视频压缩IPcore设计
2008-08-28
作者：傅伟煌 孟利民 徐林静
摘 要： 介绍了一种基于FPGA技术的视频压缩IPcore（Intellectual Property core，智力产权）设计。设计中综合运用了分布式算法、并行运算和流水线单元，通过VerilogHDL（Verilog Hardware Description Language）硬件描述语言描述运算单元及其结构配置。整个系统能在27MHz系统时钟下工作。
关键词： 视频压缩 IPcore FPGA
现行的视频压缩标准有多种，但基本属于以下两大类：视频会议" title="视频会议">视频会议标准和多媒体标准。视频会议标准包括ITU(International Telecommunication Union)的H.263/H.261等。这些标准主要采用了基于DCT（离散余弦变换" title="离散余弦变换">离散余弦变换）编码、运动补偿等技术，使视频流" title="视频流">视频流能以N×64kbps（N=1～32）的速率传输。
多媒体压缩标准主要包括：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等，由CCITT和ISO的动态图像专家组（Motion Picture Experts Group）制定。MPEG-1主要应用在以CD-ROM为介质的视频上，比特率为1.5Mbps。MPEG-2应用在NTSC/PAL和CCIR601中，比特率为2～10Mbps。MPEG-1和MPEG-2的目的都是有效传输和存储音视频。而MPEG-4是为了提供更有效的视频压缩，基于内容提供广泛的接入方式。它既可以在5～64kbps的移动电话和公共交换网中应用，也可以在4Mbps带宽的电视中应用。
JPEG（Joint Photographic Experts Group）标准是一个适用范围广泛的通用标准，由联合图像专家小组制定。它不仅适用于静止图像的压缩，也适用于电视图像序列的帧内图像的压缩[1]。
近年来，随着FPGA技术的日益成熟，愈来愈多的曾使用软件或DSP实现的复杂数字算法开始使用FPGA完成。这当然是由于FPGA的特殊结构和特性，使它可以更加高速和高效地完成这些算法。IPcore技术可以把这些FPGA中的算法设计封装成包（模块）。这些包具有智力产权，可以被继承、共享或购买。
1 视频压缩原理和算法实现
视频压缩技术主要利用图像信号的相关、冗余等特性，通过一些变换算法，保留对人眼视觉最重要的部分，进行编码传输。大部分视频压缩利用2D-DCT（二维离散余弦变换）和2D-IDCT（二维反离散余弦变换）变换得到图像的频谱，高精度保留对人眼重要的高频部分，低精度保留低频部分从而对视频流进行压缩[1]。其过程如图1所示。
1.1 DCT变换算法
2D-DCT变换是视频压缩中的常用变换[2]。在压缩过程中，将一幅图像分成许多8×8的小块进行变换。
8×8的2D-DCT变换如公式（1）所示：
如果直接使用公式（1）进行2D-DCT变换，运算量将会十分巨大，普通FPGA很难有效完成整个视频压缩运算。所以需要先把2D-DCT运算进行一些变换，简化计算，减少运算量。
2D-DCT具有正交可分解性[3]，可以通过对输入的矩阵先做一维行变换，再做一维列变换实现。即将8×8数据先按行方向进行累加运算，产生中间矩阵，再对中间矩阵按列方向进行累加运算，最后得到变换结果。2D-DCT可以分解成两个1D-DCT运算，见公式（2）。
将公式（2）展开成矩阵形式，得到公式（3）。计算一个这样的单元需要64个乘法器" title="乘法器">乘法器和56个加法器，运算量还是很大。利用公式（3）的对称性进行变换，可以得到公式（4），使乘法器减少到32个，加法器减少到8个。
一个由公式（4）推演出的分布式乘法器如图2所示。4个乘数（x0…x3）同时与各自的系数（c0…c3）相与，然后相加得到一个和数，这个和数与除2器出来的数相加，得到一个新的累计数。这个新的累加数如果是最后的结果，则输出；如果不是，送入除2器，进行下一步累加。这样，分布式乘法器就可以完成系数yj的运算。
由于DCT运算中的系数Cm是常数，对于拥有RAM单元的FPGA，上述运算也可以使用查ROM表的方法实现。将图2中的虚线内部分，改换ROM单元，如图3所示。这时，（x0…x3）作为ROM表的地址位，通过查表的方式输出和数，进行累加运算。ROM表的地址位宽度为4，存储单元数量DW＝24＝16。一些生产商提供的综合软件带有IP库，可以调用这些IP库中的ROM模块实现ROM表。例如ALTERA公司的Megafunction Library中的LPM_ROM可以用以下的语句调用（VerilogHDL）[4]。用VC或MATLAB生成一个.mif的ROM表文件。
LPM_ROM U1 (
.address (adr),
.inclock (clk),
.q (dat));
defparam
lpm_rom_component.lpm_width = 16,
lpm_rom_component.lpm_widthad = 4,
lpm_rom_component.lpm_address_control='REGISTERED',
lpm_rom_component.lpm_outdata='UNREGISTERED',
lpm_rom_component.lpm_file='romtable.mif';
这样，可以得到由这些基本单元构成与矩阵公式（4）相对的1D-DCT的FPGA设计，如图4所示。其中4RC单元表示图3的结构。
如前所述，2D-DCT需要两个1D-DCT共同完成，但是两个1D-DCT运算的中间变量并不是直接传递的，而需要一个矩阵转置模块进行耦合。
1.2 转置RAM
2D-DCT单元由两个相同的1D-DCT和转置RAM等组成，如图5所示。根据公式（2），可以知道1D-DCT先对8×8单元的行进行累加操作，把得到的结果暂存到RAM中，直到8行都运算完成。RAM中的临时8×8矩阵要先转置，把列数据变成行数据，经并串转换后输入到第2个1D-DCT进行行累加。
转置RAM是一个8×8的RAM阵列。当数据完成1D-DCT变换后，即由xij到zil变换，按行顺序输入到转置RAM，在读出时按列顺序读出，这样完成zil到zli的变换；然后将zli并串转换，输入到第二个1D-DCT，由zli运算得到ylk。这样就完成了公式（1）的2D-DCT整个变换，如图6所示。
1.3 2D-IDCT
2D-IDCT变换如公式（5）所示。
可见公式（5）与公式（1）相同，所以2D-IDCT可以用与2D-DCT的同样方法实现。
1.4 量化，编码
量化算法包括一张量化表，它因人眼对各种空间频率" title="空间频率">空间频率的灵敏度的不同而确定。在表中，较低空间频率的精度要高于较高频率的精度，这是由于人眼的低频分量比较敏感，而对高频分量不太敏感。
编码可以采用游程编码或熵编码。单元模块均可通过FPGA的片上RAM（满足双口RAM的特性）设计完成。
2 结论
整个视频压缩IPcore设计可以在FPGA上实现，在27MHz的系统时钟下工作。根据具体芯片的不同，可以在更高的速率工作。压缩速率可以达到108Mbps。
实际应用中，数据字长对压缩效果和比率有较大影响，一般情况下系数Cm取12位，可以满足大部分的视频压缩要求。
整个视频压缩IPcore可以直接下载到FPGA上（例如EDIF格式），独立实现视频压缩功能，也可以通过软件设计与其他的IPcore协同工作。例如，在网络摄像机的应用上，可以把视频压缩IPcore、数字摄像头控制器、网络接口一起编译成新的核。这个核具有视频采集、压缩、传输等一系列功能。把核的EDIF文件通过生产厂商的下载软件下载到FPGA上，就可以在一块芯片上实现所有网络摄像机的功能。实现了SoPC(System on a Programmable Chip)的目标。
参考文献
1 Rafael C. Conzalez Richard E.Woods. Digital Image Processing(Second Edition）. Prentice Hall
2 D. Le Gall. MPEG: A Video Compression Standard for Multimedia Applications. Communications of the ACM, CACM, April 1991
3 Feig, E., Winograd, S. Fast Algorithms for the Discrete Cosine Transform. IEEE Trans, September 1992
4 Altera Megafunctions. http:// www.altera. com/ literature/litip.jsp
5 Heron, J.P., Trainor, D., Woods, R. Implementation of the 2D DCT using a Xilinx XC6264 FPGA. IEEE Proceedsing on the Workshop on Signal Processing systems,iPS'97, IEEE Press.
6 Heron, J.P., Trainor, D., Woods, R. Image Compression Algorithms Using Re-configurable Logic. 31st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Asilomar, USA, November 1997