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浙江大学 硕士学位
论文基于DM642的MPEG-2视频编码软件设计 别:硕士 专业:电子信息技术及仪器 指导教师:陈耀武 20060501 浙江大学硕士学位
论文 摘要 MPEG一2是针对标准数字电视和高清晰度电视的数字视频压缩规范。
基于对数字视频技术,重点是MPEG一2算法的研究,本
论文完成MPEG.2视频编码软件的设计。
该软件以T1公司高性能多媒体处理器--DM642为硬件平台,系统完成后在码率1,5Mbytes~10Mbytes范围内,可以对Dl格式(720+576)的视频序列进行25fps实时编码,码流验证清晰连贯。
第一章简述视频编码技术的发展和DSP技术的发展,对本课题的背景环境做了叙述。
第二章阐述视频压缩技术的理论基础,对比不同编码标准的优缺点,重点分析MPEG一2编码标准的整体框架和关键技术。
第三章对系统的开发平台进行介绍。
首先介绍TI公司最新的媒体处理器——DM642。
而后介绍该系统的软件开发平台,包括
软件开发调试环境CCS、eXpressDSP技术、芯片支持库CSL、驱动开发工具以及软件开发的流程。
第四章详细论述软件的设计过程。
首先搭建整体框架,在PC机上VC环境下实现MPEG一2算法,并有针对性地修改
开源代码的结构。
接着完成MPEG2算法从PC机到DM642的移植,并对代码进行算法级和代码级的优化。
第五章对本系统的性能,稳定性以及功能进行了测试。
第六章对系统的设计过程进行总结,并展望了系统将来的应用前景。
关键词:视频、编码、MPEG一2、DM642、优化 浙江大学硕士学位
论文 Abstract MPEG一2 standard is developed in response to the applications of DigitalTelevision Broadcasting and High Definition Television.Based on digital videotechnology,especially the MPEG一2 standard,this thesis completes MPEG·2 videoencoding software.The software can run on T1’S multimedia processor DM642,andcan encode video images at 25 frames per second in D1 resolution(720x576 pixels).On the condition that the bitrate is between 1.5 M bytes per second and 1 0 M bytesper second,the bitstream can be decoded to high quality video, Chapter one describes the foundation of video compression technology andDSP technology,and then it brings forward the mission ofthis article. Chapter two introduces the theory of video compression,and the advantage anddisadvantage of compression standards.Then it explains the key technology ofMPEG一2 recormneudNion deeply. Chapter three introduces the development platform.First,it introduces TI‘Smultimedia processor--DM642.Then it describes the software developmentplatform,including the integrated developing environment(CCS),eXpressDSParithmetic standard,chip support library CSL),driver development kit(DDK)andthe steps of software design. Chapter four particularly presents the design of software,Firstly,design theframework of software system,then develop the MPEG一2 arithmetic on PC andmodify the structure.The third step is to port the PC software to DM642 andoptimize the encoden Chapter five tests the whole system about function,performance and reliability. Chapter six summarizes the system and gives it’s meaning in general aspects. Keywords:video,encoder,MPEG一2,DM642,optimize 浙江大学硕士学位
论文 y 877175 致谢 首先衷心感谢我的导师陈耀武教授,本沦文是在陈老师的精心指导下完成的。
在我的研究生学习过程中,陈老师认真负责的作风、扎实全面的专业知识、严谨的治学态度、渊博的学识、勇于创新的精神和忘我的工作热情给我留下了深刻的印象。
他的言传身教将使我终生受益。
衷心感谢汪乐宇教授在我学业中给予的自始至终的指导、关心和帮助。
汪老师对
工作的严肃和对学生的平易近人给我留下了深刻的印象。
衷心感谢黄轶伦老师的无私帮助和指导,她严谨治学的态度、实于创新的精神、平易近人的为人,让我留下深刻的印象。
感i9f师兄郑雅羽一直以来对我的关心和帮助,还要感谢师兄冯杰、马汉杰,师姐张桦在课题上给与我的指导。
同时我还要感谢许许多多的同窗学友和曾经帮助鼓励过我的每一位朋友的热情帮助和支持! 耿辰 2006年5月于求是园 浙江大学硕士学位
论文 第1章绪论1.1视频压缩技术的意义 随着多媒体技术和电话事业的快速发展,单一语音媒体通信方式已经不能满足信息时代的人们对通信的需求,人们迫切要求改善通信方式。
二十世纪五、六十年代就有人提出可视电话的概念,认为应该利用电话线传输语音的同时传输图像。
研究开发以视频、图像为主的多媒体业务己成为当前信息技术的热点〔1〕。
据研究统计,人类接收的信息,大约有70%是通过视觉获得的。
与语音和文字信息相比,视频、图像信息具有信息量犬、更直观和更确切的特点,因而具有更为广泛的实用性和更高的使用效率,对人们的生活和工作、生产和军事都非常的重要。
数据量巨大是数字视频的固有特征,以CIF(Conmon intermediate format)格式的24位真彩色视频图像为例,每帧的数据量为352卓288{24=2.43Mbits。
当帧率为30fps时,每秒的数据量高达2.43术30=72.9Mbi ts。
随着数字化技术和网络应用的发展以及视频会议、视频电话、数字视频广播、视频点播、流媒体、数字图书馆、远程教育等宽带多媒体业务的开展普及,多媒体数据更将以前所未有的规模“爆炸性”增长,这无疑给数据的存储和传输带来了巨大困难,因此必须对海量的多媒体数据进行高效的压缩编码,并以压缩的格式进行存储和网络传输。
虽然视频信息数据量巨大,但这些数据间存在高度的相关性,数据相关性会引起信息冗余。
视频信号中存在的冗余包括空间冗余和时间冗余,视频编码技术本质上就是要尽量剔除原始信号中的各种冗余。
总之,视频、图像的数字化虽然具有可以再生中继、易于加密和抗干扰性强等诸多优点,但由于其所需的数据量巨大,对存储和传输都极为不利,已成为阻碍人类有效地获取和使用视频信息的瓶颈。
因此,视频编码技术是多媒体业务发展的重要关键技术之一。
浙江大学硕士学侥
论文1.2 DSP技术的发展现状 DSP是数字信号处理器(Digital Signal Processing)的缩写。
1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。
至80年代中期,随着CMOS技术的发展与进步,芯片的存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理,图像硬件处理技术的基础。
此后,DSP技术因其适应市场上对大量运算的需求而得到了迅速的发展,现在最快的DSP已经达到了1GHZ的时钟频率〔2】。
在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成。
但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。
随着大规模集成电路技术的发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。
这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作,虽功耗和尺寸稍大,但运算速度却比MPU快了几十倍,尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
DSP芯片的问世是个里程碑,它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。
至80年代中期,随着CMOS工艺技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础一J。
80年代后期,第三代DSP芯片问世,运算速度进一步提高,其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。
90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP器件。
现在的DSP属于第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP内核及外围元件综合集成在单一芯片上。
这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、
计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域【2】。
DSP芯片,即数字信号处理器,除了具备普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构、指令系统和指令流程设计上做了较大改动。
其结构特点为: (1)DSP芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和
程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率。
(2)DSP芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指、译码、取数、执行等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成。
这相当于多条指令并 浙江大学硕士学位
论文行执行,从而大大提高了运算速度。
(3)片内有多条总线可以同时进行取指令和取操作数动作,并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址。
f41配有独立的乘法器、加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加操作的矩阵运算、滤波、FFT、viterbi译码和相关等专用信号处理运算。
(5)大多数DSP都带有DMA控制器、外部存储器扩展接口、串行
通信接口等,配合片内多总线结构,可以实现大吞吐量数据传送。
(6)DSP芯片一般都配有中断处理器、定时器、片内存储器和锁相环(PLL)等片内集成外设,可以方便地实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统。
(7)省电管理和低功耗。
正是由于上面所述的特性,使得DsP芯片非常适合于实时的数字信号处理。
著名的DsP芯片厂商有TI,ADI公司,朗讯公司和摩托罗拉公司,产品覆盖了从低端的8位定点到高端32位定点和浮点DsP。
DsP芯片主要适用于需要大量重复运算的场合,目前广泛应用于通讯、医疗仪器、多媒体和雷达信号处理等领域。
1.3课题的提出与任务 科技不断地发展,数字视频技术越来越深入人们的生活。
随着市场的不断扩大和CMOS半导体工业的发展,嵌入式DSP的价格不断下降,性能却持续增加。
目前,MPEG一2技术趋于成熟,已经逐渐成为广播电视行业的主角。
有人预言,MPEG一2技术将使数字电视最终代替模拟电视。
全球正在开始实施的数字电视广播虽然有不少标准,像美国的ATsc,欧洲的DvB以及日本的IsDB但它们在传送视音频流时都是采用MPEG一2的传输流。
在前文所叙述的技术和市场背景下,本文着手于MPEG.2视频压缩技术在TI公司多媒体处理器DM642上的实现。
本文首先搭建整体框架,在Pc机上Vc环境下实现MPEG-2算法,并有针对性地修改
开源代码的结构,使其适用 浙江大学硕士学位
论文于嵌入式DsP的环境。
下一步完成MPEG.2算法从Pc机到DM642的移植,并根据算法本身特点以及DsP芯片的内部结构,对代码进行算法级和代码级的优化,使其在有限的资源下,达到最优的效果。
第三步是进行编码效果的评估和代码的验证。
从整体框架着手,首先着眼于代码的结构,接下来完成细节,最后对代码进行验证和评估,这样符合软件工程的理论。
本课题的任务是设计并实现基于DM642的MPEG一2视频软件。
课题内容包括:基于DM642的视频采集驱动
设计,MPEG.2算法设计,算法移植,基于DM642的汇编语言设计。
系统完成后在码率1.5Mby捃s~lOMbytes可变范围内,能对D1格式(720+576)的视频序列进行25昂s的实时编码,要求码流验证时图像清晰连贯。
在设计过程中,本文严格遵循IsO/IEc 13818中关于MPEG一2标准的建议,实现了Main Profile级别的MPEG一2编码器。
针对TI—D№42的内核及外围结构特点,对MPEG一2编码器进行了结构级,算法级和代码语言级三个级别的优化。
在本课题的设计过程中,提出了以下几个创新点: (1)MPEG.2压缩标准中对于运动搜索算法(motion estimate)并没有特定的规定。
本文采用菱形搜索算法,这样使得运动搜索更加快速和准确,提高了图像的质量,降低了码率。
(2)针对DM642的结构特点,充分利用DM642的片内sRAM,出于内核对片内sRAM的操作远高于片外sDRAM,本文把一些算法的重要环节放到片内执行,这样大大提高了代码执行效率。
(3)充分利用了DM642片内的EDMA模块,把搬运数据的任务全部交由EDMA实现,这样就节省了DsP的资源,提高编码速度。
(4J在视频采集驱动的设计中,采用数据隔行放置的方法,直接实现了采集数据的imerlace过程和从4:2:2格式到4:2:O格式的转换过程。
这样一来就节省了CPU额外的数据格式转换负担。
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论文 图2—2视频压缩标准发展历程 2.2.1 1t.26x标准 H.26x系列标准是I丁u—T下的VCEG(视频编码专家组)制定的视频编码标准,从1990年7月通过H.261视频编码建议开始,到后来的H.262/3,到目前的H,264都有一个共同的不断追求的目标,即在尽可能低的码率(或存储容量)下获得尽可能好的图像质量。
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px64kbit/s。
P取值较小时,只能传清晰度不太高的图像,适合于面对面的电视电话;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f51。
H.263建议的是低码率图像压缩标准,在技术上是H,261的改进和扩充,支 浙江大学硕士学位
论文持码率小于64kbit/s的应用。
人们的日常生活对诸如视频会议(Video Conference)、视频电话(Video Phone)和视频监控(Video Surveillance)等数字视频通信应用的需求非常强烈,但是现有的网络带宽极为有限,如公用电话交换网只能提供低于64kbps的带宽,而GSM无线网络则仅只能提供9.6kbps的带宽。
H.263标准正是针对这样的低比特率视频应用而制定的。
与H.261标准一样,1.263同样采用了基于运动补偿lDCT的混合编码框架, 但是H.263的运动估计精度达到1/2像素,并且为了进一步提高编码效率,H.263增加了四种可选模式【7〕。
H。
263主要针对会议电视、可视电话等低码率业务,处理的图像格式以CIF、QCIF为主,其整体结构依旧延续了常规视频编码系统的模式。
在编码上,它利用帧问预测减小时间冗余度,利用变换编码减小空间冗余度,传输上采用可变长编码技术,解码恢复中应用运动补偿。
H,263的信源编码器主要有帧间预测、块变换和量化组成。
源数据进入编码器,当采用帧内方式时,直接进行DcT变换,量化后形成码流q,一路q经反量化、IDCT变换后形成重建图像,存入帧存储器:当采用帧问方式时,原始图像先与经运动估计后的预测图像相减,产生差分图像,接着进行DCT变换的量化,形成码流q。
与帧内方式相对应,一路q也经反量化、IDCT变换后与预测图像相加形成重建图像,送入帧存储器,用于下一步的运动估计。
码流ql、运动矢量v、帧内/帧问标志P和量化器信息qz送入视频复用器,加入头信息后形成视编码流。
传输标志t根据缓冲存储器状态和其它信息发送,用以控制视频复用器是否接入编码信息,起到调节码流速度的作用〔7〕。
2001年12月,ITU—T和ISO成立JvT开始致力于H。
26L编码技术的标准化工作,该标准的正式名称为H.264/MPEG.4 part 10(AVC,Advanced VideoCoding),简称为H.264。
H,264的主要目标是力求设计简单有效的编码技术,并达到增强的压缩性能和易于网络传输(Network.Friendly)的能力,来满足同益增长的“对话型”(视频电话、会议等)和“非对话型”(视频存储、广播以及流媒体等)视频应用的需要。
H.264标准包括视频编码层和
网络适配层,视频编码层完成对视频序列的高效压缩;网络适配层则完成码流在网络上传输时的数搦打包。
与以前的编码标准相比,H.264的编码效率大约提高了50%左右f61。
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论文 2.2.2 MPEG系列标准 MPEG(Moving Picture Expert Group,移动图像专家组)是ISO(International Organization for Standardization,国际标准化组织),与IEC(International Electrotechnical Commission国际
电工委员会)的技术联合委员会JTC(Joint Technical Committee)下的第29小组(SC29),其研究对象是活动图像的压缩、编码,由此而制定的标准称为MPEG。
到目前为止,己经开发和正在开发的MPEG标准有 MPEG.1:数字电视标准,1992年正式发布。
MPEG.2:数字电视标准。
MPEG一3: 己于1992年7月合并到高清晰度电视HDTV工作组。
MPEG-4:多媒体应用标准0999年发布1。
MPEG.7:多媒体内容描述接口标准(正在研究)。
MPEG视频
压缩标准是一个通用的压缩标准。
即要求MPEG视频信号表示,必须支持宽广的应用领域,这个通用的MPEG视频标准格式,可以在日益增长的多媒体存储介质中存储和表示。
MPEG视频压缩算法使得MPEG视频标准的频带较窄,MPE视频是基于一个可以接受的视频质量可以通过一个1.5Mbpsf包括音频)的带宽得到【7】。
MPEG视频压缩技术,为满足应用需要,须具有以下特点: (1)随机存取是存储媒介上视频信息必不可少的特性。
随机存取要求能在被压缩的视频位流中间进行存取,并且能在限定的时间内对视频的任一帧进行解码。
随机存取意味着存在可随机存取的单元,即某段信息编码的结果仅与该段自身的信息有关。
在质量不下降的前提下,随机存取时间大约可达O.5s。
(2)快速正向/逆向
搜索根据存储媒介的特点,对压缩数据流可进行扫描和利用合适的存取点来显示所选择的图像,以实现正向快速搜索和逆向快速搜索。
(3)逆向重播交互式的应用有时需要视频信号能够逆向重播,但并非所有的应用都需要在逆向重播时保持完好的画面质量。
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论文 f4)视听同步视频信号应该准确地与相关音频信号相同步。
如果音频和视频信号,分别田两个稍有差别的时钟产生,那么应该提供一个机剃,使这两个信号能持久地重新同步。
同步特性是由MPEG小组提出,定义了一个用于多音频、视频信号同步和合成的工具或手段。
(5)容错性大多数数字存储介质和通信并不是不产生错误的。
所以希望有一个合适的信道编码方案能适用于多种应用。
并且要求这种编码方案对残存的未被校正的误差有强鲁棒性,这样即使是在有误差的情况下,也能避免编码的失败。
(6)编码/解码延迟在视频电话的应用中,必须能够保证系统的延迟时间低于150ms,以便保证这种面对面进行对话的应用质量要求。
出版发行应用f如DVD等应用)中,可以允许一个较长的延时,这种情况要求编、解码延时不超过Is。
传输质量和延迟在一个相当的范围内是可以折衷考虑的,因此压缩算法应在可接受的延迟范围内可充分地被执行。
延迟时间被看作为一个阀值参数设定。
(7)除上述特点之外,还要求编码
方案的实时完成,解码器尽可能用少量的芯片实现,以控制成本不致过高。
2.2.3AVS标准 面向我国信息产业的需求,2002年6月我国信息产业部决定制定拥有自主知识产权的音视频编码标准(简称AVS)。
AVS的目标是制订数字音视频的编解码、处理和表示等共性技术标准,为数字音视频设备与系统提供高效经济的编解码技术,主要针对HDTV.HD—DVD、无线宽带多媒体通讯、互联网宽带流媒体等重大信息产业应用。
该标准适用的范围包括但不限于下述领域:数字地面电视广播、有线电 视(CATV,Cable TV)、交互存储媒体、直播卫星视频业务、宽带视频业务、多媒体邮件、分组网络的多媒体业务实时通信业务(视频会议,可视电话等)、远程视频监控。
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论文 AVS标准是一套适应面十分广阔的技术标准,优势表现在以下几个方面: (1)AVS是基于我国自主刨新技术和国际公开技术所构建的自主标准。
(2)AVS的编码效率比我国目前准备采用推广的MPEG一2国际标准高2~3倍清晰度电视可达N3倍或更多。
(3)AVS与正H.264标准编码效率相当,技术方案更简洁。
(4)AVS可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源,降低传输和存储系统 的复杂程度,显著降低传输、存储设备与系统的
经济投入。
2.3 MPEG.2标准 近年来,电视领域里发生了一系列巨大的变化,会议电视、VCD、数字电视以及高晰度电视(HDTV)等新技术和新系统正迅速走迸我们的生活。
与传统的模拟电视相比,这些新系统的突出特点是采用了全数字的图象/声音处理技术。
随着这些数字电视系统的日益成熟和不断发展,针对不同的应用领域,一系列相应的数字视频音频编码标准也迅速地被制定并不断完善,其中包括:应用于会议电视及可视电话的H.261,用于静止图像压缩的JPEG用于VCD的MPEG一1和用于广播电视以及HDTV的MPEG一2。
与此同时,数字演播室标准及数字电视的质量评价标准也被制定出来。
与其他几种标准相比,MPEG一2制订的时间稍晚,但却具有以下几个突出特点:所支持的图像分辨率最高,包括符合ITU-RRec.601格式的标准分辨率的数字电视和更高分辨率的HDTV。
支持包括高速体育运动在内的活动图像。
所支持的应用最为广泛,既包括存储媒体中的DVD,广播电视中数字广播电视平ffHDTV,还可应用于交互式的点播视频(VOD)和准点播视频(NVOD),此外,还能够适配于ATM这种新兴的宽带通信网。
数字存储媒体、电视广播以及通信等应用领域对于运动图像的通用编码方法的要求日益增大,MPEG一2的用处在于可以使运动视频数据作为~种计算机可处理的数据形式,并且可以存储在各种存储媒体上,可以在现存或未来的网络上发送、 浙江大学硕士学位
论文接受,并且可以在现存或未来的广播信道上传播〔9〕。
2.4 MPEG.2与其它标准的对比 2.4.1 MPEG-2与MPEG一1 由MPEG一2的前身MPEG一1开发出来的视频压缩技术的应用范围根广,包括从CD--ROM上的交互系统,到电信网络上的视频传送MPEGl视频编码标准被认为是~个通用标准〔9〕。
MPEG--2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,它不是MPEG.1的简单的升级,而在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。
现有的DVD影碟里面采用的就是MPEG一2压缩标准。
DVD采用的是MPEG2--PS格式,即MPEG-2 Program Stream,主要用来存储固定时长的节目。
与DVD不同的是,HDTV采用的是MPEG2一TS格式,即MPEG一2 Transport Stream,是一种视频流格式,主要用于实时传送节目。
在实际应用中,视频数据95%是重复的,而MPEG.2通过解析影像数据,减少重复数据的存贮,对图像没有任何影响。
其压缩原理很简单,只是将图像信号中的多余、重复部分(如电影中静止的背景等)和不连续的信息进行压缩。
例如在DVDqb,通常盘片上字节数量是固定的,所以编码器应该首先计算如何最大限度而且有效地进行分配,也就是说,对于复杂的图像分配较多的字节而简单的图像就分配较少,然后比较每帧画面,如果相邻两帧画面重复,只需将其中的区别编码成一个新数据〔101。
2.4.2 MPEG-2与MPEG.4 .