机载视频仪表的设计与实现

机载视频仪表的设计与实现

1ts流视频数据打包格式车载hdr通常需要记录一个通道的视频数据和两个通道的音调数据。现在，这些音迹数据以文件的形式存储在不同的文件中。在实际应用中发现以下几个问题:(1)如果在文件系统中存在多个文件,那么会增加文件系统的碎片,降低磁盘的读写效率;(2)一旦文件系统被破坏,则视频数据关键的信息会丢失,从而造成整个视频记录都不能被播放;(3)数据分布在不同的文件中,不利于查找和搜索。要解决这些问题,需要将各路视频数据打入同一个码流,并在各路视频数据中打入统一的时间标记,以便各路视频同步回放。本文对于TS流的视频数据打包格式做了简单的分析,能圆满解决以上问题,具体解决途径如下:(1)TS流可以将多路音视频数据合并成一个码流并存成一个文件,有效减少文件碎片,提高磁盘读写效率;(2)在TS流中定时插入视频格式、帧率,图像大小等关键的视频信息,这样可以避免因部分数据损坏而造成的整个文件不能播放的问题;(3)在TS流中,各路视频数据在文件的位置非常接近,这有利于对视频数据的查找和搜索,也方便了音视频数据的同步回放。2传输流psi在MPEG2标准中,为了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,必须对其重新进行打包编码,在码流中还需插入各种时间标记和系统控制等信息,最后送到信道编码与调制器。这样可以形成两种数据流——传输流(TS)和程序流(PS)。传输流是根据ITU-TRec.H.222.0|ISO/IEC13818-2和ISO/IEC13818-3协议而定义的一种数据流,其目的是为了在有可能发生严重错误的情况下进行一道或多道程序编码数据的传送和存储。这种错误表现为比特值错误或分组丢失。传输流由一道或多道节目组成,每道节目由一个或多个原始流和一些其他流复合在一起,包括视频流、音频流、节目特殊信息流(PSI:ProgramSpecificInformation)和其他数据包。其中PSI表有4种类型:节目关联表(PAT:ProgramAssociationTable)、节目映射表(PMT:ProgramMapTable)、网络信息表(NIT:NerworkInformationTable)和条件访问表(CAT:ConditionalAccessTable)。传输流应用比较广泛,如视音频资料的保存、电视节目的非线性编辑系统及其网络等。在开发机顶盒以及视频设备时有时需要对码流的编码知识有比较清楚的了解,这样才能在遇到问题时做出全面的分析。3有效负载存储如图1所示,TS包的长度是固定的,为188字节,包括同步字节0x47和数据包识别号PID等。PID为13位字段,指示存储于分组有效负载中数据的类型,PID值0x0000为程序关联表保留,而0x0001为条件访问表保留,0x1FFF为空分组保留。从PID可以判断其后面负载的数据类型是视频流、音频流、PSI还是其他数据包。(1)节目关联表pmtPAT表用MPEG指定的PID(00)标明,通常用PID=0表示。它的主要作用是针对复用的每一路传输流,指明传输流中包含哪些节目、节目的编号以及对应节目的节目映射表(PMT)的位置,即PMT的TS包的包标识符(PID)的值,同时还提供网络信息表(NIT)的位置,即NIT的TS包的包标识符(PID)的值。(2)pid的表达CAT表用MPEG指定的PID(01)标明,通常用PID=1表示。它提供了在复用流中条件接收系统的有关信息,指定CA系统与它们相应的授权管理信息(EMM)之间的联系,指定EMM的PID,以及相关的参数。(3)节目时钟和时距节目映射表指明该节目包含的内容,即该节目由哪些流组成,这些流的类型(音频、视频、数据),以及组成该节目的流的位置,即对应的TS包的PID值,每路节目的节目时钟参考(PCR)字段的位置。(4)网络信息表nit网络信息表提供关于多组传输流和传输网络相关的信息,其中包含传输流描述符、通道频率、卫星发射器号码和调制特性等信息。(5)传输流描述表tsdt：transportmas运行描述表传输流描述表由PID为2的TS包传送,提供传输流的一些主要参数。(6)专业部门具体部门MPEG-2还定义了一种专用段用于传送用户自己定义的专用数据。(7)psi表的存储技术除了上述的表述之外,MPEG-2还定义了许多描述符,这些描述符提供关于视频流、音频流、语言、层次、系统时钟、码率等多方面的信息,在PSI的表中可以灵活地采用这些描述符进一步为接收机提供更多的信息。在解码时,接收机首先根据PID值找到PAT表,找出相应节目的PMT表的PID,再由该PID找到该PMT表,再在PMT表中找到相应的码流,然后开始解码4节目特殊状况MPEG-2解码器接收到MPEG-2TS流时,首先检测包结构,在TS流中查找同步字节:47hex,后者总位于TS包开始位置,固定间隔为188字节。同时满足这两个条件,可以确定同步。如果出现一个字节为47hex,解码器将检测这个字节前后n倍188字节的位置是否也是同步字节。如果是,则当前字节为同步字节;否则,当前字节只是码流中偶尔出现的47hex,不是同步字节。接收端收到5个TS包之后开始同步。丢包3个之后解码器即失步。TS流中传送节目的数目和结构灵活多变,TS流中必须包含列表来描述TS流的瞬时结构。这些列表称为节目特殊信息流(PSI),是偶尔在payload中传输的表格,包括:节目关联表(PAT)和节目映射表(PMT),其结构如图2所示。每个TS流包含一个PAT,每隔0.5sec重复。PAT描述TS流中有多少个节目。包含该表的TS包的PID为0,便于识别。PAT的payload中传送特殊PID的列表,每个PID对应一个节目。这些PID是描述每个独立节目详细信息的指针。PID指向PMT表。PMT对应TS包有特殊的PID和特殊的payload。PMT的PID由PAT传送。例如要接收节目3时,先从PAT的payload中的所有PID列表中选出节目3的PID为1FF3hex,然后查找包头中PID=1FF3hex的TS包,就是节目3的PMT。PMT包含该节目中所有ES流(视频、音频或数据)的PID。一个节目可能有多个视频和音频流,解码器必须选择2个PID,一个视频流的PID(100hex),一个音频流的PID(200hex)。此后解码器只收集这些TS包,解复用,重新组成PES包,这些PES包再送到视频或音频解码器。传输过程中TS流的结构也可能发生改变。解码端机顶盒,如DVB-S,必须连续检测TS流瞬时结构,读出PAT和PMT,做自适应调整。PAT和PMT读出以后,用户确定出一个节目的两个PID:待解码视频信号的PID(如100hex)和待解码音频信号的PID(如200hex)。解码器只处理这两个PID的TS包:解复用过程中,PID为100hex的所有TS包集合成视频PES包,送到视频解码器;同样,PID为200hex的所有TS包重新集合成音频PES包,送到音频解码器。如果ES流没有加扰,这时可以直接解码。5流量同步5.1接收端时钟和解码过程由于亮度信号采样频率为13.5MHz,色度信号为6.75MHz。27MHz是采样频率的倍数,作为发送端MPEG编码器所有处理过程的参考或基本频率。编码器中27MHz振荡器作为系统时钟(STC)的输入。STC是42bit计数器,由27MHz时钟计数,溢出后重新从0开始。LSB位不会计数到FFF,最大只有300,大约每26.5h计数器复位为0。接收端也必须提供STC,其27MHz振荡器和42bit计数器必须与编码器STC完全同步。MPEG码流中需传送参考信息(PCR:ProgramClockReference),即在固定时刻将最新的STC计数器值复制到TS流中。PCR使得码流中带有准确的内部时钟,所有编码和解码过程都受这个内部时钟控制。解码器必须读出PCR值,与自身系统时钟(42bit计数器)比较。如果收到的PCR与解码器系统时钟一致,则收发端时钟同步;如果不一致,则根据差别大小产生一个控制变量送到锁相环,可以纠正接收端的振荡器。同时,42bit计数器总是设为收到的PCR值,这是系统初始化和节目改变时的基本要求。码流中传送的PCR值必须足够多,有最大间隔的限制;而且要相对准确,没有抖动。MPEG标准规定:每个节目PCR的最大间隔为40ms。PCR的抖动小于±500ns。PCR信息在相应节目TS包的adaptationfield中传送,而TS包类型的准确信息可以从PMT中获得。节目时钟同步以后,视音频编码就可以锁定系统时钟。5.2显示时间标记pts视频和音频PES包头中需要有附加的时间信息。该时间信息由STC获得。STC的33位最高有效字符(MSB:MostSignificantBit)被插入到视音频PES包头中,最大间隔为700ms,称为显示时间标记(PTS:PresentationTimeStamps)。由于编码规则限制,视频帧的传输顺序与显示顺序不同,视频流PES头需要另外的时间戳,即解码时间标记(DTS:DecodingTimeStamps)。6ts流技术应用以上探讨了使用TS流封装机载视频数据的可能性,要将各路视频打包成TS流,需要将各路原始视频数据基本流(ES:ElementaryStream)打包成打包基本流(PES:PacketizedElementaryStream),并由CPU模块将多路视频数据合成同一个TS流,关键技术问题有以下几点:(1)dv视频解码视频图像编码有3种图像类型:I帧,P帧和B帧。所有的P帧解码和显示时间相同,所以P帧的PES包不存在DTS域,对应的DTS计数值即为其PTS值。机载DVR一般都不会产生B帧,所以可以忽略DTS。而对于I帧和P帧而言,两种类型处理方式基本相同,只是对于编码器的第一个GOP的第一个I帧是特殊情况,由于其只是在整个编码过程中开机瞬间仅有一帧为特殊,所以可以不必考虑。当解码器检测到视频PES包头部到达解码器时,系统从头部数据段中抽取DTS和PTS并保存到一张列表中。解码时,每解到一帧图像,则可以从列表中读出相应的DTS/PTS,把此DTS/PTS值与STC值比较。当二者相等时,当前图像开始解码/显示。(2)采集视频模式音频PCM的时钟从本地系统时钟分频而来,其分频比N可控。音频的播放通过不断微调分频比N而微调播放的速度,实现音频播放的同步。当音频播放过快时,即PTS-STC>0,调小N,放慢播放速度;当音频播放过慢时,即PTS-STC<O,调大N,加速播放速度。由于不存在跳帧或重复帧,故不会引起听