基于SOPC的MPEG-4视频播放器

引言

　　多媒体技术实用化的关键技术之一，就是解决视频、音频数字化以后数据量大，与数字存储媒体、通信网容量小的矛盾，其解决途径就是压缩。

　　为了支持低比特率视频传输业务，MPEG(Moving Picture Experts Group)推出了MPEG-4标准。于1999年正式成为国际标准的MPEG4是一个适合于低传输率的视频、音频解决方案，更注重于多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4视频压缩标准提供了一种高度灵活、基于"内容"的编码方法，解码端可以"按需解码"，还可以添加对象和信息。这种灵活性使得MPEG-4具有高效的编码效率、基于内容的可扩展性以及在易受干扰环境下的鲁棒性。

　　MPEG-4的这些特性使得它十分适合于存储容量有限的手持终端设备。但是MPEG-4视频解码中涉及的反量化(Inverse Quantization, IQ)、反离散余弦变换（Inverse Discrete Cosine Transform，IDCT），运动补偿（Motion Composition, MC）等技术均是典型的计算密集型变换，对于本身处理能力有限，功耗受限的手持终端设备而言，视频解码的实时性是一个很大的挑战。

　　本系统在Nios II和FPGA构成的SOPC平台上，使用NiosII的用户自定义指令以硬件逻辑方式实现MPEG4解码中的IQ、IDCT、 MC等计算复杂、高度耗时的功能模块，极大地提高解码速度。从而在以GPL协议发布的XviD Codec基础上，实现Simple Profile视觉框架下，L1级、QCIF（177×144分辨率）、25 fps的MPEG-4实时解码，并通过DMA方式在LCD上加以显示。

1 系统功能描述

　　本系统从功能上可以分为视频文件存取、视频解码器、YUV-RGB变换器和LCD控制模块4个部分。

1.1 视频文件存取

　　要进行视频文件的播放，首先需要对视频文件进行方便地存储和读取。系统播放的MP4文件由XviD Codec在PC上对4∶2∶0的YUV文件压缩得到。该MP4文件采用177×144分辨率的QCIF格式，25帧/s。在下载模式，可以通过 JTAG接口将MP4文件写入Flash存储器中。在播放模式下，Nios II处理器将MP4文件从Flash存储器中读出，送入文件缓冲池中等待解码器对其进行读取并解码。

1.2 视频解码器

　　视频解码器是系统的核心。如图1所示，视频解码器由熵解码器、反量化、反离散余弦变换、运动补偿模块和视频帧缓存5个模块组成。

图1 视频解码器结构框图

　　解码时，首先对输入码流进行熵解码，然后根据帧的头信息判断帧的类型。对于每个宏块，熵解码后首先经过IQ，再经过IDCT变换得到空间域的值。对于参考帧(R-Frame)，由于不需要进行运动补偿，变换后的结果直接输出，同时还要将它存储在视频帧缓存中，留给后面的预测帧（P-Frame）做运动补偿。对于预测帧，先通过熵解码得到运动向量，根据运动向量搜索到相应的参考帧后，再将IDCT变换后的预测差值与之相加，合成最后的预测帧图像。解码后的预测帧同样是一路输出，一路存放于视频帧缓存当中。

　　视频解码如果采用纯软件方式实现，运算量太大，难以满足实时性要求。利用NiosII的自定义指令，将IQ、IDCT和MC这3个主要的计算密集型解码单元用硬件逻辑方式实现，以硬件逻辑的复杂性换取解码的实时性。

1.3 YUV-RGB变换器

　　解码器解码得到的YUV格式图像不适合直接用于LCD显示。要在LCD上显示解码得到的图象必须将YUV格式的图像转换为RGB格式，两者的转换关系如下：

　　R=1.164(Y-16)+1.569(V-128)
　　G=1.164(Y-16)+0.813(V-128)+0.391(U-128)
　　B=1.164(Y-16)+2.018(U-128)

　　YUV到RGB格式的转换是一个很占用CPU资源的过程。本系统以查表的方式，采用硬件逻辑实现该转换。

1.4 LCD控制模块

　　标准VGA LCD显示模块（640×480，@60 Hz）是一种逐行扫描设备。这种扫描是顺序的，下一个扫描点能够预知，从而可以将需要送出的像素信息排成一行，看作一个数据流（Streaming）。借助于NiosII的Avalon流模式外设的设计方法，可以实现一个Avalon流模式的LCD控制器。利用DMA控制器在流模式的LCD控制器和系统SDRAM之间建立一条DMA传送通道，由硬件完成像素信息的读取和送出。NiosII只需要操作SDRAM中的相应区域就可完成显示图像的更新。

2 系统设计结构

2.1 系统硬件结构

　　系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

　　为了达到25 fps的实时解码速度， IDCT、IQ、MC和YUV-GB转换这4部分计算密集型的功能单元全部以用户自定义指令的方式实现。

2.1.1 反量化

　　系数的二维数组QF[v][u]被反量化，产生重构的DCT系数。该过程的实质是以量化步长为倍数的乘法运算。

表1 intra_dc与编码精度对应表

内部编码块DC系数的反量化过程不同于其他的AC系数。DC反量化系数由一个常数因子intra_dc与QF[0][0]相乘而得到。intra_dc与编码精度有关,表1