参考源代码XVID-1.1.0为基础，对基于PC的软件代码进行调整，结合DSP的硬件和指令结构特性，在以T
7、I公司的TMS320DM642 DSP为核心的硬件平台上实现了MPEG4视频编码器，并通过软件优化等方法，使编码器基本满足实时性要求。2.2 方案比较通过对上述三种方案的分别论述可知：纯硬件方式实现容易，并且各方面参数都能到达理想值，但是其方案一旦固定就无法更改，因此系统的升级和更新困难，而且芯片造价高，性价比较低，这就给产品的推广造成了阻碍；方案二阐明了软件方式的优缺点，虽然比较容易实现升级，但其运算速度慢，一般仅用于前期的仿真处理。方案三是基于DSP的方式，它不仅能高速的处理信号，而且具有良好的兼容性，软件更新和使用新的编码标准时易实现，具有更多实际产品的发展前景。2.3 方案选择我的设计
8、意义在于通过基于DSP的MPEG4编码器的研究，全面剖析了MPEG标准的核心算法，总结讨论了基于DSP的软件开发和优化方法，尤其是在视频编码器方面，可作为今后对MPEG4编码算法改进和研究其它视频标准编码器在DSP平台上实现的基础和借鉴。本课题的研究成果可应用于实现脱离计算机独立工作的脱机图像处理系统，使MPEG4的应用更加灵活方便，可以将MPEG4应用于更加多样化的领域和不同的工作环境。而且鉴于目前市场上专用视频编码芯片价格昂贵，本方案可以大大降低实现MPEG4应用的成本，与同类产品相比将具有较强的市场竞争力。近年来，随着网络和多媒体技术的发展，视频信息通信的重要性和需求急剧增长，而其中的关
9、键就在于视频压缩编码技术的应用。ITU和ISO制订的这一系列视频编码标准，都在原来的技术上不断地完善和升级，从而极大地推动了视频多媒体技术的实用化和产业化。MPEG4是一种可应用于通信、广播和计算机等诸多领域的通用视频编码标准，它基于对象的编码方式可以使图像主观质量、交互性更好，同时具有很好的容错性和时间、空间伸屈性，具有适应各种带宽的强大能力，能够使视频数据在多媒体环境中对视频目标进行高效存储、传输和操纵。MPEG4已经在数字电视、视频会议、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、Internet上的视频流与可视游戏、DVD上的交互多媒体应用、电视点播等方面有了广泛的应用，目前是视频压缩
10、编码应用的主流，从而成为国内外视频编码研究和应用的热点。同其他IPTV编码标准相比，MPEG4的特点和所支持的新功能主要表现在以下三个方面：（1） 基于内容的交互性（Content-based Interactivity）a.MPEG4最大的特点是基于内容、基于对象进行编码，支持无须编码就可进行基于内容的操作与比特率编辑，而不是像MPEG1、MPEG2基于视频帧的编码。例如：使用者可在图像或比特流中选择一具体的对象（例如图像中的某个人、建筑物等等），随后改变它的某些特性。这些对象可以使单声道、立体声和多声道音频，二维和三维或者单目、立体或多目视频、计算机图形、动画、文字等。对每一个对象的编码形
11、成一个对象码流层，该码流中包含着对象的形状、位置、纹理以及其他方面的属性等。对一幅图像编码所形成的码流就由一系列这样的对象层码流所构成。用户可以直接对“对象层”进行存取操作，也可以自行选择场景中的物体的解码质量。b.支持自然与合成数据的混合编码，提供将自然视频图像同合成数据（如文本、图形等）有效结合的方式，包括混合编码以及同步，同时支持交互性操作。c.增强的时间域，随机存取。提供有效的随机存取方式，在有限的时间间隔内，可按帧或任意形状的对象，对音频、视频序列进行随机存取。例如以一序列中的某个音、视频对象为目标进行“快进”搜索。（2） 高压缩率（Compression）a.提高编码效率。在可比拟
12、速率下，MPEG4提供的主观视频质量要好于已有的或是其它在制定中的标准。一般的说，MPEG4的理论压缩倍数高达100倍。这一功能可望在迅速发展的移动通信网中获得应用，但值得注意的是，提高编码效率不是MPEG4唯一的主要目标。b.对多个并发数据流编码。MPEG4将提供对一景物的有效多视角编码，加上多伴音声道编码及有效的视听同步。在立体视频应用方面，MPEG4将利用对同一景物的多视点观察所造成的信息冗余。MPEG4的这一功能在足够的观察视点条件下，将有效地描述三维自然景物。（3） 通用存取（Universal Access）a.错误易发环境中的鲁棒性和纠错性。MPEG4将提高抗误码能力，尤其是在易
13、发生严重错误的环境下的低比特率应用中（移动通信链路）实现安全的低码率编码和传输。它采用3个策略来达到此目的：再同步（resynchroniaztion）、数据恢复（data recovery）、错误隐藏（error concealment）。再同步工具在检测到误码时重新再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间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。b.基于内容的尺度可变性。内容尺度可变性给图像中的各个对象分配优先级，对重要性不同的对象在从视频码
14、流解码时用不同的时间或空间分辨率表示。MPEG4提供了两种基本分级工具，即时域分级和空域分级，可实现时间、空间的尺度可变性，此外还支持时域和空域的混合分级。每一种分级编码都至少有两层，低层称为基本层（base-layer），高层称为增强层（enhancement-layer）。基本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。基于内容的尺度可变性是MPEG4的核心，因为图像中所含对象的目录相应的优先级确定后，其他的基于内容的功能就比较容易实现了。对甚低比特率应用，可伸缩性是一个关键的因素，它提供了自适应使用可用资源的能力，可以最有效的利用有限资源。3. IPTV的编码标准
15、长期以来，基于像素的第一代编码技术一直是图像编码的主流方法。它从消除图像数据的时间、空间相关冗余出发，编码实体是像素或像素块，以显示器件为图像/视频系统的最后环节，没有考虑人眼视觉特性对编码图像的影响。20世纪80年代初人们就认识到这种基于数据统计的编码技术的不足，特别是在低速率视频编码时有严重的局限性。20世纪80年代中后期，相关学科的迅速发展和新兴学科的不断出现为视频编码的发展注入了新的活力，同时关于人类的视觉生理、心理特性的研究成果也拓展了人们的视野。M.Kunt于1985年提出了利用人眼视觉特性的第二代图像编码的思想。图像编码中的对象不再是像素或像素块，而是考虑到人眼是图像/视频信号的
16、最终接受者，根据人类视觉对图像轮廓纹理较为敏感的特点将图像数据进行分割，即按图像内容来划分编码区域。基于内容的第二代编码技术是视频编码的新一代技术，是目前视频编码研究中最为活跃的一个领域。ISO/IEC下的运动图像专家组（MPEG）对MPEG4标准的讨论最早开始于1991年，其初衷是为了研究满足视频会议、可视电话等极低比特率应用的编码方案，并定名为音视频对象的编码技术。但是由于传统的基于像素分块的DCT变换和运动补偿技术的第一代编码方法已达到了视频压缩的极限，同时为了满足当今世界越来越多的视听信息要求以数字形式进行相应的变换而产生的种种新的需求，适应多媒体数据压缩技术的发展趋势，1994年7月的Grimstad MPEG会议上，MPEG4的目标发生了根本的变化，转而致力于成为可以适应各种传输码率的通用标
