摘要：tms320c6201是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的一種高性能數(shù)字信號(hào)處理器。本文介紹如何利用1片tms320c6201數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)mpeg-4 svp視頻解碼，并討論*的結(jié)構(gòu)，算法、存儲(chǔ)器分配以及程序的優(yōu)化等問題，zui后給出該*總體特性表。

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，視覺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。隨之而來的是視頻壓縮技術(shù)的迅速發(fā)展和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的不斷推出。運(yùn)動(dòng)圖像編碼專家組（mpeg）先后推出了mpeg-1、mpeg-2和mpeg-4.mpeg-4是由運(yùn)動(dòng)圖像專家組于1998年11月制定的。它是一個(gè)面向多媒體應(yīng)用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用覆蓋范圍遠(yuǎn)大于mpeg-1和mpeg-2等標(biāo)準(zhǔn)。從移動(dòng)到專業(yè)視頻編輯，既支持自然圖像，也支持計(jì)算機(jī)合成圖像。zui重要的是它支持交互功能。這是由于mpeg-4采用了與其它標(biāo)準(zhǔn)不同的、基于對(duì)象的圖像描述方式。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)mpeg-4應(yīng)用技術(shù)的研究及開發(fā)的工作正在悄然興起。筆者在研究了mpeg-4視頻標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了嵌入式mpeg-4視頻*。

1 mpeg-4視頻碼流及主要算法

mpeg-4采用了基于對(duì)象的壓縮編碼技術(shù)。在編碼前，首先要對(duì)視頻序列進(jìn)行分析，從原理圖像中分割出各個(gè)視頻對(duì)象，然后南分別對(duì)每個(gè)視頻對(duì)象單獨(dú)編碼。每個(gè)對(duì)象都有自己的形狀信息（shape）、運(yùn)動(dòng)信息（motion）、紋理信息（texture）。對(duì)視頻對(duì)象的編碼就是對(duì)這3種信息進(jìn)行編碼。mpeg-4通過運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)行補(bǔ)償來去除連續(xù)幀之間的時(shí)間冗余。運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木瓤梢詾檎袼亍胂袼鼗?/4像素，另外還增了重疊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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*、擴(kuò)張*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(shù)的dc/ac差分預(yù)測(cè)、zig-zag掃描、游程編碼、霍夫曼變長(zhǎng)編碼等。

筆者實(shí)現(xiàn)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(duì)象層vol（video ob-ject layer）、視頻對(duì)象平臺(tái)vop（video ob-ject 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(nèi)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(gè)參數(shù)：not_coded（本mb是否編碼的標(biāo)志位）、mcbpc（色度塊u和v是否編碼的標(biāo)志位）、cbpy（亮度塊y1～y4是否編碼的標(biāo)志位）、dquant（本mb中dct系數(shù)量化步長(zhǎng)的增量值）。

mv為運(yùn)動(dòng)矢量，實(shí)際寫入碼流的是運(yùn)動(dòng)矢量誤差值（δmv），這是因?yàn)榫幋a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(yùn)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(yùn)行矢量，即每個(gè)子塊（block）有1個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，所以在碼流中需傳送4個(gè)δmv，即mvd1、mvd2、mvd3和mvd4。

zui后是一連串經(jīng)過量化、zig-zag掃描、游程編碼和霍夫曼變長(zhǎng)編碼的dct系數(shù)，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(guó)ti公司的c6000系列新一代數(shù)字信號(hào)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(dú)立的功能單元，可以工作在200mhz的cpu時(shí)鐘頻率，全速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到1600 mips。其主要特性包括：

＊芯片內(nèi)核采用velociti tm*的超長(zhǎng)指令字（vliw）結(jié)構(gòu)，具有高度的并行性和快速的運(yùn)行能力，每個(gè)時(shí)鐘周期zui多可同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，并且所有的指令都可以有條件執(zhí)行；

＊具有豐富的指令系統(tǒng)且可對(duì)字節(jié)操作，支持16位的乘法運(yùn)算；

＊有4個(gè)彼此獨(dú)立的快速的dma通道，可以進(jìn)行多種形式的數(shù)據(jù)傳輸。

＊片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)各64kb，并支持多種數(shù)據(jù)寬度8位/16位/32位；32位的外部存儲(chǔ)器接口，提供與片外sdram、sdsram和sram的直接接口。

tms320c6201的以上特點(diǎn)，能滿足視頻圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。例如：tms320c6201 dsp計(jì)算1塊8×8 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(jì)算機(jī)主板的pci插槽上使用外，還可以外配電源作為獨(dú)立的模塊工作，并通過xds510仿真器進(jìn)行調(diào)試。該板上配有1片tms320c6201 dsp，zui高工作在160mhz。

evm板上提供的片外存儲(chǔ)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(chǔ)器接口（emif）擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，這些擴(kuò)展存儲(chǔ)器配置成cei。

3 用tms320c6201實(shí)現(xiàn)mpeg-4 svp解碼

3.1 mpeg-4視頻解碼原理

mpeg-4的一個(gè)vop的解碼過程如圖1所示，*用這一過程從編碼位流中恢復(fù)視頻對(duì)象。不難看出，*主要由形狀*、運(yùn)動(dòng)*和紋理*3部分組成。

3.2 程序流程

整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，以優(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(jù)這些頭信息以宏塊為單位進(jìn)行解碼。mb解碼單獨(dú)做成函數(shù)，也是首先解出頭信息，據(jù)此判斷出宏塊類型：幀內(nèi)mb、幀間mb或幀間4vmb。幀內(nèi)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，zui后存入解碼后宏塊行緩存區(qū)內(nèi)；2種幀間mb解碼相同部分都是先解出運(yùn)動(dòng)矢量mv，根據(jù)mv進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫筋A(yù)測(cè)值存入解碼后宏塊行緩存區(qū)，再以塊為單位進(jìn)行紋理解碼，解出殘差值存入block[6][64]中，zui后將block[6][64]加入到解碼后宏塊門緩存區(qū)中得到zui后結(jié)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)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沒有被編碼（not_coded=1），碼流中沒有此宏塊的數(shù)據(jù)，應(yīng)該mv=0、dct系數(shù)全為0處理，即從前一幀同樣位置處找到參考?jí)K作為當(dāng)前宏塊的結(jié)果。

3.3 存儲(chǔ)器分配

mpeg-4 svp*是在evm板上編程實(shí)現(xiàn)的。由于tms320c6201 dsp片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空量只有64kb，而圖像處理的數(shù)據(jù)量非常大，因此，合理有效地分析存儲(chǔ)空間是解碼設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。內(nèi)部64kb存儲(chǔ)空間內(nèi)開辟了一些空間用于暫存解碼中常用的一些信息，具體設(shè)置如表1所列。

表1 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分配

輸入的壓縮碼流和解碼后的視頻輸出都存儲(chǔ)在片外。輸入的壓縮碼流在程序開始前由pc機(jī)傳輸?shù)絜vm板的外部存儲(chǔ)器中保存，解碼時(shí)分批將數(shù)據(jù)通過dma方式復(fù)制到片內(nèi)。片內(nèi)設(shè)置1個(gè)壓縮碼流緩存區(qū)。解碼后的視頻序列存放在外部存儲(chǔ)器中，在內(nèi)部緩存1個(gè)宏塊行，每解完1個(gè)宏塊行后，就用dma傳輸?shù)酵獠看鎯?chǔ)器中。

3.4 程序優(yōu)化

（1）軟件開發(fā)流程及開發(fā)工具

整個(gè)程序的編寫和調(diào)試按照c6000軟件開發(fā)流程進(jìn)行，流程分為：產(chǎn)生c代碼、優(yōu)化c代碼和編寫線性匯編程序3個(gè)階段。使用的開發(fā)工具是ti的集成開發(fā)環(huán)境ccs（code composer studio）。在ccs下，可以對(duì)軟件進(jìn)行編輯、編譯、調(diào)試、代碼性能測(cè)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)生的匯編代碼。

②使用ti提供的庫(kù)函數(shù)，大大提高了編程效率。

③使用dma傳數(shù)，提高了cpu的效率。

在解碼程序中用dma方式實(shí)現(xiàn)了下列數(shù)據(jù)的傳輸：

＊碼流輸入——碼流從片外存儲(chǔ)器傳輸?shù)狡瑑?nèi)；

＊解碼后的結(jié)果輸出——解碼完一宏塊行后，將結(jié)果從片內(nèi)傳輸?shù)狡獗４妫?/p>

＊頂部和低部的填充；

＊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，將在片外找到的參考?jí)K傳輸?shù)狡瑑?nèi)。

（3）采用線性匯編對(duì)某些程序段做進(jìn)一步優(yōu)化。

為了提高代碼性能，對(duì)影響應(yīng)用程序的代碼可以用線性匯編重新編寫。

3.5 mpeg-4 svp*的特性及測(cè)試結(jié)果

按照上述思路所實(shí)現(xiàn)的mpeg-4 svp視頻**符合mpeg-4的svp規(guī)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，zui大解碼速率為30幀/s。

表2 mpeg-4 svp視頻*特性表

在解碼軟件是在evm板上調(diào)試通過的，解碼時(shí)間可在ccs環(huán)境下測(cè)得。對(duì)于不同的圖像解碼所用的時(shí)間是有差異的。筆者對(duì)多種情況的碼流進(jìn)行了測(cè)試，在1秒內(nèi)都能解出25～30幀，甚至更多幀從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)解碼。

結(jié)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(xiàn)子mpeg-4 svp的實(shí)時(shí)解碼，為zui終設(shè)計(jì)出獨(dú)立的mpeg-4*打下了基礎(chǔ)。此*可以嵌入到某些移動(dòng)終端中，用于解碼vpeg-4碼流，如pda、機(jī)頂盒和住宅網(wǎng)關(guān)等；還可以與相應(yīng)的編碼器配套用于遠(yuǎn)程監(jiān)控中。