基于嵌入式DSP的視頻編解碼分析

通用視頻標(biāo)準(zhǔn)和編解碼器

聯(lián)合視頻組(Joint Video Team, JVT)由 ITU的視頻編碼專(zhuān)家組(Video Coding Experts Group, VCEG)和ISO/IEC運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組(Moving Picture Experts Group, MPEG)組成。VCEG開(kāi)發(fā)自愿性標(biāo)準(zhǔn)，用于會(huì)話和非會(huì)話類(lèi)音/視頻應(yīng)用的先進(jìn)移動(dòng)圖像編碼。 MPEG開(kāi)發(fā)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用于移動(dòng)圖像、音頻及兩者組合的壓 縮、編碼、解壓縮、處理等，以滿足各種應(yīng)用?？傊?，JVT已經(jīng)開(kāi)發(fā)了包括ITU H.262/MPEG2和H.264/MPEG-4 AVC在內(nèi)的最流行的視頻標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-2 Video/H.262：MPEG2(ISO/IEC 13818-2)，也被稱為ITU-T H.262，是目前消費(fèi)類(lèi)電子視頻設(shè)備中使用最廣泛的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPE2視頻用于數(shù)字電視廣播：包括地面、電纜和直接衛(wèi)星廣播。它能在25fps (Pal)或者30fps(NTSC)的固定幀率下達(dá)到720x576象素成像。此外，它也是DVD視頻中必需的編解碼器。

MPEG-4-SP/ASP： ISO/IEC 14496-2描述了 MPEG4簡(jiǎn)單類(lèi)(Simple Profile, SP)/高級(jí)簡(jiǎn)單類(lèi)(Advanced Simple Profile, ASP)。其中，SP用于下一代便攜式終端和窄帶互聯(lián)網(wǎng)。而ASP增加若干工具，編碼效率提高了1.5到2倍。他們兩個(gè)均在市場(chǎng)上獲得越來(lái)越多的接受

MPEG-4-AVC/ITU-T H.264：先進(jìn)視頻編碼(AVC)是由ISO/MPEG和ITU-T聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)開(kāi)發(fā)的多媒體標(biāo)準(zhǔn)。AVC提供更高的壓縮率，更好的視頻質(zhì)量和比MPEG2更高的容錯(cuò)性，有望用于互聯(lián)網(wǎng)廣播和移動(dòng)通訊。

Windows Media Video(WVM)/SMPTE VC-1：WMV9是微軟的多媒體標(biāo)準(zhǔn)，其特性包括支持流處理，可變比特率，以及與MPEG-4-AVC/H.264相媲美的容錯(cuò)工具。除了用于家庭電 腦，WMV9目前也在電影院用于數(shù)字投影。電影中使用的編碼可以是7~12Mbps的恒定比特率CBR或可變比特率VBR，并達(dá)到DVE解析度 (720x480)。

應(yīng)用方案

特定的目標(biāo)應(yīng)用決定了系統(tǒng)要求，因而帶動(dòng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選擇。

個(gè)人媒體播放器(PMP)：個(gè)人媒體播放器是帶大容量存儲(chǔ)器的便攜式設(shè)備，通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)的文件進(jìn)行解碼，可以觀看視頻、聽(tīng)音樂(lè)或者瀏覽數(shù)碼照片。由于是便攜式播 放器，因此功耗至關(guān)重要。既然編碼和流處理功能都不需要，并且屏幕尺寸通常是比較小的QVGA或者CIF格式，其可通過(guò)基于DSP的 方案很好的解決。采用DSP的優(yōu)勢(shì)還在于可輕松支持多種視頻和音頻標(biāo)準(zhǔn)。例如：LSI針對(duì)高性能嵌入式系統(tǒng)的可授權(quán)DSP核ZSP500，可為此類(lèi)應(yīng)用提 供充足的視頻處理能力。此外，ZSP500還可以提供杰出的音頻解碼能力，使DSP可在較低的頻率下運(yùn)行;從而使音頻/視頻子系統(tǒng)功耗很低。而存儲(chǔ)器、鍵 盤(pán)、顯示和文件系統(tǒng)可通過(guò)微控制器執(zhí)行。

圖：標(biāo)準(zhǔn)視頻編解碼器的時(shí)間表。

當(dāng)然，某些PMP具備把播放器連接到普通電視機(jī)的視頻輸出功能。雖然PMP集成的顯示屏幕相對(duì)較小，但現(xiàn)在的視頻解碼尺寸通常達(dá)到D1格式。依據(jù)播放器的功 能列表要求，設(shè)備需要集成1個(gè)或者多個(gè)視頻解碼標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于在電視幀率(25-30幀/秒)下D1格式視頻解碼，硬件視頻解碼器是最佳選擇。多個(gè)視頻解碼標(biāo) 準(zhǔn)可能需要多個(gè)硬件模塊。實(shí)行多個(gè)解碼標(biāo)準(zhǔn)會(huì)提高系統(tǒng)成本，但不會(huì)提高功耗，因?yàn)橥粫r(shí)間只有一個(gè)模塊會(huì)被激活。多標(biāo)準(zhǔn)音頻解碼可在小而高效的嵌入式 DSP核中實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需增加額外的硬件成本(存儲(chǔ)解碼器的空間除外)。而微控制器將用于控制DSP和視頻硬件解碼器。

當(dāng)僅用于播放音頻時(shí)— 如典型的MP3播放器，也可使用單DSP解決方案。此系統(tǒng)中DSP進(jìn)行音頻解碼、文件/流數(shù)據(jù)處理，還同時(shí)控制鍵盤(pán)、顯示屏和存儲(chǔ)器等。由于DSP處理音 頻解碼更為高效，因此使用如ZSP400 DSP而非微控制器可以顯著降低功耗。此外，基于DSP的解決方案可進(jìn)行軟件升級(jí)，以支持運(yùn)算更為密集的音頻標(biāo)準(zhǔn)(比如aac Plus)，此時(shí)微控制器可能無(wú)法處理額外增加的負(fù)荷。

視頻移動(dòng)電話：該類(lèi)應(yīng)用的視頻尺寸是QCIF或者CIF，幀率從10到30幀每秒。 是否需要支持多種視頻/音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)取決于電話的功能要求。視頻將是流視頻或者短的視頻序列回放。通過(guò)軟件解碼而無(wú)需額外硬件，既可滿足這些設(shè)備的性能要 求。而且大多數(shù)的電話集成了微控制器和DSP，因此視頻解碼可通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)，這也使得低功耗精巧系統(tǒng)成為可能。另外一些電話可能包含PMP或者數(shù)碼攝像 機(jī)的一些功能，單純的DSP設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足要求，這就需要額外的硬件加速。

視頻桌面電話：該設(shè)備提供視頻會(huì)議功能，需要在強(qiáng)實(shí)時(shí)限制下完 成編解碼。如果幀尺寸和幀率有限，單DSP解決方案仍然可行。然而，大部分桌面電話具備QVGA或者更大的顯示屏;此外，用戶通常期望有比無(wú)線移動(dòng)設(shè)備更 佳的語(yǔ)音/視頻質(zhì)量。這意味幀率應(yīng)當(dāng)更高，掉幀率/卡幀率應(yīng)當(dāng)盡可能低，此時(shí)可能需要采用硬件解決方案完成視頻編解碼。語(yǔ)音編解碼可通過(guò)低成本的DSP (如ZSPneo)或者系統(tǒng)中的微控制器實(shí)現(xiàn)。

移動(dòng)數(shù)碼攝像機(jī)(DVR)：對(duì)于該類(lèi)設(shè)備，多標(biāo)準(zhǔn)編解碼沒(méi)有必要，大多數(shù)僅使用單一視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)。由于大尺寸，高幀率和低功耗的苛刻要求 ，純硬件解決方案通常是首選。而不需要DSP，此時(shí)系統(tǒng)微控制器用于驅(qū)動(dòng)視頻和音頻硬件模塊。

機(jī)頂盒：機(jī)頂盒需要完成高質(zhì)量視頻流的處理和已錄制的視頻文件的解碼。同DVR一樣，視頻質(zhì)量的要求(幀尺寸，幀率，比特率和容錯(cuò)能力)使其幾乎只能通過(guò)硬 件解碼來(lái)進(jìn)行。當(dāng)然，因?yàn)椴幌褚苿?dòng)設(shè)備對(duì)功耗要求那樣苛刻，也可采用多DSP核配合一些基本的硬件加速的方案來(lái)設(shè)計(jì)可處理各種視頻編解碼器的系統(tǒng)。根據(jù)功 能要求，機(jī)頂盒可能需要一定的靈活性：尤其是將其用于媒體播放器、數(shù)字VCR或網(wǎng)絡(luò)流媒體領(lǐng)域。這時(shí)可用DSP中的軟件處理音頻。為了實(shí)現(xiàn)這種靈活性，要 選擇不同的編解碼器完成回放、編碼、譯碼等功能，此時(shí)用于音頻處理的DSP將會(huì)是如ZSP500這樣的高性能處理器，以實(shí)現(xiàn)迎合家庭影院最新潮流的環(huán)繞 聲、聲音處理等功能要求。

基本設(shè)計(jì)配置

針對(duì)本文宗旨，我們可以考慮以下4種基本設(shè)計(jì)配置：第一種設(shè)計(jì)包含1個(gè) 微控制器和1個(gè)DSP(MC+DSP);第二種設(shè)計(jì)包括1個(gè)微控制器和1個(gè)DSP，但是DSP同時(shí)也控制1個(gè)視頻編碼/解碼硬件模塊(MC+[DSP+ VHW]);第三種設(shè)計(jì)使用1個(gè)微控制器，DSP和視頻編碼/解碼硬件模塊(MC+DSP+VHW)，在該設(shè)計(jì)中微控制器控制DSP和視頻硬件模塊;最后 一種設(shè)計(jì)包含1個(gè)微控制器，1個(gè)視頻編碼/解碼硬件模塊，1個(gè)音頻編碼/解碼硬件模塊(MC+VHW+AHW)。在上述各類(lèi)設(shè)計(jì)中，微控制器負(fù)責(zé)典型的嵌 入式控制任務(wù)：包括用戶控制連接(如操縱桿控制)，USB/UART/以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，協(xié)議層(如TCP/IP, HTTP)等。

表：各種視頻格式的典型帶寬。