IPTV编码器的设计与实现

1. 前言

IPTV编码器是一种用于广播或者电视转播项目的专业音视频数据处理设备，由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成，通过串行接口控制摄像头和麦克风录制音频和视频信号，并对其进行编码，完成声音图像数据的采集和复原等。IPTV编码器输出的主要是基于MPEG-4或H.264的图像数据以及音频数据。

目前国际上主流的IPTV编码器是针对媒体传输和IPTV解决方案的第四代实时MPEG-4 AVC/H.264编码器。它们大多采用MPEG-4 AVC/H.264压缩技术，这基本是标清广播采集、分配和IPTV应用的理想选择。它们能以不到2Mbps的码流传输全分辨率最高质量的视频。MPEG-4编码技术在宽带接入日益普及的环境下，在网上观看、下载电影成为很多用户非常熟悉的应用。压缩电影的背后是MPEG-4技术，而MPEG-4背后有一条不平凡的发展道路。

运动图像专家组——这个名称对很多人来说还很陌生，但提到它的英文简称MPEG（Moving Picture Experts Group）,便几乎是尽人皆知了。MPEG是隶属于ISO/IEC的一个专家工作组，主要负责为数字音视频编码算法开发和制定标准。MPEG组织始建于1988年，并于1992年制定出MPEG0-1标准，它能将视频数据压缩成1-2Mpbs的标准数据流，工业产品VCD机和MP3播放器都是以该标准为基础衍生出来的。随后的1994年，该组织制定出MPEG-2标准，它是为了获得更高的分辨率（720*486）、提供广播级视频和CD品质的音频而产生的高质量音视频编码标准，传输速率在3-10Mbps，它也是数字电视、DVB和DVD所遵循的压缩标准。

随着研究工作的深入发展，ISO又公布了“超低比特率活动图像和语音压缩标准”，排序MPEG-4。1998年10月批准第一版，1994年4月又公布了第二版及其校验模型（VM）。MPEG-4正式编号是ISO/IEC国际标准14496，它是一种新型的多媒体标准。与前标准一个重要区别就在于，它是一个基于对象的视频编码压缩标准，它所定义的码率控制的目标就是获得在给定码率下的最优质量，它为互联网上传输高质量的多媒体视频提供了很好的技术平台。

2. 总体方案设计

随着视频技术和MPEG4应用领域更加广泛，国内对IPTV编解码器研究探索也将步入更高层次的阶段，从应用现状和市场需求的角度来看，对MPEG4编解码器的研究和开发更是重点。目前实现IPTV编码器的方式主要有三种，分别是纯硬件方式、软件方式和基于DSP的方式，三种方式各有特点。

2.1 各方案论证

（1）纯硬件方式

纯硬件方式就是使用专用集成芯片来实现视频编码，随着VLSI（超大规模集成电路）技术的发展，各大VLSI厂商相继推出了各种高性能的视频图像处理专用芯片，如Philips公司的Trimedia系列、IBM公司的MPEG S系列等。这种方式将视频压缩算法固化在芯片中，特点是开发周期短，压缩率高，运算速度快，图像质量和系统实时性较好，缺点是一旦视频编码方案固定，则系统升级与更新比较困难，而且专用芯片造价比较高，通用性差，不易推广。（2）软件方式

软件方式就是利用PC机通过基于计算机操作系统的软件来实现视频编码，虽然比较容易实现软件的升级，但系统性能受PC机处理器运算能力所限，最大缺陷为速度慢，实时处理视频信号不容易实现，其主要是用于前期仿真，验证算法的正确性。

（3）基于DSP的方式

基于高速DSP实现视频编码是应用最多的一种方法。利用DSP的高速信号处理能力，使用软件实现的算法在其上运行时可以大大缩短执行时间，获得高压缩率，同时由于数字视频的标准广泛，产品的更新要求更多，采用DSP做产品将更加具有优势，当进行软件升级或使用新的编码标准的时候，只需要对代码进行修改和调整DSP的配置就可以实现。该方案易升级，应用灵活，通用性强，具有更加实际的产品发展前景。随着DSP向高速、低功耗、多媒体化、多处理器的方向发展，使得用DSP实现视频编码更加方便，图像质量也更好。

我的设计主要是通过对MPEG4编码标准原理和算法进行深入分析，以MPEG4的公开参考源代码XVID-1.1.0为基础，对基于PC的软件代码进行调整，结合DSP的硬件和指令结构特性，在以TI公司的TMS320DM642 DSP为核心的硬件平台上实现了MPEG4视频编码器，并通过

软件优化等方法，使编码器基本满足实时性要求。

2.2 方案比较

通过对上述三种方案的分别论述可知：纯硬件方式实现容易，并且各方面参数都能到达理想值，但是其方案一旦固定就无法更改，因此系统的升级和更新困难，而且芯片造价高，性价比较低，这就给产品的推广造成了阻碍；方案二阐明了软件方式的优缺点，虽然比较容易实现升级，但其运算速度慢，一般仅用于前期的仿真处理。方案三是基于DSP的方式，它不仅能高速的处理信号，而且具有良好的兼容性，软件更新和使用新的编码标准时易实现，具有更多实际产品的发展前景。

2.3 方案选择

我的设计意义在于通过基于DSP的MPEG4编码器的研究，全面剖析了MPEG标准的核心算法，总结讨论了基于DSP的软件开发和优化方法，尤其是在视频编码器方面，可作为今后对MPEG4编码算法改进和研究其它视频标准编码器在DSP平台上实现的基础和借鉴。本课题的研究成果可应用于实现脱离计算机独立工作的脱机图像处理系统，使MPEG4的应用更加灵活方便，可以将MPEG4应用于更加多样化的领域和不同的工作环境。而且鉴于目前市场上专用视频编码芯片价格昂贵，本方案可以大大降低实现MPEG4应用的成本，与同类产品相比将具有较强的市场竞争力。

近年来，随着网络和多媒体技术的发展，视频信息通信的重要性和需求急剧增长，而其中的关键就在于视频压缩编码技术的应用。ITU和ISO制订的这一系列视频编码标准，都在原来的技术上不断地完善和升级，从而极大地推动了视频多媒体技术的实用化和产业化。MPEG4是一种可应用于通信、广播和计算机等诸多领域的通用视频编码标准，它基于对象的编码方式可以使图像主观质量、交互性更好，同时具有很好的容错性和时间、空间伸屈性，具有适应各种带宽的强大能力，能够使视频数据在多媒体环境中对视频目标进行高效存储、传输和操纵。MPEG4已经在数字电视、视频会议、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、Internet上的视频流与可视游戏、DVD上的交互多媒体应用、电视点播等方面有了广泛的应用，目前是视频压缩编码应用的主流，从而成为国内外视频编码研究和应用的热点。同其他IPTV编码标准相比，MPEG4的特点和所支持的新功能主要表现在以下三个方面：（1）基于内容的交互性（Content-based Interactivity）