基于TMS320 DSP 视频压缩系统的设计

摘要: 本文给出了基于TMS320C6205 DSP 芯片的嵌入式视频压缩系统的总体方案设计、硬件系统设计原理图和相应的底层
软件模块的开发。系统还具有较好的可扩展性, 可以很容易在其基础上实现二次开发, 构成嵌入式视频会议系统或网络摄
像机等具体的应用系统。
关键词: 视频压缩; MPEG4; DSP; 嵌入式
中图分类号: TP302 文献标识码: A

引言
随着嵌入式开发技术的发展和相关参考资料逐渐增多, 嵌
入式系统的开发难度已经大大降低, 使得自行开发一款基于高
性能嵌入式的视频压缩卡成为可能。在嵌入式微处理器中, DSP
以其算法密集性著称, 特别适合复杂算法处理的应用。而在数
字视频图像处理系统中需要用到对图像的实时分析、压缩、解
压等大量的处理运算, 利用DSP 作为其嵌入式平台, 可以发挥
其性能优势, 实时满足图像处理需要。
本设计开发一个通用的视频捕捉与压缩卡系统, 提供对视
频处理、压缩算法评估和测试所需的硬件支撑, 也可以作为实
现视频压缩编码标准的一个开发环境。整个压缩系统提供一个
完整的底层软件接口, 通过这样一个接口, 可以很容易在上面
进行二次开发, 实现多种多媒体视频压缩标准。同时, 也可以在
该系统平台上面构筑诸如视频会议系统之类的具体的多媒体
应用系统。
本设计采用TMS320 芯片作为系统的主要视频压缩编码处
理器, 整个视频压缩卡系统的具体硬件设计为计算机扩展插卡
形式, 可以完成视频图像信号的采集、处理、压缩、编码以及储
存等操作。
1 TMS320 及IME6400 芯片简介
TMS320C6000 是美国TI 公司于1997 推出的高端DSP 芯
片, 它主要包括两大主要系列: TMS320C62xx 定点DSP 和
TMS320C67xx 浮点DSP。这两种DSP 的主要结构和指令集都是
基本相同的, 区别主要在于C67xx 系列DSP 增加了浮点运算单
元和相应的浮点运算指令。2000 年3 月, TI 公司又在C62xx
DSP 的基础上发布了C64xx 内核, 其处理速度是C62x 系列的
10 倍, 成为世界上性能最高的DSP 系列芯片。
TMS320C6000 系列DSP 最初是为了移动通信基站的信号
处理而推出的超级处理芯片, 它比传统的DSP 的处理速度要快
一个数量级, 因此在民用和军用领域都有很广阔的应用前景。
另一方面, 由于多媒体技术的发展和相应需求的增加, C6000
DSP 越来越广泛的应用在多媒体视频音频的处理中。
MPEG4 硬件编码芯片采用INTIME 公司的IME6400。
IME6400 是一款4 通道MPEG4 数字声像压缩芯片。它们是现
有的MPEG4 硬件编码芯片中的主流芯片之一, 并具有价格低,
实时性好的特点。同SAA7114 一致, 一帧图像分辨率设置为
720×576, 输入数据色彩格式为4:2:2。IME6400 具有符合工业标
准的视频数字编码器无缝接口, 16b 的复合主机接口, 分别用来
与视频采集芯片和微控制器芯片通信。
2 系统方案
视频技术的内容十分广泛, 包括视频的采集、处理、压缩、
储存和检索等诸多技术。视频压缩卡系统主要涉及的部分有视
频的采集、压缩等。数字视频信号与模拟信号相比, 具有易于处
理、传输失真小等许多优点。但是一个模拟视频信号数字化后,
其所占的带宽将大大增加。例如: 一路6MHz 的普通电视信号
数字化后, 其数码率将高达167Mbps, 对储存器容量要求很大,
传输时占有的带宽将达80MHz 左右, 这样将使数字信号失去
实用价值。因而, 数字视频压缩技术在数字视频的处理、传输和
储存中占有重要的地位。
2.1 系统的总体设计
基于TMS320C6205 芯片的嵌入式视频压缩系统是实现视
频压缩的常用方案之一。本设计所要实现的目标是开发一块基
TMS320C6205 芯片的嵌入式视频压缩系统, 作为一个通用的视
频压缩算法实现和验证的硬件平台。在这个平台上, 可以实现
诸如MPEG、JPEG/M- JPEG、H.263 等多种视频压缩标准。整个系
统应该具有良好的可扩展性和通用性, 从而方便在该硬件平台
上进行二次开发和功能扩展。在基于嵌入式视频压缩系统应用
结构中, 前端采用模拟摄像机, 通过网络视频编码器, 将模拟视
频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络协议的视频流。
视频压缩系统以TI 公司的高性能定点TMS320C6205 为主
处理器, 对经视频AD( 飞利浦公司SAA7114H) 数字化后的视
频数据进行压缩和编码, 最后通过PCI 总线将压缩编码后的视
频码流传送到PC 机。整个系统的结构原理图如下图1:

整个压缩系统中, CCD 摄像头采集来的视频图像数据以模
拟电视信号的形式输入到视频AD 芯片Philips SAA7114H, 经过
视频AD 进行采样和数字化后, 输出为符合CCIR.601 标准的数
字视频码流。该数字视频码流通过FIFO 进入DSP 中进行压缩编
码处理, 最后得到编码后的码流通过PCI 总线传输到PC 上。
系统选用TI 公司TMS320C6205 DSP 芯片, 主频为
200MHz, 外部总线频率为100MHz, 峰值处理能力可达到
1600MIPS, 能够满足H.263、JPEG/JPEG2000/M- JPEG、MPEG2
等多种多媒体压缩标准的实现要求。该型号的DSP 不仅有较强
的定点运算能力, 而且集成一个符合PCI2.2 规范的PCI 接口,
在此基础上可以很方便地设计出基于PCI 总线的DSP 系统。另
一方面, C6205 继承了C62x 系列灵活的外部接口, 可以很方便
地和SDRAM、FLASH 及串行接口等设备或接口相连接。
该压缩卡采用CCD 模拟摄像头, 其输出为复合电视信号
CVBS( PAL 或NTSC 制式) 或是S- Video 信号。该模拟信号经过
专用视频AD 转换器( PHILIPS SAA7111A) 处理可以得到符合
CCIR.601 标准的数字电视图像信号, 其图像规格为720×576,
25 帧/秒( PAL 制式) 或720×480, 30 帧/秒(NTSC 制式) 。该数字
视频信号送入DSP 进行压缩等后续处理工作。
整个系统与PC 机之间的数据通信采用PCI 总线技术。PCI
总线是目前使用最为广泛并且具有较高性能的总线技术, 它的
峰值传输能力为132MB/s, 在一般情况下也能保证在30MB/s 的
水平, 完全可以满足压缩卡对数据传输的需要。同时, 当压缩卡
配置为PCI 主设备时, 可以在无需CPU 干预的情况下自行将压
缩好的码流发送至同在PCI 总线上的网卡设备, 从而实现网络
多媒体码流的广播和传输。
同时, 该压缩卡上还配备一块音频AD/DA 芯片TLC320AD
50C, 该芯片最高采样率可以达到22.05KHz, 足以满足视频会议
等应用中对语音编码的要求。加入音频处理模块, 使得整个压
缩卡可以生成视频音频复合码流。
2.2 系统软硬件设计
整个系统分为硬件系统和运行在主处理器上的软件系统
两部分组成。整个视频压缩系统硬件部分可划分为以下几个部
分: 主处理器模块、视频AD 模块、储存器模块、音频模块、电源
模块。其中软件部分主要包括系统硬件的驱动模块, 用于视频
编码的应用子系统模块, 以及整个系统的控制模块组成。在这
三部分中, 硬件驱动模块属于底层的软件接口, 为上层的应用
程序提供一个对系统硬件调用的接口; 视频编码模块完成一定
的视频压缩编码, 可以编写不同的视频编码模块以实现不同的
视频压缩编码标准; 而控制模块则为整个系统的运行提供控制
功能。
从软硬件划分的角度来看, 整个视频压缩系统的结构可以
如下图2 所示:

本系统的软件由S3C2410 初始化程序、SAA71l4, IME6400
和CS8900 的配置程序、数字视频MPEG4 码流接收存储程序、
MPEG4 码流以太网发送程序和系统主控程序等多个模块组成。
主控端的嵌入式处理器必须及时将编码数据从IME6400 的
FIFO 中读出, 否则IME6400 为了防止可能的缓存溢出将会暂
停编码。
采用嵌入式实时操作系统和专用的硬件结构, 无论是软件
还是硬件都保证了嵌入式网络视频服务器比基于PC 机的系统
具有更高的实时性、稳定性和可靠性。可以方便的联动其他安
全防范设备, 如湿度、温度、烟感等报警器。本视频服务器使用
MPEG4 视频压缩技术, 与M- JPEG 和H.263 等压缩方式比, 具
有压缩比高、码流小、图像质量好等优点, 特别适合于Internet
环境下的实时监控, 并且可以节省存储空间。
2.3 模块接口与嵌入式设计
硬件模块和芯片间的接口和通信方式是硬件设计中最重
要的部分之一。模块接口设计不仅仅关系到整个硬件系统是否
能够正确的运转, 还直接决定了系统的性能与指标。该视频压
缩系统中最主要的几个模块接口是: ( 1) 模拟视频接口, ( 2)
EMIF 总线接口, ( 3) PCI 总线接口, ( 4) I2C 总线接口。
本系统软件设计主要分为嵌入式Linux 操作系统内核移
植、VW2010、PCI 桥芯片及网口等系统驱动程序编写和解码应
用程序的编写。
随着互联网的迅速普及与发展, 使得网络摄像机成为了研
究的热点。在本设计的基础上, 可以在系统中加入一个ARM单
片机。在ARM单片机上运行Linux 这类的嵌入式操作系统, 利
用操作系统自带的网络功能模块既可以构成一个嵌入式的网
络视频压缩传输系统。在此基础上既可以实现网络摄像机等具
体的多媒体网络应用。
嵌入式Linux 操作系统是用户控制系统的硬件平台, 系统
驱动程序采用模块化形式, 向上为用户层的解码应用程序提供
API 函数, 向下通过系统硬件API 函数控制系统硬件。VW2010
驱动模块采用实时加载方式, 其他如网口、I2C 和PCI/IDE 接口
等驱动通用性强, 直接编译入内核。解码应用程序则实现系统
MPEG- 4 数据流的传输和解码。Linux 下的驱动开发技术已经
发展成熟, 嵌入式Linux 内核的定制和移植也很普遍, 本文不作
详细的阐述。
3 硬件系统性能分析
在本视频压缩系统中, 所有视频图像的压缩编码运算都是
通过TMS320C6205 芯片来实现的, 没有使用其它的辅助器件
或专用芯片。因此, 整个系统的压缩处理能力和性能很大程度
上取决于系统所采用的TMS320C6205 芯片的运算处理能力,
该系统所选用的C6205 DSP 的运算处理能力及其在视频压缩
编码中的应用潜力极大。
硬件设计和开发是整个项目开发中最重要的部分, 其中,
硬件接口的设计是三部分中最重要的环节, 它保证各个硬件模
块能够协调工作。硬件设计中对该部分做了全面、仔细的分析,
并且在设计中保留相当的冗余度, 以确保硬件接口电路能够正
确、稳定的工作。
通过分析, 表明系统的处理能力和总线带宽完全可以满足
对视频图像信号进行压缩和编码的需要, 整个硬件系统的设计
是合理、可实现的。整个调试部分分为硬件调试和软硬件联合
调试两个部分。经过相应的测试工作, 结果表明整个压缩系统
基本上达到了系统设计中所给出的性能指标, 证明了整个系统
设计的正确性和合理性。
4 结束语
本设计完成了基于TMS320C6205 芯片的嵌入式视频压缩
系统的总体方案设计、硬件系统设计和相应的底层软件模块的
开发。系统的调试和试验结果表明, 整个系统的设计的正确和
合理的, 根据当前DSP 处理器性能水平和视频处理技术的发展
现状,可以实现开发目标中所要求的各项功能, 同时达到了设计
所要求的性能指标。
本文作者创新点: 本设计系统编程灵活, 具有良好的可靠
性, 可扩展性强。通过测试验证, 系统运行稳定可靠, 可应用于
视频监控和工业控制等场合, 具有良好的经济应用前景。
《无线宽带通信网中动态自适应QoS- CSMA/CA 多路接入
研究》项目经济效益约为10 万元以上。目前由于在宽带通信网
中不易检测信道是否存在冲突, 可通过载波侦听多点接入/冲突
避免(CSMA/CA) , 载波侦听查看介质是否空闲, 通过随机的时
间等待, 使信号冲突发生的概率减到最小, 当介质被侦听到空
闲时, 则优先发送。一旦遭受其他噪声干扰, 或者由于侦听失败
时, 信号冲突就有可能发生, 此时能够提供快速的恢复能力, 提
高通信质量, 使网络系统运行稳定, 具有很强的实用价值。