一種高清數(shù)字電視H.264編碼系統(tǒng)的設(shè)計

鄭明魁，蘇凱雄，楊秀芝

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

0 引言

H.264/AVC是由ISO/IEC運(yùn)動圖像專家組（MPEG）與ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）聯(lián)手制定的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)是具有更高的編碼效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性[1]。與目前流行的MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同重構(gòu)圖像質(zhì)量條件下，H.264/AVC能節(jié)約大概50%的碼流[2-3]。H.264/AVC優(yōu)異的性能使其在高清數(shù)字電視廣播、視頻實(shí)時通信等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

由于H.264編碼算法的高復(fù)雜度性，在編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，目前主要有基于FPGA解決方案、基于DSP解決方案以及采用ASIC方案等方法[4-5]。FPGA與DSP方案使用方便靈活，但相對成本較高。而采用ASIC方案則成本低，功耗小，而且編碼效果更好。本文采用以ASIC實(shí)時編碼芯片為核心，設(shè)計出一種高清數(shù)字電視實(shí)時編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)時性好，體積小，成本較低等特點(diǎn)。

1 H.264實(shí)時編碼芯片

本文采用的H.264實(shí)時編碼芯片的內(nèi)部電路組成框圖如圖1所示，主要包括視頻編解碼、音頻編解碼、視音頻輸入輸出接口、系統(tǒng)復(fù)用解復(fù)用以及主機(jī)控制接口等模塊。芯片視頻輸入和輸出支持SMPTE274M，SMPTE296M-2001以及ITU-R BT.656-4標(biāo)準(zhǔn)，支持高清視頻信號1 920×1 080p，1 920×1 080i，1 280×720p和標(biāo)清視頻信號，音頻信號輸入輸出則通過I2S實(shí)現(xiàn)。主機(jī)控制接口HOST工作于串行或者并行方式，外部MCU可以通過該接口完成對編碼芯片的參數(shù)設(shè)置與控制。

2 高清編碼系統(tǒng)設(shè)計

H.264高清編碼系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由視音頻輸入接口、TS流輸出接口、H.264高清編碼模塊、主控模塊等部分組成。視頻輸入支持 HDMI，S-video，CVBS，YPbPr接口，并支持1路模擬立體聲輸入。方案支持高清視頻信號（1 920×1 080p，1 920×1 080i，1 440×1 080i，1 280×720p）和標(biāo)清視頻信號的H.264視頻格式的編碼。主控模塊MCU采用基于ARM7內(nèi)核的LPC2210，利用SiI9135芯片設(shè)計了HDMI高清視音頻輸入接口，并運(yùn)用ADV7401，CS5361設(shè)計了模擬視音頻輸入接口，ASI輸出接口則通過CY7B923實(shí)現(xiàn)。從HDMI輸入的視音頻數(shù)據(jù)以及經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的視頻音頻信號都送到FSTD16211中進(jìn)行輸入信號的選擇，MCU通過設(shè)置XOE端，選擇不同的視音頻數(shù)據(jù)信號進(jìn)行實(shí)時編碼。通過以太網(wǎng)接口能實(shí)時對編碼系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，獲取編碼系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對編碼參數(shù)進(jìn)行配置。

2.1 HDMI數(shù)據(jù)接口

HDMI可以實(shí)現(xiàn)未壓縮的高分辨力視頻和多聲道音頻數(shù)據(jù)的傳輸，其傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。它包括3個不同的TMDS數(shù)據(jù)通道和1個時鐘通道，傳輸?shù)男盘栍幸曨l信號、數(shù)據(jù)島和控制信號，不同的信號采用不同的編碼方式，使得每個時鐘周期內(nèi)每個通道都傳輸10 bit。顯示數(shù)據(jù)通道（DDC）由美國視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（VESA）規(guī)定，發(fā)送端可通過DDC通道讀取接收端的EDID信息，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的配置以及狀態(tài)信息的交換。CEC通道則實(shí)現(xiàn)相連設(shè)備的高層控制功能。

本文采用支持HDMI1.3規(guī)范的專用芯片SiI9135。該芯片在音頻上支持DTS-HD和杜比True HD格式；在視頻上支持10位/12位的顏色深度和1 080p@60 Hz視頻格式。芯片內(nèi)部具有預(yù)先編程的HDCP密鑰，可提供高級別的HDCP密鑰安全機(jī)制。HDMI接口硬件框架如圖4所示。

SiI9135寄存器邏輯控制模塊主要用于實(shí)現(xiàn)HDCP的授權(quán)、視頻音頻處理、輔助格式以及省電模式等功能。本文通過2個端口訪問SiI9135控制寄存器，第1個端口通過DDC通道，由HDMI電纜與 HDMI源設(shè)備連接，可以對HDCP操作寄存器和普通寄存器進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對HDMI輸入接口的HDCP操作；第2個是本地I2C接口，編碼器主控MCU可以通過該串行總線訪問SiI9135的通用寄存器和普通寄存器，完成有關(guān)視頻音頻等參數(shù)的設(shè)置。

本文利用E2PROM AT24LS02B存儲EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，EDID數(shù)據(jù)信息是以128 byte為一個Block單位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，符合EDID1.3規(guī)范，完整的數(shù)據(jù)塊包含了產(chǎn)品序列號、EDID版本信息等內(nèi)容，HDMI源設(shè)備通過I2C總線從AT24LS02B中讀出EDID數(shù)據(jù)，AT24LS02B采用的是雙向供電的方式，分別由HDMI源設(shè)備和編碼器5 V電源提供。

2.2 模擬視音頻輸入接口設(shè)計

模擬視頻輸入采用ADV7401實(shí)現(xiàn)，ADV7401是高性能的單片多格式視頻解碼器，內(nèi)置采樣頻率高140 MHz的ADC。本文具有多個模擬視頻輸入端口，包括有S-vid?eo，YPbPr，CVBS接口標(biāo)準(zhǔn)，最高支持1 080i的高清視頻信號輸入，允許PAL，NTSC，SECAM的標(biāo)準(zhǔn)視頻，輸出YCrCb的數(shù)字視頻信號將送到ASIC編碼器中進(jìn)行編碼。

模擬音頻輸入接口采用24 bit差分輸入立體聲模數(shù)變換器CS5361來實(shí)現(xiàn)。通過MCU設(shè)置，輸出的數(shù)字音頻信號為I2S格式，采樣頻率在2～192 kHz之間選擇。其硬件框圖如圖2所示，其中M1M0設(shè)置操作模式，本文支持32 kHz，44.1 kHz和48 kHz這3種采樣頻率；M/S設(shè)置CS5361的工作模式；HPF用于設(shè)置高通濾波器和直流偏移校正，由于模擬通道可能引起的直流偏置將影響音頻AD的性能，通過MCU控制該管腳對直流偏移進(jìn)行校正。

2.3 ASI輸出接口設(shè)計

ASI輸出接口通過CY7B923來實(shí)現(xiàn)。CY7B923是一種用于點(diǎn)對點(diǎn)之間高速串行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送芯片，可兼容DVB-ASI、光纖、IBM ESCON及SMPTE-259M等多種傳輸協(xié)議，適用于光纖、同軸電纜和雙絞線等傳輸媒介。

ASI輸出接口框架如圖2所示，經(jīng)過實(shí)時壓縮的高清碼流通過D[7:0]輸入CY7B923，從OUTA±差分輸出，CKW是時鐘信號。MCU實(shí)現(xiàn)對CY7B923的控制，通過SC/D進(jìn)行特殊字符/數(shù)據(jù)選擇，當(dāng)該腳為低電平時，對輸入數(shù)據(jù)使用8B/10B數(shù)據(jù)碼表進(jìn)行編碼；SVS為高電平時，將發(fā)送1個違例字符。

2.4 主控模塊設(shè)計

MCU采用嵌入式單芯片系統(tǒng)LPC2210[7]，如圖2所示，將LPC2210外部存儲器接口配置成4組，分別接Flash、SRAM、實(shí)時編碼芯片以及以太網(wǎng)控制器，每個模塊的起始地址分別為0x80000000，0x81000000，0x82000000以及0x83000000，分別通過4個外部存儲器配置寄存器BCFG0～BCFG4進(jìn)行設(shè)置。以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，鍵盤控制器采用FD650。FD650是一種帶LED驅(qū)動控制的專用鍵盤掃描電路接口電路，內(nèi)部集成有MCU輸入輸出控制數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED驅(qū)動、鍵盤掃描、輝度調(diào)節(jié)等電路。

在控制軟件設(shè)計方面，采用實(shí)時操作系統(tǒng)μCOS II[8]，主控模塊流程如圖5所示，主要完成視頻音頻輸入接口的初始化，ASI輸出接口初始化、以太網(wǎng)以及編碼芯片的初始化，并根據(jù)面板以及以太網(wǎng)接口進(jìn)行編碼參數(shù)配置。編碼參數(shù)主要包括視頻格式的選擇、壓縮碼率、視音頻PID以及PCR PID等。

為了使播控中心能通過以太網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控編碼系統(tǒng)，獲取編碼系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，并對編碼方式、編碼圖像的質(zhì)量、碼率、分辨力等進(jìn)行控制，本文設(shè)計了基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。SNMP協(xié)議是工作在UDP協(xié)議之上，使用UDP傳輸服務(wù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報傳送[9-11]。網(wǎng)絡(luò)管理站對編碼器狀態(tài)的監(jiān)視和控制主要通過查詢代理MIB中相應(yīng)對象的值來完成，要獲得編碼狀態(tài)時，管理站向編碼器代理發(fā)送GetRequest，GetNextRequest報文，設(shè)置編碼器時則發(fā)送SetRequest報文，代理都以Get?Response報文應(yīng)答。本文同時利用代理向管理站發(fā)出陷阱的方式產(chǎn)生Trap報文，為編碼設(shè)備向管理站報告故障和狀態(tài)變化提供了通道。

編碼器SNMP網(wǎng)管代理主要包括3個功能模塊：編解碼模塊使SNMP報文以ASN.1中規(guī)定的基本編碼規(guī)則BER進(jìn)行編解碼；數(shù)據(jù)請求及處理模塊完成編碼參數(shù)的設(shè)置與讀?。幌葳逵|發(fā)模塊向管理站產(chǎn)生Trap故障報文。

3 小結(jié)

H.264高清視頻編碼技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用市場，不僅應(yīng)用于視頻廣播編碼、媒體網(wǎng)管、視頻監(jiān)控等商用產(chǎn)品中，而且也將用于數(shù)字媒體適配器、高清視頻會議終端、IP視頻電話和高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品中。本文設(shè)計的H.264高清實(shí)時編碼系統(tǒng)體積小、成本較低，滿足了高清數(shù)字電視前端音視頻編碼的需要。

[1]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.264/AVC[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]高文，趙德斌，馬思偉.數(shù)字視頻編碼技術(shù)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]Advanced video coding for generic audio visual service[EB/OL].[2010-11-23].http：//www-ee.uta.edu/dip/courses/ee5356/H264systems.pdf.

[4]韓文俊，張艷艷，任國強(qiáng)，等.基于雙DSP的實(shí)時高清H.264視頻編碼器實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2010，34（5）：33-55.

[5]戴衛(wèi)平.高清電視發(fā)展趨勢研究[J].有線電視技術(shù)，2010（3）：72-75.

[6]High-definition multimedia interface specification version 1.3[EB/OL].[2010-11-23].http：//2011down.com/detail/uFVSTS.

[7]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[8]LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μCOS-II[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[9]徐明，陳奇，王凌武.SNMP協(xié)議分析與協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2006，27（14）：2669-2672.

[10]李明江.SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[11]SCAGLIA S.嵌入式Internet TCP/IP基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].潘琢金，徐蕾，拱長青，等，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.