基于TMS320C6416 DSP的MPEG-4视频编码器的实现与优化

论文摘要

MPEG-4是国际运动图像专家组（MPEG）于1999年制定的新一代面向对象的多媒体压缩国际标准。它将应用在数字电视、可视电话、实时多媒体监控、移动多媒体通信等。TMS320C6416 DSP是TI公司推出的一款高性能可编程数字信号处理器。本课题研究目的就是要利用TMS320C6416 DSP硬件平台,实现MPEG-4标准的视频编码器并对其进行优化,达到实时性要求。首先,文章介绍了图像压缩的基本原理和图像技术的发展,对比了各种视频标准的主要内容、应用范围和发展现状。结合的实际情况,确定了MPEG-4 Simple Profile作为此文的视频编码器的框架。然后,对MPEG-4视频编码的核心算法进行了研究,本文主要分析了运动编码和纹理编码,并确立编码方案。运动估计算法在视频压缩算法中占有重要的地位,一般占整个系统6080%左右的编码资源。文章分析了基于免疫系统的块匹配运动估计算法和经典算法的优缺点,借鉴MVFAST,介绍了这两种算法结合使用的混合算法,也通过减少SAD计算改进块匹配免疫算法的运算量,通过MATLAB实验,证实了这两种方式都能在不降低搜索精度的条件下大大减少了运算量。接着,讨论了MPEG-4采用的两种量化技术,通过研究和实验,确立了H.263量化方案。同时对码率控制技术进行了研究,可以实现不同应用要求下,视频质量的调节。随后,研究了C6416 DSP特有的硬件结构特点、指令系统、存储器结构、流水线结构、CCS软件环境和C64x系列DSP的软件开发优化过程等。结合MPEG-4的算法特点,并充分利用DSP的并行处理能力,最终提出了编码流程的优化方案。文章参考了XVID开放源码,在分析源代码的基础上,提出了编码器的整体实现、帧内编码和帧间编码实现方案。通过DSP的测试工具分析出了消耗时间最多的关键代码段,利用了DSP特有的线性汇编和汇编语言进行了改写。通过实验测试取得了很好的效果。比较了各种编译选项,测试了各种选项的性能。合理的配置了各代码部分在DSP存储器上的分配,提高缓存命中率。最后对于编码器的整体性能进行了测试。利用标准序列进行实验,从主观性能和客观性能进行了比较。并对码率控制,优化效果也进行了测试。从实验结果可以得出结论:基本上实现了MPEG-4视频的简单框架的功能。对于CIF格式,可以达到每秒25帧以上的实时性要求,对实际的应用有一定的参考和商用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 图像压缩编码的原理及标准
• 1.1.1 图像压缩编码的原理
• 1.1.2 国际图像压缩标准
• 1.2 低比特率压缩编码标准MPEG-4
• 1.2.1 MPEG-4 视频压缩编码的主要功能和特点
• 1.2.2 MPEG-4 视频压缩编码标准中的新技术
• 1.2.3 MPEG-4 分层描述语法结构
• 1.2.4 形状编码
• 1.2.5 运动编码
• 1.2.6 纹理编码
• 1.2.7 MPEG-4 框架和级别
• 1.3 XVID 概述
• 1.4 TMS320C6416 硬件开发平台
• 1.5 本文的研究背景和意义
• 1.6 本文的内容安排
• 2 块匹配运动估计算法
• 2.1 运动估计的原理
• 2.2 块匹配运动估计算法的数学模型和几种经典算法
• 2.2.1 全搜索法（FS）
• 2.2.2 二维对数法（LOGS）
• 2.2.3 基于块的梯度下降法（BBGDS）
• 2.2.4 菱形法（DS）
• 2.2.5 MVFAST 算法
• 2.3 基于人工免疫系统的块匹配算法
• 2.3.1 理论来源
• 2.3.2 基于人工免疫系统的块匹配算法的主要算子和相关概念
• 2.3.3 AIS 算法流程
• 2.4 对块匹配免疫算法的改进
• 2.4.1 改进算法1
• 2.4.2 实验结果与分析
• 2.4.3 改进算法2
• 2.4.4 实验结果与分析
• 2.5 本章小结
• 3 XVID 在TMS320C6416 上的实现
• 3.1 算法选择
• 3.2 量化方案的确立
• 3.2.1 H.263 量化方案
• 3.2.2 MPEG 量化技术
• 3.2.3 两种量化方法的比较
• 3.3 采用的码率控制技术
• 3.4 基于TMS320C6416 的XVID 编码器实现
• 3.5 本章小结
• 4 XVID 编码器在TMS320C6416 上的优化
• 4.1 TMS320C64X DSP 软件编程优化流程
• 4.2 基于VOP 的编码器流程
• 4.3 应用层优化
• 4.3.1 编译器优化
• 4.3.2 利用EDMA 传递数据
• 4.3.3 合理配置存储器资源提高缓存命中率
• 4.4 代码级优化
• 4.4.1 使用图像库
• 4.4.2 改写成线性汇编
• 4.4.3 发挥汇编的并行优势
• 4.5 实验结果
• 4.5.1 编码器客观性能
• 4.5.2 编码器主观性能
• 4.5.3 同一目标序列不同码率的性能
• 4.6 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录