H.264音視頻編解碼SoC芯片Hi3510的原理和應用

進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )時(shí)代以來(lái)，龐大的信息流帶來(lái)了人類(lèi)文化的豐富，也帶來(lái)了存儲信息的煩惱。尤其是視頻信息的龐大數據，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(mén)的技術(shù)之一，并廣泛地應用在電視、電影、可視電話(huà)、視頻會(huì )議、遠程監控等圖像傳輸和存儲的領(lǐng)域。

H.264視頻壓縮原理

從信息論觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，圖像作為一個(gè)信源，描述信源的數據是信息量(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、結構冗余、知識冗余、視覺(jué)冗余等，數據壓縮實(shí)質(zhì)上是減少這些冗余量?？梢?jiàn)冗余量減少可以減少數據量而不減少信源的信息量。從數學(xué)上講，圖像可以看作一個(gè)多維函數，壓縮描述這個(gè)函數的數據量實(shí)質(zhì)是減少其相關(guān)性。

根據圖像信息的組成元素，H.264采用了幀內預測、幀間預測、運動(dòng)估值和運動(dòng)補償、整數變換等方式，以提高對圖像的壓縮率。其中幀內預測是H.264根據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，采用新的幀內預測模式，通過(guò)當前像素塊的左邊和上邊的像素(已編碼重建的像素)進(jìn)行預測，只對實(shí)際值和預測值的差值進(jìn)行編碼，從而能用較少的比特數來(lái)表達幀內編碼的像素塊信息；而幀間預測通過(guò)多幀參考和更小運動(dòng)預測區域等方法對下一幀進(jìn)行精確預測，從而減少傳輸的數據量，實(shí)現降低圖像的時(shí)域相關(guān)性。H.264把運動(dòng)估值和幀內預測的殘差結果從時(shí)域變換到頻域，使用了類(lèi)似于4×4離散余弦變換(DCT)的整數變換，而不是像MPEG-2和MPEG-4那樣采用8×8 DCT的浮點(diǎn)數變換。以整數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(guò)程中不會(huì )出現適配問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，并且結合量化過(guò)程，保證了在16位計算系統中，計算結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構架，具備強大的視頻處理功能?？蓪?shí)現DVD畫(huà)質(zhì)的實(shí)時(shí)編碼性能，能自適應各種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，確保畫(huà)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,引腳間距為0.8mm，片內集成了包括數字視頻接口、USB、ETH、I2S、I2C、GPIO、SPI、UART、SDRAM、DDR等接口，滿(mǎn)足各種應用場(chǎng)景的設備開(kāi)發(fā)的同時(shí)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(guò)ITU-R BT.601/656接口接收由VADC輸出的數字視頻信息，并通過(guò)AHB總線(xiàn)把接收到的原始圖像寫(xiě)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)行運動(dòng)估計(幀間預測)、幀內預測、DCT變換、量化、熵編碼(CAVLC+Exp-Golomb)、IDCT變換、反量化、運動(dòng)補償等操作，最后將符合H.264協(xié)議的裸碼流和編碼重構幀(作為下一幀的參考幀)寫(xiě)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,應用的需求不同，視頻輸出單元從外存中讀取的圖像內容也不同,當需要對輸入圖像進(jìn)行預覽時(shí)，視頻輸出單元從外存中讀取原始圖像，當需要觀(guān)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,然后送網(wǎng)口發(fā)送，以實(shí)現視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。
　　
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成，集成了豐富的外圍接口，并內部集成包括如數字水印、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(kāi)發(fā)難度，也免除廠(chǎng)商對算法等標準部分的內容進(jìn)行重復開(kāi)發(fā)，大大降低了設備廠(chǎng)商的投入門(mén)檻。配合海思不同應用形態(tài)的開(kāi)發(fā)包，可以開(kāi)發(fā)出PMP、可視電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )監控、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(shí)現

作為SoC架構的編解碼芯片，Hi3510在設計時(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。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(shí)編解碼工作，充分考慮到了編解碼市場(chǎng)的各種應用場(chǎng)合。Hi3510是一個(gè)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(shí)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。
i3510編解碼的應用

Hi3510自帶的Linux操作系統(同時(shí)支持Vxworks、WinCE等開(kāi)放式操作系統)和ARM處理器，使得芯片除了編解碼功能外，還可以實(shí)現許多豐富的應用功能開(kāi)發(fā)。如圖2所示，只要附加一片普通AD就可實(shí)現復合視頻信號的數字化、壓縮和存儲和傳輸的功能。Hi3510開(kāi)發(fā)包提供上層API接口，就可以調用實(shí)現所有的芯片功能，并能開(kāi)發(fā)自己的個(gè)性化功能。圖3為芯片的編碼方案的應用設計。