基于NiosII的低碼率實時H.264視頻編碼器

關鍵詞： NiosII , 視頻編碼

引言

H．264標準作為新一代視頻編碼標準，是面向多比特率的視頻編碼標準，也稱JVT／AVC標準，既可用于高碼率的HDTV和數字存儲系統，也可用于低碼率的實時通信系統。在相同的圖像質量情況下，H．264比H．263和MPEG一4可以節省20％～50％的碼率。就其基本檔次而言，編碼器的復雜度是 H．263的10倍左右。H．264良好的網絡親和性和優異的壓縮性能使其成為視頻應用的首選，但其巨大的運算量成為許多應用的瓶頸。筆者基于 NiosII設計了一種低碼率實時應用的編碼系統。該系統充分利用FPGA的并行設計結構，對視頻數據采用高壓縮比的H．264標準編碼，能很好地滿足低碼率實時編碼的要求。

1 H．264編碼系統結構設計

根據H．264／AVC編碼器原理及結構，同時考慮到現有硬件資源的限制以及該設計的應用需求，設計了圖1所示的H．264／AVC編碼系統結構。

2010-5-24 14:53:19 上傳

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攝像頭攝入的視頻圖像首先經過視頻采集模塊處理，并將當前幀的圖像數據存入SRAM。然后，以宏塊MB(macroblock)為單元，從SRAM中讀取原始圖像，并根據MB所在圖像幀內的位置，讀取重建幀中的參考像素進行幀內預測，并將預測宏塊與當前宏塊像素做差即可得到預測殘差。接下來，對殘差圖像進行整數DCT變換或Had—amard變換，并對變換輸出進行量化。量化輸出的殘差圖像一方面通過反變換和反量化處理生成重建圖像供幀內預測作為參考，另一方面經過重排序、熵編碼處理得到最終的圖像壓縮碼流輸出。

根據H．264／AVC標準，將所設計的整個編碼系統從結構上劃分為圖像采集、幀內預測、變換量化、熵編碼等幾個主要部分。各個模塊之間通過流水線的方式進行處理，可以有效地提高硬件的執行效率。

2 基于Cyclone II FPGA的H．264編碼器的實現

系統采用SOPC的設計方式，主要由視頻采集模塊、NiosII處理器系統組成。采用Altera公司的DE2開發板為開發平臺，將視頻采集、 NiosII處理器集成到一個SOPC系統中。其中NiosII處理器系統要承擔圖像采集控制、圖像的H．264壓縮編碼工作。為了保證實時性，在充分分析H．264軟件算法運行時間后，采用自定義模塊對H．264編碼器關鍵算法進行硬件加速。
2．1 視頻采集模塊

視頻采集是視頻圖像處理、傳輸的前提，采集到的數字視頻圖像好壞將直接影響到視頻處理的結果。圖2給出了圖像處理系統的視頻采集結構。

2010-5-24 14:53:19 上傳

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ADI公司的多制式視頻解碼芯片ADV7181B對采集的視頻圖像進行模數轉換。ADV7181B可以自動檢測諸如NTSC、PAL和SEC0M制式的基帶視頻信號，并將其轉換為基于4：2：2取樣的16／8位兼容的CCIR601／CCIR656格式的數字視頻信號；具有6路模擬視頻輸入端口，且采用單一的27 MHz晶振時鐘輸入；用戶可以通過兩線的I2C接口對ADV7181B的工作模式進行配置。

系統上電時，首先使用I2C模塊對ADV7181B的內部寄存器進行配置。由于攝像頭輸出的是PAL制式的模擬視頻信號，因此需要相應地將 ADV7181B配置為PAL制式的模擬視頻信號輸入，并將其轉換為CCIR656格式的數字視頻信號。ADV7181B將轉換得到的實時數字視頻圖像的亮度信號、色度信號(TD_DAT)以及行、場同步信號(TD_HS／VS)同時輸入到FPGA芯片中，通過圖像采集模塊提取需要的數字圖像信息，并將其轉存至AlteraDE2開發板提供的具有512 KB存儲容量的SRAM中，用于緩存待處理圖像幀。

下面介紹圖像采集模塊的設計與實現方法。

根據上面對視頻采集部分硬件結構的分析，設計了圖3所示的視頻采集模塊結構框圖。可以看出，圖像采集模塊主要包含圖像提取、色度取樣率變換、 Y／Cb／Cr圖像分量分離以及圖像緩存SRAM讀寫控制等單元。

2010-5-24 14:53:19 上傳

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2011-09-12 12:52:21

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H.264視頻編碼器在DM6437上的優化實現

為了實現基于DSP的H.264視頻編碼器的實時性能，提出了一系列優化實現方法。首先結合TMS320DM6437硬件特點，描述了X264代碼向TMS320DM6437平臺的移植過程和優化方法，重點介紹了整數DCT變換

2012-05-22 15:10:25

視頻復雜度自適應的H.264基本單元層碼率控制方法

視頻復雜度自適應的H.264基本單元層碼率控制方法

2015-11-18 16:37:32

基于PowerPC的H.264編碼器中斷處理程序解析

基于PowerPC的H.264編碼器中斷處理程序解析

2016-01-04 15:26:58

基于DSP的H.264編碼器的電路設計方案

的同時引入許多全新的編碼技術和網絡適配層NAL的概念，從而擁有更高的編碼效率和更好的網絡適配性。為從低碼率的實時通信系統或無線環境到高碼率的HDTV和數字存儲系統提供一個優良的視頻壓縮編碼通用工具。但H.264標準優異的性能表現是以編碼運算復雜度和運算量大為代價，在通用的

2017-10-26 16:34:26

在嵌入式平臺PXA255上實現新一代視頻壓縮標準h.264編碼算法

效率和更好的網絡適應能力，在相同的圖像質量下，h.264所需碼率約為MPEG.2的36％、H.263的5l％、MPEG-4的61％u-31。這些優勢將使h.264在實時視頻通信、廣播電視、視頻存儲播放等領域中得到應用M。伴隨著效率的提高，算法的復雜度也提高很多，因此需要研究h.264的壓縮

2017-10-27 13:22:06

H.264視頻編碼算法的認識與理解

　H.264，同時也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC動態圖像專家組（MPEG）聯合組成的聯合視頻組（JVT，Joint Video Team）提出

2017-12-01 14:08:13

4342

基于H.264編碼視頻的網絡傳輸跟蹤評價方法

隨著編碼視頻在網絡流量中占比的不斷增長，視頻傳輸機制的性能評估變得越來越重要。論文提出來一個基于H．264視頻編碼標準機制的視頻傳輸網絡跟蹤綜合評價方法，對視頻網絡傳輸的性能評估主要從兩方面提出

2017-12-21 15:30:24

利用FPGA的并行設計結構實現低碼率實時應用H．264標準編碼系統設計

H．264標準作為新一代視頻編碼標準，是面向多比特率的視頻編碼標準，也稱JVT／AVC標準，既可用于高碼率的HDTV和數字存儲系統，也可用于低碼率的實時通信系統。在相同的圖像質量情況下，H．264比H．263和MPEG一4可以節省20％～50％的碼率。

2018-11-19 09:40:00

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針對DSP、ASIC與FPGA三種產品平臺的H.264編碼器方案

目前的視頻監控行業，基于DSP的H.264編碼器解決方案占有絕對優勢的市場份額，這是由DSP方案開發周期相對較短的特性決定的。在ASIC或FPGA方案仍處于研發階段時，DSP方案已捷足先登，并較好地解決了視頻監控行業中H.264編碼器方案從無到有的過程，為H.264在監控應用中走向成熟立下了汗馬功勞。

2018-10-29 08:21:00

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BF561的H.264編碼器設計

開會的可能。視頻會議系統相比傳統的電話會議更充分利用了互聯網資源，從而降低了運營成本。視頻編碼器是視頻會議系統的主要構成部分。目前視頻壓縮標準有H.261、H.263、MPEG4和H.264等。新一代視頻編碼標準H.264與以往標準相比具有壓縮率高，網絡親

2018-11-28 12:24:01

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AVS編碼與DSP實現的視頻編碼器

自主知識產權的音視頻編碼標準。與世界其他知名音視頻編碼標準相比，它具有如下特點：①性能高，編碼效率比MPEG2高2倍以上，與H．264的編碼效率相當；②算法復雜度比H．264低；③軟硬件實現成本都低于H．264；④專利授權模式簡單，費用明顯低于同類標準。在碼率和PSNR相當的情況下，AVS的編碼速

2019-01-31 00:21:02

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