H.264攜帶型即時轉碼器的方案探討

H.264攜帶型即時轉碼器的方案探討

[日期：2008-12-22]

來源：中電網  作者：湯曉冰，郭 健，沈紅星，陳 琳

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1 引言

H.264標準以其高視頻壓縮比、高映像品質、良好的網路適應性得到了市場的廣泛認可。其應用目標範圍較寬，可以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸、儲存場合的需求。但演算法的複雜度高，必須有強勁有力的硬體作支援。

2 H.264攜帶型即時轉碼器方案比較

目前DSP是實現H.264視頻編解碼的主流。DSP晶片採用多匯流排多功能單元的哈佛結構，加上帶有強烈針對性的指令集設計，實際的處理能力非常高。但是由於H.264演算法的複雜性，需要更快的DSP，這樣將會導致價格提高和功耗增大。對於H.264攜帶型即時轉碼器來說，DSP架構往往不能同時滿足編解碼速度和功耗這兩方面的要求。另外，對於H.264編解碼軟體，雖然有開源的轉碼器可以參考，但代碼的修改、移植過程仍然相當複雜。

因此，可以考慮使用專用的硬體來實現H.264攜帶型即時轉碼器。目前市場上主要有兩種形式：一種採用IP(Intellectual Property)核，一種採用ASIC晶片。

2.1 基於IP核的轉碼器

目前，基於IP核的轉碼器是比較常見的，能提供H.264編解碼IP核的廠家主要有 4i2i，IndigoVision，Sarnoff，Chips&Media，Ocean Logic，Innovative Semi-conductors，eInfoChips，CAST，Barco-Silex，Ateme，創意電子以及國內的中芯聯合等。4i2i和 Chips&Media等都能提供全系列的H.264編解碼核。表1列舉了4家IP核的H.264 轉碼器。

但由於功耗、體積和成本的限制，基於IP的方案無法廣泛應用到消費電子領域中，一般直接被IC廠商封裝在SoC中，以ASIC方式提供給使用者。例如，可程式化邏輯供應商Xilinx與英國IP核供應商4i2i就共同發布了一塊單片式FPGA高清晰度的H.264視頻編碼器。另外也有一部分IP核可以支援ARM等平台，如表1中TechnoMathematical的H.264_BP，H.264_MP等。

2.2 基於ASIC晶片的轉碼器

ASIC定製的視頻編解碼晶片成本低廉，編解碼速度快，廣泛用於各個領域。這種ASIC內部除處理器外，一般還整合了豐富的外設介面，如乙太網路、 USB、CF等介面，有些還整合了映像壓縮、映像增強、硬體加速等模組，特別是有些晶片還整合有RISC CPU，採用ASIC+ARM的構架，能有效地結合ASIC和ARM的長處，使晶片具有高效能編解碼功能，同時實現許多應用功能的開發。

目前，能夠生產H.264編解碼相關晶片的IC公司有：Broadcom，Conexant，Sigma Designs，STMicroelectron-ics，Hantro，C&S Technology，NeoMagic，ATI，nVidia，Tech-no Mathematical，Qpixel，Chips&Media，富士通以及國內的海思、富翰等。這些公司推出的產品大部分為解碼器，例如 Broadcom公司的BCM74xx系列、Conexant的Cx2418x系列、Sigma Designs的SMP8620和SMP8630系列、富翰的FH8601等。而海思的Hi3510，Qpixel的QL20X系列以及富士通的 MB86H50和MB86H51等為全功能的轉碼器晶片，下面重點介紹～下這幾款晶片。

1) 海思的Hi3510

Hi3510是一款基於ARM9及DSP雙處理器核心，以及硬體加速引擎的高整合、可程式化、支援MPEG-4和AVC／H.264等多協議的高效能通訊媒體處理器，可廣泛應用於即時視頻通訊、數位影像監控等領域。視頻處理單元能夠支援MPEG- 4，AVC／H.264，Baseline，H.263+，H.261，JPEG等多種協議的即時編解碼。加密、DRM和數字浮水印技術為資料和通訊的安全提供了強有力的保障。圖形處理器能夠提供視頻去噪、映像增強、運動檢測等功能；支援任意比例的視頻、圖形縮放以及去隔行處理；支援OSD和2D圖形加速，為應用圖形介面的開發提供豐富的特性。其功能框圖1所示。

2) Qpixel的QL202B

QL202B是一款半雙工H.264／AVC Main Profile(Level 3)的編解碼SoC，內部整合ARM9處理器和10／100 Mbit／s乙太網路介面，非常適用於網路視頻流的應用。圖形處理器能夠提供視頻去噪、映像增強、運動檢測等處理功能；先進的視頻編碼處理支援 CSVLC／CABAC，可配置GoP的結構，支援任意比例的視頻、圖形縮放以及全屏OSD等，為應用圖形介面開發提供豐富的特性。其功能框圖2所示。

目前支援Main Profile的ASIC還比較少，QL202B是效能較好的一款。它支援full D1@30 f／s(幀／秒)，外設豐富，具有一個ARM核，能夠不加擴充地開發很多應用。尤其是它具有NAL(Netware Abstract Layer)，支援MPEG的TS和PS以及單獨的視頻或音頻ES，所以能夠很輕易取代目前許多應用中的MPEG-2轉碼器。同時，支援Apple Quicktime也是它的一大賣點。

3) 富士通的MB86H50

MB86H50是首款支援High Profile Level 4.0的H.264轉碼器，可對高清視頻(高達1 440點×1 080行)進行即時的壓縮和解壓縮，也可對Dolby數字格式的音頻進行同步壓縮和解壓縮。其內部整合有256 Mbit×2的FCRAM，使得尺寸更緊湊、功耗更低。富士通實驗室開發的self-turning演算法可以自適應地對感興趣地區(如人臉、緩慢移動的物體等)進行淺度壓縮而對其他地區進行深度壓縮，這就可以使映像資料壓縮至MPEG-2的1／2～1／3。其功能框圖3所示。

以上3款晶片從支援H.264的Baseline Profile到High Profile，不同應用的適用層次也不同，例如Main Pro-file主要面向消費電子應用(如數字電視廣播、數位視訊儲存等)，需要注意選型。表2將這幾款晶片作了簡要的對比。

基於ASIC的轉碼器其靈活性存在一定的缺陷，一旦晶片開發完畢就很難繼續擴充其他應用，新功能的添加需要晶片研發公司花費較長的開發週期。好在目前很多ASIC都整合了ARM，並且支援韌體升級以增加新的功能，例如，QL202B的音頻Codec部分就可通過韌體升級支援MPEG-1／2／4或其他新的音頻編碼通訊協定，但是這樣的開發在很大程度上受制於晶片公司。

3 小結

設計H.264攜帶型即時轉碼器時必須充分考慮即時性、功耗、成本、資源、開發週期等因素，進行充分的調研，才能確定最優方案，降低系統的開發難度，縮短開發週期，降低開發成本。本文探討了基於硬體實現的方案，對幾款H.264不同層次的全功能編解碼晶片的主要特點作了介紹以及簡要對比，對開發前期方案的確定有一定的指導意義。