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(tái)，在DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.3中采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的DSP移植，并加入人機(jī)接口，使用DSP/BIOS調(diào)度多個(gè)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了從軟件平臺(tái)到硬件平臺(tái)的移植，成功搭建了一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，使用DSP平臺(tái)可以使得運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的實(shí)時(shí)性更好。
關(guān)鍵詞： H.264；運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法；數(shù)字信號(hào)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(shí)代、數(shù)字時(shí)代、多媒體時(shí)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(wú)論是存儲(chǔ)還是傳輸，數(shù)字視頻都必須經(jīng)過(guò)極大的壓縮才具有實(shí)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(yùn)算量為代價(jià)的，這其中運(yùn)動(dòng)估計(jì)就占了70%，因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的研究具有很大的實(shí)用價(jià)值。
　運(yùn)動(dòng)估計(jì)是視頻編碼中的一項(xiàng)核心技術(shù)， 能有效去除序列圖像的幀間冗余從而實(shí)現(xiàn)高效編碼。它利用在同一場(chǎng)景中相鄰兩幅圖像具有的時(shí)域相關(guān)性，在參考幀中搜索當(dāng)前塊的最佳匹配塊并計(jì)算兩塊的相對(duì)位移量，即運(yùn)動(dòng)矢量。當(dāng)前有很多經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(tái)上的移植，并加入人機(jī)接口，設(shè)計(jì)一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。
　基于DSP實(shí)現(xiàn)該算法有以下優(yōu)勢(shì)：（1）用戶開(kāi)發(fā)自由度更大，支持多種個(gè)性化開(kāi)發(fā)，可以滿足市場(chǎng)不斷提出的新的要求，在第一時(shí)間提升產(chǎn)品性能，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力；（2）DSP處理能力強(qiáng)，可以在一個(gè)DSP上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路音視頻信號(hào)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(kāi)發(fā)周期短，可實(shí)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(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的DSP應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　本文用SEED-DEC6437開(kāi)發(fā)板、攝像頭和液晶顯示器等搭建了硬件平臺(tái)，在其上實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的實(shí)時(shí)視頻的相鄰兩幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，在參考幀中找到最佳匹配塊并計(jì)算出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量，同時(shí)加入人機(jī)接口，通過(guò)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(gè)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(hào)，通過(guò)視頻解碼芯片TVP5150將模擬信號(hào)解碼成YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號(hào)[1]，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至DDR2，TMS320DM6437通過(guò)訪問(wèn)DDR2進(jìn)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(guò)程主要在于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，通過(guò)CCS3.3軟件中的Watch Window查看計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)矢量。
2 基于SEED-DEC6437視頻回路設(shè)計(jì)
　在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)之前，首先要在SEED-DEC6437開(kāi)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(kāi)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(hào)，也可以連接數(shù)字視頻輸入信號(hào)。
2.1 系統(tǒng)的視頻輸入模塊設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)視頻輸入是利用解碼芯片TVP5150將模擬信號(hào)解碼成YCbCr422格式的數(shù)字圖像信號(hào)，再送入TMS320DM6437進(jìn)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(hào)或NTSC制式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCbCr422格式的數(shù)字信號(hào)。TMS320DM6437與TVP5150的連接框圖如圖2所示，在SEED-DEC6437開(kāi)發(fā)板上接一路復(fù)合視頻輸入。

　TVP5150實(shí)時(shí)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(diǎn)是，每個(gè)像素點(diǎn)具有自己?jiǎn)为?dú)的亮度信息Y，但是每?jī)蓚€(gè)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(jì)
　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(shí)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(jì)過(guò)程中主要采用以composite復(fù)合信號(hào)的形式來(lái)進(jìn)行最終實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)估計(jì)算法設(shè)計(jì)
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(jìn)行編碼處理的，每個(gè)宏塊是以幀內(nèi)或幀間模式進(jìn)行編碼。Fn-1是指前面已解碼的多個(gè)參考幀，在幀間模式下，宏塊根據(jù)參考幀F(xiàn)n-1進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)ME（Motion Estimation）和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（Motion Compensation）得到預(yù)測(cè)值P，預(yù)測(cè)值與當(dāng)前幀F(xiàn)n得到殘差值，再對(duì)該殘差值進(jìn)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(guò)濾波得到的重構(gòu)圖像，它將被放入?yún)⒖紟鎯?chǔ)器作為下一幀或幾幀編碼的參考幀之一。其中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)是基礎(chǔ)，也是運(yùn)算量最大的部分。

3.2 運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的DSP移植
　運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(duì)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(duì)位置計(jì)算出運(yùn)動(dòng)位移，所得的運(yùn)動(dòng)位移即為當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)矢量。
　基于塊匹配的運(yùn)動(dòng)估計(jì)可以從塊的模式選擇、塊匹配準(zhǔn)則和搜索策略3個(gè)方面進(jìn)行研究。

　經(jīng)過(guò)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(yùn)動(dòng)矢量。本文對(duì)8×8的塊進(jìn)行搜索，第1步中步長(zhǎng)取4，第2步中步長(zhǎng)取2，第3步中步長(zhǎng)取1，搜索結(jié)果如圖6所示。其中，temp為一個(gè)含9個(gè)元素的一維數(shù)組，存放9個(gè)點(diǎn)的SAD值；mvx和mvy為SAD值最小點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)該坐標(biāo)可以計(jì)算出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。

　本文以SEED-DEC6437開(kāi)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(xiě)算法代碼，實(shí)現(xiàn)了基于DSP的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，取到了運(yùn)動(dòng)矢量。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活可控性和實(shí)時(shí)性，又成功加入了人機(jī)接口，成功實(shí)現(xiàn)了DSP/BIOS任務(wù)調(diào)度。
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