基于NiosII的低碼率實(shí)時(shí)H.264視頻編碼器

引 言

　　H．264標(biāo)準(zhǔn)作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是面向多比特率的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，也稱JVT／AVC標(biāo)準(zhǔn)，既可用于高碼率的HDTV和數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)，也可用于低碼率的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。在相同的圖像質(zhì)量情況下，H．264比H．263和MPEG一4可以節(jié)省20％～50％的碼率。就其基本檔次而言，編碼器的復(fù)雜度是H．263的10倍左右。H．264良好的網(wǎng)絡(luò)親和性和優(yōu)異的壓縮性能使其成為視頻應(yīng)用的首選，但其巨大的運(yùn)算量成為許多應(yīng)用的瓶頸。筆者基于NiosII設(shè)計(jì)了一種低碼率實(shí)時(shí)應(yīng)用的編碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用FPGA的并行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)視頻數(shù)據(jù)采用高壓縮比的H．264標(biāo)準(zhǔn)編碼，能很好地滿足低碼率實(shí)時(shí)編碼的要求。

　　1 H．264編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)H．264／AVC編碼器原理及結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到現(xiàn)有硬件資源的限制以及該設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了圖1所示的H．264／AVC編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

攝像頭攝入的視頻圖像首先經(jīng)過(guò)視頻采集模塊處理，并將當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)存入SRAM。然后，以宏塊MB(macroblock)為單元，從SRAM中讀取原始圖像，并根據(jù)MB所在圖像幀內(nèi)的位置，讀取重建幀中的參考像素進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)宏塊與當(dāng)前宏塊像素做差即可得到預(yù)測(cè)殘差。接下來(lái)，對(duì)殘差圖像進(jìn)行整數(shù)DCT變換或Had—amard變換，并對(duì)變換輸出進(jìn)行量化。量化輸出的殘差圖像一方面通過(guò)反變換和反量化處理生成重建圖像供幀內(nèi)預(yù)測(cè)作為參考，另一方面經(jīng)過(guò)重排序、熵編碼處理得到最終的圖像壓縮碼流輸出。

　　根據(jù)H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)，將所設(shè)計(jì)的整個(gè)編碼系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為圖像采集、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、變換量化、熵編碼等幾個(gè)主要部分。各個(gè)模塊之間通過(guò)流水線的方式進(jìn)行處理，可以有效地提高硬件的執(zhí)行效率。

　　2 基于Cyclone II FPGA的H．264編碼器的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用SOPC的設(shè)計(jì)方式，主要由視頻采集模塊、NiosII處理器系統(tǒng)組成。采用Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將視頻采集、NiosII處理器集成到一個(gè)SOPC系統(tǒng)中。其中NiosII處理器系統(tǒng)要承擔(dān)圖像采集控制、圖像的H．264壓縮編碼工作。為了保證實(shí)時(shí)性，在充分分析H．264軟件算法運(yùn)行時(shí)間后，采用自定義模塊對(duì)H．264編碼器關(guān)鍵算法進(jìn)行硬件加速。

　　2．1 視頻采集模塊

　　視頻采集是視頻圖像處理、傳輸?shù)那疤?，采集到的?shù)字視頻圖像好壞將直接影響到視頻處理的結(jié)果。圖2給出了圖像處理系統(tǒng)的視頻采集結(jié)構(gòu)。

　ADI公司的多制式視頻解碼芯片ADV7181B對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADV7181B可以自動(dòng)檢測(cè)諸如NTSC、PAL和SEC0M制式的基帶視頻信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為基于4：2：2取樣的16／8位兼容的CCIR601／CCIR656格式的數(shù)字視頻信號(hào)；具有6路模擬視頻輸入端口，且采用單一的27 MHz晶振時(shí)鐘輸入；用戶可以通過(guò)兩線的I2C接口對(duì)ADV7181B的工作模式進(jìn)行配置。

　　系統(tǒng)上電時(shí)，首先使用I2C模塊對(duì)ADV7181B的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。由于攝像頭輸出的是PAL制式的模擬視頻信號(hào)，因此需要相應(yīng)地將ADV7181B配置為PAL制式的模擬視頻信號(hào)輸入，并將其轉(zhuǎn)換為CCIR656格式的數(shù)字視頻信號(hào)。ADV7181B將轉(zhuǎn)換得到的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻圖像的亮度信號(hào)、色度信號(hào)(TD_DAT)以及行、場(chǎng)同步信號(hào)(TD_HS／VS)同時(shí)輸入到FPGA芯片中，通過(guò)圖像采集模塊提取需要的數(shù)字圖像信息，并將其轉(zhuǎn)存至AlteraDE2開(kāi)發(fā)板提供的具有512 KB存儲(chǔ)容量的SRAM中，用于緩存待處理圖像幀。

　　下面介紹圖像采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

　　根據(jù)上面對(duì)視頻采集部分硬件結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)了圖3所示的視頻采集模塊結(jié)構(gòu)框圖?？梢钥闯?，圖像采集模塊主要包含圖像提取、色度取樣率變換、Y／Cb／Cr圖像分量分離以及圖像緩存SRAM讀寫(xiě)控制等單元。

其中圖像提取子模塊在H．264／AVC編碼模塊的視頻采集控制信息的控制下，從ADV7181B轉(zhuǎn)換輸出的PAL制數(shù)字視頻圖像中提取需要的圖像數(shù)據(jù)。攝像頭采集的實(shí)際圖像大小為768×576像素的隔行掃描視頻輸入信號(hào)，其中基數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)在時(shí)間上先后輸入。由于系統(tǒng)處理的圖像大小為320×240像素，因此需要對(duì)輸入的數(shù)字視頻進(jìn)行截取，以滿足系統(tǒng)的處理要求。

　　考慮到在一幀圖像中的頂場(chǎng)與底場(chǎng)數(shù)據(jù)差異不大，因此在對(duì)圖像進(jìn)行截取時(shí)，僅對(duì)底場(chǎng)中間240行的連續(xù)320個(gè)相鄰像素點(diǎn)進(jìn)行提取，以輸出320×240像素的視頻圖像數(shù)據(jù)。其具體提取流程如圖4所示。

　H．264／AVC支持對(duì)色度取樣為4：2：O格式的逐行或隔行掃描數(shù)字圖像進(jìn)行處理，因此需要對(duì)提取的數(shù)字圖像進(jìn)行色度取樣率變換。通過(guò)對(duì)相鄰奇數(shù)行和偶數(shù)行的色度圖像分量進(jìn)行簡(jiǎn)單的平均，可實(shí)現(xiàn)由4：4：4向4：2：O的色度取樣率變換，如圖5所示。

經(jīng)過(guò)取樣率變換后的圖像數(shù)據(jù)需要根據(jù)Y／Cb／Cr圖像類型在SRAM中分片區(qū)緩存，以方便后續(xù)的H_264的編碼處理。圖6給出了實(shí)際圖像的色度分量在取樣率變換前后的效果。