基于H.264的机载视频记录仪压缩存储模块设计

2015-07-22仇杰耿建平

现代电子技术 2015年14期

仇杰+耿建平

摘要：针对某机型原有磁带式记录体质亟需改进，结合现阶段最新音/视频压缩标准设计了机载视频记录仪音视/频压缩存储模块。阐述了最新视/频编解码协议H.264标准，基于该标准采用了专用芯片MG3500设计视频压缩模块。介绍了模块的音/视频压缩部分硬件电路和存储模块的容量设计准则，最后对该模块的应用前景做了简要概述。

关键词： H.264；嵌入式系统；音视频压缩；容量设计

中图分类号： TN948?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）14?0092?04

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。以嵌入式技术为核心的视频压缩模块能够对前端摄像组件采集来的视频分量进行模/数转换，经压缩编码后存储到后端大容量电子硬盘中去，克服了以磁带为存储介质带来的一系列保障难题。机载视频记录仪对实时音视频信号的采集、压缩和存储有着较高的环境适应性要求，同时考虑到研制工作后定型周期长、更新时间久等因素，方案采用当下最新视频编/解码标准H.264，该标准是由IEO/IEC和ITU/T两大国际标准化组织联手制定的最新视频编/解码协议，有着较高的压缩比和清晰的视频回放效果，能够达到理想的试验效果。本文设计了机载视频记录仪的高清音视频压缩存储模块，能够应用于其他高清视频的处理场合。

1 H.264视频编/解码标准

在视频编码压缩和传输前，需要把视频图像的格式转换成CIF格式，如果该CIF格式对应着352×288像素，4CIF对应着704×576像素。如果在没有压缩的前提下，一帧图像需要的比特数是：

4∶2∶0格式：352×288×12=1.2 Mb

4∶4∶4格式：352×288×24=2.4 Mb

由于未经压缩处理的原始视频数据量非常庞大，原始的彩色图像，一般由红、绿、蓝（R、G、B）三基色组成。常用的彩色图像表示方式有Y、I、Q方式和Y、U、V方式，其共同点就是用其中的1个分量Y表示像素的亮度，用其余2个分量表示像素的色度。

YUV与RGB相互转换的公式（RGB取值范围均为0～255）：

[YUV=0.2290.5870.114-0.229-0.5870.8860.701-0.587-0.114RGB] （1）

YIQ与RGB相互转换的公式[1]（RGB取值范围均为0～255）：

[YIQ=0.2290.5870.1140.596-0.274-0.3220.211-0.5240.312RGB] （2）

由于人眼对像素点的亮度分辨率较强，对像素的色度分辨率较弱。在编码时，可对亮度分量和色度分量分别对待，已达到更高的压缩比。这就需要适用于视频处理的编/解码标准，目前国际上有2个制定视频编/解码标准的组织，一个是制定了H.261，H.263，H.263+标准的“国际电联（ITU?T）”；另一个是制定了MPEG?1，MPEG?2，MPEG?4标准的“国际标准化组织（ISO）”。H.264是一种新数字视频编码的准则，制定组织是JVT——联合视频组，联合视频组则是由2个部门一起组成的，所以它不仅是ITU?T的H.264，而且还是ISO/IEC的MPEG?4高级视频编码（Advanced Video Coding，AVC）[2]。

机载视频记录仪所采集的视频源来自飞机前方的平视显示器、远景摄像头以及座舱内4路多功能显示器。这些视频源都具有一个共性，即视频画面瞬间变量都很小，因此采用高压缩比的编/解码算法对飞行几次后的视频回放不会造成视觉分辨率的明显下降。

H.264算法相比较于其他编码标准，具有较高的压缩比，在同等图像质量的前提下，H.264的压缩比为MPEG?2的2倍以上，是MPEG?4压缩比的1.5～2倍。也就是说在同等条件下100 GB的文件经过MPEG?2编码标准进行压缩后大约为4 GB，即压缩了25倍，而采用H.264编码标准进行压缩大小变为999 MB，约102倍。由于H.264码率较低使之能具备较高的压缩比，和其他编码标准相比较，它能使得下载的时间更短，在具有高压缩比的同时还能拥有高质量流畅的图像。

基于该H.264视频编/解码标准方案采用了该标准的专用处理芯片MG3500，该芯片能够对外围电路送来的音视频模拟信号按照设定的算法进行编码，完成高质量的数据压缩，达到设计任务所标定的要求。该标准要求在设计视频压缩模块时能够结合压缩任务分时将6路视频信号进行模/数转换，这种分时复用技术能够实现同步记录，不会发生明显的丢帧现象。

2 模块方案设计

方案中模块主要分为音视频的压缩模块和存储记录模块，原理框图如图1所示，由前端摄像组件传来的视频信号和音频信号在经过压缩处理模块进行压缩、转换和音视频的同步后，经由USB接口将压缩后的数据流写进后端的记录存储模块。

图1 方案原理框图

2.1 音视频压缩模块

压缩模块的核心部分采用Mobilygen公司推出的H.264高清编解码器片上系统MG3500 SoC，该芯片内部集成了ARM9处理器、NAND/NOR闪存、SD/SDIO/MMC/CE?ATA接口、10M/100M/1 000M以太网的MAC和USB 2.0 OTG端口，以及基于可靠的互联网的AES/SHA加密算法、UART、JTAG、串行控制和通用I/O[3]。240 MHz ARM9处理器包含DSP扩展和各16 KB的指令高速缓存、数据缓存和暂存存储器。图2为MG3500内部原理框图。

图2 MG3500内部原理框图

在压缩记录模块工作过程中，首先完成送入模块信号的滤波处理，然后对差分视频信号进行格式转换和声音信号的幅度变换。该模块能够支持视频信号有标清模拟视频、高清模拟视频和数字视频，对输入的模拟视频经过A/D转换为数字信号后送入MG3500完成基于H.264算法的编码，前端送来的音频信号在经过模/数转换后接入编/解码芯片对应的AUD0数据位。

MG3500的视频输入处理器（VIP）能够对送来的BT656视频格式进行高品质的缩放、色度和伽马调整、滤波及视频分析的操作，但是前端摄像组件传来的是模拟视频信号，必须经过模/数转换后才能被后端的MG3500进行编码处理。这里采用的模/数转换芯片为ADV7180，图3为前端视频信号的接口电路。

前端摄像组件送来的音频信号同样需要经过处理后才能送往专用芯片进行处理，本模块采用TI公司的音频编/解码器TLV320AIC23BIPWR，设计时采用2个声道分别为左声道和右声道，TLV320通过主时钟MCLK、音频位时钟BCLK、音频字时钟WCLK以及DIN，DOUT，SDA，SCL等与MG3500相连接，输出时送入到MG3500端的音频信号组AUD0，图4所示为前端音频信号的接口电路。

图3 前端视频信号的接口电路

图4 前端音频信号的转换电路

前端摄像组件的音视频信号经过模/数转换成专用芯片能识别的数字电平信号后，分别送入MG3500对应的接口进行压缩处理、转换和音视频的同步，然后将处理完的数据传入存储记录组件。图5为转换后的音视频信号与MG3500的连接电路。

图5 音视频信号输入电路

2.2 存储记录模块设计

存储记录模块采用USB接口与专用芯片扩展对应的母头接口相连，在软件体系构架中需要编写驱动程序完成与外界存储模块的连接和存储。本模块使用的存储介质为SATA硬盘，程序设计方面主要有USB驱动程序和视频文件生成驱动程序的设计。

现就存储记录模块的容量设计给出介绍。对PAL制视频信号（-3 dB信号带宽：6 MHz），原始数据分辨率为704×576，因而其采样频率为13.5 MHz。设量化方式为8 b线性量化，且每像素为R、G、B三基色，则不考虑色度空间子采样时，在25 f/s的帧率下，原始图像数据率为：704×576×3×25=243.304 Mb/s。

H.264的标准记录参数是25 f/s（PAL）视频，常规输出数据率为2 Mb/s，则压缩比为[243.3042.0=121.652]，即在视觉可接受的情况下，压缩比为121.652。此时，每分钟占用磁盘空间为：[2.0×608=15 MB/min]，即每分钟是15 MB的数据。

设计时假设需要240 min的连续记录时间，则所需硬盘大小约为240×15=3.6 GB。

本系统中，单个压缩记录模块为2路视频，1路音频，所以可按照2路2 Mb/s来考虑视频记录容量和记录速度，2路的记录容量为：3.6×2 =7.2 GB。

声音压缩后数据率可以选为64 Kb/s，240 min的数据容量为64× 60×[2408]=115.2 MB。这就要求单个记录体的容量必须大于6.315 2 GB，取为8 GB。

记录体数据传输平均速度可以按照2路视频计算，它们为[2×28=0.5 KB/s]。

实际上，在压缩记录时数据存储是突发式的，所以要求电子盘的峰值数据存取速度为平均值的多倍以上。考虑到一般存储介质的数据读写速度为10 MB/s左右，是本系统所要求平均速率的[100.5]=20倍以上，所以存储盘是可以使用的。

系统的操作平台Linux裁简后大约需40 MB空间，压缩记录的应用程序为8 MB左右，所以可选用一块电子硬盘来存储应用平台和应用程序。

根据JVC小组盒MPEG专家小组的结论，对于常规图像，按H.264的704×576格式压缩，数据流在2 Mb/s时，即可得到非常好的视觉要求。考虑到对不同图像可以采用不同的数据率，提出一个可选择的压缩比特率控制方法，根据不同应用，可将系统的数据率定为1～2 Mb/s，由程序控制。在上述数据率下，可推得压缩比为：

[243.3041～243.3042=243.304～121.652]

按压缩后的最大速率2 Mb/s计算，240 min的2路H.264图象将需硬盘大小为：

[2×60×28×240=7.2 GB]

为设计时留有余量，本例将选用容量为8 GB的硬盘。

3 应用前景

基于该压缩存储模块设计并实现了某型飞机数字视频记录器，如图6所示，在完成了原理样机的研制和调试后，现已完成了标定科目的试飞和试飞结束后的数据下载，解决了困扰飞行单位原有磁带式体制备件无法得到保障的难题。

对于通用模块的设计要求其具备较强的适用性和良好的软件支持。本文设计的基于专用视频处理芯片MG3500的压缩记录模块现已应用于机载数字视频记录器中，同时它也能够应用于诸如视频监控系统、行车记录仪或者其他涉及到视频压缩记录的领域。在具体应用时硬件电路要适配应用领域的输入/输出要求，根据需要添加相应的接口模块和编写相应的驱动程序。本模块采用的软件系统是使用频率较高的Linux嵌入式操作系统，它有着良好的硬件支持和内核可裁剪特性，提供全部源代码，可以由用户需要来定制自己的操作系统。

图6 数字视频记录器及其内部电路

4 结语

本文设计了应用于机载数字视频记录仪中的视频压缩记录模块，移植了嵌入式操作系统Linux，实现了音频信号的数字化存储和视频信号的H.264实时编/解码，阐述了存储模块的容量设计依据，在消费级和工业应用领域将得到广泛的应用。

参考文献

[1] 张莉.机载视频摄录像系统[D].成都：电子科技大学，2006.

[2] 闫光.基于H.264的实时视频监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2012.

[3] Mobilygen. MG3500 HD H.264 codec SoC datasheet [M]. [S.l.]： Mobilygen， 2008.

[4] 高厚琴，杨盈昀.视频原理与接收技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[5] 毕厚杰.新一代视频压缩编码标准：H.264.AVC[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[6] 王建平，季学锋，穆道明.基于DSP的多路音/视频采集处理系统设计[J].国外电子元器件，2006（6）：250?253.

[7] 赵保军，史彩成，毕莉，等.基于FPGA和DSP实现的实时图像压缩[J].电子学报，2003（9）：1317?1319.

[8] 翟小艳，徐家品.基于ARM的视频传输系统设计[J].通信技术，2010（8）：100?102.