基于Hi3510的H.264編解碼器的設計與實(shí)現

1 H.264簡(jiǎn)介

H.264是ITU-T和ISO／IEC聯(lián)合制定的最新編碼標準，它最先由ITU-T于1997年提出，目標是提出一種更高性能(相對于當時(shí)的H.263)的視頻編碼標準。相對于其它標準，H.264具有以下特點(diǎn)：

(1) 碼率低。和MPEG-2等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數據量只有MPEG-2的1／2～1／3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節省存儲容量、信道帶寬及用戶(hù)的下載時(shí)間和數據流量收費。

(2) 圖像質(zhì)量高。H.264能提供連續、流暢的高質(zhì)量圖像。

(3) 應用范圍廣。H.264的不同Profile既可以應用于有嚴格時(shí)延限制的實(shí)時(shí)通信中，也可以應用于對時(shí)延要求不高的其他應用中(如視頻存儲、流媒體等等)。

(4) 魯棒性。H.264在設計時(shí)，針對分組交換網(wǎng)如Internet中的分組丟失和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中比特誤碼都提出了相應的工具，使得H.264在這些網(wǎng)絡(luò )中傳播時(shí)具有更強的抗誤碼性能。

(5) 對各種網(wǎng)絡(luò )的友好性。H.264中增加了NAL層，負責將編碼器的輸出碼流適配到各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )中，從而提供了友好的網(wǎng)絡(luò )接口。

H.264之所以能夠達到以上性能，是因為采用了以下一些先進(jìn)的技術(shù)：

首先是幀內預測編碼，充分利用圖像空域相關(guān)性，來(lái)降低碼率。根據像條編碼類(lèi)型，每個(gè)宏塊可以選擇幾種編碼類(lèi)型之一。共有13種預測模式(4×4塊大小9種預測模式，16×16塊大小4種預測模式)，這在以往標準中是沒(méi)有的。

其次是采用新的快速運動(dòng)估值算法UMHexagonS(中國專(zhuān)利)，它是一種運算量相對于H.264中原有的快速全搜索算法可節約90％以上的新算法，全名叫“非對稱(chēng)十字型多層次六邊形格點(diǎn)搜索算法”(unsymmetrical-cross muti-hexagon search)，這是一種整像素運動(dòng)估值算法。由于它在高碼率大運動(dòng)圖像序列編碼時(shí)，在保持較好失真率性能的條件下，運算量十分低，已被H.264標準正式采納。H.264有7種塊匹配模式，編碼時(shí)對其逐一計算，選擇最優(yōu)。例如較為精細的部分采用4×4塊大小，不運動(dòng)的背景可以采用16×16塊大小等等。以往標準只有固定的一種或者兩種塊大小模式。H.264采用多幀參考，最大限度地利用實(shí)域相關(guān)性。參考幀可以從1幀到15幀，以往標準都是單幀參考。還有采用1／4或1／8精度的亞象素運動(dòng)估計，以往標準至多采用1／2精度亞象素搜索，而且不是必選選項。為了消除視頻編碼中常出現的塊效應，H.264使用了去塊效應濾波器。

H.264還采用了整數DCT變換，以提高變換速度，采用CAVLC，CABAC等新的熵編碼方法以提高編碼效果。

H264標準使運動(dòng)圖像壓縮技術(shù)上升到了一個(gè)更高的階段，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應用亮點(diǎn)。H.264因具有較低的傳輸比特率且對存儲的要求較低，基本系統無(wú)需使用版權，具有開(kāi)放的性質(zhì)，目前有望取代MPEG-2。

2 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，能白適應各種網(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)極大減少了網(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)景設備開(kāi)發(fā)的同時(shí)能大大降低設備的BOM成本。

Hi3510的工作原理：視頻輸入單元通過(guò)ITU-RBT.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數據并通過(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，然后送給網(wǎng)口發(fā)送，以實(shí)現視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。

Hi3510的H.264音視頻編解碼SoC邏輯框圖如圖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，使得單芯片能適應幾乎所有的工作，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。

3 Hi3510的編解碼設計方案

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)進(jìn)行編解碼工作，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。

Hi3510的同時(shí)編解碼設計方案如圖2所示。

4 Hi3510編解碼應用

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)。在圖2中，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、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。

Hi3510芯片的編碼應用設計如圖3所示。

而解碼器應用在架構設計上與編碼器相同(方便方案可以保持一致性，可以實(shí)現一套硬件滿(mǎn)足不同需求，只需要軟件升級)。解碼器只需要配搭DA芯片(如果是LCD數字屏幕可以節省該芯片)，就可以實(shí)現把數據碼流解碼的作用，并且通過(guò)GUI或者OSD實(shí)現用戶(hù)人機互動(dòng)的菜單操作，實(shí)現PMP等類(lèi)似功能的產(chǎn)品應用。

Hi3510芯片的解碼應用設計如圖4所示。

H.264標準的應用，為視頻的網(wǎng)絡(luò )傳輸，尤其是低帶寬下（如無(wú)線(xiàn)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)要求設計人員推出產(chǎn)品的速度越來(lái)越快，而且為了保持產(chǎn)品的競爭力，在產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品應用功能特點(diǎn)上要保持足夠優(yōu)勢，尤其是在多煤體市場(chǎng)領(lǐng)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(chǎng)商的投放成本，縮短了廠(chǎng)商的推出新產(chǎn)品的時(shí)間，為贏(yíng)得市場(chǎng)做準備。近年來(lái)，每一個(gè)便攜式個(gè)人電子設備似乎都配備了音視頻功能，包括移動(dòng)電話(huà)、便攜式媒體播放器和PDA。這種基于Hi3510設計的高性?xún)r(jià)比H.264編解碼器一定會(huì )有廣闊的市場(chǎng)前景。