多路AVS+视频解码系统的设计

袁三男, 杜小敏

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



多路AVS+视频解码系统的设计

袁三男, 杜小敏

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

为更有效地保障数字电视系统的兼容性,数字电视监测系统需要能够解码国内市场上出现的各种标准的数字视频流.设计了基于海思Hi3716MV310的多路AVS+(Audio and decoding standard+)视频解码系统.分析了各种市场应用领域中存在的主流标准,选择了海思Hi3716mv310为解码芯片进行硬件和软件的设计;并在数字电视监测系统中进行多标准的视频流的解码.实验结果表明,该系统可成功解出多种标准的音视频码流,尤其是AVS+标准的码流,具有较高的应用价值.

数字音视频编解码标准; AVS/AVS+音视频标准; H.264视频标准; 海思Hi3716MV310芯片

随着数字化时代的到来,信源编码在数字音视频产业中的地位逐日提升.数字电视的音视频编解码技术标准在国内外也发生了一系列的变化,国际标准化组织ISO/IEC 推出的MPEG-X系列压缩标准从MPEG-1,MPEG-2到MPEG-4和ITU-T推出的H.26X系列压缩标准 H.261,2,3,3+,3++,以及二者联合提出的H.264(AVC);国内压缩标准从国外引进转向自主研发的AVS(Audio and decoding standard),AVS+到AVS2,均是为了用最少的数据获得最佳的图像质量以提供更优质的服务,达到最优化设置.目前,根据市场上新出现的各种标准,开发人员对新的标准流进行了相应的解码.基于OMAP3530开发平台的AVS视频解码系统,实现了ARM处理器接收网络数据和显示图像,DSP处理器解码AVS码流[1],双核的DSP高速处理器来完成H.264标准视频解码的优化[2],以方便用户使用.

本文在分析对比国内外先进数字音视频标准的基础上,定位国内的AVS+标准,以海思Hi3716MV310为解码芯片,进行了外围硬件电路设计和软件构建,成功开发了一款多路AVS+视频解码系统,并进行了实验验证.

1 音视频编码标准

最早的音视频标准是由国外制定的.为满足用户的需求,编码标准和编码技术需要不断更新,20世纪90年代初开始出现了MPEG-1和MPEG-2,2000年,MPEG-4是新一代全球多媒体标准,可以在很窄的带宽下传输,通过帧重建技术进行数据压缩,尽可能用最小的数据量获得最佳的图像质量,非常适用于交互AV服务以及远程监控,能够在各种带宽范围内提供专业质量的音频和视频流服务[3].鉴于对标准的更高追求,经过ISO/IEC动态图像专家组联合ITU-T视频编码专家组组成的视频组共同制定的H.264是高度压缩数字视频编解码器标准[4],吸取了以往视频压缩技术的精华——混合编码的框架,主要模块保留不变,有变换、量化、帧内预测、帧间预测、环路滤波、熵编码等[5],可实现较高的编码率,且语法精简,网络交互性好.

国内音视频编码标准的发展,始于高昂的H.264技术专利费及后续附加费用严峻的背景下,我国AVS工作组致力于编码效率和专利算法之间寻找平衡点,制定属于自己的第二代数字音视频信源标准AVS,该标准于2006年3月被批准为国家标准[6].AVS视频中的关键技术主要包括:可实现无失配的8×8整数变换,适应不同的应用、业务对码率和质量的64级量化,种类少而高效的帧内预测,可以高效地半像素插值和1/4像素插值的4抽头滤波器;特殊的帧间预测运动补偿,采用指数哥伦布码的形式映射成二进制比特流的自适应变长编码技术熵编码,去块效应环内滤波等.虽然我国的AVS起步晚,处于发展阶段,还不是很成熟,但起点高,上升空间很大,重要的是我国有自主控制知识产权,可以不用受制于人,其编码效率可达国际级水平,可与MPEG-4 AVC/H.264竞争,并且兼容MPEG-4和H.264国际标准基本层,更重要的是大大节省了带宽和存储资源,还可节省50%以上的无线频谱和有线信道资源,而且AVS芯片的实现复杂度低,技术方案简洁.

高质量的音视频服务往往源于缜密完善的技术支持.AVS处于刚起步阶段,还有很大的发展空间,工业和信息化部、国家广电总局、AVS产业联盟、AVS工作组等很多部门、单位和同仁抓住机遇,开发更好的压缩技术,节约存储资源与带宽,不断地尝试新的方式方法,努力寻找高效率编码和编码复杂度之间的平衡点,开发设计了AVS+标准.“+”是完全按照AVS工作组的既有流程,遵循AVS知识产权政策,基于并兼容AVS标准,在预测、运动补偿、变换、熵编码等关键技术上更胜一筹.

2 多路AVS+视频解码系统

多路AVS+解码系统的设计框图如图1所示.其基本原理为:数字电视监测系统选用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),根据硬件电路设计对TS流(该流是解密过的,是清流)进行地址分配,输入到各自的解码系统中.图1中的8组解码系统均是利用海思Hi3716MV310作为解码主控芯片,进行外围硬件电路设计和软件编程,对AVS,AVS+,MPEG-2,MPEG-4,H.264标准下的TS流进行高效率解码,得到A/V模拟信号,并分为两路:一路由千兆交换机传入网络,进行软件播放或TV播放;另一路为解码获得的信号,通过RS485驱动选定解码系统地址接收编码板命令,对A/V模拟信号进行编码存储.一套监测系统中一次可完成8路数字电视信号的解码,使用8组解码芯片,每组输入信号为1路串行TS,1路100 M网络接口,每组输出信号为1路CVBS信号,1路模拟音频信号,系统主板电源输入为5 V和3.3 V,耗电量较低.此外,解码部分是独立系统,可以降低成本,还可以独立生产、调试、运行、维护.

图1 多路视频解码系统设计示意

2.1 Hi3716mv310和CPLD

Hi3716MV310 芯片集成高性能 Cortex A9 处理器,功能强大,应用范围广.芯片功能框图如图2所示.

其内部设置了HD Decoder模块支持 MPEG1/MPEG2/MPEG4/H.264/AVS/AVS+/VC-1/VP6/VP8 等多种格式的高清视频解码,实时解码能力可达到1 080 p;音频解码范围也比较广泛,支持DRA,MPEG L1,MPEG L2,Dolby Digital,DTS Core等标准的解码;可支持重采样、两路混音、智能音量控制,内置丰富的外围接口功能,提供灵活的连接方案,信号输入接口有TS in,IF in,2xUSB 2.0 Host等,输出接口有Audio DAC,HDMI高清/CVBS标清视频接口等.

该芯片不仅可以满足各种差异化的业务需求,还可满足多媒体播放的要求,已在高清机顶盒、高清多媒体播放、家庭娱乐中心等领域得到了应用.

图2 Hi3716M V310芯片的功能示意

CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路.其基本设计方法是借助集成开发软件平台,采用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统[6].CPLD编程具有集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点,可实现较大规模的电路设计.在该系统中的应用,主要是将1路TS流复制成8路,输入到8个解码板,解码芯片根据该路TS流中8套节目的PID号进行解码,输出相应节目的A/V信号.CPLD不仅实现了1路到8路的拷贝,而且能提高系统的驱动能力.

2.2 解码系统

本系统的功能是完成TS流的解码,将“数字形式”的电视信号转换成模拟的A/V信号输出.解码系统设计框图如图3所示.

系统以Hi3716MV310芯片为主,根据其功能特点设计了外部硬件电路,输入接口有将有线传输的RF信号经高频头和CA解密系统输出的“清”TS流的接入接口、接入网络传输的压缩数据流的I2C接口,还有供电的电源接口.输出接口主要有CVBS接口、网络接口、音频接口、UART接口等.输入信号经过Hi3716MV310芯片解码成A/V模拟信号,可以直接接入电视机中播放,支持HDMI接口高清视频输出和CVBS接口标清视频输出,同时可以将A/V信号编码并通过网络上传;并且在输入端和输出端分别配置了DDR3和Nand Flash存储设备,方便信号的存储.其中 PHY主要用于网络接口,建立网络通道,方便信号的上传.

图3 解码系统示意

解码系统的关键在于解不同标准的TS码流,其总体思想是从比特流中解出头信息,产生预测块,熵解码得到的量化系数经反量化、反变换 得到残差块,预测块和残差块相加后,经过滤波器即可得到重建的图像[7].下面在只考虑帧图像,不考虑场图像的前提下,以H.264和AVS-M解码的不同为例,来阐述解码过程.

(1) 比特流信息 两种标准中的比特流都是以Network Abstract Layer Unit(NALU)为单位,每个NALU单元包含一个RBSP,NALU的头信息定义了RBSP所属类型.两种标准采用参数集机制将一些重要的序列、图像参数(解码图像尺寸、片组数、参考帧数、量化和滤波参数标记等)与其他参数分离,通过解码器先解码出来.读取NALU过程中,每个NALU起始码0x000001的读取中,解码器需要将H.264编码器在最后一字节前插入的一个新字节——0x03删掉,而AVS-M只需识别出起始码0x000001;在比特流信息中读取宏块类型(mb type)时,两种标准的帧内、帧间预测时宏块的划分中I_slice亮度块是有区别的,而二者的P_slice宏块划分一致.此外,两种标准的宏块编码模板cbp值计算也不相同.

(2) 帧内预测 在对给定的宏块进行编码时,首先根据周围相关的宏块,采用代表空间域纹理的多种预测模式进行预测,然后对预测值和实际值之差进行编码.H.264和AVS在帧内预测方面的主要差别在于亮度预测和色度预测的方法不同.在亮度预测方面,H.264采用4×4块和16×16块预测方式,AVS采用8×8块预测方式;在色度预测方面,H.264和AVS均有4种预测模式的8×8块预测方式[9].因此在解码时,需要根据二者的不同,分别进行预测模式的读取.H.264中的Intra_16×16和色度预测模式及AVS-M的色度预测模式均从码流中读取.

(3) 帧间预测 两种标准下亮度块的运动矢量等于预测运动矢量(MVPred)加上比特流中读取到的运动矢量差(MVD).由于亮度MV精度为1/4像素,而色度精度为1/8像素,因此色度块的运动矢量是亮度块的两倍.在不需要对所有解码器都传送一个I帧降低效率的情况下,而达到使解码端与其他解码器正在产生的视频流精确同步,H.264设计了新的流间传送帧——SP/SI帧.该帧可以在播放数据传输速率不同的情况下,解码器在各种视频内容间切换,以抵抗数据丢失和数据错误,还能够实现快进.

(4) 熵解码 二者解码方式的不同主要是由于两种标准熵编码过程的不同,H.264和AVS熵编码采用的都是自适应变长编码技术.在AVS熵编码过程中,以指数哥伦布码的形式将所有的语法元素和残差数据映射成二进制比特流;而H.264基于上下内容的自适应二进制算术编码CABAC,可以大大减少块编码的相关性冗余.

(5) 环路滤波 两种标准都采用基于块的残差系数反变换、反量化,量化过程相对粗糙,运动补偿块可能来自不同帧位置的内插样本块,反量化恢复的变换系数必定带来误差,将导致边界不连续,因此采用环路滤波消除块预测误差造成的失真是必要的.相对H.264而言,AVS-M滤波器像素少,强度弱,但在消除方块效应的同时能大大减少滤波时间.H.264根据相邻块模式、参考索引、运动矢量和解码块来确定滤波强度,滤波强度参数Bs值为0～4,当Bs为1～3时采用4抽头滤波器;当Bs为4时采用6抽头滤波器.H.264中的滤波器能适应片级、边界级和样点级的需要.

与基于Hi3716MV300的解码系统相比,本系统的突出优势就是可解码AVS+格式的码流.AVS+是在AVS的基础上进行了技术改进,主要是针对AVS的脚本不支持隔行扫描的不足,对运动补偿预测进行了扩展,修改了底场默认的skip/direct模式参考图像及其运动矢量的推导方式,增加了运动场景的场编码,从而支持隔行扫描,提高了清晰度[8];采用图像级自适应加权量化AWQ 对DCT变化后的系数进行量化;通过图像层的选择标志,修改了顶场与底场的默认参考图像,由最近场修改为同极性场跳过模式编码;在编码的最后一个流程——“熵编码”中,在CAVLC算法的基础上添加了复杂程度较小的上下文算术编码CABCA以提高编码效率[9].

3 实验结果

目前,包括湖南卫视高清、央视2/7/10/12/14等多条高清频道都采用了我国自主研发的AVS+格式进行广播,届时所有的电视机、机顶盒、电脑,或者说播放设备都要支持AVS+才能在市面上销售,而目前不支持的设备将被逐步淘汰.已知CCTV-12套《社会与法》和CCTV-10套《科教》频道采用的是AVS+标准编码,基于Hi3716MV310的解码系统解码出的视频画面如图4和图5所示.

图4 CCTV-12《社会与法》的视频画面

图5 CCTV-10《科教》频道的视频画面

4 结 语

数字音视频标准是电子信息产业的“风向标”,用户和监测单位要及时开发设计新的解码系统,才能满足客户需求.本文设计的基于海思Hi3716MV310的多路音视频解码系统,在CPLD和RS485驱动模块的配合下,可以高效地完成不同标准TS流的解码工作,尤其是AVS+,可以满足视频的清晰度、流畅度、实时性等的要求,提高了数字电视监测系统的多功能性,应用价值较高.

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(编辑 胡小萍)

Design of Multi-channel Decoding AVS+’s Video System

YUAN Sannan, DU Xiaomin

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

To enhance the compatibility of digital television systems,it’s necessary for the digital TV monitoring system to decode various standards’ digital video streams at home.Based on Hass Hi3716MV310 chip,a multi-channel decoding AVS+′s video system is designed.The populate standards in the practical applications is introduced mainly focusing on AVS+.Then,based on the chip Hass Hi3716mv310,the hardware circuit and software for decoding system are designed.In digital TV monitoring systems,the system in the application of digital video surveillance is employed to make experiments of decoding many standards’ video stream.The results show that the system could decode a variety of standards’ video streams successfully,especially AVS +streams.This system has a high value of application.

digital video codec standard; AVS/AVS+′s standard; H.264 video standard; Hass Hi3716MV310 chip

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.019

2016-03-16

袁三男(1967-),男,博士,副教授,江苏苏州人.主要研究方向为通信与信息系统,流媒体网络,数字电视,嵌入式系统等.E-mail:samuel yuan@shiep163.com.

TN949.197;TN948.7

A

1006-4729(2017)01-0086-05