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數(shù)字視頻在監(jiān)控、無線視頻網(wǎng)關和數(shù)碼相機等方面有廣泛的應用,在所有這些應用中都需要很強的數(shù)據(jù)處理能力,DSP的應用將是促進數(shù)字視頻技術發(fā)展的關鍵。本文對數(shù)字視頻的應用進行了分類,并針對不同的應用對功耗、處理能力和便攜性等不同要求的DSP選擇提供建議和相關系統(tǒng)設計方案。
過去,由于帶寬和處理能力的限制,數(shù)字信號處理更多用在簡單的語音信號處理。隨著技術的發(fā)展,人們可利用的通信帶寬越來越寬,芯片處理能力更強,簡單的語音已不能滿足人們的需求,人們開始關注動態(tài)范圍更廣的音頻處理以及視頻處理,要求越來越多的視頻應用。
這些應用的共同點是它們都要求視頻和圖像的處理,這些處理可能是圖像質量的優(yōu)化,如銳化和白平衡等,也可能是視頻和圖像的壓縮/解壓縮,如MPEG4,或者是不同壓縮制式之間的轉換,如與MPEG4等。這些處理都要求主處理芯片有較強的圖像視頻處理功能,但由于所有這些運算所針對的目標市場并不相同,它們對處理器的要求也不一樣。所以在對某種應用進行開發(fā)之前,必須了解該應用對處理芯片的要求,從而進行成功的器件選型。本文首先對這些應用進行分類,并提供以各種處理芯片為基礎的系統(tǒng)方案。
主要視頻應用及其分類
1. 視頻局端設備
最常見的局端設備是位于有線電視局端的視頻再復用器,它通常提供接入復用數(shù)字通道、插入本地內(nèi)容(如廣告等)以及輸出客戶定制內(nèi)容。
這幾項功能需要處理芯片完成視頻碼制轉換、視頻碼率轉換、音頻碼制轉換、音頻碼率轉換、前期/后期處理和數(shù)字節(jié)目插入。這些工作一方面由于在局端通道密度較高,所以要求芯片處理能力較強,但另一方面又由于編碼技術在不斷地發(fā)展,不斷會有新的標準出現(xiàn),因而要求處理芯片具有較強的可編程性和可擴展性,產(chǎn)品具有較好的延續(xù)性。對芯片外圍接口的主要要求是高吞吐率。
2. 無線視頻網(wǎng)關
無線視頻網(wǎng)關是位于MSC內(nèi)的一個局端交換系統(tǒng),用于將任何制式的視頻內(nèi)容轉成手機支持的格式,從而將這些內(nèi)容在無線網(wǎng)絡上發(fā)送。它對處理芯片的要求與視頻局端設備相似,但是,由于無線網(wǎng)絡對環(huán)境的依賴比較強,不同連接的信道質量會有所不同,要求網(wǎng)關針對信道質量,將視頻內(nèi)容轉換到該信道所支持的碼率上。相應地,對芯片的要求類似于局端設備,但性能要求更高。由于網(wǎng)關要與其它網(wǎng)絡(如分組交換網(wǎng))接口,要求芯片的外圍接口支持如ATM或以太網(wǎng)等網(wǎng)絡總線,。
3. 機頂盒
這里的機頂盒是指在用戶端同步解碼、處理和播放幾條視頻、音頻和數(shù)據(jù)流的媒體集中播放器,有些機頂盒還支持對DVB或DVD其它MPEG數(shù)據(jù)流的編碼功能。在這些機頂盒中,芯片處理任務比較簡單,一般就是接受數(shù)據(jù)流然后解碼或編碼,但由于是進行流處理,并且多半是MPEG2質量的視頻流,所以需要處理能力較強。
4. IP視頻電話/視頻會議
IP視頻電話是將實時的多通道視頻集成到現(xiàn)有的IP語音電話中,視頻會議則在多點間實現(xiàn)視頻電話會議。目前這兩種應用多采用或MPEG4,芯片要完成這兩種制式的編解碼,同時完成圖像采集處理的任務,單芯片處理能力要求較強。
由于要進行視頻采集,接口要求支持視頻輸入,要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議則要求有以太網(wǎng)接口的輸出支持。
5. 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)相對傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說是一個顯著的飛躍,它增加了更多的智能特性,例如可以進行移動報警,通過圖像處理方法在監(jiān)控區(qū)域發(fā)現(xiàn)移動物體就報警；數(shù)字化的視頻檔案更加便于管理,例如可以通過自動圖像分析方法來找到目的片斷,數(shù)字化信息通過網(wǎng)絡更便于傳輸。
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)最主要的要求是可編程性,數(shù)字處理能力也是實現(xiàn)這些特點的保證。另外,視頻輸入和網(wǎng)絡接口也不可或缺。
6. 數(shù)字攝錄機/數(shù)碼相機
這兩個領域是消費類數(shù)字圖像的典型應用。一般,前者強調移動圖像的攝錄,后者追求靜止圖像的高質量。如果處理芯片的可編程性足夠強,這兩者完全可以兼顧,從而可以開發(fā)出平衡這兩方面需求的產(chǎn)品,既可以錄像又可以拍出高質量的照片。如果從成本考慮,可以用一套圖像處理方案開發(fā)不同的產(chǎn)品,減少開發(fā)的重復投資。
除了可編程性外,這兩種應用要求芯片具有低功耗特性,此外還要求對移動存儲的支持。
7. 個人數(shù)字視頻播放器/點播機
這類設備都是完成視頻解碼,前者更強調便攜性,而后者則強調豐富的節(jié)目源。在該應用中處理性能并不是第一位要考慮的因素,而整個系統(tǒng)的低能耗十分關鍵。另一方面,要求芯片的接口比較豐富以支持LCD顯示屏、CFC或其它存儲卡或硬盤接口。
上面這些視頻應用總體上可以分為兩大類:一類是高性能,要求多通道處理或多編碼制式,或追求高圖像質量,同時由于技術的不斷發(fā)展,它又需要較強的可編程性支持未來的技術發(fā)展；另一類是便攜應用,強調小型化、低功耗,并能支持多種移動存儲接口以及USB、1394或其它高速總線。
針對應用選擇合適的芯片
由于以上這些應用大致上可以分為高性能和便攜式兩類,因此應針對這些不同的應用選擇不同的芯片來實現(xiàn)最佳性能。
在高性能視頻應用中,通常數(shù)據(jù)運算量極大,如僅考慮這類圖像運算中最基本的離散余弦轉換運算(DCT),對于單通道30幀的VGA視頻,需要每秒大約6千萬次的乘加運算,這還僅是其中非常小的一部分。例如,對于上文提到的視頻局端設備,其設計挑戰(zhàn)在于多路多碼率以及多制式,因而要求片上內(nèi)存要足夠大以放下多路數(shù)據(jù)和各種譯碼器,同時還需要與控制主機相連。圖1為采用TMS320C6415為核心的局端設備框圖,該芯片主頻可以達到720MHz,有8兆位的片上內(nèi)存和PCI接口。類似的應用還有無線媒體網(wǎng)關。
對于客戶端設備的應用將有些差異,如IP視頻網(wǎng)絡電話,由于這類應用通常是單路的,因而不需要太大的片上內(nèi)存,但它的接口卻要求很多。例如,此類設備一般都是直接接視頻輸入輸出,或從有線電視或攝像頭到LCD,同時要求接以太網(wǎng)。這里,我們就需要一個內(nèi)存夠用,支持通用視頻標準如BT656,還帶有以太網(wǎng)接口的處理芯片。圖2為以TMS320M642為中心的IP視頻電話結構,該芯片帶三個視頻接口,支持BT656、百兆以太網(wǎng)接口、多路音頻串口和66MHz PCI,可支持四路D1圖像30幀的MPEG2實時壓縮。
相類似的高性能視頻應用還有機頂盒、數(shù)字視頻播放器/點播機和網(wǎng)絡相機/監(jiān)控系統(tǒng),它們都可以DM642為中心加上各自所需的硬件,形成不同的應用。這也最大程度上發(fā)揮了開發(fā)投資的價值,一套方案上的經(jīng)驗可以為其它所有方案利用。
對于便攜設備的視頻應用,最典型的是數(shù)字攝錄機/數(shù)碼相機,除了共有的視頻圖像處理外,這類產(chǎn)品設計最大的考慮就是功耗。這些都是電池驅動的,因而能量消耗必須有所限制,必須選擇一款低功耗的處理器芯片。圖3為以DM310基礎的數(shù)碼相機系統(tǒng)方案,該芯片可以實現(xiàn)D1圖像(720×480)30幀每秒的實時MPEG4編解碼。
本文小結:
實際上上面這些應用都有一些共同點,因而如何實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化設計是很多開發(fā)商的一個隱憂,是否不同的客戶用同一套芯片開發(fā)同一種應用會生產(chǎn)出同樣的產(chǎn)品呢？實際上,由于DSP具有充分的可編程性,完全可以實現(xiàn)產(chǎn)品設計的差異化。同時,為了更好地實現(xiàn)差異化,那些標準件如各種碼制的編解碼器,也可以同第三方獲得。利用市場現(xiàn)有的各種DSP完備成熟的開發(fā)環(huán)境,可以縮短開發(fā)周期,迅速占領市場。
