多路AVS+視頻解碼系統(tǒng)的設計

袁三男, 杜小敏

(上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

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多路AVS+視頻解碼系統(tǒng)的設計

袁三男, 杜小敏

(上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

為更有效地保障數(shù)字電視系統(tǒng)的兼容性,數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)需要能夠解碼國內市場上出現(xiàn)的各種標準的數(shù)字視頻流.設計了基于海思Hi3716MV310的多路AVS+(Audio and decoding standard+)視頻解碼系統(tǒng).分析了各種市場應用領域中存在的主流標準,選擇了海思Hi3716mv310為解碼芯片進行硬件和軟件的設計;并在數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)中進行多標準的視頻流的解碼.實驗結果表明,該系統(tǒng)可成功解出多種標準的音視頻碼流,尤其是AVS+標準的碼流,具有較高的應用價值.

數(shù)字音視頻編解碼標準; AVS/AVS+音視頻標準; H.264視頻標準; 海思Hi3716MV310芯片

隨著數(shù)字化時代的到來,信源編碼在數(shù)字音視頻產業(yè)中的地位逐日提升.數(shù)字電視的音視頻編解碼技術標準在國內外也發(fā)生了一系列的變化,國際標準化組織ISO/IEC 推出的MPEG-X系列壓縮標準從MPEG-1,MPEG-2到MPEG-4和ITU-T推出的H.26X系列壓縮標準 H.261,2,3,3+,3++,以及二者聯(lián)合提出的H.264(AVC);國內壓縮標準從國外引進轉向自主研發(fā)的AVS(Audio and decoding standard),AVS+到AVS2,均是為了用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質量以提供更優(yōu)質的服務,達到最優(yōu)化設置.目前,根據(jù)市場上新出現(xiàn)的各種標準,開發(fā)人員對新的標準流進行了相應的解碼.基于OMAP3530開發(fā)平臺的AVS視頻解碼系統(tǒng),實現(xiàn)了ARM處理器接收網絡數(shù)據(jù)和顯示圖像,DSP處理器解碼AVS碼流[1],雙核的DSP高速處理器來完成H.264標準視頻解碼的優(yōu)化[2],以方便用戶使用.

本文在分析對比國內外先進數(shù)字音視頻標準的基礎上,定位國內的AVS+標準,以海思Hi3716MV310為解碼芯片,進行了外圍硬件電路設計和軟件構建,成功開發(fā)了一款多路AVS+視頻解碼系統(tǒng),并進行了實驗驗證.

1 音視頻編碼標準

最早的音視頻標準是由國外制定的.為滿足用戶的需求,編碼標準和編碼技術需要不斷更新,20世紀90年代初開始出現(xiàn)了MPEG-1和MPEG-2,2000年,MPEG-4是新一代全球多媒體標準,可以在很窄的帶寬下傳輸,通過幀重建技術進行數(shù)據(jù)壓縮,盡可能用最小的數(shù)據(jù)量獲得最佳的圖像質量,非常適用于交互AV服務以及遠程監(jiān)控,能夠在各種帶寬范圍內提供專業(yè)質量的音頻和視頻流服務[3].鑒于對標準的更高追求,經過ISO/IEC動態(tài)圖像專家組聯(lián)合ITU-T視頻編碼專家組組成的視頻組共同制定的H.264是高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標準[4],吸取了以往視頻壓縮技術的精華——混合編碼的框架,主要模塊保留不變,有變換、量化、幀內預測、幀間預測、環(huán)路濾波、熵編碼等[5],可實現(xiàn)較高的編碼率,且語法精簡,網絡交互性好.

國內音視頻編碼標準的發(fā)展,始于高昂的H.264技術專利費及后續(xù)附加費用嚴峻的背景下,我國AVS工作組致力于編碼效率和專利算法之間尋找平衡點,制定屬于自己的第二代數(shù)字音視頻信源標準AVS,該標準于2006年3月被批準為國家標準[6].AVS視頻中的關鍵技術主要包括:可實現(xiàn)無失配的8×8整數(shù)變換,適應不同的應用、業(yè)務對碼率和質量的64級量化,種類少而高效的幀內預測,可以高效地半像素插值和1/4像素插值的4抽頭濾波器;特殊的幀間預測運動補償,采用指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進制比特流的自適應變長編碼技術熵編碼,去塊效應環(huán)內濾波等.雖然我國的AVS起步晚,處于發(fā)展階段,還不是很成熟,但起點高,上升空間很大,重要的是我國有自主控制知識產權,可以不用受制于人,其編碼效率可達國際級水平,可與MPEG-4 AVC/H.264競爭,并且兼容MPEG-4和H.264國際標準基本層,更重要的是大大節(jié)省了帶寬和存儲資源,還可節(jié)省50%以上的無線頻譜和有線信道資源,而且AVS芯片的實現(xiàn)復雜度低,技術方案簡潔.

高質量的音視頻服務往往源于縝密完善的技術支持.AVS處于剛起步階段,還有很大的發(fā)展空間,工業(yè)和信息化部、國家廣電總局、AVS產業(yè)聯(lián)盟、AVS工作組等很多部門、單位和同仁抓住機遇,開發(fā)更好的壓縮技術,節(jié)約存儲資源與帶寬,不斷地嘗試新的方式方法,努力尋找高效率編碼和編碼復雜度之間的平衡點,開發(fā)設計了AVS+標準.“+”是完全按照AVS工作組的既有流程,遵循AVS知識產權政策,基于并兼容AVS標準,在預測、運動補償、變換、熵編碼等關鍵技術上更勝一籌.

2 多路AVS+視頻解碼系統(tǒng)

多路AVS+解碼系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示.其基本原理為:數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)選用復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),根據(jù)硬件電路設計對TS流(該流是解密過的,是清流)進行地址分配,輸入到各自的解碼系統(tǒng)中.圖1中的8組解碼系統(tǒng)均是利用海思Hi3716MV310作為解碼主控芯片,進行外圍硬件電路設計和軟件編程,對AVS,AVS+,MPEG-2,MPEG-4,H.264標準下的TS流進行高效率解碼,得到A/V模擬信號,并分為兩路:一路由千兆交換機傳入網絡,進行軟件播放或TV播放;另一路為解碼獲得的信號,通過RS485驅動選定解碼系統(tǒng)地址接收編碼板命令,對A/V模擬信號進行編碼存儲.一套監(jiān)測系統(tǒng)中一次可完成8路數(shù)字電視信號的解碼,使用8組解碼芯片,每組輸入信號為1路串行TS,1路100 M網絡接口,每組輸出信號為1路CVBS信號,1路模擬音頻信號,系統(tǒng)主板電源輸入為5 V和3.3 V,耗電量較低.此外,解碼部分是獨立系統(tǒng),可以降低成本,還可以獨立生產、調試、運行、維護.

圖1 多路視頻解碼系統(tǒng)設計示意

2.1 Hi3716mv310和CPLD

Hi3716MV310 芯片集成高性能 Cortex A9 處理器,功能強大,應用范圍廣.芯片功能框圖如圖2所示.

其內部設置了HD Decoder模塊支持 MPEG1/MPEG2/MPEG4/H.264/AVS/AVS+/VC-1/VP6/VP8 等多種格式的高清視頻解碼,實時解碼能力可達到1 080 p;音頻解碼范圍也比較廣泛,支持DRA,MPEG L1,MPEG L2,Dolby Digital,DTS Core等標準的解碼;可支持重采樣、兩路混音、智能音量控制,內置豐富的外圍接口功能,提供靈活的連接方案,信號輸入接口有TS in,IF in,2xUSB 2.0 Host等,輸出接口有Audio DAC,HDMI高清/CVBS標清視頻接口等.

該芯片不僅可以滿足各種差異化的業(yè)務需求,還可滿足多媒體播放的要求,已在高清機頂盒、高清多媒體播放、家庭娛樂中心等領域得到了應用.

圖2 Hi3716M V310芯片的功能示意

CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路.其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺,采用原理圖、硬件描述語言等方法,生成相應的目標文件,通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中,實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)[6].CPLD編程具有集成度高、設計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點,可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設計.在該系統(tǒng)中的應用,主要是將1路TS流復制成8路,輸入到8個解碼板,解碼芯片根據(jù)該路TS流中8套節(jié)目的PID號進行解碼,輸出相應節(jié)目的A/V信號.CPLD不僅實現(xiàn)了1路到8路的拷貝,而且能提高系統(tǒng)的驅動能力.

2.2 解碼系統(tǒng)

本系統(tǒng)的功能是完成TS流的解碼,將“數(shù)字形式”的電視信號轉換成模擬的A/V信號輸出.解碼系統(tǒng)設計框圖如圖3所示.

系統(tǒng)以Hi3716MV310芯片為主,根據(jù)其功能特點設計了外部硬件電路,輸入接口有將有線傳輸?shù)腞F信號經高頻頭和CA解密系統(tǒng)輸出的“清”TS流的接入接口、接入網絡傳輸?shù)膲嚎s數(shù)據(jù)流的I2C接口,還有供電的電源接口.輸出接口主要有CVBS接口、網絡接口、音頻接口、UART接口等.輸入信號經過Hi3716MV310芯片解碼成A/V模擬信號,可以直接接入電視機中播放,支持HDMI接口高清視頻輸出和CVBS接口標清視頻輸出,同時可以將A/V信號編碼并通過網絡上傳;并且在輸入端和輸出端分別配置了DDR3和Nand Flash存儲設備,方便信號的存儲.其中 PHY主要用于網絡接口,建立網絡通道,方便信號的上傳.

圖3 解碼系統(tǒng)示意

解碼系統(tǒng)的關鍵在于解不同標準的TS碼流,其總體思想是從比特流中解出頭信息,產生預測塊,熵解碼得到的量化系數(shù)經反量化、反變換 得到殘差塊,預測塊和殘差塊相加后,經過濾波器即可得到重建的圖像[7].下面在只考慮幀圖像,不考慮場圖像的前提下,以H.264和AVS-M解碼的不同為例,來闡述解碼過程.

(1) 比特流信息 兩種標準中的比特流都是以Network Abstract Layer Unit(NALU)為單位,每個NALU單元包含一個RBSP,NALU的頭信息定義了RBSP所屬類型.兩種標準采用參數(shù)集機制將一些重要的序列、圖像參數(shù)(解碼圖像尺寸、片組數(shù)、參考幀數(shù)、量化和濾波參數(shù)標記等)與其他參數(shù)分離,通過解碼器先解碼出來.讀取NALU過程中,每個NALU起始碼0x000001的讀取中,解碼器需要將H.264編碼器在最后一字節(jié)前插入的一個新字節(jié)——0x03刪掉,而AVS-M只需識別出起始碼0x000001;在比特流信息中讀取宏塊類型(mb type)時,兩種標準的幀內、幀間預測時宏塊的劃分中I_slice亮度塊是有區(qū)別的,而二者的P_slice宏塊劃分一致.此外,兩種標準的宏塊編碼模板cbp值計算也不相同.

(2) 幀內預測 在對給定的宏塊進行編碼時,首先根據(jù)周圍相關的宏塊,采用代表空間域紋理的多種預測模式進行預測,然后對預測值和實際值之差進行編碼.H.264和AVS在幀內預測方面的主要差別在于亮度預測和色度預測的方法不同.在亮度預測方面,H.264采用4×4塊和16×16塊預測方式,AVS采用8×8塊預測方式;在色度預測方面,H.264和AVS均有4種預測模式的8×8塊預測方式[9].因此在解碼時,需要根據(jù)二者的不同,分別進行預測模式的讀取.H.264中的Intra_16×16和色度預測模式及AVS-M的色度預測模式均從碼流中讀取.

(3) 幀間預測 兩種標準下亮度塊的運動矢量等于預測運動矢量(MVPred)加上比特流中讀取到的運動矢量差(MVD).由于亮度MV精度為1/4像素,而色度精度為1/8像素,因此色度塊的運動矢量是亮度塊的兩倍.在不需要對所有解碼器都傳送一個I幀降低效率的情況下,而達到使解碼端與其他解碼器正在產生的視頻流精確同步,H.264設計了新的流間傳送幀——SP/SI幀.該幀可以在播放數(shù)據(jù)傳輸速率不同的情況下,解碼器在各種視頻內容間切換,以抵抗數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯誤,還能夠實現(xiàn)快進.

(4) 熵解碼 二者解碼方式的不同主要是由于兩種標準熵編碼過程的不同,H.264和AVS熵編碼采用的都是自適應變長編碼技術.在AVS熵編碼過程中,以指數(shù)哥倫布碼的形式將所有的語法元素和殘差數(shù)據(jù)映射成二進制比特流;而H.264基于上下內容的自適應二進制算術編碼CABAC,可以大大減少塊編碼的相關性冗余.

(5) 環(huán)路濾波 兩種標準都采用基于塊的殘差系數(shù)反變換、反量化,量化過程相對粗糙,運動補償塊可能來自不同幀位置的內插樣本塊,反量化恢復的變換系數(shù)必定帶來誤差,將導致邊界不連續(xù),因此采用環(huán)路濾波消除塊預測誤差造成的失真是必要的.相對H.264而言,AVS-M濾波器像素少,強度弱,但在消除方塊效應的同時能大大減少濾波時間.H.264根據(jù)相鄰塊模式、參考索引、運動矢量和解碼塊來確定濾波強度,濾波強度參數(shù)Bs值為0～4,當Bs為1～3時采用4抽頭濾波器;當Bs為4時采用6抽頭濾波器.H.264中的濾波器能適應片級、邊界級和樣點級的需要.

與基于Hi3716MV300的解碼系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)的突出優(yōu)勢就是可解碼AVS+格式的碼流.AVS+是在AVS的基礎上進行了技術改進,主要是針對AVS的腳本不支持隔行掃描的不足,對運動補償預測進行了擴展,修改了底場默認的skip/direct模式參考圖像及其運動矢量的推導方式,增加了運動場景的場編碼,從而支持隔行掃描,提高了清晰度[8];采用圖像級自適應加權量化AWQ 對DCT變化后的系數(shù)進行量化;通過圖像層的選擇標志,修改了頂場與底場的默認參考圖像,由最近場修改為同極性場跳過模式編碼;在編碼的最后一個流程——“熵編碼”中,在CAVLC算法的基礎上添加了復雜程度較小的上下文算術編碼CABCA以提高編碼效率[9].

3 實驗結果

目前,包括湖南衛(wèi)視高清、央視2/7/10/12/14等多條高清頻道都采用了我國自主研發(fā)的AVS+格式進行廣播,屆時所有的電視機、機頂盒、電腦,或者說播放設備都要支持AVS+才能在市面上銷售,而目前不支持的設備將被逐步淘汰.已知CCTV-12套《社會與法》和CCTV-10套《科教》頻道采用的是AVS+標準編碼,基于Hi3716MV310的解碼系統(tǒng)解碼出的視頻畫面如圖4和圖5所示.

圖4 CCTV-12《社會與法》的視頻畫面

圖5 CCTV-10《科教》頻道的視頻畫面

4 結 語

數(shù)字音視頻標準是電子信息產業(yè)的“風向標”,用戶和監(jiān)測單位要及時開發(fā)設計新的解碼系統(tǒng),才能滿足客戶需求.本文設計的基于海思Hi3716MV310的多路音視頻解碼系統(tǒng),在CPLD和RS485驅動模塊的配合下,可以高效地完成不同標準TS流的解碼工作,尤其是AVS+,可以滿足視頻的清晰度、流暢度、實時性等的要求,提高了數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)的多功能性,應用價值較高.

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(編輯 胡小萍)

Design of Multi-channel Decoding AVS+’s Video System

YUAN Sannan, DU Xiaomin

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

To enhance the compatibility of digital television systems,it’s necessary for the digital TV monitoring system to decode various standards’ digital video streams at home.Based on Hass Hi3716MV310 chip,a multi-channel decoding AVS+′s video system is designed.The populate standards in the practical applications is introduced mainly focusing on AVS+.Then,based on the chip Hass Hi3716mv310,the hardware circuit and software for decoding system are designed.In digital TV monitoring systems,the system in the application of digital video surveillance is employed to make experiments of decoding many standards’ video stream.The results show that the system could decode a variety of standards’ video streams successfully,especially AVS +streams.This system has a high value of application.

digital video codec standard; AVS/AVS+′s standard; H.264 video standard; Hass Hi3716MV310 chip

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.019

2016-03-16

袁三男(1967-),男,博士,副教授,江蘇蘇州人.主要研究方向為通信與信息系統(tǒng),流媒體網絡,數(shù)字電視,嵌入式系統(tǒng)等.E-mail:samuel yuan@shiep163.com.

TN949.197;TN948.7

A

1006-4729(2017)01-0086-05