H.264數(shù)字音視頻編解碼SoC芯片Hi3510的原理和應(yīng)用

引言

人類對(duì)信息的追求，從簡(jiǎn)單的結(jié)繩紀(jì)事、符號(hào)記錄到圖形并茂，到后來(lái)的音視頻影片，一直在追求人類最實(shí)際的感官享受，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息爆炸，龐大的信息流帶來(lái)了人類文化的豐富，也帶來(lái)了存儲(chǔ)信息的煩惱。尤其是視頻信息的龐大數(shù)據(jù)，所以催生了視頻壓縮技術(shù)的需求。視頻壓縮技術(shù)成為多媒體時(shí)代最熱門的技術(shù)之一，并廣泛的應(yīng)用在電視、電影、可視電話、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控等圖像傳輸和存儲(chǔ)的領(lǐng)域。

H.264視頻壓縮原理

從信息論觀點(diǎn)來(lái)看，圖像作為一個(gè)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(shí)間冗余，結(jié)構(gòu)冗余，知識(shí)冗余，視覺(jué)冗余等，數(shù)據(jù)壓縮實(shí)質(zhì)上是減少這些冗余量?？梢?jiàn)冗余量減少可以減少數(shù)據(jù)量而不減少信源的信息量。從數(shù)學(xué)上講，圖像可以看作一個(gè)多維函數(shù)，壓縮描述這個(gè)函數(shù)的數(shù)據(jù)量實(shí)質(zhì)是減少其相關(guān)性。

根據(jù)圖像信息的組成元素，H.264采用了包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估值和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、整數(shù)變換等方式，以提高對(duì)圖像的壓縮率。其中幀內(nèi)預(yù)測(cè)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(guān)性，采用新的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，通過(guò)當(dāng)前像素塊的左邊和上邊的像素（已編碼重建的像素）進(jìn)行預(yù)測(cè)，只對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行編碼，從而能用較少的比特?cái)?shù)來(lái)表達(dá)幀內(nèi)編碼的像素塊信息；而幀間預(yù)測(cè)通過(guò)多幀參考和更小運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)區(qū)域等方法對(duì)下一幀進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)降低圖像的時(shí)域相關(guān)性。H.264把運(yùn)動(dòng)估值和幀內(nèi)預(yù)測(cè)的殘差結(jié)果從時(shí)域變換到頻域，使用了類似于4×4離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)的整數(shù)變換，而不是像MPEG2和MPEG4那樣采用8×8DCT的浮點(diǎn)數(shù)變換。以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換具備效果好、計(jì)算快（只需加法與移位運(yùn)算），反變換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)適配問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合量化過(guò)程，保證了在16位計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算結(jié)果有最大精度且不會(huì)溢出。4×4的變換塊也8×8更能減少塊效應(yīng)和震鈴效應(yīng)。

H.264基本編碼框圖

Hi3510工作原理

HI3510是海思公司推廣的一款基于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)編碼性能，能自適應(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)極大減少網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間，并通過(guò)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,管腳間距為0.8mm，片內(nèi)集成了包括數(shù)字視頻接口、USB，ETH、I2S、I2C、GPIO、SPI、UART、SD RAM、DDR等接口，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)備開發(fā)的同時(shí)能大大降低了設(shè)備的BOM成本。

Hi3510的工作原理：視頻輸入單元通過(guò)ITU-R BT.601/656接口接收由VADC輸出的數(shù)字視頻信息，并通過(guò)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)(幀間預(yù)測(cè))、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、DCT變換、量化、熵編碼(CAVLC+Exp-Golomb)、IDCT變換、反量化、運(yùn)動(dòng)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并通過(guò)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(duì)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(duì)視頻編碼器輸出的碼流進(jìn)行協(xié)議棧的封裝,然后送網(wǎng)口發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。

如上圖所示，該芯片由ARM＋DSP＋Video Codec Accelerator＋Graphics Engine Scaler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，使得單芯片能滿足基本所有的工作，降低與其它芯片配合的開發(fā)難度，也免除廠家對(duì)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)備廠家的投入門檻。配合海思不通應(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(duì)講等各種產(chǎn)品。

Hi3510編解碼方案的實(shí)現(xiàn)

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。支持幾乎所有的公司生產(chǎn)的系列AD/DA芯片。Hi510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)編解碼工作，充分考慮到了編解碼市場(chǎng)的各種應(yīng)用場(chǎng)合。Hi3510的是一個(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。如下圖所示為芯片同時(shí)編解碼的應(yīng)用。

Hi3510編解碼的應(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)。如圖下圖所示，只要附加一片普通AD就可實(shí)現(xiàn)復(fù)合視頻信號(hào)的數(shù)字化、壓縮和存儲(chǔ)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。下圖為芯片的編碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

而解碼器應(yīng)用在架構(gòu)設(shè)計(jì)上與編碼器相同（方便方案可保持一致性，可實(shí)現(xiàn)一套硬件滿足不通需求，只需要軟件升級(jí)）。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(shí)現(xiàn)把數(shù)據(jù)碼流解碼的作用，并且通過(guò)GUI或者OSD實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)互動(dòng)的菜單操作，實(shí)現(xiàn)PMP等類似功能的產(chǎn)品應(yīng)用。下圖為芯片的解碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)

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(wú)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(chǎng)要求設(shè)計(jì)人員推出產(chǎn)品的速度越來(lái)越快，而且為了保持產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，尤其是在多媒體市場(chǎng)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)人員最大的靈活度設(shè)計(jì)合適的產(chǎn)品，大大降低了廠家的投入成本，縮短了廠家的推出新產(chǎn)品的時(shí)間，為贏得市場(chǎng)做準(zhǔn)備。