數字視頻在監控、無線視頻網關和數碼相機等方面有廣泛的應用,在所有這些應用中都需要很強的數據處理能力,DSP的應用將是促進數字視頻技術發展的關鍵。本文對數字視頻的應用進行了分類,并針對不同的應用對功耗、處理能力和便攜性等不同要求的DSP選擇提供建議和相關系統設計方案。

過去,由于帶寬和處理能力的限制,數字信號處理更多用在簡單的語音信號處理。隨著技術的發展,人們可利用的通信帶寬越來越寬,芯片處理能力更強,簡單的語音已不能滿足人們的需求,人們開始關注動態范圍更廣的音頻處理以及視頻處理,要求越來越多的視頻應用。

這些應用的共同點是它們都要求視頻和圖像的處理,這些處理可能是圖像質量的優化,如銳化和白平衡等,也可能是視頻和圖像的壓縮/解壓縮,如MPEG4,或者是不同壓縮制式之間的轉換,如與MPEG4等。這些處理都要求主處理芯片有較強的圖像視頻處理功能,但由于所有這些運算所針對的目標市場并不相同,它們對處理器的要求也不一樣。所以在對某種應用進行開發之前,必須了解該應用對處理芯片的要求,從而進行成功的器件選型。本文首先對這些應用進行分類,并提供以各種處理芯片為基礎的系統方案。

主要視頻應用及其分類

1. 視頻局端設備

最常見的局端設備是位于有線電視局端的視頻再復用器,它通常提供接入復用數字通道、插入本地內容(如廣告等)以及輸出客戶定制內容。

這幾項功能需要處理芯片完成視頻碼制轉換、視頻碼率轉換、音頻碼制轉換、音頻碼率轉換、前期/后期處理和數字節目插入。這些工作一方面由于在局端通道密度較高,所以要求芯片處理能力較強,但另一方面又由于編碼技術在不斷地發展,不斷會有新的標準出現,因而要求處理芯片具有較強的可編程性和可擴展性,產品具有較好的延續性。對芯片外圍接口的主要要求是高吞吐率。

2. 無線視頻網關

無線視頻網關是位于MSC內的一個局端交換系統,用于將任何制式的視頻內容轉成手機支持的格式,從而將這些內容在無線網絡上發送。它對處理芯片的要求與視頻局端設備相似,但是,由于無線網絡對環境的依賴比較強,不同連接的信道質量會有所不同,要求網關針對信道質量,將視頻內容轉換到該信道所支持的碼率上。相應地,對芯片的要求類似于局端設備,但性能要求更高。由于網關要與其它網絡(如分組交換網)接口,要求芯片的外圍接口支持如ATM或以太網等網絡總線,。

3. 機頂盒

這里的機頂盒是指在用戶端同步解碼、處理和播放幾條視頻、音頻和數據流的媒體集中播放器,有些機頂盒還支持對DVB或DVD其它MPEG數據流的編碼功能。在這些機頂盒中,芯片處理任務比較簡單,一般就是接受數據流然后解碼或編碼,但由于是進行流處理,并且多半是MPEG2質量的視頻流,所以需要處理能力較強。

4. IP視頻電話/視頻會議

IP視頻電話是將實時的多通道視頻集成到現有的IP語音電話中,視頻會議則在多點間實現視頻電話會議。目前這兩種應用多采用或MPEG4,芯片要完成這兩種制式的編解碼,同時完成圖像采集處理的任務,單芯片處理能力要求較強。

由于要進行視頻采集,接口要求支持視頻輸入,要實現TCP/IP協議則要求有以太網接口的輸出支持。

5. 數字視頻監控系統

數字視頻監控系統相對傳統視頻監控系統來說是一個顯著的飛躍,它增加了更多的智能特性,例如可以進行移動報警,通過圖像處理方法在監控區域發現移動物體就報警；數字化的視頻檔案更加便于管理,例如可以通過自動圖像分析方法來找到目的片斷,數字化信息通過網絡更便于傳輸。

數字視頻監控系統最主要的要求是可編程性,數字處理能力也是實現這些特點的保證。另外,視頻輸入和網絡接口也不可或缺。

6. 數字攝錄機/數碼相機

這兩個領域是消費類數字圖像的典型應用。一般,前者強調移動圖像的攝錄,后者追求靜止圖像的高質量。如果處理芯片的可編程性足夠強,這兩者完全可以兼顧,從而可以開發出平衡這兩方面需求的產品,既可以錄像又可以拍出高質量的照片。如果從成本考慮,可以用一套圖像處理方案開發不同的產品,減少開發的重復投資。

除了可編程性外,這兩種應用要求芯片具有低功耗特性,此外還要求對移動存儲的支持。

7. 個人數字視頻播放器/點播機

這類設備都是完成視頻解碼,前者更強調便攜性,而后者則強調豐富的節目源。在該應用中處理性能并不是第一位要考慮的因素,而整個系統的低能耗十分關鍵。另一方面,要求芯片的接口比較豐富以支持LCD顯示屏、CFC或其它存儲卡或硬盤接口。

上面這些視頻應用總體上可以分為兩大類:一類是高性能,要求多通道處理或多編碼制式,或追求高圖像質量,同時由于技術的不斷發展,它又需要較強的可編程性支持未來的技術發展；另一類是便攜應用,強調小型化、低功耗,并能支持多種移動存儲接口以及USB、1394或其它高速總線。

針對應用選擇合適的芯片

由于以上這些應用大致上可以分為高性能和便攜式兩類,因此應針對這些不同的應用選擇不同的芯片來實現最佳性能。

在高性能視頻應用中,通常數據運算量極大,如僅考慮這類圖像運算中最基本的離散余弦轉換運算(DCT),對于單通道30幀的VGA視頻,需要每秒大約6千萬次的乘加運算,這還僅是其中非常小的一部分。例如,對于上文提到的視頻局端設備,其設計挑戰在于多路多碼率以及多制式,因而要求片上內存要足夠大以放下多路數據和各種譯碼器,同時還需要與控制主機相連。圖1為采用TMS320C6415為核心的局端設備框圖,該芯片主頻可以達到720MHz,有8兆位的片上內存和PCI接口。類似的應用還有無線媒體網關。

對于客戶端設備的應用將有些差異,如IP視頻網絡電話,由于這類應用通常是單路的,因而不需要太大的片上內存,但它的接口卻要求很多。例如,此類設備一般都是直接接視頻輸入輸出,或從有線電視或攝像頭到LCD,同時要求接以太網。這里,我們就需要一個內存夠用,支持通用視頻標準如BT656,還帶有以太網接口的處理芯片。圖2為以TMS320M642為中心的IP視頻電話結構,該芯片帶三個視頻接口,支持BT656、百兆以太網接口、多路音頻串口和66MHz PCI,可支持四路D1圖像30幀的MPEG2實時壓縮。

相類似的高性能視頻應用還有機頂盒、數字視頻播放器/點播機和網絡相機/監控系統,它們都可以DM642為中心加上各自所需的硬件,形成不同的應用。這也最大程度上發揮了開發投資的價值,一套方案上的經驗可以為其它所有方案利用。

對于便攜設備的視頻應用,最典型的是數字攝錄機/數碼相機,除了共有的視頻圖像處理外,這類產品設計最大的考慮就是功耗。這些都是電池驅動的,因而能量消耗必須有所限制,必須選擇一款低功耗的處理器芯片。圖3為以DM310基礎的數碼相機系統方案,該芯片可以實現D1圖像(720×480)30幀每秒的實時MPEG4編解碼。

本文小結:

實際上上面這些應用都有一些共同點,因而如何實現產品的差異化設計是很多開發商的一個隱憂,是否不同的客戶用同一套芯片開發同一種應用會生產出同樣的產品呢？實際上,由于DSP具有充分的可編程性,完全可以實現產品設計的差異化。同時,為了更好地實現差異化,那些標準件如各種碼制的編解碼器,也可以同第三方獲得。利用市場現有的各種DSP完備成熟的開發環境,可以縮短開發周期,迅速占領市場。