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MPEG蛳4视频编码技术在多媒体通信中的

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来源: 作者: 2019-03-13 11:21:29

1引言

MPEG?蛳4是运动图像专家组(MovingPictureExpertGroup)标准家庭中的一员,是国际标准化组织为多媒体通信制定的一种解决方案。MPEG?蛳1/2均以音频帧、视频帧为编码对象,图像中的AV(Audio和Video)对象所组成的场景不能与人们进行交互。而MPEG?蛳4的主要特点是对图像中的内容进行编码,其具体的编码对象就是图像中的音频和视频信号,称为AV对象。MPEG?蛳4是围绕AV对象的编码、存储、传输和组合而制定的,所以MPEG?蛳4有非线性电视的编码、存储、传输和组合的标准之称。

2MPEG?蛳4的图像与视频标准的技术结构

图1

MPEG?蛳4的图像与视频标准的技术结构如图1所示,底层是VLBV(VeryLowBitRate Video)核心,它为5~64 kbit/s视频操作和应用提供算法与工具,支持较低的空间分辨率(低于352×288像素)和较低的帧频(低于15 Hz)。VLBV核心支持的专用功能包括实时多媒体应用(支持矩形图像序列的有效编码,具有高编码效率、高精度、高容错度、低延时等特点),多媒体数据库应用(支持多媒体数据库的存储、随机存取)以及快进/快退等功能。MPEG?蛳4的HBRV(High Bit Rate Video)空间分辨率支持CIF?蛳HDTV,码率范围在64 kbit/s~4 Mbit/s,同样支持上述功能。

3MPEG?蛳4视频编码标准与MPEG?蛳1/2、H.26x的比较

MPEG?蛳1/2/4和H.26x的视频压缩技术都是以DCT(离散全余弦变换)为基础。但它们又各有不同的特点。

·MPEG?蛳1标准的制定主要针对数据传输速率在1.5Mbit/s以下的数字存储媒质运动图像及其伴音编码的国际标准,它用于在CD?蛳ROM上存储同步和彩色运动视频信号。采用SIF标准交换格式(对于NTSC制式为352×240,对于PAL制式为352×288)的图像进行压缩,每秒能够播放30帧,具有CD的音质。

·MPEG?蛳2标准追求的是CCIR601建议的图像质量DVB、HDTV和DVD等制定的3~10Mbit/s高质量的运动图像及其伴音的编码标准。MPEG?蛳2可用于为广播、有线电视、电缆络以及卫星直播提供广播级的数字视频。

·H.261的制定是适用于ISDN的宽带传输,它提供了P×64kbit/s的视听业务用的视频编解码。

·H.263是适用于PSTN的窄带通信信道的视频编码建议,可用于可视极低码率的编解码器,它是H.261的重要发展。

·MPEG?蛳4标准提供了用于通信的新方式,其核心是基于内容的AV信息存储及操作,支持交互性、高压缩比及能用存储性。同时,它在结构上具有适应性和可扩展性,以适应软硬件的迅速发展,及时融入新的技术。由于将内容和交互性作为MPEG?蛳4的核心,就不再把具体的码率范围作为特别的要求,但低码率依然是其一项基本内容,它在极低码率的传输上与H.263具有一定的相似性,但是它也支持高质量音视频通信。所以,MPEG?蛳4提供了一个更为广阔的开发平台,更符合多媒体通信的发展趋势,具有更广阔的应用前景。

4MPEG?蛳4标准的多媒体传输系统介绍

4.1方案设计

图2

基于以上各种视频编码标准的比较及实际应用的需要,我们设计了一套基于Internet的多媒体通信系统。该系统的组成如图2所示,主要包括多媒体信息处理模块、TCP/IP通信协议模块、通信接口模块、控制模块、外部设备接口及外部设备模块(摄像头、麦克风、显示器、扬声器)。

4.2各模块功能及实现

(1)多媒体信息处理模块

采用TI公司最新推出的TMSDSP芯片,它支持图像的8bit数据处理指令,运算速度快,最高运行速度高达600MHz,指令周期最短为1.67ns,峰值处理速度达到了3200~4800 MIPS。具有先进的超长指令字结构(VLIW),可以实现当前应用设备所需要的极高性能。内核的8个功能单元能够在每个周期内执行4组16位MAC运算或8组8位MAC运算,以便在处理通信和影像算法中获得最大的并行性。如果用C6415同时完成1个通道的MPEG?蛳2视频编码、1个通道的MPEG?蛳4视频编码和1个通道的视频解码,其硬件资源仅占用了50%,可见其强大的计算能力。该芯片具有1056 byte片上SRAM的实时分层存储系统,用于加快超高速DSP内核。64通道的增强型存储器直接存取(EDMA)控制器,具有出色的并行特点。外部双总线提供了超过1.2 Gbit/s的外部存储器带宽,同时还提供33 MHz/32 bit的PCI及3个多通道缓冲串行口。这些都为视频、音频信号的实时处理提供了便利的条件。

·视频压缩

采用MPGE?蛳4标准实现基于内容的编码和编码可分级性,其核心编码器的结构如图3所示。基本层采用的是MPEG?蛳4的基本模式编码,并输出基本视频流,增强层的输入信号是原始VOP和帧存(重建)的VOP的差值,并对其差值进行8×8的DCT,然后对DCT系数进行比特平面编码。根据比特平面的重要性,将重要的比特放在码流前端,如一个块的MSB。将次要比特放在后端,如一个块的LSB,在络发生拥塞时就可以先丢弃部分不重要的比特以减缓络负载,但解码端对接收码流仍可解码,只是图像质量会有所下降。解码器是编码器的逆过程,系统核心编码器如图3所示。

图3

·语音压缩

采用CELP(CodeExcitedLinearPredication)码激励线性预测技术。传统的CELP编码器提供单一码率的压缩,而本系统允许多种应用使用一个基本的编码器,在码率和带宽上提供了可扩展性。根据不同应用需要可选择8 kHz和16 kHz 两种采样频率,8 kHz采样频率对应100~3800 Hz带宽的通信质量,16 kHz采样频率对应50~7000 Hz带宽的通信质量。

(2)外部设备接口模块

本系统采用的是PHILIP公司的视频编码芯片SAA7111,对模拟摄像机的输入模拟视频信号进行亮色分离,再对分离后的信号分别进行8bit采样,然后按CCR601R的标准编码成8bit宽度的Y(亮度信号)和UV(色度信号)数字图像信号,Y:U:V为4:2:2。芯片提供场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场信号RES1、像素时钟信号LLC2输出,省去了时钟同步电路的设计,可靠性得到提高。视频解码采用BT864芯片完成数字视频信号到RGB模拟电视信号的转换。模拟音频经TLC320AD50C芯片进行PCM编码/解码,其采样速率为8~22.4kHz,并可通过编程设置,采用串行通信。

(3)控制模块

采用Microchip公司生产的PIC系列的单片机,采用内部带Flash程序存储器的机型。它的功能是完成各个功能模块的初始化以及对各个功能模块的控制,提供用户接口,实现H.245控制协议的功能,实现多媒体数据流、控制信息数据流等的复接/解复接;根据络通信状态,及时地控制编码过程以实现对码率的控制,实现通信建立、通信过程控制,是整个系统的控制核心。

(4)通信模块

采用的是Seiko公司生产的包含了TCP/IP络协议桟的大规模集成电路S?蛳7600A,它的功能是将数据流封装成IP数据包。它集成了TCP/IP,并提供了软件开发包,使应用程序的开发变得非常容易。其主要性能如下:支持TCP/IP(V4.0)、PPP和UDP;支持与MPU(微处理器)并行或串行两种接口方式;配置了2个通用的Socket,实现与MPU的数据交换;支持与物理传输层的UART接口;同时还有10kbyte的在片SRAM,其中有4kbyte作为TCP、IP及PPP的数据缓冲器,另6kbyte分别为Socket 0和Socket 1两个数据交换口的发送和接收缓冲器。S?蛳7600A中还有各种寄存器,MPU通过对寄存器的读写操作去控制S?蛳7600A,包括时钟频率的设定,可以根据不同的应用,设定所需的时钟频率。该模块以RS?蛳232接口(TTL电平)方式与外部络连接。

(5)络接口模块

络接口模块可提供两种入方式,一种是通过Modem经PSTN入,此种入方式适用于对图像质量要求不高、低运动量的情况,比如可视;一种是以以太接口或双绞线的方式入,这种方式可提供较宽的带宽,可以达到比较好的图像、语音质量。本系统现支持低码率(10~512kbit/s)的传输速率,采用S?蛳QCIF格式或QCIF格式,帧率低于30帧/s。若采用其他通信模块,则可支持(1~4Mbit/s)的高码率的传输,提供较高的通信质量。本套系统还具有低功耗、算法的可升级性强,并且完全支持TCP/IP等优点,更重要的是,它支持MPEG?蛳4标准,更符合宽带络日趋智能化、交互化的发展趋势。

5结束语

MPEG?蛳4视频编码技术采用了现代图像编码方法,利用人眼视觉特性,从轮廓?蛳纹理的思路出发,支持基于内容和对象的编码,支持基于内容的交互功能,并实现编码的连续可分级性,根据络的通信状况控制视频图像质量。MPEG?蛳4视频编码正在完成从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码的转变,它代表了新一代智能图像编码,对未来图像通信机制必将产生深远的影响。

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