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 bytes11         writeword(0xFFD8); // SOI 212         write_APP0info();//JIFF13         // write_comment("Cris made this JPEG with his own encoder");14         write_DQTinfo();//= 0xFFDB15         write_SOF0info();//FFC016         write_DHTinfo();17         write_SOSinfo();18 19         //jpgsize = 505;20 21         // init global variables22         bytenew = 0; // current byte23         bytepos = 7; // bit position in this byte24         main_encoder();25 26         // Do the bit alignment of the EOI marker27         if (bytepos >= 0)28         {29                 fillbits.length = bytepos + 1;30                 fillbits.value = (1<<(bytepos+1)) - 1;31                 writebits(fillbits);32         }33         writeword(0xFFD9); // EOI34 35         //remnant = (~(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;// important36         remnant = (4-(jpgsize&0x00000003))&0x00000003;// important37         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 size24         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 head30 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 again37         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 size73         fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR);74 75         //overwrite hdrl76         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 head85         fseek(mjpgfile->avi_jpeg_stream,4,SEEK_CUR);86 87         print_quartet(mjpgfile->movisize);// size again88         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