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一个基于DSP平台的无线视频压缩 帕特里克墨菲，维奈巴拉德瓦杰，埃里克威尔士，J.帕特里 克弗朗兹 （莱斯大学电气工程和计算机系，休斯顿 77005） {murphpo, vickyvin, welsh, jpfrantz}rice.edu 摘要随着无线语音市场的指数性增长，无线视频服务的需求很快跟进。然而，在硬件、 软件和算法设计通信系统中，带宽有限的无线通道，再加上流动性问题，构成一个巨大的 挑战。 但是，由于其时间和空间的冗余带宽应用，原始的视频传输是一种高带宽应用。因此在无 线渠道上的有效视频通信需要智能视频编码和保护方案。此外，实时视频的性质，需要高 性能的硬件和高效的软件。 本文介绍了模块化和标准的独立基于DSP的测试平台（帕拉丁）设计，运用在低带宽 通道的实时视频通信系统。特别是，我们实现了实时传输MPEG-4视频和通过蓝牙无线标准 传输JPEG2000静止图像。这种目标的实现有许多潜在的应用。实验设计了试验平台来探索 实时无线视频传输的可能性，要求和挑战。基于两个DSP平台上的源，实验实施了MPEG-4 和JPEG2000来源编码，即德州仪器（TI）TMS320C6211，以及TI TMS3206416。 1 简介 数字多媒体产业在过去几年已经经历了巨大的的增长。现在每一台 PC 都配置有媒体 播放器程序或互联网浏览器插件来查看视频流。此外，已成为通信设备的 PC 和 PDA，目 前的趋势是朝着支持无线连接和集成无线硬件的方向发展。基于在近期内实现广泛的无线 数据连接的可能性，必须寻求一种方法，通过无线连接来结合音频和视频从而起作用。 然而，内容丰富的多媒体数据传输通常需要高带宽，而高宽带并非在任何情况下可用。 本文介绍了一个自定义的硬件数字设计信号处理器（DSP）系统，名为圣骑士，它可以发 送和接收的实时视频，以及在低带宽通道上压缩静止图像。圣骑士使用蓝牙这一新兴的短 距离无线通信标准，作为无线链路[1]。帕拉丁 DSP/蓝牙解决方案，对于各种无线视频应用将是一个催化剂。例如，圣骑士将 允许在家中或者办公室等任何地方通过蓝牙连接实现实时视频无线传输。新兴的应用包括 无线视频检查、监测安全及卫生保健等。在多嘈杂，信号差的无线信道下的视频传输是基础研究的一种挑战。新兴视频标准编 码和无线物理层提供了互操作性而且产生的结果令人满意，但还远远不是最佳的解决方案。因此，圣骑士的设计仍然受研究平台需求的驱动，即基于现行标准来实现基准方面的新算 法这样一种需求。软件部分的测试平台应在真正的硬件上运行，如许多消费者的移动电子 设备上的硬件。运行过程强调有必要技术支持，来解决设计嵌入式系统时出现的问题。基 于上述思路，提出了系统架构的组成组件，如图 1所示。 本文的其余部分按一下方式组织写作第二节为本系统的概述，第三节介绍了硬件设 计，第四节介绍所使用的软件，第五节列出了一些将要用到的增强测试平台的方式，第六 节进行总结。 图1 圣骑士系统结构 2 系统概述我们设计的系统是一种半双工的视频传输系统。由于其固有算法的复杂性，因此视频 编码需要更高的计算要求，使得这一任务也更加有趣。正因为如此，目前仅实现了定制硬 件源编码。编码工作由德州仪器TMSC6x数字信号处理器（DSP）与其他一些视频采集和无 线传输的定制硬件完成。编码完成后，视频数据通过蓝牙，这种新兴的短距离无线通信标准发送到解码器。蓝 牙连接提供了一个低数据速率链路，它的数据速率接近于新兴的3G和4G无线系统。 视频流解码过程可由任何带有蓝牙功能的Windows笔记本电脑或支持蓝牙的PocketPC 设备操作完成。 3 硬件设计实验中的自定义硬件的设计灵感来自于德州仪器成像开发工具包（IDK） 1 ，它也用在 一些最初的软件设计过程中。 IDK是一个很好的开发环境，但是，它必须与NTSC和PAL 信号固定搭配工作，这种信号来源于带有模拟输出的外部成像系统。我们希望硬件设计能 够完成嵌入式解决方案并且是针对图像尺寸CIF（320240像素） ，QCIF（176144像素） 的。此外，还需整合蓝牙硬件。基于以上原因，我们选择了以发展我们自己的定制硬件， 硬件包括对所有的元素进行图像采集，处理和无线传输。 图 2是实验中自定义硬件的框图。完成硬件如图3所示。圣骑士硬件采用模块化和多 平图2 硬件框图 图3 硬件完成实物图 台设计。为了降低成本，实验采用德州仪器DSP入门套件（DSK） ，并建立一个符合TI的 TMS320系列跨平台子卡规范子卡的定制硬件[2]。定制硬件可以在任何指定的TI DSK上运 行。原硬件的设计是与TI TMS320C6211或者TMS320C6711 DSK 2 共同工作，最近已经更新 运作，即与新发布的C64x DSP一代和TMS320C6416测试和评估平台（TEB）. 3C64x代提 供了比C62x器生成的DSP好得多的性能。表一呈现了在发展测试平台时进行的DSP之间的 比较。应当指出，给出C5509是为了进行比较，因为我们尚未基于这种芯片重新设计测试 平台。然而，这一计划将期望在日后执行，它包括在表中突出呈现的在完成这种处理器的 视频算法时所面临的挑战。 表一 德州仪器DSP之间的比较 1 TI 部分号码TMDX320026711 2 TI 部分号码TMDS320026211和TMDS320006711 3 TI 部分号码TMDX3260C6416 4 C5509没有任何片上高速缓存，只有大量片上SRAM，大致相当于一个L1或L2缓存。通过DSP的外部存储器接口（EMIF） ，以及几个DSP的外设（如串行端口）完成所有子 卡和DSP之间的接口后， 数据流的相机开始运行，这是一个OVT6620100Kpixel，OmniVision技术的1/4英寸CMOS成像。这种颜色的CMOS图像传感器 支持CIF和QCIF图像格式等多种输出格式，如数字数据、CCIR601/656、YUV422以及原 始的RGB。该相机是通过I 2 C接口的完全软件配置。选择这种成像方式的原因之一是它包 含的内部电路在执行前输出数据预处理（比如色彩插值，白平衡和色彩校正） 。热像仪本身 安装在一个小于1in 2 （6.45cm 2 ）的单独电路板上，它可以被固定在PCB边缘或通过一个灵 活的电缆连接，这样就可以更好地在实验中进行摄像头的定位。相机通过单向异步先入先出（FIFO）存储器连接到DSPs EMIF。 FIFO允许相机不断地 输出图像数据，而无需考虑DSP的位置，这也减少了DSP监控摄像头状态的任何需要。相 反，只有当足够像素数是准备转移到DSP自己的记忆中时才会由子卡产生中断。此中断是 由DMA引擎，而不是DSP本身产生的。子卡的核心微处理器是由Axis通信设计的ETRAX100LX。在ETRAX100LX是一个32位 的100 MIPS RISC处理器，专门为嵌入式通信系统设计。选择这种处理器主要由于以下几 个因素首先，在ETRAX100LX运行一个完整版本的Linux操作系统，它能够在标准PC上 进行编写和测试应用，是一个巨大的优势，然后编码可