H.264编解码算法研究及其在DM642平台的优化和实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 1.84MB 45 页 15积分

目 录
摘要
ABSTRACT
目 录..................................................................................................................................1
第一章 绪论......................................................................................................................1
§ 1.1 引言...............................................................................................................1
§ 1.2 视频编码标准的发展历程...........................................................................1
§ 1.3 课题提出的背景和意义...............................................................................3
§ 1.4 文章的内容和组织结构...............................................................................3
第二章 H.264 视频编解码标准及其关键技术介绍.......................................................4
§ 2.1 H.264 视频压缩标准概况............................................................................4
§ 2.2 H.264 编解码器............................................................................................5
§ 2.2.1 H.264 编码器基本结构......................................................................5
§ 2.2.2 H.264 解码器基本结构......................................................................5
§ 2.3 H.264 的结构................................................................................................6
§ 2.3.1 H.264 的档次......................................................................................6
§ 2.3.2 H.264 的数据结构..............................................................................6
§ 2.4 H.264 的关键技术........................................................................................7
§ 2.4.1 帧内预测[4]..........................................................................................7
§ 2.4.2 帧间预测[5]..........................................................................................8
§ 2.4.3 变换和量化[8]....................................................................................10
§ 2.4.4 熵编码[9]............................................................................................12
§ 2.4.5 去方块滤波器[11]...............................................................................13
第三章 H.264/AVC 算法的优化....................................................................................16
§ 3.1 H.264/AVC 参考帧选择算法的优化.........................................................16
§ 3.1.1 H.264/AVC 中参考帧的选择...........................................................16
§ 3.1.2 算法的优化.......................................................................................17
§ 3.1.3 优化后算法的流程图.......................................................................20
§ 3.2 一种基于内容的可适应性去方块滤波视频编码方法.............................22
§ 3.2.1 算法描述..................................................................................................22
第四章 系统硬件设计....................................................................................................26
§ 4.1 TI TMS320DM642[16]..................................................................................26
§ 4.2 视频采集显示模块设计.............................................................................27
§ 4.2.1 DM642 Video Port 口[17]....................................................................27
§ 4.2.2 视频采集模块设计...........................................................................29
§ 4.2.3 视频显示模块设计...........................................................................30
§ 4.3 存储模块.....................................................................................................32
§ 4.3.1EMIF 接口..........................................................................................32
§ 4.3.2 SDRAM 接口....................................................................................33
§ 4.3.2 FLASH 接口......................................................................................33
1

§ 4.3.3 数据线阻抗匹配...............................................................................33
§ 4.4 网络模块.....................................................................................................33
§ 4.4.1 DSP 网络接口说明...........................................................................33
§ 4.4.2 PHY 芯片 LXT971：........................................................................34
§ 4.5 电源模块.....................................................................................................35
§ 4.6 硬件系统调试.............................................................................................36
第五章 H.264 编解码在 DM642 上的实现...................................................................38
§ 5.1 基于 DSP/BIOS 的系统软件开发..............................................................38
§ 5.1.1 DSP/BIOS[19]介绍..............................................................................38
§ 5.1.2 基于 DSP/BIOS 的程序开发............................................................39
§ 5.1.3 基于 DSP/BIOS 的程序开发流程....................................................39
§ 5.2 H.264 编解码器的移植..............................................................................40
§ 5.2.1 H.264 编解码器在 CCS 环境下的运行...........................................40
§ 5.2 H.264 编解码器在 DM642 平台下的优化................................................41
§ 5.2.1 基于 DM642 硬件体系架构的优化.................................................41
§ 5.3 代码级优化.................................................................................................42
§ 5.3.1 编译选项的优化...............................................................................42
§ 5.3.2  C 语言代码优化...............................................................................42
§ 5.3.3 汇编语言代码优化...........................................................................43
§ 5.4 测试结果.....................................................................................................43
第六章 结束语................................................................................................................45
参考文献.........................................................................................................................46
2

第一章绪论

§1.1 引言

随着超大规模集成电路技术、计算机和通信技术的迅猛发展，数字化技术深刻

影响着人们的日常生活，人们同时也期望着更高品质的集视频、图像、文字为一体

的多媒体服务.然而，数字化媒体在满足人们需求的同时，对数据传输带宽、数据

存储容量等提出了更高的要求。对于多媒体信息，特别是图像数据和视频数据，

这种情况更为严重。因此，研究和开发新型有效的视频压缩编码方法，以压缩过

的形式存储和传输这些数据是最好的解决途径。

§1.2 视频编码标准的发展历程

随着数字视频编码技术的不断发展和成熟，出现了大量视频编码应用方案，为

了使各种应用系统实现兼容，同时推进技术的市场化，各企业联盟、标准组织和

专门化标准委员会就新技术的规范化制定了一系列的标准。国际电信联盟 ITU 和

运动图像专家组MPEG 是对数字视频编码标准贡献较大的两个组织。多年来它们

制订了各个新的建议和标准。

H.261[1]

H.261 又称为P×64，其中 P为1到30 的可变参数，它最初是针对在 ISDN

上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会议而设计的。实际的编

码算法类似于MPEG 算法，但不能与后者兼容。H.261 在实时编码时比MPEG

所占用的 CPU 运算量少得多，此算法为了优化带宽占用量，引进了在图像质

量与运动幅度之间的平衡折中机制，也就是说，剧烈运动的图像比相对静止的

图像质量要差。因此这种方法是属于恒定码流可变质量编码而非恒定质量可变

码流编码。

MPEG-1/MPEG-2[2]

运动图像专家组MPEG 成立于1988 年，MPEG-1 是其制订的第一个音/视频

编码标准，于 1993 年通过。MPEG-1 标准可以使数字视频在大约1.5Mbit/s 的速率

下达到甚至超过家用录像系统 VHS 的品质，并将压缩的音频也放到了普通的 CD-

ROM 中。从技术特征上来分析，MPEG 依然采用的是传统的混合编码框架，只是

增加了双向帧间预测技术，并且将运动补偿的分辨率提高到半像素。由于应用目

标不同，MPEG-1 和H.261 分别在高比特率和低比特率的情况下显示出各自的优

点。MPEG-2 制定于1994 年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传

输率。MPEG-2 所能提供的传输率在3-10Mbits/sec 间,其在 NTSC 制式下的分辨

率可达720X486，MPEG-2 也可提供并能够提供广播级的图像。由于MPEG-2

在设计时的巧妙处理，使得大多数 MPEG-2 解码器也可播放 MPEG-1 格式的数

据，如VCD。

MPEG-4[3]

MPEG-4 于1998 年11 月公布，原预计 1999 年1月投入使用的国际标准

MPEG4 不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交

互性和灵活性。 MPEG 专家组的专家们正在为 MPEG-4 的制定努力工作。

H.264 编解码算法研究及其在 DM642 平台的优化和实现

MPEG-4 标准主要应用于视像电话(Video Phone)，视像电子邮件(Video Email)

和电子新闻(Electronic News)等，其传输速率要求较低，在 4800-64000bits/sec

之间，分辨率为176X144。MPEG-4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩

和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。

AVS

AVS 是数字音视频编解码技术标准的英文简称，是我国自主制定的第二代数

字音视频信源标准，具有自主知识产权，2003 年12 月19 日，AVS 视频部分定稿，

并于2006 年被批准为国家标准，3月1日起正式实施。它的编码效率与竞争性国

际标准 MPEG-4／H.264 相当，技术方案更简洁，避免了超过 10 亿美元的专利费，

为我国数字电视等音视频产业的跨越发展提供难得的契机。

2002 年ITU-T 和ISO 组成的联合工作组JVT Joint Video Team 制定

的H.264/AVC 视频编码标准是新一代的视频编码标准，它采用了一系列新型的编

码技术，其压缩效率要比以前的标准高许多。

相比其他标准 H.264 具有以下优点：

1) 码率更低

和MPEG-4 标准相比，在相同图像质量下，采用 H.264 标准压缩缩后的数据

量只有MPEG-4 的1/2 左右；

2) 图像质量更高

H.264 采用了环路滤波器等技术，去除了图像解码端的块效应现象，使图像

视觉效果更好；

3) 抗误码能力更强

H.264 在设计时针对分组交换网如 Internet 中的分组丢失和无线网络中比特误

码都提出了相应的算法改进，使得H.264 在网络传播时具有更强的抗误码性能；

4) 网络适应性更好

H.264 包含网络抽象层 Network Abstraction Layer（NAL），并提供合适的头

信息以便适应不同的传输层和储存媒介，提供了友好的网络接口，使得H.264 的

比特流可以方便的在不同的网络上传输。

§1.3 课题提出的背景和意义

H.264 实时编码是目前图像通信研究领域的热门话题，尤其在移动视频、视频会

议、电视电话等视频实时应用场合具有非常重要的研究意义和实用价值。视频编码

器的实现主要有三种可能途径：

1) 软件方式。指利用PC 机通过基于计算机操作系统的软件来实现视频编码，

这种方法比较容易实现软件的升级，但系统性能受 PC 机处理器运算能力所限，

最大缺陷为速度慢，实时处理视频信号不容易实现，主要用于前期仿真、验证算

法的正确性；

2) 硬件方式。此方案的优点是集成方便，开发周期短，但芯片设计和生产的

成本较高，程序升级的灵活性差；

3) 基于 DSP 平台的软硬件结合方式。利用DSP 的高速信号处理能力，用软

件实现的算法在其上运行时可以大大缩短执行时间，获得高压缩率，同时由于数

字频的标准广泛，产品的更新要求更多，采用 DSP 做产品将更加具有优势，当进

行软件升级或使用新的编码标准的时候，只需要对代码进行修改和调整DSP 的配

置就可以实现。随着 DSP 生产工艺的不断提高，DSP 性能也不断提高，价格不断

第一章绪论

下降。TMS320DM642 是 TI 公司最新推出的一款针对视频和图像处理领域应用的

数字媒体处理器，因其强大的处理能力和外设高度集成性等特点而成为目前实现

H.264 视频编码器的理想平台之一。

§1.4 文章的内容和组织结构

本文的结构安排如下：

第一章绪论，简要介绍了本课题的提出背景、视频编码技术的发展历程、阐述了

本论文的主要工作及结构安排；

第二章介绍了 H.264 编解码标准，详细阐述了 H.264 标准的关键技术；

第三章针对H.264 的计算复杂度问题，提出了一种优化的搜索参考帧的方法；

第四章以 TI 的DM642 为处理平台，介绍了 H.264 的硬件平台；

第五章介绍 CCS 环境下系统软件的开发，以及 H.264 基于 DM642 平台的移

植和优化；

第六章结合测试结果，讨论H.264 在DM642 平台上的性能，并总结全文，探

讨课题进一步的研究方向。

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目录摘要ABSTRACT目录..................................................................................................................................1第一章绪论......................................................................................................................1§1.1引言............................

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