高效视频编码系统研究与硬件实现

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随着通信技术和计算机技术的迅速发展,数字视频在信息社会中发挥着越来越重要的作用。图像和视频的传输与处理成为学术界和工业界研究的热点,ITU-T和ISO先后提出了一些先进的国际标准,这些标准的推广使人们享受到了科技带来的便利。超大规模集成电路技术(VLSI)、可编程逻辑器件(FPGA等)和嵌入式开发平台的发展使实时的视频压缩、传输和操控成为可能。为此,我们系统的研究了一系列视频压缩编码国际标准,并且在此基础之上设计和实现了基于网络传输的视频系统和MPEG-4 ASP级编码器的SoC演示系统。 本文介绍了作者在视频压缩编码及其硬件实现方面的研究。首先,介绍了图像压缩技术的发展历史、现状及其应用,并简要介绍了现行的主要视频编码标准,如H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、H.264等。然后深入研究了MPEG-2建议的视频编码标准,包括TS流、PS流、时钟恢复、视频与音频的同步、基于场的运动补偿、DCT及变长编码。并对MPEG-4标准的特别之处做了讨论。在此基础上提出了一种基于网络传输的视频系统和MPEG-4 ASP级编码器的SoC系统,在分析系统方案的同时,给出了其硬件实现。基于网络传输的视频系统的编解码部分采用套片实现,纠错编码通过FPGA完成,网络部分的上层协议部分在MCU中完成。MPEG-4编码器采用FPGA加ARM来实现。 作者在对RTP/RTCP协议的充分理解上,结合视频编码的原理,构建了视频流的网络传输模型,并实现了其硬件系统,初步测试,可实现其基本功能。通过对视频编码过程中数据流操作的分析,结合SDRAM的工作特点,合理设计了MPEG-4编码器的数据流调度方案,在满足系统最高要求的基础上,节省了宝贵的硬件资源,提高了程序的通用性;在分析了码率控制的基本原理及算法的基础上,结合ARM处理器的特点,设计了MPEG-4编码器码流控制部分的硬件部分和软件实现,实验表明其起到了编码结果调整的作用,效果良好。 由于MPEG-2标准本身的定位,在对网络传输的支持方面相比较而言不是很有效,可考虑在现有网络模型的基础上,构建MPEG-4或者H.264的网上视频系统。因为MPEG-4编码器是采用FPGA和ARM来实现的,应在程序和结构优化的基础上,完成其向芯片化的方向发展,同时,完成嵌入式操作系统在ARM上的移植,使系统更具通用型和可扩充性。
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