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基于H264编解码DSP的实现
基​于​H6编​解​码​D​S​P​的​实​现
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分类号TP311学校代号10462
级公开 学 号
编码算法优化及其在视频监控
中的应用硕士学位论文
H.264编码算法优化及其
在视频监控中的应用
丁孟宝学位申请人 :
导师姓名及职称 :
郑州轻工业学院专业名称 : 计算机应用技术
学科门类 : 工学
论文提交日期 :A Dissertation Submitted to
Zhengzhou University of Light Industry
for the Academic Degree of Master
of Engineering Science Economics、Arts
Improvement of Algorithm and Application in Video Monitoring System for H.264
Candidate: Ding Meng-bao
Supervisor: Prof. Deng Lu-juan
Major: Computer Application and Technology
School of Computer and Communication Engineering
Zhengzhou University of Light Industry
H.264是由国际电信联盟视频编码专家组和国际标准化组织及国际电工委员会活动图像编码专家组构成的联合视频组所推出的数字视频编码标准,同时还是国际标准化组织和国际电工委员会的MPEG-4的第10部分。H.264视频压缩标准不仅显著提高了压缩比,而且具有良好的网络亲和性,加强了对IP网、移动网的误码和丢包的处理,是当前视频通信领域研究的热点。
但是,作为新一代的视频编码标准,H.264编码效率的提升是以计算复杂度的增加为代价,与MPEG-4简单配置相比,H.264在主要配置下解码复杂度提高了3倍以上,而编码复杂度更是增加了10倍。
论文研究了H.264视频压缩标准的帧间编码技术,提出一种快速帧间预测模式选择算法,该算法利用已编码相邻宏块的时间和空间相关性信息预先检测图像,对图像各区域可能采用的编码模式进行判定,从而大大简化了模式选择的过程。实验结果表明,算法可以在图像质量基本保持不变的基础上,算法平均可以节约38%的编码时间,与此同时信噪比降低平均只有0.05dB,比特率增加不超过0.
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HEVC(H.265)的技术亮点
作为新一代视频编码标准，HEVC（H.265）仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而，相对于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的变化。HEVC（H.265）的技术亮点有：
1.灵活的编码结构
在H.265中，将宏块的大小从H.264的16×16扩展到了64×64，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元（Coding
Unit）、预测单元（Predict Unit）和变换单元（Transform
Unit）。如图1所示：
图1 编码单元（CU）、预测单元（PU）、变换单元（CU）
其中编码单元类似于H.264/AVC中的宏块的概念，用于编码的过程，预测单元是进行预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的分离，使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征，有利于各个单元更优化的完成各自的功能。
2.灵活的块结构——RQT（Residual Quad-tree Transform）
RQT是一种自适应的变换技术，这种思想是对H.264/AVC中ABT（Adaptive
Block-size Transform）技术的延伸和扩展。对于帧间编码来说，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整；对于帧内编码来说，它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整。大块的变换相对于小块的变换，一方面能够提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的图像细节，但是另一方面在量化后却会带来更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，如图2所示，可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应三者最优的折中。
图2 灵活的块结构示意图
3．采样点自适应偏移（Sample Adaptive Offset）
SAO在编解码环路内，位于Deblock之后，通过对重建图像的分类，对每一类图像像素值加减一个偏移，达到减少失真的目的，从而提高压缩率，减少码流。
采用SAO后，平均可以减少2%~6%的码流,而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约2%。
4．自适应环路滤波（Adaptive Loop Filter）
ALF在编解码环路内，位于Deblock和SAO之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差（MSE）最小。ALF的系数是在帧级计算和传输的，可以整帧应用ALF，也可以对于基于块或基于量化树（quadtree）的部分区域进行ALF，如果是基于部分区域的ALF，还必须传递指示区域信息的附加信息。
5．并行化设计
当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了适应并行化程度非常高的芯片实现，HEVC/H265引入了很多并行运算的优化思路， 主要包括以下几个方面：
如图3所示，用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为一个Tile，每一个Tile包含整数个LCU(Largest
Coding Unit)，Tile之间可以互相独立，以此实现并行处理：
图3 Tile划分示意图
(2)Entropy slice
Entropy Slice允许在一个slice内部再切分成多个Entropy
Slices，每个Entropy Slice可以独立的编码和解码，从而提高了编解码器的并行处理能力：
图4每一个slice可以划分为多个Entropy Slice
(3)WPP（Wavefront Parallel Processing）
上一行的第二个LCU处理完毕，即对当前行的第一个LCU的熵编码（CABAC）概率状态参数进行初始化，如图5所示。因此，只需要上一行的第二个LCU编解码完毕，即可以开始当前行的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力：
图5 WPP示意图
6．H.264中已有特性的改进
相对于H.264，H.265标准的算法复杂性有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能。H.265在很多特性上都做了较大的改进，如表2所示：
4×4 ~ 16×16
4×4 ~ 64×64
亮度插值
Luma-1/2像素{1,-5,20,20,-5,1}
Luma-1/4像素{1,1}
Luma-1/2像素{-1,4,-11,40,40,-11,4,-1}
Luma-1/4像素{-1,4,-10,57,19,-7,3,-1}
Luma-1/4像素{-1,3,-7,19,57,-10,4,-1}
MVP预测方法
空域MVP预测
空域+时域MVP预测
AMVP\Merge
亮度Intra预测
4×4 / 8×8 / 16×16：9/9/4模式
34种角度预测 +
Planar预测 DC预测
色度Intra预测
DC, Horizontal, Vertical, Plane
planar, Vertical, Horizontal, DC, diagonal
DCT4×4/8×8
DCT4×4/8×8/16×16/32×32
去块滤波器
4x4和8x8边界Deblock滤波
较大的CU尺寸，4x4的边界不进行滤波
表2 &H.264和H.265关键特性对
主要SIZES上区别见上图！
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八核全网通普及 高通新芯片及LTE详解
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　　春节期间的智能手机行业依然看点不断。移动芯片行业领导品牌美国高通公司（Qualcomm）18日宣布推出四款新的骁龙处理器，将顶级的计算性能扩展到定位中端和中高端的骁龙400、骁龙600系列。　　高通此次发布的四款全新处理器包括骁龙618和骁龙620两款600系列芯片，以及骁龙415和骁龙425两款400系列芯片。其中，骁龙600系列的两款新品采用最新的Cortex-A72架构CPU，而骁龙400系列两款新品则首次为这一系列带来了八核CPU。　　同时，高通也将“骁龙”品牌扩展到调制解调器，此前以Gobi+四位数字命名的LTE调制解调器，将会以骁龙X5、X7、X8、X10、X12进行分级，数字越大意味着连接速度越快。这一分级将会让消费者更清楚自己的智能手机连接能力究竟怎样。　　接下来，就让我们具体了解一下高通最新推出的这四款芯片，以及骁龙LTE调制解调器的具体分级。
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八核全网通普及 高通新芯片及LTE详解
　　骁龙600系列处理器的两款新品亮点颇多：二者是目前业内最早发布的采用Cortex-A72架构CPU的芯片；两款芯片还将采用下一代的Adreno GPU；骁龙X8 LTE调制解调器支持LTE Cat7载波聚合。　　从具体功能来看，骁龙620和骁龙618带来了强大的多媒体新特性，包括支持4K@30fps的超高清视频拍摄及播放、硬件HEVC (H.265)编解码、FLAC无损音频等。其内置双ISP，最大支持2100万像素摄像头，处理能力达930MP/sec。两颗芯片还都内置了高通Hexagon V56 DSP，内存支持双通道LPDDR3 (933MHz)，而如高通快速充电2.0、IZat定位等功能也都已是标配。　　两颗新的芯片另一个重要提升在于网络连接能力。骁龙620和骁龙618集成了X8 LTE调制解调器，其LTE连接能力为Cat 7，利用两个每个带宽都高达20MHz的LTE分量载波，速度可达300Mbps下载和100Mbps上载。两颗芯片支持包括LTE FDD、LTE TDD、WCDMA、CDMA1x、EV-DO、TD-SCDMA以及GSM/EDGE，可真正实现全网通，并且支持高通RF360射频前端解决方案。此外，它们还支持LTE广播、LTE双卡多模以及VoLTE等功能。　　二者的区别在于，骁龙620的CPU采用四核1.8GHz Cortex-A72+四核1.2GHz Cortex-A53架构，是一款64位八核处理器，骁龙618则采用双核1.8GHz A72+四核1.2GHz A53架构，是一款64位六核处理器。　　高通并未在白皮书中公布骁龙620和骁龙618的生产工艺，不过据媒体报道，两款芯片将延续之前28纳米工艺。如此看来，这两款性能强劲的芯片有望作为骁龙810的有效补充，成为中高端市场的主力产品。
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八核全网通普及 高通新芯片及LTE详解
　　骁龙400系列处理器则新增骁龙415和骁龙425两款新品。这是高通骁龙400系列芯片中首次采用八核CPU，相比目前千元4G智能手机中广泛采用的骁龙410有显著提升。　　其中，骁龙425实力更为出色，它采用了和前面介绍的骁龙600系列两款芯片相同的X8 LTE调制解调器，拥有LTE Cat 7连接能力，支持全网通。其CPU为Cortex A53八核，主频1.7GHz，GPU则是Adreno 405，支持1080p@30fps的本地H.265播放，以及全高清H.264视频拍摄。它同样采用双ISP，支持最高2100万像素摄像头。高通Hexagon V56 DSP可带来更好的能效表现。　　骁龙415则相对低端，它是作为骁龙410的继任者出现，其CPU同样为Cortex A53八核，但主频降至1.4GHz，GPU仍然是Adreno 405。它采用单ISP，支持最高1300万像素摄像头，整合高通Hexagon V50 DSP。网络连接方面，骁龙415采用了X5 LTE调制解调器，拥有LTE Cat4连接能力，最高下载速度可达150Mbps，同样支持多模全网通。　　64位、八核、4G、全网通，有望成为今年千元智能手机的标配，骁龙415有望成为2015年下半年低端产品的起步配置，当然，面对激烈竞争，很多厂商或许会直接选择性能更好的骁龙425。
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八核全网通普及 高通新芯片及LTE详解
　　值得关注的是，高通在推出这四款芯片的同时，也宣布将骁龙品牌扩展到LTE调制解调器，并公布了骁龙LTE调制解调器的分级。　　事实上，比起骁龙芯片，高通在调制解调器领域的技术更为领先，高通也一直认为，无线连接能力才是移动体验的基础。只是因为大多数情况下其调制解调器都是作为骁龙芯片中的一个集成组件 ， 因而消费者认知不高。但独立的Gobi也被用在许多智能手机和USB上网卡、无线热点设备等产品上，如苹果iPhone就一直使用高通Gobi调制解调器。　　如今，高通将独立的调制解调器也纳入骁龙家族。此前以Gobi+四位数字命名的LTE调制解调器，将以骁龙X5、X7、X8、X10、X12进行分级，数字越大意味着连接速度越快。如果和LTE速率等级对应的话，骁龙LTE调制解调器的这五个级别对应的是LTE CAT4、LTE CAT6、LTE CAT7、LTE CAT9、LTE CAT10。　　具体来说，高通去去年11月推出的第五代LTE多模解决方案——Gobi 9x45/9x40调制解调器如今将被称为骁龙X12调制解调器；由于增加了对LTE Category 9载波聚合的支持，骁龙810和骁龙808处理器集成的调制解调器如今被称为骁龙X10调制解调器；最新发布的骁龙620、骁龙618、骁龙425集成骁龙X8调制解调器；高通此前推出的第四代LTE调制解调器Gobi 9x35/9x30为骁龙X7调制解调器；高通第三代LTE调制解调器Gobi 9x25以及骁龙415和骁龙210处理器集成的调制解调器为骁龙X5调制解调器。　　除了令人惊叹的连接速度之外，骁龙LTE调制解调器都将支持世界模（全网通）、LTE广播、LTE多模双卡、RF360射频前端解决方案、VoLTE等领先技术。　　或许，以后“好机友”们见面，不光要问你的手机是骁龙801还是骁龙810，还要问：你的手机是骁龙X10吗？
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以后“好机友”们见面，不光要问你的手机是骁龙801还是骁龙810，还要问：你的手机是骁龙X10吗？
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Comsenz Inc &基于H.264/AVC的HDTV视频解码芯片研究与初步设计--《暨南大学》2005年硕士论文
基于H.264/AVC的HDTV视频解码芯片研究与初步设计
【摘要】：高清晰度数字电视(HDTV)是当前数字电视产业的发展趋势和研究热点。为了实现有效的传输和存储,必须对HDTV数字信号进行压缩编码。作为国际最新视频压缩编码标准,H.264/MPEG-4 AVC以其更高的压缩效率和良好的网络适应性,成为解决HDTV视频压缩问题的实用化措施,具有非常广泛的应用领域和极为广阔的市场前景。
在全面了解相关视频编码算法和数字电视原理的基础上,本文着重分析了H.264/AVC标准中的编码算法,深入探讨了HDTV视频解码系统的设计策略和设计方法,最后,对基于H.264/AVC的HDTV视频解码器进行了初步的系统设计和部分功能模块的硬件电路设计。
论文的具体内容如下:
第一章简要介绍了数字电视的概念、视频信号采样结构、分量编码以及HDTV图像格式与参数标准。
第二章阐述了视频压缩编码的原理和所采用的基本编码算法,主要包括预测编码、变换编码和熵编码等理论。
第三章描述了H.264/AVC编码标准的内容和特点,对其中的功能模块和相关算法做了详细的分析,如整数变换量化、CAVLC熵编码等。
第四章主要针对HDTV视频解码系统,探讨了高性能视频解码器的设计策略,提出了基于ASIC技术的HDTV解码系统的设计方法。
第五章基于H.264/AVC视频编码标准,对HDTV视频解码系统做了初步的功能分析、模块划分和系统验证平台构建。
第六章着重对编解码系统中的4×4整数变换量化核、反量化变换核做了硬件电路设计仿真,并对Exp-Golomb和CAVLC模块做了详细分析和初步电路设计,最后对CABAC模块做了算法分析。
本文以视频编码理论和最新国际标准为基础,以HDTV视频解码系统ASIC实现为研究目标,涉及解码系统设计和基本电路设计,为进一步深入研究和开发设计多媒体相关领域的SOC芯片提供了有益的帮助。
【关键词】：
【学位授予单位】：暨南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2005【分类号】：TN941【目录】：
第一章 数字电视与HDTV系统11-15
§1．1 数字电视的概念和特点11
§1．2 视频图像的数字化11-14
§1．2．1 分量编码采样频率的确定12
§1．2．2 不同色度格式的取样12-13
§1．2．3 电视信号的量化13
§1．2．4 数字分量信号接口要求13-14
§1．3 HDTV图像格式与参数标准14-15
第二章 视频压缩编码的基本原理和方法15-24
§2．1 视频压缩的必要性和可能性15-16
§2．2 视频压缩的原理和方法16-24
§2．2．1 预测编码16-19
§2．2．2 正交变换编码19-20
§2．2．3 熵编码20-21
§2．2．4 视频编码数据流结构21-24
第三章 H．264／AVC国际视频压缩标准24-40
§3．1 视频压缩编码标准的发展24-25
§3．2 H．264／AVC视频压缩编码标准简介25
§3．3 H．264／AVC编／解码系统框架25-28
§3．3．1 分层的编码结构25-27
§3．3．2 帧结构和图像块划分27-28
§3．4 H．264／AVC编解码技术及算法描述 2l28-38
§3．4．1 帧内预测编码28-30
§3．4．2 帧问预测及运动补偿30
§3．4．3 整数变换及量化30-34
§3．4．4 扫描与重排序34
§3．4．5 自适应熵编码34-37
§3．4．6 环路块滤波37-38
§3．5 H．264／AVC的型式和级别38-40
第四章 HDTV视频解码系统的设计策略40-52
§4．1 视频解码系统的类型40-42
§4．2 HDTV解码系统的特征42-43
§4．3 HDTV视频解码系统构架选择43
§4．4 基于ASIC技术的HDTV视频解码系统设计方法43-52
§4．4．1 复杂集成电路的设计方法43-46
§4．4．2 视频解码系统控制策略46-47
§4．4．3 HDTV解码系统设计流程47-52
第五章 HDTV视频解码芯片总体设计52-59
§5．1 系统功能分析及规格确定52-55
§5．1．1 功能分析52-54
§5．1．2 规格确定54-55
§5．2 功能模块划分55-56
§5．3 系统功能验证平台构建56-59
第六章 视频解码芯片部分模块设计59-78
§6．1 4×4整数变换量化核设计59-69
§6．2 熵解码模块设计69-78
§6．2．1 变长解码模块设计69-74
§6．2．2 CABAC算法分析74-78
总结与展望78-80
附表1-680-88
附图1-488-92
参考文献92-95
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