基于H.264编码算法的高速CCD视频压缩系统设计

李 进，金龙旭，韩双丽，陶宏江，张然峰，李国宁，朱 鹏

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;2.中国科学院研究生院，北京 100039）

基于H.264编码算法的高速CCD视频压缩系统设计

李 进1，2，金龙旭1，韩双丽1，陶宏江1，张然峰1，李国宁1，朱 鹏1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;2.中国科学院研究生院，北京 100039）

设计了一种基于H.264视频编码算法的压缩系统。为了使压缩算法高效快速的运行，使用了DSP/BIOS资源来管理软硬件工作。为了高速交互数据，采用了EDMA高速搬运数据策略，进而保证了数据实时传输的需要。实验结果表明，该压缩系统可以稳定正常地工作，具有良好压缩性能，在压缩比40∶1～10∶1范围内，平均信噪比高于35 dB，满足了航空CCD相机应用的需求。

面阵CCD;视频压缩;H.264编码算法;DSP处理器

随着航空CCD成像技术的发展，高帧频高清晰面帧CCD成为数字相机的主要图像传感器。然而，面帧CCD数据量十分庞大，给相机数传系统带来巨大的压力，因此非常有必要对面帧CCD视频进行压缩。

目前，国际视频编码标准已由JPEG发展到了H.264编码标准［1-2］。H.264编码算法是目前国际上最新的视频压缩算法，它具有低比特率、抗误码率强的特点［3-4］。非常适合应用于各种视频压缩的场合。同时，随着DSP技术的发展，DSP处理器出现了专门针对视频处理的多媒体处理器，特别是，最新的视频专用处理器TMS320DM642［5-6］（最高主频达到600 MHz），这也保证了视频压缩算法可实现性的需求。

本文在参考国内外相关技术的基础上，根据背景项目需求，结合面帧CCD视频特点，提出一种DSP平台上实现的H.264视频压缩算法。

1 CCD视频压缩系统硬件设计

1.1 视频专用处理器TMS320DM642

TMS320DM642是由TI公司推出的专用视频处理器［7］，它保留了C64原有的架构，工作频率通过内部锁相环时钟乘法器可以达到500 MHz，600 MHz和720 MHz，相应的时钟周期为2 ns，1.67 ns和1.39 ns，指令执行速率为4 000 MInstruction/s，4 800 MInstruction/s 和 5 760 MInstruction/s。DM642采用第二代增强型长指令形式，EMIFA接口数据总线宽度最大达64 bit，最高数据访问频率为133 MHz，可以和SDRAM无缝连接。片上L1和L2存储空间可以分为两部分存储。该处理器包括:3个视频接口VP0～VP2、EMAC 接口、McASP、PCI接口、HPI接口、GPIO接口、时钟生成器（PLL）、I2C总线接口、EMIF模块等。其中，时钟生成器的作用可以使外部50 MHz晶振倍频为600 MHz，该频率为本文系统运作频率。I2C总线用来设置外围设备的工作参数，如视频AD转换器SAA7115，CMOS 传感器等［8-13］。

通过上面的分析可知，DM642处理器具有非常丰富的资源和外部接口，具有强大的数字信号处理和控制能力，完全满足高速实时视频处理需求。

1.2 CCD视频压缩系统硬件方案提出

本文提出的CCD视频压缩系统硬件结构如图1所示。

图1 视频压缩系统硬件框架

整个系统分为:视频前端电路、视频存储、视频压缩、视频显示以及视频压缩性能分析单元。视频前端电路用来驱动CCD正常工作，并将CCD输出的模拟视频信号进行预处理、放大、模数转换为RAW数字视频数据。数字视频数据可通过DM642视频接口以RAW格式直接输入到DM642中。此时，DM642的视频接口要配置为RAW格式。DM642将视频数据缓存到外部的SDRAM中，然后采用H.264算法进行压缩。压缩码流存储到视频存储单元中。另外，为了可以直接存储和显示原始图像，本文可以将原始视频数据直接采用NAND闪存进行存储，数字视频数据可通过DVI接口通过液晶显示器直接显示。

压缩系统中，CPLD处理器辅助DM642管理外设。NOR型闪存作为DM642的程序存储器，SDRAM作为DM642的数据存储器。FPGA用来与DM642进行交换数据，将压缩码流进行存储，另外，也可以实现将RAW视频数据格式转换为BT656的格式输入到视频处理器中。

2 H.264在DSP平台上实现和优化

2.1 编码和解码过程

H.264是目前最复杂且性能最好的视频编码标准。它具有较高的编码效率，与H.263相比较，比特率可以减少50%。它最大的优点是在不减少视频质量的情况下有较高的压缩比［11］。H.264编码总体分为视频编码层（VCL）和网络提取层（NAL）。VCL的作用是编码和解码视频数据，它包括运动补偿、变换编码和熵编码等。NAL用来提供视频压缩码流传输规范，它包括单字节的头信息，多字节的视频数据、逻辑通道信息、时间信息和视频序列结束信号等。头信息包括存储标识和标识类型等。头信息用于识别图像数据类型。H.264仍采用一种混合编码框架，但它在许多细节方面进行了改进。目前它成为视频压缩应用场合的主流压缩方法［12-13］。

为了解决使用H.264压缩算法时视频数据量复杂的传输和处理问题，本文提出的压缩系统编码和解码过程分为5步:1）帧内与帧间预测;2）变换与反变换;3）量化与反量化;4）环形滤波;5）熵编码。

2.2 压缩算法的DSP优化

在DM642中，片上SRAM容量为256 kbyte。对于编码视频数据帧单元大小为352×288×3/2=152 kbyte的视频流，当考虑参考视频帧时，总的数据量要远超过256 kbyte。另外，为了提高压缩系统性能，片上SRAM需要分配出64 kbyte大小作为L2缓存使用。同时考虑到VLC表用来实现量化、DCT/IDCT变换等操作，因此也需将VLC用SRAM存储。因此，仅采用DM642片上SRAM难以实现视频压缩。然而，如果待编码帧和参考帧直接存储到SDRAM中时，需要首先将视频数据导入到L2缓存中，然后再从L2缓存导入到L1缓存，视频数据才能被CPU操作处理。这样CPU等待很多时间，极大地浪费了CPU资源。本文提出了一种基于EDMA的快速搬移数据策略，如图2所示。

图2 EDMA数据搬移策略

片上高速SRAM被分为乒乓操作的SRAM0和SRAM1，使用EDMA快速实现SDRAM与SRAM交换数据，而CPU始终直接访问CPU，这样可以极大的减少CPU访问块时间，增加利用率。表1为使用EDMA前后编码器效率比较。

表1 编码器EDMA使用效率比较 f/s

由表1知，使用了EDMA数据搬移策略大大提高了DSP视频压缩效率。

3 实验与结果

本文系统采用CCS3.1和DSP/BIOS集成开发环境，主要使用语言为C语言，ASM语言辅助编程和调试。整个程序下载到DM642中，采集得到一帧原始视频和该帧经压缩重构视频如图3所示。

图3 视频压缩实验（压缩比为30∶1）

由图3知，由图2a和图2b可知，从视频帧上来看原始视频帧和重构视频帧没有任何区别，这是由于在压缩比为20∶1时，本文提出的压缩算法信噪比较高。可见，本文提出的视频压缩系统是可行的。

为了测试本文提出的视频压缩系统视频压缩性能，选用抖动程度不同的3组视频，每组50帧视频序列进行测试。原始视频和重构视频采用信噪比计算公式为

其中，均方误差公式MSE为

其中，f（x，y）和g（x，y）分别为原始视频帧和重构视频帧，M和N为视频帧大小。测试压缩比在项目设计指标要求的范围10∶1～40∶1进行测试，信噪比结果如表2所示。

表2 压缩测试结果

由表2知本文提出的CCD视频压缩系统在压缩比为40∶1～10∶1范围内平均信噪比在35 dB以上，具有良好的压缩性能，满足设计指标要求。

4 结论

本文提出了一种适于航空CCD相机应用的视频压缩系统。整个压缩系统分为CCD前端、视频压缩、视频显示、视频压缩码流存储以及压缩分析单元，视频压缩单元采用高性能视频专用DSP处理器TMS320DM642，软件平台采用在CCS3.1上使用C语言实现H.264压缩算法。为了使压缩算法高效快速的运行，本文使用了DSP/BIOS资源来管理软硬件工作。为了高速交互数据，采用了EDMA高速搬运数据策略，进而保证了数据实时传输的需要。实验结果表明，本文提出的压缩系统可以稳定正常的工作，具有良好压缩性能，在压缩比40∶1～10∶1范围内，平均信噪比高于35 dB，满足了航空CCD相机应用的需求，为航空CCD相机视频压缩缩提供了一种很好的解决方案。

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金龙旭（1965— ），博士生导师，主研空间相机电子学技术;

韩双丽（1968— ），硕士生导师，主研空间相机热控技术;

陶宏江（1980— ），助理研究员，主研空间相机图像压缩技术;

张然峰（1981— ），助理研究员，主研空间相机控制技术;

李国宁（1979— ），助理研究员，主研空间相机CCD成像技术;

朱 鹏（1987— ），硕士生，主研视频压缩技术;

Design of CCD Video Compression System Based on H.264 Coding Algorithm

LI Jin1，2，JIN Longxu1，HAN Shuangli1，TAO Hongjiang1，ZHANG Ranfeng1，LI Guoning1，ZHU Peng1

（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

A video compression system based on H.264 compression algorithm is proposed in this paper.In order to perform efficiently and fast the compression algorithm，the system uses DSP/BIOS to manage the operation of hardware and software.To transmit efficiently data，a strategy of data moved efficiently based on EDMA is proposed，which ensure the real-time transmission.The experimental results showed that the proposed compression system can stably work and has good compressive property.In the compression ration range from 40∶1 to 10∶1，the average peak signal to noise ratio of proposed compression system is higher than 35 dB.It meets the application of aviation CCD camera.

area CCD;video compression;H.264 coding algorithm;DSP processor

TP919.81;TP391.4

A

【本文献信息】李进，金龙旭，韩双丽，等.基于H.264编码算法的高速CCD视频压缩系统设计［J］.电视技术，2013，37（3）.

国家“863”高技术研究发展计划基金资助课题（86325113B）

李 进（1984— ），博士生，主研光电成像和图像压缩存储技术;

责任编辑:魏雨博

2012－06－28