視頻監(jiān)視領(lǐng)域的視頻壓縮與數(shù)據(jù)流

許多 VSIP 攝像頭都有多個(gè)視頻編碼器，因此用戶可根據(jù)具體應(yīng)用要求選擇最合適的視頻編碼器。某些攝像頭甚至還能同時(shí)執(zhí)行多種編解碼器。MJPEG 對VSIP 攝像頭的要求通常是最低的，幾乎所有 VSIP 攝像頭都可安裝 JPEG 編碼器。

MJPEG 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施

在典型數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)中，視頻通過傳感器采集、壓縮，再以流媒體方式傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器中。新型 DSP 架構(gòu)上執(zhí)行的視頻編碼器任務(wù)如果發(fā)生中斷，就會出現(xiàn)問題，因?yàn)槊看苇h(huán)境轉(zhuǎn)換 (context switch) 都會導(dǎo)致大量寄存器存儲和高速緩存釋放。因此我們應(yīng)采用異構(gòu)架構(gòu)，這樣就能將 DSP 從視頻采集和流媒體任務(wù)中解脫出來。以下結(jié)構(gòu)圖顯示了視頻監(jiān)視應(yīng)用中的 DSP/GPP 處理器架構(gòu)實(shí)例。

圖 3：視頻監(jiān)視應(yīng)用中的 DSP/GPP 處理器架構(gòu)實(shí)例。

在DSP/GPP SoC系統(tǒng)中采用MJPEG 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，開發(fā)人員應(yīng)首先適當(dāng)拆分功能模塊，以提高系統(tǒng)性能。

EMAC 驅(qū)動器、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)棧和 HTTP 服務(wù)器協(xié)同工作，將壓縮影像以流媒體形勢輸出。視頻采集驅(qū)動器和 ATA 驅(qū)動器均應(yīng)部署在 ARM 上，這樣有助于減輕 DSP 的處理壓力。而 JPEG 編碼器應(yīng)在部署在 DSP 的內(nèi)核上，因?yàn)镈SP VLIW 架構(gòu)特別適用于這種計(jì)算強(qiáng)度大的工作。

一旦攝像頭通過處理器上的視頻輸入端口采集到視頻幀，原始影像就通過 JPEG 編碼器壓縮，隨后將該壓縮影像保存到設(shè)備硬盤上。

圖 4：有關(guān)視頻監(jiān)視系統(tǒng)中基于 DaVinci 技術(shù)的 TI DM6446 數(shù)字視頻評估板的 MJPEG 數(shù)據(jù)流演示。

我們通常用 PC 監(jiān)控實(shí)時(shí)視頻場景，首先檢索出視頻服務(wù)器中的流媒體，然后進(jìn)行解碼，最后在顯示器上顯示視頻影像。編碼的 JPEG 影像文件可由設(shè)備通過因特網(wǎng)檢索，因此我們不僅可在一臺 PC 上同時(shí)監(jiān)控多個(gè)視頻流，而且通過因特網(wǎng)能夠從多個(gè)點(diǎn)同時(shí)查看這些被檢索到的視頻流。VSIP 局端通過 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)能與視頻服務(wù)器相連，而且可位于網(wǎng)絡(luò)中任何位置。這與傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)相比，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。就算出了問題，也只影響一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭，而不會影響局端。我們也可動態(tài)配置 JPEG影像質(zhì)量，以滿足不同視頻質(zhì)量要求。

優(yōu)化JPEG編碼器

JPEG 編碼器的三大功能模塊中，DCT 與量化器的計(jì)算任務(wù)較重。我們也可以注意到，就這兩種模塊而言，高度優(yōu)化的匯編代碼和未優(yōu)化的 C 代碼之間存在很大的性能差異，因此有必要對這兩個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化 2D 8x8 DCT功能模塊有助于減少加、減、乘等運(yùn)算次數(shù)，避免原始方程式的冗余計(jì)算。目前已推出了眾多快速 DCT 算法，其中陳氏算法 (Chen’s algorithm) 廣為業(yè)界采用。就 2D 8x8 DCT 而言，陳氏算法需要進(jìn)行 448 次加減運(yùn)算以及 224 次乘法運(yùn)算。

加減法和乘法功能塊可進(jìn)一步拆分為多個(gè)功能單元（均部署在 DSP 內(nèi)核上），以執(zhí)行并行指令并提高性能。在開銷忽略不計(jì)的條件下，高度優(yōu)化的 DSP 匯編代碼能在 100 個(gè)循環(huán)之內(nèi)順利完成 2D DCT 計(jì)算任務(wù)。其它快速 DCT 算法要求的計(jì)算量更少，不過往往會要求更多緩沖區(qū)來保存中間計(jì)算結(jié)果。就采用管線 VLIW 架構(gòu)的新型 DSP 而言，存儲器數(shù)據(jù)存取工作量比乘法運(yùn)算工作量大，因此開發(fā)人員在優(yōu)化算法時(shí)應(yīng)考慮計(jì)算與存儲器存取之間的平衡問題。

每個(gè)像素的量化過程均需要進(jìn)行乘法及加法運(yùn)算。這種計(jì)算結(jié)果通常只需要 16 位的精確度即可，而 DSP 寄存器則需要 32 位。優(yōu)化量化器模塊的最初想法是在單個(gè)寄存器中存儲 2 個(gè)像素，然后對這兩個(gè)像素執(zhí)行加法及乘法運(yùn)算；第二種方法就是并行使用多個(gè) DSP 功能單元。由于 TMS320DM6446 中的 DSP 內(nèi)核有 2 個(gè)乘法器和 2 個(gè)加法器，因此我們可同時(shí)量化高達(dá) 4 個(gè)像素。最后但不是不重要的一種做法就是充分利用管線 DSP 架構(gòu)。DSP 內(nèi)核在量化當(dāng)前 4 個(gè)像素時(shí)，可從存儲器讀取下一組“ 4 個(gè)像素”，這樣每個(gè)循環(huán)都能向乘法器和加法器提供數(shù)據(jù)。前兩種方法由開發(fā)人員親自編寫優(yōu)化的 C 代碼或匯編代碼即可實(shí)現(xiàn)。管線代碼可采用 DSP 編譯器。

除了優(yōu)化每個(gè)功能模塊之外，我們還可采用乒乓 (PING-PONG) 緩沖技術(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)級 JPEG 編碼器。DSP 內(nèi)核存取內(nèi)部 RAM(IRAM) 中的數(shù)據(jù)的速度比存取外部 DDR2 存儲器中數(shù)據(jù)的速度快得多。但 IRAM 容量有限，不能滿足整個(gè)輸入幀的要求，因此同一時(shí)間在 IRAM 中只能處理一部分模塊。處理乒乓集時(shí)，DMA 將乒乓集從 DDR2 傳遞至 IRAM，這樣 DSP內(nèi)核就能在完成當(dāng)前工作后立即開始處理下面的數(shù)據(jù)。

顯然，視頻監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)字化已經(jīng)全面展開。了解視頻壓縮、系統(tǒng)分區(qū)和編解碼器優(yōu)化等技術(shù)，對開發(fā)新一代視頻監(jiān)視系統(tǒng)以滿足不斷增長的需求來說至關(guān)重要。