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FPGA/PLD  

窄頻通道上靜態和動態圖像傳輸的編解碼器設計考慮

上網時間: 2001年10月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Image transmission  圖像傳輸  Communication Research Institute  通訊研究所  multisignal processor system 

在無線通道上傳輸圖像的設備用途廣泛。由於無線通道易受干擾,本文描述了現有網路的通道和傳輸方法,並應用複雜的圖像編碼演算法,展示了如何以多信號處理器系統為基礎,開發用於圖像傳輸的原始編解碼器。

在數據傳輸中,無線通道的傳輸效果在某種程度上可應用FEC技術進行均衡。由於資源有限(如數據率有限),有效通道的編碼就成為設計的主要目標。而且,由於單個碼元或碼元集在原始編碼數據序列(視頻及音頻)中對通道誤差具有不同的敏感度,因而要設計不均衡的誤差保護。我們通常可以採用碼組加以實現,但卷積碼的應用允許採用軟體決策和通道狀態資訊進行ML解碼。在帶有記憶體的通道,如行動通道中,必須考慮輔助的數位交織器和數位去交織器。圖1所示為實現通道編碼相應演算法的兩個TMS320C25數位信號處理器(DSP)。

適用於行動圖像傳輸的編解碼器

ISDN環境下,應採用H.261推薦的應用於行動圖像的原始編解碼器,並加以標準化。對於單個B通道(64kbps),數據率是固定的;而對於介於8至16kbps的數據率,則需要更有效的演算法。圖2所示為適用於p×8kbps的原始編解碼器。下面將詳細描述該編解碼器的工作過程,並指出其與H.261編解碼器的主要差異。

輸入圖像採用QCIF格式,亮度信號(Y)具有180×144圖素的空間解析度,而色度分量(U和V)具有90×72圖素的空間解析度,並且時間解析度可從50Hz降至6.25Hz(降低8倍)。這些作業可在輔助的預處理階段完成。

編解碼器可分為行動估計部份和預測誤差的編碼階段。在圖2所示的實例中,QCIF圖像作為將輸入圖像分成396個8×8圖素的碼組產生階段的輸入資訊。下一階段,每個碼組的行動估計(ME)可藉由計算輸入圖像(也稱為原始圖像)的亮度塊和最後一個編碼及解碼圖像(預測圖像)之間的均方誤差(MSE)得到。原始圖像的每個碼組與預測圖像中40×40圖素的視窗相對應,該視窗中部為原始圖像的碼組位置。如果視窗中特定位置的數目一定,將計算原始和預測碼組的均方誤差,結果為最小均方誤差的位移向量。

在典型視頻電話應用中,行動目標(即電話持有者)的幾何尺寸大於碼組長度。每個碼組中MSE的最小化將使得行動目標出現非均勻向量場,而輔助的後續處理階段將利用基於模型的演算法清除該向量場。在本例中,我們將從MSE的向量入手,計算目標行動方向的最大概率。該作業將有助於得到更為均質的向量場,並從主觀上進行更好的重建,同時在編碼器和解碼器的預測記憶體中進行運動補償。

該作業的另一優點在於能減少微分編碼運動向量的位元數目,減少的位元數大於對較大預測誤差進行編碼所需的額外位元數。編碼器控制階段可觀察每訊框消耗的位元數目,而且屬性集和行動向量編碼必需的位元數將從每訊框總位元數中除去,剩餘的位元數用於對碼組的預測誤差進行編碼。

DPCM(微分脈衝編碼調制)循環執行編碼,原始圖像中每個碼組的MSE採用固定閘限進行分類和比較,以執行訊框內?訊框間決策。MSE超過閘限的碼組將在訊框內編碼。在H.261編解碼器中,碼組將在頻域內應用離散餘弦轉換(DCT)進行轉換。非零系數的線性量化和零系數的執行長度編碼可減少下端碼組的位元數。

MSE低於訊框內?訊框間閘限的碼組在訊框間進行編碼。傳輸MV和DCT資訊之後,在每個訊框間碼組中計算的位元總數除以該訊框剩餘的位元數,就得到能在該訊框中編碼的碼組數目。與H.261概念相反,一旦訊框內DCT完成,碼組差異就在該時段進行編碼,包括自適應量化和屬於該碼組的特殊結構的編碼。

首先必須確定碼組中圖素差異的概率密度函數。之後,藉由計算閘限及其替代值,設計第3階段的對稱量化器,並將3個替代值傳輸至解碼器。每個8×8微分碼組使用該量化函數進行量化,並分成16個2×2碼組。在這些2×2碼組中,只可能存在34=81個替代值組合,這些替代值組合稱為結構。計算顯示,這81個結構可只用31個結構來表達。在本例中,只需傳輸一個5位元寬的索引即可在接收側重構這31個結構。上述過程是向量量化的一種特殊形式。

原始編碼序列可藉由多路再使用(MUX)如下的單獨編碼參數獲得:碼組中運動對象的掩碼、運動向量、碼組的地址資訊、DCT系數、替代值和2×2碼組結構編碼的四叉樹資訊及其索引。每個參數集具有不同的概率密度,每個參數集中一致性編碼器的引入可進一步減少50%的位元數。典型應用中可利用不同的Huffman表或算術編碼器實現一致性編碼。

原始解碼器是原始編碼器的一個部份,由應用於訊框間編碼碼組的DPCM循環、反DCT變換和預測記憶體組成。在對收到的序列進行一致性解碼之後,可使用解碼運動向量在預測記憶體中計算運動補償。在解碼訊框內碼組(IDCT)和訊框間碼組之後,將在編碼器和解碼器側的SC-1中顯示重構圖像。

高級原始編解碼器結構

目前,世界各地均在研究高級編解碼器結構,主要目標是將面向碼組的演算法轉向面向對象的演算法。面向碼組編解碼器的最主要缺陷在於容易出現阻塞和蚊式效應(Mosquito Effect)這樣的誤差。圖3描述了用於圖像序列編碼的配置方案,這是一種基於面向對象的分析和綜合方法。在該方法中,原始輸入圖像分解成多個對象,而每個對象在圖像分析和綜合階段使用形狀、運動和顏色(亮度和色度)參數進行描述。因此,這種演算法可以描述不同的模型類型(及二維、三維、剛性和非剛性對象),對於無法建模的對象則視為無效模型。

形狀資訊具有圖素級精確度,可使用多邊形和樣條逼近方法進行編碼,這容易導致在一、兩個圖素之間出現不可見的形狀誤差。運動資訊具有半個圖素的精確度。對於無效模型的編碼,目前正在研究不同的方法。任何對象的解碼參數集要作為圖像綜合階段的輸入資訊。如果在分析和綜合編解碼器中的對象被視為碼組集,那麼分析和綜合編解碼器就與混合編解碼器方案完全相同。

基於多處理器系統的原始編解碼器的實現

實現複雜演算法的系統不能採用標準IC、PLD或LCA(邏輯單元數組)進行設計,因為該系統不夠緊湊合理,也不具備成本效益。

靈活的硬體應包括可程式信號處理器。使用專門設計的高數據率單指令多數據(SIMD)結構就是其中的一種解決方案,這些處理器均配置了適用於標準視頻演算法的微代碼程式。為實現圖像編解碼器的演算法,需要高性能的數位信號處理器及其開發工具。DSP也應能利用高級語言進行編程,並提供支援多信號處理器系統的程式庫。這有利於藉由添加處理器擴展簡單的系統,獲得更強的計算能力,並保証對圖片進行即時編碼。圖4顯示了該類系統。

該系統由5個藉由其通訊埠相互鏈接的C40和快速儲存圖像的全局記憶體組成。這些埠以‘輻條輪’的形式相互鏈接,輪軸即為主處理器。每個從處理器具有3個平行埠,可用來同其他C40或專用圖像編碼部件進行通訊,以形成更為複雜的平行處理器系統。主DSP使用其6個通訊埠中的一個與PC進行通訊,另一埠用於在視頻編解碼器和A/D及D/A轉換器之間進行數據傳輸。其餘4個通訊埠連接到從處理器,而主PC機在除錯階段充當開發平台。JTAG介面將所有的處理器連接在一起,並由模擬軟體控制。在以後的版本中,PC將用作圖像編解碼器的控制介面,而且壓縮的視頻片斷可儲存在PC機的硬盤上,並應用於幾項後續處理中。

在多DSP系統上實現演算法之前,必須將該演算法拆分成多個任務。‘自寫入作業系統’支援多DSP系統上任務的分配,而主DSP則控制這個通常由圖像訊框速率決定的進程。控制字在通訊埠上發送,而數據在全局記憶體或平行埠上交換。

作者:Stefan Goss




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