專利名稱：H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及數(shù)字視頻處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前存在多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，H.264/AVC是由IS0/IEC運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)與ITU 一 T視頻編碼專家組(VCEG)聯(lián)手制定的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)是具有更高的編碼效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。與目前最流行的MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同重構(gòu)圖像質(zhì)量條件下，H.264/AVC大約能節(jié)約50%的碼流。H.264/AVC優(yōu)異的性能使其在高清數(shù)字電視廣播、視頻實(shí)時(shí)通信等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。由于H.264編碼算法的高復(fù)雜度性，在編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，目前主要有基于FPGA解決方案、基于DSP解決方案以及采用ASIC方案等方法。FPGA與DSP方案使用方便靈活，但相對(duì)成本較高。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的是提供一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，它相對(duì)于MPEG-2編碼系統(tǒng)，在同等圖像質(zhì)量下，具有更高效的壓縮效率和更可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性。本實(shí)用新型采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于包括:一視頻輸入接口模塊，用以高清視頻信號(hào)的采集、色彩空間轉(zhuǎn)換和上下采樣；一 H.264編碼模塊，該H.264編碼模塊的輸入端與所述視頻輸入接口模塊連接，對(duì)所述視頻輸入接口模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼；一 TS流輸出模塊，該TS流輸出模塊將所述H.264編碼模塊輸出的并行TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速串行輸出；以及一嵌入式微處理器模塊，該嵌入式微處理器模塊通過(guò)控制總線與所述的視頻輸入接口模塊、H.264編碼模塊、TS流輸出模塊連接；所述的嵌入式微處理器模塊還連接有IXD顯示模塊、一調(diào)試接口和一網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，還包括本地監(jiān)控接口電路，所述的本地監(jiān)控接口電路與所述的嵌入式微處理器模塊連接。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，還包括面板控制電路，所述的面板控制電路與所述的嵌入式微處理器模塊連接。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，所述的視頻輸入接口模塊HDMI高清視頻輸入接口和模擬視頻輸入接口。本實(shí)用新型是一種針對(duì)H.264標(biāo)準(zhǔn)的高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)壓縮編碼系統(tǒng)，本實(shí)用新型專利的特點(diǎn)有:系統(tǒng)采用了高效的視頻接收接口和H.264專用編碼芯片，能夠保證在對(duì)輸入高清視頻信號(hào)進(jìn)行采集/轉(zhuǎn)換以及編碼壓縮時(shí)的準(zhǔn)確性和的實(shí)時(shí)性；采用了功能豐富的主控和操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有本地監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、LCD顯示和面板控制等功能，可滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的多樣性操作。其不僅可應(yīng)用于視頻廣播編碼、媒體網(wǎng)管、視頻監(jiān)控等商用產(chǎn)品中，而且也可用于數(shù)字媒體適配器、高清視頻會(huì)議終端、IP視頻電話和高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品中。此外，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)不僅電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)體積小，而且同時(shí)具有功耗低、成本低等特點(diǎn)。

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)框圖。圖3是視頻輸入接口模塊主要芯片的功能結(jié)構(gòu)圖。圖4是視頻輸入接口模塊控制軟件流程圖。圖5是H.264編碼模塊中H.264實(shí)時(shí)編碼芯片功能結(jié)構(gòu)圖。圖6是嵌入式微處理器模塊初始化配置流程圖。圖7是系統(tǒng)控制軟件流程圖。圖8是系統(tǒng)面板控制方式流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于包括:一視頻輸入接口模塊，用以高清視頻信號(hào)的采集、色彩空間轉(zhuǎn)換和上下采樣；一 H.264編碼模塊，該
H.264編碼模塊的輸入端與所述視頻輸入接口模塊連接，對(duì)所述視頻輸入接口模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼；一 TS流輸出模塊，該TS流輸出模塊將所述H.264編碼模塊輸出的并行TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速串行輸出；以及一嵌入式微處理器模塊，該嵌入式微處理器模塊通過(guò)控制總線與所述的視頻輸入接口模塊、H.264編碼模塊、TS流輸出模塊連接；所述的嵌入式微處理器模塊還連接有IXD顯示模塊、一調(diào)試接口和一網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊。請(qǐng)參照?qǐng)D2，圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)框圖，在本實(shí)施例中，主要由視頻輸入接口模塊11、TS流輸出模塊13、H.264編碼模塊12、嵌入式微處理器模塊15、IXD顯示模塊16、調(diào)試接口 17、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊16、本地監(jiān)控接口電路19、面板控制20等組成。其中LCD顯示模塊16負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示編碼系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括指示固件錯(cuò)誤，視頻格式錯(cuò)誤，視頻丟失，當(dāng)前編碼視頻的分辨率和碼率等。調(diào)試接口 17，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的控制軟件進(jìn)行下載和調(diào)試，具有升級(jí)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)支持高清視頻信號(hào)(1920X1080P、1920X10801、1440X 10801、1280X720p)和標(biāo)清視頻信號(hào)的H.264視頻格式的實(shí)時(shí)編碼。嵌入式微處理器模塊的MCU采用基于ARM9內(nèi)核的S3C2440，利用SiI9135芯片設(shè)計(jì)了 HDMI高清視音頻輸入接口，并運(yùn)用ADV7401、CS5361設(shè)計(jì)了模擬視音頻輸入接口，ASI輸出接口則通過(guò)CY7B923實(shí)現(xiàn)。從HDMI輸入的視音頻數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換的視頻音頻信號(hào)都送到FSTD16211中進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，MCU通過(guò)設(shè)置XOE端，選擇不同的視音頻數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼。另夕卜，用戶通過(guò)以太網(wǎng)接口，實(shí)時(shí)對(duì)編碼系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，獲取編碼系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對(duì)編碼參數(shù)進(jìn)行配置。[0025]為了讓一般技術(shù)人員更好的理解本實(shí)用新型，下面針對(duì)本實(shí)用新型應(yīng)用的各模塊結(jié)合軟件流程做進(jìn)一步說(shuō)明，要說(shuō)明的是，本實(shí)用新型要求保護(hù)的是硬件電路結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于軟件的描述不要求保護(hù)。請(qǐng)繼續(xù)參見(jiàn)圖2，圖中視頻輸入接口模塊11，包括HDMI高清視頻輸入接口和模擬視頻輸入接口。HDMI具有高速信號(hào)傳輸和帶寬利用率高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)未壓縮的高分辨率視頻和多聲道音頻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。系統(tǒng)采用支持HDMI1.3規(guī)范的專用芯片SiI9135，其芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。該芯片在音頻上支持DTS — HD和Dolby True HD格式；在視頻上支持10位/12位的顏色深度和1080P@60Hz視頻格式。芯片內(nèi)部具有預(yù)先編程的HDCP密鑰，可提供高級(jí)別的HDCP密鑰安全機(jī)制。模擬視頻輸入采用ADV7401來(lái)實(shí)現(xiàn)，ADV7401是高性能的單片多格式視頻解碼器，內(nèi)置采樣頻率高140 MHz的ADC。本實(shí)用新型具有多個(gè)模擬視頻輸入端口，包括有S-video、YPbPr、CVBS接口標(biāo)準(zhǔn)，最高支持1080i的高清視頻信號(hào)輸入，允許PAL、NTSC、SECAM的標(biāo)準(zhǔn)視頻，輸出YCrCb的數(shù)字視頻信號(hào)將送到ASIC編碼器中進(jìn)行編碼。該視頻輸入接口模塊的控制軟件流程如圖3所示。初始化工作完成后，MCU發(fā)出熱檢測(cè)使能信號(hào)，芯片進(jìn)入等待HDMI信號(hào)的工作狀態(tài)。當(dāng)有效的HDMI線纜接入時(shí)，軟件通過(guò)檢測(cè)相關(guān)寄存器識(shí)別有信號(hào)輸入的TMDS通道口并使能相應(yīng)的DDC通道。HDMI發(fā)送端在DDC通道使能后通過(guò)讀取和解析EDID，選擇一種能夠被支持的音視頻信號(hào)進(jìn)行傳輸。隨后軟件進(jìn)入等待HDCP認(rèn)證步驟，這個(gè)過(guò)程大概需要100ms。HDCP認(rèn)證通過(guò)后，HDMI中相關(guān)的寄存器被置位，HDCP解密模塊開(kāi)始對(duì)TMDS的視頻數(shù)據(jù)解碼。如果接收到的視頻信號(hào)是穩(wěn)定并且是被支持的，軟件開(kāi)始通過(guò)AVI中的視頻輔助信息包識(shí)別輸入視頻的格式和計(jì)算視頻同步信息，并配置與色彩空間轉(zhuǎn)換、上/下采樣和信號(hào)輸出相關(guān)的寄存器。當(dāng)HDMI1300收到穩(wěn)定的音頻信號(hào)后，軟件通過(guò)AVI中的音頻輔助信息包計(jì)算音頻采樣率Fs和音頻時(shí)鐘MCLK，配置輸出I2S/SPDIF音源、音頻FIFO映射圖和音頻輸出通道等。視音頻模塊配置完成后，啟動(dòng)相關(guān)的輸出模塊，輸出符合要求的音視頻信號(hào)到編碼器模塊進(jìn)行壓縮編碼處理。H.264編碼模塊12采用MB86H56芯片實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部電路組成框圖如圖5所示，主要包括視頻編解碼、音頻編解碼，視音頻輸入輸出接口、系統(tǒng)復(fù)用解復(fù)用以及主機(jī)控制接口等模塊。該芯片視頻輸入和輸出支持SMPTE274M、SMPTE296M-2001以及ITU-R BT.656-4標(biāo)準(zhǔn)，支持高清視頻信號(hào)1920 X 1080P、1920 X 10801、1280 X 720p和標(biāo)清視頻信號(hào)，音頻信號(hào)輸入輸出則通過(guò)I2S實(shí)現(xiàn)。主機(jī)控制接口 HOST工作于串行或者并行方式，外部MCU可以通過(guò)該接口完成對(duì)該編碼芯片的參數(shù)設(shè)置與控制。TS流輸出模塊13通過(guò)ASI接口實(shí)現(xiàn)，采用CY7B923芯片。CY7B923是一種用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間高速串行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送芯片，可兼容DVB-AS1、光纖、IBM ESCON及SMPTE-259M等多種傳輸協(xié)議，適用于光纖、同軸電纜和雙絞線等傳輸媒介。編碼模塊輸出的TS流通過(guò)CY7B923完成數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)到ASI信號(hào)的編碼，輸出270Mbps的串行信號(hào)，然后通過(guò)脈沖變壓器芯片完成ASI信號(hào)的驅(qū)動(dòng)及稱合輸出。嵌入式微處理器模塊15用于控制整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程，采用嵌入式單芯片系統(tǒng)S3C2440實(shí)現(xiàn)。S3C2440是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM9 TDM1-STM CPU。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。其內(nèi)部包含16 KB靜態(tài)RAM、256KB Flash存儲(chǔ)器、2個(gè)UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kbit/s)、2個(gè)SPI接口、9個(gè)外部中斷。內(nèi)部還集成了向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址；其外部存儲(chǔ)器接口可將存儲(chǔ)器配置成4組，每組的容量達(dá)16Mb，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32位。S3C2440外部存儲(chǔ)器接口配置成4組，分別接Flash、SRAM、實(shí)時(shí)編碼芯片以及以太網(wǎng)控制器，每個(gè)模塊的起始地址分別為0x80000000、0x81000000、0x82000000以及0x83000000,分別通過(guò)四個(gè)外部存儲(chǔ)器配置寄存器BCFGO——BCFG4進(jìn)行設(shè)置。在控制軟件0S14設(shè)計(jì)方面，采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux實(shí)現(xiàn)，軟件流程分為初始化配置和系統(tǒng)運(yùn)行控制兩個(gè)模塊。該軟件模塊主要完成視頻音頻輸入接口的初始化，ASI輸出接口初始化、以太網(wǎng)以及編碼芯片的初始化，并根據(jù)面板以及以太網(wǎng)接口進(jìn)行編碼參數(shù)配置。編碼參數(shù)主要包括視頻格式的選擇，壓縮碼率、視音頻PID以及PCR PID等。初始化配置流程如下圖6所示，初始化完成了系統(tǒng)通信接口功能的配置，主要的應(yīng)用函數(shù)有:串口初始化，I2C初始化SPI初始化，定時(shí)器初始化以及LED狀態(tài)初始化等。初始化工作完成之后，系統(tǒng)運(yùn)行控制如圖7所示，進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)h264system_run O函數(shù)，它完成了系統(tǒng)功能控制和狀態(tài)信息處理，是整個(gè)控制軟件的核心。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊18、本地監(jiān)控接口電路19和面板控制20，滿足系統(tǒng)能夠通過(guò)本地PC或者網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取編碼系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，并對(duì)編碼方式、編碼圖像的質(zhì)量、碼率、分辨率等進(jìn)行控制。本地控制主要采用UART。面板控制方式如圖8所示，在MCU上開(kāi)辟了三個(gè)按鍵，分別是=SWl-通道切換、SW2-操作模式切換、SW3-編碼的開(kāi)始/結(jié)束。遠(yuǎn)程控制利用以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)基于SNMP協(xié)議，SNMP是工作在UDP協(xié)議之上，使用UDP傳輸服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)傳送。網(wǎng)絡(luò)管理站對(duì)編碼器狀態(tài)的監(jiān)視和控制主要通過(guò)查詢代理MIB中相應(yīng)對(duì)象的值來(lái)完成，要獲得編碼狀態(tài)時(shí)，管理站向編碼器代理發(fā)送GetRequest，GetNextRequest報(bào)文，設(shè)置編碼器時(shí)則發(fā)送SetRequest報(bào)文，代理都以GetResponse報(bào)文應(yīng)答。本新型設(shè)計(jì)同時(shí)利用代理向管理站發(fā)出陷阱的方式產(chǎn)生Trap報(bào)文，為編碼設(shè)備向管理站報(bào)告故障和狀態(tài)變化提供了通道。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實(shí)用新型的涵蓋范圍。
權(quán)利要求1.一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于包括: 一視頻輸入接口模塊，用以高清視頻信號(hào)的采集、色彩空間轉(zhuǎn)換和上下采樣； 一 H.264編碼模塊，該H.264編碼模塊的輸入端與所述視頻輸入接口模塊連接，對(duì)所述視頻輸入接口模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼； 一 TS流輸出模塊，該TS流輸出模塊將所述H.264編碼模塊輸出的并行TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速串行輸出；以及 一嵌入式微處理器模塊，該嵌入式微處理器模塊通過(guò)控制總線與所述的視頻輸入接口模塊、H.264編碼模塊、TS流輸出模塊連接；所述的嵌入式微處理器模塊還連接有IXD顯示模塊、一調(diào)試接口和一網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于:還包括本地監(jiān)控接口電路，所述的本地監(jiān)控接口電路與所述的嵌入式微處理器模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于:還包括面板控制電路，所述的面板控制電路與所述的嵌入式微處理器模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于:所述的視頻輸入接口模塊HDMI高清視頻輸入接口和模擬視頻輸入接口。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種H.264高清數(shù)字視頻實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)，其特征在于包括一視頻輸入接口模塊，用以高清視頻信號(hào)的采集、色彩空間轉(zhuǎn)換和上下采樣；一H.264編碼模塊，該H.264編碼模塊的輸入端與所述視頻輸入接口模塊連接，對(duì)所述視頻輸入接口模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼；一TS流輸出模塊，該TS流輸出模塊將所述H.264編碼模塊輸出的并行TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速串行輸出；以及一嵌入式微處理器模塊。本實(shí)用新型采用了高效的視頻接收芯片和H.264多媒體處理芯片，能夠保證對(duì)輸入高清視頻信號(hào)進(jìn)行采集/轉(zhuǎn)換以及編碼壓縮時(shí)的準(zhǔn)確性和的實(shí)時(shí)性；其不僅電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)體積小，而且同時(shí)具有功耗低、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04N7/50GK203057365SQ201220607839
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月17日
發(fā)明者鄭明魁, 蘇凱雄, 楊秀芝, 蘇財(cái)貴 申請(qǐng)人:福州大學(xué)