摘 要：隨著視頻壓縮編碼技術(shù)和圖像采集技術(shù)的發(fā)展，視頻處理的網(wǎng)絡(luò)帶寬也在不斷增加。MPEG-4具有優(yōu)越的壓縮性能和圖像效果，日益成為人們關(guān)注的焦點。給出一種基于Vweb公司的Vw2010的MPEG-4視頻解碼系統(tǒng)的解決方案。簡單介紹Vw2010工作原理，配置方法。研究結(jié)果表明，提出的關(guān)于MPEG-4傳輸流播放設(shè)計方案是切實可行的。設(shè)計了一套基于Vw2010硬件可以實現(xiàn)的MPEG-4解碼系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：MPEG-4;視頻解碼;Vw2010;硬件電路

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-058-03

Design for the Hardware Circuit of MPEG-4 Decoding System

XU Xiaoyao，LI Bingbing

(State Key Laboratory of ISN，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：With development ofvideo compression coding and image acquisition technique，the network bandwidth of video signal processing is increasing continuously.MPEG-4has superior compressive properties and sensing images，it has already become increasingly attention problem.A research about the system of decode MPEG-4 is carried on in this paper.The collocation method and operating principle of Vw2010 is introduced briefly.The result shows that the design scheme is feasible on the playing of TS of MPEG-4.It also illustrates the application of Vw2010 in the MPEG-4 decoding system.

Keywords：MPEG-4;video decoding;Vw2010;hardware circuit

1 引 言

現(xiàn)代的視頻監(jiān)控系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用的現(xiàn)代生活的各個方面，比如道路監(jiān)控、樓道監(jiān)控和軍事圖像信息的監(jiān)控等。多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對視頻圖像處理提出了更加高的要求。傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備采用的磁盤記錄的方式有很多方面的缺點，比如畫面質(zhì)量較差、存儲設(shè)備要求比較多，現(xiàn)代的數(shù)字壓縮編碼技術(shù)，比如MPEG-1，可以克服部分缺點，但是也存在著數(shù)據(jù)量比較大、圖像比較差的缺點。MPEG-4是為了提高數(shù)字壓縮的性能而提出，并且于2000年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4具有更加優(yōu)秀的壓縮技術(shù)，獲得比MPEG-1等壓縮標(biāo)準(zhǔn)更加優(yōu)秀的畫面質(zhì)量，因而日益成為人們對數(shù)字視頻壓縮的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在壓縮和解壓MPEG-4的硬件和軟件方案都比較成熟。軟件方案對DSP等處理器要求比較高，硬件的實現(xiàn)方面則沒有這個要求，所以硬件的方案日益成為人們的選擇。采用硬件實現(xiàn)的方法，設(shè)計的成本比較低，可擴展性好。

現(xiàn)在市場上具有很多款可以實現(xiàn)MPEG-4壓縮編碼和解碼的芯片，Vweb公司出的Vw2010可以同時實現(xiàn)編碼和解碼，而且是其中比較優(yōu)秀的一款。Vw2010的視頻可以達到25幀左右，其監(jiān)控效果良好，實踐證明，這個系統(tǒng)是可實現(xiàn)的，而且具有良好的音視頻效果。本系統(tǒng)采用這款Vw2010芯片實現(xiàn)解碼，有著很好的應(yīng)用前景。

2 MPEG-4的特點介紹

MPEG-4是一種面向多媒體應(yīng)用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，采用了基于對象的壓縮編碼技術(shù)，在編碼前首先對視頻序列進行分析，從原始圖像中分割出各個視頻對象，然后對各個視頻對象的形狀信息、運動信息、紋理信息單獨編碼，并通過比MPEG-2更加優(yōu)秀的運動預(yù)測和運動補償去除連續(xù)幀之間的時間冗余。其核心是基于內(nèi)容尺度可變性。內(nèi)容尺度可變性意味著可以給圖像中的各個對象分配不同的優(yōu)先級。其中，比較重要的對象用較高的空間和(或)時間分辨力表示。對于比較低的比特率應(yīng)用系統(tǒng)提供了自適應(yīng)可用資源的能力。MPEG-4提出對象的概念。通過對不同的音視頻對象做不同的處理，可以實現(xiàn)對不同對象共用不同算法的壓縮；對不同對象分配不同TS流，以及用戶交互式的音視頻對象操作等功能。MPEG-4支持空間、時間及信噪比的可分級性。用戶可根據(jù)自己的帶寬、處理能力等對相應(yīng)的TS流進行處理。優(yōu)質(zhì)的圖像效果和較低的碼率日益成為對圖像處理和壓縮的要求。MPEG-4在應(yīng)用方面，由于他以較少的帶寬傳輸高質(zhì)量的畫面，并將多種多媒體通信加以綜合，滿足了人們對傳輸畫面質(zhì)量的要求和碼率的要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)比較好的壓縮的圖像質(zhì)量和比較大的動態(tài)壓縮比，滿足在現(xiàn)實的設(shè)計中經(jīng)常沒有計算機的要求，這里設(shè)計利用DSP作為主機和FPGA仿時序，完成Vw2010初始化和控制、MPEG-4播放的功能。

3.1 Vw2010介紹

Vw2010是本系統(tǒng)中完成音視頻編解碼的主要芯片。Vw2010是實時MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4音視頻系統(tǒng)編解碼芯片，支持同時壓縮、解壓處理，兼容多種視頻標(biāo)準(zhǔn)。視頻編碼部分接收未壓縮的ITU-R.BT.656數(shù)字視頻信號，壓縮后為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供TS（MPEG）傳輸流。視頻解碼部分接收符合標(biāo)準(zhǔn)的MPEG或其他數(shù)據(jù)TS流，輸出ITU-R.BT.656數(shù)字視頻。音頻編碼部分接收未壓縮的I2S數(shù)字音頻信號，壓縮到MPEG中；音頻解碼部分接收MPEG數(shù)據(jù)，分離出音頻信號并輸出I2S數(shù)字音頻信號。

Vw2010支持3種啟動碼導(dǎo)入模式：ROM導(dǎo)入，I2C導(dǎo)入（SE2PROM協(xié)助）和主機導(dǎo)入。所有3種模式向主RISC處理器、編解碼器CPU導(dǎo)入的微碼都是先置于解碼器的SDRAM中。本系統(tǒng)設(shè)計中采用主機導(dǎo)入模式。外部主機（host）通過主機接口能夠訪問Vw2010芯片內(nèi)部硬件寄存器和編解碼器SDRAM。主機接口（HIU）內(nèi)部擁有中斷控制器用于管理來自芯片內(nèi)部各個獨立工作模塊的中斷信號，片內(nèi)A/V緩存器和各個FIFO，以及允許外部主機來確定中斷源。主機接口還允許外部主機重置芯片內(nèi)部編解碼器和主RISC處理器等各個獨立模塊。主機接口能夠靈活響應(yīng)DMA請求，而且主機接口內(nèi)部包含一系列內(nèi)部寄存器，這些內(nèi)部寄存器保存著用于A/V捕獲和編碼處理的相關(guān)參數(shù)，可用于啟動和停止編解碼器操作等。

主機接口具有讀寫芯片內(nèi)部硬件寄存器的I/O通道。主機通過發(fā)送寄存器讀寫命令獲得訪問權(quán)限。訪問寄存器命令由2部份構(gòu)成，HIU命令碼和寄存器地址碼。微碼下載: 主機接口提供了往芯片內(nèi)編解碼器的CPU和主RISC處理器下載微碼的通道。微碼的下載類似于寄存器訪問和SDRAM訪問，他需要HIU的命令，而且HIU提供的帶寬必須能區(qū)分出寫入帶寬(16 b)和內(nèi)部寄存器帶寬(16 b)間指令長度存在的差異。

本系統(tǒng)所有的微代碼都通過HIU下載Vw2010通過HIU與外部主機通信。設(shè)置芯片rom_data ［6:0］引腳為0000011，即rom_data［2］- rom_data［6］引腳接下拉電阻10 k置低位， rom_data［0］，rom_data［1］引腳懸空置高位，系統(tǒng)中無需外部ROM或SE2PROM協(xié)助。在此模式下，外部主機負責(zé)所有的下載程序。Vw2010芯片的Vweb固件是用默認值對系統(tǒng)進行配置的。A/V 參數(shù)(解碼器的啟動/停止?fàn)顟B(tài)等)的設(shè)置必須根據(jù)特定的應(yīng)用來配置。在固件下載完后，通過往共享存儲區(qū)寫IOCTL碼和相關(guān)參數(shù)值來直接設(shè)置。DSP向Vw芯片發(fā)送的IOCTL命令由3個基本步驟構(gòu)成：

(1) 獲得Vw設(shè)備處理句柄；

(2) 發(fā)送IOCTL命令；

(3) 釋放設(shè)備處理句柄。

一旦所有的微碼被下載，且所有模塊都被初始化后，外部主機可啟動編解碼器和主RISC處理器。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

對Vw2010來說，他必須與CPU互相進行通信才能進行工作。初始化工作必須由CPU控制執(zhí)行，而本系統(tǒng)的設(shè)計沒有外部的計算機作為主機，所以選用了TI公司的TMS320VC5416作為主機進行控制和初始化。其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

DSP接收到前端傳送的指令以后分析認為要求接收數(shù)據(jù)，要求FPGA按照事先約定的傳輸協(xié)議接收到傳送過的已經(jīng)壓縮成為MPEG-4的格式數(shù)據(jù)流。DSP在硬盤上建立相對應(yīng)的文檔，并且將FPGA接收到的MPEG-4數(shù)據(jù)存入硬盤上。DSP接收到前端傳送的指令以后分析認為要求開始解碼，控制FPGA將存儲的MPEG-4數(shù)據(jù)流從相應(yīng)的硬盤目錄上以塊的形式取出，將MPEG-4的碼流通過FPGA仿Intel的模式輸入到Vw2010中進行解碼。比特流輸入到分解器(DEMUX)后，分解器將壓縮的數(shù)據(jù)輸入中的視頻、音頻等數(shù)據(jù)分離，把視頻數(shù)據(jù)單獨提取出來存入解碼器SDRAM，進行運動補償(MCU)、可變長解碼(VLD)、反量化/反離散余弦變換(IQ/IDCT)等。這樣就完成了視頻數(shù)據(jù)的解壓縮。

經(jīng)視頻輸出模塊輸出格式為ITU-R.BT.656的8位數(shù)字視頻信號，這8位視頻信號直接連接到SAA7129，將8位數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化為PAL或VGA制式的模擬電視信號。音頻信號經(jīng)過Vw2010從MPEG的碼流中分流為符合I2S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻流，輸出的D/A變化采用CRYSTAL公司的4334，將輸入的I2S數(shù)字信號，轉(zhuǎn)化為左右聲道的模擬信號輸出。

3.3 控制軟件的設(shè)計

將所有的程序都放在DSP的FLASH中。整個編解碼電路正常工作前，需要對各部分器件進行必要的初始化。DSP讀取FLASH中的程序完成的初始化，然后將Vw2010和SAA7129的初始化程序的數(shù)據(jù)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到傳輸過來的程序以后，按照Intel的模式，對Vw2010進行初始化。Vw2010以I2C總線將SAA7129進行初始化，并且DSP程序要完成硬盤的初始化配置和數(shù)據(jù)的讀取。如圖2所示。

3.4 Vw2010的軟件配置要求

Vw2010提供了3種與host通信的機制:直接訪問內(nèi)部寄存器、共享存儲區(qū)(shared memory)和DMA。Vw2010允許host直接訪問其內(nèi)部寄存器和外部存儲單元，寄存器方式主要用于調(diào)試目的和下載固件程序；DMA方式則負責(zé)Vw2010芯片和應(yīng)用緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸(如MPEG數(shù)據(jù)流)；共享存儲區(qū)機制是設(shè)備驅(qū)動程序和Vw2010間的主要通信方式。在這里主要采用host模式進行固件的下載和初始化。如圖3所示。

在系統(tǒng)上電/復(fù)位時，視頻解碼器的固件程序可由外部主機(host)載入專用的SDRAM；而片內(nèi)CPU的固件程序則可載入Vw2010外掛的SDRAM。VW2010固件主要包括2部分：一個是boot.sre；另一個是pscodec.sre(PS流)或tscodec.sre(TS流)。固件下載的模塊的資料在Vweb公司的資料中已經(jīng)詳細的給出。在傳遞控制指令時，需要ALE，WR，RD信號同時滿足Intel總線傳輸時序。在發(fā)送成功1個16位控制指令后，Vw2010會通過其輸出信號INTEL-DTACK發(fā)送1個有效響應(yīng)。在解壓數(shù)據(jù)傳輸過程中，主要是通過CDO-REQ，CDO-ACK以及INTEL-DTACK信號來控制傳輸。INTEL-DTACK的有效響應(yīng)證明了一個字節(jié)的壓縮數(shù)據(jù)的成功發(fā)送(接收)，同時，也可以通過調(diào)整CDI-ACK(CDO-ACK)的頻率來控制壓縮數(shù)據(jù)的傳輸速率，也可以根據(jù)INTEL-DTACK信號的變化次數(shù)對壓縮數(shù)據(jù)包進行計數(shù)。

通過I2C總線，將SAA7129的參數(shù)設(shè)置成設(shè)計所需的PAL復(fù)合視頻信號或標(biāo)準(zhǔn)VGA信號，Vw2010解碼輸

出符合ITU-656格式的4∶2∶2的YUV信號，具有自動鉗位和自動增益控制功能。這樣SAA7129在接收到Vw2010解碼輸出ITU-656格式的YUV信號后解碼輸出PAL復(fù)合視頻信號或標(biāo)準(zhǔn)VGA信號。

4 結(jié) 語

文中的方案可以成功地完成對Vw2010芯片的初始化配置和進行解碼。系統(tǒng)設(shè)計的MPEG-4解碼通過采用Vw2010，F(xiàn)PGA和DSP三款核心芯片來構(gòu)造，融合3者各自應(yīng)用特點，具有高效的圖像處理能力、交互性能強、靈活的應(yīng)用性和穩(wěn)定性高、可擴展性強等特點，具有較廣闊的應(yīng)用前景。其可以廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)代社會的視頻監(jiān)控方面。DSP作為主要控制設(shè)備，在系統(tǒng)中起到核心作用，而FPGA利用其可編程性完成時序任務(wù)，Vw2010作為系統(tǒng)的核心，完成的是解碼的任務(wù)。利用文中的方案，可以使用硬盤等作為MPEG-4碼流的存儲設(shè)備，可以獨立的進行MPEG-4的解碼。其可以廣泛的應(yīng)用安全監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)視頻會議、軍事監(jiān)控等方面。具有廣闊的市場和發(fā)展的空間。

參 考 文 獻

［1］VW2010 A/V/S CODEC Chip Hardware Description Manu-al 2003.

［2］江國星，周光祥.基于VW2010芯片的嵌入式多媒體監(jiān)控系統(tǒng)壓縮/解壓卡設(shè)計\\[J\\].國外電子元器件，2004(7):4-7.

［3］VW2010 SDK2 Programmer′s Reference Manual Complete (Parts 1-5) 2005.

［4］路錦正.基于DM642DSP的MPEG-4視頻解碼算法優(yōu)化設(shè)計\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(4):80-82，91.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。