【原创】基于ZedBoard的Webcam设计(四)：MJPG编码和AVI封装

发表于 2013/4/9 11:17:56 阅读（15545）

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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(原创)基于ZedBoard的Webcam设计(二)：USB摄像头图片采集+QT显示

(原创)基于ZedBoard的Webcam设计(三)：视频的采集和动态显示

(原创)基于ZedBoard的Webcam设计(四)：MJPG编码和AVI封装

(原创)基于ZedBoard的Webcam设计(五)：x264编码在zedboard上的实现(软编码)

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

1voidmjpg::jpeg_encode(unsignedchar**yuv_buffer_pointer)
2{
3unsignedintremnant;
4yuv_p = *yuv_buffer_pointer;
5
6bitstring fillbits;//filling bitstring for the bit alignment of the EOI marker
7
8//fp_jpeg_stream=fopen("000.jpg","wb");
9jpgsize =0;
10//505 bytes
11writeword(0xFFD8);//SOI 2
12write_APP0info();//JIFF
13//write_comment("Cris made this JPEG with his own encoder");
14write_DQTinfo();//= 0xFFDB
15write_SOF0info();//FFC0
16write_DHTinfo();
17write_SOSinfo();
18
19//jpgsize = 505;
20
21//init global variables
22bytenew =0;//current byte
23bytepos =7;//bit position in this byte
24main_encoder();
25
26//Do the bit alignment of the EOI marker
27if(bytepos >=0)
28{
29fillbits.length = bytepos +1;
30fillbits.value = (1<<(bytepos+1)) -1;
31writebits(fillbits);
32}
33writeword(0xFFD9);//EOI
34
35//remnant = (~(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;//important
36remnant = (4-(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;//important
37jpgsize = jpgsize +remnant;
38movisize = movisize +jpgsize;
39while(remnant >0)
40{
41fputc(0,avi_jpeg_stream);
42remnant--;
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

1voidmjpg::load_data_units_from_YUV_buffer(WORD xpos, WORD ypos)
2{
3BYTE x, y;
4BYTE pos =0;
5DWORD location;
6//SBYTE Cr_temp,Cb_temp;
7
8//location = ypos * 640+ xpos;
9location = (ypos<<7) + (ypos<<9) +xpos;
10for(y=0; y<8; y++)
11{
12for(x=0; x<8; x++)
13{
14YDU1[pos] = *(yuv_p+((location)<<1)) -128;
15YDU2[pos] = *(yuv_p+((location+8)<<1)) -128;
16YDU3[pos] = *(yuv_p+((location+5120)<<1)) -128;//location = (ypos+8) * 640+ xpos+8;
17YDU4[pos] = *(yuv_p+((location+5128)<<1)) -128;//location = (ypos+8) * 640+ xpos+8;
18pos++;
19location++;
20}
21location +=632;//640 - 8;
22}
23
24pos =0;
25//location = ypos * 640+ xpos;
26location = (ypos<<7) + (ypos<<9) +xpos;
27for(y=0; y<8; y++)
28{
29for(x=0; x<8; x++)
30{
31CbDU[pos] = *(yuv_p+(location)*2+1)-128;
32CrDU[pos] = *(yuv_p+(location+1)*2+1)-128;
33pos++;
34location++;
35location++;
36}
37location +=1264;//640*2 - 16;
38}
39}

3、对每个8x8数据阵列进行JPEG处理

1voidmjpg::main_encoder()
2{
3SWORD DCY =0, DCCb =0, DCCr =0;//DC coefficients used for differential encoding
4WORD xpos, ypos;
5
6for(ypos=0; ypos16)
7{
8for(xpos=0; xpos<(IMG_WIDTH); xpos+=16)
9{
10load_data_units_from_YUV_buffer(xpos, ypos);
11process_DU(YDU1, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT);
12process_DU(YDU2, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT);
13process_DU(YDU3, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT);
14process_DU(YDU4, fdtbl_Y, &DCY, YDC_HT, YAC_HT);
15process_DU(CbDU, fdtbl_Cb, &DCCb, CbDC_HT, CbAC_HT);
16process_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：

1voidWidget::paintEvent(QPaintEvent *)
2{
3rs = vd->get_frame(&yuv_buffer_pointer,&len);
4
5if(last_state==2&& state ==0)
6{
7//write hdrl
8hdrl.avih.width =640;//(width);
9hdrl.avih.height =480;//(height);
10hdrl.strl.strf.width =640;//(width);
11hdrl.strl.strf.height =480;//(height);
12hdrl.strl.strf.image_sz =640*480*3;//(width * height * 3);
13
14
15sizeofhdrl=sizeof(hdrl);
16
17mjpgfile->avi_jpeg_stream = fopen(avifilename,"wb");
18
19fputc('R', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
20fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
21fputc('F', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
22fputc('F', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
23print_quartet(0/*riff_sz*/);//riff file size
24fputc('A', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
25fputc('V', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
26fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
27fputc('', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
28
29fwrite(&hdrl, sizeofhdrl,1, mjpgfile->avi_jpeg_stream);//write head
30
31fputc('L', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
32fputc('I', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
33fputc('S', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
34fputc('T', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
35
36print_quartet(0/*jpg_sz + 8*TOTALFRAMES + 4*/);//size again
37fputc('m', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
38fputc('o', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
39fputc('v', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
40fputc('i', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
41
42avifilename[5]++;
43}
44
45if(state==1)
46{
47framecnt++;
48fputc('0', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
49fputc('0', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
50fputc('d', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
51fputc('c', mjpgfile->avi_jpeg_stream);
52print_quartet(0);
53
54mjpgfile->jpeg_encode(&yuv_buffer_pointer);
55
56//printf("%ld\n",mjpgfile->jpgsize);
57
58fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,-4-(long)mjpgfile->jpgsize,SEEK_CUR);
59print_quartet(mjpgfile->jpgsize);
60
61fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,6,SEEK_CUR);
62fwrite("AVI1",4,1, mjpgfile->avi_jpeg_stream);
63
64fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,mjpgfile->jpgsize-10,SEEK_CUR);
65
66
67}
68if(last_state==1&& state==2)
69{
70
71fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_SET);
72print_quartet(mjpgfile->movisize+sizeofhdrl);//riff file size
73fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR);
74
75//overwrite hdrl
76hdrl.avih.us_per_frame =1000000/12;//(per_usec);
77hdrl.avih.max_bytes_per_sec = mjpgfile->movisize*12/framecnt;
78hdrl.avih.tot_frames =framecnt;
79hdrl.strl.list_odml.frames =framecnt;//(TOTALFRAMES);
80hdrl.strl.strh.scale =1;//
81hdrl.strl.strh.length =10;//
82hdrl.strl.strh.rate =12;
83
84fwrite(&hdrl, sizeofhdrl,1, mjpgfile->avi_jpeg_stream);//write head
85fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR);
86
87print_quartet(mjpgfile->movisize);//size again
88fclose(mjpgfile->avi_jpeg_stream);
89}
90last_state=state;
91
92convert_yuv_to_rgb_buffer();
93
94frame->loadFromData(rgb_buffer,640*480*3);
95ui->label->setPixmap(QPixmap::fromImage(*frame,Qt::AutoColor));
96
97
98rs = 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

http://v.youku.com/v_show/id_XNTM0MTg2NTM2.html

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可执行程序：zed_MJPG_camera.rar

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