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图像与数据的复合无线传输技术研究 研究生签字：- x 产a ； 艚狮抖：刁矿蝉必嗲 随着数字视频压缩技术的不断发展，使得在一定的带宽条件下对于活动视频信号采用 数字传送成为一个更好的选择。而在大多数视频图像传输应用中，往往伴随着多路数据通 信。例如，对于远程监控的应用，除了传输摄像机拍到的视频信号外，前端传感器采集的 数据、监控站的环境参数、设备状态参数等数字信号都需要向控制中心回送。本文引入了 一种新的方案，通过对模拟视频数字化，采用全数字处理，在数据链路层对多路数据进行 合成，可以使数据信息附加在压缩的视频码流上，从而实现在单一信道上传输多路信息。 本文系统地分析了目前广泛应用的视频编码标准，根据应用需求设计了以d m 6 4 2 作 为核心处理单元的演示系统样机。样机包括一个与发送端配套的采集编码与合成设备和一 个与接收端配套的数据分离与解码设备。当演示样机与数字微波传送设备连接时，就可以 组成一套无线视频数据传输系统。 发射端样机通过对模拟视频信号的数字化，由d s p 处理单元完成视频编码及多通道 数据在数据链路层上的合成；在接收端，通过对应的数据分离、解码、模拟视频合成等处 理完成原始信号的还原。软件系统基于t i 公司的d s p b i o s 组件进行开发，实现了与通 用编码器的接口，设计了专用的数据调度算法。对调度算法的实时性进行了仿真分析与试 验验证，解决了传输的实时性问题。系统试验采用m p e g 2 、m p e g 4 编码在不同编码速 率下对样机的传输性能进行了验证。试验结果表明，通过在数据链路层对多路数据( 包括 压缩视频流) 进行合成可以实现视频数据在单一数字信道上的有效传输。 关键词：视频数据复合传输；无线传输；数字视频压缩技术；多路数据通信；数据合成； 视频编码标准；d m 6 4 2 ； s t u d yo i lc o mb i n e dt r a n s m i t i o no f v i d e oa n d m u t i p u lc h a n n e ld a t as t r e a m d i s c i p l i n e ：o p t i ce n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lv i d e oc o m p r e s st e c h n o l o g y , i t sp o s s i b l et ot r a n s m i tv i d e o s i g n a l i n d i g i t a l m o d eu n d e rac e r t a i nb a n d w i d t h l i m i t a t i o n c o m p a r e d w i t h a n a l o g t r a n s m i s s i o n ，d i g i t a l t r a n s m i s s i o n p r o v i d e b e t t e r p e r f o r m a n c e u n d e rt h es a n l e b a n d w i d t h h o w e v e r , i nm o s tv i d e ot r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n ，a l w a y sc o m b i n e dw i t hm u l t i p l e d a t ac o m m u n i c a t i o n f o r i n s t a n c e ，i nr e m o t es u r v e i l l a n c ea p p l i c a t i o n ，o t h e rt h a nv i d e o t r a n s m i s s i o n ，t h ed i g i t a ls i g n a ls u c ha ss e n s o rd a t a ，e n t i r o n m e n tp a r a m e t e r ，d e v i c es t a t e ，n e e d t os e n db a c kt oc e n t e rs t a t i o n t h i s p a p e ri n t r o d u c e d an e wm e t h o dt of u l f i ls u c h r e q u i r e m e n t ：t od i g i t i z ea n dc o m p r e s st h ev i d e os i g n a l ，a n dc o m p o s et h ev i d e os t r e a ma n dd a t a s t r e a mt oas i n g l es t r e a md a t a ，s ot h a tw ec a nt a n s m i tv i d e oa n dd a t av i as a m ec h a n n e l t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ew i d e l yu s e dv i d e oc o d e cs t a d a r d s a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t ，w e d e s i g n e dad e m o s t r a t ep l a t f o r mb a s e do nd s pc h i pd m 6 4 2 t h ed e m o s t r a t ep l a t f o r mi n c l u d e t w op a r t s ：o n ec o n n n e c t st ot r a n s m i t t e r , t h eo t h e rc o n n e c t st or e c i e v e r c o m b i n e dw i t hw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nd e v i c e ，aw i r e l e s sv i d e o d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mc a nb ec o n s t r u c t e d o nt h et r a n s i m i ts i d e ，t h ed s pc a p t u r et h ei n p u tv i d e os i g n a la n dc o m p r e s si t ，t h e nc o m p o s e v i d e op a c k a g ea n dm u l t i p l ed a t at ot r a n s m i t o nr e c i e v es i d e ，b ys u c hp r o c e s sa sd a t a s e p a r a t i o n ，d e c o d i n g ，a n a l o gv i d e og e n e r a t i o n ，t h eo r i g i n a ls i g n a lw i l lb er e s t o r e d t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n ti sb a s e do nd s p b i o sc o m p o n e n to ft i w ed e s i g n e dt h ec o m m o ni n t e r f a c et o d i f f e r e n te n c o d e ra n dd i s p a t c ha l g o r i t h m b ye m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h ed i s p a t c ha l g o r i t h mi s p r o v e de f f i c i e n t w e u s em p e g - 2a n dm p e g 一4c o d e co nv a r i a b l eb i t r a t e st ov a li d a t et h e p l a t f o r m e x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t et h a tt op r o c e s sm u t i p u lc h a n n e ld a t ao nd a t al i n kl a y e ri sa e f f e c t i v em e t h o dt ot r a n s m i tv i d e o d a t av i aas i n g l ec h a n n e l k e yw o r d s ：v i d e o d a t a c o m b i n e dt r a n s m i s s i o n ；w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ；d i g i t a lv i d e o c o m p r e s s i o n ；m u t i p l ed a t ac o m m u n i c a t i o n ；d a t ac o m p o s t i o n ；v i d e oc o d e cs t a d a r d s ；d m 6 4 2 ； 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：碑武 指导教师签名： 日期：2 卵7 埠i 口冈1 5 日 ，幺叫f 彦 7 ， v 、劢 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：都城 参v 7 痂导 e l 期：2 卯7 - 4 - i o 同1 5 回 参7 咳 l 绪论 1 1 本文的研究背景 1 绪论 在远程监控应用中，除视频图像信息外，多传感器采集的信号参量也必须经由通信信 道传送。传统的解决方案是通过有线方式分别传送，模拟视频信号通过视频电缆传送，数 据信号通过单独的电缆传送。另外一种典型传输方式是视频数据的复合传输方式，比较 适合无线传输应用，如在个人手持式或便携式显示终端与信息设备之间的无线连接。 在我所承研的某面向单兵应用的预研项目中，需要从安装在单兵武器上的光电火控子 系统向背负的计算机系统传输视频及数据信号，采用无线连接可以摆脱线缆的约束，有利 于士兵完成战术动作，具备更好的操控性。在项目前期我们采用了传统的模拟传输方式， 取得了一定的效果，但传输的可靠性、数据通道的扩展能力均十分有限，而且，由于模拟 视频信号本身是宽带信号，为保证图像解析度，每一套传输装置至少占用5 5 m 带宽，为 了避免邻频干扰，还必须留有一定的频道白j 隔，可分配的工作频点有限。为了解决数据通 道的扩展问题及带宽压缩问题，需要寻求新的解决方案。 随着宽带无线数字通信技术的发展，使得高速的无线数字传输在数据通信领域得到越 来越广泛的应用。相对于有线的方式，无线传输具有布局灵活、无线缆约束等优点。然而， 对于视频与数据同时进行传输的应用，如果直接进行从有线传输到无线传输的改造则需要 针对每一路信号分配一个无线信道，增加了系统的复杂度，而且，需对每一个无线传输组 件配置天线单元，不利于系统集成。 如果对于视频信号进行数字化处理，包括采集编码与压缩，在应用层以流式数据进行 传送，而在数据链路层通过对数字视频流与多路输入数据流进行分时传送，采用合理的调 度与仲裁机制，以优先保证数据的实时性为原则，可以使视频信号与数据信号通过单一信 道传送。这样的解决方案采用了全数字传送机制，相对于模拟方式，增加了视频编解码的 工作，但可以提高信道利用率，即可大幅度压缩视频信号对带宽的占用，并可提供灵活的 数据通道扩展能力。 因此，对于原始视频信号进行数字化并进行有效、实时的压缩是本系统实现的关键所 在。实时视频编码是一项计算密集型任务，早期的嵌入式处理器件由于性能制约，只能运 行一些简单的编解码算法，只能适用于低分辨率、低帧频的图像。 随着视频压缩技术的迅速发展，视频压缩质量也不断提高，采用更复杂的压缩技术使 得在同等带宽条件下可以获得更好的图像质量。国际运动图像编码专家组( m p e g ) 先后 推出了m p e g 1 、m p e g 2 和m p e g 4 。其中m p e g 2 由于其适中的算法复杂度及对广播 级视频质量的良好支持，得到了广泛的应用；而m p e g 4 可以提供更高的压缩比。 西安t 业人学t 程硕士学位论文 相应的，在视频数字处理的硬件领域，d s p 器件不断推陈出新，性能不断提升，并 且，由于图像处理这一领域的巨大的应用需求，d s p 器件的主要制造商t i 公司及a d 公 司均专门针对视频图像处理推出了相应的系列芯片，t i 的d m 6 4 x t l 】系列，a d 的系列。 这些器件的推出，大大简化了数字视频处理系统的硬件设计，提高了集成度。 在宽带无线数传设备方面，主要依托于无线通信技术的发展，近年来，无线通信技术 数字化程度不断提高，从早期的数字锁相到现在的分集技术、软件无线电技术，无线传输 设备提供的性能也越来越好。在远程通信方面，有很多专业设备制造提供的宽带数据电台 可供选择，从2 m 3 2 m b p s 的通信容量均有成熟产品：在短距应用中，由于功率需求很低， 除了广泛应用的蓝牙技术，还有多种技术可供选择，例如u w b 技术( u l t r aw i d e b a n d ，超 宽带无线技术) 、w l a n 技术等。 在上述的技术基础上，为了实现视频数据复合无线传输，采用一种全数字的处理是 可行的，而且，针对数据通道的扩展、信道利用率的提高等主要问题可以得到很好地解决。 因此，本文的目的就是利用视频编解码技术，通过设计合理的数据合成与分离的方法，在 嵌入式硬件平台上完成视频数据复合无线传输演示系统，并对实验结果进行分析。 1 2 国内外在此领域的研究状况 在视频与数据复合无线传送这一应用领域中，已有多种适应不同应用需求的解决方 案，大体来讲，主要分为以模拟设备为基础的和以数字设备为基础的两大类型。 1 2 1 以模拟设备为基础的传输方式 收发机主要基于微波影音发送设备。这类收发机一般提供一路的视频以及音频信号通 道，音频信号被调制到视频信号的上边带形成混合基带信号，混合基带信号再通过模拟宽 带调频技术调制到微波波段。 模拟传送方式具备系统构成简单，实现成本低，且易于在现有设备上改造等优点，由 于对原始信号直接调制，视频信号传输性能主要受制于无线通信设备的性能及信道特性。 对于数据信号，容错性较差。 由于模拟影音收发机本身不能提供数据信息的处理能力，因此必须将数据信号通过调 制解调器转化为带限的音频信号。而影音收发机音频通道一般针对语音通信设计，带宽很 窄，仅为几千赫左右，大大限制了数据传输速率的提高。在早期的研究中，我们采用这种 传输方式就遇到了数据率难以提高的问题，由于语音信道的限制，前端的调制解调器载频 不可能做到太高，当数据率超过4 8 0 0 b p s 时就很难实现可靠的传输。另一方面，这样的方 式难以处理多通道数据流尽管也可以采用数据流合并、分时传送的办法，但由于总数 据率太低，在多通道数据传送上没有什么实用价值。 另一种复合传送的方式是在视频信号的场消隐期中附加数据信号，但这种方式一定程 2 西安1 二业大学丁程硕j j 学位论文 度上破坏了视频信号本身的完整性，且处理电路复杂，不完善的设计容易导致同步问题。 1 2 2 以数字设备为基础的传送方式 采用全数字的传送方式，实际上是把信号处理过程从物理传输过程中分离出来了，因 此可以采用更高层次的分层设计。数字传送方式又可分为点对点传输和基于无线通信网络 的传输两种。由于网络应用需求强大，且基于无线通信网络的传输般在传输层以上进行 设计，在数字视频传送领域大部分是基于流媒体技术与t c p i p 技术的，这些研究主要方 向是在解决网络阻塞，合理利用网络带宽资源、选择适合的编解码算法及图像质量评估方 面。然而，对于特定的应用，点对点传送具有特殊的优势：由于不存在信道竞争，不存在 网络阻塞问题；在数据链路层开展设计，可以充分进行底层的优化，实现在大流量数据传 送( 视频数据流) 的同时，保证短数据报文传送的实时性。 采用全数字的传送方式，实际上是把传输工作分解为视频采集编码、多通道数据合成 与分离，宽带无线数字传输等三个部分，对于第三部分，即数字通信设备部分，有专门的 设备( 或器件) 可完成，一般在数据链路层提供标准接口，完成包括信道编码，信号调制 解调、无线收发等通信底层工作。 视频信号的采集及压缩编码是近年来国内外的一个研究热点，针对不同的应用领域以 及不同的带宽需求，从基于电话线路的窄带视频应用到数字电视广播，进行单路视频传送 所需的带宽从十几k b p s 到数十m b p s 2 | ，传输信号质量从仅能分辨出基本对象的低分辨率 低帧率活动图像序列到全实时的广播级的高质量视频信号，均有相应的成熟系统。 在数十k 以下的窄带信道中，h 2 6 1 压缩标准作为电视电话会议的主流标准得到广泛 应用，而可提供高质量图像的m p e g 2 压缩算法对带宽具有较大的需求，一般必须在 4 m b p s 下可以提供近似广播级的视频图像，因此m p e g 2 主要用于卫星电视( 由于对于 图像质量的要求较高，卫星电视一般占用约数十m 带宽以最大限度地减小图像的失真) 数字电视、广播级视频发布等应用领域。新的编解码方法可在同等带宽条件下提供更好的 图像还原质量，但算法复杂度更高。 由于网络技术与应用的飞速发展，基于网络的视频点播技术、组播技术均得到了快速 的发展与广泛的应用。由于这些网络视频应用的推动，视频压缩算法层出不穷。因此，在 视频编码方面，具有很好的技术基础及发展前景。 然而，针对点对点的视频与数据的复合无线传输相对来讲较少相关具体的应用研究， 尽管采用适当的编码技术，利用无线数传设备可以很方便的实现视频的无线数字传输，对 于数据传送，也有大量的可选的无线数传方案可以实现低速串行通信线路的替代，但这些 都是分离的解决方案，缺少集成设计。 1 2 3 宽带无线传输技术 宽带无线传输技术主要有面向无线网络应用的w l a n ( 无线局域网) 、w i m a x ( 无线 西安t 业大学丁程硕j j 学位论文 城域网) 技术，以及面向点对点传送的宽带数据电台、蓝牙技术、u w b 技术。 w l a n 、w i m a x 技术面向一点对多点传输的应用，并不适于本传输系统的设计。这 里主要考虑点对点传输技术。 宽带数字电台是比较成熟的技术，主要用于远距离宽带数字通信，可以提供n x e l 的信道容量。宽带数字电台提供高速串口可供信道接入。 蓝牙技术主要应用小于1 0 m 的短距通信，工作于2 4 g h z 的开放频段。蓝牙射频芯片 提供数据和语音无线双向传送。蓝牙技术可以提供l 3 m b p s 的数据传输率。 u w b 技术采用极短的脉冲进行数据发送，其消耗功率很低，可以在近距离内实现 高达数百m b p s 的数据通信速率，主要面向近距离高速数据的传输。 1 3 本论文的工作 本论文旨在研究一种实现单路视频信号与多路( 不少于两路) 异步串行数据信号复合 无线传输的装置。针对2 - 8 m b p s ( e 1 4 e l 信道) 的无线信道，采用适当的视频编解码器 完成视频信号的压缩，并利用嵌入式处理系统完成多路串行数据与视频流数据的复合与分 离。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 对比分析了多种视频编解码技术，寻找适合于本系统的应用需求的编解码方案； 2 1 完成了基于高性能d s p 器件d m 6 4 2 的传输系统硬件平台设计： 3 ) 参照u d p 协议，针对本系统点对点传输的特点，设计了适合本系统的通信协议； 4 ) 针对数据传输的高实时性要求，设计合理的调度算法，保证系统综合性能： 5 ) 完成软件设计及系统试验。 1 4 本论文的组织结构 第一章为绪论，给出了本课题的研究背景及作者所承担的工作。第二章为视频编解码 技术的数学基础，介绍了图像的数字表示方法、压缩算法的数学基础以及概要分析了目前 主流的多种视频编解码技术。第三章为系统构成方案，根据应用需求提出系统的关键技术 指标，概述了方案。第四章为系统硬件设计，介绍了硬件系统方案，构成。第五章为软件 系统设计，主要论述了视频编解码过程的实现、数据合成及分离过程、通信协议及调度算 法的实现。第六章为系统试验，对演示系统传输性能进行了试验，验证了系统功能，对不 同编码条件下编解码过程造成的图像的失真情况进行了对比，对数据传输延迟进行了测 试。第七章为结论部分，对本文工作进行了总结。 4 2 视频编解码技术概述 2 视频编解码技术概述 2 1 数字图像压缩技术的数学基础 2 1 1 图像的数字化 “图像”是一个十分常见的概念，对数字图像进行研究，首先要明确“图像”这个概 念。然而，和许多其他常用的数学概念相比，在理论层面并没有一个统一的、严格的逻辑 上的定义。我们这里不妨引用c a s t l e m a n 博士在其著作( ( d i g a t a li m a g ep r o c e s s i n g ) ) 中的定 义【2 j ：“在一般的意义下，一幅图像是另一个事物的的一种表示。这是一个广义的定义。 具体到本文所涉及的视频图像序列，则是一种可见图像。为了能够用计算机( 包括嵌入式 系统) 进行处理，必须进行数字化。 对于单帧图像，可以用下面的二维函数表示： 1 = f ( x ，y ) ( 1 1 ) 这是一个连续函数，对于自然界的图像是无法用方程来表述的，因此，对于自然图像 来讲，要完全进行表述，所需的信息量是无穷大，这样的情形显然是无法进行处理的。实 际上，由于人的视觉系统存在分辨能力( 包括空问分辨力、灰度级分辨力) 和视场角度的 限制，人所能感知的图像是有限的，因此，我们可以通过量化的方法去除人眼所不能觉察 的高频信息，并对图像的尺度进行裁减，这样图像可由如下的一个二维矩阵表示： i =l mom a o ，。l ( 1 2 ) 如前所述，人的视觉系统的灰度级分辨力有限，因此，可以根据需要进行量化。一般 的，对于图像压缩处理，对每一通道的数据均采用2 5 6 级量化，这样，使得数字压缩算法 在低成本的整型d s p 系统上可以很好地实现。 2 1 2 灰度图像与彩色图像 灰度图像仅含有亮度信息，对于2 5 6 级量化的图像来说，对每一个象素点，用0 表示 纯黑色( 无光强) ，2 5 5 表示纯白色( 光强最大) ，中间的数值表示了从黑到白的过渡色。 试验表明，人的视觉系统仅能分辨约1 5 0 级的灰度，因此，大多数的灰度图像均采用2 5 6 级量化。更低的量化等级将会造成图像层次的缺失。 由于灰度图像不含色彩信息，其信息是不完备的。要表示图像的色彩，需要更完备的 s 西安丁业人学t 程硕十学位论文 数据表示。根据颜色的三刺激理论，彩色信息可以由三原色合成，不同的原色系统构成不 同的颜色空间，可以通过矩阵运算完成颜色空蒯的转换。对于计算机彩色显示器，采用 r g b 三原色表示，称为r g b 彩色图像。由于每一象素的颜色需由r g b 三个分量来表示， 因此r g b 彩色图像的数据结构是一个三维矩阵。对每一分量一般采用2 5 6 级量化( 8 b i t 量化) ，这样，每一个象素占用2 4 b i t 数据量。 2 1 3 标准彩色电视广播对于色彩的处理 彩色电视系统采用的是r g b 三原色系统 3 1 。 由于彩色电视广播要求与早期的黑白电视广播标准兼容，因此，没有直接对原色分量 进行传输，而是采用了亮度、色度分别进行调制的技术： 对于n t s c 制式来讲，采用y i q 分量系统。 y i q 系统采用红色、绿色、蓝色值和y 值之 间的差的线性组合表示色调和色饱和度等色彩信息，由r g b 至y i q 值的变换为【3 l ： 呈0 薹- q - 0 i 2 8 7 7 4 汹阁g 3 ， i ，l = j 5 9 6 _ 0 3 2 2i i l 1 j j 【_ q j 【o 2 1 l o 5 2 2 o 3 1 1j l b j 由上式可求出y i q 至r g b 值的逆变换为： 雕g = 1 - 0 鼍2 7 2 - 弱。锱, n 毛 对于p a l 制式【4 1 ，采用y c b c ，分量系统。与n t s c 制式不同，p a l 制式的色度分 量定义为： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 b + 0 11 4 r c j = r y c ，= b y( 1 5 ) 用矩阵形式可表示为： 阴熙0 5 8 7 叫1 4 悯 (16)1140 h = 1 7 0 1 - - 0 5 8 7 - - 0 1 1 4i l g l u 0 k 儿0 2 9 9 - - 0 5 8 70 6 8 9 b j 对于视频采集芯片，直接提供输出的是采样得到的y u v 分量【4 j 对于n t s c 制式即 y i q 分量，对于p a l 制式即y c b c ，分量。由于彩色电视信号本身对于色度分量带宽进行 了压缩，为了进行匹配，色度分量采样率相对于亮度分量来讲也是减半的。为了与编码器 6 西安丁业人学1 = 程硕士学位论文 匹配，一般需进行软件色度冲采样，具体过程将在第4 章软件设计中论述。 2 1 4 图像压缩技术的数学基础 图像数据中通常包含着数量可观的冗余信息。由于图像是物理空间事务的一种表示， 物体本身具有的一些特征，例如大片的色块、规则的纹理都使得图像数据具有较大的冗余， 这使得图像数据可以实现较大规模的压缩，大大减小数据量。 1 ) 无损压缩与有损压缩 a 、无损压缩技术 无损压缩是指压缩后的数据包含了原始数据的全部信息，即通过特定的解压缩算法， 可以原封不动的恢复数据原貌，而不丢失任何细节。具体的说，无损压缩是一种熵编码技 术。 根据s h a n o n 关于信息度量的理论，消息源的熵可由下式定义： h = e i ( a 。) ) = 一：p ( 吼) l o g p ( a k ) ( 1 7 ) 它确定了消息的平均信息量( 每单位字符) 。消息源的熵总是非负的，而且当所有符 号出现的几率都相等时，熵取到最大值。在计算机处理中，通常取2 作为对数的底，则熵 的单位是位字符。 按某种编码方法编码后仍留在信息中的冗余量，就是改编码的平均码长与信息源的熵 之间的差别，即： r = e 乞( q ) 卜h( 1 8 ) 其中乞( 吼) 用来代表符号a k 的码字长度( 对二进制编码来说，以位为单位) 。当编码 产生的平均字长等于信息源的熵的时候，该编码方式必定去除了一切冗余信息。从数学角 度讲，这是一种可实现的编码：只要设计一种编码，使字符吼的编码字长为： l ( q ) = 一l o g p ( a 。) 】( 1 9 ) 该公式指出了平均字长的下限，这也是无损压缩所能达到的极限。对于二进制编码， 只有当所有符号的几率均为2 的负整数次幂时，才能达到这个水平。 作为一种典型的可变长度编码h j 技术( v a r i a b l e l e n g t hc o d i n g ) ，哈夫曼编码( h u f f m a n c o d i n g ) 最早于上世纪5 0 年代提出，它是一种无损的统计编码方法。哈夫曼方法采用变 长的码来使冗余量达到最小。它用一棵二叉树来编码，使常出现的字符用较短的码来代表， 不常出现的字符用较长的码代表。静态哈夫曼编码采用一棵在压缩之前就建好的编码树， 西安丁业人学t 程硕士学位论文 它是根据字符可能出现的概率表来生成的。相反，动态哈夫曼编码是在编码过程中建立它 的编码树。 给出信源中有限个符号及其概率，哈夫曼编码可以产生最佳整数前缀码。在前缀码中， 没有一个码是另一个码的前缀。因为给定一个二进制串只能用一种方法翻译，因此这样的 码是唯可解码。哈夫曼编码是最佳的，因为无法找到其他整数长度的可变长编码，产生 更小的平均速率。如前所述，作为一种二进制编码方法，哈夫曼编码仅当符号的概率都是 2 的负整数次幂时，其码字平均长度达到压缩极限，即信源的熵。 通过以下的简单过程可以设计出符合上述思想的哈夫曼编码。假设x 是带有字母集 a 的d m s 信源，符号概率为p ( a 。) ，a ，a ( i = l ，一m ) 。显然，m = 2 时，有 c ( a 1 ) = 0c ( a 2 ) = l 其中c ( q ) 表示符号a i ( f - 1 ，2 ) 的码字。如果a 中多于两个符号，那么哈夫曼编码过程 就需要一系列信源变化的步骤。在每一步中，找出并合并两个最小概率的符号，使得字母 集中符号个数减小，从而产生一个新的信源，合并后产生的符号概率是原先两符号概率之 和。再倒过来推向原始信源，每一次分别把合并产生的符号加上0 和1 ，产生两个新码字。 下面举例说明这个过程。 假设字母集a 包含有四个字符，符号概率如表1 1 分布，为了便于说明，假设各字符 的出现概率均为2 的负整数次幂。 哈夫曼编码过程可由表1 1 进行说明： 表i 1 哈夫曼编码过程 由于精心设计的无损编码技术可以使码字平均长度达到压缩极限，即信源的熵，且不 会引入任何信息的丢失，因此在图像压缩过程中，一般在最后一步采用无损压缩技术进一 步降低输出码率。在m p e g 系列标准中，通常采用v l c 编码，大多数的广泛采用的算法 均运用了优化的哈夫曼编码技术。 一般来讲，采用更为先进的统计算法可以实现更高的压缩比，使压缩比更接近由信源 特征所确定的压缩极限，但过于复杂的算法大大增加了计算开销。通常应根据应用在压缩 比与计算量之间进行均衡。 西安t 业人学t 程硕 学位论文 b 、有损压缩技术 尽管无损压缩技术对于一些特定的图像可以达到较高的压缩比，但这是基于图像本身 规律的、简单的布局这样的信源特征才能实现的，对于大多数自然图像，由于图像细节难 以预测，特征多样，大多数情况下只能达到3 ：1 甚至更低的压缩比。这样，即使对于标 准分辨力的数字视频信号，其原始码律也高达1 6 6 m b p s ，( c c i r6 0 1 建议数字视频格式对 于n t s c 制式，采用8 b i t ，4 ：2 ：2 格式进行亮度色度采样，亮度分辨力为7 2 0 * 4 8 0 ，3 0 f p s 帧率，这样每秒所需传输的数据量为7 2 0 x4 8 0 x8 x2 x3 0 1 6 6 m ) 如果不能寻求一种高效 的压缩方法，视频信号的数字化传送不仅在技术上难以实现，由于其对通信带宽的巨大需 求，在实现成本上也无法与模拟传送技术相比。 然而，实际上，由于人眼视觉特性，使得图像的许多细节对于人眼视觉来讲是不敏感 的。在这一点上，图像压缩由于其最终目的是为人的视觉系统所感知，这过程不同于数 据或程序文件的压缩，后者要求解码过程必须对原始数据精确复原，图像压缩可以通过丢 弃不敏感的细节信息，进一步提高压缩比。在这样的情况下，复原图像与原始图像不是完 全等同的，但可以在一定的编码速率下实现高度的或基本的相似，其前提是图像质量的下 降在应用容许的范围内。 为了对图像有损压缩的结果做出评价，并对有损压缩算法的设计及参数选择提出一些 指导，建立了率失真理论1 2 j ( r a t ed i s t o r t i o nt h e o r y ) 。 当使用有损压缩方法时，重构图像g ( x ，y ) 将与原始图像f ( x ，y ) 不同。二者的差别( 失 真度) 可以很方便地由重构的均方误差来定量确定： d = e e f ( x ，y ) 一g ( x ，y ) 】2 ( 1 1 0 ) 如果定义一个最大容许失真量d ，那么编码时对应的比特率下限r ( d ) 为d 的单调 递减函数。r ( d 1 称为率失真函数( 图) 重构误差的熵由下式界定： h f ( x ，y ) 一g ( 石，y ) 】去o g ( 2 万d ) 0 1 。1 1 么 等号成立的条件是，差图像的像素在统计上是互相独立的，而且具有高斯型的概率密 度函数。从这一点可以看出，最好的编码方法产生的误差图像只包含高斯白噪声 图像有损压缩的理论是建立在图像本身( 相邻像素之间) 的相关性的基础上的。这种 相关性，也就是相邻像素之间的相关系数可由图像的自相关函数来确定，同样也可以由它 的功率谱( 即自相关函数的傅利叶变换) 来确定。虽然相关的高斯图像的率失真函数不能 写成一个最后的表达式，失真度的数据率都可以表示成另一个参数目的函数： 9 西安丁业大学t 程硕十学位论文 即) = 嘉m i n v ) d d v ( 1 1 2 ) 胛，专一卜文半肛 o 1 3 这里p r ( “，v ) 是图像f ( x ，y ) 的功率谱。当0 取遍整个范围时，上述两个式子就可确定 率失真函数。 2 ) 离散图像变换 通过图像变换编码，可以将不敏感的细节信息提取出来，从而有利于根据编码速率需 要剔除它们或者对这些信息采用更为粗略的描述，这样可以在保证较小失真度的情况下， 最大程度的压缩图像数据。 a 、卡胡南列夫变换 2 1 比较有效的图像变换应该基于图像本身的特征进行变换。霍特林提出了一个可以去掉 随机向量中各元素间相关性的线性变换，并把它称作“主分量法”。此后，卡胡南和列夫 提出了一种针对连续信号的类似的变换。 假设，x 是一个n x l 的随机向量，x 的均值可以通过l 个样本向量来估计： 圭喜西 而它的协方差矩阵可以由： e 占 ( x 一) 一) ) 而巧一豫以 一，= l ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 来估计。协方差矩阵是n x n 的实对称矩阵。对角元素是各个随机变量的方差，非对 角元素是它们的协方差。 用矩阵a 来定义一个线性变换，它可以由任意向量x 通过下式得到一个新的向量y ： y = a ( x m x ) ( 1 1 6 ) 其中，a 的行向量就是e 的特征向量。为方便起见，这些行向量应按使得其对应的 特征值呈递减而排列。 变换后的向量y 是具有零均值的随即向量，它的协方差矩阵与x 的协方差矩阵的关系 为： q = a c i d l o ( 1 1 7 ) 西安t 业人学丁程硕士学位论文 由于a 的行是e 的特征向量，所以q 是对角阵且其对角元素为c 的特征值。于是： q = 卜二 1 8 ) 从而五也是q 的特征值。 因为q 的非对角元素都是零，所以y 的各元素之间是不相关的。于是，线性变量a 去掉了变f b j 相关。此外，以是第k 个变换后的变量虬的方差。 同时，式( 1 8 ) 的变换是可逆的，即可通过变换向量y 来重构x ： x = a 一1 少+ m = a7 y + m( 1 1 9 ) 可以通过略去对应于较小特征值的一个或多个特征向量的方法来给降维，从而实现数 据的压缩。 令b 为m xn 的矩阵( m ( 8 整数变换( 与 w m v 9 相似) 。v l c 是基于上下文自适应2 d 运行级别编码。采用4 个不同的 e x p g o l o m b 编码。用于每个已量化系数的编码自适应到相同8 x 8 块中前面的符号。由 于e x p g o l o m b 表是参数化的表，因此表较小。用于逐行视频序列的a v s1 0 的视频质 量在相同比特率时稍逊于h 2 6 4 主类。 a v s m 主要针对移动视频应用，与h 2 6 4 基本规范存在交叉。它仅支持逐行视频、 i 与p 帧，不支持b 帧。主要a v s m 编码工具包括基于4 4 块的帧内预测、l 4 象素运动补偿、整数变换与量化、上下文自适应v l c 以及高度简化的环路滤波器。与 h 2 6 4 基本规范相似，a v s - m 中的运动矢量块大小降至4 ( 4 ，因此m b 可拥有多达1 6 个运动矢量。采用多帧预测，但仅支持2 个参考帧。此外，a v s m 中还定义了h 2 6 4h r d s e i 消息的子集。a v s m 的编码频率约为o 3 d b ，在相同设置下稍逊于h 2 6 4 基本规 范，而解码器的复杂性却降低了大约2 0 。 2 3d s p 与数字视频压缩 由于数字视频压缩是一种计算量大，功能比较专一的应用，从系统实现成本来看，采 用d s p 芯片实现是较好的选择。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处 理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求， d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问： ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 根据应用领域的不同，d s p 性能有很大的差异，一般需要根据具体的应用确定对性 能的需求，例如，对于视频图像实时压缩这样的应用，对器件性能就有很高的要求。 在高性能d s p 领域，主要有美国t i 公司( t e x a si n s t r u m e n t ，德州仪器) 和a d 公司 ( a n a l o gd e v i c e s 模拟器件公司) 两大阵营。其d s p 性能各有特点。 2 3 西安丁业人学t 程硕一t z - q - ：位论文 2 3 1t i 公司d s p 芯片 t i 公司是最早涉足d s p 市场的公司，早在1 9 8 2 年就向市场投放了其第一代d s p 产 品t m s 3 2 0 1 0 。t i 公司目前在市场上销售的产品包括c 2 0 x 、c 3 x 、c 4 x 、c 5 x 、c 6 x 、d m 系列。 c 2 0 x 是t i 公司1 9 9 5 年投放市场的新一代1 6 位定点d s p ，性能达到2 0 4 0 m i p s ， 片上最多可带4 5 k 字s r a m ，具有一个同步串1 5 1 、一个异步串口和一个1 6 位i o 口，通 过外部e p r o m 启动。c 2 4 x 系列是基于c 2 0 x 的控制专用产品，片上集成了一个d s p 核 心、电机控制模块( 8 1 2 个p w m 输出) 以及1 - 2 个1 0 位a d 转换器。 c 3 x 是t i 公司第一代3 2 位浮点d s p ，性能达到3 3 6 0 m f l o p 或1 6 6 7 3 0 m i p s ， 片上d m a 通道具有独立的总线及控制，片上集成了5 1 2 2 k 字s r a m 、4 k 字r o m 以及 l 2 个串口。 c 4 x 是t i 公司专为并行处理进行了优化的第二代3 2 位浮点d s p ，在c 3 x 的基础上， c 4 x 增加了4 - 6 个处理器互连专用通信口、6 1 2 个独立总线及可控制的d m a 通道， 产品性能达到4 0 , 8 0 m f l o p 或2 0 - 4 0 m i p s ，代码软件保持与c 3 x 兼容。 c 5 x 是t i 公司第二代1 6 位定点d s p ，片上集成了j t a g 测试总线及其端口，片内包 含4 条内部总线、一个双地址产生器和两个算术逻辑单元( a l u ) 。产品性能达到2 0 - - 5 0 m i p s ，提供优化c 编译器。c 5 x 系列包含的产品种类较多，分别针对不同的应用，片 上s r a m 为l 1 0 k 字，片上r o m 为2 , - 3 2 k 字，部分芯片集成了主机接口。其中c 5 4 x 主要供高性能的嵌入用，特点是功耗低 c 6 x 是t i 公司采用超长指令字( v l i w ) 结构的新一代d s p 产品。包括定点系列c 6 2 x 和浮点系列c 6 7 x 。c 6 2 x 性能达到1 6 0 0 m i p s ，片上集成了两个乘法器和6 个a l u ，每个 时钟周期最多可执行8 条指令，包含一个同步外存接口、4 通道d m a 、3 2 k 字片上s r a m 和一个1 6 位主机接口。 d m 系列处理器专门针对高端视频系统的需求而设计。该系列包括d m 6 4 x 及6 4 4 x 系列【1 7 】。该系列的最新处理器是功能强大的d m 6 4 4 6 ，其采用了t i 的达芬奇( d a v i n c