利用SoC平台设计并验证MPEG-4/JPEG编解码IP

文章摘要：还要再设计一个内部的DMA控制器执行在系统内存与MPEG4/JPEG编解码器本地内存的数据搬移的任务。DMA控制器包含一个AHB主接口和一个AHB从接口，AHB主接口使DMA控制器由AHB总线访问数据，AHB从接口由AHB总线用以编程DMA控制器的控制寄存器。我们接着确定MPEG4/JPEG编解码器IP的规格如下：全硬件的MPEG4/JPEG编解码器. 符合MPEG-4 (ISO/IEC 14496-2) simple profile L0 ~ L3标准- 支持标准分辨率(sub QCIF, QCIF, CIF, VGA and 4CIF )和non-standard on 16-pixel

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　　还要再设计一个内部的DMA控制器执行在系统内存与MPEG4/JPEG编解码器本地内存的数据搬移的任务。DMA控制器包含一个AHB主接口和一个AHB从接口，AHB主接口使DMA控制器由AHB总线访问数据，AHB从接口由AHB总线用以编程DMA控制器的控制寄存器。我们接着确定MPEG4/JPEG编解码器IP的规格如下：

　　全硬件的MPEG4/JPEG编解码器.

　　符合MPEG-4 (ISO/IEC 14496-2) simple profile L0 ~ L3标准
　　　- 支持标准分辨率(sub QCIF, QCIF, CIF, VGA and 4CIF )和non-standard on 16-pixel steps
　　　- 最大支持D1 @ 30 fps, XGA @ 15fps, SXGA @ 10fps
　　　- 全双工工作时，帧率为半双工时的一半
　　　- 支持MPEG4 short header format (H.263 baseline)
　　　- 运动估计的搜索范围：-16 ~ +15.5 (optional to –32 ~ +31.5) 在半个pixel精度的情况下
　　　- 支持4MV
　　　- 支持不变速率 (Constant Bit Rate) 和可变速率(Variable Bit Rate)控制
　　　- 支持下面的两种错误恢复工具
　　　- 编码：重新同步标志（re-synchronization marker）和头扩展码（header extension code）
　　　- 解码：重新同步标志（re-synchronization marker），头扩展码（header extension code），数据分割（data partition）和RVLC

　　符合JPEG (ISO/IEC 10918-1) baseline 标准
　　　- 4个用户自定义的Huffman tables (2AC和2DC)
　　　- 4个可编程的量化表
　　　- 隔行和逐行扫描
　　　- YCbCr 4:4:4, 4:2:2 和4:2: 0格式
　　　- 图片尺寸最大到64kx64k
　　　- 60fps 在640x480的分辨率

　　MPEG4 影像压缩是将取得的影像经过动态估计，取得其移动向量(Motion Vector)以及绝对差值和(SAD)，当绝对差值和太大时，将原來的影像送入离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)，反之，则将现在的影像与前一张还原的影像做差值运算，将差值送入离散余弦变换。之后再将离散余弦变换完成的资料作量化运算，并将量化后的资料作AC/DC预测器(AC/DC prediction)，之后再将直流交流预测完毕的资料传入可变长度编码器(Variable Length Code)，将原始的影像资料压缩成基本比特流(Base Layer Bitstream)的方式传出，客户端在接收到基本比特流之后，可以在经过解码器的解压缩将视频还原，另外一方面，量化运算完毕的资料除了传入AC/DC预测器，也将同时传入反转量化器(Inverse Quantization)，再将反转量化后的资料传入反离散余弦转换，再依据之前动态预估时计算的结果來做动态补偿(Motion Compensation)，以重建出一张影像作为下一张影像的参考影像。确认规格后，将编解码器的模块架构定义好，如下图三所示。我们对其中一些模块做说明。

　　运动估计(Motion  Estimation, ME)：运动估计单元能基于快速搜索算法(fast search algorithm)对整个搜索窗口(Search Window)进行运动估。简单來說就是去估算当前的帧(Frame)裡某一个N×N 区块(Macro block)和早先的帧(Reference block)裡最相似的区块位移的向量，称之为移动向量。这个区块所要搜寻的范围在这区块四周往外扩展固定值w，称为搜索区(Search Area)。

　　DCT/IDCT：MPEG4算法的核心是一种称为离散余弦变换(DCT)的操作。DCT的基本原理是取像素块的平方并除去观察者察觉不到的冗余信息。为了解压缩数据，还需要反离散余弦(IDCT)运算。DCT/IDCT单元就是负担离散余弦变换和反离散余弦的运算。IDCT与DCT共享相同的硬件资源，产生的结果兼容IEEE 1180-1990规格，在解码的状态送到运动估计单元。DCT产生的结果在编码的状态送到量化单元。

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