基于DM642的H264标准的可视电话设计与实现

湖南大学硕士学位论文基于DM642的H.264标准的可视电话设计与实现姓名：曹文明申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：彭蔓蔓;叶柏龙20051225董三型! 竺箜! ：! ! ! 堡堡墼呈堡皇堑堡茎皇窒塑摘要由丁网络技术和大规模集成电子技术的发展有力地推动了多媒体技术的迅速而广泛的发展，视频通信的重要性和需求急剧增加随之而来的视频标准技术也得以迅速发展。新型的视频标准H 2 6 4 是J v T O ) 。这种方式应用于编码M V ，量化参数。( 3 ) 符号映射( M E ) ：参数v 和c o d e的映射关系用一个设定好。这种_ n u mt a b l e方式应用于编码c o d e d _ b l o c k _ p a t t e r n ( C B P ) 。给出一部分对应关系。c o d e db l o c kp a t t e r nn n | e rp r e d i c t i o n )c o d en u f i t l 0 ( n oH O H - Z e l ' oblocks)016 氏h r o m aD Cb l o c kn O D - Z e r o )11 ( t o p - l e f t8 x 8h m mb l o c kl l O l l - Z C r O )22 ( t o p - r i g h t8 x 8l u m ab l o c kl i o n - z e r o )3硕士学位论文对于残差数据，h 2 6 4 中使用了c a v l c 编码。编码过程如下：( 1 ) 统计非0 个数和其中+ 1 和一1 的个数。查询c o e i f _ t o k e n 表编码。( 2 ) 编码+ 1 和一1 的符号。( 3 ) 编码非0 数值( 1 e v e l ) 。( 4 ) 编码0 的个数( T o t a l z e r o s )( 5 ) 编码0 的r a n 值。7 B i t s t r e a m t l l ( 码流输出)把前面经过复杂计算产生的图像“熵”信息，以及产生这些结果信息的计算条件和计算参数等信息综合记录下来( 将这些参数和信息熵记录下来的目的是为了正确的解码还原) 。然后把这些复合数据进行编码，再加上h 2 6 4 特殊的网络格式信息( N A L ) 和容错信息，生成目标编码数据输出。8 码率控制( R C )在编码过程中为使编码器产生的数据按照稳定的数据流量输出，监控码流输出的大小，当码流升高或降低时，提供反馈信息控制视频编码的数据压缩过程，使输出稳定的码流。4 5H 2 6 4 标准采用新技术的介绍H 2 6 4 A V C 是目前算法复杂度最高、性能最好的基于混合编码框架的视频编码标准。经试验证明在相同的重建图像质量下，H 2 6 4 编码后的码率是H 2 6 3 的5 0 ，M P E G 4 的6 0 ；而且还具有良好的网络适应性等优点。为了实现这些目标，采用了多种以往视频编码标准中不曾出现过的新技术：1 网络抽象和数据分割技术为了增强编码视频的网络适应性，扩展视频编码的应用范围，H 2 6 4 A V C在设计上将整个编码系统分成视频编码层V C L ( V i d e oC o d i n gL a y e r ) 和网络提取层N A L ( N e t w o r kA b s t r a c t i o nL a y e r ) 两个层次。视频编码层V C L 主要负责对数字视频进行高效编解码，提供具有高质量、高压缩比、健壮性、可分级等特性的视频编码码流。网络提取层N A L 主要负责将视频编码层V C L 产生的视频编码数据正确的、恰当的映射到不同的传输网络中去。当V C L 产生的编码视频比特流将在某种特定网络中传输时，N A L 针对这种网络及其传输协议的特性，对V C L 的编码码流进行适合该网络及其传输协议的封装。这样编码器就可以面向不同传输网络提供灵活的不同的封装方式，增强了网络的适应性。，N A L 的产生不但使H 2 6 4 对目前现存的各种不同网络有很强的网络友好性，而且使它对未来的网络同样具有很强的适应性。基于D M 6 4 2 的l - I 2 6 4 标准的可视电话设计与实现2 整数变换技术1 61 7& 2 02 1 骑 C bC rL 啪匦4 5 整型1 9 C T 变换中宏块中的变换块及其麟序号如图4 S 所示，H 2 6 4 中使用了三种变换方法：第一种为4 x 4 的整数变换，针对亮度信号和色差信号的差值；第二种为4 x 4 的H a d a m a r d 变换1 4 ”，针对1 6 x 1 6的帧内预测模式下亮度信号经4 x 4 整数变换后得到的直流系数组成豹4 x 4 矩薄；第三种为2 x 2 的H a d a m a r d 变换，针对色差信号经4 x 4 整数变换后得到的直流系数组成的2 x 2 矩阵。作为H 2 6 4 的一个基本编码单元，每个1 6 x 1 6 的宏块需要对2 4 个4 x 4 的块进行整数变换，并对两个2 x 2 的块进行H a d a m a r d 变换，某些情况下还需要再进行一次4 x 4 的H a d a m a r d 变换。以上提到的4 x 4 整数变换是在4 x 4 D C T 的基础上演变丽来的( 见附录C ) ，由于变换是以整数的形式进行的，因而避免了浮点计算精度何题引起的变换和反变换之间的不匹配。3 灵活的运动补偿技术在 2 6 4 中，运动补偿的块共有7 种尺寸：1 6 x 1 6 、1 6 x 8 、8 x 1 6 、8 x 8 、8 x 4 、4 x 8 、4 x 4 。根据运动补偿采用的块尺寸的不同，宏块的编码模式分为四种，前三种模式分别按照一个1 6 x 1 6 块、两个1 6 x 8 块和两个8 x 1 6 块来进行运动补偿；最后一种模式记作P 8 x 8 ，在P 8 x 8 模式下，一个宏块被分为4 个8 x 8 的子块。而每一个子块又有4 种可能的予模式，分别按照一个8 x 8 块、两个8 x 4块、两个4 x 8 块及四个4 x 4 块进行运动补偿( 如图4 6 所示) 。硕士学位论文模式1 ( 1 6 x 1 6 )模式2 ( 1 6 x 8 )模武3 ( 8 x 1 6 )P 8 x 8 模式子模式1子模式2子模式3f 模式4 ( 8 x 8 ) ( 8 x 4 )( 4 x 8 ) ( 4 x 4 )圉4 6H 2 6 4 中的可变尺寸块运动补偿在H 2 6 4 中，允许采用多个参考帧来进行运动补偿，这在很多自然场景的周期变换以及镜头在两个场景中交替转换等情况下可以提高编码效率。上图所示的四种宏块的编码模式中，每个1 6 x 1 6 块、1 6 x 8 块、8 x 1 6 块和8 x 8 块均可以采用不同的参考帧。在H 2 6 4 中，运动补偿的精度达到1 4 像素，这在H 2 6 3 中1 t 2 像素精度的基础上又提高了一倍。4 先进的环路滤波技术为了尽量消除块变换造成的块效应现象，H 2 6 4 采用了一个自适应的环路滤波器( 如图4 1 所示) 。这个滤波器根据块边缘信息的不同采用不同的滤波权重，因而可以在有效消除块块效应的同时又不会影响图像的锐度；另外，环路滤波是作为编码器的一部分直接对编码器端的参考图像进行的，与仅仅作为后处理的解码器端的去方块滤波相比，环路滤波在改善主观质量的同时还可以有效地提高编码器的编码效率。5 先进的帧内预测技术在H 2 6 4 中，除了可以利用时间的相关性进行帧间预测外，还可以利用空间的相关性进行帧内预测。亮度信号的帧内预测分为两种，一种是以4 x 4 的块为单位，共包括9 种预测方式【2 】( 如图4 7 所示) ，另一种是以1 6 x 1 6 的块为单位，共包括4 种预测方式( 如图4 8 所示) 。色差信号的帧内预测以8 x 8 的块为单位，也包括4 种预测方式，与亮度信号1 6 x 1 6 的块的预测方式相似。基于D M 6 4 2 的t t 2 6 4 标准的可视电话设计与实现图4 7 亮度信号4 x 4 块的9 种预测方式模式0 ( 垂直预测)模式2 ( 直流预测)HlViM e a n H ，v )6 熵编码技术1 2 模式3 ( 平面预测)HV睡溪蕊oi 蛩i i = 誊圈4 8 亮度信号1 6 x 1 6 块的4 种预测方式硕士学位论文除了指数型G o l o m b 码和基于上下文的变长编码( C A V L C ) 相结合的熵编码技术之外，H 2 6 4 还提供了一种基于上下文的二进制自适应算术编码技术( C A B A C ：C o n t e x t b a s e dA d a p t i v eB i n a r yA r i t h m e t i cC o d i n g ) 。在以前的标准中，控制信息、运动信息和量化后的变换系数多采用H u f f u m a n 编码，使用静态的概率估计码表，这样就忽略了不同视频流在统计特性上的区别，也忽略了待编码符号之间的相关性。C A B A C 通过建立上下文模型并自适应地更新待编码符号的统计特性解决了这两个问题【5 1 1 ，另外，采用C A B A C ，每个符号可以用精确到小数的比特数来表示，能够更有效地逼近符号的熵。4 6H 2 6 4 视频标准的发展前景H 2 6 4 具有码率低，网络适应性强，支持不同网络资源下的分级编码传输，能提供平稳的图像质量，所以H 2 6 4 标准可以满足多种应用的需求。H 2 6 4 将适用于电缆、卫星、M o d e m 、D S T 等信道的广播：视频数据在光学或磁性设备上的存储，基于I S D N 、以太网、D S L 、无线及移动网络中的视频流服务。同时，H 2 6 4 标准没有任何对所有权的限制，是一个公共的开放的标准。因此，增强了各个生产商在制造工艺中对低成本的竞争，使得产品价格迅速下降，促使下一代产品的出现。这种技术将会应用在移动电话、可携式相机、可刻录D V D 、家庭服务器与P C 间交换和传送多媒体文件等方面。4 7 小结本章首先介绍了国际视频标准组织公布的不同视频标准，然后介绍了H 2 6 4视频信息的压缩原理。介绍了H 2 6 4 视频编解码流程的主要过程、H 2 6 4 采用的新技术及其特点，最后展望了H 2 6 4 视频标准的应用前景。这一章主要是从理论是介绍了H 2 6 4 的原理与技术。接下来，主要介绍H 2 6 4标准的视频处理软件在D S P 的上的实现与优化。基于D M 6 4 2 的H 2 6 4 标准的W 税电话设计与实现第五章H 2 6 4 编解码程序在D S P 上的初步舞发5 。1H 2 6 4 视频开发的源码选择嚣2 6 4 标准鑫簸2 0 0 3 年3 旁开始公布羧蓐， 壁赛器国兹撬频开发久员援祆地就开发出了多个版本的H 2 6 4 标准的视频程序，而且很多研究组织公布了他们各自的歼源代码。其中有3 个开源组织开放的H 2 6 4 标准的程序比较著名，分别是：戆毽楚t M 舨本、法国豹X 2 6 4 藏本、发源子孛善赘T 2 6 4 叛本戆挺2 6 4 程窍。通过实验测试，分析和总缩了它们的优缺点，以下魑对这三个版本的H 2 6 4程序的评价：l 。3 M j i 葭1 4 2 6 4 程痒J M 舨H 2 6 4 楚窘方静溅试滁褥，由德黧h h i 研究耱受责开发1 3 朝。特点：J M 版H 2 6 4 程序题官方的测试源码，它实现了H 2 6 4 所有的特性，包括了释种最新算法研究成果。但其程序结构冗长，只考虑引入各葶巾新特性以撮裹壤弱後蕤，忽稷了缡筠复杂发，其编码复杂疫稷蘸，不宣实蠲。2 、X 2 6 4 版I t