陳亭玉，錢　慧

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350100)

嵌入無損編碼的海量視頻數據存儲系統(tǒng)設計

陳亭玉，錢慧

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350100)

摘要:隨著當代視頻顯示分辨率的不斷提升，視頻顯示系統(tǒng)需要實時緩存的數據量越來越大。DDR等實時存儲設備受到自刷新率等存儲模式的限制，難以滿足視頻顯示系統(tǒng)實時穩(wěn)定存儲的需要。海量視頻數據的實時存儲成為顯示系統(tǒng)亟待解決的關鍵問題。根據高清視頻單幀圖像內像素間的空間相關性高的特點，提出了一種內嵌算術編碼及哈夫曼編碼的嵌入式混合壓縮數據存儲方法。在傳統(tǒng)的視頻高速DDR存儲控制系統(tǒng)中，首先對單幀視頻進行壓縮，通過直接減少系統(tǒng)的實時存儲量，解決海量視頻存儲瓶頸的問題。經過試驗測試證明，該混合壓縮數據存儲方法不僅減少了所需存儲的數據量，且其數據還原與經典的熵編碼比較壓縮還原后PSNR值平均高出1～2 dB。

關鍵詞:視頻顯示系統(tǒng)；存儲控制系統(tǒng)；幀；編碼

人對外界信息的接收可以通過視覺、嗅覺，聽覺等等多方面，而人對多媒體技術信息的接收70%來至視覺和聽覺感知[1]。視頻處理系統(tǒng)作為最重要的人類視聽供給設備，已經成為社會生活中不可獲缺的一部分。視頻顯示系統(tǒng)作為人對圖像質量最直觀的感受終端，是多媒體系統(tǒng)必不可分的一部分。當前，高清乃至超高清的視頻顯示已成為主流多媒體設備。高清或超高清顯示設備已廣泛應用于醫(yī)療手術、交通監(jiān)控乃至戶外大屏顯示等眾多鄰域之中，具有重要的研究價值和廣泛應用前景[2-5]。

隨著社會需求范圍加大質量要求的提升，在高清或超高清顯示系統(tǒng)中，視頻幀對畫質有效數據更是達到“零丟棄”要求，這就意味著一個高性能的外部存儲器對顯示設備的支持是必不可少的。然而現有視頻顯示系統(tǒng)的現狀是外部存儲器帶寬發(fā)展速度遠不及顯示屏在高像素顯示時所需的帶寬更新速度[6]。以高清1 080p系統(tǒng)為例，顯示其需要的外部帶寬約2.13Gbit/s,但是對于系統(tǒng)時鐘200MHz，且位寬為64Gbit/s的高端嵌入式系統(tǒng)來說在總線利用率百分百的情況下其吞吐量僅達到1.6Gbit/s[7]。這就意味著高清顯示設備多需要一個高效的視頻數據存儲系統(tǒng)。然而當前的高速緩存受到自刷新率的影響，系統(tǒng)的平均吞吐量不足。因此可以硬件設計實現時在外部存儲控制中嵌入一種高效編解碼算法來減少視頻存取時所需的數據量。

為了有效地減少視頻數據量，更具現有視頻編解碼對像素處理主要分為基于行和基于塊兩種。但是基于行為像素基本處理單元的編解碼更易于顯示的特點，本文對基于行為像素的最基本處理單元的經典熵編碼進行改進。經過仿真分析發(fā)現，該算法不僅壓縮率可以達到60%左右(近似甚至高于基于塊的編解碼算法)，且與改進前的熵編碼算法相比不僅壓縮率高且與經典的字典編碼相比還原后圖像質量PSNR值平均高出1～2dB。

1存儲器控制框架

本文提出的方法是在存儲控制器中嵌入一種高效的編解碼算法，來減少視頻流在存取時需要的數據量。對應的存儲改進后的顯示系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　改進存儲控制架構圖

圖1中，虛線框是改進部分的存儲控制整體，可以明顯看出與傳統(tǒng)的存儲控制區(qū)別在于在存儲控制中嵌入了編解碼算法。接下來將重點介紹編解碼嵌入模塊的架構設計實現。

1.1嵌入模塊

該嵌入的算法部分采用的是混合統(tǒng)計編解碼設計實現，其根據水平相鄰的像素之間的差值系數分布圖顯示可知其是以0點為中心對稱地分布在坐標軸兩側[8-9]。而哈弗曼編碼可以有效對差值進行進一步壓縮，本文結合了字典編碼和哈弗曼編碼來有效提高壓縮率。與此同時，隨著字典像素的越來越大，所需要的存儲空間也將越多，因此本文根據像素二進制表示之間的特點提出了一種自適應截斷像素長度的方法，在降低影響像素壓縮比的情況下減少了存儲空間需求。

1.2嵌入模塊詳細框圖

從算法整體的設計流程框圖(圖2)可以看出，該算法設計時所要預測的參數對于算法后續(xù)的運行具有至關重要的作用，具體參數估計如圖2所示。

圖2　壓縮算法的流程圖

1.2.1關鍵參數統(tǒng)計

在本文所提的算法中要估計的主要參數有DTH(字典像素的差值閾值)、GBL(最優(yōu)的自適應截斷長度)和GPS(算法每次壓縮時最優(yōu)的像素個數)。

在進行壓縮前，首先要對每一幀圖像壓縮時需要的關鍵參數進行統(tǒng)計預測。由于字典越大所需的字典像素存儲空間越大，但不是字典越大越好，所以需要預測一個DTH使得字典壓縮達到最優(yōu)值。確定DTH值大小是根據DTH取不同值時相應的可字典編碼像素的個數cout1和不可字典編碼像素的個數cout2,對于概率計算式如下

(1)

其相應集合為PCDTH={PDTH1，PDTH2，…，PDTHn}。

取PCDTH中最大的一個值對應的DTH為該幀像素的閾值。

為進一步對不可字典編碼像素進行自適應截斷長度壓縮，需要統(tǒng)計GBL得到GBL-1，GBL，GBL+1相應的以便在自適應截斷長度壓縮進行最優(yōu)的截斷長度篩選進行進一步壓縮。

由于自適應截斷長度壓縮是對不可字典編碼的像素進行壓縮，所以應對不可字典編碼的像素進行分析，把它們轉換為相應的二進制數，并根據相鄰像素對應二進制值的相同位的個數進行統(tǒng)計。例如：0和108對應的二進制分別為00000000和01101100則LMP=1，然后統(tǒng)計LMP=0，1，2…時對應的百分比，即

avgbit=A%×(8-N+1)+B%×(8+1)

(2)

式中：A是可截斷長度的百分比；B為不可截斷長度的百分比。比較取最小的avgbit值時的截斷長度為GBL。當LMP≥GBL時Pabpt=Pi，反之Pfail=Pi。

同時還需要預測的一個重要參數為GPS，即每一幀圖像中每一次最適合處理的像素的個數，為了實現自適應可變長度的處理像素個數，需要對GPS參數估計，其中GPS=100/Pfail1，其中Pfail1是像素Pfail所占的百分比。

1.2.2壓縮步驟

輸入：每個像素依次為Pi。

輸出：碼流為stream。

初始化：字典像素為Ψ[1，2，3，4，5]，對應的索引集為W=[W-DTH，W-DTH+1，…，W0，WDTH-1，WDTH]。

具體步驟為：

1) 輸入第一個像素判斷是否可以進行字典編碼。若滿足，則進行字典編碼，執(zhí)行2)；若不滿足，則標記為不可字典編碼Pdic_miss,執(zhí)行3)。

2)像素[Pi-1，Pi-1±1，Pi-1±2，…，Pi-1±DTH]在字典像素中，輸入像素Pi，把Pi-1=Pi對字典像素依次進行更新。如果Pi-1等于Pi則輸出對應索引集碼字符號CWi，否則輸出{CWmiss,Pi}。

3) 根據像素二進制之間相似度，比較相鄰的兩個像素之間從左到右相同的位數個數，計算Pdic_miss的二進制相同位數個數LMPdic_miss。

4)對不可字典編碼的像素進行進一步的自適應可截斷長度編碼：Pdic_miss轉化為二進制，依次讓截斷長度TL等于GBL，GBL-1和GBL+1，相對應的具體索引為“00，01，11”，表示Pdic_miss都不可壓縮。最后統(tǒng)計截斷后的二進制個數，取最小位數時的截斷長度TL賦值給bestTL(其中如果LMP≥bestTL時 Pabpt=Pdic_miss，如果不能夠截斷那么Pfail=Pdic_miss。

5)現在像素已經分為3類符號：可截斷長度碼字CWabpt、不可壓縮碼字CWfail和{CW-DTH，CW-DTH+1，…，CW0，…，CWDTH-1，CWDTH}可字典編碼碼字。其中前2DTH+1項是可字典編碼部分，倒數第二項是部分可截斷像素碼字，最后一下完全不可壓縮碼字，此時對相應的碼字進行賦值。

6)截取頭碼，將每一個碼字的一位進行提取，余下的為尾碼，判斷是否連續(xù)為1或0的個數(≥3)。如果連續(xù)n位全1則用01表示，如果連續(xù)n位全0則用00表示，如果連續(xù)n位不全一個數則用這串數字前加一個1表示。若連續(xù)為1或0的個數小于3時就不進行任何處理，碼流存入hc。

7)輸出最終碼流：stream={bestTL，hc,tail,Pdicmiss[7-BTL:0]andPfail}。其中bestTL為最佳截斷長度的值的索引，hc為頭碼，Pdic_miss[7-BTL:0]，tail為尾碼，Pfail是截斷后余下的像素或者完全不可壓縮的碼字。

2仿真結果及分析

運行算法的硬件平臺為主頻20GHz的雙核CPU計算機，軟件平臺為64位Windows7操作系統(tǒng)和MATLABR2014a仿真軟件。本實驗選取標準視頻序列1 080p格式的sunflowerridgesailboat分析了前50幀圖像壓縮比，并和之前的算法進行比較其壓縮性能，具體分析如下。

其中不同研究法的壓縮比如圖3所示，表示基于塊或基于幀為最小像素處理單元時對應的壓縮比。其中前3個柱條顯示的是基于幀為基本處理單元的壓縮算法的壓縮比值[10-14]，而后3個柱條顯示的是基于塊為基本處理單元的壓縮算法的壓縮比值。

圖3　不同研究法的壓縮比

顯而易見基于幀的壓縮百分比基本都小于60%，基于塊的壓縮百分比大多可以達到60%?；趬K為處理單元的像素壓縮比基本都大于基于幀的像素。而本文算法結合哈弗曼編碼和字典算法的同時增加了3種改進方法后，壓縮百分比明顯增加。

圖4　不同視頻源壓縮比

圖4顯示了flowersridgesailboat標準視頻源經過基于幀為最基本處理單元的兩種不同算法壓縮后的壓縮百分比。可見本文算法的壓縮效果,顯著高于另外一個算法，而壓縮比都大于60%，可以和基于塊為基本單元的處理算法的壓縮比值相媲美，甚至高于它們。

具體對視頻序列sunflowers第6幀壓縮重建后質量效果分析如圖5a到圖5c所示。其中圖5a是原圖，圖5b是由Yang[11]處理得到，圖5c是由本文算法處理后的效果，可以很明顯地發(fā)現本文算法的清晰度接近于原圖，而圖5b圖像質量有所損失，其中物像邊緣虛化明顯，圖中已經用紅線框出突出部分。所以文本算法的提出將可應用于高清乃至超高清顯示，且本文算法在結構上是基于幀壓縮的，這樣對于以一行行依次顯示的顯示終端設備來說，可以更易于實現高速流暢的顯示。

a　sunflower原圖

b　sunflower由Yang[11]處理

c　sunflower由本文算法處理圖5　實驗效果

圖6為仿真結果圖，是根據PSNR和幀壓縮比之間的關系作為衡量編碼效果的指標?？梢灾庇^地看出，當壓縮比小于0.3時，圖像效果都較差，隨著壓縮比的增大，PSNR值都有了明顯的提高。當壓縮比大于0.3時，本文算法相對于Yang[11]算法，PSNR值平均高出1～2dB。

圖6　仿真結果

3小結

針對現今高速緩存設備受自刷新率等影響，帶寬不足以支持高清乃至超高清等高吞吐量設備的問題。提出了在顯示系統(tǒng)與其外部存儲設備之間嵌入一種基于熵編碼改進的嵌入式編碼。該編碼利用顯示設備顯示視頻數據的特點，基于幀為像素最基本的處理單元，使得視頻數據易于顯示，然后根據相鄰像素之間的相似性將其分成三類逐步進行壓縮。實驗結果表明在顯示系統(tǒng)中引用該嵌入式編碼機制可以有效地降低視頻數據存儲量，從而減少了系統(tǒng)與外部存儲間的數據交互頻率。

參考文獻：

[1]路錦正.MPEG-4/H.264視頻編解碼工程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]畢厚杰 .《新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC》[M]. 2版.北京：人民郵電出版社，2009.

[3]張亮.高清晰度電視轉播車原理與應用的研究[D].天津：天津大學，2006.

[4]劉連喜.央視高清電視發(fā)展的實踐與思考[J].電視研究，2011(9)：34-35.

[5]范潔.美國、英國高清電視發(fā)展現狀及啟示意義[J].廣播與電視技術，2010(8)：36.

[6]高紅莉，楊華中.面向數字視頻解碼器的存儲管理方法研究[D].北京：清華大學，2010.

[7]KIMG,KIMJ,KYUNGCM.Alowcostsingle-passfractionalmotionestimationarchitectureusingbitclippingforH.264videocodec.[C]// 2012IEEEInternationalConferenceonMultimediaandExpo. [S.l.]：IEEE, 2010:661-666.

[8]KIMJ，KIMJ，KYUNGCM.Alosslessembeddedcompressionalgorithmforhighdefinitionvideocoding[C]//Proc. 2009IEEEInternationalConferenceonMultimediaandExpo.[S.l.]：IEEE，2009：193-196.

[9]MERHAVN,SEROUSSIG,WEINBERGERMJ.Optimalprefixcodesforsourceswithtwo-sidedgeometricdistributions[J].IEEEtransactionsoninformationtheory，1999，46(1)：121-135.

[10]SONCH,PARKSM,KIMYM.AnembeddedcompressionalgorithmintegratedwithmotionJPEG2000systemforreductionofoff-chipvideomemorybandwidth[C]//Proc. 8thIEEEInternationalConferenceonComputerandInformationTechnology. [S.l.]：IEEE，2008：571-576.

[11]YANGHT，CHENJW，KUOHC,etal.Aneffectivedictionary-baseddisplayframecompressor[C]//Proc.IEEE/ACM/IFIP7thWorkshoponEmbeddedSystemsforReal-TimeMultimedia. [S.l.]：IEEE，2009：28-34.

[12]LEESH,CHUNGMK,PARKSM,etal.Losslessframememoryrecompressionforvideocodecpreservingrandomaccessibilityofcodingunit[J].IEEEtransactionsonconsumerelectronics, 2009，55(4)：2105-2113.

[13]YNGTB,LEEBG,YOOH.Alowcomplexityandlosslessframememorycompressionfordisplaydevices[J].IEEEtransactionsonconsumerelectronics, 2008，54(3)：1453-1458.

[14]OHIRAH,NONMEMBERSFK.AmemoryreductionapproachforMPEGdecodingsystem[J].IEICEtransactionsonfundamentalsofelectronicscommunications&computerences，1999(8)：1588-1591.

Massivevideodatastoragesystemdesignwithembeddedlosslessencoded

CHENTingyu,QIANHui

(Department of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350100,China)

Abstract:Contemporary, With the rising video display resolution, the real-time data of video display systems need to cache is growing. At the same time, DDR or other real-time storage device is limited by the refresh rate and other storage modes, so it’s hard to meet the real-time video display system stable storage. To store amounts of data is a key issue to be solved, in a real-time video display system. According to pixels high correlation of the spatial definition video within a single frame of the image, this paper gives an embedded arithmetic mix the coding and Huffman coding embedded compressed data storage method.In the traditional high-speed video DDR storage control system, a single frame of video is compressed by directly reducing the amount of real-time storage systems. It could solve the bottlenecks of massive video storage. The test proves that the mixed compressed data storage approach not only reduces the amount of data needed to store and restore its data compared with the classical entropy coding compression reducing PSNR value by an average of 1～2 dB.

Key words:video display system; storage control system; frame; coding

中圖分類號:TN873

文獻標志碼:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.011

基金項目：可重構的多格式超清視頻轉換數字顯示系統(tǒng)項目(2013-G-85)；福建省教育廳專項(WL2013-31)

作者簡介：

陳亭玉(1985— )，女，碩士生，主研顯示系統(tǒng)的存儲控制；

錢慧(1979— )，博士生導師，主要研究方向為高清乃至超高清視頻系統(tǒng)研究、壓縮感知以及圖像處等。

責任編輯：許盈

收稿日期：2015-11-11

文獻引用格式：陳亭玉，錢慧. 嵌入無損編碼的海量視頻數據存儲系統(tǒng)設計[J].電視技術，2016，40(4)：52-55.

CHENTY，QIANH.Massivevideodatastoragesystemdesignwithembeddedlosslessencoded[J].Videoengineering，2016，40(4)：52-55.