基于多DSP的MPEG-4系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于MPEG-4的視頻編解碼技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前多媒體技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。本文提出了一種以多DSP為核心的MPEG-4編解碼系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出了具體的硬件平臺(tái)方案。
關(guān)鍵詞：DSP;MPEG-4;音視頻

引言

    隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，消費(fèi)類電子、電視電影廣播、計(jì)算機(jī)技術(shù)日益緊密地結(jié)合起來(lái)。人們不再滿足于只用簡(jiǎn)單的文字、聲音進(jìn)行交流，逐漸趨向于用圖、文、聲、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種媒體進(jìn)行綜合交流。

    MPEG-4作為新一代多媒體標(biāo)準(zhǔn)提供了一整套能同時(shí)滿足制作者、服務(wù)商和終端用戶的編解碼技術(shù)。它為數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)的通信、訪問(wèn)和操作提供了新的方法，并且提供了一個(gè)靈活的框架和一套開(kāi)發(fā)工具來(lái)支持新的和傳統(tǒng)的性能。其基于對(duì)象的數(shù)據(jù)壓縮、靈活的碼流伸縮性以及可交互性的優(yōu)點(diǎn)使其可以適應(yīng)多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

    基于MPEG4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案紛紛推出，有的為硬件方案，有的為軟件方案。前者設(shè)計(jì)一個(gè)MPEG-4專用編解碼芯片，后者方式是基于通用視頻DSP芯片的軟件實(shí)現(xiàn). 采用專用芯片的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,壓縮率高,且圖像質(zhì)量也好。缺點(diǎn)是一旦編解碼方案固定,就較難對(duì)其進(jìn)行升級(jí)與更新,且此種系統(tǒng)成本造價(jià)高,不易在市場(chǎng)上推廣。后一種方式利用DSP的高速信號(hào)處理功能,使用軟件實(shí)現(xiàn)的算法在其上運(yùn)行時(shí)可以大大縮短執(zhí)行時(shí)間,獲得較高的壓縮率,同時(shí)該方案易升級(jí),算法易更新。

     近幾年隨著通用DSP芯片的價(jià)格下降，使得以DSP芯片為核心加上適當(dāng)?shù)耐鈬考纬傻腗PEG-4音視頻編解碼系統(tǒng)將成為主流。本系統(tǒng)就是基于TI 公司的DSP平臺(tái)上對(duì)MPEG-4編解碼算法的實(shí)現(xiàn)。

1. 方案設(shè)計(jì)

    在開(kāi)發(fā)MPEG-4編解碼系統(tǒng)時(shí)，總的來(lái)說(shuō)其難點(diǎn)在于對(duì)MPEG-4視頻編解碼算法的實(shí)現(xiàn)上。這是由于視頻圖像數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)其處理和壓縮需占用較多的芯片資源和處理時(shí)間，在單獨(dú)的一片DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，在視頻編碼中通常的實(shí)現(xiàn)方式是由單片的DSP芯片加上一定的片外擴(kuò)展資源（如EPROM、SDRAM等）來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼算法，但是在實(shí)際算法的執(zhí)行中，對(duì)外接器件中的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的速度遠(yuǎn)小于對(duì)DSP芯片內(nèi)部資源的讀寫(xiě)速度，這使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度就比較慢。如果要求一片DSP芯片同時(shí)實(shí)現(xiàn)編解碼算法則開(kāi)發(fā)難度就更大了。實(shí)際的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)也證明在單片DSP上實(shí)現(xiàn)視頻的編解碼算法較為困難，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，其圖像效果也不佳。而在實(shí)際應(yīng)用中，用戶對(duì)圖像顯示效果的要求越來(lái)越高，這就對(duì)圖像的顯示速度和清晰度提出了更高的要求。

    本方案中是采用多DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG-4的編解碼算法，多DSP的好處不言而喻，多DSP的協(xié)同處理可以極大得提高信號(hào)處理的速度。雖然多DSP帶來(lái)成本上提升，但是主流通用DSP芯片TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片價(jià)格的逐年下降，使得多DSP的應(yīng)用已經(jīng)步入實(shí)用化階段。

2．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案是采用三片DSP作為音視頻的協(xié)處理器：一片TMS320C5402（以下簡(jiǎn)稱為TMS5402）實(shí)現(xiàn)音頻編解碼，一片TMS320C6204(以下簡(jiǎn)稱為TMS6204)實(shí)現(xiàn)視頻編碼，另一片TMS6204實(shí)現(xiàn)視頻的解碼。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，同時(shí)擴(kuò)展其網(wǎng)絡(luò)功能，另外采用了一片ATMEL公司的AT75C220芯片，通過(guò)在其上嵌入式操作系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP芯片及其外圍電路的控制。具體的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：

 
     系統(tǒng)上電后，通過(guò)自引導(dǎo)程序進(jìn)行初始化，AT75C220自動(dòng)從Flash Disk中植入嵌入式操作系統(tǒng)，各DSP芯片也分別自引導(dǎo)入相應(yīng)的編解碼算法。同時(shí)此操作系統(tǒng)還向用戶提供一個(gè)友好的操作界面，用戶通過(guò)此界面來(lái)控制DSP芯片的編解碼過(guò)程、系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，以及常用的功能(關(guān)機(jī)、播放音視頻、上網(wǎng)等)。

2.1 音視頻編碼
    視頻編碼模塊框圖如下：

 
    視頻編碼工作過(guò)程：視頻圖像經(jīng)過(guò)采集存儲(chǔ)于幀緩存器中，采集完成后FPGA(可編程邏輯器件)向TMS6204發(fā)出接收信號(hào)。TMS6204接收到“圖像已采集好”的信號(hào)后，就通過(guò)DMA方式將圖像寫(xiě)至片外存儲(chǔ)器SDRAM中，并開(kāi)始運(yùn)行MPEG-4視頻編碼算法對(duì)片外存儲(chǔ)器中的圖像進(jìn)行編碼。編碼輸出信號(hào)通過(guò)HPI(Host Port Interface)口送至AT75C220，AT75C220將視頻信號(hào)與音頻進(jìn)行同步打包后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)往接收主機(jī)處。

    音頻編解碼模塊框圖如下：

 
    音頻編碼的過(guò)程與視頻類似，不同的是由TMS5402來(lái)執(zhí)行編碼算法，這主要是考慮到系統(tǒng)的性價(jià)比。由于音頻編碼的運(yùn)算量要比視頻編碼小得多，這使得TMS5402的芯片資源足夠完成音頻編碼，并且其價(jià)格要比TMS6204低的多。

    音頻編碼工作過(guò)程：信號(hào)通過(guò)MIC(Microphone)送到A/D轉(zhuǎn)換器中,A/D轉(zhuǎn)換器將收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散信號(hào),未壓縮的離散信號(hào)被送到DSP后,DSP將其存儲(chǔ)起來(lái),每收夠一幀處理一次,即調(diào)用音頻編碼算法一次,編碼后得到的離散信號(hào)被DSP發(fā)送至AT75C220，由其打包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)至主機(jī)處。

    音頻解碼和音頻編碼都在同一塊DSP芯片TMS5402中完成，這是因?yàn)橐纛l的編解碼過(guò)程沒(méi)有視頻那么復(fù)雜，占用的資源相對(duì)較少。以TMS5402的芯片資源是可以同時(shí)完成音頻的編解碼算法的。

2.2 音視頻解碼
    音頻解碼工作過(guò)程：TMS5402接收到MPEG-4音頻已編碼信號(hào)后就開(kāi)始進(jìn)行解碼算法，每解碼出一幀音頻信號(hào)，就直接將其進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到耳機(jī)或是音箱中播放。

    視頻解碼模塊框圖如下：

 
    視頻解碼工作過(guò)程：AT75C220將接收到的MPEG-4視頻編碼信號(hào)直接送往TMS6204。當(dāng)其運(yùn)行解碼算法得到第一幀的圖像數(shù)據(jù)后，就將其拷貝到片外的SDRAM中，同時(shí)向FPGA發(fā)送一個(gè)初始化信號(hào)，然后FPGA調(diào)用中斷通過(guò)DMA方式將SDRAM中的圖像轉(zhuǎn)移到FIFO里，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換合成為RGB信號(hào)后送往顯示器顯示出圖像。

2. 系統(tǒng)特點(diǎn)
    根據(jù)仿真的結(jié)果，在352*240（NTSC制式），視頻輸出35幀/秒以上，碼率可控制在100kbps~1000kbps之間，完全可以滿足實(shí)際需要。近年來(lái)，隨著FPGA技術(shù)的日益成熟，利用FPGA的特殊結(jié)構(gòu)和特性，很多復(fù)雜數(shù)字算法開(kāi)始使用PPCA完成，使它可以更加高速和高效地完成這些算法，但相應(yīng)的是其開(kāi)發(fā)難度變大，周期變長(zhǎng)。由于本系統(tǒng)是基于DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與上述方式相比具有設(shè)計(jì)周期短，成本低的特點(diǎn)。同時(shí)具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際需求形成豐富的產(chǎn)品系列。

3. 結(jié)束語(yǔ)

    MPEG4的應(yīng)用前景將是非常廣闊的。 它的出現(xiàn)將對(duì)以下各方面產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用：實(shí)時(shí)通信、數(shù)字電視、廣播電視、實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控、移動(dòng)多媒體通信、內(nèi)容存儲(chǔ)和檢索多媒體系統(tǒng)、基于Internet/Intranet的數(shù)字碼流視頻、基于面部表情模擬的虛擬會(huì)議、DVD上的交互多媒體應(yīng)用、基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可視化合作實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景應(yīng)用等。

參考文獻(xiàn)
1. Overview of the MPEG-4 standard[S].ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, N4030. Singapore，2001
2. MPEG-4 video verification model version 13.0[S].ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,
PEG99/N2678, Seoul, 1999.3
3. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N2203 MPEG-4 Audio (Final Committee Draft 14496-3) May 1998
4. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N1729 MPEG-4 Applications Document July 1997
5. 胡國(guó)榮  數(shù)字視頻壓縮及其標(biāo)準(zhǔn) 北京廣播學(xué)院出版社,北京,1999.
6. 鐘玉琢 王琪 賀玉文 基于對(duì)象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)－MPEG-4及其校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，科學(xué)出版社，北京，2000
7. 王念旭 DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京航天航空大學(xué)出版社，北京，2001