H.264視頻解碼芯片中視頻控制器的設計

關鍵詞： 視頻解碼 , 視頻控制器

H.264是ITU-T VCEG組織和ISO/IEC MPEG組織共同研究的新型視頻壓縮標準，相比其他視頻壓縮算法，具有壓縮比高、算法復雜的特點。由于編碼算法的復雜性，系統(tǒng)對圖像解碼速度和功耗要求非常嚴格，因此，在設計解碼器時采用了H.264解碼專用芯片的設計方案。對一個大的設計項目，一般采用由頂向下(TOP-DOWM)的設計方法，把各功能模塊劃分為子模塊。視頻控制器模塊是芯片與顯示平臺的數(shù)據(jù)接口，對檢驗芯片設計是否成功起著重要的作用，有必要把它單獨劃分為一個子模塊。為了提高設計的成功率，在設計初期采用了基于FPGA的原型驗證。整個系統(tǒng)的FPGA原型驗證平臺如圖1所示，平臺分為2個部分，硬件設計和基于RISC CPU的軟件解碼，兩部分協(xié)同工作，既可以驗證軟件和硬件的解碼結(jié)果，又可以加速整個解碼過程。

   

圖1 H.264解碼芯片的FPGA原型驗證平臺

圖2 輸出視頻控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

視頻控制模塊的設計與實現(xiàn)

視頻控制模塊原理框圖及功能分析

輸出視頻控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，本模塊有2個時鐘域：系統(tǒng)時鐘域和顯示時鐘域。系統(tǒng)時鐘頻率根據(jù)所選用的SDRAM類型而采用固定的166MHz；對于分辨率為1280×720的高清電視來說，顯示時鐘域可以選用70 MHz 左右的頻率。

系統(tǒng)時鐘域含有2個對外接口：系統(tǒng)接口，主要包含上層系統(tǒng)發(fā)出的指令以及輸出控制模塊的反饋信息；DRAM接口，包含數(shù)據(jù)專用總線為輸出控制模塊提供的信號，用來于向DRAM請求顯示的圖像數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)時鐘域中的顯示輸入控制子模塊(Disp In Ctrl)首先用于接收系統(tǒng)傳來的StartDisp和EndDisp信號，來啟動或關閉視頻數(shù)據(jù)的輸出顯示功能，同時發(fā)出幀圖像顯示完畢信號(FrameDone)，通知系統(tǒng)更換下一副圖像的地址信息(ImageAddress)；其次，它用于向DRAM發(fā)出請求，通過專用數(shù)據(jù)通道讀取需要顯示的圖像數(shù)據(jù)；它還要控制輸入多路選擇模塊(Input MUX)，從而完成向片內(nèi)SRAM寫數(shù)據(jù)的任務；最后，該模塊要與顯示時鐘域的信息交互，向時鐘域同步模塊(Clk Domain Sync)發(fā)送顯示使能信號(DispEn Sys)，控制圖像顯示的開啟和關閉。系統(tǒng)時鐘域的另一個子模塊——輸入多路選擇模塊會按照一定的規(guī)律選擇片內(nèi)雙口SRAM，控制存儲器地址，完成向存儲器寫入顯示圖像數(shù)據(jù)的任務。

顯示時鐘域含有一個對外顯示設備接口，主要包含用于顯示的控制信號和已完成轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息。顯示時鐘域包含2個子模塊，一個是輸出多路選擇子模塊(Output MUX)，用于實現(xiàn)對雙口SRAM的選擇和地址控制，按照一定的規(guī)律讀取要顯示的圖像數(shù)據(jù)；還要進行數(shù)據(jù)的打包。另外一個子模塊是顯示輸出控制模塊(Disp Out Ctrl)，用于實現(xiàn)對TV編碼器的控制、YUV信號向RGB信號的轉(zhuǎn)換以及對數(shù)字圖像的縮放，信號包括顯示時鐘、行同步、幀同步以及RGB圖像數(shù)據(jù)等；它還要控制輸出多路選擇模塊以讀取顯示數(shù)據(jù)；最后，它要與系統(tǒng)時鐘域進行交互, 配合數(shù)據(jù)在兩個時鐘域之間的傳遞。

視頻控制模塊采用的特殊技術(shù)

時鐘域同步模塊是輸出控制模塊設計的重點，它主要負責兩個時鐘域之間的控制信號傳遞?？鐣r鐘域的信號傳遞設計較為麻煩, 所以設計中將傳遞的信號分為兩類：數(shù)據(jù)信號和控制信號，其中控制信號就是通過時鐘域同步模塊傳遞。對需要跨時鐘域傳遞的信號數(shù)進行精簡，在最后方案中只需要2個信號：WrDone信號由系統(tǒng)時鐘域發(fā)出，通知顯示時鐘域某塊雙口SRAM中的數(shù)據(jù)已經(jīng)更新完畢，可以讀取并進行顯示輸出；RdDone信號由顯示時鐘域發(fā)出，通知系統(tǒng)時鐘域某塊雙口SRAM中的數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示完畢，可以更新其內(nèi)部的數(shù)據(jù)。信號在不同的時鐘域之間傳遞需要采取消除亞穩(wěn)態(tài)(Metastability)的處理措施，可使信號通過兩級寄存器鎖存輸出，如圖3所示。

圖3 跨時鐘域信號亞穩(wěn)態(tài)消除電路

  

圖4 視頻輸出子模塊的硬件實現(xiàn)框圖

設計中有兩點值得注意，首先，時鐘域同步電路應放在一個獨立的模塊中，保證綜合工具的優(yōu)化、時序分析的正確，并方便電路的分析和調(diào)試；同時，為了能夠使信號的目標時鐘域采集到信號變化，設計中傳遞的控制信號都采用電平信號表征。
　
時鐘域之間要傳遞的另一種信號是數(shù)據(jù)信號，由于數(shù)據(jù)信號數(shù)目較多、變化也較快，所以它們的傳遞通過雙口DPRAM實現(xiàn)。雙口DPRAM要求讀寫端口對同一存儲地址的操作要滿足一定的時間間隔，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤，甚至會破壞硬件電路。因此為了避免DPRAM的讀寫沖突，設計中采用了“乒乓”緩沖的方法，兩塊DPRAM交替存取解碼后用于顯示的亮度或色差數(shù)據(jù)：當顯示部分讀取一塊DPRAM中的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)向另一塊DPRAM中寫接下來要顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢時，兩塊DPRAM就進行交換。這部分共用4塊DPRAM來實現(xiàn)，2塊傳遞亮度信號，2塊傳遞色差信號。

下面分析在視頻控制器顯示輸出子模塊中運用到的格式轉(zhuǎn)換算法、圖像縮放處理算法以及它們的硬件實現(xiàn)。

顯示數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換分析

根據(jù)Sil 164 DVI信號編碼芯片資料，同時參考H.264視頻編碼標準中給出的YUV → RGB轉(zhuǎn)換格式，故在設計中采用的固定轉(zhuǎn)換算法如下式所示：  

上式經(jīng)過定點化處理，使用移位和相加的方法實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換，如下式所示：

在硬件設計中的YUV、RGB信號都是用8位無符號數(shù)表示，中間變量采用12位保證精度。最后要在0"255的范圍內(nèi)對計算出的RGB結(jié)果進行剪裁處理，式中的冪指數(shù)和除法運算都通過移位來實現(xiàn)。  

數(shù)字圖像縮放的算法分析

對于一幅分辨率為M×N的原始圖像，其所有采樣點的YUV值可以用M×N階矩陣表示為：

像素點用f(m,n)表示，其中0≤m≤M，0≤n。對一幅數(shù)字圖像進行縮放，其實質(zhì)就是對一幅數(shù)字圖像進行重采樣，假定對原始數(shù)字圖像高和寬進行縮放的縮放倍數(shù)分別為S1和S2，那么根據(jù)奈奎斯特采樣定律，應該用新的水平與垂直采樣周期740)this.width=740" border="undefined"＞ 對原數(shù)字圖像進行重采樣。得到經(jīng)過縮放的數(shù)字圖像f′(m′,n′)：

由上式可知，經(jīng)過縮放的數(shù)字圖像中的每一個重構(gòu)像素f′(m′,n′)就是原來數(shù)字圖像各個像素的加權(quán)和。若采用該式直接進行硬件設計，計算量會非常大。為了簡化設計難度，節(jié)省芯片成本，可以在對圖像品質(zhì)影響不大的基礎上對上式進行簡化。重構(gòu)后的圖像像素值主要取決于兩個抽樣函數(shù)乘積的值。在實際中只采用

的值等于1的點，即滿足的點。進一步簡化，可以取，表示對數(shù)按四舍五入取整，得到簡化表達式：f′(m′,n′)=f(m,n)。

數(shù)字圖像格式轉(zhuǎn)換與縮放的硬件實現(xiàn)

設計本項目的時候，顯示設備采用分辨率為1280×720的高清晰度電視機，輸出到高清晰度電視機顯示時采用圖像中心對齊的方式。當把解碼好的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)送到高清晰度電視顯示時，如果不經(jīng)過圖像縮放處理，那么顯示屏幕中間放解碼好的數(shù)字圖像，其他的地方用黑色填充。在進行縮放處理時，遵循上面的規(guī)律。先把視頻控制器輸出模塊前端按照逐行掃描排列好送來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再把RGB不為零(即不為黑色)的像素數(shù)據(jù)按每幀和逐行掃描規(guī)律輪流放到兩塊同樣大小的片內(nèi)緩存RAM中，如圖4所示。

其工作方式與前面的DPRAM相同，讀取RAM1或RAM2中數(shù)據(jù)的地址后，可以通過地址譯碼器得到該點像素值的行列地址，即得到m、n的值。把m、n值送到圖像縮放處理單元，通過縮放處理得到新的圖像數(shù)據(jù)和新的圖像數(shù)據(jù)地址，再通過寫地址譯碼器得到在輸出RAM3中按照逐行掃描格式輸出的地址，該地址用來存放格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。最后，從存儲轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的RAM3中可以直接輸出顯示所需要的RGB數(shù)據(jù)。

結(jié)語

設計完成后，此視頻控制器模塊經(jīng)綜合工具Synplify 7.6綜合，可以得到80.3MHz的工作頻率。與前端的解碼模塊一起下載到Xilinx公司的Virtex-II 6000型FPGA中，并將其集成入H.264視頻解碼驗證平臺上，工作頻率可達34MHz，在高清晰度電視上播放圖像時效果較好。