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1、本科毕业设计（论文）题 目 MPEG-4视频编程技术研究 部 系 地方生部 专 业 电子信息工程 中国人民解放军海军航空工程学院摘 要视频编码是多媒体通信中的核心技术，它不但关系到通信带宽，也关系到通信过程中的图像质量。随着多媒体技术在网络的广泛应用，视频编码技术更加显得重要。与之相适应，各种多媒体数据压缩编码标准也在不断地发展和完善.MPEG4是现在最重要最有影响的多媒体数据编码国际标准之一。基于对象的编码思想使其具有高压缩比、可扩展性、可交互性等许多特点。ADI公司的Blacfin系列的DSP在图像处理方面有其出色的表现和较低的价格而获得关注。本文基于ADSPBF561 DSP的特点，探讨
2、了MPEG4在BF561上的视频数据的实时编码的实现。本论文首先系统介绍了MPEG4编码的特点以及选用BF561的原因，接着分析了MPEG4的主要技术，并介绍了MPEG4简单编码框架编码器的软件实现方案，给出了方案流程图，在VC+环境下用C语言实现了MPEG4简单框架的视频压缩功能。其次，研究了核心算法DCT变换和运动估计的优化算法，通过分析运动向量的分布相关性，结合提前中止准则，提出了基于起点预测的改进菱形运动估计算法。另外根据BF561双核的特点，设计了一种基于宏块层并行算法。最后，本文从硬件平台特征出发，在存储器设置、DMA控制和代码等方面对编码方案进行优化。经本方案优化后，编码器的编码
3、效果得到很大的提高，能够在BF561处理器上实现CIF格式30帧秒的码率，达到预期的目标。第一章绪论11课题提出21世纪的人类社会将是信息化社会，数字化后的信息，尤其是数字化后的视频信息具有海量数据性，它给信息的存储和传输造成很大的困难，己成为人类有效地获取和使用信息的瓶颈问题之一。1895年电影的诞生第一次将视频信号带给了人类社会，随着电视的发明和普及，视频信号走进了千家万户。数字技术的广泛应用，对视频信号的存储和传输带来了一次革命，但是从模拟转换到数字的原始视频信号的数据量是惊人的，单纯地靠提高存储容量或信道传输速率的做法是不切实际的，以传输未经处理的标准清晰度电视(SDTV，Standa
4、rd DefinitionTelevision)的图像格式为例，704像素(水平)*480像素(垂直)，帧频60HZ隔行扫描，其每秒的数据量是：704*480*30*15(4：2：0)=15206400Bytes。更不用说，现在流行的高清电视(HDTV，Hign Definition Television)，其数据量是标清的5倍多，这显然远远超出了目前Intemet通信信道的能力，而且直接把未经处理的视频数据发送到通信信道上，也是对通信带宽的极大浪费。因此，研究有效的视频压缩编码方法具有很重要的现实意义。视频压缩编码技术是多媒体应用的核心技术，对视频编码的研究已成为信息技术领域的研究重点，并制
5、定了一系列的视频标准。其中MPEG-4利用很窄的带宽【l】，使用帧重建技术，压缩数据，以最少的代价获得最佳的图像质量。因此，其广泛应用于实时、高效、适合网络传输等特点的领域，如数字监控、可视电话和手机视频等。本课题设计了实时MPEG4视频编码系统，能够实现CIF格式(352*288)数据每秒30帧的处理能力，结合该系统功耗低、体积小、性价比突出的特点，在进一步改进的基础上，具有广阔的工程应用前景。12数字视频编码发展历程1-21编码方法的发展第一代编码方法。1948年Oliver提出了第一个编码理论脉冲编码调制(PCM，Pulse Coding Modulation)。同年Shannon的经典
6、论文通信的数学原理中首次提出并建立了信息率失真函数概念；1959年Shannon进一步确立了码率失真理谢21。以上工作奠定了经典信息编码的理论基础，在此基础上视频编码理论和技术取得了长足的发展，其主要的编码方法有：预测编码、变换编码和统计编码，也称为三大经典编码方法。其中预测编码的基本思想是：根据数据的统计特性得到预测值，然后传输图像像素与其预测值的残值信号，使传输的码率降低，达到压缩的目的。变换编码的基本思想是：由于数字图像像素间存在高度相关性，因此可以进行某种变换来消除这种相关性。变换编码不直接对空域图像像素编码，而是先将它变换到频域，得到一组变换系数。虽然变换并不对数据进行压缩，但经过变
7、换后，能量相对集中，通过后续的量化、编码就能达到压缩的目的。变换编码方法中的离散余弦变换(DCT，Discrete CosineTransform)和小波变换在视频图像压缩中得到了广泛应用。统计编码的基本思想是：根据信息码字出现概率的分布特征而进行压缩编码，寻找概率与码字长度间的最优匹配。统计编码主要针对无记忆信源，它又可分为定长码和变长码(VLC，Variable LengthCoding)。Hufman编码和算术编码是两种常见的变长码字编码方法。第一代编码技术【3】只是以信息论和数字信号处理技术为理论基础，旨在去除图像数据中的线性相关性，其压缩比不是很高，对于视频图像来讲一般在40：1左右
8、。为了克服第一代视频编码技术的局限性，Kunt等人于1985年提出了第二代视频编码技术。而第二代编码技术不再局限于信息论的框架，从更为底层的基础上探索视频图像信息的表述机制，充分利用人的视觉生理心理特性和图像信源的各种特征，实现从“波形编码到“模型”编码的转变，以期获得更高压缩比。第二代编码方法主要有：基于分形的编码方法、基于模型的编码方法、基于区域分割的编码方法和基于神经网络的编码方法等。分形编码是一种不对称的编码技术，适于自相似性较强的自然景物图像。基于模型或知识的方法，是把计算机视觉和计算机图形学中的方法应用到视频编码，在编码端通过各种分析手段，提取所建模型的特征与状态参数，在解码端通过
9、这些参数通过模型及相关知识生成所建模的信源。基于区域分割与合并的视频编码方法，是根据图像的空域特征将图像分成纹理和轮廓两部分，然后分别对它们进行预处理、编码。预处理将图像分割成纹理和轮廓两部分，对纹理可采用预测编码和变换编码，对轮廓则采用链码方法进行编码，较好地保存了对人眼十分重要的边缘轮廓信息，因此，在压缩比很高时解码图像质量仍然很好。神经网络法是模仿人脑处理问题的方法，通过各种人工神经元网络模型对数据进行非线性压缩，目前还处在探索阶段。第二代基于内容和语义的编码方法为视频压缩编码开拓了广阔的前景，但同时也大大增加了分析的难度和实现的复杂度，要得到充分应用还有赖于进一步深入研究以及相关辅助学
10、科的同步发展。122视频编码标准的发展1988年形成草案，1990年通过的ITUT H261标准是视频编码技术走向实用化的里程碑，被誉为“图像编码40年经验之总结”。从此开始，视频编码的技术得到迅速的发展和应用，制定了多个视频编码的国际标准，即国际电信联盟ITUT关于电视电话会议电视的视频编码标准H261、H263及H264和国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC关于活动图像的编码标准MPEG1、MPEG2和MPEG4等。这些标准图像编码算法融合了各种性能优良的图像编码方法，体现了图像编码的发展水平。1MPEG11993年8月通过的MPEG1【4】是15Mbps数据传输率的数字存储媒体运动
11、图像及其伴音编码的国际标准。它的视频部分与H261及H263原理图大致相同。然而，MPEG1主要是针对存储媒体的视频编码标准，而H261和H263主要是针对传输的视频编码标准，故MPEG1在顾及图像质量、压缩比的同时还要考虑对序列图像进行随机访问和编辑的方便，MPEG1在充分参考H261以及JPEG的基础上，加入了双向预测帧B帧，从而提高了压缩比。对随机访问和编辑的支持由每秒2个I帧来支持，不需依赖P帧和B帧而独立解码。2MPEG21994年11月通过的MPEG2t5】主要是针对数字视频广播(DVB，Digital VideoBroadcasting)、高清晰度电视(HDTV)、数字视盘(DV
12、D，Digital Versatile Disc)等制定的高于15Mbps运动图像及其伴音的国际标准。MPEG2的制定，充分的考虑了对MPEG1兼容，对图像质量和数据率的多层次需求，因此其最大的特点在于支持格式多、兼容性好并易于扩展。MPEG2不仅支持帧编码而且支持场编码；不仅支持MPEG1比特流，而且支持更高时域和空域分辨率。MPEG2另一特点是其可伸缩性。3MPEG4MPEG4t6】标准专家组成立与1993年，于1998年正式成为国际标准。其最初的目标是极低比特率的音频视频编码压缩标准，主要适用于公共交换电话网络(PSTN，Public Switched Telephone Network
13、)上的视频通信或移动通信网络，但是随着研究工作的深入，它所包含的内容和将起到的作用远远超过了最初的设计思想。MPEG-4目的是寻求支持数字音频视频数据通信、存取和管理的新途径，它为多媒体数据编码提供了一个更为广阔的平台，它更多定义的是一种格式和框架，而不是具体的算法，以支持各种各样新颖的和高效的功能。13视频编码器研究现状考虑到实时视频编码算法所需的运算资源和存储空间，进行系统设计重点考察了下列三种技术成熟并在市场上存在商业应用方案。在此基础上，选定本课题编码器采用的系统设计方案。1通用PC机软件实现通用PC的发展异常迅速，目前可以已近1000元买到Intel双核处理器，单核主频是2330MH
14、Z(参考2008年3月24日Intel Core2 Duo E6550报价)。该方案的优点是通用PC系统的主频性价比非常高，并且拥有最丰富的软件工具。并且提供了较完整的多媒体指令集和流水线控制，但是通用PC应用广泛，其内核支持各种应用，而不只限于特定的多媒体处理，且功耗过高，软件实现存在执行效率上的损失。2专业DSP芯片实现该方案的优点是DSPt7】提供了极其强大的多媒体处理能力，并且具有众多的多媒体接口，相关厂商提供了丰富的开发包和必要的开发资源。如PHILIPSTrimedia系列，应用于数字电视，监控设备，机顶盒等。其缺点是成本高，功耗较大，不适应于小型设备的开发。3通用DSP芯片实现如
15、ADI的Blackfin系列【引。其优点是主频高，功耗低，并且具有很强大的功耗控制模块，芯片体积小，适用于小型设备的研发。厂商提供了非常多的开发资源，便于开发人员的快速上手。处理器支持众多的多媒体接口，利用系统的扩展和商业应用。结合课题研究的目的，综合比较上述三种解决方案，最后选定采用通用DSP芯片进行项目的研发。比较ADI Blackfin系列产品的特点，最后选用ADSPBF56 1。ADSPBF561是美国模拟器件公司(ADI)和Intel联合开发的高性能双核DSP。这一产品专为通信和互联网应用而设计，能处理互联网的大量的图像、声音、文本等数据流。其特点是结合多媒体处理器和普通微处理控制单元(MCU，Micro Controller Unit)，较高的主频，较低的价格，加上极低的功耗，加上体积小的特性，极其设和数据流巨大的实时视频处理设备。14研究的内容本课题的研究工作主要着眼于实时视频编码工作，这是当前研究的热点之一。综合考虑各种成熟的设计方案后，选用ADSPBF561进行MPEG4实时编码系统的开发，系统的设计目标是达到CIF格式(352*288)YUV数据每秒30帧的处理能力。针对这一目标，本课题首先深入研究了MPEG4视频压缩标准。分析MPEG4各种应用框架的复杂程度以及系统实时编码的设计目标，决定采用MPEG-4 SP层次框架结构。在
