通用视频编解码平台系统设计 （毕业设计41页、21011字）

摘要：随着电子器件的快速发展和网络的发展，视频的相关应用将更加丰富。但视频数据由于其数据庞大，必须先进行压缩处理，才能满足带宽和存储介质的限制要求。因此视频图像压缩系统的设计自然成为当前业界的热点之一。
本设计在深入研究视频编码标准H.263软件编码的原理和VFW视频采集技术的基础上，设计了基于PC平台的通用视频编解码平台系统软件。系统由Visual C++ 6.0编写，具有视频采集，视频显示和视频编解码功能。系统能够以每秒25帧的速度采集图像，并且能对采集的图像进行实时编解码处理和显示；系统通过调整编码参数或者调用不同的视频编解码库改变处理效果。视频编解码平台系统经过多次试验、长时间运行，系统能稳定的实现目标处理任务。该系统主要用来对各种视频编码算法作验证、研究，为视频编码算法向DSP平台的移植工作打下基础，同时也可作为基于PC的视频应用产品。

关键词：VFW；图像显示；视频编解码；H.263

Design of Universal Platform System with Video Encoding and Decoding

Abstract：With the rapid development of electronic devices and network, the relevant applications of video will be more abundant. But video data must be compressed to meet the limit requests of bandwidth and storage media before transmission and storage. Therefore the design of video compression system naturally becomes one of hot issues of current industry.
The project designed a PC-based platform of universal system software of video codec platform on the basis of in-depth study the theory of H.263 video software encoding standard and VFW video capture technology. The system with video capture, video display and video codec functions is programmed by Visual C++ 6.0. The system can collect the image with the speed of 25 frames per second, and it can perform real-time codec processing and display for collected image data; System changes the codec effect by adjusting the parameters or calling different video codec library. The system of video codec platform after numerous experiments and a long-time operation, will achieve stably the task of handling objectives. The system is mainly used for the certification and research of various video coding algorithm, lays a solid foundation for the work of transplant to the DSP of video algorithm, it is also as a PC-based product of video application at the same time.

Key words: VFW, Image Display, Video Encoding and Decoding, H.263

目    录

第1章  绪  论 1
1.1  课题研究的背景 1
1.2  视频压缩标准发展和现状 2
1.3  课题内容和目标 4
第2章  研究方案 5
2.1  视频编解码平台思路 5
2.2  视频编解码平台方案 5
2.2.1 视频采集方案的选择 5
2.2.2 图像显示方案的选择 6
2.3主要难点 7
第3章  视频采集和回放 8
3.1  视频采集VFW技术 8
3.1.1 AVICap窗口类的基本功能 8
3.1.2 AVICap窗口类中常用的结构 9
3.1.3 AVICap中的回调机制 10
3.1.4 AVICap窗口类实现视频采集 10
3.2  图像显示DRAWDIB 15
3.2.1 DrawDib图像显示的实现方法 16
3.2.2 DrawDib的使用步骤 17
第4章  H.263视频编码算法 19
4.1  视频编码基本知识 19
4.1.1视频压缩方法 19
4.1.2视频压缩分类 21
4.2  H.263编码算法分析 22
4.2.1视频源与编码层次格式 23
4.2.2运动估计和运动补偿 25
4.2.3变换编码与量化 25
4.2.4可变字长编码（VLC） 26
4.3 H.263编码流程 27
4.4 H.263编码的性能 30
第5章 系统联调 32
5.1 视频编解码平台流程 32
5.2系统调试 32
5.2.1程序初始化 33
5.2.2视频采集和回放 33
5.2.3视频编解码 34
5.2.4网络传输 34
5.3系统调试结果分析 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38

第1章  绪  论

1.1  课题研究的背景
自上个世纪90 年代以来，多媒体通信业务的发展十分迅速，传统的话音业务比例逐渐下降，非话业务的比例迅速上升。远程教育、远程医疗、视频点播、电视会议、移动可视电话、家庭办公等各种多媒体服务逐渐己成为人们关注的热点，也是一个国家经济持续发展的新的增长点，被认为是衡量国家发展水平的重要标志之一。视频信息是多媒体信息中一个重要部分，随着图像/视频压缩技术的不断发展与成熟，视频通信技术近年来也得到了迅速发展，如数字视频广播、流媒体、移动可视电话等技术日趋成熟。数字视频通信正在逐步替代传统的模拟技术，能够提供多种模拟技术所不能提供的服务内容。图像通信，特别是数字图像通信，具有一系列的显著的优点。然而，由于数字图像含有非常大的数据量，它与通信网容量的矛盾及传输和存储的困难都曾经极大地制约了数字图像通信的发展，并一度成为数字图像通信发展中的“瓶颈”问题。为此20世纪40年代人们就开始进行图像压缩编码技术的研究，但直到近十几年来，随着超大规模集成电路工艺及计算机技术的发展，图像压缩编码技术才真正走向实用化，产业化的道路，并得到飞速发展。其重要标志就是国际上集图像压缩编码40年研究成果而制定的一系列图像压缩编码标准。图像压缩编码的最根本的目的就要以尽量少的比特数来表征图像，同时要保持恢复(即解码后)图像的质量，使之符合特定应用场合的要求。换句话说，图像压缩编码就是采用某种编码方法来在一定程度上减少图像、相邻帧之间的相关性。图像经过压缩编解码后允许恢复图像存在一定的失真，但失真要在人视觉可以忍受的范围之内或满足特定的应用要求。图像压缩编码通常称为图像编码，它是一种信源编码，其信源就是各种类型的图像信息。
目前，随着通信技术和图像编码技术研究和开发应用的迅猛发展，拥有较大数据量的图像信息已经不再成为图像通信技术的瓶颈问题，各类图像通信系统已经得到广泛的应用，然而图像压缩编码仍然是各类图像信息传输系统、多媒体系统和存储系统的一项十分关键的技术。
同时，随着数字化市场的不断扩大，数字化内容的不断丰富，现实生活中的各个领域的运营商和普通用户对图像通信的质量要求日新月异，不同领域的人们对图像通信质量的要求虽然不尽相同，但一致的目标就是不断的提高音视频的通信质量，尽可能达到还原为原始图像的标准。
经过多年的研究，视频压缩编解码朝着更高的压缩比，更小的失真度，更快的编解码速度，更小的花费，更实时的播放效果的方向不断努力，ITU-T和ISO陆续制定了视频、音频编码的国际标准H.261、H.263、H.264和MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等一系列视频编码标准[1]。当前几乎所有的视频、音频处理软件和设备仪器都是基于这些国际标准算法设计。
但是不同的研究平台或实现手段对应的特定算法有不同的着眼点和技术优势，直接基于DSP平台来研究或实现的视频算法，由于调试及验证困难，因而效率(性价比)不高，没有充分发挥DSP的优势。没有经过充分调试的DSP算法，在DSP上使用时容易造成图像质量差、清晰度低，实现的技术指标如图像分辨率或帧速较低等后果。而通过在PC上调试和验证的算法，具有较强的移植性，这成为降低成本和提高效率的有效手段。
1.2  视频压缩标准发展和现状
自上个世纪 80 年代以来，ISO/IE 制定的 MPEG-x 和 ITU-T 制定的 H.26x 两大系列视频编码国际标准的推出，开创了视频通信和存储应用的新纪元。H.261 是最早出现的视频编码建议，目的是规范 ISDN 网上的会议电视和可视电话应用中的视频编码技术。它采用的算法结合了可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余的 DCT 变换的混合编码方法。和 ISDN 信道相匹配，其输出码率是 p×64kbit/s。p取值较小时，只能传清晰度不太高的图像，适合于面对面的可视电话；p 取值较大时(如 p>6)，可以传输清晰度较好的会议电视图像。
MPEG-1 标准的码率为 1.2Mbit/s 左右，可提供30帧 CIF (352×288)质量的图像，是为 CD-ROM 光盘的视频存储和播放所制定的。MPEG-1 标准视频编码部分的基本算法与 H.261 /H.263 相似，也采用运动补偿的帧间预测、二维 DCT， VLC 游程编码等措施。此外还引入了帧内帧(I)、预测帧(P)、双向预测帧(B)和直流帧(D) 等概念，进一步提高了编码效率。在 MPEG-1 的基础上，MPEG-2 标准在提高图像分辨率、兼容数字电视等方面做了一些改进，例如它的运动矢量的精度为半像素；在编码运算中(如运动估计和 DCT)区分“帧”和“场”；引入了编码的可分级性技术，如空间可分级性、时间可分级性和信噪比可分级性等。近年推出的 MPEG-4 标准引入了基于视听对象(AVO：Audio-Visual Object)的编码，大大提高了视频通信的交互能力和编码效率。MPEG-4 中还采用了一些新的技术，如形状编码、自适应 DCT、任意形状视频对象编码等。MPEG-4 标准实际上是一个不断发展和更新的多媒体系统标准，几乎每年都会有新的编码工具提出，扩充新的编码技术。而且就目前使用的 MPEG-4 编码技术而言，它仍然没有真正实现基于对象的编码和传输技术。从编码方面看，MPEG-4 成熟应用的编码档次是简单档次(simple profile)，比如 Microsoft 公司的 Windows Media Player 就是基于这种档次的媒体系统，这种编码没有脱离传统的编码技术，因为基于对象编码的难点就是对象的提取，这项关键技术在短时间内很难做到实用化。 从传输方面分析，目前流行的基于MPEG-4 的流媒体技术，其本质上并没有采用 14496-6[1]所提出的传输多媒体集成框架(DMIF，Delivery Multimedia Integration Framework)，而是根据 IETF 提出的传输建议[2]来实现的。基于DMIF的传输技术仍然处于实验阶段，还不能成熟应用。
H.263 标准是ITU于1995年制定的一种码率低于64kbps的甚低码率视频压缩编码标准。该标准不仅着眼于利用 PSTN (Public Switched TelephoneNetwork，公共交换电话网络)传输，而且兼顾 PLMN 移动通信等无线业务。它支持五种图像格式：Sub-QCIF (128×96 像素)、QCIF (176×144 像素)、CIF (352 ×288像素)、4CIF、16CIF，亮度和色度抽样比为 4：1：l，编码按 16× 16 大小的宏块进行。与 H.261 一样，在编码中，它也采用帧间预测减小时间冗余度，利用 DCT变换减小空间冗余度；在传输中，采用可变长度编码技术；在解码恢复中，应用运动补偿，从而进一步改善图像质量，提高压缩比。H.263 与 H.261 相比增加了以下一些功能：
(1)半个像素精度的运动估值；
(2)不受限的运动矢量；
(3)先进预测模式；
(4)PB 帧模式；
(5)基于语法的算术编码。
ITU-T 在 H.263 发布后又修订发布了 H.263 标准的版本 2，非正式地命名为 H.263+标准。它在保证原 H.263标准核心句法和语义不变的基础上，增加了若干选项以提高压缩效率或改善某些功能。H.263+标准允许更大范围的图像输入格式，自定义图像的尺寸，从而拓宽了标准使用的范围，使之可以处理基于视窗的计算机图像、更高帧频的图像序列及宽屏图像[2]。
在 H.263 视频标准提出并不断完善后，相关国际组织又提出了 H.264 视频标准。H.264 视频标准已成为一个通用的应用于较广范围比特率、分辨率、质量和服务的标准。除了其他应用，H.264 标准至少还应涉及数字存储媒体，电视广播和实时通信等。在创建这一标准的过程中，考虑到了各个典型领域的应用要求，制定了必要的算法元素，并将其综合为一个单一的语法体系。因此，这一标准可以使得各种应用系统中的数据交换变得很容易。
1.3  课题内容和目标
该毕业设计的主要内容是基于PC平台对视频进行编解码处理的平台系统研究，重点是对PC下视频采集、压缩、解码和显示的平台作设计和研究。主要涉及PC平台下视频采集的通用框架和技术VFW，主流视频编解码标准的编码机理和技术区别，视频图像的PC显示技术和过程。该平台可以对各种视频编码算法作验证和研究，为基于DSP的视频编码处理工作打下坚实基础。