關鍵詞： MPEG , 解碼 , 嵌入式

介紹了一種嵌入式高圖像質量的MPEC-4視頻流解碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，采用硬解碼方式，把IDE接口設備或網絡端口輸入的MPEC-4視頻碼流(ES、PS和TS)轉換成PAL／NTSC制式的電視信號輸出。重點討論了系統(tǒng)控制和MPEG-4解碼部分的設計。
　
隨著通信和網絡技術的飛速發(fā)展，多媒體及其視頻流應用越來越廣泛，同時用戶也對視頻傳輸速率和圖像質量有更高的要求，MPEG-4標準適時地解決了多媒體壓縮存儲和傳輸的問題。但是目前多數播放器都是在PC機上運行，應用范圍受到很大限制。研究和開發(fā)一種嵌入式的MPEG-4解碼系統(tǒng)終端具有重要的現實意義和實用價值。

MPEG-4標準是由國際運動圖像專家組于2000年10月公布的一種面向多媒體應用的視頻壓縮標準。它采用了基于對象的壓縮編碼技術，在編碼前首先對視頻序列進行分析，從原始圖像中分割出各個視頻對象，然后再分別對每個視頻對象的形狀信息、運動信息、紋理信息單獨編碼，并通過比MPEG-2更優(yōu)的運動預測和運動補償來去除連續(xù)幀之間的時間冗余。其核心是基于內容的尺度可變性(Content-based scalability)，可以對圖像中各個對象分配優(yōu)先級，對比較重要的對象用高的空間和時間分辯率表示，對不甚重要的對象(如監(jiān)控系統(tǒng)的背景)以較低的分辯率表示，甚至不顯示。因此它具有自適應調配資源能力，可以實現高質量低速率的圖像通信和視頻傳輸。

MPEG-4以其高質量、低傳輸速率等優(yōu)點已經被廣泛應用到網絡多媒體、視頻會議和多媒體監(jiān)控等圖像傳輸系統(tǒng)中。目前國內外大部分成熟的MPEG-4應用均為基于PC層面的客戶端和服務器模式，應用在嵌入式系統(tǒng)上的并不多，且多數嵌入式MPEG-4解碼系統(tǒng)大多使用商業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)，如Windows CE、VxWorks等，成本高、靈活性差。如以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)不僅開發(fā)方便，且可以節(jié)約成本，并可以根據實際情況進行裁減，占用資源少、靈活性強，網絡性能好，適用范圍更廣。

下面詳細地介紹此嵌入式MPEG-4解碼系統(tǒng)的設計原理、硬件和軟件組成。

1 系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)設計包括硬件和軟件。硬件主要分控制系統(tǒng)、MPEG-4解碼系統(tǒng)、輸入數據源三部分。數據源可以是IDE接口設備(如硬盤)或網絡端口?？刂葡到y(tǒng)對系統(tǒng)各部分進行監(jiān)測和控制、完成數據流的傳輸等。如圖1所示，它主要由主控芯片、Flash和SRAM組成。主控芯片通過PCI總線控制系統(tǒng)其他模塊，是控制系統(tǒng)的核心；Flash里固化嵌入式Linux操作系統(tǒng)，存放應用軟件和備份數據；SDRAM作為內存供系統(tǒng)運行使用。MPEG-4硬件解碼系統(tǒng)采用硬解碼方式，負責將輸入的MPEG-4數據流解碼成普通的電視信號，其核心是解碼芯片。為解決數據流不穩(wěn)定的問題，解碼芯片通常使用SDRAM進行數據緩沖才可以保證正常解碼過程，解碼芯片的輸出數字音頻、視頻數據還要經數模轉換器(DAC)轉換成模擬電視圖像信號和聲音信號。解碼芯片通過I2C總線發(fā)送指令配置音、視頻數模轉換器。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

軟件主要包括嵌入式Linux移植、解碼驅動和應用程序編寫。嵌入式Linux移植到由主控芯片Flash控制器控制的Flash里，操作系統(tǒng)程序文件分成五個主要部分：bootloader、kernel、ramdisk、usr和boot_param，分別放在Flash內的五個模塊中。根據不同模塊的具體功能采用不同的文件方式：bootloader、kernel、ramdisk和boot param，開發(fā)好后不需要動態(tài)改變，且容量小，使用節(jié)省空間的ROMFS只讀文件系統(tǒng)，usr模塊內容較多并需要進行讀寫操作，要使用支持動態(tài)擦寫保存的JFFS文件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要分三部分：數據源接口設計、控制系統(tǒng)設計和解碼系統(tǒng)設計。數據流先要從數據源經數據源接口送至PCI總線，此系統(tǒng)數據源接口為PCI總線上的PCI／IDE橋芯片和網絡控制芯片。這部分采用通用的電路，本文不做詳細介紹。

2．1 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)調配系統(tǒng)資源、控制系統(tǒng)各個部分以及數據流的傳輸。主控芯片采用東芝公司的TMPR4925XB-200。它是一款64位MIPS，內部集成了NAND Flash控制器(FlashC)、32位PCI總線控制器(PCIC)、4通道DMA控制器、4通道SDRAM控制器(SDRAMC)、外部總線控制器(EBUSC)、外部總線接口(E-BUSI)以及2個通用串口等，并通過內部總線對它們分別進行控制。其工作主頻200MHz，處理速度快，功能強，性價比高，能很好滿足嵌入式Linux系統(tǒng)的需求。

MIPS通過內部的FlashC和SDRAMC實現對外圍Flash和SDRAM的控制，其中SDRAM的數據地址線要與外部總線控制接口(EBUSI)連接，Flash的數據地址線連接到對應的FlashC的數據地址端口。MIPS通過PCI總線控制器(PCIC)控制其他PCI接口設備，其控制原理圖如圖2所示。

2．2 MPEG-4解碼系統(tǒng)設計

解碼系統(tǒng)實現MPEG-4硬解碼，將PCI總線傳來的視頻碼流轉換成電視信號輸出。此部分關鍵是解碼芯片選擇及相關電路的設計。解碼芯片采用Vweb公司的VW2010 A／V／S編解碼芯片，它可以實現MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H．263的視頻編解碼，可以編恒速碼流或變速碼流，碼流速率為22．5kbps～15Mbps，編解碼能同時進行，可實現Codec、轉碼功能，還可以進行MP3、AAC、AC-3和G7xx等多種格式的音頻編解碼。

VW2010有PCI、GPIO、I2S和CDI等多種數據接口，解碼輸入端口有兩個：Host／PCI port和CDI(CompressData Input)port CDI port還分串行和八位并行兩種輸入方式。解碼原理圖如圖3所示。

MPEG-4視頻數據流送至VW2010后，由它內部的PCI接口(Host／PCI Interface)傳送到芯片內部的解復用模塊(Demux)；解復用輸出單節(jié)目視頻流再經過內部解碼總線和解碼存儲接口單元(DMIU)存儲在解碼緩沖區(qū)SDRAM中(SDRAM經DMIU連接到內部解碼總線上)；再由片內精簡指令集計算單元(RISC)、數字信號處理器(DSP)和VLD、IQ／IDCT、MCU、dCPU等專用微處理單元通過內部總線解碼；解碼后視頻、音頻數據分別由視頻輸出單元(VOU)、音頻輸出單元(AOU)輸出，視頻單元輸出8位數字Y、C-R、C-B三者比為4∶2∶2的ITU-R．BT．656格式的數據。音頻輸出單元通過I2S總線輸出數字音頻信號，兩者經過各自的數模轉換器(DAC)輸出模擬的電視信號。

音頻數模轉換芯片選用Philips公司的UDAl342TS音頻編解碼芯片，將I2S總線輸出的解碼后的數字音頻信號轉換成左右聲道音頻模擬信號輸出。視頻數模轉換芯片選用Philips公司的SAA7129AH數字視頻編碼器，解碼前要通過VW2010的I2C控制函數配置其寄存器。SAA7129AH將VW2010解碼輸出單元輸出的8位數字Y、C-B、C-R視頻數據變成PAL(NTSC)制式的混合電視廣播信號(CVBS)、適用S端子的Y、C信號或者R、G.、B三原色信號輸出以適應不同場合需要。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要分為嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核移植、VW2010、PCI橋芯片及網口等系統(tǒng)驅動程序編寫和解碼應用程序的編寫，其體系結構及與硬件的關系如圖4所示。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是用戶控制系統(tǒng)的硬件平臺，系統(tǒng)驅動程序采用模塊化形式，向上為用戶層的解碼應用程序提供API函數，向下通過系統(tǒng)硬件API函數控制系統(tǒng)硬件。VW2010驅動模塊采用實時加載方式，其他如網口、I2C和PCI／IDE接口等驅動通用性強，直接編譯入內核。解碼應用程序則實現系統(tǒng)MPEG-4數據流的傳輸和解碼。

Linux下的驅動開發(fā)技術已經發(fā)展成熟，嵌入式Linux內核的定制和移植也很普遍，本文不作詳細的闡述，主要介紹解碼應用程序。

以IDE硬盤文件解碼為例，解碼程序主要由兩部分組成：主程序和解碼線程程序。解碼線程程序主要控制MPEG-4數據流的傳輸，先從數據源(IDE接口硬盤)獲取MPEG-4數據流文件，再以塊的方式將數據傳送至W2010進行數據流的解碼，然后在檢測外部中斷信號同時不斷地把文件中的數據以塊的方式寫入VW2010，直到文件終止或者外部信號中斷解碼過程。解碼過程相對獨立。為便于其后臺用使用線程的方式實現，線程的級別要設為最高。主程序主要進行系統(tǒng)初始化工作，內容包括讀取解碼參數，配置SAA7129的寄存器，啟動并檢查MIPS，開啟VW2010并加載配置文件等。

如果數據源是從以太網端口輸入，修改相應的配置選項，把對硬盤文件的操作換成對IP數據包的操作，把數據包解成MPEG-4數據流文件，再寫入VW2010。

VW2010提供了十分齊全的API函數供使用，包括I2C配置、輸入輸出控制、解復用和解碼控制等，在VW2010的驅動模塊加載后可以在C＋＋語言里直接調用，極大方便了軟件程序的編寫。主程序流程圖如圖5所示。

本文介紹了一種嵌入式MPEG-4視頻流解碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用硬解碼方式實現IDE接口設備或網絡端口輸入的MPEG-4碼流(ES、PS和TS)轉換成PAL／NTSC制式的電視信號輸出。系統(tǒng)采用64位MIPS芯片TM-PR4925XB-200作為主控制器，以VW2010作為MPEG-4解碼芯片；采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)和模塊化的VW2010驅動程序，解碼應用程序簡單實用，可擴展性強。實驗證明此系統(tǒng)可穩(wěn)定地對比特率1Mbps～16Mbps的MPEG-4碼流進行解碼，在碼流比特率為2Mbps時，圖像的質量仍與普通DVD效果相似?？蓮V泛用于IP電視、衛(wèi)星電視、基于MPEG-4標準的數字電視廣播系統(tǒng)中，應用前景十分廣闊。