基于SOPC的MPEG4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 Expert s Group) 推出了MPEG 4 标准。于1999 年正式成为国际标准的MPEG 4 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( Inver se 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。

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、YUV2RGB 变换器和LCD 控制模块4 个部分。

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J TAG 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。

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。

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( RFrame) ,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( PFrame) 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。

YUV2RGB 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。

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( St reaming) 。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。

系统设计结构

系统硬件结构
系统硬件结构如图2 所示。

为了达到25 fps 的实时解码速度, IDCT、IQ、MC 和YUVRGB 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。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。

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