畢業(yè)論文頻監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)abrh

1、基于3g網(wǎng)絡(luò)的嵌入式高速公路h.264視頻監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 研究方向： 計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制 研 究 生： xxx 指導(dǎo)教師： xxx 教授論文起止日期：2009年4月至2010年4月embedded 3g network based on h.264 video surveillance server highway design and implementationmajor：computer applied technologydirection of study：computer test and control graduate student： supe

2、rvisor： prof.mai chengguoschool of computer scienceyangtze universityapril,2009 to april,2010摘 要 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量的日益增多，在我國(guó)高速公路的某些區(qū)段必然會(huì)出現(xiàn)常發(fā)性和偶發(fā)性的交通擁擠。高速公路臨近系統(tǒng)簡(jiǎn)介高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般分為收費(fèi)監(jiān)控和道路監(jiān)控兩部分。收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)收費(fèi)站的車道、收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況，對(duì)收費(fèi)車道通過(guò)的車輛類型、收費(fèi)員的操作過(guò)程以及收費(fèi)過(guò)程中的突發(fā)事件和特殊事件進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)施有效的監(jiān)督。道路監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)高速公路干線、互通立交、隧道等高速公路重

3、點(diǎn)路段進(jìn)行監(jiān)視，掌握高速公路交通狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通阻塞路段、違章車輛，及時(shí)給予引導(dǎo)，保證高速公路的安全通暢。目前高速公路中對(duì)視頻信號(hào)的監(jiān)控和管理自下而上可分為以下幾層：（1）收費(fèi)站：各收費(fèi)站需要對(duì)本地的視頻信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。各收費(fèi)站所轄的攝像機(jī)信號(hào)全部引入本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)，收費(fèi)站對(duì)本地所有圖像進(jìn)行監(jiān)控管理。（2）監(jiān)控分中心：一條高速公路通常設(shè)置幾個(gè)路段監(jiān)控分中心，分別對(duì)某一路段進(jìn)行監(jiān)控和管理。各收費(fèi)站圖像根據(jù)路段監(jiān)控分中心要求選擇幾路上傳，路段監(jiān)控分中心對(duì)路段中各收費(fèi)站上傳的圖像進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。（3）監(jiān)控中心：（有些不設(shè)此級(jí)）多條高速公路的統(tǒng)一管理通常根據(jù)地域劃分為若干個(gè)片區(qū)來(lái)進(jìn)行。一個(gè)片區(qū)對(duì)

4、某一區(qū)域內(nèi)相臨或相連的幾條高速公路進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。這幾條高速公路的監(jiān)控分中心根據(jù)片區(qū)監(jiān)控中心的要求上傳圖像，片區(qū)監(jiān)控中心對(duì)各路段監(jiān)控分中心上傳的圖像進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。（4）省監(jiān)控中心：各省高速公路管理局需要對(duì)省內(nèi)所有的高速公路進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調(diào)度。各片區(qū)監(jiān)控中心將自己所轄區(qū)域內(nèi)的視頻信號(hào)選擇上傳到省中心，由省中心統(tǒng)一監(jiān)控和管理。省中心、監(jiān)控中心、監(jiān)控分中心之間采用聯(lián)網(wǎng)分級(jí)控制?？刂菩盘?hào)采用逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的形式轉(zhuǎn)發(fā)到需要控制的設(shè)備。作為高速公路智能交通系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)主要方面，交通監(jiān)控智能化是發(fā)展的大趨勢(shì)。同時(shí)，隨著ip智能監(jiān)控技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的革新，先進(jìn)成熟的ip智能監(jiān)

5、控系統(tǒng)將成為公交系統(tǒng)監(jiān)控的主流。特別是近年來(lái)基于3g無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其移動(dòng)裝備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及移動(dòng)性等特點(diǎn)，集合數(shù)字采集、影像壓縮、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信號(hào)的采集、無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，將前端的模擬信號(hào)處理成高清晰的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像通過(guò)3g無(wú)線發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)管理中心，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻監(jiān)控。荊州市作為湖北省重要的交通樞紐城市，荊襄、荊岳等一批高速公路先后建成通車，對(duì)這些高速公路更好的管理便提上了日程。作為一名交通系統(tǒng)的職工，本人有幸參與到了該項(xiàng)目課題的研究。通過(guò)參閱大量課題相關(guān)資料、借鑒目前成熟的技術(shù)和算法，于是，便有了本論文的出現(xiàn)。本課題所設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控服

6、務(wù)器由前端視頻采集模塊、dm6446為核心的嵌入式dsp、3g無(wú)線模塊組成。前端視頻采集模塊采集的實(shí)時(shí)圖像信息經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將信號(hào)傳入dm6446dsp處理芯片，dsp將前端采集的實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)植入的h.264算法進(jìn)行視頻的壓縮并封包，最后將已經(jīng)封包的壓縮編碼通過(guò)3g網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)過(guò)處理的圖像發(fā)送至客戶端。在設(shè)計(jì)階段，首先介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀，并介紹了視頻壓縮關(guān)鍵技術(shù)，然后進(jìn)行了h.264算法選擇及討論，在目前三大開源h.264編解碼算法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，以期達(dá)到誤碼率小，圖像清晰的目的；第二步，進(jìn)行了芯片選型與開發(fā)平臺(tái)選擇，并對(duì)硬件平臺(tái)做了適當(dāng)?shù)膬?nèi)存管理改進(jìn)，以期達(dá)到快速運(yùn)算的目的；第三步，進(jìn)行

7、了基于dsp平臺(tái)的h.264編碼算法的討論；第四步，介紹了適應(yīng)3g的封包技術(shù)，并介紹了適應(yīng)3g平臺(tái)的封包算法；第五步，將改進(jìn)的編碼算法與數(shù)據(jù)封包算法移植到芯片中；第六步，進(jìn)行了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。采用基于h.264壓縮編碼技術(shù)和3g技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、功能、成本與擴(kuò)展性等方面都有著突出的優(yōu)勢(shì)，具有重要的學(xué)術(shù)意義與實(shí)用意義。關(guān)鍵詞：dm6446，h.264，3gabstractwith the rapid development of the national economy, the increasing traffic in china is bound to ce

8、rtain sections of highway often fat and sporadic congestion. application of intelligent transportation system as a highway as a main aspect of intelligent traffic control is the trend of development. meanwhile, with the ip technology, the rapid development of intelligent control, computer and image

9、processing technology, innovation, advanced and mature ip intelligent monitoring system will become the mainstream public transport system monitoring. especially in recent years based on 3g wireless communications technology is developing rapidly, wireless remote video monitoring system for its mobi

10、le network equipment monitoring, digital, and mobility characteristics, a collection of digital capture, video compression, storage, data processing, alarm signal acquisition, long-range wireless data network transmission and other functions, the front-end analog signal processing into a high-resolu

11、tion real-time digital image released by 3g wireless network management center to realize the remote remote mobile video surveillance.jingzhou city, hubei province as an important transport hub, jingxiang, jing-yu has a number of highway opened to traffic, better management of these highways will be

12、 put on the agenda. as a transport system workers, i had the honor to participate in research projects in the project. see a lot of relevant information by topic, reference the current mature technology and algorithms, so, there was the emergence of this thesis.this subject is designed video surveil

13、lance server by the dm6446 embedded image server as the core, 3g wireless module.embedded image server, real-time acquisition images compressed using h.264 encoding algorithm, and the 3g network will be processed by the image sent to the client.in the design phase, the first choice for the h.264 alg

14、orithm and discussion in the current three major open source h.264 codec algorithm was improved in order to achieve the error rate is small, the image clear purpose; the second step, carried out chip selection and development platform selected, the system uses a high-speed dual-core ti dm6446 soc ch

15、ip, and will migrate to chip h.264 algorithm, 3g transmission module using the popular 3g wireless network cards to achieve; the third step was embedded video surveillance system software design.coding based on h.264 compression technology and 3g technology network video monitoring system, stability

16、, function, cost and scalability so all have outstanding advantages, an important academic significance and practical significance.key words：dm6446，h.264，3g目 錄目 錄i第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展21.2.2圖像壓縮編碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀31.3 本課題研究的內(nèi)容與技術(shù)特色點(diǎn)51.4 論文的組織結(jié)構(gòu)61.5 本章小結(jié)6第2章 h.264算法及其在3g中的應(yīng)用72.1 h.264算法

17、概述72.1.1 h264編碼器結(jié)構(gòu)82.1.2 h.264的檔次和級(jí)92.1.3 h.264的核心技術(shù)122.1.4 h.264的研究現(xiàn)狀202.2 h.264編碼技術(shù)在3g中的應(yīng)用232.2.1 3g移動(dòng)通信系統(tǒng)中的視頻業(yè)務(wù)232.2.2 3g系統(tǒng)及信道特性232.2.3 h.264編碼在3g中的應(yīng)用242.3 本章小結(jié)27第3章 基于3g的h.264的封包方法283.1 傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)簡(jiǎn)介283.2 流媒體傳輸協(xié)議293.2.1 rtp/rtcp293.2.2 rtsp313.2.3 rsvp323.3 h.264的rtp封裝323.3.4 h.264視頻流傳輸控制算法343.4 本章小

18、結(jié)36第4章 嵌入式視頻監(jiān)控服務(wù)器的硬件設(shè)計(jì)374.1 嵌入式監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)374.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)384.2.1 dm6446處理器簡(jiǎn)介384.2.2 硬件電路設(shè)計(jì)394.3 本章小結(jié)41第5章 軟件平臺(tái)介紹及改進(jìn)算法425.1 軟件平臺(tái)介紹425.1.1 davinci技術(shù)概述425.1.2 davinci的程序開發(fā)框架445.1.3 dsp算法開發(fā)455.1.4 映象文件及編解碼器引擎的集成455.1.5 arm linux應(yīng)用程序開發(fā)465.2 davinci的內(nèi)存管理及改進(jìn)算法465.2.1 達(dá)芬奇的內(nèi)存管理方式465.2.2 達(dá)芬奇的內(nèi)存管理的不足475.2.3 改進(jìn)的內(nèi)存管理

19、策略485.3 本章小結(jié)50第6章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)516.1 嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)516.1.1 引導(dǎo)程序bootloader的實(shí)現(xiàn)516.1.2 嵌入式linux內(nèi)核及文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)526.1.3 armdsp驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)526.2 h.264算法的api函數(shù)實(shí)現(xiàn)546.3 視頻圖像傳輸模塊的實(shí)現(xiàn)566.4 本章小結(jié)57第7章 總結(jié)與展望58致 謝60參考文獻(xiàn)61個(gè)人簡(jiǎn)介65研究生學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和版權(quán)使用授權(quán)說(shuō)明66第1章 緒論1.1 研究背景及意義從上世紀(jì)九十年代開始，中國(guó)進(jìn)入了公路建設(shè)快速發(fā)展的時(shí)期，尤其是1998年中國(guó)實(shí)施積極的財(cái)政政策以來(lái)，中國(guó)公路建設(shè)投資數(shù)量之大、開工項(xiàng)目之多舉

20、世矚目。從1990年到2003年的14年間，中國(guó)公路建設(shè)累計(jì)投資近2萬(wàn)億元，其中僅2003年就達(dá)3715億元，創(chuàng)歷史新高。2004年1至9月，中國(guó)公路建設(shè)完成投資比去年同期又增長(zhǎng)了266。到2003年底，中國(guó)公路通車總里程達(dá)181萬(wàn)公里，居世界第三位，其中44是最近14年內(nèi)修通的。截止到2004年已突破3萬(wàn)公里，高速公路總里程位居世界第二。 “十五”全國(guó)共新增公路里程25萬(wàn)公里，其中高速公路2.47萬(wàn)公里，超過(guò)了2000年以前高速公路建設(shè)的總和。交通部有關(guān)負(fù)責(zé)人說(shuō)，針對(duì)公路交通事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要，交通部提出了8.1萬(wàn)公里國(guó)家重點(diǎn)公路建設(shè)規(guī)劃，計(jì)劃到2020年完成，并與目前的國(guó)道主干線共同構(gòu)成國(guó)

21、家骨架公路網(wǎng)。屆時(shí)，中國(guó)高速公路將達(dá)到7萬(wàn)公里【51】。高速公路是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，它與一般公路相比，具有線型好、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、交通流量大、行車速度快等特點(diǎn)，如不采用先進(jìn)的管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通阻塞。為此，在一些車流量非常大的高速公路上部署全程的監(jiān)控系統(tǒng)就是必不可少了。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)也從無(wú)到有、從小到大、從模仿國(guó)外到完全自行設(shè)計(jì)并制定適合我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也取得了相當(dāng)大的成績(jī)，但是，與國(guó)外相比我國(guó)高速公路監(jiān)控技術(shù)水平處于初級(jí)階段。近幾年，隨著嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和3g通信技術(shù)的發(fā)展，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，本課

22、題正是在這樣的背景下提出的。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)它主要分為收費(fèi)站監(jiān)控、隧道特大橋梁監(jiān)控和路面監(jiān)控三大組成部分。對(duì)于收費(fèi)站監(jiān)控，仍采用原有的基于有線的監(jiān)控方案，而對(duì)于隧道特大橋梁監(jiān)控和路面監(jiān)控，由于監(jiān)控點(diǎn)分布在較廣闊的范圍內(nèi)，并且與監(jiān)控中心的距離較遠(yuǎn)，利用傳統(tǒng)的有線連接方式，線路鋪設(shè)成本高昂，而且施工周期長(zhǎng)，或者因?yàn)槲锢硪蛩仉y以架設(shè)線纜，如遇到河流山脈等障礙時(shí)，本監(jiān)控方案可很好地解決上述問(wèn)題。采用本方案無(wú)需鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)電纜，可迅速方便地在各種需要的地方布署數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備，建立新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)充性。利用3g通信技術(shù)，可以將多個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)與中央控制中心連接起

23、來(lái)，且搭建迅速，可以在最短的時(shí)間內(nèi)迅速建立起無(wú)線鏈路。在我國(guó)，隨著3g移動(dòng)通信系統(tǒng)走向?qū)嵱?，高?mhz的帶寬將為無(wú)線視頻監(jiān)控提供更加強(qiáng)有力的支持，此時(shí)視頻的質(zhì)量將會(huì)有極大的改善。作為目前最新的視頻編碼技術(shù)h.264，在視頻監(jiān)控方面有著非常大的前景。h.264標(biāo)準(zhǔn)1采用了高精度、多模式預(yù)測(cè)技術(shù)用來(lái)提高壓縮比以降低碼流。h.264標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計(jì)了視頻編碼層vcl和網(wǎng)絡(luò)提取層nal結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò)友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。h.264標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計(jì)了差錯(cuò)消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸2,3，從而保證了視頻傳輸?shù)?/p>

24、有效性。本課題主要采用了在現(xiàn)有h.264算法的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)改進(jìn)的算法，將其應(yīng)用于ti dm6446芯片，通過(guò)3g無(wú)線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)h.264視頻通過(guò)3g網(wǎng)絡(luò)的傳輸。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)階段【52】： 20世紀(jì)90年代初及以前，主要是以模擬設(shè)備為主的閉路電視系統(tǒng)，稱為第一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其采用模擬視頻線將來(lái)自攝像機(jī)的視頻連接到監(jiān)視器上，視頻矩陣主機(jī)進(jìn)行切換和控制。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于模擬視頻信號(hào)的傳輸對(duì)距離十分敏感，通常只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，而且無(wú)法進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，只能采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，使得布線工程量極大，局限性十分明顯【53】。

25、 20世紀(jì)90年代中期，利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行視頻的采集和處理，較大地提高了圖像質(zhì)量，增強(qiáng)了視頻監(jiān)控的功能。這種基于多媒體計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)稱為第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即模擬/數(shù)字混合型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。模擬/數(shù)字混合型視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際工程中有著廣泛應(yīng)用，但由于系統(tǒng)中信息流的形態(tài)仍為模擬視頻信號(hào)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是一種單功能、單向、集總方式的信息采集網(wǎng)絡(luò)，要求介質(zhì)專用，因此系統(tǒng)的擴(kuò)展能力較差。 20世紀(jì)90年代末至今，網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲(chǔ)容量迅速提高，視頻信息處理技術(shù)快速發(fā)展，視頻監(jiān)控進(jìn)入了全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，稱為第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，嵌入式技術(shù)在硬件和軟件方面都出現(xiàn)了多次飛躍，

26、能夠滿足更加復(fù)雜和靈活的應(yīng)用需求。利用嵌入式技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸控制技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、處理速度、功能、價(jià)格、擴(kuò)展性等方面都有著突出的優(yōu)勢(shì)。 目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品。前者技術(shù)發(fā)展己經(jīng)非常成熟且性能穩(wěn)定，而后者正迅速崛起，但仍需進(jìn)一步完善和發(fā)展。視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在數(shù)控模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用并逐漸向全數(shù)字系統(tǒng)過(guò)渡的階段【54】。1.2.2圖像壓縮編碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)圖像壓縮編碼技術(shù)的研究比較成熟，itu-t（國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組）下屬的視頻編碼專家組vceg（video coding ex

27、perts group)主要制定了h.26x系列標(biāo)準(zhǔn)，包括h.2614、h.2635、h.263+、h.263+等。而iso/iec下屬的活動(dòng)圖像專家組mpeg(motion pictureexpertsgroup)則主要制定了mpeg-x標(biāo)準(zhǔn)，如mpeg-1/2/4等。 mpeg-16制定于1992年，是mpeg第一階段的成果。它規(guī)定視頻信息與伴音信息經(jīng)壓縮之后的數(shù)據(jù)速率上限為1.5mbit/s，從而可以在cd-rom、可寫光盤等介質(zhì)上進(jìn)行存儲(chǔ)，也可以在局域網(wǎng)、isdn上進(jìn)行視頻與伴音信息的傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)采用了幀內(nèi)編碼和幀間編碼相互結(jié)合的編碼方法，支持i,p,b,dc四種幀類型，其編碼速率最高

28、可達(dá)4-5mbits/s，但隨著速率的提高，其解碼后的圖像質(zhì)量有所降低。mpeg-1技術(shù)最成功的應(yīng)用為vcd，也被用于數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸。 mpeg-27制定于1994年，是在mpeg-1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展成的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要目標(biāo)是針對(duì)廣播級(jí)的高質(zhì)量音視頻以及更高的傳輸率。mpeg-2能夠很好的處理隔行掃描的數(shù)字視頻源，支持多輸入視頻序列的采樣格式，并支持幾種可選擇的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模式。其所能提供的傳輸率在3-10mb/s之間，在ntsc制式下的分辨率可達(dá)720*480。mpeg-2技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)dvd的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，還可用于為廣播、有線電視網(wǎng)、電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播提供廣播級(jí)的數(shù)字視頻。 為了適

29、應(yīng)多媒體通信的快速發(fā)展，iso于1994年開始制定mpeg-4標(biāo)準(zhǔn)8，mpeg-4標(biāo)準(zhǔn)主要由mpeg-4系統(tǒng)、mpeg-4音頻和mpeg-4視頻等基本部分和擴(kuò)充的部分組成。mpeg-4視頻編碼的主要目標(biāo)在于提供一種通用的編碼標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)不同的傳輸帶寬、不同的圖像尺寸和分辨率、不同的圖像質(zhì)量等，進(jìn)而為用戶提供不同的服務(wù)。與傳統(tǒng)的基于像素的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)不同，mpeg-4采用基于對(duì)象的視頻編碼方法，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的高效壓縮，還可以提供基于內(nèi)容的交互功能。此外，為了使壓縮后的碼流具有對(duì)于信道傳輸?shù)聂敯粜?，mpeg-4還提供了用于誤碼檢測(cè)和誤碼恢復(fù)的一系列工具，這樣采用mpeg-4標(biāo)準(zhǔn)壓縮

30、后的視頻數(shù)據(jù)可以用于帶寬受限、易發(fā)生誤碼的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。 h.261是itu-t提出的作為h.320終端使用的視頻編解碼建議，制定于1992年，常稱為px64k標(biāo)準(zhǔn)，其中p是取值為1到30的可變參數(shù)。p=1或2時(shí)支持四分之一中間格式(qcif)的幀率較低的視頻電話傳輸；p=6時(shí)支持通用中間格式(cif)的幀率較高的電視會(huì)議數(shù)據(jù)傳輸；px64k視頻壓縮算法也是一種混合編碼方案，即基于dct的變換編碼和帶有運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)差分脈沖編碼調(diào)制(dpcm)的預(yù)測(cè)編碼方法的混合。h.261主要應(yīng)用于isdn網(wǎng)上的視頻會(huì)議系統(tǒng)，借助于電信行業(yè)提供的px64k帶寬的通信線路，實(shí)現(xiàn)異地多方參加的電視會(huì)議。目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)幾

31、乎所有的(電信、政府、企業(yè)等)電視會(huì)議系統(tǒng)采用的壓縮技術(shù)均源自h.261標(biāo)準(zhǔn)。 h.263是itu-t提出的作為h.324終端使用的視頻編解碼建議，制定于1996年。它是基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膁pcm的混合編碼，在運(yùn)動(dòng)搜索的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，然后運(yùn)用dct變換和z“z字形掃描游程編碼，從而得到輸出碼流。h.263在h.261建議的基礎(chǔ)上，將運(yùn)動(dòng)矢量的搜索增加了半像素點(diǎn)搜索，同時(shí)又增加了無(wú)限制運(yùn)動(dòng)矢量、基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼、高級(jí)預(yù)測(cè)技術(shù)和pb幀編碼等四個(gè)高級(jí)選項(xiàng)，從而，達(dá)到了進(jìn)一步降低碼速率和提高編碼質(zhì)量的目的。h.263標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足現(xiàn)有信道所需要的壓縮性能，并對(duì)信道誤碼提供一定的魯棒性，從而成為新的低

32、碼率視頻編碼的主流標(biāo)準(zhǔn)。h.263已廣泛應(yīng)用于可視電話、視頻郵件、銀行、企業(yè)及智能化住宅的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。h.264是由itu-t vceg和iso/iec mpeg聯(lián)合組成的jvt開發(fā)的最新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其基本草案在2002年10月形成，最后的批準(zhǔn)工作于2003年3月完成。h.264標(biāo)準(zhǔn)中有多個(gè)閃光之處，如統(tǒng)一的vlc符號(hào)編碼、高精度且多模式的位移估計(jì)、基于4x4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語(yǔ)法等。這些措施使得h.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比h.263節(jié)約50%左右的碼率。同時(shí)，h.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)ip和無(wú)線

33、網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。隨著h.264面目的逐漸清晰，許多系統(tǒng)廠商和芯片供應(yīng)商正在加速開發(fā)能夠與當(dāng)前系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)相兼容的低成本h.264產(chǎn)品。 h.264視頻壓縮編碼算法是本課題研究的重點(diǎn)，本文隨后將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。國(guó)內(nèi)對(duì)圖像壓縮編碼技術(shù)的研究發(fā)展迅速，avs3(由數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組開發(fā))是中國(guó)自主制定的音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。avs工作組成立于2002年6月，當(dāng)年8月開始了第一次的工作會(huì)議。經(jīng)過(guò)7次avs正式工作會(huì)議和3次視頻組附加會(huì)議，經(jīng)歷一年半的時(shí)間，審議了182個(gè)提案，先后采納了41項(xiàng)提案，2003年12月19日avs視頻部分終于定稿。avs視頻當(dāng)中具有特征性的核心技術(shù)包括:8x8整

34、數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、二維墑編碼、去塊效應(yīng)濾波等。avs的主要特點(diǎn)3是應(yīng)用目標(biāo)明確，技術(shù)有針對(duì)性。因此在高分辨率應(yīng)用中，其壓縮效率比現(xiàn)在在數(shù)字電視、光存儲(chǔ)媒體中常用的mpeg-2視頻提高一個(gè)層次。在壓縮效率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，又較mpeg-4 mainprofile的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大為降低。目前，avs視頻壓縮編碼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度(ccir601或相當(dāng)清晰度)、低清晰度(cif,sif)等不同格式視頻的壓縮。1.3 本課題研究的內(nèi)容與技術(shù)特色點(diǎn) 本課題主要的內(nèi)容為:根據(jù)目前圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，深入了解h.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，采用了高效的視頻壓縮

35、算法。熟練運(yùn)用基于soc的dsp的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)以ti dm6446處理器為核心的系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具有視頻采集、壓縮編碼與3g網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能的嵌入式視頻監(jiān)控服務(wù)器。主要包括: 1、根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r與課題的目標(biāo)要求，并充分考慮本課題所選用的核心芯片與視頻編解碼算法的特點(diǎn)，進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體規(guī)劃。2、以ti dm6446處理器為核心，結(jié)合所需的外設(shè)接口與功能模塊，完成其定制與連接。 3、了解h.264標(biāo)準(zhǔn)，盡可能地查閱中英文資料，針對(duì)硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的特性，采用高效且易于實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮編解碼算法。除系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設(shè)計(jì)等大量工作外，本文擁有較為突出的技術(shù)特

36、色點(diǎn): 1、采用dm6446架構(gòu)的soc來(lái)構(gòu)建嵌入式圖像服務(wù)器的核心部分從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作與并行處理，較大程度地提高了系統(tǒng)的工作效率。 2、采用了適合于3g信道傳輸?shù)膆.264編碼算法，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用率。1.4 論文的組織結(jié)構(gòu) 本文的組織結(jié)構(gòu)為:第一章介紹視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展、圖像壓縮編碼技術(shù)以及3g標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，概述本文的內(nèi)容與特色點(diǎn)。第二章描述h.264的算法及提出h.264編碼技術(shù)在3g中的應(yīng)用。第三章介紹了基于3g的h.264的封包方法。第四章進(jìn)行核心芯片的選型與硬件設(shè)計(jì)。第五章軟件平臺(tái)介紹及針對(duì)本系統(tǒng)所作的改進(jìn)算法的介紹。第六章進(jìn)行了基于dm6446芯片的h.264編碼器的

37、設(shè)計(jì)。第七章進(jìn)行了h.264算法的dsp實(shí)現(xiàn)。第八章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第九章總結(jié)全文所做的工作，指出系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，對(duì)進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化進(jìn)行展望。1.5 本章小結(jié)本章闡述了課題的研究背景和意義，介紹了國(guó)際上現(xiàn)有的一些視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)及其特點(diǎn)，視頻壓縮編碼原理，三大3g標(biāo)準(zhǔn)比較及3g上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)。最后提出了論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排。第2章 h.264算法及其在3g中的應(yīng)用2.1 h.264算法概述h.264是由itu-tvceg和iso/iecmpeg聯(lián)合組成的jvt開發(fā)的最新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，被命名為avc(advancedvideocoding)，也稱為itu-t h.264建議和mpe

38、g-4第10部分標(biāo)準(zhǔn)，于2003年3月正式被itu-t討論通過(guò)并在國(guó)際上頒布。h.264不僅具有優(yōu)異的壓縮性能，而且具有良好的網(wǎng)絡(luò)親和性。h.264/av在設(shè)計(jì)上將整個(gè)編碼系統(tǒng)分成視頻編碼層vcl(videocodinglayer)和網(wǎng)絡(luò)提取層nal(networkabstractionlayer)兩個(gè)具有不同概念的層次。視頻編碼層vcl主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行高效編解碼，提供具有高質(zhì)量、高壓縮比、健壯性、可分級(jí)等特性的視頻編碼碼流，是整個(gè)h.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的核心部分。網(wǎng)絡(luò)提取層nal主要負(fù)責(zé)將視頻編碼層vcl產(chǎn)生的視頻編碼數(shù)據(jù)正確地映射到不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)中去。當(dāng)vcl產(chǎn)生的編碼視頻比特流將在

39、某種特定網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，nal針對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)及其傳輸協(xié)議的特性，對(duì)vcl的編碼碼流進(jìn)行適合該網(wǎng)絡(luò)及其傳輸協(xié)議的封裝。這樣h.264就可以在面向不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，靈活的提供不同的封裝方式，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。 對(duì)于系統(tǒng)中處理與傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，可將其從宏觀到微觀分為視頻序列、圖像幀、片(slice)、宏塊(macroblock)、子塊(sub-block)五個(gè)層次。視頻序列由若干個(gè)圖像幀組成，h.264可將圖像幀劃分為獨(dú)立解碼的片，有利于抑制錯(cuò)誤的蔓延，提高了解碼的容錯(cuò)能力。片必須進(jìn)一步劃分為16x16像素的宏塊，每個(gè)片所包含的宏塊個(gè)數(shù)是不定的。宏塊還可根據(jù)需要?jiǎng)澐譃楦〉淖訅K。為提高壓縮效率，去除圖

40、像序列的時(shí)間冗余度，同時(shí)滿足多媒體等應(yīng)用所必須的隨機(jī)存取要求，h.264把圖像幀分成i幀、p幀和b幀。i幀為幀內(nèi)編碼幀，編碼時(shí)采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和變換編碼。p幀為預(yù)測(cè)編碼幀，采用前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和預(yù)測(cè)殘差的變換編碼，由前面已解碼的參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè)。b幀為雙向預(yù)測(cè)編碼幀，采用雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)殘差變換編碼。此外，新標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)版本中提出了sp和si幀的概念，用來(lái)實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)編碼碼流中任意切換。 h.264的核心算法包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、高級(jí)運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償、4x4整數(shù)變換與量化、熵編碼、環(huán)路濾波等。其中熵編碼有兩種方案:一種是基于exp-golomb碼的一致變長(zhǎng)編碼(uvlc)和基于上下文的變長(zhǎng)編碼(cavlc)

41、相結(jié)合的變長(zhǎng)編碼(vlc)，編碼主要采用查表的方式，其中uvlc的表是固定的，而cavlc在編碼過(guò)程中會(huì)跟據(jù)周圍宏塊以及在之前編碼的數(shù)據(jù)信息，選擇不同的表，具有上下文自適應(yīng)功能。另一種是基于上下文的自適應(yīng)算術(shù)二進(jìn)制編碼(cabac)，為基于概率模型的統(tǒng)計(jì)估算。2.1.1 h264編碼器結(jié)構(gòu)h264標(biāo)準(zhǔn)與以往的h.26l、h.263等標(biāo)準(zhǔn)一樣，都是采用dct變換編碼加dpcm的差分編碼方式。即混合編碼結(jié)構(gòu)。其核心思想是利用幀間預(yù)測(cè)編碼消除圖像序列中的時(shí)域冗余，利用變換編碼消除頻域冗余。圖2-1為h.264編碼器的結(jié)構(gòu)框圖11。圖2-1 h.264編碼器結(jié)構(gòu)框圖figure2-1 h.264 en

42、coder block diagram在h.264中，也是把當(dāng)前編碼圖像劃分為多個(gè)宏塊，再對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)或使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，所得到的殘差圖像經(jīng)過(guò)變換、量化、熵編碼等處理后得到最終碼流。盡管h.264編碼基本結(jié)構(gòu)與h.261、h.263是類似的，但它在很多環(huán)節(jié)做了改進(jìn)，主要體現(xiàn)【12】在：(1)高精度估計(jì)。在h.264中，采用的是1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量模式。(2)多宏塊劃分模式估計(jì)。一個(gè)宏塊(mb)可劃分成7種不同模式的尺寸。(3)多參數(shù)幀估計(jì)。最高允許5個(gè)參考幀。(4)小尺寸44的整數(shù)變換。不僅減少了圖像變換過(guò)程中的計(jì)算量，還減少了運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差。(5)更精確的幀內(nèi)預(yù)測(cè)。

43、每個(gè)44塊中的每個(gè)像素都可用17個(gè)最接近先前已編碼的像素的不同加權(quán)和來(lái)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)。(6)豐富的熵編碼方式。主要包括基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(cabac)和基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼(cavlc)。2.1.2 h.264的檔次和級(jí)h.264像以前所有其他視頻標(biāo)準(zhǔn)那樣，提供了不同的檔次(profiles)和級(jí)(levels)。不同的profile提供了不同的算法要求和限制，而對(duì)一個(gè)指定的profile，又分為不同的level。level的選擇一般都是根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和內(nèi)存容量決定的。不同的level支持不同的分辨率和數(shù)據(jù)碼率。 h.264支持3種檔次,其檔次關(guān)系如圖2-2【11】所示。

44、每個(gè)檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應(yīng)用。圖2-2 h.264的檔次關(guān)系圖figure2-2 h.264 grade diagram基本檔次(baseline profile)主要用于可視電話、會(huì)議電視、無(wú)線通信等實(shí)時(shí)視頻通信。其解碼器支持以下特性：(1)i片和p片類型；(2)去塊濾波；(3)l/4像素精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)；(4)cavlc熵編碼模式；(5)4：2：o的色度塊采樣率；(6)支持冗余片(redundant slice)；(7)支持任意片順序(arbitrary slice order)編碼；(8)支持zig-zag掃描方式：(9)支持逐行掃描(progressive)；(10

45、)支持靈活塊順序(flexible macroblock order)編碼方案；(11)不支持宏塊幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼。2、主要檔次(main profile)主要用于數(shù)字廣：播電視與數(shù)字視頻存儲(chǔ)。其解碼器支持以下特性：(1)支持b片；(2)cabac嫡編碼：(3)自適應(yīng)雙向預(yù)測(cè)；(4)支持場(chǎng)編碼；(5)支持幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼；(6)支持逐行掃描(progressive)和隔行掃描(interlaced)；(7)不支持片組與任意片次序編碼；(8)不支持冗余片。3、擴(kuò)展檔次(extended profile)主要應(yīng)用于流媒體中，如視頻點(diǎn)播。其解碼器支持的特性如下：(1)b片類型；(2)sp和s1類型；(3

46、)數(shù)據(jù)分層片；(4)自適應(yīng)雙向編碼(weighted prediction)；(5)baseline中支持的所有特性；(6)支持場(chǎng)編碼：(7)支持幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼；(8)不支持隔行掃描和cabac。最新的h.264/avc還增加了一個(gè)高端檔次(high profile)，它主要是在mainprofile的基礎(chǔ)上新增了8x8幀內(nèi)預(yù)測(cè)、自定義量化(custom quant)及無(wú)損視頻編碼(lossless video coding)等。2.1.3 h.264的核心技術(shù) 1、h.264的分層設(shè)計(jì)h.264在概念上可以分為兩層：視頻編碼層(vcl，video coding layer)和網(wǎng)絡(luò)提取層(na

47、l，network abstraction layer)，如圖2-3【1】所示。其中vcl負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，nal負(fù)責(zé)以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。這樣，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由vcl和nal來(lái)完成。圖2-3 h.264分層結(jié)構(gòu)figure2-3 h.264 hierarchical structurevcl數(shù)據(jù)即編碼處理的輸出，它表示被壓縮編碼后的視頻數(shù)據(jù)序列。在vcl數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)之前，這些編碼的vcl數(shù)據(jù)，先被映射或封裝進(jìn)nal單元中。nal包括自己的頭部信息、段結(jié)構(gòu)信息和實(shí)際載荷信息。每個(gè)nal單元包括一個(gè)原始字節(jié)序列負(fù)荷(rbsp)、一組對(duì)應(yīng)于視頻編碼

48、數(shù)據(jù)的nal頭信息。nal單元序列的機(jī)構(gòu)見圖2-4【11】圖2-4 nal單元序列figure2-4 nal unit sequence2、高精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)在h.263中采用了半像素估計(jì)，在h.264中則進(jìn)一步采用1/4像素甚至l/8像素的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。即真正的運(yùn)動(dòng)矢量的位移可能是以l/4甚至1/8像素為基本單位的。顯然，運(yùn)動(dòng)矢量位移的精度越高，則幀間剩余誤差越小，傳輸碼率越低，即壓縮比越高12。在h264中采用了6階fir濾波器的內(nèi)插獲得1/2像素位置的值。當(dāng)1/2像素值獲得后，l/4像素值可通過(guò)線性內(nèi)插獲得，對(duì)于4：l：1的視頻格式，亮度信號(hào)的l/4像素精度對(duì)應(yīng)于色度部分的1/8像素的運(yùn)動(dòng)矢量

49、，因此需要對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行1/8像素的內(nèi)插運(yùn)算。理論上，如果將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仍黾右槐?例如從整像素精度提高到1/2像素精度)，可有o.5bit/sample的編碼增益，但實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)矢量精度超過(guò)1/8像素后，系統(tǒng)基本上就沒有明顯增益了，因此，在h.264中，只采用了1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量模式，而不是采用1/8像素的精度。3、靈活的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 每個(gè)宏塊(16x16像素)可以4種方式分割：一個(gè)16x1 6，兩個(gè)16x8，兩個(gè)8x16，四個(gè)8x8。其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償也相應(yīng)有四種。而8x8模式的每個(gè)子宏塊還可以四種方式分割：一個(gè)8x8，兩個(gè)4x8或兩個(gè)8x4及4個(gè)4x4。詳見圖2-513所示。這些分割和子

50、宏塊大大提高了各宏塊之間的關(guān)聯(lián)性。這種分割下的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償則稱為樹狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償11。圖2-5 h.264中的宏塊及子宏塊劃分figure2-5 h.264 in the macro block and sub-macroblock partition每個(gè)分割或子宏塊都有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。每個(gè)mv必須被編碼、傳輸，分割的選擇也需編碼到壓縮比特流中。對(duì)大的分割尺寸而言，mv選擇和分割類型只需少量的比特，但運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差在多細(xì)節(jié)區(qū)域能量將非常高。小尺寸分割運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差能量低，但需要較多的比特表征mv和分割選擇。分割尺寸的選擇影響了壓縮性能。整體而言，大的分割尺寸適合平坦區(qū)域，而小尺寸適合多細(xì)節(jié)區(qū)域。宏

51、塊的色度成分(cr和cb)則為相應(yīng)亮度的一半(水平和垂直各一半)。色度塊采用和亮度塊同樣的分割模式，只是尺寸減半(水平和垂直方向都減半)。幀內(nèi)預(yù)測(cè)在視頻編碼中，通常的方法是把整幅圖像分為若干宏塊，然后對(duì)每一個(gè)宏塊進(jìn)行編碼。在編碼時(shí)采用intra或inter兩種模式。在intra模式中通常直接對(duì)宏塊進(jìn)行dct變換，對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行熵編碼。這樣做在一定程度上消除了幀內(nèi)的空間冗余度，但是由于dct只是利用了宏塊內(nèi)部像素之間的相關(guān)性，而沒有考慮相鄰宏塊問(wèn)的相關(guān)性。h.264引入了intra預(yù)測(cè)的方法，利用相鄰宏塊的相關(guān)性對(duì)待編碼的宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行變換編碼，以消除空間冗余。以前的標(biāo)準(zhǔn)是在變換域

52、中進(jìn)行預(yù)測(cè)，而h.264是直接在空間域中進(jìn)行預(yù)測(cè)【14】。在h.264中，幀內(nèi)亮度塊預(yù)測(cè)分為l6xl6的預(yù)測(cè)和4x4的預(yù)測(cè)。其中亮度4x4塊有9種預(yù)測(cè)模式，如圖2-6【15】所示。圖2-6 4x4亮度塊的9種預(yù)測(cè)模式figure2-6 4x4 luminance of 9 prediction model4x4亮度塊的預(yù)測(cè)模式描述詳見表2-1【11】。表2-1 4x4亮度塊預(yù)測(cè)模式描述table2-1 4x4 luminance prediction models described16xl6的亮度塊，有4種預(yù)測(cè)模式，如圖2-7【15】所示。圖2-7 16x16亮度塊的4種預(yù)測(cè)模式figure

53、2-7 16x16 luminance block of four kinds of prediction mode表2-2 16x16塊的預(yù)測(cè)模式描述table2-2 16x16 block prediction model description16x16亮度塊的預(yù)測(cè)模式描述詳見表2-2【11】。色度塊的預(yù)測(cè)是固定的8x8的，其預(yù)測(cè)與16xl6類似，也有4種預(yù)測(cè)模式，只是模式編號(hào)不同。其中dc(模式o)，水平(模式1)，垂直(模式2)，平面(模式3)。整數(shù)dct變換及量化h.264標(biāo)準(zhǔn)中使用44的整數(shù)dct變換作為殘差宏塊的基本變換，這種變換的對(duì)象是經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)或者幀內(nèi)預(yù)測(cè)后的包含殘差

54、數(shù)據(jù)的44塊。這類變換是基于dct變換，但又不同于dct。h.264中采用的變換是整數(shù)操作而不是實(shí)數(shù)運(yùn)算，便于使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算方式。變換的單位是44塊，而不是以往常用的88塊。由于用于變換塊的尺寸縮小，運(yùn)動(dòng)物體的劃分更精確，這樣，不但變換計(jì)算量比較小，而且在運(yùn)動(dòng)物體邊緣處的銜接誤差也大為減小。圖2-8 dct變換中宏塊的變換塊及掃描順序figure2-8 dct transform block to the blocks in the macro and scanning order如圖2-816所示，h.264中使用了三種變換方法17：(1)宏塊中的每個(gè)44亮度塊以及44色度塊的dct變換

55、，變換矩陣h1如公式(2-1)。(2)對(duì)宏塊中的44亮度直流系數(shù)的hadamard變換，其變換矩陣h2如公式(2-2)。(3)對(duì)宏塊中22色度直流系數(shù)的hadamard變換。其變換矩陣h3如公式(2-3)。 (2-1) (2-2) (2-3)在對(duì)塊進(jìn)行了dct變換以后，由于圖像的信息主要集中在低頻部分，高頻分量很小。這時(shí)候，就需要對(duì)這些變換后的系數(shù)進(jìn)行量化。量化主要就是將每個(gè)圖像樣點(diǎn)編碼映射成較小的數(shù)值。h.264的量化器原理如下： (2-4)其中，yij是待量化的系數(shù)，zij是輸出的量化系數(shù)，qstep是量化步長(zhǎng)，round（）是取整函數(shù)。qstep的取值與量化參數(shù)（qp）有關(guān)，qp的范圍是

56、0-51，它與量化步長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-3所示，qp值每增加1，qstep變化幅度增加12.5%，qp每增加6，qstep加倍。表2-3 qstep與qp的對(duì)應(yīng)關(guān)系table2-3 qstep and correspondence between qph.264的量化過(guò)程中，還要處理dct變換中未處理完的計(jì)算，可表述為： (2-5)其中pf代表dct變換中的縮放矩陣，再轉(zhuǎn)化： (2-6)其中： (2-7) (2-8)那么，只要建立一個(gè)qp和pf的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以對(duì)系數(shù)進(jìn)行量化，計(jì)算出mf值，h.264中的mf值如表2-4所示。量化的時(shí)候，可通過(guò)qp值算出qbits，再根據(jù)op，取出對(duì)應(yīng)的mf值，就可以對(duì)矩陣進(jìn)行量化了。表2-4 h.264中的mf值table2-4 h.264 in the mf value熵編碼多媒體數(shù)據(jù)壓縮的方法可分為有損壓縮和無(wú)損壓縮。利用信源的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行碼率壓縮的編碼就稱為熵編碼，也叫統(tǒng)計(jì)編碼。熵編碼是