多种类超分辨视频压缩模块设计方案

1.概述
模块实现了对3种不同分辨率图像(1路HDVIDEO、1路SDVIDEO、1路SUPERVIDEO)采集编码压缩。压缩算法采用H.264有损视频压缩算法以及改进的无损H.264压缩算法两种不同的压缩方式。压缩后的数据通过PCIe接口送至主控CPU。

1.1功能要求
  1. SUPERVIDEO捕捉采集;
  2. SDVIDEO捕捉采集;
  3. HDVIDEO捕捉采集;
  4. SUPERVIDEO有损和无损压缩;
  5. SDVIDEO有损和无损压缩;
  6. HDVIDEO有损和无损压缩;
  7. ? PCIE通信。

2硬件设计

2.1总体功能框图
模块总体功能框图如图1所示。
图1 ?总体功能框图
功能框图具体说明:
模块包括2块板卡,压缩板卡1负责SDVIDEO、HDVIDEO的采集和压缩;压缩板卡2负责SUPERVIDEO的采集和压缩。
整个模块采用FPGA+DSP架构。
  • ?FPGA主要负责视频信号解码后的预处理工作,如时序转换等工作,处理后的视频送至DSP。
  • ?PCIe接口与HOST进行交互数据。
  • ?HDMI显示接口。
  • ?串口、千兆网口、SATA接口等。
  • 外扩3GB字节的DDR3外部存储器。

2.2关键器件选型
为了实现对不同分辨率视频数据的压缩,特别是对SUPERVIDEO是压缩,本方案拟采用TI 公司的DM816x DaVinci 数字媒体处理器。它是一款高度集成的、可编程的、能够适合当今苛刻的HD视频应用要求的强大解决方案。
该器件由一个具有 NEON? 扩展的 ARM? Cortex? -A8 RISC CPU、德州仪器 (TI) C674x VLIW 浮点 DSP 内核构成 ,最吸引之处在于片上内置多达3个高分辨率视频/成像协处理器 (HDVICP2) 。1个协处理器能够处理的1个 1080p60 H.264 编码或解码,因而具备最大可压缩3路1080p60的视频图像的能力。
丰富的外设集提供了控制外围设备以及与外部处理器进行通信的功能。与本设计相关的外设包括:
  • HD 视频处理子系统(HDVPSS),该子系统提供了高清视频的捕捉和显示接口以及一些视频预处理算法(高性能的去隔行算法、色彩空间转换、高性能的图像缩放算法、3D去噪算法)2 个具有集成2.0 PHY 的USB 端口;
  • ?PCIe? 端口x2 线道GEN2 兼容型接口,它使得器件能够充当一个PCIe? 根联合体(root complex)或设备端点;
  • ?2 个具有GMII 和MDIO 接口的千兆位以太网MAC (10/100/1000 Mbps);
  • ?3 个可支持IrDA 和CIR 的UART;SPI 串行接口;
  • SD/SDIO 串行接口;两个I2C 主/ 从接口;多达64 个通用I/O (GPIO);
  • 系统看门狗定时器;
  • 双DDR2/3 SDRAM 接口;
  • 磁盘驱动器上的外部存储器的SATA 接口。

3.软件设计

3.1软件体系及环境
设计运行环境如下:
硬件平台:DM8168;
操作系统: Linux;
软件当前体系结构见图3所示。
图3? 软件体系结构图

3.2压缩算法
DM8168的协处理器支持H.264的压缩算法,其性能可支持到3路1080p60Hz的高清视频的压缩,因此我们用1块板子做1路低分辨率的热像视频和1路1080高清分辨率的图像压缩,另一块做1路超分辨率5K x5K的图像压缩,运算性能满足要求。
对于有损压缩,采用标准的H.264压缩算法。
对于无损压缩,通过分析H.264标准算法,我们知道导致其有损的过程有两个:
  • 不可逆的有损的整数DCT变换
  • 有损的量化过程
这样,我们在保持H.264标准算法的架构基础上,我们使用一种可逆的无损的二维近邻预测技术替换.H264原有的不可逆的有损的整数DCT变换算法,并取消有损的量化过程,这样就实现无损视频压缩。同时兼任了H.264标准。
当进行有损压缩的时候,采用YUV420数据格式。
当进行无损压缩的时候,采用RGB444数据格式
由RGB444到YUV420的色彩空间转换由DM8168的HDVPSS子系统硬件实现。
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