原创 H.264解码方案介绍

网络数字电视应用如火如荼的展开，H.264视频压缩国际标准也浮出水面，逐渐被大家所熟悉。H.264是由国际电信标准化部门ITU-T和制定 MPEG的国际标准化组织ISO/国际电工协会IEC共同制订的一种视频编码国际标准格式。H.264标准产生的初衷就是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性。H.264同时又被称为MPEG-4 AVC（“活动图像专家组-4的高级视频编码”）或称为MPEG-4 Part10。

从H.264在2003年7月正式颁布后，电视广播、家电和通信三大行业都已进入H.264的实际运用研发中。比如象DVD联盟、日本广播电视公司、欧洲 DVB Steering Board、美国数字电视的卫星传送等机构都已决定采纳H.264标准。作为一个新的技术标准，为什么会在发布不到一年的时间内就获得这等“殊遇”，从各方面的评价来看，不外乎两个主要原因：

一、技术上的无可比拟的优势：在相同画面质量的情况下，H.264需要的带宽只有MPEG-4 ASP的1/2、MPEG-2的1/5。这个性能优势将允许流媒体在更低的带宽上传输，节省带宽成本。

二、多个标准组织的支持：H.264是ITU、MPEG、DVD、DVB、3GPP等工业化组织共同推进的下一代视频编码国际标准，我们知道，ITU在电信领域，MPEG和DVD组织在家用数字AV产品领域（如DVD、VCD），DVB组织在数字电视领域（DTV、HDTV），3GPP在下一代移动通信领域都有着不可撼动的地位，他们均得到国际工业界数百家大公司的支持，可以想见,在这些行业巨擘的推动下,H.264术的应用将迅速进入到视频服务、媒体制作发行、固定及移动运营网络、平台开发、设备终端制造、芯片开发等多个领域。

H.264 的高压缩比，高图像质量和国际性的特征非常适合像网络视频应用这样在带宽受限，紧缺的应用中，H.264大大降低了对网络带宽的需要，减轻了带宽和图像质量的矛盾所带来的运营成本的压力，同时也降低了存储，硬件设备等成本，为运营商创造了更大的盈利空间。例如在北美专为华人提供华语节目的麒麟电视台就采用了H.264作为其商用网络数字电视运营平台的视频压缩标准，在500～900kbps带宽条件下为用户提供近似DVD质量的视频点播（VOD）和视频直播节目。

H.264标准被网络数字电视应用的业界人士普遍看好，例如最近，中国电信透露将选择H.264和VC1作为其网络数字电视平台的编解码标准。然而现在实际在商用网络中应用并不广泛，主要原因是支持H.264的网络数字电视终端－网络机顶盒的生产厂家不多，更进一步讲提供H.264解码解决方案的技术提供商很少。在今年三月的中国国际广播电视信息网络展览会（CCBN2005）中展示采用H.264解码方案的 IP机顶盒有两家产品，分别是日本的Sentivision的产品和国内的北京传视数码科技有限公司拥有自主知识产权的数字媒体播放机（DMD）。那么为什么H.264解码方案的技术提供商不多呢？

至关重要的是H.264高性能的代价就是高复杂度，高复杂度带来的问题一是技术门槛增高，H.264 编解码标准的源码可以在网上免费下载，但编解码的速度很慢，所以简单的“拿来主义”，是无法在实际产品中使用的，这就需要研发H.264编解码的人员对 H.264标准有深入研究和理解，选择相应档次（Profile）和级（level）以满足应用的需求。更重要的是还需要对算法，指令级等方面进行充分的优化，从而达到产品性能的要求。问题二是消耗系统资源高，这就带来的产品硬件成本的增高，所以需要设计更为合理的软硬件架构来保证性能的同时尽可能地降低成本。

通常实现解码的方案采用CPU，DSP，ASIC和FPGA的架构，而目前 DSP成为实现H.264 解码的主流。像Sentivsion使用的是TI的DM642 DSP用于H.264的解码；传视数码的DMD系列网络机顶盒产品是采用ADI的Blackfin系列DSP完成其H.264的解码。这与DSP的特点关系紧密。DSP也是一种CPU，它们经特别设计，适合数字信号处理算法，应用于数字电视的多媒体处理一般正属于这种算法。通用CPU的最大问题是功耗太大，从Intel奔腾级别的处理器开始，都需要带一个风扇或冷凝器来降温。CPU和风扇或冷凝器均须占用较大的体积，这在嵌入式系统中常常是不能忍受的；同时也带来了设备对环境的较高要求，在高温、灰尘大的环境里，非常容易导致风扇机械性损坏，不可避免地烧坏CPU；这样也使设备的稳定性下降。而DSP的优势在于功耗非常非常的低(常常为数十到百mW级别)，体积较小，价格也十分便宜。同时也适用于单纯解码这种应用。所以DSP的架构更适用于H.264 的解码方案。

目前能支持H.264解码的DSP处理芯片除上面提到的TI公司的 DM642 DSP和ADI公司Blackfin处理器；EQUATOR 公司的BSP16，Sigma Design公司的EM86XX，还有Philip公司的TriMedia系列及新品PNX1500等。

但并不是解决了解码问题，就万事大吉了，如何进一步降低硬件成本，生产出的解码设备性能稳定可靠，而且功能强大，的确是一件十分复杂繁琐的工作，特别是在软件系统方面，由于机顶盒性能的局限性和使用的实时性，它无法像PC那样可以支撑庞大的运行环境与程序，也缺乏完善的开发工具，这对软件开发者而言是一件很具有挑战性的工作。我们就以传视数码的H.264解码解决方案为例，了解一下H.264 解码方案的硬件和软件架构。

从结构上看，机顶盒一般由DSP、CPU、内存、外部存储控制器以及视音频输出，宽带接口等几大部分构成，如图1所示：

图1 H．264解码解决方案的硬件架构示意图

传视数码的H.264 解码解决方案采用美国模拟器件公司（Analog Devices, Inc.,简称ADI）Blackfin561双内核处理器完成视频编码和音频解码。ADI 的Blackfin适用于要求强大处理能力支持的音视频解码，特别是符合算法更为复杂的H.264 解码的要求。

同时，DSP 的采用为支持多编码标准提供了硬件上经济且灵活的解决方案。目前，数字电视市场没有统一的编解码标准，市场上采用较多的标准有MPEG-2, MPEG-4 ASP, MWV, H.264等，而且就目前的政策和市场情况而言，这种多编解码标准共存的局面还将持续很长的一段时间，所以能支持多编解码标准解决方案将更能适应市场的需求。

目前，采用H.264的Main Profile，支持码流500Kbps – 3Mbps,实现full D1，即DVD的视频质量。音频解码支持AAC5.1/MP3标准。除此之外，还可支持MPEG-2，MPEG-4,MWV9的音视频解码。

采用国内方舟II号GT2000 CPU处理操作系统，网络连接和与网络数字电视相关的应用程序，GT2000 CPU 主频为330MHz, 采用的操作系统为Linux，处理视频点播(VOD)，组播，下载，推送等多种应用。

由于DSP完全负责了复杂的音视频编解码运算，所以CPU相对工作量少很多，所以没必要选用主频更高的处理器而无谓地增加成本。

内存主要分为Flash内存和SDRAM内存，此解决方案中采用8MB Flash ROM，64MB和32MB SDRAM分别支持系统和DSP工作。

Flash 用来驻留解码解决方案的系统软件、驱动软件、应用程序以及一些用户信息，系统断电时内容还可保留，同时通过在线更新Flash中驻留的软件，达到在线软件升级的目的。SDRAM主要是用来存储应用数据。解码解决方案的许多功能都需要内存来实现，例如音视频解码，图形处理等。内存是配合DSP/CPU来工作的，容量大的Flash和SDRAM的配置虽然可以为将来可能的新增应用预留内存空间，但并不是内存越大，软件的运行性能就越好，所以内存配置应与实际需求相一致，过大的配置只会增加成本，而对解码方案性能提高无意。

外部存储设备一般指外挂式硬盘。可根据用户需求，使用80GB,120GB 或200GB大小的硬盘，支持节目下载应用。以80GB硬盘为例，可支持200小时以上的H.264格式的节目内容。

外部存储设备一般指外挂式硬盘。可根据用户需求，使用80GB,120GB 或200GB大小的硬盘，支持节目下载应用。以80GB硬盘为例，可支持200小时以上的H.264格式的节目内容。

网络融合势必带来融合的终端的需求，而数字电视和网络的融合要求，也带动了支持数字电视和DVB功能的“双模”机顶盒的要求。传视数码正是基于这样的市场需求，在其H.264解码解决方案中提供了DVB接收的可选功能。

提供连接电视的多种接口，包括S端子，CVBS和YpbPr， 同时提供视频输入接口，用于与摄像头的连接，可根据市场需求，扩展视频电话或视频会议应用。

音频输出支持RCA接口。

10/100Mbps 以太网接口：集成的 10/100Mbps 以太网接口可提供DSL设备或cable modems的连接.WLAN接口（可选）：支持802.11b/g无线局域网。同时对于使用DSL宽带接入的用户，家中客厅多半没有宽带接口，如果进行客厅布线改造，费时费力，部署非常复杂。但采用无线AP与原有DSL设备相连,就能迅速完成家庭宽带的客厅部署，实施简单，费用经济。

为方便连接外围设备，解决方案提供集成的USB端口，以提供更广泛的视频应用。

H.264解码解决方案作为一个终端产品，除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。软件架构可以分成三个主要的层：应用层、应用框架层，中间件层和驱动层，每一层都包含了诸多的程序或接口等，如图2所示。

图2 H．264解码解决方案的软件架构

系统层包括解码方案硬件的嵌入式操作系统，H.264/MPEG-2/MPEG-4/WMV9视频解码和音频解码程序和CA模块，它主要用于完成对硬件设备的系统操作，音视频解码,和应用于DVB接收的CA认证等工作。

中间件层包括嵌GUI、网络链接管理，应用管理，资源管理，CA接口和SI解析等。中间件的使用可以给 H.264解码方案软件的设计和应用带来极大好处，非常适用于将来更多新的应用的扩展需求。

应用框架层和应用层驻留应用程序以实现不同的应用需求，应用框架层驻留不同应用的共同特征部分，而应用层则针对不同应用的特殊部分。传视数码的H.264解码方案提供与数字电视相关的视频点播、直播、组播、下载，EPG（网络数字电视的EPG处理）和其他应用。需要指出的是DVB的EPG解析是通过中间件 SI解析（parse）完成的。

正如文章前面所分析的那样，整个方案的优势首先在于利用了H.264自身的高压缩的编码特征，从而在1Mbps – 1.5Mbps条件下实现DVD的视频质量。其二由于采用DSP+CPU的架构，达到了性能和成本的最佳平衡点，支持多种编码格式和将来可能出现的新的编码格式的最佳方案。其三提供了一个数字电视和DVB融合的双模架构。最后多种应用，多种输入输出方式和多种网络接入方式支持，可以衍生多种产品系列，从而针对相应用户群，迅速在市场上推出满足用户需求的产品，例如H.264 网络机顶盒，H.264播放机等等。

随着更多H.264解码方案的完善和推出，H.264编解码标准不再只是业内所推崇的技术标准，而将迅速占领市场，成为网络数字电视平台的编解码标准，网络数字电视终端－网络机顶盒产品的主流。