MPEG-4實(shí)時(shí)編碼器在A(yíng)DSP-BF533上的實(shí)現

　　MPEG-4視頻編碼技術(shù)可以在較小的帶寬下傳輸高質(zhì)量的視頻數據，節省大量存儲空間，但編碼復雜度也較高，目前豐要有3種實(shí)現方案：在通用PC上編程實(shí)現；通過(guò)ASIC硬件實(shí)現以及使用通用DSP芯片實(shí)現。與前兩者相比，通用DSP芯片實(shí)現方案具有以下優(yōu)勢：運算性能強；可升級性好，與PC類(lèi)似，通用DSP芯片的功能仍是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現的，能快速、方便地進(jìn)行軟件升級及添加新的功能，以適應技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)變化；成本低、功耗低、適應場(chǎng)合廣泛。

系統硬件設計

　　編碼系統處理核心為ADSP-BF533(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BF533)，利用其多功能并行接口PPI采集視頻數據，該PPI具有DMA功能，無(wú)需內核干預便可進(jìn)行高速數據傳輸，傳輸完成后可自動(dòng)向內核發(fā)出DMA中斷。

　　視頻采集部分選用0mniVision公司的CIF級彩色CMOS圖像傳感芯片OV6630，其最大分辨率為352288，采集速率最高可達60fps，且片內硬件實(shí)現了原始RGB數據到4：2：2YUV格式數據的轉換，用戶(hù)無(wú)需自行編寫(xiě)復雜的RGB轉YUV應用程序，大大減少了代碼量，很適合用作MPEG-4編碼。

　　設置OV6630

　　考慮到目前還有大量模擬制式的攝像機仍在廣泛應用，系統中還增加了視頻ADC ADV7183，該芯片可以把PAL制模擬電視信號轉為ITU-R656標準4：2：2格式數字視頻，同樣將ADV7183輸出端口與BF533的PPI相連。這樣，既可以采用系統自帶CMOS圖像傳感器采集視頻，也可以外接PAL制模擬攝像機，用戶(hù)可自由選擇。

　　由于BF533片內存儲空間有限，而視頻采集、編碼數據量巨大，選用一片Hynix公司的4MBSDRAM HY57V56162(內含4個(gè)內部子集)作為BF533片外大容量動(dòng)態(tài)存儲器。同時(shí)，為存放程序啟動(dòng)代碼，利用一片容量為1MB的閃存芯片PSD4256G6V構成BF533的片外非易失性存儲器。系統硬件構成如圖1所示。

編碼器設計實(shí)現

存儲器空間分配

　　BF533采用統一的32位、共4GB可尋址空間，包括位于片內的L1高速SRAM，片外的同步存儲器空間SDRAMSpace，以及異步存儲器空間(A syn chronousMemory Space)。

　　片內Ll SRAM包括：64KB指令SRAM、16KB指令Cache／SRAM、32KB數據SRAM、32KB數據Cache／SRAM，以及4KB便簽存儲器。

　　L1 SRAM工作在內核時(shí)鐘頻率，內核可以對其進(jìn)行高速帶寬訪(fǎng)問(wèn)。它是所有存儲器中訪(fǎng)問(wèn)速度最快的，但容量有限，因此，只應將那些最關(guān)鍵的代碼和數據存放在L1SRAM里。同時(shí)，指令Cache和數據Cache全部使能，這樣可以大大提高訪(fǎng)問(wèn)片外存儲器的效率。Cache設置是通過(guò)相應的I M E M_C O N T R O L、DMEM_CONTROL，以及CPLB寄存器配置實(shí)現的。

　　由于BF533片內存儲空間有限，而原始視頻數據量較大：CIF級4：2：2格式每幀圖像占用的空間為202752字節，如果采用模擬PAL制式視頻輸入，每幀占用空間更是高達829440字節，只能將其放至SDRAM中。同樣，視頻編碼數據也應存放在SDRAM中。此外，系統啟動(dòng)完成Boot loader引導后，主要關(guān)鍵代碼放在片內L1程序SRAM中執行，但大部分程序代碼仍需從SDRAM中執行。由于SDRAM特殊的讀／寫(xiě)方式，如果下次訪(fǎng)問(wèn)內存頁(yè)與當前活動(dòng)頁(yè)(Active Page)不同，即出現了頁(yè)錯失(Page Miss)，SDRAM就必須首先關(guān)閉當前頁(yè)，再打開(kāi)新的頁(yè)，大大降低了SDRAM讀寫(xiě)速率。而該系統中SDRAM又需存儲多種數據，內核、DMA均需要頻繁訪(fǎng)問(wèn)SDRAM，因此，應精心分配SDRAM空間，以使頁(yè)錯失現象盡量少發(fā)生。

　　BF533的SDRAM控制器(SDC)可以支持SDRAM每個(gè)內部子集中的一個(gè)活動(dòng)頁(yè)，且在這4個(gè)I-Bank中進(jìn)行切換時(shí)無(wú)需任何延遲。這樣，將不同的數據、代碼映射至不同的I-Bank，可使頁(yè)錯失現象降到最少，進(jìn)而改善訪(fǎng)問(wèn)SDRAM的效率。

　　由于需要實(shí)時(shí)編碼，為保證視頻采集和壓縮可以同步執行，采用乒乓緩沖技術(shù)：設置了兩塊視頻幀接收緩沖區BUF1和BUF2，采用BF533的DMA傳輸鏈方式進(jìn)行傳輸。當某一DMA緩沖區填滿(mǎn)后，內核對其作MPEG-4編碼(同時(shí)也在構建參考幀)，此時(shí)DMA開(kāi)始對另一塊緩沖區進(jìn)行填充。由于BUF1、BUF2、程序代碼以及參考幀均位于不同的I-Bank，減少了SDRAM頁(yè)面切換的機會(huì )，實(shí)現了對SDRAM的高效訪(fǎng)問(wèn)。

MPEG-4程序流程

　　MPEG-4編碼是基于宏塊(Macro Block)進(jìn)行的，每個(gè)宏塊包含4個(gè)88亮度子塊和2個(gè)88色度子塊。MPEG-4編碼原理主要包括對I幀和P幀的編碼，P幀比I幀多出了運動(dòng)估計和補償模塊，二者編碼流程如圖2所示。

代碼編寫(xiě)及優(yōu)化

　　BF533支持C／C++高級語(yǔ)言，但高級語(yǔ)言執行效率較低，為達到最大執行效率，采用全匯編語(yǔ)言實(shí)現MPEG-4編碼。

　　對于I幀編碼，主要的運算量是前向離散余弦變換FDCT和反向離散余弦變換IDCT，這里采用了ADI提供的優(yōu)化代碼，它基于chen氏快速DCT算法，大量運用了BF533特有的并行指令，完成一次88 DCT僅需293個(gè)時(shí)鐘周期。

　　與I幀相比，P幀編碼相對復雜，其中，運動(dòng)估計是P幀編碼最費時(shí)的部分，即在參考幀中搜索與當前編碼宏塊或子塊最匹配的位置。

　　SAD(絕對誤差和)準則具有無(wú)需乘除運算、實(shí)現簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，選用它作為運動(dòng)估計匹配準則。

　　運動(dòng)估計搜索算法則采用菱形搜索法(又稱(chēng)鉆石搜索法)，搜索精度為半像素，菱形搜索法具有簡(jiǎn)單、魯棒、高效的特點(diǎn)。

　　Blackfin匯編指令集中有專(zhuān)門(mén)用于SAD計算的指令S

　　BF533集成開(kāi)發(fā)環(huán)境VisualDSP++中還提供了Profile功能，可以利用該功能對程序代碼性能進(jìn)行評估，發(fā)現程序執行的瓶頸，從而進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。主要的優(yōu)化方法有：1．盡量減少分支、條件判斷指令，因為這些指令會(huì )破壞BF533流水線(xiàn)，造成額外的時(shí)鐘延遲；同時(shí)，對部分較簡(jiǎn)單的子程序用宏改寫(xiě)，免去子程序調用過(guò)程中的堆棧操作和參數傳遞；

　　2．采用并行執行指令，BF533并非超標量結構DSP，但仍能有限地支持最多3條指令并行執行，如：saa(r1：0，r3：2)Ⅱr0=[i0++]Ⅱr2=[i1++]；使用該并行指令即可在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成4個(gè)字節的SAD計算，同時(shí)完成r0、r2的數據更新，以便下次計算；

　　3．在DCT／IDCT的量化過(guò)程及其它一些模塊中，要牽涉到除法，而B(niǎo)F533計算除法需要耗費大量時(shí)鐘周期，因此，這里將除法變?yōu)槌艘粤炕蜃拥牡箶?，求倒數可以通過(guò)查找表方式實(shí)現。再結合移位操作，即可在基本不損失精度的同時(shí)達到高效計算除法的目的。

　　經(jīng)過(guò)前述的優(yōu)化過(guò)程后，成功地在BF533上實(shí)現了MPEG-4 SP的CIF級實(shí)時(shí)編碼。此外，對于CIF級CMOS傳感器OV6630，系統可以直接對其實(shí)時(shí)編碼。但如果是外接PAL制式模擬攝像頭，經(jīng)ADV7183作A／D轉換后，其分辨率為720576，受BF533的性能限制，尚無(wú)法對該級別分辨率做到實(shí)時(shí)編碼，因此，應先使其分辨率降為352288，然后再作：MPEG-4編碼。

實(shí)驗結果

　　BF533內核時(shí)鐘(CLK)設為594MHz，系統時(shí)鐘(SLK)為118.8MHz。選取CIF級標準測試序列flower(幀速率為25fps，共75幀)對系統進(jìn)行驗證。

　　圖3、圖4給出了分別采用I幀編碼和P幀編碼后的重建圖像。I幀編碼壓縮率為11.5：1，重建圖像信噪比為33.43dB。P幀編碼壓縮率則達到了65.7：1，重建圖像信噪比為32.65dB。經(jīng)采用BF533片內實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC精確計時(shí)，整個(gè)視頻序列共75幀，編碼耗費2.27s，平均編碼率達到了33fps，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)編碼要求。

結語(yǔ)

　　本文介紹了CIF級別的MPEG-4 SP實(shí)時(shí)編碼在BF533 DSP；DSP片上的實(shí)現，該編碼器可以靈活地選用系統自帶CMOS傳感器及用戶(hù)自選PAL制模擬攝像機兩種視頻采集源。該系統可以用在IP可視電話(huà)、交通檢測、超市監視、智能小區安保等領(lǐng)域，具有很強的實(shí)用價(jià)值。