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MPEG-4视频编解码实现方案解析
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2017-10-21
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数字视频的大数据量给信息的存储和传输造成了相当大的困难，成为数字视频应用的瓶颈之一，数字视频压缩编码是解决这一问题的有效途径，但在一些对实时性要求较高的场合，要求快速实现数字视频的编解码。采用DSP器件集成的视频采集压缩卡能快速实现视频压缩算法，提高处理速度，满足实时性要求。
本文采用Blackfin系列的DSP芯片ADSP-21535来实现MPEG-4视频编解码，详细介绍了硬件和软件的设计方案。
硬件设计
整个系统包括视频采集单元、MPEG-4编解码单元、数据存储单元、逻辑控制单元和视频显示单元等。采用conexant公司的Bt829实现视频信号采集，数据存储采用Cypress公司的SRAM芯片CY7C104133，视频显示单元采用ADI公司的ADV7175，逻辑控制部分采用Altera公司的MAX7000芯片。
软件设计
MPEG-4视频编码是根据图像的内容将其分割成不同的视频对象VO（Video Object），然后进行编码。其编码过程可由3步来完成，即VO的形成、编码和复合。它提供了灵活的框架和开放的工具集。
基于VOP（VIDEO Object Plane）的编码，VO是场景中的某个物体，是由时间上连续的帧画面序列组成的，而VOP是某一时刻某一帧画面的VO，VOP编码是针对某一时刻该帧画面VO的形状、运动、纹理等三类信息进行编码。从类型上看包括帧内IVOP（Intra VOP）、帧间前向因果预测PVOP（Inter Prediction VOP）、帧间双向非因果预测BVOP（Inter Biderctional Prediction VOP）和全息灵影SVOP（Sprite VOP）。从空间上看它由若干个16×16的宏块组成，又可分成4个8×8的亮度块和2个8×8的色差块。它采用位图法对VOP的形状进行编码。
在本文设计的编解码器中，对于352×288的VOP图像数据编码采用Y：U：V=4：2：0的格式，即每采样4个亮度样本，对应采样两个色差样本。然后，分离不同的帧格式，分别对它们进行编码和解码。
基于ADSP-21535的MPEG-4编码优化
ADSP-21535采用双MAC的结构，具有正交的类似RISC的微处理器集，主频可达300MHz，有专门的视频处理指令、灵活的SRAM和cache结构，是一款在多媒体处理与网络传输应用中极具特色的芯片。因此，在编码的过程中，应充分考虑芯片的结构和指令特点，实现程序的优化。
使用硬件结构提高处理速度
ADSP-21535内部有两块RAM，即L1RAM和L2RAM。L1RAM是核内的高速RAM，可以按照需要定义为cache或SRAM，或者一部分数据cache，一部分数据SRAM。它可分成16KB指令cache和指令SRAM，也可分成32KB数据cache和数据RAM。相对来说L2RAM离核较远，如果程序或数据放在L2RAM中直接执行，速度会比较慢。因此如果程序的数据量较小，可以把程序和数据直接放入L1RAM中执行。但是对于数据量较大的程序来说，有时还有可能把数据放在外部存储器中，如视频采集数据，这时就应该设置好cache允许的数据地址和程序地址，然后启动cache，这样程序和数据就会自动调入L1RAM中执行。
运动估值搜索算法的并行处理
视频压缩的关键是去除时间与空间的冗余，考虑到帧间的时间相关性强的特点，为了满足随机存储和高压缩比的要求，一般采用帧间和帧内的编码技术。在MPEG-4运动搜索算法中是使用条块匹配算法，需要进行VOP范围内点的搜索。匹配使当前的图像与预测图像的绝对差值和，即SAD最小。
SAD的计算是运动估值中最重要的一个环节，它直接影响整个运动搜索的速度，这也是图像数据实时压缩的瓶颈。Blackfin提供了一个极好的硬件指令，可以取出8个单元数据同时做4组VIDEO单元的绝对差和。ADSP-21535提供了两种指令形式来完成这个操作，即SAA（R1：0）和SAA（R1：0，R3：2）（R代表寄存器组高低寄存器互换），将结果放在A0和A1中（A0和A1为两个乘法器和累加器，R1和R0、R2和R3为配对的两个寄存器，一般称为寄存器组0和寄存器组1）。
由于作绝对差和是针对字节而言，所以起始字节地址不一定是以4的整数倍开始，但是每次运算却必须要取出4个字节作运算。对于此，Blackfin巧妙地根据地址的末两位来确定运算所取的字节。其地址指针为I0和I1，由I0和R1：0、I1和R3：2来确定运算的8个点。
用ADSP-21535计算当前块与目标宏块的SAD值的程序在此就不再赘述。
结语
整个系统使用Visual DSP++3.0进行开发，通过JTAG口仿真，在CIF格式下（352×288）进行测试。采集的帧率为25fps，对IVOP、PVOP、BVOP同时编码，平均压缩一帧需60ms左右，平均压缩比为40倍左右。从这些数据可以看出，用Blackfin实现MPEG-4编解码方案是可行的，能有效解决传输数据的瓶颈问题，提高信号的处理速度。同时该芯片的功耗小，性能稳定，可实现电源的动态管理，有利于实现视频压缩卡的集成。当然，如果能够对算法进一步优化，就更有利于视频数据的实时处理和传输。
本文采用Blackfin系列的DSP芯片ADSP-21535来实现MPEG-4视频编解码，详细介绍了硬件和软件的设计方案。
硬件设计
整个系统包括视频采集单元、MPEG-4编解码单元、数据存储单元、逻辑控制单元和视频显示单元等。采用conexant公司的Bt829实现视频信号采集，数据存储采用Cypress公司的SRAM芯片CY7C104133，视频显示单元采用ADI公司的ADV7175，逻辑控制部分采用Altera公司的MAX7000芯片。
软件设计
MPEG-4视频编码是根据图像的内容将其分割成不同的视频对象VO（Video Object），然后进行编码。其编码过程可由3步来完成，即VO的形成、编码和复合。它提供了灵活的框架和开放的工具集。
基于VOP（VIDEO Object Plane）的编码，VO是场景中的某个物体，是由时间上连续的帧画面序列组成的，而VOP是某一时刻某一帧画面的VO，VOP编码是针对某一时刻该帧画面VO的形状、运动、纹理等三类信息进行编码。从类型上看包括帧内IVOP（Intra VOP）、帧间前向因果预测PVOP（Inter Prediction VOP）、帧间双向非因果预测BVOP（Inter Biderctional Prediction VOP）和全息灵影SVOP（Sprite VOP）。从空间上看它由若干个16×16的宏块组成，又可分成4个8×8的亮度块和2个8×8的色差块。它采用位图法对VOP的形状进行编码。
在本文设计的编解码器中，对于352×288的VOP图像数据编码采用Y：U：V=4：2：0的格式，即每采样4个亮度样本，对应采样两个色差样本。然后，分离不同的帧格式，分别对它们进行编码和解码。
基于ADSP-21535的MPEG-4编码优化
ADSP-21535采用双MAC的结构，具有正交的类似RISC的微处理器集，主频可达300MHz，有专门的视频处理指令、灵活的SRAM和cache结构，是一款在多媒体处理与网络传输应用中极具特色的芯片。因此，在编码的过程中，应充分考虑芯片的结构和指令特点，实现程序的优化。
使用硬件结构提高处理速度
ADSP-21535内部有两块RAM，即L1RAM和L2RAM。L1RAM是核内的高速RAM，可以按照需要定义为cache或SRAM，或者一部分数据cache，一部分数据SRAM。它可分成16KB指令cache和指令SRAM，也可分成32KB数据cache和数据RAM。相对来说L2RAM离核较远，如果程序或数据放在L2RAM中直接执行，速度会比较慢。因此如果程序的数据量较小，可以把程序和数据直接放入L1RAM中执行。但是对于数据量较大的程序来说，有时还有可能把数据放在外部存储器中，如视频采集数据，这时就应该设置好cache允许的数据地址和程序地址，然后启动cache，这样程序和数据就会自动调入L1RAM中执行。
运动估值搜索算法的并行处理
视频压缩的关键是去除时间与空间的冗余，考虑到帧间的时间相关性强的特点，为了满足随机存储和高压缩比的要求，一般采用帧间和帧内的编码技术。在MPEG-4运动搜索算法中是使用条块匹配算法，需要进行VOP范围内点的搜索。匹配使当前的图像与预测图像的绝对差值和，即SAD最小。
SAD的计算是运动估值中最重要的一个环节，它直接影响整个运动搜索的速度，这也是图像数据实时压缩的瓶颈。Blackfin提供了一个极好的硬件指令，可以取出8个单元数据同时做4组VIDEO单元的绝对差和。ADSP-21535提供了两种指令形式来完成这个操作，即SAA（R1：0）和SAA（R1：0，R3：2）（R代表寄存器组高低寄存器互换），将结果放在A0和A1中（A0和A1为两个乘法器和累加器，R1和R0、R2和R3为配对的两个寄存器，一般称为寄存器组0和寄存器组1）。
由于作绝对差和是针对字节而言，所以起始字节地址不一定是以4的整数倍开始，但是每次运算却必须要取出4个字节作运算。对于此，Blackfin巧妙地根据地址的末两位来确定运算所取的字节。其地址指针为I0和I1，由I0和R1：0、I1和R3：2来确定运算的8个点。
用ADSP-21535计算当前块与目标宏块的SAD值的程序在此就不再赘述。
结语
整个系统使用Visual DSP++3.0进行开发，通过JTAG口仿真，在CIF格式下（352×288）进行测试。采集的帧率为25fps，对IVOP、PVOP、BVOP同时编码，平均压缩一帧需60ms左右，平均压缩比为40倍左右。从这些数据可以看出，用Blackfin实现MPEG-4编解码方案是可行的，能有效解决传输数据的瓶颈问题，提高信号的处理速度。同时该芯片的功耗小，性能稳定，可实现电源的动态管理，有利于实现视频压缩卡的集成。当然，如果能够对算法进一步优化，就更有利于视频数据的实时处理和传输。
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