1011010207.基于AVS-M的移动视频编解码研究调研报告

1本科生研究发展计划（OUC-SRDP）项目基于ＡＶＳ—Ｍ移动视频编解码的研究调研报告指导教师：魏志强撰写人：焦文健崔元芳2目录1.调研背景....................................32.发展历程....................................52.1编码器结构........................................................................52.2解码比特流描述.......................................错误!未定义书签。2.2.1编码视频序列.................................................................................................................52.3编解码关键技术...................................................................62.3.1熵编解码和块编解码....................................................................................................62.3.2整数变换和量化.............................................................................................................72.3.3帧内预测........................................................................................................................72.3.4帧间预测………………………………………………………………………………82.4编解码过程..........................................................................92.4.1环路滤波.....................................................................................................................92.4.2宏块模式及几种宏块模式选择算法比较...................................................................102.5宏块模板选择算法............................................................102.5.1算法步骤......................................................................................................................102.5.2门限值的确定及分析……………………………………………………………102.6DSP处理器及开发平台...........................错误!未定义书签。12.6.1TMS320C6416DSP芯片特点分析..........................................................................112.6.2TMS320C6416芯片特点.........................................................................................112.6.3TMS320C6416芯片结构.........................................................................................112.6.4实验系统的实现.........................................................................错误!未定义书签。2.6.5PC平台到DSP平台的移植.....................................................错误!未定义书签。3.调研总结....................................153.1目的及意义.......................................................................153.2AVS-M移动工具概述.....................................................173.3视频编解码主要功能..........................................................1831.调研背景随着无线网络技术和音视频技术的发展，移动多媒体应用在人们的生活中扮演越来越重要的角色。为有效利用有限的带宽资源，多媒体数据在传输之前必须进行压缩，同时为保证网络多媒体信息能够共享，数据压缩必须满足一定的规范，即编码标准。AVS-M是我国专门针对移动多媒体应用自行制定、拥有自主知识产权的数字音视频编解码标准。AVS-M标准产品可以应用于宽带网络流媒体、移动视频会议与移动视频监控等领域。其中AVS的第七部分——移动视频（AVS-M）标准是为了数字存储媒体、网络流媒体、多媒体通信等应用中，针对运动图像压缩技术的需要而制定的。AVS-M编解码器的结构和核心算法，将改进的人眼对比灵敏度模型应用到编码器的帧间预测宏块模式选择算法中，得到该算法的快速算法并在PC平台上验证，使编码器在保证视觉质量的前提下，速度提高了53％。在正常运行的前提下，应用C语言优化、汇编优化、存储器优化和本设计提出的针对插值算法结构的优化这几种方法，使QCIF格式的最终解码速度是优化前的3倍多，达到46帧/秒，满足了实时要求。现阶段国际两大组织（ISO和IST－T）分别制订了MPEG系列标准和H.26x的标准，伴随着新标准的提出，新产品、新应用也随之发展。MPEG1标准带来了VCD的兴起，MPEG2标准带来了DVD和HDTV的商机，而H.261应用在ISTN、H.263应用在PSTN成为可视电话标准一部分，也将视频标准推向网络化应用的新时代，而MPEG4和H.264使视频压缩技术发展到了一个更高的阶段，能够在较低带宽上带来更高质量的传输，为移动视频及视频通信领域带来了新的解决方案。AVS标准是我国自主制定的数字音视频编解码技术国家标准，AVS标准包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准。它是我国拥有自主知识产权的技术，避免了国外专利收费的问题。AVS标准有着很广阔的应用前景，包括交互存储媒体、宽带视频业务、多媒体邮件、分组网络的多媒体业务、实时通信业务（视频会议，可视电话等）、远程视频监控等。其中AVS标准的第七部分——移动视频（AVS-M）是为了适应数字存储媒体、网络流媒体、多媒体通信等应用中对运动图像压缩技术的需要而制定的。AVS-M主要是针对小画面显示的3G应用，它是一个面向新一代移动通信的视频编码标准。DSP是数字信号处理器的简称，作为众多电子信息产品的核心引擎，借助其在高速实时信号处理中的优势和后数字时代对高速大吞吐量数字处理的需求，在通信市场占据主导地位的同时，DSP的应用也拓展到数字媒体和数字消费类产品领域，同时更以其完全软件4可编程的灵活性，在数字视频领域发挥着越来越大的作用。在视频应用方面，DSP平台和ASIC是两个应用较多的解决方案，DSP平台相对ASIC有以下优势：1、可以根据市场需求，第一时间增加新的功能，改善产品性能，开发周期短；2、很多厂家提供专门用于视频的DSP平台，现在DSP芯片的功能非常强大，速度很快，可以处理多路的视频信号，功耗也越来越低，可降低产品成本；综上所述，现代视频应用的范围越来越广，要求也越来越高，而DSP平台的高速发展也为视频应用提供了一个很好的硬件平台。由于有限的网络带宽条件和对视频应用的实时性要求，所以在DSP平台实现视频解码器算法有着很广泛的市场发展前景和研究价值。常用视频压缩标准MPEG系列：1991年12月，该组织提出MPEG1，以VCD和MP3为代表产品，在CDROM上的音视频存储可达到1.5-2Mbit/s。1994年又推出MPEG2，针对数字电视、高清电视和DVD的视频压缩，针对HDTV应用的编码率为4-9Mbit/s。1998年又推出了MPEG4，比MPEG2在保证画面质量的情况下有着惊人的数据压缩比，多用于手机等消费电子产品，也开始应用在监控设备上，并在MPEG4中首次提出一种基于内容的视频编码形式，有别于MPEG1中基于矩形块的帧结构，在需要超低比特率的时候使用基于块的结构，在有比较高要求的场合使用基于内容的结构。MPEG系列的平均压缩率在1：50，最高可达1：200。1993年，ITU提出H.261，为在综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电话、视频会议)而制定的，速率为64kb/s的整数倍。H.261只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理。1996年，提出H.263，是最早用于低码率视频编码的ITU-T标准，随后出现的第二版(H.263+)及H.263++增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性，在PSTN上至少有64kb/s。H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频压缩编码标准，已经被纳入MPEG4的第十部分，它具有相当高的数据压缩比，在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比能比MPEG-2高2-3倍，比MPEG-4高1.5-2倍。正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少。在相同的重建图像质量下，H.264比H.263+和MPEG-4减小50%码率。但是H.264有着较高的计算复杂度。AVS的编码效率理论上比MPEG－2国际标准高2-3倍，可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源，降低传输和存储的复杂度，也可以兼容MPEG-4AVC/H.264国际标准基本层，有着广阔的应用前景。视频算法开发现状MPEG2、MPEG4标准，在软件、DSP及ASIC开发应用方面都比较成熟。关于H.264标准，产业化的产品相对比较少，但是对于它的算法和应用的研究却已经相当广泛。AVS-M编码器算法作为我国拥有自主知识产权的国家标准，许多方面都有着自己的优势，而且也有着国内的产业化联盟为其尽早实现产业化做强大的后盾。帧间预测宏块模式选择算法发展现状视频编码器的算法中，运动估计和运动补偿两5种算法的研究比较广泛。2.发展历程2.1编码器结构AVS-M编解码器的结构根据AVS-M的标准[1]描述，将编解码器的结构和编解码过程描述如下：（图１）编码器结构编码器结构编码过程分为以下几个步骤：1、首先确定当前帧是I帧还是P帧，I帧做帧内预测，P帧做帧间预测（也可以选择做帧内预测），预测结束进行运动补偿。帧内预测有九种预测模式，根据帧内已经编码的像素计算选择最佳预测；帧间预测是在参考帧中在整数和分数插值位置做搜索，找到代价函数值最小的块作为参考块，得到运动向量。2、对于运动补偿后的残差，进行整数变换和量化。3、对量化的后的数据分为两种计算，一种进行反变换反量化，再根据第一步的预测值重建，重建帧作为下一帧或下几帧编码时的参考帧；一种是对量化后的数据进