TMS320C6201在MPEG-4视频解码器中的应用_DSP论文
关键词：tms320c6201 视频压缩 mpeg-4 vop mb idct 运动补偿
引言
随着网络和多媒体技术的发展，视觉通信的重要性和需求急剧增加，如桌面视频会议、移动终端、基于因特网的视音频通信等。随之而来的是视频压缩技术的迅速发展和视频压缩标准的不断推出。国际运动图像编码专家组（mpeg）先后推出了mpeg-1、mpeg-2和mpeg-4.mpeg-4是由国际运动图像专家组于1998年11月制定的。它是一个面向多媒体应用的压缩标准，其应用覆盖范围远大于mpeg-1和mpeg-2等标准。从移动可视电话到专业视频编辑，既支持自然图像，也支持计算机合成图像。最重要的是它支持交互功能。这是由于mpeg-4采用了与其它标准不同的、基于对象的图像描述方式。目前，国内有关mpeg-4应用技术的研究及开发的工作正在悄然兴起。笔者在研究了mpeg-4视频标准之后，充分利用tms320c6201的硬件资源和软件优化，实时实现了嵌入式mpeg-4视频解码器。
1 mpeg-4视频码流及主要算法
mpeg-4采用了基于对象的压缩编码技术。在编码前，首先要对视频序列进行分析，从原理图像中分割出各个视频对象，然后南分别对每个视频对象单独编码。每个对象都有自己的形状信息（shape）、运动信息（motion）、纹理信息（texture）。对视频对象的编码就是对这3种信息进行编码。mpeg-4通过运动预测和运行补偿来去除连续帧之间的时间冗余。运动预测与运动补偿的精度可以为整像素、半像素或1/4像素，另外还增了重叠运动补偿方式。与形状相关算法有：基于邻近的算术编码、水平和垂直填补、扩张填补等。与纹理编码相关的算法有：离散余弦变换（dct）、量化、dct系数的dc/ac差分预测、zig-zag扫描、游程编码、霍夫曼变长编码等。
笔者实现的是mpeg-4的svp（simple visual profile）视频解码。视频序列全部为矩形，所以不存在任意形状编码。视频序列按照视频对象层vol（video object layer）、视频对象平台vop（video object plane）、宏块mb（macro block）视顺序编成一串码流。1个vol中包含多个vop，1个vop中包含多个mb。mb是码流中的基本单位。mb又分为帧内mb（intramb）、帧间mb（imtermb）。帧间4vmb(inter4vmb)等几种。在i-vop中，所有的宏块都是intramb。p-vop中宏块有多种可能，可以是intramb、intermb或inter4vmb。p-vop中的intermb或inter4vmb的码流描述如下：
mb码流=mb形状+mb头信息+mv+dct纹理（y1+y2+y3+y4+u+v）
由于是矩形帧，所以无形状编码mb shape部分。
mb头中主要包括4个参数：not_coded（本mb是否编码的标志位）、mcbpc（色度块u和v是否编码的标志位）、cbpy（亮度块y1～y4是否编码的标志位）、dquant（本mb中dct系数量化步长的增量值）。
mv为运动矢量，实际写入码流的是运动矢量误差值（Δmv），这是因为编码中mv采用差分编码。如果mb是一个intermb，则表示本mb只有1个运动矢量，所以在码流中只传1个Δmv；如果mb是一个inter4vmb，则表示本mb有4个运行矢量，即每个子块（block）有1个运动矢量，所以在码流中需传送4个Δmv，即mvd1、mvd2、mvd3和mvd4。
最后是一连串经过量化、zig-zag扫描、游程编码和霍夫曼变长编码的dct系数，按照y1、y2、y3、y4、u和v的先后顺序编码。
2 tms320c6201 dsp及evm板介绍
2.1 tms320c6201 dsp
tms320c6201是美国ti公司的c6000系列新一代数字信号处理器中的第1个产品，于1997年3月发布。它是一个32bit的定点dsp芯片。该芯片具有8个相互独立的功能单元，可以工作在200mhz的cpu时钟频率，全速运行时可达到1600 mips。其主要特性包括：
*芯片内核采用velociti tm先进的超长指令字（vliw）结构，具有高度的并行性和快速的运行能力，每个时钟周期最多可同时执行8条32位指令，并且所有的指令都可以有条件执行；
*具有丰富的指令系统且可对字节操作，支持16位的乘法运算；
*有4个彼此独立的快速的dma通道，可以进行多种形式的数据传输。
*片内数据存储区和程序存储区各64kb，并支持多种数据宽度8位/16位/32位；32位的外部存储器接口，提供与片外sdram、sdsram和sram的直接接口。
tms320c6201的以上特点，能满足视频图像处理的实时性要求。例如：tms320c6201 dsp计算1块8×8 idct（逆变散余弦变换）仅用（168+62）个时钟周期，为1.15μs。
2.2 evm板
tms320c6201 evm板是一块带有pci接口的插卡，除了可以插在计算机主板的pci插槽上使用外，还可以外配电源作为独立的模块工作，并通过xds510仿真器进行调试。该板上配有1片tms320c6201 dsp，最高工作在160mhz。
evm板上提供的片外存储器包括1组64kbit×32（256kb）、133mhz的sbsram，配置成ce0；2组4mb、100mhz的sdram，分别配置成ce2和ce3；另外还可以通过板上的外部存储器接口（emif）扩展存储空间，这些扩展存储器配置成cei。
3 用tms320c6201实现mpeg-4 svp解码
3.1 mpeg-4视频解码原理
mpeg-4的一个vop的解码过程如图1所示，解码器用这一过程从编码位流中恢复视频对象。不难看出，解码器主要由形状解码器、运动解码器和纹理解码器3部分组成。
3.2 程序流程
整个程序采用模块化设计，以优化c语言编程为主。限于篇幅，仅列出主程序流程（如图2所示）和mb解码流程（如图3所示）。
主程序在初始化后，首先从码流中解出vol和vop的头，然后根据这些头信息以宏块为单位进行解码。mb解码单独做成函数，也是首先解出头，据此判断出宏块类型：帧内mb、帧间mb或帧间4vmb。帧内mb解码是以1块为单位作纹理解码，解出的纹理值在block[64]中，最后存入解码后宏块行缓存区内；2种帧间mb解码相同部分都是先解出运动矢量mv，根据mv进行运动补偿得到预测值存入解码后宏块行缓存区，再以块为单位进行纹理解码，解出残差值存入block[64]中，最后将block[64]加入到解码后宏块门缓存区中得到最后结果。不同的是，在解码mv时intramb解出1个mv；而inter4vmb解出4个mv。因此，运动补偿时，一个按宏块做，一个按块做。另外还有一种情况，就是p-vop中的mb没有被编码（not_coded=1），码流中没有此宏块的数据，应该mv=0、dct系数全为0处理，即从前一帧同样位置处找到参考块作为当前宏块的结果。
3.3 存储器分配
mpeg-4 svp解码器是在evm板上编程实现的。由于tms320c6201 dsp片内数据存储空量只有64kb，而图像处理的数据量非常大，因此，合理有效地分析存储空间是解码设计中的关键问题。内部64kb存储空间内开辟了一些空间用于暂存解码中常用的一些，具体设置如表1所列。
表1 内部数据存储器空间分配
| 全局变量 | 所占空间/b |
| 变长解码（vld）表 | 4906 |
| zig-zag扫 | 192 |
| vol、vop和mb的头 | 108 |
| dc/ac预测和mb模式 | 5560 |
| mv预测 | 9504 |
| 量化步长 | 396 |
| 解码输出缓存区（1个宏块行） | 8448 |
| 输入的压缩码流缓存区 | 10k |
合 计 | 38.3k |
输入的压缩码流和解码后的视频输出都存储在片外。输入的压缩码流在程序开始前由pc机传输到evm板的外部存储器中保存，解码时分批将数据通过dma方式复制到片内。片内设置1个压缩码流缓存区。解码后的视频序列存放在外部存储器中，在内部缓存1个宏块行，每解完1个宏块行后，就用dma传输到外部存储器中。
3.4 程序优化
（1）软件开发流程及开发工具
整个程序的编写和调试按照c6000软件开发流程进行，流程分为：产生c代码、优化c代码和编写线性汇编程序3个阶段。使用的开发工具是ti的集成开发环境ccs（code composer studio）。在ccs下，可以对软件进行编辑、编译、调试、代码性能测试（profile）等所有工作。
（2）程序优化措施
为使程序优化，采取如下措施：
①为编写出优化的c程序，在编程时尽量按照c6000环境下支持的优化c的方法进行编程，这样有助于c编译器产生高效的汇编代码。
②使用ti提供的库函数，大大提高了编程效率。
③使用dma传数，提高了cpu的效率。
在解码程序中用dma方式实现了下列数据的传输：
*码流输入——码流从片外存储器传输到片内；
*解码后的结果输出——解码完一宏块行后，将结果从片内传输到片外保存；
*顶部和低部的填充；
*运动补偿时，将在片外找到的参考块传输到片内。
（3）采用线性汇编对某些程序段做进一步优化。
为了提高代码性能，对影响应用程序的代码可以用线性汇编重新编写。
3.5 mpeg-4 svp解码器的特性及测试结果
按照上述思路所实现的mpeg-4 svp视频解码器完全符合mpeg-4的svp规范，其特点如表2所列。输入图像分辨率可为qcif或cif，输入比特率为64kbps、128kbps和384kbps，输出图像格式为4：2：0yuv，最大解码速率为30帧/s。
表2 mpeg-4 svp视频解码器特性表
| 压缩标准 | mpeg-4svp |
| 输入图像分辨率 | qcif（176×144），cif（352×288） |
| 像素精度 | 8bit/pixel |
| 扫描格式 | 逐行扫描 |
| 输入比特率/kbps | 64，128，384 |
| 最大解码帧率 | 最高30帧/s |
| 输出图像格式 | 4：2：0 yuv |
在解码软件是在evm板上调试通过的，解码时间可在ccs环境下测得。对于不同的图像解码所用的时间是有差异的。笔者对多种情况的码流进行了测试，在1秒内都能解出25～30帧，甚至更多帧从而实现了实时解码。
结束语
笔者在研究了mpeg-4的视频编解码算法之后，成功地在tms320c6201 evm板上编程实现子mpeg-4 svp的实时解码，为最终设计出独立的mpeg-4解码器打下了基础。此解码器可以嵌入到某些移动终端中，用于解码vpeg-4码流，如pda、机顶盒和住宅网关等；还可以与相应的编码器配套用于远程监控中。