【導(dǎo)讀】信過程中的圖像質(zhì)量。隨著多媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，視頻編碼技術(shù)更加顯。與之相適應(yīng)，各種多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地發(fā)展和完善.MPEG．4是現(xiàn)在最重要最有影響的多媒體數(shù)據(jù)編碼國際標(biāo)準(zhǔn)之一。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)。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。的實(shí)時(shí)編碼的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)菱形運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法。另外根據(jù)BF561雙核的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于宏塊層并。最后，本文從硬件平臺(tái)特征出發(fā)，在存儲(chǔ)器設(shè)置、DMA控制和代碼等。方面對(duì)編碼方案進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)本方案優(yōu)化后，編碼器的編碼效果得到很大的提高，能夠在BF561處理器上實(shí)現(xiàn)CIF格式30幀／秒的碼率，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。有效地獲取和使用信息的瓶頸問題之一。未經(jīng)處理的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到通信信道上，也是對(duì)通信帶寬的極大浪費(fèi)。究有效的視頻壓縮編碼方法具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。入研究以及相關(guān)輔助學(xué)科的同步發(fā)展。

　　

【正文】 策略 FS 算法對(duì)每個(gè)候選點(diǎn)都進(jìn)行匹配計(jì)算，因此所得最優(yōu)匹配點(diǎn)即為全局最優(yōu)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。 3 范圍內(nèi)的分布情況。 _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。 1 范圍內(nèi)，且運(yùn) _pre動(dòng)向量的分布在水平和垂直方向要高于其他方向，因此在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索時(shí)，可有限考慮水平和垂直方向。 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)。在起始 點(diǎn)確定后，用 SPSP 模板，搜索其周圍的 4 個(gè)點(diǎn)。 如果最小 SAD(Sum of Absolute Differences)小于閥值，則停止搜索。否則，用菱形算法進(jìn)行搜索。 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) Nie 等【 48】的研究表明，對(duì)于尺寸為 1616像素的靜止宏塊的平均 SAD 值在 600～ 1300 之間，取閥值 T=512 時(shí)，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后所得圖像的峰值信噪比值 (PSNR)與 T=0 時(shí)的 PSNR 值基本相同。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。 (2)預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊的運(yùn)動(dòng)向量。有前面的分析可知，利用左側(cè)宏塊的運(yùn)動(dòng)向量來預(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。本算法將當(dāng)前宏塊的運(yùn)動(dòng)向量預(yù)測(cè)值設(shè)定為左側(cè)宏塊的運(yùn)動(dòng)向量，即V． jre=V_1eR。 (3)確定起始搜索點(diǎn)。比較 (0， O)點(diǎn)和 V pre 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的 SAD 值， SAD 值小的那個(gè)為起始搜索點(diǎn)。 (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)。否則，利用 5 個(gè)搜索點(diǎn)的小模板 SDSP，比較五個(gè)點(diǎn)的 SAD 值，比較各點(diǎn) SAD 值，如果中心點(diǎn) SAD 值最小，則對(duì)應(yīng)點(diǎn)為最佳匹配點(diǎn)，搜索結(jié)束，轉(zhuǎn)入 (8)。 (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)。 (6)以 SAD 值最小的點(diǎn)為中心擴(kuò)展一個(gè)大菱形模板，在轉(zhuǎn)入 (5)。 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。在同等條件下，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。選取的測(cè)試序列 Hall Monitor、 Football、 Mobile，圖像格式為 CIF(352*288)。其中， Hall Monitor是典型的監(jiān)視序列，圖形運(yùn)動(dòng)微小、平緩； Football 屬于大運(yùn)動(dòng)序列； Mobile 屬于運(yùn)動(dòng)序列，圖像復(fù)雜。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。為了保證在相同的條件下進(jìn)行比較，消除累計(jì)誤差，測(cè)試中對(duì)幀的設(shè)置為 I、 P、 I、 P(每個(gè)序列的前 100 幀隔一幀預(yù)測(cè)一幀 )。試驗(yàn)結(jié)果如表 36 所示。 從表 3． 6 可以看出，對(duì)于運(yùn)動(dòng)平緩的測(cè)試序列 Hall Monitor， DS 算法需要14． 58 個(gè)搜索點(diǎn)，本文算法只需要 2． 54 個(gè)搜索點(diǎn)；對(duì)于運(yùn)動(dòng)比較劇烈的 Mobile測(cè)試序列，本文算法平均搜索點(diǎn)數(shù)也只有 DS 算法的 1／ 3；即使對(duì)于運(yùn)動(dòng)非常劇烈的 Football 測(cè)試序列，平均搜索點(diǎn)數(shù)也只是 DS 算法的 1／ 2 左右。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?？梢哉f，搜索精度基本和 DS 算法相當(dāng)。 由此可見，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)。 根據(jù)視頻序列中運(yùn)動(dòng)向量相關(guān)性的研究，本文提出了基于預(yù)測(cè)的改進(jìn)菱形搜索算法，新算法引入了提前中止準(zhǔn)則，通過增加起點(diǎn)預(yù)測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了新的菱形算法的流程。通過仿真試驗(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。 3． 3 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)闡述了視頻編碼算法中最關(guān)鍵的 DCT 和運(yùn)動(dòng)估計(jì)兩個(gè)模塊算法的改進(jìn)。 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)過程中遇到問題選取的解決方 案，效率得到很大的提高。 運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的改進(jìn)以優(yōu)秀的菱形算法為基礎(chǔ)，結(jié)合目前運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法領(lǐng)域新的研究成果，設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)測(cè)的菱形算法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性和有效性。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)。碩 j：學(xué)位論文 第叫章 MPEG4 視頻編碼系統(tǒng) dDSP 上的實(shí)現(xiàn) 第四章 MPEG． 4 視頻編碼系統(tǒng)在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 本課題利用 BF561 處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)的 MPEG． 4 SP 框架層次下的實(shí)時(shí)視頻編碼系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)。首先，在 PC 機(jī)上完成純 C 語言的 MPEG． 4 編碼器的軟件版本，實(shí)現(xiàn)編碼功能。建立軟件平臺(tái)的作用是：一方面是進(jìn)行算法的研究、改進(jìn)和調(diào)試；另一方面作為 DSP 移植的基礎(chǔ)，便于 DSP 平臺(tái)的開發(fā)和移植。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)開發(fā)，直到實(shí)現(xiàn)預(yù)定的編碼目標(biāo)。 4． 1 集成調(diào)試環(huán)境 Visual DSP 4． 5++ ADSP． BF561 支持一整套丌發(fā)軟件和硬件丌發(fā)工具，包括 ADI 公司的仿真器和 Blackfin DSP 開發(fā)環(huán)境下的 Visual DSP 4． 5++【 49】。 Visual DSP 4． 5++集成了兩大部分，集成的開發(fā)環(huán)境 IDE 和調(diào)試器 DEBUG，支持 C、 C++語言，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。 ADI 公司另外還增加了各種庫函數(shù)，使用起來更加方便。 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 JTAG 在 EZKIT 評(píng)估板上進(jìn)行試驗(yàn)，還可以通過 USB 口進(jìn)行仿真調(diào)試。 Visual DSP4． 5++調(diào)試器有很多重要的特性：靈活的繪圖功能使數(shù)據(jù)顯示更加清楚，這種用圖形表示的用戶數(shù)據(jù)使編 程者可以快速地確定算法的性能。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。統(tǒng)計(jì)學(xué)的特性使編程者可以不用中止程序就能夠得到處理器性能，就像運(yùn)行了中斷一樣，這使得丌發(fā)者不用中斷程序的實(shí)時(shí)性就可以得到重要的代碼執(zhí)行情況，從而在本質(zhì)上可以找到軟件速度和效率的瓶頸，集中改進(jìn)影響程序性能的地方。除了 ADI 公司所用的軟件和硬件開發(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。硬件工具包括 ADSP． BF561 EZ． Kit開發(fā)插件。第三方軟件包括 DSP 庫、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和方框圖設(shè)計(jì)工具等。 4． 2 MPEG 一 4 SP 編碼框架概述 MPEG． 4 SP 編碼框架定義面向甚低碼率視頻通信標(biāo)準(zhǔn)【 50】。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。在這種情況下視頻對(duì)象平面 (VOP)的概念與傳統(tǒng)意義上的幀兼容。仍然在 1616 的宏塊基礎(chǔ)上進(jìn)行幀間幀內(nèi)編碼。其中，內(nèi)部宏塊的紋理編碼采用 DCT 變換和 AC／ DC 預(yù)測(cè)，進(jìn)一步降低了碼率。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 (無限制運(yùn)動(dòng)向量 )。在第二章有專門的章節(jié) 對(duì) MPEG． 4 SP 框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，這里就不再重述。 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。目前 MPEG． 4 SP 己成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首選。 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。編碼原理框架如圖 4． 1。 MPEG4 SP 采用的是混合編碼框架。經(jīng)過運(yùn)動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償、離散余弦編碼(DCT)、量化、游程編碼和可變長(zhǎng)編碼等過程。 整個(gè)系 統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖 4． 2。視頻編碼器以美國 ADI 公司的 Blackfin 系列 DSP 處理器 BF561 為處理核心。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。視頻采集采用 ADI 公司的 AD7183， CCD 攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過 AD71 83 轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)通過并行外部接口 (PPI)送到 BF561 處理器。同時(shí)，還可以選用數(shù)字?jǐn)z像頭直接作為視頻輸入。另外，利用串行接口 (UAI玎 )向上位機(jī)，傳輸系統(tǒng)調(diào)試信息，便于系統(tǒng)的調(diào)試。在開發(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，它通過同步串口接口 (SPORT)與 BF561 連接。壓縮后的視頻碼流通過串行外設(shè)接口 (SPI)輸出到網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，或者直接解碼送到顯示 設(shè)備實(shí)時(shí)播放。 總體的開發(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。 2．在 VC 下，調(diào)試工程，修改源代碼中，替換 PC 匯編語言為基礎(chǔ)做的代碼優(yōu)化，建立一個(gè)純 C 的代碼，并能夠已文件讀寫的方式，實(shí)現(xiàn)正確的 MPEG4 SP 層次的編碼。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。 3．在 PC 平臺(tái)上面，進(jìn)行算法的初步優(yōu)化，除去不必要的代碼，調(diào)整函數(shù)的個(gè)數(shù)，把一些使用頻繁的小函數(shù) ，直接寫入代碼中，進(jìn)行移植的準(zhǔn)備。 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(duì)開發(fā)環(huán)境和 BF561 的理解，調(diào)整好各個(gè)函數(shù)存放的位置。 5．進(jìn)過重復(fù)的編譯． 修改． 調(diào)試等過程，建立可運(yùn)行于 DSP 的視頻編碼程序。數(shù)據(jù)的輸入輸出仍然采用文件讀寫方式 (Visual DSP 4． 5++安裝在 PC 機(jī)上，支持通過 C 函數(shù)對(duì) PC 機(jī)文件的讀寫操作 )。 6．修改數(shù)據(jù)的輸入輸出模式，輸入源變?yōu)閿z像頭，輸出源變?yōu)?SDRAM 上面的緩存，最后以數(shù)據(jù)塊的形式，寫入文件。 7．打開 Visual DSP4． 5++提供的優(yōu)化策略，設(shè)置正確的編譯選項(xiàng)。 8．利用 Visual DSP4． 5++提供的統(tǒng)計(jì)窗 VI，調(diào)整 LDF 文件【 52】中，各級(jí)存儲(chǔ)器配置的大小和規(guī)模，重新設(shè)置 L1 存儲(chǔ)空間 SRAM 和 Cache 的大??；調(diào)整項(xiàng)目組相應(yīng)項(xiàng)目?jī)?nèi)，相應(yīng)變量的位置和存放的位置。 9．注意處理器的 BF561 的架構(gòu)特性，進(jìn)行 C 語言代碼級(jí)的優(yōu)化。 10．修改輸入控制代碼，實(shí)現(xiàn) BF561 雙核在宏塊層上的并行處理。 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。 12．把編譯好的二進(jìn)制文件打包，下載到 Flash 存儲(chǔ)器，從 Flash 啟動(dòng)調(diào)試。 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】。移植的步驟如下： 1．在 VisualDSP 4． 5++下，建立一個(gè)“ MPEG． 4 encoder”的項(xiàng)目組，根據(jù)開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn)。在項(xiàng)目組下，建立 corea、 coreb、 sml2 和 sml3 四個(gè)子項(xiàng)目。其分別代表內(nèi)核 A、內(nèi)核 B、 L2 存儲(chǔ)空間和 L3 存儲(chǔ)空間。 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)。要注意，如果代碼的位置在 corea 項(xiàng)目?jī)?nèi)，說明代碼存放在內(nèi)核 A 的 L1 空間，如果代碼的位置在 sml3 項(xiàng)目?jī)?nèi)，說明代碼存放在外部的 SDRAM。 3．把代碼放入相應(yīng)位置后，進(jìn)行調(diào)試編譯。根據(jù)編譯器出錯(cuò)提示，進(jìn)行代碼修改。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。 4． VisualDSP 4． 5++完全支持 C 語言，對(duì)于 C 語言的絕大部