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隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和多媒體技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)通信的重要性和需求急劇增加，如桌面視頻會(huì )議、移動(dòng)終端、基于因特網(wǎng)的視音頻通信等。隨之而來(lái)的是視頻壓縮技術(shù)的迅速發(fā)展和視頻壓縮標準的不斷推出。國際運動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組（MPEG）先后推出了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4.MPEG-4是由國際運動(dòng)圖像專(zhuān)家組于1998年11月制定的。它是一個(gè)面向多媒體應用的壓縮標準，其應用覆蓋范圍遠大于MPEG-1和MPEG-2等標準。從移動(dòng)可視電話(huà)到專(zhuān)業(yè)視頻編輯，既支持自然圖像，也支持計算機合成圖像。最重要的是它支持交互功能。這是由于MPEG-4采用了與其它標準不同的、基于對象的圖像描述方式。目前，國內有關(guān)MPEG-4應用技術(shù)的研究及開(kāi)發(fā)的工作正在悄然興起。筆者在研究了MPEG-4視頻標準之后，充分利用TMS320C6201的硬件資源和軟件優(yōu)化，實(shí)時(shí)實(shí)現了嵌入式MPEG-4視頻解碼器。 1 MPEG-4視頻碼流及主要算法 MPEG-4采用了基于對象的壓縮編碼技術(shù)。在編碼前，首先要對視頻序列進(jìn)行分析，從原理圖像中分割出各個(gè)視頻對象，然后南分別對每個(gè)視頻對象單獨編碼。每個(gè)對象都有自己的形狀信息（shape）、運動(dòng)信息（motion）、紋理信息（texture）。對視頻對象的編碼就是對這3種信息進(jìn)行編碼。MPEG-4通過(guò)運動(dòng)預測和運行補償來(lái)去除連續幀之間的時(shí)間冗余。運動(dòng)預測與運動(dòng)補償的精度可以為整像素、半像素或1/4像素，另外還增了重疊運動(dòng)補償方式。與形狀相關(guān)算法有：基于鄰近信息的算術(shù)編碼、水平和垂直填補、擴張填補等。與紋理編碼相關(guān)的算法有：離散余弦變換（DCT）、量化、DCT系數的DC/AC差分預測、Zig-Zag掃描、游程編碼、霍夫曼變長(cháng)編碼等。 筆者實(shí)現的是MPEG-4的SVP（Simple Visual Profile）視頻解碼。視頻序列全部為矩形，所以不存在任意形狀編碼。視頻序列按照視頻對象層VOL（Video Object Layer）、視頻對象平臺VOP（Video Object Plane）、宏塊MB（Macro Block）視順序編成一串碼流。1個(gè)VOL中包含多個(gè)VOP，1個(gè)VOP中包含多個(gè)MB。MB是碼流中的基本單位。MB又分為幀內MB（intraMB）、幀間MB（imterMB）。幀間4VMB(inter4VMB)等幾種。在I-VOP中，所有的宏塊都是intraMB。P-VOP中宏塊有多種可能，可以是intraMB、interMB或inter4VMB。P-VOP中的interMB或inter4VMB的碼流描述如下： MB碼流=MB形狀+MB頭信息+MV+DCT紋理信息（Y1+Y2+Y3+Y4+U+V） 由于是矩形幀，所以無(wú)形狀編碼MB shape部分。 MB頭信息中主要包括4個(gè)參數：not_coded（本MB是否編碼的標志位）、mcbpc（色度塊U和V是否編碼的標志位）、cbpy（亮度塊Y1～Y4是否編碼的標志位）、dquant（本MB中DCT系數量化步長(cháng)的增量值）。 MV為運動(dòng)矢量，實(shí)際寫(xiě)入碼流的是運動(dòng)矢量誤差值（ΔMV），這是因為編碼中MV采用差分編碼。如果MB是一個(gè)interMB，則表示本MB只有1個(gè)運動(dòng)矢量，所以在碼流中只傳1個(gè)ΔMV；如果MB是一個(gè)inter4VMB，則表示本MB有4個(gè)運行矢量，即每個(gè)子塊（block）有1個(gè)運動(dòng)矢量，所以在碼流中需傳送4個(gè)ΔMV，即mvd1、mvd2、mvd3和mvd4。 最后是一連串經(jīng)過(guò)量化、Zig-Zag掃描、游程編碼和霍夫曼變長(cháng)編碼的DCT系數，按照Y1、Y2、Y3、Y4、U和V的先后順序編碼。 2 TMS320C6201 DSP及EVM板介紹 2.1 TMS320C6201 DSP TMS320C6201是美國TI公司的C6000系列新一代數字信號處理器中的第1個(gè)產(chǎn)品，于1997年3月發(fā)布。它是一個(gè)32bit的定點(diǎn)DSP芯片。該芯片具有8個(gè)相互獨立的功能單元，可以工作在200MHz的CPU時(shí)鐘頻率，全速運行時(shí)可達到1600 MIPS。其主要特性包括： *芯片內核采用VelociTI TM先進(jìn)的超長(cháng)指令字（VLIW）結構，具有高度的并行性和快速的運行能力，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可同時(shí)執行8條32位指令，并且所有的指令都可以有條件執行； *具有豐富的指令系統且可對字節操作，支持16位的乘法運算； *有4個(gè)彼此獨立的快速的DMA通道，可以進(jìn)行多種形式的數據傳輸。 *片內數據存儲區和程序存儲區各64KB，并支持多種數據寬度8位/16位/32位；32位的外部存儲器接口，提供與片外SDRAM、SDSRAM和SRAM的直接接口。 TMS320C6201的以上特點(diǎn)，能滿(mǎn)足視頻圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。例如：TMS320C6201 DSP計算1塊8%26;#215;8 IDCT（逆變散余弦變換）僅用（168+62）個(gè)時(shí)鐘周期，為1.15μs。 2.2 EVM板 TMS320C6201 EVM板是一塊帶有PCI接口的插卡，除了可以插在計算機主板的PCI插槽上使用外，還可以外配電源作為獨立的模塊工作，并通過(guò)XDS510仿真器進(jìn)行調試。該板上配有1片TMS320C6201 DSP，最高工作在160MHz。 EVM板上提供的片外存儲器包括1組64Kbit%26;#215;32（256KB）、133MHz的SBSRAM，配置成CE0；2組4MB、100MHz的SDRAM，分別配置成CE2和CE3；另外還可以通過(guò)板上的外部存儲器接口（EMIF）擴展存儲空間，這些擴展存儲器配置成CEI。 3 用TMS320C6201實(shí)現MPEG-4 SVP解碼 3.1 MPEG-4視頻解碼原理 MPEG-4的一個(gè)VOP的解碼過(guò)程如圖1所示，解碼器用這一過(guò)程從編碼位流中恢復視頻對象。不難看出，解碼器主要由形狀解碼器、運動(dòng)解碼器和紋理解碼器3部分組成。 3.2 程序流程 整個(gè)程序采用模塊化設計，以?xún)?yōu)化C語(yǔ)言編程為主。限于篇幅，僅列出主程序流程（如圖2所示）和MB解碼流程（如圖3所示）。 主程序在初始化后，首先從碼流中解出VOL和VOP的頭，然后根據這些頭信息以宏塊為單位進(jìn)行解碼。MB解碼單獨做成函數，也是首先解出頭信息，據此判斷出宏塊類(lèi)型：幀內MB、幀間MB或幀間4VMB。幀內MB解碼是以1塊為單位作紋理解碼，解出的紋理值在block[64]中，最后存入解碼后宏塊行緩存區內；2種幀間MB解碼相同部分都是先解出運動(dòng)矢量MV，根據MV進(jìn)行運動(dòng)補償得到預測值存入解碼后宏塊行緩存區，再以塊為單位進(jìn)行紋理解碼，解出殘差值存入block[64]中，最后將block[64]加入到解碼后宏塊門(mén)緩存區中得到最后結果。不同的是，在解碼MV時(shí)intraMB解出1個(gè)MV；而inter4VMB解出4個(gè)MV。因此，運動(dòng)補償時(shí)，一個(gè)按宏塊做，一個(gè)按塊做。另外還有一種情況，就是P-VOP中的MB沒(méi)有被編碼（not_coded=1），碼流中沒(méi)有此宏塊的數據，應該MV=0、DCT系數全為0處理，即從前一幀同樣位置處找到參考塊作為當前宏塊的結果。 3.3 存儲器分配 MPEG-4 SVP解碼器是在EVM板上編程實(shí)現的。由于TMS320C6201 DSP片內數據存儲空量只有64KB，而圖像處理的數據量非常大，因此，合理有效地分析存儲空間是解碼設計中的關(guān)鍵問(wèn)題。內部64KB存儲空間內開(kāi)辟了一些空間用于暫存解碼中常用的一些信息，具體設置如表1所列。 表1 內部數據存儲器空間分配 全局變量所占空間/B 變長(cháng)解碼（VLD）表 4906 Zig-Zag掃 192 VOL、VOP和MB的頭信息 108 DC/AC預測和MB模式 5560 MV預測 9504 量化步長(cháng) 396 解碼輸出緩存區（1個(gè)宏塊行） 8448 輸入的壓縮碼流緩存區 10K 合 計 38.3K 輸入的壓縮碼流和解碼后的視頻輸出都存儲在片外。輸入的壓縮碼流在程序開(kāi)始前由PC機傳輸到EVM板的外部存儲器中保存，解碼時(shí)分批將數據通過(guò)DMA方式復制到片內。片內設置1個(gè)壓縮碼流緩存區。解碼后的視頻序列存放在外部存儲器中，在內部緩存1個(gè)宏塊行，每解完1個(gè)宏塊行后，就用DMA傳輸到外部存儲器中。 3.4 程序優(yōu)化 （1）軟件開(kāi)發(fā)流程及開(kāi)發(fā)工具 整個(gè)程序的編寫(xiě)和調試按照C6000軟件開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行，流程分為：產(chǎn)生C代碼、優(yōu)化C代碼和編寫(xiě)線(xiàn)性匯編程序3個(gè)階段。使用的開(kāi)發(fā)工具是TI的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Studio）。在CCS下，可以對軟件進(jìn)行編輯、編譯、調試、代碼性能測試（profile）等所有工作。 （2）程序優(yōu)化措施 為使程序優(yōu)化，采取如下措施： ①為編寫(xiě)出優(yōu)化的C程序，在編程時(shí)盡量按照C6000環(huán)境下支持的優(yōu)化C的方法進(jìn)行編程，這樣有助于C編譯器產(chǎn)生高效的匯編代碼。 ②使用TI提供的庫函數，大大提高了編程效率。 ③使用DMA傳數，提高了CPU的效率。 在解碼程序中用DMA方式實(shí)現了下列數據的傳輸： *碼流輸入——碼流從片外存儲器傳輸到片內； *解碼后的結果輸出——解碼完一宏塊行后，將結果從片內傳輸到片外保存； *頂部和低部的填充； *運動(dòng)補償時(shí)，將在片外找到的參考塊傳輸到片內。 （3）采用線(xiàn)性匯編對某些程序段做進(jìn)一步優(yōu)化。 為了提高代碼性能，對影響應用程序的代碼可以用線(xiàn)性匯編重新編寫(xiě)。 3.5 MPEG-4 SVP解碼器的特性及測試結果 按照上述思路所實(shí)現的MPEG-4 SVP視頻解碼器完全符合MPEG-4的SVP規范，其特點(diǎn)如表2所列。輸入圖像分辨率可為QCIF或CIF，輸入比特率為64Kbps、128Kbps和384Kbps，輸出圖像格式為4：2：0YUV，最大解碼速率為30幀/s。 表2 MPEG-4 SVP視頻解碼器特性表 壓縮標準 MPEG-4SVP 輸入圖像分辨率 QCIF（176%26;#215;144），CIF（352%26;#215;288） 像素精度 8bit/pixel 掃描格式逐行掃描 輸入比特率/Kbps 64，128，384 最大解碼幀率最高30幀/s 輸出圖像格式 4：2：0 YUV 在解碼軟件是在EVM板上調試通過(guò)的，解碼時(shí)間可在CCS環(huán)境下測得。對于不同的圖像解碼所用的時(shí)間是有差異的。筆者對多種情況的碼流進(jìn)行了測試，在1秒內都能解出25～30幀，甚至更多幀從而實(shí)現了實(shí)時(shí)解碼。 結束語(yǔ) 筆者在研究了MPEG-4的視頻編解碼算法之后，成功地在TMS320C6201 EVM板上編程實(shí)現子MPEG-4 SVP的實(shí)時(shí)解碼，為最終設計出獨立的MPEG-4解碼器打下了基礎。此解碼器可以嵌入到某些移動(dòng)終端中，用于解碼VPEG-4碼流，如PDA、機頂盒和住宅網(wǎng)關(guān)等；還可以與相應的編碼器配套用于遠程監控中。 |
