基于DSP的數(shù)碼相機中的MPEG-4壓縮方案設(shè)計

雖然數(shù)碼相機(DSC)投入市場僅幾年時間，但已經(jīng)使消費類電子成像業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，全球售出的相機中大約有三分之一是數(shù)碼相機，而且其份額還在穩(wěn)步上升。隨著多兆象素DSC生成分辨率越來越高的圖像而開始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的膠卷像機，消費類DSC也正提供智能化操作模式，幫助用戶在各種條件下都能拍攝出更好的照片。視頻模式也已經(jīng)成為消費類DSC的標準功能，使用戶能夠快速拍攝多個照片，以便選擇更好的快照，同時也使他們能夠保存重大事件的簡短剪輯。此外，DSC也開始與手機集成在一起，實現(xiàn)靜止圖片與剪輯隨時隨地的快速傳輸。

隨著瞬息萬變的DSC市場不斷分化，開發(fā)商必須不斷充分利用技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)勢來細分其產(chǎn)品。當今其中一項創(chuàng)新就是在基于高性能數(shù)字信號處理器(DSP)的消費類DSC中引入MPEG-4視頻壓縮技術(shù)。MPEG-4標準使DSC能夠有效提供視頻及其他操作模式，增加所存儲視頻剪輯的數(shù)量，并支持視頻圖像強大可靠的傳輸。DSP可以提供低價位相機產(chǎn)品中MPEG-4編碼以及解碼所需要的計算性能，尤其那些具備支持快速圖像處理架構(gòu)的DSP更是如此?？删幊绦允归_發(fā)商在整個DSC產(chǎn)品線中使用相同的DSP平臺，從而通過軟件優(yōu)化不同產(chǎn)品的成像管道(imagepipe)。

新的壓縮標準

DSC傳統(tǒng)依賴于JPEG壓縮標準，其設(shè)計用于存儲靜止圖像，并且已通過互聯(lián)網(wǎng)而廣為流行。在壓縮中，JPEG采用離散余弦變換(DCT)與量化技術(shù)有效地從包含8×8象素陣列的最小編碼單元(MCU)的數(shù)據(jù)描述中消除大部分空間冗余。然后此算法采用熵或可變長度編碼(VLC)技術(shù)進一步減少存儲與傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)。圖像解壓的步驟則與此相反。根據(jù)圖像內(nèi)容，盡管壓縮比隨圖像的不同而不同，但是JPEG算法一般情況下可以將象素數(shù)據(jù)壓縮一個數(shù)量級而不丟失視覺完整性。

用于動畫與視頻的各種MPEG標準采用與JPEG相同的幀內(nèi)技術(shù)入手來壓縮基本的靜止圖像或I幀，然后采用附加的幀間技術(shù)以消除隨后幀中的暫時冗余。幀間技術(shù)事實上涉及將每個連續(xù)幀的16×16象素宏塊壓縮到上一個幀的宏塊，然后采用運動估計與補償技術(shù)來描述宏塊的幀到幀移動。這些預(yù)測幀或P幀只需要描述其從上一幀的改變。然后以應(yīng)用所決定的間隔定期對I幀進行編碼。

圖1說明了一般MPEG視頻壓縮中所涉及的步驟。圖像頂部從輸入到輸出的幀內(nèi)壓縮步驟(DCT、量化與VLC)足以生成I幀。為了創(chuàng)建P幀，剛編碼的幀必須在本地幀緩沖器中被解碼并存儲，以便實現(xiàn)過去幀的逐塊壓縮到未來幀(即運動估計)，從而實現(xiàn)幀間壓縮。視頻解碼涉及圖下部的步驟(逆量子化、反向DCT、運動補償)。除了圖中所示之外，MPEG標準還具有采用獨立流程的音頻壓縮－解壓算法。

圖1：MPEG視頻壓縮流程圖。

MPEG-4：多媒體標準

MPEG標準在不斷發(fā)展，以適應(yīng)新興的視頻應(yīng)用。最初的MPEG-1標準開發(fā)用于大容量存儲與系統(tǒng)檢索，例如：交互式CD-ROM以及VCD。此后，在MPEG-2中對該標準進行了修改，以支持更高的分辨率、更廣泛的格式以及與HDTV相關(guān)的數(shù)字編碼。由于在DVD中的應(yīng)用，MPEG-2更受青睞。在視頻數(shù)據(jù)庫的要求所驅(qū)動下，MPEG-7標準規(guī)定了用于信息搜索的內(nèi)容表述。

MPEG-4開發(fā)用于交互式多媒體應(yīng)用，其中包括那些通過無線連接提供的多媒體應(yīng)用。它與基本H。263視頻壓縮標準共享算法。與早期的MPEG標準相比，MPEG-4為更高密度的圖像提供了更好的壓縮，并為更強大可靠的傳輸提供了更高的容錯彈性(errorresilience)。另外，MPEG-4支持在幀中引入對象類型，從而可以獨立規(guī)定、壓縮、傳輸和重新組合不同的圖像及圖形單元。但是，該標準的對象支持功能仍有待開發(fā)切實可行的實施方案。到那時，包括DSC在內(nèi)的大部分MPEG-4應(yīng)用可以繼續(xù)基于通常情況下與圖像的完整矩形幀對應(yīng)的單個對象。

高壓縮效率

特定剪輯的壓縮比隨主題的不同而千差萬別，不過一般情況下MPEG壓縮技術(shù)可以將JPEG幀的后續(xù)形式－運動JPEG(M-JPEG)的壓縮比在相同分辨率下提高一個數(shù)量級。進一步的壓縮源自幀間技術(shù)的采用。視頻幀一般大約為10萬象素(352×288象素，CIF分辨率)或大約2。5萬象素(176×144象素，QCIF分辨率)，而不是一般情況下與JPEG相關(guān)的2～5兆象素。盡管分辨率的這種降低在高質(zhì)量照片中是不能接受的，但是對于許多消費類DSC產(chǎn)品來說卻足夠了，尤其是考慮到它實現(xiàn)了寫真視頻的采集。

MPEG-4算法充分利用壓縮技術(shù)中的精化功能，將早先的MPEG比率降低了大約20％。高級MPEG-4壓縮可以將每秒15幀(fps)的QCIF視頻圖像從原始視頻數(shù)據(jù)的4。5Mbps壓縮為不到6？kbps，同時還可以保持適當?shù)臑g覽質(zhì)量。在DSC中，MPEG-4壓縮使相機能夠在內(nèi)存中存儲比M-JEPG大幾倍的視頻圖像。

更佳的容錯彈性

MPEG-4集成了多種提高容錯彈性的新技術(shù)，容錯彈性是很有用的特性，因為人們正越來越多地傳輸利用DSC采集的照片與剪輯。隨著DSC手機的日益流行，強大可靠的傳輸成為了必不可少的要求。MPEG-4的容錯彈性技術(shù)包括：

1)更多的再同步標記，其可將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成小視頻包，從而使接收方能夠在最小化數(shù)據(jù)丟失情況下恢復(fù)各種傳輸錯誤；

2)報頭擴展代碼，其指示每個數(shù)據(jù)包的報頭，以防止由于包含重要報頭信息的視頻幀中第一個視頻包的破壞而導(dǎo)致潛在的報頭信息丟失；

3)將視頻數(shù)據(jù)分成運動與紋理(空間)數(shù)據(jù)，通過提高該部分數(shù)據(jù)被接收到的幾率而促進從錯誤恢復(fù)；

4)可逆VLC，允許接收方從再同步標記后向與前向進行解碼，以便在發(fā)生傳輸錯誤后恢復(fù)盡可能多的圖像；

5)用于空間及時間錯誤的差錯隱藏技術(shù)(在MPEG-4中規(guī)定了幾種技術(shù)，這些技術(shù)是對該算法的補充，而并非其組成部分)。

對DSP性能與靈活性的需求

由于幀間運動估計及補償中涉及其他步驟，因此MPEG-4壓縮與解壓算法比JPEG需要強得多的處理能力。所以，DSC中的圖像處理引擎必須能夠達到更高的性能水平。盡管ASIC能夠?qū)崿F(xiàn)此項任務(wù)，但是它不易于結(jié)合到不同DSC產(chǎn)品的成像管道中；另一方面，可編程DSP不但能夠提供MPEG-4算法所需的性能，而且還可以通過軟件優(yōu)化不同系統(tǒng)。另外，還可以對相同的DSP進行編程，使其執(zhí)行JPEG算法，以便在更高分辨率的DSC中推廣使用。因此，整個DSC產(chǎn)品線可以基于單個DSP平臺，從而在節(jié)約大量開發(fā)時間與成本的同時還能促進產(chǎn)品的細分。

帶成像架構(gòu)的DSP示例

TI推出的TMS320DM270數(shù)字媒體處理器就是一種為DSC等成像應(yīng)用而專門設(shè)計的高性能DSP。DM270是基于多處理器架構(gòu)之上的，其采用一個ARM732位RISC微控制器來處理非成像功能，并用作整個系統(tǒng)的主控制器，同時采用可編程的C54×DSP核心處理音頻編碼與解碼。另外，DM270還集成了專門設(shè)計用于處理大部分高計算要求成像任務(wù)的可編程協(xié)處理器。其中一個協(xié)處理器－SIMD圖像處理引擎(iM×)執(zhí)行DCT、反向DCT以及眾多其他處理運算中的運動估計與補償。其他協(xié)處理器執(zhí)行可變長度編碼/解碼、量化與逆量子化。

圖2展示了DM270的主要功能塊與流程。除了主要的處理器之外，該器件還通過各種通用I/O引腳集成了高速緩沖存儲器、圖像塊緩沖器、以及用于外部存儲器、CCD、LCD或TV輸出及其他通信接口的控制器。專用的圖像預(yù)處理硬件可以消除主處理器的某些任務(wù)負擔，如：白平衡、自動曝光以及自動調(diào)焦。

圖2：DM270架構(gòu)。

在外部只需要SDRAM來完善DSC的圖像處理引擎。由于MPEG必須保持附加幀以進行運動估計與補償，因而在QCIF(176×144)分辨率下，編碼需要大約110千字節(jié)SDRAM。憑借其高度集成與專用架構(gòu)，DM270能夠在CIF(352×288)分辨率下處理超過30fps的MPEG-4編碼，同時能夠在HVGA(6？0×240)分辨率、超過30fps的解碼期間處理超過50％的象素。該器件還支持多媒體中所采用的其他主要視頻、音頻與語音標準，而且可以與設(shè)計用作手機引擎的DSP一起結(jié)合使用。

DSC手機與其他新興應(yīng)用

在瞬息萬變的視頻成像消費類電子產(chǎn)品市場中，怎么高估編程靈活性的重要性都不為過。DSC正迅速發(fā)展并融入新的應(yīng)用。其中之一是帶有集成相機的手機，提供靜止圖像與視頻剪輯的采集與傳輸功能。該系統(tǒng)現(xiàn)已投放市場。MPEG-4數(shù)據(jù)可以嵌入多媒體信息服務(wù)(MMS)協(xié)議棧中，從而可以采用無線IP網(wǎng)絡(luò)信息的行業(yè)標準在無線網(wǎng)中輕松傳輸視頻數(shù)據(jù)包。

開發(fā)商可能也希望具備DSP所帶來的靈活性，以便設(shè)計那些在無線產(chǎn)品中也具備的、其他類型的相機系統(tǒng)，例如：支持基于H。324的視頻會議的系統(tǒng)。該視頻會議無線電話采用H。263或MPEG-4來對視頻進行編碼與解碼。另外，可能還需要將訊息發(fā)送功能與可視會議融為一體的、對會話初始化協(xié)議(SIP)的支持。MPEG-4的未來發(fā)展，如：對象功能，可能會需要對已經(jīng)投入應(yīng)用的單元以及正在開發(fā)中的單元進行重新編程。其中一項發(fā)展便是新出現(xiàn)的MPEG-4AVC(高級視頻編碼)標準(又稱為H。26？標準)的更高壓縮密度?？删幊痰腄SP實現(xiàn)了對所有這些標準及其他標準的支持，從而可以有助于成像系統(tǒng)開發(fā)商細分其產(chǎn)品，并激發(fā)新的市場需求。

在成像質(zhì)量方面，DSC仍然需要一定時間才能與最高質(zhì)量的傳統(tǒng)膠卷相機抗衡。但是，在低端市場中，DSC卻可以提供傳統(tǒng)相機所無法與之匹敵的視頻與其他功能。目前，DSC開發(fā)商正從更高的壓縮比與更高的容錯彈性探索MPEG-4，以幫助其提供消費者所期望的更多功能。而可編程DSP可以提供在低成本DSC上實現(xiàn)MPEG-4算法所需要的性能，在高度分化市場中，它們?yōu)殚_發(fā)商提供了可滿足各種需求而需要的靈活性?；贒SP的MPEG-4壓縮還為在未來把DSC與無線設(shè)備集成并支持其他新型應(yīng)用打開了機遇之門。利用MPEG-4與DSP，低成本消費類DSC將會繼續(xù)迎來輝煌的未來。讓我們放眼展望吧！