基于NiosII的 低碼率實(shí)時(shí)H．264視頻編碼器

2．2 H．264編碼器核心模塊
綜合現(xiàn)有的硬件資源、實(shí)時(shí)性與實(shí)現(xiàn)難度等因素，設(shè)計(jì)中僅采用了幀內(nèi)預(yù)測方式，編碼器包括幀內(nèi)預(yù)測模塊、變換量化模塊和CAVLC熵編碼模塊。處理時(shí)以宏塊(16×16)為單位，亮度和色度塊分別進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測、變換量化和反變換反量化，然后進(jìn)行CAVLC熵編碼，圖像的亮色比為Y：U：V=4：2：O。
H．264編碼器設(shè)計(jì)前期先用VC++在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，后期移植到FPGA上用自定義硬件模塊實(shí)現(xiàn)，二者所需時(shí)間如表1所列?？梢钥闯?，用硬件實(shí)現(xiàn)H．264壓縮編碼一幀圖像只需約16 ms，較PC機(jī)實(shí)現(xiàn)有很大提高，而且硬件模塊占用的資源不到50％，性價(jià)比較高。

由于自定義幀內(nèi)預(yù)測硬件模塊較軟件實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)性能提高較大，這里重點(diǎn)分析幀內(nèi)預(yù)測模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
根據(jù)H．264幀內(nèi)預(yù)測算法，幀內(nèi)預(yù)測模塊是在非率失真優(yōu)化模式下設(shè)計(jì)的。它通過接口模塊從SDRAM中讀入一個(gè)MB(16×16)的亮度和色度圖像數(shù)據(jù)，在亮度和色度預(yù)測模塊中對當(dāng)前MB進(jìn)行預(yù)測和預(yù)測模式選擇，輸出預(yù)測殘差及最佳預(yù)測模式；同時(shí)將預(yù)測結(jié)果與經(jīng)過反DCT變換和反量化之后的殘差值相加，經(jīng)重構(gòu)模塊補(bǔ)償重構(gòu)后寫回SDRAM。主要結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個(gè)模塊分為4個(gè)子模塊：接口模塊、亮度預(yù)測、色度預(yù)測和圖像重構(gòu)模塊。

接口模塊中設(shè)計(jì)了4個(gè)RAM，用于存放讀入的原始圖像和用于預(yù)測的參考圖像數(shù)據(jù)：RAM0存放亮度預(yù)測像素，深度32，地址0～15存放上側(cè)預(yù)測參考像素，地址16～31存放左側(cè)預(yù)測參考像素；RAMl存放當(dāng)前宏塊亮度原始值，深度為256；RAM2存放色度預(yù)測參考像素，深度32，地址0～7存放上側(cè)Cb預(yù)測參考像素，地址8～15存放左側(cè)Cb預(yù)測參考像素，地址16～23存放上側(cè)cr預(yù)測參考像素，地址24～31存放左側(cè)Cr預(yù)測參考像素；RAM3存放當(dāng)前宏塊色度原始值，深度為128。
亮度預(yù)測模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

①模式選擇模塊根據(jù)當(dāng)前宏塊的預(yù)測參考像素可用信息(avail)指定當(dāng)前宏塊按一定順序做預(yù)測，如avail=“11”表示上側(cè)和左側(cè)預(yù)測參考像素均可用，則對當(dāng)前宏塊順序做DC、HOR、VERT、PLANE四種方式預(yù)測。在殘差處理模塊中，采用了2個(gè)RAM順序保存各種預(yù)測模式的預(yù)測殘差，所以在模式選擇模塊里會比較當(dāng)前預(yù)測模式的代價(jià)函數(shù)和前一種預(yù)測模式代價(jià)函數(shù)的大小。如果當(dāng)前預(yù)測模式的代價(jià)函數(shù)較小，則說明當(dāng)前預(yù)測模式較優(yōu)，在做下一種模式預(yù)測時(shí)將預(yù)測殘差指定保存在上次較差預(yù)測模式的殘差RAM中。當(dāng)前宏塊的可用預(yù)測模式都預(yù)測結(jié)束后，模式選擇模塊根據(jù)每一種模式預(yù)測代價(jià)函數(shù)決定出最優(yōu)預(yù)測模式，并指出該預(yù)測模式對應(yīng)殘差處理模塊中存放的RAM，將相應(yīng)的殘差輸入到整數(shù)變換模塊。
②預(yù)測模塊包含了DC、HOR、VERT、PLANE四種預(yù)測模式的實(shí)現(xiàn)實(shí)體，根據(jù)模式選擇模塊決定的預(yù)測模式從接口模塊讀取預(yù)測參考像素和原始像素值，預(yù)測后殘差輸出到殘差處理模塊，預(yù)測值輸出到補(bǔ)償重構(gòu)模塊保存。
③殘差處理模塊采用2個(gè)存放殘差的RAM，每個(gè)宏塊可先并行做2種預(yù)測，殘差分別保存到2個(gè)RAM中，選擇其中較佳預(yù)測模式，再做下一種預(yù)測模式與前面所選較佳預(yù)測模式比較，直到完成所有預(yù)測模式選擇出最佳預(yù)測模式。
④預(yù)測代價(jià)模塊是計(jì)算每一種預(yù)測模式的預(yù)測代價(jià)，以4×4塊為單位作hadamard變換，將變換后每個(gè)4×4塊DC系數(shù)再做一次hadamard變換，將所有變換結(jié)果進(jìn)行絕對值累加就是對應(yīng)的預(yù)測代價(jià)。
色度預(yù)測模塊結(jié)構(gòu)基本和亮度預(yù)測相同，只是由于色度有Cb、Cr兩個(gè)分量，殘差在RAM中的存放方式略有差別；同一個(gè)宏塊的色度預(yù)測和亮度預(yù)測是并行執(zhí)行的，由于要處理的色度數(shù)據(jù)比亮度少一半，筆者在后面的整數(shù)變換中采用先處理色度，再處理亮度的方法，使得流水更加緊湊，減少等待時(shí)間，提高整個(gè)模塊的運(yùn)行速度。

3 結(jié) 論
筆者設(shè)計(jì)的基于NiosII的低碼率實(shí)時(shí)H．264視頻編碼系統(tǒng)，在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率100 MHz時(shí)，壓縮一幀320×240的彩色圖像需16．283 ms，在量化參數(shù)選擇30時(shí)，圖像壓縮比達(dá)到2％，實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像幀率25幀／s。系統(tǒng)具有資源占用較少，低成本，低碼率，高清視頻質(zhì)量的特點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景。
圖9為集成開發(fā)環(huán)境下綜合仿真后系統(tǒng)的資源占用情況。