[碩士論文精品]二維DCTIDCT處理核的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 離散余弦變換( d c t ) 及其反變換( i d c t ) 在圖像編解碼方面應(yīng)用十分廣泛，至今已被 p 聰、種瓣一l 、耩p e g - 2 、韉p e g 一4 耱h 2 6 x 等國際標(biāo)準(zhǔn)瑟袋弱。由予葵詩舞量較大，較薛 察現(xiàn)往往難以滿足實(shí)時(shí)處理的要求，因而在很多實(shí)際應(yīng)用中需要采用硬件設(shè)計(jì)的 c i d 搿楚理耄黲寒潢麓我粕瑟處理速浚豹要求。本文磁磅究戇內(nèi)容裁楚鎊黯圖像處理 應(yīng)用的8 8 二維d c t i d c t 處理核的硬l 牛實(shí)現(xiàn)。 本文善走分纓7 蔸l 秘l b c 羊在圖綴處理中煞終震粒原理，謹(jǐn)綴說明了胬零交換實(shí) 現(xiàn)圖像聰縮的過程，并與其它變換比較說明了用d c t 變換實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的優(yōu)勢。接著， 分輯磅突了t 憋各秘抉速算法，總結(jié)了翦天對(duì)粥罩塊速算法及葵實(shí)璦鼴皴懿磅究。本 文給出了兩種性熊、資源上有一定差異的二維d c t i d c t 的f p g a 設(shè)計(jì)方案。兩種方案均 利用d 鍵蛇行列分離特髏，采用滾水線凝詩技術(shù)，將二纓驅(qū)t i 瓣l 實(shí)瑗轉(zhuǎn)證為鼴個(gè)一 維d c t i d c t 實(shí)現(xiàn)。在一維d c t i d c t 設(shè)計(jì)中，根據(jù)圖像她理的特點(diǎn)對(duì)l o e f f l e r 算法的 數(shù)據(jù)流遴行了優(yōu)化，透過食理安撼時(shí)鐘髑期數(shù)和茨純各感期內(nèi)敕操作，大大縮短了關(guān)鍵 路徑豹執(zhí)行時(shí)間，從而提高了流水線的執(zhí)行速度。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的d c t i d c t 處理核 進(jìn)行了綜合和時(shí)膨仿真。 結(jié)聚表明，強(qiáng)使用a l t e r a 公司的凇r e u r y 系列f p g a 器件時(shí)，本文設(shè)計(jì)的方案一能 夠在1 1 6 m 時(shí)鐘頻率下正確完成8 8 的：維d c t 藏i d c t 的邏輯運(yùn)算，消糕2 8 2 7 個(gè)邏輯 單元；方案二能夠在7 4 i 時(shí)鐘頻率下正常工作，消耗1 6 2 9 個(gè)邏輯單元。 該i 頁研究工作得到了國家自然科學(xué)基金( 6 0 1 7 3 0 4 2 ) 的資助。 關(guān)鍵字：圖像壓縮；離散余弦變換；現(xiàn)場可編程門陣列；寄存囂傳輸級(jí)；時(shí)序仿真 abstr a ct d i s c r 酏ec o s i n ct r 鋤s f o r m ( d c t ) a i l di n v e r s ed i s c r e t ec o s i n e1 h n s f o m ( i d c t ) a r em o s t 、“d e l yu s e di m a g ec o m p r e s s i o nt e c 城q u e sa n dc u r r e ms t a n d 趾d sf o r 血ec o m p r c s s i o no f s t i l l ( j p e g ) a n dm o v i n g ( m p e g - 1 ，2 ，4h 2 6 x ) 婦a g e su s ed c t t or e m o v es p a t i a lr e d u i l d a l l c y i ni m a g e s i ti sd i m c u l tt om a k ear e a l t i m ei m p l e m e n t a t i o no fi tb ys o f t w a r em e t l l o db e c a u s e i tt a k e st o om a n yc p u c y c l e s t h e r e f o rw ea r e 廿e n dt ou s eh a r e w a r ei m p l e m e n 詛t i o nt o s a t i s 母o u rr e q u i r e m e n t t h i sa n i c l ei sd e d i c a t et ot h eh a r e w a r ei i l l p l e m e n t a t i o no f2 一d d c t i d c tf p g ac o r e t h i sa n i c l ef i r s ti n t r o d u c e dm et h e o r ya i l da d v 鋤t a g e so fu s 啦d i s c r e t ec o s i n e 1 1 r a n s f o ma i l di n v e r s ed i s c r e t ec o s i n e1 、r a n s f o n ni ni m a g e sc o m p r e s s i o n w bp o r t r a ) 忙dt l l e p r o c e s so fu s i i l gd c 肌d c ti i m a g ec o m p r c s s i o mc o m p a r c di t 誦t hs c v e r a jo t l l e rt r a n s f b r i n s s u c ha sd s t ，d f t n l e nw em a d eav i v i dm s c u s s i o na m o n gs e v e r a lf a s td c t a l g o r i t h m sa 1 1 d m a d eac o n c l l l s i o no f s u c ha 1 9 0 r i m m s h l 血i sa r t i c l ew ep m p o s e dt 、v od i f f e r e n tr e s o l u t i o n st 0 脅td c tt m s f o m b o mo ft l l e m e n r o l e dm ep i p e l i l l i l i i l gt e c h n o l o g ya n du s et h er o wc o l 咖d e c o m p o s m o nm e t h o d ( r c m ) t od c c o 塒驢o s e 也e 押od e m e n s i o n a ld c ti n t oo n ed e m e n s i o n a ld c t s w h e n c a l c u l a t i n gt l l e 1 一dd c t ，i d ct ，w em a d es o m ei m p r o v e si nl o e m e r s 風(fēng)td c t a l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot l l e c h a r t e r i s d c so fi i m g ec o m p r e s s i o n a f 【e rr e a r r a n g ea n ds i m p l i f y i n g 1 ec a l c l l l a t i o nc y c l e s ， 、eg o tas h o n e fc r i 廿c a lp a t l la j l dm l l ss p e e du p l ep i p e l l i l l g w bp m g r 捌m e d t h c 口c o r ca n d s y n t l e s i z e di tu n d e rt h e d 匝r c u r ys e r i e sf p g ac h i p s e t ，a n da tl a s tw ep r o v e di tb yc y c l e a c c u r a t es i m u i a t i o n t h es ”m e s i z er c s u l ts h o w so n eo f o u rd c t ，i d c ti pc o r ec a l lm na sf 酞ta s1 1 6m h z ，i t t a k e s2 8 2 7l o 酉ce l 鋤e n t s ( l e s ) t h co 也c ro n ec a i ln ma sf h s t 船7 4m h z ，b u ti tj u s tt a k e s 1 6 2 9l o g i ce l e m e n t s 1 1 l i sw o r ki ss p o n s o r c db yt h cn a t i o n a ln 咖a ls c i e n c ef o l u l d a 廿o no fc 1 1 i n a p r o j n o 6 0 17 3 0 4 2 k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n ；d i s c r e t ec o s i n et r 蚰s f o m l ( d c d ；f i e l dp r 0 口a i r l l a b l eg a t e 舢唧( f p g a ) ；r e g i s t e rt r a i l s f e rl e v e l ( r t l ) ；c y c l ea c c l l r a t es i i i l l a t i o n 插圖索引 圖1 1 壓縮編碼原理 圖2 1m p e g - 2 編碼器的功能模型一 圖3 1 1 1 乘法的8 點(diǎn)d c t ，符號(hào)解釋參見圖3 2 圖3 2圖3 1 中使用的符號(hào)及其解釋 圖3 3 交換偶數(shù)部分的第二階段和第三階段 圖3 4 奇數(shù)部分第二、三、四階段的變化 圖3 5 基本算法第一階段的變化 圖3 6 基本算法變化的例子 圖3 7 矩陣a 的值 圖3 8 基本圖像 圖5 1 二維d c t i d c t 模塊圖一 圖5 2 轉(zhuǎn)置內(nèi)存中數(shù)據(jù)的讀寫順序 圖5 3 一維d c t i d c t 處理單元 圖5 _ 4 流水線的結(jié)構(gòu) 圖5 5 流水線設(shè)計(jì)時(shí)序 圖5 6 原始l o e m e r 算法 圖5 7 精度測試的流程框圖 圖5 。8 有限字長仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖5 9 乘法器實(shí)驗(yàn)的源碼 圖5 1 0 寄存器傳輸級(jí)設(shè)計(jì)模型 圖5 一l l 轉(zhuǎn)置內(nèi)存的r t l 級(jí)描述 圖5 1 2 轉(zhuǎn)置內(nèi)存的r t l 級(jí)視圖 圖5 1 3 處理核的頂層視圖一 圖5 1 4 雙端口內(nèi)存仿真波形圖一 圖5 1 5 一維d c t i d c t 模塊d c t 仿真波形圖 圖5 1 6i d c t 時(shí)序仿真波形圖 圖5 1 7 處理核頂層時(shí)序仿真圖( 部分) 圖5 1 88 b i t 狀態(tài)機(jī)的控制代碼 圖5 1 9 參照系統(tǒng)的框圖 5 8 一l7 一1 7 一l8 一l8 1 9 一1 9 2 0 一2l 一2 6 2 7 ，2 7 一2 9 一3 0 一3 0 一3 4 3 5 一3 6 3 甚 3 9 一3 9 4 0 4 l 4 2 一4 2 一4 3 一“ 一4 5 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè) 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果 由本人承擔(dān)。 作者簽名：寫天識(shí)日期：如。年l 月f 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位 論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密圇。 ( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 墨太韻 叩釁 日期：山6 年互月i 牛日 日期：& 以年d 月】中日 1 1 研究背景 第1 章緒論 2 0 0 5 年9 月，中央電視臺(tái)已經(jīng)在杭州、成都等城市進(jìn)行了高清電視節(jié)目的試播。2 0 0 6 年元旦，央視高清影視頻道的節(jié)目將正式在全國范圍內(nèi)播放。與此同時(shí)，北京2 0 0 8 年奧運(yùn)會(huì)將全部用數(shù)字高清晰度信號(hào)進(jìn)行電視轉(zhuǎn)播，數(shù)字奧運(yùn)建設(shè)工作正在緊張有序的 進(jìn)行之中。 無論央視的高清電視還是2 0 0 8 年的數(shù)字奧運(yùn)，都存在著這樣一個(gè)問題：選擇哪個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)或者說按照什么格式對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳送。我國將于2 0 0 8 年全面推廣數(shù) 字高清電視的地面?zhèn)鬏敚⒂? 0 1 5 年關(guān)閉現(xiàn)有的模擬電視廣播?？梢哉f，誰掌握了這 個(gè)商清標(biāo)準(zhǔn)誰就掌握了我國數(shù)字電視的經(jīng)濟(jì)命脈。 中國音視頻企業(yè)在核心技術(shù)上一直受制于發(fā)達(dá)國家跨國公司，雖然中科院計(jì)算所早 在2 0 0 2 年就成立了a v s 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組，專門負(fù)責(zé)制訂數(shù)字音視頻的壓縮、解壓縮、 處理和表示等共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。并于2 0 0 3 年11 月2 5 日正式公布了數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)最終草 案，正式提交信息產(chǎn)業(yè)部和國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)進(jìn)行審批。然而在數(shù)字高清電視的標(biāo)準(zhǔn) 選擇上，央視卻放棄了國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，而選擇了m p e g 一2 。并于2 0 0 5 年1 1 月與松下、日立兩 家日本廠商簽訂了合作協(xié)議。 目前m p e g 一2 的下一代標(biāo)準(zhǔn)m p e g 一4 已改為收取專利費(fèi)的形式，即向運(yùn)營商按每個(gè)用 戶每小時(shí)2 美分收取，以中國l 3 的家庭使用計(jì)算，每年將要繳納高達(dá)1 0 0 億“3 的專利 費(fèi)。繳納這些專利費(fèi)對(duì)于央視數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)鏈的終端廠商無疑將是沉重的打擊。 央視選擇m p e g 一2 的原因是多方面的，但其中一個(gè)重要的原因就是國產(chǎn)a v s 標(biāo)準(zhǔn)缺乏 相關(guān)的視頻編碼解碼芯片、板卡及產(chǎn)品。 在未來十多年的時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)對(duì)音視頻編碼解碼芯片的需求量年均將達(dá)4 0 0 0 萬片 以上”1 。因此進(jìn)行支持國產(chǎn)音頻、視頻標(biāo)準(zhǔn)的編碼解碼芯片的研發(fā)將是一件非常有意義 的工作。 在所有視頻編碼解碼芯片中離散余弦變換及其反變換( d c t i d c t ) 占到了全部計(jì)算 量的2 0 一3 0 。二維d c t i d c t 處理核是編碼解碼芯片中的一個(gè)重要模塊，其設(shè)計(jì)的好 壞將直接影響整個(gè)芯片的性能。 1 1 1 視頻壓縮的必要性 數(shù)字信號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)模擬信號(hào)數(shù)字化后其頻帶大大加寬，一路6 洲z 的普通電 視信號(hào)數(shù)字化后，其數(shù)碼率將高達(dá)1 6 7 i b p s ，對(duì)儲(chǔ)存器容量要求很大，占有的帶寬將達(dá) 8 0 m h z 左右，這樣將使數(shù)字信號(hào)失去實(shí)用價(jià)值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難， 壓縮后信號(hào)所占用的頻帶大大低于原模擬信號(hào)的頻帶。因此說，數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使 數(shù)字信號(hào)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)之一，表卜1 列出了各種應(yīng)用的碼率。1 。 表1 - 1 各種應(yīng)用的碼率 應(yīng)用種類 比零像象擎7 磕7繁7 亮色比 比特需咂縮比豫) 咂 h d t v81 9 2 01 0 8 03 04 ：l ：l 1 1 8 g b p s2 0 2 5 p s 。i ：；! ：? s，z ot s o。oa ：，：， ，e z 帥。st s * n 。s 會(huì)紫視 83 5 22 8 83 04 ：l ：l 3 6 5 m b p s1 5 2 m b p s 桌囂視 8 1 7 6 1 4 43 。4 19 1 帥 1 2 8 k b p s 電視電話 81 2 81 1 23 04 ：1 ：1 5 挑p s5 6 k b p s 壓縮就是使數(shù)字視音頻具有較低數(shù)據(jù)率的一種方式。壓縮具有以下優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)于給定的信源素材，它只需要較少的存儲(chǔ)量。 在實(shí)時(shí)工作時(shí)，壓縮可降低所需帶寬。此外，壓縮可以使數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)介質(zhì)間的 傳輸速度更快，例如，在磁帶和硬盤之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。 采用壓縮記錄格式可以減少記錄密度，這樣就可以降低記錄設(shè)備對(duì)環(huán)境因素和 設(shè)備維護(hù)的要求。 1 1 2 壓縮的基本原理 在傳遞信息內(nèi)容時(shí)，為了減少所需數(shù)據(jù)量，可以采用兩種不同的基本技術(shù)。在實(shí)用 的壓縮系統(tǒng)中，常常是這兩種技術(shù)的組合應(yīng)用，并且采用了十分復(fù)雜的方式。 第一種壓縮技術(shù)是提高編碼效率。對(duì)于給定的信息，可以采用許多編碼方式。在最 簡單的視音頻數(shù)據(jù)中，也包含有一定量的冗余度，這就是下面我們要討論的“熵”的概 念。 許多編碼技術(shù)可以減少或除去這種冗余度。例如游程編碼和可變字長編碼系統(tǒng)( 如 霍夫曼編碼) 。如果應(yīng)用適當(dāng)，上述編碼技術(shù)完全是可逆的，這就是說，解壓縮后的數(shù) 據(jù)與編碼系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)是相同的。這種類型的壓縮稱為無損壓縮。存檔的計(jì)算機(jī)程序 如p k z i p 就采用了這種無損壓縮。很明顯，無損壓縮雖然十分理想，但它卻不能提供視 音頻應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)囂縮比。然而，正因?yàn)樗菬o損壓縮，所以它可用于系統(tǒng)的任意 點(diǎn)，通常我們將無損壓縮應(yīng)用在有損壓縮器的數(shù)據(jù)輸出端。 如果除去信息中的冗余度并不能滿足所需要的數(shù)據(jù)壓縮量，那就必須要丟棄某些( 非 冗余的) 信息。有損壓縮系統(tǒng)就是通過去除不相關(guān)的信息或相關(guān)性較低的信息來實(shí)現(xiàn)所 需要的壓縮量。不存在對(duì)任意數(shù)據(jù)流均適用的通用有損壓縮技術(shù)；因?yàn)閷?duì)相關(guān)性的評(píng)價(jià) 只能就應(yīng)用內(nèi)容本身才能確定，在壓縮時(shí)應(yīng)當(dāng)了解數(shù)據(jù)代表什么，它又是如何使用的。 在電視情況下，圖象和聲音的再現(xiàn)是為人的視覺系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)而提供的，因此，在設(shè) 計(jì)一個(gè)有效的壓縮系統(tǒng)時(shí)，就必須充分考慮人的主觀感受因素。 1 1 3 數(shù)字壓縮技術(shù)的發(fā)展史和現(xiàn)狀 1 8 4 3 年莫爾斯( m o r s e ) 的電報(bào)碼是最原始的變長碼數(shù)據(jù)壓縮實(shí)例。1 9 3 8 年里夫斯 ( r e e v e s ) 、1 9 4 6 年德勞雷恩( e m d e l o n 血) 以及貝爾公司的卡特勒( c c c u 廿e r ) 分別發(fā)明了脈沖編碼調(diào)制( p u l s ec o d em o d l l l a t i o n ，p c m ) 、增量調(diào)制( d e l 扭 m o d u l a t i o n ，m ) 以及差分脈沖編碼調(diào)制( d i 儂鵬血a lp c m ， d p c m ) 。 1 9 4 8 年香農(nóng)( c e s h 姐舯n ) 在其經(jīng)典論文“通信的數(shù)學(xué)原理【4 】，中首次提到信息 率失真函數(shù)概念，1 9 5 9 年又進(jìn)一步確立了率失真理論，從而奠定了信源編碼的理論 基礎(chǔ)。1 9 4 8 年提出電視信號(hào)數(shù)字化后，就開始了圖像匪縮編碼的研究工作。 1 9 5 2 年霍夫曼( d a h 硼婦a n l 給出最優(yōu)變長碼的構(gòu)造方法【5 】。同年貝爾實(shí)驗(yàn)室的奧 利弗( b m 0 l i v e r ) 等人開始研究線性預(yù)測編碼理論：1 9 5 8 年格雷哈姆( g r a l l 鋤) 用計(jì)算機(jī) 模擬法研究圖像的d p c m 編碼方法；1 9 6 6 年奧尼爾( j b o n e a l ) 對(duì)比分析了d p c m 和p c m ，對(duì)電視信號(hào)傳輸進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)模擬，并提出了用于電視的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)，又于1 9 6 9 年進(jìn)行了線性預(yù)測的實(shí)驗(yàn)。 2 0 世紀(jì)6 0 年代，科學(xué)家們也開始探索比預(yù)測編碼效率更高的編碼方法。人們酋先 討論了包括k l 變換、傅立葉變換等正交變換。1 9 6 8 年安德魯斯( h c a j l d r c w s ) 等人 采用二維離散傅立葉變換( 2 d d f t ) 提出了變換編碼。此后相繼出現(xiàn)了沃爾什哈達(dá)瑪 ( w m s h h a d a m a r d ) 變換、斜變換( s l a n t 變換，由e n o m o t o 和s l l i b a t a 引入) 、k l 變換、 離散余弦變換( d c t ) 等。 1 9 7 6 年美國貝爾系統(tǒng)的克勞切限e c r o 例i e r e ) 等人引入了語音的子帶編碼，1 9 8 5 年奧尼爾( s d 0 n e i l ) 將子帶編碼推廣到對(duì)圖像的編碼。 1 9 8 3 年瑞典的f o r c h h e i m e r 和f a l l l a l l d e r 提出了基于模型圖像編碼 6 j ( m o d e l b a s e d c o d i n g ) 。在后來的圖像編碼會(huì)議( p c s ，p i c 啦ec o d i n gs y m p o s i l l i n ) 上( 1 9 8 8 1 9 9 6 年) ， 以及其他一些國際會(huì)議對(duì)極低碼速率的視頻編碼進(jìn)行了深入的研究工作。 1 9 8 6 年，m e y e r 在理論上證明了一維小波豳數(shù)的存在f 7 j ，創(chuàng)造性地構(gòu)造出具有一定 衰減特性的小波函數(shù)。1 9 8 7 年m a l l a t 提出了多尺度分析的思想及多分辨率分析的概念， 成功地統(tǒng)一了在此之前各種具體小波的構(gòu)造方法，提出了相應(yīng)的快速小波算法 m a l l a t 算法，并把它有效地應(yīng)用于圖像分解和重構(gòu)；1 9 8 9 年，小波變換開始用于多分辨 率圖像描述。 與小波變換的提出幾乎同時(shí)，另外一些科學(xué)家探討了使用分?jǐn)?shù)維理論進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。 1 9 8 8 年美國( k o 畫a 理工學(xué)院的m f b a m s l e y 在b y l l e 上發(fā)表了分形壓縮方法，1 9 9 2 年a j a c q u i i l 實(shí)現(xiàn)分塊迭代函數(shù)系統(tǒng)( p 1 f s ) ，完善了分形編碼壓縮方法。 1 9 8 8 年在圖像壓縮編碼的發(fā)展歷史中是極為重要的一年。幾十年研究的成果集中表 現(xiàn)在確定了h 2 6 l 和j p e g 兩個(gè)建議的原理框架，奠定了2 0 世紀(jì)9 0 年初相繼提出的 m p e g 1 、m p e g - 2 、h 2 6 3 等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。 1 9 9 1 年3 月，“聯(lián)合圖片專家組”( j p e g ，j o i n tp h o t o g r a p l i ce x p c ng r o u p ) 提 出j p e g 標(biāo)準(zhǔn)草案，1 9 9 4 年正式通過1 8 】( i s 01 0 9 1 8 ) 。1 9 9 1 年為二值圖像編碼制訂了j b i g 標(biāo)準(zhǔn)( i s 01 1 5 “) 。新的j p e g 版本是j p e g l s ( i s 0 i e c1 4 4 9 5 ，1 9 9 9 ) ，和j p e g2 0 0 0 ( i s 0 ，i e c1 5 4 4 4 ，等同的1 1 u t 編號(hào)t 8 0 0 ) ，于1 9 9 9 年3 月形成工作草案，2 0 0 0 年正 式頒布的。j p e g 的這些標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于靜止圖像處理。 1 9 9 2 年，“運(yùn)動(dòng)圖片專家組”( m p e g ，m o v i n g p i c t u r e e x p e n g r 0 1 l p ) 提出了“用 于數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音率為1 5 m b i t s 的壓縮編碼”，簡稱為m p e g 1 ，作為 1 s 0c d l l l 7 2 號(hào)建議通過，1 9 9 3 年正式通過。 1 9 9 3 年提出m p e g 一2 標(biāo)準(zhǔn)草案1 9 】，1 9 9 4 年正式通過( i s 0 i e c1 3 8 1 8 ，視頻部分為 j t u - th 2 6 2 ) ，處理能力可達(dá)廣播級(jí)水平。m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)兼容m p e g 1 標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)于 1 5 m b i 訛8 0 m b 州s 編碼范圍。m p e g - 2 標(biāo)準(zhǔn)也是d v d 和高清晰度電視( h d t v ) 全數(shù) 字方案所采用的數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)。 1 9 9 5 年1 月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織刪t l b c 工作組為極低數(shù)碼率可視電話 ( v e r y l o w b i t r a t e v i s l l a l t e l 印h o n y ) 的工作形成了h 2 6 3 視頻壓縮編碼草案。1 9 9 7 年1 1 月提出了m p e g 4 用于極低數(shù)碼率數(shù)據(jù)壓縮，1 9 9 9 年m p e g 4 形成國際標(biāo)準(zhǔn)【1 0 】。 h 2 6 3 ( h 2 6 1p x6 4 ) 涉及低分辨率的視頻序列。它可以與為i s d n 和移動(dòng)通信開發(fā) 的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一起實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)已成為c c i t t 標(biāo)準(zhǔn)【1 l 】。 h 2 6 4 即m p e g - 4 的第1 0 部分【1 2 】，h 2 6 4 采用了更小的宏塊和更加精細(xì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償， 不僅比h 2 6 3 和m p e g - 4 節(jié)約了5 0 的碼率，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能。 a v s 作為中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，視頻部分已經(jīng)于2 0 0 3 年1 2 月1 9 同最終定搞。a v s 以當(dāng)前國際上最先進(jìn)的m p e g 4a v c h 2 6 4 框架為起點(diǎn)，采用的核 心技術(shù)包括：8 x 8 整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測、l 4 精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償、二維熵編碼、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波等。其壓縮效率明顯比現(xiàn)在在數(shù)字電視、光存儲(chǔ) 媒體中常用的m p e g - 2 視頻提高一個(gè)層次。在壓縮效率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，又較m p e g 4 a v c h 2 6 4 的m a i np r o f i l e 的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大為降低。 1 1 4 壓縮帶來的問題 在所有的實(shí)際節(jié)目素材中，存在著兩種類型的信號(hào)分量：即異常的、不可預(yù)見的信 號(hào)分量和可以預(yù)見的信號(hào)分量。異常分量稱為熵，它是信號(hào)中的真正信息。其余部分稱 為冗余，因?yàn)樗皇潜匦璧男畔?。冗余可以是空間性的，如在圖象的大片區(qū)域中，鄰近 象素幾乎具有相同的數(shù)值。冗余也可以是時(shí)間性的，例如連續(xù)圖象之間的相似部分。在 所有的壓縮系統(tǒng)編碼器中都是將熵與冗余相分離，只有熵被編碼和傳輸，而在解碼器中 再從編碼器的發(fā)送的信號(hào)中計(jì)算出冗余【1 3 】。圖1 1 表示了這一過程。 p c m 視頻 熵理想編碼器只非理想編碼器需短時(shí)延編鷂器需 發(fā)送熵發(fā)送較多信息發(fā)送更多信息 圈1 - 1 壓編編碼原理 一個(gè)瑾蔥煞編碼囂哥良| 蠡敬所有豹縭并鬟將熵傳輸劐解褥器。理憨豹艇碣器能夠獲 熵中恢復(fù)原始信號(hào)。然而實(shí)際上，這種理想的編碼解礴器是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檫@種理 蔥的編褥器在技零主綴復(fù)雜，褥顯為了使霜露淘往瓦眾兩造成弦長豹廷爵。程菜些癍稿 中，例如節(jié)目記錄或某些廣播傳輸中，有些延時(shí)還是可以接受的，但在視頻會(huì)議中卻跫 不允?？浔＿€蠢，一個(gè)饕索笈雜靜繚璐器在徐格上氌怒綴器舞豹。這 魏就是說，零存在 一個(gè)聯(lián)想的壓縮系統(tǒng)。 1 2 問題提出與研究意義 離散余弦變換是目前應(yīng)用娥廣泛的閏像、視頻壓縮算法。通過離散余弦交換可以獲 褥很離豹數(shù)據(jù)壓縮眈，它可以壤大量的信惑濃縮至i 少數(shù)豹變換系數(shù)中。對(duì)于是然圖像， 離散余弦交換的壓縮性能接近最佳k l 變換。并且，離散余弦變換是不依賴于數(shù)據(jù)的， 它的變換矩黔擁有很好齙對(duì)稱性，便于通過軟、硬件掇效的實(shí)現(xiàn)。 離散余弦變換廣泛應(yīng)用予圖像壓縮、數(shù)據(jù)隘縮、濾波等領(lǐng)域。尤其在圖像服縮領(lǐng)域， 基于離散余弦變換( d c t ) 的編碼方法懸j p e g 舞法的核心內(nèi)容；m p e g x 、h 2 6 x 等標(biāo)準(zhǔn)均 采用離散余弦變換作為圖像數(shù)據(jù)空間域壓縮的重要手段之一。 粥敬余弦變換( d c t i d c t ) 以及運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)( 她) 、運(yùn)動(dòng)向量補(bǔ)償( ) 作為m p e g x 以及 1 2 6 x 系捌標(biāo)準(zhǔn)的核心部分，消耗著犬蘼的計(jì)算時(shí)聞。輔 t s u o 等入的文章“”指出， 在船e g 一2 編碼過程中，以上4 部分占掇了8 8 l i _ 【上的計(jì)算量；麗離散余弦變換( d c t i d c t ) 占據(jù)了大約全部計(jì)葬鬃的2 2 筠；這意睬若對(duì)予赫p e g 一2s p 齜的視頻流編碼過稔，編碼器 的運(yùn)算能力必須超過3 7 g o p s 秒。 餒使入稍對(duì)離教余弦交換及其f p g 鑫設(shè)計(jì)懣興趣斡楚敬下強(qiáng)個(gè)基本舔霞： 1 許多圖像、視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都采用d c t 變換作為消除圖像數(shù)據(jù)空間冗余的重要手 段，這些菰礁奄括j p 蕊、玨。2 s x 、瀠g x 等。蕊t 需要的詩霧爨禳大，在敬上器 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的編、解碼過程，d c t 計(jì)算占據(jù)了大燃的時(shí)間，因此，研究d c t 可以熙 磐豹實(shí)現(xiàn)臻露標(biāo)準(zhǔn)； 2 用硬件( f p g a 、v l s i ) 實(shí)現(xiàn)d c t 時(shí)，面積、速度、精度三個(gè)參數(shù)相互制約，如果 能找到一個(gè)算法結(jié)構(gòu)，在滿足應(yīng)用要求的大前提下，盡量減少所需的芯片面積， 提高速度和精度。將極大的降低硬件實(shí)現(xiàn)的成本，提高圖像的質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)字 視頻的發(fā)展； 3 研究d c t 的f p g a 設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和規(guī)則可以作為離散正弦變換( d s t ) 、離散小波變 換( d w t ) 、離散傅立葉變換( d f t ) 等f p g a 設(shè)計(jì)的參考。 4 現(xiàn)有的圖像壓縮方法，數(shù)據(jù)壓縮比以及圖像壓縮質(zhì)量仍然不能很好的統(tǒng)一，可 以研究d c t 和其他方法相結(jié)合，如和基于小波的方法或者基于內(nèi)容的壓縮方法 相結(jié)合，提高現(xiàn)有圖像的壓縮比。 1 3 研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 本文研究的主要目的是通過對(duì)d c t 快速算法的研究和f p g a 設(shè)計(jì)的研究，了解d c t 算法f p g a 實(shí)現(xiàn)的一般過程；發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有d c t 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與不足；并努力改進(jìn)現(xiàn)有的 d c t 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，爭取在速度、面積、功耗等方面超越現(xiàn)有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。 本文共分為六章。第一章是緒論部分，闡明了本文的研究背景，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)壓 縮原理、意義，以及圖像、視頻壓縮的發(fā)展史及現(xiàn)狀。 第二章研究了基于d c t 的圖像、視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，就各標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和創(chuàng)新，以及 它們相互之間的關(guān)系進(jìn)行了討論，給出了m p e g x 系列視頻壓縮的基本流程。主要為后 續(xù)研究提供應(yīng)用知識(shí)背景。 第三章介紹了d c t 算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，研究了各種快速d c t 算法及各種2 一dd c t 算法， 重點(diǎn)介紹了l o e f f l e r 算法以及二維d c t i d c t 的硬件( f p g a 、v l s i ) 實(shí)現(xiàn)的一般結(jié)構(gòu)。然 后研究了現(xiàn)有的d c t 實(shí)現(xiàn)方案。列舉了采用通用c p u 、專用數(shù)字信號(hào)處理器、f p g a 以及 a s i c 實(shí)現(xiàn)的各種方案，并對(duì)各自的特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出了其優(yōu)點(diǎn)與不足。 第四章詳細(xì)介紹了本文設(shè)計(jì)的二維d c t i d c t 處理核，通過行列分解將二維d c t i d c t 分解為兩重的一維d c t i d c t 變換，并且采用多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了處理核的性 能。對(duì)處理核進(jìn)行了嚴(yán)格的內(nèi)部字長仿真、功能仿真以及時(shí)序仿真，給出了處理核的性 能參數(shù)以及資源使用情況。 最后一章對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并指出工作中存在的問題及今后的研究方向。 第2 章基于d ct 的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 2 1 引言 離散余弦變換( d c t ) 廣泛應(yīng)用于圖像壓縮、數(shù)據(jù)壓縮、濾波等領(lǐng)域，已經(jīng)被證明在是 圖像和視頻壓縮編碼中非常有效的技術(shù)之一。很多圖像、視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都采用了d c t 變 換。目前，圖像壓縮方面的國際標(biāo)準(zhǔn)主要有m p b g 系列( m p e gl 、m p e g _ 2 、m p e g 一4 ) ，以 及h 2 6 x 系列( h 2 6 l 、h 2 6 3 、h 2 6 3 + 、h 2 6 4 ) 和靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)j p e g 、j p e g 2 0 0 0 等； 除了j p e g 2 0 0 0 以外，以上標(biāo)準(zhǔn)全部采用基于d c t 的圖像壓縮算法。 為了了解視頻壓縮的整體架構(gòu)以及數(shù)據(jù)壓縮流釋，下面我們以m p e g 一2 為例進(jìn)行講 解。 2 2 視頻壓縮的基本原理 m p e g 可以完成對(duì)視頻和音頻的壓縮，這里我們當(dāng)然只談視頹壓縮部分。通過壓縮去 除視頻訊息源中的3 重冗余度：空間冗余度、時(shí)間冗余度和結(jié)構(gòu)冗余度。 1 同幀訊源圖像中相鄰像素之間的幅度值相近，即同一行上的相鄰像素之間幅 值相近，或者相鄰行之間同樣位置上的像素幅值相近，被稱為圖像的空間冗余 度： 2 相鄰兩幀訊源圖像同一位置上像素幅度值相近，體現(xiàn)了訊源圖像的時(shí)間冗余度； 3 訊源圖像上每個(gè)像素所用b i t 數(shù)的多少表示了比特結(jié)構(gòu)，多用的比特?cái)?shù)為冗余 量，體現(xiàn)了靜態(tài)冗余度。 即e g 主要從兩個(gè)方面降低冗余度： 1 利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行壓縮。采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償( 眥) 去除時(shí)間冗余度；采 用離散余弦變換( d c t ) 和游程長度編碼( r l c ) 去除空間冗余度；采用可變長 度編碼( v l c ) 去除靜態(tài)( 比特結(jié)構(gòu)) 冗余度。 2 利用人的視覺生理特性設(shè)計(jì)壓縮。人眼對(duì)構(gòu)成圖像的不同頻率成分、物體的不 伺運(yùn)動(dòng)程度等具有不同的敏感度，這是由人眼的視覺生理特性所決定的，眼睛 對(duì)亮度的敏感程度要大于對(duì)色彩的敏感程度。據(jù)此，可控制圖像適合于人眼的 視覺特性，從而達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)量的目的“。 m p e ( ；一2 標(biāo)準(zhǔn)壓縮首先對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行噩采樣，減少數(shù)據(jù)量，采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，減 少幀間冗余度，利用二維d c t 變換去除空間相關(guān)件，對(duì)d c t 分量進(jìn)行量化，舍去不重要 少幀間冗余度，利用二維d c t 變換去除空間相關(guān)性，對(duì)d c t 分量進(jìn)行量化，舍去不重要 的信息，將量化后d c t 分量按照頻率重新排序，將d c t 分量進(jìn)行變字長編碼，最后對(duì)每 個(gè)數(shù)據(jù)塊的直流分量( d c ) 進(jìn)行預(yù)測差分編碼。 l p e g 視頻的編碼框圖如圖2 1 所示。 2 2 1 離散余弦變換d c t 圖2 - 1m p e g _ 2 編碼磊的功能模型 m p e g 采用了a h i i l e d 等人于7 0 年代提出的離散余弦變換( d c t d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 壓縮算法，降低視頻信號(hào)的空間冗余度。 d c t 將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償誤差或原畫面信息塊轉(zhuǎn)換成代表不同頻率分繁的系數(shù)集，這有兩個(gè) 優(yōu)點(diǎn)：其一，信號(hào)常將其能量的大部分集中于頻率域的一個(gè)小范圍內(nèi)，這樣一來，描述 不重要的分量只需要很少的比特?cái)?shù)：其二，頻率域分解映射了人類視覺系統(tǒng)的處理過程， 并允許后繼的量化過程滿足其靈敏度的要求。 d c t 變換過程本身雖然并不產(chǎn)生碼率壓縮作用，但是變換后的頻率系數(shù)卻非常有利 于碼率壓縮。 m p e g 一2 的編碼碼流分為六個(gè)層次。從上至下依次為：視頻序列層，圖像組層，圖像 層，像條層，宏塊層和像塊層。 宏塊層之下是像塊層，像塊是m p e g 一2 碼流的最底層，是d c t 變換的基本單元。m p m l 中一個(gè)像塊由8 8 個(gè)抽樣值構(gòu)成，同一像塊內(nèi)的抽樣值必須全部是y 信號(hào)樣值，或全 部是c b 信號(hào)樣值，或全部是c r 信號(hào)樣值。另外，像塊也用于表示8 8 個(gè)抽樣值經(jīng)d c t 變換后所生成的8 8 個(gè)d c t 系數(shù)。 d c t 是一種空間變換，在 l p e g 一2 中d c t 以8 8 的像塊為單位進(jìn)行，生成的是8 8 的d c t 系數(shù)數(shù)據(jù)塊。d c t 變換的最大特點(diǎn)是對(duì)于一般的圖像都能夠?qū)⑾駢K的能量集中于 少數(shù)低頻d c t 系數(shù)上，即生成8 8 d c t 系數(shù)塊中，僅左上角的少量低頻系數(shù)數(shù)值較大， 其余系數(shù)的數(shù)值很小，這樣就可能只編碼和傳輸少數(shù)系數(shù)麗不嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。 d c t 不能直接對(duì)i 羽像產(chǎn)生壓縮作用，但對(duì)圖像的能量具有很好的集中效果，使得大 多數(shù)的信息集中在直流及低頻分量上，為緊隨其后的壓縮工作打下了基礎(chǔ)。 2 2 2 量化 量化是針對(duì)d c t 變換系數(shù)進(jìn)行的，量化過程就是以某個(gè)量化步長去除d c t 系數(shù)。量 化步長的大小稱為量化精度，量化步長越小，量化精度就越細(xì)，包含的信息越多，但所 需的傳輸頻帶越高。不同的d c t 變換系數(shù)對(duì)人類視覺感應(yīng)的重要性是不同的，因此編碼 器根據(jù)視覺感應(yīng)準(zhǔn)則，對(duì)一個(gè)8 8 的d c t 變換塊中的6 4 個(gè)d c t 變換系數(shù)采用不同的量 化精度，以保證盡可能多地包含特定的d c t 空間頻率信息，又使量化精度不超過需要。 d c t 變換系數(shù)中，低頻系數(shù)對(duì)視覺感應(yīng)的重要性較高，因此分配的量化精度較細(xì)；高頻 系數(shù)對(duì)視覺感應(yīng)的重要性較低，分配的量化精度較粗，通常情況下，一個(gè)d c t 變換塊中 的大多數(shù)高頻系數(shù)量化后都會(huì)變?yōu)榱恪?2 2 3 之型掃描與游程編碼 d c t 變換產(chǎn)生的是一8 8 的二維數(shù)組，為進(jìn)行傳輸，還須將其轉(zhuǎn)換為一維排列方式。 有兩種二維到一維的轉(zhuǎn)換方式，或稱掃描方式：之型掃描( z i g z a g ) 和交替掃描，其中 之型掃描是最常用的一種。由于經(jīng)量化后，大多數(shù)非零d c t 系數(shù)集中于8 8 二維矩陣 的左上角，即低頻分量區(qū)，之型掃描后，這些非零d c t 系數(shù)就集中于一維排列數(shù)組的前 部，后面跟著長串的量化為零的d c t 系數(shù)，這些就為游程編碼創(chuàng)造了條件。 游程編碼中，只有非零系數(shù)被編碼。一個(gè)非零系數(shù)的編碼由兩部分組成：前一部分 表示非零系數(shù)前的連續(xù)零系數(shù)的數(shù)量( 稱為游程) ，后一部分是那個(gè)非零系數(shù)。這樣就把 之型掃描的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來了，因?yàn)橹蛼呙柙诖蠖鄶?shù)情況下出現(xiàn)連零的機(jī)會(huì)比較多，游 程編碼的效率就比較高。當(dāng)一維序列中的后部剩余的d c t 系數(shù)都為零時(shí)，只要用一個(gè)“塊 結(jié)束”標(biāo)志( e o b ) 來指示，就可結(jié)束這一8 8 變換塊的編碼，產(chǎn)生的壓縮效果是非常明 顯的。 2 2 4 熵編碼 量化僅生成了d c t 系數(shù)的一種有效的離散表示，實(shí)際傳輸前，還須對(duì)其進(jìn)行比特流 編碼，產(chǎn)生用于傳輸?shù)臄?shù)字比特流。簡單的編碼方法是采用定長碼，即每個(gè)量化值以同 樣數(shù)目的比特表示，但這種方法的效率較低。而采用熵編碼可以提高編碼效率。熵編碼 是基于編碼信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，使得平均比特率下降。游程和非零系數(shù)既可獨(dú)立的，也可 聯(lián)合的作熵編碼。熵編碼中使用較多的一種是霍夫曼編碼，m p e g 一2 視頻壓縮系統(tǒng)中采用 的就是霍夫曼編碼。霍夫曼編碼中，在確定了所有編碼信號(hào)的概率后生產(chǎn)一個(gè)碼表，對(duì) 經(jīng)常發(fā)生的大概率信號(hào)分配較少的比特表示，對(duì)不常發(fā)生的小概率信號(hào)分配較多的比特 表示，使得整個(gè)碼流的平均長度趨于最短。 2 2 5 信道緩存 由于采用了熵編碼，產(chǎn)生的比特流的速率是變化的，隨著視頻圖像的統(tǒng)計(jì)特性變化。 但大多數(shù)情況下傳輸系統(tǒng)分配的頻帶都是恒定的，因此在編碼比特流進(jìn)入信道前需設(shè)置 信道緩存。信道緩存是一緩存器，以變比特率從熵編碼器向里寫入數(shù)據(jù)，以傳輸系統(tǒng)標(biāo) 稱的恒定比特率向外讀出，送入信道。緩存器的大小，或稱容量是設(shè)定好的，但編碼器 的瞬時(shí)輸出比特率常明顯高于或低于傳輸系統(tǒng)的頻帶，這就有可能造成緩存器的上溢出 或下溢出。因此緩存器須帶有控制機(jī)制，通過反饋控制壓縮算法，調(diào)整編碼器的比特率， 使得緩存器的寫入數(shù)據(jù)速率與讀出數(shù)據(jù)速率趨于平衡。緩存器對(duì)壓縮算法的控制是通過 控制量化器的量化步長實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)編碼器的瞬時(shí)輸出速率過高，緩存器將要上溢時(shí)，就 使量化步長增大以降低編碼數(shù)據(jù)速率，當(dāng)然也相應(yīng)增大了圖像的損失；當(dāng)編碼器的瞬時(shí) 輸出速率過低，緩存器將要下溢出時(shí)，就使量化步長減小以提高編碼數(shù)據(jù)速率。 2 2 6 運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 運(yùn)動(dòng)估計(jì)使用于幀問編碼方式時(shí)，通過參考幀圖像產(chǎn)生對(duì)被壓縮圖像的估計(jì)。運(yùn)動(dòng) 估計(jì)的準(zhǔn)確程度對(duì)幀間編碼的壓縮效果非常重要。如果估計(jì)作的好，那么被壓縮圖像與 估計(jì)圖像相減后只留下很小的值用于傳輸。運(yùn)動(dòng)估計(jì)以宏塊為單位進(jìn)行，計(jì)算被壓縮圖 像與參考圖像的對(duì)應(yīng)位置上的宏塊間的位置偏移。這種位置偏移是以運(yùn)動(dòng)矢量來描述 的，一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量代表水平和垂直兩個(gè)方向上的位移。運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，p 幀和b 幀圖像所 使用的參考幀圖像是不同的。p 幀圖像使用前面最近解碼的i 幀或p 幀作參考圖像，稱 為前向預(yù)測；而b 幀圖像使用兩幀圖像作為預(yù)測參考，稱為雙向預(yù)測，其中一個(gè)參考幀 在顯示順序上先于編碼幀( 前向預(yù)測) ，另一幀在顯示順序上晚于編碼幀( 后向預(yù)測) ，b 幀的參考幀在任何情況下都是i 幀或p 幀。 利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)矢量，將參考幀圖像中的宏塊移至水平和垂贏方向上的相 對(duì)應(yīng)位置，即可生成對(duì)被壓縮圖像的預(yù)測。在絕大多數(shù)的自然場景中運(yùn)動(dòng)都是有序的。 因此這種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償生成的預(yù)測圖像與被壓縮圖像的差分值是很小的。 2 3 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有國際電聯(lián)的h 2 6 l 、h 2 6 3 等，聯(lián)合圖像 專家組的j p e g 、j p e g 2 0 0 0 ，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織運(yùn)動(dòng)圖像專家組的m p e g 系列標(biāo)準(zhǔn)等。 國內(nèi)為搶占高清領(lǐng)域，也推出了許多媒體壓縮、傳輸標(biāo)準(zhǔn)，其中e v d 主要面向數(shù)字 媒體的存儲(chǔ)領(lǐng)域，a v s 主要面向數(shù)字媒體的傳輸領(lǐng)域，兩者都擁有良好的發(fā)展前景。但 是由于缺乏相關(guān)文檔，這里我們不作討論。 2 3 1 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織( i s o ) 和國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)( c c i t t ) 聯(lián)合成立的專家組 j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 經(jīng)過五年艱苦細(xì)致地工作后，于1 9 9 1 年3 月提出了i s oc d l 0 9 1 8 號(hào)建議草案“1 ：多灰度靜止圖像