實(shí)時(shí)視頻圖像壓縮存儲系統(tǒng)
在美國德州儀器公司(TI)舉辦的DSPand Analog University Challenge2000年度比賽中,我們的參賽項(xiàng)目“實(shí)時(shí)視頻圖像壓縮存儲系統(tǒng)”獲得了中國賽區(qū)第一名,并擠身于亞洲賽區(qū)前五名,入圍了全球復(fù)賽,遺憾的是未能獲得進(jìn)一步的成績。大賽對我們而言,是一次難忘的經(jīng)歷。通過這次參賽,我們學(xué)到了許多新的東西。
對視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化的存儲,或更通俗地稱為數(shù)字錄像,是當(dāng)前業(yè)界的熱點(diǎn)之一。較之以前的模擬方式存儲,數(shù)字錄像有著許多不可替代的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也帶來了技術(shù)上需要解決的一些問題。高效的視頻圖像壓縮算法及其硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)是解決視頻圖像數(shù)字化存儲問題的核心所在。
通常的數(shù)字錄像一般都采用專用芯片來完成視頻壓縮編碼算法的硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用專用芯片方法的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對簡單,而且隨著芯片批量的增加,單片價(jià)格會大幅下降。作為一個(gè)成熟和長期的產(chǎn)品,這種方法不失為一種最佳的方案。比如電視臺等對圖像質(zhì)量要求很高的應(yīng)用場合,基于MPEG-2編碼/解碼芯片的解決方案可以提供良好的性價(jià)比,并在較長的一段時(shí)間內(nèi)都能滿足應(yīng)用的需求。
但采用專用芯片最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)不夠靈活,無法進(jìn)行算法的升級與更新。只有當(dāng)某一種視頻壓縮編碼算法相對成熟,為業(yè)界普遍接受后,相應(yīng)的專用芯片才會出現(xiàn)。這一方面大大延長了產(chǎn)品的上市時(shí)間;另一方面,用戶原有的基于老的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可能都會被淘汰,對用戶的投資是一個(gè)損失。特別是在科技飛速發(fā)展的今天,新技術(shù)與新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn),技術(shù)的更新周期大大加快,單純采用專用芯片的解決方案其生命周期勢必會縮短,廠家的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)則會越來越大。
數(shù)字信號處理器（DSP）是一類具有專門為數(shù)字信號處理任務(wù)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的通用處理器件。最近幾年, DSP的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先由于新的高性能DSP普遍采用新的并行體系結(jié)構(gòu),如VLIW、SIMD等,DSP器件的性能得到很大的提高,新的器件能夠提供高達(dá)每秒十億次的操作;同時(shí),通過采用新的并行體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng),有效地避免了在CPU內(nèi)使用復(fù)雜的硬件電路來實(shí)現(xiàn)指令調(diào)度和分發(fā),而改由代碼生成工具在軟件這個(gè)級別來完成指令調(diào)度和分發(fā),從而使得相應(yīng)的C語言編譯器的效率得到了質(zhì)的提升,這對于算法實(shí)現(xiàn)人員而言是一個(gè)福音,尤其是對視頻編碼這樣的算法相對復(fù)雜的應(yīng)用,使用C語言進(jìn)行開發(fā)可以大大加快進(jìn)度;再者,隨著C語言的廣泛應(yīng)用,代碼的可重復(fù)利用性大大提高,DSP算法標(biāo)準(zhǔn)（Algorithm Standard）開始出現(xiàn),DSP軟件算法開始逐漸淡化與具體實(shí)現(xiàn)平臺的關(guān)聯(lián),獨(dú)立的DSP軟件算法供應(yīng)商開始成長,其結(jié)果勢必會帶動(dòng)DSP的普及應(yīng)用。
基于新的高性能DSP器件的解決方案不僅提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,可以滿足諸如雷達(dá)信號處理、數(shù)字基站、視頻圖像處理等復(fù)雜計(jì)算場合的要求,同時(shí)還提供了良好的可編程性,用戶可以靈活地進(jìn)行軟件的升級與更新,大大彌補(bǔ)了采用專用芯片的專用系統(tǒng)的不足。但是,基于DSP的方案實(shí)現(xiàn)起來相對復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)的成本一般也會略高一些。
新的技術(shù)越來越讓人們感覺“痛,并快樂著”,正如藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)在面臨的尷尬局面一樣。對于工程師來說,解決方案的選擇是一個(gè)應(yīng)當(dāng)慎重考慮的問題。就視頻編碼而言,選擇DSP還是專用芯片,很大程度上取決于具體的應(yīng)用。不管怎樣,作者認(rèn)為,作為一個(gè)原型系統(tǒng)（prototype）,DSP所提供的靈活性是不容忽視的。
TMS320C6201 DSP是TI公司于1997推出的TMS320C6000系列的第一顆定點(diǎn)DSP芯片,是TMS320家族中性能最強(qiáng)大的DSP系列產(chǎn)品之一。其主要性能特點(diǎn)可概括為：
·指令周期為5ns,每指令周期最多可并行執(zhí)行八條指令,峰值處理速度可達(dá)1600MIPS;
·DSP內(nèi)核采用甚長指令字（VLIW)的VelociTITM體系結(jié)構(gòu);
