（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于H264視頻壓縮的DSP實(shí)現(xiàn)[電路與系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 摘要 2 0 0 3 年3 月，聯(lián)合視頻工作組j v t ( j o i n t v i d e o t e a m ) e 式推出了新一代視頻 壓縮標(biāo)準(zhǔn)h 2 6 4 a v c ，該標(biāo)準(zhǔn)支持從低帶寬、高誤碼率的無線移動(dòng)視頻通信到高 碼率、低延遲的視頻會(huì)議及在線流媒體等多種應(yīng)用，因此，得到業(yè)界的廣泛關(guān)注 和認(rèn)同。 相比于以前的標(biāo)準(zhǔn)，h 2 6 4 能有效地提高編碼器的壓縮性能，但是也大大地 增加了運(yùn)算復(fù)雜度。因此，如何降低運(yùn)算復(fù)雜度，提高編碼速度是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編碼 的關(guān)鍵。本文主要研究h 2 6 4 編碼器在d m 6 4 2 上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化。 首先，對(duì)h 2 6 4 a v c 的核心編碼技術(shù)，如幀內(nèi)幀間預(yù)測(cè)、整數(shù)變換、熵編 碼、碼率控制、錯(cuò)誤隱藏等進(jìn)行了研究，介紹了它們的研究現(xiàn)狀和在新標(biāo)準(zhǔn)中的 創(chuàng)新點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)h 2 6 4 a v c 的發(fā)展方向提出自己的觀點(diǎn)。 其次，本文論述了當(dāng)前主要的幀內(nèi)模式?jīng)Q策的快速算法，進(jìn)而提出了一種采 用縮略圖來進(jìn)行幀內(nèi)模式?jīng)Q策的思想，實(shí)現(xiàn)證明本文提出的算法與原算法相比， 可以節(jié)約5 0 左右的編碼時(shí)間，碼率平均增加1 4 ，信噪比平均下降0 0 5 8 d b 。 最后，文章介紹了d m 6 4 2 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和性能，并對(duì)h 2 6 4 編碼器進(jìn)行最小 化，重點(diǎn)對(duì)編碼器在d s p 上的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。 關(guān)鍵詞：視頻壓縮，h 2 6 4 a v c ，幀內(nèi)預(yù)測(cè)，d m 6 4 2 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t a b s t r a c t h 2 6 4 a v cv i d e oc o d i n gs t a n d a r di sp r o v i d e df o r m a l l yb yj v t ( j o i n tv i d e or a m ) i nm a r c h2 0 0 3 t h en e ws t a n d a r di sd e s i g n e dt og i v ean e wt e c l m i c i a ls o l u t i o nt oa b r o a d r a n g e o fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sl o w - b i t r a t ec o n v e r s a t i o n a ls e r v i c e sa n d e n t e r t a i n m e n tq u a l i t yb r o a d c a s t 。i n t e r a c t i v ev i d e o - o n d e m a n ds e r v i c e se t c s ot h i s s t a n d a r do b t a i n sm u c ha t t e n t i o nf r o ma c a d e m i ca n di n d u s t r i a lf i e l d s c o m p a r e w i t h p r i o rs t a n d a r d s ，h 2 6 4 h a sa c h i e v e d g r e a te f f i c i e n c y i n c o m p r e s s i o no fv i d e o ，b u ta l s oh a sb r o u g h tal o to fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h e r e f o r , r e d u c i n gc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n di m p r o v i n gc o d i n gr a t eb e c a m ev e r y i m p o r t a n tf o rr e a l - t i m ea p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h ek e yt o o l so fh 2 6 蚰礅ca r ed i s c u s s e d 。s u c ha si n t r a i n t e rp r e d i c t i o n 、 i n t e g e rt r a n s f o r m a n d q u a n t i z a t i o n 、e n t r o p yc o d i n g 、r a t e c o n t r o l 、e r r o r c o n c e a l m e n t w eg i v ead e t a i l e da n a l y s i sa b o u tt h ei n n o v a t i o n sa n dt h er e s e a r c h a c t u a l i t yo ft h em e n t i o n e da b o v e ，s e q u e n t i a l l ya d v a n c et h ef u t u r ea b o u th 2 6 4 出w c s e c o n d l y , w eg i v ead e t m l e da n a l y s i sa b o u tt h ea r i t h m e t i c so ff a s ti n t r ap r e d i c t i o n ， a n dp r o p o s ea ni d e am a k i n gu s eo fb r e v i a r ym a p n er e s u l t ss h o wt h a tt h el l e w a r i t h m e t i cc a nr e d u c et h ec o d i n gt i m ef o ra m o u n to f5 0 w h i l et h er a t ea n dp s n r c h a n g el i t t l e l a s t l y , t h em e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c eo fd m 6 4 2i sd e s c r i b e d w ef o c u so l lt h e i m p l e m e n t a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h es m a l l e s th 2 6 4e n e o d e rb a s e do nd m 6 4 2 d s p k e yw o r d ：v i d e oc o m p r e s s i o n , h 2 6 4 a v c ，i n t r ap r e d i c t i o n , d m 6 4 2 l i 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 t 視頻編碼發(fā)展史 第一章緒論 隨著信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)信息的需求越來越豐富。人們 希望無論何時(shí)何地都能夠方便、快捷、靈活地通過語音、數(shù)據(jù)、圖像與視頻等多 種方式進(jìn)行通信。視覺信息給人們直觀、生動(dòng)的形象，圖像視頻的傳輸更受到 人們廣泛地關(guān)注。 從2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，r r u t 的視頻編碼專家組( v i ：e g ) 制定的h 2 6 x 和 i s o i e c 活動(dòng)圖像專家組( m p e g ) 制定的m p e g - x 兩大系列視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)的 推出，開創(chuàng)了視頻通信和存儲(chǔ)應(yīng)用的新紀(jì)元。從h 2 6 1 視頻編碼建議，到h 2 6 3 ， m p e g 1 2 4 1 】【2 l 3 l 等都有一個(gè)共同的不斷追求的目標(biāo)，即在盡可能低的碼率( 或存 儲(chǔ)容量1 下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。而且，隨著市場(chǎng)對(duì)圖像傳輸需求的增加， 如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。這就是正o i e c 和i t u t 兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定的視頻新標(biāo)準(zhǔn)h 2 6 4 1 4 1 所要解決的問題。 h 2 6 1 5 】是最早出現(xiàn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它的輸出碼率是p x 6 4k b i t s ，主要應(yīng) 用于i s d n ，a t m 等寬帶信道的視頻應(yīng)用，不適合在p s t n 和移動(dòng)通信網(wǎng)等帶寬 有限的網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用。它采用的算法結(jié)合了可減少時(shí)間冗余的幀間預(yù)測(cè)和可減少空 間冗余的d c i 變換的混合編碼方法。和i s d n 信道相匹配，其輸出碼率是p 6 4 k b i t s 。p 取值較小時(shí)，只能傳清晰度不太高的圖像，適合于面對(duì)面的電視電話；p 取值較大時(shí)( 如p 6 ) ，可以傳輸清晰度較好的會(huì)議電視圖像。h 2 6 3 1 6 1 建議的是低 碼率圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上是h 2 6 1 的改進(jìn)和擴(kuò)充，支持碼率小于6 4 k b i t s 的 應(yīng)用。1 9 9 8 年i t u t 推出的h 2 6 3 + 是h 2 6 3 的第二版，它在前一版的基礎(chǔ)上提 供了1 2 個(gè)新的可選模式和其它特征，進(jìn)一步提高了壓縮編碼性能，增強(qiáng)了原有 標(biāo)準(zhǔn)的功能。r r u - t 在對(duì)h 2 6 3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善時(shí)，制定了兩個(gè)目標(biāo)： 近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)。h 2 6 3 + + ( h 2 6 3 第三版，2 0 0 0 年制定) 就是近期目標(biāo)，而 遠(yuǎn)期目標(biāo)就是于1 9 9 8 年開始制定的h 2 6 l 標(biāo)準(zhǔn)。m p e g - - 1 標(biāo)準(zhǔn)的碼率為 1 2 m b i t s 左右，可提供3 0 幀c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) 質(zhì)量的圖像，是為c d r o m 光盤的 視頻存儲(chǔ)和播放所制定的。m p e g 一1 標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼部分的基本算法與 h 2 6 1 h 2 6 3 相似，也采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)、二維d c t 、v l c 游程編碼等措 施。此外還引入了幀內(nèi)幀( d 、預(yù)測(cè)幀( p ) 、雙向預(yù)測(cè)幀( b ) 和直流幀( d ) 等概 念，進(jìn)一步提高了編碼效率。在m p e g 一1 的基礎(chǔ)上，m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)在提高圖像 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 分辨率、兼容數(shù)字電視等方面做了一些改進(jìn)，例如它的運(yùn)動(dòng)矢量的精度為半像素； 在編碼運(yùn)算中( 如運(yùn)動(dòng)估計(jì)和0 0 3 區(qū)分“幀”和“場(chǎng)”；引入了編碼的可分級(jí)性 技術(shù)，如空間可分級(jí)性、時(shí)間可分級(jí)性和信噪比可分級(jí)性等。近年推出的m p e g 一4 標(biāo)準(zhǔn)引入了基于視聽對(duì)象( a v o ：a u d i o v i s u a lo b j e c t ) 的編碼，大大提高了視頻通 信的交互能力和編碼效率。m p e g 4 中還采用了一些新的技術(shù)，如形狀編碼、自 適應(yīng)d c t 、任意形狀視頻對(duì)象編碼等。但是m p e g 4 的基本視頻編碼器還是屬 于和h 2 6 3 相似的一類混合編碼器?？傊?，h 2 6 1 建議是視頻編碼的經(jīng)典之作， h 2 6 3 是其發(fā)展，并將逐步在實(shí)際上取而代之，主要應(yīng)用于通信方面，但h 2 6 3 眾多的選項(xiàng)往往令使用者無所適從。m p e g 系列標(biāo)準(zhǔn)從針對(duì)存儲(chǔ)媒體的應(yīng)用發(fā)展 到適應(yīng)傳輸媒體的應(yīng)用，其核心視頻編碼的基本框架是和h 2 6 1 一致的，其中引 人注目的m p e g 4 的“基于對(duì)象的編碼”部分由于尚有技術(shù)障礙，目前還難以 普遍應(yīng)用。 在將近2 0 0 1 年底，由于h 2 6 l 優(yōu)越的性能，i s o ，i e c 的m p e g 專家組加 入到v c e g 中來，共同成立了聯(lián)合視頻小組( j v n ，接管了h 2 6 l 的開發(fā)上作。 這個(gè)組織的目標(biāo)是：研究新的視頻編碼算法，其目標(biāo)是在性能上比以往制定的最 好的標(biāo)準(zhǔn)提高很多。這一標(biāo)準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)是在2 0 0 3 年3 月在泰國p a t t a y a 舉行的j v t 第7 次會(huì)議上。由于該標(biāo)準(zhǔn)是由兩個(gè)不同的組織共同制定的，因此 有兩個(gè)不同的名稱：在u t 中，它的名字叫h 2 6 4 ；而在i s o i e c 中，它被稱 為m p e g 4 的第1 0 部分，即高級(jí)視頻編碼( a v c ) 。 1 2h 2 6 4 的技術(shù)特點(diǎn) h 2 6 4 a v c 是由n u - t 及i s o i e c 大力發(fā)展研究的、適應(yīng)于低碼率傳輸?shù)男?一代壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)。h 2 6 4 和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是d p c m 加變換編碼的混合編 碼模式。但它采用“回歸基本”的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)和眾多的選項(xiàng)，獲得比h 2 6 3 + + 好得 多的壓縮性能。h 2 6 4 加強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu) 和語法，有利于對(duì)誤碼和丟包的處理，而且，應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，滿足不同速率、 不同解析度以及不同傳輸( 存儲(chǔ)) 場(chǎng)合的需求l ”。 通過對(duì)傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀問預(yù)測(cè)、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)，h 2 6 4 的編碼效率和圖像質(zhì)量比以往的標(biāo)準(zhǔn)有了很大的提高1 8 j ： ( 1 ) 可變塊大小：在進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí)h 2 6 4 可以靈活選擇塊的大小。在宏塊 ( m b ) 劃分上h 2 6 4 在8 1 6 ，8 8 ，1 6 1 6 ，1 6 x 8 四種模式中選擇最優(yōu)的模 式：當(dāng)選中的最優(yōu)劃分模式為8 8 時(shí)，又可進(jìn)一步采用8 4 ，4 8 ，4 4 三種 子宏塊劃分模式劃分8 8 塊，這樣可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確，減小預(yù)測(cè) 2 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 誤差，提高編碼效率。幀內(nèi)預(yù)測(cè)一般采取兩種亮度預(yù)測(cè)模式：i n t r a - 4 x 4 ，i n t r a - 1 6 1 6 。 ( 2 ) 多參考幀運(yùn)動(dòng)估值：以往的編解碼技術(shù)在p 幀( 場(chǎng)) 圖像進(jìn)行幀間頂測(cè)時(shí)， 只允許以前一個(gè)i 圖像或p 圖像為參考幀，對(duì)b 圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)只允許以前后兩 個(gè)i 圖像或p 圖像為參考圖像。h 2 6 4 則打破了這些限制，允許在r e f e r e n c eb u f f e r 中的多個(gè)圖像中選取一個(gè)( p 預(yù)測(cè)方式) 或兩個(gè)( b 預(yù)測(cè)方式) 圖像作為參考圖像，參 考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像。 ( 3 ) 高精度運(yùn)動(dòng)估值：在h 2 6 4 中亮度信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的精度是1 4 像素。 如果運(yùn)動(dòng)矢量指向參考圖像的整像素位置，預(yù)測(cè)值就是該位置上參考圖像像素的 值：否則使用6 階f i r 濾波器的線性內(nèi)插獲得1 2 像素位置的預(yù)測(cè)值，通過取整 數(shù)和1 2 像素位置像素值均值的方式獲得1 4 像素位餐的值。顯然采用高精度運(yùn) 動(dòng)估計(jì)會(huì)進(jìn)一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差。 ( 4 ) 參考圖像的選取更加靈活：允許選取與當(dāng)前圖像更加匹配的圖像為參考 圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，減小了預(yù)測(cè)誤差，提高編碼效率。 ( 5 ) 加權(quán)預(yù)測(cè)：允許編碼器以一定的系數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)值進(jìn)行加權(quán)，從而 在一定的場(chǎng)景下可以提高圖像質(zhì)量。 ( 6 ) 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償循環(huán)內(nèi)的消除塊效應(yīng)濾波器：為消除在預(yù)測(cè)和變換過程中引入 的塊效應(yīng)，h 2 6 4 也采用了消除塊效應(yīng)濾波器，但與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是，h 2 6 4 的消除塊效應(yīng)濾波器位于運(yùn)動(dòng)估計(jì)循環(huán)內(nèi)部，可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像去 預(yù)測(cè)其它圖像的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。濾波強(qiáng)度取決于宏塊的預(yù)測(cè)方式、 量化參數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量等。量化步長(zhǎng)減小時(shí)，濾波器的作用也會(huì)相應(yīng)降低。 在抗丟包抗誤碼方面，h 2 6 4 采用參數(shù)集、片的使用、f m o ( f 1 e x i b l e m a c r o b l o c ko r d e r ) ，冗余片等關(guān)鍵技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的抗丟包和抗誤碼性 甜9 】： ( 1 ) 參數(shù)集：以往視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)中g(shù) o b ，g o p 等頭信息是至關(guān)重要的，包 含這些信息的包的丟失常導(dǎo)致與這些信息相關(guān)的圖像不能解碼。為此h 2 6 4 將這 些很少變化的信息放在參數(shù)集中傳送。參數(shù)集分為兩種，即序列參數(shù)集和圖像參 數(shù)集。為適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，參數(shù)集可以帶內(nèi)傳送，也可以采用帶外方式傳送。 參數(shù)集及其靈活的傳送方式會(huì)大大降低因關(guān)鍵的頭信息丟失而造成錯(cuò)誤發(fā)生的 可能。為保證參數(shù)集可靠地到達(dá)解碼器端，可以采用重發(fā)的方式多次發(fā)送同一參 數(shù)集，或傳送多個(gè)參數(shù)集。 ( 2 ) 片( s l i c e ) 拘使用：圖像可以劃分成一個(gè)或兒個(gè)片。將圖像劃分為多個(gè)片， 當(dāng)某一片不能正常解碼時(shí)的空間視覺影響就會(huì)大大降低，而且片還提供了重同步 點(diǎn)。 3 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 ( 3 ) f m o ：通過f m o 可以進(jìn)一步提高片的差錯(cuò)恢復(fù)能力。通過片組( s l i c e g r o u p l 的使用，f m o 改變了圖像劃分為片和宏塊的方式。宏塊到片組的映射定義了宏 塊屬于哪一個(gè)片組。利用f m o 技術(shù)，h 2 6 4 定義了七種宏塊掃描模式。 冗余圖像：為提高h(yuǎn) 2 6 4 的解碼器在發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時(shí)的頑健性，可以采 用傳送冗余圖像的方式。當(dāng)基本圖像丟失時(shí)，可以通過冗余圖像重構(gòu)原圖像。 ( 5 ) 幀內(nèi)預(yù)測(cè)：h 2 6 4 借鑒了以往視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)在幀內(nèi)預(yù)測(cè)上的經(jīng)驗(yàn)，值得 注意的是，在h 2 6 4 中，i d r 圖像可以使參考圖像緩存無效，之后的圖像在解碼 時(shí)不再參考i d r 圖像之前的圖像，因而i d r 圖像具有很好的重同步作用。在一 些丟包和誤碼嚴(yán)重的信道中，可以采取不定期傳送i d r 圖像的方式進(jìn)一步提高 h 2 6 4 的抗誤碼和抗丟包性能。 ( 6 ) 數(shù)據(jù)劃分：由于運(yùn)動(dòng)矢量和宏塊類型等信息相對(duì)于其他信息具有更高的 重要性，因而在h 2 6 4 中引入了數(shù)據(jù)劃分的概念，將片中語義彼此相關(guān)的語法元 素放在同一個(gè)劃分中。在h 2 6 4 中有三類不同的數(shù)據(jù)劃分，三類數(shù)據(jù)劃分分開傳 送，若第二類或第三類劃分的信息丟失，使用差錯(cuò)恢復(fù)工具仍然可以通過第一類 劃分中的信息對(duì)丟失信息進(jìn)行適當(dāng)恢復(fù)。 ( 7 ) 多參考幀運(yùn)動(dòng)估值：多參考幀運(yùn)動(dòng)估值的一個(gè)作用是可以提高編碼器的 編碼效率，另一個(gè)作用是提高差錯(cuò)恢復(fù)能力。在有反饋的系統(tǒng)( 如采用r t p r t c p 作為應(yīng)用層傳輸協(xié)議的通信系統(tǒng)) 中，當(dāng)編碼器得知有圖像丟失時(shí)，可以選擇解 碼器已經(jīng)正確接收的圖像作為參考圖像。 ( 8 ) 為阻止錯(cuò)誤在空間上的蔓延，解碼器端可以指定當(dāng)p 片或b 片中的宏塊在 做幀內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)不使用相鄰的非幀內(nèi)編碼宏塊作為參考。 h 2 6 4 是在h 2 6 3 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在技術(shù)上，它集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu) 點(diǎn)，并吸收了標(biāo)準(zhǔn)制定中積累的經(jīng)驗(yàn)。在相同的重建圖像質(zhì)量下，h 2 6 4 能夠比 h 2 6 3 節(jié)約5 0 左右的碼率。h 2 6 4 因其更高的壓縮比、更好的口和無線網(wǎng)絡(luò)信 道適應(yīng)性，必將在數(shù)字視頻通信或存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)也要注 意，h 2 6 4 獲得優(yōu)越性能的代價(jià)是計(jì)算復(fù)雜度的增加，據(jù)估計(jì)，編碼的計(jì)算復(fù)雜 度大約相當(dāng)于h 2 6 3 的三倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于h 2 6 3 的兩倍。h 2 6 4 在所 有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。 1 3d s p 現(xiàn)狀 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字多媒體處理系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)， 而基于m p e g 4 的數(shù)字系統(tǒng)又全面取代m p e g 1 系統(tǒng)，國內(nèi)已經(jīng)有領(lǐng)先廠商應(yīng) 用d s p 推出基于h 2 6 4 a v c 的數(shù)字系統(tǒng)并投入市場(chǎng)。在早期的m p e g 1 類產(chǎn)品 4 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 中，視頻有專用芯片，d s p 只處理語音。在m p e g - 4 及h 2 6 4 a v c 類產(chǎn)品中d s p 全面完成視頻和語音處理工作?？梢杂脕韺?shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的集成電路主要有三 大類：a s l c ( 專用芯片) 、f p g a ( 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列) 、d s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 。相比 較a s l c ，f p g a 而言，數(shù)字監(jiān)控行業(yè)在d s p 平臺(tái)上進(jìn)行視頻產(chǎn)品開發(fā)有以下幾 方面的優(yōu)勢(shì)：第一，用戶開發(fā)自由度更大，支持多種個(gè)性化開發(fā)，可以滿足市場(chǎng) 不斷提出的新的要求，在第一時(shí)間提升產(chǎn)品性能，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力；第二， d s p 處理能力強(qiáng)，可以在一個(gè)d s p 上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路音視頻信號(hào)的壓縮處理，同 時(shí)為了及時(shí)滿足應(yīng)用的需要、還提供了很多視頻專用功能，比如視頻濾波、 d e i n t e r l a c e 處理、高分辨顯示輸出、o s d 功能等，甚至象網(wǎng)絡(luò)接口、i d e 接口 都成為了視頻d s p 的主要功能，這樣使進(jìn)一步大幅度降低產(chǎn)品的成本成為可能； 第三，開發(fā)周期短，實(shí)現(xiàn)快速技術(shù)更新和產(chǎn)品換代；第四，芯片功耗低，對(duì)提高 產(chǎn)品的穩(wěn)定性提供可靠保障。 1 r i 公司于2 0 0 3 年1 月推出了數(shù)字媒體處理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 1 0 l ，該器件適 用于v o 口、視頻點(diǎn)播( v 0 d ) 、多通道數(shù)字錄像應(yīng)用，以及需要高質(zhì)量的音視頻 編解碼領(lǐng)域，該器件一經(jīng)推出便受到了業(yè)界的普遍關(guān)注，1 r i 為方便廣大客戶對(duì) d m 6 4 2 的開發(fā)，推出了d m 6 4 2 的e v m 板( 評(píng)估板) ，極大的方便和簡(jiǎn)化了人 們對(duì)d m 6 4 2 的應(yīng)用。因此，用d m 6 4 2e v m 實(shí)現(xiàn)h 2 6 4 a v c 已成為當(dāng)今視訊行 業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)。而目前用d m 6 4 2 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的h 2 6 4 a v c 時(shí)主要存在以下難點(diǎn)i l ”： 一是算法的優(yōu)化；二是c 代碼的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化；三是存儲(chǔ)器的優(yōu)化。這三方面因 素也成為目前受關(guān)注度最高，研究力度最大，并有待進(jìn)一步有效解決的問題。 1 4 論文的主要工作 本論文對(duì)視頻編碼原理及當(dāng)今流行的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，針對(duì) h 2 6 4 a v c 標(biāo)準(zhǔn)的新特性，深入分析其關(guān)鍵算法及其編解碼系統(tǒng)原理，分析 h 2 6 4 a v c 編解碼器的運(yùn)算瓶頸所在，優(yōu)化部分算法，并利用d s p 開發(fā)平臺(tái)實(shí) 現(xiàn)和優(yōu)化了h 2 6 4 a v c 編碼器。論文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章為緒論，介紹了視頻壓縮的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對(duì)h 2 6 4 a v c 的技術(shù) 特點(diǎn)和部分關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展作了介紹，并根據(jù)h 2 6 4 的發(fā)展現(xiàn)狀，指出未來 該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。 第二章研究了h 2 6 4 編碼體系的結(jié)構(gòu)，對(duì)其中熱門的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)介 紹，并分析了現(xiàn)有方法的缺陷，提出改進(jìn)的方向。 第三章針對(duì)幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式?jīng)Q策方法進(jìn)行深入研究，對(duì)現(xiàn)有各類方法的性能進(jìn) 行分析和比較，引入新思路并融合已有方法的優(yōu)點(diǎn)，形成快速?zèng)Q策方法。 5 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 第四章詳細(xì)介紹了d s p d m 6 4 2 e v m 的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，深入學(xué)習(xí)了d s p c 6 0 0 0 系列的開發(fā)原理，對(duì)d s p 程序的優(yōu)化方法進(jìn)行研究并利用d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 2 e v m 實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化了h 2 6 4 a v c 基本層的編碼器。 第五章對(duì)測(cè)試步驟和結(jié)果進(jìn)行了分析。 第六章為總結(jié)和展望。 6 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章1 t 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 第二章：h 2 6 4 韻概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 2 1h 。2 6 4 視頻編碼的體系結(jié)構(gòu) h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)壓縮系統(tǒng)由視頻編碼層( v c l ) 和網(wǎng)絡(luò)提取層( n a l ) 兩部分組成 1 1 2 l 【1 3 l ，如圖2 1 所示。v c l 中包括v c l 編碼器與v c l 解碼器，主要功能是視頻數(shù) 據(jù)壓縮編碼和解碼，它包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換編碼、熵編碼等壓縮單元。n a l 則用 于為v c l 提供一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的統(tǒng)一接口，它負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包以使 其在網(wǎng)絡(luò)中傳送時(shí)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。n a l 層可以使h 2 6 4 的v c l 層和其它 一些多媒體傳輸層實(shí)現(xiàn)映射，并通過這些層實(shí)現(xiàn)傳輸編碼的功能，如： 文件格式，例如i s o 用于存儲(chǔ)的m p 4 和多媒體信息服務(wù)( m m s ) 服務(wù)。 r t p i p 層，用來提供任何實(shí)時(shí)的有線或無線的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 h 3 2 x 協(xié)議，可以提供有線和無線的傳統(tǒng)服務(wù)以及m p e g 一2 系統(tǒng)的廣播服 務(wù)等。 也型i 型巴竿叫 阿闡f 疏網(wǎng) 1 i i 筒 h2 6 4 t oh2 6 4 t o h2 6 4 t o網(wǎng) m p e g 一2 h3 2 4 m r tp ，l p it c p pi li 一一心，二一 l網(wǎng)絡(luò)信道l 圖2 1h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)壓縮系統(tǒng)組成 h 2 6 4 視頻編碼層的編解碼系統(tǒng)框圖如圖2 2 所示。編碼器采用變換和預(yù)測(cè) 的混合編碼方法，將幀內(nèi)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)后的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行變換量化，然后進(jìn)行 熵編碼，編碼后的碼流與其它所需信息一起封裝成n a l 單元供網(wǎng)絡(luò)傳輸。解碼器 對(duì)n a l 單元進(jìn)行解碼，解出頭信息，得到參考預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，然后將其與解碼出的預(yù) 測(cè)殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，便可得到解碼重構(gòu)圖像，最后通過顯示設(shè)備輸出解碼圖像。 從圖中可以看出，h 2 6 4 的主要部分包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)和補(bǔ)償、變換、量 化處理、去塊效應(yīng)濾波和熵編碼等模塊。 7 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 1 “i r n 品苧化后藿氌 、 ，痼豳爐c 鼉辛j - - 1 至t 萋垂莖i 一匿, - - 明_ t 火l 量 2 2h 2 6 4 的檔次和級(jí) 圖2 2h 2 6 4 的系統(tǒng)框圖 h 2 6 4 規(guī)定了三種檔次【1 2 1 ，每一個(gè)檔次分別支持一組特定的編碼功能，并支 持一類特定應(yīng)用： ( 1 ) 基本檔次：利用i 片和p 片支持幀內(nèi)和幀間編碼，支持利用基于上下文的 自適應(yīng)的變長(zhǎng)編碼進(jìn)行的熵編碼( c a v l c ) 【1 4 1 。主要用于可視電話，會(huì)議電視， 無線通信等實(shí)時(shí)視頻通信。 ( 2 ) 主要檔次：支持隔行視頻，采用b 片的幀間編碼和采用加權(quán)預(yù)測(cè)的幀內(nèi)編 碼；支持利用基于上下文的自適應(yīng)的算數(shù)編碼( c a b a c ) 1 5 l 。主要用于數(shù)字廣 播與數(shù)字視頻存儲(chǔ)。 ( 3 ) 擴(kuò)展檔次：支持碼流之間有效的切換( s p 和s i 片) ，改進(jìn)誤碼性能( 數(shù)據(jù) 分割) ，但不支持隔行視頻和c a b a c ，主要應(yīng)用于流媒體中。 各個(gè)檔次具有的不同功能，可見擴(kuò)展檔次包括了基本檔次的所有功能，而不 能包括主要檔次的全部功能。每一檔次設(shè)置不同的參數(shù)( 如取樣速率，圖像尺寸， 編碼比特率等) ，得到對(duì)應(yīng)的編解碼器性能的不同級(jí)。 2 3h 2 6 4 的關(guān)鍵技術(shù)分析 2 3 1 幀問預(yù)測(cè) 幀問預(yù)測(cè)和編碼主要是利用視頻信號(hào)的時(shí)域相關(guān)性，通過運(yùn)動(dòng)估計(jì)和幀內(nèi)差 8 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 值算法把視頻信號(hào)的時(shí)域冗余信息去掉，從而達(dá)到壓縮視頻數(shù)據(jù)的目的。它是基 于塊的預(yù)測(cè)，利用已編碼重建的幀，場(chǎng)對(duì)當(dāng)前幀場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，它與先前視頻 編碼標(biāo)準(zhǔn)不同的地方是：可變塊尺寸、多參考幀以及小數(shù)像素。下面分別介紹這 三個(gè)特點(diǎn)。 ( 1 ) 多尺寸塊模式： h 2 6 4 采用如圖2 3 所示的可變尺寸塊進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)，其中，一個(gè)1 6 x 1 6 的 亮度宏塊可以劃分為1 6 x 1 6 ，1 6 x 8 ，8 x 1 6 和8 x 8 四種模式( 圖2 3 ( a ) ) ，每個(gè) 劃分區(qū)域都是一個(gè)宏塊分區(qū)；如果選擇8 x 8 模式，那么宏塊中的8 x 8 分區(qū)還可 以再細(xì)分為8 x 8 ，8 x 4 ，4 x 8 和4 x 4 四種模式( 圖2 3 ( b ) ) ，稱為宏塊子分區(qū)。 這些塊尺寸模式可以形象地表示成樹形結(jié)構(gòu)，如圖2 4 所示。其中，大的分割尺 寸適合于平坦區(qū)域，而小尺寸適合于多細(xì)節(jié)區(qū)域。 1 6 8 1 68 8 o 1 44 o 1 ( a ) ( b ) 0 1 o 1 0 1 23 o l 23 圖2 3 ( a ) 宏塊分區(qū)1 6 x 1 6 、8 1 6 、1 6 8 、8 x 8 模式( b ) 宏塊子分區(qū)8 x 8 、4 x 8 、 8 x 4 、4 x 4 模式 o i 4 1 3 卜 2 圖2 4 變尺寸塊模式的樹形結(jié)構(gòu) ( 2 ) 雙向、多參考幀： 在h 2 6 4 中，可采用多個(gè)參數(shù)幀的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，即在編碼器的緩存中存有多個(gè) 剛剛編碼好的參數(shù)幀，編碼器從其中選擇一個(gè)給出更好的編碼效果的作為參數(shù) 9 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 幀，并指出是哪個(gè)幀被用于預(yù)測(cè)，這樣就可獲得比只用上一個(gè)剛編碼好的幀作為 預(yù)測(cè)幀的更好的編碼效果。h 2 6 4 幀間預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)中包含雙向的多個(gè)參考幀，每個(gè) 方向上最多可以有1 5 個(gè)參考圖象。 ( 3 ) 小數(shù)像素： 在h 2 6 4 中則進(jìn)一步采用1 4 像素，以提高運(yùn)動(dòng)矢量位移的精度，降低碼率。 h 2 6 4 中采用了6 階f i r 濾波器的內(nèi)插獲得1 2 像素位置的值。當(dāng)1 2 像素值獲 得后，1 4 像素值可通過線性內(nèi)插獲得。對(duì)于4 ：2 ：0 的視頻格式，亮度信號(hào)的 1 4 像素精度對(duì)應(yīng)于色度部分的1 8 像素的運(yùn)動(dòng)矢量，因此需要對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行 1 8 像素的內(nèi)插運(yùn)算。理論上，如果將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仍黾右槐犊捎? 5 b i t s a m p l e 的編碼增益，但實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)矢量精度超過1 8 像素后，系統(tǒng)基本上就沒 有明顯增益了，因此，在h 2 6 4 中，只采用了1 4 像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量模式，而 不是采用1 8 像素的精度。 2 3 2 整數(shù)變換 為了進(jìn)一步節(jié)省圖象傳輸碼率，需要對(duì)圖象信號(hào)進(jìn)行壓縮。將圖像的當(dāng)前像 素值與預(yù)測(cè)值相減，就形成了預(yù)測(cè)殘差【1 6 1 。殘差內(nèi)仍然含有空間冗余，為了消 除這種冗余，通常采用變換編碼，即變換一量化一熵編碼三步。變換并不壓縮數(shù) 據(jù)，它只是消除數(shù)據(jù)中的相關(guān)性，或者說將數(shù)據(jù)中的冗余( 或相關(guān)性) 以一種便于 隨后進(jìn)行熵編碼的方式表現(xiàn)出來。壓縮是在熵編碼步驟中完成的。此外為了進(jìn)一 步減少數(shù)據(jù)量，編碼器還對(duì)變換后的系數(shù)進(jìn)行量化，它的實(shí)質(zhì)是減少數(shù)據(jù)的取值 范圍以減少每一個(gè)符號(hào)的熵。它會(huì)造成信息的損失，是有損編碼的一個(gè)重要步驟， 它也是控制圖像率失真( r d 1 特性的一個(gè)主要手段。在圖像編碼中，變換編碼和 量化從原理上講是兩個(gè)獨(dú)立的過程。但在h 2 6 4 中，將兩個(gè)過程中的乘法合而為 一，并進(jìn)一步采用整數(shù)運(yùn)算，減少了編解碼的運(yùn)算量，提高了圖像壓縮的實(shí)時(shí)性。 圖像編碼中常用的變換是d c t ，因?yàn)樗谀撤N條件下近似于理論上最優(yōu)k - l 變換。但是如果直接采用d c t 的定義進(jìn)行變換，會(huì)帶來兩個(gè)問題：一個(gè)是需要 進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)操作，從而造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性；第二，由于變換核都是無理數(shù)， 而有限精度的點(diǎn)數(shù)不可能精確地表示無理數(shù)，再加上浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算可能會(huì)引入舍 入誤差，這就使得在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致編解碼的失配。為了克服這些問題，h 2 6 4 采用整數(shù)d c t 變換，使得變換操作僅用整數(shù)加減和移位操作就可以完成，這樣 既降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，又避免了編解碼的失配，而由此帶來的編碼性能的減少微 乎其微。經(jīng)過幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀問預(yù)測(cè)的宏塊殘差需要進(jìn)行變換和量化。在過去的視 頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中都是采用8 x 8 的d c t 變換。 在h 2 6 4 中使用了三種變換方式，根據(jù)殘余數(shù)據(jù)類型的不同來進(jìn)行選擇。幀 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 內(nèi)編碼宏塊的亮度d c 系數(shù)( 僅對(duì)1 6 x 1 6 預(yù)測(cè)模式有效) 采用4 4 的矩陣，色度 d c 系數(shù)采用2 x 2 的矩陣，對(duì)于其他的都采用4 x 4 的塊來變換。宏塊中的數(shù)據(jù)的 傳輸順序圖2 5 所示。如宏塊預(yù)測(cè)模式為幀內(nèi)1 6 x 1 6 ，則首先傳送編號(hào)為1 的亮 度d c 系數(shù)矩陣。然后依次傳送編號(hào)為0 - 1 5 的亮度殘差數(shù)據(jù)，以及編號(hào)1 6 - 2 5 的色度d c 和色度殘差數(shù)據(jù)。 ( 1 6 x 1 6i n t r a 一1 m o d eo n l y ) 2 3 3 熵編碼 圖2 5 宏塊殘差數(shù)據(jù)塊傳送次序 多媒體數(shù)據(jù)壓縮的方法可分為有損壓縮和無損壓縮兩種，而無損壓縮編碼又 可稱為熵編碼或者冗余編碼，這種編碼是利用信源的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行壓縮編碼的， 也稱統(tǒng)計(jì)編碼。視頻編碼中常用的是熵編碼中的變長(zhǎng)編碼( 也稱h u f f m a n 編碼) 和算術(shù)編碼。 h 2 6 似v c 使用兩種可相互替換的熵編碼方法：一個(gè)是低復(fù)雜度基于內(nèi)容的 自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼叫作c a v l c ，而另一種是更復(fù)雜的基于內(nèi)容自適應(yīng)的算術(shù)編碼。 這兩種方法與使用在以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)上的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)編碼技術(shù)相比有了很顯 著的改進(jìn)。h 2 6 4 對(duì)于s l i c e 層以上的數(shù)據(jù)采用e x p g o l o m b 碼，這是一種沒有自 適應(yīng)能力的v l c 。而對(duì)于s l i c e 層以下的數(shù)據(jù)，如果是殘差信號(hào)，h 2 6 4 有兩種 熵編碼的方式：基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)碼( c a v l c ) 和基于上下文的白適應(yīng)二進(jìn) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 制算術(shù)編碼( c a b a c ) ；如果不是殘差信號(hào)，h 2 6 4 采用e x p g o l o m b 碼或c a b a c 編碼，視編碼器的設(shè)置而定【1 7 1 。 c a v l c ：的基本思想就是對(duì)出現(xiàn)頻率大的符號(hào)使用較短的碼字，而出 現(xiàn)頻率小的符號(hào)采用較長(zhǎng)的碼字。這樣可以使得平均碼長(zhǎng)最小。在c a v i a ：中， h 2 6 4 采用若干v l 碼表，不同的碼表對(duì)應(yīng)不同的概率模型。編碼器能夠根據(jù) 上下文，如周圍塊的非零系數(shù)數(shù)或系數(shù)的絕對(duì)值大小，在這些碼表中自動(dòng)地選擇， 最大可能地與當(dāng)前數(shù)據(jù)的概率模型匹配，從而實(shí)現(xiàn)了上下文自適應(yīng)的功能。 c 蛐a c ：算術(shù)編碼是一種高效的熵編碼方案，其每個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的碼長(zhǎng)認(rèn) 為是分?jǐn)?shù)。由于對(duì)每一個(gè)符號(hào)的編碼都與以前編碼的結(jié)果有關(guān)，所以它考慮的是 信源符號(hào)序列整體的概率特性，而不是單個(gè)符號(hào)的概率特性，因而它能夠更大程 度地逼近信源的極限熵，從而降低碼率。為了繞開算術(shù)編碼中無限精度小數(shù)的表 示問題以及對(duì)信源符號(hào)概率進(jìn)行估計(jì)，現(xiàn)代的算術(shù)編碼多以有限狀態(tài)機(jī)的方式實(shí) 現(xiàn)，h 2 6 4 的c a d b a c 便是一個(gè)例子，其他的例子還有j p e g 2 0 0 0 。在c a d 3 a c 中，每編碼一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，編碼器就會(huì)自動(dòng)調(diào)整對(duì)信源概率模型( 用一個(gè)“狀 態(tài)”來表示) 的估計(jì)，隨后的二進(jìn)制符號(hào)就在這個(gè)更新了的概率模型基礎(chǔ)上進(jìn)行 編碼。這樣的編碼器不需要信源統(tǒng)計(jì)特性的先驗(yàn)知識(shí)，而是在編碼過程中自適應(yīng) 地估計(jì)。顯然，a 墟a c 編碼是一種算術(shù)編碼，它通過構(gòu)建模型來預(yù)測(cè)當(dāng)前的視 頻信號(hào)。與g w 【c 編碼相比，c a b a c 提供了更高的編碼效率，進(jìn)一步節(jié)省了 碼率。 2 3 4 碼率控制 對(duì)視頻通信而言，由于通信信道帶寬有限，需對(duì)視頻編碼碼率進(jìn)行控制，來 保證編碼碼流的順利傳輸和信道帶寬的充分利用。碼率控制有兩種模式：v b r 和c b r ，即可變比特控制和固定比特控制【1 8 j 。v b r 模式是一種開環(huán)處理，輸入 為視頻源和一個(gè)量化系數(shù)q p 值。c b r 模式是一種閉環(huán)處理，輸入為視頻源和目 標(biāo)比特，它根據(jù)對(duì)源復(fù)雜度估計(jì)、解碼緩沖的大小及網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整q p ， 得到符合要求的碼率，這也是真正意義上的碼率控制。 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，學(xué)者們提出了一些碼率控制策略。h 2 6 4 碼率控制方 法的提案主要有兩個(gè)：”j v t f 0 8 6 ”中的m p e g 一2t m 5 改進(jìn)版本及”j v t g 0 1 2 ”中提 出的用流量往返模型來分配每個(gè)基本單元目標(biāo)比特?cái)?shù)，并在宏塊層編碼采用二次 率失真函數(shù)計(jì)算量化參數(shù)的算法。 采用這些復(fù)雜的編碼技術(shù)使得h 2 6 4 編碼效率大大提高。其中，在保證相同 的重建圖像主觀質(zhì)量的條件下，使用7 種不同尺寸的幀問預(yù)測(cè)比使用1 6 1 6 一 種塊尺寸可以節(jié)省1 5 的碼率；使用1 4 像素精度塊匹配比使用整數(shù)像素可以節(jié) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章h 。2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 省2 0 的碼率；使用5 個(gè)參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè)比只使用一個(gè)參考幀可以節(jié)省5 一1 0 的碼率；使用去塊效應(yīng)濾波器可以節(jié)省5 - 1 0 的碼率；使用基于內(nèi)容的二進(jìn)制自 適應(yīng)算術(shù)編碼可以節(jié)省1 0 的碼率。 2 3 5 去塊濾波 為了改善圖像主觀質(zhì)量，h 2 6 4 編碼器對(duì)塊邊緣使用基于4 x 4 的自適應(yīng)去塊 效應(yīng)濾波器。目的是為了減弱由于塊預(yù)測(cè)錯(cuò)誤引起的方塊效應(yīng)，提高恢復(fù)圖像的 視覺質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)估計(jì)和整數(shù)核變換都以方塊為單位，這種人為的分割造成了方塊 邊界的不連貫性，會(huì)產(chǎn)生明顯的方塊效應(yīng)，這對(duì)重建圖象的主觀質(zhì)量有很大損傷。 h 2 6 4 通過在方塊邊界使用濾波器來消除方塊效應(yīng)【1 9 1 。 有條件的濾波用于圖象的所有4 x 4 塊的邊界，除了圖象的邊界和特別指出不 進(jìn)行濾波的某些邊界。濾波過程以宏塊地址增加的順序進(jìn)行。在對(duì)每個(gè)宏塊濾波 時(shí)，可以使用當(dāng)前宏塊上方或左方已濾波的宏塊值。 去塊效應(yīng)濾波分別用于亮度和色度分量。濾波過程中垂直邊界的已改變的值 作為同一宏塊水平邊界濾波的輸入。去塊效應(yīng)濾波器用于編碼器的反變換之后 ( 重建和存儲(chǔ)宏塊做進(jìn)一步預(yù)測(cè)之前) 和解碼器中( 重建和顯示宏塊之前) 。 2 3 6s p s i 技術(shù) s p s i 的主要目的是用于不同視頻流的切換【捌，此外也可用于視頻流的隨機(jī) 訪問、快進(jìn)快退和錯(cuò)誤恢復(fù)。這里所說的不同視頻流是指在不同比特率限制下對(duì) 同一信源進(jìn)行編碼所產(chǎn)生的碼流。當(dāng)視頻流的內(nèi)容相同，編碼參數(shù)不同時(shí)，采用 s p 幀；而當(dāng)視頻流的內(nèi)容相差很大時(shí)，則采用s i 幀將更加有效，它采用4 x 4 幀 內(nèi)預(yù)測(cè)編碼。s p 幀可用于信道速率的改變、視頻比特流的切換和碼流隨機(jī)接入 等操作，在時(shí)變無線信道上的視頻通信和流媒體傳輸中有廣泛的應(yīng)用前景，此外 也可用于碼流的隨機(jī)訪問、快進(jìn)快退和錯(cuò)誤恢復(fù)。 這里所說的不同碼流是指在不同比特率限制下對(duì)同一信源進(jìn)行編碼所產(chǎn)生 的碼流。設(shè)切換前傳輸碼流中的最后一幀為a 1 ，切換后的目標(biāo)碼流第一幀為 b 2 ( 假設(shè)是p 幀) ，由于b 2 的參考幀不存在，所以直接切換顯然會(huì)導(dǎo)致很大的失 真，而且這種失真會(huì)向后傳遞。一種簡(jiǎn)單的解決方法就是傳輸幀內(nèi)編碼的b 2 ， 但是一般i 幀的數(shù)據(jù)量很大，這種方法會(huì)造成傳輸碼率的陡然增加。根據(jù)前面的 假設(shè)，由于是對(duì)同一信源進(jìn)行編碼，盡管比特率不同，但切換前后的兩幀必然有 很多相關(guān)性，所以編碼器可以將a l 作為b 2 的參考幀，對(duì)b 2 進(jìn)行幀問預(yù)測(cè)，預(yù) 測(cè)誤差就是s ps 1 i c e ，然后通過傳遞s ps 1 i c e 完成碼流的切換。與常規(guī)p 幀不 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章h 2 6 4 的概述及關(guān)鍵技術(shù)介紹 同的是，生成s ps l i c e 所進(jìn)行的預(yù)測(cè)是在a 1 和b 2 的變換域中進(jìn)行的。s ps l i c e 要求切換后b 2 的圖像應(yīng)和直接傳送目標(biāo)碼流時(shí)一樣。如果切換的目標(biāo)是毫不相 關(guān)的另一碼流，s ps l i c e 就不適用了。 2 4 h 2 6 4 應(yīng)用情況： 在h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)中增加了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)提取層n a l ，考慮到了與具體應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的連 接和接口問題。下面將分3 個(gè)方面分別簡(jiǎn)單介紹h 2 6 4 在視頻通信領(lǐng)域、數(shù)字廣 播電視領(lǐng)域和視頻存儲(chǔ)播放領(lǐng)域的應(yīng)用情況。 ( 1 ) 在視頻通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 由于h 2 6 4 是在h 2 6 l 的已有成果基礎(chǔ)上由j v t 完成標(biāo)準(zhǔn)最后制定的，而 h 2 6 l 首先就是針對(duì)視頻實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的，例如，會(huì)議電視、可視電話等應(yīng)用， 因此，h 2 6 4 在視頻實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域首先得到了應(yīng)用，到2 0 0 4 年2 月為止，國聲 稱已經(jīng)可以提供基于h 2 6 4 的會(huì)議電視產(chǎn)品的公司有p o l y c o m 、t a n d b e r g 、v c o n 、 s o n y 等。 ( 2 ) 在數(shù)字廣播電視領(lǐng)域中的應(yīng)用 m p e g 已經(jīng)完成了基于m p e g 一2 系統(tǒng)兼容h 2 6 4 碼流內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)“a m e n d m e n t3 ： t r a n s p o r to fa v cv i d e od a t ao v e ri t u tr e c h 2 2 2 0i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 s t r e a m s ”的制定，這就為h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字廣播電視領(lǐng)域和視頻存儲(chǔ)播放領(lǐng)域 中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。據(jù)數(shù)字視頻廣播( d v b ) 標(biāo)準(zhǔn)組a v 編碼組主席k e nm c c a n n 說，歐洲已經(jīng)考慮修訂當(dāng)前的數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，將m p e g - 4 音頻和h 2 6 4 視頻 同時(shí)列為基于i p 視頻傳輸?shù)暮蜻x選項(xiàng)，而專注于數(shù)字電視的獨(dú)立技術(shù)咨詢公司 z e t a c a s t 公司董事m c c a n n 指出，d v b 的a v 編碼組已經(jīng)考慮用于d v b 廣播應(yīng)用的 h 2 6 4 實(shí)施指南問題。可以預(yù)計(jì)，隨著h 2 6 4 將來在數(shù)字廣播特別是高清電視領(lǐng) 域中的應(yīng)用，用戶可以看到更高質(zhì)量的視頻圖像節(jié)目、可以選擇更多的電視節(jié)目 頻道。 ( 3 ) 在視頻存儲(chǔ)播放領(lǐng)域中的應(yīng)用 在2 0 0 3 年1 1 月1 9 日于日本千葉縣幕張m e s s e 會(huì)展中心開幕的“2 0 0 3 年國 際廣播電視設(shè)備展( i n t e rb e e2 0 0 3 ) ”上，不少公司利用h 2 6 4 m p e g 一4a v c 編解碼器進(jìn)行了錄像播放演示，編解碼器的形態(tài)各種各樣，從f p g a 等芯片到電 腦軟件應(yīng)有盡有。在d v d 等視頻存儲(chǔ)播放領(lǐng)域應(yīng)用中，h 2 6 4 將是最好的選擇， 并且對(duì)于高清晰度d v d ( h dd v d ) 應(yīng)用來說，更加需要具有高壓縮效率的視標(biāo)準(zhǔn)。 1 4 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法研究 第三章幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法研究 h 2 6 4 標(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼充分利用了圖像的空問相關(guān)性，使用當(dāng)前塊的相 鄰塊中已解碼重建的像素作