摘 要： 采用基于TI公司高性能Davinci系列TMS320DM6437處理器的SEED-DEC6437 EVM板作為主要硬件平臺，在DSP開發(fā)環(huán)境CCS3.3中采用C語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)運動估計算法的DSP移植，并加入人機接口，使用DSP/BIOS調(diào)度多個任務(wù)，從而實現(xiàn)了從軟件平臺到硬件平臺的移植，成功搭建了一個基于運動估計算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，使用DSP平臺可以使得運動估計算法的實時性更好。
關(guān)鍵詞： H.264；運動估計算法；數(shù)字信號處理器；TMS320DM6437
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)被形象地稱為信息時代、數(shù)字時代、多媒體時代。多媒體信息主要包括文字、聲音、圖像、圖形和視頻等內(nèi)容，其中，視頻又是多媒體信息中最重要的組成部分。無論是存儲還是傳輸，數(shù)字視頻都必須經(jīng)過極大的壓縮才具有實際意義，這就使得視頻壓縮技術(shù)成為多媒體技術(shù)的關(guān)鍵所在。目前最優(yōu)秀的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.264，但是它的優(yōu)異性能是以巨大的運算量為代價的，這其中運動估計就占了70%，因此，對運動估計算法的研究具有很大的實用價值。
運動估計是視頻編碼中的一項核心技術(shù)， 能有效去除序列圖像的幀間冗余從而實現(xiàn)高效編碼。它利用在同一場景中相鄰兩幅圖像具有的時域相關(guān)性，在參考幀中搜索當(dāng)前塊的最佳匹配塊并計算兩塊的相對位移量，即運動矢量。當(dāng)前有很多經(jīng)典的運動估計算法，如全搜索算法、三步搜索算法3SS（Three Step Search）、菱形搜索算法DS（Diamond Search）和六邊形搜索算法HEXBS（Hexa-gon Based Search）等。本文主要研究三步搜索算法在DSP平臺上的移植，并加入人機接口，設(shè)計一個基于運動估計算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。
基于DSP實現(xiàn)該算法有以下優(yōu)勢：（1）用戶開發(fā)自由度更大，支持多種個性化開發(fā)，可以滿足市場不斷提出的新的要求，在第一時間提升產(chǎn)品性能，增強產(chǎn)品的競爭能力；（2）DSP處理能力強，可以在一個DSP上同時實現(xiàn)多路音視頻信號的壓縮處理，還可提供很多視頻專用功能，如視頻濾波、高分辨顯示輸出和OSD等；（3）外圍接口豐富，開發(fā)周期短，可實現(xiàn)快速技術(shù)更新和產(chǎn)品換代；（4）芯片功耗低，為提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性提供可靠保障。
1 基于運動估計算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計
本文用SEED-DEC6437開發(fā)板、攝像頭和液晶顯示器等搭建了硬件平臺，在其上實現(xiàn)對采集的實時視頻的相鄰兩幀進行運動估計，在參考幀中找到最佳匹配塊并計算出相應(yīng)的運動矢量，同時加入人機接口，通過用戶按鍵，靈活地切換到不同的工作模式。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程為：首先從CCD攝像頭采集PAL制式模擬視頻信號，通過視頻解碼芯片TVP5150將模擬信號解碼成YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號[1]，并通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲至DDR2，TMS320DM6437通過訪問DDR2進行視頻數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理過程主要在于實現(xiàn)運動估計算法，通過CCS3.3軟件中的Watch Window查看計算出的運動矢量。
2 基于SEED-DEC6437視頻回路設(shè)計
在進行運動估計之前，首先要在SEED-DEC6437開發(fā)板上搭建視頻回路，該回路包括視頻輸入模塊、算法處理模塊和視頻輸出模塊3部分。SEED-DEC6437開發(fā)板上的TMS320DM6437處理器中集成的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）包含視頻處理前端（VPFE）[2]和視頻處理后端（VPBE）[3]。VPFE用于視頻輸入，可以連接PAL標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入信號，也可以連接數(shù)字視頻輸入信號。
2.1 系統(tǒng)的視頻輸入模塊設(shè)計
系統(tǒng)視頻輸入是利用解碼芯片TVP5150將模擬信號解碼成YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號，再送入TMS320DM6437進行相應(yīng)的圖像處理。TVP5150是一款高性能的視頻解碼芯片，可以將PAL制式的視頻信號或NTSC制式的視頻信號轉(zhuǎn)換成YCbCr422格式的數(shù)字信號。TMS320DM6437與TVP5150的連接框圖如圖2所示，在SEED-DEC6437開發(fā)板上接一路復(fù)合視頻輸入。
TVP5150實時輸出的視頻圖像數(shù)據(jù)為符合ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的YCbCr 4：2：2數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)，其特點是，每個像素點具有自己單獨的亮度信息Y，但是每兩個相鄰的像素共用同一組色度數(shù)據(jù)Cb和Cr。
2.2 系統(tǒng)的視頻輸出模塊設(shè)計
TMS320DM6437視頻輸出是利用內(nèi)置的VPSS的視頻輸出編碼模塊（VENC）中4路10 bit的DAC輸出，實現(xiàn)CVBS與VGA的輸出。其中，CVBS輸出接口使用了其中1路DAC，VGA輸出接口使用了共3路的DAC。本系統(tǒng)在設(shè)計過程中主要采用以composite復(fù)合信號的形式來進行最終實時圖像的輸出顯示。其視頻輸出連接示意圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)的運動估計算法設(shè)計
3.1 H.264編碼器框架
圖4為H.264編碼器的主體結(jié)構(gòu)。其中，F(xiàn)n為當(dāng)前欲編碼的幀，它是以宏塊為單位進行編碼處理的，每個宏塊是以幀內(nèi)或幀間模式進行編碼。Fn-1是指前面已解碼的多個參考幀，在幀間模式下，宏塊根據(jù)參考幀F(xiàn)n-1進行運動估計ME（Motion Estimation）和運動補償（Motion Compensation）得到預(yù)測值P，預(yù)測值與當(dāng)前幀F(xiàn)n得到殘差值，再對該殘差值進行變換編碼T與量化Q，得到變換量化系數(shù)；最后經(jīng)墑編碼輸出到網(wǎng)絡(luò)提取層NAL（Network Abstraction Layer）。Fn′為經(jīng)過濾波得到的重構(gòu)圖像，它將被放入?yún)⒖紟鎯ζ髯鳛橄乱粠驇讕幋a的參考幀之一。其中，運動估計是基礎(chǔ)，也是運算量最大的部分。
3.2 運動估計算法的DSP移植
運動估計的基本思想是將圖像序列的每一幀分成許多互不重疊的宏塊，并認(rèn)為宏塊內(nèi)所有像素的位移量都相同，然后對于當(dāng)前幀中的每一塊的前一幀或后一幀在某一給定搜索范圍內(nèi)，根據(jù)一定的匹配準(zhǔn)則找出與當(dāng)前塊最相似的塊，即匹配塊由匹配塊與當(dāng)前塊的相對位置計算出運動位移，所得的運動位移即為當(dāng)前塊的運動矢量。
基于塊匹配的運動估計可以從塊的模式選擇、塊匹配準(zhǔn)則和搜索策略3個方面進行研究。
經(jīng)過三步搜索算法搜索到最佳匹配塊后，將當(dāng)前幀的當(dāng)前塊的坐標(biāo)與最佳匹配塊坐標(biāo)相減，得到運動矢量。本文對8×8的塊進行搜索，第1步中步長取4，第2步中步長取2，第3步中步長取1，搜索結(jié)果如圖6所示。其中，temp為一個含9個元素的一維數(shù)組，存放9個點的SAD值；mvx和mvy為SAD值最小點的坐標(biāo)，通過該坐標(biāo)可以計算出相應(yīng)的運動矢量。
本文以SEED-DEC6437開發(fā)板為核心硬件，成功搭建了視頻回路，并在CCS3.3環(huán)境下編寫算法代碼，實現(xiàn)了基于DSP的運動估計算法，取到了運動矢量。為了增強系統(tǒng)的靈活可控性和實時性，又成功加入了人機接口，成功實現(xiàn)了DSP/BIOS任務(wù)調(diào)度。
參考文獻
[1] Wu Xiaomin， Xu Weizhang， Zhu Nanhao， et al. A fast motion estimation algorithm for H.264[C]. International Conference on Signal Acquisition and Processing， IC5AP′10， 2010： 112-116.
[2] Jing Xuan， CHAU L P. An efficient three-step search algorithm for block motion estimation[J]. IEEE Transactions on Multimedia， 2004， 6（3）： 435-438.
[3] Texas Instruments Incorporated. TMS320DM6437 evaluation module（EVM）quick start installation guide[Z]. 2006.
[4] Texas Instruments Incorporated. TMS320DM643x DMP video processing front end（VPFE） user′s guide[Z]. 2008.
[5] 王亮，徐佩霞.基于DSP實時實現(xiàn)的H.264運動估計快速算法[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2005，26（11）：2025-2028.
[6] 雷琳，張俊峰，劉京，等.一種基于H.264的改進的運動估計三步搜索算法[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20（12）：1-7.
[7] 王恒，朱金秀.H.264快速運動估計算法研究[J].海大學(xué)常州分校學(xué)報，2007，21（4）：24-27.
[8] 蔡自興，蔣冬冬，譚平，等.H.264中快速運動估計算法的一種改進方案[J].計算機應(yīng)用研究，2010，27（4）： 1524-1529.
[9] 彭啟琮.達(dá)芬奇技術(shù)——數(shù)字圖像/視頻信號處理新平臺[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.