关于数字视音频播出与控制的一些关键技术的研究
摘要
传统的电视节目播控技术，以磁带录像机为核心，因此又被称为磁带播出方式。随着数字信息技术的不断发展，电视广播开始步入数字时代。目前，基于硬盘服务器的全数字电视播控系统已成为广电行业研究与应用的热点，该类系统涵盖了诸多核心与关键技术，它们都是极具理论意义和实用价值的研究课题。本课题对基于硬盘的数字音视频播控技术的研究正是在此背景下开展，目前该技术已得到国内外相关行业的充分重视。
论文对硬盘数字播控系统的一些关键技术进行了较为系统地分类研究和工程实验。
论文首先对视频广播行业数字化改造的现状与趋势进行综述，重点讨论了数字播控所涉及的若干关键技术的概况，包括数字压缩编解码技术、海量存储与容错技术、网络互连技术和系统安全备份播出技术等，并对电视节目的制、编、播一体化网络进行展望。
然后，论文实现了基于软件方式的MPEG-2标准视频及AC-3格式压缩音频的实时解码与回放，并依据MPEG-2系统解码模型 实现了一种基于音频基准时钟的MPEG解码器的视音频同步算法，实验证明该算法可行、实用、通用性好，对符合MPEG-1或MPEG-2系统标准的视音频解码器均具适用性。同时，该算法也对MPEG硬件解码器及其他多路复用格式的视音频解压具有借鉴价值。
论文以双机热备安全播出系统的研究为背景，提出并仿真实现了一种基于数字媒体参考信息的双机备份同步播出算法。该算法充分利用被播媒体本身的数字化位置信息作为播出进度同步的参考，广泛的支持多种格式数字媒体。算法复杂度低，通用性强，并有效利用播出工作站的串行接口资源，无需特殊硬件的支持，软件实验仿真成功有效。
论文还系统地阐述了基于事件驱动的多媒体同步与链接机制的原理与实现技术，并成功地应用在电视节目自动播控系统软件的设计中。该技术模块化基于面向对象的设计思想，并且具有较好的通用性、灵活控制性和扩展能力。
最后，论文讨论了RAID技术的基本原理和应用策略，并推导了一系列基于RAID磁盘阵列可靠性理论的公式，为有效评价RAID技术的可用性提供了一定的理论依据。
论文研究成果为全数字多通道播出系统及其相关技术的深入研究奠定了扎实的技术理论基础，具有较高的实用价值，部分已成功应用于项目的实际开发，并已形成商业化产品。
Traditional technology on playing out TV programs focuses on VTR,therefore,it is called tape-based TV broadcasting mode. With the development of digital information technology,DVB comes into being. Hard disk automatic Digital Playing-out and Control Systems ( DPCS ) are the current hot issue in the field of TV broadcasting. This subject is built upon a good many kernel and key technic,each of which is a significant subject in theory and application. Based on this background,the research in the technic of DPCS on audio & video (AV) is put forward,which has been emphasized by international academe and enterprise at the present time.
This dissertation has studied some key technologies in the field of DPCS on AV.
First,this dissertation gives a summarize about the development status of the alteration and upgrade in the TV broadcasting system,in which a serious of key technologies of DPCS,including digital compression codec technology,large capacity storage and fault-tolerance technology,network connection technology,and systems security mode,are stressed.
Second,this dissertation implements separately a MPEG-2 video decoder and a Dolby AC-3 digital audio decoder based on software mode,and gives a audio & video synchronization algorithm based on audio-clock-benchmark in MPEG-2 system decoder,whose feasibility and practicability have been proved by experimenting. It is an all-purpose algorithm,which can perform different decoder according to MPEG-1 or MPEG-2 system models,and can also be used for reference to the implementation of other multiplex stream decoders.
Thirdly,this dissertation gives a Synchronization algorithm of double work-stations' playing out based on digital reference information. This algorithm can support multiform digital medias,which take advantages of the serial-ports and socket resource effectively. The successful simulate implementation proved its feasibility.
Fourthly,this dissertation expatiates the principium and implementation of multimedia synchronization & chaining mechanism based on event-driven,and applies it in the project of DPCS software practically. This method leads to more flexible control,expansibility and friendly user interface based on the thought of object oriented.
At last,this dissertation discusses the principium and application of RAID technology,and concludes a serious of theoretic expressions in order to support a justified evaluating system of the reliability of RAID.
论文对硬盘数字播控系统的一些关键技术进行了较为系统地分类研究和工程实验。
论文首先对视频广播行业数字化改造的现状与趋势进行综述，重点讨论了数字播控所涉及的若干关键技术的概况，包括数字压缩编解码技术、海量存储与容错技术、网络互连技术和系统安全备份播出技术等，并对电视节目的制、编、播一体化网络进行展望。
然后，论文实现了基于软件方式的MPEG-2标准视频及AC-3格式压缩音频的实时解码与回放，并依据MPEG-2系统解码模型 实现了一种基于音频基准时钟的MPEG解码器的视音频同步算法，实验证明该算法可行、实用、通用性好，对符合MPEG-1或MPEG-2系统标准的视音频解码器均具适用性。同时，该算法也对MPEG硬件解码器及其他多路复用格式的视音频解压具有借鉴价值。
论文以双机热备安全播出系统的研究为背景，提出并仿真实现了一种基于数字媒体参考信息的双机备份同步播出算法。该算法充分利用被播媒体本身的数字化位置信息作为播出进度同步的参考，广泛的支持多种格式数字媒体。算法复杂度低，通用性强，并有效利用播出工作站的串行接口资源，无需特殊硬件的支持，软件实验仿真成功有效。
论文还系统地阐述了基于事件驱动的多媒体同步与链接机制的原理与实现技术，并成功地应用在电视节目自动播控系统软件的设计中。该技术模块化基于面向对象的设计思想，并且具有较好的通用性、灵活控制性和扩展能力。
最后，论文讨论了RAID技术的基本原理和应用策略，并推导了一系列基于RAID磁盘阵列可靠性理论的公式，为有效评价RAID技术的可用性提供了一定的理论依据。
论文研究成果为全数字多通道播出系统及其相关技术的深入研究奠定了扎实的技术理论基础，具有较高的实用价值，部分已成功应用于项目的实际开发，并已形成商业化产品。
Traditional technology on playing out TV programs focuses on VTR,therefore,it is called tape-based TV broadcasting mode. With the development of digital information technology,DVB comes into being. Hard disk automatic Digital Playing-out and Control Systems ( DPCS ) are the current hot issue in the field of TV broadcasting. This subject is built upon a good many kernel and key technic,each of which is a significant subject in theory and application. Based on this background,the research in the technic of DPCS on audio & video (AV) is put forward,which has been emphasized by international academe and enterprise at the present time.
This dissertation has studied some key technologies in the field of DPCS on AV.
First,this dissertation gives a summarize about the development status of the alteration and upgrade in the TV broadcasting system,in which a serious of key technologies of DPCS,including digital compression codec technology,large capacity storage and fault-tolerance technology,network connection technology,and systems security mode,are stressed.
Second,this dissertation implements separately a MPEG-2 video decoder and a Dolby AC-3 digital audio decoder based on software mode,and gives a audio & video synchronization algorithm based on audio-clock-benchmark in MPEG-2 system decoder,whose feasibility and practicability have been proved by experimenting. It is an all-purpose algorithm,which can perform different decoder according to MPEG-1 or MPEG-2 system models,and can also be used for reference to the implementation of other multiplex stream decoders.
Thirdly,this dissertation gives a Synchronization algorithm of double work-stations' playing out based on digital reference information. This algorithm can support multiform digital medias,which take advantages of the serial-ports and socket resource effectively. The successful simulate implementation proved its feasibility.
Fourthly,this dissertation expatiates the principium and implementation of multimedia synchronization & chaining mechanism based on event-driven,and applies it in the project of DPCS software practically. This method leads to more flexible control,expansibility and friendly user interface based on the thought of object oriented.
At last,this dissertation discusses the principium and application of RAID technology,and concludes a serious of theoretic expressions in order to support a justified evaluating system of the reliability of RAID.
引文
[1]杨俊，蔡宣平，颜飞翔，“数字音频技术其应用与发展”，电声技术，2001．5／2001．6
[2]杨俊，蔡宣平，颜飞翔，“PC Widows环境下数字音频软件解压播放技术研究”，电声技术，2001．3
[3]杨俊，蔡宣平，刘桂清，“RAID技术及其在视频领域中的应用”电视技术，2002．2
[4]李志勇：著《模糊控制、神经控制和智能制论》，哈尔滨工业大学出版社，1998．9
[5]钟玉琢，蔡莲红，李树青，史元春 编著《多媒体计算机技术基础机应用》，高等教育出版社，1999年6月第一版
[6]张绍高 编著《数字声频技术原理及应用》，国防工业出版社，2000年7月版
[7]黎洪松 编著《数字视频技术及其应用》 ，清华大学出版社，1997年版
[8]马小虎，张明敏，严华明 编著《多媒体数字压缩标准及实现》，清华大学出版社，1996年版
[9]余崇智，李存珠，张志力 等 编著《运动图像及其伴音的压缩与编码——MPEG-1》，南京大学出版社，1995年版
[10]钟玉琢，乔秉新 等 编著《运动图像及其伴音通用编码国际标准——MPEG-2》，清华大学出版社，1997年版
[11]F. Nack, A. Lindsay: "Everything you wanted to know about MPEG-7", Pan 1; in IEEE Multimedia Vol. 6,No. 3, 1999, pp.65-77.
[12]F. Nack, A. Lindsay: "Everything you wanted to know about MPEG-7", Pan 2; in IEEE Multimedia Vol. 6,No. 4, 1999, pp.64-73.
[13]Leonardo Chiariglione "Impact of MPEG Standards on Multimediu Industry" Proceedings of the IEEE, 1998,86(6): 1222-1227
[14]李博轩 编著《Visual C++6.0多媒体开发指南》，清华大学出版社，2000年版
[15]《数字视频广播(DVB)标准及系统设备》，广播电影电视部标准化规划研究所，1997年版
[16]潘爱民 著 《COM原理与应用》，清华大学出版社，1999年11月版
[17]《图像电子学》，p95～123
[18]Microsifi DirectMedia6.1 SDK
[19]Microsifi DirectX8.0a SDK
[20]宋磊，霍德存，刘建宁，“数字播控技术探讨”，电视技术，2001．1，p80～p81
[21]贾煜，“硬盘编播系统三类模式分析”，电脑开发与应用，2000．8，p26～28
[22]卞德森，郑朝阳，郑国灿，张毅，“硬盘播出系统的技术特点与构建方式”，电视技术，2001．11，p75～79
[23]杨力，赵婵娟，文一彪等，“硬盘自动播出系统中采用的关键技术”，电视技术，2001．3，p53～
[24]卞德森，“基于视频服务器的各种应用方式”，广播与电视技术，2001．3，p56～69
[25]卞德森，“视频服务器在播出中的应用”，世界广播电视，20009，p29～34
[26]陈巍，“电视节目的存储及管理”，广播与电视技术，2001．1，pp74～80
[27]李智芳，“MPEG-2多通道多媒介网络播出系统的研制”，计算机应用研究，2000．10，pp53～p55
[28]赵蝉娟，单兴中，文一彪，“数字播控系统的设备选型，广播与电视技术，2001．4，pp74～77
[29]张钧元，王伟，何涛，“广告串编播网络方案及实施”，电视技术，2001．4，pp68～70，78
[30]周毅，“数字电视压缩技术的国际标准及其发展”，广播与电视技术，1997．4，pp14～23
[31]吴皖霞，卞德森，陈学敏，“基于PDR300视频服务器的多通道播出系统(上)”，广播与电视技术，2000．5，pp59～64
[32]吴皖霞，卞德森，陈学敏，“基于PDR300视频服务器的多通道播出系统(下)”，广播与电视技术，2000．6，pp84～90
[33]王俊文，宋晓冬，“浅析城市电视台非线性网络编辑及硬盘播出系统”，电视技术，2001．4，pp73～75
[34]周祥平，“崭露头角的硬盘录像技术”，电视技术，2001．5，pp81～85
[35]黄国宣，“多种压缩格式的非线性编辑板卡，电视技术，2001．5，pp87
[36]李新，李景美，“电视制播出数字一体化网络”，广播电视技术，2001．1，pp81-88
[37]陈建明，“计算机技术在电视台中的应用”，电视技术，2000．2，即68～73
[38]ATSC A/52. "Digital Audio Compression (AC-3) Standard", United Advanced Television Systems Committee, 1995.12
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[46]李永葆，“深入理解MPEG-2”，世界广播电视，2001，1，pp84～100
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[48]赵新梅，胡泽，“AC-3多声道环绕声系统”，北京广播学院学报(自然科学板)，2000．2，pp43～53
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[92]杨俊，蔡宣平，颜飞翔，“基于数字参考信息的双机备播同步技术的研究与仿真”，电视技术，2002．1．23(已录用待发)
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[1]外协项目，“多通道全数字播出控制系统”
[2]预研项目，“东南战区电磁干扰态势演示系统”
[2]杨俊，蔡宣平，颜飞翔，“PC Widows环境下数字音频软件解压播放技术研究”，电声技术，2001．3
[3]杨俊，蔡宣平，刘桂清，“RAID技术及其在视频领域中的应用”电视技术，2002．2
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[36]李新，李景美，“电视制播出数字一体化网络”，广播电视技术，2001．1，pp81-88
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[47]张强，尹蕴青，“MPEG-7一览”，电视技术，2001．7，pp16～19
[48]赵新梅，胡泽，“AC-3多声道环绕声系统”，北京广播学院学报(自然科学板)，2000．2，pp43～53
[49]赵新梅，胡泽，“MPEG-2多声道环绕声系统”，北京广播学院学报(自然科学板)，2000．1，pp56～70
[50]李斌，李伦，“MPEG-1～MPEG-7的分析与评价，电视技术，2001．1，pp16～21，32
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[52]Yu-Chi Chen,Chien-Wu Tsai, and Ja-l.ing Wu "Fast Time-Frequency Transform Algorithms and Their Applications to Real-Time Software hnplementation of AC-3 Audio Codec" 1998 IEEE trans. On Speech and Audio Processing pp413-423
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[1]外协项目，“多通道全数字播出控制系统”
[2]预研项目，“东南战区电磁干扰态势演示系统”