基于ADSP-BF533的MPEG-4實(shí)時(shí)編碼器實(shí)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(chǔ)空間，但編碼復(fù)雜度也較高，目前豐要有3種實(shí)現(xiàn)方案：在通用PC上編程實(shí)現(xiàn)；通過(guò)ASIC硬件實(shí)現(xiàn)以及使用通用DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與前兩者相比，通用DSP芯片實(shí)現(xiàn)方案具有以下優(yōu)勢(shì)：運(yùn)算性能強(qiáng)；可升級(jí)性好，與PC類似，通用DSP芯片的功能仍是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能快速、方便地進(jìn)行軟件升級(jí)及添加新的功能，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)變化；成本低、功耗低、適應(yīng)場(chǎng)合廣泛。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

視頻采集部分選用0mniVision公司的CIF級(jí)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(dá)60fps，且片內(nèi)硬件實(shí)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(wú)需自行編寫(xiě)復(fù)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，無(wú)需中間電路。

考慮到目前還有大量模擬制式的攝像機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)為ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，用戶可自由選擇。

由于BF533片內(nèi)存儲(chǔ)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(gè)內(nèi)部子集)作為BF533片外大容量動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。同時(shí)，為存放程序啟動(dòng)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(chǔ)器。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

編碼器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

存儲(chǔ)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(chǔ)器空間SDRAMSpace，以及異步存儲(chǔ)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(chǔ)器。
L1 SRAM工作在內(nèi)核時(shí)鐘頻率，內(nèi)核可以對(duì)其進(jìn)行高速帶寬訪問(wèn)。它是所有存儲(chǔ)器中訪問(wèn)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(shí)，指令Cache和數(shù)據(jù)Cache全部使能，這樣可以大大提高訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器的效率。Cache設(shè)置是通過(guò)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(shí)現(xiàn)的。

由于BF533片內(nèi)存儲(chǔ)空間有限，而原始視頻數(shù)據(jù)量較大：CIF級(jí)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(dá)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(dòng)完成Boot loader引導(dǎo)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(xiě)方式，如果下次訪問(wèn)內(nèi)存頁(yè)與當(dāng)前活動(dòng)頁(yè)(Active Page)不同，即出現(xiàn)了頁(yè)錯(cuò)失(Page Miss)，SDRAM就必須首先關(guān)閉當(dāng)前頁(yè)，再打開(kāi)新的頁(yè)，大大降低了SDRAM讀寫(xiě)速率。而該系統(tǒng)中SDRAM又需存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)，內(nèi)核、DMA均需要頻繁訪問(wèn)SDRAM，因此，應(yīng)精心分配SDRAM空間，以使頁(yè)錯(cuò)失現(xiàn)象盡量少發(fā)生。

BF533的SDRAM控制器(SDC)可以支持SDRAM每個(gè)內(nèi)部子集中的一個(gè)活動(dòng)頁(yè)，且在這4個(gè)I-Bank中進(jìn)行切換時(shí)無(wú)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(yè)錯(cuò)失現(xiàn)象降到最少，進(jìn)而改善訪問(wèn)SDRAM的效率。

由于需要實(shí)時(shí)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(jìn)行傳輸。當(dāng)某一DMA緩沖區(qū)填滿后，內(nèi)核對(duì)其作MPEG-4編碼(同時(shí)也在構(gòu)建參考幀)，此時(shí)DMA開(kāi)始對(duì)另一塊緩沖區(qū)進(jìn)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(yè)面切換的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SDRAM的高效訪問(wèn)。

MPEG-4程序流程

MPEG-4編碼是基于宏塊(Macro Block)進(jìn)行的，每個(gè)宏塊包含4個(gè)8×8亮度子塊和2個(gè)8×8色度子塊。MPEG-4編碼原理主要包括對(duì)I幀和P幀的編碼，P幀比I幀多出了運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償模塊，二者編碼流程如圖2所示。

代碼編寫(xiě)及優(yōu)化

BF533支持C／C++高級(jí)語(yǔ)言，但高級(jí)語(yǔ)言執(zhí)行效率較低，為達(dá)到最大執(zhí)行效率，采用全匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)MPEG-4編碼。

對(duì)于I幀編碼，主要的運(yùn)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(yùn)用了BF533特有的并行指令，完成一次8×8 DCT僅需293個(gè)時(shí)鐘周期。

與I幀相比，P幀編碼相對(duì)復(fù)雜，其中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)是P幀編碼最費(fèi)時(shí)的部分，即在參考幀中搜索與當(dāng)前編碼宏塊或子塊最匹配的位置。
SAD(絕對(duì)誤差和)準(zhǔn)則具有無(wú)需乘除運(yùn)算、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，選用它作為運(yùn)動(dòng)估計(jì)匹配準(zhǔn)則。

運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(jiǎn)單、魯棒、高效的特點(diǎn)。

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

BF533集成開(kāi)發(fā)環(huán)境VisualDSP++中還提供了Profile功能，可以利用該功能對(duì)程序代碼性能進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行的瓶頸，從而進(jìn)行有針對(duì)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?yàn)檫@些指令會(huì)破壞BF533流水線，造成額外的時(shí)鐘延遲；同時(shí)，對(duì)部分較簡(jiǎn)單的子程序用宏改寫(xiě)，免去子程序調(diào)用過(guò)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(biāo)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成4個(gè)字節(jié)的SAD計(jì)算，同時(shí)完成r0、r2的數(shù)據(jù)更新，以便下次計(jì)算；
3．在DCT／IDCT的量化過(guò)程及其它一些模塊中，要牽涉到除法，而B(niǎo)F533計(jì)算除法需要耗費(fèi)大量時(shí)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(guò)查找表方式實(shí)現(xiàn)。再結(jié)合移位操作，即可在基本不損失精度的同時(shí)達(dá)到高效計(jì)算除法的目的。

經(jīng)過(guò)前述的優(yōu)化過(guò)程后，成功地在BF533上實(shí)現(xiàn)了MPEG-4 SP的CIF級(jí)實(shí)時(shí)編碼。此外，對(duì)于CIF級(jí)CMOS傳感器OV6630，系統(tǒng)可以直接對(duì)其實(shí)時(shí)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(wú)法對(duì)該級(jí)別分辨率做到實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

BF533內(nèi)核時(shí)鐘(CLK)設(shè)為594MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘(SLK)為118.8MHz。選取CIF級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列flower(幀速率為25fps，共75幀)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)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(dá)到了65.7：1，重建圖像信噪比為32.65dB。經(jīng)采用BF533片內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC精確計(jì)時(shí)，整個(gè)視頻序列共75幀，編碼耗費(fèi)2.27s，平均編碼率達(dá)到了33fps，滿足實(shí)時(shí)編碼要求。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了CIF級(jí)別的MPEG-4 SP實(shí)時(shí)編碼在BF533 DSP；DSP片上的實(shí)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(jī)兩種視頻采集源。該系統(tǒng)可以用在IP可視電話、交通檢測(cè)、超市監(jiān)視、智能小區(qū)安保等領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。