新型H.264便携式实时编解码器设计

　　1 引言

　　H.264标准以其高视频压缩比、高图像质量、良好的网络适应性得到了市场的广泛认可。其应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输、存储场合的需求。但算法的复杂度高，必须有强劲有力的硬件作支持。

　　2 H.264便携式实时编解码器方案比较

　　目前DSP是实现H.264视频编解码的主流。DSP芯片采用多总线多功能单元的哈佛结构，加上带有强烈针对性的指令集设计，实际的处理能力非常高。但是由于H.264算法的复杂性，需要更快的DSP，这样将会导致价格提高和功耗增大。对于H.264便携式实时编解码器来说，DSP架构往往不能同时满足编解码速度和功耗这两方面的要求。另外，对于H.264编解码软件，虽然有开源的编解码器可以参考，但代码的修改、移植过程仍然相当复杂。

　　因此，可以考虑使用专用的硬件来实现H.264便携式实时编解码器。目前市场上主要有两种形式：一种采用IP（Intellectual Property）核，一种采用ASIC芯片。

　　2.1 基于IP核的编解码器

　　目前，基于IP核的编解码器是比较常见的，能提供H.264编解码IP核的厂家主要有4i2i，IndigoVision，Sarnoff，Chips&Media，Ocean Logic，Innovative Semi-conductors，eInfoChips，CAST，Barco-Silex，Ateme，创意电子以及国内的中芯联合等。4i2i和Chips&Media等都能提供全系列的H.264编解码核。表1列举了4家IP核的H.264 编解码器。

　　

　　但由于功耗、体积和成本的限制，基于IP的方案无法广泛应用到消费电子领域中，一般直接被IC厂商封装在SoC中，以ASIC方式提供给用户。例如，可编程逻辑供应商Xilinx与英国IP核供应商4i2i就共同发布了一块单片式FPGA高清晰度的H.264视频编码器。另外也有一部分IP核可以支持ARM等平台，如表1中TechnoMathematical的H.264_BP，H.264_MP等。

　　2.2 基于ASIC芯片的编解码器

　　ASIC定制的视频编解码芯片成本低廉，编解码速度快，广泛用于各个领域。这种ASIC内部除处理器外，一般还集成了丰富的外设接口，如以太网、USB、CF等接口，有些还集成了图像压缩、图像增强、硬件加速等模块，特别是有些芯片还集成有RISC CPU，采用ASIC+ARM的构架，能有效地结合ASIC和ARM的长处，使芯片具有高性能编解码功能，同时实现许多应用功能的开发。

　　目前，能够生产H.264编解码相关芯片的IC公司有：Broadcom，Conexant，Sigma Designs，STMicroelectron-ics，Hantro，C&S Technology，NeoMagic，ATI，nVidia，Tech-no Mathematical，Qpixel，Chips&Media，富士通以及国内的海思、富翰等。这些公司推出的产品大部分为解码器，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等为全功能的编解码器芯片，下面重点介绍～下这几款芯片。

　　1） 海思的Hi3510

　　Hi3510是一款基于ARM9及DSP双处理器内核，以及硬件加速引擎的高集成、可编程、支持MPEG-4和AVC／H.264等多协议的高性能通信媒体处理器，可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控等领域。视频处理单元能够支持MPEG-4，AVC／H.264，Baseline，H.263+，H.261，JPEG等多种协议的实时编解码。加密、DRM和数字水印技术为数据和通信的安全提供了强有力的保障。图形处理单元能够提供视频去噪、图像增强、运动检测等功能；支持任意比例的视频、图形缩放以及去隔行处理；支持OSD和2D图形加速，为应用图形界面的开发提供丰富的特性。其功能框图如图1所示。

　　

　　2） Qpixel的QL202B

　　QL202B是一款半双工H.264／AVC Main Profile（Level 3）的编解码SoC，内部集成ARM9处理器和10／100 Mbit／s以太网接口，非常适用于网络视频流的应用。图形处理单元能够提供视频去噪、图像增强、运动检测等处理功能；先进的视频编码处理支持CSVLC／CABAC，可配置GoP的结构，支持任意比例的视频、图形缩放以及全屏OSD等，为应用图形界面开发提供丰富的特性。其功能框图如图2所示。

　　

　　目前支持Main Profile的ASIC还比较少，QL202B是性能较好的一款。它支持full D1@30 f／s（帧／秒），外设丰富，具有一个ARM核，能够不加扩展地开发很多应用。尤其是它具有NAL（Netware Abstract Layer），支持MPEG的TS和PS以及单独的视频或音频ES，所以能够很轻易取代目前许多应用中的MPEG-2编解码器。同时，支持Apple Quicktime也是它的一大卖点。

　　3） 富士通的MB86H50

　　MB86H50是首款支持High Profile Level 4.0的H.264编解码器，可对高清视频（高达1 440点×1 080行）进行实时的压缩和解压缩，也可对Dolby数字格式的音频进行同步压缩和解压缩。其内部集成有256 Mbit×2的FCRAM，使得尺寸更紧凑、功耗更低。富士通实验室开发的self-turning算法可以自适应地对感兴趣区域（如人脸、缓慢移动的物体等）进行浅度压缩而对其他区域进行深度压缩，这就可以使图像数据压缩至MPEG-2的1／2～1／3。其功能框图如图3所示。

　　

　　以上3款芯片从支持H.264的Baseline Profile到High Profile，不同应用的适用层次也不同，例如Main Pro-file主要面向消费电子应用（如数字电视广播、数字视频存储等），需要注意选型。表2将这几款芯片作了简要的对比。

　　

　　基于ASIC的编解码器其灵活性存在一定的缺陷，一旦芯片开发完毕就很难继续扩展其他应用，新功能的添加需要芯片研发公司花费较长的开发周期。好在目前很多ASIC都集成了ARM，并且支持固件升级以增加新的功能，例如，QL202B的音频Codec部分就可通过固件升级支持MPEG-1／2／4或其他新的音频编码标准，但是这样的开发在很大程度上受制于芯片公司。

　　3 小结

　　设计H.264便携式实时编解码器时必须充分考虑实时性、功耗、成本、资源、开发周期等因素，进行充分的调研，才能确定最优方案，降低系统的开发难度，缩短开发周期，降低开发成本。本文探讨了基于硬件实现的方案，对几款H.264不同层次的全功能编解码芯片的主要特点作了介绍以及简要对比，对开发前期方案的确定有一定的指导意义。