AVS作為新一代音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[1]，2006年正式被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。AVS視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)兼顧了性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的矛盾，代表了國(guó)際先進(jìn)水平。目前AVS解碼器和解碼芯片已經(jīng)有了比較成熟的發(fā)展，但AVS編碼器仍處于研究階段，市場(chǎng)還未產(chǎn)業(yè)化。FPGA平臺(tái)擁有豐富的寄存器資源和邏輯資源，其并行執(zhí)行的硬件實(shí)現(xiàn)方式可以滿足大量的高速電子線路設(shè)計(jì)需求，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字視頻信號(hào)處理，是硬件實(shí)現(xiàn)的最佳選擇之一。

    本文對(duì)AVS編碼I幀算法進(jìn)行深入研究，根據(jù)FPGA硬件特點(diǎn)[2]，實(shí)現(xiàn)了AVS的全I(xiàn)幀實(shí)時(shí)編碼。以宏塊為單元，考慮到占用資源和運(yùn)行速度兩方面的限制，采用適當(dāng)?shù)膹?fù)用技術(shù)和流水線技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，保證了流水線的高效運(yùn)行以及硬件資源的最優(yōu)利用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)基于FPGA平臺(tái)完成CIF分辨率圖像的實(shí)時(shí)采集、AVS全I(xiàn)幀壓縮編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸，主要由視頻采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)、I幀編碼系統(tǒng)和以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

    視頻采集系統(tǒng)主要完成將復(fù)合視頻解碼成YUV（4：2：0）數(shù)字視頻，為AVS 全I(xiàn)幀編碼準(zhǔn)備好視頻數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)主要完成向I幀編碼系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，同時(shí)將編碼后的碼流傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)傳輸系統(tǒng)。視頻數(shù)據(jù)吞吐量大、帶寬高，涉及到低速存儲(chǔ)器（如DDR）和高速存儲(chǔ)器（如FPGA內(nèi)部RAM）之間大量的數(shù)據(jù)交換，成功的數(shù)據(jù)調(diào)度策略是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編碼的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    I幀編碼系統(tǒng)主要完成AVS視頻I幀實(shí)時(shí)編碼，整個(gè)系統(tǒng)使用硬件描述語(yǔ)言獨(dú)立設(shè)計(jì)完成。
    以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)主要完成對(duì)AVS碼流的打包，并將其傳輸?shù)絇C機(jī)。本系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器IP核和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議IP核。
    PC機(jī)上的AVS播放器采用DirectShow架構(gòu)，基于本實(shí)驗(yàn)室完成的AVS解碼器設(shè)計(jì)了AVS實(shí)時(shí)播放器，用來(lái)驗(yàn)證AVS編碼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)編碼能力。
2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)交換
    前端視頻采集模塊采用TVP5150PBS視頻解碼器將輸入的PAL視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字YUV(4：2：0)信號(hào)，輸出格式為ITU-R BT.656。
    系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA通過(guò)IIC總線對(duì)TVP5150解碼器進(jìn)行初始化配置；接通復(fù)合視頻信號(hào)后，TVP5150即可正確輸出8 bit數(shù)字YUV視頻信號(hào)至FPGA。由于接收的視頻信號(hào)為ITU565格式，視頻信息僅由8 bit視頻信號(hào)組成，沒(méi)有獨(dú)立的行、場(chǎng)同步信息，所以，F(xiàn)PGA需要從接收的8 bit視頻信號(hào)中提取行場(chǎng)同步信號(hào)，并將相鄰8 bit數(shù)據(jù)（亮度、色差信號(hào)）轉(zhuǎn)換成16 bit視頻信號(hào)。
    轉(zhuǎn)換后的16 bit視頻信號(hào)經(jīng)DDR SDRAM控制器寫入到外部DDR SDRAM存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)采用的DDR SDRAM存儲(chǔ)器容量為16 M×16 bit，利用迸發(fā)模式，將接收的一行視頻信號(hào)存儲(chǔ)到DDR SDRM的一行，則一幀視頻信號(hào)可存儲(chǔ)在DDR SDRAM的一個(gè)Bank空間。
3 I幀編碼系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    根據(jù)AVS I幀編碼算法的特點(diǎn)，將I幀編碼系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)[3]分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、變換量化模塊和熵編碼模塊，再加上殘差、重構(gòu)和寫CBP等一些外圍電路，即可實(shí)現(xiàn)AVS全I(xiàn)幀的編碼。整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

    幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊主要完成從鄰近宏塊的重構(gòu)數(shù)據(jù)中獲取用于當(dāng)前宏塊預(yù)測(cè)的參考數(shù)據(jù)，并完成對(duì)8×8塊的預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模式。
    變換量化模塊主要完成DCT變換、量化、反量化和反DCT變換。輸出的量化數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Z掃描后進(jìn)行熵編碼，輸出編碼碼流；反DCT變換后的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相加，得到子宏塊的重構(gòu)數(shù)據(jù)，重構(gòu)數(shù)據(jù)反饋給幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行下一個(gè)子宏塊的預(yù)測(cè)。
    熵編碼模塊主要完成Z掃描和變長(zhǎng)編碼。對(duì)掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全零判斷，得到該宏塊的CBP值。變長(zhǎng)編碼后的碼流前面加上寫入的CBP信息，組成一個(gè)宏塊的編碼碼流，編碼碼流8 bit對(duì)齊放到RAM中。
4 I幀編碼模塊設(shè)計(jì)
    對(duì)AVS全I(xiàn)幀編碼設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮FPGA硬件平臺(tái)的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)使用硬件描述語(yǔ)言獨(dú)立設(shè)計(jì)完成。
4.1 幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊
    幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊[4]以宏塊為單元，主要包括參考樣本獲取和預(yù)測(cè)兩部分。首先在預(yù)測(cè)前要從鄰近宏塊中獲取進(jìn)行16×16宏塊預(yù)測(cè)時(shí)所需要的上面25個(gè)數(shù)據(jù)和前一個(gè)宏塊重構(gòu)的最右列16個(gè)數(shù)據(jù)。子宏塊的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)變換量化模塊后，從重構(gòu)數(shù)據(jù)中提取下一個(gè)子宏塊預(yù)測(cè)所需的邊界數(shù)據(jù)。輸出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與子宏塊編碼前原始數(shù)據(jù)相減，得到的殘差數(shù)據(jù)給變換量化模塊。輸出最佳預(yù)測(cè)模式給寫CBP模塊。
    算法采用多種預(yù)測(cè)模式并行執(zhí)行，一個(gè)時(shí)鐘預(yù)測(cè)一個(gè)像素，并對(duì)預(yù)測(cè)完的一個(gè)像素計(jì)算一次絕對(duì)值差，每次時(shí)鐘都會(huì)將SAD累加，64個(gè)時(shí)鐘就能將預(yù)測(cè)和計(jì)算SAD同時(shí)完成。所有可用預(yù)測(cè)模式并行完成后，進(jìn)行模式判決模塊，比較所有模式下SAD的最小值，選出最佳預(yù)測(cè)模式并輸出對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。本算法共享公共運(yùn)算單元和多級(jí)流水線操作，資源利用率高，并且兼顧了處理速度和實(shí)現(xiàn)代價(jià)。
    用ModelSim進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖3所示，信號(hào)sum_v、sum_h、sum_dc、sum_dc_left、sum_dc_top、sum_ddl、sum_ddr和sum_p是各種模式下計(jì)算的代價(jià)值SAD，通過(guò)比較大小，得出最佳的預(yù)測(cè)模式(logout)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(dataout_intra)。

4.2 變換量化模塊
    該模塊主要包括DCT變換、量化、反量化和反DCT變換[5]4個(gè)部分。DCT變換采用蝶形算法，每次處理8×8的一行數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的運(yùn)算時(shí)間，且大量的乘法用移位和加法代替。量化中涉及查表運(yùn)算，表格存放在ROM中，通過(guò)地址即可得到所需數(shù)據(jù)。殘差數(shù)據(jù)經(jīng)DCT變換、量化后，量化系數(shù)傳給熵編碼模塊；同時(shí)將量化后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行反量化和反DCT變換，得到8×8子宏塊的重構(gòu)數(shù)據(jù)，重構(gòu)的數(shù)據(jù)反饋給幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊，進(jìn)行下一個(gè)8×8子宏塊的預(yù)測(cè)。
    由于亮度和色度算法相同，因此該模塊可以共享，減少了資源的利用。變換量化模塊涉及大量的運(yùn)算，是最耗時(shí)的模塊，為了提高處理速度，算法使用了適當(dāng)?shù)牟⑿胁僮鳎瑢⒘炕c反量化、反DCT變換并行執(zhí)行；同時(shí)把數(shù)據(jù)位數(shù)擴(kuò)展，可同時(shí)對(duì)8×8矩陣的一行數(shù)據(jù)賦值，從而節(jié)省了讀取數(shù)據(jù)占用的時(shí)間，并且提高了數(shù)據(jù)的利用率。
    用ModelSim進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖4所示，設(shè)定qp為36的情況下，n0_o的輸出為量化數(shù)據(jù)。

    在進(jìn)行熵編碼模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，算法采用一種較少存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)碼表的方法，并將碼表查詢、碼表優(yōu)化和指數(shù)哥倫布編碼合并為一個(gè)流水線單元并行處理，節(jié)省了存儲(chǔ)中間結(jié)果所需的大量存儲(chǔ)空間；將熵編碼各任務(wù)并行執(zhí)行，加快了處理速度。
    用ModelSim進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖6所示，狀態(tài)機(jī)在4、5、6循環(huán)判斷，并在6狀態(tài)時(shí)輸出子宏塊編碼碼流（dataout）。

5 仿真與驗(yàn)證
    本設(shè)計(jì)使用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，采用Xilinx ISE進(jìn)行綜合驗(yàn)證、ModelSim 6.2b進(jìn)行仿真，器件選用Xilinx公司的xc4vsx25-10ff668，最高工作頻率達(dá)到110 MHz，綜合后的資源利用情況如圖7所示。

    本文完成了AVS全I(xiàn)幀編碼器在FPGA平臺(tái)上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)仿真與驗(yàn)證，能達(dá)到CIF分辨率下視頻圖像的實(shí)時(shí)編碼。與同類設(shè)計(jì)相比，本設(shè)計(jì)采用適當(dāng)?shù)膹?fù)用技術(shù)和流水線技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，保證了流水線的高效運(yùn)行以及硬件資源的最優(yōu)利用，且系統(tǒng)具有開發(fā)
成本低、性能和靈活性高、更新方便等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 畢厚杰．視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)：H_264/AVC[M]．北京：人民郵電出版社，2005.
[2] 王道憲．CPLD/FPGA可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．
[3] 胡倩，張珂，虞露．AVS視頻解碼器的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，40(12)：2139-2143．
[4] Liu Min，Wei Zhiqiang.A fast mode decision algorithm for  intra prediction in AVS-M video coding[C].Proceedings of the 2007 International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition, ICWAPR 07，2008：326-331．
[5] 黃友文，陳詠恩．AVS反掃描、反量化和反變換模塊的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44(19)：93-95．
[6] 劉群鑫．AVS中可變長(zhǎng)解碼器的硬件設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(23)：185-187，194．