基于A(yíng)DSP-BF561的H.264編碼器設計

摘 要：依據H.264視頻編碼標準，在DSP上完成視頻編碼器的設計工作，以實(shí)現高質(zhì)量視頻流的實(shí)時(shí)傳輸。編碼器硬件平臺選用AD公司的BF561開(kāi)發(fā)板，圖像采集采用OV7660，利用DMA技術(shù)以達到更高效的視頻采集和數據格式轉換。測試結果表明，在DSP上實(shí)現實(shí)時(shí)的H.264編碼方案，并且滿(mǎn)足高質(zhì)量、低帶寬傳輸的系統要求是完全可行的。
關(guān)鍵詞：H.264；編碼器；BF561；嵌入式系統

0 引 言
互聯(lián)網(wǎng)的帶寬越來(lái)越大，基于互聯(lián)網(wǎng)的信息特別是聲音圖像實(shí)時(shí)數據的傳輸已經(jīng)成為可能。視頻和音頻數據的傳輸正好充分利用了互聯(lián)網(wǎng)帶寬，并達到了實(shí)時(shí)交流以及進(jìn)行遠程開(kāi)會(huì )的可能。視頻會(huì )議系統相比傳統的電話(huà)會(huì )議更充分利用了互聯(lián)網(wǎng)資源，從而降低了運營(yíng)成本。
視頻編碼器是視頻會(huì )議系統的主要構成部分。目前視頻壓縮標準有H.261、H.263、MPEG4和H.264等。新一代視頻編碼標準H.264與以往標準相比具有壓縮率高，網(wǎng)絡(luò )親和性好，視頻質(zhì)量?jì)?yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。H.264引入了許多當前視頻編碼中的新技術(shù)，使得在相同的重建圖像質(zhì)量下，編碼效率比H.263和MPEG-4高50％左右。因此，視頻編碼器設計中采用了H.264編碼標準，編碼器主要通過(guò)美國AD公司的BF561 DSP芯片實(shí)現。目前，視頻處理方案也已經(jīng)由前幾年的ASIC方案轉向DSP平臺。在DSP平臺上進(jìn)行視頻產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有以下幾方面的優(yōu)勢：第一，用戶(hù)開(kāi)發(fā)自由度更大，支持多種個(gè)性化開(kāi)發(fā)，可以適應市場(chǎng)不斷提出的新要求，在第一時(shí)間提升產(chǎn)品性能，增強產(chǎn)品的競爭能力；第二，DSP處理能力強，可以在一個(gè)DSP上同時(shí)實(shí)現多路音、視頻信號的壓縮處理；第三，開(kāi)發(fā)周期短，能實(shí)現快速技術(shù)更新和產(chǎn)品換代，各種新出現的快速及優(yōu)化算法可靈活進(jìn)行升級。

1 BF561介紹
BF561采用了對稱(chēng)雙核的架構，在一顆BF561芯片內部集成了2個(gè)BF533 DSP內核，2個(gè)內核主頻都可以高達600 MHz，支持并行處理。BF561處理器的特性保證了其強大的數字信號處理能力，并且支持低電壓低電流供電，能夠滿(mǎn)足多功能的數字消費類(lèi)產(chǎn)品對于性能、功耗方面的要求。
1.1 DMA介紹
Blackfin處理器用直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)在存儲器之間或存儲器與外設之間傳送數據。DMA控制器可在存儲器和片上外設(外設DMA)之間進(jìn)行數據傳送，以及在L1／L2／L3存儲器間進(jìn)行數據傳送(存儲器DMA或MDMA)。DMA控制器是Blackfin處理器架構中的重要組件，完全獨立于內核，不會(huì )進(jìn)行周期挪用，完全無(wú)需占用處理器內核周期。在理想的應用配置中，內核只需要設置DMA控制器，并在數據調用過(guò)程中響應中斷。
BF561有3個(gè)獨立的DMA控制器DMA1，DMA2和IMDMA。DMA1和DMA2控制器各有12個(gè)外設DMA通道和4個(gè)存儲器DMA通道。IMDMA控制器有4個(gè)存儲器DMA通道。
1.2 基于描述符的DMA
基于描述符的DMA傳送需要存儲于存儲器中的參數來(lái)初始化一個(gè)DMA隊列。描述符包括所有需對DMA控制寄存器正常編程的參數。描述符允許把多個(gè)DMA隊列鏈接在一起。在基于描述符的DMA操作中，可以對一個(gè)DMA通道編程，以便在當前傳送隊列完成后，自動(dòng)設置和啟動(dòng)其他DMA傳送過(guò)程。在管理一個(gè)系統的DMA傳送過(guò)程時(shí)，基于描述符的模型能提供最大的靈活性。
描述符列表模型分為描述符列表“小”模式和描述符列表“大”模式。在描述符列表“小”模式中，描述段包括一個(gè)16位字段，用以指向下一描述符入口地址的低16位，地址的高16位通過(guò)寄存器編程得到且保持不變，限制描述符在存儲器的一個(gè)特定64 KB大小的頁(yè)中。當描述符需要跨頁(yè)時(shí)，可用能提供32位入口地址的描述符列表“大”模式。

2 H．264視頻編碼器構成
H．264編碼器由視頻采集、數據格式轉換、H.264編碼3部分組成。視頻采集部分負責捕獲圖像，并且將捕獲到的圖像通過(guò)PPI接口填充到指定的視頻幀緩沖區中。數據格式轉換部分完成將輸入的4：2：2格式的圖像轉換成H-264編碼器能夠編碼的4：2：0格式的數據。H.264編碼部分負責對4：2：0格式圖像編碼。
在本視頻編碼器設計中，BF561 A核用于運行操作系統和協(xié)議棧，而H.264算法在B核實(shí)現。
2.1 視頻采集
視頻采集是由攝像頭OV7660完成，OV7660是美國OmniVision公司開(kāi)發(fā)的一款CMOS彩色圖像傳感器芯片，支持VGA，QVGA，GIF等多種分辨率。視頻輸出格式有Raw RGB，GRB 4：2：2和YUV/YCb-Cr(4：2：2)。在本設計中，選擇CIF YVYU(4：2：2)格式，需要設置其相應寄存器COMl＝0X00，CLKRC＝OX80，COM7＝0X30，TSLB＝0X05。攝像頭配置完后，打開(kāi)PPIO將視頻數據填充到Blackfin處理器的視頻幀緩沖區中。采用基于描述符的PPI DMA可以很容易的實(shí)現乒乓緩沖，從而確保不會(huì )覆蓋尚未處理完畢的輸入數據。
乒乓緩沖的原理如圖1所示。

設置兩個(gè)CIF 4：2：2幀大小的輸入緩沖區，首先輸入數據通過(guò)PPI接口填充到4：2：2視頻幀1中，當第一幀數據填充滿(mǎn)時(shí)，處理器對這幀數據進(jìn)行MDMA搬移和壓縮編碼等操作，與此同時(shí)，PPI繼續填充第二個(gè)視頻幀。當第二個(gè)視頻幀填充滿(mǎn)時(shí)，處理器處理第二個(gè)視頻幀同時(shí)填充第一個(gè)視頻幀。利用乒乓緩沖，數據將源源不斷地填充到兩個(gè)視頻幀中。