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1、6 5 22 0 0 5 中国控制与决策学术年会论文集P r o c e e d i n g so f2 0 0 5C h i n e s eC o n t r o la n dD e c i s i o nC o n f e r e n f B基于M P E G 一4 的数字视频压缩系统的设计高丙坤1 ，姜春雷“2( 1 大庆石油学院电气禽息工程学院，黑龙江太庆1 6 3 3 1 8 i2 东北大学信患科学与工程学院，疆宁沈船i 1 0 0 0 4 )摘薹：针对M P E G - 4 标准提出了一种视颧压缩的方法采用D S P 与F P G A 相结合的方式设计了实现方案，D S P 芯片实
2、现M P E G 一4 的数字视频压缩墙码及完成单时钟的运算和控制F P G A 功能，而F P G A 则完成多个时钟周期的运算功能这样可充分发挥各自的优势视频辖玛算法采用了小欢壹换实验表明，谚系统极大地提高了数字视频压缩的效率，满足了系统可扩展性的要求关键词：M P E G 一4 f 视额压绾 小渡变换ID S P ；F P G AD e s i g no fv i d e oc o m p r e s s i o ns y s t e mb a s e do nM P E G - 4G A OB i n g k u n l 。J I A N GC h u n l e i l 2( 1 C
3、 o l e go fE l e c t r i c a la n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，D a q i n gP e t r o l e u mf n s t i t u t e ，D a q i n g1 6 3 3 1 8 ，C h i n a l2 S c h o o lo fI n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y S h e n y a n g 1
4、1 0 0 0 4 ，C h i n a C o r r e s p o n d e n t ：J I A N GC h u n - l e i ，E m a i l ；l e o j c l 1 6 3 c o r n )A b s t r a c t ：Am e t h o do fv i d e o c o m p a c ta n du n c o m p a c tb a s e do nM P E G 一4i si n t r o d u c e d A d o p t i n gt h eD S P F P G Ac h i p t h ed i g i t a lv i d e
5、 oc o m p r e s s i o nd e s i g ni sa c h i e v e d F P G Ac o m p e m st h et a s ko fm u l t i p l ycr o c kp e r i o d so p e r a t e ，w h i l eD S Pc h i pa c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o no fb o t ht h es i n g l ec l o c kp e r i o do p e r a t ea n dt h ec o n t r o lo fF P G Ar e l
6、 o c a t e dc a l c u l a t i o n A d o p t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，t h ec o d i n ga l g o r i t h mi sr e a l i z e d T h i sc a nm a k eas u p e r i o rp e r t o r m a n c e K e yw o r d s lM P E C - 4 ；v i d e oc o m p r e s s i o n D W T D S P F P G Al 引言M P E G 一4 标准是新一代
7、的视频压缩标准，它采用新的视频编码技术，对传统视频的压缩算法和软硬件的实现都提出了新的要求在视频压缩算法上，传统视频压缩方法常采用D C T ( 离散余弦变换) 算法叫，困其只能在频域对信号进行分解，不能提供时域的信息，也易出现“马赛克”现象，使重椅的图像不够清晰D W T ( 离散小波变换) 为时间和频率的局部化提供了信号的多分辨率多频率表示o 由于其在表示非平稳图像信号方面的灵活性和适应人类视觉特征的能力，已经成为图像和视频压缩的有力工具，特别适合M P E G 一4 视频压缩编码标准在系统的实现上，视频压缩除了电脑平台上的软件实现之外还有许多方式，如V L S l 的实现和D S P 芯
8、片的实现踟，以完全的F P G A 实现“ 但是这些方法都不能提供有效的灵活性、实时性，也不能使更换新的算法或系统结构的改进得以快速实现丽D S P 芯片与F P G A 相结合，以其结构灵活，实时性和通用性好，开发周期较短，系统可扩展性好，为M P E G 一4 标准视频压缩提供了有效的廨决方法本文针对M P E G 一4 标准，提出一种视频压缩的设计与实现方法把离散小波压缩算法应用于M P E G 一4 标准，并在D P S F P G A 的硬件系统中得以实现，使基于M P E G 一4 标准的视频压缩率及实时性大为提高 2 算法及编码分析2 1H a a r 小渡算法运用H a a r
9、D W T ( 离散小波变换) 将视频数据分解成高频和低频两部分，透过像素酌加减可以得到频域内的小波系数在加操作中低频的小波系数作者简介：高丙坤( 1 9 6 2 一) ，男，河北故城人，教授，博士后。从事敷宇信号处理、非线性滤渡等研究高丙坤等：基于M P E G 一4 的数字视频压缩系统的设计6 5 3将变大，它代表图像的重要信息在减操作中高频的小波系数将变大，它表示图像在边缘、轮廓、某些纹理等细节的变化H a a rD W T 有两个低通滤波系数( 1 ，1 ) 和两个高通滤波系数( 1 ，一1 ) ，用公式表示为口。= h 。m ，“= g 。一m 可以导出一维H a a rD W T
10、如下；( 1 )a 。o 。2 一。T o 1 + - = 如g l , 。q o = ：。X o ：- - 一如X l ,。，卜争一1 一z n 一2 十z n1 i I z n t z l 其中是低通小渡系数，c 。是高通小波系数2 2二维离散小波变换殛图像编码二维离散小波变换( 2 一DD W T ) 可以用两个一维离散小波变换表示，一个沿着原始图像的行，另一个沿着原始图像的列列运算用行运算的结果作为输入如图1 所示把图像 ，分解为A ，D j + ，D “。，D k 。， 圈叫翌围1 二雏D W T 的周像分解2 3M P E G 一4 视频编码M P E G 一4 标准与传统视频编码
11、标准的最大不同在于第一次提出了基于V O ( 视频对象) 的视频编码新概念，其核心思想6 3 是基于内容的交互性M P E G 一4 标准在结构上增加了更多的预测与效果更好的编码方式，使得压缩率比以前的标准大为提高本系统采用M P E G 一4 标准中第一次引入的形状编码方式形状编码的结构如图2 所示预处理成= 值形状l 运动估计得到纹理图iI 二值形状C A E 编码l 纹理编码l蛋2 形状箍码结构形状编码的关键是V O P ( 视频对象平面) 的生成，这要用H a r rD W T 算法对图像进行小波变换H a r rD W T 算法更有效地利用了不同尺度子带重要系数间的相似性，能有效地与
12、M P E G 一4 的V O P 编码思想相结台在已知V O P 的情况下，校验模型采用位图法表示形状信息通过H a r rD W T 算法，M P E G 一4 在编码过程中更容易针对不同的V O ( 视频对象) 采用不同的编码策略，对前景V O 的压缩编码采用小的压缩率，甚至不压缩，即保持前景图像的详细信息；丽对背景V O 则采用高压缩率的编码策略，根据需要可以舍弃视频的背景，而在解码时添加而成3系统设计的实现本系统包台了压缩与艇压缩的软件部分，以及外围视频输出装置的硬件电路部分基于D S P 强大的计算能力，以及与外围相对较低速的视频输出装置，如果使用D S P 去执行压缩解压缩与视频
13、装置的控制，将会造成D S P 相当大的负荷，形成效率上的瓶颈所以视频输出输入的控制需由不同的硬件系统分担工作这里采用A L T E R A 公司生产的S t r a t i x 系列F P G A ，解决视频输入输出的控制问题，实现系统各部分的粘台逻辑作用F P G A 的内部寄存器映像在D S P 的地址空间上，用户可通过对寄存器的读写来配置系统的参数，使D S P 能专注计算的功能系统硬件的整体设计如图3 所示圈3 系统的整体设计D S P 芯片采用T I 公司的T M S 3 2 0 C 6 2 0 1 ，系统可分为两个主要部分：T M S 3 2 0 C 6 2 0 1 和以F P
14、G A 为主所形成的视频输入输出系统T M S 3 2 0 C 6 2 0 1 执行整个M P E G 一4 压缩及解压缩的工作，通过地址总线和数据总线与F P G A 进行视频数据传送和控制，使D S P 芯片能在最短的时间内取得视频数据，进行压缩与解压缩的工作，保证了更高的实时性的要求4系统测试为了验证系统的可行性，对奉系统进行了三方面的测试：( 1 ) 从视觉效果上比较在本系统上对同一图像( 图4 ( a ) ) 执行 M P E G 一2 标准图像压缩算法( 见图4 ( b ) ) 和 MP E G 一4 标准图像压缩算法( 图4 ( c ) ) ，其中6 5 42 0 0 5 中国控
15、制与决策学术年会论文集( a ) 原始图像( b ) M P E G - 2 标准压缩算法图像圈4 视觉效果圈M P E G 一2 标准采用的是D C T 算法，M P E G 一4 标准采用的是D w T 算法对比三幅图像，可以看到采用M P E G 一4 标准压缩算法的图像的童构质量要明显好于采用M P E G 一2 标准压缩算法的图像，由此验证本系统采用的编码算法是可行的( 2 ) 从压缩率上比较在本系统上对上面的测试图像执行M P E G - 2标准和M P E G 一4 标准的图像压缩当码速率为0 3 9b b p 时，在重构图像视觉效果基本相同的情况下，M P E G 一2 标准(
16、 采用的算法同上) 的压缩率为2 7 8 ：1 ，M P E G 一4 标准( 采用的算法同上) 的压缩率为3 9 6 ：1 由此验证了M P E G 一4 压缩标准的优越性( 3 ) 从可扩展性上比较为了验证系统的可扩展性，对本系统另加一片解码器，并在软件上稍加改动后，能够进行两路视频采集并处理，并且实时性良好还可以进行更多的扩展，不象其他系统要重新进行系统设计( 从软件到硬件) 由此表明D P S F P G A 的硬件系统具有良好的可扩展性 5 结论本文提出一种利用D S P 和F P G A 结合的方式，实现M P E G 一4 标准视频压缩方法该系统的主要优点是充分利用了D S P 和F P G A 各自的优点，并把小波变换与M P E G 一4 标准的编码方法相结合测试结果证明，该系统使视频的压缩比大为提高，明显减少f c ) M P
