基于DM642DSP的視頻編碼優(yōu)化方法

引言

當前在視頻監控，視頻會(huì )議，網(wǎng)絡(luò )流媒體等方面數字視頻編碼成為最核心，最基本的技術(shù)手段，尤其是視頻監控現已成為最為普通的安保設備之一?；陔娔X硬盤(pán)為存儲體的數字DVR已日漸取代模擬DVR。數字DVR的最關(guān)鍵技術(shù)就是視頻壓縮技術(shù)，而視頻壓縮技術(shù)又含有兩大選擇。首先是視頻壓縮采用何種算法標準，當前視頻算法的國際標準有MPEG2、MPEG4、H.264，H.264以其高壓縮效率，在低碼率下優(yōu)良的圖像質(zhì)量成為目前視頻監控系統中首選的壓縮方式。

但任何事物都有其兩面性，H.264編碼的高效率，優(yōu)質(zhì)圖像是用算法的復雜性來(lái)?yè)Q取的。H.264編碼器的復雜性是MPEG2的4-5倍。第二個(gè)選擇是用什么芯片來(lái)實(shí)現，TI公司的TMS320DM642芯片，是一款專(zhuān)門(mén)用作媒體處理的高速DSP，其強大的圖像處理能力為在監控系統中實(shí)時(shí)實(shí)現H.264編碼提供了可能。為了降低成本，還必須充分運用DM642本身的資源，使一顆DM642能處理更多路的視頻，這就是高效率優(yōu)化的目的，本文首先對整個(gè)視頻監控的硬件平臺做了介紹，后結合DM642的結構特點(diǎn)，提出整個(gè)編碼軟件的框架的安排，對于占用系統資源最多的運動(dòng)估計提出基于DSP的優(yōu)化方法，最后以整數DCT為例，討論了編寫(xiě)匯編代碼的技巧。

硬件平臺的介紹

整個(gè)視頻監控的硬件系統的框架如圖1所示。DM642芯片為了適應數字媒體處理的需求，增加了三個(gè)可配置的視頻端口(VP0，VP1，和VP2)，這些視頻口外設為常用的編解碼設備提供了無(wú)縫接口。因而不需要外加可編程邏輯器件和FIFO就可滿(mǎn)足系統設計的要求。

為了節省成本，提高DSP芯片的利用率，在一塊板卡可以同時(shí)處理多路的音視頻，壓縮卡與主機間的數據吞吐量會(huì )很大，為了保證數據存儲的實(shí)時(shí)性，系統采用PCI板卡，其與主機通信數據傳輸速率最高達528MB/s(66MHz，64bit)，完全滿(mǎn)足大容量高速實(shí)時(shí)傳輸系統的需求。

圖1 硬件系統框架

由于每個(gè)視頻口可以接收兩路8/10bit的視頻信號，視頻信號經(jīng)過(guò)SAA7144A/D轉換輸出為8位BT.656格式的數字視頻數據。這樣就能利用一顆DM642芯片處理最多6路視頻輸入。每個(gè)視頻端口的BT.656視頻采集模式采集8bit或是10bit4：2：2格式的亮度和色度信號，并將它們復用到一個(gè)數據流里，視頻數據以Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr的順序傳送，其中Cb，Y，Cr代表同一位置的亮度和色度樣點(diǎn)，緊接著(zhù)后面的Y代表下一個(gè)位置的亮度樣點(diǎn)。數據流經(jīng)解復用后亮度和色度信息分別存放到各自的Y，Cb，CrFIFO中，再經(jīng)EDMA搬移到SDRAM中，以備CPU讀取進(jìn)行壓縮編碼。編碼后的視頻流再經(jīng)PCI口存入到電腦的硬盤(pán)上，從而完成整個(gè)視頻監控的流程。

編碼器整體框架的安排

JM代碼是很多可選的H.264標準軟件之一，它關(guān)心H.264全部的功能在代碼上得到體現，所有的情況都得考慮，例如幀編碼，場(chǎng)編碼都有，內存的分派沒(méi)有考慮到系統的實(shí)際情況，適合用來(lái)幫助理解H.264標準，不太適合移植到DSP平臺上。為了高效的組織利用DM642有限的片內資源，就得重新組織代碼，包括數據結構，數據存放的位置，程序存放的位置，精簡(jiǎn)地來(lái)安排程序。

首先要考慮的是L2的配置問(wèn)題，第二級L2(256kB)是一個(gè)統一的程序/數據空間，可以整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級cache，或者二者的比例的組合使用。因為一旦二級緩存也不命中的話(huà)，那么讀取數據申請將轉由EDMA來(lái)完成，CPU至少有13個(gè)cycle的延遲。所以我們總是盡量把程序和數據放在片內存儲器內。但是即使全部將L2配置成SRAM也只有256kB大小，以CIF格式圖像為例，待編碼的一幀圖像大小是148.5kB，再加上運動(dòng)估計的參考圖像就大大超過(guò)256kB了。所以在配置L2時(shí)，筆者選擇的是SRAM224kB，L2cache32kB。首先考慮要放到SRAM的是表格，全局變量，棧數據和一些調用頻繁的核心程序，如運動(dòng)搜索，DCT變換，量化……而整個(gè)待編碼圖像和參考圖像就只能放在片外存儲空間了。

既然圖像數據被存放到了片外存儲空間中，就要涉及到數據在片內存儲跟片外存儲間的數據搬移，這可交由DM642強大的EDMA引擎來(lái)完成，EDMA工作時(shí)不占用CPU的周期，把CPU從繁重的搬移數據的工作中解放出來(lái)，專(zhuān)致于運算工作。在編碼程序時(shí)，為了避免CPU等待EDMA搬完數據后才能工作，可采用乒乓結構的雙緩存區，當EDMA傳送數據到其中一塊存儲區域時(shí)，CPU對另一塊存儲區域進(jìn)行處理。待二者都處理完