（計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）視頻流處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化.pdf

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 摘要 視頻流處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，改善了人們的生活。由于視頻流數(shù)據(jù)量十分龐大， 提高壓縮解壓縮的效率和節(jié)約系統(tǒng)開支，始終存在矛盾，本課題主要目標(biāo)是在 m a p c ad s p 上實(shí)現(xiàn)視頻流的壓縮解壓縮的實(shí)時(shí)處理。 以往的d s p 和媒體處理器缺乏m p e g 2 編碼解碼的實(shí)時(shí)處理能力，性能瓶頸 主要包括：數(shù)據(jù)處理能力；數(shù)據(jù)傳輸能力，當(dāng)所需數(shù)據(jù)不在本地內(nèi)存時(shí)，處理 器無(wú)法進(jìn)行任何操作；數(shù)據(jù)相關(guān)性，預(yù)知數(shù)據(jù)并行處理。e q u a t o r 公司高性能d s p 芯片m a p c a 為視頻留的實(shí)時(shí)處理提供下硬件基礎(chǔ)：v i l w 結(jié)構(gòu)的核心處理器； d a t a s t r e a m e rd m a 控制器；可變長(zhǎng)編碼解碼協(xié)處理器等。但是現(xiàn)有的m p e g 2 算法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制顯然不適用于m a p c a 體系結(jié)構(gòu)，不能充分利用其硬件能力。針對(duì) m p e g 2 實(shí)時(shí)處理中面臨的主要問(wèn)題，課題基于m a p c a 實(shí)現(xiàn)了m p e g 2 實(shí)時(shí)編碼 解碼系統(tǒng)：改進(jìn)了m p e g 2 關(guān)鍵算法，提出了新的實(shí)現(xiàn)方法，如量化，反量化算法， d c t 變換i d c t 變換算法，運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法等；利用d a t a s t r e a m e rd m a 控制器進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸，最大限度地減少數(shù)據(jù)等待時(shí)間。 系統(tǒng)測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的m p e g 2 編碼解碼算法的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)整體性能提 高了4 8 4 ，改善了對(duì)視頻流的處理能力。 關(guān)鍵字：視頻流，m p e g 2 ，m a p c a d s p 第1 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv i d e os t r e a mp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，o u rl i f eh a s b e e nm u c hi m p r o v e d b e c a u s eo ft h em a s sd a t aq u a n t u mo fv i d e os t r e a m ，t h e r ei sa t r a d e - o f fb e t w e e ni m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c y o fc o m p r e s s i o n & d e c o m p r e s s i o na n d r e d u c i n gt h ec o s to fs y s t e m s t h em a i no b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st os o l v et h ep r o b l e mo f r e a l t i m ep r o c e s s i n go f v i d e os t r e a m sc o m p r e s s i o n & d e c o m p r e s s i o no nm a p - c ad s e i nt h ep a s t ，d s pa n dm u l t i m e d i ap r o c e s s o ri ss h o r ti nr e a l - t i m eh a n d l i n go fm p e g 注 v i d e o sc o d i n ga n dd e c o d i n g t h eb o a l e n e c ko f p e r f o r m a n c ei n c l u d e ：o t h e a b i l i t yo f h a n d l i n gd a t a ；( 9 t h ea b i l i t yo f t r a n s f e r i n gd a t a ，i f t h en e c e s s a r yd a t ai sn o ti nl o c a l m e m o r y , t h ep r o c e s s o rc a n tw o r k ；t h ed e p e n d e n c yo f d a t a , p a r a l l e lh a n d l i n gt h ed a t a w h i c hb ek n o w nb e f o r e h a n d n 他m a p c ad s pw h i c hi sm a d eb ye q u a t o ri n cp r o v i d ea h a r d w a r eb a s eo f h a n d l i n gv i d e os t r e a m ：( d v l i wc o r ec p u ；( 室) d a t a s t r e a m e rd m a c o n t r o l l e r ；v a r i a b l el e n g t he n c o d e r d e e o d e r b u tn o w , m p e g 2 sc o m p r e s s i n ga n d d e c o m p r e s s i n ga l g o r i t h m sa n dm e c h a n i s mi si n v i a b l et om a p c - c a sa r c h i t e c t u r e t h e h a r d w a r ec a l ln o te f f i c i e n t l yw o r k a i ma tt h e s em o s t l yq u e s t i o n so f m p e g 2 sr e a l t i m e h a n d l i n g ，m p e g 2 sv i d e oc o d i n ga n dd e c o d i n gs y s t e mb a s e do nm a p - c ah a v e b e e n i m p l e m e n t e d m p e g 2 sk e ya l g o r i t h m sh a v eb e e ni m p r o v e d n e wm e t h o d sh a v eb e e n p r e s e n t e d f o re x a m p l e ：q u a n t i z a t i o na n di n v e r s eq u a n t i z a t i o n ，d c ta n di d c t ，m o t i o n c o m p e n s a t i o n t h ew a i t i n gt i m ew i l lb er e d u c e di f t h ed a t ai st r a n s f e r r e db yd a t a s t r e a m e rd m a c o n t r o l l e r t h es y s t e mt e s ti n d i c a t et h ep e r f o r m a n c eo fm p e g 2 sc o d i n ga n dd e c o d i n gs y s t e m h a db e e ni m p r o v e4 8 4 a f t e rb e i n go p t i m i z e d t h ea b i l i t yo fv i d e oh a n d l i n gh a db e e n i m p r o v e d k e y w o r d s ：v i d e os t r e a m ，m p e g 2 ，m a p - c ad s p 第1 i 頁(yè) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他入已經(jīng)發(fā)表和撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文題目： 塑基速公里壬壘鮑塞塑塑位絲 學(xué)位論文作者簽名：么障 日期年月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文題目：塑題速叢壟壬魚鮑塞況塑佐絲 學(xué)位論文作者簽名：鋒盤龔一 日期： 年月 日 作者指導(dǎo)教師簽名：窆釜她日期：年月 日 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第一章：緒論 1 1 課題的研究背景及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 自9 0 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形處理技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，多媒體得到 了迅速的發(fā)展，前景十分誘人，因此，國(guó)際上許多大的計(jì)算機(jī)公司紛紛投入大量的資 金和人力，開發(fā)自己的多媒體產(chǎn)品。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)也對(duì)多媒體技術(shù)展開了研究，許 多專家預(yù)言：多媒體將成為二十一世紀(jì)計(jì)算機(jī)工業(yè)中四個(gè)重點(diǎn)工程之一。 視頻流處理技術(shù)作為多媒體技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分，在多媒體應(yīng)用中 占據(jù)著熏要地位。目前，這一技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，會(huì)議電視、v c d 、數(shù)字電視、 高清晰電視，以及d v d 、視頻點(diǎn)播等數(shù)字視頻產(chǎn)品，已經(jīng)走入我們的生活。隨著這些數(shù) 字電視系統(tǒng)的日益成熟和不斷發(fā)展，針對(duì)不同領(lǐng)域，一系列相應(yīng)的數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)也迅 速地被制定并不斷得到完善，其中包括：用于會(huì)議電視及可視電話的h 2 6 1 ，用于靜止 圖像的壓縮的j p e g ，用于v c d 的卿e g l 和用于廣播電視、d v d 、以及h d t v 的m p e g 一2 。 m p e g 一2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較晚，但卻具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：所支持的圖像分辨率最高，支持 包括符合i t u r r e c 6 0 1 ( c c i r 6 0 1 ) 格式的標(biāo)準(zhǔn)分辨率的數(shù)字電視和更高分辨率的高清 晰數(shù)字電視，以及高速體育運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的活動(dòng)圖像；所支持的應(yīng)用最為廣泛，包括存儲(chǔ) 媒體中的d v d ，廣播電視中的數(shù)字電視廣播和h d t v ，還應(yīng)用于交互式的視頻點(diǎn)播( v o d ) 。 雖然視頻流技術(shù)已經(jīng)吸引了各界人士的關(guān)注，但了解視頻流處理技術(shù)的人都知道， 運(yùn)動(dòng)圖像的數(shù)據(jù)量是十分驚人的，處理視頻流的計(jì)算機(jī)不僅需要大量的存儲(chǔ)空間，實(shí) 時(shí)處理這些視頻流的過(guò)程中，從外存儲(chǔ)器將這些數(shù)據(jù)傳送到處理器時(shí)也需要消耗大量 的帶寬。目前，由于計(jì)算機(jī)人士的大量努力，多種有效的壓縮解壓縮算法得以實(shí)現(xiàn)， 成功的解決了海量數(shù)據(jù)的壓縮效率。但壓縮解壓縮處理的高效性，是以犧牲系統(tǒng)性能， 加大系統(tǒng)開支，增加處理單元的計(jì)算量為代價(jià)的。因此，提高壓縮解壓縮的效率和節(jié) 約系統(tǒng)開支，始終存在矛盾，這一矛盾，一直是困擾著視頻流處理的計(jì)算機(jī)開發(fā)人員 的難題，因此，尋找一種有效的處理視頻流的方法，提高系統(tǒng)處理視頻流的處理能力， 具有十分重要的意義。 1 2 課題研究的目標(biāo) 以往的視頻處理芯片多是單一處理單元的處理器，因此其運(yùn)算能力有限，而且指令 是以串行的方式來(lái)完成的。另外由于數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，處理單元只能等待，這樣， 在處理視頻的過(guò)程中，將有大量的時(shí)間浪費(fèi)在等待數(shù)據(jù)的傳輸上，這更加限制了處理 能力。另外，視頻流的數(shù)據(jù)在很多情況下都是重復(fù)的和可預(yù)知的，然而以往的處理芯 片并不能對(duì)這樣的數(shù)據(jù)作優(yōu)化處理。因此，在以往的處理芯片處理視頻流的時(shí)候，性 能將得到很大的限制。 m a p c ad s p 是一種為處理視頻音頻信號(hào)而設(shè)計(jì)的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，它采用了 第1 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 超長(zhǎng)指令字( v l i w ) 的體系結(jié)構(gòu)，增加了d a t a s t r e a md m a ，可變長(zhǎng)編碼解碼協(xié)處理器 等功能部件，加強(qiáng)了m a p c ad s p 處理視頻、音頻的壓縮解壓縮能力，為視頻流實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)處理提供了有力硬件基礎(chǔ)。 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)視頻流的壓縮，除應(yīng)用了可變長(zhǎng)解碼v l d ( v a r i a b l el e n g t h d e c o d i n g ) 、反量化( i n v e r s eq u a n t i l i z e r ) 、反離散余弦變換i d c t ( i n v e r s ed i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r m ) 、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償( m o t o nc o m p e n s a t i o n ) 等解壓縮算法外，還使用了 量化( q u a n t i l i z e r ) 、離散余弦變換d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 、運(yùn)動(dòng)估計(jì) ( m o t i o ne s t i m a t i o n ) 等壓縮算法，這些解碼算法主要是用來(lái)完成圖像的解壓縮，恢 復(fù)圖像，用作編碼過(guò)程中所需的參考圖像。 在各種算法中，由于m a p c ad s p 對(duì)可變長(zhǎng)編碼解碼算法v l x 進(jìn)行了優(yōu)化，降低了 實(shí)現(xiàn)這一平臺(tái)的難度。量化與反量化的計(jì)算量較小，在整個(gè)壓縮解壓縮算法中所占的 比重不大，所以我們把目光可以聚焦在d c t 、i d c t 、運(yùn)動(dòng)估計(jì)，以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)人惴ㄉ稀?本課題的目標(biāo)是在l i n u x 環(huán)境下，按照m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)視頻流在m a p 。c ad s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 平臺(tái)上的實(shí)時(shí)處理。 1 3 課題取得的成果 在課題的研制過(guò)程中，主要取得了以下成果： 仔細(xì)研究和分析m a p c ad s p 平臺(tái)的特點(diǎn)、性能以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制，了解其對(duì)視 頻流處理所作的優(yōu)化。 深入了解m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)壓縮解壓縮算法的原理及實(shí)現(xiàn)機(jī)制，分析在m a p c ad s p 上實(shí) 現(xiàn)視頻流實(shí)時(shí)壓縮解壓縮的可行性。 完成視頻流編碼器和解碼器中所使用的各種算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)之加以優(yōu)化，提高其 處理視頻流的性能。 對(duì)實(shí)現(xiàn)的視頻流平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其性能加以分析。 1 4 論文的組織結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述內(nèi)容，論文組織如下： 第一章簡(jiǎn)要闡述m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)視頻流處理的發(fā)展，國(guó)際國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀， 以及本課題提出的意義。 第二章介紹了課題研究的相關(guān)技術(shù)，簡(jiǎn)要闡述了m a p c a d s p 的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和 性能，并對(duì)相關(guān)的m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的視頻流壓縮解壓縮算法和m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)編碼視頻數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)要的描述。 第三章對(duì)課題的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，并提出設(shè)計(jì)方案。 第四章完成視頻流編碼器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)于編碼器中所使用的技術(shù)在m a p - c ad s p 第2 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 平臺(tái)如何實(shí)現(xiàn)分別加以討論，著重描述d c t 、i d c t 、運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的實(shí) 現(xiàn)和優(yōu)化。 第五章完成對(duì)視頻流處理平臺(tái)的測(cè)試，并對(duì)其性能加以分析。 第六章對(duì)本論文的主要工作及貢獻(xiàn)作了總結(jié)，并對(duì)下一步的工作進(jìn)行了展望。 第3 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第二章視頻流實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù) 2 。1m a p c ad s p 的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能 m a p - - c a 數(shù)字信號(hào)處理器的不凡性能，跟其體系結(jié)構(gòu)是分不開的。其體系結(jié)構(gòu)如 圖2 - 1 ： 圖2 一l ：m a p c a 處理器的體系結(jié)構(gòu) 相對(duì)于通用數(shù)字信號(hào)處理器而吉，m a p - - c a 主要在三方面做了改進(jìn) 2 1 1 姒p c a 處理器核心 m a p - - c a 使用了超長(zhǎng)指令字處理器。它是通過(guò)將多個(gè)指令打包成一個(gè)指令字，把 這個(gè)指令字作為個(gè)執(zhí)行單元來(lái)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)指令的并行操作，提高性能。 m a p c a d s p 有兩組處理單元，每組處理單元包含一個(gè)i a l u ，一個(gè)i g a l u ， 構(gòu)成m a p c ad s p 的核心動(dòng)力。i a l u 可進(jìn)行3 2 位或6 4 位的存取操作、分支操作， 用于內(nèi)存的訪問(wèn)，數(shù)據(jù)流控制，以及地址運(yùn)算。i g a l u 由一個(gè)6 4 位加法器和移位器 組成，用于進(jìn)行8 位、1 6 位、3 2 位或6 4 位的單指令多數(shù)據(jù)流操作，例如：分離操作、 1 6 位內(nèi)積避算、對(duì)加對(duì)減指令等。 d、 m a p - c ad ! 盼意3 2 個(gè)“位寄存器，每個(gè)6 4 位寄存器，可看成2 個(gè)3 2 位寄存器， 這樣的寄存禧縭梅f 掰娜t 和i d c t 算法的運(yùn)算十分有效，m a p c a d s p 可以將4 個(gè) 1 6 位的數(shù)據(jù)打售姨二：鋒瓣：譙的數(shù)據(jù)包，放入6 4 位寄存器。兩組執(zhí)行單元并行執(zhí)行， 使得8 點(diǎn)的d c t 凌獺c 薯薰法譬的內(nèi)積運(yùn)算能夠在一條指令中完成。 。 j 。o + j 、：4 臻 黑一 竺m 一 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 2 1 2d a t a s t r e a m e rd m a 控制器 在許多信號(hào)和圖像算法中，很多數(shù)據(jù)的訪問(wèn)模式都是重復(fù)處理或是可預(yù)知的，為此 m a p - - c a 設(shè)計(jì)了d a t a s t r e a m e rd m a 控制器，它具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，它采用d m a 機(jī)制，在處理器處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以傳輸數(shù)據(jù)，提高了并行性，其次，一個(gè)6 4 通道 的d m a 控制器具有8 k 的片上緩存，所有的6 4 個(gè)通道可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，d a t a s t r e a m e r d m a 控制器用優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行調(diào)度，獲取需要的數(shù)據(jù)。 圖2 - 2 是數(shù)據(jù)在d a t a s t r e a m e r 中的傳輸?shù)氖疽鈭D，數(shù)據(jù)在出源通道、目標(biāo)通道和b u f f e r 建立的路徑中，根據(jù)c a c h e 一致性原則進(jìn)行傳輸。 圖2 2 ：數(shù)據(jù)在d a t a s t r e a m e r 中傳輸?shù)氖疽鈭D 2 1 3 變長(zhǎng)編碼解碼協(xié)處理器( v l x ) v l x 是一個(gè)1 6 位的r i s c 微處理器，主要用于變長(zhǎng)編碼和解碼。編碼算法中連續(xù) 的數(shù)據(jù)和相關(guān)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)在v l i w 中并不能取得較高的效率，v l x 卻能在v l i w 運(yùn) 行的同時(shí)更有效地處理這些數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)處理的并行性。 2 。2 視頻流壓縮解壓縮編碼技術(shù) m p e g 標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織運(yùn)動(dòng)圖像專家組制定的一系列利用數(shù)字壓縮手段進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)圖像壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 m p e g 標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字壓縮的基本步驟為：將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后按時(shí)序分 組，接著每個(gè)圖像組( g o p ：g r o u po f p i c t u r e s ) 選定一個(gè)基準(zhǔn)圖像利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)減少圖 像間的時(shí)間冗余，最后將基準(zhǔn)圖像和運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差進(jìn)行離散余弦變換( d c t ：d i s c r e t e c o s i nt r a n s f o r m ) 、系數(shù)量化和可變長(zhǎng)編碼( v l c ：v a r i a b l el e n g t hc o d i n g ) 以消除空間 冗余。 第5 頁(yè) i 一 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 2 2 1m p e g 視頻壓縮算法的基本原理 一般說(shuō)來(lái)，在幀內(nèi)以及幀與幀之間，眾多的視頻序列均包含很大的統(tǒng)計(jì)冗余度和主 觀冗余度。視頻源碼壓縮的最終目標(biāo)是：通過(guò)挖掘統(tǒng)計(jì)冗余度和主觀冗余度，來(lái)降低 存儲(chǔ)和傳送視頻信息所需的比特率，并采用熵編碼技術(shù)，以便編制出“最小信息組”。一 個(gè)實(shí)用的編碼方案，是在編碼特性( 具有足夠質(zhì)量的高壓縮) 與實(shí)施復(fù)雜性之間的一種折 衷。對(duì)于m p e g 壓縮算法的開發(fā)來(lái)講，應(yīng)考慮這些標(biāo)準(zhǔn)的壽命周期和現(xiàn)代超大規(guī)模集 成電路技術(shù)的能力，這一點(diǎn)是最重要的。根據(jù)應(yīng)用的要求，視頻壓縮存在著的“無(wú)損失” 編碼和“有損失”編碼兩種。“無(wú)損失”編碼的目的在于：在保持原圖像質(zhì)量( 即解碼后的 圖像質(zhì)量等同于編碼前的圖像質(zhì)量) 情況下，來(lái)減少需要存儲(chǔ)和傳送的圖像或視頻數(shù)據(jù)。 與此相反，“有損失”編碼的目的在于：在指定的目標(biāo)比特串條件下，獲取最佳的圖像標(biāo) 準(zhǔn)。在“有損失”壓縮編碼的應(yīng)用中，高的視頻壓縮是以降低視頻質(zhì)量的辦法來(lái)實(shí)施 的，即與編碼以前的原始圖像相比，解碼后的圖像“客觀”質(zhì)量有所降低；頻道的目標(biāo)比 特率越低，那么視頻所必須進(jìn)行的壓縮率就越大，通?？刹煊X的編碼人工產(chǎn)物也越多。 這里應(yīng)該指出，圖像的降級(jí)程度( 指客觀降低以及可察覺到的人工產(chǎn)物的數(shù)量) 取決于壓 縮技術(shù)的復(fù)雜性對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的畫面和視頻活動(dòng)少的圖像來(lái)講，就是采用簡(jiǎn)單的 壓縮技術(shù)，也許能獲得根本不帶可察覺人工產(chǎn)物的良好再現(xiàn)圖像。 2 2 2m p e g 視頻編碼器源模式 m p e g 數(shù)字視頻編碼技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種統(tǒng)計(jì)方法。在時(shí)間和空間方向上，視頻列通 常包含統(tǒng)計(jì)冗余度。m p e g 壓縮技術(shù)所依賴的基本統(tǒng)計(jì)特性為像素之間( i n t e r p e l ) 的相關(guān) 性。在某些場(chǎng)合，如一個(gè)視頻序列鏡頭變化時(shí)，附近幀中像素之間的時(shí)間相關(guān)性就很 小，甚至消失，這時(shí)，該視頻鏡頭就成為一組無(wú)相關(guān)性的靜止畫面的組合。在這種情 況下，可采用幀內(nèi)編碼技術(shù)來(lái)開發(fā)空間相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)壓縮。m p e g 壓 縮算法采用離散余弦變換( d c t ) 編碼技術(shù)，以8 8 像素的畫面塊為單位，有效地開發(fā)同 一畫面各附近像素之間的空間相關(guān)性。然而，若附近幀中各像素間具有較大的相關(guān)性 時(shí)，也就是說(shuō)兩個(gè)連續(xù)幀的內(nèi)容很相似或相同時(shí)，就可以采用應(yīng)用時(shí)間預(yù)測(cè)( 幀間的運(yùn) 動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)) 的幀間d p c m 編碼技術(shù)。在多種m p e g 視頻編碼方案中，若將時(shí)間運(yùn)動(dòng)補(bǔ) 償預(yù)測(cè)和剩余空間信息的變換碼自適應(yīng)地結(jié)合起來(lái)，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高壓縮率( 視頻的 d p c m ，d c t 混合編碼) 。 二次取樣和內(nèi)插法 在視頻編碼之前，需大量進(jìn)行二次取樣和量化工序。二次取樣的基本概念是盡量減 少輸入視頻的維數(shù)( 水平維數(shù)和垂直維數(shù)) ，并在進(jìn)行編碼處理之前先對(duì)像素進(jìn)行編號(hào)。 值得注意的是：有些應(yīng)用場(chǎng)合，在時(shí)間方向上也對(duì)視頻進(jìn)行二次取樣，以便在編碼之 前降低幀頻。在接收機(jī)端，已解碼圖像是通過(guò)內(nèi)插法來(lái)加以顯示的。這一方法可以認(rèn) 為是一種最簡(jiǎn)單的壓縮技術(shù)，這種壓縮技術(shù)利用了人眼特有的生理特點(diǎn)，去除了視頻 第6 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 為是一種最簡(jiǎn)單的壓縮技術(shù)，這種壓縮技術(shù)利用了人眼特有的生理特點(diǎn)，去除了視頻 數(shù)據(jù)中含有的主觀冗余度一即與色度信號(hào)的變化相比，人眼對(duì)亮度信號(hào)的變化更靈敏。 故眾多m p e g 編碼方案首先將畫面分成y u v 分量信號(hào)( 一個(gè)亮度分量和二個(gè)色度分量) 接著，相對(duì)于亮度分量，對(duì)色度分量進(jìn)行二次取樣，對(duì)于一些特殊應(yīng)用，有一個(gè)y ：u ： v 比率( 即對(duì)于m p e g - 一2 標(biāo)準(zhǔn)，采用4 ：i ：l 或4 ：2 ：2 ) 。 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè) 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)是一個(gè)有效的編碼技術(shù)，用來(lái)減小幀間的時(shí)間冗余度。并作為用于時(shí) 問(wèn)d p c m 編碼的預(yù)測(cè)技術(shù)，這技術(shù)在m p e g l 和m p e g 2 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng) 用。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償概念是以對(duì)視頻幀間運(yùn)動(dòng)的估算為基礎(chǔ)的，也就是說(shuō)，若視頻鏡頭中所 有物體均在空間上有一位移，那么可用有限的運(yùn)動(dòng)參數(shù)( 如對(duì)于像素的平移運(yùn)動(dòng)，可 用運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)描述) 來(lái)對(duì)幀間的運(yùn)動(dòng)加以描述，這樣，一個(gè)來(lái)自前編碼幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 預(yù)測(cè)像素，就能給出一個(gè)有效像素的最佳預(yù)測(cè)。通常，預(yù)測(cè)誤差和運(yùn)動(dòng)矢量均傳送至 接收機(jī)。然而，對(duì)每一個(gè)編碼畫面像素的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行編碼，這既不值得也沒(méi)有這個(gè) 必要。由于一些運(yùn)動(dòng)矢量之間的空間相關(guān)性通常較高，有時(shí)可以這樣認(rèn)為：一個(gè)運(yùn)動(dòng) 矢量代表一個(gè)相鄰像素塊的運(yùn)動(dòng)。為了做到這一點(diǎn)，畫面一般劃分成一些不連接的像 素塊( 在m p e g l 和m f e g 2 標(biāo)準(zhǔn)中個(gè)像素塊為1 6 x 1 6 像素) ，對(duì)于每一個(gè)這樣的像素 塊，只對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行估算、編碼和傳送。在m p e g 壓縮算法中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè) 技術(shù)用來(lái)減少幀間的時(shí)間冗余度，只對(duì)預(yù)測(cè)誤差畫面( 原始畫面與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)畫面 之間的差別) 加以編碼?？偟膩?lái)說(shuō)，由于采用依據(jù)前編碼幀的預(yù)測(cè)，與幀內(nèi)相關(guān)性比 較，待編碼的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間誤差圖像中像素之間的相關(guān)性較小了。 變換和編碼 二十年來(lái)，人們已對(duì)變換編碼進(jìn)行了大量的研究，它已成為用于靜止畫面編碼和 視頻編碼的一種非常流行的壓縮方法。變換編碼的目的在于去掉幀內(nèi)或幀間誤差圖像 內(nèi)容的相關(guān)性，對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行編碼，不是對(duì)畫面的原始像素進(jìn)行編碼。為此，輸入 畫面被分成不連接的b 像素的畫面塊( 1 i pn x n 像素) 。以一個(gè)線性、可分離單元的前向 變換為基礎(chǔ)，此變換可表示為一個(gè)矩陣操作，采用一個(gè)n x n 變換矩陣a ，獲取n x n 變換系數(shù)c 。c - - - - - a b a t 這罩a t 表示變換矩陣a 的一種移項(xiàng)式。注意：這種變換是可 逆的，原因是，采用線性和可分離的反向變換，可以再現(xiàn)原始的n x n 個(gè)b 像素的畫面 塊b = a t c 。應(yīng)用于較小的由8 x 8 像素組成的畫面塊的離散余弦變換( d c t ) 已成為一種最 佳的變換，用于靜止畫面和視頻編碼。事實(shí)上，由于基于d c t 的方法具有較高的抗相 關(guān)性能，并能獲得快速d c t 算法，適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，已在大多數(shù)畫面和視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) 中加以使用。變換編碼的主要目的是使盡量多的變換系數(shù)足夠的小，使它無(wú)效( 從統(tǒng) 計(jì)和主觀測(cè)量角度來(lái)看) 。同時(shí)，應(yīng)盡量減小系數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，目的在于減少對(duì) 剩余系數(shù)進(jìn)行編碼所需的比特?cái)?shù)量。然而，那些最高有效位d c t 系數(shù)集中在左上角( 低 第7 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 d c t 系數(shù)) ，畫面隨著距離的增加，系數(shù)的有效性就逐步下降。這意味著：與較低位的 系數(shù)相比，較高位的d c t 系數(shù)在畫面像素塊再現(xiàn)時(shí)的重要性就差一些。采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 預(yù)測(cè)，d c t 變換的結(jié)果是，使d c t 定義域中的時(shí)間d p c m 信號(hào)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的再現(xiàn)一 這實(shí)質(zhì)上繼承了這種相似的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。在d c t 系數(shù)中，低位的d c t 系數(shù)與較低的 空間頻率有關(guān)而高位的d c t 系數(shù)與較高的頻率有關(guān)。這一特性在m p e g 編碼方案中加 以應(yīng)用，以便去除畫面數(shù)據(jù)中所包含的主觀冗余度，這是以人類視覺系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ) 的。由于跟較高空間頻率有關(guān)的再現(xiàn)誤差比較，觀眾對(duì)較低空間頻率的再現(xiàn)誤差更加 敏感，故在給定比特率情況后，為了要改進(jìn)解碼畫面的視覺質(zhì)量，往往根據(jù)視覺( 感 覺量化) 對(duì)系數(shù)進(jìn)行頻率自適應(yīng)加權(quán)( 量化) 。上述兩種技術(shù)( 時(shí)間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和變 換域編碼) 的結(jié)合，被認(rèn)為是m p e g 編碼標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)。m p e g 算法的第三個(gè)特點(diǎn)是 這兩種技術(shù)的處理是在較小畫面塊( 典型情況是：在1 6 x 1 6 像素上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，在 8 x 8 像素上進(jìn)行d c t 編碼) 上實(shí)現(xiàn)的。因此，m p e g 編碼算法通常又稱為基于畫面塊 的d p c m d c t 混合算法。 2 2 2m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的分層和分類 m p e g 標(biāo)準(zhǔn)主要有m p e g 1 和m p e g 2 。其中，m p e g - 2 標(biāo)準(zhǔn)可定義高達(dá)4 0 0 g b ，s 的比特率和1 6 0 0 0 x 1 6 0 0 0 像素的圖像。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際情況制定了一個(gè)涵蓋大部分應(yīng)用 的型級(jí)體系( 表2 1 ) 。每個(gè)型( p r o f i l e ) 都是m p e g 語(yǔ)法的一個(gè)完整的子集合，型 中選定不同的參數(shù)形成不同的級(jí)( 1 e v e l ) 。m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)共分5 型：簡(jiǎn)單型( s p ：s i m p l e p r o f i l e ) ，只有基準(zhǔn)幀i 和預(yù)測(cè)幀p ；主型( m p ：m a i np r o f i l e ) ，比s p 增加了雙向推測(cè) 幀b ：信噪比分層型( s n r p ：s n rs c a l a b l e p r o f i l e ) ；空間可分層型( s s p ：s p a t i a ls e a l a b l e p r o f i l e ) 高型( h p ：h i g hp r o f i l e ) 。 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)共分4 級(jí)：低級(jí)( l l ：l o wl e v e l ) ，輸入信號(hào)的像素為i n j - r6 0 1 格 式的四分之一；主級(jí)( m l ：m a i nl e v e l ) ，輸入信號(hào)的像素為i t u r6 0 1 格式：高級(jí)- 1 4 4 0 ( h 1 4 l ：h i g h 一1 4 4 0l e v e l ) 為4 ：3 模式電視高清晰度格式：高級(jí)( h l ：h i g h l e v e l ) 為1 6 ：9 模式電視的高清晰度格式。 表1 中每一型級(jí)的第l 行其使用的抽樣格式，第2 行為畫面的橫向像素?cái)?shù)x 縱向 像素?cái)?shù)，第3 行為編碼后的比特率，第4 行為其g o p 的構(gòu)成。 m p e g - 2 標(biāo)準(zhǔn)具有兼容性，表1 中的1 1 種型級(jí)的解碼器必須能解碼任何一種位 于其左下的型級(jí)的編碼。 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)允許分層解碼，低比特率解碼器可以解碼全比特流編碼的一部分，從 而獲得質(zhì)量相對(duì)較低的畫面。標(biāo)準(zhǔn)允許從信噪比和空間分解力兩方面進(jìn)行分層：信噪 比分層型( s n r p ) 允許低比特率解碼器解碼出一個(gè)比全比特率解碼的畫面信噪比低的 畫面：空間分層型( s s p ) 允許低比特率解碼器解碼出一個(gè)比全比特率解碼的畫面分解 力低的畫面。 第8 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 表1 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的型與級(jí) 級(jí)型 簡(jiǎn)單型 主型s n r 型、高型空間型 4 ：2 ：04 ：2 ：0 1 9 2 0 x 1 1 5 21 9 2 0 x l l 5 2 高級(jí) 8 0 m b p s 8 0 m b p s i p bi p _ b 4 ：2 ：04 ：2 ：0 4 ：2 ：0 1 4 4 0 x l l5 21 4 4 0 x 1 1 5 21 4 4 0 x l l 5 2 高級(jí)1 4 4 0 6 0 m b p s6 0 m b p s6 0 m b p s i p t bi p bi p b 主級(jí) 4 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：0 7 2 0 x 5 7 6 7 2 0 x 5 7 67 2 0 x 5 7 67 2 0 x 5 7 6 1 5 m b p s1 5 m b p s1 5 m b p s1 5 m b p s i p bi p bi p b i p _ b 低級(jí) 4 ：2 ：04 ：2 ：0 3 5 2 x 2 8 83 5 2 x 2 8 8 4 m b p s4 m b p s i p bi p b 2 3m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的圖像格式 在m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)壓縮的需要，定義了三種圖像類型 1 幀內(nèi)圖像( i 圖像) ：只能利用自身相關(guān)性進(jìn)行中等程度的壓縮，采用基于d c t 變 換的靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)。 2 前向預(yù)測(cè)圖像( p 圖像) ：用最近的前一個(gè)i 圖像或p 圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)得到，并可作 為下一預(yù)測(cè)( b 圖像或p 圖像) 的參照?qǐng)D像。p 圖像的壓縮比可以比i 圖像的壓縮比大。 p 圖像的誤差可能會(huì)傳遞。 3 雙向預(yù)測(cè)圖像( b 圖像) ：b 圖像既可以用前面的圖像預(yù)測(cè)，也可以用后面的圖像 預(yù)測(cè)，還可使用前后兩個(gè)圖像預(yù)測(cè)( 雙向預(yù)測(cè)) 。對(duì)b 圖像可以采用四種技術(shù)( 幀內(nèi)編 碼，前向預(yù)測(cè)，后向預(yù)測(cè)，雙向預(yù)測(cè)) ，能獲得較大的壓縮比，也不會(huì)傳遞誤差。 圖2 3 、給出了幀間預(yù)測(cè)示意圖。 第9 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 雙向預(yù)測(cè) 圖2 - 3 幀間預(yù)測(cè) 2 4m p e g 2 編碼視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 編碼視頻數(shù)據(jù)由排列有序的視頻碼流集組成，稱為層。視頻碼流層可分為基層和增 強(qiáng)層。基層總是單獨(dú)解碼，增強(qiáng)層僅與基層一起解碼，解碼總是從基層開始的。 2 4 1 視頻序列 編碼視頻序列的最高語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是視頻序列。 視頻序列使用序列頭開始，序列頭后可跟一組圖像頭，然后是一個(gè)或多個(gè)編碼幀。 對(duì)于隔行序列，解碼過(guò)程的輸出由一系列重建場(chǎng)組成。一幀的兩場(chǎng)可被單獨(dú)編碼( 場(chǎng) 圖像) ，也可組合在一起成幀進(jìn)行編碼( 幀圖像) 。 逐行序列中，每組圖像應(yīng)為幀圖像。 幀：幀由三個(gè)整數(shù)矩陣陣列組成：一個(gè)亮度信號(hào)( y ) 和兩個(gè)色度信號(hào)陣列( c 。和 c ，) 。不同的視頻流數(shù)據(jù)采用格式不同，這三種信號(hào)的數(shù)據(jù)量不同。我們通常使用的采 樣格式是：4 ：2 ：0 。 場(chǎng)：在場(chǎng)圖像的幀格式中，一幀由兩場(chǎng)組成：頂場(chǎng)和底場(chǎng)。頂場(chǎng)由每個(gè)矩陣的每個(gè) 最頂行組成，底場(chǎng)則由其他行組成。 圖像：重建圖像由解碼一幅編碼圖像獲得，編碼圖像包括圖像頭、可選擴(kuò)充項(xiàng)和圖 像數(shù)據(jù)，這三部分組成圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。編碼圖像可以是幀圖像或場(chǎng)圖像。重建圖像 為一重建幀( 解碼一幀圖像時(shí)) ，或重建幀的一場(chǎng)( 解碼場(chǎng)圖像時(shí)) 。 場(chǎng)圖像：場(chǎng)圖像是成對(duì)出現(xiàn)的。 當(dāng)編碼幀的第一幅圖像為p 場(chǎng)圖像時(shí)，則編碼幀的第二幅圖像也為p 場(chǎng)圖像。同樣， 當(dāng)編碼幀的第一幅圖像為b 場(chǎng)圖像時(shí)，則編碼幀的第二幅圖像也為b 場(chǎng)圖像。 當(dāng)編碼幀的第一幅圖像為i 場(chǎng)圖像時(shí)，則編碼幀的第二幅圖像為i 場(chǎng)圖像或p 場(chǎng)圖 第1 0 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 像。 幀圖像：當(dāng)編碼隔行序列使用幀圖像時(shí)，幀的兩場(chǎng)應(yīng)相互交織，整個(gè)幀作為單一幀 圖像進(jìn)行編碼。 圖像類型：幀內(nèi)編碼p 圖像是一種由過(guò)去的i 圖像或p 圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的編 碼圖像。 雙向預(yù)測(cè)編碼b 圖像是一種由過(guò)去的i 圖像或p 圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的編碼圖像。 序列頭：序列頭是由序列頭標(biāo)志丌始的。后面跟的是一系列數(shù)據(jù)元素。序列頭數(shù)據(jù) 元素允許重復(fù)，以確保對(duì)視頻序列的隨機(jī)訪問(wèn)。 在編碼流中，重復(fù)序列頭可放在i 圖像或p 圖像中。 i 圖像和圖像組頭：1 圖像的目的用于隨機(jī)訪問(wèn)序列。也可用于場(chǎng)景切換或其他補(bǔ) 償無(wú)效的情況 圖像組頭是一種可選的頭，用于提示是否能正確重建b 圖像。如果前面的參考幀無(wú) 效，則無(wú)法重建b 圖像，除非只使用后向預(yù)測(cè)。 2 4 2 片結(jié)構(gòu) 片是由一系列的宏塊組成。片的第一個(gè)宏塊和最后一個(gè)宏塊不能為跳躍宏塊，每片 至少一個(gè)宏塊。片不能重疊，片的位置可隨圖像而變化。片的第一個(gè)宏塊和最后一個(gè) 宏塊應(yīng)具有相同的水平行。片出現(xiàn)在碼流中的順序?yàn)椋簭膱D像的最上角開始，從左到 右，從上到下，直到圖像的右下角。 片包含兩種結(jié)構(gòu)：通用片結(jié)構(gòu)和特殊片結(jié)構(gòu)。 2 4 3 宏塊 一個(gè)宏塊包括亮度分量和相應(yīng)的色度分量。宏塊可以是源和解碼數(shù)據(jù)，也可以是相 應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)元素。宏塊有三種采樣格式：4 ：2 ：0 、4 ：2 ：2 和4 ：4 ：4 ，對(duì)于每一種不同 的采樣格式，宏塊中塊的順序不同，描述如下： 一個(gè)4 ：2 ：0 格式宏塊由6 個(gè)塊組成，4 個(gè)y 塊( 亮度塊) ，1c 。塊和1 個(gè)c ，塊( 色 度塊) 。結(jié)構(gòu)如圖2 - 5 。 y 塊 囹圈 c 。塊 c r 塊 田 y 塊 圈罔 c l 塊c r 塊 圖2 - 5 4 ：2 ：0 格式宏塊圖2 - 6 4 ：2 ：2 格式宏塊 一個(gè)4 ：2 ：2 格式宏塊由8 個(gè)塊組成，4 個(gè)y 塊( 亮度塊) ，2c 。塊和2 個(gè)c ，塊( 色 第1 1 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 度塊) 。結(jié)構(gòu)如圖2 - 6 。 一個(gè)4 ：4 ：4 格式宏塊由1 2 個(gè)塊組成，4 個(gè)y 塊( 亮度塊) ，4c 。塊和4 個(gè)c ，塊( 色 度塊) 。結(jié)構(gòu)如圖2 7 。 田圜圈 y 塊 c b 塊 c r 塊 圖2 7 4 ：4 ：4 格式宏塊 在m p e g 2 壓縮解壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，采樣格式都使用4 ：2 ：0 。 2 5 小結(jié) m a p c ad s p 是一種高性能數(shù)字信號(hào)處理器，它使用的是超長(zhǎng)指令字技術(shù)。本章就其 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對(duì)視頻流處理所做的優(yōu)化加以描述，主要介紹了處理器核心，d a t a s t r e a m e r d m a 控制器和v l x 的特點(diǎn)。然后對(duì)視頻壓縮的基本原理和壓縮算法做了闡述。接著，對(duì) m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)中所定義的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)要的描述。 第1 2 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第三章視頻流處理平臺(tái)方案的分析和設(shè)計(jì) 3 _ 1 課題方案的分析 m p e g 委員會(huì)自成立以來(lái)，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮解壓縮的多種不同方案做了測(cè)試和評(píng) 估，制訂了m p e g 2 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)既考慮了算法的壓縮能力，又考慮了 硬件實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單，既考慮了質(zhì)量要求，又兼顧實(shí)現(xiàn)價(jià)格合理，從而成為運(yùn)動(dòng)圖像壓縮 解壓縮標(biāo)準(zhǔn)中最佳方案。因此，本系統(tǒng)采用此標(biāo)準(zhǔn)作為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的軟件解決方案。 m a p - c ad s p 是一種基于v l i w 技術(shù)的數(shù)字信號(hào)處理器，它為處理數(shù)字電視、視頻處 理系統(tǒng)、醫(yī)藥影像設(shè)備、數(shù)字視頻編輯設(shè)備、和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品提供了單片機(jī)方案。 m a p c ad s p 工具包提供了一個(gè)并行c 編譯器、鏈接器、源級(jí)調(diào)試器、模擬器和以及資 源庫(kù)，給用戶開發(fā)提供了良好的開發(fā)環(huán)境。 鑒于m a p c ad s p 出眾的優(yōu)點(diǎn)，在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)m p e g 2 壓縮解壓縮標(biāo)準(zhǔn)，將更快捷 有效。 3 2 課題方案設(shè)計(jì) m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的壓縮和解壓縮是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，解碼過(guò)程比編碼過(guò)程簡(jiǎn)單。在m a p c ad s p 可實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)過(guò)程。圖3 - 1 給出m a p - c ad s p 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)m p e g 2 壓縮解壓縮算法的框圖。 編碼輸出 圖3 - 1 視頻流處理平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)框圖 m p e 6 2 標(biāo)準(zhǔn)壓縮解壓縮算法是基于8 8 圖像塊進(jìn)行的。源圖像塊進(jìn)入編碼器后，首 先是進(jìn)行d c t 變換，然后進(jìn)行量化、可變長(zhǎng)編碼和運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的運(yùn)算進(jìn)行壓縮。在 第1 3 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法時(shí)，需要最新的參考圖像，因此，編碼的過(guò)程中，需要解碼已編碼 圖像，形成圖像參考，因此編碼圖像數(shù)據(jù)需進(jìn)行反量化、i d c t 變換、運(yùn)動(dòng)矢量補(bǔ)償?shù)?解碼運(yùn)算進(jìn)行解碼，解碼后的圖像作為參考圖像。壓縮后的圖像根據(jù)需要或者存入存 儲(chǔ)系統(tǒng)，或者進(jìn)入解碼器。編碼圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入解碼器后，進(jìn)行反量化、i d c t 變換、運(yùn) 動(dòng)矢量補(bǔ)償?shù)冉獯a運(yùn)算進(jìn)行解碼。解碼后的圖像輸出到視頻輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻的播 放。 3 3 小結(jié) 本章主要對(duì)m p e g 2 壓縮解壓縮標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和m a p - c ad s p 的性能做了簡(jiǎn)要的描述， 就其實(shí)現(xiàn)視頻流編碼器解碼器的可行性加以分析，并提出在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)編碼器和解 碼器的設(shè)計(jì)方案。 第1 4 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第四章m p e g 2 編碼器在m a p c ad s p 中的優(yōu)化實(shí)現(xiàn) 4 1m p e g 2 編碼器實(shí)現(xiàn)流程及m a p c ad s p 優(yōu)化技術(shù) m p e g 2 編碼器需要重建參考圖像，這就需要對(duì)編碼圖像進(jìn)行解碼，所以在編碼器中 使用了解碼器的各種算法。本章將對(duì)視頻編碼器中各種算法加以描述。 4 1 1m p e g 2 編碼器在m a p - c ad s p 的實(shí)現(xiàn)流程 在m a p c ad s p 平臺(tái)上m p e g 2 解碼器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4 - 1 。 視頻出入 出 圖4 1 m p e g 2 解碼器的實(shí)現(xiàn)框圖 視頻流數(shù)據(jù)傳送到v l i w 核心處理器，核心處理器完成編碼圖像的量化、d c t 變換、 運(yùn)動(dòng)估計(jì)和可變長(zhǎng)編碼等操作完成視頻流的編碼操作，量化后的數(shù)據(jù)通過(guò)反量化、i d c t 變換，解碼已編碼的視頻流，從而恢復(fù)圖像，形成編碼器編碼過(guò)程中運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償所需的參考圖像。 數(shù)據(jù)的傳輸主要通過(guò)d a t a s t r e a m e rd m a 控制器來(lái)完成，使得v l i w 核心處理器不需 等待數(shù)據(jù)傳輸。 4 1 2v l x 完成變長(zhǎng)編碼解碼 可變長(zhǎng)度編碼 v l c ( 變長(zhǎng)編碼，即信息熵編碼) 主要是由v l x 協(xié)處理器來(lái)完成，來(lái)自v l i w 核心處理 器的d c t 系數(shù)的傳輸通過(guò)d a t a s t r e a m e rd m a 控制器來(lái)完成。其數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4 - 2 所示： 第1 5 頁(yè) 圖4 2 v l x 在編碼器中實(shí)現(xiàn)v l c 的數(shù)據(jù)傳輸示意圖 d a t a s t r e a m e rd m a 控制器將量化后的數(shù)據(jù)和頭信息傳送給v l x ，接著，v l x 通過(guò)g e t 位機(jī)制輸出數(shù)據(jù)，v l x 提供一個(gè)仲裁數(shù)到g e t 位s 機(jī)制中，傳送數(shù)據(jù)給d s 緩沖區(qū)。 v l x 需要如下幾步來(lái)完成，首先，v l x 處理圖像頭信息，v l i w 核心處理器將圖像頭 參數(shù)寫入v l x 存儲(chǔ)器中，v l i w 核心處理器發(fā)送條命令，將圖像頭信息寫入緩沖區(qū)。 接著，v l x 處理g o b ( g r o u po fb l o c k s ) 頭信息，v l i w 核心處理器將g o b 頭參數(shù)寫入 v l x 存儲(chǔ)器中，v l i w 核心處理器發(fā)送一條命令，將g o b 頭信息寫入緩沖區(qū)。最后，v l x 完成d c t 系數(shù)數(shù)據(jù)的傳送，并執(zhí)行變長(zhǎng)編碼算法。 可變長(zhǎng)出解碼 v l d ( 變長(zhǎng)解碼，即信息熵解碼) 也是由v l x 協(xié)處理器來(lái)完成，數(shù)據(jù)傳輸傳輸如圖4 3 所示： 圖4 3 v l x 在解碼器中實(shí)現(xiàn)v l d 的數(shù)據(jù)傳輸傳輸示意圖 輸入比特流通過(guò)d a t a s t r e a m e r 控制器緩沖區(qū)，進(jìn)入v l x 協(xié)處理器。輸入比特流放 在存儲(chǔ)區(qū)，起始地址是比特流在存儲(chǔ)區(qū)的起始位置，傳輸?shù)某叽缡潜忍亓鞯某叽纭?d a t a s t r e a m e r 控制器可以循環(huán)進(jìn)行此操作，從而可以重復(fù)多次傳輸比特流。 第1 6 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 v l x 通過(guò)g e t 位s 機(jī)制從d a t a s t r e a m e r 控制器獲得數(shù)據(jù)，并要求g e t 位s 機(jī)制提供 一個(gè)仲裁號(hào)( 最大1