TMS320C6201在MPEG-4視頻解碼器中的應(yīng)用

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，并討論解碼器的結(jié)構(gòu)，算法、存儲(chǔ)器分配以及程序的優(yōu)化等問題，最后給出該解碼器總體特性表。

    關(guān)鍵詞：TMS320C6201 視頻壓縮 MPEG-4 VOP MB IDCT 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

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。國(guó)際運(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是由國(guó)際運(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)可視電話到專業(yè)視頻編輯，既支持自然圖像，也支持計(jì)算機(jī)合成圖像。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(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視頻解碼器。

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?、半像素?/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、水平和垂直填補(bǔ)、擴(kuò)張?zhí)钛a(bǔ)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 Object Layer）、視頻對(duì)象平臺(tái)VOP（Video Object 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。

最后是一連串經(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先進(jìn)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)鐘周期最多可同時(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，最高工作在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，解碼器用這一過程從編碼位流中恢復(fù)視頻對(duì)象。不難看出，解碼器主要由形狀解碼器、運(yùn)動(dòng)解碼器和紋理解碼器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，最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，最后將block[6][64]加入到解碼后宏塊門緩存區(qū)中得到最后結(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解碼器是在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

全局變量	所占空間/B
變長(zhǎng)解碼（VLD）表	4906
Zig-Zag掃	192
VOL、VOP和MB的頭信息	108
DC/AC預(yù)測(cè)和MB模式	5560
MV預(yù)測(cè)	9504
量化步長(zhǎng)	396
解碼輸出緩存區(qū)（1個(gè)宏塊行）	8448
輸入的壓縮碼流緩存區(qū)	10K
合    計(jì)	38.3K

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)紼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)生高效的匯編代碼。

②使用TI提供的庫函數(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解碼器的特性及測(cè)試結(jié)果

按照上述思路所實(shí)現(xiàn)的MPEG-4 SVP視頻解碼器完全符合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，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(biāo)準(zhǔn)	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(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

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，為最終設(shè)計(jì)出獨(dú)立的MPEG-4解碼器打下了基礎(chǔ)。此解碼器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。