基于H.264編碼技術(shù)的競(jìng)賽視頻圖像采集終端設(shè)計(jì)

白維維　王凌云

摘要：信息技術(shù)在大型綜合性體育賽事中的應(yīng)用，不斷促進(jìn)著體育信息化的發(fā)展。同時(shí)也提高了對(duì)競(jìng)賽信息系統(tǒng)中信息技術(shù)的要求。如何利用先進(jìn)的編碼技術(shù)處理采集到的競(jìng)賽過(guò)程影像，保證圖像質(zhì)量、壓縮比、傳輸效率、傳輸速度等性能是本課題研究的重點(diǎn)。研究中提出了基于H.264編碼技術(shù)的競(jìng)賽視頻圖像采集終端的總體設(shè)計(jì)思想，完成了視頻圖像采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：視頻圖像；編碼技術(shù)；H.264

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）30-0208-03

The Competition Collection Terminal Designed Based on H.264 Video Coding Technology

BAI Wei-wei ，WANG Ling-yun

（Kaili University， Kaili 556011， China）

Abstract： Information technology in large-scale comprehensive sports events， and constantly promote the development of sports information.But also improve information technology requirements of the information system .How to use advanced coding technology processing the acquired images during the Competition，Ensure image quality， compression ratio， transmission efficiency， transmission speed and other properties is the focus of this research.Study puts forward the overall design idea based on H.264 video coding technology race Acquisition Terminal，Completed the design and implementation of video capture terminal.

Key words： video； coding techniques； H.264

競(jìng)賽信息技術(shù)是一門融合了感測(cè)、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、多媒體、控制等技術(shù)并應(yīng)用于體育行業(yè)的技術(shù)。隨著社會(huì)對(duì)大型綜合性運(yùn)動(dòng)會(huì)的關(guān)注度和參與度不斷提高，在當(dāng)今計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)高度發(fā)展的環(huán)境下，競(jìng)賽信息技術(shù)不斷廣泛深入應(yīng)用是必然趨勢(shì)。

競(jìng)賽視頻采集終端是競(jìng)賽信息監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)意義上的競(jìng)賽信息監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容主要包括競(jìng)賽數(shù)據(jù)即成績(jī)信息，但在當(dāng)今高水平體育競(jìng)技對(duì)公平公正提出更高要求的情況下，對(duì)競(jìng)賽圖像的監(jiān)控成為必然。本文研究的重點(diǎn)是競(jìng)賽視頻采集終端，針對(duì)的是競(jìng)賽信息監(jiān)控系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)采集終端所應(yīng)用的技術(shù)與方案展開(kāi)討論與研究。

1 編碼標(biāo)準(zhǔn)

圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，這不僅對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度與存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量提出了很高的要求，同時(shí)也給通信干線信道的帶寬帶來(lái)了極大的壓力。要想只通過(guò)優(yōu)化硬件設(shè)施來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，從軟件著手才是根本，對(duì)圖像信息進(jìn)行合理有效的壓縮是一個(gè)好的解決方案。壓縮方式很大程度上決定了圖像質(zhì)量、壓縮比、傳輸效率、傳輸速度等性能[1]。

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，相繼推出了許多壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前主要有JPEG/M-JPEG、H.261/H.263、MPEG和H.264等標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，本系統(tǒng)采用了基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的壓縮編碼算法。H.264是 ITU-T VCEG 和 ISO/IEC MPEG 的聯(lián)合小組于2003年3月正式頒布的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)被收錄為MPEG-4的第十部分，稱為 AVC（Advanced Video Coding）。H.264提供了一種比已存標(biāo)準(zhǔn)性能更高的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具體體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面[4]。

1）針對(duì)流媒體的應(yīng)用

為算術(shù)編碼等之外的一些視頻工具定義了一個(gè)檔次。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)流媒體的數(shù)據(jù)方式不同、應(yīng)用方式不同，可以蠶蛹不同的碼率，對(duì)于視頻流的接入與拼接，有很好的效果。對(duì)于錯(cuò)誤的恢復(fù)，效果也很好。

2）具有良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性

在網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面，利用分層的概念將框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分成兩層，一層對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，稱之為視頻編碼層（VCL）。另一層則是根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)視頻流進(jìn)行編碼，稱之為網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL）。同時(shí)利用IP網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性在兩層上都提供了多種容錯(cuò)工具。能有效減輕網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶來(lái)的不良影響的同時(shí)適應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

3）具有高效的壓縮性能

H.264的編碼方式對(duì)于壓縮性能的提升是至關(guān)重要的。當(dāng)編碼方式具有高的壓縮性能時(shí)，才能在傳輸相同質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)時(shí)，占用更小的帶寬，也就是說(shuō)，在帶寬不變的情況下，可以傳輸質(zhì)量更好圖像數(shù)據(jù)。這對(duì)于信道資源的利用是相當(dāng)有利的。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖像信息采集終端采用以DSP微處理器TMS320DM642為核心的開(kāi)發(fā)板作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)中采用到的硬件電路模塊包括前端數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理器模塊、存儲(chǔ)模塊與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

2.1 硬件平臺(tái)介紹[5]

為了提高開(kāi)發(fā)效率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)硬件平臺(tái)直接采用增強(qiáng)型VMD642-C開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板以TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320DM642處理器為核心，DM642是一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器，專門應(yīng)用于視頻領(lǐng)域。

2.2 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件電路[6]包括前端采集模塊、中央處理器、存儲(chǔ)器模塊與網(wǎng)絡(luò)接口模塊。前端采集模塊包括圖像傳感器即攝像頭與解碼芯片TVP5150，圖像傳感器的功能就是完成模擬信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換。攝像頭將模擬信號(hào)采集之后，通過(guò)TVP5150將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)一面輸出，一面?zhèn)鬏數(shù)紻M642對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

中央處理器模塊即DM642從緩存讀取視頻流數(shù)據(jù)并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，為H.264編碼做好準(zhǔn)備，然后通過(guò)壓縮編碼模塊根據(jù)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮產(chǎn)生H.264碼流，再將H.264碼流傳送到網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊包括DM642的EMAC與MDIO模塊、網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8201以及網(wǎng)絡(luò)物理接口，負(fù)責(zé)H.264碼流的發(fā)送。存儲(chǔ)模塊完成重要數(shù)據(jù)與代碼的存儲(chǔ)。競(jìng)賽圖像采集終端硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖像采集終端軟件設(shè)計(jì)包括視頻輸入、編碼壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸三個(gè)部分，軟件設(shè)計(jì)總體流程圖如圖2所示。

3.1 視頻輸入

視頻輸入需要獲取滿足條件的視頻流數(shù)據(jù)并將其傳輸給編碼模塊。視頻輸入首先從解碼芯片TVP5150獲取其輸出的BT.656格式的視頻流數(shù)據(jù)，再對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，即將YCbCr4：2：2轉(zhuǎn)換為YCbCr4：1：1，為H.264編碼做好準(zhǔn)備，然后通過(guò)管道將轉(zhuǎn)換格式后的視頻流數(shù)據(jù)傳輸給視頻編碼模塊。視頻輸入流程圖如圖3所示。

3.2 編碼模塊

ITU提供了多個(gè)可選的標(biāo)準(zhǔn)軟件，包括Tml系列與Jm系列，選用合適的算法軟件很重要。本文采用Jm6.le版本的BaseLine Profile作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。選擇該算法的原因有兩個(gè)，一是該算法不僅具有很好的編碼效果，二是復(fù)雜度高的可選項(xiàng)不在它的范圍之內(nèi)，同時(shí)對(duì)高效媒體處理平臺(tái)的要求也能很好滿足。

H.264編碼技術(shù)與傳統(tǒng)的編碼技術(shù)有相同的地方，都是采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償、變換編碼和熵編碼的方式。同時(shí)也遵循逐級(jí)編碼的原則。從幀級(jí)->slice級(jí)->宏級(jí)。編碼模塊主流程如圖4所示。H.264的編碼算法采用函數(shù)內(nèi)嵌的方式分為四層，最外層是主函數(shù)，主函數(shù)中通過(guò)調(diào)用第二層中的函數(shù)encode_one_frame（）完成對(duì)視頻序列的編碼。同時(shí)在encode_one_frame（）中又內(nèi)嵌函數(shù)encode_one_slice（），通過(guò)對(duì)該函數(shù)的循環(huán)調(diào)用在第二層完成對(duì)視頻序列中的幀圖像編碼如圖5所示。同樣的在encode_one_slice（）方法中又內(nèi)嵌encode_one_macroblock（）函數(shù)，如圖6所示，encode_one_macroblock（）函數(shù)對(duì)每個(gè)slice中的每個(gè)宏塊進(jìn)行編碼，如圖7所示。

3.3 圖像信息傳輸模塊

DM642與片外網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谑荅MAC模塊，完成數(shù)據(jù)收發(fā)。DM642網(wǎng)絡(luò)接口包括EMAC和MDIO兩部分。EMAC為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通路，MDIO為EMAC的狀態(tài)及控制接口，網(wǎng)絡(luò)接口原理框圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

競(jìng)賽視頻圖像采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心組成部分，也是本課題的研究重點(diǎn)。利用H.164編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了基于H.264編碼技術(shù)的競(jìng)賽視頻圖像采集終端的設(shè)計(jì)方案，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，對(duì)競(jìng)賽的公平、公正提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

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