MPEG。2視頻解碼器的FPGA設(shè)計(jì)摘要MPEG2是MPEG組織在1994年為了高級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖象質(zhì)量以及更高的傳輸率所提出的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)秀性使之成為過去十年應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，也是未來十年影響力最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。本文以MPEG2視頻標(biāo)準(zhǔn)為研究內(nèi)容，建立系統(tǒng)級設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)FPGA原型芯片，并在FPGA系統(tǒng)中驗(yàn)證視頻解碼芯片的功能。最后在018微米工藝下實(shí)現(xiàn)ASIC的前端設(shè)計(jì)。完成的主要工作包括以下幾個(gè)方面1完成解碼系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用了自頂而下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能單元的劃分；根據(jù)其視頻解碼的特點(diǎn)，確定解碼器的控制方式；把視頻數(shù)據(jù)分文幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的并行解碼。2實(shí)現(xiàn)了具體模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)本文研究的要求，在比特流格式器模塊設(shè)計(jì)中提出了特有的解碼方式；在可變長模塊中的變長數(shù)據(jù)解碼采用組合邏輯外加查找表的方式實(shí)現(xiàn)，大大減少了變長數(shù)據(jù)解碼的時(shí)間；IQ、IDCT模塊采用流水的設(shè)計(jì)方法，減少數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間運(yùn)動補(bǔ)償模塊，針對模塊數(shù)據(jù)運(yùn)算量大和訪問幀存儲器頻繁的特點(diǎn)，采用四個(gè)插值單元同時(shí)處理，增加像素緩沖器，充分利用并行性結(jié)構(gòu)等方法來加快運(yùn)動補(bǔ)償速度。3根據(jù)視頻解碼的參考軟件，通過解碼系統(tǒng)的仿真結(jié)果和軟件結(jié)果的比較來驗(yàn)證模塊的功能正確性。最后用FPGA開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了解碼系統(tǒng)的原型芯片驗(yàn)證，取得了良好的解碼效果。整個(gè)設(shè)計(jì)采用VERILOGHDL語言描述，通過了現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的原型驗(yàn)證，并采用SIMC018ILM工藝單元庫完成了該電路的邏輯綜合。經(jīng)過實(shí)際視頻碼流測試，本文設(shè)計(jì)可以達(dá)到MPEG2視頻主類主級的實(shí)時(shí)解碼的技術(shù)要求。關(guān)鍵詞MPEG2，視頻解碼，硬件設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證FPGADESIGNOFMPEG2VIDEODECODERABSTRACTMPEG2STANDARDWASESTABLISHEDFORHIGHERINDUSTRYSTANDARDOFPICTUREANDHIGHERTRANSPORTRATESBYMOVINGPICTUREEXPERTGROUPTHESTANDARDISSOEXCELLENTTHATITBECOMESTHEMOSTINFLUENTIALSTANDARDSINCETENYEARSAGO，ANDISSTILLONEOFTHEMOSTIMPORTANTCOMPRESSSTANDARDNOWADAYSTHERESEARCHCONTENTOFTHESISISTHESTANDARDOFMPEG2VIDEOFIRSTLY，THETOTALSYSTEMARCHITECTUREOFMPEG一2VIDEODECODERWASINTRODUCED；THENDESIGNOFTHEFPGAPROTOTYPEANDITSVERIFICATIONWEREACHIEVED；ATLAST，INTHESMIC018PMSTANDARDCELLCMOSTECHNOLOGY,THEDECODERISIMPLEMENTEDTARGETINGASICTHECONTRIBUTIONSOFTHEESSAYARESUMMARIZEDASFOLLOWING1THEARCHITECTUREDESIGNOFMPEG一2VIDEODECODERISIMPLEMENTEDWITHTOPDOWNMETHOD，THEDECODERSYSTEMWASDIVIDEDINTOSOMESUBMODULES；BASEDONTHECHARACTERISTICOFVIDEODECODING，DEFINETHECONTROLMETHODOFSYSTEM；DIVIDETHEVIDEODATASINTOINTRADATAANDINTERDATA，THENTHETWOKINDSOFDATAWASDECODEDBYPARALLELALGORITHM2THEDESIGNOFSUBMODULESACCORDINGTOTHESYSTEMDESIGN，THEPARSERMODULEWASDESIGNEDBYAUNIQUEMETHOD；INTHEVLDMODULE，TAKINGTHEADVANTAGESOFBOTHCOMBINATIONALLOGICANDLUT,ACCOMPLISHEDTHEDECODEROFVARIABLEDATA，REDUCETHEDECODINGTIMEOBVIOUSLY；TQ，IDCTMODULEWASDESIGNEDBYPIPELINEMETHOD，ALSOREDUCETHETIMEOFCALCULATINGHEAVILY；FORTHEMOTIONCOMPENSATIONISTHEMOSTINTENSIVEPARTOFACCESSINGMEMORYANDHASHIGHTHROUGHPUT，SEVERALMETHODSWEREADOPTEDTOIMPROVEMEMORYACCESSEFFICIENCY，INCLUDINGFOURPIXELINTERPOLATOR，PIXELBUFFERAUGMENTATION，ANDPARALLELARCHITECTURE，WHICHLEADTOGOODSPEEDUPOFMOTIONCOMPENSATION3BASEDONTHESOFTWAREREFERENCEPROGRAM，F(xiàn)UNCTIONALVERIFICATIONISCARRIEDOUTBYCOMPARINGTHESIMULATIONRESULTSWITHTHEOUTPUTRESULTSOFSOFTWAREATLAST，THEFPGAPROTOTYPEISIMPLEMENTATEDBASEDONTHEDEVELOPINGBOARDEP2SI80FROMALTERAFPGAPROTOTYPEBASEDVERIFICATIONSHOWEDTHATTHEDESIGNGETSSATISFACTORYDECODINGEFFECTSTHEDESIGNWASDESCRIBEDWITHVERILOGHDLITHASBEENIMPLEMENTEDBYFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGASYNTHESISWASALSOFULFILLEDWITHSYNOPSYSDESIGNCOMPILER,BASEDONSMIC018“MSTANDARDCELLCMOSTECHNOLOGYDEMOEXPERIMENTWITHREALVIDEOSTREAMSHOWSTHATTHEDESIGNCANMEETTHEREALTIMEDECODINGREQUIREMENTSOFTHEMPEG2MPMLVIDEOSEQUENCEKEYWORDSMPEG2，VIDEODECODING，HARDWAREDESIGN，F(xiàn)PGAPROTOTYPEVERIFICATION插圖清單圖21MPEG2編解碼算法框圖8圖22MPEG2視頻流分層結(jié)構(gòu)10圖23三種不同宏塊結(jié)構(gòu)圖11圖24MPEG2幀類型和預(yù)測方式11圖25反量化過程14圖26反掃描的方式15圖27HUFFMAN編碼16圖28運(yùn)動估計(jì)與運(yùn)動向量的幾何關(guān)系17圖29半象素插值18圖31參考軟件作用20圖32軟件解碼流程2L圖33主程序軟件結(jié)構(gòu)圖22圖34GETPIE的解碼結(jié)構(gòu)22圖35宏塊解碼結(jié)構(gòu)圖23圖36運(yùn)動補(bǔ)償IDCT結(jié)構(gòu)圖23圖37CHENWANG算法的計(jì)算程序29圖38流水線時(shí)序圖32圖41解碼器的總體架構(gòu)圖34圖42讀入模塊的功能實(shí)現(xiàn)圖一34圖43讀入模塊仿真波形35圖44控制策略圖36圖45控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖37圖46MPEG2碼流組織結(jié)構(gòu)38圖47解碼控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖39圖48分析器仿真部分結(jié)果圖40圖49可變長解碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖41圖410運(yùn)動向量解碼結(jié)構(gòu)圖42圖411IQ電路結(jié)構(gòu)圖43圖412IQ模塊仿真波形圖44圖413二維實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)46圖414一維IDCT結(jié)構(gòu)圖46圖415維IDCT電路實(shí)現(xiàn)圖47圖416IDCT模塊仿真波形圖48圖417運(yùn)動補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)圖。48圖418預(yù)測單元結(jié)構(gòu)圖50圖419顏色空間轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖5L圖51EP2S180開發(fā)板元件和接口圖53圖52VGA顯示控制電路圖54圖53仿真圖像55圖54驗(yàn)證結(jié)果圖A56圖5。5驗(yàn)證結(jié)果圖B56圖56綜合流程57圖5。7環(huán)境設(shè)計(jì)腳本58圖58設(shè)計(jì)規(guī)則約束腳本59圖59時(shí)序約束腳本59圖510綜合的面積報(bào)告60圖511綜合的面積報(bào)告61VII表格清單表11MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)1表12MPEG2的編碼類定義。3表卜3MB86H01解碼器的主要規(guī)格表5表21視頻序列結(jié)構(gòu)9表31頭信息解碼偽碼表一24表32擴(kuò)展信息解碼偽碼表。25表33亮度塊DC系數(shù)的變長編碼26表34亮度塊DC系數(shù)表27表35塊數(shù)據(jù)解碼和反量化偽碼27表36IDCT實(shí)現(xiàn)的偽碼表28表4一L控制模塊的部分接口信號36表42宏塊編碼方式表40表43轉(zhuǎn)置RAM寫順序48表44轉(zhuǎn)置RAM讀順序48表5一LSTRATIXLI系列功能表53表52FPGA消耗資源參數(shù)表56VIII獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得金肥王些太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名、眵芝簽字日期叩年午月硼學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解僉膽王些盔堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)金熙王些太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書學(xué)位論文作者簽名、【芝簽字日期呷年午月讕F學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向工作單位通訊地址導(dǎo)師簽名RO套、，7。二_J一。；簽字日期研年?duì)幵仑烊针娫掄]編致謝本論文在選題和研究過程中受到高明倫教授的悉心指導(dǎo)。高老師不僅學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，而且待人誠懇，平易近人。他對科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度和高尚的品德，是我學(xué)習(xí)的榜樣。這兩年多來從高老師那里學(xué)到的知識必將使我終身受益。衷心感謝導(dǎo)師的培養(yǎng)、支持和教誨兩年多來，老師們不僅在學(xué)業(yè)上給予我精心的指導(dǎo)，而且在思想、生活方面給予我無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向他們致以誠摯的謝意和崇高的敬意感謝張多利老師在論文選題、結(jié)構(gòu)確定、審核修改方面給我的幫助和細(xì)心指導(dǎo)，這些促使我論文一步步走向完善。感謝張多利老師、杜高明老師、耿羅鋒博士和侯寧博士在項(xiàng)目中的熱情指導(dǎo)和幫助感謝宋宇鯤老師在小論文寫作中的耐心指導(dǎo)與幫助L感謝NOC項(xiàng)目組馬亮、付強(qiáng)、翟元杰、杜?；邸⑼醢茁?、尹凱、程賢文、吳臘狗、于亞軒所給予的幫助感謝鄧紅輝老師、林微老師、賈靖華老師在學(xué)習(xí)和生活上給予的支持和幫助感謝微電子設(shè)計(jì)研究所全體成員，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一切困難和疑惑，直至本文的順利完成。特別感謝我最親愛的家人，他們對我的深厚愛意和默默支持是我學(xué)習(xí)和工作的動力。你們對我的養(yǎng)育之恩，我終生無以回報(bào)M張?jiān)?009年4月第一章緒論11MPEG標(biāo)準(zhǔn)概述隨著信息時(shí)代的到來，特別是在信號處理技術(shù)發(fā)展起來的時(shí)候，圖像處理的技術(shù)逐漸數(shù)字化，由于許多新的理論和方法的引入，出現(xiàn)了一系列的圖像壓縮算法【11，因此在二十世紀(jì)九十年代左右，這些經(jīng)典的視頻壓縮算法逐漸形成一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)體系【21，比如H26X系列以及MPEG系列等。其中，MPEG作為重要的一種編碼方式【2】，得到了最為廣泛的應(yīng)用。MPEG就是動態(tài)圖像專家組MOTIONPICTURESEXPERTSGROUP的英文縮寫，始建于1988年，是專門制定多媒體領(lǐng)域內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)組織。由全世界大約300名多媒體技術(shù)專家組成。制定的標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)視音頻同步三個(gè)部分。他們成功地將聲音和影像的記錄脫離了傳統(tǒng)的模擬方式，建立了墮0IECL172壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，并制定出MPEGX格式，令視聽傳播方面進(jìn)入了數(shù)碼化時(shí)代。因此，大家現(xiàn)時(shí)泛指的MPEGX版本，就是由ISOINTERNATIONALORGANIZATIONFORSTANDARDIZATION所制定而發(fā)布的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼技術(shù)主要利用具有運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g壓縮編碼技術(shù)以減小時(shí)間冗余度，利用DCT技術(shù)以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則在信息表示方面以減小統(tǒng)計(jì)冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運(yùn)用，大大增強(qiáng)了壓縮性能?？傮w來說，MPEG在三方面優(yōu)于其他壓縮解壓縮方案，首先，由于在一開始它就是做為一個(gè)國際化的標(biāo)準(zhǔn)來研究制定，所以具有很好的兼容性。其次，MPEG能夠比其他算法提供更好的壓縮比，最高可達(dá)200L。更重要的是，MPEG在提供高壓縮比的同時(shí)，對數(shù)據(jù)的損失很小。所以在多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，較多采用MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG1、2、4等口M。如表卜1所示表卜1M_PEG系列標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)簡稱標(biāo)準(zhǔn)全稱批準(zhǔn)時(shí)間最高約15MPBS數(shù)字存儲媒體的運(yùn)動圖1988年開始制定，1992年11口EG1像及伴音編碼CODINGOFMOVINGPICTURE月通過，作為ISOIECLLL72ANDASSOCIATEDAUDIOFORDIGITALMEDIAAT號文件UPTO15MBPS標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動圖像及伴音編碼CODINGOFMOVING1990年開始制定，1994年11PEG2PICTUREANDASSOCIATEDAUDIO標(biāo)準(zhǔn)月通過，作為ISOIECL3818視頻碼率3MBPS4100MBPS號文件或ITUTH262建議視音頻對象的編碼CODINGOF1993年7月制定，1995年5N位EG4月通過，作為ISO】ECL4496AUDIOVISUALOBJECTS標(biāo)準(zhǔn)號文件視頻碼率5KBPS5MBPS多媒體內(nèi)容描述接口MULTIMEDIA1997年7月制定，2001年12M【PEG7CONTENTDESCRIPTIONINTERFACE標(biāo)準(zhǔn)月通過，作為ISOIECL5938號文件咿EG21多媒體框架MULTIMEDIAFRAMEWORK1991年10月形成多媒體框架標(biāo)準(zhǔn)原理，2002年5月制定111MPEG1標(biāo)準(zhǔn)MPEG1ISOIEC11172是MPEG組織于1992年提出的第一個(gè)具有廣泛影響的多媒體國際標(biāo)準(zhǔn)。其正式名稱為“基于數(shù)字存儲媒體運(yùn)動圖像和聲音的壓縮標(biāo)準(zhǔn)”，可見，MPEG1著眼于解決多媒體的存儲問題。MPEG1用于傳輸15MBPS數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲媒體運(yùn)動圖像及其伴音的編碼，經(jīng)過MPEG1標(biāo)準(zhǔn)壓縮后，視頻數(shù)據(jù)壓縮率為I1001200，音頻壓縮率為165。它可提供每秒30幀352240分辨率的圖像，當(dāng)使用合適的壓縮技術(shù)時(shí)，具有接近家用視頻制式VHS錄像帶的質(zhì)量。MPEG1允許超過70分鐘的高質(zhì)量的視頻和音頻存儲在一張CDROM盤上。VCD采用的就是MPEG1的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)面向家庭電視質(zhì)量級的視頻、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由于MPEGI的成功制定，以VCD和MP3為代表的MPEG1產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)迅速普及。繼成功制定MPEG1之后，MPEG組織于1996年推出解決多媒體傳輸問題的MPEG2標(biāo)準(zhǔn)。112MPEG2標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)于1996年推出，擬解決多媒體傳輸問題。其正式名稱為“通用的圖像和聲音壓縮標(biāo)準(zhǔn)“。包括編號為138181系統(tǒng)部分、編號為138182的視頻部分、編號為138183的音頻部分及編號為138184的符合性測試部分。設(shè)計(jì)初衷就是實(shí)現(xiàn)高級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖象質(zhì)量以及更高的傳輸率。由于MPEG2在設(shè)計(jì)時(shí)的巧妙處理，使得大多數(shù)MPEG2解碼器也能解碼播放MPEG1格式的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于MPEG2的出色性能表現(xiàn)，已能適用于HDTV，使得原打算為HDTV設(shè)計(jì)的MPEG3，還沒出世就被拋棄了。MPEG3要求傳輸速率在20MBITSSEV40MBITSSEE間，但這將使畫面有輕度扭曲。除了做為DVD的指定標(biāo)準(zhǔn)外，MPEG一2還可用于為廣播，有線電視網(wǎng)，電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播DIRECTBROADCASTSATELLITE提供的廣播級數(shù)字視頻。MPEG2的另一特點(diǎn)是，其可提供一個(gè)較廣的范圍改變壓縮比，以適應(yīng)不同畫面質(zhì)量，存儲容量，以及帶寬的要求。MPEG2標(biāo)準(zhǔn)的成功之處是開發(fā)了通用的壓縮編碼系統(tǒng)，是一種以類PROFILE和級1EVEL為基礎(chǔ)的規(guī)范化體系，這樣可滿足不同的圖像分辨率和處理速度的需要。因此，MPEG2標(biāo)準(zhǔn)能廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)BSS、電纜電視CATV、數(shù)字電視地面廣播、數(shù)字聲音廣播、多媒體終端等眾多領(lǐng)域。其技術(shù)規(guī)范包括6類PROFILE和4級1EVEL，并采用分級編碼。所謂類是指MPEG2的不同處理方法，每一個(gè)類都包括壓縮和處理方法的一個(gè)集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具，越高的類編碼越精細(xì)，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會更高。2而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級類解碼器均能解碼低級類方法編碼的圖像。表12MPEG2的編碼類定義編碼類型支持算法簡單類SIMPLEPROFILEI幀、P幀，支持420格式，無可測量性主類MAINPROFILE簡單類類型增加支持B幀格式，無可測量性信噪比可分級SNRSCALABLE主類類型增加支持信噪比可測量性空間可分級SPATIALSCALABLE信噪比可分級類型增加支持空間可測量性高級類空間可分級增加支持422主類擴(kuò)展類主類類型的高碼率擴(kuò)展所謂級是指MPEG2的輸入格式，標(biāo)識從有限度的VHS質(zhì)量圖像到HDTV圖像，每一種輸入格式編碼后都有一個(gè)相應(yīng)的范圍1低級LLLOWLEVEL圖像輸入格式的象素是ITURRECBT601格式的14，即352240X30或35228825，相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為41DBPS。2主級MLMAINLEVEL圖像輸入符合ITURRECBT601格式，即720480X30或720X576X25。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為15MBPS，高級類20MBPS。31440高級H14LHIGHL440LEVEL是1440115225的高清晰度格式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為60MBPS，高級類80MBPS。4高級HLHIGHLEVEL是1920LL5225的高清晰度格式。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為80MBPS，高級類100MBPS。級與類之間的組合構(gòu)成MPEG2視頻標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的一種技術(shù)規(guī)范，可以滿足不同層次的應(yīng)用需求，且具有良好的向下兼容性。本文研究的視頻硬件解碼器滿足MPML的技術(shù)規(guī)范的的VLSI設(shè)計(jì)。113MPEG4標(biāo)準(zhǔn)MPEG一4在1995年7月開始研究，1998年11月被IS0TEC批準(zhǔn)為正式標(biāo)準(zhǔn)，編號是ISOIECL4496，它是超低碼率運(yùn)動圖像和語言的壓縮標(biāo)準(zhǔn)1，用于傳輸速率低于64KBPS的實(shí)時(shí)圖像傳輸，它不僅可覆蓋低頻帶，也可以向高頻帶發(fā)展。所以MPEG4更適于交互AV服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，MPEG4傳輸速率在48006400BPS之間，分辨率為176X144，可以利用很窄的帶寬通過幀重建技術(shù)壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，從而能以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。因此，它將在數(shù)字電視、動態(tài)圖像、互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控、移動多媒體通信、INTERNETINTRANET上的視頻流與可視游戲、DVD上的交互多媒體應(yīng)用等方面大顯身手。最重要的是，較之前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)而言，MPEG4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè)更為廣闊的平臺。它更多定義的是一種格式、一種架構(gòu)，而不是具體的算法。它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來，包括壓縮本身的一些工具、算法，也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。MPEG4從其提出之日起就引起了人們的廣泛關(guān)注，雖然不是每個(gè)人都清楚它的具體目標(biāo)，但卻都對它寄予了很大的希望。3MPEG一4的最大創(chuàng)新在于賦予用戶針對應(yīng)用建立系統(tǒng)的能力，而不是僅僅使用面向應(yīng)用的固定標(biāo)準(zhǔn)。此外，MPEG4將集成盡可能多的數(shù)據(jù)類型，例如自然和合成的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)各種傳輸媒體都支持的內(nèi)容交互的表達(dá)方法。借助于MPEG一4，我們第一次有可能建立個(gè)性化的視聽系統(tǒng)。114MPEG721標(biāo)準(zhǔn)MPEG一7于1996年LO月開始研究，制定這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要目的，是為了解決多媒體內(nèi)容的檢索問題。確切來講，MPEG一7并不是一種壓縮編碼方法，它并不針對某個(gè)具體的應(yīng)用，而是通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，MPEG希望對以各種形式存儲的多媒體結(jié)構(gòu)有一個(gè)合理的描述，通過這個(gè)描述，用戶可以方便地根據(jù)內(nèi)容訪問多媒體信息。在MPEG7體系下，用戶可以更加自由地訪問媒體。比如，用戶可以在眾多的新聞節(jié)目中尋找自己關(guān)心的新聞，可以跳過不想看的內(nèi)容而直接按自己的意愿收看精彩的射門集錦；在互聯(lián)網(wǎng)上，用戶鍵入若干關(guān)鍵詞就可以在網(wǎng)上找到自己需要的克林頓的演講、貝多芬的交響樂等；甚至用戶只需出示一張克林頓的照片或哼一首音樂的旋律，都可以找到自己所需要的多媒體材料。所有這些，都取決于MPEG一7中對各種多媒體內(nèi)容的描述。MPEG在1999年10月的MPEG會議上提出了“多媒體框架”的概念，同年的12月的MPEG會議確定了MPEG21的正式名稱是“多媒體框架“或“數(shù)字視聽框架“，它以將標(biāo)準(zhǔn)集成起來支持協(xié)調(diào)的技術(shù)以管理多媒體商務(wù)為目標(biāo)，目的為多媒體傳輸和使用定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、可互操作的和高度自動化的開放框架。12MPEG2與VLSI設(shè)計(jì)視頻編解碼器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)可分為可編程結(jié)構(gòu)和專用結(jié)構(gòu)?？删幊探Y(jié)構(gòu)是指設(shè)計(jì)使用一個(gè)執(zhí)行指令的硬件核一般為DSP或ARM來實(shí)現(xiàn)解碼的實(shí)現(xiàn)哺兒釗，通過在硬件核上運(yùn)行程序完成解碼功能，適用范圍廣，能隨不同的算法提供支持，易于升級，缺點(diǎn)是電路規(guī)模的龐大和功耗的增加。專用結(jié)構(gòu)一般是通過ASIC的方法設(shè)計(jì)專用的處理芯片，其適用范圍較窄，但因?yàn)槠渥吭降男阅苋鐢?shù)據(jù)處理效率較高，面積小和功耗低等被越來越多的視頻處理器所采用。所以隨著國際壓縮標(biāo)準(zhǔn)的不斷提出，許多VLSI廠商看到了視頻編解碼芯片在視聽工業(yè)、多媒體通信、廣播等領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛前景，紛紛開始了專用視頻壓縮和解壓縮芯片的開發(fā)工作，自1990年7月CCUBE公司開發(fā)出第一塊JPEG專用芯片、于1991年又推出將MPEG1視頻解碼器CL450以來，這一領(lǐng)域的VLSI設(shè)計(jì)在短短的十年問取得了長足的進(jìn)步。隨著1994年MPEG2標(biāo)準(zhǔn)的制定，VLSI設(shè)計(jì)又集中到了MPEG2標(biāo)準(zhǔn)上面，成為這十幾年設(shè)計(jì)的主流，但其設(shè)計(jì)思想和方法卻有著日新月異的變化。其大致的發(fā)展過程【10】為，第一階段解碼系統(tǒng)分別由視頻解碼、音頻解碼和系統(tǒng)控制3個(gè)單獨(dú)的芯片組合完成，以松下電氣的MN67740芯片為例，它僅是一塊視頻解碼芯片，其內(nèi)含音頻視頻數(shù)據(jù)包、視頻解碼、視頻接口、存儲器接4口等電路，主要功能是將輸入的壓縮數(shù)據(jù)解壓為音頻和視頻數(shù)據(jù)信號，并只對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼輸出。這類芯片在早期的DVD機(jī)上應(yīng)用極為廣泛；第二階段視頻和音頻解碼在一塊芯片上完成，系統(tǒng)控制由另一塊芯片完成，整個(gè)MPEG一2的系統(tǒng)解碼由這兩塊芯片構(gòu)成，這類芯片以LSILOGIC公司的L64020為代表，它于1998年推出，集成了兩個(gè)獨(dú)立的音視頻解碼器音頻解碼器支持ISO138183兩聲道解碼、杜比數(shù)字51聲道和線性PCM音頻數(shù)據(jù)流，視頻解碼支持ISO138182標(biāo)準(zhǔn)，解碼分辨率可達(dá)到72048030FPS，這類芯片主要也是用在DVD上。第三階段就是由一塊芯片完成MPEG2解碼的全部功能，除此之外，現(xiàn)在，其設(shè)計(jì)思路還向著功能多樣化、更高集成度、軟硬件合成設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。比如富士通08年12月推出的多路解碼器芯片MB86H01就代表了這種設(shè)計(jì)思想表卜3MB86H01解碼器的主要規(guī)格表內(nèi)部CPUARCARM7TDMIS刑2025MHZ；用于H264視頻解碼解碼等級MPEG一2視頻主要類主要級MPML解碼器視頻H264視頻主要類LEVEL30解碼器ITURBT656輸入，數(shù)字RGB888輸出，YCRCB模擬SD輸出解碼支持支持PALNTSCSECAM格式格式MPEG12LAYERIII音頻通道2路通道接口LR串行、12S、SPDIFTS處理MPEG2TS，3個(gè)輸入流，內(nèi)置DVB解擾器，3DES加密解密DDR存儲器接口16BITDDRSDRAM135【王Z，128MBIT一512MBITSDRAMFLASH存儲器接口支持串行閃存、NORFLASH、NANDFLASHUSBUSB20高速OTG控制器外部輸入輸出接口UART、12C、SMARTCARD2、RXZX、PWM、GPIO由表可知，芯片的主要特性有1此芯片由兩個(gè)MPEG2解碼器和一個(gè)H264解碼器構(gòu)成，能夠解碼標(biāo)清MPEG2和H264格式，不僅能夠處理西歐的MPEG2的標(biāo)清廣播，還能支持即將在東歐和俄羅斯實(shí)行的H264格式標(biāo)清廣播，又能用于中國有限電視服務(wù)中的交互式視頻點(diǎn)播VOD。此外，兩個(gè)MPEG2解碼器可同時(shí)處理2個(gè)視頻流，觀眾可同時(shí)觀看兩個(gè)節(jié)目。2芯片內(nèi)嵌了2025MHZ的高性能ARCCPU，并支持必要的音頻解碼、接受信號功能和屏幕顯示功能，方便客戶開發(fā)各式各樣的應(yīng)用。3小封裝，實(shí)現(xiàn)了低功耗，是便攜式設(shè)備和小尺寸的理想之選。該解碼器還集成了高速USB20OTG控制器，極大的提高了與數(shù)碼相機(jī)等外部設(shè)備的連接性。由于集成度不高，所以第一階段所屬的芯片幾乎消失在主流的應(yīng)用市場，由5于市場的細(xì)分，第二類的產(chǎn)品還占有較大的應(yīng)用市場，在更高集成度的產(chǎn)品上，取而代之的是第三階段的各類的芯片產(chǎn)品。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新理論的出現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法越來越多樣化，相信以后會有更多高效的MPEG2解碼芯片出現(xiàn)。13MPEG2的未來MPEG2標(biāo)準(zhǔn)頒布以來已有L5年了，所以很多人稱之為陳舊的MPEG一2，相比較而言，人們更沉醉于MPEG4或H264帶來的優(yōu)點(diǎn)。盡管它們給我們帶來了一系列的變化，但在DVD和DTV領(lǐng)域，MPEG2技術(shù)仍然有很強(qiáng)的生命力。雖然，新興的AVC將在一些非傳統(tǒng)的領(lǐng)域，例如移動手持設(shè)備和個(gè)人媒體播放器開始興起，顯然AVCH264正在創(chuàng)造一個(gè)更大的基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻市場，但15年的大眾市場積累使得基于MPEG2的內(nèi)容和基礎(chǔ)設(shè)施鞏固了MPEG2的地位。此外，DVD設(shè)備和數(shù)字電視接收器已經(jīng)進(jìn)入了家庭，所以盡管大量的視頻光盤和電視接收器支持AVC，但這些設(shè)備依然需要支持MPEG一2以保證能夠和已有的MPEG2內(nèi)容兼容。所以說，MPEG2編解碼器在未來10年內(nèi)會依然占據(jù)統(tǒng)治地位。14主要工作及論文結(jié)構(gòu)本論文完成的主要工作有以下方面1建立了MPEG2視頻解碼的軟件模型，并給予解析改寫，和硬件設(shè)計(jì)的結(jié)果作比較，以驗(yàn)證硬件解碼結(jié)果的正確性。2實(shí)現(xiàn)了MPEG2視頻器的系統(tǒng)架構(gòu)，并完成了大部模塊的RTL級設(shè)計(jì)，并予以仿真。3搭建了解碼器RTL級的驗(yàn)證平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的FPGA原型驗(yàn)證，最后完成系統(tǒng)的邏輯綜合，給出綜合結(jié)果。論文的結(jié)構(gòu)安排如下第一章緒論，介紹MPEG標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的歷程和MPEG2的VLSI設(shè)計(jì)史，并概括整體論文結(jié)構(gòu)。第二章MPEG2的算法標(biāo)準(zhǔn)。本章對MPEG2視頻的編解碼原理、解碼的關(guān)鍵算法做了詳細(xì)的闡述。第三章MPEG2視頻解碼的軟件模型和硬件設(shè)計(jì)概述。本章利用C程序軟件為要設(shè)計(jì)的硬件解碼器建立了完整的參考，以便更早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題。第四章MPEG2視頻解碼器的硬件實(shí)現(xiàn)。章實(shí)現(xiàn)MPEG2視頻解碼器的RTL級代碼設(shè)計(jì)，并通過仿真。第五章解碼器的驗(yàn)證和綜合。對完成設(shè)計(jì)的解碼器進(jìn)行FPGA驗(yàn)證，然后基于SMIC018工藝庫完成邏輯綜合。6最后總結(jié)全文，并展望了進(jìn)一步的工作方向。15本章小結(jié)本文首先介紹了國際上比較通用的MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程，并對MPEG2標(biāo)準(zhǔn)做了相對詳細(xì)的介紹，確定實(shí)現(xiàn)MPEG2MPML視頻解碼器的VLSI設(shè)計(jì)。接著介紹了用VLSI實(shí)現(xiàn)MPEG2解碼的發(fā)展過程和MPEG2的未來，最后概括了論文的結(jié)構(gòu)，是整篇論文的起點(diǎn)。7第二章MPEG2的算法標(biāo)準(zhǔn)21MPEG2解碼原理視頻解碼是從編碼壓縮碼流中恢復(fù)視頻對象的過程U剔。圖21所示的是MPEG2的編解碼算法模型。輸入視頻序列首先做預(yù)處理，判斷是否需要運(yùn)動估計(jì)，它是指當(dāng)前圖像中象素塊從參考幀中尋找最佳匹配塊的過程，搜尋結(jié)果采用運(yùn)動向量表示。根據(jù)運(yùn)動向量從參考幀中形成對應(yīng)的預(yù)測塊，得到一個(gè)兩維的矩陣預(yù)測采樣值，將當(dāng)前的圖像減去預(yù)測值，剩余殘值做離散余弦變換，并對系數(shù)進(jìn)行量化操作，量化后的數(shù)據(jù)做可變長編碼，得到最終的壓縮數(shù)據(jù)。如果不需要運(yùn)動估計(jì)，圖像將做幀內(nèi)編碼類型的處理，依次做離散余弦變換、量化和可變長編碼，最后形成碼流。圖2一LMPEG2編解碼算法框圖MPEG2視頻解碼器是根據(jù)MPEG2的視頻解碼算法對編碼碼流進(jìn)行解碼的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)算法的解碼有多種實(shí)現(xiàn)形式，比如有軟件實(shí)現(xiàn)的解碼在下一章做詳細(xì)介紹，有使用ARM、DSP等處理器編程實(shí)現(xiàn)解碼的方法，也有采用專用視頻解碼器的方法，即設(shè)計(jì)出專用的硬件電路對碼流進(jìn)行解碼。在本文研究的設(shè)計(jì)中，就是實(shí)現(xiàn)對專用視頻解碼器的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是可以完全按照特定的算法進(jìn)行解碼，最大程度的和算法相匹配，從而獲得最高的處理速度，且功耗較低。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)基于MPML層次的MPEG2視頻解碼器。211MPEG2視頻源數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)編碼的視頻數(shù)據(jù)是由稱作“層的比特流序列組成，通常這些視頻比特流可看作語法的等級體系，其中一個(gè)語法結(jié)構(gòu)包含一個(gè)或更多的從屬結(jié)構(gòu)。例如，結(jié)構(gòu)“PICTUREDATA“包含一個(gè)或更多的語法結(jié)構(gòu)“SLICE“，而“SLICE”又包8含一個(gè)或更多有序的結(jié)構(gòu)“MACROBLOCKO“。編碼的比特流中的最高語法結(jié)構(gòu)就是視頻序列。一個(gè)視頻序列以一個(gè)序列頭開始，后面可選地跟著一組圖像的頭和一個(gè)或更多的編碼幀。幀在編碼比特流中的順序就是解碼器處理它們的順序，但并不一定就是顯示順序。視頻序列以一個(gè)SEQUENCEENDCODE終止。在一個(gè)視頻序列的不同地方，某一特定的編碼幀的前面可能會有一個(gè)重復(fù)的序列頭或一組圖像的頭，或兩者都有，具體的語法結(jié)構(gòu)如下表所示。表21視頻序列結(jié)構(gòu)VIDEOE勺訕E靠EEL位敦，EXL。ILTIL1L。CODEA睡QUENEE，。X,ADER0IL辨XTB協(xié)_EMCMION。ST|RTCODESEQTTENEETNEN蠡II螄FDOTNTTEN1AN，硝。L協(xié)E，幽L馕ODOL西R嘲TTBITSLLROUP”STARTCODEGROUP。硝一PJCT格埔一BADI睇OT姒CB“O啦。AND。TRICEDKTLTLPCTU抻一HDEROPKTWRCODIR,墨，EXTENSIMLO張嘲“脅躺。嘲。UTCR如TA2PL“牡撐一DATA1WHILENEXTINTSZ,PKTURSTART婦NEXTBITS一MOUPSTSRTD謦毫FC瓣越酗體CL一社翻潷。酬CODE|E神E略辨一H齟DMOCQ眥讎EXCIENSOOWHIHNEXTBI惦CJSEQTWNCE明畦一CODE，TH蠢。1SOII配LLI2。I搬QUENCE。蹦。CODE毒ZMPEG2的編碼碼流分為六個(gè)層次，如圖2。2所示，從上至下依次為視頻序列層SEQUENEE，圖組層GOPGROUPOFPICTURE，圖像層PICTURE，組塊層SLICE，宏塊層MACROBLOCK和塊層BLOCK。除宏塊層和塊層，上面四層中都有相應(yīng)的起始碼，它們可用于因誤碼或其他原因收發(fā)兩端失步時(shí)，解碼器可以重新捕捉同步。視頻序列指構(gòu)成某路視頻節(jié)目的圖像序列，一個(gè)視頻碼流可以由一個(gè)或多個(gè)9序列組成。序列起始碼后的序列頭中包含了圖像尺寸、象素寬高比、幀頻、碼率、幀組數(shù)等信息，序列擴(kuò)展中包含了一些附加數(shù)據(jù)。為保證能隨時(shí)定位圖像序列，序列頭是重復(fù)發(fā)送的。序列層下是圖組層，這一層的頭信息用在一個(gè)編碼I幀后面介紹的前面，來向解碼器指明在隨機(jī)訪問時(shí)，緊跟在編碼I幀后面的第一個(gè)B幀是否能被正確重構(gòu)。實(shí)際上，如果不能得到前面的參考幀，那些B圖就不能被正確重構(gòu)，除非它們僅使用后向預(yù)測。一個(gè)圖組由相互間有預(yù)測和生成關(guān)系的一組I、P、B圖像構(gòu)成，但頭一幀圖像總是I幀。圖組頭中包含了時(shí)間信息。L圖像序列頭圖像組圖像組閣像組豳像組I圖像組頭圖像I，P，B圖像仉P。B圖像頭宏塊片宏塊片宏塊片頭宏塊宏塊JO1458X88X88X80X823CBCR8X矗83Y88圖22MPEG2視頻流分層結(jié)構(gòu)圖組層下是圖像層，此層是圖像編碼的基本單元。分為I、P、B三類，包含了幀類型、幀編號等信息。圖像層下是組塊層，此層用作再同步單元。一個(gè)組塊是一系列任意數(shù)目的宏塊，至少要包含一個(gè)宏塊。組塊的第一個(gè)和最后一個(gè)宏塊必須在同一宏塊水平行。組塊間不能重疊。組塊按它們將要被遇到的順序出現(xiàn)在比特流中，從圖像的左上角開始，按從左到右，從上到下光柵掃描順序排列。組塊層下是宏塊層。宏塊包含一部分亮度分量和空間相關(guān)的色差分量。MPEG2中定義了三種宏塊結(jié)構(gòu)42O宏塊、422宏塊和444宏塊，分別代表構(gòu)成一個(gè)宏塊的亮度像塊和色差像塊的數(shù)量關(guān)系42O宏塊中包含四個(gè)亮度像塊，一個(gè)CB色差像塊和一個(gè)CR色差像塊；422宏塊中包含四個(gè)亮度像塊，二個(gè)CB色差像塊和二個(gè)CR色差像塊；444宏塊中包含四個(gè)亮度像塊，四個(gè)CB色差像塊和四個(gè)CR色差像塊。這三種宏塊結(jié)構(gòu)實(shí)際上對應(yīng)了三種亮度和色度的抽樣方式。宏塊層下是塊層，它是MPEG2視頻碼流的最低層，是DCT變換的基本單元。MPML中一個(gè)塊是基于88個(gè)抽樣值構(gòu)成，同一個(gè)塊內(nèi)的抽樣值必須全部都是YCBCR信號樣值。另外，塊也應(yīng)用于表示88個(gè)抽樣值經(jīng)DCT變換后所生成的示8X8個(gè)DCT系數(shù)。10因困園田圈囝圈圈圈YCBCRYCBCRYCBCR420422444圖23三種不同宏塊結(jié)構(gòu)圖212幀類型MPEG2視頻壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性，這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息。為了能夠去掉圖像中的冗余信息，MPEG2定義了三種編碼幀類型，分別是I幀、P幀和B幀。三種幀采用不同的編碼原則I幀采用幀內(nèi)編碼方式，其幀中所有宏塊的編碼方式都是幀內(nèi)編碼INTRA模式，表示數(shù)據(jù)的編碼跟其他幀圖像的數(shù)據(jù)無關(guān)。P幀和B幀采用幀間預(yù)測方式，P幀圖像采用前向時(shí)間預(yù)測，一部分宏塊是幀間編碼幀間模式，表示宏塊內(nèi)的編碼數(shù)據(jù)和參考幀的數(shù)據(jù)有關(guān)，另一部分是幀內(nèi)編碼，具體的編碼方式由運(yùn)動搜索的結(jié)果決定。B幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測，宏塊的編碼方式只有幀間模式。圖24MPEG一2幀類型和預(yù)測方式下面來介紹三種幀圖像的主要特點(diǎn)。I幀一個(gè)完整的幀內(nèi)壓縮編碼幀，解碼時(shí)僅用I幀的數(shù)據(jù)就可重構(gòu)完整圖像。I幀描述了圖像背景和運(yùn)動主題的詳情。I幀不需要參考其他畫面生成，不需要考慮運(yùn)動矢量。是P幀和B幀的參考幀，其質(zhì)量直接影響到同組中以后各幀的解碼質(zhì)量。是圖組GOP的基礎(chǔ)幀，每個(gè)圖組的第一幀必須是I幀。所占據(jù)的數(shù)據(jù)信息量在三種幀類型中是最大的。P幀P幀屬于前向預(yù)測的幀間編碼，只參考前面靠近它的I幀或P幀。采用運(yùn)動補(bǔ)償?shù)姆椒▊魉退c前面的IP幀的差值及運(yùn)動向量，解碼時(shí)必須將參考幀的預(yù)測值與預(yù)測誤差求和后才能重構(gòu)完整的P幀圖像。P幀可以是后面P幀的參考幀，也可以是其前后B幀的參考幀。由于P幀可能用作參考幀，所以它可能造成解碼錯(cuò)誤的擴(kuò)散。B幀雙向預(yù)測編碼幀，可有前面的IP幀和后面的P幀來進(jìn)行預(yù)測。毋幀傳送的是它與前面的I或P幀和后面的P幀之間的預(yù)測誤差及運(yùn)動矢量。B幀壓縮比最高，因?yàn)樗环从硟蓞⒖紟g運(yùn)動主體的變化情況，所以預(yù)測比較準(zhǔn)確。由于不是參考幀，不會造成解碼錯(cuò)誤的擴(kuò)散。213幀排序規(guī)則上面已經(jīng)提到，B幀是雙向預(yù)測。在這種前提下，當(dāng)編碼幀隊(duì)列中有B幀時(shí)，就要對視頻序列進(jìn)行重新排序，排序過程遵循以下規(guī)則如果編碼序列中的當(dāng)前幀是第一個(gè)I幀，則立即編碼。如果編碼序列中的當(dāng)前幀是B幀，則暫存該幀，先對該B幀的前后參考幀編碼，這里的參考幀是指I幀或P幀。編碼序列中的P幀遵循第二條規(guī)則排序。下面是一個(gè)帶B幀的編碼序列重新排序的例子，在這個(gè)例子中兩個(gè)P幀或者一個(gè)I幀與一個(gè)P幀中存在兩個(gè)B幀。按照排序規(guī)則，排序過程如下在編碼器輸入12345678910111213IBBPBBPBBIBBP在解碼器輸入14237561089131112IPBBPBBIBBPBB在解碼器輸出L2345678910111213連續(xù)的編碼B幀的數(shù)目是可變的，在順序的編碼P幀或編碼I幀和P幀之間可能不出現(xiàn)B幀。每組的B幀在比特流中的順序就是它們在解碼輸出端顯示的順序。如果序列中不包含編碼I幀，則在序列的開始處、在序列中需要隨即訪問和錯(cuò)誤復(fù)原的地方，都應(yīng)特別注意。22MPEG2的關(guān)鍵技術(shù)概括的說，MPEG2圖像壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場景都是由若干象素點(diǎn)構(gòu)成的，因此一個(gè)象素通常與它周圍的某些象素在亮度和色度上存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系叫做空間相關(guān)性；一個(gè)節(jié)目中的一個(gè)情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成，一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系叫做時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息，如果我們能夠?qū)⑦@些冗余信息去除，只保留少量非相關(guān)性信息進(jìn)行傳輸，就可以大大節(jié)省傳輸頻帶。而解碼器利用這些非相關(guān)信息，按照一定的解碼算法，就可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像。一個(gè)好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去12除圖像中地冗余信息，而一個(gè)好的解碼算法就是盡可能的還原編碼前的原始圖象，MPEG2的一些關(guān)鍵技術(shù)如下221離散余弦變換DCT因?yàn)殪o態(tài)圖像和預(yù)測誤差信號兩者具有非常高的空間冗余度，壓縮系統(tǒng)的第一步工作就是識別存在于視頻信號的每幀每場中的空間冗余，為降低空間冗余，最廣泛是采用頻域分解技術(shù)即DCT。它將圖像信息塊轉(zhuǎn)換成代表不同頻率分量的系數(shù)集，這是一個(gè)無損、可逆的數(shù)學(xué)過程。由于視頻圖像的自然屬性，DCT變換經(jīng)常使得代表高空間頻率的DCT系數(shù)數(shù)值很小。類似的，由于人類視覺分辨特點(diǎn)，。許多較高空間頻率的數(shù)值可以很粗糙地定義就是用較少地BIT來表示或完全不用，也不會明顯地影響解碼圖像的質(zhì)量。所以經(jīng)DCT變化后，大部分信號能量集中在少數(shù)幾個(gè)系數(shù)上，這就使得只編碼少數(shù)系數(shù)而不嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量成為可能，也為下面的量化運(yùn)算打下了基礎(chǔ)。由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，相應(yīng)于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，在視頻信號數(shù)字處理時(shí)，可根據(jù)頻譜因素分配比特?cái)?shù)對包含信息量大的低頻譜區(qū)域分配較多的比特?cái)?shù)，對包含信息量低的高頻譜區(qū)域分配較少的比特?cái)?shù)，而圖像質(zhì)量并沒有造成可察覺的損傷，達(dá)到碼率壓縮的目的。雖然到達(dá)解碼器后通過反離散余弦變換回到樣值，雖然會有一定的失真，但人眼是可以接受的。DCT的進(jìn)行是以像素塊為基本單位的，可以是基于宏塊的，也可以是基于亮度塊或色度塊的。在MPEG2中DCT以8X8的象素塊為單位進(jìn)行，生成的是8X8的DCT系數(shù)數(shù)據(jù)塊。公式21是IDCT的計(jì)算公式FX,Y專車C妒咿C。S百2X1URRCOS百2Y1WR21其中，CW；，當(dāng)WOC奶L，當(dāng)W1，2，7。2對所有的X，Y值，F(xiàn)X，Y的值限于256九糾【X】255。DCT雖然不能直接對圖像產(chǎn)生壓縮作用，但對圖像的能量具有很好的集中效果，為壓縮打下了很好的基礎(chǔ)。222量化器原圖像經(jīng)過DCT變換所得到的頻率系數(shù)呈現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)大部分系數(shù)為零或接近與于零，低頻系數(shù)較大，高頻系數(shù)較小。為了提高編碼效率，需要對變換后的系數(shù)進(jìn)行量化，一方面可以增加零系數(shù)的個(gè)數(shù)，另一方面可以減小非零系數(shù)的表示范圍。量化過程就是以某個(gè)量化步長去除DCT系數(shù)。量化步長的13大小稱為量化精度，量化步長越小，量化精度就越細(xì)，包含的信息越多，但所需的傳輸頻帶越高。不同的DCT變換系數(shù)對人類視覺感應(yīng)的重要性是不同的，因此編碼器根據(jù)視覺感應(yīng)準(zhǔn)則，對一個(gè)8X8的DCT變換塊中的64個(gè)DCT變換系數(shù)采用不同的量化精度，以保證既盡可能多地包含特定的DCT空間頻率信息，又使量化精度不超過需要。DCT變換系數(shù)中，低頻系數(shù)對視覺感應(yīng)的重要性較高，因此分配的量化精度較細(xì)；高頻系數(shù)對視覺感應(yīng)的重要性較低，分配的量化精度較粗。量化是壓縮算法中產(chǎn)生失真的根源，量化器設(shè)計(jì)的好壞直接影響到重建圖像的性能，解碼過程中反量化的運(yùn)算如圖25所示。圖25反量化過程圖25中QFVU】為量化的DCT系數(shù)，F(xiàn)【V】U】為重構(gòu)的DCT系數(shù)，QUANT_SCALECODE為量化標(biāo)尺，WW】【V】【U】為量化權(quán)矩陣。系數(shù)的兩維數(shù)組QF【V】U】被反量化而重構(gòu)DCT系數(shù)。這一過程的實(shí)質(zhì)是以量化器步長為倍數(shù)的乘法運(yùn)算，在適當(dāng)?shù)姆戳炕惴ㄖ?，結(jié)果系數(shù)F”【V】U】被飽和化而生成FV】【U】，之后執(zhí)行一個(gè)解諧控制操作來給出最終的重構(gòu)DCT系數(shù)FV兒U】。對于反量化所有系數(shù)來說，分為兩種情況1內(nèi)部DC直流系數(shù)，內(nèi)部編碼塊的DC系數(shù)以一種不同于其他系數(shù)的方法進(jìn)行反量化。方法之一是與一個(gè)常數(shù)由INTRADCPRECISION直流精度系數(shù)決定相乘，如公式22所示F“0】【0】INTRADCMULT幸QF0】0】222其他系數(shù)與量化器比例因子和加權(quán)矩陣相乘，量化器比例因子由QUANTSCALETYPE決定是線性量化還是非線性量化和QUANT_SCALECODE共同決定。用到了兩種加權(quán)矩陣用戶自定義矩陣和缺省矩陣。如公式23所示F”V】【U】2QFV】【U】K母W奉QUANT_SCALE3223F0內(nèi)部塊KLSIGNQFVU非內(nèi)部塊從反量化算法中得到的結(jié)果系數(shù)被飽和化在20482047的范圍內(nèi)，這就是飽和化算法，如公式24所示14R昏F”【V】【U】20472048F”V】【U】204724F”【V】U】ELSEIFF箍入數(shù)據(jù)一USER_DATA_START_CODETHEN用戶數(shù)據(jù)解碼EXSIF輸入數(shù)據(jù)一例_E頻解碼結(jié)束SEQUEHCE_EHDCODETHEN從表31中，我們清晰得出數(shù)據(jù)逐層解碼的解碼方式，但除了各層數(shù)據(jù)解碼之外，數(shù)據(jù)碼流中還包括各種各樣地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一些用來表明圖像編碼地特征，而一些數(shù)據(jù)則用在視頻解碼運(yùn)算中。擴(kuò)展數(shù)據(jù)地解碼偽碼如表32所示。一般來說，函數(shù)是循環(huán)調(diào)用的，所以會解析SEQUENCEHEADER，GOPHEADER，直到PICTURE。同時(shí)在頭信息的解碼過程中，包括了對一一_HEADEREXTENSIONANDUSERDATA的解析。表32擴(kuò)展信息解碼偽碼表DEFINEDEFINEGDEFINEDEFLNEGDEFLNEDEFINEDEFINEDEFINESEQUENCEEXTENSL0HIU1SEQUEHCED1SPLAYEXTEHSIOHID2QUAHTHATRIXEXTEHSIONIDH_3SEQUENCESCALNBLEEXTENS10ID5PICTUREDISPLAYEXTEHSL0HID7PICTURECODIHGEXTEHSL0HID墨PICTURESPATIALSCALABLE9PICTURETEMPORALSCALABLEEXT