基于OMAP3的視頻解碼器的通用解碼方案

　　本文以OMAP3530為例，分析了0MAP平臺的硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程特點;總結(jié)了TI公司提供的專用圖像圖形處理庫(IMGLIB)的使用技巧，并與OMAPl510進行了部分比較;在流行的視頻編解碼標準的基礎(chǔ)上，提出了基于OMAP3的視頻解碼器的通用解碼方案。

　　1 OMAP平臺簡介

　　開放式多媒體應(yīng)用平臺OMAP結(jié)合高性能、低功耗的DSP核與控制性能強大的ARM內(nèi)核，是一種開放式的、可編程的體系結(jié)構(gòu)，目前主要有OMAP1X、OMAP2X和OMAP3X系列。以O(shè)MAP3530為例，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 OMAP3530的硬件平臺

　　0MAP3530的硬件平臺主要由ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核以及流量控制器(Traffic Controler，TC)組成。

　　(1)ARM內(nèi)核

　　OMAP3530采用ARM Cortex-A8核，工作主頻最高可達720 MHz。它包括存儲器管理單元、16 KB的高速指令緩沖存儲器、16 KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和256K字的二級Cache;片內(nèi)有64 KB的內(nèi)部SRAM，為液晶顯示等應(yīng)用提供了大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。CortexA8內(nèi)核采用13級流水線、32位的RISC處理器架構(gòu)。系統(tǒng)中的控制寄存器對MMU、Cache和讀寫緩存控制器進行存取操作。ARM內(nèi)核具有整個系統(tǒng)的控制權(quán)，可以設(shè)置DSP、TC以及各種外設(shè)的時鐘及其他工作參數(shù)，控制DSP的運行停止。OMAP3530平臺可支持包含繪圖、多媒體內(nèi)容和Java程序的先進應(yīng)用。

　　(2)DSP內(nèi)核

　　TMS320C64X+內(nèi)核具有最佳的功耗性能比，工作主頻最高為520 MHz;它具有高度的并行能力，32位讀寫和功能強大的EMIF，雙流水線的獨立操作以及雙MAC的運算能力。它采用3項關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑省電區(qū)域、變長指令和擴大的并行機制。其結(jié)構(gòu)針對多媒體應(yīng)用高度優(yōu)化，適合低功耗的實時語音圖像處理。另外，TMS320C64X+內(nèi)核增加了固化了算法的硬件加速器，來處理運動估計、8×8的DCT/IDCT和1/2像素插值，降低了視頻處理的功耗。

　　(3)流量控制器

　　流量控制器TC用于控制ARM、DSP、DMA以及本地總線對OMAP3530內(nèi)所有存儲器(包括SRAM，SDRAM、Flash和ROM等)的訪問。

　　OMAP3530具有豐富的外圍接口，如液晶控制器、存儲器接口、攝像機接口、空中接口、藍牙接口、通用異步收發(fā)器、I2C主機接口、脈寬音頻發(fā)生器、串行接口、主客戶機USB口、安全數(shù)字多媒體卡控制器接口、鍵盤接口等。這些豐富的外圍接口使應(yīng)用OMAP的系統(tǒng)具有更大的靈活性和可擴展性。

　　1.2 OMAP3530的軟件平臺

　　利用OMAP可以建立兩個操作系統(tǒng)：基于ARM的操作系統(tǒng)(如WinCE、Linux等)，以及基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個操作系統(tǒng)使用的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋。0MAP支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)在ARM微處理器上工作，用來對ARM微處理器進行實時多任務(wù)調(diào)度管理，對TMS320C64X+進行控制和通信;同時，支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)在TMS320C64X+上工作，實現(xiàn)復(fù)雜的多媒體信號處理。DSP/BIOS橋包含DSP管理器、DSP管理服務(wù)器、DSP和外圍接口鏈接驅(qū)動器。DSP/BIOS橋提供運行在Cortex-A8上的應(yīng)用程序和運行TMS320C64X+上的算法之間的通信管理服務(wù)。開發(fā)者可以利用DSP/BIOS橋中的應(yīng)用編程接口控制在DSP中實時任務(wù)的執(zhí)行，并同DSP交換任務(wù)運行結(jié)果和狀態(tài)消息。在這個環(huán)境下，開發(fā)者可以調(diào)用局部DSP網(wǎng)關(guān)組件來實現(xiàn)諸如視頻、音頻和語音等功能。因此，開發(fā)者不需要了解DSP和DSP/BIOS橋，就能開發(fā)新的應(yīng)用軟件。使用標準應(yīng)用編程接口開發(fā)的應(yīng)用軟件，與基于0MAP的未來無線設(shè)備兼容。

　　2 視頻編碼標準與OMAP圖形圖像庫應(yīng)用

　　2.1 視頻編碼標準

　　從1988年開始，ISO/IEC MPEG和ITU-T針對不同的應(yīng)用制訂了一系列視頻編碼國際標準。MPEG的有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標準，ITU-T的有H.261、H.263、H_263+/H.263++以及H.264標準。2001年12月，ISO和ITU-T正式成立聯(lián)合視頻小組(Joint Video Team，JVT)共同制定新的H.264編碼標準。2002年6月，我國信息產(chǎn)業(yè)部制訂了我國的數(shù)字音視頻編碼技術(shù)標準(Audio-Video Coding Standard，AVS)。AVS是我國具備自主知識產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標準。與目前比較流行的標準(如MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264)相比，從編碼效率來看，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264都是MPEG-2的2倍以上;從算法復(fù)雜度上來看，H.264的算法在編碼端比MPEG-2復(fù)雜4～5倍，在解碼端復(fù)雜2～3倍，而AVS在復(fù)雜度上比H.264有較大幅度降低，且不需要交納高昂的專利費用。

　　目前，應(yīng)用比較廣泛的視頻編碼標準中，基本上都有如下的步驟：將圖像序列編碼為幀內(nèi)模式和幀問模式兩種，并且分別進行編碼。采用幀內(nèi)編碼時，直接對8×8的像素塊進行DCT變換，然后將量化系數(shù)進行變長編碼后形成輸出碼流;另一路經(jīng)反量化、反DCT變換后形成恢復(fù)圖像，直接存入幀存儲器。采用幀間編碼時，對原始數(shù)據(jù)的每個塊先進行運動估計，并與經(jīng)運動估計后的預(yù)測圖像相減，產(chǎn)生差分圖像，接著進行DCT變換和量化，并同運動矢量數(shù)據(jù)一起編碼形成碼流;另一路經(jīng)反量化、反DCT變換后形成恢復(fù)圖像，存入幀存儲器，用于下一步的運動估計。

　　不同的標準具有各自的特點，例如MPEGl與H.261采用整像素，MPEG4和H.263采用半像素，H.264與AVS采用1/4至1/8像素精度的運動估計，H.261采用單參考幀，H.264與AVS采用多參考幀等。特別是目前的H.264標準，采用整數(shù)DCT/IDCT、幀內(nèi)預(yù)測、多模式運動估計、去塊效應(yīng)濾波器等先進技術(shù)，造成了極大的算法復(fù)雜度，對硬件實時解碼提供了很高的要求。

　　2.2 OMAP圖形圖像庫(IMGLIB)應(yīng)用

　　針對圖像與視頻處理的需要，TI提供了IMGLIB庫供C程序調(diào)用。庫里內(nèi)容主要有2部分：

　?、儆布铀俨糠帧Ｓ蓞R編語言編寫，但是計算由硬件的加速模塊來實現(xiàn)，無法修改。例如DCT/IDCT都是針對8×8塊進行的，變換矩陣已經(jīng)固定，硬件加速指令共有16種，其中DCT/IDCT各1條，運動估計指令10條，插值指令4條。

　?、谲浖铀俨糠帧Ｓ脜R編語言編寫，包括矩陣量化反量化、JPEG變長編碼、一維/二維離散小波變換反變換及小波包變換反變換，以及圖像的直方圖計算、邊緣檢測、帶移位操作的3×3掩模操作等。這些軟件加速指令都提供了標準的C接口，用戶可以直接調(diào)用，也可以模仿編寫規(guī)則編譯生成自己的庫文件。