基于TI C64X DSP高清视频编、解码器软硬件技术概要
1 技术参数一览
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Items
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Encoder
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Decoder
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备注
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硬件参数
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CPU
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TMS320DM642（720MHz）
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兼容C64X
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视频D/A(A/D)
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ADV7401（74.25MHz）
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ADV7393（74.25MHz）
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ADI公司
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音频D/A(A/D)
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PCM1808（48KHz）
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PCM1807（48KHz）
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TI公司
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FLASH
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4M Nor Flash
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SDRAM
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32M（133MHz）
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ISRAM
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256KB
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128K Cache2
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EMAC
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10/100Mbps
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支持以太网
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软件参数
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视频算法
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XviD 1.1.0
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符合MPEG-4
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支持分辨率
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4：3（800x600， 1024x768）
16：9（720p）
16：10（1280x800）
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可向上、下
兼容
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帧率
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24f/s以上
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1024x768及更低分辨率能达到30f/s
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码率
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6.144Mbps左右
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视频质量
（量化步长）
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4~14
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允许范围：
4~31
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开发环境
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IDE版本
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CCS3.1/CCS3.3
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Flash Burn版本
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V 2.8
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JTAG仿真器
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SEED-XDS560PLUS
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NDK版本
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V 1.71
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DDK版本
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V 1.11
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基本功能
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采集
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视频：ADV7401输入为VGA-RGB，输出为YUV4:2:2
音频：PCM1808输入为双声道模拟信号，输出为16bit PCM
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压缩
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视频：XviD编码器的输入为YUV4:2:0，输出为MPEG-4
音频：PCM或MP3
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传输
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采用UDP组播经以太网传输
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解压缩
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视频：XviD解码器的输入为MPEG-4，输出为YV12
音频：PCM或MP3
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显示
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视频：ADV7393输入为YUV4:2:2，输出为RGB
音频：PCM1807输入为PCM，输出为左右模拟声道
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扩展功能
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视频边界自动调整
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第一次开机自动调整，相当于显示器的Autoset功能
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视频割裂复原
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防止视频在强干扰的情况下出现上下屏割裂现象
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动态IP
配置
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支持运行过程中动态配置编、解码设备的IP地址
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音量调节
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可随时调整PCM1807侧输出的音量
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说明：1）本设计为TMS320DM642 Only解决方案，另支持TMS320DM642 + PCI Host方案，在第二种方案中网络传输功能在PCI Host中实现。
2）支持与编码器完全配套的采用DirectShow开发的PC机解码客户端。
3）编解码器的软件部分与硬件部分相对独立，除线性汇编部分（.sa）要求支持C64X VLIW指令集以及EDMA指令，其它均为标准的C程序。
4）本文档所列技术参数在无特殊说明的情况下均指分辨率为720p（1280x720）时的指标。
2 系统架构
2.1 编码器
如图2.1所示为编码器的系统结构图。
图
2.1 编码器系统结构图
视频源前端为VGA接口，经ADV7401视频采集芯片将RGB模拟信号转化成YUV4:2:2的数字信号，TMS320DM642的视频口VP2将采集到的YUV数据由EDMA（Enhanced Direct Memory Access）通道拷贝到SDRAM的存储单元。CPU从SDRAM中读取采集到的YUV数据转换成YUV4:2:0格式后进行XviD压缩编码并将编码后的码流回写到SDRAM中。前端音频源为双通道音频接口，通过PCM1808音频采集芯片，将模拟音频信号转换成PCM（Pulse Code Modulation）格式的数字音频信号，并以左对齐I
2S格式送入TMS320DM642的多通道音频串口McASP。McASP接口将采集到的音频数据经EDMA通道拷贝到SDRAM中的存储单元。CPU读取SDRAM中采集到的音频数据进行处理并将结果回写到SDRAM中。经压缩处理后音视频码流再经以太网（10/100Mbps）以组播的形式发送到网络客户端。
2.2 解码器
如图2.2所示为解码器的系统结构图。
图
2.2 解码器系统结构图
CPU获取从以太网接口接收的视频码流数据并解码为YV12格式的YUV数据，进一步转换为YUV4:2:2格式后由VP2以60f/s的速率输出。输出的YUV4:2:2数据经视频分配器（Splitter）发送到多个视频接收器，再由视频接收器中的ADV7393转换成RGB格式送至显示器。解码后得到的PCM音频数据通过VP2通道随视频信号一同输出到视频分配器，再由视频接收器中的PCM1807转换成模拟信号送至音频功放。当然，也可以去掉视频分配器和视频接收器，将VP2端口输出的音、视频信号直接与PCM1807和ADV7393相连。
3 软件特性
3.1 软件接口
l 编码器
intMPEG4_encode( Encoder *enc_handle,
FVID_Frame *capFrameBuf,
unsigned char *outbuf )；
l 解码器
int MPEG4_decode ( unsigned char *istream,
FVID_Frame *disFrameBuf,
int istream_size )；
3.2 XviD简介
XviD是第二代MPEG-4视频编码内核中可选模式最多编码速度最快的视频编码，其各种算法的设计都具有代表性的先进意义。其编码功能模块的划分如图3.1所示。
图
3.1 编码器功能模块划分
3.3 XviD优化
本设计中综合运用了项目级优化、程序级优化、EDMA优化、存储结构优化和线性汇编优化。在此，只对程序级优化和线性汇编优化进行简要说明。
3.3.1程序级优化
考虑到实用性，本设计在XviD源码的基础上进行了如下删减和改进：
1）去掉B帧编码；
2）去掉半像素插值；
3）采用h.263量化、去掉MPEG-4量化；
4）去掉GMC编码；
5）去掉AC高级预测；
5）sad值计算、钻石搜索等函数进行了改进。
3.3.2线性汇编优化
本设计性能优化的大部分工作集中在线性汇编的改写上，部分关键代码改写成线性汇编后性能对比如表3.1所示（解码器的优化性能在此没有列出）。
表3.1 线性汇编性能对比
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函数
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优化前（时钟周期）
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优化后（时钟周期）
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fdct()
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2536
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600
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idct()
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10040
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1224
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quant_h263_inter()
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4000
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528
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dequant_h263_inter()
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4700
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616
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quant_dequant_h263_intra()
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6372
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688
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sad16v()
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224
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80
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transfer_16to8add()
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1088
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340
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transfer_16to8copy()
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640
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200
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transfer_8to16sub_s()
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880
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584
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4 应用与演示
4.1 Encoder模块
如图4.1所示为编码器实物图，该编码器完成视频的采集、压缩和网络传输。视频和音频输入信号以及网络输出信号均连接到背板插口。
图
4.1 编码器实物图
4.2 Decoder模块
如图4.2所示为解码器实物图，该解码器完成视频网络接收、解压缩和视频输出。模块左侧集成了一个视频分配器（Splitter）。该视频分配器采用FPGA实现，它将DSP解压缩后的YUV4:2:2格式的视频信号发送到两个千兆以太网口（对应车厢左右两侧）。
图4.2 解码器实物图
4.3 地铁PIS视频系统
如图4.3所示为用Encoder和Decoder模块搭建的地铁PIS（Passenger Information System）视频系统的拓扑图。该系统用于列车动态地图显示、报站广播、司机乘客对讲、播放广告等。目前已成功应用于深圳地铁2号北段延长线、广州3号线、台北地铁线、沙特麦加地铁线和新加坡地铁线。
图
4.3 PIS系统拓扑图
4.4 效果演示
4.4.1 DSP Encoder + PC Decoder
在实验室环境下搭建的DSP Encoder + PC Decoder的系统如图4.4所示。
图
4.4 DSP Encoder + PC Decoder
图中左侧的便携式PC机的音频输出和VGA输出分别为Encoder模块的音频和视频输入。中间为一个Encoder模块和一个Switch模块以及一个5V的开关电源模块，三者插在一块背板上，模拟音频信号和视频信号由背板引入。右侧为一个PC Decoder，PC机的以太网口与Switch模块的以太网口相连。PC机解码客户端软件接收来自Encoder发送的码流数据并解码播放。PC机解码客户端显示效果如图4.5所示。
图
4.5 客户端显示效果
在此，便携式PC机分辨率设为1280×720，选用的播放文件为《冰河世纪II》高清视频文件。客户端PC机分辨率设为1280×960，图4.5中LCD屏显示的1280×720大小的中间区域（红色方框内）即为Encoder压缩后的视频码流的解码图像。
4.4.2 DSP Encoder + DSP Decoder
实际应用中搭建的DSP Encoder + DSP Decoder系统如图4.6所示。
图
4.6 DSP Encoder + DSP Decoder
图中左侧为安放在列车车头的标准U3机箱，内部集成有DSP Encoder、Media Player和Switch等模块。压缩后的视频数据流经Switch模块由百兆以太网线（图中绿色）传输到右侧的U3机箱。右侧的U3机箱安放在列车车厢位置，内部集成有DSP Decoder和Switch模块，它将接收到的视频码流解码后由千兆以太网线（图中黄色）传输到视频接收端并显示。