（信息与通信工程专业论文）基于tms320c6416的h264编码器的实现.pdf

：塑：壁垒茎羹：奎：奎耋：些= 墼耋：墼：冀：堡鎏蚤：= = = = = ：= ：； 摘要 2 l 挺纪人类避入了信息化社会，信息以成指数级的“爆炸式”增臣，尤其跫 海量的视频图像信息导致巨大的信息数据与有限的存储介质和传输信道惜宽成 为不。r 调和的矛庙。因此，视频图像压缩编码成为通信领域的一个童点研究方向。 t t u t 的v c e g 和t s o l e c 的m p e g 联合缀成rj v t 共同研究制定了新型视频缢缩国 际标准h2 6 4 ，于2 0 0 3 年3 月正式发布。磊前，对h 2 6 4 的研究每实现已经成为 缉像通信辑究壤域的个热 课题。 i2 6 4 的：个主要鹭扭之是提寿编弼效率，在弼样肫僳真度条科：下，鼍z 均玛 率院现有的h 。2 6 3 褫频压缩标准低5 0 。而耍提藏压缩跑，裁会楣应增加算法的复 杂度，从而对算法的实际应用狠不利。因此，h 2 6 4 算法的商复杂度成为视频处理 在工程应用巾的瓶颈，导致视频处理的实剥性难以实现。 本文剥i 2 8 4 标准进行了研究，采用并行优化技术在1 、嬲3 2 0 c 6 4 1 6 上实现了 h 。2 斛编码器。主要工作包括：( 1 ) 研究h 2 6 4 标准分辑编码器番模块及其采用 的技术细节的计算复杂度，寻求提瘫编码速发的途经：( 2 ) 对h 2 6 4 的j m 8 2 软件 进行算法蕊体优化处理，尤其对于编码速度的瓶颈运动估计进行改进，采爝 不对称多六边形网格浞合搜索算法f u c m h g s 避行整数像素运动估计，采用带余字 塔搜索模式的中心偏置分数像索搜索算法c b f p s 进行分数像索运动估计；( 3 ) 结 合t 懈3 2 0 c 6 4 1 6 的结构特点，在研究并行优化实现方法的攮确之上，对h 2 6 4 算 法的各个具体模块进行汇编语言编程实现。 本文实现的 2 6 4 编码器静能为：在主颧为7 2 0 删z 的t m s 3 2 0 c 6 4 1 8 葚片上对 2 路q c i f 格式舶视频图像进行处理，在一定的保真度条件下，编码速度达到了2 7 5 帻秒。 美键词：h 2 6 4 压缩编码t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 并行优化 第1 页 a b s t r a c t l nt 1 1 ei n f b m 臻t i o ns o c i e t v 曲ei n f o r m 撕o n ，e s p e c i a l y 像ev i d e oi n f o f m a i o ni so n n l ei n c r e a s ew j mav e o c j c yo fe x p o n e n d a lm a g 商t u d e a m d 打i s 把oi a r 窖et os t 8 站o r t r a n s m i ts ot h ev e d i oc o m p r e s s i o nc o d i n gi sb e c o m i n gaf o c u si n 】ec o m m u i l i n o n r e s e a f c hl nm a r c h2 0 0 3 ，j v t ( j o i n tv i 如ot e 丑丌1 ) o fi n j _ ，rv c e g ( v i d e oc o d i n g e x p e 瓜g r 0 岬) & l s ( ) ，l e cm p e g 跚。硅o np i c n l r ee 印e r t sg f o u p ) p 曲l i s dav i d e o c o m p f e s s i o nc o d m gi n t e m a n o n 出s t a n d a r d ，w h i c hw 谢b e t w oi d e n t i c a ls t a n d a r d s ：p a r t 1 0o f i s0 i e cm p e g 4 肌di t u t h2 6 4 h2 6 4o 矗b r ss i 鼯1 i f i c 蚰t l vb e 札e rv i d e oc o m p r e s s i o ne 辑c i e n c yt h a nm ep r e v i o u s l t v 。ts t a n d a r d sa n dm p e gs t 拍如r d s ，b u ti t s m p u t a l i o n a lc o m p l e x i t vi st o ol a 瓣f o r i m p l e m e n t a t i o n s ot h ec o m p u 伽i o n a lc o m p l e x i 母h a sb e c o m et h eb o t h e n e c kr o rt h e i m p l e m e n t a t l o no fh 2 6 4e n c o d e ri ne n g i n e e r i n g e s p e c i a l l yi ti sl l a r df o r t h e i m p l e m c n t a t i o ni nr e a l 一t i m e b a s e do nt 1 1 e i n a l v s i so f 2 6 4 ，t h e 哺c o d e ri si m p l e m e 曲钳o n 哥以s 3 2 0 c 6 4 1 6 w i t h p a r a l l e l i n g a r i t h m c t l ca n do p t i m i z a d d nm e t h o d sm o r e8 p e c 讯c a | 1 y t 碓s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h e 观a l y s i so fh 2 6 4 ，t l l ee 鼠c to nc o d i n ge 矗i c i e n c yb ym ek e y m o “l e so f h 2 6 4i sa l l a l y z e d s e c o n d ly f o f 也ep u 肾o s co f i m p r o v i n g 斑ee m c i e n c yo f h2 6 4e n c o d e r ，w eo 口t i m i z e dt h ch 2 6 4a r i t l l m e t i c e s p e c i a l l yf a s tm o t i o nc s t i m a t i o ni s i m p m v e db yu s | 1 1 9h u c m h g s ( h y b r i du n s y m m e t r i c a l - c f o s sm u l t i - h e x 艇f o n g r i d s e a r c h ) f o ri n t e g e r 础m o t i o ne s t i m a t i o na n d 懈i n gc b f p s ( c e n 证rb i a s e df r b c t i o n a l p e is e a r c h ) f o rf r a c t i o n 蕾p e im o 畦o ne s 硅m 娟o n ，n i i r d l y tm op a r a l l e i i n ga 蛀t h m 矗i ea n d o 口t i m i z a l i o nm e m o d so fh 2 6 4a r es t u d i e d b a s e do nt h ec o n 丘g u r a t i o nf e a 乱l r e so f t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ，t h ee n c o d e ro f h 2 6 4i si m p l 锄e n t e db yu s i n ga s s e m b l yl a i l g u a g c 甜i eh 2 6 4e n c o d e rt l a w oh a 垤i m p l e m e n e do nt m s 3 2 0 c 6 4 1 6h a sah i 曲 p r o c e s s i n gs p e e d + i tc a nc o m p r o c e s s2 7 5 加m o so fq c i fv i d e oi m a g e sp e rs e c o n d 伽 r e a i t i m ew h e nt h ec p u 雠q u e n 纠o f n 订s 3 2 0 c 6 4 1 6i s7 2 0 m h z k e y w o r d s ： h2 6 4 c o m p 燃s i o n d i n g t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 p a 陷i i e l i n g 0 d t l m i z a t i o n 第1 l 页 闺防辫学技术大学研究生院学搜论文 图目录 髑2 + lh 2 6 4 的时域图像结构 图22 宏块中4 x 4 予块预测顺序 圈2 - 34 x 4 子块及相邻像素 圈2 44 4 子块亮度预测模式方向 图251 6 x 1 6 宏块亮度预测模式 潮26 宏块位瑟图一 幽2 + 7 宏块分割：1 6 1 6 ，1 6 8 ，8 1 6 ，8 x 8 圈28 宏块子分割：s 8 ，8 4 ，4 3 ，4 4 图29 亮度信号l ，2 像豢位置 图2 。1 0 亮度信号l 4 像素位置 图2 1 l 亮度信号1 馋像素位簧 图2 1 2 色度信号l 8 像素位置 图21 3 当前和邻近分割( 间样分割大小) 朦21 4 当前和邻近分割( 不同分割丈小) + 圈21 5 扫描方式：a 简单z i g z a gb 双z i g _ z a g 圈2 + 1 6h 2 6 4 编码器变换与量亿过程 匿2 1 7 h 2 6 4 解鹏糕反变换与反量化过程，。 熙2 1 8 c v l c 编玛流程图 图2 1 9 l 2 6 4 编码器结构框图一， 熙22 0 h _ 2 6 4 解码器结构框图。 嘲3 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 结构概嗣， 圜32t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的c p u 缝构幽 图3 3 r m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的c p u 数据通路 圈3 4 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t d s k 板结构框图 图4 1 运动矢鼙预测参考块位薰 潮4 2h i ，c m h g s 算法的搜索过程，w = 1 6 圈4 31 6 点六边形模式( 1 6 h p ) 图4 。4 c 雕甲s 算法 翻4 54 4 予块亮度歌测数据并章子。 矧4 61 6 1 6 宏块亮度预测数据并行， 图47 j m 8 2 中1 6 1 6 宏块亮度预测流裎 嘲4 8 并行优化后1 6 x 1 6 宏块亮度预铡漉程 嘲498 8 块色度预测数据并行，。 图41 0 并行优化后8 x 8 块色度预测漉程，。 圈4 1 14 x 4 子块b i n d c t 并行示意幽， 溷4 1 2i 6 x 1 6 宏块b l n d c t 并行示意圈 图4 1 38 8 块色度b i n d c t 并行 图4 1 4 驳缓存乒乓结构， ，1 4 1 5 1 5 1 5 1 7 1 8 1 9 1 9 2 0 一 2 1 2 2 。2 3 2 4 2 4 2 5 ，2 5 。2 6 2 7 一2 9 3 0 3 3 3 4 3 5 3 9 5 3 5 3 5 4 s 4 6 3 6 3 6 5 6 5 6 6 6 7 7 0 7 0 ，7 l 7 2 凰防辩学技术大掌研究生院学做论文 第一章绪论 l 。l 弓l 吉 2 i 世纪人类进入了信息化时代，随著信息技术的飞速发耀，多媒体通信技术 给人们的生活、圈家的经济和军事带来了深瓣的变革。数学纯信息带来豹“信息 爆炸”，导致巨大的数据率运远超出传输信遵带宽豹容量，= 。者之闾豹矛麈成为多 媒体通信技术发艘的主要瓶颈。 当馥，电视会议、可视电话、数字高清电褫 玎) 1 v 、i p w 、远程监控、远程 医疗、3 g 通信等方兴未艾，正逐步走进人们豹生活。以数字离清电视h d 下v 为倒， 国家广电总蜀宣布全谣摧广数字离清电幌曲1 v ，到2 0 1 5 年终止模拟电视节目的 掇放，2 5 年底即将出台数字高清电视 d t 、7 节犀的嚣家标准。若以i t u ，r 7 0 9 格式( 分辨率1 9 2 0 1 0 8 0 ) 、n t s c 制式、4 ：4 ：4 采样、帻频3 0 帧秒的彩色视频 为标准，则鹾始数据流量高达1 5 g b p s 。一张d v d 兜碟仅能存储3 秽的原始视频 嘲像；若l 叫刚传输1 0 0 套电视节目，其巨大的数据率远远超出当前的通信信遵带 宽。为解决视频图像数字化处理蕊数据的存储与传输难题，必须对原始视频图像 进行压缩处理。 1 2 图像视频驻缩编码技术的发展历史与现状 21 图像视频艇壤编码技术的发展历史 1 9 4 8 年，s l l a n n o n 和他的两个学生o l i w r 与p i m e 联合发表了对电视信号进 行脉冲编码调制( p c m ) 的论文“3 ，这标卷糟数字图像压缩编码技术的开端。1 9 6 9 年在美强举行的酋届“图像编码会议”表明黧橡编码以独立的学科跻身于学术弊。 半个碴f 纪以来，图像编码技术草已走出实验室，广泛应用于信患社会的各个领域。 1 9 6 8 土j 三h c a n d r e 聃憾等人提出变换编码“i ，最用的是二维离散傅曩时变换 ( 2 d + d f t ) ，龀蜃辋继出现了其他的变换编码方法，其中包括沃尔于f 一瞧选玛 ( w a l s 卜 k d a m 删) 变换”3 、k l 变换、二维离散余弦变换( d c t ) 等；7 0 年代开 始进行帧问预测编码的研究；8 0 年代开始对运动估计( m e ) 算法、模型编码进行 研究。 国际电话电报咨询委贯会( c c r n 、，现并入国际电信联盟i t u ) 于1 9 8 8 年形 成草案、1 9 9 0 年通过主要针对可桡电蠢和电视会议的h2 6 1 标准，这是图像压缩 编码技术走向实用化的重要一步，也是图像压缩编码5 0 多年研究成果的结晶。9 0 年代桐继出现的m p e g 1 、m p g 2 、m p e o 4 和h 2 6 3 等郡是在h ，2 6 l 麴基础上 第l 页 国醣科学技术大学研究生院学位论支 发展和改进的。这些国际标准普遍采用的混合编码技术也是当今最实用的高效编 码方法，得到了广泛的推广和应屣，已成为当今翻像视频压缩编码方法的主流。 1 ，2 2 图像 觅频压缩编码技术 图像视频艇缩编码跌1 9 4 8 年电规信号数字纯提出以来，经过了5 0 多年的发 展，不仅在理论上取得了霞大进步，而且在实际中得到了广泛地应用。 表征图像，视额信息的数据量之大是惊人的，而这些数据往往是高度糟关的， 这些相关性导致了信息的冗余。对于视频图像米说，除了时间上和空间上的冗余 外，还存在信息熵冗余、结构冗余、知谈冗余、视觉咒案等“1 。图像视频压缩编 弼的目的是去掉数据中的冗余信息( 去掉数掇间的相关性) ，保錾相互独立的信息， 在保证定重构图像质量的前提下，以尽璧小的比特数表征图像，视频的信息。 传统的第代磁缩编码技术以香农( s h a n n o n ) 信息论为基础，在标准化、产 业忧过程中已取得了巨大成功。目前建立在一种广义信息论基础上、基于内容的 第二代编码技术也丁f 在走向成熟。第一代编码方法8 j 主要有以下几种编码方法。 l 、统计编码 数据压缩技术的理论基础是信意论。根据信息论的原理，可以找到最佳数据 援缩编码方法，数攥压缩的理论极限是信息熵。如果要求在编码过程中不丢失信 息，则要求保持信息熵，这种信息熵保持编码就是熵编码。它是建立在随机过程 构统汁特性基础之k 的。图像编玛中应用最广的有哈夫曼( h u 塌m a n ) 编码、算术 编码( a c ) 、游程编码( r l c ，r u ni 舯g mc o d e ) = = = 种。 2 、颧测编码 预测编码方法是一种较为实用且被，4 泛采用的压缩编码方法，其理论基础主 要是现代统计拳和控制理论。其基本原理是扶楣邻像素之挪的耜关性考意，如当 前像素的荻度或色度信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处予边界状 态。那么当前像素的坎度或色度信号的数值，可用前丽已出现的像素值进行预测 得到一个预测值，将实际值与预测傻求麓，对这个差僚信号进行编码、转输，这 种编码方法称为预测编码。一般膏线性预测和非线性预测两种，其中线性预测编 码方法也称为差分脉冲编码调制法( d p c m ，d i 艉r e n i 啦p u l s ec 。d em o d u l a t i o n ) 。 3 、变换编码 变换编码不是囊接对空域图像信号进行编码，而憩首先将空域鞠像信号映射 到另一个正交矢量空问( 变换域) 中，产生一批变换系数，然后对这些变换系数 进行编码处理。庄缡码端将原始图像分割成若干个子图像块，每个子蟊像块送入 难交变换器作聪交变换，变换器输出变换系数经滤波、量化、编码后送信道传输 到接收端，接收端作解码、逆变换、综合拼接，恢复出空域图像。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 变换编码巾，正交变换是影响编码效率的关键。正交变换中综合性能优良的 有：离散余弦变换( d c t ) 、小波( w a v c l 。t ) 变换等。k l 变换是均方误差准则下 的鼹仕正交变换，当蚓像相邻像素闻的相关系数接近l 时，k 。l 变换的糕蕊数接近 d c t 变换的基函数。对于通常的图像，人们将d c t 变换视为准最佳正交变换，由 于d c t 变换存在快速算法，且易于硬件实现，被广泛应用于多种图像视频编码国 际标准中”。 l 述统计编码、预测编码、变换编码的组台町形成混台编码，是目前绝大多 数视频隆】像编码标准的基础，j p e g 、m p e g _ x 、h2 6 x 等都采用集预测、估计、d c t 变换和统计编码于一体的混合编码方法。这些编码方法都是依据视频图像固有豹 特睦进行压缩娃瑷，但仍远来成熟。伴随着感翔生理心理学的发展，人们越来越 清楚的认识到；人的视觉感知特性和统计意义上的信息分布并不一致，统计p 需 要更多信息量对能表征的特征，对视觉感知可能并不重要，从感知角度来讲，无 蠢详细表征这部分特征。这畦压缩技术的研究就突破了传统信息论的攥架，注重 对感知特性昀利用，即利用所谓的“感知熵”理论，使得压缩效率得以极大提高。1 。 随着数学理论，如小波变换、分形几何理沦、数学形态学等以及模式识别、 人工智能、生理心理学等学科的发展，高效的第二代疆缩编码方法相继产生。如 分形编码、摹十骥型的编码、萋子对象的缟硝等，这里不再详鳐赘述。 2 3 评价视频图像质量的性能指标 实际上在视频图像编解玛、传输过程中都可能导致失真。如何客观的度量这 种失真，并且使客观度量结果和入的视觉感受一致，是视频编码、视频通信领域 的一个重要问题。一般来说，视频图像质量评价方法分为客观评价方法和主观评 价方法。 对于静止图像的客观评价是蠲重构图像偏离原始图像的误差来衡量的，常用 的有均方误差( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) 。 ( 1 ) 均方误差的定义为： 脚2 击善萎陟u 卜腑d r ( 1 1 ) 式中m ，图像宽和商的像素点数； ，【j ，j 艨始图像的灰度值； ( f ，j ) 裁建图像的灰度值。 ( 2 ) 峰值信噪比的定义为： 第3 页 国防科学技术夫学研究生臻学位论文 ，v e e 只s 豫= 1 0 l o g ，= = = = 二 埘珏 ( 12 ) 式( 1 1 ) 相( 12 ) 看起采直观、严格，但这种计算独立于图像的内容，评价 的结果往往和人的棍觉感受不一致。这是因为均方误差m s e 和峰值信噪比p s n r 是从总体上反波漂始圈像和重构匿像的差别，并不能反映局帮差别，比如较少躺 像素点有较大的灰鹰篮或较多的像素点有较小的灰度差等各种情况。 两丰蕊评价方法蹙自评价者直接对幅雕像或一段视频避行观察。藏感觉上 去度量其失真程度，给出质量评价级别，对所有评价者给出的分数进行加权平均， 所譬结果即为主观评价缝襞，如衰1 1 所示。这种评价结果必然符合a 的视觉感受。 但这种主蕊感受方强不能j ； j 数学模型对其进行描述，不能矗接用于视频图像鹾 缩编码过程中的质量评价与控制；辩一方狮，主观评价容易受到评侨密静主观因 素的影婀，妇年龄、性格、教商程度、背景以及评绘时的心情等。蹦而这种评价 方法在实掰应用中受到了锻大鲍限翩，甚至根本不适合菜黪应用场合。 表1 1 主巍目0 试分级标准 i 级别质量攒伤 比较 5优不能觉察好得多 4良刚觉察不讨厌掮同 3 巾 有点讨厌旗坏 2改根讨瑷 环 1劣不能嗣 蝽褥多 人的税觉能力有限，在一定的条件下，一定的视频失真人眼搬本无法觉察出 来，所以剥视频质量的主观评价和客观度量币同点在于人眼的视觉特性，其中之 是视觉掩蔽效应。虫于视觉掩蔽效痘，一定的视频失真被掩蔽掉了，从主观评 价的角发看，这部分损伤并没有计入视频失真之内。丽从客观度量评价的角瘦着， 任何偏离原始视频的误差都被认为是失真这是主客观评价不一致的主要原因。 1 24 图像视频蕊缩编鹤的国际标准 近年柬，羽际标准化组织( i s o ) 和同际电信联缀( i n ) 先后制定了多个蹰 像视频编码的标礁。如二值嬲像编码标准( j b i o ) 、静止图像编码标准( j p e g 、 j p e g l s 和j p e g 2 0 0 0 ) ，以及各种蔫粕视频序列的压缩标准。下面简单介绍视频压 缩编码的标艟“”。”。 ( 1 ) h2 6 l 标准 h 2 6 l 建议是国艨电话电报咨询委员会( e c i t t ，现并入酮舔电信联盟i t u ) 于1 9 9 0 年通过的，其瘦用嗣标主要针对可辊电话鄣电裁会议。传输速率为 第4 页 薅防秽学技术大学碗究生鲵学位论文 p x 6 4 k b p s ( p 为整数) ，可根据倍道带宽米调楚图像质量，以达到刚好吻合的程度。 ( 2 ) 2 6 3 据准 h2 6 3 是i t u t 于1 9 9 6 提出的作为h 3 2 4 终端使用的视频编解碣建议。h2 6 3 在h 2 6 1 建泌的基础上将运动矢量的搜索增加了l ，2 像素点搜索，同时又增加了 无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和p 、b 帧编码等四个高级 选项，从丽达到了进步降低码速率和提商编码质量的目的，使冀更适合于i p 视 频会l 义、可视电活等藏用。 h 2 6 3 视频编码标准是专为中高质煮运动图像压缩所设计的低码率图像蕊缩 椽准。与h2 6 l 的p 6 ；4 k b p s 的传输码率相比，h 2 6 3 的码率更低，单位鹦率可以 小予6 4 k b 口s 。且支持的原始匿像格式更多，包括了在视频和电视信号申常见的 o c l f ，c 王f ，h d i v ，i t u - r 6 0 l ，l t u - r 7 0 9 等等。 l i 2 6 3 采用图像，税额压缩编码中常冕的编码方法将编码过程分为蜮内编码 和赖鲥编妈两个部分。h 。2 6 3 的编码速度快，其设计编码时延不超过1 5 b m s ；码率 羝，在5 1 2 k 乃至3 8 4 k 带窗f 仍可得到棚当满意的圈豫效果，十分适用于蒜要双 向编解码并传输的场合( 如：可视电话) 和网络条件一般的场台( 如：远程监控) 。 ( 3 ) m p e g 。l 标准 m p e g 1 标准怒i s o i e c 的m p e g ( m “o np i c t u f ee x p e 啦g f o u p 运动图像专 家缀) 缀织制定的第一个视音频压缩国际标准，1 9 9 0 年1 2 月完成了标准草案，最 后文本予1 9 9 2 年n 月出版。主要为视频存储媒体如v c d 制定，该标准能够适应 变硝流的处理，箕主要目的是把2 2 l m b 舻的n t s c 图像噩缩到l2 m b p s ，压缩率 为2 0 0 ：l 。这是图像压缩的工业认可标准。它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制式为3 5 2 x 2 4 0 ；对予p a l 制式为3 5 2 2 8 8 ) 的嘲像进行压缩，传输速率为1 5 m b n s ， 每秒3 0 帧，具有c d 酱质，质量级羽基本与v h s ( j “播级袋像带) 相警。m p 王 g 的编妈速度最| 萄可遮4 5 m b d s ，但髓着速率的提高，其鳃码后的闰像质繁有所簿 低。m p e g 1 标准宅要包括系统、视频编玛、齿频编码等凡个部分。 应用m p e g 1 技术最成功的产品非v c d 莫属，v c d 作为价格低廉的影像措 放设备，得到广泛的应用和普及。m p b g 1 也被厢予数字电话网络上的视频传输。 如非对称数字掰户线路( a d s l ) ，搅频点播( v o d ) ，以及教育随络等。 ( 4 ) m p e g 2 标准 m p e g 2 标准的制定始于1 9 9 0 年7 胃，与此同时i t u 也开始采用a r m 异步 俦输模式垂冬视频编谒建议( h 2 6 2 ) 的制定工作，后来m p e g 和l t u 决定联手开裂 m p e g 2 的标准制定工作并于 鲫4 年1i 胃正式推出。m p e 6 2 能够提供传输搴 在3 m b p s 1 0 m b p s 之闯，分辨率选7 2 0 x 4 8 6 或7 2 0 x 5 7 6 时提供广播级的圈像质最 和c d 缀的音质。m p e g 。2 的另一特点是，玎提供一个较广范溺的可变压缩比，班 第5 页 国簖科学技术大学研究生院学位论文 适成不同的画瓤质最、存储容量以及带宽的要求。该标准己经在计算机、多媒体 通信、 l7 v 以及交互电视技术等专业领域褥刭广泛应用。目前广泛应璃的d v d 技术标准，其视频编稿采用的是m p e g 2 的视频编码技术，瓤其音频编码采掰的 是a c - 3 技术，此外m p e g 一2 还可用于为广播、有线电视网、电缆弼络数及卫星壹 播提供广搔级的数字视频。 ( 5 ) m p e g 一4 标准 m p e g 4 嗣际标准盼制定始予1 9 9 8 年1i 月。m p e g 4 的本意是制定在蒹低比 特率下的视齿频编褊标准，但为了满蔗等今世界越来越多的视听材料要以数字形 式进行相互交换 f j i 产生的种种嚣求，其目标已经彻底改变。相对于m p e g 的薪掰 个标准，m p e g 4 已经不再燕单纯的视频音频编解码标准它更多定义的燕一释格 式和框禁，而不是具体算法，从雕为多媒体数据压缩提供了个受广泛的平台。 它揉台了各种现有的多媒体技术，包括压缩本身的一些工具、算法和图像分析与 合成、计算机裰拦、计筻枫图形、虚拟现实、语音合成等技术。其主要特征是基 于对象的编码和鏊予模型的编碍；还提供了一些基予对象的分级功能，以适应无 线网耜互联网等窄带阚的传输。 经过这几年的发展现在最热门的应用是利用m p e g ，4 的离压缩睾和商图像 还原矮量柬把d v d 里面的m p e g - 2 视频文件转换为体积更小的援频文件。经过这 样妊理，图像的视频质量下降不大但体积却可缩小，可很方便地用c d r o m 来保 存d v d 上新的节目。m p e g 一4 还可应用在家庭摄影录像、网络实时影像播放。 ( 6 ) m p e g 7 标准 m p e g 7 标准称为多媒体内容描述接鼹，于1 9 9 8 年提出，2 0 0 1 年1 2 月制定 成为标准草案。力闰对各种不同类型的多媒体信息进行豁推化的强述，以便实现 快速有效的检索。m p e g ，7 还定义了一个标准描述符集合用于撼述备静类型的多搽 体数据，与之相应的描述方寨用于规范多媒体描述符的生成和不问描述符之闰莳 有机联系。在此基础上，它逆定义了一套标准的语言描述定义语言( d d l ， d e s c r i p t i o nd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) ，用于说明描述符和描述方案，保证其被来用的扩 震性和较长的生命周期。 ( 7 ) m p e g - 2 l 标礁 琏着多媒体应用投术的不断发展，有关多媒体的标准层出不穷，这些标准涉 及到多媒俸技术的方方面面。备种不翅的多媒体信息分布式地存在于垒球不潮的 设备上，要想通过异构嘲络有效的传输这些多媒体信息，必然需要综合地利用不 同层次的多媒体技术标准。露现骞的标准能否相互衔接，这需要一个综合性的栎 - 畦来自 ! 以协调。于是在1 9 9 9 年1 0 月的m p e g 会议上提出了“多媒体框架” ( m m 矗m e d i a f r a m e w o r k ) 的概念。之后，这个工作黪方向棱确定为m p e g 2 l 。它 第6 贾 躅防科学技术大学研冤生院学位论文 的主要目标是：讨论是否需要和如何将协议、标准、技术等不同的组件有机的结 台起来，讨逢是否需要耨盼髋蒋，以及讨论在其备上述祭僻的薛挺下如何将不同 的标准集成往一起。 表1 2 近年来发布孵或正在制定的概频图像编码标准 标推代号标准名称制定组织_ 形成日期 j b i g p r o g m s s v eb i l e v e li m a g ec o 瑚p 他s s i o n i s o 冉t u 玎1 9 9 l d l g i t 甜c o m p 摊s s i o na n dc o d i n go f j p e gi s o 1 1 j t 1 9 9 2 c o n f i n u o u s 0 0 n es t i l ll m a g e j p e g 2 0 j p e g 2 0 0 01 m a g ec o d i n 誊s y 髓0 mi s o 下u t2 0 0 0 h2 6 1 v i d e oc 。d e ct 0 r a u d i o v l s u a ls e i c ea t p + 6 4 k b p s r r u - t 1 9 9 0 h2 6 3v i d e oc o d e cf o ri 。o wb i tr a l ec o m m u n i c a t i o ni t u t1 9 9 6 l 2 6 4a d v a n c e d d e oc 喇i n 量j v t2 0 0 3 c o d i n go f m ov l n g 豫缸曙sa i l da 辩o l ：i a 忙da l l d i o m p e o 1l s o e c1 9 9 2 f o rd g 阳is | o r 8 9 em e d a 叩t o15 m b i t 幽 o e n e r j c c o d l “go f m o v l n g p i 咖r e s 卸d a s s o c i a t e d m p e g - 2 i s c 加e c1 9 9 4 a 酬| oj n f o m l a t 0 n m p e g 4 c o d n go f a u d i o - v s u a lo b j e c l s i s o 捶e c1 9 9 8 m p b o + 7 m u j l m c d 谊e 册t 期d e s 叫饼j 棚肺把如c e j s o 侄c2 0 0 l m p e g - 2 1m u i t i m e d i af f a m e w o r ki s o 靠b c 1 3 视频压缩标准h 2 6 1 圭豹提出及成用领域 视频会议、数字存储媒体、电视广播、交要式网络流l c 及透信等应用领域对 于视频压缩编码方法的更高要求曰益增大，为了充分提离编码效率和增强抗网络 传输的鲁棒性，需簧提出个新的褫频瑶缩的行业标准。r r u - t 成立视频编码专家 组( v c e g ，v 避e oc o d i 珏ge x p 蝌sg u p ) 制定新的视频编码标准，有兰个主要的 强标：语法定义德擎清晰，避免过多的选择摸式和子集；提高编码效率，在同样 沟保真度条 牛下，平均码率北现有的h 2 6 3 视频压缩标准低s o ：改避h 2 6 3 秘 m p e o 一4 在无线网和互联网应用中所暴嚣出的不足。h 2 6 4 标准“1 即应这种要 求而产生1 9 9 8 年】月份开始草案征集，1 9 9 9 年9 月完成第一个牮案，2 1 年5 月制定了其测试模式t m 0 8 ，2 1 年1 2 胃v c e g 和m p e g 组成联台视频小缎 ( j v t j o i n tv i d e ot e a m ) 共同开晨h 2 6 4 标准的割定工作2 0 0 2 年6 胃的j v r 第5 次会议通过了h 2 6 4 的f c d 扳，2 0 0 3 年3 胃正式发布。它的用处在于可以使 税颧数撰作为一种计算辊可处理的数据形式，可以存储在各种存储媒体上，可以 第7 页 娜骑科掌技术大学研究生院学位论文 展性、可升级性低；采用d s p 通用芯片可扩展性、可升级性好，调试方便，但需 对算法程序进行优化经理才能保证宴时牲要求。 t m s 3 2 0 c 6 4 x “”系列芯片是t i 公司推撞 的新一代适用于并行处理的定点数字 信号处理器。它聚用v e l o c i t i 2 体系结构，具有如下特点：片内拥有两个各自独立 的数据通道、两个寄存器组( a 、b 各3 2 个寄存器) 、四个功能单元( l 、s 、d 、m ) ， 辑个数据通道之间含有晒个数据交叉通道；采用超长指令字( v l l w ，v e r yl o n g l n g 咖c t i o nw a r d ) 结构每个时钟周期最高可提供8 条3 2 使指令，总字长为2 5 6 位的指令包同时分配到8 个并行处理单元；具有双1 6 b i t 扩充功能，芯片能在一个 周期内完成双1 6 b “的乘法、加谶法、 k 较、移位等操作；采用l l ，l 2 掰级高速缓 存继构：1 6 k b y t e 程序高速缓存l l p 、1 6 k b y t e 数据商速缓存l l d 、1 0 2 4 k b y t e 内 存l 。2 ( s r a m c a c b e 可设置) 。t m s 3 2 0 c 6 4 x 系列芯片性能是目蘸、弛内先导一 r m s 3 2 0 c 6 2 x 系列的1 0 倍，非常适用于m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 等视频编解码 器，其市场应用前景十分广泛。 1 _ m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片主频可选1 i g i z ，最高处理能力高达8 8 0 0m i p s 。 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为关键的3 ( = 无线算法集成了协处理器：珊b o 协处理器( t c p ) 究 成无线数掘信道的伢b o 解褐；v n e f b i 梅娃撰器( v e p ) 完成无线语音信递的卷积 鹪弼。 t m s 3 2 0 c 6 4 xd s p 指令集是州s 3 2 0 c 6 x t md s p 指令集豹超指令集+ t i 的 c c s “7 1 ( c o d ec o m p o s e rs u d 沁) 集成开发环境( i d e ) 提供了业界最完备和先进的 开发工其组，方便了d s p 代码的执行。而且c c s 平台包括了优化c 编译嚣，可以 斑c 源程序进行开发调试，大大提高算法的开发速度和可读性，方便软件的调试、 修改：同时可以在该c c s 平台上用汇编语言进行开发，更为合理的利用芯片硬件 资源，提高代码执行效率。 1 5 本论文的主要工作及论文结构 本论文以l t u t 成立的视频编码专家组v c e g 和m p 嚣o 联合组成的联合视频 小糕f v t 公稚的 2 6 4 视频鹾缩编码标准为基础，以j m 8 2 软 譬为范本，结合j m 9 5 的最新修正，对h 2 6 4 视频惩缩编码器的并行优化实现展开研究。h 2 6 4 主要目橛 之一是在同样的保舆度条件下提高编码效率，而要提高压缩比，就会相应增加算 法盼复杂度，从而对算法的实际开发应用很不利。因此本文= l 三要研究h 2 6 4 编码 器各模块和各技术细节的讨算复杂度，并对h 2 6 4 编码器进行总体优化；分析了 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的硬件结构和软侔开发规范；研究了并行算法和并行优化的具体方 法，列h 算法的实际开发应用很不利。因此本文=l三要研究h264编码 器各模块和各技术细节的讨算复杂度，并对h264编码器进行总体优化；分析了 函骑科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 选定j m 8 2 软件作为实现h2 6 4 视频眍缩编码器的基本规范，利用j m 8 2 软件进行视额的编解码，实现了卟从鞫像源处理、编码、传输到辩码及显示的 实验系统，并分析其颈溅、变换、燕化幂隹熵编弼模块中的其体技术细节。 ( 2 ) 在实验中分析 f 。2 6 4 标准豹若干教术细节对编码嚣速率的澎响，提出算 法总体的优化方案。戈其对于影响编码计冀量最大构运动链计模块进行改进，采 用不对称多六边形阚格混台搜索算法( h u c m h g s ： 蜘一du n s y m m e 蛾c a l 。c s s m l 埘- e x a 9 0 mg r i ds e m 曲) “”避行整数像素运动估计，劳袋用早期终止策略：采 用带金字搭搜索模式的中心偏置分数像索搜索葬法( c b f p s ：c e n t e rb i a s e d f r a c t i o n a lp e ls e a r c h ) “进行分数像素运动绉计。在研究并行抗化实现方法的基础 之上，对h 2 6 4 算法的各个其体模块进毒亍并行优化实现。 ( 3 ) 结合t m s 3 2 0 c 矾1 6 的结 訇特点，采用并行优化技术进行汇编语营缡程， 在t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 上实现了h 2 6 4 整个编码器。 本论文共分为五章，各蕈的内容安排如下： 绪论部分介绍了本文的研究背景视频图像骶缩编码技术的历史与理状：视 频匿缩编妈的技术、评价视频质量的性能指标及相关视频撩缩编码的国际标准， 视频压缩标准h 2 6 4 的提出及应孀领域，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片简介，论文的主要陡 容以及结构安排。 第二章介缓 2 6 4 豳际标准的发展以及分析其各个模块的技术细节，并实现 了j m 8 2 软 牛从视频源处理、压缩、传输到解码和显示的视频压缩实验系统。 第三章介绍了t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片的基本结构，总结了其适于并行处理的硬件 特点。介缁r 镬件开发工具下m s 3 2 0 c 6 4 1 6 td s k 扳和集成开发环境c c s 3 o ，分 析了适宜并行运 亍的指令。最詹介绍了对t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片进彳亍软件编程的一般 规范及l 转资源对编程的限制。 第四章分析r 导致h 2 6 4 算法复杂的具体技术细节，在实验中分析采用算法 总体优纯的方案。在研究h 2 6 4 算法和并行优化技术的基础上，结合t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的结构特点，提出了h 2 “算法的并行优化实现方法。最后在工程实践基础上， 介绍了h2 6 4 算法嚣模块的并行实现和优化效果，以及h ，2 6 4 编码器最终在d s k 扳上的编码性能。 鳆后对全文进行了总结，接出了目前存在的闻题，弗讨论进步的研究方淘 和关键技术难点。 第l o 页 国防辩学技术丈学研究垒稼学位论文 由l 预测得到。 模式2 ( 直流预溅) ：如果a 、b 、c 、d 、i 、j 、k 、己都在该块所在的片内， 则泼4 4 亮度块的所有像素的预测值均为( a + b + c + d + l + j + k + l h ) 3 。如果a 、 b 、c 、d 不在该片内雨i 、j 、k 、l 在该片内，则该4 4 亮度块