基于ZedBoard的Webcam设计(四)：MJPG编码和AVI封装
在前几篇博客中，我们用ZED平台完成了对USB摄像头的视频采集，Qt的视频显示。在此基础上，我们更希望能把视频存储成视频文件，像DV机一样。MJPG是一种比较简单且易于实现的视频视频编码格式，而AVI封装则是非常流行的视频封装。本篇将介绍MJPG的编码格式和视频的AVI封装，并在ZedBoard上实现对视频的压缩和存储。
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硬件平台：Digilent ZedBoard
开发环境：Windows XP 32 bit + Wmare 8.0 + Ubuntu 10.04 +Qt+ arm-linux-xilinx-gnueabi交叉编译环境
Zedboard linux: Digilent OOB Design
一、JPEG和MJPG编码介绍
1、JPEG编码
我个人简单的理解是，JPEG即是Joint Photographic Experts Group(联合图像专家组)的缩写，更是一种图像压缩编码算法。JPEG编码算法过程简单可以归结于下：其中DCT变换和量化是有损的，而熵编码(一般是哈夫曼编码)是无损的。量化和编码都可以通过量化表和编码表查询得到。
2、MJPG编码
Motion JPEG是一种基于静态图像JPEG 压缩标准的动态图像压缩标准，压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩，从而可以生成序列化运动图像。压缩时不对帧间的时间冗余进行压缩，也就是说没有MJPEG或者H264那样的帧间编码，阵内预测编码也没有，所以较于实现，只是压缩效率较低。一个MJPG帧序列可以看出是N帧JPEG编码后的数据流连接而成。
二、基于MJPG编码的AVI视频封装介绍
AVI是一种RIFF(Resource Interchange File Format)文件格式，多用于音视频捕捉、编辑、回放等应用程序。AVI包含三个部分：文件头、数据块和索引块。其中文件头包括文件的通用信息，定义数据格式，所用的压缩算法等参数。数据块包含实际数据流，即图像和声音序列数据。这是文件的主体，也是决定文件容量的主要部分。视频文件的大小等于该文件的数据率乘以该视频播放的时间长度。索引块包括数据块列表和它们在文件中的位置，以提供文件内数据随机存取能力。AVI文件的总体结构：
三、ZED上JPEG编码实现
整个编码过程比较繁琐，这里只做简单介绍。后续如果有时间，专门开辟一篇博客介绍JPEG编码过程。
1、主编码
1 void mjpg::jpeg_encode(unsigned char **yuv_buffer_pointer) 2 { 3 unsigned int remnant; 4 yuv_p = *yuv_buffer_pointer; 5 6 bitstring fillbits; //filling bitstring for the bit alignment of the EOI marker 7 8 //fp_jpeg_stream=fopen("000.jpg","wb"); 9 jpgsize = 0; 10 // 505 bytes 11 writeword(0xFFD8); // SOI 2 12 write_APP0info();//JIFF 13 // write_comment("Cris made this JPEG with his own encoder"); 14 write_DQTinfo();//= 0xFFDB 15 write_SOF0info();//FFC0 16 write_DHTinfo(); 17 write_SOSinfo(); 18 19 //jpgsize = 505; 20 21 // init global variables 22 bytenew = 0; // current byte 23 bytepos = 7; // bit position in this byte 24 main_encoder(); 25 26 // Do the bit alignment of the EOI marker 27 if (bytepos >= 0) 28 { 29 fillbits.length = bytepos + 1; 30 fillbits.value = (1<<(bytepos+1)) - 1; 31 writebits(fillbits); 32 } 33 writeword(0xFFD9); // EOI 34 35 //remnant = (~(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;// important 36 remnant = (4-(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;// important 37 jpgsize = jpgsize + remnant; 38 movisize = movisize + jpgsize; 39 while(remnant > 0) 40 { 41 fputc(0,avi_jpeg_stream); 42 remnant--; 43 } 44 }
其中remnant是一个计算一帧图像大小的余数，因为后续AVI封装要求每帧图像大小都是4的整数倍。
2、获取8x8阵列数据
每次处理都是以8x8大小的数据矩阵进行处理的。由于USB摄像头采集到的图像数据是YUV422打包格式，而JPEG编码中比较多的是使用YUV411，所以优先考虑将其转换。其中yuv_p是原始YUV422图像数据指针，YDU1~YDU4是四个连续存储Y分量大小为64字节的数组，CbDU和CrDU分别为Cb和Cr分量。为了提高计算效率，乘法均由移位完成
1 void mjpg::load_data_units_from_YUV_buffer(WORD xpos, WORD ypos) 2 { 3 BYTE x, y; 4 BYTE pos = 0; 5 DWORD location; 6 // SBYTE Cr_temp,Cb_temp; 7 8 //location = ypos * 640+ xpos; 9 location = (ypos<<7) + (ypos<<9) + xpos; 10 for (y=0; y<8; y++) 11 { 12 for (x=0; x<8; x++) 13 { 14 YDU1[pos] = *(yuv_p+((location)<<1)) -128; 15 YDU2[pos] = *(yuv_p+((location+8)<<1)) -128; 16 YDU3[pos] = *(yuv_p+((location+5120)<<1)) -128;//location = (ypos+8) * 640+ xpos+8; 17 YDU4[pos] = *(yuv_p+((location+5128)<<1)) -128;//location = (ypos+8) * 640+ xpos+8; 18 pos++; 19 location++; 20 } 21 location += 632;//640 - 8; 22 } 23 24 pos = 0; 25 //location = ypos * 640+ xpos; 26 location = (ypos<<7) + (ypos<<9) + xpos; 27 for (y=0; y<8; y++) 28 { 29 for (x=0; x<8; x++) 30 { 31 CbDU[pos] = *(yuv_p+(location)*2+1)-128; 32 CrDU[pos] = *(yuv_p+(location+1)*2+1)-128; 33 pos++; 34 location++; 35 location++; 36 } 37 location += 1264;//640*2 - 16; 38 } 39 }
3、对每个8x8数据阵列进行JPEG处理
1 void mjpg::main_encoder() 2 { 3 SWORD DCY = 0, DCCb = 0, DCCr = 0; //DC coefficients used for differential encoding 4 WORD xpos, ypos; 5 6 for (ypos=0; ypos<IMG_HEIGTH; ypos+=16) 7 { 8 for (xpos=0; xpos<(IMG_WIDTH); xpos+=16) 9 { 10 load_data_units_from_YUV_buffer(xpos, ypos); 11 process_DU(YDU1, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT); 12 process_DU(YDU2, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT); 13 process_DU(YDU3, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT); 14 process_DU(YDU4, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT); 15 process_DU(CbDU, fdtbl_Cb, &DCCb, CbDC_HT, CbAC_HT); 16 process_DU(CrDU, fdtbl_Cb, &DCCr, CbDC_HT, CbAC_HT); 17 } 18 } 19 }
四、ZED上MJPG的编码实现以及AVI封装
写avi文件第一步是写hdrl头信息，可是hdrl头信息需要确定文件的总帧数和文件大小，而在采集过程中这些都是不确定的(因为不知道什么时候采集结束)，为此采用了一个“偷懒”方法：先写一个虚假的hdrl，然后每次对一帧图像进行JPEG编码后，将图像的数据量mjpgfile->movisize记录下来，并将数据帧数framecnt记录下来。停止采集后先结束avi文件的写入，再重新打开，然后对文件头进行修改；或者通过fseek寻找的头文件位置，同样修改hdrl信息。两种方法我都试过，感觉效率都差不多。
为了方便采集，添加按键来触发改变需要的状态，定义state为3个状态：
state--含义 0------idle，等待采集 1------正在采集 2------结束采集
state为0时，标明需要准备写一个新的avi文件；state为1时，标明现在正在采集图像数据，并对每一帧进行jpeg编码；state为2时，标明采集已经结束，fseek往回修改头文件。新的paintEvent函数：
1 void Widget::paintEvent(QPaintEvent *) 2 { 3 rs = vd->get_frame(&yuv_buffer_pointer,&len); 4 5 if(last_state==2 && state == 0) 6 { 7 //write hdrl 8 hdrl.avih.width =640;// (width); 9 hdrl.avih.height = 480;//(height); 10 hdrl.strl.strf.width = 640;//(width); 11 hdrl.strl.strf.height = 480;//(height); 12 hdrl.strl.strf.image_sz = 640*480*3;//(width * height * 3); 13 14 15 sizeofhdrl=sizeof(hdrl); 16 17 mjpgfile->avi_jpeg_stream = fopen(avifilename, "wb"); 18 19 fputc('R', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 20 fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 21 fputc('F', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 22 fputc('F', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 23 print_quartet(0/*riff_sz*/);//riff file size 24 fputc('A', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 25 fputc('V', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 26 fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 27 fputc(' ', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 28 29 fwrite(&hdrl, sizeofhdrl, 1, mjpgfile->avi_jpeg_stream);// write head 30 31 fputc('L', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 32 fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 33 fputc('S', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 34 fputc('T', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 35 36 print_quartet(0/*jpg_sz + 8*TOTALFRAMES + 4*/);// size again 37 fputc('m', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 38 fputc('o', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 39 fputc('v', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 40 fputc('i', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 41 42 avifilename[5]++; 43 } 44 45 if(state==1) 46 { 47 framecnt++; 48 fputc('0', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 49 fputc('0', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 50 fputc('d', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 51 fputc('c', mjpgfile->avi_jpeg_stream); 52 print_quartet(0); 53 54 mjpgfile->jpeg_encode(&yuv_buffer_pointer); 55 56 //printf("%ld\n",mjpgfile->jpgsize); 57 58 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,-4-(long)mjpgfile->jpgsize,SEEK_CUR); 59 print_quartet(mjpgfile->jpgsize); 60 61 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,6,SEEK_CUR); 62 fwrite("AVI1",4, 1, mjpgfile->avi_jpeg_stream); 63 64 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,mjpgfile->jpgsize-10,SEEK_CUR); 65 66 67 } 68 if(last_state==1 && state==2) 69 { 70 71 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_SET); 72 print_quartet(mjpgfile->movisize+sizeofhdrl);//riff file size 73 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR); 74 75 //overwrite hdrl 76 hdrl.avih.us_per_frame = 1000000/12;//(per_usec); 77 hdrl.avih.max_bytes_per_sec = mjpgfile->movisize*12/framecnt; 78 hdrl.avih.tot_frames = framecnt; 79 hdrl.strl.list_odml.frames =framecnt;// (TOTALFRAMES); 80 hdrl.strl.strh.scale = 1;// 81 hdrl.strl.strh.length =10;// 82 hdrl.strl.strh.rate = 12; 83 84 fwrite(&hdrl, sizeofhdrl, 1, mjpgfile->avi_jpeg_stream);// write head 85 fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR); 86 87 print_quartet(mjpgfile->movisize);// size again 88 fclose(mjpgfile->avi_jpeg_stream); 89 } 90 last_state=state; 91 92 convert_yuv_to_rgb_buffer(); 93 94 frame->loadFromData(rgb_buffer,640 * 480 * 3); 95 ui->label->setPixmap(QPixmap::fromImage(*frame,Qt::AutoColor)); 96 97 98 rs = vd->unget_frame(); 99 }
最开始定义了视频名字的数组，char avifilename[11] = {'r','c','q','0','0','0','.','a','v','i','\0'};
在42行：avifilename[5]++;
表示让名字由"rcq000.avi"依次计数增加。
五、测试效果
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可执行程序：zed_MJPG_camera.rar