无线应用中典型视频编解码器方案功能分析

无线应用的视频编解码器具有一些不同的功能要求，其视频编解码过程通常包括视频预处理、实际的视频编码与解码以及视频后处理三个阶段，所支持的视频标准、算法和视频结构都具有一些特殊性。本文以OMAP5910为例介绍了无线应用中的视频编码与解码功能，并图解分析了编解码器的结构组成。

无线应用中的视频编解码器需要符合第三代伙伴项目(3GPP)组织规定的多媒体电话低码率编解码器的标准，包括3G TS26.110、3G TS26.111以及3G TR26.911。本文以TI OMAP5910为例分析无线视频编解码器(编码器与解码器)的功能要求，包括为转换到编码器识别的输入格式而对采集数据的预处理，以及为转换到LCD显示屏要求格式的数据后处理。

3GPP规定的基本编解码器要求支持H.263标准，而 MPEG-4简单可视类(Simple Visual Profile)则定义为可选。已实现的视频编解码器支持以下视频格式：SQCIF(128×96)、QCIF(176×144)、简单类1级(Simple Profile Level 1)、CIF(352×288)简单类2级、码率为64kbps的简单类1级和码率为128kbps的简单类2级。

视频编解码器功能

视频编码器要求YUV4:2:0格式的视频输入，因此可能根据应用需要进行视频输入的预处理，即对YUV4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换，仅抽取但不过滤UV分。对视频解码器而言，还需要进行后处理，以将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示，包括：YUV 4:2:0到RGB转换；16位或12位RGB显示格式；0到90度旋转，实现横向或纵向显示。此外，视频编解码器通常还要求具有以下功能和特性：

支持MPEG-4简单类 0、1 与 2 级；

兼容H.263与 MPEG-4 编解码标准；

MPEG-4视频解码器支持的可选项有：AC/DC预测、可逆可变长度编码(RVLC)、再同步标志(RM)、数据分割(DP)、错误隐藏专利技术、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、自由运动补偿、解码VOS层；

MPEG-4视频编码器选项有：RVLC、RM、DP、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、报头扩展码、支持编码期间码率改变、支持编码期间编码帧率改变、插入或不插入可视对象序列起始码；

支持编码期间序列中插入I帧；

支持编码器自适应帧内刷新(AIR)；

支持多编解码器，可用相同代码运行多个编解码器实例。

视频结构

红绿蓝(RGB)是计算机显示的基色，OMAP5910支持的色深可编程至高达每像素16位，即 RGB565(红色5位，绿色6位，蓝色5位)。

在DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中，常用的色彩编码方案是YCbCr，其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。

4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量(YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4：2：2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式；4：4：4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。

在OMAP5910设计中，为显示解码视频，后处理需要计算与YCbCr对应的RGB值。后处理引擎通过以下方程式的计算得出经过伽马校正的RGB信息：

R = Y + 1.371(Cr – 128)

G = Y – 0.698(Cr – 128) – 0.336(Cb – 128)

B = Y + 1.732(Cb – 128)

详细内容请参见测试代码的技术规范(需要签订不泄密协议)，该规范论述了MPEG-4编码器与解码器的预处理与后处理的具体实现。

视频编解码器

图1为一个移植到OMAP5910上的视频编码器结构简图，图中主要功能部分的作用分别为：

预处理：如果需要的话，预处理模块可将输入视频格式转换为YUV 4:2:0；

离散余弦变换(DCT)：DCT变换对每个输入块进行空间变换，输出一个8x8 水平和垂直频率系数的矩阵；

量化：利用心理视觉(psychovisual)特性来消除无关紧要的DCT系数、高频系数；

逆量化(IQ)：通过量化后的DCT乘以量化表计算出逆量化矩阵；

逆离散余弦变换(IDCT)：IDCT还原输入块。由于量化的缘故，还原的值与原始数据之间可能会有误差；

运动估计(ME)：ME使用搜索位置点较少、像素也较少的方案来生成指示运动影像方向的运动矢量；

运动补偿(MC)：运动补偿块通过去除帧间的冗余从而增加压缩比；

可变长度编码(VLC)：无损VLC编码通过将出现次数较多的符号用较短代码发送，出现次数较少的代码用较长代码发送，利用这样的方法来降低码率；

速率控制：通过更改量化规则控制码率，例如通过使每个DCT系数采用较少的位来降低码率；

错误隐藏：由TI开发的专利错误隐藏技术。

图2所示为视频解码器，该解码器符合MPEG-4以及H.263标准，能够进行H.263与MPEG-4码流的解码，并且自动检测报头以确定采用何种解码方法(H.263或MPEG-4)，阴影部分模块为两种解码器共用部分。图2中部分的功能模块与前面叙述相同，其它功能模块的作用分别为：

解码器 确定码流类型(MPEG-4或H.263)；

MPEG-4 RM 有嵌入同步标志的视频流；

MPEG4 DP 有数据分割的视频流；

H263 获得H.263码流并将其输入到适当模块中；

ACDC 仅适用于MPEG-4解码器，预计AC系数；

RVLD 仅适用于MPEG-4解码器，当码流用可逆可变长度技术编码时可实现RVLD；

VLD 适用于H.263与MPEG-4解码器。

作者：Thanh Tran

德州仪器公司