H.264视频编码技术研究及DSP实现

论文摘要

H.264视频编码标准是2003年5月获得批准的新一代视频编码国际标准。它采用了许多新技术,使得在编码效率、网络适应性等方面表现出超越以往标准的优越性能,但这些新技术同时也增加了H.264编码器的复杂度,限制了H.264在很多领域尤其是实时领域的应用。因此,研究H.264标准在DSP TMS320DM642上的实现对视频技术在嵌入式领域的应用研究有重要意义。本文主要工作是研究H.264中的关键技术及其在TMS320DM642 DSP上的应用。首先,回顾了视频压缩技术的背景知识,简要介绍了以往国际视频压缩标准的发展进程,分析了H.264标准的关键技术。其次,对H.264目前主要的三大测试模型进行了介绍和性能比较,选用X264作为H.264编码器的参考源码。在PC机上,对X264关键编码参数进行分析、测试,以权衡编码效率和图像质量。然后,对计算复杂度较高的预测模式选择算法进行了改进。提出了一种快速的帧内预测算法,并通过测试数据验证了其有效性;分析了X264的帧间预测算法,对X264的帧间预测的模式选择算法进行了改进,改进后的帧间预测模式可以损失极小的信噪比,获得高效的编码。最后,以自己设计的DM642的嵌入式视频处理系统作为硬件平台,实现了H.264 baseline profile编码器在TI的DM642上移植和优化,并给出了优化结果。每秒钟能够完成15-29帧CIF格式视频图像的编码（qp=26）,解码后的视频图像具有较高的主观质量和客观质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 视频压缩编码标准的发展及简介
• 1.1.1.1 H.261
• 1.1.1.2 MPEG1
• 1.1.1.3 MPEG2（H.262）
• 1.1.1.4 H.263
• 1.1.1.5 MPEG4
• 1.2 视频压缩编码基本原理
• 1.2.1 预测编码
• 1.2.2 变换编码
• 1.2.3 统计编码
• 1.3 视频质量评价标准
• 1.3.1 图像质量的主观评价
• 1.3.2 图像质量的客观测量
• 1.4 常用的标准化图像格式
• 1.4.1 分辨率
• 1.4.2 YUV 采样格式
• 1.5 H.264 应用研究现状
• 1.6 本论文的主要研究内容和结构安排
• 第二章 H.264 视频编码标准
• 2.1 H.264 特点及优势
• 2.1.1 网络友好性
• 2.1.2 压缩率显著提高
• 2.1.3 新的帧类型
• 2.1.4 差错恢复
• 2.1.5 场编码模式
• 2.1.6 应用多样性
• 2.2 H.264 码流结构
• 2.2.1 NAL 单元的语法结构
• 2.2.2 Slice 语法结构
• 2.2.3 宏块层语法结构
• 2.3 H.264 关键技术
• 2.3.1 帧内预测
• 2.3.1.1 4x4 亮度预测模式
• 2.3.1.2 16x16 亮度预测模式
• 2.3.1.3 8x8 色度块预测模式
• 2.3.2 帧间预测
• 2.3.2.1 树状结构运动补偿
• 2.3.2.2 亚象素运动矢量
• 2.3.2.3 MV 预测
• 2.3.2.4 多参考帧
• 2.3.3 整数变换与量化
• 2.3.3.1 4x4 的残差变换和量化（块0-15 和18-25）
• 2.3.3.2 4x4 亮度DC 系数的变化和量化（用于16x16 帧内预测模式）
• 2.3.3.3 2x2 色度DC 系数变换和量化
• 2.3.4 熵编码
• 2.3.4.1 Exp-Golomb 熵编码
• 2.3.4.2 CAVLC
• 2.3.4.3 CABAC
• 2.3.5 去块效应滤波器
• 第三章 H.264 基于PC 的算法分析及优化
• 3.1 H.264 三大开源编码器选择
• 3.1.1 三大开源介绍
• 3.1.1.1 JM
• 3.1.1.2 X264
• 3.1.1.3 T264
• 3.1.2 三大开源编码器性能测评
• 3.2 X264 编码器关键参数的分析
• 3.2.1 量化参数 QP
• 3.2.2 参考帧数目
• 3.2.3 运动估计算法
• 3.2.3.1 运动估计算法研究现状
• 3.2.3.2 X264 运动估计算法测试
• 3.2.4 搜索精度及模式
• 3.3 预测模式选择算法优化
• 3.3.1 率失真优化技术
• 3.3.2 帧内预测模式选择算法优化
• 3.3.2.1 X264 开源的帧内预测模式选择的流程
• 3.3.2.2 X264 开源的帧内预测模式选择优化
• 3.3.3 帧间预测模式选择算法优化
• 3.3.3.1 帧间最佳模式分布特性统计及分析
• 3.3.3.2 X264 帧间预测算法改进
• 第四章 X264 的DSP 移植及优化
• 4.1 系统性能指标要求
• 4.2 DSP 硬件平台及开发工具简介
• 4.2.1 TMS320DM642 DSP 结构
• 4.2.2 DM642 硬件平台
• 4.2.3 集成开发环境 CCS 2.0
• 4.3 X264 基于DM642 平台的移植
• 4.3.1 去除冗余代码
• 4.3.2 修改不适合 CCS 环境的函数和变量
• 4.3.3 编译选项和连接命令文件
• 4.4 X264 基于DSP 的优化
• 4.4.1 C6000 的程序开发流程
• 4.4.2 项目级优化
• 4.4.2.1 CCS 编译器选项优化
• 4.4.2.2 存储空间的优化
• 4.4.3 C 语言级的优化
• 4.4.4 汇编级优化
• 4.5 系统优化前后性能测试结果
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果