MPEG-4视频编解码器设计毕业论文.docx

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1、MPEG-4标准是最有影响的多媒体数据编码国际标准之一,其具有高压缩比、可扩展性、可交互性等诸多的优点，已经逐渐成为现代视频编码领域的主流标准。多媒体应用的迅速扩充使基于MPEG-4标准的视频编解码技术受到前所未有的重视。由于视频的原始数据量很大，在存储和传输时都是以压缩方式进行的，在提供给最终用户前必须进行解码。而解码所需的计算量也非常大，因此如何高效地对压缩视频流解码，已成为当前迫切需要解决的问题之一。在分析MPEG-4视频编解码标准的基础上，对解码算法中运算大的部分：逆离散余弦变换、反量化及运动补偿进行了深入研究。通过研究当代计算机中图形处理单元(GPU)的发展趋势和软硬件结构，发现可将

2、视频解码中计算量最大的色度空间转换和运动补偿模块移到GPU上实现的特点，据此设计了一种利用GPU加速视频解码的并行架构方案，并通过比较三个适用于此架构的运动补偿算法(PSC,VSC,ZBC)性能，对此架构下最优运动补偿算法进行了选择。最后，以优化解码算法为中心，并结合GPU加速视频解码的技术，实现了一个经过优化的视频解码器软件原型。通过XV1D软件测试，发现优化后的MPEG-4视频解码器解码速度平均提高了大约20%o所设计的MPEG4视频解码器可以满足不同用户的应用需求，具有实用价值。关键词：视频解码器图形处理单元MPEG-4运动补偿AbstractTheMPEG-4,oneofthemost

3、inf1uentia1internationa1standardsonmu1timediadatecode,hasmanyadvantage:thehighcompressionratio,thepropertyofexpandingthepropertyofcarryingontheswitching,andetc.ithasa1readygradua11ybecomemainstandardintherea1mofmodemvideofrequencycode.Thetechniqueofvideotrequencycodinganddecoding,basingonthestandard

4、ofMPEG-4,isva1uedmoveimportantthanbeforeforthequicken1argementofapp1icationtomu1timedia.Theorigina1dataquantityofvideofrequencyisvery1arge,andbothitssavingandde1iveringcarryinginacompressiveway.Asaresu1t,thedecodingmustbefinishedbeforeitwi11beprovidedtothefina1users.Moreover,howtodecodeeffieient1yfo

5、rwardsthecompressive.Videofrequencyhasbecomeoneoftheprob1emsneedingtobereso1vedmosturgent1yatpresentbecauseoftheneedsofdccoding,s1argeamountofca1cu1ation.Onthebaseofana1yzingthecodinganddecodingstandardsofMPEG-4video,thepartsofdecoding,soperationdatathathas1argeamountofCa1cu1ationJnc1udingIDCT,IQ,an

6、dMC,hasbeenstudiedserious1y.Thoughresearchingthedeve1opingtrendofComtemporarycomputer,sGPUandsofthardwarestructures,thecharacteristicwasdiscoveredthatCSCandMCwiththe1argestamountofca1cu1ationinvideofrequencydecodingcanbetransferredtoGPU.Accordingtothediscovery,aprojectabreastofpara11e1structurestoac

7、ce1eratethedecodingofvideofrequencywasdesignedandthebestmethodofthreemotiondecodingcompensateca1cu1ation(PSC,VSC,ZBC)underthisstructurehasbeenchosenbycomparingthefunctionsofthemthatsuitab1etothisstructure.Fina11yiConsideringthemethodofdecodingca1cu1ationascenter,combingthetechniquethatGPUacce1erates

8、thedecodingofvideofrequency,adecpdomgcpftwaremodeofvideofrequencywasdiscovered.FindingthedecodingspeedofMPEG-4videofrequencydecodinghasincreasedbyabout20%onaveragebythetestingofXVIDsoftware.ThevideofrequencyMPEG-4decodingmachinedesignedcansatistyapp1ieddemandsofdifferentcustmers,havingthepractica1va

9、1ue.Keywords：VideodecoderGPUMPEG-4motioncompensation摘要IAbStraCtII1绪论1.1 课题研究的背景及意义(1)1.2 国内外发展研究现状(2)1.3 论文内容及作者所完成的工作(4)2 MPEG_4视频解码关键技术2.1 MPEG-4压缩视频的码流结构(5)2.2 MPEG-4视频的解码流程(6)2.3 码流解析(6)2.4 形状解码(6)2.5 运动补偿解码部分(8)2.6 纹理解码工具(10)2.7 本章小结(12)3 GPU辅助CPU加速视频解码技术3.1 GPU计算技术的发展与软硬件结构(13)3.2 基于GPU和CPU解码器

10、的并行架构(17)3.3 适合于GPU的解码算法与技术(19)3.4 本章小结(25)4 MPEG-4视频解码器的软件优化与实现4.1 解码算法优化(26)4.2 解码器的实现(31)4.3 模拟测试软件XV1DCODEC(37)4.4 测试结果与分析(38)4.5 本章小结(39)5总结与展望5.1 本文的研究工作(40)5.2 今后的研究工作(40)致谢(42)1绪论1.1 课题研究的背景及意义多媒体技术的爆炸式发展以及人们已经接受了它的交互方式操作，已经证明了传统的电视不再是简单的视听服务了，用户想要像现在访问文本和图形那样访问视频和音频。这就要求在网络上以低比特率传输具有可接受质量的视

11、频和音频。网络视频的需求主要集中在视频会议、视频电话、电子商务、远程教学、远程医疗、数字电视等领域中。视频信息的庞大数据量和信道带宽的限制迫使视频通信数据通常要经过压缩编码才能传输。压缩数据对传输过程中的差错非常敏感，会造成误码环境下重建图像质量严重下降。针对网络视频的特点，MPEG-4以它极高的视频压缩比和近似于DVD的视频清晰度、较好的网络传输特性成为视频数字化的压缩标准中的主流。如何实现对MPEG-4视频流的快速实时解码，为客户提供了高质量的视频使MPEG_4视频解码器的设计与优化面临着挑战，本课题针对MPEG-4的解码技术做了重点研究，实现了对压缩视频流的高效率解码，在研究的过程中着重

12、考虑了解码器的视频解码速度及回放质量。本文研究了MPEG-4解码关键技术与图形处理单元（GraPhiCSProcessingUnitGPU）加速视频解码技术，提出了GPU辅助CPU加速视频解码的设计，对运动补偿部分所采用的三种算法做出比较，得出基于ZBUffer的分类算法是其最优算法。在对DCT（逆离散余弦变换）算法和运动解码算法优化的基础上，结合GPU辅助CPU加速视频解码技术，实现了解码器的软件原型，建立了继续研究的测试平台，为MPEG-4解码技术的实际应用奠定了基础。1.2 国内外发展研究现状1.2.1 MPEG系统的演进MPEG是MoVingPiCtUreSEXPertSGrOUP（动

13、态图像专家组）的缩写。是一个致力于数字视频、音频技术发展及标准化的杰出组织，它是ISO(Internationa1StandardOrganization)国际标准化组织与IEC(Internationa1E1ectronicCommittee)国际电工委员会在1988年联合成立的，正规的组织代号是ISO/IECJTCI/SC29/WG11,成员专家来自于不同国家的最有业界影响力的研发机构。在十多年的时间里，MPEG组织取得了丰硕的成果，自身也有了很大的发展。1992年11月，MPEGT被批准，并于1993年被ISO组织接纳为国际标准；1994年11月，MPEG-2标准发布，并在1995年成为

14、国际标准；MPEG-4标准则于1999年和2001年分别有了版本1和版本2；目前，H.264/MPEG-4AVC(即ISoMPEG4Part10)正在制定之中。(1) ISOMPEG-I标准MPEGT制定于1992年，为工业级标准而设计，编号为ISO/IEC11172。MPEG-1针对C1F标准分辨率(NTSC制为352240；PA1制为352288)的图像进行压缩，并在标准中规定了视音频信息经过压缩后的数据码率最大为1.5Mbps。MPEGT可实现在不同带宽的设备，如CD-ROM、VideO-CD等数字媒体上进行存储VHS(盒式录象带)质量的视频信号，也可以在局域网、ISDN网上进行视音频信

15、息的传输。(2) ISOMPEG-2标准在MPEGT标准化过程即将结束时，已经变得清楚的是，MPEGT不能以广播质量有效地压缩隔行数字视频。因此，MPEG组发出了征集电视广播应用系统的音频和视频数字编码技术建议的通知。性能最优的算法是将MPEGT扩展到处理隔行视频格式。在算法开发的合作实验阶段，保留了大量的与MPEGT的相似性。MPEG组织在1994年推出了MPEG-2压缩标准，并在1995年成为国际标准，编号为IS0IEC13818oMPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,编码码率可达IoOMbPs。MPEG-2不是MPEGT的简单升级，它在

16、系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。由于MPEG-2的视频质量已达到高清晰度电视(HDTV)的要求,原打算为HDTV设计的MPEG-3标准被舍弃了。MPEG-2具有以下几个突出特点：(1)支持的图像分辨率最高，包括符合ITU-RRec.601(CCIR601)格式的标准分辨率的数字电视和更高分辨率的HDTVo(2)支持包括高速体育运动在内的各种活动图像。(3)支持的应用最为广泛，既包括存储媒体中的DVD,广播电视中的数字广播电视和HDTV,还可应用于交互式的视频点播(VOD)和准视频点播(NVOD)。(4)还能够适配ATM等宽带通信网。(3) ISOMPEG-4标准MPEG-1和MPEG-2标准促进了广为接受的诸如VCD、D