徐 蘭，呂 衛(wèi)，宋 垣

(天津大學(xué)電視與圖像信息研究所，天津300072)

隨著數(shù)字化移動(dòng)終端的日益普及以及地面數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，BSAC(Bit-Sliced Arithmetic Coding，比特分片算術(shù)編碼)成為目前最流行的的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)之一。BSAC采用了精細(xì)粒度可分級(jí)技術(shù)，適合運(yùn)用在非平穩(wěn)通信信道或多播環(huán)境中傳輸實(shí)時(shí)音頻流，為了使其優(yōu)勢(shì)得到較好實(shí)現(xiàn)，且出于對(duì)開發(fā)時(shí)間的考慮，本文選擇TI DaVinci(達(dá)芬奇)平臺(tái)。

為了使BSAC能夠在DaVinci平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，必須使其符合xDM接口標(biāo)準(zhǔn)，這也是本文的研究重點(diǎn)，本文還對(duì)BSAC音頻壓縮編碼在DM6446平臺(tái)上的應(yīng)用程序進(jìn)行了開發(fā)。

1 BSAC編碼概述

MPEG-4 BSAC是在AAC基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，保留了AAC編碼中引入的心理聲學(xué)模型、尺度因子編碼，用算術(shù)編碼代替了AAC的Huffman編碼，同時(shí)改變了碼率的分級(jí)系數(shù)和量化的頻譜成分，并提供差錯(cuò)復(fù)原技術(shù)，從而極大改善了在易出錯(cuò)信道上傳輸?shù)囊纛l信號(hào)質(zhì)量。AAC可分級(jí)性允許的典型步長(zhǎng)為16 kbit/s，而BSAC能使每個(gè)音頻頻道以1 kbit/s的步長(zhǎng)從16 kbit/s變化到64 kbit/s，實(shí)現(xiàn)碼率的可分級(jí)，立體聲以步長(zhǎng)2 kbit/s實(shí)現(xiàn)分級(jí)［1］。通常情況下，噪聲和多徑傳播會(huì)引起信道容量的減少，進(jìn)而影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字廣播系統(tǒng)的性能，BSAC的精細(xì)粒度可分級(jí)技術(shù)可以對(duì)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)糾錯(cuò)編碼提供支持，因此能夠有效抑制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字廣播系統(tǒng)性能的降低。

2 xDAIS和xDM算法接口標(biāo)準(zhǔn)

TI公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)xDAIS(eXpressDSP Algorithm Interface Standard)使通過組件構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的過程變得更加快捷和可靠，也使編解碼算法的改進(jìn)和移植更加方便［2］。所有xDAIS標(biāo)準(zhǔn)的算法必須實(shí)現(xiàn)IALG接口［3］，IALG接口函數(shù)的調(diào)用順序如圖1所示。xDM(eXpressDSP Digital Media Standard)是在xDAIS基礎(chǔ)上增加了一些雙核通信的協(xié)議，從而適合DaVinci技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)，xDM比xDAIS增加了兩個(gè)擴(kuò)展函數(shù)process()和control()。

圖1 IALG接口函數(shù)的調(diào)用順序

3 DaVinci軟件架構(gòu)

DaVinci的軟件架構(gòu)能夠使片上系統(tǒng)的硬件和軟件無縫地組合起來，它規(guī)定了應(yīng)用程序和算法庫之間統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的API接口，從而大大縮短了系統(tǒng)研究與開發(fā)的時(shí)間。DaVinci軟件架構(gòu)如圖2所示。用戶層進(jìn)行Linux應(yīng)用程序的開發(fā)，通過EPSI(Easy Peripheral Software Interface，外圍軟件接口)API來訪問和操作I/O及控制各種外設(shè)，通過Codec Engine(編解碼引擎)提供的VISA(Video，Image，Speech，Audio)API來調(diào)用DSP側(cè)兼容xDM標(biāo)準(zhǔn)的音視頻編碼器算法［4］。

圖2 DaVinci軟件架構(gòu)

4 BSAC音頻編碼器實(shí)現(xiàn)

4.1 編碼器開發(fā)流程

TMS320DM6446是采用雙核架構(gòu)(DSP+ARM)的SoC芯片，通過Codec Engine和Codec Server(編解碼服務(wù)器)來管理ARM和DSP的協(xié)同工作。DSP端通過DSP/BIOS運(yùn)行高性能的BSAC音頻編碼，ARM端通過Monta Vista Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的管理以及音頻的采集和處理。

BSAC編碼器的開發(fā)流程如圖3所示。首先在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3工程下將BSAC編碼器按xDM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝，生成編碼庫文件bsacenc.l64P，加上配置文件(.xs.xdc package.bld)生成能夠被Codec Engine配置套件所用的Codec包(ti.sdo.codecs.bsacenc)，然后配置DSP的操作系統(tǒng)DSP/BIOS，以及通過XDC工具配置其他組件，生成DSP端的可執(zhí)行代碼(Codec Server)，最后ARM端通過Codec Engine的VISA API接口函數(shù)調(diào)用符合xDM標(biāo)準(zhǔn)的BSAC編碼算法。

圖3 BSAC編碼器開發(fā)流程

4.2 Codec包封裝

4.2.1 BSAC算法的xDM封裝

將BSAC編碼器構(gòu)建成符合xDM標(biāo)準(zhǔn)的算法，IALG接口函數(shù)中的 algNumAlloc()，algActivate()，algControl()，algDeactivate()可不完成任何處理，為了減少函數(shù)的調(diào)用，節(jié)省代碼空間，本文設(shè)計(jì)的BSAC編碼器將上述函數(shù)指針置為NULL。BSAC算法實(shí)例接口函數(shù)IBSACENC_Fxns如圖4所示。IBSACENC_Fxns結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員表示模塊BSACENC的地址，用來標(biāo)明具體模塊實(shí)例;BSACENC_TI_alloc()表示BSAC編碼器申請(qǐng)的內(nèi)存資源，本文申請(qǐng)了3塊內(nèi)存空間，分別用來存儲(chǔ)BSAC算法實(shí)例對(duì)象，采集的原始音頻數(shù)據(jù)，編碼后的輸出碼流;BSACENC_TI_init()初始化BSAC算法實(shí)例對(duì)象，只有該函數(shù)成功返回后，算法實(shí)例才能開始處理數(shù)據(jù);BSACENC_TI_Moved()允許移動(dòng)BSAC算法實(shí)例對(duì)象，重新定位存儲(chǔ)器資源;BSACENC_TI_process()實(shí)現(xiàn)將輸入的PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行BSAC編碼，并輸出編碼后的碼流及幀長(zhǎng);BSACENC_TI_control()實(shí)現(xiàn)對(duì)BSAC音頻編碼器參數(shù)(如比特率、采樣率、通道模式、量化位數(shù)等)的設(shè)置及BSAC算法狀態(tài)信息的查詢;BSACENC_TI_free()釋放BSACENC_TI_alloc()申請(qǐng)的內(nèi)存空間。

圖4 BSAC算法實(shí)例接口函數(shù)

4.2.2 Codec包創(chuàng)建

為了使兼容xDM標(biāo)準(zhǔn)的BSAC音頻編碼算法能夠被編解碼引擎調(diào)用，須將該算法打包生成1個(gè)Codec，即“包”。1個(gè)包對(duì)應(yīng)1個(gè)目錄，目錄中包含了1個(gè)獨(dú)立組件需要的所有文件以及相關(guān)的元數(shù)據(jù)。

本文使用TI RTSC(實(shí)時(shí)系統(tǒng)組件)編解碼器包向?qū)韯?chuàng)建BSAC Codec包，首先下載安裝必要組件(ceutils(Codec Engine工具)，cg_xml(代碼生成工具))，設(shè)置XDCPATH(具體方法如下所示)，然后在xdc工具安裝路徑下執(zhí)行./xs ti.sdo.codecutils.genpackage-g，生成codec包所需的5個(gè)配置的文件：1)package.xdc定義的BSAC codec包的名稱為ti.sdo.codecs.bsacenc，包含了1個(gè)算法模塊BSACENC;2)package.xs定義了BSAC Codec包所需要的庫文件名稱(lib="lib/bsacenc.l64P");3)package.bld定義了build相關(guān)的屬性;4)BSACENC.xdc聲明和定義了模塊BSACENC，該文件名必須和package.xdc文件中定義的模塊名稱(BSACENC)一致;5)BSACENC.xs實(shí)現(xiàn)了BSACENC.xdc中聲明的方法。具體代碼為：

export XDCPATH="/home/user/dvsdk_2_00_00_22/codec_engine_2_23_01/packages;

/home/user/dvsdk_2_00_00_22/xdais_6_23/packages;/home/user/dvsdk_2_00_00_22/ceutils_1_06/packages"

4.3 Codec Server創(chuàng)建

在將BSAC編碼器打包成Codec后，為了支持Codec Engine調(diào)用運(yùn)行在DSP上的音頻編碼算法，必須生成一個(gè)DSP端的可執(zhí)行代碼Codec Server(bsacenc.x64P)，該服務(wù)器結(jié)合了Codecs，F(xiàn)ramework組件和系統(tǒng)代碼。為了生成 Codec Server，需要一些配置文件如.tcf，.cfg，main()等。Tconf腳本語言的配置文件bsacenc.tcf配置了DSP/BIOS，它分配了數(shù)據(jù)和代碼段的存儲(chǔ)空間、使能任務(wù)管理器和動(dòng)態(tài)分配堆，創(chuàng)建和初始化其他DSP/BIOS數(shù)據(jù)對(duì)象等。main()用來初始化Codec Engine。通過XDC配置其余組件(如框架組件、DSP/BIOS Link、Codec Engine)，BSAC Server配置文件(bsacenc.cfg)部分代碼如下所示，它定義了 Server的模塊屬性，獲得編碼模塊BSACENC，說明Codec Server中可用的算法bsacenc。具體代碼為：

4.4 ARM端BSAC應(yīng)用程序創(chuàng)建

ARM端的應(yīng)用程序主要是完成Codec Engine的配置及BSAC編碼器的多線程設(shè)計(jì)。Codec Engine的配置文件是通過*.cfg文件存儲(chǔ)的，本文的BSAC編碼器引擎配置文件部分代碼如下所示，它定義了引擎的名字，設(shè)置了全局模塊來使配置文件生效，設(shè)置引擎的運(yùn)行環(huán)境和與Codec Server相對(duì)應(yīng)的名稱。BSAC應(yīng)用程序的Linux多線程程序設(shè)計(jì)主要包括原始音頻信號(hào)的采集，音頻信號(hào)的壓縮編碼，最后編碼后的碼流存到本地磁盤用于解碼輸出。具體代碼為：

5 測(cè)試結(jié)果與分析

BSAC編碼器在封裝的過程中，進(jìn)行了一些優(yōu)化操作，如浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)運(yùn)算、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、將使用頻繁的變量直接存儲(chǔ)到DSP的L1DSRAM中等，這樣可大大降低DSP的占用率且提高編碼算法的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)代碼優(yōu)化后，DSP的占用率從36%減少到18%，大大節(jié)約了DSP資源，為同時(shí)執(zhí)行多種編碼器提供了可能。本文的BSAC編碼器能夠支持多種采樣率(48 kHz，44.1 kHz，24 kHz)，量化精度能實(shí)現(xiàn)8位或16位，并且能夠壓制出不超過96 kbit/s碼率的碼流。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，編碼器穩(wěn)定性能相對(duì)較好，編碼速度快，能夠達(dá)到音頻編碼的實(shí)時(shí)要求，且壓縮后的碼流經(jīng)解碼器還原的聲音從主觀感覺上無法分辨與原始音頻的差別。

6 結(jié)束語

針對(duì)達(dá)芬奇平臺(tái)雙核架構(gòu)的特點(diǎn)，本文采用TMS320DM6446實(shí)現(xiàn)了BSAC音頻編碼器的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的方法相比，大大縮短了開發(fā)時(shí)間。本文介紹了xDM算法接口標(biāo)準(zhǔn)及DaVinci的軟件架構(gòu)，成功地將BSAC算法按照xDM接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了封裝，并且在TMS320DM6446的DSP上實(shí)現(xiàn)，在ARM端開發(fā)的BSAC音頻編碼應(yīng)用程序可根據(jù)用戶需求，自行設(shè)置不同的采樣率及碼率，編碼性能均較好。

［1］ISO/IEC JTC1/SC29/WG11.Information technology-coding of audiovisual objects Part3：Audio［S］.2001.

［2］趙勇.DAVINCI技術(shù)原理與應(yīng)用指南［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2008.

［3］劉書洋，李鳳亭.基于DSP平臺(tái)的AVS實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2009，33(S1)：60-64.

［4］張起貴.最新DSP技術(shù)：“達(dá)芬奇”系統(tǒng)、框架和組件［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.