【正文】 量與之對(duì)應(yīng)。從軟硬件實(shí)現(xiàn)角度看，塊匹配算法相對(duì)簡(jiǎn)單，一在實(shí)際活動(dòng)圖像壓縮編碼系統(tǒng)中得到較為普遍的應(yīng)用。所以，選用 SAD 作為匹配準(zhǔn)則【 4168。 1．全搜索算法 (FS) 全搜索也叫窮盡搜索法，即在搜索范圍內(nèi)逐點(diǎn)搜索，每搜索一次計(jì)算一次SAD，當(dāng) SAD 達(dá)到最小值時(shí)，即為最佳匹配宏塊。 2．三步 搜索法 (TSS) 三步搜索法具有簡(jiǎn)單、健壯、性能優(yōu)秀的特點(diǎn)。對(duì)于第一步初始步長(zhǎng)隨著搜索窗口的寬度而變化，容易錯(cuò)過(guò)搜索中心 5*5 最佳的全局最優(yōu)點(diǎn)。鉆石搜索法采用了兩種搜索模式，如圖 3． 4 所示。這種模式包含了 5 個(gè)點(diǎn)，形成一個(gè)較小規(guī)模的鉆石形。 DS 算法的優(yōu)勢(shì)在于其把握了視頻序列中運(yùn)動(dòng)向量的基本規(guī)律 m】，先用LDSP 大范圍搜索，再用 SDSP 在準(zhǔn)確定位，所以它的性能優(yōu)于其他算法。 3． 2． 3 運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的改進(jìn) 本文針對(duì)菱形搜索算法存在的缺陷，充分利用視頻序列各個(gè)宏塊之間存在的時(shí)空相關(guān)性【 45】，設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)測(cè)的菱形搜索算法。根據(jù)處理順序中在圖3． 7 所示的時(shí)間相鄰塊 (1)空 間相鄰塊 (2jfj}， 3 存， 4jfj}) 2．起點(diǎn)預(yù)測(cè)宏塊 根據(jù)視頻序列相關(guān)性，有理由認(rèn)為“相鄰塊的運(yùn)動(dòng)向量和當(dāng) Ij{『塊的運(yùn)動(dòng)向量存在很大的相關(guān)性，可以通過(guò)其預(yù)測(cè)當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量”【 47】。碩 I：學(xué)位論文 第二章提高編碼效牢關(guān)鍵算法研究’ j 分析 表中第一行數(shù)字表示相鄰塊的各種組合方式，例如，表 1 中“ 234’’ YU 表示當(dāng)相鄰塊 2≠ }， 3≠ }， 4≠ }的組合?？梢栽诒ＷC計(jì)算速度的情況下，進(jìn)一步提高搜索精度，減少陷入局部最優(yōu)點(diǎn)的概率。 _pre 不難看出，運(yùn)動(dòng)向量主要分布在 (O， O)或 V 對(duì)應(yīng)點(diǎn)及177。 如果最小 SAD(Sum of Absolute Differences)小于閥值，則停止搜索。因此，本算法取 T=512，在計(jì)算時(shí)，出現(xiàn) SAD 值不大于 T，即可判斷對(duì)應(yīng)點(diǎn)為最 佳匹配點(diǎn)，退出搜索。 (3)確定起始搜索點(diǎn)。 (5)改用 9 個(gè)搜索點(diǎn)的大模板 LDSP，比較各個(gè)點(diǎn)的 SAD 值，如果中心點(diǎn)的SAD 值最小，轉(zhuǎn)入 (7)；否則轉(zhuǎn)入 (6)。選取的測(cè)試序列 Hall Monitor、 Football、 Mobile，圖像格式為 CIF(352*288)。試驗(yàn)結(jié)果如表 36 所示。 由此可見(jiàn)，本文算法比 FS， TSS 算法在搜索速度上有極大的提高，即便與DS 算法比較，雖然在精 度方面，存在一定的差距，但是在算法效率方面，存在很大的優(yōu)勢(shì)。 DCT 算法的改進(jìn)結(jié)合了本課題采用的 BF561 處理器的架構(gòu)特點(diǎn)，選用了Chen 式蝶形算法，并設(shè)計(jì)了算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題選取的解決方 案，效率得到很大的提高。首先，在 PC 機(jī)上完成純 C 語(yǔ)言的 MPEG． 4 編碼器的軟件版本，實(shí)現(xiàn)編碼功能。 Visual DSP 4． 5++集成了兩大部分，集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE 和調(diào)試器 DEBUG，支持 C、 C++語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的編輯器功能、靈活的工程管理能力、編譯功能以及有效的調(diào)試控制和可視效果，支持多處理器同時(shí)調(diào)試能力。算法越復(fù)雜，這種性能在設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)中就越重要。第三方軟件包括 DSP 庫(kù)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和方框圖設(shè)計(jì)工具等。仍然在 1616 的宏塊基礎(chǔ)上進(jìn)行幀間幀內(nèi)編碼。 由于具有編碼效率高，差錯(cuò)恢復(fù)能力強(qiáng)等編碼特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在機(jī)頂盒、數(shù)字電視、視頻點(diǎn)播、實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控系統(tǒng)及視頻會(huì)議等低功耗實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)中。 MPEG4 SP 采用的是混合編碼框架。在 BF561 芯片外圍擴(kuò)展了 1MB 閃存 (Flash)，用于存放 MPEG4 視頻壓縮算法程序代碼和參數(shù)配置，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將從 Flash 讀出代碼和配置參數(shù)；擴(kuò)展 8MB 的同步動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SDRAM)，用于存放數(shù)據(jù)和 運(yùn)行程序。在開(kāi)發(fā)板上還外擴(kuò)了 Audio Codec AK4550，作為音頻采集回放，以備添加音頻編碼設(shè)備，它通過(guò)同步串口接口 (SPORT)與 BF561 連接。其中，輸入． yuv 文件 (像素以 YCrCb 值形式存儲(chǔ) )，輸出為． m4v 文件，即己完成編碼的文件。數(shù)據(jù)的輸入輸出仍然采用文件讀寫(xiě)方式 (Visual DSP 4． 5++安裝在 PC 機(jī)上，支持通過(guò) C 函數(shù)對(duì) PC 機(jī)文件的讀寫(xiě)操作 )。 9．注意處理器的 BF561 的架構(gòu)特性，進(jìn)行 C 語(yǔ)言代碼級(jí)的優(yōu)化。 4． 4 軟件移植 移植前代碼是針對(duì)通用 PC 機(jī)的，不適用 BF561，因此需要針對(duì) BF561 的特點(diǎn)，調(diào)整代碼，使其能夠在 DSP 上面運(yùn)行，從而移植到 DSP 上，為后面代碼的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)【 53】。 2．把 PC 機(jī)上可運(yùn)行的源代碼移植 到項(xiàng)目組對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)。因?yàn)?，通?PC 和 DSP 存在的不同，所以，需要反復(fù)調(diào)試直到程序調(diào)試通過(guò)。 3．把代碼放入相應(yīng)位置后，進(jìn)行調(diào)試編譯。在項(xiàng)目組下，建立 corea、 coreb、 sml2 和 sml3 四個(gè)子項(xiàng)目。 11．進(jìn)行匯編級(jí)代碼優(yōu)化，把關(guān)鍵代碼用 Blackfin 系列支持的代數(shù)匯編代碼 改寫(xiě)。 7．打開(kāi) Visual DSP4． 5++提供的優(yōu)化策略，設(shè)置正確的編譯選項(xiàng)。 4．在 Visual DSP4． 5++開(kāi)發(fā)環(huán)境下，建立所需的工程組，按照事先對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境和 BF561 的理解，調(diào)整好各個(gè)函數(shù)存放的位置。 總體的開(kāi)發(fā)流程如下： 1．在 VC 6． 0 建立一個(gè)工程“ encode． PC”，以 Xvidcorl． 0． 2 的源代碼為基礎(chǔ)，建立軟件編碼器。同時(shí)，還可以選用數(shù)字?jǐn)z像頭直接作為視頻輸入。 整個(gè)系 統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖 4． 2。 4． 3 MPEG． 4 SP 編碼系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本課題采用的 MPEG 4 編碼器是 Xvidcorl． 0． 2， PC 運(yùn)行的環(huán)境是 MicrosoftVisual C++6． 0 簡(jiǎn)體中文企業(yè)版【 5l】， DSP 運(yùn)行集成調(diào)試環(huán)境 Visual DSP 4． 5++，該編碼器 實(shí)現(xiàn)了 MPEG． 4 SP 視頻編碼的基本功能。外部宏塊的運(yùn)動(dòng)向量可有單一運(yùn)動(dòng)向量和 4 運(yùn)動(dòng)向量?jī)煞N表示方法，其中運(yùn)動(dòng)向量具有半像素精度，并可指向參考幀界外 (無(wú)限制運(yùn)動(dòng)向量 )。符合 MPEG． 4 SP 碼流只包含矩形形狀的 IVOP、 PVOP 紋理和運(yùn)動(dòng)信息。除了 ADI 公司所用的軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具外，還有第三方提供的支持 Blackfin DSP 家族的種類繁多的工具。 Visual DSP 4． 5++系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境可以采用軟件模擬，也可以使用硬件通過(guò) JTAG 在 EZKIT 評(píng)估板上進(jìn)行試驗(yàn)，還可以通過(guò) USB 口進(jìn)行仿真調(diào)試。然后，利用 ADI 公司提供的集成調(diào)試環(huán)境 Visual DSP 4． 5++進(jìn)行 DSP 上后續(xù)開(kāi)發(fā)，直到實(shí)現(xiàn)預(yù)定的編碼目標(biāo)。該算法的改進(jìn)較大程度上提高了編碼效率，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)編碼的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，該算法在搜索精度基本相同的情況下，大大提高了算法的搜索效率。而通過(guò) PSNR值的比較，可以衡量算法的搜索精度，總體而言，本文算法的精度高于 TSS 算法 O． 07dB，低于 DS 算法 O． 06dB。使用 MPEG 4 Xvidzorl． 0． 2 編碼器，采用最小 SAD匹配準(zhǔn)則，搜索區(qū)域均為 1515。 注不需要重復(fù)搜索 3． 2． 4 改進(jìn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的試驗(yàn)驗(yàn)證 為比較本文算法的效果，對(duì)全搜索 (FS)、三步搜索 (TSS)、菱形搜索 (DS)以及本文算法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。 (4)起始搜索點(diǎn)的 SAD startT，則當(dāng)前宏塊的運(yùn)動(dòng)向量為起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)向量，搜索結(jié)束，轉(zhuǎn)入 (8)。有前面的分析可知，利用左側(cè)宏塊的運(yùn)動(dòng)向量來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊，在只增加一個(gè)存儲(chǔ)量的前提下，可提高運(yùn)動(dòng)估計(jì)的搜索速度。 基于預(yù)測(cè)的改進(jìn)菱形運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法描述如下： (1)選擇提前中止閥值。 根據(jù)以上分析，本文使用菱形算法中的 5 個(gè)搜索點(diǎn)的小模板 SDSP，以快速準(zhǔn)確的獲得最優(yōu)匹配點(diǎn)。表 3． 4 和表 3． 5 分別對(duì) 6 種不同的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列 Forman、 MissAmerica、SalesClaire、 Hall Monitor、 Football 和 Mobile，在 1 51 5 的搜索窗用 FS 算法得到運(yùn)動(dòng)向量在 (O， O)點(diǎn)和 V 對(duì)應(yīng)點(diǎn)及177。但是如果使用 2 撐、 3 撐，必須存儲(chǔ)前一行的宏塊向量，讀取時(shí)，需要訪問(wèn)內(nèi)存，不利于實(shí)時(shí)運(yùn)算，結(jié)合只考慮 4ifj}的 情況，預(yù)測(cè)的正確率稍有下降，但只需保存前一個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)向量，僅需要一個(gè)寄存器，可以大大提高算法的實(shí)時(shí)性能。 試驗(yàn)以全搜索匹配方式得到正確的運(yùn)動(dòng)向量，結(jié)果是對(duì) 15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)各序列第 1． 100 幀做統(tǒng)計(jì)，時(shí)間采樣率為 3，順序?yàn)?IP． P。 1．起點(diǎn)預(yù)測(cè)基礎(chǔ) 現(xiàn)實(shí)世界中，運(yùn)動(dòng)物體通常具有空間完整性和運(yùn)動(dòng)連續(xù)性的特點(diǎn)，因此視頻序列中運(yùn)動(dòng)向量具有較強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性№】。這樣造成了較大的搜索冗余，影響了算法的搜索速度。先用 LDSP 計(jì)算，當(dāng)最小塊誤差 (MBD，Minimum Block Distortion)點(diǎn)出現(xiàn)在中心點(diǎn)處時(shí)，有 LDSP 轉(zhuǎn)為 SDSP，再進(jìn)行匹配計(jì) 算。該模式包括圍繞中心點(diǎn)的 8 個(gè)點(diǎn)，總計(jì) 9 個(gè)點(diǎn)，從而形成一個(gè)大鉆石形。 3．鉆石搜索法 鉆石搜索法 (DS， Diamond Search)[42】又叫菱形搜索法，以其搜索模式的形狀而得名，是一種優(yōu)秀的搜索方法，其思想是減少進(jìn)行塊匹配的搜索點(diǎn)。如果搜索長(zhǎng)度為 dmax=8，搜索精度為 1 個(gè)象素，則最初步長(zhǎng)為 4，以后遞減為 1，共需三步即可，故三步法因此得名。全搜索算法的特點(diǎn)是計(jì)算量大，性能優(yōu)越，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是計(jì)算量很龐大，需要很多處理資源，不適應(yīng)于實(shí)時(shí)編碼的需求。搜索的策略很大程度決定搜索的效率，經(jīng)過(guò)前人的研究，確定了一系列有效的搜索方式。常見(jiàn)的匹配準(zhǔn)則有：均方誤差準(zhǔn)則 (MSE)、平均絕對(duì)誤差準(zhǔn)則 (MAE)和絕對(duì)誤差準(zhǔn)則 (SAD)。這種方法只對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的按塊分割，并假定子塊內(nèi)的所有像素位 移相同。在經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，對(duì)運(yùn)動(dòng)向量的估計(jì)主要有兩種方法 [401：塊匹配法和像素遞歸法。同時(shí)經(jīng)過(guò)編碼后的殘差經(jīng)過(guò)解碼后，與參考幀相加后又重構(gòu)回來(lái)，但是由于存在精度的誤差，這個(gè)重構(gòu)幀和先前編碼的幀有所不同重構(gòu)的幀，會(huì)被存儲(chǔ)著用來(lái)作為下面預(yù)測(cè)所需要的參考幀。這樣做首先要解決的問(wèn)題是如何從序列圖像中提取有關(guān)物體運(yùn)動(dòng)的信息，這個(gè)過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)估計(jì) (Motion Estimation)，其表達(dá)方式是運(yùn)動(dòng)向量(Motion Vector)，運(yùn)動(dòng)估計(jì)研究的主要內(nèi)容就是如何快速、有效的獲得足夠精度的運(yùn)動(dòng)向量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分信息根據(jù)運(yùn)動(dòng)向量補(bǔ)償過(guò) 來(lái)的過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 (Motion Compensation)。 把采用改進(jìn)的 DCT 算法移植到 DSP 上后，一個(gè) 8*8 矩陣的 DCT 變換，在fractl6 數(shù)據(jù)格式下，能夠在 294 個(gè)內(nèi)核周期完成，與原程序的算法效率存在極大的差異。 定義如下： 2．調(diào)整語(yǔ)句順序防止總線阻塞 BF561 每個(gè)內(nèi)核都有兩個(gè) 16 位數(shù)據(jù)地址發(fā)生器 (DAG)，每個(gè) MAC 單元都接受同一對(duì) 32 位的輸入寄存器，提供 4 種 16 位操作數(shù)的組合，形成向量操作。 實(shí)現(xiàn)該算法的過(guò)程中，需要注意的兩個(gè)問(wèn)題【 39】： 1．浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算改成定點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算 該算法能夠把 1 次 8 個(gè)數(shù)據(jù)的 DCT 計(jì)算量控制在 16 次乘法和 26 次加法，算法的效率很高。 Fo 的計(jì)算過(guò)程分為三個(gè)步驟，圖示中以 l， 2， 3 標(biāo)明。因此，本文采用的快速算法是 Chen 式算法【 37】，因?yàn)?一個(gè)指令周期可以完成一次乘法和加法，所以完成 18 DCT 變換所需總周期更短【 3 引，而不是總計(jì)算量最小的 Loeffler 算法或者無(wú)需乘法的 Tran 算法。 參考第二章 BF561 處理器的概述。 由此，可見(jiàn)這些算法具有各自的特點(diǎn)。在 1977 年， Chen[32】根據(jù)變換矩陣具有對(duì)稱性，利用稀疏矩陣分解法提出了 DCT 的快速算法。根據(jù)公式 (3． 1)可分離變量的特點(diǎn)，把二維變換分解成二次串聯(lián)的一維變換。一般圖像的特性是低頻分量居多，高頻分量較少，經(jīng)過(guò) DCT后，低頻系數(shù)較大，高頻系數(shù)很小 (量化后很多為 O)，這樣便于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)編碼。其特點(diǎn)如下： 1．性能優(yōu)越，變換后，信號(hào)的能力集中于少數(shù)幾個(gè)變換系數(shù)，采用量化和熵編碼后，能夠有效的壓縮數(shù)據(jù)。 本章節(jié)主要闡述了編碼采用的 DCT 和運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法進(jìn)行的改進(jìn)。 空域編碼模塊利用離散余弦變換 (DCT)，利用圖像相鄰點(diǎn)之間的相似性，把時(shí)域上的信號(hào)變換到空間域，減少空間上的冗余度。圖 31 顯示該類編碼器結(jié)構(gòu)模型 。對(duì)BF561 整體結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、指令流水線結(jié)構(gòu)、功率管理結(jié)構(gòu)和 DMA 管理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。 2． 3 本章小結(jié) 本章主要針對(duì)課題開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，對(duì) MEEG． 4 編碼標(biāo)準(zhǔn)和 BF561 處理器開(kāi)發(fā)的所需基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行闡述。而且具有微信號(hào)結(jié)構(gòu)的 BF561，擁有一定的片內(nèi)硬件支持，可用于軟件異常、硬件斷點(diǎn)、性能計(jì)數(shù)器和執(zhí)行跟蹤等，也同樣支持 MCU 所支持的外圍設(shè)備。另外，為了進(jìn)行事件控制，它們通常還包括可以作為事件捕獲設(shè)備或者脈寬調(diào)制輸出