为视频应用实现最优化的DSP编码

随着数字视频持续把视频通信拓展到范围日益宽广的各种应用之中，越来越多的开发商正卷入到创造新的视频系统或增强现有系统的性能之中。

在视频开发商面临的基本设计考虑当中，所涉及的高度压缩需要处理器具有高级别的性能。此外，范围宽广的各种视频应用需要对性能进行最优化以满足各种系统要求，这些系统要求在带宽、存储、图像规范和质量要求上可能存在宽的变化范围。

在各种可用的解决方案之中，可编程数字信号处理器(DSP)提供了压缩所需要的高水平的实时性能，以及使系统工程师能够把编码软件方便地针对个别应用进行改编的灵活性。

视频压缩的目标就是利用尽可能少的比特对数字视频进行编码，与此同时，维持可接受的视频质量。尽管编码算法是基于信息理论的数学原理，但是，它们常常需要实现接近艺术形式的折衷。

设计良好的编码器有助于开发商通过创新的技术作出这些折衷，并支持由先进压缩标准提供的各种选项。一种可配置的视频编码器被设计为通过简单的系统接口利用DSP的性能和灵活性，因此，有助于系统工程师方便和有效地优化他们的产品。

在压缩中的主要因素

像用于静态图像的JPEG一样，被广泛使用的ITU和MPEG视频编码算法能使用离散变换编码(DCT)、量化和可变长度编码的组合，来压缩一帧内(在帧内部)的各个宏模块。一旦该算法建立了基线编码内(I)帧，通过仅仅对视觉内容中的差值或它们当中每一个之间的残留值进行编码，就可以创建许多后来的预知(P)帧。这种帧间压缩是利用称为运动补偿的技术实现的，其中，该算法首先估计一个较早的参考帧在哪里移动到现有的帧之中，然后，减去并压缩残留帧。

图1：基于运动补偿的视频编码。

上图1所示为基于一种普通运动补偿的视频编码器的流程。宏模块通常包含4个8×8像素的亮度模块和两个8×8的色度模块(YCbCr 4:2:0)。运动估计阶段通常是该算法中计算最密集的一个阶段，它要创建描述每一个模块移动所需要的运动向量(MV)数据。

视频压缩标准详细说明的仅仅是位流语法和编码过程，为在编码器内的创新留下了很大的余地。例如，在运动估计阶段，运动向量描述模块运动的方式是标准化的，但是，对编码器采用什么技术来确定各个向量却没有约束。

比率控制是另外一个具有极大创新自由的领域，让编码器能够分配量化参数，并因而以合适的方式在视频信号中“形成”噪声。

此外，通过为宏模块的大小、用于运动补偿的四分之一像素分辨率、多参考帧、双向帧预测(B帧)以及自适应在环去块提供多种选项，先进的H.264/MPEG-4 AVC标准提高了灵活性和功能性。因此，为了平衡复杂性、延迟和其它实时约束，有很大的潜力对不同的编码器选项进行折衷。

图2：帧运动向量和残留帧。

一个P帧(右边)及其参考帧(左边)。在P帧下面，残留帧(黑色)显示一旦运动向量(蓝色)计算完成，有多少编码帧残留。

监视和存储编码必须得到最优化，以满足可能差异巨大的各种应用的要求。例如，在监视编码中，主要问题之一就是确定如何存储由网络摄像机产生的大量视频信息。

一种解决方案就是仅仅保存出现了大量或可疑活动的帧，如某人通过一扇安全门进入或离开。软件依赖捕获运动信息的压缩算法对这种情况进行详细的检查。高数量级的运动向量表示存在大量的行为，并且该帧被存储下来。有些—并不是全部—编码器提供对运动向量的访问。