电子产品世界

引 言

多媒体技术实用化的关键技术之一，就是解决视频、音频数字化以后数据量大，与数字存储媒体、通信网容量小的矛盾，其解决途径就是压缩。

为了支持低比特率视频传输业务，MPEG(Moving Picture Expert5 Group)推出了MPEG-4标准。于1999年正式成为国际标准的MPEG-4是一个适合于低传输率的视频、音频解决方案，更注重于多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4视频压缩标准提供了一种高度灵活、基于“内容”的编码方法，解码端可以“按需解码”，还可以添加对象和信息。这种灵活性使得MPEG-4具有高效的编码效率、基于内容的可扩展性以及在易受干扰环境下的鲁棒性。

MFEG-4的这些特性使得它十分适合于存储容量有限的手持终端设备。但是MPEG-4视频解码中涉及的反量化(Inverse Quantlzation，IQ)、反离散余弦变换(InverseDiscrete Cosine Transform，IDCT)，运动补偿(Motion Composition，MC)等技术均是典型的计算密集型变换，对于本身处理能力有限，功耗受限的手持终端设备而言，视频解码的实时性是一个很大的挑战。

本系统在NiosII 和FPGA构成的SOPC平台上，使用NiosII的用户自定义指令以硬件逻辑方式实现MPEG-4解码中的IQ、IDCT、MC等计算复杂、高度耗时的功能模块，极大地提高解码速度。从而在以GPL协议发布的XviD Codec基础上，实现Simple Profile视觉框架下，L1级、QCIF(177×144分辨率)、25fps的MPEG-4实时解码，并通过DMA方式在LCD上加以显示。

1 系统功能描述

本系统从功能上可以分为视频文件存取、视频解码器、YUV-RGB变换器和LCD控制模块4个部分。

1．1 视频文件存取

要进行视频文件的播放，首先需要对视频文件进行方便地存储和读取。系统播放的MP4文件由XviD Codec在PC上对4：2：0的YUV文件压缩得到。该MP4文件采用177×144分辨率的QCIF格式，25帧／s。在下载模式，可以通过JTAG接口将MP4文件写入Flash存储器中。在播放模式下，Nios II处理器将MP4文件从Flash存储器中读出，送入文件缓冲池中等待解码器对其进行读取并解码。

1．2 视频解码器

视频解码器是系统的核心。如图1所示，视频解码器由熵解码器、反量化、反离散余弦变换、运动补偿模块和视频帧缓存5个模块组成。

解码时，首先对输入码流进行熵解码，然后根据帧的头信息判断帧的类型。对于每个宏块，熵解码后首先经过IQ，再经过IDCT变换得到空问域的值。对于参考帧(R_ Frame),由于不需要进行运动补偿，变换后的结果直接输出，同时还要将它存储在视频帧缓存中．留给后面的预测帧(P-Frame)做运动补偿。对于预测帧，先通过熵解码得到运动向量，根据运动向量搜索到相应的参考帧后，再将IDCT变换后的预测差值与之相加，合成最后的预测帧图像。解码后的预测帧同样是一路输出，一路存放于视频帧缓存当中。

视频解码如果采用纯软件方式实现，运算量太大，难以满足实时性要求。利用NiosII的自定义指令，将IQ、IDCT和MC这3个主要的计算密集型解码单元用硬件逻辑方式实现，以硬件逻辑的复杂性换取解码的实时性。

1．3 YUV-RGB变换器

解码器解码得到的YUV格式图像不适合直接用于LCD显示。要在LCD上显示解码得到的图象必须将YUV格式的图像转换为RGB格式，两者的转换关系如下：

YUV到RGB格式的转换是一个很占用CPU资源的过程。本系统以查表的方式，采用硬件逻辑实现该转换。

1．4 LCD控制模块

标准VGA LCD显示模块(640×480，@60 Hz)是一种逐行扫描设备。这种扫描是顺序的，下一个扫描点能够预知，从而可以将需要送出的像素信息排成一行，看作一个数据流(Streaming)。借助于NiosII的Avalon流模式外设的设计方法，可以实现一个Avalon流模式的LCD控制器。利用DMA控制器在流模式的LCD控制器和系统SDRAM之间建立一条DMA传送通道，由硬件完成像素信息的读取和送出。NiosII只需要操作SDRAM中的相应区域就可完成显示图像的更新。

2 系统设计结构

2．1 系统硬件结构

系统硬件结构如图2所示。

为了达到25 fps的实时解码速度，IDCT、IQ、MC和YUV-RGB转换这4部分计算密集型的功能单元全部以用户自定义指令的方式实现。

2．1．1 反量化

系数的二维数组QF[v][u]被反量化，产生重构的DCT系数。该过程的实质是以量化步长为倍数的乘法运算。

内部编码块DC系数的反量化过程不同于其他的AC系数。DC反量化系数由一个常数因子intra-dc与QF[0][0]相乘而得到。intra_dc与编码精度有关，表1显示的即为两者对应关系。

AC系数的反量化要用到两个加权矩阵，分别用于内部子块和非内部子块。用户也可以使用自定义的量化矩阵。如果用QDCT表示输入已量化的AC系数，用DCT表示反量化后的AC系数，那么AC系数的IQ变换公式如下：

式中，quantiser_scale为0～112之间的两组数值，分别对应不同的比特流控制状态。但是在本系统采用的XviDCodec版本中，比特流控制功能并没有得到实现，所以这里quantiser_scale的取值固定。

反量化得到的结果通过饱和化，使其限制在[-2048，+2047]之间。

IQ在FPGA上按照图3的框图进行硬件实现。

2.1.2 反离散余弦变换

IDCT是DCT的逆过程，用于还原DCT系数矩阵。

IDCT过程可由下面的公式描述：

将8元的输入向量[X0，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7]分成奇元素[X1，X3，X5，X7]和偶元素[Xo，X2，X4，X6]，8×8矩阵则用2个4×4矩阵来代替，奇元素和偶元素分别与这2个矩阵v和u相乘，生成2个4×4向量p和q，通过加减向量p和q，可得到输出向量x。

算法可以表示成下面的公式：

关键词： NiosII FPGA MPEG 视频播放器