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。
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。
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