（无线电物理专业论文）iptv标准终端架构与差异化业务服务的开发与研究.pdf

摘要 随着网络和多媒体技术的发展，传统电视广播服务已经不能满足广大消费者 的要求，而i p t v 作为三网融合的一种产物，以其技术上的独特优势赢得越来越 多用户的认同和使用。i p t v 是利用宽带网络，集互联网、多媒体、通讯等多种 技术，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。它能 够很好地适应当今网络飞速发展的趋势，充分有效地利用网络资源。 本文将讨论i p t v 中面临的问题和讨论相应的各种技术的优缺点。i p t v 是一 个新兴的领域，因此在实际中还面临很多问题。对i p t v 的概念和内涵理解还存 在很大的差异。在技术方面，存在网络结构的差异性，多媒体编解码标准的不 统一，终端设备的不兼容等问题。在产业链方面存在盈利模式不成熟，主要环 节力量薄弱，各个环节需要进一步磨合等问题。本文还讨论了如何实现i p t v 服 务供应商和终端用户之间的交互，以及i p t v 架构和传统的有线电视的架构的区 别。 系统采用s t 7 1 0 9 硬件平台，进行i p t v 标准终端架构与差异化业务服务的 开发与研究。s t 7 1 0 9 硬件平台强大的处理性能，功能丰富的a p i 扩展函数，以 及定制改造的s t l i n u x 嵌入式操作系统有助于开发出各种新功能。本次课题设 计主要是围绕s t 7 1 0 9 终端平台，进行相应的i p t v 终端基本功能的实现，开发 出灵活的架构，支持i p t v 乃至未来更重要的新式互动和个性化互联生活方式服 务。 关键词：i p t v 嵌入式操作系统终端设备 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a l t e l e v i s i o ns e r v i c ec a l ln ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n s u m e r s a sap r o d u c t o ft r i p l ep l a y ，i p t vi sb e c o m i n gm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t su n i q u et e c h n i c a l a d v a n t a g e s i p t v , t h r o u g hw i d eb a n dn e t w o r k , c o l l e c t i n gm a n yk i n d so ft e c h n o l o g yo ni n t e r n e t , m u l t i m e d i a , c o m m u n i c a t i o na n ds oo n , p r o v i d e st ot h ef a m i l yu s e rm a n yk i n d so fb r a n dn e w i n t e r a c t i v es e r v i c ei n c l u d i n gd i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g i e s i tc a nb ew e l la d a p t e dt ot o d a y st r e n d o fr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k , b yf u l la n de f f e c t i v eu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s t h i sp a p e rw i l la d d r e s so ne a c ho ft h e s ei s s u e sa n dd i s c u s st h em a j o rp l a y e r s i n v o l v e di nd e p l o y i n gt h i sn e wt e c h n o l o g y t h o u g ht h ep a p e rw i l ln o tg oi n d e p t h t e c h n i c a l l ya b o u th o wi p t vw o r k s i tw i l lp r o v i d eag o o do v e r v i e wo fi p t vs e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，h o wt h ec o n t e n tw i l lb ed e l i v e r e df r o mt h es e r v i c ep r o v i d e r sh e a d e n d e q u i p m e n tt ot h ec o n s u m e r , a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ni p t vs e r v i c ea r c h i t e c t u r e a n dt h el e g a c yc a b l et e l e v i s i o ns e r v i c ea r c h i t e c t u r e b a s e do ns t 710 9h a r d w a r ep l a t f o r m , w es t u d yt h ei p t vs t a n d a r dt e r m i n a l c o n s t r u c t i o na n dt h ed i f f e r e n t i a t e db u s i n e s ss e r v i c e s t h ep l a t f o r mh a sp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，a b u n d a n ta p ie x t e n di n t e r f a c e s ，a n dt h es t l i n u xo s o nt h e s t 710 9p l a t f o r m , w er e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o n so fai p t vt e r m i n a la n dd e v e l o p e da f l e x i b l ef r a m e w o r kt os u p p o r tt h es e r v i c eo fi piv , w h i c h m a ya l s os u p p o r t ，a n de v e n m o r ei m p o r t a n t l y , t h ef u t u r en e wi n t e r a c t i v ea n dt h ep e r s o n a l i z e di n t e r c o n n e c t i n gl i f e s t y l es e r v i c e k e y w o r d s ：i p t v e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt e r m i n a ld e v i c e 厦门大学博士后研究工作报告著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用博士后研究工作 报告的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定 机构送交该报告的纸质版和电子版，有权将该报告用于非赢 利目的的少量复制并允许该报告进入学校图书馆被查阅，有 权将该报告的内容编入有关数据库进行检索，有权将博士后 研究工作报告的标题和摘要汇编出版。保密的博士后研究工 作报告在解密后适用本规定。 本研究报告属于：1 、保密( ) ，2 、不保密() 纸本在年解密后适用本授权书； 电子版在年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应括号内打“) 作者签名：周有喜日期：2 0 0 9 年6 月l8 日 导师签名：日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 研究背景 近年来，随着宽带技术的发展，宽带用户的数量急剧上升。宽带为何如此受 欢迎? 原因之一是用户可以得到多种宽带服务，其中以影视服务为主的宽带流媒 体服务最引人瞩目。目前，宽带用户基本上都是通过p c 机接入宽带网络，而我 国电视机的普及率却远远高于p c 机，如果能把宽带流媒体服务扩展到机项盒， 使电视用户也能享受到宽带带来的好处，这将给运营商带来极大的商机。i p t v t 卜5 】 ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 技术正是为实现这一目标而发展起来的。 信息化是当今世界经济社会发展的大趋势，信息化水平的高低，己成为衡量 一个国家和地区国际竞争力强弱的重要指标。电信运营商的传统语音业务相对饱 和，且移动对固话的替代效应愈来愈强，而其互联网宽带接入和应用业务却正处 于高速发展阶段。随着宽带用户的不断增长，最大限度开发利用现有的宽带网络 平台，发展宽带增值业务，特别是宽带视频业务，成为传统电信运营商提高收入 的重要策略，无论国内还是国外，这都是一个正在迅速发展的重要趋势。随着网 络传输技术和流媒体技术的成熟，通过高速互联网提供的电视服务正在成为现 实，i p t v 业务渐入佳境。 传统的电视是单向广播方式，它极大的限制了电视观众与电视服务提供商之 间的互动，也限制了节目的个性化和实时化。如果一位电视观众对正在播送的所 有频道内容都没有兴趣，他将别无选择。这不仅对该电视观众来说是一个时间上 的损失，对有线电视服务提供商来说也是一个资源的浪费。另外，目前实行的特 定内容节目在特定的时间段内播放对于许多观众来说是不方便的。一位上夜班的 观众可能希望在凌晨某个时候收看新闻，而一位准备搭乘某次列车的乘客则希望 离家以前看一场原定晚上播出的足球比赛录像。依传统电视服务看来都是不可能 的。 i p t v 即交互式网络电视，是一种利用宽带网络，集互联网、多媒体、通讯 等多种技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新 技术。该业务将电视机或个人计算机作为显示终端，通过宽带网络向用户提供数 字广播电视、视频服务、信息服务、互动社区、互动休闲娱乐、电子商务等宽带 业务。i p t v 的主要特点包括交互性、实时性和可管理性。它的前端系统结构主 要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证计费等子系统，主要存储及传送的内 第一章绪论 容是流媒体文件，基于i p 网络传输，通常要在边缘设置内容分配服务节点，配 置流媒体服务及存储设备。用户终端可以是i p 机顶盒+ 电视机，也可以是p c 。 i p t v 是利用计算机或机项盒+ 电视完成接收视频点播节目、视频广播及网上 冲浪等功能。它采用高效的视频压缩技术，使视频流传输带宽在8 0 0 k b p s 时可 以有接近d v d 的收视效果( 通常d v d 的视频流传输带宽需要3 m b p s 以上) ，对 今后开展视频类业务如因特网上视频直播、远距离真视频点播、节目源制作等来 讲，有很强的优势，是一个全新的技术概念。 i p t v 是利用i p 技术的开放性和互联网技术平台去推动社会信息化的一个有 效工具。人们通过i p t v 可体验语音通话、浏览信息、在线游戏、在线教育及网 络交易等增值服务，享受数字技术带来的多彩信息生活。i p t v 是一项既为老百 姓提供全新信息服务，又有利于社会信息化建设发展、服务现代化建设的新型业 务，其发展潜力巨大【1 1 。 1 1 2 国内外研究进展 i p t v 作为电视新展现形态的数字新媒体，日益被用户所看重，成为不可阻 挡的大趋势。同时，i p t v 以其丰富的互动业务和良好的用户体验，可充分满足 用户的个性化、便捷化、交互式的业务需求，拥有巨大的潜在价值和商业空间， 因此各个发达国家都纷纷在追逐i p t v ，希望能够从i p t v 的发展中占据有利地 位。 英国的i p t v 服务提供商v i d e on e t w o r k s 于1 9 9 9 年9 月向用户提供i p t v 业 务，b r i t i s h t e l e c o m 和k i n g s t o nc o m m u n i c a t i o n s 公司随后也向用户提供了基于电 信网络的i p t v 业务。2 0 0 3 年瑞士领先的电信公司s w i s s c o m 与微软公司合作测 试微软的新一代i p t v 产品“m i c r o s o f tt v ”。 从美国的情况来看，早在2 0 0 5 年9 月，总部位于纽约的v e r i z o n 率先宣布， 在得克萨斯的k e l l e r 推出i p t v 服务，再逐渐扩展到得克萨斯的其他城市和附近 的佛罗里达州。这项名为f i o s 的服务，可以提供1 8 0 个数字和音乐频道，每个 月的费用是3 9 9 5 美元。其中有2 0 多个频道是高清电视；同时可以提供1 8 0 0 部 录像供点播。内容提供商则都是s h o w t i m e n e t w o r k s 、n b cu n i v e r s a l 有线公司和 a e 这样的老牌电视娱乐集团。 亚洲的电信运营商纷纷利用自己的宽带互联网推出i p t v 业务，为有线电视 主导的电视产业注入新的竞争。新加坡电信2 0 0 1 年首先采用p a c e 公司的s l 4 0 0 0 机顶盒对3 0 0 多用户进行i p t 、，业务的测试。在日本，s o f t b a n ki n t e m a t i o n a l 和 y a h o o ( j a p a n ) 合作推出了称为“b b c a b l e t v 的i p t v 业务，实现话音、数据 和视频的捆绑服务。在韩国，韩国电信企业在发展i p t v 方面也走在了前列，目 前在韩国发展i p t v 业务的主要是韩国电信和h a n a r o 电信，h a n a r o 的h a n at v 2 第一一章绪论 已经有8 0 万户，而韩国电信的m e g at v 业务白2 0 0 7 年7 月推出以来，到当年9 月底已经发展了1 4 8 万户。而韩国第二大网络门户d a u m 通信在2 0 0 8 年初也宣 布进入i p t v 市场，从2 0 0 8 年第二季度开始，d a u m 正式提供i p t v 服务。2 0 0 4 年1 月，以色列的两大运营商b e z e q 和y e s 采用o r c a 公司的i p t v 解决方案 “p d g h t vs o f t w a r es o l u t i o n s ”在以色列的部分地区测试i p t v 业务。其他亚洲 电信运营商也大多采用机项盒将d s l 信号转换为电视信号的方式提供i p t v 业 务。 与全球i p t v 快速发展大趋势一样，随着国内运营商i p t v 试商用的地区与 规模逐渐扩大以及广大消费者对i p t v 的认知程度不断提高，在用户规模总量偏 小的基础上，我国i p t v 保持了稳定快速增长态势，i p ，用户总数已经从2 0 0 3 年的1 8 万、2 0 0 4 年的4 6 万增长到2 0 0 7 年的1 2 0 8 万。进入2 0 0 8 年以来，虽 然处在电信业产业重组的诸项事宜一度迟迟未落定而造成不利影响的背景下，我 国i p t v 用户总数仍然保持了快速增长。截至2 0 0 8 年第三季度，用户总数已达 2 2 0 万。据工信部电信研究院预测，我国内地i p t v 用户到2 0 0 9 年底将达到4 0 0 万。 i p t v 的发展之所以低于人们的预期，除了技术、标准、市场等常规制约因 素外，还有以下几个独特的原因。一是广电与电信合作的问题。广电与电信无论 在定位、功能、体制方面，还是在运作方式、经营理念方面均存在很大差异，电 信以追求经济效益为第一原则，而广电必须兼顾社会效益与经济效益的平衡，并 把社会效益放在首位。因此，广电与电信的合作需要一个过程。二是跨区域经营 的问题。广电实行“条块结合，以块为主”的管理体制，客观上形成了区域封闭 型的运行体系。在这种体制下，只有中央节目可以实行全国性覆盖，省级节目原 则上只能在本省内覆盖。省级卫视节目如进入其它省外地区的有线电视家庭均要 向当地有线网络运营商交付一定的落地费用。i p t v 的运营主要采取当地电信部 门与持有i p t v 牌照的广电机构合作经营的模式，势必对当地有线电视的经营造 成影响，也必然遭遇当地广电部门的抵制。三是与有线电视的关系问题。i p t v 与有线电视都是以电视机为接收装置提供视频服务的业务，在终端呈现、用户体 验方面有很大的相似性。i p t v 虽然具有回看、时移、点播三大交互功能，但内 容上的趋同性弱化了i p t v 与有线电视在功能上的差异，导致i p t v 对有线电视 的竞争性大于互补性。最后一个问题是内容版权问题。内容免费渠道过多是影响 有线电视付费、网络电视付费等付费电视的共性问题。我国的免费电视本来就存 在结构性过剩，加上互联网免费下载的盛行，进一步加大了付费电视运营的难度， i p t v 自然也难逃厄运。 在我国i p t v 正在缓慢有序的发展过程中【l l 】，奥运的到来改变了这一切。为 第一章绪论 了在今年奥运期间，让更多的百姓享受到i p t v 等数字电视媒体，2 0 0 8 年1 月， 国务院出台关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知，明确指出从2 0 0 8 年2 月1 日起，国家鼓励广播电视机构，利用国家公用通信网和广播电视网等信 息网络，提供数字电视服务和增值电信业务。同时，在符合国家有关投融资政策 的前提下，支持包括国有电信企业在内的国有资本，参与数字电视接入网络建设 和电视接收端数字化改造。根据这一政策，广电资金实力远弱于电信的问题将得 到弥补，增加了融资的政策可能性，比如上市或者与现有电信企业进行互补结合 等。而在国内电信重组完成之后，清晰的板块和市场竞争也会让一直备受争议的 i p t v 盈利模式逐步明朗起来。虽然目前i p t v 的用户数量仍然无法与其对手数 字电视的用户数量相比，但是在政策清晰之后，伴随着全球性的新媒体革命， i p t v 定能够成为一股新的潮流与趋势。 未来几年，全球i p t v 将会持续发展，并取得一定的成功，主要的市场增长 点是：s b c 、b e l l s o u t h 、v e r i z o n 在美国对i p t v 网络大力部署；i p t v 在欧洲的 广泛部署；已经开展i p t v 业务的运营商i p t v 用户的稳定增长，如法国的f r e e 、 中国香港的p c c w 、意大利的f a s tw e b 等，如果大的业务提供商，如s b c 、b t 等，能够克服技术和市场上的障碍，必将会带动i p t v 更快的发展；在我国，无 论是从p c 终端进行预测，还是从t v 终端进行预测与固定运营商i p t v 业务的 部署趋势来看，我国的市场前景是十分乐观的。 1 2 本文的研究内容 本文以s t 硬件平台为基础，进行i p t v 标准终端架构与差异化业务服务的开 发与研究。研究分析了i p t v 的网络结构和多媒体编码。并详细介绍相应的硬件 平台搭建和系统软件开发。 1 3 本文的结构安排 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 介绍了i p t v 的研究背景以及近年来的研究动态和取得的研究成果， 并指出了i p t v 的主要研究方向。 阐述了i p t v 的一些基本理论和概念，以及常用的i p t v 系统方法以 及应用。 基于s t 7 1 0 9 的i p t v 硬件系统。针对s t 7 1 0 9 的硬件平台特性，搭 建相应的嵌入式系统的软件平台。 描述自主i p t v 软件平台的实现。 总结全文，提出该领域存在的一些问题以及有待于今后进一步研究 改进的方向。 4 第- 二章口丁v 系统框架 第二章i p t v 系统框架 2 1i p t v 系统架构 i p t v 系统按照功能结构可以分为媒体平台层、服务支撑层、运营支撑层和 终端层。但实际上，系统的分层结构根据对业务模型的构建的不同和实现方式的 不同，会有所不同，平台之间的功能只有模糊的差异，并没有清晰的界限。i p t v 总体架构如图2 1 所示： 图2 1i p t v 系统总体架构 其中媒体平台层主要指内容制作子系统，由一些和媒体相关的服务器组成。 就目前提供的相关服务，主要包括媒体存储和分发的流媒体服务器，媒体编码 加密和导入的内容工作站。服务支撑层对应内容分发子系统，一般可以采用分 布式结构位于中心机房和城域网机房。运营支撑层对应后台支撑子系统等，一 般位于用户的数据中心和网络管理中心，它是为业务运营和网络管理服务的， 是运营商的业务管理和控制的核心平台，要适应不同的运营模式和管理风格。 终端层对应用户端设备，由s t b + t v 或p c 组成。 i p t v 中的内容制作子系统分为：实时内容处理和非实时内容处理。 其中实时内容编码： 将直播模拟数字信号实时编码成指定格式的媒体流( m p e g 4 ，h 2 6 4 ，a v s ) 将内容以组播方式传送给i p t v 平台 实时d 蹦处理 第二章p t v 系统框架 节目单等内容传送给内容管理系统，转换成e p g 信息 实时音视频质量监控 节目源的合法性检查 提供节目延时处理功能 非实时内容处理： 支持转码：将非实时片源( v c d d v d ) 转换成指定格式的媒体流 将转码后的内容上传给d t v 平台 d r m 处理 节目内容传送给内容管理系统，转换成e p g 信息 转码时进行质量监控 e p g 系统的流程：由系统的e p gs e r v e r 和机顶盒的e p gc l i e m 组成。e p g s e r v e r 从内容管理系统中得到节目信息，组织生成电子节目单，将生成的电子节 目单下发给经过认证的机顶盒，机顶盒的e p gc l i e n t 将电子节目单展现给用户， e p gs e r v e r 本质是w e bs e r v e r ，e p gc l i e n t 本质是w e bb r o w s e r ，通过h t t p 协 议进行交互。 d r m 三要素：1 ) 加密、授权和解密是d r m 的核心组件，而联系这三个核 心组件的关键是节目的加密密钥；2 ) 授权服务产生加密密钥，加密服务从授权 服务获得密钥对节目加密，而解密服务从授权服务获得密钥对节目解密；3 ) 为 了实现对加密节目的管理，授权服务需要从加密服务获得节目信息。为了实现受 控观看，授权服务必须在向解密服务发送密钥前验证解密服务的收看权限。解密 服务需要从加密服务处获得加密的节目内容。 d r m 流程：内容提供商将节目明文送入加密器；加密器利用来自密钥管理 及证书管理组件的密钥对内容加密，加密后的内容放到运营商管理的媒体服务器 中；当用户希望播放加密节目时，解密器首先从密钥管理及证书管理组件获得授 权和密钥，并利用密钥解密来自媒体服务器的加密内容；解密后的明文交由播放 器处理。 对d r m 系统的要求： 采用标准的算法进行加密：如d e s ，3 d e s 或a e s 内容加密需求 支持实时加密 加密不增加数据包的长度 密钥随机产生 支持多种格式的媒体流 6 第二章i p t v 系统框架 内容存储、分发和服务 中心节点保存所有的内容一媒体图书馆 边缘节点一般保存2 0 的内容 中心节点一般不提供内容服务，由边缘节点提供，当边缘节点没有用户 请求的内容时，通过分发机制向中心节点或其他边缘节点获取 内容服务一般通过r t p r t s p 协议来提供 i p t v 系统层次功能说明： 1 ) 业务支撑层 业务支撑层为i p t v 平台提供运营支撑和业务支撑，是i p t v 平台体系中的 运营管理层。业务支撑层通过与b s s p 系统的接口连接，可独立或者借助b s s p 实现统一认证、计费、支付、业务受理等功能。 2 ) 内容提供层 内容提供层主要为i p t v 平台提供业务内容和增值业务服务。主要包括：内 容制作、内容管理c m s 模块、p ，增值业务( 比如股票、游戏、彩信等) 平台， 以及支持和展现所有业务的流媒体服务平台和电子节目指南( 门户导航) 系统。 3 ) 网络承载层 网络承载层主要为i p t v 平台提供网络承载。包括：骨干网、省干城域网和 a d s l l a n w l a n 宽带接入等。它是承载i p t v 业务的物理介质。网络承载层 也可以分为接入网，汇聚网和核心网三部分 4 ) 用户终端 i p t v 系统支持的用户终端包括机顶盒s t b 和p c 。i p t v 用户可使用机顶盒、 p c 机，通过a d s l 、l a n 、w l a n 等宽带接入方式接入，实现i p t v 业务的使 用。 2 2 多媒体编码 随着计算机技术和微电子技术的不断进步，视频处理技术与应用技术有了很 大发展。而通信网的巨大发展，也为视频技术的高速发展带来了机遇。在通信网 中，无论是有线技术还是无线技术都在朝着宽带化和i p 化方向发展，而宽带化 发展的最重要特征就是能够充分地支持多媒体业务，主要就是支持不同质量、不 同速率的视频业务。而通信协议p 化的发展，也对实时性要求较高的视频业务 提出了新的要求。目前使用最为广泛和具有发展前景的视频业务主要是会议电 视、远程教学、远程医疗以及视频电话等业务，实现这一系列业务的核心就是多 媒体会议体系，目前主要的几个协议组包括h 3 2 0 、h 3 2 3 、h 3 2 4 ，它们采用了 相同的系统框架，其对应的各部分内容也基本相同，主要区别在于为了适应不同 7 第二章l p t v 系统框架 的网络而设计的包优化和网络接口的定义。其中h 3 2 0 是面向i s d n 应用的视频 会议系统，h 3 2 4 是面向p s t n 的视频会议系统，h 3 2 3 则是面向i p 分组网的视 频会议系统。 这一系列多媒体业务的核心技术之一就是视频压缩技术。视频压缩技术经历 了十年左右的发展【1 2 5 1 ，取得了巨大的进步。在目前已经大量应用的压缩标准中 m p e g 1 f 1 8 1 和m p e g 2 e 1 9 1 是面向广播级或准广播级应用的。m p e g 1 标准主要是 为了视频存储媒体如v c d 而制定，该标准能够适应变码流的处理，主要目的是 在1 1 5 m b p s 的情况下，提供3 0 帧c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) v h s 的质量图像。m p e g 1 的实时编码通常需要硬件才能完成，解码可以用软件来完成。m p e g 1 不能提供 分级图像编码，也不能在丢包率高的情况下应用。m p e g 2 标准扩展了m p e g 1 标准，能够支持高分辩率图像和声音。目标码率是在3 - - 1 5 m b p s 传输速率条件 下提供广播级的图像，而且能够提供s n r 、时间、空间三种分级编码。该标准 应用于卫星广播时，在当前的一个模拟信道中，不牺牲质量的情况下能提供7 路数字的编码节目。h 2 6 1 1 6 l 、h 2 6 3 t 1 。7 】标准主要面向低码率的视频应用，如可 视电话和会议电视。h 2 6 1 是最早出现的视频编码标准，它的输出码率是6 4 k b p s 的倍数，它主要是为了i s d n 的会议电视和可视电话的应用，其所需要的计算量 能够显著下降。h 2 6 1 的输出速率是恒定的，而不是恒定的图像质量。h 2 6 3 是 为了支持低速率的通信而制定的标准，但希望能够适应较大的动态范围，而不仅 限于低码率，而且能取代h 2 6 1 ，h 2 6 3 能适应误码率高的信道，具备容错的能 力。m p e g 一4 标准既能够支持码率低于6 4 k b p s 的视频应用，也能够支持广播级 的视频应用。与其他压缩标准相比，m p e g 4 t 2 0 j 标准在d c t 的基础上引入了图 像模型的概念，从而具有更高的压缩效率。h 2 6 4 是建立在块匹配混合编码的基 础上，采取一系列高效压缩编码技术的开放式标准。其亮点在于：基于宏块层率 失真优化( r a t ed i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n ，r d o ) 理论，用小尺寸、多模式预测提高 空域和时域压缩率，用整数变换量化提高频域压缩率，用增强的熵编码高效压缩 符号冗余，详细规定了新标准内涵，又提供了灵活算法，以便根据不同的应用背 景调整相应的算法和编码参数，力求在各种开放环境下实现最小失真的最佳熵编 码，达到高压缩率、低时延、容错性好、编解码复杂度可分级、对i p 网和移动 网适应性强等主要功能的设计目标。 国内关于视频通信的研究近些年来迅速发展起来。2 0 0 2 年，中国信息产业部 成立的音视频技术标准( a v s ) t 2 2 1 7 - 作组宣布准备针对移动多媒体、广播、d v d 等 应用编写一份国家标准。该视频标准称为a v s ，由两个相关部分组成：针对移 动视频应用的a v s m 和针对广播与d v d 的a v s l 0 。a v s 是基于我国创新技术 和部分公开技术的自主标准，编码效率比m p e g 2 高2 3 倍，与a v c h 2 6 4 相 8 弟= 章蜊系统框槊 当，而且技术方案简洁，芯片实现复杂度低，达到了第二代标准的最高水平；在 获得高编码效率的同时，a v s 视频标准尽可能保持了低的计算实现复杂度。当 编码高清视频信号时，a v s 视频获得了与先进视频编码标准a v c h 2 6 4 主要档 次f m a i p r o f i l e ) 相当的编码效率，但解码器的实现复杂度只有其6 0 7 0 。在 专利许可方面，a v s 通过简洁的一站式许可政策，解决了a v c i h 2 6 4 被专利许 可问题缠身难以产业化的弊端，并且专利许可费用太大低于国际同类标准，可以 预见a v s 的制定和标准化将对我国的信息产业产生巨太的推动作用。 2 2 1 视频数字化 视频信号1 4 0 无论在空间域还是时间域中都是连续的，即模拟信号，必须对其 进行采样、量化、编码转换成数字视频信号，模拟图像必须被通过扫描的方式以 把三维的视频信号采样为一维随时间变化的信号。模拟视频的采样过程包括以 下三个步骤：首先，在时问轴上等间隔地捕捉各时刻的静止图像即把视频序列 分为一系列离散的帧：然后，在每一帧图像内又在垂直的方向上将图像离散成一 条一条的扫描行，实际是在垂直的方向上进行空间采样；最后，对每一扫描行在 水平方向上再进行采样，从而把图像分为若干长方形网格，而每一个网格就称为 一个像素。其采样示例如图22 所示。 水平轴采样 l | l _ 嘧 芒 潲 蒜 图22 视频的采样 为了表示自然界中的彩色信号，每一个像素都必须同时包含该点的明暗和颜 色信息。根据三基色原理，自然界中常见的大部分颜色都可以由三种互相独立的 基色按一定比例混合得到，通常选择红、绿、蓝这三种颜色作为三基色，通过调 节这三种基色的不同比例来显示各种颜色。在现代彩色电视系统中，通过摄像机 把获得的彩色图像信号经分色后分别进行放太和校正以得到r 、g 、b 分量， 然后再编码为数字信号。 对于这种彩色信号的数字化，有两种编码方式，即复合编码和分量编码。复 合编码是将这种r g b 格式的彩色视频信号直接编码成p c m 形式，分量编码则 第二章i p t v 系统框架 是先将r g b 格式的信号经矩阵变换为亮度信号( y ) 和色度信号( c b 、c r ) 再 分别编码成p c m 格式。 引入y c b c r 颜色模型的意义在于它的亮度信号y 和色度信号c b 、c r 是分离 的，也就是说如果只有y 信号分量而没有c b 、c r 分量，那么表示的图就是黑白 灰度图，便于和以往的黑白视频相兼容，也便于对亮度和色度分别优化处理。根 据n t s c 制式标准，这两种模型的变换关系如下。 y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b c b = 0 5 6 4 ( b n c r = o 7 1 3 ( r n 由于分量编码兼容性高且比混合编码更易于处理和优化，在数字编码中通常 采用分量编码的方式，对亮度信号和两个色度信号分别进行线性p c m 编码，每 个样值取8 b i t 量化。 同时，在具体量化过程中，考虑到人眼对色度信号的敏感度要低于对亮度信 号的敏感度，为了降低数字视频的总码率，在分量编码时可对两个色度信号进行 亚采样，即对亮度信号和两个色度信号的采样频率之比为4 ：2 ：2 。 2 2 2 视频压缩的必要性 对模拟数据进行采样、量化和编码后就得到了数字视频，但经数字化处理之 后的视频信息，其数据量变得非常之大。一帧不压缩的p a l 制电视画面包含 4 1 4 7 2 0 个像素，按4 ：2 ：2 分量编码转换成数字视频后，每个像素必须由2 个 字节即1 6 位信息表示y c r c b 值，所以每帧数字化视频图像需要存储的信息量为 8 2 9 4 4 0 字节，1 秒钟2 5 帧，数字化p a j l 制视频所需的存储空间约为2 0 7 m b p s ， 1 张容量为6 5 0 兆的光盘所能存储的数字视频为3 1 秒。传输码率为1 6 5 9 m b p s 。 如此高的码率对数据的存储、处理和传输带来了极大的困难，因此，在实际应用 中，必须对视频信息进行大幅压缩，在保证图像质量的前提下，最大限度地减少 视频信息的数据量。 而视频压缩的依据，就是视频数据中存在着很大的冗余度，通过消除这些冗 余，就可以减少视频信息的数据量，以达到视频压缩的目的。一般在图像和视频 数据中，存在以下这几种形式的冗余。 1 、空间冗余 对单帧的图像而言，虽然各像素点的亮度信息和色度信息在整个空间域中属 于随机场分布，但相邻像素点的亮度和色度信息同时也具有很强的相关性。一般 地说，图像像素点在空间域中的亮度值和色度值，除了在边缘部分，基本都是缓 慢变化的，在空间上是连贯的，但如果直接用采样数据来表示亮度和色度信息， l o 第二章i p t v 系统框架 则无法表现出这种相关性，在数据中存在着较多的冗余，若通过合适的帧内编码， 便能减少这种空间冗余，达到数据压缩的目的。 2 、时间冗余 视频图像是由若干帧图像沿时间轴方向形成的序列，该序列中相邻帧的图像 间也存在很强的相关性。比如，当前帧图像的前后几帧的图像中经常包含有相同 的背景和移动物体，只不过移动物体在空间域中的位置略有不同，这就产生了时 间冗余，若通过合适的帧间编码，便能减少这种时间冗余，实现数据压缩。 3 、结构冗余 在某些图像的部分区域中存在着明显的纹理分布，比如木板或地板的纹理就 具有很强的自相似性，这就是所谓的结构冗余，通过采用合适的分形图像编码， 可以减少这种结构冗余。 4 、知识冗余 在某些图像中，对图像信息的理解和特定的基本知识相关。比如在视频会话 中，人脸的图像有其特定的结构，眼、耳、鼻、嘴的相互位置都是相对固定分布。 通过建立特殊的模型来编码，可以减低这种知识冗余。 5 、视觉冗余 一般情况下，视频图像的最终接收者是人眼。而人的视觉系统具有特殊的生 理和心理特性，比如对亮度信号比对色度信号敏感，对低频信号比对高频信号敏 感，对静止图像比对运动图像敏感，对屏幕中心区的失真比对屏幕四周的失真敏 感。利用这些特性，通过使用合适的图像编码方法，就能降低冗余度，减少图像 视频的数据量。 6 、编码表示冗余 由信息论的原理可知，为了表示某像素点的信息，只要按其信息熵的大小分 配相应的比特数即可，而在原始的数字图像数据中，每个像素是用相同的比特数 表示，即用相同的码长表示出现概率不同的符号，这样必然存在冗余。通过选用 可变字长编码系统等方式，就可以减少这种冗余。 2 2 3 视频压缩方法 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压 缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。视频压缩分为有损和无损压 缩。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都采用 r l e 行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。 在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的 信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到低数据率 的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多，解压缩后 第二章i p l v 系统框架 的效果一般越差。 视频压缩当中还有帧内和帧间压缩，帧内压缩也称为空间压缩。当压缩一帧 图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息。帧内一般采用有损 压缩算法，由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频数据仍 可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高的压缩。采用帧间压缩是基 于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化 很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩 相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时 间压缩，它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损 的。帧差值算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异， 仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。 视频压缩中相应的编码分为对称和不对称编码。对称性是压缩编码的一个关 键特征。对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间，对称算法适 合于实时压缩和传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好。 而在电子出版和其它多媒体应用中，一般是把视频预先压缩处理好，然后再播放， 因此可以采用不对称编码。不对称或非对称意味着压缩时需要花费大量的处理能 力和时间，而解压缩时则能较好地实时回放，也即以不同的速度进行压缩和解压 缩。一般地说，压缩一段视频的时间比回放该视频的时间要多得多。 目前流行的视频编码标准基本都采用了变换编码、量化、帧内预测、帧间预 测、环路滤波等技术，只是在具体实现上有某些差别，也就具有不同的特点，适 应于不同的需求。 2 3 视频编码标准 国际上音视频编解码标准 3 m 3 4 】主要两大系列：i s o i e cj t c l 制定的m p e g 系列标准；i t u 针对多媒体通信制定的h 2 6 x 系列视频编码标准和g 7 系列音频 编码标准。1 9 9 4 年由m p e g 和i t u 合作制定的m p e g 2 是第一代音视频编解码 标准的代表，也是目前国际上最为通行的音视频标准。 经过十年多演变，音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化， 后起之秀辈出。目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个：m p e g 2 、 m p e g - - 4 、m p e g 4 a v c ( 简称a v c ，也称t 、h 2 6 4 ) 、a v s 。从制订者分， 前三个标准是由m p e g 专家组完成的，第四个是我国自主制定的。从发展阶段 分，m p e g 2 是第一代信源标准，其余三个为第二代标准。从主要技术指标 编码效率比较：m p e g 4 是m p e g 2 的1 4 倍，a v s 和a v c 相当，都是m p e g 2 两倍以上。 1 2 第二章口t v 系统框架 2 3 1m p e g - l 标准 m p e g 1 是m p e g 组织制定的第一个视频和音频有损压缩标准。视频压缩算 法于1 9 9 0 年定义完成。1 9 9 2 年底，m p e g 1 正式被批准成为国际标准。m p e g 1 是为c d 光碟介质定制的的视频和音频压缩格式。一张7 0 分钟的c d 光碟传输 速率大约在1 4 m b p s 。而m p e g 1 采用了块方式的运动补偿、离散余弦变换 ( d c t ) 、量化等技术，并为1 2 m b p s 传输速率进行了优化。m p e g 1 随后被v i d e o c d 采用作为核心技术。m p e g 1 的输出质量大约和传统录像机v c r ，信号质量 相当，这也许是v i d e oc d 在发达国家未获成功的原因。m p e g 。1 音频分三层， 其中第三层协议被称为m p e g 1l a y e r3 ，简称m p 3 。m p 3 目前已经成为广泛流 传的的音频压缩技术。 m p e g 1 制定于1 9 9 2 年，为工业级标准而设计，它可针对s i f 标准分辨率( 对 于n t s c 制为3 5 2 x 2 4 0 ；对于p a l 制为3 5 2 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率 为1 5 m b p s ，每秒播放3 0 帧，具有c d ( 指激光唱盘) 音质，质量级别基本与v h s 相当。m p e g 的编码速率最高可达4 5 m b p s ，但随着速率的提高，其解码后的图 象质量有所降低。 m p e g 1 也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路 ( a d s l ) ，视频点播( v o d ) ，以及教育网络等。同时，m p e g 1 也可被用做记录媒 体或是在i n t e m e t 上传输音频。m p e g 1 不但实现了音视频信号在数字媒介上的 存储和播放，还支持诸如快进、快退、暂停等视频功能，取得了巨大的成功。但 其对于广播视频而言，画面质量偏低，且不具备隔行扫描和网络传输方面的协议， 这就导致了m p e g 2 的制定。 2 3 2m p e g