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

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

2、臺在內(nèi)的眾多國內(nèi)外電視臺將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，直接進行記錄是不現(xiàn)實的，因此在大部分情況下攝像機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)過一個解碼再編碼的過程，這個過程無疑是會造成數(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、實時進行DNxHD編碼的解決方案

3、。由于專業(yè)領域不同于民用領域，目前市面上沒有針對DNxHD編碼的專用芯片。隨著技術的發(fā)展，圖像傳感器的分辨率越來越高，基于單片機的方案對于高分辨率視頻數(shù)據(jù)無法滿足實時處理的要求。FPGA由于其自身的特點很適合進行視頻相關的處理，目前國外有廠商推出了采用FPGA實現(xiàn)DNxHD編碼功能的知識產(chǎn)權核，但是其硬件實現(xiàn)處于技術封鎖狀態(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實現(xiàn)具有深遠意義。本文主要對DNxHD編碼算法進

4、行了研究并進行改進從而適合在FPGA上實現(xiàn)。
　　本文研究的目標就是開發(fā)一種能夠便攜、實時進行編碼的解決方案，這種解決方案區(qū)別于目前應用的比較多的基于PC機的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。
　　本文以攝像機產(chǎn)生的實時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，結合FPGA特點對對算

5、法中不利于硬件實現(xiàn)的部分進行改進。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，最終使用八個乘法器和八個加法器實現(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值代替實際值來減少計算量的策略，利用FPGA并行的特性直接使用實際值進行優(yōu)化，算法中涉及大量的乘法和除法運算，設計中對乘法器和除法器進行時分復用，在保證算法正確的前提下節(jié)省FPGA資源，整個算法使用了流水線結構，適合使用硬件快速實現(xiàn)。