機載視頻儀表的設計與實現

機載視頻儀表的設計與實現

1ts流視頻數據打包格式車載hdr通常需要記錄一個通道的視頻數據和兩個通道的音調數據?，F在，這些音跡數據以文件的形式存儲在不同的文件中。在實際應用中發(fā)現以下幾個問題:(1)如果在文件系統(tǒng)中存在多個文件,那么會增加文件系統(tǒng)的碎片,降低磁盤的讀寫效率;(2)一旦文件系統(tǒng)被破壞,則視頻數據關鍵的信息會丟失,從而造成整個視頻記錄都不能被播放;(3)數據分布在不同的文件中,不利于查找和搜索。要解決這些問題,需要將各路視頻數據打入同一個碼流,并在各路視頻數據中打入統(tǒng)一的時間標記,以便各路視頻同步回放。本文對于TS流的視頻數據打包格式做了簡單的分析,能圓滿解決以上問題,具體解決途徑如下:(1)TS流可以將多路音視頻數據合并成一個碼流并存成一個文件,有效減少文件碎片,提高磁盤讀寫效率;(2)在TS流中定時插入視頻格式、幀率,圖像大小等關鍵的視頻信息,這樣可以避免因部分數據損壞而造成的整個文件不能播放的問題;(3)在TS流中,各路視頻數據在文件的位置非常接近,這有利于對視頻數據的查找和搜索,也方便了音視頻數據的同步回放。2傳輸流psi在MPEG2標準中,為了將一個或更多的音頻、視頻或其他的基本數據流合成單個或多個數據流以適應于存儲和傳送,必須對其重新進行打包編碼,在碼流中還需插入各種時間標記和系統(tǒng)控制等信息,最后送到信道編碼與調制器。這樣可以形成兩種數據流——傳輸流(TS)和程序流(PS)。傳輸流是根據ITU-TRec.H.222.0|ISO/IEC13818-2和ISO/IEC13818-3協(xié)議而定義的一種數據流,其目的是為了在有可能發(fā)生嚴重錯誤的情況下進行一道或多道程序編碼數據的傳送和存儲。這種錯誤表現為比特值錯誤或分組丟失。傳輸流由一道或多道節(jié)目組成,每道節(jié)目由一個或多個原始流和一些其他流復合在一起,包括視頻流、音頻流、節(jié)目特殊信息流(PSI:ProgramSpecificInformation)和其他數據包。其中PSI表有4種類型:節(jié)目關聯(lián)表(PAT:ProgramAssociationTable)、節(jié)目映射表(PMT:ProgramMapTable)、網絡信息表(NIT:NerworkInformationTable)和條件訪問表(CAT:ConditionalAccessTable)。傳輸流應用比較廣泛,如視音頻資料的保存、電視節(jié)目的非線性編輯系統(tǒng)及其網絡等。在開發(fā)機頂盒以及視頻設備時有時需要對碼流的編碼知識有比較清楚的了解,這樣才能在遇到問題時做出全面的分析。3有效負載存儲如圖1所示,TS包的長度是固定的,為188字節(jié),包括同步字節(jié)0x47和數據包識別號PID等。PID為13位字段,指示存儲于分組有效負載中數據的類型,PID值0x0000為程序關聯(lián)表保留,而0x0001為條件訪問表保留,0x1FFF為空分組保留。從PID可以判斷其后面負載的數據類型是視頻流、音頻流、PSI還是其他數據包。(1)節(jié)目關聯(lián)表pmtPAT表用MPEG指定的PID(00)標明,通常用PID=0表示。它的主要作用是針對復用的每一路傳輸流,指明傳輸流中包含哪些節(jié)目、節(jié)目的編號以及對應節(jié)目的節(jié)目映射表(PMT)的位置,即PMT的TS包的包標識符(PID)的值,同時還提供網絡信息表(NIT)的位置,即NIT的TS包的包標識符(PID)的值。(2)pid的表達CAT表用MPEG指定的PID(01)標明,通常用PID=1表示。它提供了在復用流中條件接收系統(tǒng)的有關信息,指定CA系統(tǒng)與它們相應的授權管理信息(EMM)之間的聯(lián)系,指定EMM的PID,以及相關的參數。(3)節(jié)目時鐘和時距節(jié)目映射表指明該節(jié)目包含的內容,即該節(jié)目由哪些流組成,這些流的類型(音頻、視頻、數據),以及組成該節(jié)目的流的位置,即對應的TS包的PID值,每路節(jié)目的節(jié)目時鐘參考(PCR)字段的位置。(4)網絡信息表nit網絡信息表提供關于多組傳輸流和傳輸網絡相關的信息,其中包含傳輸流描述符、通道頻率、衛(wèi)星發(fā)射器號碼和調制特性等信息。(5)傳輸流描述表tsdt：transportmas運行描述表傳輸流描述表由PID為2的TS包傳送,提供傳輸流的一些主要參數。(6)專業(yè)部門具體部門MPEG-2還定義了一種專用段用于傳送用戶自己定義的專用數據。(7)psi表的存儲技術除了上述的表述之外,MPEG-2還定義了許多描述符,這些描述符提供關于視頻流、音頻流、語言、層次、系統(tǒng)時鐘、碼率等多方面的信息,在PSI的表中可以靈活地采用這些描述符進一步為接收機提供更多的信息。在解碼時,接收機首先根據PID值找到PAT表,找出相應節(jié)目的PMT表的PID,再由該PID找到該PMT表,再在PMT表中找到相應的碼流,然后開始解碼4節(jié)目特殊狀況MPEG-2解碼器接收到MPEG-2TS流時,首先檢測包結構,在TS流中查找同步字節(jié):47hex,后者總位于TS包開始位置,固定間隔為188字節(jié)。同時滿足這兩個條件,可以確定同步。如果出現一個字節(jié)為47hex,解碼器將檢測這個字節(jié)前后n倍188字節(jié)的位置是否也是同步字節(jié)。如果是,則當前字節(jié)為同步字節(jié);否則,當前字節(jié)只是碼流中偶爾出現的47hex,不是同步字節(jié)。接收端收到5個TS包之后開始同步。丟包3個之后解碼器即失步。TS流中傳送節(jié)目的數目和結構靈活多變,TS流中必須包含列表來描述TS流的瞬時結構。這些列表稱為節(jié)目特殊信息流(PSI),是偶爾在payload中傳輸的表格,包括:節(jié)目關聯(lián)表(PAT)和節(jié)目映射表(PMT),其結構如圖2所示。每個TS流包含一個PAT,每隔0.5sec重復。PAT描述TS流中有多少個節(jié)目。包含該表的TS包的PID為0,便于識別。PAT的payload中傳送特殊PID的列表,每個PID對應一個節(jié)目。這些PID是描述每個獨立節(jié)目詳細信息的指針。PID指向PMT表。PMT對應TS包有特殊的PID和特殊的payload。PMT的PID由PAT傳送。例如要接收節(jié)目3時,先從PAT的payload中的所有PID列表中選出節(jié)目3的PID為1FF3hex,然后查找包頭中PID=1FF3hex的TS包,就是節(jié)目3的PMT。PMT包含該節(jié)目中所有ES流(視頻、音頻或數據)的PID。一個節(jié)目可能有多個視頻和音頻流,解碼器必須選擇2個PID,一個視頻流的PID(100hex),一個音頻流的PID(200hex)。此后解碼器只收集這些TS包,解復用,重新組成PES包,這些PES包再送到視頻或音頻解碼器。傳輸過程中TS流的結構也可能發(fā)生改變。解碼端機頂盒,如DVB-S,必須連續(xù)檢測TS流瞬時結構,讀出PAT和PMT,做自適應調整。PAT和PMT讀出以后,用戶確定出一個節(jié)目的兩個PID:待解碼視頻信號的PID(如100hex)和待解碼音頻信號的PID(如200hex)。解碼器只處理這兩個PID的TS包:解復用過程中,PID為100hex的所有TS包集合成視頻PES包,送到視頻解碼器;同樣,PID為200hex的所有TS包重新集合成音頻PES包,送到音頻解碼器。如果ES流沒有加擾,這時可以直接解碼。5流量同步5.1接收端時鐘和解碼過程由于亮度信號采樣頻率為13.5MHz,色度信號為6.75MHz。27MHz是采樣頻率的倍數,作為發(fā)送端MPEG編碼器所有處理過程的參考或基本頻率。編碼器中27MHz振蕩器作為系統(tǒng)時鐘(STC)的輸入。STC是42bit計數器,由27MHz時鐘計數,溢出后重新從0開始。LSB位不會計數到FFF,最大只有300,大約每26.5h計數器復位為0。接收端也必須提供STC,其27MHz振蕩器和42bit計數器必須與編碼器STC完全同步。MPEG碼流中需傳送參考信息(PCR:ProgramClockReference),即在固定時刻將最新的STC計數器值復制到TS流中。PCR使得碼流中帶有準確的內部時鐘,所有編碼和解碼過程都受這個內部時鐘控制。解碼器必須讀出PCR值,與自身系統(tǒng)時鐘(42bit計數器)比較。如果收到的PCR與解碼器系統(tǒng)時鐘一致,則收發(fā)端時鐘同步;如果不一致,則根據差別大小產生一個控制變量送到鎖相環(huán),可以糾正接收端的振蕩器。同時,42bit計數器總是設為收到的PCR值,這是系統(tǒng)初始化和節(jié)目改變時的基本要求。碼流中傳送的PCR值必須足夠多,有最大間隔的限制;而且要相對準確,沒有抖動。MPEG標準規(guī)定:每個節(jié)目PCR的最大間隔為40ms。PCR的抖動小于±500ns。PCR信息在相應節(jié)目TS包的adaptationfield中傳送,而TS包類型的準確信息可以從PMT中獲得。節(jié)目時鐘同步以后,視音頻編碼就可以鎖定系統(tǒng)時鐘。5.2顯示時間標記pts視頻和音頻PES包頭中需要有附加的時間信息。該時間信息由STC獲得。STC的33位最高有效字符(MSB:MostSignificantBit)被插入到視音頻PES包頭中,最大間隔為700ms,稱為顯示時間標記(PTS:PresentationTimeStamps)。由于編碼規(guī)則限制,視頻幀的傳輸順序與顯示順序不同,視頻流PES頭需要另外的時間戳,即解碼時間標記(DTS:DecodingTimeStamps)。6ts流技術應用以上探討了使用TS流封裝機載視頻數據的可能性,要將各路視頻打包成TS流,需要將各路原始視頻數據基本流(ES:ElementaryStream)打包成打包基本流(PES:PacketizedElementaryStream),并由CPU模塊將多路視頻數據合成同一個TS流,關鍵技術問題有以下幾點:(1)dv視頻解碼視頻圖像編碼有3種圖像類型:I幀,P幀和B幀。所有的P幀解碼和顯示時間相同,所以P幀的PES包不存在DTS域,對應的DTS計數值即為其PTS值。機載DVR一般都不會產生B幀,所以可以忽略DTS。而對于I幀和P幀而言,兩種類型處理方式基本相同,只是對于編碼器的第一個GOP的第一個I幀是特殊情況,由于其只是在整個編碼過程中開機瞬間僅有一幀為特殊,所以可以不必考慮。當解碼器檢測到視頻PES包頭部到達解碼器時,系統(tǒng)從頭部數據段中抽取DTS和PTS并保存到一張列表中。解碼時,每解到一幀圖像,則可以從列表中讀出相應的DTS/PTS,把此DTS/PTS值與STC值比較。當二者相等時,當前圖像開始解碼/顯示。(2)采集視頻模式音頻PCM的時鐘從本地系統(tǒng)時鐘分頻而來,其分頻比N可控。音頻的播放通過不斷微調分頻比N而微調播放的速度,實現音頻播放的同步。當音頻播放過快時,即PTS-STC>0,調小N,放慢播放速度;當音頻播放過慢時,即PTS-STC<O,調大N,加速播放速度。由于不存在跳幀或重復幀,故不會引起聽