【正文】 TN， Public Switched Telephone Network)上的視頻通信或移動通信網絡，但是隨著研究工作的深入，它所包含的內容和將起到的作用遠遠超過了最初的設計思想。它的視頻部分與 H． 261 及 H． 263 原理圖大致相同。預處 理將圖像分割成紋理和輪廓兩部分，對紋理可采用預測編碼和變換編碼，對輪廓則采用鏈碼方法進行編碼，較好地保存了對人眼十分重要的邊緣輪廓信息，因此，在壓縮比很高時解碼圖像質量仍然很好。 Hufman 編碼和算術編碼是兩種常見的變長碼字編碼方法。以上工作奠定了經典信息編碼的理論基礎，在此基礎上視頻編碼理論和技術取得了長足的發(fā)展，其主要的編碼方法有：預測編碼、變換編碼和統(tǒng)計編碼，也稱為三大經典編碼方法。因此，研究有效的視頻壓縮編碼方法具有很重要的現實意義。其次，研究了核心算法 DCT 變換和運動估計的 優(yōu)化算法，通過分析運動向量的分布相關性，結合提前中止準則，提出了基于起點預測的改進菱形運動估計算法。 本科畢業(yè)設 計（ 論 文） 題 目 MPEG4視頻編程技術研究 部 系 地方生部 專 業(yè) 電子信息工程 中國人民解放軍海軍航空工程學院 摘 要 視頻編碼是多媒體通信中的核心技術，它不但關系到通信帶寬，也關系到通信過程中的圖像質量。另外根據 BF561 雙核的特點，設計了一種基于宏塊層并 行算法。 視頻壓縮編碼技術是多媒體應用的核心技術，對視頻編碼的研究已成為信息技術領域的研究重點，并制定了一系列的視頻標準。其中預測編碼的基本思想是：根據數據的統(tǒng)計特性得到預測值，然后傳輸圖像像素與其預測值的殘值信號，使傳輸的碼率降低，達到壓縮的目的。 第一代編碼技術【 3】只是以信息論和數字信號處理技術為理論基礎，旨在去除圖像數據中的線性相關性，其壓縮比不是很高，對于視頻圖像來講一般在40： 1 左右。神經網絡法是模仿人腦處理問題的方法，通過各種人工神經元網絡模型對數據進行非線性壓縮，目前還處在探索階段。然而， MPEG． 1 主要是針對存儲媒體的視頻編碼標準，而 H． 261和 H． 263 主要是針對傳輸的視頻編碼標準，故 MPEG． 1 在顧及圖像質量、壓縮比的同時還要考慮對序列圖像進行隨機訪問和編輯的方便， MPEG． 1 在充分參考 H． 261 以及 JPEG 的基礎上，加入了雙向預測幀 B 幀，從而提高了壓縮比。 MPEG4 目的是尋求支持數字音頻／視頻數據通信、存取和管理的新途徑，它為多媒體數據編碼提供了一個更為廣闊的平臺，它更多定 義的是一種格式和框架，而不是具體的算法，以支持各種各樣新穎的和高效的功能。其缺點是成本高，功耗較大，不適應于小型設備的開發(fā)。這一產品專為通信和互聯(lián)網應用而設計，能處理互聯(lián)網的大量的 圖像、聲音、文本等數據流。移植到 DSP 上后，根據 DSP 的特點，對代碼進行優(yōu)化，以達到系統(tǒng)設計要求。 第五章討論了編碼器的優(yōu)化問題。 2． 1 MPGE4 標準開發(fā)基礎 2． 1． 1 發(fā)展簡況 ISO 于 1991 年 5 月提出關于視頻音頻編碼的 MPEG4 項目，設有系統(tǒng)、音頻、視頻、需求、實現研究、測試及自然合成混合編碼等幾個小組。 2．具有用合成文本 (Script)組合成的混合媒體對象來產生多媒體信息表現 的能力。 3．未充分利用人類視覺系統(tǒng) (HVS， Human Visual System)的特性。 AV 對象的提出，使多媒體通信具有高度交互及高效編碼的能力， AV 對象編碼就是 MPEG4 的核心編碼技術。結合目前圖像分割技術的不完善，本文僅僅研究基于矩形編碼類的框架。 IVOP 是獨立壓縮編碼的，不需要其他 VOP作 為參考。運動估計補償模塊是編碼標準的關鍵算法：其很大程度上決定編碼的效率。砌通過填充技術，針對邊界處的宏塊，根據搜索窗口的大小，等值擴充邊界，提高搜索精度。視頻包中含有重新開始解碼過程所必要的信息。實際使用時可將兩種方式結合起來。 ADSP． BF561 具有三個 DMA(Direct MemoryAccess)控制器，包括 DMAl控制器、 DMA2控制器和 IMDMA(Internal Memory Direct Memory Access)控制器。 L1 存儲器系統(tǒng)是 ADSP． BF561 內核所用的性能最高的存儲器。 2． 64KB 數據存儲器，包括 32KB 數據 SRAM 和 32103 數據 Cache／ SRAM，可以以全處理器速度進行讀寫。 L1 內存直接連接到內核并且以全系統(tǒng)時鐘速度工作。 OS 核心在監(jiān)控方式運行，并且為了實際應用軟件在用戶方式下運行，將內存單元和其它系統(tǒng)資源分開。并行指令允許對兩個單元同時讀或者一個讀一個寫，但是不支持兩個存儲單元同時寫。有 DMA 傳輸能力的外設包括 SPORT、 SPI 端口、UART 和 PPI 端口。 2． 2． 6 選用 BF561 的依據 在一個復雜的多媒體處理系統(tǒng)當中，通常有兩個顯著的需求。 另外， BF561 具有出色的功耗控制能力，適用于便攜式編碼系統(tǒng)開發(fā)使用，切合本課題開發(fā)的目標。 第三章關鍵算法研究與改進 視頻編碼的首要目標就是壓縮數據量。根據在通用 PC 上，對編碼代碼進行簡單的統(tǒng)計，DCT／ IDCT 運算時間占總運算時間的 23％，運動估計占 56％，其他的占 21％。 3．變換算法具有很強的對稱性，能夠有效的利用處理器架構，實現快速算法，適應于實時編碼。 3． 1． 2 DOT 算法的改進 常規(guī)的 DCT 算法使用了到大量的乘法和加法，因此， DCT 快速算 法都是以減少乘法和加法的運算次數為目的【 3l】。因此，選擇DCT 快速算法時，需要根據所用處理器的不同特點來考慮。艫 f7：輸入的原始數據碩 Ij 學位論文 第三章提商編碼效率關鍵算法研究‘ j 分析 Fo～ F7： DCT 變換后的數。因此，采用 BF561 內建的 16 位 定點小數類型 fractl6 來表示浮點數。前后兩帔存存很強的時怕 l 相關性 。最佳的壓縮效果就是這些經過編碼的殘差和額外的信息是最小的時候。從軟硬件實現角度看，塊匹配算法相對簡單，一在實際活動圖像壓縮編碼系統(tǒng)中得到較為普遍的應用。 1．全搜索算法 (FS) 全搜索也叫窮盡搜索法，即在搜索范圍內逐點搜索，每搜索一次計算一次SAD，當 SAD 達到最小值時，即為最佳匹配宏塊。對于第一步初始步長隨著搜索窗口的寬度而變化，容易錯過搜索中心 5*5 最佳的全局最優(yōu)點。這種模式包含了 5 個點，形成一個較小規(guī)模的鉆石形。 3． 2． 3 運動估計算法的改進 本文針對菱形搜索算法存在的缺陷，充分利用視頻序列各個宏塊之間存在的時空相關性【 45】，設計了一種基于預測的菱形搜索算法。碩 I：學位論文 第二章提高編碼效牢關鍵算法研究’ j 分析 表中第一行數字表示相鄰塊的各種組合方式，例如，表 1 中“ 234’’ YU 表示當相鄰塊 2≠ }， 3≠ }， 4≠ }的組合。 _pre 不難看出，運動向量主要分布在 (O， O)或 V 對應點及177。因此，本算法取 T=512，在計算時，出現 SAD 值不大于 T，即可判斷對應點為最 佳匹配點，退出搜索。 (5)改用 9 個搜索點的大模板 LDSP，比較各個點的 SAD 值，如果中心點的SAD 值最小，轉入 (7)；否則轉入 (6)。試驗結果如表 36 所示。 DCT 算法的改進結合了本課題采用的 BF561 處理器的架構特點，選用了Chen 式蝶形算法，并設計了算法實現過程中遇到問題選取的解決方 案，效率得到很大的提高。 Visual DSP 4． 5++集成了兩大部分，集成的開發(fā)環(huán)境 IDE 和調試器 DEBUG，支持 C、 C++語言，具有強大的編輯器功能、靈活的工程管理能力、編譯功能以及有效的調試控制和可視效果，支持多處理器同時調試能力。第三方軟件包括 DSP 庫、實時操作系統(tǒng)和方框圖設計工具等。 由于具有編碼效率高，差錯恢復能力強等編碼特點，非常適合應用在機頂盒、數字電視、視頻點播、實時多媒體監(jiān)控系統(tǒng)及視頻會議等低功耗實時編碼系統(tǒng)中。在 BF561 芯片外圍擴展了 1MB 閃存 (Flash)，用于存放 MPEG4 視頻壓縮算法程序代碼和參數配置，系統(tǒng)啟動時將從 Flash 讀出代碼和配置參數；擴展 8MB 的同步動態(tài)數據存儲器 (SDRAM)，用于存放數據和 運行程序。其中，輸入． yuv 文件 (像素以 YCrCb 值形式存儲 )，輸出為． m4v 文件，即己完成編碼的文件。 9．注意處理器的 BF561 的架構特性，進行 C 語言代碼級的優(yōu)化。 2．把 PC 機上可運行的源代碼移植 到項目組對應的項目內。 3．把代碼放入相應位置后，進行調試編譯。 11．進行匯編級代碼優(yōu)化，把關鍵代碼用 Blackfin 系列支持的代數匯編代碼 改寫。 4．在 Visual DSP4． 5++開發(fā)環(huán)境下，建立所需的工程組，按照事先對開發(fā)環(huán)境和 BF561 的理解，調整好各個函數存放的位置。同時，還可以選用數字攝像頭直接作為視頻輸入。 4． 3 MPEG． 4 SP 編碼系統(tǒng)整體設計 本課題采用的 MPEG 4 編碼器是 Xvidcorl． 0． 2， PC 運行的環(huán)境是 MicrosoftVisual C++6． 0 簡體中文企業(yè)版【 5l】， DSP 運行集成調試環(huán)境 Visual DSP 4． 5++，該編碼器 實現了 MPEG． 4 SP 視頻編碼的基本功能。符合 MPEG． 4 SP 碼流只包含矩形形狀的 IVOP、 PVOP 紋理和運動信息。 Visual DSP 4． 5++系統(tǒng)調試環(huán)境可以采用軟件模擬，也可以使用硬件通過 JTAG 在 EZKIT 評估板上進行試驗，還可以通過 USB 口進行仿真調試。該算法的改進較大程度上提高了編碼效率，為系統(tǒng)實時編碼的實現提供了基礎。而通過 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。 注不需要重復搜索 3． 2． 4 改進運動估計算法的試驗驗證 為比較本文算法的效果，對全搜索 (FS)、三步搜索 (TSS)、菱形搜索 (DS)以及本文算法進行對比試驗研究。有前面的分析可知，利用左側宏塊的運動向量來預測當前宏塊，在只增加一個存儲量的前提下，可提高運動估計的搜索速度。 根據以上分析，本文使用菱形算法中的 5 個搜索點的小模板 SDSP，以快速準確的獲得最優(yōu)匹配點。但是如果使用 2 撐、 3 撐，必須存儲前一行的宏塊向量，讀取時，需要訪問內存，不利于實時運算，結合只考慮 4ifj}的 情況，預測的正確率稍有下降，但只需保存前一個宏塊的運動向量，僅需要一個寄存器，可以大大提高算法的實時性能。 1．起點預測基礎 現實世界中，運動物體通常具有空間完整性和運動連續(xù)性的特點，因此視頻序列中運動向量具有較強的時空相關性№】。先用 LDSP 計算，當最小塊誤差 (MBD，Minimum Block Distortion)點出現在中心點處時，有 LDSP 轉為 SDSP，再進行匹配計 算。 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，其思想是減少進行塊匹配的搜索點。全搜索算法的特點是計算量大，性能優(yōu)越，硬件實現簡單，但是計算量很龐大，需要很多處理資源，不適應于實時編碼的需求。常見的匹配準則有：均方誤差準則 (MSE)、平均絕對誤差準則 (MAE)和絕對誤差準則 (SAD)。在經典的運動估計和運動補償中，對運動向量的估計主要有兩種方法 [401：塊匹配法和像素遞歸法。這樣做首先要解決的問題是如何從序列圖像中提取有關物體運動的信息，這個過程稱為運動估計 (Motion Estimation)，其表達方式是運動向量(Motion Vector)，運動估計研究的主要內容就是如何快速、有效的獲得足夠精度的運動向量；而把前一幀相應的運動部分信息根據運動向量補償過 來的過程稱為運動補償 (Motion Compensation)。 定義如下： 2．調整語句順序防止總線阻塞 BF561 每個內核都有兩個 16 位數據地址發(fā)生器 (DAG)，每個 MAC 單元都接受同一對 32 位的輸入寄存器，提供 4 種 16 位操作數的組合，形成向量操作。 Fo 的計算過程分為三個步驟，圖示中以 l， 2， 3 標明。 參考第二章 BF561 處理器的概述。在 1977 年， Chen[32】根據變換矩陣具有對稱性，利用稀疏矩陣分解法提出了 DCT 的快速算法。一般圖像的特性是低頻分量居多，高頻分量較少，經過 DCT后，低頻系數較大，高頻系數很小 (量化后很多為 O)，這樣便于后續(xù)的統(tǒng)計編碼。 本章節(jié)主要闡述了編碼采用的 DCT 和運動估計算法進行的改進。圖 31 顯示該類編碼器結構模型 。 2． 3 本章小結 本章主要針對課題開發(fā)的內容，對 MEEG． 4 編碼標準和 BF561 處理器開發(fā)的所需基礎內容進行闡述。另外，為了進行事件控制，它們通常還包括可