基于DM368的視頻捕獲與編解碼系統(tǒng)設計

摘要：為了實現(xiàn)對視頻進行捕獲后壓縮，文中提出一種基于DM368的視頻捕獲壓縮方案，并設計完成相應的硬件與軟件。該系統(tǒng)主要使用 TI達芬奇DM368片上系統(tǒng)作為主控芯片，采用TVP5158作為視頻采集前端。采用1G容量的DDR2內(nèi)存作為易失性存儲器。采用1GFlash作為系統(tǒng)內(nèi)核與文件系統(tǒng)的存儲介質(zhì)。軟件部分在Linux平臺中使用達芬奇DVSDK進行編程。壓縮規(guī)格上使用目前較為流行的MPEG4算法。從而實現(xiàn)視頻的捕獲與壓縮。經(jīng)實際測試顯示，使用該平臺進行視頻捕獲壓縮開發(fā)較以往DSP和FPGA方案更加成熟穩(wěn)定，并可以通過TI的開發(fā)工具和現(xiàn)有軟件庫大大減少開發(fā)周期。

關鍵詞：DM368;MPEG4;視頻;TI達芬奇

隨著人類社會的進步，視頻技術越來越發(fā)揮著重要的作用。視頻的傳輸也經(jīng)歷了由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變。數(shù)字視頻的分辨率也隨著感光元器件的革新而不斷增加，在給人們提供越來越清晰額視覺享受的同時產(chǎn)生了更大的視頻數(shù)據(jù)。針對海量的視頻數(shù)據(jù)，人們通過改進壓縮算法使得視頻數(shù)據(jù)所需的存儲空間大大減小。時至今日，ITU-T已經(jīng)公布了H.264壓縮標準，并且在推進H.265壓縮標準。在MPEG會議的努力下，MPEG-4壓縮標準也開始應用于數(shù)字視頻領域。這些標準都使得高分辨率的視頻數(shù)據(jù)以非常高的壓縮率壓縮。最明顯的成果便是以網(wǎng)絡為媒體的實時視頻傳輸技術。而在硬件方面隨著微電子技術的進步，微處理器體積變得越來越小但是處理能力如摩爾定律那樣快速增長。這些技術的進步使得嵌入式設備實現(xiàn)數(shù)字視頻的捕獲壓縮成為可能。目前常用的設計方案常用 DSP+FPGA或者DSP+ARM組合實現(xiàn)。鑒于嵌入式設備對數(shù)字視頻壓縮的要求，誕生了許多現(xiàn)成的壓縮芯片，只需要發(fā)送指令和數(shù)據(jù)就可以完成原始視頻數(shù)據(jù)的壓縮。

多處理器組合，雖然可以既利用DSP芯片的數(shù)字信號處理能力，又利用協(xié)處理器的邏輯處理能力，但是這種組合屬于板級連接設計者在設計過程中難免會引入連接錯誤，給項目開發(fā)帶來許多不穩(wěn)定因素，大大延長開發(fā)周期。同時兩種不同公司的芯片在設計過程中，接口邏輯會有或多或少的不同，也會給設計者帶來意想不到的問題。近年來許多芯片公司將核心處理器如ARM、DSP和其他外圍硬件內(nèi)核集成到一塊芯片中，這種System On Chip(SOC)技術大大增強了新的嵌入式視頻處理器的穩(wěn)定性。在其中TI公司開發(fā)出達芬奇系列視頻處理SOC，并提供了相應的開發(fā)環(huán)境與成熟的視頻處理算法。2010年4月TI推出DM368視頻處理芯片。與之前DM365視頻庫軟件兼容，但提供了更為豐富的接口。

文中介紹一種使用達芬奇DM368SOC實現(xiàn)數(shù)字視頻的捕獲并按照MPEG4標準進行壓縮的設計。本設計將對模擬視頻信號進行采樣量化，將原始的視頻數(shù)據(jù)按照MPEG4壓縮標準進行編碼。最后將編碼后的壓縮視頻解碼輸出，從而驗證視頻的編解碼及視頻輸出功能。

1 總體設計

該嵌入式視頻處理設備整體結(jié)構如圖1所示，模擬攝像頭采集的視頻信號經(jīng)過視頻處理前端，進行按照一定視頻格式進行采樣量化，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些視頻原始數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭曨l處理模塊。然后通過該模塊將原始視頻數(shù)據(jù)進行相關的視頻壓縮處理。本設計預留網(wǎng)口和模擬視頻輸出端口，可以將壓縮的視頻解壓輸出，并通過模擬視頻輸出端顯示在微計算機終端或者嵌入式顯示設備。

2 系統(tǒng)硬件設計

嵌入式視頻處理的硬件設計由視頻前端、視頻處理模塊、電源部分和外部接口四個部分組成。電源部分是一個嵌入式設備的最基礎模塊，是一個設備能夠穩(wěn)定運行的基礎。該設備由于使用了多個芯片，每個芯片需要的供電電壓不同，這就需要使用多個電源芯片進行電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對應的供電電壓。本次設計中將輸入的12 V電源經(jīng)第一次電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生5 V電源。5 V電源經(jīng)兩個芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生1.1 V、1.2 V、1.8 V和3.3V電源。最后產(chǎn)生的3.3 V電源經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生1.24 V電源。如圖2所示。

模擬視頻接入端連接至TVP5158進行初步處理。TI公司的TVP5158是四路NTSC/PAL視頻譯碼器，具有單獨的定標器，降噪，自動對比度調(diào)整，以及靈活的輸出格式編制器。TV P5158提供和DaVinc處理器的音頻和視頻連接接口，視頻輸出端支持8位ITU—R BT.656和16位4：2：2 YCbCr。輸出端連接DM368視頻處理器。

在DM368的片上系統(tǒng)中有許多硬件設備。對于視頻處理來說最重要的是其中的VPSS，即視頻子系統(tǒng)(結(jié)構如圖3所示)。該系統(tǒng)有若干硬件組件支持對視頻的處理，可以實現(xiàn)從YUV422到Y(jié)UV420的格式轉(zhuǎn)換等具體處理操作。其中的VPFE(視頻處理前端)和VPBE(視頻處理后端)可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的預處理和解碼輸出功能。除此之外，該系統(tǒng)中還有一個緩沖器和一個DMA控制器，可以充分使用外部DDR2存儲器。本次設計采用一片1G容量DDR2存儲器，該RAM與DM368的內(nèi)存引腳相連，為該芯片處理大數(shù)據(jù)視頻提供了足夠的運行空間。使用三星公司的1G容量FLASH作為Linux系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)和視頻應用程序的存儲區(qū)域。

在視頻輸出部分，DM368自帶了模擬視頻輸出接口，另外考慮到嵌入式Linux的開發(fā)調(diào)試需求和目前常用的視頻傳輸方法，本次設計還添加了網(wǎng)絡和串口。網(wǎng)卡主控芯片采用

AR8032，串口部分采用MAX3221實現(xiàn)通信電平轉(zhuǎn)換。整個視頻處理模塊硬件設計如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

TI公司為達芬奇系列視頻處理器設計了軟件開發(fā)構架，方便開發(fā)者在這個構架上開發(fā)自己的視頻處理程序。該軟件開發(fā)構架核心為CODE ENGINE編程框架，它能夠自動地請求和實現(xiàn)符合eXpress DSP的Codec算法。在code engine中為開發(fā)人員提供3種開發(fā)方向。作為算法開發(fā)人員，可以將設計好的視頻處理算法通過Codec部分，按照TI通用的視頻處理算法標準生成算法庫，并進行打包。視頻應用程序開發(fā)人員可以在APP部分調(diào)用已經(jīng)打包好的算法庫，開發(fā)自己的視頻處理應用程序。在應用程序與算法庫之間是sever部分，該部分可以實現(xiàn)Codec算法庫被APP調(diào)用。Server為Codec提供APP調(diào)用過程中所必須的組件(例如BIOS、Framework Component、DSPLink等)，并生成可執(zhí)行文件[dv]。系統(tǒng)軟件設