遠程數字電視會議系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 O可以是矩形幀（），從而與原來的標準兼容；對于基于內容的表示要求較高的應用來說，V0可能是場景中的某一物體或某一層面，如新聞節目中解說員的頭肩像；V0也可能是計算機產生的二維、三維圖形等[16]。在MPEG4中，VO主要被定義為畫面中分割出來的不同物體，每個VO由3類信息來描述：運動信息、形狀信息和紋理信息。VO的生存期是一個鏡頭（SESSION）。MPEG4首先對視頻序列進行鏡頭切分，對一個鏡頭中每一幀進行物體分割，得到各個VO。第一步是VO的形成（VOFORMATION），先要從原始視頻流中分割出VO，由編碼控制（CODINGCONTROL）機制為不同的V0以及各個V0的3類信息分配碼率，之后各個VO分別獨立編碼，最后將各個VO的碼流復合（MUx）成一個碼流。其中，在編碼控制和復合階段可以加入用戶的交互控制或由智能化的算法進行控制。復　合VOP0編碼碼流VOP定義輸入VOP1編碼VOP2編碼 MPEG4編碼器框圖MPEG4的應用前景將是非常廣闊的。它的出現將對以下各方面產生較大的推動作用：數字電視、動態圖像、萬維網（WWW）、實時多媒體監控、低比特率下的移動多媒體通信、于內容存儲和檢索多媒系統、Intranet上的視頻流與可視游戲、基于面部表情模擬的虛擬會議、DVD上的交互多媒體應用、基于計算機網絡的可視化合作實驗室場景應用、演播電視等。MPEG4與MPEG1和MPEG2有很大的不同。MPEG4不只是具體壓縮算法，它是針對數字電視、交互式繪圖應用（影音合成內容）、交互式多媒體（WWW、資料擷取與分散）等整合及壓縮技術的需求而制定的國際標準。MPEG4標準將眾多的多媒體應用集成于一個完整的框架內，旨在為多媒體通信及應用環境提供標準的算法及工具，從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲、檢索等應用領域普遍采用的統一數據格式。MPEG4的編碼理念是：MPEG4標準同以前標準的最顯著的差別在于它是采用基于對象的編碼理念，即在編碼時將一幅景物分成若干在時間和空間上相互聯系的視頻音頻對象，分別編碼后，再經過復用傳輸到接收端，然后再對不同的對象分別解碼，從而組合成所需要的視頻和音頻。這樣既方便我們對不同的對象采用不同的編碼方法和表示方法，又有利于不同數據類型間的融合，并且這樣也可以方便的實現對于各種對象的操作及編輯。例如，我們可以將一個卡通人物放在真實的場景中，或者將真人置于一個虛擬的演播室里，還可以在互聯網上方便的實現交互，根據自己的需要有選擇的組合各種視頻音頻以及圖形文本對象。MPEG4系統的一般框架是：對自然或合成的視聽內容的表示；對視聽內容數據流的管理，如多點、同步、緩沖管理等；對靈活性的支持和對系統不同部分的配置。MPEG4提供了基于內容的多媒體數據訪問工具，如索引、超級鏈接、上傳、下載、刪除等。利用這些工具，用戶可以方便地從多媒體數據庫中有選擇地獲取自己所需的與對象有關的內容，并提供了內容的操作和位流編輯功能，可應用于交互式家庭購物，淡入淡出的數字化效果等。MPEG4提供了高效的自然或合成的多媒體數據編碼方法。它可以把自然場景或對象組合起來成為合成的多媒體數據。二、音頻編碼技術類似于圖像，語音編碼方法也有三類，一類是經典的基于語音波形進行編碼的波形編碼，另一類基于語音特征參數進行編碼的參數法編碼，第三類是在低速語音編碼應用最多的將前兩種方法混合使用的混合法編碼[17]?；诓ㄐ尉幋a的壓縮編碼可獲得較高的語音質量，但數據量壓縮不多，（或A律）壓縮。參數編碼方法廣泛應用于各類低速聲碼器和保密通信中，它的數碼率低至數Kbit/s，但質量不易提高。近年來出現的混合語音編碼方法，把波形編碼的高質量和參數編碼的低數碼率結合在一起，取得了較好的效果，其數碼率10Kbit/S左右，語音質量也較好。如碼激勵線性預測編碼（CELPC），規則脈沖激勵（LPC）等都是常見的混合編碼方法。與視頻編解碼相似，一個視頻會議系統還需要實現音頻編解碼功能。音頻編解碼標準也主要有兩大類：ITUT的G系列（、）和MP3。其中，G系列是基于傳統的電話音質的編碼技術，頻響范圍為300Hz3400Hz，采樣率為8KHz，每路聲音占用帶寬為8K64K。，其它幾種都是有損壓縮編碼。而MP3是用于高保真音樂的高效聲音壓縮算法，頻響范圍10Hz到20KHz，而且MP3還支持雙聲道編碼技術，其效果比G系列音質要好得多。但MP3對帶寬要求較高。如果帶寬資源比較豐富，從音頻效果上可采用MP3編碼標準；如果帶寬資源比較緊張，從帶寬資源上考慮建議采用G系列編碼標準?，F在的數據帶寬集成了視頻和數據等多項業務，可根據帶寬實際使用情況，以及不同時候的帶寬占用情況，優先采用MP3雙聲道編碼技術，并根據實際情況及效果要求動態調整。第二節 多點控制技術視頻會議業務是一種多點之間雙向通信業務。限于現今通信網的現狀，多點間視頻會議信號的切換，必須由專門用于多點視頻會議切換的設備—多點控制單元（MCU）來完成。MCU和各終端的連接是呈星形狀態，通常放置在星形網絡的中心處，即參加會議的各個終端都以雙向通信的方式和MCU相連接[18]。由于MCU端口數是有一定限制的，因此，在遇到會議點特別多的情況時，可以將多個MCU級聯使用，這樣就可大大地增加視頻會議網的節點容量。MCU是一個數字處理單元，具備對多個視頻會議終端的信號進行切換或混合功能。MCU在數字域中實現音頻、視頻、數據、信令等所有數字信號的切換或混合。由于語音信號可以進行疊加處理，因此對語音信號的處理除了切換以外可采用多路匯接（混合）的方式；而對圖像信號來說，多個圖像的疊加是不允許發生的，MCU只是將它們在各個會議點之間進行切換，當然圖像允許進行拼接，可利用MCU實現多畫面分割，可在一臺顯示設備上顯示多路圖像。MCU還要具備對視頻會議網進行有效控制的功能，以及對視頻會議系統進行有效管理的功能。使它能模仿我們平時實際開會的方式，如主席發言、與會者發言、插話、自由討論等。MCU所承擔的會議控制方式主要有四種：主席控制方式、導演控制方式、語音控制方式和自動輪詢方式。該建議擬訂了低比特多媒體通信終端的基本框架。它包括四個主要部分：、。、比特率等要求。本系統由于MCU連接了多個端口，若各端口Modem的速率不一致，則可能會造成MCU的數據擁塞，故本系統中禁止Modem速率的自動調整。一般在會議開始之前，即按各端口中最低速率建立連接，以保證較小的誤碼率。在MCU中。，每個FAS碼長為4個字節，試驗系統中可取為0XEC。由于幀長度是不定的，因此，幀起始標志的正確傳輸與檢測直接影響到幀定位?？刂菩盘栆舱?個字節，其中前兩個字節為BAS碼，主要攜帶會議控制信息。因本會議系統的可能狀態較少，所用到的控制命令也少，故只用一個字節傳送命令，另一個字節作為BAS碼的糾錯字節，以保證命令的正確傳輸。在視頻會議系統的命令交互中，MCU及各個與會站點在會議中都要維護一張狀態設置表，表中記錄了各與會站點所對應的邏輯端口、電話號碼、地理位置、在會議中的身份（主席、發言方及普通會員）等，此后MCU進一步將邏輯端口映射成相應的物理地址，以便MCU從該地址讀寫信息。狀態設置表的初始設置是在會前通過勤務電話確定的。預定的開會時間由MCU負責通過Modem呼通各與會站點，以建立起數據鏈路。當某個站點呼通后，而MCU則將該幀環回，并將BAS碼替換為就緒確認命令。當所有站點均就緒后，MCU即向各站點發會議就緒命令。同時將主席端的數據切換到各個站點，此時主席便可以發言，也可以命令其它會員發言。如果主席沒有發命令給MCU，則向MCU發會議進行中狀態指示，MCU則維持當前狀態；若主席命令A站點發言。MCU接到命令后，即將A站點的數據切換到除A外的所有其它站點，同時將主席的數據發往A站點。當主席命令會議結束時，MCU即向各站點發送會議結束確認命令，并停止工作，由各站點自行掛斷Modem。 命令交互示意圖在會議中，MCU接主席命令后，應根據該命令所產生的狀態轉移來修改狀態設置表。通過低速MCU伺服軟件可使MCU同時控制8個與會站點的數據讀入寫出操作，同時進行命令解釋執行工作。由于幀交換又要占用大量的內存資源，同時還要保證系統的實時性，因此，MCU伺服軟件的設計不僅要求執行效率高，還要求程序本身要占用較少的系統資源。該軟件的設計可采用快速原型方法來完成。首先可建立簡化的快速原型，然后在此基礎上逐步完善以達到設計要求?？焖僭屯瑯涌刹捎媚K化的方法將整個MCU軟件劃分為若干松耦合的功能模塊，并對各模塊分別進行設計與測試，在保證各模塊正確后，再對整個軟件進行綜合調試，以發現各模塊間接口設計可能存在的失誤，再反過來通過修正各模塊程序來完成整個軟件的設計。具體開發流程如圖7所示。： MCU的軟件開發流程利用電話線在兩臺計算機間通過Modem進行數據通信時，可將其作為功能最簡單的快速原型。建立遠地自環模型，以測試快速原型的正確性，同時測試接口卡的工作特性；編寫幀讀入模塊和幀寫出模塊程序，以連續測試幀環回及單一測試幀。驗證傳送來的測試幀讀摸塊以及幀寫出模塊的正確性；編寫命令提取與解釋模塊和狀態修改模塊程序，通過改變測試幀的BAS碼并讀取狀態修改結果來驗證上述模塊的正確性；編寫幀切換，構造三臺計算機間的測試平臺，并使其一充當MCU，然后通過另兩端的測試幀切換來驗證上述模塊的正確性；根據實際條件建立多臺計算機間的測試平臺，并適當改變測試幀的長度（128～512byte），進行連續的測試并計時，以檢驗各模塊的工作時延。然后按照系統的實時性要求對產生時延較大的模塊進行改進。第三節 視頻傳輸技術基于通信網絡的特點，有多種承載高清電視會議的傳輸體制可選：一、光纖有線傳輸傳輸原理：光纖傳輸是所有傳輸方法中的基礎。攝像機的視頻信號和控制信號能過短距離的電纜接入到視頻數據復用光端機，并通過光纜將信號傳輸到監控中心，再通過另一個光端機將信號還原為模擬的視頻信號和控制信號。傳輸到中心的數據和視頻信號通過編碼器接入以太網系統，并通過解碼器將將需要顯示的視頻信號顯示在電視墻上。完成了視頻在監控中心的重現。傳輸特點：這種傳輸方式需要在前端攝像機與監控中心之間具有光纜，光纜的來源可以為自選敷設或租用其它公司現成的光纜。，由信息源、電發射機、光發射機、光纖線路、光接收機、電接收機、信宿組成。 光纖傳輸系統示意圖在發送端，來自信息源的視頻圖像信號首先經過A/D轉換、復用、編碼等方式的處理，將其轉換為電信號，并將其送入光發射機，通過電信號的變化對光源進行調制，將電信號轉化為光信號。光源輸出的光信號直接耦合到傳輸光纖中，經一定長度的光纖傳輸后送達接收端。再經光電檢測器件直接檢波，將光信號轉換成電信號，由電接收機恢復出原始的視頻信號，完成整個視頻信號的傳輸過程。對于長距離的光纖通信系統，由于存在光的衰減和波形失真的現象，為了補償這樣的現象，每隔一定距離需要接入光中繼器。在光纖通信中，線路編碼是非常必要的，電端機輸出的數字信號是雙極性碼，這種碼可以在電纜中傳輸。與其不同的是，光源只能發出正的脈沖，而不能發射負脈沖，所以要使信號在光纖中傳輸，就要將其變換為適合于在光纖中傳輸的單極性碼。線路碼型變換是把原始的數字信號換成適合于相應的媒質（光纖）的傳輸的形式。因此，線路碼的選擇不僅要考慮如光纖線路的帶寬特性影響著對線路碼型速率變換的選擇的特性，還需考慮光源器件的非線性影響著對線路碼型的選擇。所以，在數字光纖傳輸系統中，如何進行信道編碼，選擇何種線路碼進行傳輸是系統設計的關鍵。以CIMT信道編碼為例介紹光纖傳輸。采用CIMT信道編碼方式對并行數據進行串行編碼。CIMT編碼有三種幀形式：數據幀、控制幀和填充幀。： CIMT碼結構可以發送任意需要傳送的數據和控制信息每一幀都以C—field（coding field）開始，其后接Dfield（data field）。其中Dfield組成的數據位可以是十六位或二十位，取決于電路結構?？刂莆唬–field）由四位數據碼組成，接收端可以以此提取并鎖定數據的類型與狀態。填充幀是在發射端沒有數據信號時以及發射端和接收端建立連接時產生。在三種幀的主瞬跳變點處是接收端恢復時鐘信號的參考點[19]。對光纖線路的編解碼的實現，選用Agllent公司的HDMP1022和HDMP1024作為CMIT碼的編碼與解碼芯片，對數字視頻信號編解碼的同時，完成對信號的二次復用與對應的解復用。作為千兆比特的串行與解串行芯片，其串行數據速率范圍從120Mbits/s至1．25Gbits/s有四種選擇。芯片主要應用于點對點的高速數字傳輸系統，在配合光收發模塊使用的情況下，可實現數據遠距離傳輸。HDMP1022和HDMP1024的芯片組合中，隱藏著許多復雜功能，包括幀速率鎖定、內部時鐘發生、編碼與解碼、復用與解復用、時鐘提取等。芯片具有自動維持線路碼的直流平衡的功能，接收芯片還包括一個提供初始握手協議的狀態機控制器。使得芯片可保證在長距離條件下的時鐘恢復和同步。將視頻信號成高速數字串行碼流后，最終需要在光纖中傳送。要想將電信號在光纖中傳輸，就要在發送端將光信號轉換成電信號，然后在接收端再將光信號轉變為電信號，因此，電/光轉換電路以及光/電轉換電路是系統中必不可少的一部分。FBR5103/5103T為Agilent公司的產品，其集成度高，接口簡單，抗電磁干擾能力強，使用十分方便。它是一款多模光收發一體化模塊，采用LED光源，波長為1300nm，雙SC接口，9針封裝模式，接收和發送均為PECL信號，有單端和差分兩種形式，是一種性價比較好的產品。HFBR5103主要由發射和接收兩部分組成。： 光收發一體模塊結構圖HFBR5103的發射部分采用1300nm的表面發射InGaAsLED。這些LED封裝在發射部分的光組件中，由傳統的硅集成電路（IC）驅動，這個驅動電路包括調制電路和控制電路。HFBR5103的接收部分采用InGaAsPIN光電二極管，PIN光電二