基于ＡＤＳＰ－ＢＦ５６１的Ｈ．２６４编码器设计

王庆辉　高　颖

摘 要：依据 H.264 视频编码标准，在DSP上完成视频编码器的设计工作，以实现高质量视频流的实时传输。编码器硬件平台选用 AD 公司的BF561开发板，图像采集采用OV7660，利用DMA技术以达到更高效的视频采集和数据格式转换。测试结果表明，在DSP上实现实时的H.264编码方案，并且满足高质量、低带宽传输的系统要求是完全可行的。

关键词：H.264;编码器;BF561;嵌入式系统

中图分类号：TN919.81文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)05-156-03

Design of H.264 Encoder Based on ADSP-BF561

WANG Qinghui,GAO Ying

(Shenyang Institute of Chemical Technology,Shenyang,110142,China)

Abstract：According to the H.264 recommendation,a video encoder is designed to implement high quality video flow transfer based on AD DSP.Hardware platform of the encoder is an image processing equipment based on DSP (BF561) and video capture uses OV7660.Video capture and data format transformation become easier when DMA is used.The result shows that it is possible to implement a real-time video encoder conformed to the H.264 standard on a single BF561 with high quality and low bandwidth.

Keywords：H.264;encoder;BF561;embedded system

0 引 言

互联网的带宽越来越大，基于互联网的信息特别是声音图像实时数据的传输已经成为可能。视频和音频数据的传输正好充分利用了互联网带宽，并达到了实时交流以及进行远程开会的可能。视频会议系统相比传统的电话会议更充分利用了互联网资源，从而降低了运营成本。

视频编码器是视频会议系统的主要构成部分。目前视频压缩标准有H.261、H.263、MPEG4和H.264等［1］。新一代视频编码标准H.264与以往标准相比具有压缩率高，网络亲和性好，视频质量优越等优点。H.264引入了许多当前视频编码中的新技术［2］，使得在相同的重建图像质量下，编码效率比H.263和MPEG-4高50%左右。因此，视频编码器设计中采用了H.264编码标准,编码器主要通过美国AD公司的BF561 DSP 芯片实现。目前，视频处理方案也已经由前几年的ASIC方案转向DSP平台。在DSP平台上进行视频产品开发有以下几方面的优势：第一，用户开发自由度更大，支持多种个性化开发，可以适应市场不断提出的新要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力；第二，DSP处理能力强，可以在一个DSP上同时实现多路音、视频信号的压缩处理；第三，开发周期短，能实现快速技术更新和产品换代，各种新出现的快速及优化算法可灵活进行升级。

1 BF561介绍

BF561采用了对称双核的架构，在一颗BF561芯片内部集成了2个BF533 DSP内核，2个内核主频都可以高达600 MHz，支持并行处理［3］。BF561处理器的特性保证了其强大的数字信号处理能力，并且支持低电压低电流供电，能够满足多功能的数字消费类产品对于性能、功耗方面的要求。

1.1 DMA介绍

Blackfin处理器用直接存储器访问(DMA)在存储器之间或存储器与外设之间传送数据。DMA控制器可在存储器和片上外设(外设DMA)之间进行数据传送，以及在L1/L2/L3存储器间进行数据传送(存储器DMA或MDMA)。DMA控制器是Blackfin处理器架构中的重要组件，完全独立于内核，不会进行周期挪用，完全无需占用处理器内核周期。在理想的应用配置中，内核只需要设置DMA控制器，并在数据调用过程中响应中断。

BF561有3个独立的DMA控制器DMA1，DMA2和IMDMA。DMA1和DMA2控制器各有12个外设DMA通道和4个存储器DMA通道。IMDMA控制器有4个存储器DMA通道。

1.2 基于描述符的DMA

基于描述符的DMA传送需要存储于存储器中的参数来初始化一个DMA队列。描述符包括所有需对DMA控制寄存器正常编程的参数。描述符允许把多个DMA队列链接在一起。在基于描述符的DMA操作中，可以对一个DMA通道编程，以便在当前传送队列完成后，自动设置和启动其他DMA传送过程。在管理一个系统的DMA传送过程时，基于描述符的模型能提供最大的灵活性。

描述符列表模型分为描述符列表“小”模式和描述符列表“大”模式。在描述符列表“小”模式中，描述段包括一个16位字段，用以指向下一描述符入口地址的低16位，地址的高16位通过寄存器编程得到且保持不变，限制描述符在存储器的一个特定64 KB大小的页中。当描述符需要跨页时，可用能提供32位入口地址的描述符列表“大”模式。

2 H.264视频编码器构成

H.264编码器由视频采集、数据格式转换、H.264编码3部分组成。视频采集部分负责捕获图像，并且将捕获到的图像通过PPI接口填充到指定的视频帧缓冲区中。数据格式转换部分完成将输入的4∶2∶2格式的图像转换成H.264编码器能够编码的4∶2∶0格式的数据。H.264编码部分负责对4∶2∶0格式图像编码［4］。

在本视频编码器设计中，BF561 A核用于运行操作系统和协议栈，而H.264算法在B核实现。

2.1 视频采集

视频采集是由摄像头OV7660完成，OV7660是美国 OmniVision 公司开发的一款CMOS彩色图像传感器芯片［5］，支持 VGA，QVGA，CIF等多种分辨率。视频输出格式有Raw RGB，GRB 4∶2∶2 和YUV/YCbCr(4∶2∶2)。在本设计中，选择CIF YVYU(4∶2∶2)格式，需要设置其相应寄存器COM1=0X00，CLKRC=0X80，COM7=0X30，TSLB=0X05。

摄像头配置完后，打开PPI0将视频数据填充到Blackfin处理器的视频帧缓冲区中。采用基于描述符的PPI DMA可以很容易的实现乒乓缓冲［6］，从而确保不会覆盖尚未处理完毕的输入数据。

乒乓缓冲的原理如图1所示。

设置两个CIF 4∶2∶2帧大小的输入缓冲区，首先输入数据通过PPI接口填充到4∶2∶2视频帧1中，当第一帧数据填充满时，处理器对这帧数据进行MDMA搬移和压缩编码等操作，与此同时，PPI继续填充第二个视频帧。当第二个视频帧填充满时，处理器处理第二个视频帧同时填充第一个视频帧。利用乒乓缓冲，数据将源源不断地填充到两个视频帧中。

2.2 数据格式转换

视频采集到的图像是交织的4∶2∶2格式的YUV视频数据，而H.264视频编码算法对4∶2∶0格式的视频数据进行压缩。4∶2∶0格式数据的亮度值缓冲区和色度值缓冲区是分离的，利用MDMA搬移，可以实现亮度缓冲区和色度缓冲区的分离［7］。

CIF YVYU(4∶2∶2)格式数据如表1所示，CIF 4∶2∶0格式数据如表2所示。4∶2∶2格式图像一个宏像素中有4个Y分量，2个U分量和2个V分量［8］。4∶2∶0格式图像一个宏像素中有4个Y分量，1个U分量和1个V分量。Y，U和V的存储区是分开的，Y在前，然后是U，最后是V。

把4∶2∶2格式转换成4∶2∶0格式，要保留所有的Y，并取第0，2，4，……行的U和第1，3，5……行的V。采用基于描述符列表“大”模式的MDMA，需要三对描述符source_y, dest_y，source_u，dest_u, source_v,dest_v，形成源和目的两个描述符链表，进行Y，U和V的从交织的4∶2∶2格式的源数据区到Y，U和V分离的目的数据区的搬移。

当一帧CIF 4∶2∶2格式数据通过PPI填充到一个Blackfin处理器的视频帧缓冲区中，产生中断，在中断处理子程序中启动MDMA，分离亮度值和色度值，然后交给H.264编码器进行编码。

2.3 H.264编码

等待产生一帧4∶2∶0格式数据后，对这一帧数据执行H.264编码，之后继续等待4∶2∶0格式数据的产生，直至编码结束。

3 实验结果与分析

实验中，H.264编码器对摄像头采集到的图像编码，并将压缩码流以文件的形式保存在本地存储器中。编码结束后，用H.264的解码器对压缩码流解码，用YUVviewerPlus.exe播放解码后的视频文件。

实验中，编码器可达到每秒钟编码15帧图像的速度。解码后的图像清晰度与在VisualDsp++5.0［9］中用Image Viewer查看的相比，图像质量基本相同，图像很清晰。OV7660采集图像的速度是每秒钟30帧，H.264编码器没有达到实时编码。

实验中，基于BF561的H.264编码器没有达到实时编码的原因是没有对H.264开源代码优化。由于CIF格式图像数据比较大，需要存储在外部存储器中，处理器访问外部存储器时间比较长；DCT和运动估计算法函数比较耗时，用C语言实现；程序中有一些辅助函数和打印信息等，从而影响了编码器的速度［10］。

4 结 语

基于BF561的H.264编码器没有达到实时编码。未来的工作重点是利用VisualDSP++开发环境的C编译器，进行代码优化；充分利用内部存储空间资源和尽可能通过DMA、高速缓存等减少存储分配带来的片内外数据调度对系统性能的影响；对一些系统调用比较频繁、耗时较多的模块，如DCT和运动估计等，充分利用BF561的指令集，用汇编语言实现；去掉源程序中不必要的辅助函数和打印信息，以实现基于BF561的H.264编码器实时编码。

随着消费类电子产品进一步进入普通家庭，应用H.264标准的视频会议、可视电话以及无人监控系统等也将会得到越来越广泛的应用。

参考文献

［1］Analog Devices Inc..ADSP-BF561 Blackfin Processor Hardware Reference［EB/OL］.Revision 1.1,2007.

［2］ITU-T REC.H.264|ISO/IEC 14496-10 AVC,Draft ITU-T Recommendation and Final Draft International Standard of Joint Video Specification［S］.Thailand:The 7th Meeting:Pattaya,2003,72:7-14.

［3］H.264/MPEG-4 Part 10 White Paper.http://www.vcodex.com.

［4］毕厚杰.新一代视频压缩编码标准H.264/AVC［M］.北京:人民邮电出版社,2005.

［5］OV7660/OV7161 CMOS VGA (640x480) CameraChip?Implementation Guide［Z］.Rev.1,2004.

［6］ 凯茨.嵌入式媒体处理［M］.殷福亮,陈喆,景源,译.北京:电子工业出版社,2007.

［7］Analog Devices Inc.Video Framework Considerations for Image Processing on Blackfin Processors (EE-276) ［Z］.Rev.1,2005.

［8］刘峰.视频图像编码技术及国际标准［M］.北京:北京邮电大学出版社,2005.

［9］Analog Devices,Inc.VisualDsp++5.0 Device Drivers and System Services Manual for Blackfin Processors［Z］.Revision 3.0,2007.

［10］苏辉,孔德佳,余松煜.基于ADSP-BF533的实时图像编码关键技术［J］.计算机工程与应用,2005(4):88-90.

作者简介

王庆辉 男，1972年出生，沈阳化工学院副教授，博士。主要研究方向为多媒体通信。

高 颖 女，1978年出生，辽宁沈阳人，硕士研究生。主要研究方向为视频数据压缩算法和DSP实现。