基于Hi3516A的高压缩比网络图像编码设备的设计_鲁云.docx

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1、西 南 科 技 大 学 工程硕士专业学位论文 基于 Hi 3516A的高压缩比网络图像 编码设备的设计 作 者 姓 名 I云 所 在 学 信 息 工 程 学 院 专业 / 领域 補譯 学 校 导 师 韩宾副研究员 校 外 导师 平超高级工程师 论文完成日期 20 1 6年 5 月 17日 Classified Index: TP37 U.D.C: 004 Southwest University of Science and Technology Master Degree Thesis Design of High Compression Ratio Network Image Coding

2、 Equipment Based on Hi3516A Grade: 2013 Gand i date: Lu Yun Academic Degree Applied for: Master Speciality: Control Engineering Supervisor: Han Bin associate professor May. 17. 2016 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 (或我个人 )进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它

3、 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宄所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 熟 0 期 L I 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定， S|:学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定 ） 关于论文使用和授权的说明 摘要 随着社会的发展，视频监控技术步入网络监控时代，高清化、高帧率和高压 缩率成为新发展目标。在这样的背景下，目前流行的 H.264压缩编码标准暴露出 存储空间需求大和网络带宽占用高等局限性

4、，而 H.265是为解决此类问题而提出 的最新压缩编码标准。因此，基于 H.265设计高压缩比网络图像编码设备对于促 进视频监控技术发展具有重要意义。 本文以支持 H.265压缩编码标准的 Hi3516A为处理器，设计高压缩比网络图 像编码设备。首先，设计系统运行必需的电源管理系统、存储电路和时钟复位电 路，以及课题要求扩展的以太网驱动 电路和 sensor接口等，并在印刷电路板设计 过程中详细分析高速电路的信号完整性、电源完整性和信号时序，保证电路板稳 定工作；然后，在海思媒体处理平台 (Media Process Platform， 简称 MPP)上设计高 清视频图像采集、 H.265编码

5、和运动目标检测程序，并修改和优化 Live555开源代 码实现 H.265实时流传输；最后，对系统进行测试与结果分析，结果表明，系统 能稳定传输实时高清视频图像，且比基于 H.264的系统节省约 45.7%的码流，此外， 成功实现运动目标检测功能。 关 键 词 ：网络图像编码设备 DDR3总线 H.265压缩标准 RTSP协议 Abstract With the development of society, video surveillance technology is entering network monitoring time, and the new research goals

6、 are high definition, high frame rate and high compression ratio. Under the circumstance, H.264, the most popular compression coding standard of now, exposes some problems, such as large storage space requirement and high network bandwidth occupation. H.265, the latest compression coding standard, i

7、s published for solving these problems. Therefore, the design of high compression ratio network image coding equipment based on H.265 is very important on promoting video surveillance technology developing. This thesis designs high compression ratio network image coding equipment with Hi3516A proces

8、sor supporting H.265 compression coding standard. Firstly, designs the system running required power management system, storage circuit, and clock reset circuit, and the topic needed Ethernet driver circuit, sensor interface and etc.; in the process of printed circuit board design, analyzes the high

9、-speed circuifs signal integrity, power integrity and signal timing in detail to guarantee the circuit boards stability. Then, designs the HD video image acquisition, H.265 encoding and moving target detection program based on Hisilicon media processing platform (MPP), and achieves H.265 live stream

10、ing transmission by modifying and optimizing the Live555 open source code. Finally, does system experiment and result analysis, the result shows that the system can stably transmit real-time HD video image with about 45.7% the code stream saving than H.264 based system, moreover, moving target detec

11、tion is successfully implemented. Keywords: network image coding equipment;DDR3 bus; H.265 compression standard; RTSP protocol 目 录 1 雜 . 1 1.1研究背景及意义 . 1 1.2国内外发展现状 . 3 1.3课题来源及研宄内容 . 5 1.4课题内容安排 . 6 2系统关键技术对比分析 . 7 2.1处理器搭配方案 . 7 2.2视频图像压缩编码技术 . 9 2.2.1 MPEG-x系列压缩编码标准 . 9 2.2.2 H.26x系列压缩编码标准 . 9 2.

12、2.3 H.265核心技术研宄 . 10 2.3网络视频传输技术 . 12 2.4系统总体设计方案 . 14 2.5 本章小节 . 14 3高压缩比网络图像编码设备硬件电路设计 . 15 3.1硬件电路总设计方案 . 15 3.2硬件处理单元设计 . 16 3.2.1 电源管理模块电路 . 16 3.2.2存储模块电路 . 18 3.2.3 时钟与复位模块电路 . 20 3.2.4 Sensor 接 口电路 . 21 3.2.5 网络通信模块电路 . 21 3.3本章小节 . 22 4高速印刷电路板设计 . 23 4.1印刷电路板层叠结构设计 . 23 4.1.1 层叠结构设计方案 . 23

13、4.1.2层叠参数仿真计算 . 24 4.2高速信号抗干扰分析与设计 . 27 4.2.1信号完整性设计 . 27 4.2.2 电源完整性设计 . 33 4.2.3 DDR时序设计 . 36 4.3 #路板参数 i 周试 . 39 4.4 本章小节 . 41 5图像高压缩比编码与传输相关软件设计 . 42 5.1软件开发平台构建 . 42 5.1.1交叉编译环境搭建 . 42 5.1.2 嵌入式 Linux系统移植 . 42 5.1.3 MPP 力口载 . 44 5.2软件总设计方案 . 45 5.3视频图像高压缩比编码程序设计 . 46 5.3.1 系统控制 . 47 5.3.2视频图像采集

14、 . 49 5.3.3 视频图像处理 . 50 5.3.4视频图像编码 . 52 5.4网络传输技术研宄与程序设计 . 55 5.4.1 Live555 源码目录 . 55 5.4.2 Live555 具体分析 . 56 5.4.3 实时流传输程序设计 . 58 5.4.4进程通信方法与进程同步机制 . 60 5.5运动目标检测算法实现 . 61 5.5.1运动目标检测常用算法对比 . 61 5.5.2背景差分算法原理 . 62 5.5.3 背景差分算法实现 . 62 5.6 本章小节 . 64 6系统设计结果测试与分析 . 65 6.1实验环境 . 65 6.2实时流传输与编码效率测试实验

15、. 66 6.2.1 实时流传输测试 . 66 6.2.2 H.265压缩编码算法效率分析 . 67 6.3运动目标检测测试实验 . 70 6.4本章小节 . 71 it . 72 & i射 . 74 詩錢 . 75 攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果 79 1绪论 1.1研究背景及意乂 从监控矩阵在上世纪 70年代于美国诞生开始，视频监控技术已经有近 40年 的发展历史，在这过程中，先后经历了模拟监控时代、数字监控时代和现今正快 速发展的网络监控时代，各时代主要特性如下所示： (1) 模拟监控时代： 90年代中期前，模拟监控设备占领着整个视频监控市场。 最初，系统由摄像机和显示设备一一对应

16、构成，并用同轴电缆传输模拟视频图像 ; 后来，引入了模拟视频切换矩阵和磁带式录像设备 VCR(Video Cassette Recorders) 等，从而通过多路视频图像信道切换显示解决了监控设备共享等问题，真正构成 了完整的模拟视频监控系统。模拟视频监控系统的缺点是传输距离短 (采用光端机 在一定程度上延长传输距离 )，大规模视频源的控制与管理困难、数据存储与调用 困难等 1 (2) 数字监控时代 :90年代中期，通过硬盘录像机 DVR(Digital Video Recorder) 技术， 数字监控系统得到应用。数字视频监控系统中，从摄像机到本地 DVR的视 频图像仍然是模拟数据，传输介质

17、为同轴电缆， DVR负责将模拟视频图像数字化， 并本地存储。数字化存储使得用户可以对图像编解码，进行简单网络访问等。随 着数字监控技术的发展， DVR技术从 PC DVR发展到嵌入式 DVR， 并且实现了以 DVR+流媒体服务器为基础的网络监控解决方案，这样，监控系统可以方便接入到 IP网络中，从而通过网络通信实现本地视频图像的远程共享。 (3) 网络监控时代： 90年代末至今，随着嵌入式技术的发展，网络通信技术 的更广泛应用和智 能图像分析与处理技术的发展，视频监控进入网络监控时代。 在网络视频监控系统中，前端采集设备获取数字图像，并通过网络传输介质传输 和网络存储设备存储。在网络监控系统中

18、，主要使用了视频编码器、视频解码器、 带本地存储的编码器、视频管理服务器和数据管理服务器等技术。随着科技进一 步发展，这些技术还与模式识别、图像处理和计算机视觉等学科充分融合，实现 了高清图像质量、高可靠性存储、智能管理控制与智能应用以及灵活的扩展接入 等。 调查表明，虽然模拟监控系统、数字监控系统和模数混合系统还占有一定的 市场分量，但是网络监 控系统以其压倒性优势在视频监控领域占据着越来越重要 的地位，如图 1-1所示。在网络监控系统中，除了上述本身具有的优势以外，还有 很多因素有利于其发展，首先，平安城市建设极大扩展了视频监控业务，视频监 控应用从企业级向民用级扩展；其次，网络视频监控是

19、物联网的重要组成部分， 国家物联网战略带动网络视频监控的快速发展；然后， 3G及 WIFI等无线网络技 术丰富了网络监控应用场合；此外，网络带宽的升级和网络协议的变化、电信运 营商的视频监控业务、 POE技术的发展等也有利于其 发展。 图 1-1 视频监控系统的市场构成变化图 Figl-1 The market composition change of video monitoring system 网络视频监控领域发展到今天，在国内外都取得重大成就。在国内，受 2004 年启动的全国平安城市建设、科技强警示范城市建设和 2008年举办的奥运会影响， 网络化、高清化和智能分析概念备受视频监控

20、行业推崇。在这样的历史背景下， 大规模网络化监控不断走向成熟，数字 DVR、 DVS、 NVR、 IP摄像机等产品迅速 发展；此外，一批具有核心竞争力和整体实力的企业淘汰众多小型企业，脱颖而 出 (比如中国安防技术有限公司、深圳中兴力维技术有限公司、海康威视等 )，并与 电信运营商广泛合作，形成了完整的安防产业布局，从而在网络监控时代，取代 国外视频监控企业在中国监控行业市场的主导地位。在国外，尤其是欧洲和美国， 视频监控行业发展一直在国际最前沿，如今，智能视频监控正从 “ 概念验证 ” 阶 段转向 “ 规模应用 ” 阶段，智能视频监控应用不断增多 （ 比如英国的朴次茅斯 “ Perceptm

21、k” 智能监控系统在纽约、华盛顿和芝加哥等美国城市取得良好效 果， 美国 NEC公司的 Smart Catch智能视频监控解决方案每天处理旧金山机场安全威 胁事件上百件等 )。随着快速发展的世界电信技术和持续增长的移动通信技术，移 动通信向着 3G、 4G等技术迈进， WiFi、 WiMAX等宽带无线技术和短距离无线技 术也不断涌现，移动视频监控应用也占据着重要市场地位 2。 网络视频监控系统正向着网络化、高清化和智能化不断迈进，使得网络监控 系统功能更全面，管理更方便，集成度更高和扩展性更好等；然而，技术发展过 程中也遇到很多难题，其中，网络传输带宽限制问题和海量视频图像存储问题尤 为突出。

22、攻克这些难关，解决当前所面临的一系列问题对于推动网络视频监控领 域朝着高清智能化方向发展具有重要意义。 1.2国内外发展现状 为了解决视频监控系统在网络化、高清化和智能化进程中存在的网络带宽限 制和海量存储占用问题，图像压缩编码技术发展迅速。迄今，图像压缩标准很多， 有静止的 JPEG、 JPEG2000 等，有运动的 M-JPEG、 MPEG-l、 MPEG-2、 MPEG-4、 H.261、H.263、 H.264、 WMV-HD、 VC1等和正在被看好的 H.265以及国内自主 知识产权的 /以 8等其中，最具影响力的是 ITU-T颁布的 H.26x和 ISO/IEC颁 布的 MPEG-

23、x视频压缩技术。 2003年， ITU与 MPEG共同组成的 JVT团队结合各自的优点制定了 H.264 视频压缩编码协议标准 (若没有特别说明，本文后续章节中所述的 H.264都指此处 的 H.264视频压缩编码协议标准 )，其基本档次 (Baseline Profile)、主要档次 （ Main Profile)和扩展档次 (Extended Profile)分别针对低码率视频通信、数字电视和网络流 媒体应用。它的码流比 H.263视频压缩编码协议标准节省 50%左右，这满足了高 清化网络视频监控系统的需求。随着高性能 DSP和 ASIC的推出， H.264编码复 杂程度提到了 3倍，解码

24、复杂程度提到了 2倍的缺点得到有效解决经过十多年 发展，已经基本取代 H.263视频压缩编码协议标准和 MPEG-4成为主流的编码标 准。在国外，成熟的 H.264编解码芯片层出不穷， SigmaDesign公司、 Broadcom 公司和 Conexant公司等很多公司都相继推出 H.264编解码芯片并在市场得到充分 应用。在 IPTV市场， H.264得到广泛使用，全球很多 IPTV业务运营商都将 H.264 作为编码格式标准，多数机顶盒厂家都接受 H.264。 从E对其在 2009 年 所编码的 500万段视频进行统计表明，如图 1-2所示，得益于 H.264在市场的大 规模应用，在这一

25、年， H.264格式视频从 31%增长到 66%，而 Flash(以 Flash VP6和 FLV为代表 )从 69%下降到 26%， H.264地位急剧上升。在国内，基于 H.264技术 的编解码芯片研宄很多，但产品较少，投入研宄的单位主要包括清华大学、上海 交通大学、国防科技大学和广东暨南大学等，产品方面有深圳市海思半导体公司 的编解码芯片、上海富瀚微电子的解码芯片等。由于受国外巨 头市场垄断的影响， H.264在 IPTV市场没有得到很好开拓，仍然以 MTOG-2编解码技术为主。 图 1-2 E编码视频的格式统计结果 Figl-2 The statistical results of v

26、ideo coding format by E 然而，在市场对高清分辨率要求越来越高的情况下， H.264已显得力不从心， 1920*1080分辨率的视频图像一般需要 4 10M带宽，这给网络和系统建设带来巨 大压力。带宽、成本和技术等原因成为制约行业向高清化发展的瓶颈。于是，在 2013年2月， JCT-VC联合团队发布了 H.265视频压缩编码协议标准 (若没有特别 说明，本文后续章节中所述的 H.265都指此处的 H.265视频压缩编码协议标准 )。 它具有比 H.264更好的性能，在 1920*1080分辨率下测试表明，在最终视频质量 不变的前提下，它比 H.264平均节省 52%的码

27、流 m，虽然运算复杂度比 H.264复 杂 2 4倍；并且在并行处理能力和网络适应性方面也有极大改进；此外， H.265支 持 4K(4096x2160)和 8K(8192x4320)超高清视频。 H.265拥有诸多优势，专家一致 认为它将带来整个行业的一次变革。然而，目前还没有得到发展和推广，主要原 因有：首先，从标准生成到芯片的周期至少需要一年半，比如海思、海康威视等 安防巨头的 H.265方案都还在测试阶段，还没有实际应用；其次， H.265还存在专 利方面的风险，握有 H.265专利的二星、 _通以及联发科等企业，尚未表态将其 加入 MPEGLA专利池中；第三，编码芯片成本和网络兼容性

28、等风险还未得到完善 ; 第四，对于稳定性要求较高的行业型用户需要 H.265较长 的验证周期，现在只能 针对消费性用户，比如家庭、小商铺等。所以，H.265在安防行业的大规模普及为 时尚早，在未来，随着智能消费类电子产品的日益普及，在民用安防的带动下会 成为行业的又一个标准。 此外， 2014年在深圳市 ” 千人计划 ” 专家畅议智慧城市与智能制造报告上，华 为公司代表表示，由于 H.264在国外市场发展多年，其市场体系成熟稳定，国外 厂家不会主动使用 H.265取代 H.264应用于市场；而 H.264在国内市场没有广泛使 用，国内厂家没有历史负担，所以国内将会大力推行 H.265。 所以在

29、新的形势下， H. 265在国内具有巨大潜力，对 H.265的研宄， H.265产品的设计和推进市场应用 对于促进网络视频监控领域向着网络化、高清化和智能化发展具有重要意义。 I. 3课题来源及研究内容 本课题旨在设计高压缩比网络图像编码设备，以解决视频监控技术高清化进 程中存在的网络传输带宽限制和海量存储占用问题。课题源于 XX安防公司的 “ 网 络视频监控智能安防系统项目 ” ，项目要求本系统比当前流行的视频监控系统压缩 效率更高，以实现 1080p30fps或以上分辨率在系统级监控中的应用；同时，支 持 RTSP协议，以便遵循 RTSP协议的客户端 (比如 VLC播放器等 )播放实时视频

30、画 面；此外，具有高清视频本地存储功能和运动目标检测功能等。为了达成指标要 求，主要研宄如下内容 ： (1) 确定高压缩比网 络图像编码设备技术方案，并设计硬件电路 当前市场占有率最高的高压缩比视频监控系统基于 H.264标准实现，它在高 清视频监控系统级应用中存在局限性。本课题首先对比分析了网络图像编码设备 关键技术，并确定高压缩比技术方案；接着，围绕技术方案设计硬件电路模块， 实现支持高压缩比编码和网络通信功能的硬件平台。 (2) 高速印刷电路板抗干扰设计 本系统存储管理模块电路最高信号频率可达 800MHZ， 在印刷电路板设计过 程中，首先，确定电路板层叠方案、走线宽度和走线间距等参数；

31、第二，仿真分 析高速信号反射与串扰，设计满足要求的信号走线以保证信号完整性；第三，根 据系统对电源分配网络的要求，分析和设计电源完整性；最后，分析 DDR3并行 总线时序，设计满足时序要求的信号走线。 (3) 高清视频图像 H.265编码和实时流网络传输功能设计 为满足比 H.264系统压缩比更高的要求，以 H.265作为压缩编码标准，设计 程序实现高清视频图像采集与压缩编码；同时，通过修改和优化 LIVE555开源代 码，实现H.265实时流网络传输；此外，分析进程通信机制，设计相关程序段将 上述进程整合，构成完整的系统。 (4) 视频文件本地存储功能和运动目标检测功能设计 本系统除了具有视

32、频采集编码与实时流媒体传输功能，还应具有本地视频文 件存储功能和运动目标检测功能等。为了满足要求，设计文件读写操作程序实现 视频文件存储功能，研宄运动目标检测原理并设计程序实现运动目标检测功能。 (5) 测试与分析课题设计结果，得出结论 首先，测试 H.265实时流传输效果，并对比分析本系统与基于 H.264的系统 的编码效率，得出系统的压缩比指标；其次，测试本系统运动目标检测算法的检 测结果，并简要分析光照变化对运动目标检测结果的影响。 1.4课题内容安排 按照课题研究内容，本文的章节安排如下。 第一章为绪论，主要介绍课题的研宄背景与意义、国内外网络视频监控领域 的发展现状以及本文的研宄内容

33、。 第二章为系统关键技术对比分析，包括处理器搭配方案、视频图像编码技术 和网络视频传输技术确定，并简要分析 H.265核心技术。 第三章为系统硬件电路设计，包括硬件电路总方案确定和硬件电路设计。 第四章为高速印刷电路板设计，包括印刷电路板叠层方案设计、高速信号抗 干扰设计和印刷电路板参数调试。 第五章为 图像高压缩比编码与传输相关软件设计，包括软件开发基础平台的 搭建， 1080p30Q)s视频图像采集、 H.265编码和 RTSP协议实时流传输软件的设 计，以及本地视频文件存储和运动目标检测等功能的实现。 第六章为课题研宄成果测试与分析，主要包括 H.265编码的 1080p30fi)s实

34、时视频流传输测试实验，基于 H.265的系统与基于 H.264的系统在编码效率上的 对比实验与分析，以及运动目标检测结果测试。 最后，总结本次研宄课题的主要成果，指出创新点，并预测和评价其应 用前景和经济价值，最后展望后续研宄工作。 2系统关键技术对比分析 本研宄课题涉及若干关键技术，需要根据实际情况确定具体实现方案， 以满足研宄课题要求。本章主要对比分析和选择处理器搭配方案、视频图像 压缩编码技术和网络视频传输技术。 2.1处理器搭配方案 视频图像编码设备由视频信息采集模块 (即 Sensor模块 ;)、视频信息处理模块 (即 Image Signal Processing模块，简称 ISP

35、模块 )和视频信息压缩编码模块 (即 Video Encode模块 )组成。其中， Sensor模块通过 CMOS或 CCD图像传感器将图像信号 转换为光电信号； ISP模块对采集的图像信号进行从 bayer到 RGB的转换，和从 RGB到 YUV的转换，并对图像进行 3A处理，伽马校正，裁剪，色度、亮度、对 比度控制等 ;Video Encode模块负责将海量原始视频信号压缩编码成有利于传输和 存储，并最大限度保证原始图像信息的视频数据。根据以上三个关键组成部分， 主要有 3种处理器搭配方案如图 2-1所示。 方案 1通过独立的 ISP处理芯片和 Video Encode模块组成。 ISP处

36、理芯片可通 过 ASIC 或 DSP 实现，比如 nextchip 的 NVP2400，也可通过 FPGA 实现 ;Video Encode 模块可通过 ASIC硬件压缩编码方式或运行于微处理器硬件平台上的软件代码实 现，比如x265源码、 HM源码、 JM源码等。 方案 2通过 ISP模块与 Video Encode模块集成在一起的单芯片实现，比如海 思的Hi3518C、 Hi3516A网络摄像机处理器， TI的 TMS320DM814xDaVinci系列 数字媒体处理器等，此类芯片还集成了丰富的外围扩展接口，方便产品开发 。 方案 3通过 FPGA等芯片实现视频信号处理和压缩编码，一般情况

37、下，此方 案实现难度较大，开发成本较高，且图像质量难以保证。 图 2-1 三种处理器搭配方案 Fig2-1 Three kinds of collocation scheme of processor 本课题要求实现 1080p30s或以上分辨率高清视频数据采集、压缩编码与 网络传输等。考虑系统要求，开发难度和开发成本等，对比以上 3种方案，选择 方案 2中的海思 Hi3516A芯片作为核心处理器。 Hi3516A基于 Cortex-A7内核， 主频最高可以达到 600MHz， 具有 32KB的指令缓存、 32KB的数据缓存和 128KB的二级缓存，内部集成了 H.264/H.265/MJPE

38、G/JPEG的多协议编解码 器，支持 1080p30fps， 甚至 5M30fps等的多码流实时独立编码；支持 BT.601、 BT.656、 BT.1120 视频输入接口；支持 10/100/1000Mbit/s 以太网 ; 支持大容量 SD卡存储标准 SDXC， 如图 2-2所示，这些特点使本研宄课题的 要求得到满足 1 。 图 2-2 Hi3516A芯片逻辑框图 Fig2-2 The logic diagram of the Hi3 516A 2.2视频图像压缩编码技术 2.2.1 MPEG-x系列压缩编码标准 MPEG-x系列压缩编码标准由 ISO/IEC颁布，它不仅着眼于定义不同码流

39、下 具体的压缩编码标准，而且还强调多媒体通信的交互性和灵活性。常用的 MPEG-x 系列标准有 MPEG-2和 MPEG-4。 MPEG-2以高级工业标准的图像质量和更高的传输率作为设计目标，能提供 3- 10Mbits/s的传输率，在 NTSC制式下，其分辨率可达 720x486,高传输率下可用 于HDTV。 MPEG-2已经成为广播电视行业标准，广泛应用于广播、有线电视网、 电缆网络以及卫星直播中。 MPEG-4不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，还注重多媒体系统的交 互性和灵活性，编码效率是 MPEG-2的 1.4倍。 MPEG-4以视听媒体对象为基本单 位，基于图像中的不同物体压缩，针对低码率场合应用，广泛应用在视像电话、 视像电子邮件和电子新闻等。 2.2.2 H.26x系列压缩编码标准 H.26x系列压缩编码标准由