基于FPGA的DNxHD視頻編碼系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、DNxHD是由Avid公司獨(dú)立開發(fā)的高清視頻壓縮編碼算法，主要應(yīng)用于廣電行業(yè)后期制作中。2009年4月，國際SMPTE協(xié)會(huì)正式將DNxHD編碼確定為VC-3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)格式，推動(dòng)了高清后期制作和高清廣播電視發(fā)展的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。與攝像機(jī)輸出的原始數(shù)據(jù)相比，DNxHD占用的帶寬和存儲(chǔ)資源更少，使得在高清節(jié)目制作中用網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境來取代過去的僵化的線性編輯流程成為可能;與其他編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，DNxHD擁有解碼后更好的畫質(zhì)。
　　目前包括中央電視

2、臺(tái)在內(nèi)的眾多國內(nèi)外電視臺(tái)將Avid DNxHD用于后期高清節(jié)目后期制作。由于高清視頻原始數(shù)據(jù)量大，直接進(jìn)行記錄是不現(xiàn)實(shí)的，因此在大部分情況下攝像機(jī)采集后記錄在硬盤或磁帶上的視頻素材是經(jīng)過壓縮的，如果攝像機(jī)的壓縮格式與后期處理的壓縮格式不同，那么在后期處理之前還要經(jīng)過一個(gè)解碼再編碼的過程，這個(gè)過程無疑是會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失的。為了制作出圖像更精美的視頻節(jié)目，有必要保持前端與后端碼流的一致性，這就需要一種能夠便攜、實(shí)時(shí)進(jìn)行DNxHD編碼的解決方案

3、。由于專業(yè)領(lǐng)域不同于民用領(lǐng)域，目前市面上沒有針對DNxHD編碼的專用芯片。隨著技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感器的分辨率越來越高，基于單片機(jī)的方案對于高分辨率視頻數(shù)據(jù)無法滿足實(shí)時(shí)處理的要求。FPGA由于其自身的特點(diǎn)很適合進(jìn)行視頻相關(guān)的處理，目前國外有廠商推出了采用FPGA實(shí)現(xiàn)DNxHD編碼功能的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核，但是其硬件實(shí)現(xiàn)處于技術(shù)封鎖狀態(tài);國內(nèi)針對這方面的研究才剛剛起步。因此研究DNxHD編碼的FPGA實(shí)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)意義。本文主要對DNxHD編碼算法進(jìn)

4、行了研究并進(jìn)行改進(jìn)從而適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)。
　　本文研究的目標(biāo)就是開發(fā)一種能夠便攜、實(shí)時(shí)進(jìn)行編碼的解決方案，這種解決方案區(qū)別于目前應(yīng)用的比較多的基于PC機(jī)的DNxHD編碼解決方案，這種解決方案一般具有性能穩(wěn)定、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。
　　本文以攝像機(jī)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)高清視頻序列為研究對象，深入研究了高清視頻圖像的DNxHD編碼算法，分析了其中的宏塊生成、之字型掃描、量化、離散余弦變換以及碼率控制及編碼算法，結(jié)合FPGA特點(diǎn)對對算

5、法中不利于硬件實(shí)現(xiàn)的部分進(jìn)行改進(jìn)。在離散余弦變換部分，利用離散余弦變換的行列可分離性、三角函數(shù)周期性與矩陣系數(shù)的對稱性，最終使用八個(gè)乘法器和八個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)了離散余弦變換。在碼率控制部分摒棄了軟件算法中以估計(jì)值代替實(shí)際值來減少計(jì)算量的策略，利用FPGA并行的特性直接使用實(shí)際值進(jìn)行優(yōu)化，算法中涉及大量的乘法和除法運(yùn)算，設(shè)計(jì)中對乘法器和除法器進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，在保證算法正確的前提下節(jié)省FPGA資源，整個(gè)算法使用了流水線結(jié)構(gòu)，適合使用硬件快速實(shí)現(xiàn)。