如何使用FPGA實(shí)現(xiàn)高清低碼流視頻編碼

3G網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)的迅速普及推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為安防網(wǎng)絡(luò)從局域網(wǎng)擴(kuò)展到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提供了條件。通過(guò)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的上行帶寬和下行帶寬的實(shí)測(cè)可以知 道，512 Kbps是一個(gè)有效而且可靠的帶寬值，如果能夠在這個(gè)帶寬值限制條件下實(shí)現(xiàn)高清視頻的傳輸，必將可以推動(dòng)移動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用的普及。本文介紹了FPGA在實(shí)現(xiàn)高清低碼流視頻編碼中的作用以及如何具體實(shí)現(xiàn)。

　　概述

　　安防攝像機(jī)的分辨率和碼流是正關(guān)聯(lián)的，進(jìn)入高清時(shí)代后，碼流就在2Mbps以上，比以前D1時(shí)代要高3倍以上，這么大的碼流在 100M/1000M的局部網(wǎng)絡(luò)傳輸是沒(méi)有任何問(wèn)題的，硬盤存儲(chǔ)的代價(jià)也可以接受；但是如果想在互連網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)上傳輸高清視頻，低碼流的要求就凸現(xiàn)出來(lái)了。

　　首先是高清視頻上傳到互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)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(wú)線傳輸?shù)睦碚摲逯岛蛯?shí)際連續(xù)平均值有相當(dāng)?shù)牟罹啵钥梢怨浪阍趲装貹bps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(wèn)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(gè)幾十MB的文件，TD-SCDMA的下載速度大約為430 Kbps，CDMA2000的下載速度大約為720Kbps，WCDMA的下載速度大約為1120 Kbps。

　　綜上所述，高清視頻如果想方便而又經(jīng)濟(jì)地在互聯(lián)網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)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(luò)的應(yīng)用中還有一個(gè)問(wèn)題，就是網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬的波動(dòng)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)。H.264編碼算法很復(fù)雜，采用了很多方法來(lái)降低編碼碼流。一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)行各種預(yù)測(cè)來(lái)降低編碼碼流；P幀利用當(dāng)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(jìn)行各種預(yù)測(cè)來(lái)降低編碼碼流；B幀利用當(dāng)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(jìn)行各種預(yù)測(cè)來(lái)降低編碼碼流。

　　從實(shí)用角度講，P幀和B幀對(duì)降低編碼碼流的貢獻(xiàn)最大，因?yàn)樵诒O(jiān)控應(yīng)用中，P幀和B幀相對(duì)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(lái)增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)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(guò)適當(dāng)降低B幀編碼質(zhì)量來(lái)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)和變換結(jié)果的量化環(huán)節(jié)所起的作用。

　　預(yù)測(cè)—FPGA在并行處理上的優(yōu)勢(shì)

　　I幀所采用的預(yù)測(cè)方法是相對(duì)簡(jiǎn)單的，而且在P幀和B幀都可以采用，所以I幀的所有預(yù)測(cè)方法都應(yīng)該全部實(shí)現(xiàn)；P幀的預(yù)測(cè)方法非常復(fù)雜，H.264 編碼器的大部分工作量都在這里。P幀的預(yù)測(cè)目的就是找到當(dāng)前宏塊在參考幀的位置（可以將宏塊分成幾部分來(lái)匹配），而且匹配精度是1/4像素，準(zhǔn)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(jìn)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(lái)說(shuō)，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(shí)時(shí)性和流水線的要求，P幀的預(yù)測(cè)都要在固定的單位時(shí)間內(nèi)完成，在很短的時(shí)間內(nèi)要想實(shí)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(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)位置的匹配，像一些小菱形的4點(diǎn)或者3點(diǎn)匹配，就可以同時(shí)計(jì)算出3～4點(diǎn)的SAD，比逐點(diǎn)計(jì)算快 3～4倍。另外，多個(gè)參考幀也可以并行處理，同時(shí)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(chǔ)器和邏輯資源，需要從整個(gè)設(shè)計(jì)的總體資源來(lái)考慮。