基于多DSP的MPEG-4系統的設計

摘要：基于MPEG-4的視頻編解碼技術(shù)已經(jīng)成為當前多媒體技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。本文提出了一種以多DSP為核心的MPEG-4編解碼系統，并設計出了具體的硬件平臺方案。
關(guān)鍵詞：DSP;MPEG-4;音視頻

引言

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，消費類(lèi)電子、電視電影廣播、計算機技術(shù)日益緊密地結合起來(lái)。人們不再滿(mǎn)足于只用簡(jiǎn)單的文字、聲音進(jìn)行交流，逐漸趨向于用圖、文、聲、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種媒體進(jìn)行綜合交流。

MPEG-4作為新一代多媒體標準提供了一整套能同時(shí)滿(mǎn)足制作者、服務(wù)商和終端用戶(hù)的編解碼技術(shù)。它為數字化的多媒體數據的通信、訪(fǎng)問(wèn)和操作提供了新的方法，并且提供了一個(gè)靈活的框架和一套開(kāi)發(fā)工具來(lái)支持新的和傳統的性能。其基于對象的數據壓縮、靈活的碼流伸縮性以及可交互性的優(yōu)點(diǎn)使其可以適應多媒體數據壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢。

基于MPEG4標準的解決方案紛紛推出，有的為硬件方案，有的為軟件方案。前者設計一個(gè)MPEG-4專(zhuān)用編解碼芯片，后者方式是基于通用視頻DSP芯片的軟件實(shí)現. 采用專(zhuān)用芯片的優(yōu)點(diǎn)是系統實(shí)時(shí)性好,壓縮率高,且圖像質(zhì)量也好。缺點(diǎn)是一旦編解碼方案固定,就較難對其進(jìn)行升級與更新,且此種系統成本造價(jià)高,不易在市場(chǎng)上推廣。后一種方式利用DSP的高速信號處理功能,使用軟件實(shí)現的算法在其上運行時(shí)可以大大縮短執行時(shí)間,獲得較高的壓縮率,同時(shí)該方案易升級,算法易更新。

近幾年隨著(zhù)通用DSP芯片的價(jià)格下降，使得以DSP芯片為核心加上適當的外圍部件形成的MPEG-4音視頻編解碼系統將成為主流。本系統就是基于TI 公司的DSP平臺上對MPEG-4編解碼算法的實(shí)現。

1.方案設計

在開(kāi)發(fā)MPEG-4編解碼系統時(shí)，總的來(lái)說(shuō)其難點(diǎn)在于對MPEG-4視頻編解碼算法的實(shí)現上。這是由于視頻圖像數據量巨大，對其處理和壓縮需占用較多的芯片資源和處理時(shí)間，在單獨的一片DSP芯片很難實(shí)現。舉例來(lái)說(shuō)，在視頻編碼中通常的實(shí)現方式是由單片的DSP芯片加上一定的片外擴展資源（如EPROM、SDRAM等）來(lái)實(shí)現編碼算法，但是在實(shí)際算法的執行中，對外接器件中的數據讀寫(xiě)的速度遠小于對DSP芯片內部資源的讀寫(xiě)速度，這使得整個(gè)系統的運行速度就比較慢。如果要求一片DSP芯片同時(shí)實(shí)現編解碼算法則開(kāi)發(fā)難度就更大了。實(shí)際的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗也證明在單片DSP上實(shí)現視頻的編解碼算法較為困難，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)，其圖像效果也不佳。而在實(shí)際應用中，用戶(hù)對圖像顯示效果的要求越來(lái)越高，這就對圖像的顯示速度和清晰度提出了更高的要求。

本方案中是采用多DSP來(lái)實(shí)現MPEG-4的編解碼算法，多DSP的好處不言而喻，多DSP的協(xié)同處理可以極大得提高信號處理的速度。雖然多DSP帶來(lái)成本上提升，但是主流通用DSP芯片TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片價(jià)格的逐年下降，使得多DSP的應用已經(jīng)步入實(shí)用化階段。

2．系統實(shí)現

具體的系統實(shí)現方案是采用三片DSP作為音視頻的協(xié)處理器：一片TMS320C5402（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)MS5402）實(shí)現音頻編解碼，一片TMS320C6204(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)MS6204)實(shí)現視頻編碼，另一片TMS6204實(shí)現視頻的解碼。為了實(shí)現對系統的控制，同時(shí)擴展其網(wǎng)絡(luò )功能，另外采用了一片ATMEL公司的AT75C220芯片，通過(guò)在其上嵌入式操作系統，來(lái)實(shí)現對DSP芯片及其外圍電路的控制。具體的系統硬件結構圖如下圖1所示：

系統上電后，通過(guò)自引導程序進(jìn)行初始化，AT75C220自動(dòng)從Flash Disk中植入嵌入式操作系統，各DSP芯片也分別自引導入相應的編解碼算法。同時(shí)此操作系統還向用戶(hù)提供一個(gè)友好的操作界面，用戶(hù)通過(guò)此界面來(lái)控制DSP芯片的編解碼過(guò)程、系統與網(wǎng)絡(luò )的連接，以及常用的功能(關(guān)機、播放音視頻、上網(wǎng)等)。

2.1 音視頻編碼
視頻編碼模塊框圖如下：

視頻編碼工作過(guò)程：視頻圖像經(jīng)過(guò)采集存儲于幀緩存器中，采集完成后FPGA(可編程邏輯器件)向TMS6204發(fā)出接收信號。TMS6204接收到“圖像已采集好”的信號后，就通過(guò)DMA方式將圖像寫(xiě)至片外存儲器SDRAM中，并開(kāi)始運行MPEG-4視頻編碼算法對片外存儲器中的圖像進(jìn)行編碼。編碼輸出信號通過(guò)HPI(Host Port Interface)口送至AT75C220，AT75C220將視頻信號與音頻進(jìn)行同步打包后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )模塊發(fā)往接收主機處。

音頻編解碼模塊框圖如下：

音頻編碼的過(guò)程與視頻類(lèi)似，不同的是由TMS5402來(lái)執行編碼算法，這主要是考慮到系統的性?xún)r(jià)比。由于音頻編碼的運算量要比視頻編碼小得多，這使得TMS5402的芯片資源足夠完成音頻編碼，并且其價(jià)格要比TMS6204低的多。

音頻編碼工作過(guò)程：信號通過(guò)MIC(Microphone)送到A/D轉換器中,A/D轉換器將收到的模擬信號轉換成為離散信號,未壓縮的離散信號被送到DSP后,DSP將其存儲起來(lái),每收夠一幀處理一次,即調用音頻編碼算法一次,編碼后得到的離散信號被DSP發(fā)送至AT75C220，由其打包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )發(fā)至主機處。

音頻解碼和音頻編碼都在同一塊DSP芯片TMS5402中完成，這是因為音頻的編解碼過(guò)程沒(méi)有視頻那么復雜，占用的資源相對較少。以TMS5402的芯片資源是可以同時(shí)完成音頻的編解碼算法的。

2.2 音視頻解碼
音頻解碼工作過(guò)程：TMS5402接收到MPEG-4音頻已編碼信號后就開(kāi)始進(jìn)行解碼算法，每解碼出一幀音頻信號，就直接將其進(jìn)行D/A轉換發(fā)送到耳機或是音箱中播放。

視頻解碼模塊框圖如下：

視頻解碼工作過(guò)程：AT75C220將接收到的MPEG-4視頻編碼信號直接送往TMS6204。當其運行解碼算法得到第一幀的圖像數據后，就將其拷貝到片外的SDRAM中，同時(shí)向FPGA發(fā)送一個(gè)初始化信號，然后FPGA調用中斷通過(guò)DMA方式將SDRAM中的圖像轉移到FIFO里，經(jīng)D/A轉換合成為RGB信號后送往顯示器顯示出圖像。

2.系統特點(diǎn)
根據仿真的結果，在352*240（NTSC制式），視頻輸出35幀/秒以上，碼率可控制在100kbps~1000kbps之間，完全可以滿(mǎn)足實(shí)際需要。近年來(lái)，隨著(zhù)FPGA技術(shù)的日益成熟，利用FPGA的特殊結構和特性，很多復雜數字算法開(kāi)始使用PPCA完成，使它可以更加高速和高效地完成這些算法，但相應的是其開(kāi)發(fā)難度變大，周期變長(cháng)。由于本系統是基于DSP來(lái)實(shí)現的，與上述方式相比具有設計周期短，成本低的特點(diǎn)。同時(shí)具有很強的通用性和擴展性，可根據實(shí)際需求形成豐富的產(chǎn)品系列。

3.結束語(yǔ)

MPEG4的應用前景將是非常廣闊的。 它的出現將對以下各方面產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用：實(shí)時(shí)通信、數字電視、廣播電視、實(shí)時(shí)多媒體監控、移動(dòng)多媒體通信、內容存儲和檢索多媒體系統、基于Internet/Intranet的數字碼流視頻、基于面部表情模擬的虛擬會(huì )議、DVD上的交互多媒體應用、基于計算機網(wǎng)絡(luò )的可視化合作實(shí)驗室場(chǎng)景應用等。

參考文獻
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