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基于TMS320C64x的MPEG-4實(shí)時(shí)編碼器設計與實(shí)現
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時(shí)間：2012-10-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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信息時(shí)代對于視頻通訊的需求越來(lái)越廣,從較低碼率的可視電話(huà)、視頻會(huì )議、實(shí)時(shí)監控到高碼率的空中偵察、數字電視等,迫切要求將高效率、高質(zhì)量的視頻壓縮算法實(shí)用化。MPEG-4于2000年正式成為國際標準并不斷地擴展。它不僅支持碼率低于64kbps的多媒體通信,還能支持廣播級的視頻應用。與以前的視頻標準相比,MPEG-4可以提供更高的壓縮效率、更好的交互性以及更強的抗誤碼能力。目前,MPEG-4已經(jīng)成為視頻壓縮標準的主流。
MPEG-4算法非常復雜,其編解碼的實(shí)時(shí)性難以保證,通常只能實(shí)現對中低分辯率視頻的實(shí)時(shí)編碼。本文基于TI公司的C64x系列DSPs設計并實(shí)現了一種MPEG-4編碼器,實(shí)現了對D1分辨率(720×576)視頻的實(shí)時(shí)編碼,且在保證輸出碼率低于1Mbps的同時(shí),解碼圖像具有較高的峰值信噪比和較好的視覺(jué)效果。
1 編碼系統的硬件結構
編碼系統以TMS320DM642高性能通用DSP芯片為核心。圖1為系統框圖。
圖1 編碼器系統框圖
1.1 TMS320DM642芯片的特點(diǎn)
DM642屬于TI公司的C64x系列DSPs。Veloci TI結構使C6000 DSPs在視頻和圖像處理中得到廣泛應用。CPU的VLIW結構由多個(gè)并行運行的執行單元組成,這些單元在單個(gè)周期內可執行多條指令。并行是C6000獲得高性能的關(guān)鍵。C64x在C6000的基礎上有一些重要的改進(jìn)。除了有更高的時(shí)鐘頻率外,C64x從以前的Veloci TI結構擴展到Veloci TI.2結構,包含了許多新的指令,增加了額外的數據通道,寄存器的數量也增加了一倍。這些擴展使得CPU可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內處理更多的數據,從而獲得更高的運算性能。
DM642芯片集成了各種片內外設,使得開(kāi)發(fā)視頻和圖像領(lǐng)域的應用更為方便。它帶有三個(gè)可配置的視頻端口,提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無(wú)縫接口。這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入/輸出,包括BT.656、HDTV Y/C、RGB以及MPEG-2碼流的輸入。利用DM642開(kāi)發(fā)視頻編碼器,其視頻輸入部分只需要一塊視頻采集芯片即可,如Phillips的SAA7113,無(wú)需外加邏輯控制電路和FIFO緩存,使硬件系統更為簡(jiǎn)單和穩定。DM642的其它外設包括:10Mbps/100Mbps的以太網(wǎng)口(EMAC)、多通道音頻串口(McASP)、外部存儲器接口(EMIF)、主機接口(HPI)、多通道緩沖串口(McBSP)以及PCI接口等。
1.2 系統工作流程
該編碼系統可分為圖像壓縮卡和主機兩部分。其工作流程如圖2所示。
圖2 系統工作流程圖
首先主機通過(guò)PCI初始化DSP并對其加載程序;DSP開(kāi)始運行MPEG-4編碼程序,從視頻端口獲取實(shí)時(shí)采集的視頻,如圖1所示。SAA7113輸出BT.656格式的數字視頻,作為DM642 VPORT的輸入,VPORT輸出YUV(4:2:0)格式的圖像,作為編碼程序的輸入;DSP完成一幀圖像的編碼,通過(guò)PCI向主機發(fā)出中斷;主機響應中斷,從DSP的存儲空間讀取原始圖像數據和壓縮后的碼流。主機程序在VC++環(huán)境下編寫(xiě),提供與用戶(hù)交互的界面,可對數據進(jìn)行各種處理,包括原始視頻的實(shí)時(shí)播放、保存,壓縮碼流的實(shí)時(shí)解壓播放、保存、回放、網(wǎng)絡(luò )傳輸,從網(wǎng)絡(luò )接收壓縮碼流實(shí)時(shí)解壓回放等。
需要注意的是原始圖像和壓縮碼流在DSP中的存儲。視頻端口、編碼程序和主機都要訪(fǎng)問(wèn)原始圖像,例如在某一時(shí)刻,編碼程序訪(fǎng)問(wèn)當前幀圖像,主機讀取上一幀圖像,而視頻端口正在輸入下一幀圖像,為了避免訪(fǎng)問(wèn)沖突,原始圖像在DSP中采用三緩沖區進(jìn)行管理。壓縮碼流由編碼程序寫(xiě)入,主機讀取,所以采用乒乓制進(jìn)行存儲。
1.3 內存分配
DM642片內只有256KB的存儲空間,因此當前幀、參考幀和當前幀的重建幀都必須放至片外存儲器,壓縮碼流若被主機讀取,也放至片外。其它數據如程序代碼、全局變量、VLC碼表、各編碼模塊產(chǎn)生的中間數據等均可放至片內。
由于CPU訪(fǎng)問(wèn)片外的速度通常要比訪(fǎng)問(wèn)片內慢幾十倍,片外數據的傳輸通常成為程序運行時(shí)的瓶頸,即使代碼效率很高,流水線(xiàn)也會(huì )因為等待數據而被嚴重阻塞。解決這一問(wèn)題的有效方法是用EDMA傳送數據。程序是逐個(gè)宏塊進(jìn)行編碼的,在編碼當前宏塊的同時(shí),EDMA將下一個(gè)宏塊的數據、用到的參考幀數據由片外傳送至片內;當前宏塊做完運動(dòng)補償后,EDMA將重建后的宏塊由片內傳送至片外。這樣CPU只對片內數據進(jìn)行操作,使得流水線(xiàn)可以順利進(jìn)行,而壓縮碼流按逐個(gè)碼字有時(shí)間間隔地寫(xiě)入,可由CPU直接寫(xiě)至片外。
2 采用預測技術(shù)的運動(dòng)估計算法
運動(dòng)估計是MPEG-4編碼中計算量最大的一部分,占據整個(gè)編碼時(shí)間的50%以上。各種快速運動(dòng)估計算法也成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)驗證明,采用預測技術(shù)的運動(dòng)估計不但可以大大縮短計算時(shí)間,而且也有助于提高圖像的質(zhì)量。
宏塊(Macro Block)的運動(dòng)矢量(Motion Vector)在時(shí)間和空間都具有相關(guān)性,預測的原理就是利用當前幀和參考幀內相鄰位置宏塊的MV來(lái)預測當前宏塊的MV。下面詳述本文所采用的預測算法。
(1)確定當前宏塊MV的7個(gè)候選值PreMV1~7。
如圖3所示。PreMV1=(0,0);PreMV4取當前宏塊左邊相鄰宏塊的MV值;PreMV5取上邊相鄰宏塊的MV值;PreMV6取右上方相鄰宏塊的MV值;PreMV2=mid{PreMV4, PreMV5, PreMV6},即取三者的中值;PreMV3取參考幀相同位置宏塊的MV值;PreMV7取參考幀右下方相鄰宏塊的MV值。
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