TI DSP在视频传输和处理中的应用.pdf

DSP 应用大观 TI DSP在视频传输和处理中 的应用 张旭东 主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书主要介绍 TI DSP 在视频传输和处理中的一些应用实例，分四部分内容。第一部分介绍 DSP 和视频技术的一些基本概念，包括DSP系统开发的基本框架和视频编码基础；第二部分讨论DSP在JPEG和MPEG实现中的应用；第三部分是 H.264 在 DSP 上的实现，分别给出在 TMS320C6416 和 DM642 平台上的实现，包括 H.260 在 DSP 上实现的软件结构优化和算法效率优化；第四部分讲解 DSP 在图像增强方面的应用，这部分还介绍了从 MATLAB 算法到 DSP 实现的开发过程。本书可供视频传输和处理的专业技术人员阅读，也可作为相关专业大学高年级本科生和硕士研究生的参考资料。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 TI DSP 在视频传输和处理中的应用张旭东主编.北京：电子工业出版社，2009.11（DSP 应用大观）ISBN 978-7-121-09782-9.T .张 .数字信号信息处理系统应用图像通信数据传输 数字信号信息处理系统应用视频信号信号处理 .TN919.8 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）第 197080 号 责任编辑：万子芬（）印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：16.25 字数：416 千字 印 次：2009 年 11 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：35.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。DSP 应用大观丛书编委会 编委会主任：彭启琮 编委会成员：张旭东 方向忠 张太镒 徐科军 沈 洁 谭 徽 竺南直 编委会秘书：万子芬 有关本丛书及其他与 DSP 相关选题的意见、建议和写作意向，请按以下方式联系： 010-88254461 丛 书 序 言 DSP 技术的发展与应用，正在我国教育界、科技界和工程界蓬勃地展开。数以百计的大学建设了 DSP 技术实验室，开设了相关的课程和实验；大量的相关教材、技术手册和应用书籍得到编写、编译和出版。更为重要的是，基于 DSP 技术的研究和开发，无论是涉及的范围，还是达到的深度，都令人叹为观止。以两年一度的 TI DSP 大赛为例，每次都有数十所大学的上百支代表队参赛，参赛者所表现出来的选题的广度、算法研究的深度，算法实现和系统设计及实现的娴熟程度，无不令人振奋。随着教学、科研的发展和深入，教师、学生、以及科研和工程技术人员已经不再满足于对 DSP 的粗浅了解；市场的发育，对 DSP 技术的发展和应用也提出了越来越高的要求。在这样的形势下，编写和出版一套 DSP 应用汇编丛书，就成为一种强烈的需求，并迅速在出版社、TI 公司以及编写者之间达成了共识。我们也注意到，在全球范围内，随着 DSP 技术应用范围的扩大和应用程度的深入，通用 DSP 器件的增幅在逐步减缓，而基于 DSP 核的各种 SoC、ASSP 以及嵌入式系统，正在以更快的速度发展。对于 DSP 工程师来说，开发算法并将算法在 DSP 芯片或 DSP 核上实现，还将仍然是长期的重要任务。本丛书的编写和出版，正是基于这样的认识和理解。这套丛书是这样设计的：按应用领域来分类，先在几个重要的领域，例如，通信信号处理、图像/视频信号处理、音频/语音信号处理、工业控制、通用信号处理算法、DSP 接口与软件工具等，各出一个选题。每个选题以 TI 网站上公开的 Application notes 为基本内容，为了便于读者理解和使用，各书的编译者对所介绍的内容，都不同程度增加了补充性的介绍。这套丛书是开放的，这里所指的开放，包含以下两重意思：一方面，随着各领域的技术进步，新的算法和新的器件层出不穷，本丛书对新的算法及其实现的介绍也会继续下去；另一方面，欢迎广大的读者对丛书的选题和内容提出意见和建议，更欢迎有志者加入编写者的行列。本丛书第一批选题的作者，是各高校多年从事 DSP 技术研究和实践的教师，以及他们的一些研究生，他们在各自的领域具有长期的知识积累和丰富的实践经验，为本丛书的选题、编写和出版付出了辛勤的劳动。TI 公司对本丛书所使用的文档予以了授权，TI（中国）大学计划对丛书的编写和出版给予了一贯的支持和鼓励。电子工业出版社的编辑们，首先提出了本丛书的创意，积极参与了选题策划和论证，认真地完成了编辑和出版工作。在此，对所有为本丛书的选题、编写、出版作出贡献的单位和人士，致以深切的谢意和敬意。希望这套丛书的出版，能对推动我国 DSP 技术的教育和应用起到微薄的作用，衷心希望得到广大读者的支持、意见和建议。电子科技大学教授 2008 年 4 月 前 言 本书主要介绍 TI DSP 在视频传输和处理中的一些应用实例，可供工程技术人员和大学高年级学生参考。按照丛书主编彭启琮教授的设想，丛书根据不同的应用领域，以整理和编译 TI 的“Application Notes”为主，这个设想对于基本算法、语音处理等分册是非常适合的。的确，TI 的“Application Notes”中有大量的应用算法和系统的技术报告，但对于视频传输和应用领域，情况有些不同。在准备本书材料的时候，有关 H.264 这样最新的视频编码标准的技术报告很少，而且除了标准的概要介绍外，几乎没有实质性的内容，这是可以理解的，因为 H.264 在 TI DSP 上实现的编解码器有很高的商业价值，没有人会把这样的技术公开在网络资源中。鉴于这种情况，本书做了一些调整，对于 JPEG、MPEG 这些传统方法，我们整理了“Application Notes”中的相关技术报告，而对于 H.264 的相关技术，增加了我们实验室的相关学位论文和技术报告作为主要内容。本书分为四部分。第一部分包括前两章，第 1 章概要，叙述 DSP 和视频技术的一些基本概念，并介绍 DSP 系统开发的基本框架；第 2 章给出视频编码技术的介绍，由于目前一线工程师大多缺乏视频编码的系统知识，本章概要性的介绍是有用的。第二部分包括第 3 章、第 4 章，分别介绍 TI DSP 在 JPEG 和 MPEG 实现中的应用，这两章的体系是一样的，首先介绍标准的原理，然后编译了相关标准实现的技术报告。第三部分由第 5 章、第 6 章构成，介绍 H.264 在 TI DSP 的实现，分别给出了在TMS320C6416 和 DM642 平台上的实现。第 5 章是一篇完整的技术报告，包括 H.264 的详细介绍，H.264 在 DSP 上实现的软件结构优化和算法效率优化两个方面的内容，实际上，一个复杂算法在 DSP 上的实现都会存在软件优化和算法优化两个部分，缺一都很难达到好的性能，尽管本章介绍的是一个阶段性的研究结果，但其包含的内容对进入该领域的人很有参考价值；第 6 章则介绍了 H.264 在 TMS 320DM642 上的实现。第四部分由最后两章构成，介绍 TI DSP 在图像增强方面的应用，在低照度的视频监控环境下，图像增强是很实用的工具，这部分还介绍了从 MATLAB 算法到 DSP 实现的开发过程。本书是一本应用汇编性的图书，并不是一本完整的教材，本书实际是实验室集体工作的结果，本书主编只是将多人的工作汇编成册，并进行了整理和统稿，第 3 章、第 4 章的标准实现源自 TI 的“Application Notes”，第 5 章的主要内容来自魏振宇的硕士学位论文，第 6 章的主要内容来自范嘉略的技术报告，第 7 章、第 8 章的主要内容来自张众的技术报告，在此，谨向他们表示感谢，同时，感谢彭启琮教授的帮助和指导，感谢 TI 大学计划部沈洁经理长期对实验室的支持。IX 目 录 第 1 章 技术基础概要 （1）1.1 数字视频编码标准的演进（1）1.2 数字视频编码国际标准概述 （3）1.2.1 国际电信联盟（ITU-T）视频标准 H 系列（3）1.2.2 MPEG 系列视频标准（4）1.3 DSP 系统开发的基本流程（6）1.3.1 DSP 的发展及特点（6）1.3.2 DSP 系统的设计与开发（8）1.4 视频处理算法开发平台（11）1.4.1 DSP 程序开发的基本流程（11）1.4.2 DM642 开发平台（15）1.4.3 XDS560 JTAG 仿真器（17）1.4.4 DSP/BIOS 实时内核（21）1.4.5 CCS（Code Composer Studio）（25）1.4.6 软/硬件接口（26）1.4.7 一个示例程序（27）参考文献 （31）第 2 章 视频图像压缩编码基础（32）2.1 数字图像编码概述（32）2.2 图像的表示和编码质量的评价 （33）2.2.1 静止图像格式（33）2.2.2 视频序列的常用格式（35）2.2.3 编码质量的评价（37）2.3 信息理论基础和熵编码（38）2.3.1 离散信源的熵表示（38）2.3.2 信源编码定理（41）2.3.3 Huffman 编码（43）2.3.4 算术编码（45）2.3.5 行程编码（47）2.3.6 有记忆信源的编码问题（48）X 2.4 量化（49）2.4.1 率失真函数（49）2.4.2 标量量化（51）2.5 预测编码 （55）2.6 变换编码 （59）2.6.1 一般图像变换（59）2.6.2 DCT 变换（64）2.6.3 变换编码（66）2.6.4 基于 HVS 的量化与码率分配（68）2.6.5 量化系数的扫描和表示方法（70）2.6.6 一个编码实例（72）2.7 块匹配运动估计与补偿（73）2.7.1 运动矢量的快速搜索算法（75）2.7.2 变块大小的分层运动估计（79）2.7.3 分数像素运动估计（84）2.7.4 重叠运动补偿预测（OMCP）（87）2.7.5 双向预测（88）2.8 序列图像编码算法（89）2.9 各种图像压缩标准的应用目标和主要技术（91）参考文献 （94）第 3 章 TMS320C6000 实现 JPEG 编解码器（95）3.1 JPEG 编码标准（95）3.1.1 JPEG 标准的工作模式（95）3.1.2 基本工作模式（96）3.1.3 其他工作模式（101）3.2 JPEG 在 C6000 上的实现 （104）3.2.1 JPEG 编码器（105）3.2.2 JPEG 解码器（111）参考文献（115）第 4 章 MPEG 编码标准及其在 DSP 上的实现（116）4.1 MPEG-1 视频压缩标准（116）4.1.1 SIF 格式（117）4.1.2 MPEG-1 视频编码（118）4.1.3 MPEG-1 视频解码（124）4.1.4 MPEG-1 的其他问题（125）4.2 MPEG-2（125）4.2.1 MPEG-2 的运动估计（126）?XI?4.2.2 MPEG-2 的变换和扫描（127）4.2.3 MPEG-2 的可分级编码模式（128）4.2.4 MPEG-2 分档和分层（129）4.3 MPEG-4（130）4.3.1 MPEG-4 的组成（130）4.3.2 MPEG-4 视频编码原理（133）4.3.3 MPEG-4 中视频编码器的实现（134）4.3.4 MPEG-4 中的差错控制方法（138）4.3.5 MPEG-4 中的解码技术（140）4.4 基于 MS320C62X的 MPEG-2 视频解码器实现（141）4.4.1 软件实现概述（141）4.4.2 算法描述（142）4.4.3 解码器的实现（143）4.4.4 与解码器的连接（144）