基于ADV212的高清視頻壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 隨著社會(huì)信息量的增大，人們對(duì)多媒體視頻壓縮的要求越來越高，“高壓縮、低比特速率”的高清視頻壓縮已廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)療設(shè)備、軍事偵察、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。ADI公司最新推出的ADV212是一款具有實(shí)時(shí)壓縮／解壓縮標(biāo)準(zhǔn)(SD)視頻信號(hào)和高清晰度(HDTV)視頻信號(hào)功能的器件，具有可靠性好、配置靈活、支持視頻格式多樣等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種視頻格式的數(shù)據(jù)處理。本文介紹了基于ADV212高清視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)可支持SMPTE274M(1080i)視頻實(shí)時(shí)編碼。

1 ADV212的編解碼原理
    圖l所示為ADV212的功能圖，主要由像素接口、小波變換引擎、熵編／解碼器、嵌入式RISC處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和內(nèi)外部DMA等組成。操作的基本流程是視頻或像素?cái)?shù)據(jù)通過ADV212像素接口輸入，有效采樣值則經(jīng)過隔行掃描傳輸?shù)叫〔ㄗ儞Q引擎中(小波變換引擎，可以對(duì)碼塊進(jìn)行高達(dá)6級(jí)的小波分解)。進(jìn)入小波變換引擎的數(shù)據(jù)被分瓦片或幀，每個(gè)瓦片或幀將通過5／3定點(diǎn)運(yùn)算或9／7浮點(diǎn)運(yùn)算濾波器分解成許多子帶，并生成相對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)，然后寫入內(nèi)部寄存器中。3個(gè)熵編／解碼器用來對(duì)小波系數(shù)的編碼塊進(jìn)行背景建模和算術(shù)編碼，并在壓縮過程中計(jì)算最佳速率和失真度。熵編碼形成的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)碼流被存入代碼FIFO中。代碼FIFO主要緩沖內(nèi)部高速總線和低速主機(jī)接口。碼流數(shù)據(jù)可通過共用的讀寫存取協(xié)議(，ADDR)從主機(jī)接口輸出，或者通過DREQ／DACK協(xié)議由外部DMA控制器協(xié)調(diào)下的外部DMA引擎輸出。內(nèi)部DMA引擎完成存儲(chǔ)器之間以及各模塊和存儲(chǔ)器之間的高帶寬、高性能傳輸。RISC處理器具有每一個(gè)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷控制器、標(biāo)準(zhǔn)總線接口及定時(shí)器計(jì)數(shù)器所對(duì)應(yīng)的ROM和RAM。

2 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本方案作為實(shí)現(xiàn)高清視頻數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，首先從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和性價(jià)比上考慮，采用FPGA+ADV212來實(shí)現(xiàn)。
    視頻解碼器選取：視頻解碼器選用ADV7402型高清視頻解碼器。它采用10位ADC，12個(gè)模擬輸入，支持標(biāo)清(480i，NTSC，PAL，SECAM)、高清(1080i，720p)和圖形RGB輸入(1 280xl 024@60 Hz)，可以實(shí)現(xiàn)與ADV212無縫連接。
    ADV212片數(shù)選取：1個(gè)10 bit的高清晰度(HDTV)視頻信號(hào)，輸入數(shù)據(jù)傳輸率大約為124 Ms／s，而ADV212像素接口輸入速率限制，在不可逆模式下為65 MS／s，可逆模式下為32 MS／s。這就要求系統(tǒng)至少要由2片ADV212組成，本系統(tǒng)選擇2片ADV212壓縮器件，YCbCr數(shù)據(jù)采取在4：2：2格式，分別完成亮度(Y)和色度(CbCr)的數(shù)據(jù)壓縮處理，輸入數(shù)據(jù)使用是EAV／SAV編碼格式。圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本方案包括視頻采集解碼模塊、視頻圖像JEPG200壓縮模塊、壓縮合并模塊、邏輯控制模塊和通信輸出模塊。

    FPGA選取：選用Altera公司的CycloneIII系列EP3C55F484C8器件，其具有328個(gè)用戶I／O，55 856個(gè)可用邏輯元，312個(gè)嵌入式乘法器單元和4個(gè)鎖相環(huán)，可輕松實(shí)現(xiàn)ADV212初始化及壓縮數(shù)據(jù)捕獲和亮度壓縮數(shù)據(jù)與色度壓縮數(shù)據(jù)的合并等功能。

3 ADV212器件初始化流程和參數(shù)配置
3．1 ADV212初始化流程
    ADV212初始化程序依據(jù)特定的指令命令配置ADV212內(nèi)部直接寄存器和間接寄存器來完成。圖3所示為ADV212編碼初始化流程，初始化程序從PLL寄存器、BOOT寄存器、MMODE寄存器和BUSMODE寄存器等直接寄存器的接入開始，訪問直接寄存器時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)必須保持輸入管腳ADDR，，和HDATA(寫)的狀態(tài)。當(dāng)裝載完固件和配置參數(shù)后，軟件重啟，然后再次配置BUSMODE和MMODE寄存器和應(yīng)用特殊寄存器。下一步，要確定正確的固件被應(yīng)用ID裝載。正確的固件裝載能被EIRQFLG寄存器的中斷或投票程序證實(shí)。當(dāng)你確定固件連接裝載和EIRQFLG寄存器清零后。編碼開始。
3．2 ADV212參數(shù)配置
    時(shí)鐘配置：高清視頻1080i要求VCLK為74．25 MHz。根據(jù)ADV212的數(shù)據(jù)表，JCLK必須至少為2VCLK，因此最大的脈沖頻率推薦為0．35J-CLK，這接近50 MHz，這是最大的讀寫脈沖頻率。
    總線及DMA配置：HDTV(1080i)應(yīng)用時(shí)，2個(gè)ADV212必須工作在不可逆最大傳輸率為65 MS／s模式，視頻輸入采取32位VDATA總線(像素接口)，壓縮數(shù)據(jù)輸出采取2個(gè)ADV212共享32位HDATA總線(主機(jī)接口)。初始化ADV212選擇屬性類型5(ATTRTYPE)，屬性數(shù)據(jù)讀取采用單一傳輸?shù)腄REQ／DACK DMA模式，碼流讀取采取脈沖傳輸DREQ／DACK DMA模式。

    如圖3所示。根據(jù)ADV212的直接寄存器配置，設(shè)定ADV212內(nèi)部時(shí)鐘、總線模式、間接寄存器訪問模式等。ADV212_l和ADV212_2初始化流程說明如下：PLL_HIOx008h、PLL_HO，0x0084：設(shè)置VCLK為74．25 MHz；BOOT：0x008A引導(dǎo)模式用來那上否裝載；BUSMODE：0x000A設(shè)置主機(jī)控制數(shù)據(jù)寬度和DMA數(shù)據(jù)寬度為32位；MMODE：0x000A設(shè)置間接數(shù)據(jù)存取位數(shù)和間接地址步長(zhǎng)大小為32位；IADDR：Ox00050000設(shè)置程序存儲(chǔ)的起始點(diǎn)；IDATA：0x********在程序存儲(chǔ)器裝載程序；BOOT Ox008D軟件重啟；BUSMODE0x000A重新設(shè)置主機(jī)控制數(shù)據(jù)寬度和DMA數(shù)據(jù)寬度為32位：MMODE 0x000A重新設(shè)置間接數(shù)據(jù)存取位數(shù)和間接地址步長(zhǎng)大小為32位。ADV212的參數(shù)根據(jù)IADDR和IDATA設(shè)置，參數(shù)配置說明如下：IADDR 0x00057F00 ADV212_1和ADV212_2的編碼參數(shù)起始地址；IDATA 0x02010503(ADV212_1)、0x03010503(ADV212_2)02=1080i亮度(03=1080i色度)；0l=10位精度；05=5級(jí)小波變換；03=Y，C單級(jí)；IDATA 0x03000000 03=碼塊大小為128x32；00=不可逆9x7小波；00=跳過無字節(jié)區(qū)域；00=無屬性數(shù)據(jù)輸出；IDATA0x01019500(ADV212_1)、0x01008700(ADV212_2) Ol=目標(biāo)視頻域，幀大??；019500=10：1壓縮率(008700=30：1壓縮率)；IDATA 0x00000001 00=LRCP級(jí)數(shù)格式；00=EAV．SAV編碼，所有陰極同步；00=Qfaetor是1X；01=編碼格式是．j2c；IDATA0x00000000保存參數(shù)。
    上述配置好以后，ADV212_1和ADV212_2的EIRQFLG(地址Ox6h)寫入0x0400去清除軟件中斷(SEIRQ0)并開始程序，當(dāng)DREQ0變?yōu)橛行В珹DV2-12準(zhǔn)備從CODE FIFO傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)按照ADV212特定時(shí)序說明開始數(shù)據(jù)傳輸。

4 FPGA結(jié)構(gòu)功能
    圖4為FPGA內(nèi)部邏輯組成，F(xiàn)PGA主要由以下功能模塊組成：1)主機(jī)邏輯，基于Nios的嵌入式主機(jī)邏輯模塊，主要實(shí)現(xiàn)2片ADV212的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADV212的初始化和固件下載；2)ADV212仲裁邏輯，實(shí)現(xiàn)2片ADV212壓縮數(shù)據(jù)同步，應(yīng)答總線判斷狀態(tài)的應(yīng)答信號(hào)功能；3)Y／C合并邏輯，該部分根據(jù)讀出的屬性和代碼信息，實(shí)現(xiàn)亮度壓縮數(shù)據(jù)與色度壓縮數(shù)據(jù)的合并功能；4)數(shù)據(jù)緩沖控制模塊，緩沖外部DMA通道讀取速率和亮度／色度合并邏輯模塊間的數(shù)據(jù)流。

    在FPGA主控模塊中，要確保ADV212加載了正確的固件，通過4個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：第1步是向外部中斷使能寄存器中寫入0x0400來屏蔽軟件中斷0位：第2步等待到中斷引腳IRQ被拉低，第3步檢查外部中斷標(biāo)記寄存器的EIRQFlLG[10]位是否被設(shè)置，第4步從軟件標(biāo)記寄存器中讀應(yīng)用標(biāo)識(shí)，如果讀到的是0XFF82，則說明固件加載正確，系統(tǒng)可以開始工作。
    系統(tǒng)開始工作時(shí)，F(xiàn)PGA在仲裁，控制模塊中將從ADV212屬性FIFO中讀取的分區(qū)字節(jié)數(shù)信息進(jìn)行分析判斷，數(shù)據(jù)緩沖控制模塊將ADV212代碼FIFO中讀到的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存。仲裁／控制模塊分析結(jié)果來控制亮度／色度合并邏輯模塊，碼流從Y數(shù)據(jù)開始從兩個(gè)器件相對(duì)部分(Y和CbCr)交錯(cuò)合并，輸出到緩沖器再由通信端口輸出。

5 結(jié)束語
    基于FPGA+ADV212結(jié)構(gòu)的高清視頻壓縮系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高清視頻(YCbCr 4：2：2格式)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，本系統(tǒng)具有性價(jià)比高、可靠性好、調(diào)整靈活、壓縮信號(hào)易恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。但本系統(tǒng)采用的是不可逆9／7小波變換，視頻處理具有一定的失真，為獲取1080i視頻信號(hào)具有更好的特性(如無損壓縮)，建議用3片或3片以上的ADV212來處理信號(hào)，信號(hào)格式可采取YCbCr 4：4：4格式。隨著JPEG2000的廣泛應(yīng)用，專用圖像壓縮器件ADV212必將被越來越多地應(yīng)用到視頻和圖像壓縮方面的領(lǐng)域中。