基于多DSP的MPEG-4系統(tǒng)的設(shè)計方案

基于MPEG-4的視頻編解碼技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前多媒體技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。本文提出了一種以多DSP為核心的MPEG-4編解碼系統(tǒng)，并設(shè)計出了具體的硬件平臺方案。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，消費(fèi)類電子、電視電影廣播、計算機(jī)技術(shù)日益緊密地結(jié)合起來。人們不再滿足于只用簡單的文字、聲音進(jìn)行交流，逐漸趨向于用圖、文、聲、動畫、視頻等多種媒體進(jìn)行綜合交流。

MPEG-4作為新一代多媒體標(biāo)準(zhǔn)提供了一整套能同時滿足制作者、服務(wù)商和終端用戶的編解碼技術(shù)。它為數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)的通信、訪問和操作提供了新的方法，并且提供了一個靈活的框架和一套開發(fā)工具來支持新的和傳統(tǒng)的性能。其基于對象的數(shù)據(jù)壓縮、靈活的碼流伸縮性以及可交互性的優(yōu)點(diǎn)使其可以適應(yīng)多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢。

基于MPEG4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案紛紛推出，有的為硬件方案，有的為軟件方案。前者設(shè)計一個MPEG-4專用編解碼芯片，后者方式是基于通用視頻DSP芯片的軟件實(shí)現(xiàn). 采用專用芯片的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)時性好,壓縮率高,且圖像質(zhì)量也好。缺點(diǎn)是一旦編解碼方案固定,就較難對其進(jìn)行升級與更新,且此種系統(tǒng)成本造價高,不易在市場上推廣。后一種方式利用DSP的高速信號處理功能,使用軟件實(shí)現(xiàn)的算法在其上運(yùn)行時可以大大縮短執(zhí)行時間,獲得較高的壓縮率,同時該方案易升級,算法易更新。

近幾年隨著通用DSP芯片的價格下降，使得以DSP芯片為核心加上適當(dāng)?shù)耐鈬考纬傻腗PEG-4音視頻編解碼系統(tǒng)將成為主流。本系統(tǒng)就是基于TI 公司的DSP平臺上對MPEG-4編解碼算法的實(shí)現(xiàn)。

1.方案設(shè)計
　　
在開發(fā)MPEG-4編解碼系統(tǒng)時，總的來說其難點(diǎn)在于對MPEG-4視頻編解碼算法的實(shí)現(xiàn)上。這是由于視頻圖像數(shù)據(jù)量巨大，對其處理和壓縮需占用較多的芯片資源和處理時間，在單獨(dú)的一片DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)。舉例來說，在視頻編碼中通常的實(shí)現(xiàn)方式是由單片的DSP芯片加上一定的片外擴(kuò)展資源（如EPROM、SDRAM等）來實(shí)現(xiàn)編碼算法，但是在實(shí)際算法的執(zhí)行中，對外接器件中的數(shù)據(jù)讀寫的速度遠(yuǎn)小于對DSP芯片內(nèi)部資源的讀寫速度，這使得整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度就比較慢。如果要求一片DSP芯片同時實(shí)現(xiàn)編解碼算法則開發(fā)難度就更大了。實(shí)際的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)也證明在單片DSP上實(shí)現(xiàn)視頻的編解碼算法較為困難，開發(fā)周期較長，其圖像效果也不佳。而在實(shí)際應(yīng)用中，用戶對圖像顯示效果的要求越來越高，這就對圖像的顯示速度和清晰度提出了更高的要求。
　　
本方案中是采用多DSP來實(shí)現(xiàn)MPEG-4的編解碼算法，多DSP的好處不言而喻，多DSP的協(xié)同處理可以極大得提高信號處理的速度。雖然多DSP帶來成本上提升，但是主流通用DSP芯片TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片價格的逐年下降，使得多DSP的應(yīng)用已經(jīng)步入實(shí)用化階段。

2．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　
具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案是采用三片DSP作為音視頻的協(xié)處理器：一片TMS320C5402（以下簡稱為TMS5402）實(shí)現(xiàn)音頻編解碼，一片TMS320C6204(以下簡稱為TMS6204)實(shí)現(xiàn)視頻編碼，另一片TMS6204實(shí)現(xiàn)視頻的解碼。為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，同時擴(kuò)展其網(wǎng)絡(luò)功能，另外采用了一片ATMEL公司的AT75C220芯片，通過在其上嵌入式操作系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對DSP芯片及其外圍電路的控制。具體的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：

系統(tǒng)上電后，通過自引導(dǎo)程序進(jìn)行初始化，AT75C220自動從Flash Disk中植入嵌入式操作系統(tǒng)，各DSP芯片也分別自引導(dǎo)入相應(yīng)的編解碼算法。同時此操作系統(tǒng)還向用戶提供一個友好的操作界面，用戶通過此界面來控制DSP芯片的編解碼過程、系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，以及常用的功能(關(guān)機(jī)、播放音視頻、上網(wǎng)等)。

2.1 音視頻編碼
　　
視頻編碼模塊框圖如下：

視頻編碼工作過程：視頻圖像經(jīng)過采集存儲于幀緩存器中，采集完成后FPGA(可編程邏輯器件)向TMS6204發(fā)出接收信號。TMS6204接收到“圖像已采集好”的信號后，就通過DMA方式將圖像寫至片外存儲器SDRAM中，并開始運(yùn)行MPEG-4視頻編碼算法對片外存儲器中的圖像進(jìn)行編碼。編碼輸出信號通過HPI(Host Port Interface)口送至AT75C220，AT75C220將視頻信號與音頻進(jìn)行同步打包后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)往接收主機(jī)處。

音頻編解碼模塊框圖如下：

音頻編碼的過程與視頻類似，不同的是由TMS5402來執(zhí)行編碼算法，這主要是考慮到系統(tǒng)的性價比。由于音頻編碼的運(yùn)算量要比視頻編碼小得多，這使得TMS5402的芯片資源足夠完成音頻編碼，并且其價格要比TMS6204低的多。

音頻編碼工作過程：信號通過MIC(Microphone)送到A/D轉(zhuǎn)換器中,A/D轉(zhuǎn)換器將收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成為離散信號,未壓縮的離散信號被送到DSP后,DSP將其存儲起來,每收夠一幀處理一次,即調(diào)用音頻編碼算法一次,編碼后得到的離散信號被DSP發(fā)送至AT75C220，由其打包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)至主機(jī)處。

音頻解碼和音頻編碼都在同一塊DSP芯片TMS5402中完成，這是因?yàn)橐纛l的編解碼過程沒有視頻那么復(fù)雜，占用的資源相對較少。以TMS5402的芯片資源是可以同時完成音頻的編解碼算法的。

2.2 音視頻解碼
　　
音頻解碼工作過程：TMS5402接收到MPEG-4音頻已編碼信號后就開始進(jìn)行解碼算法，每解碼出一幀音頻信號，就直接將其進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到耳機(jī)或是音箱中播放。
　　
視頻解碼模塊框圖如下：

視頻解碼工作過程：AT75C220將接收到的MPEG-4視頻編碼信號直接送往TMS6204。當(dāng)其運(yùn)行解碼算法得到第一幀的圖像數(shù)據(jù)后，就將其拷貝到片外的SDRAM中，同時向FPGA發(fā)送一個初始化信號，然后FPGA調(diào)用中斷通過DMA方式將SDRAM中的圖像轉(zhuǎn)移到FIFO里，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換合成為RGB信號后送往顯示器顯示出圖像。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)
　　
根據(jù)仿真的結(jié)果，在352*240（NTSC制式），視頻輸出35幀/秒以上，碼率可控制在100kbps1000kbps之間，完全可以滿足實(shí)際需要。近年來，隨著FPGA技術(shù)的日益成熟，利用FPGA的特殊結(jié)構(gòu)和特性，很多復(fù)雜數(shù)字算法開始使用PPCA完成，使它可以更加高速和高效地完成這些算法，但相應(yīng)的是其開發(fā)難度變大，周期變長。由于本系統(tǒng)是基于DSP來實(shí)現(xiàn)的，與上述方式相比具有設(shè)計周期短，成本低的特點(diǎn)。同時具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際需求形成豐富的產(chǎn)品系列。

3.結(jié)束語
　　
MPEG4的應(yīng)用前景將是非常廣闊的。 它的出現(xiàn)將對以下各方面產(chǎn)生較大的推動作用：實(shí)時通信、數(shù)字電視、廣播電視、實(shí)時多媒體監(jiān)控、移動多媒體通信、內(nèi)容存儲和檢索多媒體系統(tǒng)、基于Internet/Intranet的數(shù)字碼流視頻、基于面部表情模擬的虛擬會議、DVD上的交互多媒體應(yīng)用、基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可視化合作實(shí)驗(yàn)室場景應(yīng)用等。