利用DSP芯片實(shí)現(xiàn)MPEG-4視頻編碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)字視頻的大數(shù)據(jù)量給信息的存儲(chǔ)和傳輸造成了相當(dāng)大的困難，成為數(shù)字視頻應(yīng)用的瓶頸之一，數(shù)字視頻壓縮編碼是解決這一問題的有效途徑，但在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，要求快速實(shí)現(xiàn)數(shù)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(xiàn)視頻壓縮算法，提高處理速度，滿足實(shí)時(shí)性要求。

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

硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括視頻采集單元、MPEG-4編解碼單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiàn)視頻信號(hào)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

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

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(xù)的幀畫面序列組成的，而VOP是某一時(shí)刻某一幀畫面的VO，VOP編碼是針對(duì)某一時(shí)刻該幀畫面VO的形狀、運(yùn)動(dòng)、紋理等三類信息進(jìn)行編碼。從類型上看包括幀內(nèi)IVOP（Intra VOP）、幀間前向因果預(yù)測(cè)PVOP（Inter Prediction VOP）、幀間雙向非因果預(yù)測(cè)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(duì)VOP的形狀進(jìn)行編碼。

在本文設(shè)計(jì)的編解碼器中，對(duì)于352×288的VOP圖像數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)采樣兩個(gè)色差樣本。然后，分離不同的幀格式，分別對(duì)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(jié)構(gòu)，具有正交的類似RISC的微處理器集，主頻可達(dá)300MHz，有專門的視頻處理指令、靈活的SRAM和cache結(jié)構(gòu)，是一款在多媒體處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用中極具特色的芯片。因此，在編碼的過程中，應(yīng)充分考慮芯片的結(jié)構(gòu)和指令特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)程序的優(yōu)化。

使用硬件結(jié)構(gòu)提高處理速度

ADSP-21535內(nèi)部有兩塊RAM，即L1RAM和L2RAM。L1RAM是核內(nèi)的高速RAM，可以按照需要定義為cache或SRAM，或者一部分?jǐn)?shù)據(jù)cache，一部分?jǐn)?shù)據(jù)SRAM。它可分成16KB指令cache和指令SRAM，也可分成32KB數(shù)據(jù)cache和數(shù)據(jù)RAM。相對(duì)來(lái)說L2RAM離核較遠(yuǎn)，如果程序或數(shù)據(jù)放在L2RAM中直接執(zhí)行，速度會(huì)比較慢。因此如果程序的數(shù)據(jù)量較小，可以把程序和數(shù)據(jù)直接放入L1RAM中執(zhí)行。但是對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的程序來(lái)說，有時(shí)還有可能把數(shù)據(jù)放在外部存儲(chǔ)器中，如視頻采集數(shù)據(jù)，這時(shí)就應(yīng)該設(shè)置好cache允許的數(shù)據(jù)地址和程序地址，然后啟動(dòng)cache，這樣程序和數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)調(diào)入L1RAM中執(zhí)行。

運(yùn)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(qiáng)的特點(diǎn)，為了滿足隨機(jī)存儲(chǔ)和高壓縮比的要求，一般采用幀間和幀內(nèi)的編碼技術(shù)。在MPEG-4運(yùn)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(nèi)點(diǎn)的搜索。匹配使當(dāng)前的圖像與預(yù)測(cè)圖像的絕對(duì)差值和，即SAD最小。

SAD的計(jì)算是運(yùn)動(dòng)估值中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)搜索的速度，這也是圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)同時(shí)做4組VIDEO單元的絕對(duì)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(jié)果放在A0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(duì)的兩個(gè)寄存器，一般稱為寄存器組0和寄存器組1）。

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

用ADSP-21535計(jì)算當(dāng)前塊與目標(biāo)宏塊的SAD值的程序在此就不再贅述。

結(jié)語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)使用Visual DSP++3.0進(jìn)行開發(fā)，通過JTAG口仿真，在CIF格式下（352×288）進(jìn)行測(cè)試。采集的幀率為25fps，對(duì)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(shù)據(jù)可以看出，用Blackfin實(shí)現(xiàn)MPEG-4編解碼方案是可行的，能有效解決傳輸數(shù)據(jù)的瓶頸問題，提高信號(hào)的處理速度。同時(shí)該芯片的功耗小，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)電源的動(dòng)態(tài)管理，有利于實(shí)現(xiàn)視頻壓縮卡的集成。當(dāng)然，如果能夠?qū)λ惴ㄟM(jìn)一步優(yōu)化，就更有利于視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和傳輸。

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