达芬奇技术上IP可视电话的研究与实现

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.21MB 60 页 15积分
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摘要
在当今信息社会里，人们对沟通中高效的信息获取率有了更高的要求，面对面
交流是最有效的信息获取方式，为了实现信息时代人们的沟通需求，可视电话技
术得到了迅猛的发展。互联网通信的普及性使得通过 IP 网络来传输可视电话的视
频信号的成本越来越低，在普通家庭中普及可视电话成为可能，因此研究基于 IP
技术的可视电话具有重大的意义。
本文分析研究了可视电话技术的国内外发展状况，并将现阶段成熟的两种产
品优化组合，取长补短，构建一种新型的 IP 可视电话一体机系统。这种新型
的一体机系统基于 TI 公司最新的达芬奇技术，通过 H.323 标准协议簇中的视
频源编解码标准 H.261 将通话双发的视频数据经过编码，编码后的比特流利
用RTP 实时传输协议进行封装后通过 IP 网络传输到对方可视电话系统进行解
码显示。
本文主要研究内容是在 H.261 编码器算法中，根据可视电话视频数据中背
景不变，人物脸部局部运动的特点，设计了基于背景特征检测的运动估计算
法，并将编码后的数据通过环路滤波器来去掉块效应，从而加快了编码速度
并取得良好的视频效果，RTP 实时传输协议的引进使得系统的延时性大大减
少，几乎能够做到语音和视频同步。另一方面，本文还非常详尽的阐述了基
于达芬奇技术开发可视电话系统的软件开发流程，设计了可视电话一体机系
统的详细体系架构。实验证明，该设计是切实可行并效果良好。
关键字：可视电话 H.261 建议 达芬奇技术 DM6446
ABSTRACT
In the current information society, people's wants to have more and more efficient
communication. Face-to-face communication is the most effective access to get
information. Video phone has been rapid developed in order to achieve the requirement
of people. The popularity of Internet communications makes lower cost to transmit
video data through the IP network, it will be possible to have video phone in the family.
So it is a great significance to do design video phone based on IP technology.
This paper discusses the background of video phone technology, and analyzes
current state of video phone developing at home and abroad. In the meantime this paper
builds a new type of IP video phone system, it is the perfect combination of the current
two mature products. This new type of IP Video Telephony system is based on DaVinci
technology which is TI's latest product. According to the standards in H.323 protocol
cluster especially with the video encoding--H.261 suggestion, we will encode the video
phone data with H.261. The encoding bit stream that we just made will be packected
through Real-time Transport Protocol (RTP). After receiving the RTP data from internet,
the other end user will extract the RTP data and then display decoding.
This paper designs motion estimation algorithm based on background feature
motion according to the feature of same background and local motion. It will reduce the
blocking effect through the loop filter. Also gets a higher encoding speed and achieves
good visual effects. RTP Real-time Transport Protocol allows the system with very little
delay and almost is able to do voice and video synchronization. On the other hand, this
article describes a very detailed software development process and designs a video
phone based on DaVinci technology. It show that the design is feasible and with good
results in the experiments.
Key Word：Video phone，H.261 Protocol，DaVinci，DM6446
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 项目背景........................................................................................................................... 1
§1.1.1 可视电话技术介绍...............................................................................................1
§1.1.2 可视电话的国内外发展.................................................................................... 2
§1.1.3 IP 可视电话系统发展的制约因素.................................................................. 3
§1.2 达芬奇技术.......................................................................................................................5
§1.2.1 TMS320DM6446 芯片处理器 .......................................................................... 5
§1.2.2 SEED DVS6446 通信接口与存储空间配置................................................ 6
§1.3 课题意义及论文章节安排........................................................................................... 8
§1.3.1 课题意义................................................................................................................8
§1.3.2 论文主要工作和章节安排................................................................................9
第二章 可视电话国际标准及关键技术.......................................................................11
§2.1 可视电话国际标准....................................................................................................... 11
§2.1.1 H.320 协议............................................................................................................11
§2.1.2 H.323 协议............................................................................................................12
§2.2 H.323 标准中关键技术................................................................................................ 13
§2.2.1 H.323 标准的体系结构.....................................................................................13
§2.2.2 H.323 终端的组成..............................................................................................13
§2.2.3 H.323 标准协议簇..............................................................................................15
§2.2.4 H.323 标准中的 H.261 算法............................................................................18
§2.3 本章小结......................................................................................................................... 19
第三章 H.261 视频标准的研究和算法实现................................................................21
§3.1 H.261 数据结构及编解码框图.................................................................................. 21
§3.1.1 H.261 视频帧数据中间格式........................................................................... 21
§3.1.2 H.261 数据帧结构..............................................................................................21
§3.1.3 H.261 建议编解码器框架................................................................................23
§3.2 基于背景特征检测的运动估计和运动补偿算法.................................................25
§3.2.1 块特征匹配函数................................................................................................. 25
§3.2.2 基于背景特征匹配搜索算法.......................................................................... 27
§3.3 环路滤波器.....................................................................................................................30
§3.4 H.261 视频数据流的 RTP 封装设计........................................................................31
§3.4.1 RTP 分组头结构................................................................................................. 32
达芬奇技术上 IP 可视电话的研究与实现
§3.4.2 H.261 视频数据流的 RTP 封装..................................................................... 32
§3.5 本章小结......................................................................................................................... 34
第四章 基于达芬奇技术的 IP 可视电话实现 ............................................................. 35
§4.1 DM6446 软件开发规划................................................................................................35
§4.1.1 达芬奇 DMSoC 软件.........................................................................................35
§4.1.2 DM6446 软件开发规划....................................................................................36
§4.1.3 编解码引擎(Codec Engine) ............................................................................. 37
§4.2 达芬奇交叉编译开发环境的构建........................................................................... 40
§4.2.1 BOOTLOADER 的烧写................................................................................... 41
§4.2.2 TFTP 服务器的配置 ..........................................................................................42
§4.2.3 MontaVista Linux 的内核配置和移植 ..........................................................43
§4.2.4 文件系统挂载方式........................................................................................... 45
§4.3 可视电话系统在达芬奇上的实现........................................................................... 46
§4.3.1 可视电话系统的硬件构成..............................................................................46
§4.3.2 可视电话系统控制流程.................................................................................. 48
§4.4 本章小结......................................................................................................................... 49
第五章 总结与展望.......................................................................................................51
§5.1 总结...................................................................................................................................51
§5.2 展望...................................................................................................................................52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................53
一、论文....................................................................................................................................53
二、科研项目...........................................................................................................................53
致谢.................................................................................................................................54
参考文献.........................................................................................................................55
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 项目背景
二十一世纪以来，全球化趋势愈演愈烈，人们对于异地沟通的需求越来越大。
传统的通信方式如电话，传真，电子邮件等的普及，充分说明了人们对于通信高
涨的需求。而计算机网络技术的发展让人们对于异地沟通有了全新的认识和追求，
可视电话[1]就是为达到面对面交流这一高效通信需求而诞生的新科技。
可视电话通信支持人们远距离进行实时的信息交流，它能够同时传输音频与视
频信息，使交流双方达到与真正面对面交流相同的信息获取效率，这对生活在信
息时代的人们的工作和生活无疑带来了巨大的便利。互联网通信因其成本低廉和
普及型高，因此利用 IP 网络来实现可视电话系统成为首要选择。
§1.1.1 可视电话技术介绍
可视电话依据通信媒体的不同，可以分为 PSTN，ISDN，IP 网络三大类。每种
类型均基于不同平台、不同技术，因此其通信效果与成本有很大的差异。
第一类是基于 PSTN 网络[2]的可视电话，即利用现在普通家庭使用的电话网络
系统来构建可视电话系统。它使用的标准是 ITU-TH.324。现阶段，一部 PSTN 可
视电话终端的价格约 4000 元，后期通信费用按照普通的电话付费，但是由于带宽
的影响，帧速率仅为 10-15 帧/S，传输静态图像还可以，但传输动态图像时图像边
界会模糊，同时会出现马赛克现象，因此效果并不理想。
第二类是基于综合业务数字网的 ISDN[3]可视电话，采用 2BIQ 技术，在现有模
拟线路上进行 2B+D 的数据传输。
ISDN 可视电话使用的标准是 ITU-TH.320，是采
用帧同步技术，实时传输，图像显示帧速率可达 15-25 帧/S(CIF 格式)或25-30 帧
/S(QCIF 格式)，延时小，保证了 ISDN 可视电话传送出清晰的图像和语音。但其价
格较 PSTN 更贵，需 1~2 万元，并且后期的通信费用也非常的昂贵，是一般家庭
不能承受的，因此也不能很好的推广。
第三类基于 IP 网络[4]的宽带可视电话，比 ISDN 可视电话速度更快，话音质量
更好（根据接入带宽的大小，效果会有一定差异）。更重要的是，相对于并无太大
发展前景的 ISDN 可视电话系统，无论是在商业用户还是家庭用户，IP 宽带可视
电话业务拥有更好的市场前景[5]。
IP 宽带技术占有得天独厚的地位，它远远超过传统的 PSTN 和ISDN，有几个
因素起着关键的作用：首先 IP 网络已经成为多媒体技术发展的主流，技术上成熟
达芬奇技术上 IP 可视电话的研究与实现
2
决定了 PSTN 和ISDN 无法在将来与之抗衡；其次，宽带 IP 用户数的高速发展为
IP 可视电话业务的发展积累了强大的用户群。根据工业和信息化部公布的截止
2009 年10 月的通信业运营状况数据显示，我国互联网宽带接入用户总数已经突破
一亿户[6]。同时由于 IP 可视电话的通信费用远远低于前面两种的通信资费，用户
只需要一次性的投资购买 IP 可视电话的费用，通信费用几乎不会造成任何支出。
因此只要技术成熟，IP 可视电话将很快被广大用户接受。
根据目前已经成熟的产品来分类，可视电话主要有两种产品类型，一类是
专用可视电话设备，也就是一体型可视电话机，它能像普通电话一样，直接
接入家用电话线进行可视通话。这就是基于 PSTN 技术的产品，这一类产品，
用户不仅需要花费很大的成本购买可视电话设备，更需要在使用中支付无穷
无尽的视频通信费用，十分的昂贵，因此难以普及至普通家庭；另一类是以
个人电脑为核心的可视电话，除电脑外还配置有摄像头、麦克风和扬声器等
输入输出设备，这类产品实际上是基于 Internet 的一种视频传输，其缺点是电
脑必须一直开机，通信双方的通信软件必须一致并开启。
本文将现阶段成熟的两种产品优化组合，取长补短，构建一种新型的 IP
可视电话系统。该系统拥有一体机设备而并不依赖于电脑，通过 IP 网络传输
数据，并且已经拥有了广大的 IP 用户基础，因此可以普及至普通家庭。
§1.1.2 可视电话的国内外发展
可视电话从提出、发展到市场启动，经历了各种各样的挫折，尤其在中国
它长期处于雷声大雨点小的境地，市场一直未能启动。早在上个世纪五六十
年代可视电话的概念就已经被提出：利用电话线传输语音的同时也传输图像，
这样就可以实现视频通信。但是，由于传统网络和通信技术条件的限制，可
视电话一直没有取得实质性进展。直到八十年代后期，随着芯片集成发展，
数字通信技术日趋成熟和视频编解码技术不断发展，适合商用和民用的可视
电话才得以浮出水面，走向人们的视野[7]。
（1） 国外发展
1964 年，美国贝尔实验室正式提出了可视电话的方案，并在世界上首次推
出可视电话，称 Picture Phone，并宣称它将改变远程通信的面貌，但由于当时电话
网无法满足传输信号的带宽要求，视频信号只能通过极其昂贵的卫星信号传输，
使得成本无法降低，再加上市场需求不强，技术发展不成熟，它的推广受到了极
大的限制。
八十年代以后，图像压缩编码技术和专用集成芯片技术迅速发展，市场上出现
了各种各样的视频会议系统，它们大多使用专用设备和线路，并装配在特别设计
摘要：

摘要在当今信息社会里，人们对沟通中高效的信息获取率有了更高的要求，面对面交流是最有效的信息获取方式，为了实现信息时代人们的沟通需求，可视电话技术得到了迅猛的发展。互联网通信的普及性使得通过IP网络来传输可视电话的视频信号的成本越来越低，在普通家庭中普及可视电话成为可能，因此研究基于IP技术的可视电话具有重大的意义。本文分析研究了可视电话技术的国内外发展状况，并将现阶段成熟的两种产品优化组合，取长补短，构建一种新型的IP可视电话一体机系统。这种新型的一体机系统基于TI公司最新的达芬奇技术，通过H.323标准协议簇中的视频源编解码标准H.261将通话双发的视频数据经过编码，编码后的比特流利用RTP...

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