基于TMS320DM6446的數字電影放映系統實(shí)現方案

引言

數字電影，是指以數字技術(shù)和設備攝制、制作、存儲，并通過(guò)衛星、光纖、磁盤(pán)、光盤(pán)等物理媒體傳送，將數字信號還原成符合電影技術(shù)標準的影像與聲音，放映在銀幕上的影視作品。與傳統電影相比，它具有畫(huà)面清晰、穩定性高、節約成本、利于環(huán)保等特點(diǎn)。從國際上來(lái)看，經(jīng)過(guò)初期階段的摸索，數字電影技術(shù)已經(jīng)相對成熟，創(chuàng )作人員已從過(guò)去單純地運用數字特技逐步轉化為將其與傳統攝制、傳統特技融為一體的表現手法。在國內，數字電影經(jīng)歷了引進(jìn)、消化、模仿、創(chuàng )新的過(guò)程。為了鼓勵和推動(dòng)我國數字電影的發(fā)展進(jìn)程，國家投入了大量的資金，在全國建設了100多個(gè)數字影院。根據我國國情，首先是普及和推進(jìn)我國社區及農村地區的數字電影的發(fā)展，因此，需要大量的低端配置的流動(dòng)數字電影放映設備。

達芬奇技術(shù)是一種內涵豐富的技術(shù)綜合體，是美國TI公司推出的針對數字多媒體應用而定制的基于DSP的系統解決方案組件的集合，其為多媒體設備開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化設計并加速產(chǎn)品創(chuàng )新提供了集成的處理器、軟件與工具。TI公司在達芬奇平臺上專(zhuān)門(mén)為音視頻編解碼(Codec)多媒體應用精心設計了系統框架，提供了豐富的系統程序接口(SPI)、應用程序接口(API)以及視頻、圖像、話(huà)音和音頻千余種流媒體算法組件。應用系統開(kāi)發(fā)者只需將它們封裝成運行包，就能輕松地設計出高可用性和高可靠性的數字視頻產(chǎn)品。

為了滿(mǎn)足我國的實(shí)際需求，本文在達芬奇系統硬件平臺的基礎上，利用達芬奇軟件技術(shù)，提出了開(kāi)發(fā)數字電影放映系統的方案及其具體實(shí)現方法。該方案有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，更快地占領(lǐng)市場(chǎng)。

1 硬件設計

數字電影放映系統主要是以數字多媒體處理器TMS320DM6446為核心來(lái)實(shí)現的。TMS320DM6446是TI公司的高集成度視頻處理芯片，業(yè)界稱(chēng)為達芬奇(DaVinci)數字媒體片上系統(Digital Media system-on-Chip，DMSoC)。圖1為T(mén)MS320DM6446功能結構框圖。

如圖1所示，DMSoC包括ARM子系統、DSP子系統、視頻處理子系統(VPSS)、系統控制模塊、電源管理模塊、外部存儲接口、外圍控制模塊和交換中心資源(SCR)等。其中，ARM子系統主要負責TMS320DM6446系統的整體配置和模塊功能控制，以及調用視頻算法。工作頻率近600 MHz的DSP子系統負責視頻算法的執行，其最大處理能力可以達到4800MIPS，極大地增強了音頻和視頻的解碼能力。視頻處理子系統包括1個(gè)視頻前端輸入接口(VPFE)和1個(gè)視頻末端輸出接口(VPBE)，視頻前端輸入接口用于捕獲視頻信號，視頻末端輸出接口將圖像輸出到OSD上顯示。

本系統的結構框圖如圖2所示。系統通過(guò)異步外部存儲器接口(EMIF)外接64 MB的NAND Flash，用于存儲啟動(dòng)代碼和數據，以引導加載ARM Linux操作系統。利用ATA控制器接口外接160 GB 2.5 in的ATA硬盤(pán)，主要用于Linux系統的文件系統、應用程序和大量數字影片文件的存儲。由于A(yíng)TA硬盤(pán)輸出的是3．3 V電壓信號，而TMS320DM6446硬盤(pán)控制器輸出的電壓信號為1．8 V，為使硬盤(pán)與主CPU正常連接，需要電壓轉換芯片來(lái)保證硬盤(pán)的正常工作。此外，為了方便改變視頻節目及便于實(shí)驗的測試，本系統還通過(guò)MMC／SD存儲卡接口擴展了2 GB的SD卡和USB2．0接口。利用TMS320DM6446的32位DDR2控制器接256 MB DDR2型SDRAM緩沖視頻輸入圖形數據，作為OSD的緩沖器來(lái)存儲ARM和DSP代碼。

系統的視頻前端輸入接口(VPFE)支持復合視頻(CVBS)輸入及S-端子輸入。視頻末端輸出接口VPBE支持模擬視頻輸出，包括復合視頻(CVB-S)輸出、S端子輸出、分量視頻輸出(YPbPr)及VGA輸出；同時(shí)，支持數字視頻輸出(DVI)。視頻解碼模塊采用TI公司的高質(zhì)量視頻解碼芯片TV-P5158，把常見(jiàn)的基帶模擬視頻格式轉換為數字視頻格式。輸入的視頻數據通過(guò)TVP5158視頻解碼芯片轉換成10位YUV4:2:2的格式，然后送至視頻前端處理，處理完的數據再經(jīng)視頻末端處理后保存至硬盤(pán)。音頻解碼模塊采用TI公司的低功耗立體聲解碼芯片TLV320AIC33?？紤]到系統要接多個(gè)模塊，這里利用AIC33串行總線(xiàn)控制支持的I2C協(xié)議，通過(guò)I2C接口與DSP的音頻端接口相連。另外，為了監控硬件平臺的啟動(dòng)情況，利用TMS320DM6446集成的UART外設控制器，擴展了UART通用異步串口，配置RS232用于系統啟動(dòng)時(shí)控制臺。

2 軟件設計

數字電影放映系統的軟件設計主要是在Linux系統環(huán)境下，利用達芬奇軟件框架結構來(lái)完成的。通過(guò)將符合數字媒體標準(xDM)的音頻和視頻算法打包在由CodecEngine(代碼引擎)管理的Codec Server(代碼服務(wù)器)里，ARM端的應用程序就可以調用集成在Codec Server里的音頻和視頻算法，解碼來(lái)自L(fǎng)inux文件系統的音頻、視頻、語(yǔ)音數據，輸出到TMS320DM6446上控制視頻和語(yǔ)音外設的Linux器件驅動(dòng)器。

2．1 達芬奇軟件開(kāi)發(fā)方法

在進(jìn)行本系統軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

軟件開(kāi)發(fā)具體步驟如下：

①DSP端，在TI公司推出的CCS3．3開(kāi)發(fā)環(huán)境下，把音視頻解碼算法修改成符合數字媒體標準(xDM)的形式，并編譯生成一個(gè)算法的庫文件*．lib(等同于Linux環(huán)境下的*．a(chǎn)64P，直接在Linux環(huán)境下修改文件后綴名即可)。

②生成一個(gè)在DSP上運行的可執行程序*．x64P(即．out文件)，也就是Codec Server。本系統的Codec Server里集成了MPEG-2、MPEG-4、H．264、AAC、MP3、G．71l多種形式的音視頻解碼器。

③根據Codec Server的名稱(chēng)及其中包含的具體的音視頻解碼算法，創(chuàng )建Codec Engine的配置文件*.cfg，包括Engine的不同配置、名稱(chēng)，每個(gè)Engine里包括的Codec以及每個(gè)Codec運行在A(yíng)RM還是DSP端等。例如，在．cfg文件中，可以修改取得Codec模塊的相關(guān)語(yǔ)句，按需要引用Codec模塊。取得不同模塊的語(yǔ)句如下；

代碼模塊可以自己開(kāi)發(fā)，也可以充分利用第三方的軟件技術(shù)，任何與xDM兼容的算法都可以集成到Codec Server中。這樣就避免了開(kāi)發(fā)的重復性，降低了開(kāi)發(fā)的難度。

④將收集到的不同音視頻Codec包、Codec Server和Engine配置文件*．cfg以及應用程序通過(guò)編譯、鏈接，最終生成ARM端可執行文件。2．2 達芬奇中間框架Codec Engine

Codec Engine是介于應用程序和代碼服務(wù)器的中間層，是利用DaVinci技術(shù)簡(jiǎn)化數字產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵組件。它為應用程序提供了VISA接口，在不必考慮復雜的視頻、圖像、話(huà)音和語(yǔ)音處理算法(VISA)的前提下，利用Codec Engine提供的API，應用程序可以方便地調用符合x(chóng)DM的算法組件。

2．3 ARM端解碼應用程序的設計

本系統的應用程序是在Linux系統環(huán)境下，利用DaVinci技術(shù)的Codec Engine提供的API來(lái)完成的。應用程序運行在TMS320DM6446雙核處理器的ARM端，解碼存儲在硬盤(pán)里的音頻、視頻、語(yǔ)音數據，通過(guò)視頻末端輸出接口(VPBE)輸出，在OSD上實(shí)時(shí)顯示。

解碼線(xiàn)程的流程如圖4所示。

應用程序主要包括5個(gè)POSIX線(xiàn)程：主線(xiàn)程(控制線(xiàn)程)、視頻線(xiàn)程、顯示線(xiàn)程、語(yǔ)音線(xiàn)程以及音頻線(xiàn)程。從圖4中可以看到，視頻、語(yǔ)音、音頻線(xiàn)程在主線(xiàn)程變成控制線(xiàn)程之前產(chǎn)生。顯示線(xiàn)程由視頻線(xiàn)程產(chǎn)生。“MSP430+IR”用來(lái)接收用戶(hù)輸入的命令，只有在命令行里提供了一個(gè)視頻文件時(shí)，才能建立視頻線(xiàn)程。同時(shí)，由于音頻和語(yǔ)音要求同樣的外設(AIC33)，因此，不能同時(shí)解碼音頻和語(yǔ)音文件。此外，所有的線(xiàn)程都是搶占式的，基于優(yōu)先級的時(shí)序(SCHED_FIFO)，其中，顯示線(xiàn)程具有最高的優(yōu)先級，接下來(lái)是視頻線(xiàn)程，控制線(xiàn)程的優(yōu)先級最低。線(xiàn)程的初始化由Rendezvous公用程序模塊來(lái)同步。該模塊使用POSIX的條件來(lái)同步線(xiàn)程的初始化。每個(gè)線(xiàn)程執行其初始化后，通知Rendezvous的對象。所有的線(xiàn)程都結束初始化后，同時(shí)解鎖，開(kāi)始執行主循環(huán)。

3 測試結果

本系統的軟件開(kāi)發(fā)是在虛擬機上的Linux操作系統下進(jìn)行的，Linux操作系統的版本為Monta Vista Linux Professional Edition v4。測試前，用交叉網(wǎng)線(xiàn)將硬件平臺通過(guò)交換機與主機相連，并配置NFS(Network File System，網(wǎng)絡(luò )文件系統)服務(wù)，使得開(kāi)發(fā)板和主機可以互相訪(fǎng)問(wèn)；同時(shí)，在主機的Windows環(huán)境下，將開(kāi)發(fā)板與主機用串口線(xiàn)相連，設置超級終端，通過(guò)超級終端監控硬件系統的啟動(dòng)情況，并設置命令參數。

測試時(shí)，在超級終端里輸入解碼命令，硬件系統通過(guò)MSP430解析輸入的命令，讀取存儲在HDD(硬盤(pán))里的音視頻數據，利用OSD在線(xiàn)顯示解碼的影片。圖5～圖7分別為對MPEG-2、MPEG-4、H．264音視頻的解碼圖像。






結語(yǔ)

本文結合達芬奇數字多媒體技術(shù)提出了數字電影放映系統的硬件解決方案及軟件設計方法。利用達芬奇對高層Linux的支持、標準化的API以及產(chǎn)品化的底層驅動(dòng)器，大大降低了設計數字視頻系統的復雜性，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。測試表明，所設計的數字電影放映系統支持多種格式的數字影片的高清播放，且具有高穩定性和高可靠性。該設計方案還可以用于其他數字產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如IP機頂盒、網(wǎng)絡(luò )攝像機、醫學(xué)圖像處理、視頻會(huì )議等。