基于Hi3510的H.264編解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1 H.264簡介
H.264是ITU-T和ISO／IEC聯(lián)合制定的最新編碼標(biāo)準(zhǔn)，它最先由ITU-T于1997年提出，目標(biāo)是提出一種更高性能(相對于當(dāng)時(shí)的H.263)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。相對于其它標(biāo)準(zhǔn)，H.264具有以下特點(diǎn)：
(1) 碼率低。和MPEG-2等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-2的1／2～1／3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省存儲容量、信道帶寬及用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。
(2) 圖像質(zhì)量高。H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像。
(3) 應(yīng)用范圍廣。H.264的不同Profile既可以應(yīng)用于有嚴(yán)格時(shí)延限制的實(shí)時(shí)通信中，也可以應(yīng)用于對時(shí)延要求不高的其他應(yīng)用中(如視頻存儲、流媒體等等)。
(4) 魯棒性。H.264在設(shè)計(jì)時(shí)，針對分組交換網(wǎng)如Internet中的分組丟失和無線網(wǎng)絡(luò)中比特誤碼都提出了相應(yīng)的工具，使得H.264在這些網(wǎng)絡(luò)中傳播時(shí)具有更強(qiáng)的抗誤碼性能。
(5) 對各種網(wǎng)絡(luò)的友好性。H.264中增加了NAL層，負(fù)責(zé)將編碼器的輸出碼流適配到各種類型的網(wǎng)絡(luò)中，從而提供了友好的網(wǎng)絡(luò)接口。
H.264之所以能夠達(dá)到以上性能，是因?yàn)椴捎昧艘韵乱恍┫冗M(jìn)的技術(shù)：
首先是幀內(nèi)預(yù)測編碼，充分利用圖像空域相關(guān)性，來降低碼率。根據(jù)像條編碼類型，每個(gè)宏塊可以選擇幾種編碼類型之一。共有13種預(yù)測模式(4×4塊大小9種預(yù)測模式，16×16塊大小4種預(yù)測模式)，這在以往標(biāo)準(zhǔn)中是沒有的。
其次是采用新的快速運(yùn)動估值算法UMHexagonS(中國專利)，它是一種運(yùn)算量相對于H.264中原有的快速全搜索算法可節(jié)約90％以上的新算法，全名叫“非對稱十字型多層次六邊形格點(diǎn)搜索算法”(unsymmetrical-cross muti-hexagon search)，這是一種整像素運(yùn)動估值算法。由于它在高碼率大運(yùn)動圖像序列編碼時(shí)，在保持較好失真率性能的條件下，運(yùn)算量十分低，已被H.264標(biāo)準(zhǔn)正式采納。H.264有7種塊匹配模式，編碼時(shí)對其逐一計(jì)算，選擇最優(yōu)。例如較為精細(xì)的部分采用4×4塊大小，不運(yùn)動的背景可以采用16×16塊大小等等。以往標(biāo)準(zhǔn)只有固定的一種或者兩種塊大小模式。H.264采用多幀參考，最大限度地利用實(shí)域相關(guān)性。參考幀可以從1幀到15幀，以往標(biāo)準(zhǔn)都是單幀參考。還有采用1／4或1／8精度的亞象素運(yùn)動估計(jì)，以往標(biāo)準(zhǔn)至多采用1／2精度亞象素搜索，而且不是必選選項(xiàng)。為了消除視頻編碼中常出現(xiàn)的塊效應(yīng)，H.264使用了去塊效應(yīng)濾波器。
H.264還采用了整數(shù)DCT變換，以提高變換速度，采用CAVLC，CABAC等新的熵編碼方法以提高編碼效果。
H264標(biāo)準(zhǔn)使運(yùn)動圖像壓縮技術(shù)上升到了一個(gè)更高的階段，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn)。H.264因具有較低的傳輸比特率且對存儲的要求較低，基本系統(tǒng)無需使用版權(quán)，具有開放的性質(zhì)，目前有望取代MPEG-2。
2 Hi3510工作原理
Hi3510是海思公司推出的一款基于H.264 BP算法的視頻壓縮芯片，該芯片采用 ARM+DSP+硬件加速引擎的多核高集成度的SoC構(gòu)架，具備強(qiáng)大的視頻處理功能?？蓪?shí)現(xiàn)DVD畫質(zhì)的實(shí)時(shí)編碼，能白適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保畫面的清晰度和實(shí)時(shí)性，低碼率的H.264編碼技術(shù)極大減少了網(wǎng)絡(luò)存儲空間，并通過集成DES／3DES加解密硬件引擎確保網(wǎng)絡(luò)安全。
Hi3510采用0.13μm工藝、LFBGA400封裝，大小為19×19mm，引腳間距為0.8mm，片內(nèi)集成了包括數(shù)字視頻接口、USB、ETH、I2S、I2C、GPIO、SPI、UART、SDRAM、DDR等接口，滿足各種應(yīng)用場景設(shè)備開發(fā)的同時(shí)能大大降低設(shè)備的BOM成本。
Hi3510的工作原理：視頻輸入單元通過ITU-RBT.601／656接口接收由VADC輸出的數(shù)字視頻信息，并通過AHB總線把接收到的原始圖像寫入到外存(SDR SDRAM或DDR SDRAM)中；視頻編解碼器器從外存中讀取圖像，進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)(幀間預(yù)測)、幀內(nèi)預(yù)測、DCT變換、 量化、熵編碼(CAVLC+Exp-Golomb)、IDCT變換、反量化、運(yùn)動補(bǔ)償?shù)炔僮?，最后將符合H.264協(xié)議的裸碼流和編碼重構(gòu)幀(作為下一幀的參考幀)寫入到外存中；視頻輸出單元從外存中讀取圖像數(shù)據(jù)并通過ITU-R BT.601／656接口送給VDAC進(jìn)行顯示，應(yīng)用的需求不同，視頻輸出單元從外存中讀取的圖像內(nèi)容也不同，當(dāng)需要對輸入圖像進(jìn)行預(yù)覽時(shí)，視頻輸出單元從外存中讀取原始圖像，當(dāng)需要觀察視頻編碼器的編碼效果時(shí)，視頻輸出單元從外存中讀取編碼重構(gòu)幀；ARM對視頻編碼器輸出的碼流進(jìn)行協(xié)議棧的封裝，然后送給網(wǎng)口發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。
Hi3510的H.264音視頻編解碼SoC邏輯框圖如圖1所示，該芯片由ARM+DSP+視頻編解碼加速器+圖形引擎縮放器的核心構(gòu)成，集成了豐富的外圍接口，并內(nèi)部集成包括如數(shù)字水印、DES／3DES算法，使得單芯片能適應(yīng)幾乎所有的工作，降低與其它芯片配合的開發(fā)難度，也免除廠商對算法等標(biāo)準(zhǔn)部分的內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)開發(fā)，大大降低了設(shè)備廠商的投入門檻。配合海思不同應(yīng)用形態(tài)的開發(fā)包，可以開發(fā)出PMP、可視電話、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、PVR、可視對講等各種產(chǎn)品。
3 Hi3510的編解碼設(shè)計(jì)方案
作為SoC架構(gòu)的編解碼芯片，Hi3510在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到兼容性和使用的方便性。支持幾乎所有公司生產(chǎn)的系列AD／DA芯片。Hi3510既可以作為獨(dú)立的編碼器工作，也可以作為獨(dú)立的解碼器工作，也可以同時(shí)進(jìn)行編解碼工作，充分考慮到了編解碼市場的各種應(yīng)用場合。Hi3510是一個(gè)典型的多應(yīng)用的單芯片解決方案，大大降低了設(shè)備的BOM組成和成本。
Hi3510的同時(shí)編解碼設(shè)計(jì)方案如圖2所示。
4 Hi3510編解碼應(yīng)用
Hi3510自帶的Linux操作系統(tǒng)(同時(shí)支持Vxworks、WinCE等開放式操作系統(tǒng))和ARM處理器，使得芯片除了編解碼功能外，還可以實(shí)現(xiàn)許多豐富的應(yīng)用功能開發(fā)。在圖2中，只要附加一片普通AD就可實(shí)現(xiàn)復(fù)合視頻信號的數(shù)字化壓縮、存儲和傳輸?shù)墓δ?。Hi3510開發(fā)包提供上層API接口，就可以調(diào)用實(shí)現(xiàn)所有的芯片功能，并能開發(fā)自己的個(gè)性化功能。
Hi3510芯片的編碼應(yīng)用設(shè)計(jì)如圖3所示。
而解碼器應(yīng)用在架構(gòu)設(shè)計(jì)上與編碼器相同(方便方案可以保持一致性，可以實(shí)現(xiàn)一套硬件滿足不同需求，只需要軟件升級)。解碼器只需要配搭DA芯片(如果是LCD數(shù)字屏幕可以節(jié)省該芯片)，就可以實(shí)現(xiàn)把數(shù)據(jù)碼流解碼的作用，并且通過GUI或者OSD實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)互動的菜單操作，實(shí)現(xiàn)PMP等類似功能的產(chǎn)品應(yīng)用。
Hi3510芯片的解碼應(yīng)用設(shè)計(jì)如圖4所示。
H.264標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，為視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸，尤其是低帶寬下（如無線傳輸方式）的傳輸提供了技術(shù)支持。在信息爆炸的今天，市場要求設(shè)計(jì)人員推出產(chǎn)品的速度越來越快，而且為了保持產(chǎn)品的競爭力，在產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品應(yīng)用功能特點(diǎn)上要保持足夠優(yōu)勢，尤其是在多煤體市場領(lǐng)域。海思的SoC芯片在提供了標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，給予設(shè)計(jì)人員最大的靈活度以設(shè)計(jì)合適的產(chǎn)品，大大降低了廠商的投放成本，縮短了廠商的推出新產(chǎn)品的時(shí)間，為贏得市場做準(zhǔn)備。近年來，每一個(gè)便攜式個(gè)人電子設(shè)備似乎都配備了音視頻功能，包括移動電話、便攜式媒體播放器和PDA。這種基于Hi3510設(shè)計(jì)的高性價(jià)比H.264編解碼器一定會有廣闊的市場前景。
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