視頻壓縮理論及其技術(shù)發(fā)展

1、    視頻壓縮理論及其技術(shù)發(fā)展        高 韜1，趙建濤3，劉正光1，張 時(shí)間:2008年10月10日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ?摘 要：簡(jiǎn)要介紹了視頻壓縮理論以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并探討了視頻壓縮編碼的未來發(fā)展方向，最后介紹了視頻壓縮

2、技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)與發(fā)展。關(guān)鍵詞：視頻壓縮? 視頻技術(shù)? 視頻編碼?視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展? ITU-T于1989年發(fā)布了第一個(gè)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261，隨后陸續(xù)發(fā)布了H.263H.263+H.263+等視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。ISO的下屬運(yùn)動(dòng)圖像專家組也發(fā)布了MPEG-1MPEG-2MPEG-4等數(shù)字電視壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。?H.261標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于ISDN網(wǎng)上的視頻會(huì)議，是第一個(gè)采用現(xiàn)代編碼算法的通用視頻標(biāo)準(zhǔn)，為以后眾多標(biāo)準(zhǔn)提供了理論基礎(chǔ)。H.261編碼器的原理圖如圖1所示。?視頻壓縮未來發(fā)展方向? 小波壓縮技術(shù)在消除DCT變換中所特有的方塊化效應(yīng)和飛蚊噪聲方面有良好的率失真品質(zhì)

3、，所以基于小波的視頻壓縮研究一直在不斷進(jìn)行。基于小波的視頻編碼技術(shù)可以分為三類236。? 總體來看，目前小波視頻壓縮技術(shù)遠(yuǎn)不及小波圖像壓縮技術(shù)成熟。小波視頻壓縮研究之所以滯后于小波圖像壓縮研究，不僅因?yàn)樾〔ㄒ曨l研究的進(jìn)展有賴于小波圖像的研究和信號(hào)維數(shù)的提高，還由于視頻壓縮的應(yīng)用背景與圖像壓縮的應(yīng)用背景有很大的不同。由于視頻應(yīng)用實(shí)時(shí)性的原因，視頻壓縮算法要對(duì)壓縮算法的復(fù)雜度和壓縮效率作綜合考慮。實(shí)際上，推動(dòng)小波視頻壓縮研究不斷深入的主要技術(shù)因素有兩個(gè)，一個(gè)是小波圖像壓縮技術(shù)研究，另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究。另外，不斷激增的商業(yè)需求也在不斷刺激小波視頻壓縮理論和應(yīng)用研究的不斷深入。立體視頻編碼與多視

4、點(diǎn)視頻編碼? 立體視頻編碼是視頻編碼發(fā)展方向之一，它在平面信息外增加了深度的信息，數(shù)據(jù)量非常龐大。? 立體視頻編碼也有兩種類型的方法：第一種是基于波形的，它組合了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和位差補(bǔ)償預(yù)測(cè)。所謂位差估計(jì)即在兩幅不同的圖像中尋找對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，對(duì)預(yù)測(cè)殘差圖像位差和運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼。第二種是基于物體的，它直接對(duì)成像物的三維結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編碼，當(dāng)物體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，可以獲得非常高的壓縮比。? 多視角視頻是由一個(gè)場(chǎng)景的不同視角的二維平面視頻組成，除了每個(gè)視角視頻在時(shí)間和空間上存在冗余之外，同一時(shí)間不同視角之間還存在冗余信息。多視角視頻編碼預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)通常采用GoGOP預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。在GoGOP預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中，所有的GOP被

5、分成兩類：基本GOP和增強(qiáng)GOP?；綠OP中的圖像只能參考當(dāng)前GOP中的解碼圖像；而增強(qiáng)GOP中的圖像既可以參考當(dāng)前GOP中的解碼圖像，也可以參考相鄰視角中GOP的解碼圖像。這種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)適用于低時(shí)延的隨機(jī)訪問，編碼效率也比較高。? 目前，針對(duì)立體視頻編碼，MPEG-2和H.264分別給出了參考方案。JVT針對(duì)多視點(diǎn)視頻編碼，提供了JMVM參考代碼7。立體視頻編碼目前已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用，多視點(diǎn)視頻編碼由于算法復(fù)雜度高，目前還處于理論研究階段。視頻壓縮硬件實(shí)現(xiàn)及最新發(fā)展視頻壓縮的硬件實(shí)現(xiàn)? 視頻壓縮目前已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到應(yīng)用，包括DVD、數(shù)字電視、可視電話、互聯(lián)網(wǎng)視頻、拍照手機(jī)、PDA和攝像機(jī)等。

6、不同的產(chǎn)品有不同的需求：幀的大小、幀速率、視頻質(zhì)量、位速率以及所采用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)等各不相同。目前實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用的是H.263和MPEG-4壓縮標(biāo)準(zhǔn)，本文分別對(duì)其典型實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹。基于H.263協(xié)議的GD6829? GD6829是高度集成的單片視頻編解碼芯片。該芯片以純硬件設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)，符合ITU-T H.263協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),可支持高品質(zhì)的運(yùn)動(dòng)圖像在Internet中實(shí)時(shí)傳輸9? 視頻輸入可以使用數(shù)字CMOS攝像頭或NTSC/PAL視頻信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)視頻轉(zhuǎn)換器，從8位或16位的數(shù)據(jù)總線上以YcbCr 4：2：2的格式送給GD6829，輸入的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成QCIF、QVGA、CIF、4CIF或D

7、1格式，再采用H.263協(xié)議對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。處理過的視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊處理后進(jìn)行傳輸?；贛PEG-4協(xié)議的IME6400? INTIME公司的MPEG-4編碼芯片IME6400是一款高性能的單片多通道MPEG-4數(shù)字壓縮編碼芯片，它支持多種編碼模式和比特率控制，并提供了豐富的外圍硬件接口10。芯片內(nèi)部帶有圖像壓縮硬核，外掛8MB SDRAM配合工作。其外部HOST接口有四種模式，由MODE引腳來決定。如果選用異步模式，則IME6400對(duì)輸入的視頻音頻流進(jìn)行壓縮和復(fù)合，產(chǎn)生MPEG-4的系統(tǒng)流，然后經(jīng)過輸出端口大小為1KB的FIFO緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出。當(dāng)FIFO滿，其GPIO0腳就產(chǎn)生一

8、個(gè)下降沿的中斷通知主機(jī)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，主機(jī)通過讀IME6400 HOST端口的EncodedStream寄存器完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，外部主機(jī)通過寫一個(gè)不同的值到USER4寄存器來通知IME6400數(shù)據(jù)傳輸已完成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。? 應(yīng)用IME6400硬件設(shè)計(jì)的MPEG-4壓縮和嵌入式系統(tǒng)可以使監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大提高，主要表現(xiàn)在：錄像和預(yù)覽同樣清晰的全動(dòng)態(tài)碼率最大可控制在200MB/h；壓縮速度更快，實(shí)時(shí)流播放時(shí)無滯后延遲，最小延遲可以小于s；輸出視頻流的畫面可達(dá)720×480(30f/s)或720×576(25f/s)。視頻壓縮的硬件實(shí)現(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)? 視頻壓縮的硬件

9、實(shí)現(xiàn)最初采用可編程DSP或現(xiàn)成芯片（ASSP）的方法。可編程DSP的優(yōu)勢(shì)在于具有較好的適應(yīng)性。當(dāng)有新的要求時(shí)，可通過軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，然后再移植到DSP。缺點(diǎn)在于執(zhí)行速度低于現(xiàn)成芯片。現(xiàn)成芯片視頻處理速度高，但是適應(yīng)性差，只支持單一的壓縮方式，當(dāng)有新的要求時(shí)，要重新設(shè)計(jì)芯片，時(shí)間開銷和花費(fèi)都較大。? 目前，新的H.264壓縮技術(shù)逐漸成為主流。像H.264這樣的高復(fù)雜度并且不斷改進(jìn)的視頻壓縮算法，采用單純的DSP或者設(shè)計(jì)專用芯片實(shí)現(xiàn)起來都十分困難。較為有效的方法是采用DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)。如圖4所示。? 其中DSP用于幀內(nèi)預(yù)測(cè)變換量化碼率控制和反量化等操作。這些操作易于編程實(shí)現(xiàn)，并且可編程DSP

10、還提供了優(yōu)化策略。視頻壓縮中最耗時(shí)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以及最終的熵編碼通過設(shè)計(jì)FPGA來實(shí)現(xiàn)，提高壓縮編碼速度。通過DSP+FPGA，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編碼操作，并具有良好的實(shí)時(shí)性，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。視頻處理新技術(shù)：達(dá)芬奇技術(shù)? 盡管視頻壓縮在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用前景，但對(duì)開發(fā)人員而言是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因?yàn)閷?shí)施數(shù)字視頻是極其復(fù)雜的過程。在著手開發(fā)算法之前，開發(fā)人員必須先弄懂不斷修改的多媒體標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，現(xiàn)有的數(shù)字視頻實(shí)施往往涉及特定平臺(tái)，而且開發(fā)人員必須在手工代碼調(diào)試方面進(jìn)行大量投入。近期TI公司推出的達(dá)芬奇技術(shù)使開發(fā)人員能夠在無需任何DSP代碼編程的情況下也能為應(yīng)用引入數(shù)字視頻功能。? 達(dá)芬奇

11、技術(shù)充分利用了數(shù)字信號(hào)處理與集成電路專業(yè)技術(shù)來提供片上系統(tǒng)(SoC)，這種系統(tǒng)針對(duì)靈活的數(shù)字視頻應(yīng)用而進(jìn)行了精心優(yōu)化，擁有先進(jìn)的性能并集成了可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)核、ARM處理器以及視頻加速協(xié)處理器。憑借高效的處理能力、存儲(chǔ)器、I/O 帶寬、平衡的內(nèi)部互連以及專用外設(shè)組合，基于達(dá)芬奇技術(shù)的SoC能夠以最低的成本為視頻應(yīng)用提供理想的核心動(dòng)力。?目前，TI公司提供的最新基于達(dá)芬奇技術(shù)的多媒體芯片TMS320C6455，具有2MB的L2內(nèi)存，工作頻率1GHz，是目前較先進(jìn)的視頻圖像多媒體器件?；赥MS320C6455的高速視頻編解碼架構(gòu)如圖5所示。? 其中一片TMS320C6455專門用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，另外一片用于分塊DCT變換熵編碼和量化等操