進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(chǔ)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(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,，并廣泛地應(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、視覺冗余等,，數(shù)據(jù)壓縮實(shí)質(zhì)上是減少這些冗余量,。可見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采用了幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測,、運(yùn)動(dòng)估值和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,、整數(shù)變換等方式，以提高對圖像的壓縮率,。其中幀內(nèi)預(yù)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(guān)性，采用新的幀內(nèi)預(yù)測模式,，通過當(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,，只對實(shí)際值和預(yù)測值的差值進(jìn)行編碼，從而能用較少的比特?cái)?shù)來表達(dá)幀內(nèi)編碼的像素塊信息,；而幀間預(yù)測通過多幀參考和更小運(yùn)動(dòng)預(yù)測區(qū)域等方法對下一幀進(jìn)行精確預(yù)測,，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)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(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),，反變換過程中不會(huì)出現(xiàn)適配問題等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合量化過程,，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),。

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(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(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(yīng)用場景的設(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(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)(幀間預(yù)測),、幀內(nèi)預(yù)測、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(yīng)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(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)備廠商的投入門檻,。配合海思不同應(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(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。Hi3510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的各種應(yīng)用場合,。Hi3510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。如圖2所示為芯片同時(shí)編解碼的應(yīng)用,?！　?/p>

圖2：Hi3510是一款典型的多應(yīng)用的單芯片解決方案,。

i3510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2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堋i3510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。圖3為芯片的編碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì),。

圖3：Hi3510芯片編碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì),。

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        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。圖4為芯片的解碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì),。

圖4：Hi3510芯片解碼方案的應(yīng)用設(shè)計(jì),。

本文小結(jié)

        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，市場要求設(shè)計(jì)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(jià)格、產(chǎn)品應(yīng)用功能特點(diǎn)上要保持足夠優(yōu)勢,，尤其是在多媒體市場領(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)人員最大的靈活度以設(shè)計(jì)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(shí)間，為贏得市場做準(zhǔn)備,。

作者：羅勇華

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