對 H.264 壓縮技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行介紹，對 H.264 編碼器硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對圖像壓縮算法進(jìn)行優(yōu)化。研究表明，壓縮率有了較大幅度的提升，基本在 10 倍左右，PSNR 變化幅度不大，壓縮比達(dá)到 100 倍。由此說明優(yōu)化之后圖像的壓縮效果較好，優(yōu)化前后圖像的質(zhì)量沒有明顯得下降。

隨著我國的綜合科技實(shí)力也不斷上升，無人機(jī)技術(shù)是最近幾年快速發(fā)展的技術(shù)，無人機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在電力、電影、軍事等產(chǎn)業(yè)之中，在高溫、高寒、危險(xiǎn)等環(huán)境下，采用無人機(jī)技術(shù)可以輔助人們工作。無人機(jī)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，大多需要攝像頭輔助工作，因此數(shù)據(jù)傳輸在無人機(jī)系統(tǒng)中顯得十分重要。隨著軍事領(lǐng)域無人機(jī)的不斷應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸距離變長，對于視頻數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)提出了更高的要求[1-5]。

2 H.264 壓縮技術(shù)的研究

2.1 基本概念

（1）視頻幀結(jié)構(gòu)。H.264 算法采用 I 或 P 幀作為前向預(yù)測幀，將每幀的圖像劃分為一片或多片宏塊，每片宏塊由采樣點(diǎn)組成，每塊宏塊可以進(jìn)一步分割成多個(gè)子塊。

（2）H.264 檔次級別。檔次是對編碼器和算法進(jìn)行整合的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)編碼器的功能和適用范圍。基本檔次的主要適用于視頻通信領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)多樣的快速編碼，同時(shí)可以滿足隨機(jī)片順序編碼。主要檔主要應(yīng)用在數(shù)字電視、廣播等領(lǐng)域，主要檔次除了支持 I、P、B 三種類型的功能特性之外，還支持 CAVLC、CABAC 兩種功能特性。擴(kuò)展檔次主要用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，其抗干擾能力較強(qiáng)，包含基本檔次的所有功能，還可以實(shí)現(xiàn)加權(quán)預(yù)測等功能。

2.2 編碼關(guān)鍵技術(shù)

（1）幀內(nèi)預(yù)測編碼。針對亮度宏塊，此種此種編碼方法采用了像素和像素模式。通過當(dāng)前宏塊和已經(jīng)編碼的宏塊預(yù)測當(dāng)前宏塊，可以取得較好的壓縮性能。

（2）幀間預(yù)測編碼。視頻圖像序列相鄰幀圖像時(shí)間的相關(guān)性，這種相關(guān)性導(dǎo)致圖像在存儲時(shí)具有較高的冗余性，主要包括時(shí)間和空間兩個(gè)維度。這種預(yù)測編碼技術(shù)就是利用相似性去除試件冗余，進(jìn)行視頻壓縮。H.264 技術(shù)在相對于以前的編碼標(biāo)準(zhǔn)，引入了可變塊和運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)。可變塊大小技術(shù)，將每個(gè)宏塊分割成 7 種方式。宏塊大小對視頻圖像的壓縮性能具有較大的影響，大宏塊可以應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)信息量較小的部分，小宏塊可以應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)量大的部分。

3 H.264 編碼器硬件設(shè)計(jì)

3.1 整體硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)目標(biāo)。無人機(jī)的圖像偵查能力是無人機(jī)的主要功能之一，無人機(jī)整體硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容就是數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。很多情況下無人機(jī)圖像運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳輸必須是實(shí)時(shí)的，因此巨大的數(shù)據(jù)量必須占用巨大的帶寬，如此大的數(shù)據(jù)導(dǎo)致圖像的傳輸和抗干擾能力出現(xiàn)一定的困難，因此針對目前無人機(jī)的需求需要高效壓縮、實(shí)時(shí)傳輸?shù)臒o線傳輸系統(tǒng)。

（2）硬件設(shè)計(jì)方案。根據(jù)無人機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，無人機(jī)視頻壓縮設(shè)計(jì)方法應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，高壓縮比，采用數(shù)字圖像壓縮算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的高效壓縮；其次，實(shí)時(shí)性，通過視頻壓縮節(jié)約寬帶，進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；最后，抗干擾性能強(qiáng)、輕便攜帶。

（3）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)需要在完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時(shí)，完成應(yīng)用性的要求。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分的內(nèi)容：首先是無人機(jī)上無線發(fā)射部分，通過圖像壓縮，實(shí)時(shí)傳回地面；另外是地面接收部分，硬件平臺采用德州儀器的雙核視頻處理模塊。

3.2 集成開發(fā)環(huán)境

采用 CCS 軟件集成開發(fā)環(huán)境，利用 CCS 函數(shù)庫，基于 Windows 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)，集成多種調(diào)試方法，完成 TMS320 系列指令的仿真和直觀數(shù)據(jù)結(jié)果分析。CCS 軟件集成開發(fā)環(huán)境，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

CCS 軟件集成環(huán)境主要包含程序規(guī)劃和設(shè)計(jì)、代碼編寫生成、代碼調(diào)試跟蹤和分析。CCS 軟件開發(fā)平臺集成了編譯器、匯編器、鏈接器等工具實(shí)現(xiàn) DSP 源代碼的生成。

（1）C/C++ 編譯器。主要功能是實(shí)現(xiàn)C/C++ 源程序到匯編語言的編譯和轉(zhuǎn)換，該編譯器由三部分組成，外殼程序、優(yōu)化程序和內(nèi)部工具，外殼程序主要完成語言的匯編等內(nèi)容，優(yōu)化程序?qū)ν鈿こ绦蚓幾g的語言進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼的執(zhí)行速度和執(zhí)行效率。內(nèi)部工具實(shí)現(xiàn) C/C++ 代碼轉(zhuǎn)換成 DSP 匯編代碼。

（2）匯編器。匯編器的主要作用是將匯編語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器目標(biāo)文件，主要內(nèi)容有偽指令、指令等，主要用來控制匯編語言的內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式等。

（3）鏈接器。鏈接器的主要內(nèi)容為，將 COFF 格式文件生成可執(zhí)行代碼的過程，輸入可以重定位的目標(biāo)文件和目標(biāo)庫。

（4）軟件流水。通過匯編器的軟件流水技術(shù)可以很好地運(yùn)行循環(huán)指令，優(yōu)化循環(huán)指令并行運(yùn)行，提高軟件的運(yùn)行速度，采用軟件流水技術(shù)可以優(yōu)化循環(huán)代碼。用戶在對編譯器進(jìn)行賦予信息時(shí)，要明確編譯器的循環(huán)次數(shù)、冗余循環(huán)等信息，提高軟件流水的效率，提高代碼的運(yùn)行速度。

4 編碼器的移植和優(yōu)化

4.1 運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的優(yōu)化

（1）匹配準(zhǔn)則。運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索算法采用率失真最優(yōu)化準(zhǔn)則，優(yōu)化和 SAD 公式如式（1）所示。

（2）搜索算法。目前常用的搜索算法為鉆石搜索算法、六邊形搜索算法。① 鉆石搜算算法以半徑為 1 的小菱形內(nèi)進(jìn)行搜索，通過計(jì)算匹配誤差，得到 MBD 點(diǎn)。之后進(jìn)行比較，如果 MBD 點(diǎn)在另行區(qū)域內(nèi)，則搜索到的 MBD 點(diǎn)就是最優(yōu)點(diǎn)，若不是，則以 MBD 為中心再次進(jìn)行搜索。② 六邊形搜索算法分為三部分。首先以搜索起點(diǎn)為中心點(diǎn)以六邊形模板為基礎(chǔ)進(jìn)行搜索，對比中心點(diǎn)與周圍六個(gè)點(diǎn)的匹配誤差，隨后對比杜比 MBD 與中心點(diǎn)的匹配誤差；第二步采用上一步 MBD 點(diǎn)，按照六邊形模板進(jìn)行搜索，計(jì)算 MBD 點(diǎn)的匹配誤差，如果 MBD 點(diǎn)與中心點(diǎn)無誤差下一步計(jì)算，若不重合重復(fù)第二步計(jì)算；最后采用小正方形模板進(jìn)行搜索，MBD 點(diǎn)就是最優(yōu)點(diǎn)。

（3）搜索算法優(yōu)化。以上搜索算法在搜索過程中會發(fā)生搜索點(diǎn)的重復(fù)，導(dǎo)致效率降低。采用無重復(fù)的搜索算法，可以解決重復(fù)搜索的問題。采用 SAD 代碼，在程序中增添 判斷模塊即可，若滿足終止條件自行終止。

4.2 結(jié)果分析

（1）進(jìn)一步優(yōu)化。在搜索算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行內(nèi)聯(lián)函數(shù)優(yōu)化和循環(huán)優(yōu)化處理，使用內(nèi)聯(lián)函數(shù) _mem4()、_subabs() 等進(jìn)行優(yōu)化，極大地提高了計(jì)算效率；采用偽指令 #pragma MUST_ITERATE(min, max, multiple) 可以較為明確地對最小循環(huán)次數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。

（2）結(jié)果分析。分析優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，可以看出，優(yōu)化之后幀率有了較大幅度的提升，基本在 10 倍左右，PSNR 變化幅度不大，壓縮比達(dá)到 100 倍，由此說明優(yōu)化之后圖像的壓縮效果較好，優(yōu)化前后圖像質(zhì)量差距不大。

5 結(jié)語

本文對 H.264 壓縮技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行介紹，對 H.264 編碼器硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對圖像壓縮算法進(jìn)行優(yōu)化。采用 SAD 代碼，在程序中增添 if(isum ≥ bcost) 判斷模塊；在搜索算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行內(nèi)聯(lián)函數(shù)優(yōu)化和循環(huán)優(yōu)化處理；優(yōu)化之后幀率有了較大幅度的提升，基本在 10 倍左右，PSNR 變化幅度不大，壓縮比達(dá)到 100 倍，由此說明有話之后圖像的壓縮效果較好，優(yōu)化前后圖像的質(zhì)量沒有明顯得下降。