基于DSP的機載視頻圖像實時壓縮與處理系統
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2. 3 系統工作流程 系統由初始化模塊、采集模塊、壓縮模塊、打包編幀模塊、存儲模塊和傳輸模塊組成。其工作流程如圖2 所示。 圖2 機載圖像將壓縮處理子系統軟件工作流程 初始化模塊完成對程序從Flash 中導入內存、DSP各端口及解碼芯片工作模式的設置及全局數據的申請及初始化， 并啟動對視頻端口狀態的查詢。當定時檢測到視頻端口緩沖區中有數據時， 將端口緩沖區中的原始數據根據接收的控制命令進行指定大小大抽取， 輸出YUV4: 2: 0格式的圖像數據緩存到外圍存儲模塊中。壓縮模塊將采集的圖像數據進行MPEG-4 壓縮。打包、編幀模塊將壓縮后的MPEG-4 編碼數據進行實時打包， 并對打包后的數據進行連續的實時編幀。當數據包緩沖區中無數據時，便在傳輸幀中插入空數據。編幀完的數據64 位并行緩存到外圍SDRAM 中。在FIFO 中斷服務程序中， 啟動一次DMA 傳輸， 將緩存在SDRAM 中的幀數據流傳輸到FIFO 中， 實現256 KB/ s 的恒定速率的數據傳輸。 需要注意的是原始圖像和壓縮碼流在DSP 中的存儲。視頻端口、編碼程序都要訪問原始圖像， 例如在某一時刻，編碼程序訪問當前幀圖像， 而視頻端口正在輸入下一幀圖像， 為了避免訪問沖突， 原始圖像在DSP 中采用三緩沖區進行管理。壓縮碼流由編碼程序寫入， 根據FIFO 狀態恒定碼率輸出， 所以采用環式存儲管理協調讀寫的步調。 2. 4 內存分配 DM642 片內只有256 KB 的存儲空間， 因此當前幀、參考幀和當前幀的重建幀都必須放至片外存儲器， 壓縮碼流若被主機讀取， 也放至片外。其他數據如程序代碼、全局變量、VLC碼表、各編碼模塊產生的中間數據等均可放至片內。 由于CPU 訪問片外的速度通常要比訪問片內慢幾十倍， 片外數據的傳輸通常成為程序運行時的瓶頸， 即使代碼效率很高， 流水線也會因為等待數據而被嚴重阻塞。解決這一問題的有效方法是用EDMA 傳送數據。程序是逐個宏塊進行編碼時， 在編碼當前宏塊的同時， EDMA 將下一個宏塊的數據、用到的參考幀數據由片外傳送至片內；當前宏塊做完成運動補償后， EDMA 將重建后的宏塊由片內傳送至片外。這樣CPU 只對片內數據進行操作， 使得流水線可以順利進行， 而壓縮碼流按逐個碼字有時間間隔地寫入， 可由CPU 直接寫至片外。 3 基于DM642 的軟件優化技術 為了提高代碼的執行效率， 必須充分利用C64x CPU的VL IW 和流水線結構對其進行優化， 使程序無沖突地并行執行[ 6] 。MPEG 4 編碼程序中包含大量的循環體， 例如計算量化、DCT、半像素插值、運動補償和構建重建幀等。這些循環體代碼并不復雜， 且執行次數頻繁， 占據了編碼的絕大部分時間， 因此循環體的優化是重點。本文所采取的代碼優化為C 語言優化和編寫線性匯編兩個步驟，主要從消除數據相關性、數據打包和循環體的軟件流水3個方面進行優化。 3. 1 針對C語言的優化 C 代碼的優化主要依靠開發環境CCS 的編譯器完成， 編程者需要合理選擇編譯選項， 并利用特定的關鍵字和指令向編譯器提供優化信息 。例如關鍵字rest rict 用來消除數據間的相關性， 編譯器從而可以安排語句的并行執行 ; 內聯函數_ nasser t 有助于數據的打包處理； 宏指令# pragma MU ST _IT ERAT E 告訴編譯器有關循環迭代次數的信息， 編碼器會根據這一信息進行軟件流水。 3. 2 用線性匯編改寫關鍵代碼 線性匯編是TMS320C6000 特有的一種編程語言， 介于高級語言和匯編語言之間。它可以指定指令用到的寄存器和功能單元， 更易于對數據的打包處理。 線性匯編代碼的并行處理和軟件流水由匯編優化器完成， 編程者需要熟悉C64x DSP 的CPU 結構和指令集， 認真設計代碼并充分利用編譯器的反饋信息合理修改代碼， 才能寫出高質量的線性匯編。本設計中程序主框架采用C 語言編寫， 其它各關鍵部分的代碼采用線性匯編實現。 4 結果分析 本壓縮系統在對標準Foreman 序列、地面人群及道路車輛等視頻序列進行壓縮測試。對D1 分辨率視頻序列能夠實現25 幀/ 秒實時的壓縮編碼， 壓縮碼率為1. 8 Mb/ s, 解碼圖像視覺效果良好， 經編幀后輸出250KB/ s 恒定基帶碼流。在圖像傳輸中沒有出現數據擁塞和丟失現象。有效滿足了高清晰機載圖像幀察的目的。 5 結束語 本文以TMS320DM642 芯片為中心， 詳細介紹了機載圖像實時壓縮系統的設計及MPEG 4 實時編碼器的優化。系統經測試實現了高分辨率圖像的實時壓縮和實時編幀傳輸， 滿足了系統設計需求。本文采用MPEG 4Simlpe Profile 算法， 在算法方面還有一定的研究空間。
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