（电子科学与技术专业论文）avs高清机顶盒平台塔建及avs编码技术的研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t a v s ( a u d i oa n d d e oc o d i n gs t a n d a r d ) i so u rc o u n n yw i t hi n d 印e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e n yr i g h t so f t h es e c o n dg e n e r a t i o no fa u d i oa n dv i d e os t a n d a r di nc h i n a ，p r o v i d e st h e c o m p l e t es o u r c ec o d i n gt e c h n o l o g ys o l u t i o n sf o rc h i n a si n c r e a s i n g l yp o w e r f u lo f a u d i oa n d v i d e oi n d u s t u b e c a u s ei tu s e st h ea d v a j l c e da 1 1 di n d e p e n d e n tc o d i n gt e c h n o l o g y ，a v sh a s s u p e r i o rp e r f o n n a l l c e ，c o d i n ge 街c i e n c ya n do t h e rs i g n i f l c a n ta d v a l l t a g e s w i t ht h ei m p r o v i n g o ft h et e c h n 0 1 0 9 y ，t 1 1 eh ds e t - t o pb o x e sa c c e l e r a t e st h ep r o m o t i o np a c e ，b u tm o s to fa l lu s e f o r e i g nv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，r e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r y i ft h ea 、，ss t a i l d a r d 晰t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sv e r yw e l la p p l i e dt oh ds e t - t o pb o x e s ，n o to n l y c a ns u p p o r tn a t i o n a li n d u s t r y ，m o r ec a ns a v eh u g ep a t e n tf e e s t h ep a p e rf i r s t l yr e s e a r c h e dt h ea v sc o d i n gt e c h n o l o g y ，p u tf o r w a r ds o m ek e ym o d 试e o fo p t i m i z a t i o ns c h e m e ，t oo p t i m i z et h ee n c o d e rr e s p e c t i v e l yt h ei n t e g e rt r a j l s f o r m ，e n t r o p y c o d i n g ，l o o pf i l t e r i n gc o r em o d u l e ，i n l p r o v et h ee n c o d e re n c o d i n gs p e e d ，f o ra c t u a n yr e a l i t y e m c i e n tc o d i n ga n dl a yas o l i df - o 叽d a t i o n a n dt h e nb a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ea v s h ds e t t o pb o xp l a t f o m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n de h l b e d d e ds o 觚a r ed e s i g nf o ra 、厂s h ds e t t o pb o xd e s i g na n dr e s e a r c ht op r o v i d et h ep l a t f o n l la 1 1 dr e f - e r e n c e t h ep a p e rm a i n l y w o r ki n c l u d e st h ef 0 1 1 0 w i n gp o i n t s ： ( 1 )r e s e a r c h e dt h en n 5 2 j - r1d e s i g ni d e a so ft h er e f e r e n c em o d e lp r o v i d e db yt h ea v s w o r k i n gg r o u p ；0 p t i m i z a t i o nt h eb o t t o mo f m ec o d ea 1 1 dt h ek e ym o d u l ef o rm er e f h e n c e m o d e l ，m a i n l yi n c l u d e si n t e g e rt r a n s f o m l ，e n t r o p yc o d i n ga n dl o o pf i l t e ro f t h em a i nm o d u l e s r e a l i z es e v e r a lo p t i m i z a t i o n ；p u tf b n a r dak i n do fu s i n gt h et r a n s f o m a t i o nm a t r i xi n t e g e r t r a i l s f o n ns y m m e t r yr e a l i z ef a s ta l g o r i t h m ，a n dt or e d u c et h ei n t e g e rt r a n s f o 珊t h ec o m p l e x i 够 o ft h er e a l i z a t i o n ，i m p r o v e dt h ee n c o d e rs p e e d ；p r o p o s e da ni m p r o v e dc o l u m b u si n d e x m e t h o do fc o d i n ga n dl o o pf i l t e r ，r e d u c e dt h ec o n l p l e x i t yo ft h ee n c o d e r ( 2 ) d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo fh i g hd e f i n i t i o ns t ba n a l y s i s ，b u i l d e dt h ea v sh d s e t t o pb o xh a r d w a r ep l a t f o m f i r s t l yd i s c u s s e dh ds e t - t o pb o xd e s i g ns c h e m e s ，c h o i c et h e m u l t i m e d i am i c r o p r o c e s s o rt e c l l n o l o g ys c h e m eo fh a r d w a r ed e s i g nh ds e t t o p b o xt o s t i 710 6p r i m a r i l yc h i p ，d e s i g n e dah i 曲p e m m a l l c ea i l dh i 曲d e 6 n i t i o no fs e t - t o pb o x e s ； f o rt h ep o w e rm o d u l e s ，t u n e rm o d u l e ，s t o r a g em o d u l e ，e t h e r n e tm o d u l ec 删e do nt h e d e t a i l e dd e s i g n ( 3 ) h ds e t - t o pb o xe m b e d d e dd e v e l o p m e n t ；i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n d m e t h o d 锄b e d d e d ；d i s c u s s e dt h eu b o o ta n ds t l i n u xr e v i s i o n ，t h ec l i p p i n ga n dc o m p i l i n g a n dt r a n s p l a n t e dt h e mt om a k eh a r d w a r ep l a t f o m l m a d ey a 疗s 2r o o t f i l e s y s t e m ；s o a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 e m b e d d e ds t l i n u xs y s t e mc a l lr u nr i g h to ns t i 710 6p l a t f o mb y 、v r i t e6 l es y s t e ma n dk e m e l i n t on a n dn a s h k e y w o r d s ：a v se n c o d e r ；i n t e g e rt r a n s f o 珊；h ds t b ；e n t r o p yd e c o d i n g ；s t i 7 1 0 6 ； e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t i v 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着信息技术的发展和社会的进步，消费类电子、通信、电视、电影、广播不断影 响着人们的生活。计算机与通信、多媒体技术的融合使得信息的形式也不再是单纯的语 音、文字，而是发展到包含语音、文字、视频图像在内的多媒体形式，其中视频最重要 j 。因为视觉是人们获取信息最为重要的途径，普通人每天约7 0 的信息量是通过视觉 获取的，而且视频信息具有直观性、可靠性等优点。但是未经压缩数字视频的数据量非 常大，为其实际应用带来了灾难，因此必须对数字视频进行编码压缩。 目前国际上有两个音视频编码的标准化组织，一个是m p e g ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t g r o u p ) ，为国际标准化组织( i n t e m a i i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n0 r g a n i z a t i o n ，i s o ) 下的运动图像 专家组。另一个是v c e g ( v i d e oc o d ee x p e ng r o u p ) ，为国际电信联盟( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 下的视频编码专家组【2 1 。2 0 世纪9 0 年代以来，随着技术 的不断发展，i t u t 和i s o 推出了一系列多媒体编码的标准，极大地推动了多媒体技术 的实用化和产业化。按推出时间的先后顺序包括h 2 6 1 、m p e g 1 、m p e g 2 、h 2 6 3 、 m p e g 4 与h 2 6 4 a v c 等。经过几十年的发展和积累，m p e g 2 ，h 2 6 3 ，m p e g 4 已发 展成为目前主流的视频压缩编码标准，而新兴的编解码标准h 2 6 4 a v c 、a v s 及v c 1 ， 必将是未来发展的主流方向。图1 1 为视频压缩标准的发展历程。 i t u t h 2 6 1h 2 6 3h 2 6 3 一h 2 6 3 + + j o i n t h 2 6 2 h 2 6 4 h 2 6 4 i t u t m p e gm p e g 一2 h p s v c 卿e g m p e g 一1m p e g 一4 加e g c h i n a a v sa v s n s基准增强 1 9 8 41 9 8 81 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 42 0 0 82 0 1 2 图1 1 视频压缩标准的发展历程 a v s ( a u d i oa 1 1 dv i d e oc o d i n gs t a i l d a r d ) 是我国具有自主知识产权的第二代音视频标 准，为中国曰渐强大的音视频产业提供完整的信源编码技术方案。由于其采用了先进、 自主的编码技术，a v s 具有性能优越、编码高效等显著优点。并且采用开放式制订，易 于解决其专利问题。a v s 的产业化步伐在标准制订过程中已经开始，目前正处在大规模 a v s 高清机项盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 产业化的启动期。a v s 产业化的主要产品形态包括芯片、软件和整机【3 j 。当前，a v s 最 大的应用价值是利用原先的标清的数字电视传输系统，能直接提供高清业务、利用当前 的光盘技术制造出新一代高清晰度激光视盘机，这样，高清晰度电视机顶盒将迎来了难 得发展契机【4 j 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 a v s 视频标准的特点是高效，复杂度低且与m p e g 2 兼容，吸收了国内外研究机构 近年来的优秀研究成果，属于高效的视频编码技术。a v s 标准不仅有编码效率高的优势， 还尽可能保持了较低的计算实现复杂度。在编码高清视频信号方面，a v s 标准与 a v c h 2 6 4 主要档次( m a i n p r o f i l e ) 有着相当的编码效率，复杂度却只有其6 0 7 0 ， a v s 与h 2 6 4 a v c 的技术对比和复杂度分析如表1 1 所示。 表1 1a v s 与h 2 6 4 a v c 的技术对比和复杂度分析 在a v s 成为国家音视频标准前，机顶盒行业一直存在着标准之争，不论是m e p g 4 还是h - 2 6 4 都是国际标准。而在2 0 0 5 年，h 2 6 4 标准专利池组织公布了专利费的收取方案 后，由于其专利费收取的很高，这使得国产标准a v s 的使用迫在眉睫，也从此开始受到 了空前关注。作为基础标准，很多行业应用标准都可以使用该标准，比如在发射端设备 上，可应用在编码器和解码器上，而终端可面向数字机顶盒、无线数字电视、直播卫星 或手机电视等，可以看出这种基础标准的重要性。假如全部使用国际标准，那么从运营 硕士学位论文 商到设备商几乎在所有环节上都需要收取专利费，将制约国家信息产业的发展。a v s 通 过简捷的一站式许可政策，解决了m p e g 4 、a v c h 2 6 4 被专利许可问题缠身难以产业 化的弊端，并且专利许可费用大大低于国际同类标准，如表1 2 所示当前视频标准的许可 费用情况。 表1 2 当前视频标准的许可费用情况 由于a v s 具有较高的编码效率和较低的专利费用，因而在国内市场受到部分运营商 的青睐。a v s 正在被中国网通在其i p t v 试验中使用，该公司在大连市配置3 0 万部基于 a v s 标准的i p 机顶盒。通过业务流程、系统功能、协议一致性验证测试等手段，在较短 时间内实现了包括a v s 编码器、i p t v 平台系统、机顶盒在内的a v s i p t v 端到端的系统 整合，从而推动了编码器和机顶盒厂商加大对a v s 的开发力度。到目前为止，包括芯晟 科技、美视、龙晶微电子、复旦微纳米和联合信源数字音视频技术( 北京) 有限公司等 厂商签署了a v s 备忘录，实现对a v s 的支持【5 1 。 国外芯片厂商看到了a v s 在中国广阔的市场和极大的发展潜力，都迅速的提出对 a v s 的支持。( 1 ) b r o a d c o m 推出支持a v s 的单芯片产品b c m 7 4 0 5 ；( 2 ) n x p 推出一 个针对i p 、数字电视和混合机顶盒的平台的解决方案s t b 2 2 2 ；( 3 ) t i 与联合信源公司 共同推出了支持a v s 和h 2 6 4 双解码的单芯片解决方案h m 2 0 0 6 。h m 2 0 0 6 集成了联合信 源的a v s 解码算法，并采用t i 的达芬奇技术d m 6 4 4 x 系列，支持a v s h 2 6 4 m p e g 4 的多 制式视频解码【6 j 。( 4 ) 意法s t 的s t i 5 2 0 x 和s t i 7 1 0 x 系列利用解码器多媒体处理引擎的 软硬件混合架构，内置s t 2 0 和s t 4 0 处理器内核，能够支持m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 a v c 以及a v s 标准。 现在大部分机顶盒芯片供应商都能够提供高清机顶盒方案，大大降低了高清机顶盒 的成本，同时高清资源也在不断丰富，所以普及高清节目的时机日渐成熟。随着各芯片 厂商对a v s 支持力度的不断加大，基于a v s 高清机顶盒的发展也将加快，不仅是因为 a v s 标准性能优越，效率高，而且还得到国家信息产业部的大力支持，支持拥有自主知 a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 识产权的a v s 标准。而三网融合推进，也让高清数字机顶盒功能发生扩展，它不仅是用 户终端，也是网络终端，用户接入因特网，享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。 1 3 课题研究的目的与意义 2 0 世纪8 0 年代后期以来，视频编码技术先后有i t u t 的h 2 6 1 、h 2 6 3 标准，用于静 止图像压缩的j p e g 标准，用于活动视频图像压缩的m p e g 1 、m p e g - 2 和m p e g 一4 标准和 联合开发的h 2 6 4 a v c 标准。由于历史和技术的原因，我国还没有国际标准的核心技术 与专利，中国选择新一代音视频标准h 2 6 4 a v c 需要支付巨额的专利费用【，j 。因此，为 了完全摆脱专利费的困扰，我国需要研究开发具有自主知识产权的音视频标准。2 0 0 2 年 6 月国家信息产业部批准成立a v s 工作组，研发制订自主知识产权的数字音视频的压缩 技术和解压缩技术标准。它是我国发展高清、标清数字电视和高清激光视盘机等产业不 可或缺的音频视频编解码标准，将作为我国数字音频视频产业的跨越发展的重要技术源 头。a v s 是在一系列的先进技术、算法的基础上完成的，整个技术体系及方案达到了国 际先进水平。a v s 还突破了第二代数字音频视频编解码技术中的核心技术，并在其关键 算法及其实现上完成了独创性的设计。a v s 标准所完成的系统功能基本齐全且工作稳 定，为我国数字音频视频产业的国际竞争与规模化生产提供了重要的技术支撑。另外， 相比传统的m p e g 2 ，a v s 编码效率是其效率的2 至3 倍，在计算资源的消耗上也降低了 3 0 到5 0 ，具有极高的实际开发价值和学术研究价值。 音视频标准工作组已经提出了a v s 编解码器参考模型n n 5 2 jr 1 ，完成了对a v s 编解 码技术的软件实现。参考模型集合了此领域当前研究的最新成果和技术，但是由于a v s 发展时间较短，而且参考模型主要用c 语言编写的，还有许多需要改进的地方，如运动 搜索、熵编码器等。研究参考模型中的关键模块，提出一些优化方案，提高其编码效率 的同时也需要考虑实时性能的优劣，提高实时性达到视频监控的技术要求。 在国内三网融合的大背景下，电信网、有线电视网和计算机通信网相互渗透、互相 兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。随着国内的高清资源快速增加，高 清机顶盒的发展步伐加快。但大部分都是采用国外音视频编码标准，制约了产业的发展。 如果把拥有自主知识产权的a v s 标准很好应用于高清机顶盒，不仅能支持民族产业，更 能节省巨大的专利费。 1 4 本文主要研究内容 本文研究了a v s 视频编码标准的关键技术，着力a v s 的实际应用，对a v s 编码器进 行系统地优化，提高编码速度，进而可把优化后的编码器移植到d s p 等硬件平台上，以 用于高清机顶盒、网络监控等领域。首先对a v s 的编码器参考代码r n l 5 2 j - r 1 进行了深入 仔细的研究，对代码中各个模块代码进行分析，提出了优化方案，重点对熵编码和环路 滤波模块进行研究，并分别提出了新的算法，能更快的提高编码的速度；然后是搭建基 4 硕士学位论文 于a v s 高清机顶盒平台。主要工作分两步：( 1 ) 高清机顶盒的硬件设计，选用s t i 7 1 0 6 为主芯片，实现高清解码、网络、p v r 等功能；( 2 ) 进行嵌入式系统开发，为后续应 用软件开发提供平台参考。 本文共分为5 个章节，各章节主要内容及安排如下： 第1 章绪论。首先介绍本文的研究背景，然后简要回顾研究现状并提出需要解决的 问题，最后介绍本文的主要研究内容、要解决的关键问题。 第2 章a v s 视频标准概述及关键技术。首先介绍了a v s 编码标准的框架和流程，然 后主要分析a v s 编码标准的主要关键技术和优势。 第3 章a v s 编码技术的研究与优化。分析了优化参考模型n n 5 2 j r 1 的基础上，对参 考模型进行了底层的代码优化和关键模块的优化实现。优化的关键模块主要有整数变换 模块、熵编码模块和环路滤波模块；对优化后的模型进行测试，测试结果表明编码效率 提高了1 0 左右。 第4 章a v s 高清机顶盒平台的设计。主要是机顶盒硬件设计和主要模块的详细设计 与实现。研究了机顶盒的关键技术，为硬件设计打下基础；探讨了三种高清机顶盒的设 计方案优势与不足，最后选择基于多媒体处理器技术的解决方案设计硬件系统；利用高 性能机项盒芯片s t i 7 1 0 6 实现机顶盒高清解码，网络功能，p v r 等功能。 第5 章a v s 高清机顶盒平台嵌入式系统开发。在嵌入式软件开发中，熟悉嵌入式系 统开发的方法与流程，充分利用s t 公司提供的s t “n u x 操作系统，为后续应用软件的设 计搭建平台；研究了b o o t l o a d e r 的实现方式，重点探讨了其f l a s h 启动方式。 最后是总结与展望。对本文主要工作做总结，并分析存在不足之处，指出进一步研 究内容和方向。 a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 第2 章a v s 视频标准概述及关键技术 2 1 视频编码标准概述 在目前的视频编码标准框架中，采用基于运动补偿的时域预测去除时间冗余，采用 基于块的变换编码去除空间冗余。视频编码的基本流程为：由视频源输入图像，图像被 分割成宏块，判断采用帧内编码还是帧间编码。将变换量化后的运动信息，残差系数送 入熵编码器，生成最终的视频码流。为避免两种预测带来的误差产生累积，在编码端设 置一个解码模块，将量化后的残差数据反量化和反变换处理，得到重建图像，用于将来 图像预测参考；最后使用环内去块效应滤波器处理边界，用作将来图像预测参考。图2 1 是混合视频编码框架。 图2 1 混合视频编码框架 a v s 视频标准也采用混合编码框架，但由于标准制定时对不同应用的考虑，在技术 取舍上对复杂度性能的平衡上有取舍，因而在复杂性、编码效率上的表现与h 2 6 4 a v c 有很多不同。为了达到高效率的视频压缩，a v s 视频标准采用了一系列的关键技术，如 空间帧内预测、多参考帧帧间预测、整数变换量化、变块大小运动补偿、熵编码、1 4 像素插值、环路滤波等。图2 2 是a v s 视频编码框架。 a v s 视频编码器和h 2 6 4 a v c 有类似的结构，在编码过程中，每个宏块先进行帧 内或帧间预测，其预测残差值经过变换量化后被扫描成( 1 e v e l ，r u n ) 数对，然后进行熵 编码。同时，对量化系数再进行反量化和反变换处理，与预测值的和得到重构图像，重 构图像经过环路滤波器送入参考图像缓冲区，用于后续图像参考瞵j 。 6 硕士学位论文 图2 2 a v s 视频编码框架 2 2a v s 视频标准的关键技术 a v s 视频标准采用了一系列实用的关键技术，如整数变换与量化、帧内预测、多参 考帧预测、1 4 像素插值、变块大小运动补偿、熵编码、环路滤波等。 2 2 1 整数变换 a v s 采用8 8 二维整数余弦变换( i c t ，i n t e g e rc o s i n et r a l l s f o m ) ，其性能接近8 8 离散余弦变换( d c t ) 9 1 。采用的i c t 反变换矩阵如下： 五= 9 2 1 0 6 6 1 0 2 9 ( 2 1 ) d c t 变换由不同频率的余弦函数的和组成，由于其高效性且计算复杂度较低，一直 用于以前的编码标准中。但实现过程需要浮点乘法计算，并且正变换与逆变换由于精度 误差不是完全匹配，因而可能产生偏移误差。a v s 采用整数变换，大大降低了变换的复 杂性，整个变换过程只需通过移位和加法就可以实现，不存在正反变换误差的问题。由 于a v s 中最小块预测是基于8 8 块大小的，因此采用了8 8 i d c t 变换，而h - 2 6 4 a v c 整数变换是基于4 4 块的。实验表明，8 8 变换比4 4 变换的去相关性能要列1 0 】。 2 巧9 m 加9 6 乞 2“9枷枷o 6 乞4枷加。“m圳4 0 )，_，) 6圳2 9 q 乞m “ 8矗矗8 8矗矗8 m 4。圳枷。4 m 加9 6 2 乞“q 枷 o o o o o o o o 8 o o o o o o a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 2 2 2 帧内预测 a v s 采用了帧内空间预测技术，a v sj i z h u np r o f i l e 中采用基于8 8 亮度块的帧内 预测，而没有采用更小的4 4 块帧内预测。这是因为a v sj i z l l u np r o f i l e 主要关注于标 清和高清分辨率编码，用到5 种亮度预测模式，4 种色度预测模式。在编码质量相当的 前提下，a v s 采用较少的预测模式，使方案更加简洁、实现的复杂度大为降低。图2 3 中得4 种预测模式( 0 ，1 ，3 ，4 ) 分别代表i m r 乱8 8 v e n i c a l 、i n t r 乱8 8 h o r i z o n t a l 、 i n t r 乱8 8 d o w n l e r 、i n t r & 8 8 d o w n m g h t 模式，对应不同的预测方向，此外还有一种非 方向性的帧内预测模式i n t r a - 8 8 d c ，其索引号为2 。 图2 38 8 亮度块帧内预测模式 a v s 色度块四种帧内预测模式如表2 1 所示： 表2 18 8 色度块帧内预测模式 i n t r a c h r o m a p r e d m o d e 名称 i n t r a c h r o m a d c i m r a c h r o m a - h o r i z o n t a l i n t r a - c h r o m a - v e n i c a l i n t r a c h r o m a p l a n e 2 2 3 帧间预测 帧间预测即利用相邻帧间的信息进行预测编码，其中p 帧只使用向前预测，b 帧可 使用向前和向后进行双向预测。目前帧间预测主要是通过基于块的运动估计来搜索匹配 块，指向匹配块的运动矢量可以是整像素或子像素精度u2 | 。对于运动矢量的编码通常采 用与周围块的运动矢量进行差分预测来编码。 在h 2 6 4 a v c 和a v s 等新一代编码标准中，帧内预测的编码效率得到了极大的提 升。在利用参考图像进行预测时，使用多个参考图像能进一步提高编码效率。a v s 中的 b 帧采用了一种新型的对称预测模式，通过向前运动矢量可以导出向后运动矢量，从而 可以只编码向前运动矢量而进行双向预测；图2 4 是帧编码对称模式的运动矢量导出图。 硕士学位论文 在a v s 对称模式中，码流中只有前向运动矢量，后向运动矢量根据前向运动矢量导出， 其导出过程为： 朋v b 形：一二蔓朋订形 ( 2 2 1 吐 其中，d l 为当前图像到前向参考图像的距离( b l o c k d i s t a l l c e f w ) ，d 2 为当前图像到 后向参考图像的距离( b l o c l ( d i 蛐c e b w ) 。 前向参考帧当前b 帧 后向参考帧 图2 4 帧编码对称模式的运动矢量导出 而对b 帧中的直接模式编码，采用了时域空域直接预测模式相结合的方式，并在 直接模式的运动矢量导出过程中进行舍入控制。使用对称模式时，码流只需要传送前向 运动矢量，后向运动矢量可由前向运动矢量导出，从而节省后向运动矢量的编码开销【1 3 】。 在a v s 中，空间和时间直接模式被合并在一起，当对应时间位置的宏块为帧内模式时， 使用空间预测。图2 5 给出帧编码模式情况下b 帧直接模式运动矢量的导出过程，运动 矢量计算过程如下： 埘咖一忉( 矾e 厶( ( 意) ( 坂赢惫 1 4 ) 脚咖少s 酬聊v 阱c 基m 砌筹基彘 坍虮一s 酬矾e 小( ( 纛罴面) ( 砌寒舞基 ，4 ) 脚咖少一s 州搬e 山( ( 基罴丽) ( 1 砌文意 1 4 ) ( 2 3 ) 其中，( m v f w 二x ，m v f w _ y ) ，( m v b w _ ，m v b w - y ) 为当前块对应的前向和后向运动矢 量，( m v r e f - x ，m v r e o ) 为在后向参考图像中与当前块的左上角样本位置对应的样本 所在的编码块的运动矢量。b l o c k d i s t a n c e r e f 为后向参考帧与当前块在后向参考帧对麻 a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 块的参考图像之间的距离，b l o c k d i s t a i l c e f w 为当前图像与前向参考图像的距离， b l o c k d i s t a l l c e b w 为当前图像与后向图像参考距离。 前向参考帧当前b 帧 后向参考帧 图2 5 帧编码直接模式运动矢量的导出 与m p e g 4 、a v c h 2 6 4 的多参考帧相比，a v s 在不增加存储和数据带宽等资源的 情况下，尽可能地发挥现有资源的作用，提高压缩性能。 2 2 4 运动补偿 a v s 标准采用了十分精细的运动补偿预测技术，主要是宏块划分种类增多，而预测 精度可以达到1 4 像素，最多可参考前向2 帧和采用运动矢量预测技术。可变块尺寸对 运动估计中的准确匹配非常有效，对编码性能提高也非常显著，但同时也因为运动估计 和模式决策更加复杂而导致编码器复杂度大幅升高( 14 1 。对于分辨率视频，较少的划分对 编码效率作用不显著，因此，a v sj i z h u np r o 矗l e 的宏块划分如图2 6 所示。 1 6 1 61 6 88 1 68 8 0 1 o1 o1 23 图2 6 a v s 的宏块划分 从m p e g 4 开始使用1 4 精度插值起，子像素运动估计不断发展，h 2 6 4 a v c 采用 一个6 抽头滤波器来获得1 2 像素样本，而a v sj i z h u np r o f i l e 使用了一个4 抽头滤波器， 这是因为6 抽头滤波器对于分辨率低的视频的效果更好，而对于高分辨率视频，4 抽头 滤波器能达到6 抽头滤波器相似的效果，而4 抽头滤波器的计算度更低且数据读写次 数更少【”j 。 图2 7 给出了a v sj i z h u np r o f i l e 参考图像中整数样本、1 2 样本、1 4 样本的位置， 整数样本位置用大写字表示，1 2 样本和1 4 样本位置有小写字母表示。 1 0 硕士学位论文 o o o o o o oo oo 图2 7a v s 整数样本、l 2 样本、l 4 样本的位置 1 2 样本的滤波器系数为( 1 ，5 ，5 ，1 ) ，水平1 2 点b 与垂直1 2 点h 由最近的整数样 本插值得到，计算过程如下。 首先计算出中间值b 和h ： b = 一c + 5 d + 5 e 一， h = 一么+ 5 d + 5 h k ( 2 4 ) 然后再经归一化和截断运算： 6 = a 矽1 ( ( b + 4 ) 3 ) 办= c 幼1 ( ( h “) 3 ) ( 2 5 ) 其中c 助1 定义为 f o ，c 2 5 5 ( 2 6 ) k 其他 1 2 样本j 由最近的己插值出的1 2 样本插值得到，其插值过程如下【1 6 1 。 首先计算出中间值i ： ，= ( 一6 6 + 5 办+ 5 掰一c c7 ) 7 = ( 一口口+ 5 6 + 5 s 一蒯7 ) ( 2 7 ) 然后在归一化和截断到 o ，2 5 5 】范围内： j = c 印1 ( ( 歹+ 3 2 ) 6 ) ( 2 8 ) 其中a a 、b b 、c c 、m 和s 都是1 2 样本的中间值( 为归一化之前的值) 。 1 4 样本a 、i 、d 、f 由最近的l 2 样本和整数样本插值得到，插值过程如下： q i = e e t + 1d t + 1 b t + e | ，= g g + 7 办”+ 7 i + m ”d = 7 + 7 d7 + 7 办7 + j 厂 ( 2 9 ) = 五办+ 7 6 ”+ 7 + j ” 其中，e e 、g g 、f f 、h h l 为1 2 样本的中间值，d 、e i 、h 哟相应整数样本放大了8 倍的值，h ”、m ”相应位置1 2 样本中间值放大8 倍的值。再归一化和截断运算： o a v s 高清机顶盒平台搭建及a 、，s 编码技术的研究 口= c ，驴1 ( ( 口+ 6 4 ) 7 ) f - a 勿1 ( ( f + 5 2 1 ) 1 0 ) d = c 7 勿l ( ( d + 6 4 ) 7 ) = a 勿1 ( ( + 5 1 2 ) 1 0 ) ( 2 1 0 ) 1 4 样本e 、g 、p 和r 由相对应的十字形位置上的整数样本放大6 4 倍后与1 2 样本 j 的中间值j 求均值后再归一化。以e 为例： p = c f 矽1 ( ( d ”+ + 6 4 ) 7 ) ( 2 1 1 ) 其中，d ”是相应位置整数样本放大6 4 倍的值。 2 2 5 熵编码 熵编码是视频编码系统中必不可少的一个关键环节，它负责利用信息熵原理进行数 据的最终压缩，根据香农信息论的信源编码理论，信源输出符号源是形式上的一种表示， 本质上输出的是信息。通常信源符号在承载信息时存在表示上的冗余。熵编码的目标是 去除信源符号在信息表达上的表示冗余，也称编码冗余。在典型视频编码系统中，熵编 码处于系统末端，负责对编码过程中产生的变换系数、运动矢量等信息进行熵编码，并 完成最终编码码流组织【1 7 】。 熵编码技术主要有三类：第一类是k 阶指数哥伦布编码( e x p g o l o m b ) 编码，第二类 是基于上下文的二维变长编码( 2 d v l c ) ，第三类是定长编码。一般的，对于可变概率分 布的语法元素，将采用k 阶指数哥伦布码来编码，定长码编码则主要用于概率分布均匀 的语法元素；而对于占码流最大部分的量化残差系数则先采用c 2 d v l c 编码，再采用k 阶指数哥伦布编码以得到二进制码流。 a v s 中的指数哥伦布码的比特串分为“前缀”和“后缀”两部分。前缀和后缀都依赖于 指数哥伦布码阶数k 。每一个码字结构都是前一个码字结构最左端加一个0 ，最后再加 一个二进制位。用形式的描述来讲，对于给定的某个非负整数n 和阶数k ，前缀又l 个 o 和1 个1 构成，后缀是一2 ( 2 一1 ) 的二进制表示，后缀需要用( l + k ) 位二进制表示 ( 见表2 2 ) 。其中，l 的定义如下： ：m a x o ，l l 0 9 2 ( ( + 1 ) 2 r + 1 + 1 2 ) 上 ( 2 1 2 ) 表2 2k 阶指数哥伦布码的码字结构 硕士学位论文 a v s 采用基于上下文的二维v l c ( c 2 d v l c ) 来编码8 8 块变换系数。具体编码策略 为：系数先进行z 字( z i g z a g ) 扫描，形成( 1 e v e l ，m 1 1 ) 对；根据l e v e l 绝对值大小选择变长码 表对这些( r 吼，l e v e l ) 对编码；变长码解析k 阶指数哥伦布码时，先根据比特流的当前位 置开始寻找第1 个非零比特，l e a d i n g z e r o b i t s 用来记录找到的零比特个数，然后根据 l e a d i n g z e r o b i t s 计算代码数值c o d e n u m ，这样可以降低多码表的存储空间。 2 2 6 环路滤波 a v sj i z l l u np r o f i l e 的环路滤波是在8 8 块边界进行的。滤波强度由运动矢量、量化 参数、宏块编码模式等决定。滤波时首先对块的水平边界滤波，然后再对块的垂直边界 滤波。a v s 采用自适应的环路滤波技术，先根据块类型计算边界强度b s 值，然后根据 计算出来的b s 值判断应采用的滤波策略。帧间编码滤波较弱，帧内编码块滤波则最强， 而连续性好的块之间则不需要滤波，b s 就有3 个取值。判断如下：若边界的两边存在一 个块是帧内编码块，则b s 等于2 ；若相邻的两个块有相同的参考帧且两个运动矢量差值 小于一个整像素，则b s 的值为0 ；否则b s 的值为1 。b s 等于o 代表不需要滤波，b s 等 于1 和2 分别采用不同的滤波算法进行一定程度的滤波【l 引。 2 3 本章小结 本章是介绍了a v s 编码标准框架，主要采用了混合式编码框架，在技术取舍上对 复杂度性能的平衡上有取舍，实现高效率的视频压缩；然后是研究a v s 视频标准的关 键技术，主要有整数变换与量化、帧内预测、多参考帧预测、1 4 像素插值、变块大小 运动补偿、熵编码、环路滤波等，为编码器的优化提供研究基础。 a v s 高清机顶盒平台搭建及a v s 编码技术的研究 第3 章a v s 编码技术的研究与优化 a v s 工作组已经提出了a v s 编解码器参考模型n n 5 2 ir 1 ，完成了对a v s 编解码技 术的软件实现。参考模型集合了此领域当前研究的最新成果和技术，本章就是以工作组 提供的参考模型n n 5 2 jr 1 来研究a v s 编码技术和对其优化。 a v s 视频编码器广泛应用于数字存储媒体、数字电视广播、多媒体通信、远程视频 监控、网络流媒体等各个领域。由于发展时间较短，a v s 编码器在实际应用中还不尽如 人意，这需要对a v s 编码器进行优化。所以第一步的工作就是对工作组提供的a v s 编 码器参考模型进行结构调整和代码优化，提高编码器的效率。本文对工作组提供的参考 模型m 1 5 2 jr 1 深入的研究并进行代码优化，对整数变换( d c t ) 、熵编码和环路滤波等 主要模块进行了优化。 a v s 编码器的参考软件m 5 2 ir 1 的主流程如3 1 所示。每个宏块先进行帧内或帧间 预测，其预测残差值经过变换量化后被扫描成( 1 e v e l ，m n ) 数对，然后进行熵编码。同 时，对量化系数再进行反量化和反变换处理，再与预测值相加得到重构图像，重构图像 经过环路滤波器送入参考图像缓冲区，用于后续图像参考。 对主流程的说明： ( 1 ) 程序初始化：程序运行前先要分配所有必需的图像缓存( 包括参考帧和当前帧) ， 然后根据配置文件e n c o d e r c f g 的输入参数对a v s 编码器的内部参数进行初始化。对应 函数为：v o i d c o n f i g u r e ( i n ta c ，c h a r 木a v 口) 。 ( 2 ) 帧内、帧间模式判定：通过对输入参数的判定，选择帧内或帧间方式。如果输入 参数为零，则除了第一帧进行帧内编码外，其它所有帧都进行帧间编码；如果输入参数不 为零，则第一帧以及以后的每隔l 帧都进行帧内编码，而其它帧进行帧间编码。 ( 3 ) 编码图像：函数e n c o d e o n e f r 锄e ( ) 复制具体实现编码一幅图像，其内部有一个 非常重要的函数e n c o d e o n e j n l a c r o b l o c k ( ) ，功能是对一个宏块的编码。a