MPEG-4实时编码器在ADSP-BF533上的实现

引言

　　MPEG-4|0">MPEG-4视频编码技术可以在较小的带宽下传输高质量的视频数据，节省大量存储空间，但编码复杂度也较高，目前丰要有3种实现方案：在通用PC上编程实现；通过ASIC硬件实现以及使用通用DSP|0">DSP芯片实现。与前两者相比，通用DSP芯片实现方案具有以下优势：运算性能强；可升级性好，与PC类似，通用DSP芯片的功能仍是通过编程来实现的，能快速、方便地进行软件升级及添加新的功能，以适应技术发展和市场变化；成本低、功耗低、适应场合广泛。

系统硬件设计

　　编码系统处理核心为ADSP-BF533(以下简称BF533)，利用其多功能并行接口PPI采集视频数据，该PPI具有DMA功能，无需内核干预便可进行高速数据传输，传输完成后可自动向内核发出DMA中断。

　　视频采集部分选用0mniVision公司的CIF级彩色CMOS图像传感芯片OV6630，其最大分辨率为352×288，采集速率最高可达60fps，且片内硬件实现了原始RGB数据到4：2：2YUV格式数据的转换，用户无需自行编写复杂的RGB转YUV应用程序，大大减少了代码量，很适合用作MPEG-4编码。

　　设置OV6630

编码器设计实现

存储器空间分配

　　BF533采用统一的32位、共4GB可寻址空间，包括位于片内的L1高速SRAM，片外的同步存储器空间SDRAMSpace，以及异步存储器空间(A syn chronousMemory Space)。

　　片内Ll SRAM包括：64KB指令SRAM、16KB指令Cache／SRAM、32KB数据SRAM、32KB数据Cache／SRAM，以及4KB便签存储器。

　　L1 SRAM工作在内核时钟频率，内核可以对其进行高速带宽访问。它是所有存储器中访问速度最快的，但容量有限，因此，只应将那些最关键的代码和数据存放在L1SRAM里。同时，指令Cache和数据Cache全部使能，这样可以大大提高访问片外存储器的效率。Cache设置是通过相应的I M E M_C O N T R O L、DMEM_CONTROL，以及CPLB寄存器配置实现的。

　　由于BF533片内存储空间有限，而原始视频数据量较大：CIF级4：2：2格式每帧图像占用的空间为202752字节，如果采用模拟PAL制式视频输入，每帧占用空间更是高达829440字节，只能将其放至SDRAM中。同样，视频编码数据也应存放在SDRAM中。此外，系统启动完成Boot loader引导后，主要关键代码放在片内L1程序SRAM中执行，但大部分程序代码仍需从SDRAM中执行。由于SDRAM特殊的读／写方式，如果下次访问内存页与当前活动页(Active Page)不同，即出现了页错失(Page Miss)，SDRAM就必须首先关闭当前页，再打开新的页，大大降低了SDRAM读写速率。而该系统中SDRAM又需存储多种数据，内核、DMA均需要频繁访问SDRAM，因此，应精心分配SDRAM空间，以使页错失现象尽量少发生。

　　BF533的SDRAM控制器(SDC)可以支持SDRAM每个内部子集中的一个活动页，且在这4个I-Bank中进行切换时无需任何延迟。这样，将不同的数据、代码映射至不同的I-Bank，可使页错失现象降到最少，进而改善访问SDRAM的效率。

　　由于需要实时编码，为保证视频采集和压缩可以同步执行，采用乒乓缓冲技术：设置了两块视频帧接收缓冲区BUF1和BUF2，采用BF533的DMA传输链方式进行传输。当某一DMA缓冲区填满后，内核对其作MPEG-4编码(同时也在构建参考帧)，此时DMA开始对另一块缓冲区进行填充。由于BUF1、BUF2、程序代码以及参考帧均位于不同的I-Bank，减少了SDRAM页面切换的机会，实现了对SDRAM的高效访问。

MPEG-4程序流程

　　MPEG-4编码是基于宏块(Macro Block)进行的，每个宏块包含4个8×8亮度子块和2个8×8色度子块。MPEG-4编码原理主要包括对I帧和P帧的编码，P帧比I帧多出了运动估计和补偿模块，二者编码流程如图2所示。

代码编写及优化

　　BF533支持C／C++高级语言，但高级语言执行效率较低，为达到最大执行效率，采用全汇编语言实现MPEG-4编码。

　　对于I帧编码，主要的运算量是前向离散余弦变换FDCT和反向离散余弦变换IDCT，这里采用了ADI提供的优化代码，它基于chen氏快速DCT算法，大量运用了BF533特有的并行指令，完成一次8×8 DCT仅需293个时钟周期。

　　与I帧相比，P帧编码相对复杂，其中，运动估计是P帧编码最费时的部分，即在参考帧中搜索与当前编码宏块或子块最匹配的位置。

　　SAD(绝对误差和)准则具有无需乘除运算、实现简单方便等优点，选用它作为运动估计匹配准则。

　　运动估计搜索算法则采用菱形搜索法(又称钻石搜索法)，搜索精度为半像素，菱形搜索法具有简单、鲁棒、高效的特点。

　　Blackfin汇编指令集中有专门用于SAD计算的指令S

结语

本文介绍了CIF级别的MPEG-4 SP实时编码在BF533 DSP；DSP片上的实现，该编码器可以灵活地选用系统自带CMOS传感器及用户自选PAL制模拟摄像机两