劉森

（西安美術(shù)學(xué)院影視動畫系，陜西西安 710065）

隨著多媒體影視資源的日益豐富與通信技術(shù)的日趨成熟，視頻傳輸技術(shù)得以應(yīng)用于更加廣泛的日常生活中，視頻內(nèi)容的質(zhì)量、信息量也攀升至新的高峰。尤其是隨著近幾年CCD 設(shè)備工藝的提升，產(chǎn)生大量的原始視頻素材數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)終端的人們對高清視頻的需求也越來越大。因此，開發(fā)多功能、低成本、性能穩(wěn)定的視頻壓縮傳輸系統(tǒng)有著很大的應(yīng)用前景[1-3]。

視頻信號具有數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算復(fù)雜的特征，因此通常采用軟硬件結(jié)合的方式來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)視頻壓縮系統(tǒng)。DSP 與FPGA 具有實(shí)時和并行的處理方式，是實(shí)現(xiàn)視頻信號處理的合適器件[4-6]。大量的視頻數(shù)據(jù)需要幾秒來讀出、傳輸與顯示，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提出了較高的要求，而改善壓縮數(shù)據(jù)的技術(shù)方案是解決這一問題的有效途徑。

1 視頻壓縮流程設(shè)計(jì)

1.1 信號采集

攝像頭采集環(huán)境光信號后，輸出CVBS 格式的模擬視頻信號。經(jīng)過視頻解碼器芯片后，解碼成RGB信號。此信號是圖像真實(shí)的色彩數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)量較大。在進(jìn)入DM365芯片后，進(jìn)行信息預(yù)處理。將RGB信號轉(zhuǎn)換成更適合壓縮的亮度色度信號YCbCr，轉(zhuǎn)換公式為：

由于人眼對亮度信息比色度信息更敏感，所以還可以進(jìn)一步舍棄轉(zhuǎn)換得到的YCbCr 信號中的部分色度信號，從而降低信息量，轉(zhuǎn)換為4∶2∶2 格式的YUV 信號，如圖1 所示。

圖1 YUV4∶2∶2格式

1.2 視頻信號壓縮

視頻信號的壓縮過程即為視頻信號的編碼過程[7-8]，如圖2 所示。

圖2 視頻信號編碼流程

原始視頻信號數(shù)據(jù)量較大，但同一幀圖像數(shù)據(jù)內(nèi)，相鄰像素點(diǎn)僅含有較小的差異，像素值變化平緩，稱為空間冗余。在相鄰幀內(nèi)，圖像的內(nèi)容大體相似，稱為時間冗余。人眼對于不同信息的敏感程度差異較大，如亮度變化時，人眼能夠輕易覺察到。但對于色度變化卻相對遲鈍，且人眼對邊緣的變化關(guān)注高于對內(nèi)部細(xì)節(jié)的變化。利用這種差異，可以刪除人眼不敏感的信息，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的，這稱為視覺冗余。

視頻壓縮即利用這幾種冗余，在信號編碼時舍棄一部分相對次要的信息，由此實(shí)現(xiàn)降低傳輸數(shù)據(jù)量的目的。

1.2.1 預(yù) 測

將圖像幀分組，每組7 幀，以IPBBPBB的次序劃分。對每組圖像幀序列的第一幀，即I幀做幀內(nèi)預(yù)測。通過計(jì)算像素點(diǎn)的預(yù)測值與取樣值之差，來消除空間冗余。假設(shè)P點(diǎn)為當(dāng)前采樣像素點(diǎn)，在P點(diǎn)之前的相鄰像素，如圖3 所示。

圖3 像素點(diǎn)預(yù)測

由A～G點(diǎn)來預(yù)測P點(diǎn)，得到預(yù)測值的算法如下：

求實(shí)際值與預(yù)測值之間的差值：

相較于P，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)d下降了兩個數(shù)量級。解碼端將根據(jù)式（6）還原實(shí)際的像素值：

對一組圖像幀序列剩下的幀（前向預(yù)測幀P幀與雙向預(yù)測幀B幀）做幀間預(yù)測，以消除其時間冗余。幀間預(yù)測包括宏塊分割、運(yùn)動估計(jì)、運(yùn)動補(bǔ)償。先將每幀圖像分割為若干N×N像素的宏塊，把時域上一幀（P幀或I幀）作為參考幀，此參考幀是由反量化與反DCT 變換重建得到的。當(dāng)前幀中的每一塊均在參考幀中尋找一個最佳匹配塊，并計(jì)算兩塊之間的位移（運(yùn)動矢量MV）[9-11]。

尋找匹配塊以最小絕對誤差和?為評判標(biāo)準(zhǔn)，使用全局搜索法將當(dāng)前塊與參考幀中所有塊的像素值逐一計(jì)算絕對誤差，最終求和并取其最小值，算法如下：

其中，xP為當(dāng)前塊中的像素值，為參考塊中的像素值。

如圖4 所示，求得最佳匹配后，計(jì)算當(dāng)前塊與匹配塊間像素的相對位移平均值，即得到該塊的運(yùn)動矢量MV。

圖4 最佳匹配與MV

在尋找最佳匹配的過程中，使用菱形搜索法以提高匹配效率，算法的過程如下：

1）從參考幀的宏塊中心按照如圖5 所示的大菱形模板進(jìn)行搜索。判斷最佳匹配點(diǎn)是否在中心：若是，則跳轉(zhuǎn)步驟2）；若否，則重復(fù)該步驟。

圖5 大菱形模板

2）采用小菱形模板搜索，小菱形模板如圖6 所示。判斷最佳匹配點(diǎn)是否在中心：若是，則算法結(jié)束；若否，則跳轉(zhuǎn)步驟3）。

圖6 小菱形模板

3）以當(dāng)前的最佳匹配點(diǎn)為中心，取大菱形模板判斷最佳匹配點(diǎn)是否在中心：若是，則轉(zhuǎn)步驟2）；若否，則重復(fù)該步驟。

在求出的MV 與參考幀的基礎(chǔ)上，可以得到待解碼塊的預(yù)測。最終，用待預(yù)測宏塊的實(shí)際值減去預(yù)測值，即可求得預(yù)測殘差，公式如下：

預(yù)測殘差用于編碼傳輸，而分割方式MV 則被送入接收端。

1.2.2 變 換

對原始圖像的亮度宏塊與色度宏塊預(yù)測后，得到的信號仍為空域信號。進(jìn)行兩維4×4 或8×8 像素的DCT 變換，將信號轉(zhuǎn)換為頻域信號[12-14]。相同內(nèi)容的時域信號只用一個頻域信號表示，從而去除了空間冗余。每個信號均有準(zhǔn)確的數(shù)值，x與y坐標(biāo)的三維信號變換公式如下：

1.2.3 量 化

DCT 變換后，對頻域的DCT 變換系數(shù)、幀間預(yù)測的預(yù)測插值和幀內(nèi)預(yù)測的插值做量化，對其中的低頻信息細(xì)量化、高頻信息粗量化。量化過程可以用下式描述：

FQ(u,v)為量化得到的DCT 系數(shù)，Q(u,v)為量化矩陣，q為量化步長，round(·)為取整函數(shù)。

2 系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻信號流程

視頻壓縮傳輸系統(tǒng)由攝像頭采集環(huán)境信息，產(chǎn)生的模擬視頻信號首先經(jīng)過OPA361 濾波放大器進(jìn)行信號放大。然后送入ADV7180 解碼芯片轉(zhuǎn)換為ITU.656 格式的8 位色差亮度信號YCbCr，并分離出行場同步信號。視頻解碼信號通過CCDC 進(jìn)入TMS320DM365 芯片的視頻處理子系統(tǒng)VPSS，在這里完成視頻信號的壓縮編碼。并經(jīng)過乒乓存儲后，從子系統(tǒng)的視頻后端輸出接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)入局域網(wǎng)中繼續(xù)傳輸。信息傳輸流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)信息流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件主要由TMS320DM365 開發(fā)板和外置攝像頭組成，可分為六大模塊：電源管理模塊、攝像頭模塊、DDR 儲存模塊、DSP 視頻處理模塊、ARM控制模塊與網(wǎng)絡(luò)控制模塊。各模塊相互配合，完成信號的轉(zhuǎn)換和流通。硬件配置如圖8 所示。

圖8 硬件組織結(jié)構(gòu)

TMS320DM365 芯片內(nèi)部集成了ARM926EJ-S精簡指令集CPU，包括16 kB 指令緩存、8 kB 數(shù)據(jù)緩存。其用來控制開發(fā)板、管理DDR 內(nèi)存數(shù)據(jù)、配置各模塊初始化參數(shù)等[15-16]。

該系統(tǒng)采用1 GB 容量的DDR3 SDRAM 存儲器，確保視頻信號有足夠的緩存空間。正常工作后，在DDR 芯片中進(jìn)行YUV 信號的乒乓存儲，將存儲器分出兩個塊區(qū)A 與B：寫入塊A 時，讀取塊B；寫入塊B時，讀取塊A。上述兩種操作循環(huán)執(zhí)行。

DSP 視頻處理包括DM365 前端的視頻解碼器和DM365 中的VPSS 部分。將視頻信號CVBS的解碼——IUT656 格式的YCbCr 信號轉(zhuǎn)換為YUV 信號，以及將關(guān)鍵的視頻信號壓縮編碼并生成碼流。同時，壓縮好的圖像碼流也暫存在這里。

該系統(tǒng)采用型號為DM9000A的網(wǎng)卡控制器，由外部20 MHz 晶振提供時鐘信號。PHY 可以通過自動協(xié)商來配置網(wǎng)卡控制器的寄存器值，并根據(jù)實(shí)際情況發(fā)揮最優(yōu)性能。DM90000A 連接到DM365 中的MII 接口，將壓縮編碼后的碼流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后傳遞到以太網(wǎng)中。

3 視頻傳輸

該系統(tǒng)采用實(shí)時傳輸協(xié)議RTP，通過以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)生成的視頻流數(shù)據(jù)，該協(xié)議實(shí)際包含RTP 與RTCP 兩部分。前者為實(shí)時傳輸協(xié)議，為終端提供連續(xù)的多媒體實(shí)時傳輸服務(wù)；后者為實(shí)時傳輸控制協(xié)議，用來監(jiān)控傳輸質(zhì)量，并負(fù)責(zé)擁塞控制與流控制。

傳輸中的視頻信號碼流除了像素碼流外，還有兩個重要參數(shù)集：序列參數(shù)集與圖像參數(shù)集。在DM9000A的協(xié)商階段將參數(shù)集發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的接收端，DM9000A 使用的端口號為8080。

在與接收端的連接建立后，首先發(fā)送參數(shù)集信息，然后發(fā)送視頻碼流。在得到接收端的服務(wù)質(zhì)量信息后，根據(jù)實(shí)時信道狀況調(diào)整壓縮率等編碼信息，并重新發(fā)送參數(shù)集。

4 仿真測試

基于TI 公司的TMS320DM365 音視頻處理芯片與DaVinci 軟件，在Linux 系統(tǒng)中搭建DaVinci 技術(shù)開發(fā)平臺。編輯壓縮應(yīng)用程序后，使用命令來調(diào)試各功能模塊，工作正常后連接攝像頭。主機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕K端最后收到了編碼后的視頻信號，對其進(jìn)行信道解碼與解壓縮后，正常播放攝像頭拍攝到的圖像顯示效果，如圖9 所示。

圖9 顯示效果圖

試驗(yàn)采集到的幀率與網(wǎng)絡(luò)傳輸速度如圖10所示。經(jīng)過抓包測試，DM9000A的傳輸速度達(dá)到了40 Mbps，視頻壓縮后的信號幀率為5 幀/s，平均碼率約為41 kbit/s。截取視頻信號傳輸時的網(wǎng)絡(luò)所占帶寬和利用率，如表1 所示。從表2 可看出，該系統(tǒng)的壓縮率與H.264 相比差異較小，但由于壓縮效率的提升，有效降低了傳輸時的平均時延，較H.264 系統(tǒng)下降了30 ms。

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸抓包數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 該系統(tǒng)與H.264系統(tǒng)性能對比

圖10 幀率與網(wǎng)絡(luò)傳輸速度

5 結(jié)束語

該文基于DaVinci 技術(shù)和H.264 框架，使用優(yōu)化的幀間預(yù)測匹配算法提高視頻壓縮效率，通過搭建硬件實(shí)現(xiàn)平臺編寫了Linux 系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)程序，并將其固化于開發(fā)板中，最終實(shí)現(xiàn)了視頻壓縮傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目的。仿真顯示該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠有效地解決視頻數(shù)據(jù)量大、不便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}，可以用于視頻素材的直接采集與迅速傳輸。且具有所需攜帶設(shè)備少、操作簡單的特點(diǎn)，適用于高清晰度源文件的高速實(shí)時傳輸。在高清素材采集、整理、智能化的編輯加工等應(yīng)用場景中，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。