基于MPEG-4的嵌入式流媒体播放系统优化设计与实现

摘要

随着宽带网络的不断发展，流媒体技术已经成为宽带应用发展的重中之重。流媒体技术是为了解决传统网络下载多媒体资讯时间过长的问题孕育而生的。同时，为了在低带宽网络中传输音视频数据，运动图像专家小组(MPEG)制定了MPEG-4标准，它是为视频会议、可视电话等应用而制定的超低比特率编码标准，以MPEG-4压缩标准为核心的流媒体技术更是成为了人们关注的焦点。另一方面，由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。随着计算机技术和通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的实际意义。
　　 本文分析了MPEG-4标准和常见的几种流媒体文件格式、实时流媒体播放所采用的传输协议RTP/RTCP/RTSP及其应用、流媒体播放系统的总体设计思路和架构。重点研究了MPEG-4的编码算法。
　　 在嵌入式系统上开发了能够实时播放MPEG-4编码影片的流媒体播放系统。服务器端采用了Apple公司的开源流媒体服务器--Darwin Streaming Server(DSS)，结合菱形搜索(Diamond Search，DS)和自适应十字模式搜索(Adaptive Rood Pattern Search，ARPS)两种块匹配算法的优点，提出了新的运动估计算法，分别在Matlab和C平台上实现了改进的算法，从理论和实际编码效果两方面证明了该算法的优越性，使编码性能得到明显的提升。
　　 设计了一个基于Intel XScale PXA255处理器的嵌入式流媒体播放器，做为客户端。给出了嵌入式流媒体播放器的软件设计，主要包括播放器的软件架构和线程模型，以及图形用户界面的设计。为了充分发挥处理器的性能，利用Intel公司提供的针对XScale处理器的IPP库对音频、视频(MPEG-4)进行解码。为了增加系统的播放能力和兼容性，移植了Linux系统下的MPlayer播放器。
　　 最后对系统的代码进行了优化，包括Cache的优化、结构的优化、运算的优化、耗时操作的优化，改进了网络QoS的控制方案，提高了系统的整体性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2 流媒体技术国内外的发展现状

1.2.1 流媒体技术的现状

1.2.2 媒体播放器的发展

1.3 本文的主要工作

第2章 流媒体播放系统的相关技术

2.1 音频和视频的压缩标准

2.1.1 音频压缩标准

2.1.2 视频压缩标准

2.2 流媒体的文件格式

2.3 流媒体协议概述

2.3.1 实时传输协议RTP

2.3.2 实时传输控制协议RTCP

2.3.3 实时流协议RTSP

2.4 本章小结

第3章 流媒体服务器的实现和运动估计算法的改进

3.1 Darwin Streaming Server的总体结构

3.1.1 文件处理系统

3.1.2 服务器核心

3.2 Darwin Streaming Server的工作流程

3.2.1 RTSP请求分析

3.2.2 RTSP请求处理

3.2.3 发送RTP数据包

3.3 运动估计快速算法

3.3.1 运动估计的基本原理

3.3.2 运动估计的匹配准则

3.3.3 典型的运动估计算法

3.4 基于DS与ARPS的运动估计改进算法

3.4.1 改进算法的总体思路

3.4.2 零运动预先判断

3.4.3 改进算法描述

3.4.4 实验结果和性能分析

3.5 本章小结

第4章 嵌入式流媒体播放器的实现

4.1 硬件的总体方案

4.2 硬件系统的工作流程

4.3 主要芯片结构及功能介绍

4.3.1 PXA255的总体结构

4.3.2 PXA255的功能特性

4.3.3 XScale的协处理器

4.4 主要硬件电路设计

4.5 播放系统的总体架构

4.5.1 播放系统的软件架构

4.5.2 播放系统的线程模型及其状态转换

4.6 图形用户界面的设计

4.6.1 Qt类库及应用程序框架

4.6.2 图形用户界面的实现

4.7 利用Intel IPP库实现视频和音频的解码

4.7.1 Intel IPP库概述

4.7.2 IPP库的特占

4.7.3 IPP库中函数原型的说明

4.8 利用IPP库实现MPEG-4的解码

4.8.1 MPEG-4视频解码的流程

4.8.2 MPEG-4视频解码原理及IPP库具体应用

4.9 利用IPP库实现音频的解码

4.9.1 音频解码的流程

4.9.2 音频解码原理及IPP库应用

4.10 MPlayer播放器

4.10.1 MPlayer播放器的特点

4.10.2 MPlayer播放器的移植

4.11 本章小结

第5章 系统的优化和性能测试

5.1 XScale体系结构的软件优化

5.1.1 Cache的优化

5.1.2 结构的优化

5.1.3 运算的优化

5.1.4 耗时操作的优化

5.2 网络QoS的研究与改进

5.2.1 网络的拥塞控制

5.2.2 网络中抖动和乱序的控制

5.3 系统的性能测试

5.3.1 测试的环境和方案

5.3.2 测试结果

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文