（信号与信息处理专业论文）基于ti达芬奇平台h264编码器的研究与实现.pdf

s ： 西华大学学位论文独创性声明 帆m 帆 1y 17 5 0 2 4 3 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他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 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 嚣 黼fo 、警i ：l 卿 日期 。 l 。 指导教师签名： 日期纱f ，f 西华大学学位论文版权使用授权书 乱浑 l 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 鬻文尊煮等各罗平 日期：加f 驴。易f 鞲， 勺 ， 名 厶 签 多 师 教坷黝期捌日 西华大学硕士学位论文 摘要 近年来，图像压缩编码技术得到了迅速发展和广泛应用，而且日臻成熟，h 2 6 4 是 i n j - t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动图像编码专家组) 的联 合视频组( j 、，r i ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频编码标准。再加上达芬奇技 术充分利用了t i 公司2 5 年的数字信号处理与集成电路专业技术来提供片上系统( s o t ) ， 这种系统针对灵活的数字视频实施而进行了精心优化，拥有业界领先的性能并集成了可 编程数字信号处理器( d s p ) i 勾核、a r m 处理器以及视频加速协处理器。因此将两者的完 美结合，是目前数字视频压缩开发的理想选择。 本文围绕h 2 “视频标准在t i 达芬奇的研究与实现展开工作。叙述了视频压缩技 术的发展与d s p 技术的进展；详细分析了h 2 6 4 编码标准的基本原理和技术特点；介 绍了h 2 6 4 标准的档次分类，及对应解码器所支持的特性；选择了合适的开源代码x 2 6 4 ， 详细解读x 2 6 4 编码程序并写出了流程图和在p c 机下的简化与运行，接着在分析和借鉴 开源编码算法的基础上，提出了本文编码器的设计原则和实现方案，并在达芬奇上进行 了移植。再者主要介绍了达芬奇技术平台及其构成，特别是t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台的结 构特点。研究t i 的达芬奇软件框架结构，并进行开发环境的构建，包括：建立嵌入式 系统的交叉编译开发环境，对b o o t l o a d e r 的启动过程进行分析，实现b o o t l o a d e r 的移植。 针对t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 目标板，完成m o n t a v i s t a l i n u x 操作系统的内核配置和移植。对 h 2 6 4 编码算法进行c 语言级的总体优化，根据x d m 算法接口标准封装解码算法的 c o d e c 库；创建d s p s e r v c r 和配置c o d e c e n g i n e 。在完成视频的编码算法设计和集成后， 构建了达芬奇平台应用层的视频压缩程序，并进行了压缩测试。 关键词：图像压缩编码；达芬奇；h 2 6 4 编码器；b o o t l o a d e r , 实现 基于t i 达芬奇平台h 2 6 4 编码器的研究与实现 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fi m a g ec o m p r e s s i o n h a sb e e n g o t t e nr a p i d d e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o n ，w h i c hm a t u r a t e sd a ya f t e rd a y , t h eh 2 6 4i san e wd i g i t a l v i d e oc o d i n gs t a n d a r dd e v e l o p e db ym ( j o i n tv i d e ot e a m ) w h i c hi sc o m b i n e dw i t hv c e g ( v i d e oc o d i n ge x p e r t s g r o u p ) o fi t u - ta n dm p e g ( m o v i n gp i c t u r ec o d i n ge x p e r t sg r o u p ) o fi s o i e c a d d i n gd a v i n c it e c h n o l o g yw h i c hm a k e sf u l lu s eo ft ic o m p a n y2 5y e a r so f d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dp r o f e s s i o n a lt e c h n o l o g yt op r o v i d ei n t e g r a t e dc i r c u i tc h i ps y s t e m ( s o c ) ，t h i sk i n do fs y s t e mw a sc a r e f u l l yo p t i m i z e df o rf l e x i b l ei m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a l v i d e o ，诵mi n d u s t r y - l e a d i n gp e r f o r m a n c ea n di n t e g r a t e dp r o g r a m m a b l ed i 【g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) c o r e , 删p r o c e s s o ra n dv i d e oa c c e l e r a t i o nc o - p r o c e s s o r t h e r e f o r e ，t h e p e r f e c tc o m b i n a t i o nw i t he a c ho t h e ri sa ni d e a ld 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 s i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nh 2 6 4v i d e os t a n d a r di nt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft i d a v i n c it os p r e a do u t d e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to fv i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n dt h e p r o g r e s so fd s pt e c h n o l o g y ；m a d ed e t a i l e da n a l y s i so ft h eh 2 6 4c o d i n gs t a n d a r d sb a s i c p r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；i n t r o d u c e dg r a d ec l a s s i f i c a t i o no fh 2 6 4s t a n d a r d , a n d p r e s e n t e df e a t u r e ss u p p o r t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gd e c o d e r ；s e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t es o u r c e c o d ex 2 6 4 ，m a d ed e t a i l e di n t e r p r e t a t i o no ft h ex 2 6 4e n c o d i n gp r o g r a ma n dw r o t eo u tt h ef l o w d h a r t ，s i m p l i f i e da n dr u n n i n gu n d e rt h ep c t h e n ，b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e f e r e n c eo fo p e n s o u r c ec o d i n ga l g o r i t h m ，t h i se n c o d e rd e s i g np r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o np l a nw a s p r o p o s e da n dt r a n s p l a n t e di nt h ed a v i n c i f u r t h e r m o r e ，i n t r o d u c e dt h ed a v i n c it e c h n o l o g y p l a t f o r ma n di t sc o m p o n e n t s ，i np a r t i c u l a rt h es t r u c t u r a lf e a t u r e s o ft m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 p l a t f o r m d i d r e s e a r c hi nt i sd a v i n c is o f t w a r ef r a m e w o r k , a n db u i l d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t , i n c l u d i n g ：t h e e s t a b l i s h m e n to fc r o s sc o m p i l e rf o re m b e d d e ds y s t e m s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , t h ea n a l y s i so ft h eb o o f l o a d e rs t a r tp r o c e s s ，t h ec o m p l e t i o no f m o n t a v i s t a l i n u xo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e lc o n f i g u r a t i o na n dm i g r a t i o n m a d eo v e r a l l o p t i m i z a t i o no fh 2 6 4c o d i n ga l g o r i t h mo nc l e v e l ；p a c k a g e dc o d e cl m r a r yo fd e c o d i n g a l g o r i t h mb a s e d0 nt h ex d ma l g o r i t h mi n t e r f a c es t a n d a r d ；c r e a t e dd s p s e r v e ra n dc o n f l g t x t c o d e c e n g i n e c o n s t r u c t e do fv i d e oc o m p r e s s i o np r o g r a mu n d e rt h e d a v i n c ip l a t f o r m a p p l i c a t i o nl a y e ra f t e rc o m p l e t i n gv i d e oe n c o d i n ga l g o r i t h md e s i g na n di n t e g r a t i o n ，t h e c o m p r e s s i o nt e s tw a sa l s om a d e k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n , d a v i n c i ，h 2 6 4e n c o d e r , b o o f l o a d e r , r e a l i z i n g n 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 引言l 1 1 课题的研究背景与意义1 1 2d s p 的发展。1 1 3 视频编码的发展3 1 4 国内外研究现状6 1 5 本文的主要工作7 2h 2 6 4 视频编码关键技术的研究8 2 1h 2 6 4 的档次和等级8 2 2h 2 6 4 的两层编码体系8 2 3h 2 6 4 的核心技术9 2 3 1 帧内预测9 2 3 2 帧间预测9 2 3 3 变换1 0 2 3 4 量化1 1 2 3 5 熵编码1 2 2 4 编码器源码简化1 4 2 4 1 三种开源代码的选择14 2 4 2 ) 【2 “在p c 机下的简化l5 2 4 3x 2 “程序在d s p 的移植。1 7 2 5 小结18 3 达芬奇技术平台研究一2 0 3 1t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片简介2 0 3 1 1d s p 子系统一2 1 3 1 2a r m 子系统2 l 3 2 软件开发环境2 3 3 2 1d s p 集成开发环境c c s 2 3 i 董王! ! 垄茎鱼! 鱼坚：! 丝塑里墅竺堑窒皇塞翌： 3 2 2a r m 软件开发环境2 4 3 3d a v i n c i 软件开发的用户角色2 6 3 4 小结2 8 4 构建基于l i n u x 的嵌入式系统3 0 4 1 虚拟机( v i r t u a lm a c h i n e ) 3 0 4 2m o n t a v i s t al i n u x 实时操作系统3l 4 3 交叉编译环境3 2 4 3 1 交叉编译环境简介3 2 4 3 2 构建宿主机交叉编译环境3 3 4 4b o o t l o a d e r 移植3 3 4 4 1b o o t l o a d e r 简介3 3 4 4 2u b o o t 移植。3 4 4 5 小结3 6 5h 2 6 4 编码器算法优化及实现3 7 5 1 编码器算法的优化3 7 5 1 1 算法级的优化- 3 7 5 1 2 指令级的优化3 8 5 1 3 项目级的优化3 9 5 2 开发平台搭建4 0 5 3 应用程序的构建4 2 5 4 实验结果4 6 5 5 小结4 6 6 结论与展望4 8 参考文献5 0 作者在读期间科研成果简介5 2 致谢，5 3 i v 西华大学硕士学位论文 l 引言 1 1 课题的研究背景与意义 这些年来随着多媒体技术的高速发展，数字音视频技术在通信领域获得了广泛的 应用，由于音视频信息量过大，要想视频得到较好的应用，第一必须解决视频压缩编码 问题，第二解决压缩后质量保证的问题，而这两者又是相互矛盾的，因而为了解决这一 矛盾2 0 0 3 年3 月i t u t i s o 正式发布了h 2 6 4 视频压缩编解码标准。h 2 6 4 标准与h 2 6 3 或m p e g - 4 标准相比，在相同质量下码率为原来的一半左右，换句话说就是在相同码率 下，其信噪比明显提高。同时具有良好的“网络友好性”，适应于不同的网络和不同的传 输环境，并且具有很强的差错恢复能力和时延控制能力。h 2 6 4 获得更高性能的代价是 计算复杂度的大幅增加。比如分层设计、多帧参考、多模式运动估计、改进的帧内预测 等，这些都显著提高了预测精度，从而获得比其他标准好得多的压缩性能。具统计，h 2 6 4 编码的计算复杂度大约相当于h 2 6 3 的2 倍n 1 。 实现h 2 6 4 实时编码有不同的方法，首先基于专有集成电路的方案总是限制着器 件的用途、功能和它们的自适用性，面对编解码标准的不断升级更新，专有集成电路的 效用显的很有限，其次单芯片不具备足够强大的处理能力，要达到单芯片实时编码非常 困难。于是数字视频处理硬件平台已经由前几年的a s i c 方案转向d s p 平台，在d s p 平台上进行视频产品开发有多方面的优势：其一用户开发自由度其它平台更大，并支持 多种个性化开发。其二d s p 处理能力更强，能在一个d s p 上同时实现多路音视频信号 的压缩处理，同时为了满足应用的需要、还提供了很多视频专有功能，其三开发周期相 对短，为实现快速技术更新和产品换代打下了基础，其四芯片功耗低，对提高产品的稳 定性提供可靠保障。 因此，一方面需要高速、稳定的处理器作为视频信号处理的平台，另一方面需要 适合多媒体通信的协议标准和软件算法，特别是对音视频信号的压缩处理算法。两者的 完美结合才能够产生高效的多媒体通信设备。目前随着d s p 芯片的高速发展和t i 公司 在2 0 0 6 年t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的推出，为实现实时、高要求的音视频信号处理提供了可能 性，再加上最新的高精度低码率视频压缩标准h 2 6 4 的发布，为合适的通信视频标准提 供了算法指导。因此本文提出把h 2 6 4 算法在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 上实现，对多媒体通信 的研究具有一定的意义和价值。 1 2d s p 的发展 数字信号处理器( d s p ：d i s t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种非常适合于进行数字信号 处理运算的微处理器，它的主要应用是实时快速的实现各种算法数字处理。由于d s p 基于t i 达芬奇平台h 2 6 4 编码器的研究与实现 在数字视频应用领域的广阔市场，许多半导体公司对数字视频纷纷推出了专门的d s p 处理器。其中比较成功的有a d i 、p h i l i p s 、e q u a t o r 、t i 等公司。a d i 公司推出的b l a c k f m 系列d s p 采用双m a c 的结构，具有正交r i s c 架构的微处理器指令集，把单指令多数 据和多媒体操作都引入单指令结构。这样的d s p 芯片结构不仅易于编程，可以快速的 进行信号处理和多媒体的处理，而且方便扩展u s b 、p c ii o 、u a r t 、s p o r t 等接口， 非常适合视频读入和处理以及传输聆1 。a d i 近来推出的双核a d s p 2 1 5 6 1 也是专业视频 处理d s p 领域内不可忽视的好产品。p h i l i p s 也是最早开发视频d s p 的厂商之一，其主 流的p n x l 5 0 0 系列处理器主频为3 0 0 m ，内部配有专门的视频协处理器。e q u a t o r 公司 作为专业的视频d s p 厂商，其产品非常具有特点，以b s p 1 5 为例：该芯片最高可达到 4 0 0 m h z 的内频，具有两个视频输入口和音频输入口，一个视频输出口瞄1 。 t i 公司作为d s p 行业的老大，其t m s 3 2 0 d m “x 系列在数字视频领域的应用占据 十分重要的位置。t i 早期推出的t m s 3 2 0 d m 2 7 0 和t m s 3 2 0 d m 3 2 0 等系列产品，在多 媒体的便携式播放器上有较好的应用。而真正成为数字视频的里程碑式的产品则是2 0 0 3 年t i 发布的t m s 3 2 0 d m 6 4 x 系列视频产品，该产品以t i 的c 6 4 x 为核心处理器。以 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 为例，它具有6 0 0 m 的处理能力，有3 个v i d e op o r t ，带有p c i 和网络接 口，该产品功耗低，因此该产品一面世得到了数字视频行业的强烈关注。在2 0 0 5 年， t i 公司推出了业内十分期待的数字视频专用d s p ，内嵌a r m 9 和c 6 4 x + 的达芬奇处理 器。d a v i n e i 技术成功实现数字视频需要四大要素即：处理器、开发工具、软件以及系 统专业技术。由于能够在集成这四种要素的平台中实现数字视频、音频、语音与话音技 术，因此达芬奇技术可以为数字视频处理的变革打下基础。d a v i n c i 技术充分利用了t i 公司2 5 年的数字信号处理技术与集成电路专业技术来提供片上系统( s o c ) ，这种系统针 对灵活的数字视频实施进行了精心优化，拥有业界领先的性能并集成了可编程数字信号 处理器( d s p ) 内核、a r m 处理器以及视频加速协处理器“鄹。凭借高效的处理能力、存储 器、i o 带宽、平衡的内部互连以及专用外设组合，基于达芬奇技术的s o c 能够以最低 的成本为视频应用提供理想的核心动力。处理器自身只能用作数字视频解决方案的基 础。管理数字视频系统的所有组件是特别复杂的工程难题。对于很多应用来说，数字视 频只是更为庞大的系统的组件之一。工程师随意的为基础技术方面投入大把时间和金钱 的日子已经一去不复返了。为了让开发技术人员克服障碍并加快产品上市时间，仅仅开 发数字视频的基础芯片和软件已经远远不够。开发人员不仅需要处理器，而且他们还需 要能够直接投入生产的理想代码。或者说为了满足其应用的特定需求，开发人员还需要 已经集成到可配置或者轻松编程的数字视频子系统上的硬件和软件。像汇编语言和c 语 言的过渡使开发人员能够全力开发更高级功能那样，达芬奇技术使开发人员能够摆脱数 字视频的许多具体技术细节。开发人员不再需要了解其视频应用中实施具体c o d e c 引 擎( 如：m p e g 2 ，h 2 6 3 ，w m a 9 ) 的细节。允许开发人员无需修改上层应用代码即可以使 2 西华大学硕士学位论文 用理想c o d e c 的a p i ，我们可以显著简化视频c o d e c 处理的具体底层次细节。摆脱 c o d e c 的困扰是数字视频广泛普及的重要一步n 射。当开发人员可以立足于以前开发的 功能性，创新就已经来到他们眼前。例如，在过去开发电子器件时，即使是最基本的功 能，工程师们也需要进行栅级布局。很多年来，t i 等公司始终致力于在硅芯片中集成功 能，为超越自身功能期望的器件打下了基础，同时也降低了实现预期目标所需要的工程 量。例如，由于提供了显著加快信号处理任务的计算引擎，d s p 的问世已经推动了数十 载的技术创新。利用达芬奇技术，t i 可以再度实现全新的创新水平。正是d s p 的问世 带来了计算加速，因此达芬奇技术会以t i 的d s p 为基础来提供应用加速。开发人员不 再需要了解各种音频、视频、影像以及语音c o d e c 背后的机制。对于那些希望依靠 d s p 这棵大树的开发人员来说，机会仍然存在。但是达芬奇已经使它成为备选，而非 必备。通过提供可随时投产的软件，如硬件驱动器、人工优化的c o d e c 、以及用于管 理网络中音频视频同步和数据流的应用代码，达芬奇技术使开发人员无需了解如何编程 d s p 即可实现一流的视频功能钉。 1 3 视频编码的发展 近些年来，视频图像压缩技术得到了高速发展和日益广泛的应用，而且日趋成熟， 其标志就是几个关于视频图像压缩编码的国际标准的出台，即国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a i l i z 撕0 n ) 和国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e e h n i c a lc o m m i s s i o n ) 关于静止图像的编码标准j p e g 、国际电信联盟i t u t ( i n t e r n a t i o n a lt r i a t h l o nu n i o n ) 关于电视电话会议电视的视频编码标准h 2 6 1 、h 2 6 3 和i s o i e c 关于活动图像的编码标准m p e g 1 、m p e g 2 和m p e g - 4 1 等。 h 2 6 1 是最早提出的视频编码协议，于1 9 9 0 年由i t u t 组织提出。h 2 6 1 是基于i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln c t w o r k ) 视频会议的标准，主要针对实时编码和解码设计， 压缩和解压缩的信号延时不超过1 5 0 m s ，码率为p x 6 4 k b p s ( p = 1 - - - 一3 0 ) 。h 2 6 1 标准主要 采用运动补偿的帧间预测，运动估计精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) 和c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) m 。 h 2 6 3 标准是甚低码率的图像压缩码国际标准，它一方面以h 2 6 1 为基础以混合编 码为核心，即把减少空间冗余的帧内预测法和减少时间冗余的变换编码法结合起来，其 基本原理和h 2 6 1 十分相似，原始数据和码流组织也相似；另一方面，h 2 6 3 也吸收了 m p e g 等其它一些国际标准中有效、合理的部分，如：半像素精度的运动估计、p b 帧 预测、非限制运动矢量和基于语法的算术编码等，使它性能优于h 2 6 1 。h 2 6 3 适用于 低带宽上传输高质的视频流，它使用的位率范围为8 k b p s - - - 1 5 m b p s ，且传输比特率可不 固定( 变码率) 。h 2 6 3 支持多种分辨率：s q c i f ( 1 2 8 x 9 6 ) q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) 、c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) 、 4 c i f ( 7 0 4 x 5 7 6 ) 、1 6 c i f ( 1 4 0 8 x 115 2 ) 嘲。 3 基于t i 达芬奇平台h 2 6 4 编码器的研究与实现 h 2 6 4 是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动图像编码 专家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频编码标准，它 既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g 4 的第1 0 部分。1 9 9 8 年1 月份开始草案 征集，1 9 9 9 年9 月，完成第一个草案，2 0 0 1 年5 月制定了其测试模式t m l - 8 ，2 0 0 2 年 6 月的j v t 第5 次会议通过了h 2 6 4 ( m p e g - 4p a r t1 0 ) 的f c d 版。h 2 6 4 标准只是规 定了编码使用的视频比特流语法以及该比特流的解码方法，没有明确规定如何实现编解 码器，编解码器都是基于统一的语法和框架，实现没有做统一要求，这样有利于发展， 可以使各个厂商相互竞争，推广更多的商业产品，h 2 6 4 基本框架如图1 1 所示： 图1 1h 2 6 4 原理框图 f i g 1 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fh 2 6 4 m p e g 3 是m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ( 动态图像专家组) 的缩写。是一个致力于 数字视频音频技术发展及标准化的杰出组织，它是i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o n ) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i cc o m m i t t e e ) 在1 9 8 8 年联合成立的，正规 的组织代号是i s o i e cj t c i s c 2 9 脚g 1 l ，成员专家来自于不同国家的最有业界影响力 的研发机构。在十多年的时间里，m p e g 组织取得了丰硕的成果，自身也有了很大的发 展。 m p e g 1 制定于1 9 9 2 年，为工业级标准而设计，编号为i s o i e c1 1 1 7 2 。m p e g - 1 针对c i f 标准分辨率( n t s c 制为3 5 2 x 2 4 0 ；p ! a j l 制为3 5 2 x 2 8 8 ) 的图像进行压缩，并 在标准中规定了音视频信息经过压缩后的数据码率最大为1 5 m b p s 。m p e g 1 可实现在 不同带宽的设备，如c d r o m 、v i d e o c d 等数字媒体上进行存储，也可以在局域网、 i s d n 网上进行音视频信息的传输。 m p e g 组织在1 9 9 4 年推出了m p e g - 2 压缩标准，并在1 9 9 5 年成为国际标准，编号 为i s o 1 e c1 3 8 1 8 。m p e g 2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的 4 西华大学硕士学位论文 表1 1 几种图像压缩标准 t a b 1 1s e v e r a li m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d 技术特点标准 n 口e g 2n 咀e g _ 4h 2 6 4 1 6 x 1 6 ( 帧模式) 宏块大小1 6 x 1 61 6 x 1 6 1 6 x 1 6 ( 场) 1 6 x 1 6 ，8 x 1 6 ，1 6 x 8 块大小 8 x 8 1 6 x 1 6 ，8 x 8 8 x 8 ，4 x 8 ，8 x 4 ，4 x 4 8 x 8 a x 4 整数变换 变换编码8 x 8 d c t8 x 8 d c t 4 x 4 ，2 x 2 哈达码变换 固定量化步长的量化固定量化步长的量化 量化以1 2 5 不增量的量化值 值值 熵编码v l c v l c v l c ，c a v l c ，c a b a c 象素精度半象素精度1 4 象素精度1 4 象素精度 参考帧一帧一帧多帧 前向后向 双向预测前向后向前向后向前向前向 后向后向 权重预测无无 有 去块滤波无无有 帧类型i ，p ，b i ，p ，b i ，p ，b ，s i ，s p 回放和快进有有有 s y n c h r o n i z a t i o n d a t ap a r t i o n 健壮性 d a t ap a r f i o n ，f f c d p , r v i p a r a m e t e rs e t t i n g h e a d e re x t e n s i o n f m o ，r c d u n d a n t s l i c e 传输比特率 2 1 5 m b p s8 k b p s - - 3 5 m b p s6 4 k b p s 15 0 m b p s 编码复杂度中中高 压缩方案和系统层的详细规定，编码码率可达1 0 0 m b p s 。m p e g 2 不是m p e g 1 的简单 升级，它在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。m p e g 2 特别适用于 广播级的数字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。m p e g 2 视频 压缩的原理是利用了图像数据的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使 得图像中存在大量的冗余信息。为了能够有效的支除图像中的冗余信息，m p e g 2 标准 中将编码图像被分为三类，分别称为i 帧，p 帧和b 帧。i 帧图像采用帧内编码方式。p 帧和b 帧图像采用帧间编码方式。p 帧图像只采用前向时间预测，b 帧图像采用双向时 间预测，可以大大提高压缩倍数哺1 。m p e g - 2 具有以下几个突出特点：一、支持的图像 分辨率最高，包括符合r r u r r e c 6 0 1 ( c c i r 6 0 1 ) 格式的标准分辨率的数字电视和更高 分辨率的h d t v 。二、支持包括高速体育运动在内的各种活动图像。三、支持的应用最 5 基于t i 达芬奇平台h 2 6 4 编码器的研究与实现 为广泛，既包括存储媒体中的d v d ，广播电视中的数字广播电视和h d t v ，还可应用 于交互式的视频点播( v o d ) 和准视频点播( n v o d ) 。四、能够适配a t m 等宽带通信 网。 m p e g 4 n 幻于1 9 9 8 年l o 月定案，在1 9 9 9 年1 月成为一个国际标准，随后为扩展用 途又进行了第二版的开发，于2 0 0 1 年有了其第二个版本。m p e g - 4 的国际标准编号为 i s o i e c1 4 4 9 6 。m p e g 4 的目标比特率达到8 k b p s - - 2 5 m b p s ，它的特点是更适于交互 a v 服务以及远程监控，是一个有交互性的动态图像标准。m p e g - 4 编解码的基本思想 是基于图像内容的第二代视频编解码方案，并将基于合成的编码方案也结合在标准中。 它根据图像的内容将图像分割成不同的视频对象v o ( v i d e oo b j e c t ) ，在编码过程中对前 景对象和后景对象采用不同的编码策略，对于人们所关心的前景对象，则尽可能的保持 对象的细节及平滑，而对不大关心的后景对象采用大压缩比的编码策略。 m p e g 2 、m p e g - 4 与h 2 6 4 标准n 2 】- 【“1 的技术对比如表1 1 。 从上表的对比可以看出，h 2 6 4 标准新引入了空间域的帧内预测，4 x 4 及8 x 8 的整 象素变换与2 x 2 及4 x 4 的哈达码变换，多参考帧，权重预测，解决块效应的环内滤波， c a v l c 及c a b a c 熵编码，灵活宏块排序( f m o ) 以及针对差错控制和错误恢复的冗 余片及s p s i 等多种新技术。 1 4 国内外研究现状 为了提供具有足够性能，成本足够低，灵活性足够高的数字视频开发平台，2 0 0 6 年t i 公司推出了基于达芬奇( d a v i n c i ) 技术的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 x 系列产品，达芬奇技术由 达芬奇处理器、达芬奇软件、达芬奇开发工具和达芬奇技术支持系统等组件优化构成。 其中，达芬奇处理器基于业界最高性能的d s p 平台圳s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，其利用了t i 最 新的c 6 4 x + d s p 内核。达芬奇处理器包含基于可扩展的可编程片上信号处理系统( s o c ) ， 同时还包含优化的加速器与外设，以全方位满足各种数字视频终端设备对价格、性能以 及功能等多方面的需求。从2 0 0 6 到2 0 0 8 年t i 公司又分别推出了：h 2 6 4 高清或多路 d 1 视频编码d m 6 4 6 7 ( 高清d v r d v s 和i p 网络摄像机，可扩展智能识别，高清转码 功能) ，高集成支持h 2 6 4 单路d 1 视频编码可运行实时嵌入式操作系统d m 6 4 4 x ( 中 低端d v r d v s 高端智能i pn e tc a m e r a ) ，高性能一支持h 2 6 4 多路d 1 视频编码高速千 兆以太网口d m 6 4 7 、d m 6 4 8 ( 高端多路d v r j d v s 、可扩展智能识别) ，高性价比支持 h 2 6 4 单路d 1 视频编码d m 6 4 3 x ( 低端i pn e tc a l l e l a 智能识别监控设备) ，低功耗、 低成本一支持高清7 2 0 p 和实时嵌入式操作系统d m 3 x x ( m 网络摄像机、低d v r 、i p 可视f - j ) 引。 目前我国有闻亭数字系统( 北京) 有限公司、合众达电子、北京瑞泰创新科技有限 公司、清华大学、电子科技大学、上海交通大学等从事h 2 6 4 在达芬奇上的研究。北京 6 西华大学硕士学位论文 的希图( c 2 m i c r o s y s t e m s ) ，专门针对音视频、图像应用开放优化的可编程解决方案。北 京维柯视( w & w ) 则是致力于h 2 6 4 的a s i c 研发。深圳艾尔森科技有限公司基于 h 2 6 4 运行在单核d s p 已有产品上市。 达芬奇产品在数字视频方向的应用能满足客户不同的需求，比如低价位产品、支持高清 视频、低功耗、小型集成处理器。可以说是覆盖了市场的各个方面，成为数字视频方向 的主导力量。因此h 2 6 4 在达芬奇上的实现成了目前数字视频的研究方向。 1 5 本文的主要工作 本文围绕h 2 6 4 视频标准在t i 达芬奇的研究与实现展开工作。 第一章研究背景与意义以及国内外发展情况。视频压缩技术的发展与d s p 技术的 展。 第二章详细分析了h 2 6 4 编码标准的基本原理和技术特点，介绍了h 2 6 4 标准的档 次分类，及对应解码器所支持的特性。并参考三种开源代码性能评估选择了x 2 6 4 作为 研究源码，详细解读x 2 6 4 编码程序并写出了流程图和在p c 机下的简化与运行。? 第三章主要研究了达芬奇技术平台及其构成，并着重介绍了t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台 的结构特点，接着在分析和借鉴开源编码算法的基础上，实现了x 2 6 4 基本档次视频编 码程序在d s p 上的移植。 第四章研究t i 达芬奇软件框架结构，并进行开发环境的构建，包括：建立嵌入式 系统的交叉编译开发环境，对b o o t l o a d e r 的启动过程进行分析，实现u b o o t 的移植。 第五章针对t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 目标板，完成m o n t a v i s t a l i n u x 操作系统的内核配置 和移植。对h 2 6 4 编码算法进行c 语言级的总体优化，根据x d m 算法接口标准封装解 码算法的c o d e e 库，创建d s p s e r v e r 、配置c