基于TMS320DM6446的數(shù)字電影放映系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

數(shù)字電影，是指以數(shù)字技術(shù)和設(shè)備攝制、制作、存儲(chǔ)，并通過衛(wèi)星、光纖、磁盤、光盤等物理媒體傳送，將數(shù)字信號(hào)還原成符合電影技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的影像與聲音，放映在銀幕上的影視作品。與傳統(tǒng)電影相比，它具有畫面清晰、穩(wěn)定性高、節(jié)約成本、利于環(huán)保等特點(diǎn)。從國(guó)際上來看，經(jīng)過初期階段的摸索，數(shù)字電影技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，創(chuàng)作人員已從過去單純地運(yùn)用數(shù)字特技逐步轉(zhuǎn)化為將其與傳統(tǒng)攝制、傳統(tǒng)特技融為一體的表現(xiàn)手法。在國(guó)內(nèi)，數(shù)字電影經(jīng)歷了引進(jìn)、消化、模仿、創(chuàng)新的過程。為了鼓勵(lì)和推動(dòng)我國(guó)數(shù)字電影的發(fā)展進(jìn)程，國(guó)家投入了大量的資金，在全國(guó)建設(shè)了100多個(gè)數(shù)字影院。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，首先是普及和推進(jìn)我國(guó)社區(qū)及農(nóng)村地區(qū)的數(shù)字電影的發(fā)展，因此，需要大量的低端配置的流動(dòng)數(shù)字電影放映設(shè)備。

達(dá)芬奇技術(shù)是一種內(nèi)涵豐富的技術(shù)綜合體，是美國(guó)TI公司推出的針對(duì)數(shù)字多媒體應(yīng)用而定制的基于DSP的系統(tǒng)解決方案組件的集合，其為多媒體設(shè)備開發(fā)者簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并加速產(chǎn)品創(chuàng)新提供了集成的處理器、軟件與工具。TI公司在達(dá)芬奇平臺(tái)上專門為音視頻編解碼(Codec)多媒體應(yīng)用精心設(shè)計(jì)了系統(tǒng)框架，提供了豐富的系統(tǒng)程序接口(SPI)、應(yīng)用程序接口(API)以及視頻、圖像、話音和音頻千余種流媒體算法組件。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者只需將它們封裝成運(yùn)行包，就能輕松地設(shè)計(jì)出高可用性和高可靠性的數(shù)字視頻產(chǎn)品。

為了滿足我國(guó)的實(shí)際需求，本文在達(dá)芬奇系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用達(dá)芬奇軟件技術(shù)，提出了開發(fā)數(shù)字電影放映系統(tǒng)的方案及其具體實(shí)現(xiàn)方法。該方案有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，更快地占領(lǐng)市場(chǎng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字電影放映系統(tǒng)主要是以數(shù)字多媒體處理器TMS320DM6446為核心來實(shí)現(xiàn)的。TMS320DM6446是TI公司的高集成度視頻處理芯片，業(yè)界稱為達(dá)芬奇(DaVinci)數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(Digital Media system-on-Chip，DMSoC)。圖1為TMS320DM6446功能結(jié)構(gòu)框圖。

如圖1所示，DMSoC包括ARM子系統(tǒng)、DSP子系統(tǒng)、視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)、系統(tǒng)控制模塊、電源管理模塊、外部存儲(chǔ)接口、外圍控制模塊和交換中心資源(SCR)等。其中，ARM子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)TMS320DM6446系統(tǒng)的整體配置和模塊功能控制，以及調(diào)用視頻算法。工作頻率近600 MHz的DSP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)視頻算法的執(zhí)行，其最大處理能力可以達(dá)到4800MIPS，極大地增強(qiáng)了音頻和視頻的解碼能力。視頻處理子系統(tǒng)包括1個(gè)視頻前端輸入接口(VPFE)和1個(gè)視頻末端輸出接口(VPBE)，視頻前端輸入接口用于捕獲視頻信號(hào)，視頻末端輸出接口將圖像輸出到OSD上顯示。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)通過異步外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)外接64 MB的NAND Flash，用于存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼和數(shù)據(jù)，以引導(dǎo)加載ARM Linux操作系統(tǒng)。利用ATA控制器接口外接160 GB 2.5 in的ATA硬盤，主要用于Linux系統(tǒng)的文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和大量數(shù)字影片文件的存儲(chǔ)。由于ATA硬盤輸出的是3.3 V電壓信號(hào)，而TMS320DM6446硬盤控制器輸出的電壓信號(hào)為1.8 V，為使硬盤與主CPU正常連接，需要電壓轉(zhuǎn)換芯片來保證硬盤的正常工作。此外，為了方便改變視頻節(jié)目及便于實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，本系統(tǒng)還通過MMC/SD存儲(chǔ)卡接口擴(kuò)展了2 GB的SD卡和USB2.0接口。利用TMS320DM6446的32位DDR2控制器接256 MB DDR2型SDRAM緩沖視頻輸入圖形數(shù)據(jù)，作為OSD的緩沖器來存儲(chǔ)ARM和DSP代碼。

系統(tǒng)的視頻前端輸入接口(VPFE)支持復(fù)合視頻(CVBS)輸入及S-端子輸入。視頻末端輸出接口VPBE支持模擬視頻輸出，包括復(fù)合視頻(CVB-S)輸出、S端子輸出、分量視頻輸出(YPbPr)及VGA輸出;同時(shí)，支持?jǐn)?shù)字視頻輸出(DVI)。視頻解碼模塊采用TI公司的高質(zhì)量視頻解碼芯片TV-P5158，把常見的基帶模擬視頻格式轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻格式。輸入的視頻數(shù)據(jù)通過TVP5158視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換成10位YUV4:2:2的格式，然后送至視頻前端處理，處理完的數(shù)據(jù)再經(jīng)視頻末端處理后保存至硬盤。音頻解碼模塊采用TI公司的低功耗立體聲解碼芯片TLV320AIC33。考慮到系統(tǒng)要接多個(gè)模塊，這里利用AIC33串行總線控制支持的I2C協(xié)議，通過I2C接口與DSP的音頻端接口相連。另外，為了監(jiān)控硬件平臺(tái)的啟動(dòng)情況，利用TMS320DM6446集成的UART外設(shè)控制器，擴(kuò)展了UART通用異步串口，配置RS232用于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)控制臺(tái)。

2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字電影放映系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是在Linux系統(tǒng)環(huán)境下，利用達(dá)芬奇軟件框架結(jié)構(gòu)來完成的。通過將符合數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)(xDM)的音頻和視頻算法打包在由CodecEngine(代碼引擎)管理的Codec Server(代碼服務(wù)器)里，ARM端的應(yīng)用程序就可以調(diào)用集成在Codec Server里的音頻和視頻算法，解碼來自Linux文件系統(tǒng)的音頻、視頻、語音數(shù)據(jù)，輸出到TMS320DM6446上控制視頻和語音外設(shè)的Linux器件驅(qū)動(dòng)器。

2.1 達(dá)芬奇軟件開發(fā)方法

在進(jìn)行本系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)，軟件開發(fā)流程如圖3所示。

軟件開發(fā)具體步驟如下：

①DSP端，在TI公司推出的CCS3.3開發(fā)環(huán)境下，把音視頻解碼算法修改成符合數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)(xDM)的形式，并編譯生成一個(gè)算法的庫(kù)文件*.lib(等同于Linux環(huán)境下的*.a64P，直接在Linux環(huán)境下修改文件后綴名即可)。

②生成一個(gè)在DSP上運(yùn)行的可執(zhí)行程序*.x64P(即.out文件)，也就是Codec Server。本系統(tǒng)的Codec Server里集成了MPEG-2、MPEG-4、H.264、AAC、MP3、G.71l多種形式的音視頻解碼器。

③根據(jù)Codec Server的名稱及其中包含的具體的音視頻解碼算法，創(chuàng)建Codec Engine的配置文件*.cfg，包括Engine的不同配置、名稱，每個(gè)Engine里包括的Codec以及每個(gè)Codec運(yùn)行在ARM還是DSP端等。例如，在.cfg文件中，可以修改取得Codec模塊的相關(guān)語句，按需要引用Codec模塊。取得不同模塊的語句如下;

代碼模塊可以自己開發(fā)，也可以充分利用第三方的軟件技術(shù)，任何與xDM兼容的算法都可以集成到Codec Server中。這樣就避免了開發(fā)的重復(fù)性，降低了開發(fā)的難度。

④將收集到的不同音視頻Codec包、Codec Server和Engine配置文件*.cfg以及應(yīng)用程序通過編譯、鏈接，最終生成ARM端可執(zhí)行文件。

2.2 達(dá)芬奇中間框架Codec Engine

Codec Engine是介于應(yīng)用程序和代碼服務(wù)器的中間層，是利用DaVinci技術(shù)簡(jiǎn)化數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵組件。它為應(yīng)用程序提供了VISA接口，在不必考慮復(fù)雜的視頻、圖像、話音和語音處理算法(VISA)的前提下，利用Codec Engine提供的API，應(yīng)用程序可以方便地調(diào)用符合xDM的算法組件。

2.3 ARM端解碼應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序是在Linux系統(tǒng)環(huán)境下，利用DaVinci技術(shù)的Codec Engine提供的API來完成的。應(yīng)用程序運(yùn)行在TMS320DM6446雙核處理器的ARM端，解碼存儲(chǔ)在硬盤里的音頻、視頻、語音數(shù)據(jù)，通過視頻末端輸出接口(VPBE)輸出，在OSD上實(shí)時(shí)顯示。

解碼線程的流程如圖4所示。

應(yīng)用程序主要包括5個(gè)POSIX線程：主線程(控制線程)、視頻線程、顯示線程、語音線程以及音頻線程。從圖4中可以看到，視頻、語音、音頻線程在主線程變成控制線程之前產(chǎn)生。顯示線程由視頻線程產(chǎn)生。“MSP430+IR”用來接收用戶輸入的命令，只有在命令行里提供了一個(gè)視頻文件時(shí)，才能建立視頻線程。同時(shí)，由于音頻和語音要求同樣的外設(shè)(AIC33)，因此，不能同時(shí)解碼音頻和語音文件。此外，所有的線程都是搶占式的，基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)序(SCHED_FIFO)，其中，顯示線程具有最高的優(yōu)先級(jí)，接下來是視頻線程，控制線程的優(yōu)先級(jí)最低。線程的初始化由Rendezvous公用程序模塊來同步。該模塊使用POSIX的條件來同步線程的初始化。每個(gè)線程執(zhí)行其初始化后，通知Rendezvous的對(duì)象。所有的線程都結(jié)束初始化后，同時(shí)解鎖，開始執(zhí)行主循環(huán)。

3 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)是在虛擬機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行的，Linux操作系統(tǒng)的版本為Monta Vista Linux Professional Edition v4。測(cè)試前，用交叉網(wǎng)線將硬件平臺(tái)通過交換機(jī)與主機(jī)相連，并配置NFS(Network File System，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))服務(wù)，使得開發(fā)板和主機(jī)可以互相訪問;同時(shí)，在主機(jī)的Windows環(huán)境下，將開發(fā)板與主機(jī)用串口線相連，設(shè)置超級(jí)終端，通過超級(jí)終端監(jiān)控硬件系統(tǒng)的啟動(dòng)情況，并設(shè)置命令參數(shù)。

測(cè)試時(shí)，在超級(jí)終端里輸入解碼命令，硬件系統(tǒng)通過MSP430解析輸入的命令，讀取存儲(chǔ)在HDD(硬盤)里的音視頻數(shù)據(jù)，利用OSD在線顯示解碼的影片。圖5～圖7分別為對(duì)MPEG-2、MPEG-4、H.264音視頻的解碼圖像。

結(jié)語

本文結(jié)合達(dá)芬奇數(shù)字多媒體技術(shù)提出了數(shù)字電影放映系統(tǒng)的硬件解決方案及軟件設(shè)計(jì)方法。利用達(dá)芬奇對(duì)高層Linux的支持、標(biāo)準(zhǔn)化的API以及產(chǎn)品化的底層驅(qū)動(dòng)器，大大降低了設(shè)計(jì)數(shù)字視頻系統(tǒng)的復(fù)雜性，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字電影放映系統(tǒng)支持多種格式的數(shù)字影片的高清播放，且具有高穩(wěn)定性和高可靠性。該設(shè)計(jì)方案還可以用于其他數(shù)字產(chǎn)品的開發(fā)，如IP機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、醫(yī)學(xué)圖像處理、視頻會(huì)議等。