媒體信號處理器MAP-CA及其應用實(shí)例

摘要：介紹一種高性能媒體信號處理器MAP-CA。它具備對視音頻信號進(jìn)行壓縮處理的優(yōu)化結構和多種方便的標準視音頻接口。以MAP_CA為核心處理器設計了一個(gè)視音頻壓縮處理子系統，可應用于需要對視音頻進(jìn)行編解碼的不同領(lǐng)域，并給出一個(gè)實(shí)現脫機DVR設備的實(shí)例。 關(guān)鍵詞：媒體信號處理器 數字視頻記錄系統 DVR 能愛(ài)畜數字信號處理器雖然具有很高的運算速度，但在多媒體信號處理領(lǐng)域，特別是視頻處理方面，通常需要復雜的接口，性能不到充分發(fā)揮。媒體信號處理器針對多媒體應用優(yōu)化了內核結構并提供豐富的媒體接口。與通用的數字信號處理器相比，媒體信號算是器在多媒體應用領(lǐng)域，性能更強大，使用更方便。本文介紹一種典型的媒體處理器MAP-CA，它是由美國Equator公司和日本日立公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的寬帶高速媒體處理器；介紹應用MAP-CA設計的一個(gè)對視頻、語(yǔ)音進(jìn)行實(shí)時(shí)編解碼處理的多媒體信號處理子系統，它與另一個(gè)嵌入式控制子系統配合，實(shí)現了一個(gè)完整的數字視頻記錄系統（DVR）。圖1 MAP-CA功能結構框圖1 媒體信號處理器MAP-CA簡(jiǎn)介 媒體信號處理器MAP-CA（Media Accelerated Processor for Consumer Appliances）是Equator公司繼MAP1000、MAP1000A以后推出的一款高集成度的寬帶數字信號處理芯片，特別適用于多媒體信號處理器的產(chǎn)品，如機頂盒、數字電視、視頻會(huì )議系統、醫用圖像產(chǎn)品、數字視頻編輯設備和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品。MAP-CA是針對MPEG1、MPEG2、JPEG、H.263以及語(yǔ)音編碼而優(yōu)化設計的。由于媒體信號處理的核心算法都是基于MAP-CA的軟件平臺，可以通過(guò)增加、刪除或者增強一些功能模塊，比較容易對最終系統進(jìn)行升級和改進(jìn)。因此，MAP-CA是多媒體信號處理應用的一個(gè)現成有效的解決方案。 1.1 MAP-CA處理器結構 MAP-CA具有一個(gè)高度流水線(xiàn)的超長(cháng)指令字（VLIW）結構的內核，每個(gè)時(shí)鐘周期可以進(jìn)行四次操作。具有支持32位和64位的數據運算單元以及專(zhuān)用多媒體運算而設計的128位運算單元。MAP-CA擁有較大容量的片內存儲空間，包括32KB的指令緩存和32KB的數據緩存。它具一個(gè)非常性能的DMA控制器（DataStreamer）和兩個(gè)為視頻信號處理而設計的協(xié)處理器：一個(gè)可用來(lái)進(jìn)行變長(cháng)編、解碼，另一個(gè)用來(lái)實(shí)現視頻濾波。 MAP-CA的功能結構框圖如圖1所示。 MAP-CA媒體信號處理器自身?yè)碛蠵CI總線(xiàn)、SDRAM總線(xiàn)和Flash ROM信號的接口，這些使它可以方便地構成一個(gè)獨立的系統或者構成一個(gè)計算機的子系統，通過(guò)PCI總線(xiàn)與計算機主CPU通信。 1.2 MAP-CA處理器功能特性 區別于通用數字信號處理芯片，MAP-CA媒體信號處理器具有兩個(gè)特性： （1）針對多媒體信號處理設計的內核。工作在300MHz時(shí)，MAP-CA可以實(shí)現1800MIPS的運算能力。同時(shí)，它對多媒體信號處理的支持包括可以實(shí)現有兩個(gè)為視頻編、解碼而設計的協(xié)處理器——一個(gè)變長(cháng)編碼協(xié)處理器和一個(gè)視頻濾波協(xié)處理器；提供對視頻層疊加的直接支持；同時(shí)它具有強大的DMA控制器（DataStreamer），為多媒體的大數據量提供了足夠的帶寬保證。 （2）豐富的媒體接口。包括視頻和語(yǔ)音標準接口，如：ITU-R BT.256/601格式的輸入、輸出；MPEG-2的傳輸層接口輸入TCI（Transport Channel Interface）；IEC958和IIS數字音頻輸入、輸出接口；支持外接RGB監視器。 由這兩個(gè)特性可以看出，MAP-CA媒體信號處理器為以多媒體信號處理為中心的設計提供了一個(gè)非常強大又方便的解決方案；同時(shí)，作為一款數字信號處理芯片，它繼承了DSP設計方案所擁的可以軟件升級、靈活的優(yōu)點(diǎn)。圖2 數字視頻記錄系統原理框圖 2 基于A(yíng)MP-CA的數字視頻記錄系統設計 數字視頻記錄系統DVR（Digital Video Recorder）是隨著(zhù)信息技術(shù)，特別是多媒體技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的。它可以應用于任何需要對場(chǎng)景進(jìn)行記錄或監控的場(chǎng)所。視頻記錄系統包括模擬視頻記錄系統和數字視頻記錄系統。新一代的數字視頻記錄系統一般可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于計算機（或工控機）的視頻記錄系統；另一類(lèi)是脫機獨立的（或嵌入式的）視頻記錄系統。后一種方案更加靈活、方便，可以實(shí)現DSP層面上的軟件編、解碼，針對不同的應用領(lǐng)域，給予特別的編碼支持，實(shí)現最優(yōu)效果。數字視頻記錄系統要求實(shí)現的主要功能包括視頻、語(yǔ)音的采集、編碼、存儲、播放，并對記錄下來(lái)的視頻、語(yǔ)音的壓縮信息進(jìn)行解碼、檢索、回放。 采用MAP-CA媒體信號處理器，設計了一個(gè)脫機獨立的視頻記錄系統。根據功能需要要，將本系統劃分為兩個(gè)子系統：一個(gè)是以MAP-CA處理器為中心的媒體信號處理子系統；另一個(gè)是用嵌入式芯片實(shí)現的控制子系統。圖2為本系統的原理框圖。 嵌入式控制子系統主要實(shí)現對系統工作流程的控制，實(shí)現數據記錄、查詢(xún)功能，提供用戶(hù)交互接口和擴展通信接口。 以MAP-CA為中心的媒體處理子系統主要實(shí)現視頻、語(yǔ)音信號的采集、播放和編碼、解碼。下面對媒體處理子系統做成一步的說(shuō)明。 筆者充分利用了MAP-CA媒體處理芯片在多媒體應用方面的強大其內部結構對視頻、語(yǔ)音信號編、解碼的優(yōu)化；提出了高效的視頻編碼方案；利用它提供的方便的視頻、語(yǔ)音信號接口，實(shí)現了這個(gè)既可獨立應用，又可以嵌入到主控系統媒體信號處理子系統。圖3為系統的原理框圖。圖3 基于MAP-CA的媒體處理子系統原理框圖本系統可在實(shí)現一路視頻的編碼、解碼的同時(shí)，進(jìn)行一路語(yǔ)音的編、解碼工作。它包括兩個(gè)子進(jìn)程；編碼進(jìn)行和解碼進(jìn)程。編碼進(jìn)程工作原理：采集視頻信號并轉換成ITU-R BT.656格式數字碼流，輸入給MAP-CA芯片，對視頻進(jìn)行編碼；同時(shí)采集語(yǔ)音信號并轉換成IIS格式碼流，輸入給MAP-CA芯片，對語(yǔ)音信號進(jìn)行編碼；將視頻和語(yǔ)音編碼數據通過(guò)PCI總線(xiàn)傳遞給控制子系統。解碼進(jìn)程工作原理是：將控制子系統傳遞過(guò)來(lái)的視頻音頻碼流進(jìn)行解碼，并轉換成相應的ITU-R BT.656和IIS格式碼流，傳送給輸出接口芯片，轉換成相應的復合視頻和模擬音頻并播放。本系統還支持VGA顯示，可直接連接監視器。 為使本系統更好地工作，選用了64MB的SDRAM，供視頻和語(yǔ)音編、解碼使用。另外，選用了2MB的Flash ROM，用以存放系統的編、解碼軟件，使系統既可以作為一個(gè)子系統與主控系統配合工作，也可成為一個(gè)獨立的系統。 系統的視頻編、解碼算法使用了為監控領(lǐng)域設計的多層量化和預測器DIPMEQ（Discrete-Partitioned Multilayer Estimator and Quantizer）的壓縮算法國。語(yǔ)音部分的編、解碼算法使用了GSM壓縮算法。