基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)

引言

    本文設(shè)計了基于TMS320C6000系列DSP的MPEG-4編碼器。將攝像頭獲取的圖像以MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實時壓縮并通過VGA實時顯示，同時把壓縮好的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸給ARM控制器，經(jīng)由ARM根據(jù)實際的需要進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

      MPEG-4 是一種開放性標(biāo)準(zhǔn)，其中許多部分都沒有規(guī)定，可以加入一些新的算法，因此采用通用DSP 能夠隨時更新算法、優(yōu)化算法，使得編碼效率更高。由于MPEG-4 編碼算法復(fù)雜，需要存儲的數(shù)據(jù)量大，無論是存儲空間分配、數(shù)據(jù)傳輸還是運(yùn)算速度對DSP來說都是挑戰(zhàn)。

     C6000系列DSP是TI公司生產(chǎn)的高檔DSP。這一系列DSP都是基VelociTITM構(gòu)架的VLIW DSP，它在每個周期可以執(zhí)行八條32bit 的指令， 具有高達(dá)200MHZ的CPU，從而使得其運(yùn)算能力達(dá)到1600MIPS。而6416在600MHz主頻下，只利用50%的運(yùn)算能力就可以同時進(jìn)行單通道MPEG-4視頻編碼、單通道MPEG-4視頻解碼和單通道MPEG-2視頻編碼的處理。同時其對外接口靈活、開發(fā)工具齊全，被大多數(shù)嵌入式圖像實時壓縮系統(tǒng)所采用。因此本系統(tǒng)采用TI公司TMS320C6416芯片為核心處理器。

1．TMS320C6416的結(jié)構(gòu)及特點

    DSP的CPU結(jié)構(gòu)如圖1所示，它具有兩個通道，每個通道具有4個功能單元（1個乘法器和3個算術(shù)邏輯單元），16個32位通用寄存器，每個通道的功能單元可以隨意訪問本通道的寄存器。CPU還有兩個交叉單元，通過它們，一個通道的功能單元可以訪問另一個通道的寄存器。另外， CPU還具有256 bit寬的數(shù)據(jù)和程序通道，可以使程序存儲器在每個時鐘周期提供8條并行執(zhí)行指令。這種CPU結(jié)構(gòu)是DSP具有VLIW結(jié)構(gòu)的最基本條件。此DSP的存儲空間映射為內(nèi)部存儲器、內(nèi)部外設(shè)及擴(kuò)展存儲器。其中內(nèi)部存儲器由64KB內(nèi)部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成，內(nèi)部程序存儲器可以映射到CPU地址空間或者作為Cache操作。內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器均可通過CPU、DMA或HPI（Host Interface）方式訪問，HPI接口使上位機(jī)可以訪問DSP的存儲空間。

2．系統(tǒng)硬件設(shè)計

    本系統(tǒng)主要分為三部分，分別是視頻采集模塊、視頻的MPEG-4編碼模塊和視頻傳輸模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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2.1 視頻采集

   在本系統(tǒng)中，對輸入的模擬視頻信號的采集是由BT835視頻Decoder完成的，支持的視頻輸入為PAL制或NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，輸入的視頻信號既可以是復(fù)合視頻信號，也可以是S-Video信號，輸出為4:2:2的YUV格式的圖像數(shù)據(jù)。

   圖3所示為DSP 模擬視頻輸入接口原理框圖。標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號經(jīng)預(yù)處理進(jìn)入A/ D轉(zhuǎn)換器；同時又經(jīng)時鐘產(chǎn)生電路得到與行同步同相位的A/ D 轉(zhuǎn)換時鐘,這樣可以使得每行的采樣點均為整數(shù)。為了確保視頻數(shù)據(jù)整行地被采集到DSP 中進(jìn)行處理,特將行同步信號作為FIFO 讀入數(shù)據(jù)的起點。同時,行同步、場同步以及奇偶場標(biāo)志信號也直接進(jìn)入DSP ,使其能夠確定讀入的視頻數(shù)據(jù)在一幀中的具體位置。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性,這里利用TMS320C6416 DSP 的DMA(直接存儲器存取) 通道背景操作特性,以使DSP 和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換能夠與其內(nèi)部CPU 的高速運(yùn)算操作同時進(jìn)行。而FIFO 的功能在于,通過它的緩沖,使得DSP 可以從容地與A/ D 之外的其它外設(shè)交換數(shù)據(jù)。

     其中ARM7的作用是時鐘的產(chǎn)生及控制視頻采集芯片，將采得的數(shù)據(jù)從8位或16位轉(zhuǎn)化為32位，并且使數(shù)據(jù)按照Y、U、V分開的方式排列。這樣相當(dāng)于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次預(yù)處理，以便于視頻編碼使用。另外ARM7將32位寬的數(shù)據(jù)輸出給32位的FIFO。用32位的FIFO以及將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32位，可以使DSP讀取視頻數(shù)據(jù)時32位的數(shù)據(jù)總線沒有空閑，從而提高DSP讀取視頻數(shù)據(jù)的效率；這里使用FIFO是為了減少DSP讀取數(shù)據(jù)的時間、降低高速設(shè)備和低速設(shè)備的不匹配。每次FIFO半滿時，ARM7會給DSP發(fā)送中斷信號， 并且在中斷處理程序中使用DMA方式讀取視頻數(shù)據(jù)；如果不使用ARM7，DSP會頻繁中斷，從而花費(fèi)大量時間在入棧、出棧以及寄存器的設(shè)置上。

2.2 視頻的MPEG-4編碼模塊

     DSP讀入視頻數(shù)據(jù)后進(jìn)行先期處理，如將YUV格式轉(zhuǎn)為RGB格式等；然后進(jìn)行MPEG-4視頻編碼。在這一過程中，數(shù)據(jù)訪問通常要占用50%的時間，算術(shù)運(yùn)算要占用30%的時間，控制要占用20%的時間。因為需要進(jìn)行運(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)存儲器中通常保存一幀I（原始幀）幀圖像和至少一幀P（預(yù)測幀）幀圖像，這些圖像占用的空間都比較大，因此放在外部存儲器SDRAM里。在編碼過程中還要存儲DCT系數(shù)、運(yùn)動向量、量化矩陣、可變長編碼表、Z形編碼表等，由于占用較小的存儲空間而且會反復(fù)用到，因此把它們放在片內(nèi)存儲器中。

2.3 視頻傳輸

     與PC 機(jī)不同,DSP 片內(nèi)片外的兩級存儲體系結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)分配原則決定了編碼器實現(xiàn)過程中必然存在大量的數(shù)據(jù)傳輸,因而必須有效地管理以減少數(shù)據(jù)

傳輸所需的時間。

    至于數(shù)據(jù)的采集部分可以利用DSP的DMA來進(jìn)行。TMS320C6000 DSP 大都具有幾個獨立的DMA 通道,DMA 的特點是可以在不受CPU 干預(yù)的情況下完成數(shù)據(jù)從源地址到目的地址的搬移。[!--empirenews.page--]

    但是DMA 只適合于數(shù)據(jù)塊的整體搬移,對于不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的數(shù)據(jù)傳輸,前DSP 的DMA 控制器就無能為力了。所以可以借助ARM7控制DSPDMA 來完成視頻編碼中復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸。

     完成編碼后的視頻數(shù)據(jù)通過ARM7來進(jìn)行和外界的傳輸，可以通過Internet、    CDMA或者GSM網(wǎng)絡(luò)等，只需要ARM7設(shè)計相應(yīng)的傳輸接口即可。至于ARM7與編碼卡通信可以通過并口、串口、USB口、PCI接口等方式實現(xiàn)。其中PCI 接口方式易于ARM7與編碼器高速傳輸數(shù)據(jù)，因此可以采用PCI接口。編碼后的數(shù)據(jù)通過DSP的HPI、PCI橋芯片、PCI總線到達(dá)ARM7。ARM7通過DSP的HPI直接對DSP的存儲空間進(jìn)行訪問。

3   軟件設(shè)計及優(yōu)化

3.1 視頻采集

     本系統(tǒng)在視頻采集中設(shè)計了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將空間連續(xù)的先行緩沖區(qū)轉(zhuǎn)化為一個環(huán)形的緩沖區(qū)，其簡單的示意圖如圖4所示。

    采用此方法只要為這個緩沖區(qū)分配足夠大的空間，使其中存放的圖像幀的數(shù)目至少大于3，這樣就可以保證在對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時還可以同步進(jìn)行新的圖像數(shù)據(jù)的采集，而不會發(fā)生任何數(shù)據(jù)沖突。系統(tǒng)將會永遠(yuǎn)保留環(huán)形緩沖區(qū)中最舊的N幀圖像直至被系統(tǒng)取走。

3.2 視頻編碼

   MPEG-4的視頻編碼是基于對象的視頻編碼，它仍然采用傳統(tǒng)的預(yù)測編碼、運(yùn)動補(bǔ)償、DCT變換構(gòu)成的混合編碼方式。編碼器的核心算法包括運(yùn)動估計、DCT/IDCT、量化、VLC 等,其中運(yùn)動估計占據(jù)整個編碼器近四分之一的運(yùn)算量。因此，研究適合DSP 結(jié)構(gòu)的、在速度和編碼質(zhì)量之間具有良好折中的運(yùn)動估計算法是實現(xiàn)實時編碼的一個關(guān)鍵問題。

    在視頻編碼中應(yīng)該采用塊匹配的運(yùn)動估計算法，但傳統(tǒng)的塊匹配算法在匹配速度上達(dá)不到滿意的效果，因此本系統(tǒng)采用了在三步搜索算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的四步搜索的塊匹配算法。

四步搜索算法描述如下：

（1）搜索匹配點組成一個菱形窗口，如圖5所示。初始的9個匹配點為菱形的4個頂點、4條邊的中點及菱形的中心點，如圖5中的實心點。對每個點計算SAD的值，選取SAD最小的點。如果該點是此次搜索窗口的中心則跳到第4步，否則到第2步。

          圖5 四步搜索算法示意圖

（2）以SAD最小的點為新的菱形匹配點窗口的中心點，其余的匹配點的選取按下面的原則進(jìn)行。

a)如果SAD最小的點是當(dāng)前搜索窗口的角上的點，如A點，則取與A點不相鄰的另外5個點，如圖5中的形如的點。選取SAD最小的點，并到第3步；

b）如果SAD最小的點是當(dāng)前搜索窗口的邊上的點，如B點，則取與B點不相鄰的另外3個點，如圖5中的形如的點。選取SAD最小的點，并到第3步；

c）如果SAD最小的點是當(dāng)前搜索窗口的中心點C點，則到第4步；

（3）搜索模式同2，最后都到第4步。[!--empirenews.page--]

（4）選取周圍的四個點作為匹配點，步長改為1，如圖5中所示的空心點。選取SAD最小的點作為最終目標(biāo)點。

四步搜索算法比三步搜索算法的復(fù)雜度更小，但精度并沒有降低，同時算法規(guī)則易于實現(xiàn)軟件流水,而非常適合在DSP 上實現(xiàn)。

3.3 軟件優(yōu)化

由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高,并且具有嚴(yán)格的幀、場時間限制,因此如何針對圖像處理的特點對DSP 進(jìn)行優(yōu)化編程,充分發(fā)揮其性能就成為提高整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

要想充分發(fā)揮DSP的運(yùn)算能力，必須從它的硬件結(jié)構(gòu)出發(fā)，最大限度地利用八個功能單元，使用軟件流水線，盡量讓程序無沖突地并行執(zhí)行。一般循環(huán)體都滿足并行處理的條件，并且循環(huán)體往往是程序中耗時最長的。因此在進(jìn)行優(yōu)化時將重點放在循環(huán)體上。

1) DSP跳轉(zhuǎn)指令的優(yōu)化

DSP的指令多為單周期指令，但是轉(zhuǎn)移類指令卻通常要耗費(fèi)較多的時鐘周期，每個跳轉(zhuǎn)都有5個延遲間隙，從性能上考慮是一項很耗時的工作，因此應(yīng)盡可能地減少程序中的分支。

2) 使用庫函數(shù)

TI公司對TMS320C6000的用戶提供了功能強(qiáng)大的IMAGE LIB庫支持。在這個庫中，包含許多常用函數(shù)，可以完成DCT/IDCT變換、小波變換、DCT量化、自適應(yīng)濾波等功能。這些函數(shù)都是優(yōu)化過的，完全能夠?qū)崿F(xiàn)軟件流水，效率很高。

3）存儲空間的考慮

DSP存儲空間的配置十分重要。因為DSP對不同的存儲單元的訪問速度是有區(qū)別的，對片內(nèi)寄存器的訪問速度最快，對片內(nèi)RAM的訪問速度比片外RAM的訪問速度快。因此合理地配置和使用存儲空間，對系統(tǒng)整體效率影響很大。應(yīng)該盡可能地把訪問比較頻繁的常數(shù)表和代碼段裝入片內(nèi)RAM，如果過大，則把其中一部分裝入片外存儲器。

4）混合編程

不同于傳統(tǒng)的VLIW ,Veloci TI 采用了多種先進(jìn)技術(shù),從而使得DSP的C編譯器具有很高的效率,我們稱之為面向C語言結(jié)構(gòu)的DSP芯片。其平均編譯效率可以達(dá)到手工匯編的84 %。這使得在絕大多數(shù)應(yīng)用中我們可以采用C 語言編寫程序從而充分利用大量用C 描述的算法程序,并獲得遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)DSP程序的可維護(hù)性、可移植性、可繼承性,縮短開發(fā)周期。

雖然C6000的C編譯器有如此高的編譯效率，但是對于MPEG-4這樣復(fù)雜的算法，只運(yùn)用C語言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一般采用C語言和匯編語言相結(jié)合的方式來完成程序設(shè)計。程序設(shè)計流程如下：先寫C代碼并對其優(yōu)化，如果不能達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效率，則編寫匯編代碼來提高效率。

4 總結(jié)

     該系統(tǒng)非常靈活，支持的視頻輸入為PAL制或NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，輸入的視頻信號既可以是復(fù)合視頻信號，也可以是S-Video信號。并支持多分辨率，分別為FULL、CIF和QCIF，可以滿足多種應(yīng)用的需求。測試證明經(jīng)過以上的優(yōu)化可以實現(xiàn)視頻圖像的實時壓縮，同時系統(tǒng)運(yùn)行可靠、功耗低。