基于DSP的數(shù)碼相機(jī)中的MPEG-4壓縮

雖然數(shù)碼相機(jī) (DSC) 投入市場僅幾年時(shí)間，但已經(jīng)使消費(fèi)類電子成像業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，全球售出的相機(jī)中大約有三分之一是數(shù)碼相機(jī)，而且其份額還在穩(wěn)步上升。隨著多兆象素DSC生成分辨率越來越高的圖像而開始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的膠卷像機(jī)，消費(fèi)類DSC也正提供智能化操作模式，幫助用戶在各種條件下都能拍攝出更好的照片。視頻模式也已經(jīng)成為消費(fèi)類 DSC的標(biāo)準(zhǔn)功能，使用戶能夠快速拍攝多個(gè)照片，以便選擇更好的快照，同時(shí)也使他們能夠保存重大事件的簡短剪輯。此外，DSC 也開始與手機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)靜止圖片與剪輯隨時(shí)隨地的快速傳輸。

隨著瞬息萬變的 DSC 市場不斷分化，開發(fā)商必須不斷充分利用技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)勢來細(xì)分其產(chǎn)品。當(dāng)今其中一項(xiàng)創(chuàng)新就是在基于高性能數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的消費(fèi)類 DSC 中引入 MPEG-4 視頻壓縮技術(shù)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)使 DSC 能夠有效提供視頻及其他操作模式，增加所存儲(chǔ)視頻剪輯的數(shù)量，并支持視頻圖像強(qiáng)大可靠的傳輸。DSP可以提供低價(jià)位相機(jī)產(chǎn)品中 MPEG-4 編碼以及解碼所需要的計(jì)算性能，尤其那些具備支持快速圖像處理架構(gòu)的DSP更是如此。可編程性使開發(fā)商在整個(gè)DSC 產(chǎn)品線中使用相同的 DSP 平臺(tái)，從而通過軟件優(yōu)化不同產(chǎn)品的成像管道 (image pipe)。

新的壓縮標(biāo)準(zhǔn)

DSC傳統(tǒng)依賴于 JPEG 壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)靜止圖像，并且已通過互聯(lián)網(wǎng)而廣為流行。在壓縮中，JPEG 采用離散余弦變換 (DCT) 與量化技術(shù)有效地從包含 8x8 象素陣列的最小編碼單元 (MCU) 的數(shù)據(jù)描述中消除大部分空間冗余。然后此算法采用熵或可變長度編碼 (VLC) 技術(shù)進(jìn)一步減少存儲(chǔ)與傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)。圖像解壓的步驟則與此相反。根據(jù)圖像內(nèi)容，盡管壓縮比隨圖像的不同而不同，但是JPEG算法一般情況下可以將象素?cái)?shù)據(jù)壓縮一個(gè)數(shù)量級(jí)而不丟失視覺完整性。

用于動(dòng)畫與視頻的各種 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)采用與 JPEG 相同的幀內(nèi)技術(shù)入手來壓縮基本的靜止圖像或I幀，然后采用附加的幀間技術(shù)以消除隨后幀中的暫時(shí)冗余。幀間技術(shù)事實(shí)上涉及將每個(gè)連續(xù)幀的 16x16 象素宏塊壓縮到上一個(gè)幀的宏塊，然后采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)來描述宏塊的幀到幀移動(dòng)。這些預(yù)測幀或P幀只需要描述其從上一幀的改變。然后以應(yīng)用所決定的間隔定期對 I幀進(jìn)行編碼。

圖 1說明了一般 MPEG 視頻壓縮中所涉及的步驟。圖像頂部從輸入到輸出的幀內(nèi)壓縮步驟（DCT、量化與VLC）足以生成 I幀。為了創(chuàng)建 P幀，剛編碼的幀必須在本地幀緩沖器中被解碼并存儲(chǔ)，以便實(shí)現(xiàn)過去幀的逐塊壓縮到未來幀（即運(yùn)動(dòng)估計(jì)），從而實(shí)現(xiàn)幀間壓縮。視頻解碼涉及圖下部的步驟（逆量子化、反向 DCT、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償）。除了圖中所示之外，MPEG 標(biāo)準(zhǔn)還具有采用獨(dú)立流程的音頻壓縮－解壓算法。

圖 1：MPEG 視頻壓縮流程圖

MPEG-4：多媒體標(biāo)準(zhǔn)

MPEG 標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，以適應(yīng)新興的視頻應(yīng)用。最初的 MPEG-1 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)用于大容量存儲(chǔ)與系統(tǒng)檢索，例如：交互式 CD-ROM 以及 VCD。此后，在 MPEG-2中對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，以支持更高的分辨率、更廣泛的格式以及與 HDTV 相關(guān)的數(shù)字編碼。由于在 DVD 中的應(yīng)用，MPEG-2 更受青睞。在視頻數(shù)據(jù)庫的要求所驅(qū)動(dòng)下，MPEG-7 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于信息搜索的內(nèi)容表述。

MPEG-4 開發(fā)用于交互式多媒體應(yīng)用，其中包括那些通過無線連接提供的多媒體應(yīng)用。它與基本 H.263 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)共享算法。與早期的 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)相比，MPEG-4 為更高密度的圖像提供了更好的壓縮，并為更強(qiáng)大可靠的傳輸提供了更高的容錯(cuò)彈性 (error resilience)。另外，MPEG-4 支持在幀中引入對象類型，從而可以獨(dú)立規(guī)定、壓縮、傳輸和重新組合不同的圖像及圖形單元。但是，該標(biāo)準(zhǔn)的對象支持功能仍有待開發(fā)切實(shí)可行的實(shí)施方案。到那時(shí)，包括 DSC 在內(nèi)的大部分 MPEG-4 應(yīng)用可以繼續(xù)基于通常情況下與圖像的完整矩形幀對應(yīng)的單個(gè)對象。

高壓縮效率

特定剪輯的壓縮比隨主題的不同而千差萬別，不過一般情況下 MPEG 壓縮技術(shù)可以將 JPEG 幀的后續(xù)形式－運(yùn)動(dòng) JPEG (M-JPEG) 的壓縮比在相同分辨率下提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步的壓縮源自幀間技術(shù)的采用。視頻幀一般大約為 10萬象素（352 x 288 象素，CIF 分辨率）或大約 2.5 萬象素（176 x 144象素，QCIF 分辨率），而不是一般情況下與 JPEG 相關(guān)的 2～5 兆象素。盡管分辨率的這種降低在高質(zhì)量照片中是不能接受的，但是對于許多消費(fèi)類 DSC 產(chǎn)品來說卻足夠了，尤其是考慮到它實(shí)現(xiàn)了寫真視頻的采集。

MPEG-4 算法充分利用壓縮技術(shù)中的精化功能，將早先的 MPEG 比率降低了大約20％。高級(jí) MPEG-4 壓縮可以將每秒15幀 (fps) 的 QCIF 視頻圖像從原始視頻數(shù)據(jù)的 4.5Mbps 壓縮為不到 64kbps，同時(shí)還可以保持適當(dāng)?shù)臑g覽質(zhì)量。在DSC 中，MPEG-4 壓縮使相機(jī)能夠在內(nèi)存中存儲(chǔ)比 M-JEPG 大幾倍的視頻圖像。

更佳的容錯(cuò)彈性

MPEG-4 集成了多種提高容錯(cuò)彈性的新技術(shù)，容錯(cuò)彈性是很有用的特性，因?yàn)槿藗冋絹碓蕉嗟貍鬏斃?DSC 采集的照片與剪輯。隨著 DSC 手機(jī)的日益流行，強(qiáng)大可靠的傳輸成為了必不可少的要求。MPEG-4 的容錯(cuò)彈性技術(shù)包括：

• 更多的再同步標(biāo)記，其可將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成小視頻包，從而使接收方能夠在最小化數(shù)據(jù)丟失情況下恢復(fù)各種傳輸錯(cuò)誤；
  
• 報(bào)頭擴(kuò)展代碼，其指示每個(gè)數(shù)據(jù)包的報(bào)頭，以防止由于包含重要報(bào)頭信息的視頻幀中第一個(gè)視頻包的破壞而導(dǎo)致潛在的報(bào)頭信息丟失；
  
• 將視頻數(shù)據(jù)分成運(yùn)動(dòng)與紋理（空間）數(shù)據(jù)，通過提高該部分?jǐn)?shù)據(jù)被接收到的幾率而促進(jìn)從錯(cuò)誤恢復(fù)；
  
• 可逆 VLC，允許接收方從再同步標(biāo)記后向與前向進(jìn)行解碼，以便在發(fā)生傳輸錯(cuò)誤后恢復(fù)盡可能多的圖像；
  
• 用于空間及時(shí)間錯(cuò)誤的差錯(cuò)隱藏技術(shù)（在 MPEG-4 中規(guī)定了幾種技術(shù)，這些技術(shù)是對該算法的補(bǔ)充，而并非其組成部分）。

對 DSP 性能與靈活性的需求

由于幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)及補(bǔ)償中涉及其他步驟，因此 MPEG-4 壓縮與解壓算法比JPEG 需要強(qiáng)得多的處理能力。所以，DSC中的圖像處理引擎必須能夠達(dá)到更高的性能水平。盡管 ASIC 能夠?qū)崿F(xiàn)此項(xiàng)任務(wù)，但是它不易于結(jié)合到不同 DSC 產(chǎn)品的成像管道中；另一方面，可編程 DSP 不但能夠提供 MPEG-4 算法所需的性能，而且還可以通過軟件優(yōu)化不同系統(tǒng)。另外，還可以對相同的 DSP 進(jìn)行編程，使其執(zhí)行JPEG算法，以便在更高分辨率的DSC中推廣使用。因此，整個(gè) DSC 產(chǎn)品線可以基于單個(gè) DSP 平臺(tái)，從而在節(jié)約大量開發(fā)時(shí)間與成本的同時(shí)還能促進(jìn)產(chǎn)品的細(xì)分。

帶成像架構(gòu)的 DSP 示例

德州儀器 (TI) 推出的 TMS320DM270 數(shù)字媒體處理器就是一種為 DSC 等成像應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的高性能 DSP。DM270 是基于多處理器架構(gòu)之上的，其采用一個(gè)ARM7 32 位 RISC 微控制器來處理非成像功能，并用作整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，同時(shí)采用可編程的 C54x DSP 核心處理音頻編碼與解碼。另外，DM270 還集成了專門設(shè)計(jì)用于處理大部分高計(jì)算要求成像任務(wù)的可編程協(xié)處理器。其中一個(gè)協(xié)處理器－SIMD 圖像處理引擎 (iMX) 執(zhí)行 DCT、反向DCT以及眾多其他處理運(yùn)算中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償。其他協(xié)處理器執(zhí)行可變長度編碼/解碼、量化與逆量子化。

圖 2 展示了 DM270 的主要功能塊與流程。除了主要的處理器之外，該器件還通過各種通用 I/O 引腳集成了高速緩沖存儲(chǔ)器、圖像塊緩沖器、以及用于外部存儲(chǔ)器、CCD、LCD 或 TV 輸出及其他通信接口的控制器。專用的圖像預(yù)處理硬件可以消除主處理器的某些任務(wù)負(fù)擔(dān)，如：白平衡、自動(dòng)曝光以及自動(dòng)調(diào)焦。

在外部只需要 SDRAM 來完善 DSC 的圖像處理引擎。由于 MPEG 必須保持附加幀以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償，因而在 QCIF (176x144) 分辨率下，編碼需要大約 110千字節(jié) SDRAM。憑借其高度集成與專用架構(gòu)，DM270 能夠在CIF (352x288) 分辨率下處理超過 30fps 的 MPEG-4 編碼，同時(shí)能夠在 HVGA (640x240) 分辨率、超過30fps 的解碼期間處理超過50％ 的象素。該器件還支持多媒體中所采用的其他主要視頻、音頻與語音標(biāo)準(zhǔn)，而且可以與設(shè)計(jì)用作手機(jī)引擎的 DSP 一起結(jié)合使用。

圖2：DM270 架構(gòu)

DSC 手機(jī)與其他新興應(yīng)用

在瞬息萬變的視頻成像消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場中，怎么高估編程靈活性的重要性都不為過。DSC 正迅速發(fā)展并融入新的應(yīng)用。其中之一是帶有集成相機(jī)的手機(jī)，提供靜止圖像與視頻剪輯的采集與傳輸功能。該系統(tǒng)現(xiàn)已投放市場。MPEG-4 數(shù)據(jù)可以嵌入多媒體信息服務(wù) (MMS) 協(xié)議棧中，從而可以采用無線 IP 網(wǎng)絡(luò)信息的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在無線網(wǎng)中輕松傳輸視頻數(shù)據(jù)包。

開發(fā)商可能也希望具備 DSP 所帶來的靈活性，以便設(shè)計(jì)那些在無線產(chǎn)品中也具備的、其他類型的相機(jī)系統(tǒng)，例如：支持基于 H.324 的視頻會(huì)議的系統(tǒng)。該視頻會(huì)議無線電話采用 H.263 或 MPEG-4 來對視頻進(jìn)行編碼與解碼。另外，可能還需要將訊息發(fā)送功能與可視會(huì)議融為一體的、對會(huì)話初始化協(xié)議 (SIP) 的支持。MPEG-4 的未來發(fā)展，如：對象功能，可能會(huì)需要對已經(jīng)投入應(yīng)用的單元以及正在開發(fā)中的單元進(jìn)行重新編程。其中一項(xiàng)發(fā)展便是新出現(xiàn)的 MPEG-4 AVC（高級(jí)視頻編碼）標(biāo)準(zhǔn)（又稱為 H.264 標(biāo)準(zhǔn)）的更高壓縮密度?？删幊痰?DSP 實(shí)現(xiàn)了對所有這些標(biāo)準(zhǔn)及其他標(biāo)準(zhǔn)的支持，從而可以有助于成像系統(tǒng)開發(fā)商細(xì)分其產(chǎn)品，并激發(fā)新的市場需求。

在成像質(zhì)量方面，DSC仍然需要一定時(shí)間才能與最高質(zhì)量的傳統(tǒng)膠卷相機(jī)抗衡。但是，在低端市場中，DSC 卻可以提供傳統(tǒng)相機(jī)所無法與之匹敵的視頻與其他功能。目前，DSC 開發(fā)商正從更高的壓縮比與更高的容錯(cuò)彈性探索 MPEG-4，以幫助其提供消費(fèi)者所期望的更多功能。而可編程 DSP 可以提供在低成本 DSC 上實(shí)現(xiàn)MPEG-4算法所需要的性能，在高度分化市場中，它們?yōu)殚_發(fā)商提供了可滿足各種需求而需要的靈活性?；?DSP 的 MPEG-4 壓縮還為在未來把DSC與無線設(shè)備集成并支持其他新型應(yīng)用打開了機(jī)遇之門。利用 MPEG-4 與 DSP，低成本消費(fèi)類 DSC 將會(huì)繼續(xù)迎來輝煌的未來。讓我們放眼展望吧！