您是否曾想在您的 FPGA" target="_blank">FPGA 設計中使用先進的視頻壓縮技術，卻發現實現起來太過復雜？現在您無需成為一名視頻專家就能在您的系統中使用視頻壓縮。賽靈思新推出的 MPEG-4" target="_blank">MPEG-4 編碼器/解碼器核可以幫助您滿足視頻壓縮需求。
視頻和多媒體系統正變得日益復雜，因此能否獲得適用于您的系統的低成本的可靠 IP 核對您的產品上市極為關鍵。特別是，視頻壓縮算法與標準已變成極為復雜的電路，需要花費很長時間來設計，并且常常成為系統測試和發貨的瓶頸。這些 MPEG-4 簡易 (simple profile) 編碼器/解碼器核也許正好能滿足您下一個多媒體系統設計的需要。
應用
MPEG-4 第 2 部分是下列國際視頻編碼標準系列中最新的標準：H.261、MPEG-1、MPEG-2 和 H.263。該標準于 1999 年被 ISO/IEC 批準作為《國際標準 14 496-2》（MPEG-4 第 2 部分）。MPEG-4 第 2 部分視頻編解碼器為大量多媒體應用提供了一個卓越的基礎。該標準提供了一組特征和等級，可滿足大量不同應用要求，如幀尺寸和使用差錯恢復工具。這些應用的例子包括廣播、視頻編輯、電話會議、安全/監視、以及消費電子應用。
MPEG-4 第 2 部分使用的視頻編碼算法是從之前的編碼標準發展而來。幀數據分成 16×16 個宏塊，每個宏塊包含 6 個 8×8 塊，用于 YCbCr 4:2:0 格式化數據。采用半像素分辨率對運動進行估計可被用來對來自前一幀的預測塊進行高效編碼，而離散余弦變換 (DCT) 則提供了殘余處理功能，以創建當前幀的更詳細的視圖。簡易壓縮標準提供 12 位分辨率的 DCT 系數，和每個采樣 8 位的采樣和重建幀數據。MPEG-4 簡易編碼的效率在一系列編碼位速率下均優于在 MPEG-2 中使用的上一代的編碼效率。
典型的多媒體系統可以使用 MPEG-4 在一個更大的系統中作為視頻壓縮組件。這種系統的一個例子就是端到端視頻會議系統，它可以在兩個或多個與會者之間傳送壓縮的位流。這些源的名稱可以改變系統要求，因為會議的主要演講者或出席者可能需要較高分辨率的視頻和音頻。這種類型的系統可以擴展至視頻監視和安全應用，顯示臺用戶可以決定對所有視頻相機使用鑲嵌幕顯示，還是聚集于某個相機視圖，以進行詳細的實時分析。這些應用要求流的選擇在接收器處進行，且能夠處理實時查看規范。
FPGA 提供了卓越的可編程并發處理平臺，可支持各種系統要求，同時又能滿足系統吞吐率需求。賽靈思® MPEG-4 解碼器核可以使用專門針對您的應用和系統要求而定制的可伸縮的多流接口來構建，同時 MPEG-4 編碼器和解碼器還可支持用戶規定的最大幀尺寸。
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圖 1：MPEG-4 第 2 部分簡易編碼器核框圖 |
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圖 2：MPEG-4 第 2 部分簡易解碼器核框圖 |
體系結構
圖 1 和 2 分別顯示了 MPEG-4 簡易編碼器和解碼器核的框圖。這些設計采用了基于硬件的流水線架構，編碼器上提供了一個主機接口，用于實現軟件控制的速率控制。使用內含的存儲器控制器，編碼器的原始捕捉序列和解碼器的重建幀被存儲在片外存儲器中，以便快速、低延遲地存取像素數據。它還提供了一個簡單的 FIFO 接口，用于傳輸壓縮位流，解碼器可根據用戶指定數量的位流定制構建。它還包含一個系統接口，以實現最大的可控制性和可觀測性。
要創建可滿足不同應用需求的可伸縮多流設計，隨核附帶的產品包中包含了大量用戶指定編譯時參數，從而使您可定制編碼器和解碼器。要創建資源高效的設計，您還可以設定最大支持幀的寬度和高度。那么編譯后的設計將包含足夠的存儲器和寄存器，以支持低于或等于這兩個參數的任意幀尺寸。其它參數可以讓您對最終設計的伸縮性進行完全控制，精心構建一個專用于您的應用的系統。
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表 1 和表 2 根據對最大支持幀尺寸和解碼器輸入位流數量的不同參數設置列出了編碼器和解碼器核的 FPGA 資源。表 1 中的所有編碼器設計都使用了 16 個嵌入式 XtremeDSP™ 切片，而表 2 中的解碼器則使用了 32 個嵌入式 XtremeDSP 切片。這些設計針對 Virtex™-4 元件，這些元件包含大量 18 Kb 塊 SelectRAM™ 存儲器和嵌入式 XtremeDSP 切片。其它兼容 FPGA 系列包括 Virtex-II、Virtex-II Pro 和 Spartan™-3 器件。
請注意，解碼器設計可以自動根據要支持的位流數實例化輸入 FIFO 數和支持多路復用/分用電路。MPEG-4 編碼器可實現每秒約 48,000 個宏塊的吞吐率，提供了超過簡易等級 5 吞吐率規范的足夠動力。同時，MPEG-4 解碼器設計可以保持每秒約 168,000 個宏塊的吞吐率，提供了對兩個逐行 SDTV" target="_blank">SDTV（720×480，60 fps）視頻流或 14 個 CIF 分辨率視頻流進行解碼的足夠吞吐率。該解碼器吞吐率是等級 5 簡易編碼器和解碼器核所需吞吐率的四倍以上。
結論
MPEG-4 簡易編碼器與解碼器核采用獨有的、可伸縮的、多流功能設計，以滿足您的特定系統需求。大量的不同應用可以在多媒體系統中利用這些核，包括視頻會議、安全與監視、以及您要向世界展示的任何令人激動的新消費應用。
這些視頻設計采用了高吞吐率、流水線架構以及足夠的可定制參數，以創建專用于您的應用的資源高效的設計。如需了解更多信息，請訪問 www.xilinx.com/cn/dsp。
作者對賽靈思公司的 Robert Turney、Nick Fedele、Adrian Chirila-Rus、Mark Paluszkiewicz 和 Kees Vissers，以及 IMEC 成員所做的貢獻表示感謝。
作者：Paul Schumacher 高級助理研究工程師 賽靈思公司 paul.schumacher@xilinx.com
Wilson Chung 高級助理視頻與圖像處理工程師 賽靈思公司 wilson.chung@xilinx.com