其中變換核中的元素H(k,n)是無理數(shù)。這對大多數(shù)沒有浮點(diǎn)協(xié)處理器的嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻通信是很大的瓶頸,因此提出將浮點(diǎn)數(shù)DCT變換算法改寫成整數(shù)DCT變換算法的方案。
為實(shí)現(xiàn)這一方案,最關(guān)鍵的問題就是生成一個(gè)滿足變換核的正交性要求,并且只包含整數(shù)系數(shù)的變換矩陣。其基本思路是將無理數(shù)擴(kuò)大再取整,即：
Q(k,n)=round(aH(k,n)) (2)
下面依據(jù)本系統(tǒng)所采用的方法,介紹整數(shù)DCT算法。
首先,介紹本系統(tǒng)該算法中的數(shù)據(jù)表示：
int*dataptr——指向臨時(shí)存放DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針：
int*blkptr——指向存放原始?jí)K數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間指針;
int*coeffptr——指向存放最終DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針。
然后,對相關(guān)系數(shù)以及常數(shù)進(jìn)行放縮。在對8×8的塊進(jìn)行DCT變換時(shí),采用先進(jìn)行行變換,再進(jìn)行列變換的方法。下面以獲取一個(gè)DCT系數(shù)的過程為例說明。
#define CONST__BlTS 13
#deflne PASS BITS 2
#define F1x_0_541196100 ((int) 4433) /*O.541196100<<
CONST_BITS*/
到此行變換結(jié)束。結(jié)合公式(1)可以看出,經(jīng)過行變換后比原始的DcT變換放大22倍;同理,再經(jīng)過列變換后,系數(shù)又增大2、／2倍,即經(jīng)過行列變換后共放大到8倍。在算法最后,將按比例還原：
block[i]=(short int)(data[i]>>3);
再通過zigzag掃描矩陣,將系數(shù)填充到coeff矩陣中：
*(coeff+zigzag[i][j])=*(bLock+i*8+j);
在整數(shù)DCT算法中,通過比例放縮消除了浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,并且大多數(shù)乘除運(yùn)算均采用移位方式處理,更符合CPU的運(yùn)算特點(diǎn),從而大幅度提高了運(yùn)算效率和壓縮速度。
3.2.2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法
運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法用于去除相鄰圖像之間的時(shí)間冗余信息。該算法中,最佳匹配塊搜索算法運(yùn)算量占絕大部分。tmn-1.7編碼器采用螺旋式全搜索算法,雖然準(zhǔn)確度較高,但速度很慢。為了適應(yīng)實(shí)時(shí)視頻通信以及嵌入式設(shè)備運(yùn)算能力較低的要求,本系統(tǒng)采用二維對數(shù)下降法。
二維對數(shù)下降法的原理是,通過快速搜索跟蹤最小MAD點(diǎn),如圖4所示。以運(yùn)動(dòng)矢量(O,O)點(diǎn)為起始點(diǎn),以十字形分布的5個(gè)點(diǎn)構(gòu)成每次搜索的點(diǎn)群。如果最小MAD點(diǎn)出現(xiàn)在十字點(diǎn)群的邊緣,則下次搜索以該點(diǎn)為中心,步長不變;如果最小MAD點(diǎn)出現(xiàn)在十字點(diǎn)群的中心,則下次搜索仍以該點(diǎn)為中心,但步長減半;如果新的十字形搜索中心出現(xiàn)在搜索窗邊緣,則步長減半。如此循環(huán),直到步長為1,則最小MAD點(diǎn)即為最佳匹配點(diǎn)。
本系統(tǒng)中對二維對數(shù)下降法的實(shí)現(xiàn)如下：
whlie(步長step>=1){
for(當(dāng)前搜索十字點(diǎn)群中的每個(gè)點(diǎn)){
sad=SAD_Macroblock(當(dāng)前搜索塊的指針);/*獲得SAD值*/if(sad<Min_FRAME){/*如果小于當(dāng)前最小SAD值,記錄當(dāng)前信
息*/
}
}
if(最小MAD點(diǎn)是當(dāng)前搜索中心){
step=stet)/2;//更新搜索步徑
}
}
該算法大幅度減少了運(yùn)動(dòng)搜索的搜索次數(shù),從而大大降低了運(yùn)算量,提高了幀問編碼的速率。
4 系統(tǒng)性能分析
下面對實(shí)時(shí)采集的QCIF圖像序列進(jìn)行測試和分析。測試環(huán)境為Intel Sitsang硬件平臺(tái)。此硬件平臺(tái)采用PXA255處理器,主頻400 MHz;64 MB SDRAM;操作系統(tǒng)采用Embeded Linux一2.4.19-rmk7。
實(shí)時(shí)視頻通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)為幀率、圖像壓縮比和信噪比。影響這三個(gè)因素的主要模塊為采集、編碼、解碼以及接收和發(fā)送模塊。以下針對各模塊進(jìn)行性能分析。
4.1模塊性能分析
(1)采集模塊
Sitsang板上的USB接口為USBl.1類型。由表1可知,采集數(shù)據(jù)的速率基本達(dá)到了USBI.1協(xié)議的12 Mbps傳輸能力的上限,因此,采集圖像的速度完全取決于圖像格式及圖像大小。為了保證圖像實(shí)時(shí)性,采用YUV420176×144方案。
(2)編碼模塊
編碼模塊經(jīng)過改寫和優(yōu)化,編碼速度得到很大提高,基本可以滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)乃俣纫螅唧w數(shù)據(jù)如表2所列。在當(dāng)前壓縮速率的情況下,還能夠獲得理想的壓縮比和信噪比,從而保證實(shí)時(shí)視頻通信的質(zhì)量,如表3所列。
(3)解碼模塊
經(jīng)過對原有程序的裁減和改寫,解碼速度可以達(dá)到84 fps。
(4)發(fā)送與接收模塊
本系統(tǒng)采用WiFi CF Card作為網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備,采用802.11b協(xié)議,引入了RTP協(xié)議的打包機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了基于UDP傳輸機(jī)制的發(fā)送模塊和接收模塊。802.11b帶寬達(dá)11Mbps,在表3的壓縮比情況下,可傳輸幀率>1000fps,完全滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)囊蟆?br>
4.2系統(tǒng)性能分析
經(jīng)過模塊優(yōu)化和系統(tǒng)整合,原型系統(tǒng)在Sitsang板上同時(shí)顯示本地圖像和遠(yuǎn)程圖像可達(dá)8幀/s,基本達(dá)到了實(shí)時(shí)視頻要求。因?yàn)樵谙到y(tǒng)框架設(shè)計(jì)中采用了采集線程一本地顯示線程一編碼線程發(fā)送線程互相抑制的機(jī)制,從而基本實(shí)現(xiàn)了本地端圖像和遠(yuǎn)程端圖像的同步。
結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的“基于嵌入式設(shè)備的視頻通信原型系統(tǒng)”雖然只是一個(gè)雛形,但卻完全實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻通信的功能,并為在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻通信提供了可行的框架和思路。該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性,為在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議以及可視電話系統(tǒng)提供了有價(jià)值的參考。
