基于A(yíng)DSP-21535的MPEG-4視頻編解碼實(shí)現方案

數字視頻的大數據量給信息的存儲和傳輸造成了相當大的困難，成為數字視頻應用的瓶頸之一，數字視頻壓縮編碼是解決這一問(wèn)題的有效途徑，但在一些對實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，要求快速實(shí)現數字視頻的編解碼。采用DSP器件集成的視頻采集壓縮卡能快速實(shí)現視頻壓縮算法，提高處理速度，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

本文采用Blackfin系列的DSP芯片ADSP-21535來(lái)實(shí)現MPEG-4視頻編解碼，詳細介紹了硬件和軟件的設計方案。

硬件設計

整個(gè)系統包括視頻采集單元、MPEG-4編解碼單元、數據存儲單元、邏輯控制單元和視頻顯示單元等。采用conexant公司的Bt829實(shí)現視頻信號采集，數據存儲采用Cypress公司的SRAM芯片CY7C104133，視頻顯示單元采用ADI公司的ADV7175，邏輯控制部分采用Altera公司的MAX7000芯片。

軟件設計

MPEG-4視頻編碼是根據圖像的內容將其分割成不同的視頻對象VO(Video Object)，然后進(jìn)行編碼。其編碼過(guò)程可由3步來(lái)完成，即VO的形成、編碼和復合。它提供了靈活的框架和開(kāi)放的工具集。

基于VOP(VIDEO Object Plane)的編碼，VO是場(chǎng)景中的某個(gè)物體，是由時(shí)間上連續的幀畫(huà)面序列組成的，而VOP是某一時(shí)刻某一幀畫(huà)面的VO，VOP編碼是針對某一時(shí)刻該幀畫(huà)面VO的形狀、運動(dòng)、紋理等三類(lèi)信息進(jìn)行編碼。從類(lèi)型上看包括幀內IVOP(Intra VOP)、幀間前向因果預測PVOP(Inter Prediction VOP)、幀間雙向非因果預測BVOP(Inter Biderctional Prediction VOP)和全息靈影SVOP(Sprite VOP)。從空間上看它由若干個(gè)16×16的宏塊組成，又可分成4個(gè)8×8的亮度塊和2個(gè)8×8的色差塊。它采用位圖法對VOP的形狀進(jìn)行編碼。

在本文設計的編解碼器中，對于352×288的VOP圖像數據編碼采用Y：U：V=4：2：0的格式，即每采樣4個(gè)亮度樣本，對應采樣兩個(gè)色差樣本。然后，分離不同的幀格式，分別對它們進(jìn)行編碼和解碼。

基于ADSP-21535的MPEG-4編碼優(yōu)化

ADSP-21535采用雙MAC的結構，具有正交的類(lèi)似RISC的微處理器集，主頻可達300MHz，有專(zhuān)門(mén)的視頻處理指令、靈活的SRAM和cache結構，是一款在多媒體處理與網(wǎng)絡(luò )傳輸應用中極具特色的芯片。因此，在編碼的過(guò)程中，應充分考慮芯片的結構和指令特點(diǎn)，實(shí)現程序的優(yōu)化。

使用硬件結構提高處理速度

ADSP-21535內部有兩塊RAM，即L1RAM和L2RAM。L1RAM是核內的高速RAM，可以按照需要定義為cache或SRAM，或者一部分數據cache，一部分數據SRAM。它可分成16KB指令cache和指令SRAM，也可分成32KB數據cache和數據RAM。相對來(lái)說(shuō)L2RAM離核較遠，如果程序或數據放在L2RAM中直接執行，速度會(huì )比較慢。因此如果程序的數據量較小，可以把程序和數據直接放入L1RAM中執行。但是對于數據量較大的程序來(lái)說(shuō)，有時(shí)還有可能把數據放在外部存儲器中，如視頻采集數據，這時(shí)就應該設置好cache允許的數據地址和程序地址，然后啟動(dòng)cache，這樣程序和數據就會(huì )自動(dòng)調入L1RAM中執行。

運動(dòng)估值搜索算法的并行處理

視頻壓縮的關(guān)鍵是去除時(shí)間與空間的冗余，考慮到幀間的時(shí)間相關(guān)性強的特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足隨機存儲和高壓縮比的要求，一般采用幀間和幀內的編碼技術(shù)。在MPEG-4運動(dòng)搜索算法中是使用條塊匹配算法，需要進(jìn)行VOP范圍內點(diǎn)的搜索。匹配使當前的圖像與預測圖像的絕對差值和，即SAD最小。

SAD的計算是運動(dòng)估值中最重要的一個(gè)環(huán)節，它直接影響整個(gè)運動(dòng)搜索的速度，這也是圖像數據實(shí)時(shí)壓縮的瓶頸。Blackfin提供了一個(gè)極好的硬件指令，可以取出8個(gè)單元數據同時(shí)做4組VIDEO單元的絕對差和。ADSP-21535提供了兩種指令形式來(lái)完成這個(gè)操作，即SAA(R1：0)和SAA(R1：0，R3：2)(R代表寄存器組高低寄存器互換)，將結果放在A(yíng)0和A1中(A0和A1為兩個(gè)乘法器和累加器，R1和R0、R2和R3為配對的兩個(gè)寄存器，一般稱(chēng)為寄存器組0和寄存器組1)。

由于作絕對差和是針對字節而言，所以起始字節地址不一定是以4的整數倍開(kāi)始，但是每次運算卻必須要取出4個(gè)字節作運算。對于此，Blackfin巧妙地根據地址的末兩位來(lái)確定運算所取的字節。其地址指針為I0和I1，由I0和R1：0、I1和R3：2來(lái)確定運算的8個(gè)點(diǎn)。

用ADSP-21535計算當前塊與目標宏塊的SAD值的程序在此就不再贅述。

結語(yǔ)

整個(gè)系統使用Visual DSP++3.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)JTAG口仿真，在CIF格式下(352×288)進(jìn)行測試。采集的幀率為25fps，對IVOP、PVOP、BVOP同時(shí)編碼，平均壓縮一幀需60ms左右，平均壓縮比為40倍左右。從這些數據可以看出，用Blackfin實(shí)現MPEG-4編解碼方案是可行的，能有效解決傳輸數據的瓶頸問(wèn)題，提高信號的處理速度。同時(shí)該芯片的功耗小，性能穩定，可實(shí)現電源的動(dòng)態(tài)管理，有利于實(shí)現視頻壓縮卡的集成。當然，如果能夠對算法進(jìn)一步優(yōu)化，就更有利于視頻數據的實(shí)時(shí)處理和傳輸。