MPEG4在汽车电子领域的应用

1MPEG简介

MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)由ISO(国际标准化组织)与IEC(InternationalElectronicCommit-tee)于1988年联合成立。致力于运动图像及其伴音技术的研究和标准化。现在已经出现了5个版本,他们是MPEG1,MPEG2,MPEG4,MPEG7以及MPEG21。MPEG1制定于1992年,针对1.5Mb/s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码,主要用于CDROM。MPEG2用于宽带传输的图像,图像质量达到电视广播以及HDTV的标准。MPEG4于1998年11月公布,投入使用的国际标准MPEG4是针对一定比特率下的视频、音频编码,更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG7是基于文本、图像、声音的多媒体内容描述接口。MPEG21是多媒体框架(multimediaframework),又称为数字视听框架(digitalaudiovideoframework),提出将标准集成起来相互支持和相互协调以管理多媒体商务。主要用于电子商务,侧重于数据安全。

2MPEG4的特点及组成

MPEG4适合于交互AV服务以及远程监控,多媒体流服务、视频点播、可视游戏、低码率的移动多媒体通信、交互式多媒体应用、实时多媒体监控、数字电视与演播电视、虚拟会议,他的设计目标使其具有更广的适应性和可扩展性。MPEG4可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据,从而能以最少的数据量获得最佳的图像质量。MPEG数字视频编码技术实质上是一种统计方法。在时间和空间方向上,视频序列通常包含统计冗余度。基本统计特性为象素之间(interpel)的相关性。一个象素值可以根据同帧附近的象素值预测或者根据附近帧中的象素值预测来得到。MPEG4特点有:

(1)基于内容的交互性(contentbasedinteractivity)基于内容和比特流编辑使用者可在图像或者比特流中选择一个具体的对象(object),改变他的特性。自然与合成数据混合编码提供将自然视频图像同合成数据有效结合的方式,同时支持交互操作。增强的时间域随机存取MPEG4提供有效的存取方式,在有限的时间间隔内可以按帧或任意形状的对象对音频和视频进行随机存取。

(2)高压缩率(compression)提高编码效率一般说MPEG4的压缩倍数高到100倍。这将在移动通信网中迅速得到应用。多个数据流的编码MPEG4提供对一景物的有效多视角编码和伴音声道编码有效的同步。

(3)灵活多样的存取(universalaccess)错误容易发生的环境中抗错性(robustness)允许采用各种有线、无线网和各种存储媒体,他的抗错性尤其体现在移动通信链路中,采用了比如前向纠错(selectivefor-warderrorcorrection),错误遏制(errorcontainment),错误掩盖(errorconcealment)。基于内容的尺度可变性(contentbasedscalability)也就是给图像中的对象分配优先级,基于内容的尺度可变性是MPEG4的核心。

MPEG4主要由以下几部分组成:

(1)DMIF(TheDeliveryMultimediaIntegrationFramework)DMIF即多媒体传送整体框架,他主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过传输多路合成比特信息来建立交互和传输。

(2)数据平面MPEG4中的数据平面可以分为2部分:传输关系部分和媒体关系部分。MPEG4引用了对象描述(OD)和流图桌面(SMT)的概念。OD传输与某个AV对象相关的基本流的数量和特性信息。SMT赋予每一流一个与传输信道相关的信道联系标签CAT(ChannelAssociationsTag)。

(3)缓冲区管理和实时识别MPEG4定义了一个系统解码模式(SDM),该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置,他要求特殊的缓冲区和实时模式。可以更好地利用有限的缓冲区空间。

(4)视频编码与音频编码类似,MPEG4也支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D,3D动画和人面部表情动画等。

(5)场景描述MPEG4提供了一系列工具,用于组成场景中的一组对象。一些必要的合成信息就组成了场景描述,这些场景描述以二进制格式BIFS(BinaryFormatforScenede-scription)表示,BIFS与AV对象一同传输、编码。场景描述主要用于描述各AV对象在一具体AV场景坐标下如何组织与同步等问题。MPEG4引入了视频对象(videoobject)的概念,一个场景可以看成一些视频对象的组合,而这些对象有形状,运动,纹理的特性。编解过程是对视频对象进行的,而视频对象在特定的时间称为视频对象面(videoobjectplane),同一对象连续的VOP称为视频对象(VO)。他的编解码如图1所示。

3基于3G在汽车电子领域的应用

第三代移动通信系统中,带宽的增加,可以提供丰富多彩的多媒体业务,而MPEG4作为一种高效的多媒体压缩标准,已经被众多厂商作为视频压缩标准用于第三代移动多媒体通信中。现在社会的发展对网络的需求多样化,要求海量多媒体服务。多媒体信息主要包括图像、声音和文本3大类,其中视频、音频等信号的信息量是非常大的。对于音频处理来说,传输数字图像所需的带宽远高于音频处理。第二代移动通信系统的带宽满足不了多媒体业务的带宽要求。而第三代通信系统可以解决这个瓶颈。人们生活水平提高使得汽车不再仅是个交通工具,而是集交通工具和娱乐、办公功能于一体,包括汽车导航、GPS,无线移动通讯、多媒体下载和播放功能、基于视频的汽车安全报警功能、行车记录功能、自动交费功能等。汽车融合了大量高科技技术,提供许多信息娱乐功能,必须有足够的网络带宽的支持。而且实际车载移动通讯的带宽和行车的速度密切相关,在汽车快速行驶的时候,带宽就会变窄。所以车载移动通信和网络多媒体可能得到的带宽更加有限,必须寻找一种即能在低带宽传输但又不会影响移动通信和网络多媒体服务质量的压缩传输方法。

MPEG4压缩算法ASF(AdvancedStreamingFormat),高级格式流的高压缩率正好满足这样的要求。ASF支持任意的压缩/解压缩编码方式,并可以使用任何一种底层网络传输协议。在无线应用中无线链路的可用带宽是有限的,3G提供的最大可用带宽是2M,个人终端会因为网络流量而在一个较宽的范围内变化。MPEG2的数据传输率3~10Mb/s,MPEG4传输速率在4.8~64kb/s(分辨率176×144)之间。编码器不需要知道信道的容量,不再使视频质量在一定比特率下达到最优。因此,无线的视频编码是在一段给定的比特率范围内而不是原来的一个给定的比特率。传统的视频编码是对于给定比特率的视频进行编码,但对于无线应用传统的视频编码有所改变。MPEG4可分级的视频编码能解决此类问题。

MPEG4的可分级视频编码(分为SNR可分级、时间可分级、空间可分级)是一种灵活的视频编码方案,适用于应用要求和环境因素在较大范围内变化的情况,因而获得广泛的应用。可分级的视频编码解决了带宽改变引起的图像质量抖动问题。SNR(信噪比)的可分级性是以相同的帧率和空间分辨率把原始视频数据压缩成两层,基本层比特流经过基本层可变长解码器(VLD)解码。然后被反量化产生重建的DCT系数。时间可分级性是把原始视频数据以相同的空间分辨率,不同的帧率压缩成两层。基本层以低帧率编码,相反增强层以较高的帧率编码提供缺少帧的信息。增强的比特流在增强层进行可变长解码,DCT系数的增强参数在增强层反量化时产生。空间可分级是基本层以较低的空间分辨率编码。重建的基本层的图像进行超抽样以形成在增强层高分辨率图像的预测。在SNR可分级、时间可分级、空间可分级3种可分级视频编码基础上,MPEG4采纳了一种更好的可分级的视频编码方案作为标准,即精细可分级视频编码(FGS)。在视频比特流变化较大情况下,该方案在基本层基础上加上增强层,从而在无线信道容量有较大变化的情况下还能获得较好的视频质量。FGS编码器把原始视频流压缩成2个子流,一个基本层比特流和一个增强层比特流。基本层能单独进行解码提供较粗糙的视频质量。增强层仅能和基本层一起编码,作为补充提供更优的视频质量。基本层的优先级比增强层高,首先保证基本层的传送,然后根据动态反馈检测带宽,根据带宽来决定增强层的传输,这样可用带宽得到充分利用,实验表明都在80%以上。

FGS编码器对增强层视频流采用比特平面编码。比特平面编码方式和传统的游程编码方式最大区别在于,比特平面编码方式把每个量化的DCT的系数看成几个比特中的一个二进制整数。游程编码中,一个非零的DCT系数前的连续为零的系数的数目被称为“游run”,而非零DCT系数的绝对值被称为“程level”,而不是一个确定值的十进制整数。因此采用比特平面编码方式的任意编码比特能重建DCT的系数。采用比特平面编码方式作为补充,FGS可获得对增强层的连续的比特控制。这是因为增强层比特流能在任意地方被截断从而获得对象的比特流。任意从增强层接收的比特能用来提高视频的质量,这在其他的可分级视频编码方式下是不可能的。另外,无线移动信道多用无线电波来传输,但无线电传播携带信息的电磁波的传播是扩散的,用户位置处于移动中,并且不可预测,造成了无线电传播的损耗。多媒体信息经过压缩后对错误特别敏感,所以在3G无线通信中多媒体应用遇到了另一个重要问题。多媒体的信息在无线信道下传播时不可避免的出错。MPEG4有强大的容错和纠错的能力,采取相应的纠错措施。基本的容错处理有重同步、数据恢复和错误隐藏。MPEG4采取相应的纠错措施。基本的容错处理有重同步、数据恢复和错误隐藏。重同步技术,如果VOP的startcode被错误污染并且帧同步头信息丢失,解码器可以用HEC信息重建同步解码器比较VOP头信息和HEC的VOP_time_increment参数,如果不同,可断定本VOP的头信息被污染,VOP_time_increment应该是源视频格式(NTSC,PAL等)的帧率的整数倍。解码器一旦检测到错误,他将失去与编码器的同步。译码器采用重同步方案转入与编码器的锁定阶段。编码器在比特流中大约相等的间隔插入惟一的重同步字码,这些字相对于有效的视频流来说是惟一的,也就是说没有视频算法VLC表的有效组合能产生这些码字。检测到错误后解码器往前寻找,找到重同步码字,一旦找到,解码器就转入与编码器的重同步。解码器在某点检测到错误后,重新得到与编码器的同步,并分离两个重同步点之间的错误。RVLC(可逆可变长编码)采用一种可逆VLC码字。这种可逆VLC码字的正反两面的结果一样,如111,101,010。

如果一个突发的错误是一部分数据被污染,两个同步点之间的数据都丢失,但采用RVLC就可以恢复部分数据。采用必要的数据恢复技术是解码器能挽救出重同步点之间的一些数据,比如编码器在对DCT和运动矢量信息编码时采用一些特殊的VLC表。特殊的VLC能够在前向、后向两个方向上解码。如果比较前向和后向的数据,比特流中出现的错误就能更精确的定位,两个重同步点之间的数据就能补救。错误隐藏其效果很大程度上决定于重同步的性能。如果重同步能定位错误,隐藏就能比较容易处理。对于低码率延时短的码流,在重同步后采用拷贝前面一帧提供一个可以接受的错误隐藏结果。对于IVOP,VP内所有的MB的直流系数可以集中在一起用直流标志(DCMARKER)与交流系数分开传送。如果交流系数出现错误,可用DC覆盖整个MB。对于PVOP,VP内所有的MB的运动矢量(MV)可以集中在一起用运动矢量标志(MVMARKER)残差图像的DCT系数分开传送。如果DCT系数出错,整个MB丢弃这些系数而用MV所指的参考图像代替。

在将来3G网络中,开展移动通信和多媒体下载业务,特别是汽车电子这样的一个集群移动通信和多媒体环境,可用的实际带宽和传输多媒体数据的稳定性和可靠性(容错和纠错性)是关键,综合MPEG4的特点,高压缩率,但是保有极佳的音质和画质;存取灵活多样性,可以采用各种存储媒体,提高抗错误能力,空域和时域的可扩展性以及强健的纠错能力和容错能力;强大的多媒体功能。这些特点正好迎合汽车电子的移动通信系统和多媒体业务要求,MPEG4的低码率高压缩性使得可以适应车载移动通信系统在车快速移动时带宽变窄,容错和纠错性保障了传输的质量有稳定性和可靠性。强大的多媒体功能满足汽车电子多媒体业务的需求,比如通过多媒体无线接入,可以浏览网页、看新闻、阅读邮件、在线游戏等。

4结语

随着3G的发展和成熟,使得各种多媒体增值服务更加多样化成为可能,克服了第一代和第二代服务内容单一,各种多媒体服务相关产业雨后春笋般的出现。在汽车电子这样一个特殊应用领域,基于3G的多媒体服务成为一个亮点,MPEG4具备低码率获得高质量,强大的多媒体支持和强大的抗错和纠错能力,在汽车电子移动通信和多媒体中应用,使得车载移动通信和多媒体服务不再是可望不可及。