數(shù)字視頻數(shù)字信息數(shù)據(jù)嵌入技術(shù)研究

數(shù)字視頻數(shù)字信息數(shù)據(jù)嵌入技術(shù)研究

現(xiàn)在，在信息社會(huì)的時(shí)代，信息的增長(zhǎng)是由爆炸引起的。特別是計(jì)算機(jī)多媒體開發(fā)的視覺效果和聽覺效果與之前傳統(tǒng)模擬信號(hào)的影響無法相比。豐富的顏色、美麗的畫面、生動(dòng)的音響,極大的滿足了人類生活、工作、學(xué)習(xí)等各方面的要求。比如廣播電視、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、MTV等領(lǐng)域。多媒體信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)工作大大的增加了對(duì)設(shè)備速度、容量性能的要求及成本的增加。因此當(dāng)前熱點(diǎn)是信息的壓縮技術(shù)、傳輸協(xié)議、存儲(chǔ)技術(shù)等的研究開發(fā),大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下,如電視、網(wǎng)絡(luò)等視音頻信息同時(shí)出現(xiàn),本文研發(fā)來源于此。數(shù)字視音頻傳統(tǒng)的傳輸方式是數(shù)字視頻與數(shù)字音頻信號(hào)分別傳輸。由于傳輸過程中數(shù)字視頻與數(shù)字音頻信號(hào)在經(jīng)過信號(hào)的分配、切換、放大等操作中處理方式及線路固有特性的不同導(dǎo)致了數(shù)字視頻信號(hào)與數(shù)字音頻信號(hào)的不同步,最終體現(xiàn)出圖像和聲音不和諧的問題,因此而提出了數(shù)字音頻嵌入技術(shù),視音頻同一路傳輸節(jié)約了傳輸設(shè)備,節(jié)約了帶寬提高了設(shè)備利用率。數(shù)字音頻由于傳輸過程中的分配、切換、放大等操作均與過去傳統(tǒng)的方式、方法有很大的不同。數(shù)字音頻嵌入技術(shù)與數(shù)字音頻解嵌技術(shù)和錯(cuò)誤檢測(cè)處理(EDH)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過程有待我們認(rèn)真的研發(fā)。將這些技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí),數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)是以具有相應(yīng)功能的物理設(shè)備的形式存在的。本文討論的主要內(nèi)容就是數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn),即進(jìn)行具有相應(yīng)功能的集成電路板的設(shè)計(jì)、調(diào)試及相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)等工作。1其它特性特性數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)中采用嵌入式系統(tǒng)是由于其不同于一般的系統(tǒng),它具有其它應(yīng)用所不具有的一些特性:1)專業(yè)性強(qiáng);2)體積小;3)良好的性能價(jià)格比;4)存儲(chǔ)容量小;5)實(shí)時(shí)性比較強(qiáng);6)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和開發(fā)平臺(tái)。1.1基于主機(jī)/目標(biāo)機(jī)的系統(tǒng)仿真數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)的開發(fā)是按照?qǐng)D1所示的流程進(jìn)行的。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常采用“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”方式。首先利用宿主機(jī)上豐富的資源及良好的開發(fā)環(huán)境和仿真調(diào)試目標(biāo)機(jī)上的軟件。然后通過串行口或網(wǎng)絡(luò)將交叉編譯生成的目標(biāo)代碼傳輸并裝載到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。最后在特定環(huán)境下運(yùn)行。在嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)中本系統(tǒng)使用的是C語言環(huán)境。1.2數(shù)字音頻嵌入/解嵌系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的連接現(xiàn)在的數(shù)字演播室都采用基于SDI的傳輸系統(tǒng),SDI數(shù)字視頻系統(tǒng)只能傳輸不壓縮的數(shù)字分量視頻信號(hào)以及數(shù)字音頻信號(hào),它們通過開關(guān)矩陣和電纜從信號(hào)源傳送到目的地。實(shí)踐證明,SDI系統(tǒng)能滿足各種使用的要求,能處理最高質(zhì)量的圖像信號(hào),至今尚無其它系統(tǒng)能夠代替它。演播室中大多數(shù)的設(shè)備都是串行數(shù)字信號(hào)接口,比如視音頻預(yù)監(jiān)設(shè)備、視音頻切換矩陣、視頻服務(wù)器等。有的設(shè)備要求輸入嵌入音頻的串行數(shù)字視頻信號(hào),有的設(shè)備要求視頻與音頻分別輸入,而輸出端也有不同的要求。這樣數(shù)字音頻嵌入/解嵌系統(tǒng)就廣泛與各種設(shè)備連接成為各個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里需要注意的是,演播室中數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)可以保證視頻和音頻在傳送過程中不產(chǎn)生延時(shí)差。但是,視頻和音頻總是分開的,要以圖像和聲音的形式分別傳送到用戶。由于,視頻處理系統(tǒng)的延時(shí)遠(yuǎn)大于音頻處理系統(tǒng)的延時(shí)。因此,最后在送往發(fā)射臺(tái)前為了均衡視音頻通路的延時(shí)差,在音頻通路中加了音頻延時(shí)線。目前,隨著大量新設(shè)備出現(xiàn)在演播室中,除了本文研究的數(shù)字音頻嵌入/解嵌系統(tǒng),還有視音頻A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字視音頻分配放大器、數(shù)字同步機(jī)、數(shù)字信號(hào)切換器等。這些新的設(shè)備基本上都采用了嵌入式系統(tǒng),目前這些設(shè)備都是分散管理的。本文在此提出一個(gè)新的方案,就是將電視臺(tái)中的這些分散管理的設(shè)備利用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN(ControllerAreaNetwork)局域網(wǎng)。CAN是一種由帶有CAN控制器組成的共性能串行數(shù)據(jù)局域通信網(wǎng)絡(luò),是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型一致,每一層與另一設(shè)備上相同的層通信,實(shí)際的通信發(fā)生在每一設(shè)備的兩層,設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。而應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。通過CAN總線將各個(gè)嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)連接,這樣就可以通過一個(gè)監(jiān)控臺(tái)來監(jiān)視和控制多個(gè)設(shè)備,提高了效率。1.3讀取讀取設(shè)備初始化首先是嵌入式微控制器的初始化,如I/O口引腳的定義,中斷優(yōu)先級(jí)的定義,計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的初始化等等。程序如下所示:在數(shù)字音頻嵌入系統(tǒng)中,使用了各種集成電路IC(IntegrateCircuit),比如SDI視頻接收芯片、串并轉(zhuǎn)換芯片、視音頻信號(hào)復(fù)合芯片、數(shù)字鎖相環(huán)PLL等。這些芯片上電后的初始狀態(tài)可能不符合系統(tǒng)的要求,這就需要用微控制器對(duì)這些芯片進(jìn)行寄存器初始化操作。這里,就以相對(duì)簡(jiǎn)單的串并轉(zhuǎn)換芯片為例來說明寄存器初始化的編程情況,如下所示:在對(duì)各功能模塊集成電路寄存器進(jìn)行初始化的時(shí)候,由于在系統(tǒng)中用到的芯片數(shù)量較多,如果都像上面的初始化程序那樣采用并行接口的話,就大大增加了印刷電路板圖繪制的復(fù)雜度,相應(yīng)的就會(huì)增加錯(cuò)誤產(chǎn)生的概率,增大開發(fā)時(shí)系統(tǒng)調(diào)試的難度。鑒于此,在系統(tǒng)中對(duì)于支持IIC總線的芯片,不采用傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸,從而節(jié)省了I/O口,減小了系統(tǒng)復(fù)雜度。2數(shù)字語音解壓縮技術(shù)的研究和應(yīng)用2.1數(shù)字視頻復(fù)合傳輸數(shù)字音頻解嵌過程實(shí)際上就是數(shù)字音頻嵌入的一個(gè)逆過程,它是將嵌入到數(shù)字視頻行消隱中的數(shù)字音頻提取出來,以滿足人們的實(shí)際要求。數(shù)字音頻及其它輔助數(shù)據(jù)嵌入到數(shù)字視頻的行消隱中復(fù)合傳輸,是為了保持視音頻信號(hào)同步已及傳輸?shù)姆奖愫透咝?。但?視頻信號(hào)和音頻信號(hào)最終是要分別傳送給人的眼睛和耳朵,就需要將數(shù)字音頻從數(shù)字視頻的行消隱中提取出來,以供不同應(yīng)用。1)通過非線性編輯等方法制作好的節(jié)目流在演播室傳輸過程中就是以數(shù)字視音頻復(fù)合傳輸?shù)拇袛?shù)字信號(hào)的方式在同軸電纜中傳輸?shù)摹?)在數(shù)字視音頻復(fù)合傳輸?shù)倪^程中,需要對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行一些壓縮編碼、信號(hào)測(cè)試等操作。類似的操作將破壞數(shù)字視頻行消隱中嵌入的數(shù)字音頻信號(hào),所以操作前應(yīng)該將數(shù)字音頻信號(hào)提取出來,避免音頻信號(hào)遭到破壞。2.2數(shù)字信號(hào)消隱在并行時(shí)鐘信號(hào)PCLK的驅(qū)動(dòng)下,并行數(shù)字視音頻復(fù)用信號(hào)進(jìn)入解復(fù)用器(Demutiplexer)。解復(fù)用器模塊通過時(shí)鐘參考信號(hào)TRS(TimeReferenceSignal)來判斷輸入的數(shù)字信號(hào)是有效視頻信號(hào)還是消隱信號(hào),每一行的行結(jié)束標(biāo)志后進(jìn)入行消隱區(qū),行開始標(biāo)志后進(jìn)入有效視頻區(qū)。進(jìn)入行消隱區(qū)后對(duì)輸入的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)輔助數(shù)據(jù)標(biāo)志字ADF時(shí),就表明含有數(shù)字音頻數(shù)據(jù)包,否則就表明不含有數(shù)字音頻數(shù)據(jù)包。當(dāng)確定含有數(shù)字音頻數(shù)據(jù)包時(shí)就可以將音頻數(shù)據(jù)包頭及其后面的音頻數(shù)據(jù)從數(shù)字視頻的行消隱中提取出來,所提取的音頻數(shù)據(jù)包的大小由音頻數(shù)據(jù)包頭中數(shù)據(jù)數(shù)目字決定。在視頻信號(hào)的行消隱中最多可以嵌入4組數(shù)字音頻數(shù)據(jù),即16路音頻通道。在解嵌時(shí),可以根據(jù)需要解出相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)示字的音頻數(shù)據(jù)。并且解復(fù)用器模塊可以根據(jù)需要決定是否保留經(jīng)過解嵌的數(shù)字音頻包。2.3aes/ebu數(shù)字音頻和雙相位標(biāo)志碼剛剛解嵌出來的數(shù)字音頻信號(hào)是以音頻數(shù)據(jù)包的格式存在的如圖2所示。為了使其能與音頻接收設(shè)備接口匹配,就需要進(jìn)入格式化模塊轉(zhuǎn)換成AES/EBU音頻幀的格式。在格式化模塊中,加入在嵌入時(shí)去掉的信息,同時(shí)把數(shù)據(jù)序列按AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變成雙相位標(biāo)志碼。為了保證視音頻信號(hào)的同步,數(shù)字音頻時(shí)鐘必須要和并行數(shù)字視頻時(shí)鐘同步