一种星载异构H.264视频压缩编码系统及编码方法技术方案

本发明专利技术属于星载异构视频压缩技术领域，具体涉及一种星载异构H.264视频压缩编码系统及编码方法，所述系统基于国产CPU和GPU实现，包括星载异构并行前向编码分系统和并行加速后向重建分系统；其中，星载异构并行前向编码分系统，用于结合并行加速后向重建分系统输出的重构图像，对星载高分辨成像设备实时获取到的视频图像序列逐帧按照新的“Z字形”扫描顺序进行宏块级并行帧内预测和帧间预测，经宏块级并行DCT变换、宏块级并行量化及编码，得到压缩后的码流；并行加速后向重建分系统，用于对宏块级并行量化后的系数数据块经宏块级并行反量化、宏块级并行反DCT变换，得到残差数据块，再通过宏块级并行环路滤波得到重构图像。通过宏块级并行环路滤波得到重构图像。通过宏块级并行环路滤波得到重构图像。

【技术实现步骤摘要】
一种星载异构H.264视频压缩编码系统及编码方法


[0001]本申请涉及星载异构视频压缩
，特别是涉及一种星载异构H.264视频压缩编码系统及编码方法。

技术介绍

[0002]随着中国航天任务日趋复杂化和多元化，星载成像类载荷的数量和精度不断提高，视频图像数据量以几何级数增长。受地面接收站地理分布限制，卫星多采用先存储后下行的机制。即先将采集到的数据放到星上存储器中，之后在过站时向地面传送。由于卫星受体积、重量以及功耗等方面限制，卫星数据存储和数据下行传输带宽有限，海量的视频图像数据给卫星数据管理造成极大的压力。进行星载视频压缩是解决该问题关键技术。使用高性能异构系统对星上任务和星上有效载荷数据进行处理是目前的研究热点。
[0003]如下图1所示是传统H.264编码框图，一般在FPGA或CPU上实现整个流程。该系统包括从左到右的前向编码分系统和从右到左的后向重建分系统；其中，
[0004]前向编码分系统包括帧内预测模块、帧间预测模块、变换模块、量化模块以及熵编码模块。上述模块均被同一个控制器控制，用于将输入的视频图像信息进行编码得到压缩后的码流。
[0005]后向重建分系统包括反量化模块、反变换模块以及滤波模块。上述模块均被同一个控制器控制，用于为帧间预测模块提供重建帧。
[0006]现有的压缩算法主要有H.26X系列、MPEG系列、AVS系列以及HEVC。其中，HEVC/H.265/H.266/AVS2/AVS3主要面向高清和超高清视频，复杂度较高；MPEG系列中，MPEGr/>‑
1、MPEG
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2有严重的块效应，不能进行编辑和回放，MPEG
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4与H.264在同码率下，画质字边缘有杂点，网络传输速度慢，即MPEG系列存在画质差、速度慢的特点；相比较之下H.264复杂度适中，且适于在干扰严重的无线信道中视频传输，可实时获得较好的图像质量，适合航天应用。
[0007]现有的异构视频压缩技术主要以基于FPGA异构、基于DSP异构以及基于CPU+GPU异构实现为主。然而，基于FPGA异构实现，需要考虑各种时序和FPGA资源限制，实现复杂的图像处理算法比较困难。基于DSP异构实现，处理速度相对较慢。基于CPU+GPU异构实现，目前研究几乎都是基于Inter CPU+Nvidia GPU的异构实现。由航天特殊应用，发展中国自主异构技术十分必要，十分迫切。

技术实现思路

[0008]针对上述技术中H.264串行编码器受时序资源限制、处理速度慢以及自主可控国产化等问题，本专利技术的目的在于克服上述现有技术缺陷，提出了一种星载异构H.264视频压缩编码系统及编码方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种星载异构H.264视频压缩编码系统，所述系统基于国产CPU和GPU实现，包括星载异构并行前向编码分系统和并行加速后向重建分系
统；其中，
[0010]所述星载异构并行前向编码分系统，用于结合并行加速后向重建分系统输出的重构图像，对星载高分辨成像设备实时获取到的视频图像序列逐帧按照新的“Z字形”扫描顺序进行宏块级并行帧内预测和帧间预测，经宏块级并行DCT变换、宏块级并行量化及编码，得到压缩后的码流；
[0011]所述并行加速后向重建分系统，用于对宏块级并行量化后的系数数据块经宏块级并行反量化、宏块级并行反DCT变换，得到残差数据块，再通过宏块级并行环路滤波得到重构图像。
[0012]作为上述系统的一种改进，所述星载异构并行前向编码分系统包括：部署在CPU的读取解析模块和熵编码模块，以及部署在GPU的宏块级并行帧内预测模块、宏块级并行帧间预测模块、宏块级并行DCT变换模块和宏块级并行量化模块；其中，
[0013]所述读取解析模块，用于读取视频图像序列，逐帧解析所有能并行处理的宏块信息保存到中间变量，并发送至宏块级并行帧内预测模块；
[0014]所述宏块级并行帧内预测模块，用于采用新的“Z字形”扫描顺序，通过所述并行加速后向重建分系统已解码的相邻像素来预测当前块的像素；
[0015]所述宏块级并行帧间预测模块，用于通过所述并行加速后向重建分系统重建的相邻参考帧中与当前块最相似的块作为预测块，根据计算得到的运动矢量进行运动补偿，得到预测图像块；
[0016]所述宏块级并行DCT变换模块，用于通过宏块级并行DCT变换使预测残差数据块在变换域重新分布以减少像素间的相关性；所述预测残差数据块由保存在中间变量的原始图像块与预测图像块相减得到；
[0017]所述宏块级并行量化模块，用于通过宏块级并行量化处理得到量化后的系数数据块，实现数据压缩；
[0018]所述熵编码模块，用于结合宏块级并行帧内预测模块的帧内预测信息以及宏块级并行帧间预测模块的运动信息对量化后的系数数据块进行熵编码，通过去除信息熵冗余以降低视频编码信息量，输出码流至网络抽象层。
[0019]作为上述系统的一种改进，所述宏块级并行帧内预测模块包括亮度4
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4子块，子块编号从0至15；
[0020]采用对应子块编号0
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>15的扫描顺序。
[0021]作为上述系统的一种改进，所述宏块级并行DCT变换模块和宏块级并行量化模块的处理过程包括：将DCT变换和量化两个过程合二为一，在通过乘法和移位实现并采用整数运算的基础上，利用GPU并行处理乘法运算，提高编码压缩的实时性；通过调节量化步长QP值，对高频部分进行粗量化，对低频部分进行细量化，以减少视觉冗余和量化误差。
[0022]作为上述系统的一种改进，所述并行加速后向重建分系统包括部署在GPU的宏块级并行反量化模块、宏块级并行反DCT模块和宏块级并行环路滤波模块，其中，
[0023]所述宏块级并行反量化模块，用于将量化后的系数数据块通过宏块级并行反量化得到反量化后的系数数据块；
[0024]所述宏块级并行反DCT模块，用于将反量化后的系数数据块通过宏块级并行反DCT
变换得到残差数据块；
[0025]所述宏块级并行环路滤波模块，用于对重建数据块进行环路滤波处理，去除块效应，得到重建像素块，所述重建数据块通过残差数据块和预测图像块相加得到。
[0026]作为上述系统的一种改进，所述宏块级并行环路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载异构H.264视频压缩编码系统，其特征在于，所述系统基于国产CPU和GPU实现，包括星载异构并行前向编码分系统和并行加速后向重建分系统；其中，所述星载异构并行前向编码分系统，用于结合并行加速后向重建分系统输出的重构图像，对星载高分辨成像设备实时获取到的视频图像序列逐帧按照新的“Z字形”扫描顺序进行宏块级并行帧内预测和帧间预测，经宏块级并行DCT变换、宏块级并行量化及编码，得到压缩后的码流；所述并行加速后向重建分系统，用于对宏块级并行量化后的系数数据块经宏块级并行反量化、宏块级并行反DCT变换，得到残差数据块，再通过宏块级并行环路滤波得到重构图像。2.根据权利要求1所述的星载异构H.264视频压缩编码系统，其特征在于，所述星载异构并行前向编码分系统包括：部署在CPU的读取解析模块和熵编码模块，以及部署在GPU的宏块级并行帧内预测模块、宏块级并行帧间预测模块、宏块级并行DCT变换模块和宏块级并行量化模块；其中，所述读取解析模块，用于读取视频图像序列，逐帧解析所有能并行处理的宏块信息保存到中间变量，并发送至宏块级并行帧内预测模块；所述宏块级并行帧内预测模块，用于采用新的“Z字形”扫描顺序，通过所述并行加速后向重建分系统已解码的相邻像素来预测当前块的像素；所述宏块级并行帧间预测模块，用于通过所述并行加速后向重建分系统重建的相邻参考帧中与当前块最相似的块作为预测块，根据计算得到的运动矢量进行运动补偿，得到预测图像块；所述宏块级并行DCT变换模块，用于通过宏块级并行DCT变换使预测残差数据块在变换域重新分布以减少像素间的相关性；所述预测残差数据块由保存在中间变量的原始图像块与预测图像块相减得到；所述宏块级并行量化模块，用于通过宏块级并行量化处理得到量化后的系数数据块，实现数据压缩；所述熵编码模块，用于结合宏块级并行帧内预测模块的帧内预测信息以及宏块级并行帧间预测模块的运动信息对量化后的系数数据块进行熵编码，通过去除信息熵冗余以降低视频编码信息量，输出码流至网络抽象层。3.根据权利要求2所述的星载异构H.264视频压缩编码系统，其特征在于，所述宏块级并行帧内预测模块包括亮度4
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4子块，子块编号从0至15；采用对应子块编号0
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【专利技术属性】
技术研发人员：张倩倩，周莉，安军社，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：