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TMS320C6201在视频解码器中的应用分析
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2017-10-27
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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：基于邻近信息的算术编码、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纹理信息（Y1+Y2+Y3+Y4+U+V） 由于是矩形帧，所以无形状编码MB shape部分。 MB头信息中主要包括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%26;#215;8 IDCT（逆变散余弦变换）仅用（168+62）个时钟周期，为1.15μs。
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：基于邻近信息的算术编码、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纹理信息（Y1+Y2+Y3+Y4+U+V） 由于是矩形帧，所以无形状编码MB shape部分。 MB头信息中主要包括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%26;#215;8 IDCT（逆变散余弦变换）仅用（168+62）个时钟周期，为1.15μs。
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