基于壓縮算法的無人機視頻壓縮的研究

對 H.264 壓縮技術的特點進行介紹，對 H.264 編碼器硬件的設計進行研究，并對圖像壓縮算法進行優(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)化前后圖像的質量沒有明顯得下降。

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

2 H.264 壓縮技術的研究

2.1 基本概念

（1）視頻幀結構。H.264 算法采用 I 或 P 幀作為前向預測幀，將每幀的圖像劃分為一片或多片宏塊，每片宏塊由采樣點組成，每塊宏塊可以進一步分割成多個子塊。

（2）H.264 檔次級別。檔次是對編碼器和算法進行整合的規(guī)定，實現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域，可以實現多樣的快速編碼，同時可以滿足隨機片順序編碼。主要檔主要應用在數字電視、廣播等領域，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。擴展檔次主要用于網絡傳輸，其抗干擾能力較強，包含基本檔次的所有功能，還可以實現加權預測等功能。

2.2 編碼關鍵技術

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

（2）幀間預測編碼。視頻圖像序列相鄰幀圖像時間的相關性，這種相關性導致圖像在存儲時具有較高的冗余性，主要包括時間和空間兩個維度。這種預測編碼技術就是利用相似性去除試件冗余，進行視頻壓縮。H.264 技術在相對于以前的編碼標準，引入了可變塊和運動估計技術?？勺儔K大小技術，將每個宏塊分割成 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，大宏塊可以應用在運動信息量較小的部分，小宏塊可以應用在運動量大的部分。

3 H.264 編碼器硬件設計

3.1 整體硬件設計

（1）硬件設計目標。無人機的圖像偵查能力是無人機的主要功能之一，無人機整體硬件設計的關鍵內容就是數字圖像傳輸系統(tǒng)的設計。很多情況下無人機圖像運動系統(tǒng)的傳輸必須是實時的，因此巨大的數據量必須占用巨大的帶寬，如此大的數據導致圖像的傳輸和抗干擾能力出現一定的困難，因此針對目前無人機的需求需要高效壓縮、實時傳輸的無線傳輸系統(tǒng)。

（2）硬件設計方案。根據無人機設計目標的要求，無人機視頻壓縮設計方法應該具有以下幾個特點：首先，高壓縮比，采用數字圖像壓縮算法，實現數字圖像的高效壓縮；其次，實時性，通過視頻壓縮節(jié)約寬帶，進行實時傳輸；最后，抗干擾性能強、輕便攜帶。

（3）系統(tǒng)整體結構。設計需要在完成設計目標的同時，完成應用性的要求。系統(tǒng)整體結構分為兩個部分的內容：首先是無人機上無線發(fā)射部分，通過圖像壓縮，實時傳回地面；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 函數庫，基于 Windows 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)，集成多種調試方法，完成 TMS320 系列指令的仿真和直觀數據結果分析。CCS 軟件集成開發(fā)環(huán)境，具有較強的擴展性。

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

（1）C/C++ 編譯器。主要功能是實現C/C++ 源程序到匯編語言的編譯和轉換，該編譯器由三部分組成，外殼程序、優(yōu)化程序和內部工具，外殼程序主要完成語言的匯編等內容，優(yōu)化程序對外殼程序編譯的語言進行優(yōu)化，提高代碼的執(zhí)行速度和執(zhí)行效率。內部工具實現 C/C++ 代碼轉換成 DSP 匯編代碼。

（2）匯編器。匯編器的主要作用是將匯編語言轉換成機器目標文件，主要內容有偽指令、指令等，主要用來控制匯編語言的內容、數據格式等。

（3）鏈接器。鏈接器的主要內容為，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文件和目標庫。

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

4 編碼器的移植和優(yōu)化

4.1 運動估計算法的優(yōu)化

（1）匹配準則。運動估計搜索算法采用率失真最優(yōu)化準則，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 的小菱形內進行搜索，通過計算匹配誤差，得到 MBD 點。之后進行比較，如果 MBD 點在另行區(qū)域內，則搜索到的 MBD 點就是最優(yōu)點，若不是，則以 MBD 為中心再次進行搜索。② 六邊形搜索算法分為三部分。首先以搜索起點為中心點以六邊形模板為基礎進行搜索，對比中心點與周圍六個點的匹配誤差，隨后對比杜比 MBD 與中心點的匹配誤差；第二步采用上一步 MBD 點，按照六邊形模板進行搜索，計算 MBD 點的匹配誤差，如果 MBD 點與中心點無誤差下一步計算，若不重合重復第二步計算；最后采用小正方形模板進行搜索，MBD 點就是最優(yōu)點。

（3）搜索算法優(yōu)化。以上搜索算法在搜索過程中會發(fā)生搜索點的重復，導致效率降低。采用無重復的搜索算法，可以解決重復搜索的問題。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 結果分析

（1）進一步優(yōu)化。在搜索算法優(yōu)化的基礎上，進行內聯函數優(yōu)化和循環(huán)優(yōu)化處理，使用內聯函數 _mem4()、_subabs() 等進行優(yōu)化，極大地提高了計算效率；采用偽指令 #pragma MUST_ITERATE(min, max, multiple) 可以較為明確地對最小循環(huán)次數進行運算。

（2）結果分析。分析優(yōu)化前后的數據，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)化前后圖像質量差距不大。

5 結語

本文對 H.264 壓縮技術的特點進行介紹，對 H.264 編碼器硬件的設計進行研究，并對圖像壓縮算法進行優(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)化的基礎上，進行內聯函數優(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)化前后圖像的質量沒有明顯得下降。