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【安防監控】視頻編解碼技術

  隨著數字多媒體的應用日漸廣泛,視頻解碼在嵌入式系統設計中變成一個基本要素。視頻標準有多種,依賴于產品可實施其中的一個或者多個標準。當然這不是全部,視頻僅僅是多媒體碼流的一部分,另外還有音頻或者語音需要并行處理。因此,一個處理存儲或數據流的同步層是必需的。此外,視頻解碼本身對性能要求較高,需要不同于先前基于語音和信息應用的系統架構;這就對便攜系統提出了特殊挑戰,而桌面應用同樣面臨這些問題。
  視頻編碼技術是網絡電視發展的最初條件。只有高效的視頻編碼才能保證在現實的互聯網環境下提供視頻服務。除了ITU-T和ISO/IEC兩個國際標準化組織制定的視頻編碼標準以外,美國微軟公司和Real Network公司都有自己的視頻編碼標準。事實上,他們也是常用的網絡電視標準。
  通用視頻標準和編解碼器
  聯合視頻組(Joint Video Team, JVT)由ITU的視頻編碼專家組(Video Coding Experts Group, VCEG)和ISO/IEC運動圖像專家組(Moving Picture Experts Group, MPEG)組成。VCEG開發自愿性標準,用于會話和非會話類音/視頻應用的先進移動圖像編碼。MPEG開發國際標準,用于移動圖像、音頻及兩者組合的壓縮、編碼、解壓縮、處理等,以滿足各種應用??傊?,JVT已經開發了包括ITU H.262/MPEG2和H.264/MPEG-4 AVC在內流行的視頻標準。
  MPEG-2 Video/H.262:MPEG2(ISO/IEC 13818-2),也被稱為ITU-T H.262,是目前消費類電子視頻設備中使用廣泛的視頻編碼標準。MPE2視頻用于數字電視廣播:包括地面、電纜和直接衛星廣播。它能在25fps(Pal)或者30fps(NTSC)的固定幀率下達到720x576象素成像。此外,它也是DVD視頻中的編解碼器。
  MPEG-4-SP/ASP:ISO/IEC 14496-2描述了MPEG4簡單類(Simple Profile, SP)/高級簡單類(Advanced Simple Profile, ASP)。其中,SP用于下一代便攜式終端和窄帶互聯網。而ASP增加若干工具,編碼效率提高了1.5到2倍。他們兩個均在市場上獲得越來越多的接受
  MPEG-4-AVC/ITU-T H.264:先進視頻編碼(AVC)是由ISO/MPEG和ITU-T聯合技術委員會開發的多媒體標準。AVC提供更高的壓縮率,更好的視頻質量和比MPEG2更高的容錯性,有望用于互聯網廣播和移動通訊。
  Windows Media Video(WVM)/SMPTE VC-1:WMV9是微軟的多媒體標準,其特性包括支持流處理,可變比特率,以及與MPEG-4-AVC/H.264相媲美的容錯工具。除了用于家庭電腦,WMV9目前也在電影院用于數字投影。電影中使用的編碼可以是7~12Mbps的恒定比特率CBR或可變比特率VBR,并達到DVE解析度(720x480)。
  當僅用于播放音頻時—如典型的MP3播放器,也可使用單DSP解決方案。此系統中DSP進行音頻解碼、文件/流數據處理,還同時控制鍵盤、顯示屏和存儲器等。由于DSP處理音頻解碼更為高效,因此使用如ZSP400 DSP而非微控制器可以顯著降低功耗。此外,基于DSP的解決方案可進行軟件升級,以支持運算更為密集的音頻標準(比如aac Plus),此時微控制器可能無法處理額外增加的負荷。
  視頻移動電話:該類應用的視頻尺寸是QCIF或者CIF,幀率從10到30幀每秒。是否需要支持多種視頻/音頻解碼標準取決于電話的功能要求。視頻將是流視頻或者短的視頻序列回放。通過軟件解碼而無需額外硬件,既可滿足這些設備的性能要求。而且大多數的電話集成了微控制器和DSP,因此視頻解碼可通過DSP實現,這也使得低功耗精巧系統成為可能。另外一些電話可能包含PMP或者數碼攝像機的一些功能,單純的DSP設計方案無法滿足要求,這就需要額外的硬件加速。
  視頻桌面電話:該設備提供視頻會議功能,需要在強實時限制下完成編解碼。如果幀尺寸和幀率有限,單DSP解決方案仍然可行。然而,大部分桌面電話具備QVGA或者更大的顯示屏;此外,用戶通常期望有比無線移動設備更佳的語音/視頻質量。這意味幀率應當更高,掉幀率/卡幀率應當盡可能低,此時可能需要采用硬件解決方案完成視頻編解碼。語音編解碼可通過低成本的DSP(如ZSPneo)或者系統中的微控制器實現。
  移動數碼攝像機(DVR):對于該類設備,多標準編解碼沒有必要,大多數僅使用單一視頻編解碼標準。由于大尺寸,高幀率和低功耗的苛刻要求,純硬件解決方案通常是首選。而不需要DSP,此時系統微控制器用于驅動視頻和音頻硬件模塊。
  機頂盒:機頂盒需要完成高質量視頻流的處理和已錄制的視頻文件的解碼。同DVR一樣,視頻質量的要求(幀尺寸,幀率,比特率和容錯能力)使其幾乎只能通過硬件解碼來進行。當然,因為不像移動設備對功耗要求那樣苛刻,也可采用多DSP核配合一些基本的硬件加速的方案來設計可處理各種視頻編解碼器的系統。根據功能要求,機頂盒可能需要一定的靈活性:尤其是將其用于媒體播放器、數字VCR或網絡流媒體領域。這時可用DSP中的軟件處理音頻。為了實現這種靈活性,要選擇不同的編解碼器完成回放、編碼、譯碼等功能,此時用于音頻處理的DSP將會是如ZSP500這樣的高性能處理器,以實現迎合家庭影院最新潮流的環繞聲、聲音處理等功能要求。
  嵌入式系統的設計取決于特定的目標應用。軟件靈活性、功耗和性能的綜合考慮決定最佳配置方案。應用很廣泛,解決方案則反映了不同應用的需求。一些應用需要低功耗而其他需要靈活性和/或高性能。DSP可提供良好的性能和低功耗,同時可增加靈活性;完美適合于各種應用。由于整個多媒體解決方案(音/視頻編解碼和音/視頻同步)可作為單一模塊輕松集成至現有和新系統中;這將使大量復雜問題得到一次性解決并在以后可多次重用,從而降低了使用多媒體模塊的系統的開發成本和總體開發時間。

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