實(shí)時(shí)視頻圖像壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)

在美國(guó)德州儀器公司(TI)舉辦的DSP and Analog University Challenge 2000年度比賽中，我們的參賽項(xiàng)目“實(shí)時(shí)視頻圖像壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)”獲得了中國(guó)賽區(qū)第一名，并擠身于亞洲賽區(qū)前五名，入圍了全球復(fù)賽，遺憾的是未能獲得進(jìn)一步的成績(jī)。大賽對(duì)我們而言，是一次難忘的經(jīng)歷。通過(guò)這次參賽，我們學(xué)到了許多新的東西。

對(duì)視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化的存儲(chǔ)，或更通俗地稱為數(shù)字錄像，是當(dāng)前業(yè)界的熱點(diǎn)之一。較之以前的模擬方式存儲(chǔ)，數(shù)字錄像有著許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也帶來(lái)了技術(shù)上需要解決的一些問(wèn)題。高效的視頻圖像壓縮算法及其硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)是解決視頻圖像數(shù)字化存儲(chǔ)問(wèn)題的核心所在。

通常的數(shù)字錄像一般都采用專用芯片來(lái)完成視頻壓縮編碼算法的硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用專用芯片方法的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且隨著芯片批量的增加，單片價(jià)格會(huì)大幅下降。作為一個(gè)成熟和長(zhǎng)期的產(chǎn)品，這種方法不失為一種最佳的方案。比如電視臺(tái)等對(duì)圖像質(zhì)量要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合，基于MPEG-2編碼/解碼芯片的解決方案可以提供良好的性價(jià)比，并在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都能滿足應(yīng)用的需求。

但采用專用芯片最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)不夠靈活，無(wú)法進(jìn)行算法的升級(jí)與更新。只有當(dāng)某一種視頻壓縮編碼算法相對(duì)成熟，為業(yè)界普遍接受后，相應(yīng)的專用芯片才會(huì)出現(xiàn)。這一方面大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的上市時(shí)間；另一方面，用戶原有的基于老的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可能都會(huì)被淘汰，對(duì)用戶的投資是一個(gè)損失。特別是在科技飛速發(fā)展的今天，新技術(shù)與新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，技術(shù)的更新周期大大加快，單純采用專用芯片的解決方案其生命周期勢(shì)必會(huì)縮短，廠家的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)越來(lái)越大。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一類具有專門為數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的通用處理器件。最近幾年， DSP的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先由于新的高性能DSP普遍采用新的并行體系結(jié)構(gòu)，如VLIW、SIMD等，DSP器件的性能得到很大的提高，新的器件能夠提供高達(dá)每秒十億次的操作；同時(shí)，通過(guò)采用新的并行體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，有效地避免了在CPU內(nèi)使用復(fù)雜的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)指令調(diào)度和分發(fā)，而改由代碼生成工具在軟件這個(gè)級(jí)別來(lái)完成指令調(diào)度和分發(fā)，從而使得相應(yīng)的C語(yǔ)言編譯器的效率得到了質(zhì)的提升，這對(duì)于算法實(shí)現(xiàn)人員而言是一個(gè)福音，尤其是對(duì)視頻編碼這樣的算法相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用，使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)可以大大加快進(jìn)度；再者，隨著C語(yǔ)言的廣泛應(yīng)用，代碼的可重復(fù)利用性大大提高，DSP算法標(biāo)準(zhǔn)（Algorithm Standard）開(kāi)始出現(xiàn)，DSP軟件算法開(kāi)始逐漸淡化與具體實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的關(guān)聯(lián)，獨(dú)立的DSP軟件算法供應(yīng)商開(kāi)始成長(zhǎng)，其結(jié)果勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)DSP的普及應(yīng)用。

基于新的高性能DSP器件的解決方案不僅提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足諸如雷達(dá)信號(hào)處理、數(shù)字基站、視頻圖像處理等復(fù)雜計(jì)算場(chǎng)合的要求，同時(shí)還提供了良好的可編程性，用戶可以靈活地進(jìn)行軟件的升級(jí)與更新，大大彌補(bǔ)了采用專用芯片的專用系統(tǒng)的不足。但是，基于DSP的方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的成本一般也會(huì)略高一些。

新的技術(shù)越來(lái)越讓人們感覺(jué)“痛，并快樂(lè)著”，正如藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)在面臨的尷尬局面一樣。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，解決方案的選擇是一個(gè)應(yīng)當(dāng)慎重考慮的問(wèn)題。就視頻編碼而言，選擇DSP還是專用芯片，很大程度上取決于具體的應(yīng)用。不管怎樣，作者認(rèn)為，作為一個(gè)原型系統(tǒng)（prototype），DSP所提供的靈活性是不容忽視的。

TMS320C6201 DSP是TI公司于1997推出的TMS320C6000系列的第一顆定點(diǎn)DSP芯片，是TMS320家族中性能最強(qiáng)大的DSP系列產(chǎn)品之一。其主要性能特點(diǎn)可概括為：

·指令周期為5ns，每指令周期最多可并行執(zhí)行八條指令，峰值處理速度可達(dá)1600MIPS；

·DSP內(nèi)核采用甚長(zhǎng)指令字（VLIW)的VelociTITM體系結(jié)構(gòu)；

·指令系統(tǒng)采用類似RISC指令系統(tǒng)；指令長(zhǎng)度可變；而且所有指令均可“條件執(zhí)行”；

·片上具有1Mbits的SRAM，其外存儲(chǔ)器接口(EMIF)可以與目前幾乎所有類型的存儲(chǔ)器件無(wú)縫連接，同時(shí)片上還集成了高速DMA、主機(jī)接口(HPI）、多通道緩沖串口（McBSP)等豐富的外設(shè)資源;

·具有與浮點(diǎn)類型DSP芯片TMS320C6701完全兼容的引腳分布。

以上這些特點(diǎn)使得TMS320C6x DSP成為高速視頻信號(hào)處理應(yīng)用的理想選擇。

出于精度等方面的要求，視頻編碼算法一般都是浮點(diǎn)型算法。我們選用定點(diǎn)型的DSP器件，主要是考慮到定點(diǎn)型器件的發(fā)展與更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)浮點(diǎn)型器件，而且價(jià)格也比浮點(diǎn)型器件低廉。如TI最新推出的TMS320C64x系列DSP芯片，峰值處理速度達(dá)到了3200～ 4800MIPS，而且增加了支持圖像的8bit數(shù)據(jù)處理的指令。在這種情況下，將代碼從浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)型，對(duì)于項(xiàng)目的延續(xù)就顯得很有必要了。

最終的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程可簡(jiǎn)述為：從CCD攝像頭等外部標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)源輸入的模擬視頻信號(hào)經(jīng)圖像采集模塊數(shù)字化，生成待處理的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；由TMS320C6201構(gòu)成的視頻圖像編碼模塊完成對(duì)這些數(shù)字圖像的壓縮編碼；壓縮后的碼流被由TMS320F206構(gòu)成的數(shù)據(jù)通信模讀出，并通過(guò)USB接口送往主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

這個(gè)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是采用雙DSP的結(jié)構(gòu)。它利用TMS320C6201作為運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的壓縮編碼；同時(shí)采用TI的另一顆DSP－TMS320F206作為通信控制器，負(fù)責(zé)將壓縮后的碼流通過(guò)USB接口送往主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。這種雙DSP的結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)的壓縮任務(wù)與通信任務(wù)相分離，使得視頻編碼模塊與USB通信模塊相對(duì)獨(dú)立，C6201 DSP芯片可以專注于復(fù)雜的視頻編碼算法的實(shí)現(xiàn)，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以得到充分的發(fā)揮；F206的處理能力則足以應(yīng)付USB通訊的需求。模塊間的這種可并行操作性大大提高了系統(tǒng)的總體性能。同時(shí)，F(xiàn)206片上具有4K×16bits的SRAM，可以充當(dāng)通信時(shí)的數(shù)據(jù)緩沖器，從而省去了通常設(shè)計(jì)中需要使用的價(jià)格昂貴的FIFO。

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信模塊采用USB協(xié)議與主機(jī)通訊。USB協(xié)議是一些PC大廠商在1995年推出的一種高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)是速度快、支持熱插拔、可以通過(guò)Hub擴(kuò)展并且能夠提供總線供電的方式。它已經(jīng)成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是1.1版本的USB協(xié)議，其總線速度可以達(dá)到12Mbps。

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是高頻數(shù)字電路設(shè)計(jì)。C6201工作在200MHz的主頻下，其外部存儲(chǔ)器件也都工作在很高的時(shí)鐘頻率下，如SBSRAM的工作頻率為200MHz，而SDRAM的工作頻率也達(dá)到100MHz，因而在PCB板布線時(shí)高頻信號(hào)的完整性問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)。在仿真的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇合適的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并應(yīng)用終端電阻等多種消除信號(hào)反射的方法，本系統(tǒng)較好地解決了高速信號(hào)的完整性問(wèn)題。

最終系統(tǒng)的實(shí)際圖樣見(jiàn)圖2。

傳統(tǒng)的視頻圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)核心都是基于離散余弦變換（DCT），如M-JPEG、MPEG1與MPEG2等。在本系統(tǒng)中采用的是我們提出的一種低存儲(chǔ)量的圖像零樹(shù)編碼算法，由于算法的核心采用小波變換（wavelet），因而有效地克服了傳統(tǒng)方法的“塊效應(yīng)”現(xiàn)象，在解碼圖像質(zhì)量、碼率的精確控制等方面較傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有較大的進(jìn)步；同時(shí)原始的圖像零樹(shù)編碼算法對(duì)存儲(chǔ)空間占用過(guò)大，對(duì)于存儲(chǔ)空間有限的情況，則必須經(jīng)常進(jìn)行內(nèi)存的分配和釋放以及數(shù)據(jù)塊的頻繁搬移，又會(huì)帶來(lái)不必要的時(shí)間開(kāi)銷，給硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大的困難。

采用低存儲(chǔ)量的圖像零樹(shù)編碼算法后，存儲(chǔ)空間的消耗以及由此帶來(lái)的時(shí)間消耗均顯著下降。盡管新算法重建圖像的PSNR指標(biāo)較原始算法有稍微的下降，但基本都在1dB以內(nèi)，在某些情況下甚至與原始算法重建圖像的PSNR指標(biāo)相當(dāng)。實(shí)踐證明，這是一種可行的、高效的基于DSP的視頻圖像實(shí)時(shí)壓縮存儲(chǔ)解決方案。

本文介紹的系統(tǒng)方案充分利用了TMS320C6201強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合雙DSP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以很好地滿足視頻圖像實(shí)時(shí)壓縮編碼的要求。同時(shí)，本文介紹的方案還為通用的圖像處理算法提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)人員能夠方便地在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行圖像處理算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。比如我們已經(jīng)開(kāi)始在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行MPEG-4的實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，由于模塊設(shè)計(jì)的相對(duì)獨(dú)立性，通過(guò)更換接口芯片，數(shù)據(jù)通訊模塊還可以方便地實(shí)現(xiàn)其它的通訊方式，如以太網(wǎng)接口、modem等。而且不管最終使用什么通訊方式，視頻編碼模塊的工作方式和程序都不會(huì)受到影響。我們近期的目標(biāo)還包括將數(shù)據(jù)通訊模塊的F206更換為TMS320VC5402或TMS320C6211以提供完整的TCP/IP支持?！?/font>