摘? 要： 數(shù)字視頻技術(shù)正從便攜式攝像機與安全監(jiān)控系統(tǒng)等專用應(yīng)用領(lǐng)域向各種消費類電子產(chǎn)品快速推廣，向傳統(tǒng)視頻開發(fā)技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。過去，這些傳統(tǒng)技術(shù)需要熟悉最新編碼／解碼（編解碼器）標準并能為高性能信號處理平臺編寫匯編代碼的專家手工編寫大量代碼。
信號處理技術(shù)制造商推出了將處理器、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)高度集成的開發(fā)環(huán)境，使設(shè)計人員能夠在高系統(tǒng)級別的抽象環(huán)境下開發(fā)視頻應(yīng)用，從而解決這一繁瑣而復(fù)雜的難題。這使設(shè)計人員能集中精力開發(fā)應(yīng)用功能，通過簡單調(diào)用應(yīng)用編程接口(API)就能實施視頻、音頻、語音和影像技術(shù)，以處理諸如實施特定編解碼器引擎以及匹配屏幕分辨率等細節(jié)。
關(guān)鍵詞： DSP數(shù)字信號處理器；video視頻；coding/decoding編碼／解碼； codec編解碼器
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新一代視頻應(yīng)用
隨著實施數(shù)字視頻的成本不斷下降，更多嵌入式開發(fā)人員開始在各種產(chǎn)品中集成音、視頻技術(shù)。圖1顯示了機頂盒（STB）作為家庭安全集成監(jiān)控系統(tǒng)的功能，它使得家庭用戶能在電視屏幕上查看訪客情況。同時，傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)視頻應(yīng)用的質(zhì)量也在不斷提高。為了可智能化地調(diào)整對比度與聚焦，TI正在開發(fā)計算性能更高的算法。高靈活性的處理選項也使用戶能通過包括黑白、彩色、紅外、熱感等在內(nèi)的各種設(shè)置捕獲影像。此外，也正在開發(fā)智能攝像頭，它僅當(dāng)鏡頭框中的所有人都睜眼時才捕獲影像。
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傳統(tǒng)的編解碼器實施方法
日益廣泛的視頻使用與復(fù)雜性不斷提高的新型視頻應(yīng)用使人們開始重視傳統(tǒng)視頻開發(fā)方法的局限性問題。傳統(tǒng)方法的最大障礙之一就是需要對編解碼器算法進行手工編碼之后，才能壓縮數(shù)據(jù)流進行傳輸存儲，也才能解壓縮用于查看和編輯。目前，編解碼器標準非常復(fù)雜，并在不斷地演進發(fā)展，以增強視頻質(zhì)量和降低帶寬占用。
因此，工程師往往需要很多人月的工作才能完成嵌入式視頻應(yīng)用的實施。通常，編解碼器先采用C/C++等較高級語言開發(fā)，然后再將部分代碼用匯編語言重寫，從而根據(jù)硬件實施優(yōu)化性能與功耗。上述編程工作的第二階段需要熟練掌握特定硬件平臺的大量專業(yè)技能。
諸如MPEG 2等前代編解碼器已穩(wěn)定成型，但MPEG 4與H.264等最新的高效編解碼器仍在不斷改進，因此必須在產(chǎn)品開發(fā)過程中和未來升級中考慮到編解碼器變動的可能性。此外，新型編解碼器也提供了更豐富的工具套件(toolset)，能夠為開發(fā)人員在設(shè)置視頻流時提供更多的選擇。例如，有的編解碼器視頻流可允許使用隔行掃描規(guī)范，而有的則不行。
硬件考慮事項
編解碼器通常運行于專用集成電路(ASIC)或數(shù)字信號處理器(DSP)上。ASIC是針對特定應(yīng)用而設(shè)計定制的，因此功耗通常較低，外形尺寸也相對較小。使用ASIC的不利因素在于，工程設(shè)計僅適用于特定應(yīng)用，因此成本較高。而且如果要根據(jù)不斷發(fā)展的編解碼器標準進行實施更改，成本也會比較高。新編解碼器的實施通常需要增加ASIC器件的裸片大小。
DSP則能提供全面的軟件可編程性，其中包括現(xiàn)場再編程功能，以使用戶在推出MPEG 2產(chǎn)品之后還能再讓其升級產(chǎn)品支持H.264視頻編解碼器。此外，DSP還有助于簡化可支持多種編解碼器產(chǎn)品的開發(fā)，而且還能根據(jù)標準的變化實時更新編解碼器。此外，還可將DSP集成在片上系統(tǒng)（SoC）中，與通用處理器（GPP）和加速器等更多功能結(jié)合在一起，從而有助于減少組件數(shù)。
應(yīng)用領(lǐng)域的問題
數(shù)字視頻實施只是當(dāng)今大量數(shù)創(chuàng)新型應(yīng)用的一部分，通常運行于GPP之上的應(yīng)用則構(gòu)成另一部分，可提供用戶界面并實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的特定性能。此類應(yīng)用的重要角色之一就是實現(xiàn)軟硬件的統(tǒng)一。例如，在編解碼器與視頻端口之間提供視頻緩存。此外，應(yīng)用還需要諸如Linux或Windows CE等操作系統(tǒng)來處理以太網(wǎng)協(xié)議棧、無線協(xié)議棧、輸入/輸出設(shè)備驅(qū)動器等。
通過軟件實現(xiàn)硬件抽象
新一代視頻產(chǎn)品的開發(fā)人員必須快速向市場推出具備高級特性的產(chǎn)品，才能確保在競爭中脫穎而出。為了實現(xiàn)上述目標，他們必須盡可能地集中優(yōu)勢資源用于應(yīng)用本身的開發(fā)工作，而不應(yīng)被視頻實施的具體細節(jié)所干擾。
視頻硬件開發(fā)人員為了滿足上述要求，推出了包含軟硬件、工具以及支持等在內(nèi)的集成式環(huán)境，大幅簡化數(shù)字視頻技術(shù)的實施。這種環(huán)境提供了一個開放式平臺以供眾多企業(yè)開發(fā)和集成可構(gòu)成數(shù)字視頻系統(tǒng)的不同組件，從而降低視頻系統(tǒng)的復(fù)雜性。這些高性能信號處理平臺目前包含生產(chǎn)就緒型軟件(如硬件驅(qū)動器、手工優(yōu)化的編解碼器)以及管理網(wǎng)絡(luò)上音視頻同步和流媒體的應(yīng)用代碼等。
新架構(gòu)提供的API使開發(fā)人員能專注于應(yīng)用開發(fā)工作，而無需為視頻實施問題浪費過多時間，也不必進行DSP編程。通過將硬件實施細節(jié)與硬件在應(yīng)用中的使用相分離，開發(fā)人員可非常便捷地將應(yīng)用移植到新平臺與新操作系統(tǒng)上，一般只需更改API之后的驅(qū)動器即可。
編寫應(yīng)用程序的開發(fā)人員只需調(diào)用標準函數(shù)庫就能實現(xiàn)各種視頻、影像、話音與音頻編解碼器以及其他視頻和音頻功能。例如，圖2顯示了設(shè)計人員在無需考慮實際編解碼器實施細節(jié)的情況下通過ProcessVideo等函數(shù)調(diào)用接入視頻流的情況。
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API本身由硬件制造商提供，并已針對硬件實施進行了優(yōu)化。如果換用新的硬件，則只需替換驅(qū)動程序，而無需更改應(yīng)用代碼。如果標準發(fā)生更改或者發(fā)布了新標準，則硬件制造商可以更新編解碼器，這樣應(yīng)用開發(fā)人員只需下載新的軟件庫即可，而不必重新編寫代碼。這種方案有助于大幅降低視頻開發(fā)的成本并縮短產(chǎn)品的上市進程。
訪問任何來源的視頻
上述方案的主要優(yōu)勢在于無需對應(yīng)用代碼做出重大更改即能訪問各種來源的視頻流。例如，可用下列代碼來訪問硬盤驅(qū)動器等ATA外設(shè)中的視頻，而且只要對這段代碼范例稍做修改，就能訪問任何來源的視頻。
InitPeripherals()
InitEthernet()；
InitUSB()；
InitATA()；
InitDisplay()；
InitH264Decoder()；
OpenCodec()
OpenH264Channel()；
StartDecode(ATA.Address，H264.Channel，
Display.Address)；
通過API，開發(fā)人員能根據(jù)視頻引擎來配置硬件，以確保特殊應(yīng)用能夠滿足復(fù)雜節(jié)目的要求(如影像尺寸、單位像素位(bpp)等)，此外還能管理幀緩沖器與內(nèi)置屏幕顯示功能等。
更改顯示尺寸
下列代碼范例顯示，打開并配置視頻流之后即可輕松更改顯示尺寸。這段代碼使機頂盒能使用相同的代碼與家庭影院監(jiān)視器直接相連，并將內(nèi)容下載至個人視頻播放器。
InitPeripherals()
//Display driver is passed arguments to move away from default values
InitDisplay(QCIF | CIF | D1 | 720p | 1080i)；
新系統(tǒng)級抽象方案可顯著簡化高級視頻特性的實施。圖3所示的代碼顯示，可用這種方案來實施時移技術(shù)，以便將實時視頻存儲至磁盤上，而不必立即播放，這樣用戶即便暫時沒時間收看也可以看重播，從而不會錯過任何節(jié)目。
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I/O層驅(qū)動程序
上述各種特性背后的復(fù)雜細節(jié)均由通用 API 訪問低層驅(qū)動程序完成，因而對開發(fā)人員而言是完全透明的。采用界面熟悉、獲廣泛支持的Linux驅(qū)動程序可簡化視頻技術(shù)在嵌入式應(yīng)用中的集成工作。使用Linux社區(qū)非常熟悉的API，如捕獲側(cè)(capture side)上的 Video for Linux Two(V4L2)API與通用FBDev API等，能夠簡化從PC開發(fā)環(huán)境向嵌入式SoC環(huán)境的升級。
?在無需使用任何匯編語言編程的情況下，可以以最佳方式實施硬件產(chǎn)品的計算資源，可以執(zhí)行各種復(fù)雜操作，包括優(yōu)化使用DSP資源和基于硬件的加速引擎，通過信號鏈模式使用增強型直接存儲器存取外設(shè)以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，并通過中斷和小片任務(wù)模式（Interrupt vs.Tasklet）中的分組處理來靈活滿足不同應(yīng)用要求等。
總之，新型設(shè)計方法使開發(fā)人員能夠通過API實現(xiàn)全面的視頻功能，而不必考慮視頻處理的細節(jié)問題?？奢p松對視頻處理的低級別細節(jié)進行修改，以滿足編解碼器或硬件更改的要求，而毋需更改上層應(yīng)用代碼。這種方案消除了對 DSP進行編程的麻煩，使開發(fā)團隊能將大部分精力集中于應(yīng)用本身的開發(fā)上。此外，新方案還有助于以更低的成本大幅縮短集成領(lǐng)先視頻功能的產(chǎn)品的上市時間，同時減少未來產(chǎn)品維護與升級所需的時間和成本。