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TMS320C6201在MPEG-4視頻解碼器中的應用
摘要：TMS320C6201是美國TI公司生產的一種高性能數字信號處理器。本文介紹如何利用1片TMS320C6201數字信號處理器實現MPEG-4SVP視頻解碼，并討論解碼器的結構，算法、存儲器分配以及程序的優(yōu)化等問題，最后給出該解碼器總體特性表。關鍵詞：TMS320C6201視頻壓縮MPEG-4VOPMBIDCT運動補償
引言
隨著網絡和多媒體技術的發(fā)展，視覺通信的重要性和需求急劇增加，如桌面視頻會議、移動終端、基于因特網的視音頻通信等。隨之而來的是視頻壓縮技術的迅速發(fā)展和視頻壓縮標準的不斷推出。國際運動圖像編碼專家組（MPEG）先后推出了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4.MPEG-4是由國際運動圖像專家組于1998年11月制定的。它是一個面向多媒體應用的壓縮標準，其應用覆蓋范圍遠大于MPEG-1和MPEG-2等標準。從移動可視電話到專業(yè)視頻編輯，既支持自然圖像，也支持計算機合成圖像。最重要的是它支持交互功能。這是由于MPEG-4采用了與其它標準不同的、基于對象的圖像描述方式。目前，國內有關MPEG-4應用技術的研究及開發(fā)的工作正在悄然興起。筆者在研究了MPEG-4視頻標準之后，充分利用TMS320C6201的硬件資源和軟件優(yōu)化，實時實現了嵌入式MPEG-4視頻解碼器。
1MPEG-4視頻碼流及主要算法
MPEG-4采用了基于對象的壓縮編碼技術。在編碼前，首先要對視頻序列進行分析，從原理圖像中分割出各個視頻對象，然后南分別對每個視頻對象單獨編碼。每個對象都有自己的形狀信息（shape）、運動信息（motion）、紋理信息（texture）。對視頻對象的編碼就是對這3種信息進行編碼。MPEG-4通過運動預測和運行補償來去除連續(xù)幀之間的時間冗余。運動預測與運動補償的精度可以為整像素、半像素或1/4像素，另外還增了重疊運動補償方式。與形狀相關算法有：基于鄰近信息的算術編碼、水平和垂直填補、擴張?zhí)钛a等。與紋理編碼相關的算法有：離散余弦變換（DCT）、量化、DCT系數的DC/AC差分預測、Zig-Zag掃描、游程編碼、霍夫曼變長編碼等。
筆者實現的是MPEG-4的SVP（SimpleVisualProfile）視頻解碼。視頻序列全部為矩形，所以不存在任意形狀編碼。視頻序列按照視頻對象層VOL（VideoObjectLayer）、視頻對象平臺VOP（VideoObjectPlane）、宏塊MB（MacroBlock）視順序編成一串碼流。1個VOL中包含多個VOP，1個VOP中包含多個MB。MB是碼流中的基本單位。MB又分為幀內MB（intraMB）、幀間MB（imterMB）。幀間4VMB(inter4VMB)等幾種。在I-VOP中，所有的宏塊都是intraMB。P-VOP中宏塊有多種可能，可以是intraMB、interMB或inter4VMB。P-VOP中的interMB或inter4VMB的碼流描述如下：
MB碼流=MB形狀+MB頭信息+MV+DCT紋理信息（Y1+Y2+Y3+Y4+U+V）
由于是矩形幀，所以無形狀編碼MBshape部分。
MB頭信息中主要包括4個參數：not_coded（本MB是否編碼的標志位）、mcbpc（色度塊U和V是否編碼的標志位）、cbpy（亮度塊Y1～Y4是否編碼的標志位）、dquant（本MB中DCT系數量化步長的增量值）。
MV為運動矢量，實際寫入碼流的是運動矢量誤差值（ΔMV），這是因為編碼中MV采用差分編碼。如果MB是一個interMB，則表示本MB只有1個運動矢量，所以在碼流中只傳1個ΔMV；如果MB是一個inter4VMB，則表示本MB有4個運行矢量，即每個子塊（block）有1個運動矢量，所以在碼流中需傳送4個ΔMV，即mvd1、mvd2、mvd3和mvd4。
最后是一連串經過量化、Zig-Zag掃描、游程編碼和霍夫曼變長編碼的DCT系數，按照Y1、Y2、Y3、Y4、U和V的先后順序編碼。
2TMS320C6201DSP及EVM板介紹
2.1TMS320C6201DSP
TMS320C6201是美國TI公司的C6000系列新一代數字信號處理器中的第1個產品，于1997年3月發(fā)布。它是一個32bit的定點DSP芯片。該芯片具有8個相互獨立的功能單元，可以工作在200MHz的CPU時鐘頻率，全速運行時可達到1600MIPS。其主要特性包括：
*芯片內核采用VelociTITM先進的超長指令字（VLIW）結構，具有高度的并行性和快速的運行能力，每個時鐘周期最多可同時執(zhí)行8條32位指令，并且所有的指令都可以有條件執(zhí)行；
*具有豐富的指令系統(tǒng)且可對字節(jié)操作，支持16位的乘法運算；
*有4個彼此獨立的快速的DMA通道，可以進行多種形式的數據傳輸。
*片內數據存儲區(qū)和程序存儲區(qū)各64KB，并支持多種數據寬度8位/16位/32位；32位的外部存儲器接口，提供與片外SDRAM、SDSRAM和SRAM的直接接口。
TMS320C6201的以上特點，能滿足視頻圖像處理的實時性要求。例如：TMS320C6201DSP計算1塊8×8IDCT（逆變散余弦變換）僅用（168+62）個時鐘周期，為1.15μs。
2.2EVM板
TMS320C6201EVM板是一塊帶有PCI接口的插卡，除了可以插在計算機主板的PCI插槽上使用外，還可以外配電源作為獨立的模塊工作，并通過XDS510仿真器進行調試。該板上配有1片TMS320C6201DSP，最高工作在160MHz。
EVM板上提供的片外存儲器包括1組64Kbit×32（256KB）、133MHz的SBSRAM，配置成CE0；2組4MB、100MHz的SDRAM，分別配置成CE2和CE3；另外還可以通過板上的外部存儲器接口（EMIF）擴展存儲空間，這些擴展存儲器配置成CEI。
3用TMS320C6201實現MPEG-4SVP解碼
3.1MPEG-4視頻解碼原理
MPEG-4的一個VOP的解碼過程如圖1所示，解碼器用這一過程從編碼位流中恢復視頻對象。不難看出，解碼器主要由形狀解碼器、運動解碼器和紋理解碼器3部分組成。
3.2程序流程
整個程序采用模塊化設計，以優(yōu)化C語言編程為主。限于篇幅，僅列出主程序流程（如圖2所示）和MB解碼流程（如圖3所示）。
主程序在初始化后，首先從碼流中解出VOL和VOP的頭，然后根據這些頭信息以宏塊為單位進行解碼。MB解碼單獨做成函數，也是首先解出頭信息，據此判斷出宏塊類型：幀內MB、幀間MB或幀間4VMB。幀內MB解碼是以1塊為單位作紋理解碼，解出的紋理值在block[6][64]中，最后存入解碼后宏塊行緩存區(qū)內；2種幀間MB解碼相同部分都是先解出運動矢量MV，根據MV進行運動補償得到預測值存入解碼后宏塊行緩存區(qū)，再以塊為單位進行紋理解碼，解出殘差值存入block[6][64]中，最后將block[6][64]加入到解碼后宏塊門緩存區(qū)中得到最后結果。不同的是，在解碼MV時intraMB解出1個MV；而inter4VMB解出4個MV。因此，運動補償時，一個按宏塊做，一個按塊做。另外還有一種情況，就是P-VOP中的MB沒有被編碼（not_coded=1），碼流中沒有此宏塊的數據，應該MV=0、DCT系數全為0處理，即從前一幀同樣位置處找到參考塊作為當前宏塊的結果。
3.3存儲器分配
MPEG-4SVP解碼器是在EVM板上編程實現的。由于TMS320C6201DSP片內數據存儲空量只有64KB，而圖像處理的數據量非常大，因此，合理有效地分析存儲空間是解碼設計中的關鍵問題。內部64KB存儲空間內開辟了一些空間用于暫存解碼中常用的一些信息，具體設置如表1所列。
表1內部數據存儲器空間分配
全局變量所占空間/B變長解碼（VLD）表4906Zig-Zag掃192VOL、VOP和MB的頭信息108DC/AC預測和MB模式5560MV預測9504量化步長396解碼輸出緩存區(qū)（1個宏塊行）8448輸入的壓縮碼流緩存區(qū)10K
合計
38.3K
輸入的壓縮碼流和解碼后的視頻輸出都存儲在片外。輸入的壓縮碼流在程序開始前由PC機傳輸到EVM板的外部存儲器中保存，解碼時分批將數據通過DMA方式復制到片內。片內設置1個壓縮碼流緩存區(qū)。解碼后的視頻序列存放在外部存儲器中，在內部緩存1個宏塊行，每解完1個宏塊行后，就用DMA傳輸到外部存儲器中。
3.4程序優(yōu)化
�。�1）軟件開發(fā)流程及開發(fā)工具
整個程序的編寫和調試按照C6000軟件開發(fā)流程進行，流程分為：產生C代碼、優(yōu)化C代碼和編寫線性匯編程序3個階段。使用的開發(fā)工具是TI的集成開發(fā)環(huán)境CCS（CodeComposerStudio）。在CCS下，可以對軟件進行編輯、編譯、調試、代碼性能測試（profile）等所有工作。
�。�2）程序優(yōu)化措施
為使程序優(yōu)化，采取如下措施：
�、贋榫帉懗鰞�(yōu)化的C程序，在編程時盡量按照C6000環(huán)境下支持的優(yōu)化C的方法進行編程，這樣有助于C編譯器產生高效的匯編代碼。
�、谑褂肨I提供的庫函數，大大提高了編程效率。
�、凼褂肈MA傳數，提高了CPU的效率。
在解碼程序中用DMA方式實現了下列數據的傳輸：
*碼流輸入——碼流從片外存儲器傳輸到片內；
*解碼后的結果輸出——解碼完一宏塊行后，將結果從片內傳輸到片外保存；
*頂部和低部的填充；
*運動補償時，將在片外找到的參考塊傳輸到片內。
�。�3）采用線性匯編對某些程序段做進一步優(yōu)化。
為了提高代碼性能，對影響應用程序的代碼可以用線性匯編重新編寫。
3.5MPEG-4SVP解碼器的特性及測試結果
按照上述思路所實現的MPEG-4SVP視頻解碼器完全符合MPEG-4的SVP規(guī)范，其特點如表2所列。輸入圖像分辨率可為QCIF或CIF，輸入比特率為64Kbps、128Kbps和384Kbps，輸出圖像格式為4：2：0YUV，最大解碼速率為30幀/s。
表2MPEG-4SVP視頻解碼器特性表
壓縮標準MPEG-4SVP輸入圖像分辨率QCIF（176×144），CIF（352×288）像素精度8bit/pixel掃描格式逐行掃描輸入比特率/Kbps64，128，384最大解碼幀率最高30幀/s輸出圖像格式4：2：0YUV
在解碼軟件是在EVM板上調試通過的，解碼時間可在CCS環(huán)境下測得。對于不同的圖像解碼所用的時間是有差異的。筆者對多種情況的碼流進行了測試，在1秒內都能解出25～30幀，甚至更多幀從而實現了實時解碼。
結束語
筆者在研究了MPEG-4的視頻編解碼算法之后，成功地在TMS320C6201EVM板上編程實現子MPEG-4SVP的實時解碼，為最終設計出獨立的MPEG-4解碼器打下了基礎。此解碼器可以嵌入到某些移動終端中，用于解碼VPEG-4碼流，如PDA、機頂盒和住宅網關等；還可以與相應的編碼器配套用于遠程監(jiān)控中。
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