DSP 在数字视频处理技术中的应用

数字摄录机/数码相机

这两领域是消费类数字图像的典型应用，一般来讲，前者强调移动图像的摄录，后者追求静止图像的高质量。如果处理芯片的可编程性足够强，这两者完全可以兼顾。这可以带来两个好处，第一，可以开发出平衡这两方面需求的产品，既可以录像又可以拍出高质量的照片；第二，考虑到成本的影响，仍然开发不同的产品，但可以共用一套图像处理方案，这样便减少了开发的重复投资。

除了可编程性，这两应用对芯片的要求就是低功耗，因为它们都是便携式的。其它的要求就是对移动存储的支持。

个人数字视频播放器_随身看/点播机

这类设备都是完成视频解码，前者更强调便携性而后者则强调节目源的丰富。

在这里处理性能并不是第一位要考虑的，整个系统的能耗显得更加关键。另一方面，要求芯片的接口比较丰富以支持LCD显示屏，CFC或其它存储卡，或者硬盘接口。

这些视频应用总体上可以分为两大类：一类是高性能，要求多通道处理或多编码制式，或追求高图像质量，同时由于技术的不断发展，它又需要较强的可编程性支持未来的技术发展；另一类是可便携应用，强调的是小型化，低功耗，支持多种移动存储接口以及USB, 1394或其它高速总线。

针对应用选择合适的芯片

上文已提到，这些应用大致上可以分为两类，高性能和可便携。TI针对这些市场都有相应的产品。

首先我们看一下高性能的应用。

高性能视频应用

在这类市场里，通常数据运算量极大，比如仅考虑这类图像运算中最基本的运算离散余弦转换（DCT），对于单通道30帧的VGA视频，它就需要每秒大约6千万次的乘加运算。这还仅是其中非常一小部分。

要完成这么艰巨的任务，我们就不得不看一看TI的单核性能最强的DSP核C64x，一个主频可以达到720MHz，峰值运算能力达到5760MIPS的32位DSP。除了这些无与伦比的主频和通用乘加性能，C64的核更增强了对8位和16位操作的支持，而图像领域绝大多数运算是在8位的基础上。例如，C64x增加了很多专用指令，如SUBABS4，同一机器周期里可同时完成四次减法和求绝对值， 还有诸如BITC4，AVGx，MPYHLx，DOTP2等等。这些增强使得运动补偿平均提升达七倍，而四重8位运算则使得每时钟周期运动估计的8x8最小绝对差(MAD)的计算能力提高到7.6倍。这些都使以C64x为核心的DSP成为高性能视频应用的选择。

我们来具体看一下，例如上文提到的视频局端设备，由于它是一局端设备，挑战在于多路多码率以及多制式，因而要求片上内存要大已放下足够的多路数据和各种译码器，同时也需要与控制主机相连。由此TMS320C6415就是一个不二的选择。它主频可以跑到720MHz，有8兆位的片上内存，有PCI接口。图一就是一个C6415为核心的局端设备框图。


图一，视频局端设备

相类似的应用还有无线媒体网关。

对于客户端设备，用TMS320C6415就不是那么合适了。例如IP视频网络电话，它通常是单路的，因而不需要太大的片上内存，但它的接口却要求很多。例如他们一般都是直接视频输入输出，或从有线电视或从摄像头到LCD，又要求接以太网。这里，我们就需要一个内存够用（因而便宜），支持通用视频标准如BT656，还带有以太网口的处理芯片TMS320DM642。

TMS320DM642是针对这类客户端市场的数字信号处理芯片，TI 出了一系列类似的处理芯片，成为数字媒体（Digital Media）处理器。DM642带有三个视频口，均可输入或输出，支持BT656，百兆以太网口，多路音频串口，66MHz PCI等等，可支持四路D1图像30帧的MPEG-2的实时压缩。以它为中心的IP视频电话结构非常简洁，如图二


图二IP视频电话方案

相类似的高性能视频应用还有机顶盒、数字视频播放器/点播机和网络相机/监控系统，它们都可以以DM642为中心将上各自特需的硬件，形成不同的应用。这也最大程度上发挥了开发投资的价值，一套方案上的经验可以为其它所有方案利用。

可便携设备的视频应用

这类设备中最典型的应用就是数字摄录机/数码相机，除了共有的视频图像处理外，它们最大的考虑就是功耗。这些都是电池驱动的，因而能量消耗必须有所限制。这种情况下C64x核的处理芯片就很不合适，如一颗C6415跑在600MHz时功耗超过1瓦。

幸好TI在功耗上很有研究，她的C5000是专门针对低功耗计算市场的，特别是C55x，创造了业界耗电最低纪录，0.22mW每MIPS！C55x功耗低，性能也不差，它具有双MAC双ALU结构，200MHz的主频可以达到400MIPS的处理能力！低功耗高性能使得C55x系列DSP成为便携式消费类电子的最佳选择。

对于我们今天谈到的视频图像应用更重要的是TI 有系列专门针对便携媒体市场的处理芯片。

TMS320DSC21/DSC25/DM270/DM310，这系列芯片的共同特点都是双核结构RISC的MCU核加上C5000的DSP核。运算主要有DSP完成，同时针对图像处理使用了硬件加速。所有这些芯片都有图像扩展协处理器iMX 和变长编解码协处理器VLCD，除了DSC21外都有量化反量化协处理器QIQ。其中iMX是多个并行乘加器来加速那些运算量极大的图像处理算法，例如DCT运算。VLCD是用来进行Huffman编解码的，它DSP从不停的跳转中解脱出来。QIQ则是进行量化和反量化，由于量化是执行除法运算，DSP没有专门的除法指令，只能用移位指令实现，相当耗资源。

有了这些协处理器，DM系列芯片的处理能力也向当地强，例如DM310可以实现D1图像（720x480）30帧每秒的实时MPEG-4编解码。


图三，数码相机

图三即为一个DM310为基础的系统。

芯片之外

看到这里，大家可以看到，这些应用都有一些共同点，也会自然而然地想到，不同的客户用同一套芯片开发同一种应用会不会造出同样的东西？这点勿须担心，DSP充分的可编程性是差异化的保证。同时为了更好地集中于差异化，那些标准件，如各种码制的编解码器，也可以同第三方获得。TI围绕DSP完备而成熟的开发环境也是缩短开发周期迅速占领市场的保证。