基于ADSP-BF533的MPEG-4實時編碼器系統(tǒng)實現(xiàn)

引言

MPEG-4視頻編碼技術(shù)可以在較小的帶寬下傳輸高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)，節(jié)省大量存儲空間，但編碼復雜度也較高，目前豐要有3種實現(xiàn)方案：在通用PC上編程實現(xiàn)；通過ASIC硬件實現(xiàn)以及使用通用DSP芯片實現(xiàn)。與前兩者相比，通用DSP芯片實現(xiàn)方案具有以下優(yōu)勢：運算性能強；可升級性好，與PC類似，通用DSP芯片的功能仍是通過編程來實現(xiàn)的，能快速、方便地進行軟件升級及添加新的功能，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場變化；成本低、功耗低、適應(yīng)場合廣泛。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

編碼系統(tǒng)處理核心為ADSP-BF533(以下簡稱BF533)，利用其多功能并行接口PPI采集視頻數(shù)據(jù)，該PPI具有DMA功能，無需內(nèi)核干預(yù)便可進行高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完成后可自動向內(nèi)核發(fā)出DMA中斷。

視頻采集部分選用0mniVision公司的CIF級彩色CMOS圖像傳感芯片OV6630，其最大分辨率為352×288，采集速率最高可達60fps，且片內(nèi)硬件實現(xiàn)了原始RGB數(shù)據(jù)到4：2：2YUV格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，用戶無需自行編寫復雜的RGB轉(zhuǎn)YUV應(yīng)用程序，大大減少了代碼量，很適合用作MPEG-4編碼。

設(shè)置OV6630輸出為4：2：2 YUV視頻數(shù)據(jù)格式，BF533的PPI即可直接接收該格式視頻數(shù)據(jù)。二者可實現(xiàn)無縫連接，無需中間電路。

考慮到目前還有大量模擬制式的攝像機仍在廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)中還增加了視頻ADC ADV7183，該芯片可以把PAL制模擬電視信號轉(zhuǎn)為ITU-R656標準4：2：2格式數(shù)字視頻，同樣將ADV7183輸出端口與BF533的PPI相連。這樣，既可以采用系統(tǒng)自帶CMOS圖像傳感器采集視頻，也可以外接PAL制模擬攝像機，用戶可自由選擇。

由于BF533片內(nèi)存儲空間有限，而視頻采集、編碼數(shù)據(jù)量巨大，選用一片Hynix公司的4MBSDRAM HY57V56162(內(nèi)含4個內(nèi)部子集)作為BF533片外大容量動態(tài)存儲器。同時，為存放程序啟動代碼，利用一片容量為1MB的閃存芯片PSD4256G6V構(gòu)成BF533的片外非易失性存儲器。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

編碼器設(shè)計實現(xiàn)

存儲器空間分配

BF533采用統(tǒng)一的32位、共4GB可尋址空間，包括位于片內(nèi)的L1高速SRAM，片外的同步存儲器空間SDRAMSpace，以及異步存儲器空間(A syn chronousMemory Space)。

片內(nèi)Ll SRAM包括：64KB指令SRAM、16KB指令Cache／SRAM、32KB數(shù)據(jù)SRAM、32KB數(shù)據(jù)Cache／SRAM，以及4KB便簽存儲器。
L1 SRAM工作在內(nèi)核時鐘頻率，內(nèi)核可以對其進行高速帶寬訪問。它是所有存儲器中訪問速度最快的，但容量有限，因此，只應(yīng)將那些最關(guān)鍵的代碼和數(shù)據(jù)存放在L1SRAM里。同時，指令Cache和數(shù)據(jù)Cache全部使能，這樣可以大大提高訪問片外存儲器的效率。Cache設(shè)置是通過相應(yīng)的I M E M_C O N T R O L、DMEM_CONTROL，以及CPLB寄存器配置實現(xiàn)的。

由于BF533片內(nèi)存儲空間有限，而原始視頻數(shù)據(jù)量較大：CIF級4：2：2格式每幀圖像占用的空間為202752字節(jié)，如果采用模擬PAL制式視頻輸入，每幀占用空間更是高達829440字節(jié)，只能將其放至SDRAM中。同樣，視頻編碼數(shù)據(jù)也應(yīng)存放在SDRAM中。此外，系統(tǒng)啟動完成Boot loader引導后，主要關(guān)鍵代碼放在片內(nèi)L1程序SRAM中執(zhí)行，但大部分程序代碼仍需從SDRAM中執(zhí)行。由于SDRAM特殊的讀／寫方式，如果下次訪問內(nèi)存頁與當前活動頁(Active Page)不同，即出現(xiàn)了頁錯失(Page Miss)，SDRAM就必須首先關(guān)閉當前頁，再打開新的頁，大大降低了SDRAM讀寫速率。而該系統(tǒng)中SDRAM又需存儲多種數(shù)據(jù)，內(nèi)核、DMA均需要頻繁訪問SDRAM，因此，應(yīng)精心分配SDRAM空間，以使頁錯失現(xiàn)象盡量少發(fā)生。

BF533的SDRAM控制器(SDC)可以支持SDRAM每個內(nèi)部子集中的一個活動頁，且在這4個I-Bank中進行切換時無需任何延遲。這樣，將不同的數(shù)據(jù)、代碼映射至不同的I-Bank，可使頁錯失現(xiàn)象降到最少，進而改善訪問SDRAM的效率。

由于需要實時編碼，為保證視頻采集和壓縮可以同步執(zhí)行，采用乒乓緩沖技術(shù)：設(shè)置了兩塊視頻幀接收緩沖區(qū)BUF1和BUF2，采用BF533的DMA傳輸鏈方式進行傳輸。當某一DMA緩沖區(qū)填滿后，內(nèi)核對其作MPEG-4編碼(同時也在構(gòu)建參考幀)，此時DMA開始對另一塊緩沖區(qū)進行填充。由于BUF1、BUF2、程序代碼以及參考幀均位于不同的I-Bank，減少了SDRAM頁面切換的機會，實現(xiàn)了對SDRAM的高效訪問。

MPEG-4程序流程

MPEG-4編碼是基于宏塊(Macro Block)進行的，每個宏塊包含4個8×8亮度子塊和2個8×8色度子塊。MPEG-4編碼原理主要包括對I幀和P幀的編碼，P幀比I幀多出了運動估計和補償模塊，二者編碼流程如圖2所示。

代碼編寫及優(yōu)化

BF533支持C／C++高級語言，但高級語言執(zhí)行效率較低，為達到最大執(zhí)行效率，采用全匯編語言實現(xiàn)MPEG-4編碼。

對于I幀編碼，主要的運算量是前向離散余弦變換FDCT和反向離散余弦變換IDCT，這里采用了ADI提供的優(yōu)化代碼，它基于chen氏快速DCT算法，大量運用了BF533特有的并行指令，完成一次8×8 DCT僅需293個時鐘周期。

與I幀相比，P幀編碼相對復雜，其中，運動估計是P幀編碼最費時的部分，即在參考幀中搜索與當前編碼宏塊或子塊最匹配的位置。
SAD(絕對誤差和)準則具有無需乘除運算、實現(xiàn)簡單方便等優(yōu)點，選用它作為運動估計匹配準則。

運動估計搜索算法則采用菱形搜索法(又稱鉆石搜索法)，搜索精度為半像素，菱形搜索法具有簡單、魯棒、高效的特點。

Blackfin匯編指令集中有專門用于SAD計算的指令SAA(src_reg_O，src_reg_1)，一條該指令即可同時完成4個字節(jié)的SAD計算。此外，綜合使用其它一些視頻專用操作指令，如BYTEPACK(_將4個字節(jié)打包至一個3 2位寄存器中)、BYTEUNPACK(與BYTEPACK功能相反)、BYTEOPl6M(對4個字節(jié)作減法處理)，可以使代碼運行效率得到顯著改善。

BF533集成開發(fā)環(huán)境VisualDSP++中還提供了Profile功能，可以利用該功能對程序代碼性能進行評估，發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行的瓶頸，從而進行有針對性的優(yōu)化。主要的優(yōu)化方法有：

1．盡量減少分支、條件判斷指令，因為這些指令會破壞BF533流水線，造成額外的時鐘延遲；同時，對部分較簡單的子程序用宏改寫，免去子程序調(diào)用過程中的堆棧操作和參數(shù)傳遞；
2．采用并行執(zhí)行指令，BF533并非超標量結(jié)構(gòu)DSP，但仍能有限地支持最多3條指令并行執(zhí)行，如：saa(r1：0，r3：2)Ⅱr0=[i0++]Ⅱr2=[i1++]；使用該并行指令即可在一個時鐘周期內(nèi)完成4個字節(jié)的SAD計算，同時完成r0、r2的數(shù)據(jù)更新，以便下次計算；
3．在DCT／IDCT的量化過程及其它一些模塊中，要牽涉到除法，而BF533計算除法需要耗費大量時鐘周期，因此，這里將除法變?yōu)槌艘粤炕蜃拥牡箶?shù)，求倒數(shù)可以通過查找表方式實現(xiàn)。再結(jié)合移位操作，即可在基本不損失精度的同時達到高效計算除法的目的。

經(jīng)過前述的優(yōu)化過程后，成功地在BF533上實現(xiàn)了MPEG-4 SP的CIF級實時編碼。此外，對于CIF級CMOS傳感器OV6630，系統(tǒng)可以直接對其實時編碼。但如果是外接PAL制式模擬攝像頭，經(jīng)ADV7183作A／D轉(zhuǎn)換后，其分辨率為720×576，受BF533的性能限制，尚無法對該級別分辨率做到實時編碼，因此，應(yīng)先使其分辨率降為352×288，然后再作：MPEG-4編碼。

實驗結(jié)果

BF533內(nèi)核時鐘(CLK)設(shè)為594MHz，系統(tǒng)時鐘(SLK)為118.8MHz。選取CIF級標準測試序列flower(幀速率為25fps，共75幀)對系統(tǒng)進行驗證。

圖3、圖4給出了分別采用I幀編碼和P幀編碼后的重建圖像。I幀編碼壓縮率為11.5：1，重建圖像信噪比為33.43dB。P幀編碼壓縮率則達到了65.7：1，重建圖像信噪比為32.65dB。經(jīng)采用BF533片內(nèi)實時時鐘RTC精確計時，整個視頻序列共75幀，編碼耗費2.27s，平均編碼率達到了33fps，滿足實時編碼要求。

結(jié)語

本文介紹了CIF級別的MPEG-4 SP實時編碼在BF533 DSP；DSP片上的實現(xiàn)，該編碼器可以靈活地選用系統(tǒng)自帶CMOS傳感器及用戶自選PAL制模擬攝像機兩種視頻采集源。該系統(tǒng)可以用在IP可視電話、交通檢測、超市監(jiān)視、智能小區(qū)安保等領(lǐng)域，具有很強的實用價值