【正文】 ，可以通過(guò)外部電源管理器關(guān)閉。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。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。 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。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)。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。 由此，可見(jiàn)這些算法具有各自的特點(diǎn)。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。 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。 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。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。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。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。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。這樣造成了較大的搜索冗余，影響了算法的搜索速度。 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。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。 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。 (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)。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。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。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)。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(lèi)繁多的工具。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 )。 整個(gè)系 統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖 4． 2。 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。 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)。在項(xiàng)目組下，建立 corea、 coreb、 sml2 和 sml3 四個(gè)子項(xiàng)目。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)。 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】。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 )。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。 MPEG4 SP 采用的是混合編碼框架。仍然在 1616 的宏塊基礎(chǔ)上進(jìn)行幀間幀內(nèi)編碼。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。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。 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)。選取的測(cè)試序列 Hall Monitor、 Football、 Mobile，圖像格式為 CIF(352*288)。 (3)確定起始搜索點(diǎn)。 如果最小 SAD(Sum of Absolute Differences)小于閥值，則停止搜索。可以在保證計(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。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】。 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。鉆石搜索法采用了兩種搜索模式，如圖 3． 4 所示。 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)。所以，選用 SAD 作為匹配準(zhǔn)則【 4168。每個(gè)像素都有一個(gè)運(yùn)動(dòng)向量與之對(duì)應(yīng)。圖中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊就是根據(jù)一定的匹配原則，從一個(gè)或多個(gè)參考幀中，尋找與當(dāng)前幀盡可能匹配的幀。因此，在編碼時(shí)，合理設(shè)計(jì)流程，使得硬件資源得到充分的利用。 步驟 l： go=(fo+f7)／ 2； 步驟 2： ho=(go+93)／ 2； 步驟 3： ko=(1lo 奉 cos(n／ 4)+h1)／ 2。每個(gè) MAC 可以在一個(gè)內(nèi)核指令周期內(nèi)，完成依次定點(diǎn)乘法或者乘法．累加操作。 2021 年， Trac． D． Tran[34】提出了一種移位的近似算法，不需要乘法。而一幀格式為 4： 2： O大 小為 CIF(352*288)的圖像一共有 2376 個(gè) 8*8 的宏塊，需要的運(yùn)算量極大，難以實(shí)時(shí)處理。 3． 1 DCT 算法 在數(shù)字視頻壓縮中，最常用的變換方法是 DCT[291， DCT 常被認(rèn)為是對(duì)自然場(chǎng)景圖像信號(hào)進(jìn)行變換的次優(yōu)選擇，其變換特性接近 K ． L 變換(Karhunen． LoeveTransform)[30】。因此，在視頻壓縮算法中，主要利用時(shí)域編碼模塊和空域編碼模塊消除時(shí)空冗余度。首先，簡(jiǎn)要介紹了 MPEG． 4 發(fā)展簡(jiǎn)況和其核心思想；然后，重點(diǎn)分析了其編碼框架分類(lèi)和應(yīng)用范圍，論述了本課題選取 SP 框架的原因，并在第四小節(jié) 對(duì) SP 框架的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)章節(jié)的代碼開(kāi)發(fā)部分進(jìn)行知識(shí)鋪墊。 二是多媒體處理過(guò)程當(dāng)中，勢(shì)必存在大量的待處理的信息，這就對(duì)系統(tǒng)的處理器提出了具有較高信息處理能力的要求。此外，動(dòng)態(tài)功率管理有動(dòng)態(tài)地改變處理器內(nèi)核供電電壓的控制功能，進(jìn)一步降低功耗。 同時(shí) Blackfin 提供了較多的向量操作指令和多媒體操作指令，這些指令對(duì)地址的訪問(wèn)都有限定。采用 專(zhuān)門(mén)調(diào)整的靈活的高密度編碼的指令，這些指令被編譯后只占用非常小的存儲(chǔ)空間。 L1 內(nèi)存結(jié)構(gòu)能提供數(shù)字信號(hào)處理所需要的性能以及便于微控制器的編程訪問(wèn)。 3． 4KB 的數(shù)據(jù)便簽 SRAM，和 L1 存儲(chǔ)器運(yùn)行在同一速度上，但只能作為數(shù)據(jù) SRAM 訪問(wèn)，不能作為高速緩沖存儲(chǔ)器。它能在內(nèi)部 L1／ L2 存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)空間 (包括 PCI 存儲(chǔ)空間 )之間，提供代碼或數(shù)據(jù)塊的傳輸功能。其中PPI 是用來(lái)接入視頻信號(hào)的并行接口，具有 CCIR656 和 GP PPI 兩種模式；而SPOIm則支持音頻接入和輸出。 Blackfin DSP 將一個(gè)雙 MAC(乘法累加 )16 位 DSP 引擎的處理能力與一個(gè)巧妙的正交微處理器精簡(jiǎn)指令集的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，為開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)單指令集的編程環(huán)境，同時(shí)消除了在雙處理器系統(tǒng)中與多器件相關(guān)的附加復(fù)雜性。首先將數(shù)據(jù)分區(qū)為紋理信息和運(yùn)動(dòng)信息兩部分，中間插一個(gè)標(biāo)志位“ motion marker”。 (1)再同步機(jī)制類(lèi)似 MPEG2 的 slice 層語(yǔ)法提供的功能。本課題對(duì)其進(jìn)行了細(xì)致的研究，并進(jìn)行了較大的改進(jìn)，詳細(xì)論述見(jiàn)章節(jié)3． 2。為了減少編碼誤差，所使用的預(yù)測(cè)參考幀不是那幀圖像的原始圖像，而是該幀的重構(gòu)幀。 2． 1． 4 MPEG． 4 SP 框架的關(guān)鍵技術(shù)分析 MPEG4 是 MPEG 系列的最新發(fā)展，其借鑒了其他視頻標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)秀算法，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)?！?，以適應(yīng)于不同領(lǐng)域的編碼需求。在 MPEG4 中所見(jiàn)的視音頻己不再是過(guò)去 MPEGl、 MPEG． 2 中圖像幀的概念，而是一個(gè)個(gè)視聽(tīng) 場(chǎng)景 (AV 場(chǎng)景 )，這些不同的 AV 場(chǎng)景由 不同的 AV 對(duì)象組成。 6．具有在接收端與視聽(tīng)場(chǎng)景進(jìn)行交互的能力。 隨著研究工作的進(jìn)一步深入， MPEG． 4 逐漸發(fā)展為一個(gè)功能 強(qiáng)大的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)，它不僅僅是一個(gè)低碼率的音像編碼標(biāo)準(zhǔn)，其編碼速率己擴(kuò)展到涵蓋從64Kbps 到 10Mbps 的范圍。 第二章 MPEG． 4 視頻編碼技術(shù)和雙核 DSP561 開(kāi)發(fā)基礎(chǔ) 課題選用了 BF561 進(jìn)行 MPEG． 4 視頻編碼技術(shù)進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。 第三章是本論文的重點(diǎn)章節(jié)，重點(diǎn)研究了影響編碼效率的關(guān)鍵算法改進(jìn)。 針對(duì)這一目標(biāo)，本課題首先深 入研究了 MPEG． 4 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。處理器支持眾多的多媒體接口，利用系統(tǒng)的擴(kuò)展和商業(yè)應(yīng)用。該方案的優(yōu)點(diǎn)是通用 PC 系統(tǒng)的主頻性價(jià)比非常高， 并且擁有最豐富的軟件工具。 MPEG． 2 不僅支持幀編碼而且支持場(chǎng)編碼；不僅支持 MPEG． 1 比特流，而且支持更高時(shí)域和空域分辨率。 4 等。分形編碼是一種不對(duì)稱(chēng)的編碼技術(shù)，適于自相似性較強(qiáng)的自然景物圖像。變換編碼方法中的離散余弦變換 (DCT， Discrete CosineTransform)和小波變換在視頻／圖像壓縮中得到了廣泛應(yīng)用。 1． 2 數(shù)字視頻編碼發(fā)展歷程 12． 1 編碼方法的發(fā)展 第一代編碼方法。 1895 年電影的誕生第一次將視頻信號(hào)帶給了人類(lèi)社會(huì)，隨著電視的發(fā)明和普及，視頻信號(hào)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。 ADI 公司的Blacfin 系列的 DSP 在圖像處理方面有其出色的表現(xiàn)和較低的價(jià)格而獲得關(guān)注?；趯?duì)象的編碼思想使其具有高壓縮 比、可擴(kuò)展性、可交互性等許多特點(diǎn)。 第一章緒論 1． 1 課題提出 21 世紀(jì)的人類(lèi)社會(huì)將是信息化社會(huì)，數(shù)字化后的信息，尤其是數(shù)字化后的視頻信息具有海量數(shù)據(jù)性，它給信息的存儲(chǔ)和傳 輸造成很大的困難，己成為人類(lèi)有效地獲取和使用信息的瓶頸問(wèn)題之一。 本課題設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí) MPEG． 4 視頻編碼系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn) CIF 格式 (352*288)數(shù)據(jù)每秒 30 幀的處理能力，結(jié)合該系統(tǒng)功耗低、體積小、性價(jià)比突出的特點(diǎn)，在進(jìn)一步改進(jìn)的基礎(chǔ)上，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。雖然變換并不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但經(jīng)過(guò)變換后，能量相對(duì)集中，通過(guò)后續(xù)的量化、編碼就能達(dá)到壓縮的目的。 第二代編碼方法主要有：基于分形的編碼方法、基于模型的編碼方法、基于區(qū)域分割的編碼方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼方法等。從此開(kāi)始，視頻編碼的技術(shù)得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用，制定了多個(gè)視頻編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即國(guó)際電信聯(lián)盟ITU— T 關(guān)于電視電話／會(huì)議電視的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) H26 H． 263 及 H． 264 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 和國(guó)際電工委員會(huì) IEC 關(guān)于活動(dòng)圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn) MPEG． MPEG． 2 和 MPEG MPEG． 2 的制定，充分的考慮了對(duì) MPEG． 1 兼容，對(duì)圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)率的多層次需求，因此其最大的特點(diǎn)在于支持格式多、兼容性好并易于擴(kuò)展。 1．通用 PC 機(jī)軟件實(shí)現(xiàn) 通用 PC 的發(fā)展異常迅速，目前可以已近 1000 元買(mǎi)到 Intel 雙核處理器，單核主頻是 2330MHZ(參考 2021 年 3 月 24 日 Intel Core2 Duo E6550 報(bào)價(jià) )。廠商提供了非常多的開(kāi)發(fā)資源，便于開(kāi)發(fā)人員的快速上手。綜合考慮各種成熟的設(shè)計(jì)方案后，選用 ADSP． BF561 進(jìn)行 MPEG． 4 實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)的