FPGA在高清低碼流視頻編碼中應用案例

3G網(wǎng)絡和智能手機的迅速普及推動了移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為安防網(wǎng)絡從局域網(wǎng)擴展到移動互聯(lián)網(wǎng)提供了條件。通過對移動互聯(lián)網(wǎng)的上行帶寬和下行帶寬的實測可以知，512 Kbps是一個有效而且可靠的帶寬值，如果能夠在這個帶寬值限制條件下實現(xiàn)高清視頻的傳輸，必將可以推動移動監(jiān)控應用的普及。本文介紹了FPGA在實現(xiàn)高清低碼流視頻編碼中的作用以及如何具體實現(xiàn)。

概述

安防攝像機的分辨率和碼流是正關(guān)聯(lián)的，進入高清時代后，碼流就在2Mbps以上，比以前D1時代要高3倍以上，這么大的碼流在100M/1000M的局部網(wǎng)絡傳輸是沒有任何問題的，硬盤存儲的代價也可以接受;但是如果想在互連網(wǎng)和3G網(wǎng)絡上傳輸高清視頻，低碼流的要求就凸現(xiàn)出來了。

首先是高清視頻上傳到互聯(lián)網(wǎng)的問題，目前最普及最便宜的上傳技術(shù)是ADSL，上傳速度為512Kbps，用3G也能上傳，CDMA2000的上傳速度為1.8 Mbps，由于無線傳輸?shù)睦碚摲逯岛蛯嶋H連續(xù)平均值有相當?shù)牟罹?，所以可以估算在幾百Kbps之內(nèi);其次是高清視頻從互聯(lián)網(wǎng)下載到顯示終端的問題，ADSL的下載速度一般可以在4 Mbps以上，在家里用3G從網(wǎng)上下載1個幾十MB的文件，TD-SCDMA的下載速度大約為430Kbps，CDMA2000的下載速度大約為720Kbps，WCDMA的下載速度大約為1120Kbps。

綜上所述，高清視頻如果想方便而又經(jīng)濟地在互聯(lián)網(wǎng)和3G網(wǎng)絡得到應用，512Kbps的平均碼流是合適的。高清視頻在互聯(lián)網(wǎng)和3G網(wǎng)絡的應用中還有一個問題，就是網(wǎng)絡實時帶寬的波動比較大， 在這種環(huán)境下傳輸?shù)囊曨l其平均碼流越低，視頻的質(zhì)量就越有保證。

目前現(xiàn)狀是高清視頻720p的碼流一般在2Mbps以上，1080p的碼流在4Mbps以上，要大幅度降低碼流，需要從幾個方面考慮。

H.264編碼器與FPGA

視頻壓縮編碼是最有效降低碼流的方法，目前H.264是編碼器的首選標準。H.264編碼算法很復雜，采用了很多方法來降低編碼碼流。一般來說，視頻由連續(xù)的幀組成，編碼后的幀主要有I幀、P幀和B幀。I幀的編碼不依賴其他幀，只利用幀內(nèi)的像素進行各種預測來降低編碼碼流;P幀利用當前幀和以前的幀做參考，利用幀內(nèi)的像素和幀間的像素進行各種預測來降低編碼碼流;B幀利用當前、以前和后面的幀做參考，利用幀內(nèi)的像素和幀間的像素進行各種預測來降低編碼碼流。

從實用角度講，P幀和B幀對降低編碼碼流的貢獻最大，因為在監(jiān)控應用中，P幀和B幀相對I幀的比例可以很大;而其中B幀作用更加明顯：不僅可以利用前后參考幀來增加預測的準確性，而且B幀的解碼結(jié)果還可以不作為參考幀，這樣又可以通過適當降低B幀編碼質(zhì)量來降低編碼碼流，于是B幀的碼流又可以比P幀少很多。B幀除了比P幀多了后向參考幀可以用外，所采用的預測方法和P幀是一樣的，所以后面我們只考慮I幀和P幀，分別討論FPGA在預測和變換結(jié)果的量化環(huán)節(jié)所起的作用。

預測—FPGA在并行處理上的優(yōu)勢

I幀所采用的預測方法是相對簡單的，而且在P幀和B幀都可以采用，所以I幀的所有預測方法都應該全部實現(xiàn);P幀的預測方法非常復雜，H.264編碼器的大部分工作量都在這里。P幀的預測目的就是找到當前宏塊在參考幀的位置(可以將宏塊分成幾部分來匹配)，而且匹配精度是1/4像素，準確的匹配可以最大限度減少編碼。

為了減少工作量，一般是先進行整數(shù)像素的搜索匹配，然后才是1/2和1/4像素的最后匹配，要想提高搜索匹配的成功率，參考幀數(shù)量、搜索范圍和匹配次數(shù)都是很關(guān)鍵的。一般來說，參考幀多或者搜索范圍大都需要比較多的匹配次數(shù)。

由于硬件實時性和流水線的要求，P幀的預測都要在固定的單位時間內(nèi)完成，在很短的時間內(nèi)要想實現(xiàn)盡可能多的匹配次數(shù)，并行處理是唯一的選擇，F(xiàn)PGA在并行處理上體現(xiàn)了優(yōu)越性，可以實現(xiàn)同時多個位置的匹配，像一些小菱形的4點或者3點匹配，就可以同時計算出3～4點的SAD，比逐點計算快3～4倍。另外，多個參考幀也可以并行處理，同時得到不同參考幀的最小SAD;并行處理是可以大大提高匹配次數(shù)，但是也需要大量的內(nèi)部存儲器和邏輯資源，需要從整個設計的總體資源來考慮。