（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近年來(lái)，隨著高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字壓縮技術(shù)以及大容量存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，基 于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程指揮服務(wù)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。在各種突發(fā)事件、自然災(zāi)害、軍事應(yīng)用、體育比 賽等各個(gè)方面指揮系統(tǒng)都有很大應(yīng)用的空間。然而由于服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平受到網(wǎng)絡(luò)帶 寬瓶頸和i n t e m e t 自身設(shè)計(jì)問(wèn)題的限制，用軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)并沒(méi)有得到廣泛的使 用。如何充分利用當(dāng)前迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)、信息技術(shù)并開發(fā)出先進(jìn) 的遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)成為新興的研究課題。 體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)能夠把遠(yuǎn)程分析的數(shù)據(jù)以豐富的圖像、圖形、圖表的形式展 現(xiàn)給教練員，協(xié)助教練員分析比賽的現(xiàn)狀，獲得運(yùn)動(dòng)員的最佳得分、失分路線及區(qū)域等。 通過(guò)體育比賽的實(shí)時(shí)視頻教練員可以分析出運(yùn)動(dòng)員的最佳得分動(dòng)作，失分動(dòng)作等。因此 一個(gè)設(shè)計(jì)良好的體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)，輔助教練指揮比賽 具有重要的作用。本文通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)字指揮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究，嘗試性開 發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩大部分組成：賽場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)終端、遠(yuǎn) 程指揮決策現(xiàn)場(chǎng)終端。實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖像監(jiān)看、賽場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)急指揮、比賽數(shù)據(jù)分析及展示等功能。 在體育實(shí)時(shí)視頻傳輸方面本文在分析和比較目前各種視頻編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ) 上，應(yīng)用h 2 6 3 視頻壓縮模塊對(duì)采集視頻進(jìn)行大比率壓縮，以保證比賽視頻在網(wǎng)絡(luò)上能 夠流利的傳播。本文主要使用7 w 開發(fā)包對(duì)比賽現(xiàn)場(chǎng)視頻進(jìn)行采集、處理；采用成熟 的d i r e c t s h o w 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻流的回放功能把畫面清晰的回放在教練員的面前。在數(shù)據(jù) 傳輸方面主要采用t c p 、u d p 、l u p 相結(jié)合傳輸數(shù)字視頻的方法。同時(shí)使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 來(lái)實(shí)現(xiàn)體育比賽結(jié)果的分析和展示；并用f t p 協(xié)議對(duì)文件數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳 輸。對(duì)于視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的重點(diǎn)、難點(diǎn)技術(shù)，如傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)流量控制、 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)i 旬監(jiān)控、音頻編碼方案調(diào)整、多線程等技術(shù)，給出了相關(guān)的解決方案和程序 實(shí)現(xiàn)代碼。 為滿足基于i n t e m e t 的體育比賽實(shí)時(shí)音頻視頻流傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延和丟包率的 要求。本文在r t p 嬲c p 協(xié)議的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的通訊雙方通過(guò)判別網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況后自適 應(yīng)調(diào)整音頻視頻編碼方案，從而使得實(shí)時(shí)體育比賽音頻視頻流的在i n t 呲t 傳輸時(shí)有一 定的質(zhì)量保證，保證教練員下達(dá)的比賽指令順利的傳送。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)傳輸，服務(wù)質(zhì)量，視頻壓縮，遠(yuǎn)程指揮 北方工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n0 f m a t c hr e m o t ea d v i s i n gf o rs p o r t s v s t e m v a b s t r a c t n e t w o r l ( r e m o t ec ( 柵m 觚ds e r v i c es y 蚍e m sc 鋤e 仇l ei nr e s e n ty e a r s ，a l o n g 、麗mt 1 1 ef 掇 d e 、，e l o p i n go fm ef a s tc o m p 咖gn e 咐o r k ，d i 百t a lc 0 咖p r e s s e dte c _ h i l o l o g ya n dt l el a r g e c a p a b i l i t ys t o m g et 幽l o g y w e b - b a s e dr 鋤o t ec o n l i i l a l l ds e r v i c e si i lav 撕e 哆o fe i i l 鋤酆c i e s ， n 刪d i s a s t e r s ，i i l i l i t a ：呵a p p l i 訓(xùn)o n s ，s p o r t s ，趾do 1 e ra s p e c t sc a i lb ea p p l i e d b u t ，t h a ti st l l e s e s y s t 鋤s 小l a l i 夠o fs e r v i c ea r er e 嘶c t e db yt h eb o t t l e l l e c ：ko fn e 帆。血b a i l d w i ma i l dh l t e n l e t f l a w s ，w e b - b a s e d 獺n o t e a 1 1 ds e n ，i c e sa r en o tu s e dw i d e l y i ti sac o n c 鋤e dt a s kh o wt 0 d e v e l o pt l l er 鋤0 t ec o m m a l l ds y s t e m 番o rs p o r tp r o c e s sw k c hc a i lf h l l y 而1 i z em ec o m p u t e r n e t 、o 氐n e l l i g 朗c ea i l di 1 1 f o n i l a t i o nt 池l o 科 s 】肭c 伽p 甜廿優(yōu)1 s 懈n o t ec o m m a n ds y s t e l l lm a k et h e 冊(cè)n o t e 鋤a l y s i so f l ed a t aw i m l l l ei n l a g e s ，乎嬸1 1 i c s ，c h a n s ，i i lt l l ef o m lp r e s e n t e dt om ec o a c ! h e st oh e l pc o a c ：ht oa n a l y s i s 也e s 協(xié)t u so f 唧娟石o n ，a 吐l l e 慨g e t l eb e s ts c o r e t h u saw e l l d e s i 印e ds p o n s 咖l o t e 黝鋤d s y s t 鋤f o ri m p r 0 v i n gt h ec o m p e t i t i o na t i l l e t e s ，c o a c h e sa s s i s t e dc o m m 鋤dp l a y sa ni m p o r t a n t r 0 1 ei 1 1c o m p e t i t i o n n 啪u 曲a n a l y s i sa n ds m d y 嘶t i c a lt e c 量1 1 1 0 l o 舀e so ft h er e l n o t ed i 舀t a l c 0 i 脅n 鋤ds y s t 鋤，w ea t t 鋤p tt od e v e l o pac o 恤p 呲e rs p o n s 舀m l e sr e m o t ec c i m m a n ds y s t 鋤 s y s 搬n 懈i s 話o f 伯幻m a j o fc o 狂疆) o n 鋤：t s ：c o m p 鰣t i o nf i d ds c e l l et e n 短n a l ，r e m o t ec 0 m m a l l d a i l dd o c i s i o i 卜m a l ( i i l gs c e n et e 冊(cè)i n a l f e a t u r e si n c l u d e ：r e m t i i l l ei i l l a g e sa tt l l es c d l em o i l i t o 血g t l l ec o u na n dr e 面一石n l ed a t a 仃a n s m i s s i o 瑪o n - s i t e 鋤e r g m c yc c 旺i m a l l d ，c o m p e t i d o n sd a t a 觚i a l y s i s c a p a b i l i t i e s 觚d s 0 0 n h lm e 唧e c to fr e a l - t i l l l e 啊d e o 位m 鋤i s s i o ni i lt h es p o r t sa r e am ea n i d eb a s eo nm e 內(nèi)1 d a 虹o no fa n a l y z i n ga l l dc o 瑚p a r i n gs o m es t a ：n ( 1 a r d so f d e oc o d i n ga t 曄s 鰍，i tr e a l i z e st 量l e 劬c 丘o no fc 0 咖p r e s st 1 1 ev i d e od a t aw i 1 l el l i g hr 撕ou s i l l gv i d e oc o m p r e s s i o nm o d u l e so f h 2 6 3 ，g a n l e r sa n dd e a l sw i mm em o n i t i 砸n g 、，i d e oo nt i m eu s i n g 廿1 ev f w a 1 1 dp l a y sb a c ko f v i d e os h 啪su s i n gd 眈c t s i l o w b yt r a n 鋤i t t i l l g 吐1 ed i g i t a lv i d e ot 1 1 i o u g ht c p ，u d p ，r ，r p ，m e s y s t 觚1a d o 幽wi i l s o c kc o n 仃d 1 st o 的n s i l 】j t 、，i d e oa i l da u d i od i 班a 1a n du s i l l gf t p p r o t o c 0 1 st 0 i t6 l ea n dd a t e n l em e 吐l o d s0 ne l l l p l l a s e sa n dd i f f a c u l t i e so f 1 ev i d e 0d a t a 仃a n s i i l j s s i o n o nt l l en e 帆o r ka r ep r e s e n t e ds 1 1 d ha s 1 ec o n t 砌t yo f 昀n s m i t e dd a t a ；n e 陬竹呔n l ，n e 附o r k d e l a y 岫ec o n 旬r o l ，a u d i oc o d i i l gs c h e m e sa n da 由u s n t l e l l t s ，m u l t i - t 1 1 r e a d i n gt e c h n o l o g 蜘e t c a r e i 1 1 仃o d u c e d 鋤d 昏v e ns o l l n i o i l s 趾dc o d i i 瑪 - 3 一 北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 地et or e q 慨鋤t so f b a l l d w i d 廿1 ，d e l 拐a n dp a c k a g e1 0 s s ，的n s m i s s i o no f 瀏一t i m ev i d e o 觚d 砌oo fs p o r tm a t c ho 、慣h l t e n l e ts t i l lf a c em 甜l yh a l l e i l 星躑7 1 1 l es y s t e mb a s e do nm e 礎(chǔ)r p r t c pp r o t o c o l s ，a 1 1 a l y s e st l l eq u a l 塒o f 仃a i 鰳i s s i o nb e 時(shí)o e l l l es e n d e ra n d 廿l er e c e i v e r 鋤dd y n 鋤缸c a l l y a 由u s tm ep r o t o c 0 1 so fc o m 班e s s i o na c c o r d i n gt ot h en u 咖a t i o no ft l l e b a i l d w i d m c o l l s e q u e n t l yt h eq 刪姆o f v i d e oa 1 1 da u m os e q u 鋤c ei s9 1 1 黝t e e d 蜘m e ya r e n j a n s m i t t e do v e ri n t ( 圩n e t k e yw o r d s ：t r 粕s i l l i t 蚰n e 鉚o r i q u a h 姆o fs e n ，i c e ，d e oc o m p r 終s i o n ，r e m d t e c o i i u n a n d 4 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得j e 友工些太堂或其他教育機(jī) 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn) 均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者鶘刊眵簽字醐滯歹刪日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解j 量友王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有 權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)北方工些大堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn) 行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者躲知慘 i 簽字日期瓣r 月洲日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 電話： 郵編： 蹭i 油 丟 汨 ，o r參眸門 轢 飆 簽 引 f h j 師 字 導(dǎo) 簽 北方工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 1 引言 隨著科技的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)以其準(zhǔn)確性和高效性已經(jīng)在各行各業(yè) 對(duì)人們的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生著巨大的影響。從科學(xué)計(jì)算到工業(yè)控制，從國(guó)防科技到醫(yī) 療衛(wèi)生，從數(shù)據(jù)處理到圖像處理，計(jì)算機(jī)無(wú)不發(fā)揮著重要作用。作為高科技的計(jì)算機(jī)及 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也越來(lái)越受到體育界的重視，尤其在運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽中有著廣闊的應(yīng)用前裂。 競(jìng)技體育技術(shù)的發(fā)展使各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)成績(jī)已越來(lái)越接近人類體能的極限，因此創(chuàng)造新的 記錄越來(lái)越困難。為了能夠在接近極限的區(qū)間內(nèi)再創(chuàng)新成績(jī)，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家不 遺余力地開發(fā)信息技術(shù)并應(yīng)用在體育上，成為信息技術(shù)和體育科研的重點(diǎn)之一【2 】。應(yīng)用信 息技術(shù)為提高競(jìng)技體育成績(jī)，改進(jìn)訓(xùn)練方法提供了可靠的依據(jù)。 利用計(jì)算機(jī)具有快速和高效率的反饋這一特點(diǎn)，可以大大提高訓(xùn)練效果f 4 】。由于計(jì)算 機(jī)具有儲(chǔ)存信息的功能，可把各種訓(xùn)練和機(jī)能指標(biāo)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，以便日后進(jìn)行分析 對(duì)比。所以，依靠計(jì)算機(jī)的幫助，教練員可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在一次課中完成的情況根據(jù)機(jī)能 評(píng)定的某些指標(biāo)，來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平。并利用計(jì)算機(jī)來(lái)了解對(duì)手的技、戰(zhàn)術(shù)的信息， 及時(shí)反饋給自己的教練員和運(yùn)動(dòng)員，以便采取有針對(duì)性的訓(xùn)練，從而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。當(dāng)然 未來(lái)的訓(xùn)練中，教練員仍是起主導(dǎo)作用的，計(jì)算機(jī)只能是教練員的起輔助作用的科學(xué)訓(xùn) 練工具。 將計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)運(yùn)用于體育比賽遠(yuǎn)程指揮當(dāng)中，從而輔助教練員 進(jìn)行科學(xué)的決策這是個(gè)新的課題。由于體育比賽遠(yuǎn)程指揮的特點(diǎn)，教練員需要對(duì)大量 的實(shí)時(shí)視頻信息進(jìn)行分析，從中得出需要的信息來(lái)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員比賽。這種信息的獲取常 常是大跨度，超時(shí)空的。這就要求視頻、音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都有一定的保 證。同時(shí)還要有從大數(shù)的數(shù)據(jù)中抽取所需知識(shí)的能力。 1 1 體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 利用計(jì)算機(jī)來(lái)了解對(duì)手的技、戰(zhàn)術(shù)的信息，及時(shí)反饋給自己的教練員和運(yùn)動(dòng)員，以便 采取有針對(duì)性的訓(xùn)練，從而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)【3 j 。如我國(guó)優(yōu)秀的游泳運(yùn)動(dòng)員樂(lè)靖宜、劉黎敏、 晁娜的信息資料與國(guó)外同專項(xiàng)的運(yùn)動(dòng)員比較，發(fā)現(xiàn)前l(fā)o m 的技術(shù)置后，游泳教練組改進(jìn) 了運(yùn)動(dòng)員的出發(fā)技術(shù)，使以上三人的出發(fā)成績(jī)分別提高了o 5 s 、o 3 2 s 和o 7 5 s ，為運(yùn)動(dòng) 員在奧運(yùn)會(huì)取得好成績(jī)做出了應(yīng)有的決策。信息技術(shù)的發(fā)展大大提高了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果。 世界跳遠(yuǎn)名將卡爾劉易斯的跳遠(yuǎn)姿勢(shì)數(shù)據(jù)參數(shù)被美國(guó)衣華大學(xué)研究中心儲(chǔ)存在“跳遠(yuǎn)計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)”中，運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)可通過(guò)反復(fù)觀看比較劉易斯的起跳高度，空中姿勢(shì)及重心位 北方丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 置等數(shù)據(jù)來(lái)糾j 下自己的各參數(shù)。而劉易斯本人也通過(guò)電腦指導(dǎo)，四步長(zhǎng)確定助跑起跳最后 4 步的距離，從而取得了超水平的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。 可以看出信息技術(shù)已經(jīng)成為體育比賽訓(xùn)練和指揮的熏要手段，體育比賽遠(yuǎn)程指揮系 統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)與視頻會(huì)議系統(tǒng)及指揮調(diào)度系統(tǒng)完美結(jié)合，從而使指揮調(diào)度更加方便快 捷更加的客觀有效。體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)由多媒體通信發(fā)展而來(lái)，系統(tǒng)除了具有多 媒體通信功能外，同時(shí)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和管理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合使決策信息化，通過(guò)對(duì) 那些信息化的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地加工處理，運(yùn)用一定的計(jì)算模型和工具進(jìn)行科學(xué)地 統(tǒng)計(jì)分析，從而起到對(duì)管理和決策的支持作用。本節(jié)主要分析這些構(gòu)成遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng) 的核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)。 上世紀(jì)9 0 年代以來(lái)，多媒體通信業(yè)務(wù)的發(fā)展十分迅速。據(jù)國(guó)外有關(guān)資料的分析和 統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1 9 8 5 年電信業(yè)務(wù)中傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)約占7 5 ，而非話業(yè)務(wù)僅占2 5 ；1 9 9 0 年話音業(yè)務(wù)降為5 6 ，而非話業(yè)務(wù)上升為4 4 ；1 9 9 5 年話音業(yè)務(wù)下降到3 9 ，而非話業(yè) 務(wù)則上升至6 1 。近十年，話音業(yè)務(wù)比例進(jìn)一步下降，而非話業(yè)務(wù)則進(jìn)一步上升。在 我國(guó)，多媒體通信業(yè)務(wù)的發(fā)展也很快，其應(yīng)用范圍和規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。如視頻會(huì)議 骨干網(wǎng)己遍及全國(guó)，可視電話業(yè)務(wù)也在迅猛發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)等網(wǎng)絡(luò)的建設(shè) 和應(yīng)用越來(lái)越廣，同時(shí)，對(duì)多媒體通信技術(shù)的研究、通信網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)及有關(guān)設(shè)備的研 制正在進(jìn)一步的發(fā)展【6 】。多媒體通信，是一種新的通信方式。它和傳統(tǒng)方式不同，所 傳輸、交換的是兩種以上的媒體信息。例如，既有聲音，又有圖像，也可能還有文字、 符號(hào)等等，這些不同媒體的信息是相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)的，而不是相互無(wú)關(guān)、獨(dú)立的。 視頻指揮系統(tǒng)是多媒體通信技術(shù)最重要的應(yīng)用之一【1 1 1 。所謂視頻指揮系統(tǒng)是指兩 個(gè)或兩個(gè)以上不同地方的個(gè)人或群體，通過(guò)傳輸線路及多媒體設(shè)備，將聲音、圖像及 文件資料互傳，達(dá)到即時(shí)且互動(dòng)的溝通，從而完成指揮目的的系統(tǒng)設(shè)備。視頻指揮系 統(tǒng)是集通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)于一體的遠(yuǎn)程異地通信方式，在系統(tǒng)中，處于 兩地或多個(gè)不同地點(diǎn)的與會(huì)人員，既可以聽到對(duì)方的聲音，又能看到對(duì)方的形象，同 時(shí)還能看到對(duì)方的場(chǎng)景，以及展示的實(shí)物、圖片、表格、文件等，與真實(shí)的環(huán)境無(wú)異， 使每個(gè)參與者有身臨其境之感。在視頻指揮技術(shù)出現(xiàn)前，人們要實(shí)現(xiàn)異地指揮，只能 利用電話技術(shù)，參與人員彼此只能聽到聲音。而人們彼此通信交流有三個(gè)基本要素： 內(nèi)容、表述方式、視頻，其中視頻因素是最有力的，任何人類交流的應(yīng)用都應(yīng)引入視 覺的因素而使效果大大提高。視頻指揮正好滿足了這方面的要求。自視頻指揮技術(shù)在 2 0 多年前開始發(fā)展至今，該領(lǐng)域的技術(shù)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)一直處于不斷的發(fā)展過(guò)程之中。 視頻會(huì)議大致經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)發(fā)展階段： - 2 - 北方t 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 上世紀(jì)6 0 年代至8 0 年代的模擬視頻指揮階段。有關(guān)的研究表明，通信的有 效性5 5 依賴于面對(duì)面( f a c e to fa c e ) 的視覺效果，3 8 依賴于說(shuō)話聲音，視聽是人們 獲取信息的最重要的形式，而面對(duì)面地討論是人類表達(dá)思想最豐富的一種方式。雖然 有了電話，有了郵政，人們?nèi)砸獦?lè)此不疲地出差到現(xiàn)場(chǎng)，勞神又費(fèi)財(cái)。為了解決這個(gè) 問(wèn)題，早在6 0 年代，就已經(jīng)有了視頻會(huì)議指揮系統(tǒng)的研究。當(dāng)時(shí)美國(guó)電報(bào)電話公司 ( a t t ) 曾推出模擬可視電話系統(tǒng)( p i c t u r e p h o n e ) ，但由于當(dāng)時(shí)的電話網(wǎng)帶寬無(wú)法滿足 需求，其視頻信號(hào)只能通過(guò)昂貴的衛(wèi)星信號(hào)傳輸，這使得成本無(wú)法降低；再加上市場(chǎng) 需求不強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展不夠成熟，限制了該產(chǎn)品的推廣，使視頻指揮市場(chǎng)沉寂下來(lái)。進(jìn) 入7 0 年代以后，由于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的長(zhǎng)足進(jìn)步，最主要是數(shù)字式傳輸?shù)某霈F(xiàn)，傳統(tǒng)視 頻指揮系統(tǒng)所用模擬信號(hào)的采樣和變換方法得到極大改善，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)開發(fā)走 向成熟。但是數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)與傳輸仍是一個(gè)難以解決的問(wèn)題，尤其是采集的模擬信 號(hào)如果用數(shù)字形式表示，其存儲(chǔ)量和要求的傳輸率更高，對(duì)數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題的研究成為 最終把視頻指揮系統(tǒng)推向市場(chǎng)的關(guān)鍵。正是數(shù)據(jù)壓縮的研究工作產(chǎn)生的視頻指揮產(chǎn)品 的心臟c o d e ( ( c o d e r d e c o d e r ) 美國(guó)c l i ( c o m p r e s s i o n la b s i nc ) 公司在8 0 年代率先 完成6 0 ：1 壓縮率的c o d e r 之后，不久英國(guó)g e c 公司和日本n e c 公司加入其中，此時(shí)系統(tǒng) 的價(jià)格仍是一個(gè)問(wèn)題。進(jìn)入8 0 年代中期，通信科技發(fā)展迅猛，編碼和信息壓縮技術(shù)的 進(jìn)一步發(fā)展，使得視頻指揮設(shè)備的實(shí)用性不斷提高。p i c t u r e t e l 公司推出的c o d e r 采 用該公司先進(jìn)的h v q ( h i e r a r c h i c a l v ec t o r qu a n t i z a t i o n ) 技術(shù)創(chuàng)造出1 6 0 0 ：1 的壓縮 比；c l i 公司隨即采用一種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償新技術(shù)，推出了可在5 6 k b p s 下工作的產(chǎn)品。這時(shí) c o d e r 由于制造技術(shù)的提高，體積在急劇減小，與此同時(shí)，數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也非常迅 速，開始出現(xiàn)更低速率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，視頻指揮系統(tǒng)逐步進(jìn)入市場(chǎng)，但仍只限于高檔的 會(huì)議室視頻指揮系統(tǒng)的應(yīng)用，限制了它的進(jìn)一步普及。 ( 2 ) 9 0 年代初至1 9 9 5 年的i s d n 上的數(shù)字視頻指揮。這一階段前期主要是基于d d n 網(wǎng)的視頻指揮；后期主要是基于i s d n 網(wǎng)的視頻指揮。 ( 3 ) 1 9 9 5 年以后i p 網(wǎng)上的數(shù)字視頻指揮。9 0 年代后期p c 的快速升級(jí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 和處理能力越來(lái)越強(qiáng)，并且信息壓縮技術(shù)快速發(fā)展，產(chǎn)生軟件解壓縮，以及i n t e m e t 的快速發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了視頻指揮系統(tǒng)的發(fā)展。 _ 3 - 北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 本文的研究?jī)?nèi)容與方法 本課題主要集中于用軟件實(shí)現(xiàn)音頻視頻在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸并保證一定的傳輸質(zhì)量及 對(duì)已傳輸和采集到的音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)即時(shí)的傳送專家的分析數(shù)據(jù)，輔 助教練員的決策。主要內(nèi)容包括如下： ( 1 ) 對(duì)數(shù)字視頻技術(shù)和數(shù)字音頻技術(shù)的研究：目前數(shù)字視頻編碼技術(shù)主要包括兩 個(gè)大類，一類是r r u t 的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 等，一類是i s o i e c 制 定的e g 系列標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)數(shù)字音頻編碼技術(shù)而言最早且最著名波形基編碼是1 9 7 2 年確 定的6 4 k 1 ) s 脈沖編碼調(diào)制p c m 算法，后來(lái)又有3 2 k 1 ) s 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 a d p c m 和1 6 k b s 低延時(shí)碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)l d c e l p 算法。目前，國(guó)際電聯(lián)玎u 的g 系 列建議中采用該方式的標(biāo)準(zhǔn)有g(shù) 7 1 1 ，g 7 2 1 ，g 7 2 3 ，g 7 2 6 ，g 7 2 7 等，其中g(shù) 7 2 9 壓縮標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)口電具有特別重要的意義，它采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)c s a c e l p 算法，在 標(biāo)準(zhǔn)p c m 的6 4 k b s 采樣基礎(chǔ)上，每1 0 m s 生成一個(gè)l o b 的語(yǔ)音幀，僅用8 k b s 就能夠提 供音質(zhì)優(yōu)秀且延時(shí)很小的音頻信號(hào)，其音頻質(zhì)量與3 2 l c 耐s 的a d p c m 相當(dāng)。這一步的工 作主要是學(xué)習(xí)各種數(shù)字視頻音頻編碼技術(shù)從而選擇種合適的編碼技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比賽 數(shù)據(jù)的傳輸。 ( 2 ) 對(duì)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的研究：i u p ( r e a lt i m e1 r a ns p i d np r o 咖1 ) 是 為傳輸語(yǔ)音、圖像等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而制定的h l t e m e t 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。他提供了端到端的實(shí)時(shí)媒體 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這些服務(wù)包括負(fù)荷類型說(shuō)明、序列編號(hào)、時(shí)間戳、傳輸控制等。i h p 本 身不具有傳輸數(shù)據(jù)的能力，他必須與底層協(xié)議結(jié)合起來(lái)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。由于i n t e m e t 是一個(gè)無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)，只提供一種承載業(yè)務(wù)一盡力傳送( b e s te 仟o 舊業(yè)務(wù)。也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò) 并不保證向應(yīng)用數(shù)據(jù)流提供所需的帶寬，也不保證數(shù)據(jù)流的傳送時(shí)延和丟失率等質(zhì)量指 標(biāo)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，盡力傳送能夠滿足要求，但是對(duì)于音頻或視頻等實(shí)時(shí) 通信應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)必須能支持具有一定q o s 的端到端承載業(yè)務(wù)。如何提高實(shí)時(shí)性能，確 保通信的q i d s ，是i p 視頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要求，也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。這部份主要研究 如何利用r t p 協(xié)議消除音頻和視頻數(shù)據(jù)在i n t e m e t 上傳輸時(shí)所產(chǎn)生的抖動(dòng)現(xiàn)像及i p 視 頻的q d s 的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 ( 3 ) 對(duì)音視頻存儲(chǔ)格式及如何高效復(fù)制音視頻數(shù)據(jù)的研究：常見視頻格式中采用 的技術(shù)a v i - _ a u d i ov i d e oi n t e r l e a v e ，即音頻視頻交叉存取格式。1 9 9 2 年初m i c r o s o f t 公司推出了a v i 技術(shù)及其應(yīng)用軟件v f w ( v i d e of o rw i n d o w s ) 。在a v i 文件中，運(yùn)動(dòng)圖 像和伴音數(shù)據(jù)是以交織的方式存儲(chǔ)，并獨(dú)立于硬件設(shè)備。這種按交替方式組織音頻和視 4 北方工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 像數(shù)據(jù)的方式可使得讀取視頻數(shù)據(jù)流時(shí)能更有效地從存儲(chǔ)媒介得到連續(xù)的信息。構(gòu)成一 個(gè)a v i 文件的主要參數(shù)包括視像參數(shù)、伴音參數(shù)和壓縮參數(shù)等。a v i 文件用的是a v ir i f f 形式，a v ir i f f 形式由字串“a v i ”標(biāo)識(shí)。所有的a v i 文件都包括兩個(gè)必須的l i s t 塊。 這些塊定義了流和數(shù)據(jù)流的格式。a v i 文件可能還包括一個(gè)索引塊。只要遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)， 任何視頻編碼方案都可以使用在a v i 文件中。這意味著a v i 有著非常好的擴(kuò)充性。這個(gè) 規(guī)范由于是由微軟制定，因此微軟全系列的軟件包括編程工具v b 、v c 都提供了最直接 的支持，因此更加奠定了a v i 在p c 上的視頻霸主地位。由于a v i 本身的開放性，獲得 了眾多編碼技術(shù)研發(fā)商的支持，不同的編碼使得a v i 不斷被完善，現(xiàn)在幾乎所有運(yùn)行在 p c 上的通用視頻編輯系統(tǒng)，都是以支持a v i 為主的。a v i 的出現(xiàn)宣告了p c 上啞片時(shí)代 的結(jié)束，不斷完善的a v i 格式代表了多媒體在p c 上的興起。要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制首 先必須復(fù)制一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地這就要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的存儲(chǔ)。 ( 4 ) 對(duì)體育比賽遠(yuǎn)程指揮的特點(diǎn)進(jìn)行研究，從而設(shè)計(jì)適合體育比賽的遠(yuǎn)程指揮系 統(tǒng)，本文主要集中與對(duì)乒乓球的遠(yuǎn)程指揮進(jìn)行相應(yīng)的探討。 1 3 論文結(jié)構(gòu) 本文具體結(jié)構(gòu)如下： 第一章，主要通過(guò)討論當(dāng)前多媒體通訊技術(shù)與信息技術(shù)對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的輔助作用，以 及當(dāng)前遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，由此引出本文需要研究的問(wèn)題和研究方法。 第二章，在分析和比較目前各種視頻音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了本系統(tǒng)所采用 的視頻壓縮編碼方案，并具體介紹了視頻采集捕獲功能及視頻流回放功能的實(shí)現(xiàn)。研究 了t c p 口協(xié)議的相關(guān)應(yīng)用，對(duì)視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的難點(diǎn)技術(shù)，如傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)性、 服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)流量控制等技術(shù)進(jìn)行了討論。 第三章，主要介紹了體育比賽遠(yuǎn)程指揮功能的實(shí)現(xiàn)，主要對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了 分析。 第四章，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試和應(yīng)用。 第五章，是全文的總結(jié)部分，并展望今后需要研究的內(nèi)容。 5 一 北方丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 相關(guān)理論和技術(shù)介紹 本章將介紹與本課題研究相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)是對(duì)體育比賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)中賽場(chǎng) 視頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及文件傳輸技術(shù)進(jìn)行了介紹。這些部分是構(gòu)成體育比 賽遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。 2 1 數(shù)字視頻基礎(chǔ) 現(xiàn)有的采集系統(tǒng)如攝像頭、攝像機(jī)在信號(hào)的產(chǎn)生、處理、記錄、傳遞和接收的過(guò)程 中，仍然是模擬的信號(hào)。而所謂數(shù)字信號(hào)是指在模擬信號(hào)產(chǎn)生后的處理、記錄、傳遞和 接收的過(guò)程中使用的都是數(shù)字信號(hào)，即在時(shí)間上和幅度上都是離散化的信號(hào)【8 】。其中涉 及到視頻音頻采集技術(shù)，視頻音頻實(shí)時(shí)壓縮技術(shù)，視頻音頻實(shí)時(shí)解壓技術(shù)等。本章就這 一系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。 2 1 1 數(shù)字視頻的采樣格式 根據(jù)電視信號(hào)的特征，亮度信號(hào)的帶寬是色度信號(hào)帶寬的兩倍。因此其數(shù)字化時(shí)可 采用幅色采樣法，即對(duì)信號(hào)的色差分量的采樣率低于對(duì)亮度分量的采樣率。用y ：u ：v 來(lái)表示y u v 三分量的采樣比例，則數(shù)字視頻的采樣格式分別有4 ：1 ：1 、4 ：2 ：2 和4 ： 4 ：4 三種【9 】。電視圖像既是空間的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)，而且又是隔行掃描式，所以 其采樣方式比掃描儀掃描圖像的方式要復(fù)雜得多。分量采樣時(shí)采到的是隔行樣本點(diǎn)，要 把隔行樣本組合成逐行樣本，然后進(jìn)行樣本點(diǎn)的量化，y u v 到r g b 色彩空間的轉(zhuǎn)換等等， 最后才能得到數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。 2 1 2 數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn) 為了在p a l 、n t s c 和s e c a m 電視制式之間確定共同的數(shù)字化參數(shù)，國(guó)家無(wú)線電咨詢 委員會(huì)( c c i r ) 制定了廣播級(jí)質(zhì)量的數(shù)字電視編碼標(biāo)準(zhǔn)，稱為c c i r 6 0 1 標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn) 中，對(duì)采樣頻率、采樣結(jié)構(gòu)、色彩空間轉(zhuǎn)換等都作了嚴(yán)格的規(guī)定，主要有： ( 1 ) 采樣頻率為f s = 1 3 5 姍z ( 2 ) 分辨率與幀率，表2 1 為分辨率與幀率表。 表2 一1 分辨率與幀率表 隧戮鰳麓緩籀黼霧籠緩戮豁黲爨荔霾茲 n 7 r s c6 4 0 4 8 03 0 p a l 、e c a m7 6 8 5 7 62 5 - 6 一 北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 根據(jù)f s 的采樣率，在不同的采樣格式下計(jì)算出數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量。表2 2 為 采樣格式與數(shù)據(jù)量關(guān)系表。 表2 2 采樣格式與數(shù)據(jù)量關(guān)系表 綴荔簇黲燃荔綴搋i 勞緩瓣彩德彰嬲鰳繃燃嬲 4 ：2 ：22 7 4 ：4 ：44 0 2 2 視頻圖像壓縮技術(shù) 由上面的表格我們可知對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量，對(duì)于目前的計(jì)算機(jī)和 網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)無(wú)論是存儲(chǔ)或傳輸都是不現(xiàn)實(shí)的，因此在多媒體中應(yīng)用數(shù)字視頻的關(guān)鍵問(wèn)題是 數(shù)字視頻的壓縮技術(shù)。 2 2 1 視頻壓縮編碼的基本概念 視頻壓縮的目標(biāo)是在盡可能保證視覺效果的前提下減少視頻數(shù)據(jù)率。視頻壓縮比一 般指壓縮后的數(shù)據(jù)量與壓縮前的數(shù)據(jù)量之比。由于視頻是連續(xù)的靜態(tài)圖像，因此其壓縮 編碼算法與靜態(tài)圖像的壓縮編碼算法有某些共同之處，但是運(yùn)動(dòng)的視頻還有其自身的特 性，因此在壓縮時(shí)還應(yīng)考慮其運(yùn)動(dòng)特性才能達(dá)到高壓縮的目標(biāo)。 圖像數(shù)據(jù)的壓縮機(jī)理來(lái)自兩個(gè)方面：一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；二 是利用人眼的視覺特性【1 0 1 。 1 ) 圖像信號(hào)的冗余度 為了提出有效的數(shù)據(jù)壓縮方法，首先必修搞清楚圖像數(shù)據(jù)中存在哪些冗余。 ( 1 ) 空間冗余：在同一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景都具有很強(qiáng)的相關(guān)性，稱之 為空間冗余。 ( 2 ) 時(shí)間冗余：在圖像序列中的兩幅相鄰的圖像之間有較大的相關(guān)性，稱之為時(shí)間冗 余。 ( 3 ) 結(jié)構(gòu)冗余：有些圖像從大域上看存在著非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)。 ( 4 ) 視覺冗余：圖像最終是由人觀看的，人眼的視覺特性是圖像壓縮編碼的另一個(gè) 重要根據(jù)。人眼的視覺系統(tǒng)對(duì)于圖像的注意是非均勻和非線性的，圖像的編碼和解碼處 理盡管引入了噪聲使圖像發(fā)生了變化，但這些變化如果不一定被視覺所查覺，稱之為視覺 冗余。 7 _ 北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 ) 數(shù)據(jù)壓縮編碼方法的分類 ( 1 ) 有損和無(wú)損壓縮：在視頻壓縮中有損( l o s s y ) 和無(wú)損( l o s s l e s s ) 的概念與 靜態(tài)圖像中基本類似。無(wú)損壓縮也即壓縮前和解壓縮后的數(shù)據(jù)完全一致。多數(shù)的無(wú)損壓 縮都采用r l e 行程編碼算法。有損壓縮意味著解壓縮后的數(shù)據(jù)與壓縮前的數(shù)據(jù)不一致。 在壓縮的過(guò)程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息，而且丟失的信息不 可恢復(fù)。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮，這樣才能達(dá)到低數(shù)據(jù)率的目標(biāo)。丟失 的數(shù)據(jù)率與壓縮比有關(guān)，壓縮比越小，丟失的數(shù)據(jù)越多，解壓縮后的效果一般越差。此 外，某些有損壓縮算法采用多次重復(fù)壓縮的方式，這樣還會(huì)引起額外的數(shù)據(jù)丟失。 ( 2 ) 幀內(nèi)和幀間壓縮：幀內(nèi)( i n t r a f r 鋤e ) 壓縮也稱為空間壓縮。當(dāng)壓縮一幀圖像 時(shí)，僅考慮本幀的數(shù)據(jù)而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實(shí)際上與靜態(tài)圖像壓縮類似。 幀內(nèi)一般采用有損壓縮算法，由于幀內(nèi)壓縮時(shí)各個(gè)幀之問(wèn)沒(méi)有相互關(guān)系，所以壓縮后的 視頻數(shù)據(jù)仍可以以幀為單位進(jìn)行編輯。幀內(nèi)壓縮一般達(dá)不到很高的壓縮。采用幀間 ( i n t e r f r 鋤e ) 壓縮是基于許多視頻或動(dòng)畫的連續(xù)前后兩幀具有很大的相關(guān)性，或者說(shuō) 前后兩幀信息變化很小的特點(diǎn)。也即連續(xù)的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息，根據(jù)這一 特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進(jìn)一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀問(wèn)壓縮也稱 為時(shí)間壓縮( t e m p o r a l c o m p r e s s i o n ) ，它通過(guò)比較時(shí)間軸上不同幀之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。 幀間壓縮一般是無(wú)損的。幀差值( f r 硼e d i f f e r e n c i n g ) 算法是一種典型的時(shí)聞壓縮法， 它通過(guò)比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減 少數(shù)據(jù)量。 ( 3 ) 對(duì)稱和不對(duì)稱編碼：對(duì)稱性( s y 舳e t r i c ) 是壓縮編碼的一個(gè)關(guān)鍵特征。對(duì)稱 意味著壓縮和解壓縮占用相同的計(jì)算處理能力和時(shí)間，對(duì)稱算法適合于實(shí)時(shí)壓縮和傳送 視頻，如視頻會(huì)議應(yīng)用就以采用對(duì)稱的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其它多媒體 應(yīng)用中，一般是把視頻預(yù)先壓縮處理好，爾后再播放，因此可以采用不對(duì)稱( a s y 聊e t r i c ) 編碼。不對(duì)稱或非對(duì)稱意味著壓縮時(shí)需要花費(fèi)大量的處理能力和時(shí)間，而解壓縮時(shí)則能 較好地實(shí)時(shí)回放，也即以不同的速度進(jìn)行壓縮和解壓縮。一般地說(shuō)，壓縮一段視頻的時(shí) 間比回放( 解壓縮) 該視頻的時(shí)間要多得多。例如，壓縮一段三分鐘的視頻片斷可能需 要1 0 多分鐘的時(shí)間，而該片斷實(shí)時(shí)回放時(shí)間只有三分鐘。 3 ) 數(shù)據(jù)壓縮編碼原理 根據(jù)壓縮方法的原理來(lái)分，又大致分為：預(yù)測(cè)編碼( p r e d i c t i v ec o d i n g ) 、變換編 碼( t r a n s f 0 珈c o d i n g ) 、信息熵編碼( e n t r o p yc o d i n g ) 等【。 ( 1 ) 預(yù)測(cè)編碼 - 8 - 北方t 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 預(yù)測(cè)編碼主要是減少數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，根據(jù)某一模型利用過(guò)去的樣值 對(duì)當(dāng)前樣值進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將當(dāng)前樣值的實(shí)際數(shù)值與預(yù)測(cè)值相減得到一個(gè)差值，只對(duì)這 一預(yù)測(cè)誤差值進(jìn)行編碼。如果預(yù)測(cè)模型足夠好，且樣值序列在時(shí)間軸上有較強(qiáng)的相關(guān)性， 預(yù)測(cè)誤差信號(hào)則比原始信號(hào)小的多，再用通過(guò)適當(dāng)?shù)牧炕骱途幋a器將會(huì)使數(shù)據(jù)量大幅 度減少。 在編碼端，預(yù)測(cè)器的作用是利用當(dāng)前時(shí)刻n 之前的相鄰樣值x 1 ，x 2 ，x n 一1 對(duì)當(dāng)前 時(shí)刻輸入的信號(hào)樣值x n 作預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)誤差為：島= 矗一h ，量化后的預(yù)測(cè)誤差信號(hào)為 q ( e n ) ，編碼器對(duì)預(yù)測(cè)誤差信號(hào)q ( e n ) 用進(jìn)行編碼以便于傳輸。 預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)精度越高，誤差信號(hào)e n 就越小，編碼后的碼率就會(huì)越低。按預(yù)測(cè)值選 用的相鄰像素不同，預(yù)測(cè)器可分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀問(wèn)預(yù)測(cè)。圖2 1 為幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè) 相鄰像素示意圖。 一9 瀚0 一 上一行o o 猢一 鞴 稍撇素 幀內(nèi)預(yù)測(cè)相鄰象素示意圖 幀間編碼示意圖 圖2 一l 幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)相鄰像素示意圖 幀內(nèi)預(yù)測(cè)是根據(jù)已經(jīng)傳送的同一幀內(nèi)的像素來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素，又可分為以下幾種： 前值預(yù)測(cè)一用同一掃描行中最相鄰的前一個(gè)亮度信號(hào)的樣值來(lái)預(yù)測(cè)； 一維預(yù)測(cè)一用同一掃描行中前幾個(gè)取樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素。 = a l 而+ 盤2 恐 二維預(yù)測(cè)一用同一掃描行和上幾個(gè)行中的幾個(gè)抽樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素。 工柏= d 1 2 1 + 口2 x 2 + 以3 ) c3 + 以4 工4 + a 5 ) c 5 + 口6 ) 6 + 以7 ) c 7 + 幀間預(yù)測(cè)又稱為三維預(yù)測(cè)是用前一幀的像素來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素。這種預(yù)測(cè)器需要使用 大容量的幀存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)前一幀的圖像。 由于圖像信號(hào)的幀內(nèi)和幀間存在著高度相關(guān)性，預(yù)測(cè)誤差e n 的概率分布高度集中在 0 附近如圖2 2 預(yù)測(cè)誤差概率分布曲線所示。 9 北方一j ：業(yè)人學(xué)碩i ：學(xué)位論文 lr 亮度緩變區(qū) 毪 、 罐激稚? 警 u 射 ?jr i ， i j 一 一 0 一 ( a ) 預(yù)測(cè)誤差概率分布 一( b ) 非均勻量化曲線。 圖2 2 預(yù)測(cè)誤差概率分布曲線 ( 2 ) 正交變換編碼 正交變換編碼的基本思想是將圖像信號(hào)變換到變換域進(jìn)行描寫。然后再根據(jù)圖像在 變換域中系數(shù)的特點(diǎn)和人眼的視覺特性進(jìn)行適當(dāng)量化編碼。f 交變換編碼也有變換、量 化、編碼三大過(guò)程。在圖像處理中，正交變換編碼有很多類型，在數(shù)字電視和多媒體領(lǐng) 域中得到廣泛應(yīng)用的是離散余弦變換壓縮編碼( d c t ) 。 對(duì)于一個(gè)n n 圖像f ( x ，y ) 的二維d c t 定義為： 正變換 廠阢1 ，) _ 三掣掣c ( “) c ( v ) f ( ”，v ) c o s 堡型坐c o s 里生業(yè)三 廠( y ) 2 專萎丟c ( “) c ( v ) f ( ”，v ) c o s 警s 警 j = ov = 0 厶1 厶1 反變換 廠k1 ，) ：三掣掣c ( “) c ( 1 ，) f ( “，v ) c o s 堅(jiān)型塵里c o s 堡型塵豎 ( _ y ) 2 專萎薈c ( “) c ( v ) f ( “，v ) c o s 警s 警 x = ov = 0 厶- 1 其中u ，v = o ，l ，n l ：x ，y = ( ) ，1 ，n1 在d c t 變換中圖像信號(hào)在變換域里能量主要集巾在低頻區(qū)，根據(jù)人眼對(duì)圖像的低頻 分量比對(duì)高頻分量更敏感的視覺特性，可以對(duì)變換系數(shù)矩陣r ，的不同變換系數(shù)分別乘以 不同視覺加權(quán)系數(shù)，這一加權(quán)系數(shù)應(yīng)隨空i 訓(xùn)頻率的增加而逐漸減小。 2 2 2 視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn) 目前，許多實(shí)驗(yàn)性的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)都把視頻傳輸?shù)募夹g(shù)和應(yīng)用作為研究的重點(diǎn)課題。 在i n t e m e t 上傳輸視頻有許多困難，其根本的原因在于i n t e m e t 的無(wú)連接每包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制主 要為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，不適用于對(duì)連續(xù)媒體流的傳輸。為了在i n t e m e t 上有效的、 高質(zhì)量的傳輸視頻流，需要多種技術(shù)的支持，其中數(shù)字視頻的壓縮編碼技術(shù)是i n t e m e t 視頻傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 視頻流傳輸中最為重要的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)際電聯(lián)的h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，運(yùn)動(dòng)靜止 圖像專家組的m j p e g 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織運(yùn)動(dòng)圖像專家組的m p e g 系列標(biāo)準(zhǔn)，此外在互 一1 0 北方工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 聯(lián)網(wǎng)上被廣泛應(yīng)用的還有r e a l - n e t 、) 哪婦的r e a j v i d e o 、微軟公司的、仃以及a p p l e 公 司的q l u i c l ( t j m e 掣d j 。 1 ) 國(guó)際電聯(lián)的h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn) ( 1 ) h 2 6 1 又稱為p 宰6 4 ，其中p 為6 4 k b s 的取值范圍，是1 到3 0 的可變參數(shù)，它 最初是針對(duì)在i s d n 上實(shí)現(xiàn)電信會(huì)議應(yīng)用特別是面對(duì)面的可視電話和視頻會(huì)議而設(shè)計(jì)的。 實(shí)際的編碼算法類似于m p e g 算法，但不能與后者兼容。h 2 6 1 在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比m p e g 所占用的c p u 運(yùn)算量少得多，此算法為了優(yōu)化帶寬占用量，引進(jìn)了在圖像質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)幅 度之間的平衡折中機(jī)制，也就是說(shuō)，劇烈運(yùn)動(dòng)的圖像比相對(duì)靜止的圖像質(zhì)量要差。因此 這種方法是屬于恒定碼流可變質(zhì)量編碼而非恒定質(zhì)量可變碼流編碼。 ( 2 ) h 2 6 3 是國(guó)際電聯(lián)n u - t 的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案，是為低碼流通信而設(shè)計(jì)的。但實(shí)際 上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用在很寬的碼流范圍，而非只用于低碼流應(yīng)用，它在許多應(yīng)用中可以認(rèn)為 被用于取代h 2 6 1 。h 2 6 3 的編碼算法與h 2 6 l 一樣，但做了一些改善和改變，以提高性 能和糾錯(cuò)能力。2 6 3 標(biāo)準(zhǔn)在低碼率下能夠提供比h 2 6 1 更好的圖像效果，兩者的區(qū)別有： 1 ) h 2 6 3 的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償使用半象素精度，而h 2 6 1 則用全象素精度和循環(huán)濾波；2 ) 數(shù)據(jù)流層 次結(jié)構(gòu)的某些部分在h 2 6 3 中是可選的，使得編解碼可以配置成更低的數(shù)據(jù)率或更好的 糾錯(cuò)能力；3 ) h 2 6 3 包含四個(gè)可協(xié)商的選項(xiàng)以改善性能；4 ) h 2 6 3 采用無(wú)限制的運(yùn)動(dòng)向量 以及基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼；5 ) 采用事先預(yù)測(cè)和與m p e g 中的p b 幀一樣的幀預(yù)測(cè)方法； 6 ) h 2 6 3 支持5 種分辨率，即除了支持h 2 6 1 中所支持的q c 和c 外，還支持s q c i f 、 4 c 和1 6 c i f ，s q c i f 相當(dāng)于q c 一半的分辨率，而4 c 和1 6 c i f 分別為c 的4 倍和1 6 倍。h 2 6 3 已經(jīng)基本上取代了h 2 6 1 。 ( 3 ) h 2 6 4 是由i s o i e c 與i t u t 組成的聯(lián)合視頻組( j v t ) 制定的新一代視頻壓縮 編碼標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)的開展可以追溯到8 年前。1 9 9 6 年制定h 2 6 3 標(biāo)準(zhǔn)后， i t u _ t 的視頻編碼專家組( v c e g ) 開始了兩個(gè)