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山西快乐十分114041: TMS320C6201在MPEG-4視頻解碼器中的應用

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-7-13 打印本頁


摘要:TMS320C6201是美國TI公司生產的一種高性能數字信號處理器。本文介紹如何利用1片TMS320C6201數字信號處理器實現MPEG-4 SVP視頻解碼,并討論解碼器的結構,算法、存儲器分配以及程序的優化等問題,最后給出該解碼器總體特性表。

    關鍵詞:TMS320C6201 視頻壓縮 MPEG-4 VOP MB IDCT 運動補償

引言

  隨著網絡和多媒體技術的發展,視覺通信的重要性和需求急劇增加,如桌面視頻會議、移動終端、基于因特網的視音頻通信等。隨之而來的是視頻壓縮技術的迅速發展和視頻壓縮標準的不斷推出。國際運動圖像編碼專家組(MPEG)先后推出了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4.MPEG-4是由國際運動圖像專家組于1998年11月制定的。它是一個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。從移動可視電話到專業視頻編輯,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MPEG-4應用技術的研究及開發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化,實時實現了嵌入式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。在編碼前,首先要對視頻序列進行分析,從原理圖像中分割出各個視頻對象,然后南分別對每個視頻對象單獨編碼。每個對象都有自己的形狀信息(shape)、運動信息(motion)、紋理信息(texture)。對視頻對象的編碼就是對這3種信息進行編碼。MPEG-4通過運動預測和運行補償來去除連續幀之間的時間冗余。運動預測與運動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補償方式。與形狀相關算法有:基于鄰近信息的算術編碼、水平和垂直填補、擴張填補等。與紋理編碼相關的算法有: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、霍夫曼變長編碼等。

  筆者實現的是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VOL中包含多個VOP,1個VOP中包含多個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,所以無形狀編碼MB shape部分。

MB頭信息中主要包括4個參數: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系數量化步長的增量值)。

MV為運動矢量,實際寫入碼流的是運動矢量誤差值(ΔMV),這是因為編碼中MV采用差分編碼。如果MB是一個interMB,則表示本MB只有1個運動矢量,所以在碼流中只傳1個ΔMV;如果MB是一個inter4VMB,則表示本MB有4個運行矢量,即每個子塊(block)有1個運動矢量,所以在碼流中需傳送4個ΔMV,即mvd1、mvd2、mvd3和mvd4。

最后是一連串經過量化、Zig-Zag掃描、游程編碼和霍夫曼變長編碼的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個產品,于1997年3月發布。它是一個32bit的定點DSP芯片。該芯片具有8個相互獨立的功能單元,可以工作在200MHz的CPU時鐘頻率,全速運行時可達到1600 MIPS。其主要特性包括:

*芯片內核采用VelociTI TM先進的超長指令字(VLIW)結構,具有高度的并行性和快速的運行能力,每個時鐘周期最多可同時執行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個彼此獨立的快速的DMA通道,可以進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,能滿足視頻圖像處理的實時性要求。例如:TMS320C6201 DSP計算1塊8×8 IDCT(逆變散余弦變換)僅用(168+62)個時鐘周期,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??楣ぷ?,并通過XDS510仿真器進行調試。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×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實現MPEG-4 SVP解碼

3.1 MPEG-4視頻解碼原理

MPEG-4的一個VOP的解碼過程如圖1所示,解碼器用這一過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、運動解碼器和紋理解碼器3部分組成。

3.2 程序流程

整個程序采用??榛杓?,以優化C語言編程為主。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[6][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矢量MV,根據MV進行運動補償得到預測值存入解碼后宏塊行緩存區,再以塊為單位進行紋理解碼,解出殘差值存入block[6][64]中,最后將block[6][64]加入到解碼后宏塊門緩存區中得到最后結果。不同的是,在解碼MV時intraMB解出1個MV;而inter4VMB解出4個MV。因此,運動補償時,一個按宏塊做,一個按塊做。另外還有一種情況,就是P-VOP中的MB沒有被編碼(not_coded=1),碼流中沒有此宏塊的數據,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鍵問題。內部64KB存儲空間內開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 396 
解碼輸出緩存區(1個宏塊行) 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始前由PC機傳輸到EVM板的外部存儲器中保存,解碼時分批將數據通過DMA方式復制到片內。片內設置1個壓縮碼流緩存區。解碼后的視頻序列存放在外部存儲器中,在內部緩存1個宏塊行,每解完1個宏塊行后,就用DMA傳輸到外部存儲器中。

3.4 程序優化

(1)軟件開發流程及開發工具

整個程序的編寫和調試按照C6000軟件開發流程進行,流程分為:產生C代碼、優化C代碼和編寫線性匯編程序3個階段。使用的開發工具是TI的集成開發環境CCS(Code Composer Studio)。在CCS下,可以對軟件進行編輯、編譯、調試、代碼性能測試(profile)等所有工作。

(2)程序優化措施

為使程序優化,采取如下措施:

①為編寫出優化的C程序,在編程時盡量按照C6000環境下支持的優化C的方法進行編程,這樣有助于C編譯器產生高效的匯編代碼。

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;

*運動補償時,將在片外找到的參考塊傳輸到片內。

(3)采用線性匯編對某些程序段做進一步優化。

為了提高代碼性能,對影響應用程序的代碼可以用線性匯編重新編寫。

3.5 MPEG-4 SVP解碼器的特性及測試結果

按照上述思路所實現的MPEG-4 SVP視頻解碼器完全符合MPEG-4的SVP規范,其特點如表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(176×144),CIF(352×288) 
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板上調試通過的,解碼時間可在CCS環境下測得。對于不同的圖像解碼所用的時間是有差異的。筆者對多種情況的碼流進行了測試,在1秒內都能解出25~30幀,甚至更多幀從而實現了實時解碼。

結束語

  筆者在研究了MPEG-4的視頻編解碼算法之后,成功地在TMS320C6201 EVM板上編程實現子MPEG-4 SVP的實時解碼,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終端中,用于解碼VPEG-4碼流,如PDA、機頂盒和住宅網關等;還可以與相應的編碼器配套用于遠程監控中。
本文網址://www.cxclik.com.cn/News/ZiXunView-1870.html
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