嵌入式DSP上的視頻編解碼

聯(lián)合視頻組（Joint Video Team, JVT）由 ITU的視頻編碼專家組（Video Coding Experts Group, VCEG）和ISO/IEC運動圖像專家組（Moving Picture Experts Group, MPEG）組成。VCEG開發(fā)自愿性標準，用于會話和非會話類音/視頻應用的先進移動圖像編碼。 MPEG開發(fā)國際標準，用于移動圖像、音頻及兩者組合的壓 縮、編碼、解壓縮、處理等，以滿足各種應用。總之，JVT已經(jīng)開發(fā)了包括ITU H.262/MPEG2和H.264/MPEG-4 AVC在內(nèi)的最流行的視頻標準。

MPEG-2 Video/H.262：MPEG2（ISO/IEC 13818-2），也被稱為ITU-T H.262，是目前消費類電子視頻設備中使用最廣泛的視頻編碼標準。MPE2視頻用于數(shù)字電視廣播：包括地面、電纜和直接衛(wèi)星廣播。它能在25fps （Pal）或者30fps（NTSC）的固定幀率下達到720x576象素成像。此外，它也是DVD視頻中必需的編解碼器。

MPEG-4-SP/ASP： IS O/IEC 14496-2描述了 MPEG4簡單類（Simple Profile, SP）/高級簡單類（Advanced Simple Profile, ASP）。其中，SP用于下一代便攜式終端和窄帶互聯(lián)網(wǎng)。而ASP增加若干工具，編碼效率提高了1.5到2倍。他們兩個均在市場上獲得越來越多的接受。

MPEG-4-AVC/ITU-T H.264：先進視頻編碼（AVC）是由ISO/MPEG和ITU-T聯(lián)合技術(shù)委員會開發(fā)的多媒體標準。AVC提供更高的壓縮率，更好的視頻質(zhì)量和比MPEG2更高的容錯性，有望用于互聯(lián)網(wǎng)廣播和移動通訊。

Windows Media Video（WVM）/SMPTE VC-1：WMV9是微軟的多媒體標準，其特性包括支持流處理，可變比特率，以及與MPEG-4-AVC/H.264相媲美的容錯工具。除了用于家庭電 腦，WMV9目前也在電影院用于數(shù)字投影。電影中使用的編碼可以是7～12Mbps的恒定比特率CBR或可變比特率VBR，并達到DVE解析度 （720x480）。

應用方案

特定的目標應用決定了系統(tǒng)要求，因而帶動了系統(tǒng)設計的選擇。

個人媒體播放器（PMP）：個人媒體播放器是帶大容量存儲器的便攜式設備，通過對存儲的文件進行解碼，可以觀看視頻、聽音樂或者瀏覽數(shù)碼照片。由于是便攜式播 放器，因此功耗至關(guān)重要。既然編碼和流處理功能都不需要，并且屏幕尺寸通常是比較小的QVGA或者CIF格式，其可通過基于DSP的 方案很好的解決。采用DSP的優(yōu)勢還在于可輕松支持多種視頻和音頻標準。例如：LSI針對高性能嵌入式系統(tǒng)的可授權(quán)DSP核ZSP500，可為此類應用提 供充足的視頻處理能力。此外，ZSP500還可以提供杰出的音頻解碼能力，使DSP可在較低的頻率下運行；從而使音頻/視頻子系統(tǒng)功耗很低。而存儲器、鍵 盤、顯示和文件系統(tǒng)可通過微控制器執(zhí)行。

圖：標準視頻編解碼器的時間表

當然，某些PMP具備把播放器連接到普通電視機的視頻輸出功能。雖然PMP集成的顯示屏幕相對較小，但現(xiàn)在的視頻解碼尺寸通常達到D1格式。依據(jù)播放器的功 能列表要求，設備需要集成1個或者多個視頻解碼標準；對于在電視幀率（25-30幀/秒）下D1格式視頻解碼，硬件視頻解碼器是最佳選擇。多個視頻解碼標 準可能需要多個硬件模塊。實行多個解碼標準會提高系統(tǒng)成本，但不會提高功耗，因為同一時間只有一個模塊會被激活。多標準音頻解碼可在小而高效的嵌入式 DSP核中實現(xiàn)，而無需增加額外的硬件成本（存儲解碼器的空間除外）。而微控制器將用于控制DSP和視頻硬件解碼器。

當僅用于播放音頻時— 如典型的MP3播放器，也可使用單DSP解決方案。此系統(tǒng)中DSP進行音頻解碼、文件/流數(shù)據(jù)處理，還同時控制鍵盤、顯示屏和存儲器等。由于DSP處理音 頻解碼更為高效，因此使用如ZSP400 DSP而非微控制器可以顯著降低功耗。此外，基于DSP的解決方案可進行軟件升級，以支持運算更為密集的音頻標準（比如aac Plus），此時微控制器可能無法處理額外增加的負荷。

視頻移動電話：該類應用的視頻尺寸是QCIF或者CIF，幀率從10到30幀每秒。 是否需要支持多種視頻/音頻解碼標準取決于電話的功能要求。視頻將是流視頻或者短的視頻序列回放。通過軟件解碼而無需額外硬件，既可滿足這些設備的性能要 求。而且大多數(shù)的電話集成了微控制器和DSP，因此視頻解碼可通過DSP實現(xiàn)，這也使得低功耗精巧系統(tǒng)成為可能。另外一些電話可能包含PMP或者數(shù)碼攝像 機的一些功能，單純的DSP設計方案無法滿足要求，這就需要額外的硬件加速。

視頻桌面電話：該設備提供視頻會議功能，需要在強實時限制下完 成編解碼。如果幀尺寸和幀率有限，單DSP解決方案仍然可行。然而，大部分桌面電話具備QVGA或者更大的顯示屏；此外，用戶通常期望有比無線移動設備更 佳的語音/視頻質(zhì)量。這意味幀率應當更高，掉幀率/卡幀率應當盡可能低，此時可能需要采用硬件解決方案完成視頻編解碼。語音編解碼可通過低成本的DSP （如ZSPneo）或者系統(tǒng)中的微控制器實現(xiàn)。

移動數(shù)碼攝像機（DVR）：對于該類設備，多標準編解碼沒有必要，大多數(shù)僅使用單一視頻編解碼標準。由于大尺寸，高幀率和低功耗的苛刻要求，純硬件解決方案通常是首選。而不需要DSP，此時系統(tǒng)微控制器用于驅(qū)動視頻和音頻硬件模塊。

機頂盒：機頂盒需要完成高質(zhì)量視頻流的處理和已錄制的視頻文件的解碼。同DVR一樣，視頻質(zhì)量的要求（幀尺寸，幀率，比特率和容錯能力）使其幾乎只能通過硬 件解碼來進行。當然，因為不像移動設備對功耗要求那樣苛刻，也可采用多DSP核配合一些基本的硬件加速的方案來設計可處理各種視頻編解碼器的系統(tǒng)。根據(jù)功 能要求，機頂盒可 能需要一定的靈活性：尤其是將其用于媒體播放器、數(shù)字VCR或網(wǎng)絡流媒體領域。這時可用DSP中的軟件處理音頻。為了實現(xiàn)這種靈活性，要 選擇不同的編解碼器完成回放、編碼、譯碼等功能，此時用于音頻處理的DSP將會是如ZSP500這樣的高性能處理器，以實現(xiàn)迎合家庭影院最新潮流的環(huán)繞 聲、聲音處理等功能要求。

基本設計配置

針對本文宗旨，我們可以考慮以下4種基本設計配置：第一種設計包含1個 微控制器和1個DSP（MC+DSP）；第二種設計包括1個微控制器和1個DSP，但是DSP同時也控制1個視頻編碼/解碼硬件模塊（MC+[DSP+ VHW]）；第三種設計使用1個微控制器，DSP和視頻編碼/解碼硬件模塊（MC+DSP+VHW），在該設計中微控制器控制DSP和視頻硬件模塊；最后 一種設計包含1個微控制器，1個視頻編碼/解碼硬件模塊，1個音頻編碼/解碼硬件模塊（MC+VHW+AHW）。在上述各類設計中，微控制器負責典型的嵌 入式控制任務：包括用戶控制連接（如操縱桿控制），USB/UART/以太網(wǎng)驅(qū)動，協(xié)議層（如TCP/IP, HTTP）等。

表：各種視頻格式的典型帶寬

MC+DSP－微控制器和DSP用于低視頻解析度（CIF），軟件可升級，支持多種音、視頻標準的系統(tǒng)。DSP用于音頻解碼，視頻解碼和音/視頻同步。雖然性能有限，但系統(tǒng)非常靈活，此平臺可輕松實現(xiàn)多種音頻和視頻解碼格式支持。

MC +[DSP+VHW]—該視頻硬件模塊用于高解析度視頻編/解碼。DSP管理音頻編/解碼，也負責音/視頻同步，同時也能用于畫中畫或者其他視頻疊加功 能。該系統(tǒng)的一個優(yōu)勢是音頻/視頻子系統(tǒng)可設計為一個標準的多媒體編/解碼器，可輕松植入系統(tǒng)而不會增加太多的復雜性。DSP是系統(tǒng)多媒體部分的控制器。 由于多媒體編/解碼系統(tǒng)與微控制系統(tǒng)的連接很松散，因此其能夠被輕松整合進眾多現(xiàn)有微控制器系統(tǒng)中，從而使這個方案具備相當吸引力。該編/解碼系統(tǒng)可被當 作一個具有標準本地總線接口的ASSP產(chǎn)品。

MC+DSP+VHW-在該配置中，DSP用于音頻編/解碼，而微控制器用于實現(xiàn)音/視頻同 步。這就需要更復雜的微控制器設計，但可采用與MC+[DSP+VHW]系統(tǒng)相比功耗、成本都更低的DSP。由于微控制器必須協(xié)調(diào)DSP和VHW，同時還 要執(zhí)行其它的控制任務以及所有的協(xié)調(diào)操作，因此該方案實現(xiàn)困難很多。

該配置的一個變種是由DSP執(zhí)行視頻解碼、音頻編/解碼，而視頻編碼仍然由硬件執(zhí)行，這需要一個性能強大的DSP，但會使系統(tǒng)靈活性更強，并支持多種視頻解碼標準。

MC +VHW+AHW-在該配置中，微控制器執(zhí)行除音、視頻編/解碼外的所有任務。音/視頻同步也由微控制器執(zhí)行。該解決方案除音頻子系統(tǒng)靈活性較差（僅能執(zhí) 行原始設計中的音頻編解碼器而不能軟件升級）外，和MC+DSP+VHW很相象。其好處在于它能與特定應用配合，與各種前述方案相比具有最佳的功耗。

本文小結(jié)

嵌入式系統(tǒng)的設計取決于特定的目標應用。軟件靈活性、功耗和性能的綜合考慮決定最佳配置方案。應用很廣泛，解決方案則反映了不同應用的需求。一些應用需要低 功耗而其他需要靈活性和/或高性能。DSP可提供良好的性能和低功耗，同時可增加靈活性；完美適合于各種應用。由于整個多媒體解決方案（音/視頻編解碼和 音/視頻同步）可作為單一模塊輕松集成至現(xiàn)有和新系統(tǒng)中；這將使大量復雜問題得到一次性解決并在以后可多次重用，從而降低了使用多媒體模塊的系統(tǒng)的開發(fā)成本和總體開發(fā)時間。