视频压缩IPcore设计

摘要：介绍了一种基于FPCA技术的视频压缩IPcore(Intellectual Property core，智力产权)设计。设计中综合运用了分布式算法、并行运算和流水线单元，通过VerilogHDL(Veriog Hardware DescdPtionLanSuage)硬件描述语言描述运算单元及其结构配置。整个系统能在27MHz系统时钟下工作。 关键词：视频压缩 IPcore FPCA 现行的视频压缩标准有多种，但基本属于以下两大类：视频会议标准和多媒体标准。视频会议标准包括ITU(Intemational Telecommunication Union)的H．263／H．261等。这些标准主要采用了基于DCT(离散余弦变换)编码、运动补偿等技术，使视频流能以Nx64kbps(N=1～32)的速率传输。 多媒体压缩标准主要包括：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等，由CCITT和ISO的动态图像专家组(MotionPicture Experts Group)制定。MPEG-1主要应用在以CD-ROM为介质的视频上，比特率为1．5Mbps。MPEG-2应用在NTSC／PAL和CCIR601中， 比特率为2～10Mbps。MPEG—1和MPEG—2的目的都是有效传输和存储音视频。而MPEG-4是为了提供更有效的视频压缩，基于内容提供广泛的接人方式。它既可以在5-64kbps的移动电话和公共交换网中应用，也可以在4Mbps带宽的电视中应用。 JPEG(Joint Photographic Experts Group)标准是一个适用范围广泛的通用标准，由联合图像专家小组制定。它不仅适用于静止图像的压缩，也适用于电视图像序列的帧内图像的压缩[1]。 近年来，随着FPGA技术的日益成熟，愈来愈多的曾使用软件或DSP实现的复杂数字算法开始使用PPCA完成。这当然是由于FPGA的特殊结构和特性，使它可以更加高速和高效地完成这些算法。IPcore技术可以把这些FPGA中的算法设计封装成包(模块)。这些包具有智力产权，可以被继承、共享或购买。 1 视频压缩原理和算法实现 视频压缩技术主要利用图像信号的相关、冗余等特性，通过一些变换算法，保留对人眼视觉最重要的部分，进行编码传输。大部分视频压缩利用2D-DCT(二维离散余弦变换)和2D-IDCT(二维反离散余弦变换)变换得到图像的频谱，高精度保留对人眼重要的高频部分，低精度保留低频部分从而对视频流进行压缩[1]。其过程如图1所示。 1.1 DCT变换算法 2D-DCT变换是视频压缩中的常用变换[2]。在压缩过程中，将一幅图像分成许多8x8的小块进行变换。 8x8的2D-DCT变换如公式(1)所示： 如果直接使用公式(1)进行2D-DCT变换，运算量将会十分巨大，普通FPGA很难有效完成整个视频压缩运算。所以需要先把2D-DCT运算进行一些变换，简化计算，减少运算量。 2D-DCT具有正交可分解性闷，可以通过对输入的矩阵先做一维行变换，再做一维列变换实现。即将8x8数据先按行方向进行累加运算，产生中间矩阵，再对中间矩阵按列方向进行累加运算，最后得到变换结果。2D-DCT可以分解成两个1D-DCT运算，见公式(2)。 将公式(2)展开成矩阵形式，得到公式(3)。计算一个这样的单元需要64个乘法器和56个加法器，运算量还是很大。利用公式(3)的对称性进行变换，可以得到公式(4)，使乘法器减少到32个，加法器减少到8个。 一个由公式(4)推演出的分布式乘法器如图2所示。4个乘数(x0…x3)同时与各自的系数(c0…c3)相与，然后相加得到一个和数，这个和数与除2器出来的数相加，得到一个新的累计数。这个新的累加数如果是最后的结果，则输出；如果不是，送入除2器，进行下一步累加。这样，分布式乘法器就可以完成系数yj的运算。 由于DCT运算中的系数Cm是常数，对于拥有RAM单元的FPGA，上述运算也可以使用查ROM表的方法实现。将图2中的虚线内部分，改换ROM单元，如图3所示。这时，(x0…x3)作为ROM表的地址位，通过查表的方式输出和数，进行累加运算。ROM表的地址位宽度为4，存储单元数量DW=24=16。一些生产商提供的综合软件带有IP库，可以调用这些IP库中的ROM模块实现ROM表。例如ALTERA公司的Megafunction Library中的LPM_ROM可以用以下的语句调用(VerilogHDL)[4]。用VC或MATLAB生成一个．mif的ROM表文件。 LPM_ROM U1( .address(adr)， .inclock(clk)， .q(dat))； defparaln lpm_rom_component.lpm_width=16， lpm_rom_component.lpm_widthad=4， lpm_rom_component．1pm_address_control ="REGISTERED"， lpm_rom_component．ipm_outdata ="UNREGISTERED"， lpm_rom_component．1pm_file="romtable．mif"； 这样，可以得到由这些基本单元构成与矩阵公式(4)相对的1D-DCT的FPGA设计，如图4所示。其中4RC单元表示图3的结构。 如前所述，2D-DCT需要两个1D-DCT共同完成，但是两个1D-DCT运算的中间变量并不是直接传递的，而需要一个矩阵转置模块进行耦合。 1．2 转置RAM 2D-DCT单元由两个相同的1D-DCT和转置RAM等组成，如图5所示。根据公式(2)，可以知道1D-DCT先对8x8单元的行进行累加操作，把得到的结果暂存到RAM中，直到8行都运算完成。RAM中的临时8x8矩阵要先转置，把列数据变成行数据，经并串转换后输入到第2个1D-DCT进行行累加。 转置RAM是一个8x8的RAM阵列。当数据完成1D-DCT变换后，即由xij到zjl变换，按行顺序输入到转置RAM，在读出时按列顺序读出，这样完成zil到zli的变换；然后将z9并串转换，输入到第二个1D-DCT，由zli运算得到ylk。这样就完成了公式(1)的2D-DCT整个变换，如图6所示。 1.3 2D-IDCT 2D-IDCT变换如公式（5）所示。 可见公式(5)与公式(1)相同，所以2D-IDCT可以用与2D-DCT的同样方法实现。 1．4 量化，编码 量化算法包括一张量化表，它因人眼对各种空间频率的灵敏度的不同而确定。在表中，较低空间频率的精度要高于较高频率的精度，这是由于人眼的低频分量比较敏感，而对高频分量不太敏感。 编码可以采用游程编码或熵编码。单元模块均可通过FPGA的片上RAM(满足双口RAM的特性)设计完成。 图6 2 结论 整个视频压缩IPcore设计可以在FPGA上实现，在27MHz的系统时钟下工作。根据具体芯片的不同，可以在更高的速率工作。压缩速率可以达到108Mbps。 实际应用中，数据字长对压缩效果和比率有较大影响，一般情况下系数Cm取12位，可以满足大部分的视频压缩要求。 整个视频压缩IPcore可以直接下载到FPGA上(例如EDIF格式)，独立实现视频压缩功能，也可以通过软件设计与其他的IPcore协同工作。例如，在网络摄像机的应用上，可以把视频压缩IPcore、数字摄像头控制器、网络接口一起编译成新的核。这个核具有视频采 集、压缩、传输等一系列功能。把核的EDIF文件通过生产厂商的下载软件下载到FPGA上，就可以在一块芯片上实现所有网络摄像机的功能。实现了SoPC(System On a Programmable Chip)的目标。