MPEG—1和VCD影碟机设计

MPEG—1和VCD影碟机设计 MPEG—1和VCD影碟机设计 , \\ MPEG—l和VCD影碟机设计 t\,摘要文章酋先扼要地叙连了MPEG-I的和标|隹规定的活动圈像压埔壕玛吐覆Hi.Fi青1颤压缩蝙码方法,其捷介蛔了VCD音视频解码芯片,然后介熘了VCD计算机回救卡的组成,最后i , MPEG-IY—CD璺 丁,v,//l/关键词 一——璺.i盎垦揎童塑垦堡鳖蛆. 一 ,概述 1982年PhD~po和Sony公司共同推出了激光唱 盘,通称CD(CompactDisc),开创了光盘存储信息的 新时代,十多年来光盘的发展已远远超出音响范围. 1985年Ph~ps和Sony又联合推出了CD且OM l(!D-readonlymemory),CD—ROM的出现使大量的 资料可存储在光盘上一张与CD尺寸相同的CD— B,OM光盘可以存储约6SOMB数据相当于500张高 密度软盘C~ROM主要存储文件,资料,数据,能否 在光盘上存储活动电视图像和高保真立体声呢?80年 代后期主要由Philips,Sony,JVU,Hitachi,National 等着名消费类电子制造公司联合成立了活动图像专 家组,简称为MPEQ(MovlugPi.teExpertO Group),专门从事电视图像,II~-Fi声音压缩算法的 研究和标准的制订.该专家组从成立起就把目标订得 很清楚,要在与CD相同大小的光盘上能同时录制电 视图像和一套立体声节目,最长节目时间74分钟. 原来的CD是用数字形式记录了一套立体声,数 码率是1.411~ib/s现在要求光盘尺寸不变,驱动器 转速不变,数据率基本上维持1.5~b/s,但要同时记 录视额和音频信号.为此必须对图像和音频信号进行 大比率的压缩经过近4年努力,终于取得成功,在 1991年l1月通过了国际性的MPEG---1标准,后被 ISO(国际标准化组织)和IE3(国际电工委员会j接 受,编号为CD一11172.1993年6月PhiHps,JvG’ 80y,Matsushita4家公司共同按照MPEG~l 标准制定了音视频光盘即”VideoCD”标准(1.1版本) 登在白皮书上.VCD标准一经公布,VCD产品就如 雨后春笋般迅速发展,成为普遍受欢迎的计算机多媒 体套件和家庭娱乐设备,目前还是方兴未艾,还有巨大 韵市场在等待功能齐全,质优价廉,使用可靠的VCD 回放卡和影碟机. 下面首先概要地介绍I~PEG一1标准.再叙述 MPEG音视频压缩原理,第三是介绍MPE(~-I音视 频解码芯片,第四叙述VCD计算机回放卡组成,最后 介绍VCD影磉机设计. =,WIPEG—l标准概要 MPEG-1标准(编号CD-1]I)共分4/卜部分, 第1部分是系统部分,对标准的系统编码层作说明;第 2部分是视频部分,说明视频数据的压缩方法,编码数 据格式和表示法,解码步骤过程;第3部分是音额部分, 说明音频数据的编解码表示涪规定了三种压缩层次 (LayerI,LayerII,LayerIII);第4部分测试要求 部分. MPEG-1是MPEG通过的第一个标准.目标 是根据此标准压缩和重建的图戗分辨率与VHS相 当具体是: NTSC352x240,帧额:29.97~/s PAL:352×28岛帧频:25f,8 图像数据率1.15Mbp日. 音额频响8Hz一20kHz.数据率每通道从32 到224kbls.取样频率有32,44.1和48kHz三种, 压缩倍率从2.7到24. LayerI算法最简单,最适合于数码率高于 12skbps/通道,如Phelps的DCC就用此压缩层, 每通道192kbps. LayerII中等复杂度算法,适合于128kbpg/通 道附近的数码率,用于数字音频广播(DAB),cD- ROM,CD-I和VCD. LayerIII算法最复杂,但音质最好,适合于在 ISDN上侍输每通道64kbps的高质量音频信号. , 三,MP:EG—l音频压缩编码原理 CD唱片额响从10Hz到2OkHz.取样额率为 441kHz每/卜样值用16位码量化,一个声道的数码 率为7056kHz,双声道为1.411Mbp日.在MPEG一 一 2一4)《电子技术9驰年第5期 1中采用”掩蔽型通用子带综台编码与复用(M~Idug Pa~ernUnive~Subband工nt.gr.pGoding andMultiplexing-MUSICA_M)压缩可以H:缩 到192kbps或]28kbps或64kbpsJ压缩比率分别为 3.&6.3和12.G.在VCD中采用LayerII,每通道 l12kbps双通道为22~kbps. MUSICAM编码方法一方面利用音乐信号本身 的冗杂度,一方面利用人耳的心理听觉特征,传统的概 念是高保真音乐信号应该具有很高的信噪比,通常要 求大于SOdB.故数字化时要求编码位数尽可能高.如 CD是16位码,理论信噪比达0};aB.经大量实验证 明人耳有一种特别的听觉心理特性,人对不同频率的 声音具有不同的可闻声压阅值,当声音或噪声低于此 阈值时就不会被听见此阈值称为掩蔽阈值L.在 音乐信号数字编码时只要编码带来的量化噪声值低 于人耳的L值,就不会被感知.不同的额率有不同 的,声音响比声音轻更易对量化噪声掩蔽.很低 频段和很高频段的工T值高,中间频段值低.频 带两端比中间易于掩蔽.为此将20kHz的音乐频带 均匀地划分成32个子带,不同的子带分配不同的编码 位数.同时还对不同子带信号幅度进行测量然后对 码位数作调整. 人耳逆有一种称为暂态掩蔽的特征,即凡耳对声 音的强弱的敏感度受到过去声音强弱的影响,称为前 向掩蔽.又受到将来信号声压值的估计影响,称后向掩 蔽前向掩蔽延迟时间为5O一200t]lS,比后向掩蔽持 续时间长得乡为此代表信号幅度的量级系数数据可 数毫秒传送一次延长到每64ms传送一次起到进 一 步压缩码率的作用. 根据上面叙迷的压缩思路所研究成的MUSI- CAM编解码器方框图如图l所示.考虑到编码器只 在制作节目光盘时有用,而大量用户只需要解码器从 降低成本考虑编码器可以做得很复杂,而解码器越简 摅’鹰器 船压缩I音成砖-睦 盖一 圈1MPEG一1音频编码器和解码器方框图 单越便宜越好与下一节介绍的图像编码一样都属非 对称编码.经过压缩和解压缩后恢复的音频信号如果 用仪器测试,信噪比约75dB左右.低于CD唱机的 信噪比,但由经专f”J~Jtl练的”金耳朵的评价,却认为效 果能与CD质量相当,这是因为利用了听觉心理持硅 的结果. 四,MP:EG-I图像压缩编码 按352288分辨率格式计算出彩色电视图像数 码率为30Mbpg,要压缩到1.2Mhps,即压缩05倍 怎样达到如此高的压缩比率呢?这里采取了以下4个 : 1.图像信号具有很强的空间相关性,即一幅图 像中相邻近像素的差别不大,绝大多数像素的亮变和 色度变化较慢,也即直流和低频成分占主要地位.因 此采用变换编码方法,将通常的时域信号用离散余弦 变摸0OT)方法变成二维的频率域信号信号的大部 分能量集中在低频端,高额端的能量很小,甚至为0, 可髓略去这样只需传送低频分量,高额分量代码不 必传送. 2.利用可变长游程编码(VLC)或称霍夫曼 (Huffmau)编码进一步减少DCT量化后的比特数, 将经常出现的码组分配一些短的代码偶而出现的码 组分配长的代码,这通过储存在ROM中的壹抗表实 现. 3.电视图像相继帧之间存在着很强的时间相关 性即除运动部分外,相继两唢画面往往非常相似,差 别不犬,因此只需传送相继两帧之间的差值信号,消除 时间上的冗余窿,倘称为DPCM. 4.采用帧问预测和运动补偿进一步消除时间相 关性,进一步压缩图像数码率.在编码端作运动 对是把反DCT变换后恢复的本地当前帧图像按16x 16像素组沿垂直方向和水平方向寻找?15个像素, 技出最佳匹配再调节可变帧存储器,使相邻两帧差减 至最小.代表垂直和水平位移的运动矢量代码与图像 差值编码信号复用后一起传送,所以MPEO一1图像 编码司用下式表示: 带运动橙涮的帧问差编码(MCFD)+离散余弦编 码(DCT)+可变长编码(VLC). 图2示出按上述压缩原理构成的MPEG—l图像 压缩编解码器. MPE@一1把图像序列分成一个个的图像组 《0rouofPic~ure-GOP),每个GOP中含有三种类 型图像帧:I帧,P帧,B帧,如图3所示.I:帧后的两 个P帧分别做前向运动补偿预测和后向运动补偿预 测.B帧不用作对其它帧进行运动补偿预测的参考 帧.采用B帧进行双向运动补偿预测是MPEG的一 个重要特点,它特别适合解决景物中由于物体运动引 起的遮挡区的预测困难.此外对双向预测的结果进行 平均,具有降低噪声的作用.B画面提供最佳压缩比, 但需参考前后画面,因此第1个B画面必须在I栅 P解完后才能被解码,所以3IPEG的画面顺序与显 示顺序不同,如图4所示MPEG-1的GOP由15 个帧画面做成,其中l帧I画面,2帧P画面,10幅B 画面其显示顺序见图5. 五,VCD音视频解码芯片 声音和图像解码器只需在节目制作时才有用,使 用数量不大,而解码器是每张计算机VCD解码卡或 ii圈固『曰圈l二l 口圈曰圈回圈圈 图4不同画面帧的解压缩顺序(上)和显示顺序 广———一..———]广一 12345678910111213141516111B 工BBPBBPBBPBBPBBIBB 图5~PE(J:-I画面组序列 每台VCD影碟机都需要的需求量极大.因此 MPEG-1的音视频压缩编码系统做得很复杂,价格很 贵而解码器做得很简单,便于集成,价格便宜.目前 已有很多厂家在生产单片的MPEG-1的音频解码电 路和视额解码电路.前者有美国TI公司的T2~IS320 AVll0,LSILogic公司的L6nllQC,日本三洋的 LCS230.意法的STi450n,台湾Winbonel的W9910II~ 等.后者有美国C~ube公司的CL450,TI公司的 TM$320~kV220,LSILogic的L34112,AT&T的 AVP一4220,Motorola的XCD250,意诖的STi3400, 台湾Winbonel的wgo201F等.1994年底a—Cube公 司还推出了将音视额解码集成为一片的CL一48..一 片CL-480能完成CD—ROYl解码,MPEG系统数据 流的分解,音视颓同步和音视频解码,可替代—6片 分离的解码电路相外国电路.因此受到普遍的欢迎, 预计3.996年将有很多家公司如NEC,Winbonel, Toshiba,SumsangPhiHps等都会推出一片式的解码 芯片. 六,VCD计算机回放卡 VCD最初的开发目的是作为多媒体计算机 ,MPG)的一部分,利用CI~RO5:I加VCD回放}进 行娱乐活动.因此上面所介绍的芯片型号除CL- 48#VCD外都是为这种回放昔设计制造的.目前市 场上有各种各样的5~PEG一1解压缩卡(即VCD回放 卡)或称影视卡,基本上可分成两类简单的卡只有图 像解码和声音解码功能,复杂的卡具有图像叠加功能, 可以在Windows环境下进行开窗,宙口大小司稠整. 现在介绍一种带有视频叠加功能(开窗功能)的 VCD计算机插卡的构成(图6).本卡图像解码采用 C~ube公司的CL450,该集成电路采用0.8p,m CI~IOS工艺,有160个目『脚采用塑料四边扁平封袭 ‘PQFP).它与外界的接口分三组: 1.主机接口即与计算机ISA总线的接口: 2.DRM接口与4M帧存储器的接口: 3.视频接口解码后的视频数据输出接口. VCD光盘由CD-ROM驱动井读出数据,CL-450 — 4一【1jm)《电子技术?6年第5期 图6MpEG~I计算机回放卡方框图 对图像数据进行解压缩,4Mb的DRAM用作帧缓 冲.CL-450输出的是ROB图像信号一路加到视频 叠加控制器芯片(MVMI~A),该芯片同时输入从 VGA卡柬时视频数据.一方面控制解压缩后的电视 图像框的大小和比倒,同时控制乡路复用器,将VGA 卡上的图形数据按比倒傲重叠处理.音额信号解压缩 应用DSP芯片ADSP2105通过软件实现,也可用专 用的音频解压缩芯片如TMS32.0AVl10,W9910等. 七,V0D影磉机设计 上述音视频解码芯片绝大多数是为计算机插卡翩 作的.1994年初才出现脱离PC机司单独回放VCD 的小型影碟机,为了实现廉价,CD—ROM由普通的 CD唱机驱动器替代.当然不是所有的CD驱动器都 适宜作VCD影碟机用的.比较合适的是PhiHps专 为电子游戏和乡媒体用的Game8001机芯,它的}q错 俄力较强.我们已研制成采用W991G(音频解码)和 W9920(视额解码)以及用ADSP2101DSP为系统 控制的影碟机它能同时完成CD驱动器控制,键盘 操作,LCD显示,音视频解压缩控制等.从发展趋势 看VCD影碟机主流是单片式,有下列两种设计方案: (一)工r删”VOD单片式”VCD影碟机 ,9国际电子工业展览会将在沪举办 由上海电子学会,上海华展国际展览公司上海对外科 技变流中心,华进有限公司主办的第五屠中国国际电子工业 展览台将子1996年l0月28日一3lH在上海商城举办.共 设1?个展怔. 电子工业是国家和上悔市重点支持的产业,近年来一直 像持旺盛盘展势头,藕计增长率达?茹以上,尤其是对巢 CL一480VCD是C—Ce公司专门为 VCD影碟机研制的芯片省去了与PC机 接口的电路.而增加了与CD驱动器接 口,系统数据流分解,音视频同步电路.采 用0,6pm双层金属CMOS工艺,128脚 PQFP小型封装.可工作在s.3V,此 时功耗低于1W.在标准的CD唱机上 只要增加4块集成电就可构成一台VCD 影碟机,这4块芯片是CL4SgVCD, 4MDRAM,ROM和带视频D/A的 NTSC/PAL编码器.也司以专门设计一 台影碟机,因为CL480VCD本身已将许 多程序掩膜在片内R0M中了,外部只需 用单片机作控制,所以不仅硬件很少,而且 轼件编程也很简单,图7是一种典型的方框图. 图7a】瑚.voD影碟机方框图 (二)单片图像解玛器和音频软件解玛方案 上述方案简单易做,但是灵活性不乡,不能进行修 改,扩展.我们设计和研制了另外一种单片VCD影 磔机,图像解码采用专用的解码芯片.例如W99’20, CL450,而GL48oVcD的其它功能:CD驱动器解码, Mv同步,数据解包,图像解码芯片控制,音频解码等 都用一片DSP芯片(ADSP218.1)完成.该DSP芯 片还同时完成整机的控制功能:CD驱动器控制,键盘 和LCD显示控制等.这样的硬件电路也很简单,只 是软件编程复杂,但一旦软件辅好后可以应用很长时 间,而修改根方便.因为软件是自己编的,因此解码后 重建图像和声音质量可以达到最佳. 戚电路和新型电子元器件的需求更是迫切,其中大部分将从 国外进口.为了发展我屋舶电子工业.满足我国电子市场的需 要同时也为国内外厂商提供信息和机会,上海电子学会等组 织在上海市科委,市电子信息办公富和中国电子音响工业协 垂时支持下将全力以赴,精心策划.凡希望参加展出的单位. 请卑快与上海085—253信箱电子技术杂志社(邮鳙?00Dg’ 罔国璩小姐联系,详细情酲和申请表见本刊第6,7期广告. 《电子技术蛆舶略年第b期 (呈l文) ‘i)一6一