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电视制导是现代战争中应用较为广泛的一种精确制导方式,它建立在视频信号实时传输的基础之上。传统电视制导系统在传输中使用模拟视频信号,所需带宽较宽、易受干扰;硬件复杂、体积大、不易标准化。这些缺陷在现代战争严酷的自然条件和恶劣的电磁环境下日益突出,大大降低了系统的工作效率。采用数字电视制导系统是解决这一问题的有效途径。然而,在实时传输中,数字视频信号的高数据率与有限的传输带宽之间产生了极大的矛盾。作为数字电视制导系统必须解决的一项关键技术——视频压缩,是解决这一矛盾的有力武器,对系统的有效工作起着至关重要的作用。因此,研究高保真、大压缩比、实时性强的视频压缩系统具有重要的理论意义和应用价值,也是数字电视制导系统研制中亟待解决的课题。
传统的视频压缩方法Motion-JPEG压缩效率不高、MPEG延迟较大,而H.26L作为新一代视频压缩编码国际标准以其高效、低延迟的压缩编码,更加适合电视制导的应用。为此,本文重点对H.26L压缩关键技术进行研究,并在此基础上设计实现电视制导图象处理机。
首先,本文对H.26L编码系统的基本理论进行了深入研究,并对其编码特性进行了系统分析。本文先总结了多种图象及视频编码标准的技术框架,对各种标准进行了比较研究,然后分析了H.26L压缩效率突出的基本原理,这一过程有助于深入理解H.26L所具有的独特优势。此外,从应用出发,对H.26L的编码特性进行了系统研究,多方面比较、多角度分析了其编码的有效性。这部分的研究为实际应用奠定了必要的理论基础。
其次,设计了用于电视制导的H.26L编码方案,并在加快实现速度和进一步提高压缩效率两方面进行了研究。H.26L的高效编码是以高运算复杂度为代价的,为了充分满足电视制导对实时性和图象质量的综合要求,本文在分析视频压缩算法固有延时的基础上,提出了一种实用的H.26L编码方案。在该方案中,一方面针对用于帧内预测模式判决的全搜索算法复杂度高的问题,提出了一种基于方向梯度的快速判决算法。该算法在保持相近的PSNR和比特率的情况下,复杂度大大降低。另一方面,为了克服UVLC固定码字格式所带来的编码效率降低问题,对其改进方案CVLC进行了研究,提出了一种基于概率密度匹配的配置方法。结合概率密度匹配的CVLC通过调整码字对应的概率分布以贴近符号实际的概率分布来提高编码效率。
然后,为了改善视频图象在低码率压缩时失真较大的问题,本文研究了在低码率压缩时所采用的尺度变换技术。在建立尺度变换数学模型的基础上,提出了“下采样”和“插值”在实现技术上具有同一性的思想,将下采样与插值均看作是对邻域未知象素的预测,建立了统一的象素预测模型。考虑到图象的边缘信息对于电视制导的重要性,本文研究了基于边缘保持的图象插值技术,提出了一种基于几何对偶性的插值方法和一种基于图象网格三角剖分的插值方法,获得了良好的插值效果。
最后,在理论研究的基础上,结合对现有硬件实现方案的总结分析,设计实现了一个基于DSP和FPGA的电视制导图象处理机。根据电视制导系统对视频图象压缩的特殊要求,结合智能化、小型化和集成化的硬件设计指导思想,对图象处理机的整体方案进行了分层设计,建立了通用的DSP+FPGA平台,通过对软件算法的多层次优化,最终实现了图象处理机。实际工作的情况表明本文设计实现的基于H.26L的图象处理机性能稳定,图象质量良好,满足各项设计指标,具有广泛的应用前景。