（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的水下视频压缩编码系统研究.pdf

，j 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 学位论文完成日期：己! 乜：兰：圣 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 部f 习 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼! 麴遗查墓丝置噩缱型 直明笪! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：曼t 瞧破且签字日期：2 。? 。年月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 刘侄旭 导师签字： 签字日期：沙7 d 年5 f l 占日 签字日期：z o o 年月宇日 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 摘要 目前，随着人类认识海洋能力的提高以及开发海洋资源的迫切需求，深海探 测与作业技术已经成为海洋开发研究的重要领域之一。在深海观测作业中，目前 最常用的方法是基于水下机器人( r o v s a u v s ) 的视频图像观测。视频图像观测是 最直接、最形象、最有效的深海近距离观测方法。为了克服水声信道传输速率的 限制，水下机器人必须装配高效的水下视频压缩编码系统，该系统可以对采集的 海量水下视频，针对水下图像的特点，进行高效、快速压缩与编码，以满足实时 性的要求。为此，本文使用高效的水下视频压缩编码算法，根据嵌入式系统的特 点，设计出稳定可靠的水下视频编码系统，主要完成的研究工作包括如下两个部 分： ( 1 ) 水下视频压缩编码硬件系统的设计。为了既保证压缩编码处理的实时 性，又确保编码硬件系统的稳定性和扩展性等，该系统采用基于d s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 与f p g a ( c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 ) 相结合的硬件架构，d s p 负 责算法程序的执行、驱动程序的控制、软件线程的调度等，f p g a 通过灵活的 扩展接口，负责硬件系统与外部电路系统( 如水声通信模块、硬盘、s d 卡) 的 通信；视频处理模块作为硬件系统的核心，包括d s p 片上视频口外设、视频解 码器t v p 5 1 5 0 a m l ( 负责复合视频信号输入) 、视频编码器s a a 7 1 2 1 h ( 负责复 合视频信号输出) 以及视频d a ca d v 7 1 2 3 ( 负责v g a 信号输出) 。 ( 2 ) 水下视频压缩编码系统驱动程序开发、算法移植以及优化。基于 d s p b i o s 实时操作系统，设计了系统程序总体框架，其中包括硬件中断( h w i ) 线程、任务调度( t s k ) 线程，以及后台管理( i d l ) 线程；根据t m s 3 2 0 d m 6 4 2 d s p 视频口的特点，改进了视频1 2 1 的通用驱动程序；使用v e r i l o g 硬件描述语言 设计了f p g a 硬件逻辑，从而实现了d s p 与水声通信模块连接；d s p 可以通过 f p g a 硬件逻辑控制看门狗定时器，当系统软件运行异常时复位芯片可使系统进 行复位；将基于v c + + 6 0 平台开发的水下视频压缩编码软件系统移植到d s p 嵌 入式平台，并综合运用了各种d s p 优化技术，如编译选项、内联函数、循环展 开、线性汇编等，优化后算法平均编码时间仅为优化前的3 0 ，显著提高了算法 的实时性。 实验结果表明：该水下视频编码硬件系统对一般海底视频图像，分辨率为 q c i f ( 1 7 6 1 4 4 ) ，平均压缩比可以达到2 5 0 ：1 5 0 0 ：1 ，平均帧率达到8 帧秒。 本课题研究是水下机器人视频观测的关键技术之一，对深海探测与开发具有 重要研究价值和广阔应用前景。 关键词：d s p ；甚低比特编码；水下视频；嵌入式系统 s t u d yo nd s p - b a s e du n d e r w a t e r v i d e oc o d i n gs y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fh u m a na b i l i t yt oe x p l o r et h es e aa n dt h e u r g e n tn e e df o rt h ed e v e l o p m e n to fm a r i n er e s o u r c e s ，d e e p s e ae x p l o r a t i o na n d o p e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nt h ef i e l do fm a r i n er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i nd e e p s e ae x p l o r a t i o na n do p e r a t i o n ，t h em o s tc o m m o n l yu s e dm e t h o d i sv i d e oa n di m a g eo b s e r v a t i o nb a s e do nu n d e r w a t e rr o b o t s ( r o v s a u v s ) v i d e o a n di m a g eo b s e r v a t i o ni st h em o s td i r e c t ，v i v i da n de f f e c t i v em e t h o df o rd e e p s e a c l o s eo b s e r v a t i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h el i m i to ft r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hi nt h e u n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，u n d e r w a t e rr o b o t sh a v et o e q u i pw i t he 衢c i e n t u n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gs y s t e m t h es y s t e mc a nc a p t u r em a s s i v eu n d e r w a t e rv i d e o ， p r o c e s se f f i c i e n t f a s t c o m p r e s s i o na n dc o d i n gb a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r w a t e ri m a g et om e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e m s t h i st h e s i se m p l o y sa h i g h l ye 砺c i e n tu n d e r w a t e r c o d i n ga l g o r i t h m ，a n dd e s i g n sas t a b l ea n dr e l i a b l eu n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gs y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gt w op a r t s ： ( 1 ) t h ed e s i g no ft h eu n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gh a r d w a r es y s t e m i no r d e rt o e n s u r en o to n l yt h er e a l t i m ec o d i n g ，b u ta l s ot h es t a b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n de t c o ft h e s y s t e me n c o d i n gh a r d w a r e ，t h es y s t e mi sb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r l na r c h i t e c t u r e o ft h ec o m b i n a t i o no fd s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) a n df p g a ( c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 ) t h e d s pi sr e s p o n s i b l ef o re x e c u t i o no fa l g o r i t h m ，c o n t r o lo fd r i v e rp r o g r a m s ，s c h e d u l i n g o fs o f t w a r et h r e a d sa n ds oo n t h ef p g ai sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ee x t e r n a lc i r c u i t r y ( s u c ha sa c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，h a r dd i s k ，s dc a r d ) t h r o u g haf l e x i b l ee x p a n s i o ni n t e r f a c e a st h ec o r eo ft h e s y s t e m ，v i d e op r o c e s s i n g m o d u l ec o n s i s t so fv i d e od e c o d e rt v p 515 0 a m l ( r e s p o n s i b l e f o r c o m p o s i t e v i d e o s i g n a li n p u t ) v i d e o e n c o d e rs a a 7121h ( r e s p o n s i b l e f o r c o m p o s i t e v i d e o s i g n a lo u t p u t ) a n dv i d e od a ca d v 7 12 3 ( r e s p o n s i b l ef o rv g as i g n a lo u t p u t ) ( 2 ) d r i v e rd e v e l o p m e n t ，a l g o r i t h m t r a n s p l a n t i n g ，a n do p t i m i z a t i o n o ft h e u n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gs y s t e m b a s e do nd s p b 1 0 sr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m d e s i g na p p l i c a t i o no v e r a l lf r a m e w o r k ，w h i c hc o n s i s t so fh a r d w a r ei n t e r r u p t ( h w i ) ， t a s k ( t s k ) a n db a c k g r o u n di d i et h r e a d ( i d l ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t m $ 3 2 0 d m 6 4 2d s pv i d e op o r tp e r i p h e r a l c o m m o nd s pv i d e o1 9 0 r tp e r i p h e r a l d r i v e ri sm o d i f i e d v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ei su s e dt od e s i g nf p g a h a r d w a r el o g i c ，w h i c hc o n n e c t sd s pa n du n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nm o d u l e w i t he a c ho t h e r , a n dd s pc o n t r o l s 也ew a t c h d o gt i m e rt h r o u g hf p g ah a r d w a r el o g i c w h e nt h es y s t e ms o f t w a r ee n c o u n t e r sa b n o r m a ls i t u a t i o n ，t h er e s e tc h i pr e i n i t i a l i z et h e s y s t e m t h eu n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gs o f t w a r es y s t e md e v e l o p e di nt h ev c + + 6 0 p l a t f o r mi st r a n s p l a n t e dt od s pe m b e d d e dp l a t f o r m ，a n dv a r i o u sd s po p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e sa r ec o m p r e h e n s i v e l yu s e d ，s u c ha sc o m p i l e ro p t i o n s ，i n t r i n s i c s ，l o o pu n r o l l ， l i n e a ra s s e m b l ya n ds oo n a v e r a g ea l g o r i t h mc o d i n gt i m ea f t e ro p t i m i z a t i o ni so n l y a b o u t3 0 o ft h a tb e f o r eo p t i m i z a t i o n w h i c hr e m a r k a b l yi m p r o v e st h er e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eu n d e r w a t e rv i d e oc o d i n gs y s t e mc a na c h i e v ea c o m p r e s s i o nr a t i oo f2 5 0 ：1 - 5 0 0 ：1a sf o rc o m m o ns e a b e dv i d e oo fq c i ff17 6 14 4 ) r e s o l u t i o na tt h ea v e r a g ef r a m er a t eo f8 f p sw i t ha c o u s t i ct r a n s m i s s i o n ，a n dc a ns t a b l y p r o c e s su n d e r w a t e rv i d e oc o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o no fh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o t h i sr e s e a r c hp r o j e c ti so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fu n d e r w a t e rr o b o t s a n dh a sa l l i m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o rd e e p s e ae x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n t k e yw o r d ：d s p , v e r y - l o w - b i t r a t ec o d i n g ，u n d e r w a t e rv i d e o ，e m b e d d e ds y s t e m 目录 绪 仑1 1 1研究的背景与意义1 1 2水下视频压缩编码系统的研究现状1 1 3课题来源2 1 4本文的主要工作及组织结构2 2 水下视频压缩编码系统硬件设计4 2 1引言4 2 2系统性能指标要求4 2 3系统的总体方案设计4 2 4系统的设计原则5 2 5硬件系统框图1o 2 6电路模块设计1 2 2 7系统存储器映射2 3 2 8 电路板p c b 设计规则一2 3 2 9系统图片及总装图2 5 3驱动程序设计以及实时系统配置2 7 3 1引言2 7 3 2t id s p 集成开发环境2 7 3 3d s p b i o s 实时操作系统3 0 3 3 1 d s p b i o s 概j 苤3 0 3 3 2 d s p b i o s 工具3 2 3 3 3d s p b i o s 线程调度3 4 3 4视频口外设驱动程序设计3 6 3 4 1d s p b i o s 驱动模型3 6 3 4 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 视频口驱动设计3 7 3 5实时系统框架设计3 9 3 6f p g a 开发环境介绍4 2 3 7f p g a 硬件逻辑设计4 2 4水下视频压缩算法的移植与优化4 4 4 1 引言4 4 4 2图像的小波变换4 4 4 2 1 小波变换4 4 4 2 2基于提升方案的小波变换4 4 4 2 3 图像信号的二维小波变换4 6 4 3水下视频压缩编码算法4 7 4 4代码移植4 9 4 5代码优化5 0 4 5 1编译选项一5 0 4 5 2循环展开51 4 5 3 内联函数和用线性汇编改写c 程序5 2 4 5 4 修饰符和# p r a g m a 指示5 3 4 5 5减少函数调用5 3 4 6实验结果及分析5 4 5全文总结与展望5 8 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 1绪论 1 1 研究的背景与意义 2 1 世纪是海洋世纪，是海洋经济可持续发展的时代，海洋不仅是自然资源 的宝库，也已成为科技强国运用高新技术的广阔天地。在世界许多国家积极向海 洋挺进，大力发展海洋技术特别是深海技术的今天，需要清醒地认识到深海大洋 对于一个国家的重要性，适时着力提高新世纪国家海洋战略，这些因素都有利的 推动了深海技术的快速发展。随着人类认识海洋能力的提高以及开发海洋资源的 迫切需求，深海探测与作业技术已经成为海洋开发研究的重要领域之一。目前， r o v 以及a u v 是深海探测与作业的主要工具。在深海观测作业中，目前最常用 的方法是基于水下机器人( r o v s a u v s ) 的视频图像观测。 视频图像观测是最直接、最形象、最有效的深海近距离观测方法。其原因是 视频图像含有丰富的细节和颜色信息，易于人工识别和理解。水下无线传输的唯 一途径是水声信道，但是水声信道窄，传输速率低。无论是研制无脐带电缆限制 的r o v s ，还是研制完全自治的a u v s ，都必须克服利用水声信道实时传送水下 视频图像的障碍。所以，如何克服水声信道传输速率的限制，将水下机器人获取 的海量视频信息实时传输到水面工作站，是实现深海观测作业的障碍之一。因此， 水下机器人必须装配高效的水下视频压缩编码系统，该系统可以对采集的海量水 下视频，针对水下视频的特点，进行高效压缩与编码，以满足传输带宽的要求。 为此，本文根据水下视频压缩编码算法和嵌入式系统的特点，设计出稳定可靠的 水下视频编码系统。 本研究是水下机器人视频探测的重要关键技术之一，具有重要研究价值和广 阔应用前景。 1 2 水下视频压缩编码系统的研究现状 水下视频压缩编码系统的运行目前商品化的水声m o d e m 可提供的数据传输 速率一般为几k b p s ，利用有限带宽的水声信道实时传输视频图像的关键技术为： 一是高效的视频图像压缩技术，二是高效的水声m o d e m 研制【1 1 。 当前流行的先进视频图像标准压缩方法( 如m p e g - 4 、h 2 6 4 等) 都无法有 效对水下视频图像进行高效压缩，以满足水声信道有限传输带宽的要求。因此， 为了更高效地对水下视频图像进行压缩，必须针对水下视频的成像特点，研究针 对性强的视频压缩算法。为了达到可接受的视频质量，一般要求最低帧速为l o 帧秒。如目前国内【2 j 【3 1 以及日本【4 j 、葡萄牙【5 】等早期研制的水下图像压缩传输系 统，采用的都是静态图像的压缩方法，一般采用j p e g 压缩方式，需要的支持的 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 信道传输速率在1 6 k b p s - - 3 0 k b p s 范围之内，因为没有考虑帧间的时间冗余，所 以压缩比不高，一帧图像一般需要几秒的时间来完成传输。 现在国外正在积极进行视频动态压缩编码方法的研究，如日本【6 】研制的水下 视频传输系统，水声信道的数据传输速率可达1 2 8 k b p s ，视频图像采用m p e g 4 方式压缩，帧速率达1 0 帧秒。文献【7 】提出了一种基于小波变换的视频压缩算法， 水声信道可支持的传输速率为2 0k b p s ，实现的帧传输速率为1 0 帧秒，每帧为 1 4 4 x1 7 6 像素的灰度图像。美国【8 j 研制的水下视频传输系统，压缩比达1 0 0 ：1 1 5 0 ：1 ，利用4 0k b p s 的传输速率，传输的帧速率可达1 5 帧秒，每帧为1 2 8 x1 2 8 像素的灰度图像。 从以上国内外的研究现状可以看出：在水下视频压缩传输方面，国内普遍基 于静态图像压缩编码方式，国外虽然使用了动态视频压缩编码方法，但使用通用 的m p e g 4 编码标准，没有出现针对水下视频图像特点开发的视频编码方法， 这方面还有待进一步开发。 1 3 课题来源 本课题来源于“十一五 国家高技术研究发展计戈u ( 8 6 3 计划) 海洋技术领域 深海探测与作业技术类项目，课题名称为“水下机器人视频图像高压缩比编码关 键技术”。 1 4 本文的主要工作及组织结构 本论文涉及的主要工作有： 1 、进行了水下视频压缩编码系统方案论证以及框架选择，最终确定了基于 d s p + f p g a 架构的系统框架以及d s p 主板+ f p g a 核心板的连结形式。设计了视 频输入电路、视频输出电路、s d r a m 电路、f l a s h 电路等功能齐全、扩展灵活 的硬件系统。 2 、基于d s p b i o s 实时操作系统，设计了包含硬件中断h w i 和任务t s k 多线程的程序框架，可以稳定可靠的与水声通信模块进行交互、通信，为水下视 频压缩算法的移植提供了良好的基础。 3 、视频压缩算法从v c + + 6 0 平台移植到d s p 嵌入式平台，综合运用多种 优化技术，很大程度上提高了算法的实时性，显著缩短了编码时间，达到项目性 能指标的要求。 全文共分五章，组织结构如下： 第一章绪论 主要介绍课题研究的背景及意义，国内外对水下视频压缩系统的研究进展， 2 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 目前存在的问题以及本文的主要研究工作。 第二章水下视频压缩编码系统硬件设计 详细介绍了水下视频压缩编码硬件系统的设计原则、硬件系统架构、功能模 块以及电路布线原则。 第三章驱动程序设计以及实时系统配置 介绍了如何在该硬件系统上设计视频、总线驱动程序，以及在d s p 的实时 操作系统中，进行初始化配置、线程调度、资源分配、软件系统框架和系统调试。 第四章视频压缩算法的移植与优化 首先简要介绍了视频压缩编码算法的流程以及达到的性能指标，然后介绍了 算法在嵌入式平台移植、优化的技术。同时列举了实验结果并进行分析。 第五章全文总结与展望 论文的最后对本文进行了总结，给出了本论文的主要结论和研究成果，并对 今后的研究工作提出了展望。 3 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 2 水下视频压缩编码系统硬件设计 2 1 引言 水下视频压缩编码系统包含硬件设计、水下视频压缩算法设计、嵌入式软件 系统设计以及系统装配。各个部分紧密联系，在整个研发周期中，最先进行的就 是系统硬件设计。这一部分是后续工作的基础，硬件系统的设计思路直接关系到 系统功能的实现，所以必须先确立系统的总体方案设计，充分考虑系统的功能性、 扩展性及稳定性，这样才能避免硬件系统设计失误或者不完善，降低硬件设计的 风险性。在总体方案设计确定后，需要把工作细化到各个电路模块的实现以及 p c b 布线，最后需要考虑的是系统装配。 本章首先从水下视频压缩编码系统的预期性能指标出发，分析了系统的总体 方案设计，详细说明了系统的设计原则，包括嵌入式系统架构的选择、处理器芯 片选型以及电路的扩展接口设计，之后具体介绍了各个电路模块、系统存储器映、 p c b 设计规则，并展示了水下视频压缩编码系统图片以及系统转配后图片。 2 2 系统性能指标要求 本文设计了完善、实用的水下视频压缩的软件算法和硬件系统。在图像重建 质量可以接受的前提下，高度压缩视频图像，以满足传输速率为1 6 k b p s 的要求。 具体技术指标为： 对于水下彩色视频图像，压缩比达到2 5 0 ：1 5 0 0 ：1 ，每秒平均可传输8 帧，每 帧为1 7 6 1 4 4 个像素。 2 3 系统的总体方案设计 依据课题性能指标以及实用性考虑，该水下视频压缩编码系统的总体功能包 括： 部署在水下进行视频采集； 实时实现甚低比特率的视频压缩编码算法； 编码产生的码流交付给水声通信模块进行传输； 具有照明功能； 为适应水下为提高自携带蓄电池续航能力的要求可以进行设置电源开 启或关闭； 具有灵活的扩展能力，具有丰富的接口。 所以，该编码系统应可以实时通过摄像头采集图像进行压缩编码，并与水声 4 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 通信模块协同工作，配备具有良好续航能力的蓄电池，调试通过后装配在密封良 好的防水罩中。系统的总体框图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统的总体框图 2 4 系统的设计原则 一、选择成熟稳定、灵活高效的嵌入式系统架构 目前，主流的嵌入式系统处理器包括d s p 、a r m 、f p g a 、m c u 等，各种 处理器各有所长，在科研、工程中得到了非常广泛的应用。下面就各种处理器的 特点分别进行介绍。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 称为数字信号处理器，具有强大的数据处理 能力以及很高的运行速度，其诞生即以高速数据处理为目的。应用领域包括信号 处理、数字视频、数字音频、电信等等，使用d s p 的产品包括手机的核心部分、 音频和视频播放器、数码摄像机、电信基础设施、电机控制系统、甚至生物辨识 安全设备等等。与通用处理器m c u 相比，d s p 更加适合于信号处理应用。d s p 提供了许多架构特性，有效减少了进行高效信号处理所需的指令数。换言之，比 较性能比计算指令数更加重要。例如，t i 的c 6 4 x 系列d s p 的v l i w 架构每 个周期时钟最多能够启动8 个操作。集成的专门计算引擎通过执行硬件中的复杂 函数提高性能。d s p 还通过提供性能、集成外设和片上存储器的平衡组合，针 对特定应用进行优化桫j 。 d s p 的应用领域主要包括：自动化控制领域( 如导航和定位、振动分析、磁 盘驱动、激光打印、机器人控制等) 、消费电力领域( 如智能玩具、扫描仪、机 顶盒、v c d d v d 、可视电话、传真机等) 、电子通信领域( 如蜂窝电话、i p 电 话、无线调制解调器、数字语音嵌入等) 、语音处理领域( 如语音综合、语音增 强、语音识别、语音编码等) 、图形图像领域( 如图形变换、图像压缩、图像传 输、图像增强、图像识别等) 、工业应用领域( 如数字控制、机器人技术、在线 监控等) 、仪器仪表领域( 如数字滤波器、函数发生器、瞬时分析仪、频谱分析 仪、数据采集仪器等) 、医疗器械领域( 如诊断设备、助听器、病情监控器、心 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 电图设备、超声设备等) l l0 。 d s p 的可编程灵活性让开发人员能在软件中执行复杂的算法。d s p 不但能 够支持视频编解码器以及使用简单的软件升级方便地处理不同的分辨率，它还能 实施新兴的编解码器和标准，因为它们不用硬件重新设计就能升级。如果低功率、 高性能、功能灵活性和上市时间是主要考虑因素，那么d s p 是绝佳选择。 a r m 具有非常灵活的可编程性。a r m 芯片大多把s d r a m 、l c d 等控制 器集成到芯片当中。a r m 处理器具有通过软件设计实现功能变化的灵活性，但 其硬件结构特性不能随时调整，即不能建立面向用户的可定制型或可重配置系 统。许多非信号处理应用，例如电子邮件、数据库管理和文字处理则不要求乘法 的扩展使用。a r m 处理器通常用于提供丰富的人机界面，可实现运行高级操作 系统( 如l i n u x 和w i n c e ) 的优势。为了发挥各自的最大优势，在视频、多媒 体和工业应用中，通用a r m 微处理器( 例如a r m 9 、c o r t e x a 8 ) 通常与d s p 结合使用。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可编程门阵列作为嵌入式处理 器，与前二者不同有所不同，需要配置嵌入式软核，如a l t e r a n i o si i 、x i l i n x m i c r o b l a z e 。现场可编程门阵y l j ( f p g a ) 是一种半导体器件，可以在制造完成后进 行编程。f p g a 硬件功能不是预先确定好的，而是支持您对产品特性和功能进行 编程，以适应新标准，即使产品已经在现场使用了，也可以针对某些应用重新配 置硬件因此，叫做“现场可编程”。您可以使用f p g a 来实现专用集成电路 ( a s i c ) 完成的任何逻辑功能，而且在产品发售后也能够对功能进行更新，在很多 应用中都具有一定优势。在f p g a 中可以构造更多地、有针对性地控制器，具有 更高的集成度和灵活性，这样就减少了外部硬件设备，降低了成本，简化了电路 开发的复杂度，同时也提高了其安全可靠性。f p g a 可以进行硬件和软件协同设 计，其可配置的特性，使得f p g a 构成的嵌入式系统灵活可调、易于修改、易于 测试及硬件升级。后来出现了f p g a c p l d 技术，系统的硬件设计出现了阶跃性 的转变，在p c b 板级的硬件电路设计完成后，开发人员可以在可编程逻辑器件 中进行部分硬件的二次开发。许多数字可描述的硬件逻辑可以在可编程逻辑器件 中完成，精简了主芯片的外围电路，减少硬件错误故障点，而且硬件电路上稍有 不如意的地方有可能通过可编程的方式进行修改补充，灵活性增强，极大的降低 了开发的风险，缩短了研制周期。 传统的系统设计步骤是：首先进行方案论证，确定硬件功能，选择合适的芯 片，设计p c b 电路板，加工线路板，焊接调试硬件，软件编程调试。软硬件的 开发基本上是分步执行的。这种设计方法要求硬件支持是与需要完全吻合的，软 件一般不能修补硬件设计遗漏或错误，稍有失误就可能导致整个系统设计的失 败。也正因此，会在开始的总体设计上花费较多时间，加上软硬件的分步开发， 6 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 使得整个开发周期非常漫长。 上述内容对主流的嵌入式系统处理器特点进行了介绍。在视频处理领域，主 流硬件系统架构包括d s p 架构，d s p + f p g a 架构，d s p + a r m 架构。d s p 架构 单纯依靠d s p 的高速运算能力进行数据处理，由于d s p 自身的总线及外设扩展 能力有限，该架构扩展性会受到制约，无法满足该课题对各方面应用的综合需求。 d s p + a r m 架构在消费电子类产品中得到了广泛的应用，德州仪器t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司推出了d s p 核以及a r m 核集成到单块芯片的芯片型号，如达 芬奇系列、o m a p 系列产品。在该课题中，f p g a 可以对引脚进行重新分配，故 相对于a r m 灵活很多，也可以对d s p 前端的视频信号进行预处理。综上，该 方案确定为d s p + f p g a 架构。通过以上比较，不难看出，本系统在硬件上选择 d s p + f p g a 架构，并选择基于d s p 的实时操作系统，是最为合适也是最具有发 展前景的。 二、处理器芯片选型 在系统架构确定后，就要进行处理器芯片的选型。功能强的芯片能够达到更 高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系统的精度和可靠性得到保证。通 过正确选用高性能的芯片，能提高统的可靠性，适应各种复杂度不同的软件功能 开发。 在数字视频领域，生产d s p 的公司主要包括德州仪器t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 、 a d i ( a n a l o gd e v i c e s ，i n c ) 、飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 等公司，其中t i 公司的视频处理 d s p 占据绝对的统治地位，其产品线广泛，驱动软件支持完善，提供了成熟稳定 的实时操作系统d s p b i o s ，参考设计较为丰富，故该方案选用，n 公司的d s p 芯片。t i 视频处理d s p 系列中，d s p 核( c o r e ) 包括c 6 4 x 、c 6 4 x + 、a r m 9 以及 a r m 9 + c 6 4 x + 四种类别，视频处理模块有常规( n o r m a l ) 、达芬奇( d a v i n c i ) 以 及高清达芬奇( h dd a v i n c i ) 四种类别。根据芯片命名可分为t m s 3 2 0 d m 6 4 x d s p 、1 m s 3 2 0 d m 3 xs o c 、t m s 3 2 0 d m 6 4 3 xd s p 、t m s 3 2 0 d m 6 4 4 xd s p 以及 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 xd s p 五个系列。 总结如表2 1 所示： 7 基于d s p 的水下视频压缩编码系统研究 表2 1t i 数字媒体处理器总结 c p uc o r ev i d e o p a j tn u m b e r c 6 4 x n o r m a lv i d e ot m $ 3 2 0 d m 6 4 xd s p ： t m s 3 2 0 d m 6 4 3 6 4 2 6 41 6 4 0 a r m 9 d a v i n c iv i d e ot m s 3 2 0 d m 3 xs o c ： t m $ 3 2 0 d m 3 6 5 3 5 5 3 3 5 c 6 4 x + d “i n c iv i d e ot m $ 3 2 0 d m 6 4 xd s p ： t m $ 3 2 0 d m 6 4 7 6 4 8 c 6 4 x +d a v i n c iv i d e o t m s 3 2 0 d m 6 4 3 xd s p ： t m $ 3 2 0 d m 6 4 3 7 6 4 35 6 4 3 3 6 4 31 c 6 4 x + ；a r m 9 d a v i n c iv i d e ot m $ 3 2 0 d m 6 4 4 xd s p ： t m $ 3 2 0 d m 6 4 4 6 6 4 4 3 6 4 41 c 6 4 x + ；a r m 9 h dd a v i n c iv i d e o t m $ 3 2 0 d m 6 4 6 xd s p ： t m $ 3 2 0 d m 6 4 6 7 删s 3 2 0 d m 6 4 6 7 t 综合考虑降低功耗、已有方案的成熟度，该方案选择具有c 6 4 x 核以及普通 视频模块的d s p _ 叫m s 3 2 0 d m 6 4 2 。 t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( d m 6 4 2 ) 是一款专门面向多媒体应用的专用 d s p ，采用c 6 4 x c 6 4 x + d s p 内核的d s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 采用c 6 4 x 内核) 是 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 中性能最高的定点d s p 。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 采用t i 的第 二代高性能超长指令字( v l i w ) 结构v e l o c i t i 2 。有4 8 0 m h z 、6 0 0 m h z 、7 2 0 m h z 三种规格，在本系统中选用频率为6 0 0 m h z 的d m 6 4 2 ，其指令周期( i n s t r u c t i o n c y c l et i m e ) 为1 6 7 n s ，具有4 8 0 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 的运算 性能。c 6 4 x 内核处理器具有6 4 个3 2 位通用寄存器和8 个独立的功能单元( 包 括2 个乘法器和6 个算术逻辑单元) l i 。 d m 6 4 2 使用基于二级缓存的架构，一级程序缓存( l i p ) 是1 2 8 k b i t 直接映 射，一级数据缓存( l i d ) 是