TMS320C6201在MPEG-4视频解码器中的应用
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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8×8 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，也是首先解出头信息，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[6][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[6][64]中，最后将block[6][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信息，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的头信息 | 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。
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