酆祥龍，魏本杰，姜秀杰

（1.中國(guó)科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心,北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

基于DM 368的視頻捕獲與編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

酆祥龍1，2，魏本杰1，姜秀杰1

（1.中國(guó)科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心,北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻進(jìn)行捕獲后壓縮，文中提出一種基于DM368的視頻捕獲壓縮方案，并設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的硬件與軟件。該系統(tǒng)主要使用TI達(dá)芬奇DM368片上系統(tǒng)作為主控芯片，采用TVP5158作為視頻采集前端。采用1G容量的DDR2內(nèi)存作為易失性存儲(chǔ)器。采用1GFlash作為系統(tǒng)內(nèi)核與文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)。軟件部分在Linux平臺(tái)中使用達(dá)芬奇DVSDK進(jìn)行編程。壓縮規(guī)格上使用目前較為流行的MPEG4算法。從而實(shí)現(xiàn)視頻的捕獲與壓縮。經(jīng)實(shí)際測(cè)試顯示，使用該平臺(tái)進(jìn)行視頻捕獲壓縮開發(fā)較以往DSP和FPGA方案更加成熟穩(wěn)定，并可以通過TI的開發(fā)工具和現(xiàn)有軟件庫大大減少開發(fā)周期。

DM368；MPEG4；視頻；TI達(dá)芬奇

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，視頻技術(shù)越來越發(fā)揮著重要的作用。視頻的傳輸也經(jīng)歷了由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變。數(shù)字視頻的分辨率也隨著感光元器件的革新而不斷增加，在給人們提供越來越清晰額視覺享受的同時(shí)產(chǎn)生了更大的視頻數(shù)據(jù)。針對(duì)海量的視頻數(shù)據(jù)，人們通過改進(jìn)壓縮算法使得視頻數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間大大減小。時(shí)至今日，ITU-T已經(jīng)公布了H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)，并且在推進(jìn)H.265壓縮標(biāo)準(zhǔn)。在MPEG會(huì)議的努力下，MPEG-4壓縮標(biāo)準(zhǔn)也開始應(yīng)用于數(shù)字視頻領(lǐng)域。這些標(biāo)準(zhǔn)都使得高分辨率的視頻數(shù)據(jù)以非常高的壓縮率壓縮。最明顯的成果便是以網(wǎng)絡(luò)為媒體的實(shí)時(shí)視頻傳輸技術(shù)。而在硬件方面隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，微處理器體積變得越來越小但是處理能力如摩爾定律那樣快速增長(zhǎng)。這些技術(shù)的進(jìn)步使得嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的捕獲壓縮成為可能。目前常用的設(shè)計(jì)方案常用DSP+FPGA或者DSP+ARM組合實(shí)現(xiàn)。鑒于嵌入式設(shè)備對(duì)數(shù)字視頻壓縮的要求，誕生了許多現(xiàn)成的壓縮芯片，只需要發(fā)送指令和數(shù)據(jù)就可以完成原始視頻數(shù)據(jù)的壓縮[1-2]。

多處理器組合，雖然可以既利用DSP芯片的數(shù)字信號(hào)處理能力，又利用協(xié)處理器的邏輯處理能力，但是這種組合屬于板級(jí)連接設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中難免會(huì)引入連接錯(cuò)誤，給項(xiàng)目開發(fā)帶來許多不穩(wěn)定因素，大大延長(zhǎng)開發(fā)周期。同時(shí)兩種不同公司的芯片在設(shè)計(jì)過程中，接口邏輯會(huì)有或多或少的不同，也會(huì)給設(shè)計(jì)者帶來意想不到的問題。近年來許多芯片公司將核心處理器如ARM、DSP和其他外圍硬件內(nèi)核集成到一塊芯片中，這種System On Chip（SOC）技術(shù)大大增強(qiáng)了新的嵌入式視頻處理器的穩(wěn)定性。在其中TI公司開發(fā)出達(dá)芬奇系列視頻處理SOC，并提供了相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境與成熟的視頻處理算法。2010年4月TI推出DM368視頻處理芯片。與之前DM365視頻庫軟件兼容，但提供了更為豐富的接口。

文中介紹一種使用達(dá)芬奇DM368SOC實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的捕獲并按照MPEG4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)將對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采樣量化，將原始的視頻數(shù)據(jù)按照MPEG4壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。最后將編碼后的壓縮視頻解碼輸出，從而驗(yàn)證視頻的編解碼及視頻輸出功能。

1 總體設(shè)計(jì)

該嵌入式視頻處理設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，模擬攝像頭采集的視頻信號(hào)經(jīng)過視頻處理前端，進(jìn)行按照一定視頻格式進(jìn)行采樣量化，將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些視頻原始數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭曨l處理模塊。然后通過該模塊將原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的視頻壓縮處理。本設(shè)計(jì)預(yù)留網(wǎng)口和模擬視頻輸出端口，可以將壓縮的視頻解壓輸出，并通過模擬視頻輸出端顯示在微計(jì)算機(jī)終端或者嵌入式顯示設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the video process system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式視頻處理的硬件設(shè)計(jì)由視頻前端、視頻處理模塊、電源部分和外部接口四個(gè)部分組成。電源部分是一個(gè)嵌入式設(shè)備的最基礎(chǔ)模塊，是一個(gè)設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。該設(shè)備由于使用了多個(gè)芯片，每個(gè)芯片需要的供電電壓不同，這就需要使用多個(gè)電源芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的供電電壓。本次設(shè)計(jì)中將輸入的12 V電源經(jīng)第一次電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生5 V電源。5 V電源經(jīng)兩個(gè)芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生1.1 V、1.2 V、1.8 V和3.3 V電源。最后產(chǎn)生的3.3 V電源經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生1.24 V電源。如圖2所示。

圖2 電源模塊設(shè)計(jì)Fig.2 Design of power

模擬視頻接入端連接至TVP5158進(jìn)行初步處理。TI公司的TVP5158是四路NTSC/PAL視頻譯碼器,具有單獨(dú)的定標(biāo)器,降噪,自動(dòng)對(duì)比度調(diào)整,以及靈活的輸出格式編制器。TVP5158提供和DaVinc處理器的音頻和視頻連接接口,視頻輸出端支持8位ITU-R BT.656和16位4:2:2 YCbCr。輸出端連接DM368視頻處理器。

在DM368的片上系統(tǒng)中有許多硬件設(shè)備。對(duì)于視頻處理來說最重要的是其中的VPSS，即視頻子系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖3所示）。該系統(tǒng)有若干硬件組件支持對(duì)視頻的處理，可以實(shí)現(xiàn)從YUV422到Y(jié)UV420的格式轉(zhuǎn)換等具體處理操作。其中的VPFE（視頻處理前端）和VPBE（視頻處理后端）可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的預(yù)處理和解碼輸出功能。除此之外，該系統(tǒng)中還有一個(gè)緩沖器和一個(gè)DMA控制器，可以充分使用外部DDR2存儲(chǔ)器[3]。本次設(shè)計(jì)采用一片1G容量DDR2存儲(chǔ)器，該RAM與DM368的內(nèi)存引腳相連，為該芯片處理大數(shù)據(jù)視頻提供了足夠的運(yùn)行空間。使用三星公司的1G容量FLASH作為L(zhǎng)inux系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)和視頻應(yīng)用程序的存儲(chǔ)區(qū)域。

圖3 VPSS框圖Fig.3 Block diagram of VPSS

在視頻輸出部分，DM368自帶了模擬視頻輸出接口，另外考慮到嵌入式Linux的開發(fā)調(diào)試需求和目前常用的視頻傳輸方法，本次設(shè)計(jì)還添加了網(wǎng)絡(luò)和串口。網(wǎng)卡主控芯片采用AR8032，串口部分采用MAX3221實(shí)現(xiàn)通信電平轉(zhuǎn)換。整個(gè)視頻處理模塊硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 視頻處理模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Design of video process

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TI公司為達(dá)芬奇系列視頻處理器設(shè)計(jì)了軟件開發(fā)構(gòu)架，方便開發(fā)者在這個(gè)構(gòu)架上開發(fā)自己的視頻處理程序。該軟件開發(fā)構(gòu)架核心為CODE ENGINE編程框架，它能夠自動(dòng)地請(qǐng)求和實(shí)現(xiàn)符合eXpress DSP的Codec算法。在code engine中為開發(fā)人員提供3種開發(fā)方向。作為算法開發(fā)人員，可以將設(shè)計(jì)好的視頻處理算法通過Codec部分，按照TI通用的視頻處理算法標(biāo)準(zhǔn)生成算法庫，并進(jìn)行打包。視頻應(yīng)用程序開發(fā)人員可以在APP部分調(diào)用已經(jīng)打包好的算法庫，開發(fā)自己的視頻處理應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序與算法庫之間是sever部分，該部分可以實(shí)現(xiàn)Codec算法庫被APP調(diào)用。Server為Codec提供APP調(diào)用過程中所必須的組件 （例如BIOS、Framework Component、DSPLink等），并生成可執(zhí)行文件[dv]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 CODE ENGINE結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of CODE ENGINE

在本次視頻編解碼軟件設(shè)計(jì)中，DM368自帶了MPEG4和H.264視頻編解碼算法。在安裝好的開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)入算法庫文件夾，查找MPEG4視頻壓縮算法與解壓算法。圖中顯示的庫文件提供的是可以直接被APP端使用的，下一步就是編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。

圖6 DM368自帶視頻算法庫Fig.6 The algorithm of video process for DM368

設(shè)計(jì)視頻處理應(yīng)用程序，主要需要編寫 Capture、encodedecode和display3個(gè)部分的代碼。在Capture中主要使用前綴為“Capture_”的函數(shù)，這些函數(shù)直接使用了V4L2的相應(yīng)函數(shù)接口，從而幫助軟件從底層獲取與視頻處理相關(guān)的數(shù)據(jù)[5-6]。其主要執(zhí)行流程如圖所示[7]。

圖7 捕獲軟件的流程圖Fig.7 Flow chart of the software of capture

在視頻編解碼軟件部分中，主要使用了DM368自帶的視頻編解碼算法，在編程之前需要首先配置encodedecode.cfg文件。配置參數(shù)如下：

配置完成后，在應(yīng)用程序中便可以創(chuàng)建編碼算法句柄調(diào)用算法庫。編碼與解碼都需要首先打開engine，然后創(chuàng)建算法句柄，接著操作算法控制函數(shù)與算法處理函數(shù)。最后執(zhí)行完畢刪除編碼算法句柄，并關(guān)閉engine。以編碼為例，流程圖如圖所示。

圖8 編碼軟件的流程圖Fig.8 Flow chart of the software of encoding

在 Linux下實(shí)現(xiàn)視頻輸出程序 display，是通過操作framebuffer實(shí)現(xiàn)的。該幀緩存提供了個(gè)多種操作方法。開發(fā)者想要在顯示屏中顯示視頻其實(shí)就是將解壓后的視頻數(shù)據(jù)寫入framebuffer中來完成的。至此視頻處理應(yīng)用程序編寫完畢。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在Linux開發(fā)環(huán)境中打開終端，更改路徑進(jìn)入源代碼文件 夾 ：cd /dvsdk_2_10_01_18/dvsdk_demos_2_10_00_17/dm365/encodedecode。輸入make，Makefile文件會(huì)自動(dòng)編譯整個(gè)工程。將編譯好的整個(gè)文件夾復(fù)制到nfs共享路徑下。使用串口與網(wǎng)線，將電路板與開發(fā)主機(jī)相連。最后連接顯示器與模擬視頻輸出端口。上電之后更改當(dāng)前路徑到測(cè)試目錄，首先加載該視頻測(cè)試程序所需的驅(qū)動(dòng)模塊：./loadmodules_sd.sh。加載完成后打開運(yùn)行測(cè)試程序./video可以看到編解碼視頻的輸出情況，移動(dòng)攝像頭可以看到視頻有明顯延時(shí)。顯示情況如圖所示。

Design of video capture and codec based on DM 368

FENG Xiang-long1，2,WEI Ben-jie1,JIANG Xiu-jie1
（1.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

In order to achieve the capture and codec of video,a design based on DM368 is described with its both hardware and software.In this design,DM368 from TI Davinci is the main control and process unit.TVP5158 is added to capture the analog video signal.A DDR2 with volume of 1GB is used as RAM of this system.Besides a Flash from SAMSUNG with volume of 1GB is worked as the memory to store the kernel and file system of Linux.The software is developed on Linux with DVSDK from Davinci.MPEG-4 is chosen as the standard of video compression.By real test,this platform can perform MPEG-4 much better than the platform with DSP and FPGA.This design is much mature and reliable.With the help from the tools of TI and all the algorithm library people could develop the software much faster.

DM368;MPEG4;video；Davinci TI

TN919.82

A

1674－6236（2015）10-0166-03

2014-10-24 稿件編號(hào)：201410176

863國(guó)家支持項(xiàng)目（Y28021A220）

酆祥龍(1989—)，男，山東淄博人，碩士研究生。研究方向：嵌入式，視頻編解碼。