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基于DSP的MPEG-4编码器的实现和改进

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(毕业论文 字数:15393 页数:23)摘要:数字视频处理在很多领域都发挥着重要的作用,而旧的视频标准已经不能满足日益增长的市场需求,所以应该开发基于新的视频标准的监控产品。本文首先介绍了视频处理的一般原理,然后介绍了最新的视频标准MPEG-4,系统体系结构和视频部分。接着介绍了DSP。它的特点,主要应用,CPU结构等。接着说了视频处理基于MPEG-4的实现,介绍了应用VCA原理进行新算法的设计和原有算法的改进,一般的做法,总是通过针对目标CPU来改进耗时的指令来达到目的,但是这种改进是有限的。只有结合算法层面的改进才可以进一步提高速度。本论文基于实践的观察和理论的探索,充分挖掘视频处理的固有特点,做到了适用面广,处理速度明显提高,且图像质量无实质下降。

关键词:数字视频处理,MPEG-4,DSP,算法实现和改进

目 录
1 绪论 2
1.1引言 2
1.2几种国际编码标准 3
1.3于DSP视频处理简述 5
1.3.1实时信号处理的概念 5
1.3.2 DSP特点 5
1.3.3基于DSP和MPEG-4的视频监控系统 5
2 视频处理的一般原理 6
2.1变换编码和量化 6
2.1.1变换编码 6
2.1.2量化 8
2.2预测编码 8
2.3关于熵 8
3 MPEG-4标准 9
3.1系统 11
3.1.1系统体系结构 11
3.2视频 12
3.2.1对象编码 12
3.2.2高效的编码工具 12
4 TMS320C6000系列介绍 13
4.1TMS320C6000系列简介 13
4.2TMS320C6000系列CPU结构 13
5 XVID的研究 15
5.1用intra模式编码一帧 17
5.1.1对intra宏块编码量化 18
5.2用inter模式编码一帧 18
5.2.1对inter宏块进行变换量化处理 20
5.2.2运动补偿 20
6 今后的改进 21
7 结论 21
参考文献 22
致谢 22
Abstract 23

1 绪论

1.1 引言

数字视频通信与模拟视频通信相比,具有一系列的优点:进行中继传输和多次复制时,不会造成噪声和非线性失真的积累;数字图像便于进行加密;数字图像有利于计算机处理。但是数字化的图像信息量巨大,如果没有经过压缩,难于直接应用。下面举几个未经压缩的数字化信息的例子[1]:
(1)一页印在B5(约180mm*255mm)纸上的文件,若以中等分辨率(300dpi)的扫描仪进行采样,其数据量约6.61MB/页。一片650MB的CD-ROM,可存98页。
(2)我们再举一个陆地卫星的例子(其水平、垂直分辨率分别为2340*3240,四波段,采样精度7位),它的一幅图像的数据量为2340*3240*7*4=212Mbit,按每天30幅计,每天数据量为212*30=6.36Gbit,每年的数据量高达2300Gbit。
从以上列举的数据例子看出,数字化信息的数据量是何等庞大,这样大的数据量,无疑给存储器的存储容量、通信干线的信道传输率以及计算机的速度都增加了极大的压力。数据压缩技术是个行之有效的解决办法,通过数据压缩减少数据量,以压缩形式存储和传输,即节约了存储空间,又提高了通信干线的传输效率。
对于视频编码的研究虽然早在二十世纪四十年代就已经开始,视频编码的实用化与产业化一直到二十世纪九十年代才得以实现。
1.3.1 实时信号处理的概念

信号处理的实质是对信号进行变换,目的是获取信号中包含的有用信息,并用更直观的方式表达。数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换来获取有用信息,如离散傅丽叶变换(DFT)就是最常用的DSP算法。实时指的是系统必须在有限的时间内对外部输入信号完成制定的处理,即信号处理的速度必须大于输入信号的更新速度,而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够的小。其中视频信号的典型数据率在100Hz到100MHz之间。[4]

1.3.2 DSP特点

DSP的结构特点在很大程度上体现了DSP算法的需求,有如下特点:
⑴硬件乘法器
由于DSP的功能特点,乘法操作是DSP的主要任务。而在通用微处理器通过微程序实现的乘法操作往往需要100多个时钟周期,非常费事,因此在DSP内都设有硬件乘法器来完成操作,以提高乘法速度。
⑵多功能单元
为了进一步提高速度,可以在CPU内部设置多个并行操作的功能单元(ALU、乘法器和地址产生器等)。如C6000的CPU内部有8个功能单元,包括2个乘法器和6个ALU。这8个功能单元最多可以在1个周期执行8条32位指令。
⑶总线结构
DSP采用了程序总线和数据总线分离的哈佛总线结构,这样DSP就能同时取指和取操作数了。而且很多DSP甚至有2套和2套以上的内部总线,这种总线结构称为修正的哈佛结构。C6000系列DSP则采用了新的VILW(超长指令字)结构,片内提供8个独立的运算单元,256位的程序总线,2套32位的数据总线和一套32位的DMA专用总线。灵活的总线结构大大缓解了数据瓶颈对系统性能的限制。
⑷专用寻址单元
DSP有一个支持地址计算的算术单元—地址产生器。地址产生器与ALU并行工作,因此地址的计算不再额外占用CPU时间。由于有些算法通常需要一次从存储器中取2个操作数,所以DSP内的地址产生器一般也是2个。DSP的地址产生器一般还支持位反转寻址(用于FFT算法)和循环寻址。

1.3.3 基于DSP和MPEG-4的视频监控系统

该系统由监控端摄像头、实时视频采集压缩板、远程接收主机组成。其实现方框图如下图1-1所示[5]。视频图像经过采集存储于帧缓存器中,采集完成后可编程逻辑器件向DSP芯片发出接收信号。DSP芯片接收到“图像采集好”信号后,用DMA将图像传送到片外存储器中,并启动MPEG-4视频压缩编码。编码输出码流通过HPI口送到网络模块,该模块将输入数据组装成含有接收主机IP地址的TCP或UDP包,发送到互联网上。接收端比较简单,由接收主机将发送过来的数据流解压并将视频图像在显示器上显示出来。
2 视频处理的一般原理
数字视频信号可以进行压缩,首先是因为信号在时间和空间是高度冗余的,去除相同信息的重复表示,可以大大的减少信息的发送量,从而实现数据压缩。通常,视频数据本身存在如下的几种冗余:
⑴人眼视觉系统(HVS)对于某些失真并不敏感,所以某些失真是可以接受的,因此,可以利用这些失真获得较大的压缩比。比如人眼对色度分辨率的不敏感,以及人眼对活动图像分辨率的不敏感。
⑵空间上的冗余:视频图像同一帧内相邻象素存在很大的相关性,研究表明,图像同一帧内的行、列相邻点之间的相关性可达0.9。
⑶时间上的冗余:视频序列前后帧之间存在较大的相关性,研究表明,视频序列前后帧同一位置上的相关性也达0.9以上。有人统计了1Mbps的可视电话,发现前后相邻帧只有4%的象素发生变化。
⑷符号表示上的冗余:根据信息论,使用相同的码长来表示不同概率出现的符号会造成比特数的浪费、增加。

2.1 变换编码和量化

2.1.1 变换编码

变换编码不是直接对空域图像信号编码,而是首先将空域图像信号映射变换到另一个正交矢量空间(变换域,或频域),产生一批变换系数,然后对这些变换系数,进行编码处理。在发送端将原始图像分割成1~n个子图像块,每个子图像送入正交变换器做正交变换,变换器输出变换系数经滤波、量化、编码后送信道传输到达接受端,接受端做解码、逆变换、综合拼接,恢复出空域图像。如图2-2所示。

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