H.264音視頻編解碼SoC芯片Hi3510的原理和應用
[導讀]H.264標準的應用，為視頻的網(wǎng)絡傳輸，尤其是低帶寬下(如無線傳輸方式)的傳輸提供了技術支持。在信息爆炸的今天，市場要求設計人員推出產(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)品價格、產(chǎn)品應用功能特點上要保持足夠優(yōu)勢，尤其是在多媒體市場領域。
進入網(wǎng)絡時代以來，龐大的信息流帶來了人類文化的豐富，也帶來了存儲信息的煩惱。尤其是視頻信息的龐大數(shù)據(jù)，催生了視頻壓縮技術的需求。視頻壓縮技術成為多媒體時代最熱門的技術之一，并廣泛地應用在電視、電影、可視電話、視頻會議、遠程監(jiān)控等圖像傳輸和存儲的領域。
H.264視頻壓縮原理
從信息論觀點來看，圖像作為一個信源，描述信源的數(shù)據(jù)是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余量有許多種，如空間冗余、時間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、知識冗余、視覺冗余等，數(shù)據(jù)壓縮實質(zhì)上是減少這些冗余量?？梢娙哂嗔繙p少可以減少數(shù)據(jù)量而不減少信源的信息量。從數(shù)學上講，圖像可以看作一個多維函數(shù)，壓縮描述這個函數(shù)的數(shù)據(jù)量實質(zhì)是減少其相關性。
根據(jù)圖像信息的組成元素，H.264采用了幀內(nèi)預測、幀間預測、運動估值和運動補償、整數(shù)變換等方式，以提高對圖像的壓縮率。其中幀內(nèi)預測是H.264根據(jù)圖像中相鄰像素可能相同的性質(zhì)，利用相鄰像素的相關性，采用新的幀內(nèi)預測模式，通過當前像素塊的左邊和上邊的像素(已編碼重建的像素)進行預測，只對實際值和預測值的差值進行編碼，從而能用較少的比特數(shù)來表達幀內(nèi)編碼的像素塊信息；而幀間預測通過多幀參考和更小運動預測區(qū)域等方法對下一幀進行精確預測，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，實現(xiàn)降低圖像的時域相關性。H.264把運動估值和幀內(nèi)預測的殘差結(jié)果從時域變換到頻域，使用了類似于4×4離散余弦變換(DCT)的整數(shù)變換，而不是像MPEG-2和MPEG-4那樣采用8×8 DCT的浮點數(shù)變換。以整數(shù)為基礎的空間變換具備效果好、計算快(只需加法與移位運算)，反變換過程中不會出現(xiàn)適配問題等優(yōu)點，并且結(jié)合量化過程，保證了在16位計算系統(tǒng)中，計算結(jié)果有最大精度且不會溢出。4×4的變換塊也8×8更能減少塊效應和震鈴效應。
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，具備強大的視頻處理功能。可實現(xiàn)DVD畫質(zhì)的實時編碼性能，能自適應各種網(wǎng)絡環(huán)境，確保畫面的清晰度和實時性，低碼率的H.264編碼技術極大減少網(wǎng)絡存儲空間，并通過集成DES/3DES加解密硬件引擎確保網(wǎng)絡安全。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，滿足各種應用場景的設備開發(fā)的同時能大大降低了設備的BOM成本。
Hi3510的工作原理：視頻輸入單元通過ITU-R BT.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;視頻編解碼器從外存中讀取圖像,進行運動估計(幀間預測)、幀內(nèi)預測、DCT變換、量化、熵編碼(CAVLC+Exp-Golomb)、IDCT變換、反量化、運動補償?shù)炔僮鳎詈髮⒎螲.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并通過ITU-R BT.601/656接口送給VDAC進行顯示,應用的需求不同，視頻輸出單元從外存中讀取的圖像內(nèi)容也不同,當需要對輸入圖像進行預覽時，視頻輸出單元從外存中讀取原始圖像，當需要觀察視頻編碼器的編碼效果時，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行協(xié)議棧的封裝,然后送網(wǎng)口發(fā)送，以實現(xiàn)視頻點播業(yè)務。
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，使得單芯片能適應基乎所有的工作，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準部分的內(nèi)容進行重復開發(fā)，大大降低了設備廠商的投入門檻。配合海思不同應用形態(tài)的開發(fā)包，可以開發(fā)出PMP、可視電話、網(wǎng)絡監(jiān)控、PVR、可視對講等各種產(chǎn)品。
圖1：Hi3510 H.264音視頻編解碼SoC邏輯框圖。
Hi3510編解碼方案的實現(xiàn)
作為SoC架構(gòu)的編解碼芯片，Hi3510在設計時充分考慮到兼容性和使用的方便性。支持幾乎所有的公司生產(chǎn)的系列AD/DA芯片。Hi3510既可以作為獨立的編碼器工作，也可以作為獨立的解碼器工作，也可以同時編解碼工作，充分考慮到了編解碼市場的各種應用場合。Hi3510是一個典型的多應用的單芯片解決方案，大大降低了設備的BOM組成和成本。如圖2所示為芯片同時編解碼的應用。
圖2：Hi3510是一款典型的多應用的單芯片解決方案。
[!--empirenews.page--]i3510編解碼的應用
Hi3510自帶的Linux操作系統(tǒng)(同時支持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，還可以實現(xiàn)許多豐富的應用功能開發(fā)。如圖2所示，只要附加一片普通AD就可實現(xiàn)復合視頻信號的數(shù)字化、壓縮和存儲和傳輸?shù)墓δ?。Hi3510開發(fā)包提供上層API接口，就可以調(diào)用實現(xiàn)所有的芯片功能，并能開發(fā)自己的個性化功能。圖3為芯片的編碼方案的應用設計。
圖3：Hi3510芯片編碼方案的應用設計。
而解碼器應用在架構(gòu)設計上與編碼器相同(方便方案可保持一致性，可實現(xiàn)一套硬件滿足不通需求，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)，就可實現(xiàn)把數(shù)據(jù)碼流解碼的作用，并且通過GUI或者OSD實現(xiàn)用戶人機互動的菜單操作，實現(xiàn)PMP等類似功能的產(chǎn)品應用。圖4為芯片的解碼方案的應用設計。
圖4：Hi3510芯片解碼方案的應用設計。
本文小結(jié)
H.264標準的應用，為視頻的網(wǎng)絡傳輸，尤其是低帶寬下(如無線傳輸方式)的傳輸提供了技術支持。在信息爆炸的今天，市場要求設計人員推出產(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)品價格、產(chǎn)品應用功能特點上要保持足夠優(yōu)勢，尤其是在多媒體市場領域。海思的SoC芯片在提供了標準算法的基礎上，給予設計人員最大的靈活度以設計合適的產(chǎn)品，大大降低了廠商的投入成本，縮短了廠商的推出新產(chǎn)品的時間，為贏得市場做準備。
H.264視頻壓縮原理
從信息論觀點來看，圖像作為一個信源，描述信源的數(shù)據(jù)是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余量有許多種，如空間冗余、時間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、知識冗余、視覺冗余等，數(shù)據(jù)壓縮實質(zhì)上是減少這些冗余量?？梢娙哂嗔繙p少可以減少數(shù)據(jù)量而不減少信源的信息量。從數(shù)學上講，圖像可以看作一個多維函數(shù)，壓縮描述這個函數(shù)的數(shù)據(jù)量實質(zhì)是減少其相關性。
根據(jù)圖像信息的組成元素，H.264采用了幀內(nèi)預測、幀間預測、運動估值和運動補償、整數(shù)變換等方式，以提高對圖像的壓縮率。其中幀內(nèi)預測是H.264根據(jù)圖像中相鄰像素可能相同的性質(zhì)，利用相鄰像素的相關性，采用新的幀內(nèi)預測模式，通過當前像素塊的左邊和上邊的像素(已編碼重建的像素)進行預測，只對實際值和預測值的差值進行編碼，從而能用較少的比特數(shù)來表達幀內(nèi)編碼的像素塊信息；而幀間預測通過多幀參考和更小運動預測區(qū)域等方法對下一幀進行精確預測，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，實現(xiàn)降低圖像的時域相關性。H.264把運動估值和幀內(nèi)預測的殘差結(jié)果從時域變換到頻域，使用了類似于4×4離散余弦變換(DCT)的整數(shù)變換，而不是像MPEG-2和MPEG-4那樣采用8×8 DCT的浮點數(shù)變換。以整數(shù)為基礎的空間變換具備效果好、計算快(只需加法與移位運算)，反變換過程中不會出現(xiàn)適配問題等優(yōu)點，并且結(jié)合量化過程，保證了在16位計算系統(tǒng)中，計算結(jié)果有最大精度且不會溢出。4×4的變換塊也8×8更能減少塊效應和震鈴效應。
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，具備強大的視頻處理功能。可實現(xiàn)DVD畫質(zhì)的實時編碼性能，能自適應各種網(wǎng)絡環(huán)境，確保畫面的清晰度和實時性，低碼率的H.264編碼技術極大減少網(wǎng)絡存儲空間，并通過集成DES/3DES加解密硬件引擎確保網(wǎng)絡安全。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，滿足各種應用場景的設備開發(fā)的同時能大大降低了設備的BOM成本。
Hi3510的工作原理：視頻輸入單元通過ITU-R BT.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;視頻編解碼器從外存中讀取圖像,進行運動估計(幀間預測)、幀內(nèi)預測、DCT變換、量化、熵編碼(CAVLC+Exp-Golomb)、IDCT變換、反量化、運動補償?shù)炔僮鳎詈髮⒎螲.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并通過ITU-R BT.601/656接口送給VDAC進行顯示,應用的需求不同，視頻輸出單元從外存中讀取的圖像內(nèi)容也不同,當需要對輸入圖像進行預覽時，視頻輸出單元從外存中讀取原始圖像，當需要觀察視頻編碼器的編碼效果時，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行協(xié)議棧的封裝,然后送網(wǎng)口發(fā)送，以實現(xiàn)視頻點播業(yè)務。
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，使得單芯片能適應基乎所有的工作，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準部分的內(nèi)容進行重復開發(fā)，大大降低了設備廠商的投入門檻。配合海思不同應用形態(tài)的開發(fā)包，可以開發(fā)出PMP、可視電話、網(wǎng)絡監(jiān)控、PVR、可視對講等各種產(chǎn)品。
圖1：Hi3510 H.264音視頻編解碼SoC邏輯框圖。
Hi3510編解碼方案的實現(xiàn)
作為SoC架構(gòu)的編解碼芯片，Hi3510在設計時充分考慮到兼容性和使用的方便性。支持幾乎所有的公司生產(chǎn)的系列AD/DA芯片。Hi3510既可以作為獨立的編碼器工作，也可以作為獨立的解碼器工作，也可以同時編解碼工作，充分考慮到了編解碼市場的各種應用場合。Hi3510是一個典型的多應用的單芯片解決方案，大大降低了設備的BOM組成和成本。如圖2所示為芯片同時編解碼的應用。
圖2：Hi3510是一款典型的多應用的單芯片解決方案。
[!--empirenews.page--]i3510編解碼的應用
Hi3510自帶的Linux操作系統(tǒng)(同時支持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，還可以實現(xiàn)許多豐富的應用功能開發(fā)。如圖2所示，只要附加一片普通AD就可實現(xiàn)復合視頻信號的數(shù)字化、壓縮和存儲和傳輸?shù)墓δ?。Hi3510開發(fā)包提供上層API接口，就可以調(diào)用實現(xiàn)所有的芯片功能，并能開發(fā)自己的個性化功能。圖3為芯片的編碼方案的應用設計。
圖3：Hi3510芯片編碼方案的應用設計。
而解碼器應用在架構(gòu)設計上與編碼器相同(方便方案可保持一致性，可實現(xiàn)一套硬件滿足不通需求，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)，就可實現(xiàn)把數(shù)據(jù)碼流解碼的作用，并且通過GUI或者OSD實現(xiàn)用戶人機互動的菜單操作，實現(xiàn)PMP等類似功能的產(chǎn)品應用。圖4為芯片的解碼方案的應用設計。
圖4：Hi3510芯片解碼方案的應用設計。
本文小結(jié)
H.264標準的應用，為視頻的網(wǎng)絡傳輸，尤其是低帶寬下(如無線傳輸方式)的傳輸提供了技術支持。在信息爆炸的今天，市場要求設計人員推出產(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)品價格、產(chǎn)品應用功能特點上要保持足夠優(yōu)勢，尤其是在多媒體市場領域。海思的SoC芯片在提供了標準算法的基礎上，給予設計人員最大的靈活度以設計合適的產(chǎn)品，大大降低了廠商的投入成本，縮短了廠商的推出新產(chǎn)品的時間，為贏得市場做準備。
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