DSP 在數字視頻處理技術(shù)中的應用

數字攝錄機/數碼相機

這兩領(lǐng)域是消費類(lèi)數字圖像的典型應用，一般來(lái)講，前者強調移動(dòng)圖像的攝錄，后者追求靜止圖像的高質(zhì)量。如果處理芯片的可編程性足夠強，這兩者完全可以兼顧。這可以帶來(lái)兩個(gè)好處，第一，可以開(kāi)發(fā)出平衡這兩方面需求的產(chǎn)品，既可以錄像又可以拍出高質(zhì)量的照片；第二，考慮到成本的影響，仍然開(kāi)發(fā)不同的產(chǎn)品，但可以共用一套圖像處理方案，這樣便減少了開(kāi)發(fā)的重復投資。

除了可編程性，這兩應用對芯片的要求就是低功耗，因為它們都是便攜式的。其它的要求就是對移動(dòng)存儲的支持。

個(gè)人數字視頻播放器_隨身看/點(diǎn)播機

這類(lèi)設備都是完成視頻解碼，前者更強調便攜性而后者則強調節目源的豐富。

在這里處理性能并不是第一位要考慮的，整個(gè)系統的能耗顯得更加關(guān)鍵。另一方面，要求芯片的接口比較豐富以支持LCD顯示屏，CFC或其它存儲卡，或者硬盤(pán)接口。

這些視頻應用總體上可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是高性能，要求多通道處理或多編碼制式，或追求高圖像質(zhì)量，同時(shí)由于技術(shù)的不斷發(fā)展，它又需要較強的可編程性支持未來(lái)的技術(shù)發(fā)展；另一類(lèi)是可便攜應用，強調的是小型化，低功耗，支持多種移動(dòng)存儲接口以及USB, 1394或其它高速總線(xiàn)。

針對應用選擇合適的芯片

上文已提到，這些應用大致上可以分為兩類(lèi)，高性能和可便攜。TI針對這些市場(chǎng)都有相應的產(chǎn)品。

首先我們看一下高性能的應用。

高性能視頻應用

在這類(lèi)市場(chǎng)里，通常數據運算量極大，比如僅考慮這類(lèi)圖像運算中最基本的運算離散余弦轉換（DCT），對于單通道30幀的VGA視頻，它就需要每秒大約6千萬(wàn)次的乘加運算。這還僅是其中非常一小部分。

要完成這么艱巨的任務(wù)，我們就不得不看一看TI的單核性能最強的DSP核C64x，一個(gè)主頻可以達到720MHz，峰值運算能力達到5760MIPS的32位DSP。除了這些無(wú)與倫比的主頻和通用乘加性能，C64的核更增強了對8位和16位操作的支持，而圖像領(lǐng)域絕大多數運算是在8位的基礎上。例如，C64x增加了很多專(zhuān)用指令，如SUBABS4，同一機器周期里可同時(shí)完成四次減法和求絕對值， 還有諸如BITC4，AVGx，MPYHLx，DOTP2等等。這些增強使得運動(dòng)補償平均提升達七倍，而四重8位運算則使得每時(shí)鐘周期運動(dòng)估計的8x8最小絕對差(MAD)的計算能力提高到7.6倍。這些都使以C64x為核心的DSP成為高性能視頻應用的選擇。

我們來(lái)具體看一下，例如上文提到的視頻局端設備，由于它是一局端設備，挑戰在于多路多碼率以及多制式，因而要求片上內存要大已放下足夠的多路數據和各種譯碼器，同時(shí)也需要與控制主機相連。由此TMS320C6415就是一個(gè)不二的選擇。它主頻可以跑到720MHz，有8兆位的片上內存，有PCI接口。圖一就是一個(gè)C6415為核心的局端設備框圖。


圖一，視頻局端設備

相類(lèi)似的應用還有無(wú)線(xiàn)媒體網(wǎng)關(guān)。

對于客戶(hù)端設備，用TMS320C6415就不是那么合適了。例如IP視頻網(wǎng)絡(luò )電話(huà)，它通常是單路的，因而不需要太大的片上內存，但它的接口卻要求很多。例如他們一般都是直接視頻輸入輸出，或從有線(xiàn)電視或從攝像頭到LCD，又要求接以太網(wǎng)。這里，我們就需要一個(gè)內存夠用（因而便宜），支持通用視頻標準如BT656，還帶有以太網(wǎng)口的處理芯片TMS320DM642。

TMS320DM642是針對這類(lèi)客戶(hù)端市場(chǎng)的數字信號處理芯片，TI 出了一系列類(lèi)似的處理芯片，成為數字媒體（Digital Media）處理器。DM642帶有三個(gè)視頻口，均可輸入或輸出，支持BT656，百兆以太網(wǎng)口，多路音頻串口，66MHz PCI等等，可支持四路D1圖像30幀的MPEG-2的實(shí)時(shí)壓縮。以它為中心的IP視頻電話(huà)結構非常簡(jiǎn)潔，如圖二


圖二 IP視頻電話(huà)方案

相類(lèi)似的高性能視頻應用還有機頂盒、數字視頻播放器/點(diǎn)播機和網(wǎng)絡(luò )相機/監控系統，它們都可以以DM642為中心將上各自特需的硬件，形成不同的應用。這也最大程度上發(fā)揮了開(kāi)發(fā)投資的價(jià)值，一套方案上的經(jīng)驗可以為其它所有方案利用。

可便攜設備的視頻應用

這類(lèi)設備中最典型的應用就是數字攝錄機/數碼相機，除了共有的視頻圖像處理外，它們最大的考慮就是功耗。這些都是電池驅動(dòng)的，因而能量消耗必須有所限制。這種情況下C64x核的處理芯片就很不合適，如一顆C6415跑在600MHz時(shí)功耗超過(guò)1瓦。

幸好TI在功耗上很有研究，她的C5000是專(zhuān)門(mén)針對低功耗計算市場(chǎng)的，特別是C55x，創(chuàng )造了業(yè)界耗電最低紀錄，0.22mW每MIPS！C55x功耗低，性能也不差，它具有雙MAC雙ALU結構，200MHz的主頻可以達到400MIPS的處理能力！低功耗高性能使得C55x系列DSP成為便攜式消費類(lèi)電子的最佳選擇。

對于我們今天談到的視頻圖像應用更重要的是TI 有系列專(zhuān)門(mén)針對便攜媒體市場(chǎng)的處理芯片。

TMS320DSC21/DSC25/DM270/DM310，這系列芯片的共同特點(diǎn)都是雙核結構RISC的MCU核加上C5000的DSP核。運算主要有DSP完成，同時(shí)針對圖像處理使用了硬件加速。所有這些芯片都有圖像擴展協(xié)處理器iMX 和變長(cháng)編解碼協(xié)處理器VLCD，除了DSC21外都有量化反量化協(xié)處理器QIQ。其中iMX是多個(gè)并行乘加器來(lái)加速那些運算量極大的圖像處理算法，例如DCT運算。VLCD是用來(lái)進(jìn)行Huffman編解碼的，它DSP從不停的跳轉中解脫出來(lái)。QIQ則是進(jìn)行量化和反量化，由于量化是執行除法運算，DSP沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的除法指令，只能用移位指令實(shí)現，相當耗資源。

有了這些協(xié)處理器，DM系列芯片的處理能力也向當地強，例如DM310可以實(shí)現D1圖像（720x480）30幀每秒的實(shí)時(shí)MPEG-4編解碼。


圖三，數碼相機

圖三即為一個(gè)DM310為基礎的系統。

芯片之外

看到這里，大家可以看到，這些應用都有一些共同點(diǎn)，也會(huì )自然而然地想到，不同的客戶(hù)用同一套芯片開(kāi)發(fā)同一種應用會(huì )不會(huì )造出同樣的東西？這點(diǎn)勿須擔心，DSP充分的可編程性是差異化的保證。同時(shí)為了更好地集中于差異化，那些標準件，如各種碼制的編解碼器，也可以同第三方獲得。TI圍繞DSP完備而成熟的開(kāi)發(fā)環(huán)境也是縮短開(kāi)發(fā)周期迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的保證。