H.264中整数DCT变换及量化的DSP实现

H.264标准的特点及应用随着人类精神需求和空间需求的提升，人们不再满足面对面的语言交流，空间距离的增加导致人们面对面的语言交流变得越来越少，人们更需要在时空中交流与交往。

当传统的交流方式难以实现时，更需要视觉、感观以及信息交流。

正因为如此，促进了卫星通信、微波通信、有线/无线传输技术的发展，也推动信息压缩技术和宽带传输技术，同时推动了安防业的迅猛发展。

视频信息传输和视频通讯的猛增，给视频压缩技术带来了很大挑战。

无论是互联网还是无线网络，都需要一种新型的压缩算法，新算法要求高压缩比，且能适应不同的网络环境。

以较小的失真、较高的压缩比、更小的花费、较低的码率在信道中传递视频，进行多媒体通信是今后视频压缩技术研究的一个方向。

H.264，又称MPEG-4part10，也称AVC(AdvancedVideoCoding)，是一个数字视频压缩标准，由VCEG(ITU-TVideoCodingExpertsGroup)和MPEG(ISO/IECMovingPictureExpertsGroup)联合组成的JVT(JointVideoTeam)于2003年3月正式发布[1，2]。

H.264标准的主要目标就是在同等保真条件下，提高编码效率。

这是一对矛盾，既然要求图像不失真，则图像传输的比特数就大，在网络带宽一定的情况下，图像信号传输的速度就快，因此，只有提高编码效率才能实现。

H.264的源起在以往众多的视频编码算法中，被广泛认可并应用于实际的是ISO/IEC制定的MPEG-X和ITU-T制定的H.26x两大系列视频编码国际标准。

H.261是早期的编码标准，主要是规范ISDN网上的会议电视和可视对讲。

它采用的是可减少时间冗余的帧间预测和减少空间冗余的DCT变换的混合编码方法，以及ISDN信道匹配，其输出码率是P×64kbit/s。

P较小时，传输清晰度不太高的图像;P较大时，可以传输清晰度较好的会议电视图像。

视频编码标准H265的性能优化一、视频编码标准H265概述H265，也称为HEVC（High Efficiency Video Coding），是继H264之后的新一代视频编码标准。

它由MPEG（Moving Picture Experts Group）和VCEG（Video Coding Experts Group）联合开发，旨在提供更高的压缩效率和视频质量。

H265的推出，不仅提升了视频传输和存储的效率，而且对整个视频产业的发展产生了深远的影响。

1.1 H265技术的核心特性H265技术的核心特性主要体现在以下几个方面：- 更高的压缩率：H265能够提供比H264更高的压缩率，理论上可以在相同的视频质量下减少大约50%的数据量。

- 更好的视频质量：H265支持更高的分辨率和色彩深度，能够提供更清晰、更细腻的视频画面。

- 支持更宽的色域和动态范围：H265能够支持更宽的色域和更高的动态范围，使得视频内容更加丰富多彩。

1.2 H265技术的应用场景H265技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 4K和8K视频流：H265能够高效地编码4K和8K超高清视频，满足未来高清视频传输的需求。

- 视频监控：H265的高压缩率使得它非常适合用于视频监控领域，可以有效减少存储和传输成本。

- 网络视频服务：H265被广泛应用于网络视频服务，如视频点播、直播等，提供更流畅的视频体验。

二、H265编码标准的制定H265编码标准的制定是一个全球性的过程，需要全球范围内的视频技术专家和组织的共同努力。

2.1 国际视频编码标准组织国际视频编码标准组织是制定H265编码标准的权威机构，主要包括MPEG和VCEG。

这些组织负责制定H265编码的全球统一标准，以确保不同国家和地区的视频编码能够实现互联互通。

2.2 H265编码标准的关键技术H265编码标准的关键技术包括以下几个方面：- 编码单元划分：H265采用了更小的编码单元划分，如CU（Coding Unit）和TU（Transform Unit），以提高编码效率。

H264编码原理详解前言•在日常生活中我们知道，电脑中的视频文件先要通过视频采集设备对物体进行采集，然后通过编码核心部件得到mp4,rmvb等格式进行保存。

有没有可能不经过上述核心编码部件采集之后直接进行显示呢？答案是可以的。

那为什么还要进行编码呢？答案是原始采集到的视频数据为YUV格式，这种格式不经过处理的话特别大，对于网络传输和永久保存非常不利，为了解决这个问题，就需要对原原始的视频数据进行压缩处理。

而H264则是目前一种流传广泛，成熟的视频压缩算法。

•先来看一个例子在学习H.264编码之前，我们先了解一下在手机相机拍摄视频的过程，如果Camera采集的YUV图像不做任何处理进行传输，那么每秒钟需要传输的数据量是多少？Camera采集的YUV图像通常为YUV420，根据YUV420的采样结构，YUV图像中的一个像素中Y、U、V分量所占比例为1：1/4：1/4，而一个Y分量占1个字节，也就是说对于YUV图像，它的一个像素的大小为(1+1/4+1/4)Y=3/2个字节。

如果直播时的帧率设置为30fps，当分辨率为1280x720，那么每秒需要传输的数据量为1280720(像素)30(帧)3/2(字节)=39.5MB；当分辨率为1920x720，那么每秒需要传输的数据量接近60MB，这对于手机的存储空间有很大考验，因此，我们就必须在拍摄形成视频文件保存在本地之前对采集的视频数据进行压缩编码。

H26X简介H261•目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。

•H.261是1990年ITU-T制定的一个视频编码标准，属于视频编解码器。

设计的目的是能够在带宽为64kbps的倍数的综合业务数字网(ISDN forIntegrated Services Digital Network)上质量可接受的视频信号。

新一代的视频编码标准H.264文 / 摘要：H.264是国际电联最新通过的新一代甚低码率视频编码标准。

本文旨在阐述H.264视频编码标准的关键技术，并介绍了其在视频会议中的应用。

关键词：H.264 视频编码多帧预测视频会议一、引言ITU-T和ISO/IEC JTC1是目前国际上制定视频编码标准的正式组织，ITU-T的标准称之为建议，并命名为H.26x 系列，比如H.261、H.263等。

ISO/IEC的标准称为MPEG-x，比如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。

H.26x系列标准主要用于实时视频通信，比如视频会议、可视电话等；MPEG系列标准主要用于视频存储(DVD) 、视频广播和视频流媒体（如基于Internet、 DSL的视频，无线视频等等）。

除了联合开发H.262/MPEG-2标准外，大多数情况下，这两个组织独立制定相关标准。

自1997年，ITU-T VCEG与ISO/IEC MPEG再次合作，成立了Joint Video Team (JVT)，致力于开发新一代的视频编码标准H.264。

1998年1月，开始草案征集；1999年9月，完成了第一个草案；2001年5月，制定了其测试模式TML-8；2002年6月，JVT第5次会议通过了H.264的FCD板；2002年12月，ITU-T 在日本的会议上正式通过了H.264标准，并于2003年5月正式公布了该标准。

国际电信联盟将该系统命名为H.264/AVC，国际标准化组织和国际电工委员会将其称为14496-10/MPEG-4 AVC。

二、H.264标准概述H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。

但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。

目录一、实习题目： (1)二、实习目的 (1)三、实习任务与要求： (1)四、系统原理论述 (1)五、方案论证及系统设计 (2)六、一维DCT变换流程图 (3)七、程序模块源程序 (4)八、仿真调试及性能分析与实验 (7)九、实习结论 (10)十、实习总结 (10)十一、参考文献： (11)一、实习题目：离散余弦变换（DCT）的DSP程序设计与实现二、实习目的1、熟悉和掌握DCT设计方法跟步骤。

2、通过仿真验证实现DCT的DSP程序的正确性。

3、掌握专业实验中常用的仪器设备和开发工具。

4、通过一周的设计实践培养学生综合利用所学知识编写DSP程序的能力，为今后的工作学习打下坚实的基础。

5、掌握用DSP程序实现DCT的原理和方法。

6、熟悉DCT原理。

三、实习任务与要求：（1）利用C语言或汇编语言编写一个实现DCT的DSP程序（2）在CCS上仿真运行（3）查看分析结果，记录必要参数四、系统原理论述1、DCT原理离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，简称DCT变换）是一种与傅立叶变换紧密相关的数学运算。

在傅立叶级数展开式中，如果被展开的函数是实偶函数，那么其傅立叶级数中只包含余弦项，再将其离散化可导出余弦变换，因此称之为离散余弦变换。

对于给定的实际数据序列x(0),X(1) ，x(2).... X( N-1 )的DCT(FDCT)算法如下：z(k)N ()()cos()=+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=-∑22121απk x nn kNnN(1)其中:αα()()kk==≠12for k=01 for k0(2)二维离散余弦变换（FDCT）：z(k,)()()(,)cos ()cos()lN k l x m nm kNn lNmNnN=⎛⎝⎫⎭⎪+⎡⎣⎢⎤⎦⎥+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=-=-∑∑221221211ααππ(3)其逆运算是:x m nN k l z k lm kNn lNlNkN(,)()()(,)cos ()cos()=⎛⎝⎫⎭⎪+⎡⎣⎢⎤⎦⎥+⎡⎣⎢⎤⎦⎥=-=-∑∑221221211ααππ(4)其中N= 8 为8x8 DCT.2、DCT的DSP 程序设计无论是C语言还是汇编语言，程序流程均分为初始化、行变换、列变换和移位输出四个步骤。

具有SDI等多功能接口的视频记录模块设计方案1．主要功能●一路SDI接口：数据`速率125Mbps到2.97Gbps。

支持SMPTE424M，SMPTE292M，●一路复合视频接口，标准的PAL制差分视频，空载单端峰峰值是2V，单断输入阻抗是75欧姆。

●SATA硬盘接口。

●10M/100M网络接口。

●RS232/RS422接口。

2．硬件结构使用DSP+ARM的硬件架构，DSP负责压缩算法的实现，ARM负责数据的存储、网络通讯的管理功能。

如下图：SDI接口：视频串行数据接口，经过SDI均衡器（LMH0344），SDI串转并解码器（LMH0041）将其转换为LVDS信号，再经过LVDS接收芯片转换为并行的RGB（或YUV）信号，给DSP的视频端口。

复合视频接口：经过视频解码芯片AD7180，转换为YUV4：2：2信号给DSP的视频端口。

DSP及外围电路：使用TMS32DM642-720DSP，完成对视频的压缩功能。

外围扩展SDRAM。

ARM及外围电路：使用SAMSUNG的SC2510，扩展SDRAM和FLASH。

网络接口：使用LXT971，扩展10M/100M网络接口，用于在线检测压缩视频SATA接口：使用SI3114扩展SATA接口，用于压缩数据存储。

3．软件算法压缩算法：使用稳定高效的H264压缩算法。

具有如下特点：●H.264的基本变换算法：基于4×4的整数DCT变换，实验表明这种变换运算速度快，很好地保证图像的细节特征。

同时对直流分量进行哈达马变换，更进一步提高压缩比。

●DCT系数的量化按H.264标准算法进行。

●使用了消除块效应的deblocking滤波。

●采用H.264标准中多种块形状16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4。

从中获得最优编码。

●码率控制：CBR或VBR。

当使用CBR时，调整码率的方式可选：调整图像质量以满足设定码率。

DCT变换的原理及算法DCT（Discrete Cosine Transform，离散余弦变换）是一种数学变换方法，广泛应用于图像和音频信号处理领域。

DCT变换可以将输入信号从时域转换到频域，以便在频域中进行分析和处理。

在本文中，将介绍DCT 变换的原理和算法。

DCT的原理：DCT变换是一种线性变换，它将输入信号表示为一系列基本正弦函数的加权和。

这些基本正弦函数的频率和幅度决定了输入信号在频域中的特征。

通过DCT变换，我们可以将信号从时域转换到频域，并获得不同频率分量的能量信息。

DCT变换有多种不同算法实现方法，其中最常用的是基于快速离散余弦变换（Fast Discrete Cosine Transform，FDCT）的算法。

FDCT算法使用了快速傅里叶变换（FFT）的思想，通过分解和合并的方式实现高效的DCT变换。

FDCT算法的基本思想是将输入信号划分为多个块，每个块包含一定数量的样本点。

然后对每个块进行DCT变换。

对于长度为N的块，DCT变换可以表示为以下公式：X(k) = Σ[n=0 to N-1] x(n) * cos[(π/N) * (n + 0.5) * k], k = 0, 1, ..., N-1其中，x(n)表示输入信号的第n个样本点，X(k)表示变换后的频域系数，N表示每个块的样本点数量。

通过计算不同k值对应的X(k)，我们可以得到信号在频域中不同频率分量的能量分布。

为了提高计算效率，FDCT算法采用了系数对称性和重复性的性质，使用快速傅里叶变换（FFT）的思想对DCT变换进行高效实现。

具体来说，FDCT算法将DCT变换拆分为多个较小的子问题，通过递归地对子问题进行分解和合并来实现高速计算。

FDCT算法的步骤如下：1.将输入信号划分为多个块，每个块包含N个样本点。

2.对每个块进行DCT变换，计算得到频域系数。

3.对频域系数进行进一步处理，如量化、压缩等。

4.反变换：将处理后的频域系数转换回时域，以获取最终的输出信号。

dct变换原理DCT变换原理。

离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）是一种常用的信号处理技术，广泛应用于图像压缩、音频处理和视频编码等领域。

DCT变换的原理是将一个信号分解成不同频率的余弦函数，从而实现信号的频域表示。

在本文中，我们将介绍DCT变换的原理及其在实际应用中的重要性。

DCT变换的原理可以简单地理解为将一个信号分解成不同频率的余弦函数。

这是因为余弦函数是一种基础的周期信号，可以表示各种复杂的信号。

通过对信号进行DCT变换，可以得到信号在频域上的表示，从而实现信号的压缩和重建。

在DCT变换中，信号被分解成一系列不同频率的余弦函数。

这些余弦函数的频率从低到高排列，每个余弦函数代表了信号在不同频率上的能量分布。

通过对这些余弦函数的系数进行量化和编码，可以实现信号的压缩和传输。

DCT变换在图像压缩中有着重要的应用。

在JPEG图像压缩中，图像被分成8x8的小块，每个小块都进行DCT变换。

通过对DCT系数进行量化和熵编码，可以实现对图像的高效压缩。

而在JPEG2000图像压缩中，DCT变换被替代为离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT），但DCT仍然在JPEG图像压缩中发挥着重要作用。

除了图像压缩，DCT变换还在音频处理和视频编码中得到广泛应用。

在MP3音频压缩中，音频信号被分成小块，并对每个小块进行DCT变换。

通过对DCT系数进行量化和哈夫曼编码，可以实现对音频的高效压缩。

而在视频编码中，DCT变换被用于对视频帧的压缩和编码，例如在MPEG和H.264视频编码中都采用了DCT变换。

总之，DCT变换作为一种重要的信号处理技术，广泛应用于图像压缩、音频处理和视频编码等领域。

通过对信号进行DCT变换，可以实现信号的频域表示和高效压缩，为数字多媒体技术的发展做出了重要贡献。

希望本文能够帮助读者更好地理解DCT变换的原理及其在实际应用中的重要性。