基于Hi3510的H.264编解码器的设计与实现
关键词：
264 , hi3510 , 编解码器 , 设计 , 实现
随着全球音视频(av)领域持续快速从模拟向数字转换，支持数字音频和视频处理的数字电视机、dvd播放机、数字静止图像摄像机(dsc)、数字视频刻录机(dvc)等新型消费电子设备的数量也持续快速攀升。庞大的信息流带来了人类文化的丰富，也带来了存储信息的烦恼。尤其是视频信息的庞大数据，催生了视频压缩技术的需求。视频压缩技术已成为多媒体时代最热门的技术之一，并广泛地应用在电视、电影、可视电话、视频会议、远程监控等图像传输和存储的领域。
1 h.264简介
h.264是itu-t和iso／iec联合制定的最新编码标准，它最先由itu-t于1997年提出，目标是提出一种更高性能(相对于当时的h.263)的视频编码标准。相对于其它标准，h.264具有以下特点：
(1) 码率低。和mpeg-2等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用h.264技术压缩后的数据量只有mpeg-2的1／2～1／3。显然，h.264压缩技术的采用将大大节省存储容量、信道带宽及用户的下载时间和数据流量收费。
(2) 图像质量高。h.264能提供连续、流畅的高质量图像。
(3) 应用范围广。h.264的不同profile既可以应用于有严格时延限制的实时通信中，也可以应用于对时延要求不高的其他应用中(如视频存储、流媒体等等)。
(4) 鲁棒性。h.264在设计时，针对分组交换网如internet中的分组丢失和无线网络中比特误码都提出了相应的工具，使得h.264在这些网络中传播时具有更强的抗误码性能。
(5) 对各种网络的友好性。h.264中增加了nal层，负责将编码器的输出码流适配到各种类型的网络中，从而提供了友好的网络接口。
h.264之所以能够达到以上性能，是因为采用了以下一些先进的技术：
首先是帧内预测编码，充分利用图像空域相关性，来降低码率。根据像条编码类型，每个宏块可以选择几种编码类型之一。共有13种预测模式(4×4块大小9种预测模式，16×16块大小4种预测模式)，这在以往标准中是没有的。
其次是采用新的快速运动估值算法umhexagons(中国专利)，它是一种运算量相对于h.264中原有的快速全搜索算法可节约90％以上的新算法，全名叫“非对称十字型多层次六边形格点搜索算法”(unsymmetrical-cross muti-hexagon search)，这是一种整像素运动估值算法。由于它在高码率大运动图像序列编码时，在保持较好失真率性能的条件下，运算量十分低，已被h.264标准正式采纳。h.264有7种块匹配模式，编码时对其逐一计算，选择最优。例如较为精细的部分采用4×4块大小，不运动的背景可以采用16×16块大小等等。以往标准只有固定的一种或者两种块大小模式。h.264采用多帧参考，最大限度地利用实域相关性。参考帧可以从1帧到15帧，以往标准都是单帧参考。还有采用1／4或1／8精度的亚象素运动估计，以往标准至多采用1／2精度亚象素搜索，而且不是必选选项。为了消除视频编码中常出现的块效应，h.264使用了去块效应滤波器。
h.264还采用了整数dct变换，以提高变换速度，采用cavlc，cabac等新的熵编码方法以提高编码效果。
h264标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，在较低带宽上提供高质量的图像传输是h.264的应用亮点。h.264因具有较低的传输比特率且对存储的要求较低，基本系统无需使用版权，具有开放的性质，目前有望取代mpeg-2。
2 hi3510工作原理
hi3510是海思公司推出的一款基于h.264 bp算法的视频压缩芯片，该芯片采用 arm+dsp+硬件加速引擎的多核高集成度的soc构架，具备强大的视频处理功能。可实现dvd画质的实时编码，能白适应各种网络环境，确保画面的清晰度和实时性，低码率的h.264编码技术极大减少了网络存储空间，并通过集成des／3des加解密硬件引擎确保网络安全。
hi3510采用0.13μm工艺、lfbga400封装，大小为19×19mm，引脚间距为0.8mm，片内集成了包括数字视频接口、usb、eth、i2s、i2c、gpio、spi、uart、sdram、ddr等接口，满足各种应用场景设备开发的同时能大大降低设备的bom成本。
hi3510的工作原理：视频输入单元通过itu-rbt.601／656接口接收由vadc输出的数字视频信息，并通过ahb总线把接收到的原始图像写入到外存(sdr sdram或ddr sdram)中；视频编解码器器从外存中读取图像，进行运动估计(帧间预测)、帧内预测、dct变换、 量化、熵编码(cavlc+exp-golomb)、idct变换、反量化、运动补偿等操作，最后将符合h.264协议的裸码流和编码重构帧(作为下一帧的参考帧)写入到外存中；视频输出单元从外存中读取图像数据并通过itu-r bt.601／656接口送给vdac进行显示，应用的需求不同，视频输出单元从外存中读取的图像内容也不同，当需要对输入图像进行预览时，视频输出单元从外存中读取原始图像，当需要观察视频编码器的编码效果时，视频输出单元从外存中读取编码重构帧；arm对视频编码器输出的码流进行协议栈的封装，然后送给网口发送，以实现视频点播业务。
hi3510的h.264音视频编解码soc逻辑框图如图1所示，该芯片由arm+dsp+视频编解码加速器+图形引擎缩放器的核心构成，集成了丰富的外围接口，并内部集成包括如数字水印、des／3des算法，使得单芯片能适应几乎所有的工作，降低与其它芯片配合的开发难度，也免除厂商对算法等标准部分的内容进行重复开发，大大降低了设备厂商的投入门槛。配合海思不同应用形态的开发包，可以开发出pmp、可视电话、网络监控、pvr、可视对讲等各种产品。
3 hi3510的编解码设计方案
作为soc架构的编解码芯片，hi3510在设计时充分考虑到兼容性和使用的方便性。支持几乎所有公司生产的系列ad／da芯片。hi3510既可以作为独立的编码器工作，也可以作为独立的解码器工作，也可以同时进行编解码工作，充分考虑到了编解码市场的各种应用场合。hi3510是一个典型的多应用的单芯片解决方案，大大降低了设备的bom组成和成本。
hi3510的同时编解码设计方案如图2所示。
4 hi3510编解码应用
hi3510自带的linux操作系统(同时支持vxworks、wince等开放式操作系统)和arm处理器，使得芯片除了编解码功能外，还可以实现许多丰富的应用功能开发。在图2中，只要附加一片普通ad就可实现复合视频信号的数字化压缩、存储和传输的功能。hi3510开发包提供上层api接口，就可以调用实现所有的芯片功能，并能开发自己的个性化功能。
hi3510芯片的编码应用设计如图3所示。
而解码器应用在架构设计上与编码器相同(方便方案可以保持一致性，可以实现一套硬件满足不同需求，只需要软件升级)。解码器只需要配搭da芯片(如果是lcd数字屏幕可以节省该芯片)，就可以实现把数据码流解码的作用，并且通过gui或者osd实现用户人机互动的菜单操作，实现pmp等类似功能的产品应用。
hi3510芯片的解码应用设计如图4所示。
h.264标准的应用，为视频的网络传输，尤其是低带宽下（如无线传输方式）的传输提供了技术支持。在信息爆炸的今天，市场要求设计人员推出产品的速度越来越快，而且为了保持产品的竞争力，在产品价格、产品应用功能特点上要保持足够优势，尤其是在多煤体市场领域。海思的soc芯片在提供了标准算法的基础上，给予设计人员最大的灵活度以设计合适的产品，大大降低了厂商的投放成本，缩短了厂商的推出新产品的时间，为赢得市场做准备。近年来，每一个便携式个人电子设备似乎都配备了音视频功能，包括移动电话、便携式媒体播放器和pda。这种基于hi3510设计的高性价比h.264编解码器一定会有广阔的市场前景。
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(1) 码率低。和mpeg-2等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用h.264技术压缩后的数据量只有mpeg-2的1／2～1／3。显然，h.264压缩技术的采用将大大节省存储容量、信道带宽及用户的下载时间和数据流量收费。
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首先是帧内预测编码，充分利用图像空域相关性，来降低码率。根据像条编码类型，每个宏块可以选择几种编码类型之一。共有13种预测模式(4×4块大小9种预测模式，16×16块大小4种预测模式)，这在以往标准中是没有的。
其次是采用新的快速运动估值算法umhexagons(中国专利)，它是一种运算量相对于h.264中原有的快速全搜索算法可节约90％以上的新算法，全名叫“非对称十字型多层次六边形格点搜索算法”(unsymmetrical-cross muti-hexagon search)，这是一种整像素运动估值算法。由于它在高码率大运动图像序列编码时，在保持较好失真率性能的条件下，运算量十分低，已被h.264标准正式采纳。h.264有7种块匹配模式，编码时对其逐一计算，选择最优。例如较为精细的部分采用4×4块大小，不运动的背景可以采用16×16块大小等等。以往标准只有固定的一种或者两种块大小模式。h.264采用多帧参考，最大限度地利用实域相关性。参考帧可以从1帧到15帧，以往标准都是单帧参考。还有采用1／4或1／8精度的亚象素运动估计，以往标准至多采用1／2精度亚象素搜索，而且不是必选选项。为了消除视频编码中常出现的块效应，h.264使用了去块效应滤波器。
h.264还采用了整数dct变换，以提高变换速度，采用cavlc，cabac等新的熵编码方法以提高编码效果。
h264标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，在较低带宽上提供高质量的图像传输是h.264的应用亮点。h.264因具有较低的传输比特率且对存储的要求较低，基本系统无需使用版权，具有开放的性质，目前有望取代mpeg-2。
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