国家天文台静、动态图像编码与传输的研究
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摘要
当今社会，计算机和Internet技术在飞速发展，同时它也对其他各学科的发展起到了巨大的推动作用。天文学作为一门以观测为基础的学科也受到了它的很大影响。以往，天文观测者们需要在望远镜等观测设备旁边枯燥的记录收集观测数据，但由于新技术的出现极大的丰富了天文学研究的方法和手段，专业天文研究人员和天文爱好者们希望不需要守候在望远镜旁，而是通过网络就可以得到需要的信息。他们需要通过网络能够观测星图、快速获取星图文件，并且能够实时看到一些动态的视频。所以，国家天文台网站需要建立一个对静、动态图像压缩编码使之适应网络传输，并能够被用户点播和实时观看的流媒体传输平台，满足这些新的需求。
针对上述要求，本论文研究了星图文件的特点，给出了国家天文台静、动态图像编码与传输的方案，并进行了软件实现。本论文具体的研究成果如下：
首先，分析了星图图像和文件的特点，为了适应星图图像网络显示的需要，对星图文件进行了有损压缩，压缩比在10倍以上时依然有很好的视觉效果；为了适应星图图像存储传输的需要，对星图文件进行了无损压缩，提出了基于ZIP的分层压缩算法等，使压缩比由1.1～1.5倍提高到1.8～2.3倍，优于其他压缩算法，达到了较高要求；
其次，利用微软的Windows Media SDK进行二次开发，将多幅静止的天文星图文件流化成一个视频文件，视频的码流速率、视频大小、每幅图像的显示间隔等都可以手动设置，并可以进行网络广播，还可以将生成的流实时推到流媒体视频服务器，由服务器分发进行网络视频点播。在国内天文界属于首创；
第三，利用SOCKET网络编程技术实现了星图视频流化的远程控制系统，通过一个设置参数的客户端对远程的服务器进行控制，在服务器实现星图的流化和网络分发。
最后，对工作进行了总结，并提出了下一步的改进意见。
At present, the development of the computers and Internet technology are phenomenal, which is an impelling force for the population of other sciences such as the astronomy. We know astronomy is a science based on observation, in the past the professional astronomical researchers used to record and collect information with a telescope or other observation facilities personally, but now, many new technologies coming to the public improve methods and means for astronomy research. Both the professional and the amateur astronomical researchers hope to get the information and data they need through internet instead of standing by the telescopes and watching. Through internet they want to observe star images freely, get the star image files quickly and enjoy the real-time videos, so the National Astronomical Observatories consign us to build a streaming media transmission platform to serve the users, which can process the still images and videos to fit for the network transmission and be watched on demand by the orders.
Based on the requirements mentioned above, the characters of star image files are studied and the still/dynamic image coding and transmission solution is proposed and realized in this paper. Concretely, the research achievements are as followed:
Firstly, the characters of star images and files are analyzed. In order to adjust to the requirements of display of star image in internet, the star image files have been compressed with loss. The consequences show that there are still good performances for vision when the compression ratio is over 10 times; in order to adjust to the requirements of star images' storage and transmission, the star image files has been compressed lossless. An algorithm of lossless delamination compression Based on ZIP has been proposed. The conclusion is that compression ratio is increased from 1.1～1.5 to 1.8～2.3 times and better than other algorithm of lossless compressions. The requirements can be satisfied better.
Secondly, a original software application using the Windows Media SDK, which can stream the still star images to a video stream file is developed, the bit rate of video flow, the size of video, the display interval of each image and other parameters can be settled manually. The application can broadcast the streams and upload the generated media streams to the video servers, and then distribute them by the servers in the internet.
Lastly, a remote control system for star images streaming is designed and implemented making use of socket internet programming technologies, which can control the remote servers to execute all kinds of functions by settling different parameters in the clients.
At last, the paper sums up all the work, and give the next betterment idea.
针对上述要求，本论文研究了星图文件的特点，给出了国家天文台静、动态图像编码与传输的方案，并进行了软件实现。本论文具体的研究成果如下：
首先，分析了星图图像和文件的特点，为了适应星图图像网络显示的需要，对星图文件进行了有损压缩，压缩比在10倍以上时依然有很好的视觉效果；为了适应星图图像存储传输的需要，对星图文件进行了无损压缩，提出了基于ZIP的分层压缩算法等，使压缩比由1.1～1.5倍提高到1.8～2.3倍，优于其他压缩算法，达到了较高要求；
其次，利用微软的Windows Media SDK进行二次开发，将多幅静止的天文星图文件流化成一个视频文件，视频的码流速率、视频大小、每幅图像的显示间隔等都可以手动设置，并可以进行网络广播，还可以将生成的流实时推到流媒体视频服务器，由服务器分发进行网络视频点播。在国内天文界属于首创；
第三，利用SOCKET网络编程技术实现了星图视频流化的远程控制系统，通过一个设置参数的客户端对远程的服务器进行控制，在服务器实现星图的流化和网络分发。
最后，对工作进行了总结，并提出了下一步的改进意见。
At present, the development of the computers and Internet technology are phenomenal, which is an impelling force for the population of other sciences such as the astronomy. We know astronomy is a science based on observation, in the past the professional astronomical researchers used to record and collect information with a telescope or other observation facilities personally, but now, many new technologies coming to the public improve methods and means for astronomy research. Both the professional and the amateur astronomical researchers hope to get the information and data they need through internet instead of standing by the telescopes and watching. Through internet they want to observe star images freely, get the star image files quickly and enjoy the real-time videos, so the National Astronomical Observatories consign us to build a streaming media transmission platform to serve the users, which can process the still images and videos to fit for the network transmission and be watched on demand by the orders.
Based on the requirements mentioned above, the characters of star image files are studied and the still/dynamic image coding and transmission solution is proposed and realized in this paper. Concretely, the research achievements are as followed:
Firstly, the characters of star images and files are analyzed. In order to adjust to the requirements of display of star image in internet, the star image files have been compressed with loss. The consequences show that there are still good performances for vision when the compression ratio is over 10 times; in order to adjust to the requirements of star images' storage and transmission, the star image files has been compressed lossless. An algorithm of lossless delamination compression Based on ZIP has been proposed. The conclusion is that compression ratio is increased from 1.1～1.5 to 1.8～2.3 times and better than other algorithm of lossless compressions. The requirements can be satisfied better.
Secondly, a original software application using the Windows Media SDK, which can stream the still star images to a video stream file is developed, the bit rate of video flow, the size of video, the display interval of each image and other parameters can be settled manually. The application can broadcast the streams and upload the generated media streams to the video servers, and then distribute them by the servers in the internet.
Lastly, a remote control system for star images streaming is designed and implemented making use of socket internet programming technologies, which can control the remote servers to execute all kinds of functions by settling different parameters in the clients.
At last, the paper sums up all the work, and give the next betterment idea.
引文
[1] 赵永恒 互联网时代的天文学革命-虚拟天文台 科学2002年54(2)：13
[2] 余勇昌，宋宜昌 流媒体技术的原理、应用及发展现代电信科技2003年7月
[3] David Salomon著 吴乐南等译 数据压缩原理与应用(第二版) 电子工业出版社2003年9月
[4] 蔡安妮，孙景鳌 多媒体通信技术基础北京：电子工业出版社2000年8月
[5] David J．Kruglinski著 潘爱民，王国印译Visual C++技术内幕(第四版)清华大学出版社2002年2月
[1] 赵耀，袁保宗 数据压缩的概念及现状 中国数据通讯网络 2000年8月
[2] 赵耀，袁保宗 几种常用的有失真数据压缩方法 中国数据通讯网络 2000年10月
[3] Wallace G. K. The JPEG Still Picture Compression Standard IEEE Trans Consumer Electronics 1992 38(1): 18-34
[4] Michael D. Adams The JPEG2000 Still Image Compression Standard [IS0/IEC JTC1/SC 29/WG 1 N 2412 2001.9
[5] Christopoulos C., Skodras A., Ebrahimi T. The JPEG2000 still image coding system: An overview IEEE transcation on Consumer electronics 2000年46(4): 1104-1127
[6] JPEG2000 part 1 final committee draft version1.0 ISO: ISO/IEC JTC1/SC29 /WGIN1646R 2000.3.16
[7] 张益贞，刘滔Visual C++实现MPEG／JPEG编解码技术2002年11月
[8] B. G. Haskell, A. Puri, A. N. Netravali Digital Video: An Introduction to MPEG-2 Chapman & Hall New York 1997
[9] 钟玉琢等 基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准——MPEG-4及其校验模型 科学出版社2000年
[10] 毕厚杰 新一代视频压缩编码标准——H．264／AVC人民邮电出版社2005年
[11] Definition of the Flexible Image Transport System(FITS) NASA/Science Office of Standards and Technology 1999.3.29
[12] 周宁，汤晓军，徐维朴JPEG2000图像压缩标准及其关键算法 现代电子技术 2002年12月
[13] David A. Huffman A Method for the Construction of Minimum-Redundancy Codes 1952
[14] David Salomon著 吴乐南等译 数据压缩原理与应用(第二版) 电子工业出版社 2003年9月
[1] 陆其明 Windows Media编程导向 清华大学出版社 2005年5月
[2] 余勇昌，宋宜昌 流媒体技术的原理、应用及发展现代电信科技2003年7月
[3] 邱翔鸥 流媒体技术应用前景与运营商策略分析 邮电设计技术 2003年4月
[4] RFC 1889 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications
[5] RFC 1890 RTP Profile for Audio and Video Conference with Minimal Control
[6] RFC 2326 RTSP: Real Time Streaming Protocal
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[8] 向世明Visual C++数字图像与图形处理电子工业出版社 2002年
[9] 肖磊，王志坚 Windows Media编程与应用 清华大学出版社、重庆大学出版社 2003年9月
[10] 曹燕萍，谢剑英Windows流媒体技术及其应用 计算机工程 第28卷 第8期2002年8月 6-8
[11] 杨显斌 Windows Media技术在现代远程教育中的应用 广东电视大学学报 第12卷 48期 2003年4月 32-34
[12] 陶红久，柳健，田金文 在网络中的流媒体实时传输技术 系统仿真学报 第13卷增刊 2001年11月 446-448
[13] 杨书刚，刘轶 基于Windows Media技术的流媒体系统的设计与实现 山东理工大学学报 第17卷第6期 2003年11月 104-106
[14] 赵新跃 基于Windows平台的网络直播实时传输系统的实现 中国医学教育技术 第18卷第6期 2004年12月 282-385
[15] 钟玉琢，向哲，沈洪 流媒体和视频服务器 清华大学出版社 2003年6月
[16] 张益贞，刘滔 Visual C++实现MPEG／JPEG编解码技术2002年11月
[17] David J．Kruglinski著 潘爱民，王国印译 Visual C++技术内幕(第四版)清华大学出版社 2002年2月
[18] 谭浩强 C++程序设计 清华大学出版社 2004年6月
[19] 张丽 流媒体技术大全 中国青年出版社 2001年
[20] 王险峰 Windows环境下的多线程编程原理与应用 清华大学出版社2002年
[21] 蔡安妮，孙景鳌 多媒体通信技术技术 北京：电子工业出版社 2000年8月
[1] 周炎涛，李立明TCP／IP协议下网络编程技术的实现 航空计算技术 2002年32(3)：122-125．
[2] 蒋东兴 Windows Sockets网络程序设计大全 北京 清华大学出版社 1999年1月
[3] 谢希仁 计算机网络 北京 电子工业出版社 2004年
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