一種視頻編碼器的實現(xiàn)

　　引言

　　H.264是由ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)/IEC(國際電工協(xié)會)和ITU(國際電信標(biāo)準(zhǔn)化部門)合作制定的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前正處于應(yīng)用開發(fā)階段。h.264具有更高的壓縮效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，在相同的圖像質(zhì)量下，h.264所需碼率約為MPEG.2的36%、H.263的5l%、MPEG-4的61%u-31。伴隨著效率的提高，算法的復(fù)雜度也提高很多，因此需要研究h.264的壓縮算法和它的嵌入式應(yīng)用。

　　1 視頻編碼器的硬件設(shè)計

　　1.1 pxa255處理器的特點

　　Intel Xscale PXA255蜘是基于Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)的Intel PCA處理器，內(nèi)部采用XScale內(nèi)核構(gòu)架，頻率高達(dá)400MHz，內(nèi)核擴充許多DSP指令極大提高了多媒體處理能力，同時了提供LCD(液晶顯示器)控制器、無線局域網(wǎng)(802.1Ib)、藍(lán)牙、高速紅外、USB等多種功能模塊。PXA255處理器還使用了BranchTargetBuffer技術(shù)，可以提高指令執(zhí)行(流水線)的效率。作為便攜移動設(shè)備的首選嵌入式處理器，PXA255內(nèi)核具有Intel最先進(jìn)的動態(tài)電源管理技術(shù)，可以根據(jù)處理器所執(zhí)行的任務(wù)情況動態(tài)調(diào)整工作頻率和多種節(jié)電模式，適合嵌入式視頻采集系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　視頻編碼器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從攝像頭輸出的原始視頻流通過USB接口進(jìn)入PXA255芯片進(jìn)行h.264壓縮，壓縮后的碼流由網(wǎng)口(ETHERNET)傳到主機進(jìn)行顯示，F(xiàn)lash中燒寫了嵌入式Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序，SDRAM用于存儲編碼過程中的一些臨時數(shù)據(jù)。

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　　2 視頻采集的實現(xiàn)

　　Linux操作系統(tǒng)中使用vide041inux內(nèi)核模塊來進(jìn)行視頻操作的，它針對視頻設(shè)備提供了一系列的API函數(shù)。本文就是利用videAlinux提供的API函數(shù)來實現(xiàn)視頻采集功能的。視頻采集流程如圖2所示。

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　　具體視頻采集的實現(xiàn)介紹如下：

　　先調(diào)用函數(shù)fd=open(“dcv/video",O 來打開攝像頭RDWR)設(shè)備，成功后返回攝像頭的文件描述符fd。然后通過調(diào)用vi.

　　dco_get capability0和video_get pictureO兩個函數(shù)來獲得攝像頭和圖像的基本信息。利用ictol(fd,VIDIOCGPICT,&grab pic.ture)函數(shù)設(shè)定圖像的亮度、對比度、色度等信息。接著調(diào)用函數(shù)ictol(fd,V1DIoCMCAPTRUE，&grab 開始抓取一幀圖像，。bur)再調(diào)用函數(shù)ictol(fd，VIDIOSYNC，&grab buf)判斷這一幀圖像抓取是否結(jié)束。這樣連續(xù)的抓取多幀圖。像就完成了原始視頻信息的采集。圖3就是抓取的一幀原始圖像。

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　　3 h.264編碼算法

　　h.264編碼標(biāo)準(zhǔn)是目前提出的最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。與以前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，h.264通過對幀內(nèi)預(yù)測、幀問預(yù)測、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)來進(jìn)一步提高編碼效率和圖像質(zhì)量。

　　這些改進(jìn)包括：

　　(1)運動估計時，可以靈活地選擇宏塊(MB)的大小。在宏塊劃分上，h，264采用了16x6，16x8，8x16，8x8這4種模式;當(dāng)劃分為8x8模式時，又可進(jìn)一步采用8x4，4x8，4x4這3種子宏塊劃分模式(如圖4所示)進(jìn)一步劃分，這樣做既可以使運動物體的劃分更加精確，減小運動物體邊緣的銜接誤差，又可以減小變換過程中的計算量。

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　　(2)1/4像素精度的運動估值。在h.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得l/2像素位置的預(yù)測值。當(dāng)l/2像素值獲得后，通過取整數(shù)像素位置和l/2像素位置像素值均值的方式獲得l/4像素位置的值，這樣迸一步減小幀間預(yù)測誤差，減少了經(jīng)變換和量化后的非零比特數(shù)，提高了編碼效率。

　　(3)多參考幀運動估值。以往的編碼技術(shù)在對P幀(場)圖像進(jìn)行幀間預(yù)測時，只允許以前一個I幀(場)圖像或P幀(場)圖像為參考幀。對B圖像進(jìn)行預(yù)測時只允許以前后兩個I幀(場)圖像或P幀(場)圖像為參考圖像。h.264則允許在ReferenceBuffer中的多個圖像中選取一個(P預(yù)測方式)或兩個(B預(yù)測方式，圖像作為參考圖像。參考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測編碼方式的圖像。

　　(4)參考圖像的選取與其編碼方式無關(guān)。允許選取與當(dāng)前圖像更加匹配的圖像為參考圖像進(jìn)行預(yù)測，減小了預(yù)測誤差，提高編碼效率。

　　(5)更精確的幀內(nèi)預(yù)測。在h.264中，每個4*4塊中的每個像素都可用17個最接近先前已編碼的像素的不同加權(quán)和來進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測。

　　(6)環(huán)路去方塊濾波器。h.264/AVC把去方塊濾波引入運動估計預(yù)測環(huán)路中，既可去除方塊效應(yīng)，又能保護(hù)圖像細(xì)節(jié)邊緣，同時亦改善了圖像的主、客觀評定質(zhì)量。而且經(jīng)過濾波后的圖像根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測，進(jìn)一步提高預(yù)測精度。

　　(7)h.264使用統(tǒng)一的可交長度編碼國Ⅵz)碼表。以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼通常采用變長度的哈夫曼編碼，其碼表不統(tǒng)一，不能適應(yīng)變化多端的視頻內(nèi)容，從而影響編碼效率的提高。在此，即對h.263不同系數(shù)采用不同碼表進(jìn)行VLC作了改進(jìn)，采用了一個統(tǒng)一碼表的IrvIC，同時，又對h.26L中的VCL方法進(jìn)行了改進(jìn)，使量化后的DCT變換系數(shù)使用基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長度編碼(CAⅥC)，此外還定義了一種基于上下文內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)，其性能比CAVLC更好。從而，借助UVLC，CAVLC及CABAC較好地提高了壓縮編碼效率。

　　4 PXA255上的h.264編碼算法的實現(xiàn)

　　ITU-T(國際電信標(biāo)準(zhǔn)化部門)提供了h.264的核心算法，本文使用的是開源編碼軟件x264。將其通過交叉編譯后移植到PXA255嵌入式開發(fā)平臺上。由于h.264編碼算法復(fù)雜度高、運算量大等特點導(dǎo)致h.264編碼效率不高，經(jīng)初步測試編碼速率為QCIF格式圖像10幀/秒，不能達(dá)到實時視頻編碼的要求。

　　因此需要對編碼程序進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。