FPGA在高清低碼流視頻編碼中應用案例

　　概述

　　安防攝像機的分辨率和碼流是正關聯的，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和3G網絡上傳輸高清視頻，低碼流的要求就凸現出來了。

　　首先是高清視頻上傳到互聯網的問題，目前最普及最便宜的上傳技術是ADSL，上傳速度為512Kbps，用3G也能上傳，CDMA2000的上傳速度為1.8Mbps，由于無線傳輸的理論峰值和實際連續平均值有相當的差距，所以可以估算在幾百Kbps之內;其次是高清視頻從互聯網下載到顯示終端的問題，ADSL的下載速度一般可以在4Mbps以上，在家里用3G從網上下載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濟地在互聯網和3G網絡得到應用，512Kbps的平均碼流是合適的。高清視頻在互聯網和3G網絡的應用中還有一個問題，就是網絡實時帶寬的波動比較大， 在這種環境下傳輸的視頻其平均碼流越低，視頻的質量就越有保證。

　　目前現狀是高清視頻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在預測和變換結果的量化環節所起的作用。

　　預測—FPGA在并行處理上的優勢

　　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;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，參考幀數量、搜索范圍和匹配次數都是很關鍵的。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。

　　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完成，在很短的時間內要想實現盡可能多的匹配次數，并行處理是唯一的選擇，FPGA在并行處理上體現了優越性，可以實現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，但是也需要大量的內部存儲器和邏輯資源，需要從整個設計的總體資源來考慮。