基于OMAP的MPEG—4實時解碼器的實現(xiàn)

摘要：提出了一種在TI OMAPl510上實現(xiàn)MPEC—4實時視頻解碼的方法。該方法充分利用了0MAP雙核的特點，同時采用軟件優(yōu)化來滿足實時的要求。仿真結(jié)果表明，該方法在保持質(zhì)量的情況下有較快的解碼速度，適合在無線終端實現(xiàn)多媒體的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：OMAPl510 MPEC—4解碼器 實時解碼 優(yōu)化 隨著移動通信和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們對通信的要求已不滿足于傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)，而是追求更高品質(zhì)的視頻、音頻等多媒體信息服務(wù)。在多媒體通信中，視頻區(qū)別于音頻和文字的顯著特點是其大數(shù)據(jù)量以及高處理復雜度?，F(xiàn)有的移動終端一般采用DSP芯片作為核心，DSP芯片在數(shù)據(jù)處理方面具有較多的優(yōu)勢，但其系統(tǒng)處理和控制能力比較弱。第三代移動通信(3G)終端需要提供更多更復雜的服務(wù)如實時視頻交互等，原有的DSP芯片很難滿足這些需求[1]。TI公司提出了開放式多媒體應(yīng)用平臺OMAP (Open Multimedia Applications Platform)體系結(jié)構(gòu)，并為此設(shè)計了OMAP處理器。筆者利用本文提出的方法在使用TI OMAPl510的PocketPC上實現(xiàn)了MPEG-4簡單級(simple profile)解碼，基本滿足了實時的要求，同時保持了較好的質(zhì)量。 1 開放式多媒體平臺(OMAP) OMAP采用一種獨特的雙核結(jié)構(gòu)，把控制性能較強的ARM處理器與高性能低功耗的DSP核結(jié)合，是一種開放式的、可編程的基于DSP的體系結(jié)構(gòu)。主要目標是滿足2．5G和3G網(wǎng)絡(luò)上移動電話、PDA上的語音與多媒體需要。圖11．1 OMAP的硬件平臺 OMAP硬件平臺主要由DSP核、ARM核以及業(yè)務(wù)控制器(Traffic Controller)組成。這三部分可以獨立地進行時鐘管理，有效地控制功耗。OMAP硬件平臺采用雙核技術(shù)提高操作系統(tǒng)的效率和優(yōu)化多媒體代碼的執(zhí)行。實時性任務(wù)如實時視頻通信等由DSP完成，非實時性任務(wù)和系統(tǒng)控制工作如界面交互、操作系統(tǒng)等由ARM完成[2]。例如，使用者在進行視頻通信時可以同時使用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件如Word、Excel等，這樣分別利用了DSP低功耗而又較強數(shù)據(jù)處理能力和ARM的較強控制能力的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)只使用ARM或者只使用DSP芯片的移動終端相比，OMAP成功地解決了性能與功耗的最佳組合問題。 OMAP硬件平臺不斷升級，以滿足日益增長的應(yīng)用需求。本文使用OMAPl510芯片，它的兩個關(guān)鍵部分是TI增強型ARM925 (TI925T) 和TMS320C55x DSP。TMS320C55x DSP的工作主頻為200MHz，內(nèi)部有32K字雙存取SRAM，48K字單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。它具有高度的并行能力，32位讀寫和功能強大的EMIF、雙流水線的獨立操作以及雙MAC的運算能力。它采用了三項關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑省電區(qū)域、變長指令、擴大的并行機制。此外TMS320C55x DSP核增加了處理運動估計、離散余弦變換(DCT)、離散余弦反變換(IDCT)、1／2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗，其結(jié)構(gòu)對于多媒體應(yīng)用高度優(yōu)化，適合低功耗的實時語音圖像處理。TI增強型ARM925采用ARM9TDMI技術(shù)，工作主頻為175MHz，有16K字節(jié)的高速指令緩存、8K字節(jié)的高速數(shù)據(jù)緩存和17個字的寫緩沖。ARM和DSP都可以訪問內(nèi)部SRAM和外部存儲器接口，但ARM是平臺的核心，它能訪問全部16M字節(jié)的內(nèi)存空間和DSP的128K字節(jié)的I／O空間。 1．2 OMAP的軟件平臺 OMAP的軟件結(jié)構(gòu)建立在兩個操作系統(tǒng)之上，一個是基于ARM的操作系統(tǒng)如WindowsCE、Linux等；另一個是基于DSP的實時操作系統(tǒng)(RTOS)DSP／BIOS。無縫連接兩個操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是DSP／BIOS橋。DSP／BIOS橋建立的這種連接使ARM端的客戶能與DSP上的任務(wù)交換信息和數(shù)據(jù)[3]。對于軟件開發(fā)者來說，DSP／BIOS橋提供了一種使用DSP的無縫接口，開發(fā)者可以在GPP(通用處理器，包括ARM)上使用標準應(yīng)用編程接口訪問并控制DSP的運行環(huán)境。 2 MPEG—4實時視頻解碼在OMAP上的軟件實現(xiàn) 2．1 MPEG-4解碼流程 MPEG-4標準因其給出多種抗誤碼工具而適于應(yīng)用在無線信道環(huán)境下的多媒體通信[4]。本文實現(xiàn)的是主要應(yīng)用于無線通信的簡單級(simple profile)[5]，因而只使用了I幀和P幀。其解碼的流程如圖1所示。如果是I幀，碼流中主要是紋理信息，經(jīng)過可變長(VLC)解碼、反掃描、反預測、反量化和反DCT(IDCT)可以直接得到重構(gòu)的幀。如果是P幀，碼流中還含有運動矢量信息，經(jīng)過VLC解碼、反掃描、反預測、反量化和反DCT得到的只是殘差信息。利用解碼得到的運動矢量、殘差信息和參考幀進行運動補償可以得到重構(gòu)的幀。2．2 在OMAPl510上的程序結(jié)構(gòu) 在OMAP上開發(fā)程序通常分為兩部分，一部分是使用Embedded Visual C開發(fā)ARM端程序，另一部分是使用TI CCS開發(fā)DSP端程序。前者主要是為了使設(shè)計的算法與xDAIS(eXpressDSP TM算法標準)兼容，在ARM端程序中調(diào)用一些DSP／BIOS橋的API實現(xiàn)在DSP上初始化信號處理任務(wù)、與DSP任務(wù)交換消息、對來自DSP和從DSP發(fā)出的數(shù)據(jù)流進行緩沖、暫停、繼續(xù)、刪除DSP任務(wù)并進行資源狀態(tài)查詢等。而具體的功能實現(xiàn)則是在DSP端完成。圖2顯示了TI-enhanced ARM925應(yīng)用程序與DSP節(jié)點之間的關(guān)系。 通過寫節(jié)點封裝器的創(chuàng)建、執(zhí)行及刪除函數(shù)，將xDAIS算法封裝于DSP節(jié)點中。創(chuàng)建函數(shù)可分配節(jié)點處理和xDAIS算法所需的存儲器，還可分配節(jié)點的相關(guān)模塊。這些模塊是傳遞到執(zhí)行和刪除函數(shù)的一種結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建函數(shù)還可給出xDAIS算法的實例，并可將其激活，還可初始化任何在任務(wù)執(zhí)行前必須初始化的數(shù)據(jù)或參數(shù)。執(zhí)行函數(shù)是主要的分派函數(shù)，在此函數(shù)執(zhí)行階段中一般不分配存儲器及其它資源。執(zhí)行函數(shù)一般包括消息處理循環(huán)，該循環(huán)可中斷函數(shù)并等待來自ARM925的消息或數(shù)據(jù)流，然后節(jié)點將這些消息或數(shù)據(jù)分派到合適的xDAIS控制或處理任務(wù)中去。同時執(zhí)行函數(shù)查詢DSP／BIOS橋所發(fā)送的指示函數(shù)退出循環(huán)的特殊消息，然后檢查定制消息或流數(shù)據(jù)，并對這些消息或數(shù)據(jù)流進行適當處理。刪除函數(shù)清空創(chuàng)建函數(shù)所分配的資源，包括相關(guān)模塊和數(shù)據(jù)流。刪除函數(shù)還必須關(guān)閉算法、釋放存儲器以及分配給節(jié)點的其它資源。 2．3 程序的優(yōu)化考慮 (1)合理分配存儲位置。TMS320C55x的片內(nèi)存儲器容量小而存取速度快，片外存儲器容量大但存取速度慢。在分配存儲器的時候應(yīng)考慮到這個特點合理地安排程序各部分。對于那些使用頻繁的變量應(yīng)考慮放在片內(nèi)，如VLC表、運動矢量、反量化、反DCT的系數(shù)以及其它中間變量都應(yīng)放在片內(nèi)，而對于那些執(zhí)行次數(shù)比較少或者比較大的變量如參考幀和當前解碼出的幀則應(yīng)該放在片外。此外由于編譯和分配空間是以文件為單位的，所以應(yīng)當把使用頻繁的函數(shù)盡量放在相同的幾個文件中，再將這幾個文件放入片內(nèi)存儲器以高效地利用有限的片內(nèi)資源。 (2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾?。對于視頻解碼工作來說，TMS320C55x的片內(nèi)存儲器資源不是很多，必須合理利用。例如一幀4∶2∶0的QCIF(176x144)圖像，如果以緊湊的方式(2個字節(jié)存到一個16bit的字中)存放也需要18K字。因此不可能在解碼時把一整幀都放在片內(nèi)，而應(yīng)考慮使用DMA在需要時把圖像的一部分傳入片內(nèi)進行處理。此外，為了使CPU訪問和DMA傳輸同時無沖突地進行，將數(shù)據(jù)訪問設(shè)計成乒乓結(jié)構(gòu)。在解I幀時片內(nèi)準備兩個大小為一宏塊行的存儲區(qū)用于存放YUV數(shù)據(jù)，CPU將解碼的一宏塊行數(shù)據(jù)放在其中一塊后，DMA把這一宏塊行的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡鈱?yīng)的位置，同時CPU解下一宏塊行的數(shù)據(jù)并將結(jié)果放在另外一塊存儲區(qū)，DMA再傳送此塊的數(shù)據(jù)，如此反復執(zhí)行。選擇兩宏塊行大小的原因是不能使用片內(nèi)太多的存儲器資源，同時如果每次解碼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)太少將過于頻繁地啟動DMA，導致效率下降，折衷考慮決定在片內(nèi)為解碼數(shù)據(jù)開辟兩宏塊行大小的緩存。而在解P幀的時候因為要先讀入?yún)⒖紟哪承?shù)據(jù)所以更為復雜。在片內(nèi)開辟兩塊緩存，用以存放對Inter宏塊進行運動補償所需的參考幀中對應(yīng)搜索范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時準備兩個宏塊大小的片內(nèi)空間用于存放當前宏塊解碼的結(jié)果(為描述方便稱為M1和M2)。此時需要使用兩個DMA通道，通道1負責將解當前宏塊進行運動補償時所需的參考幀部分數(shù)據(jù)讀到片內(nèi)緩存中，通道2負責將解碼的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡鈱?yīng)的空間。先啟動通道1讀所需參考幀數(shù)據(jù)到緩存1，CPU用這些數(shù)據(jù)和讀人的碼流對Inter宏塊進行運動補償解出當前宏塊的數(shù)據(jù)放入M1，同時通道1讀下一宏塊所需的參考幀數(shù)據(jù)到緩存2。之后CPU、通道1、通道2并行工作，CPU利用緩存2的數(shù)據(jù)解下一宏塊放入M2，通道1再讀數(shù)據(jù)到緩存1中，通道2將解碼的數(shù)據(jù)從M1傳輸?shù)狡鈱?yīng)的空間，如此循環(huán)，P幀利用DMA解碼如圖3所示。(3)使用TI提供的IMCLIB庫函數(shù)。IMCLIB是專門為圖像處理和視頻提供的庫，用來提高視頻處理速度。這些庫函數(shù)中有的是軟件庫函數(shù)，是用匯編寫成的高效代碼例如反量化函數(shù)IMG_dequantiZe_8x8等；有的則是硬件庫函數(shù)，它們利用OMAPl510芯片中一些專門為視頻編解碼的硬件加速模塊來處理數(shù)據(jù)，如利用反DCT模塊的IMG_idct_8x8等，這些函數(shù)處理數(shù)據(jù)的速度更快，效率更高。在使用某些庫函數(shù)的時候需要按照其接口的要求調(diào)整。 (4)使用DSP內(nèi)部固定的intrinsics指令，這些指令主要執(zhí)行一些簡單的算術(shù)操作，由于它們是由優(yōu)化的匯編代碼寫成，因而使用它們可以提高代碼執(zhí)行的效率。 (5)其它一些優(yōu)化考慮和措施。為了使程序的效率更高，采用了一些代碼優(yōu)化的措施，例如將一些循環(huán)內(nèi)部展開，特別是對多重循環(huán)的控制，如果外層循環(huán)較少，可將內(nèi)層循環(huán)展開，把轉(zhuǎn)移條件結(jié)合起來，以減少內(nèi)層與外層之間的相互聯(lián)系，減少判斷轉(zhuǎn)移并實現(xiàn)并行操作。又如利用DMA來代替原有的復制函數(shù)、為方便將浮點數(shù)定點化、使用移位操作代替乘除法等。此外，在應(yīng)用到多媒體通信中，采用支持數(shù)據(jù)分割的方法來有效控制無線通信中可能產(chǎn)生的誤碼。 3 測試結(jié)果 使用QCIF(176%26;#215;144)的兩測試碼流foreman和car-phone(各編碼100幀)在使用數(shù)據(jù)分割和沒使用數(shù)據(jù)分割的情況下得到的解碼速度(包括顯示部分)如表1所示。表1 測試結(jié)果 　使用數(shù)據(jù)分割沒使用數(shù)據(jù)分割foreman25.2fps27.9fpscarphone27.4fps29.9fps從表1可以看出，本文提出的方法基本上能夠滿足MPEG—4實時解碼的需求，即使對比較復雜的使用數(shù)據(jù)分割的序列，仍能達到25幀／秒(fps)以上，圖像的質(zhì)量也比較好，因此適合在無線終端實現(xiàn)多媒體的應(yīng)用。 OMAP平臺因其獨有的雙核結(jié)構(gòu)和為無線應(yīng)用提供了一個強大的軟硬件基礎(chǔ)。本文結(jié)合其在MPEC—4解碼中應(yīng)用的實例，具體闡述了OMAP1510的軟件優(yōu)化開發(fā)方法，并基本上實現(xiàn)了實時解碼，希望能對使用OMAP或準備使用的開發(fā)人員具有借鑒意義。