基于H.264编码技术的竞赛视频图像采集终端设计

白维维　王凌云

摘要：信息技术在大型综合性体育赛事中的应用，不断促进着体育信息化的发展。同时也提高了对竞赛信息系统中信息技术的要求。如何利用先进的编码技术处理采集到的竞赛过程影像，保证图像质量、压缩比、传输效率、传输速度等性能是本课题研究的重点。研究中提出了基于H.264编码技术的竞赛视频图像采集终端的总体设计思想，完成了视频图像采集终端的设计与实现。

关键词：视频图像；编码技术；H.264

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0208-03

The Competition Collection Terminal Designed Based on H.264 Video Coding Technology

BAI Wei-wei ，WANG Ling-yun

（Kaili University， Kaili 556011， China）

Abstract： Information technology in large-scale comprehensive sports events， and constantly promote the development of sports information.But also improve information technology requirements of the information system .How to use advanced coding technology processing the acquired images during the Competition，Ensure image quality， compression ratio， transmission efficiency， transmission speed and other properties is the focus of this research.Study puts forward the overall design idea based on H.264 video coding technology race Acquisition Terminal，Completed the design and implementation of video capture terminal.

Key words： video； coding techniques； H.264

竞赛信息技术是一门融合了感测、通信、网络、计算机、多媒体、控制等技术并应用于体育行业的技术。随着社会对大型综合性运动会的关注度和参与度不断提高，在当今计算机与信息技术高度发展的环境下，竞赛信息技术不断广泛深入应用是必然趋势。

竞赛视频采集终端是竞赛信息监控系统的重要组成部分。传统意义上的竞赛信息监控系统的监控内容主要包括竞赛数据即成绩信息，但在当今高水平体育竞技对公平公正提出更高要求的情况下，对竞赛图像的监控成为必然。本文研究的重点是竞赛视频采集终端，针对的是竞赛信息监控系统中视频数据采集终端所应用的技术与方案展开讨论与研究。

1 编码标准

图像数据的特点是数据量大，这不仅对计算机的处理速度与存储器的存储容量提出了很高的要求，同时也给通信干线信道的带宽带来了极大的压力。要想只通过优化硬件设施来解决这个问题是不现实的，从软件着手才是根本，对图像信息进行合理有效的压缩是一个好的解决方案。压缩方式很大程度上决定了图像质量、压缩比、传输效率、传输速度等性能[1]。

随着多媒体技术的发展，相继推出了许多压缩编码标准，目前主要有JPEG/M-JPEG、H.261/H.263、MPEG和H.264等标准[2-3]，本系统采用了基于H.264标准的压缩编码算法。H.264是 ITU-T VCEG 和 ISO/IEC MPEG 的联合小组于2003年3月正式頒布的标准，同时被收录为MPEG-4的第十部分，称为 AVC（Advanced Video Coding）。H.264提供了一种比已存标准性能更高的视频编码标准，具体体现在一下几个方面[4]。

1）针对流媒体的应用

为算术编码等之外的一些视频工具定义了一个档次。针对网络流媒体的数据方式不同、应用方式不同，可以蚕蛹不同的码率，对于视频流的接入与拼接，有很好的效果。对于错误的恢复，效果也很好。

2）具有良好的网络适应性

在网络适应性方面，利用分层的概念将框架结构进行分成两层，一层对视频数据进行压缩，称之为视频编码层（VCL）。另一层则是根据不同的网络环境对视频流进行编码，称之为网络提取层（NAL）。同时利用IP网络的相关特性在两层上都提供了多种容错工具。能有效减轻网络环境带来的不良影响的同时适应IP网络的特点。

3）具有高效的压缩性能

H.264的编码方式对于压缩性能的提升是至关重要的。当编码方式具有高的压缩性能时，才能在传输相同质量的视频数据时，占用更小的带宽，也就是说，在带宽不变的情况下，可以传输质量更好图像数据。这对于信道资源的利用是相当有利的。

2 硬件设计

图像信息采集终端采用以DSP微处理器TMS320DM642为核心的开发板作为硬件开发平台，设计中采用到的硬件电路模块包括前端数据采集模块、中央处理器模块、存储模块与网络传输模块。

2.1 硬件平台介绍[5]

为了提高开发效率，确保系统稳定性，系统硬件平台直接采用增强型VMD642-C开发板。该开发板以TI公司生产的DSP芯片TMS320DM642处理器为核心，DM642是一款高性能数字信号处理器，专门应用于视频领域。

2.2 硬件电路总体结构

系统硬件电路[6]包括前端采集模块、中央处理器、存储器模块与网络接口模块。前端采集模块包括图像传感器即摄像头与解码芯片TVP5150，图像传感器的功能就是完成模拟信号的采集和A/D转换。摄像头将模拟信号采集之后，通过TVP5150将数据格式进行转换。转换后的数字信号一面输出，一面传输到DM642对数据进行缓存。

中央处理器模块即DM642从缓存读取视频流数据并进行格式转换，为H.264编码做好准备，然后通过压缩编码模块根据H.264编码标准，对视频流数据进行编码压缩产生H.264码流，再将H.264码流传送到网络传输模块。网络传输模块包括DM642的EMAC与MDIO模块、网络芯片RTL8201以及网络物理接口，负责H.264码流的发送。存储模块完成重要数据与代码的存储。竞赛图像采集终端硬件结构如图1所示。

3 软件设计

图像采集终端软件设计包括视频输入、编码压缩与网络传输三个部分，软件设计总体流程图如图2所示。

3.1 视频输入

视频输入需要获取满足条件的视频流数据并将其传输给编码模块。视频输入首先从解码芯片TVP5150获取其输出的BT.656格式的视频流数据，再对视频数据进行格式转换，即将YCbCr4：2：2转换为YCbCr4：1：1，为H.264编码做好准备，然后通过管道将转换格式后的视频流数据传输给视频编码模块。视频输入流程图如图3所示。

3.2 编码模块

ITU提供了多个可选的标准软件，包括Tml系列与Jm系列，选用合适的算法软件很重要。本文采用Jm6.le版本的BaseLine Profile作为实现基础。选择该算法的原因有两个，一是该算法不仅具有很好的编码效果，二是复杂度高的可选项不在它的范围之内，同时对高效媒体处理平台的要求也能很好满足。

H.264编码技术与传统的编码技术有相同的地方，都是采用运动估计补偿、变换编码和熵编码的方式。同时也遵循逐级编码的原则。从帧级->slice级->宏级。编码模块主流程如图4所示。H.264的编码算法采用函数内嵌的方式分为四层，最外层是主函数，主函数中通过调用第二层中的函数encode_one_frame（）完成对视频序列的编码。同时在encode_one_frame（）中又内嵌函数encode_one_slice（），通过对该函數的循环调用在第二层完成对视频序列中的帧图像编码如图5所示。同样的在encode_one_slice（）方法中又内嵌encode_one_macroblock（）函数，如图6所示，encode_one_macroblock（）函数对每个slice中的每个宏块进行编码，如图7所示。

3.3 图像信息传输模块

DM642与片外网络物理层数据传输的接口是EMAC模块，完成数据收发。DM642网络接口包括EMAC和MDIO两部分。EMAC为网络的数据通路，MDIO为EMAC的状态及控制接口，网络接口原理框图如图8所示。

4 结束语

竞赛视频图像采集是数据采集系统的核心组成部分，也是本课题的研究重点。利用H.164编码技术的优点，提出了基于H.264编码技术的竞赛视频图像采集终端的设计方案，确保数据传输的稳定性和可靠性，对竞赛的公平、公正提供了保障。

参考文献：

[1] 娄莉. 图像通信原理与技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2010： 46-47.

[2] 姚庆栋， 毕厚杰， 王兆华， 等.图像编码基础[M]. 北京： 清华大学出版社， 2006.

[3] Yinyi Lin，He Han Hsu .General Architecture for MPEG-2/H.263/H.264/AVC to H.264/AVC Intra Frame Transcoding[J]. Springer-Verlag， J Sign Process Syst， 2011， 65：89-103.

[4] Yao Wang， Jorn Ostermann， Ya-Qin Zhang. Video Processing and Communications[M]. Pearson Education， 2003.

[5] 增强型VMD642-C 开发板系统用户手册1.0[Z]. 迈吉威科技公司.

[6] 苏丽， 王诗涛. 基于DM642 视频编解码器的设计[J]. 武汉大学学报，2010， 56（6）：661-666.