液晶显示屏组成:几种视频处理DSP的比较

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几种视频处理DSP的比较
一、概述
从历史角度讲，以前的DSP名词是指一种信号处理技术，一直到上个世纪八十年代初推出DSP芯片，DSP才逐步成为一种全新高速处理器的名称。最初的DSP处理能力有限，主要应用在于数据通信和语音处理领域，其后DSP应用逐步扩展到各种电子产品中，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字答录机、无线通信终端。随着技术的飞速发展，九十年代中DSP在数字GSM手机应用和无线基站应用中获得了巨大的成功。目前DSP开始全面拓展到应用领域，在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等市场上开始占居主角。
视频处理方面也已经由前几年的ASIC方案转向DSP平台，这一点无庸置疑，在DSP平台上进行视频产品开发具备以下几方面的优势：第一，用户开发自由度更大，支持多种个性化开发，满足市场不断提出的新的要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力；第二，DSP处理能力强，可以在一个DSP上同时实现多路音视频信号的压缩处理，同时为了适应应用的需要、还提供了很多视频专用功能，比如视频滤波、De-interlace处理、高分辨显示输出、OSD功能等，甚至像网络接口、IDE接口都成为了视频DSP的主要功能，这样为进一步大幅度降低产品的成本成为可能；第三，开发周期短，实现快速技术更新和产品换代；第四，芯片功耗低，对提高产品的稳定性提供可靠保障。
目前视频处理的DSP已经有多家厂商提供产品，形成主流应用的已有许多种，下面我们将从他们各自的性能和实现产品化等方面做一个全面的比较。
二、主流视频DSP介绍
1． Philips
Philips 是最早开发视频DSP的厂商，1996年推出了Trimedia系列的第一款芯片TM-1000，随后推出了TM-1100、TM-1300、PNX-1300（TM-1300改进版)和最新的PNX-1500系列，目前统一更名为Nexperia系列。该系列芯片大规模应用开始于PNX-1300系列，目前它有多种型号：
PNX-1302 200MHz
PNX-1301 180MHz
PNX-1311 166MHz（低功耗）
PNX-1300 143MHz
PNX-1303 166MHz
在PNX-1300系列成功应用的基础上，Philips 于去年推出了性能更高的PNX-1500系列。作为PNX-1300系列的升级换代产品，PNX-1500系列处理能力更高、性能更好。该产品于2004年下半年批量上市，成为了数字视频应用的新亮点。目前推出的型号：
PNX-1500E 243MHz
PNX-1501E 266MHz
PNX-1502E 300MHz
即将推出的还有：
PNX-1503E >350MHz
PNX-1511E 266MHz（低功耗）
同时新一代的 PNX1700系列（>500MHz）也在研发中，预计明年将发布。
从芯片的技术情况来看PNX-1500并不是PNX-1300简单的速度升级，各方面的性能有了很大提高，功能也日趋完善，主要性能对比如下：
项目PNX-1300PNX-1500
主频速度143-200MHz243-350MHz
内存支持184MHz SDRAM200MHz DDR
内存支持大小2-32MB16-256MB
视频输入精度8位10位
视频输入口1个2个
视频输出口1个2个
功耗2.9-4W<1.5W
PCI接口2.12.2
同时PNX-1500增加了许多功能，成为了产品的新亮点：
网络接口、IDE接口：提供了开发信息化家电和数字视频设备的主要接口
视频输出：提供LED高分辨输出、高清视频输出（1920x1080）
视频处理单元：视频滤波和De-interlace处理
2D图形加速器：可以生成图形
内嵌看门狗并具有两个Reset 管脚：高可靠性设计
2． TI
说起DSP当然不能忘了TI公司，TI公司是DSP芯片的行业老大，它的众多产品多年来一直统治着这个行业，已经深入应用到了电子信息行业各个领域中。2003年TI发布了TMS320DM64X系列的视频DSP产品，2004年下半年批量供货，产品一经面世得到了数字视频行业的强烈关注。目前推出的产品为：
DM640 400MHz 一个视频单元
DM641 500/600MHz 两个视频单元
DM642 500/600MHz 三个视频单元
每个Video单元又分成A、B两个口，A/B 口可以分别处理一路视频采集，因此DM642最多可以处理6路视频采集数据（不带音频）。如果将Video单元配置成Video out方式，则只能在A口输出，B口不可以，因此DM642最多可支持3路视频输出（不带音频）。如果同时处理音频，每一个视频单元可以处理两路立体声。
DM642芯片功耗1.5W，支持SDRAM最大为32MB，同时也具有网络接口。
3． 其他产品
除了以上两大公司之外还有多家公司推出了视频DSP产品：
Equator公司继MAP-CA芯片后推出了BSP-15芯片，主频有256、300、350和400MHz，芯片具有两个视频输入口和音频输入口，一个视频输出口，可以支持SDRAM最大为128MB。
ADI公司推出了ADSP-BF531/532/533系列产品，主频从300MHz到600MH。该产品没有预览通道。
对于MPEG-4算法众多公司推出了ASIC方案，例如WIS公司的GO7007、Intime公司的IME6400、Vweb公司的VW2010、Toshiba 的TC35280XB、以及LSI Logic公司和ST Micro等等。
三．几种DSP的应用对比
DSP作为视频压缩处理的主要平台，它的选择在产品中非常重要，它决定了产品的主体性能和发展趋势，实际应用中要根据不同产品的需要选择不同的芯片，这也是选择产品的重要依据。由于视频处理的实时性要求和数字视频处理的特殊需要，视频DSP的整体性能不能单单以主频为主要衡量指标，需要根据应用的需要来评价视频DSP的综合性能。
下面以目前在国内数字监控市场中多路视频压缩产品为例来比较不同的视频DSP的处理能力和应用情况。其中H.264算法为Base Profile，复杂度比MPEG-4高20-30%。
1、作为4路CIF压缩卡应用：
芯片
项目PNX-1501PNX-1301PNX-1301DM642BSP-15
芯片数量14112
压缩算法H.264H.264MPEG-4H.264MPEG-4
声音压缩DSP处理DSP处理需要额外器件DSP处理DSP处理
应用方案成本 最低高低中中
注：如果DSP的处理能力足够，通常声音处理同时由DSP完成，对于一颗PNX-1300处理4路的方案需要额外的器件来实现声音处理。对于使用PNX-1300 和PNX-1500芯片单片处理4路CIF需要外接四画面器件。
2、作为4路Half D1压缩卡应用：
芯片
项目PNX-1501PNX-1301DM641BSP-15
芯片数量2422
视频算法H.264H.264H.264MPEG-4
声音压缩DSP处理DSP处理DSP处理DSP处理
应用方案成本最低高高中
注：对于Half D1压缩卡一颗PNX-1300已经无法完成处理2路。
3、作为4路D1压缩卡应用：
芯片
项目PNX-1501PNX-1301DM642BSP-15
芯片数量4444
视频算法H.264MPEG-4H.264MPEG-4
声音压缩DSP处理需要额外器件DSP处理DSP处理
De-InterlaceDSP处理需要额外处理器开销需要额外处理器开销需要额外处理器开销
应用方案成本最低低高中
注：对于D1压缩卡PNX-1500具有De-Interlace功能，不需要额外的开销就可以完成。De-Interlace是完成D1压缩的重要功能，它处理的好坏直接影响图像质量。
4、作为嵌入式系统应用：
芯片
项目PNX-1501PNX-1301DM642BSP-15
处理能力4 CIF4 CIF4 CIF2 CIF
视频算法H.264H.264H.264MPEG-4
声音压缩DSP处理需要额外器件DSP处理DSP处理
网络接口有需要额外器件有需要额外器件
IDE接口有需要额外器件需要额外器件需要额外器件
输出接口LED高分辨/高清视频输出标准视频标准视频标准视频
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TM 1500 H.264数字录像卡
1． 产品简介
HB1500系列产品是建立在最新DSP技术上的新一代数字录像解决方案，产品采用最新的音视频采集技术，使用软件压缩技术利用功能强大的DSP（Philips PNX 1500）实现音视频的实时采集压缩，完全不占用主机资源。产品包括单路卡、两路卡、四路卡和八路卡，图像分辨率支持CIF、HalfD1和Full D1，在一台PC机中可以多卡复用，同时实现多路数字录像和多路音视频预览功能。
Philips PNX 1500为PNX 1300产品的下一代DSP芯片，它继承了前一代产品的优点，在原有的产品基础上，处理能力有了进一步提高，同时功能有了很大的完善。
产品采用了目前最优化的H.264压缩算法，图像码流的控制有了进一步的提高，同时采用了多种独特的视频处理技术，视频的效果有了很大提高，视频支持PAL和NTSC制式。可以实现多路声音、图像的同时记录，每路图像可以采集1-25帧/秒，图像帧数控制灵活准确。同时DSP直接支持图像运动检测，无需消耗主机资源。
我们的算法可以支持一个PNX1500压缩4个CIF，算法效率是非常突出的，同时我们的CIF卡的设计申请了专利。
HB1500系列产品提供以下几种型号：
TM1502/TM1504/TM1508：两路/四路/八路CIF音视频压缩卡
TM1512/TM1514/TM1518：两路/四路/八路Half D1音视频压缩卡
TM1521/TM1524：单路/四路Full D1音视频压缩卡
TM1504D：四路音视频解码卡
产品具有极小功耗，超强稳定，高度集成和极优性价比等特点，不同的图像分辨率产品系列化，完全满足各种不同应用的需求。
2． 产品主要特点
压缩算法
视频：H.264 Base Profile(MPEG4 Part 10)压缩算法
音频：G.729(8Kbps)/PCM(64Kbps)
视频码率可以在大范围的调节，在20Kbps-2Mbps范围内任选
支持CBR/VBR工作模式，在VBR模式下，可设置最大可变位率峰值，码流可调
CIF 典型码流
Black Video
10-15M/ Hour
Still Image
40-45M/ Hour
Less Motion
90-140M/ Hour
Full Motion
180-220M/ Hour
D1卡支持双码流压缩
主码流——视频压缩码率调节范围宽（16kbps~1Mbps）
副码流——最适用于图像在低带宽网络上传输
低功耗，硬件稳定性极高
TM15XX系列卡，单路功耗≤1W，长时间工作不受温度影响，稳定可靠。
具有硬件滤波De-interlace功能
具有多级硬件滤波，降噪效果明显，同时消除了全幅画面的锯齿效应。
硬件看门狗
DSP具有完善的内部监测机制
集成度高
集成度更高，实现了在小尺寸的单卡上实现更多路硬件压缩。
节省资源
纯硬件音视频实时压缩和复合，硬件图像移动侦测，不占用系统资源。
OSD特色
支持硬件字符、时间叠加OSD功能，支持Logo叠加, 局部马赛克遮挡。
支持操作系统WIN2000
HB1500XX系列卡提供完整的SDK开发包，本地SDK、播放SDK、网传SDK为标准通用架构。
解码回放
支持快放、慢放、单帧播放及单帧捕获及局部放大功能，P4 2.0可以同时解码12路(不丢帧)。
参数动态调整
可以动态调整系统所有参数，除了分辨率以外（需要重新启动DSP）
网络传输
码流调节范围宽，特别适合广域网上传输，支视音频流网络实时传送，支持双码流功能，局域网传输延时不超过1秒客户端可实现16路同时播放。
开发包：
TM15XX系列卡提供完整的SDK开发包，支持多种通用结构，开发简单方便。
开发环境：Windows 2000，MS VC++ 6.0
压缩SDK：提供DLL库方式
播放SDK：提供DLL库、Media Player插件和IE插件三种方式
网传SDK：提供DLL库、和IE插件两种方式
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1． H.264介绍
H.264是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（JVT：joint video team）开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。1998年1月份开始草案征集，1999年9月，完成第一个草案，2001年5月制定了其测试模式TML-8，2002年6月的 JVT第5次会议通过了H.264的FCD板。2003年3月正式发布。
H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用"回归基本"的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用"网络友好"的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求；它的基本系统是开放的，使用无需版权。
在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4×4块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得H.264算法具有很的高编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50％左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。
H.264的技术亮点
1、分层设计
H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL：Video Coding Layer）负责高效的视频内容表示，网络提取层（NAL：Network Abstraction Layer）负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。在VCL和NAL之间定义了一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于NAL的一部分。这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。
VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。与前面的视频编码标准一样，H.264没有把前处理和后处理等功能包括在草案中，这样可以增加标准的灵活性。
NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列结束信号等。例如，NAL支持视频在电路交换信道上的传输格式，支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式。NAL包括自己的头部信息、段结构信息和实际载荷信息，即上层的VCL数据。（如果采用数据分割技术，数据可能由几个部分组成）。
2、高精度、多模式运动估计
H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。在1/4像素精度时可使用6抽头滤波器来减少高频噪声，对于1/8像素精度的运动矢量，可使用更为复杂的8抽头的滤波器。在进行运动估计时，编码器还可选择"增强"内插滤波器来提高预测的效果。
在H.264的运动预测中，一个宏块（MB）可以按图2被分为不同的子块，形成7种不同模式的块尺寸。这种多模式的灵活和细致的划分，更切合图像中实际运动物体的形状，大大提高了运动估计的精确程度。在这种方式下，在每个宏块中可以包含有1、2、4、8或16个运动矢量。
在H.264中，允许编码器使用多于一帧的先前帧用于运动估计，这就是所谓的多帧参考技术。例如2帧或3帧刚刚编码好的参考帧，编码器将选择对每个目标宏块能给出更好的预测帧，并为每一宏块指示是哪一帧被用于预测。
3、4×4块的整数变换
H.264与先前的标准相似，对残差采用基于块的变换编码，但变换是整数操作而不是实数运算，其过程和DCT基本相似。这种方法的优点在于：在编码器中和解码器中允许精度相同的变换和反变换，便于使用简单的定点运算方式。也就是说，这里没有"反变换误差"。 变换的单位是4×4块，而不是以往常用的8×8块。由于用于变换块的尺寸缩小，运动物体的划分更精确，这样，不但变换计算量比较小，而且在运动物体边缘处的衔接误差也大为减小。为了使小尺寸块的变换方式对图像中较大面积的平滑区域不产生块之间的灰度差异，可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DC系数（每个小块一个，共16个）进行第二次4×4块的变换，对色度数据的4个4×4块的DC系数（每个小块一个，共4个）进行2×2块的变换。
H.264为了提高码率控制的能力，量化步长的变化的幅度控制在12.5%左右，而不是以不变的增幅变化。变换系数幅度的归一化被放在反量化过程中处理以减少计算的复杂性。为了强调彩色的逼真性，对色度系数采用了较小量化步长。
4、统一的VLC
H.264中熵编码有两种方法，一种是对所有的待编码的符号采用统一的VLC（UVLC ：Universal VLC），另一种是采用内容自适应的二进制算术编码（CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding）。CABAC是可选项，其编码性能比UVLC稍好，但计算复杂度也高。UVLC使用一个长度无限的码字集，设计结构非常有规则，用相同的码表可以对不同的对象进行编码。这种方法很容易产生一个码字，而解码器也很容易地识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。
5、帧内预测
在先前的H.26x系列和MPEG-x系列标准中，都是采用的帧间预测的方式。在H.264中，当编码Intra图像时可用帧内预测。对于每个4×4块（除了边缘块特别处置以外），每个像素都可用17个最接近的先前已编码的像素的不同加权和（有的权值可为0）来预测，即此像素所在块的左上角的17个像素。显然，这种帧内预测不是在时间上，而是在空间域上进行的预测编码算法，可以除去相邻块之间的空间冗余度，取得更为有效的压缩。
如图4所示，4×4方块中a、b、...、p为16 个待预测的像素点，而A、B、...、P是已编码的像素。如m点的值可以由（J＋2K＋L＋2）/ 4 式来预测，也可以由（A+B+C+D+I+J+K+L）/ 8 式来预测，等等。按照所选取的预测参考的点不同，亮度共有9类不同的模式，但色度的帧内预测只有1类模式。
6、面向IP和无线环境
H.264 草案中包含了用于差错消除的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，如移动信道或IP信道中传输的健壮性。
为了抵御传输差错，H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成，空间同步由条结构编码（slice structured coding）来支持。同时为了便于误码以后的再同步，在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点。另外，帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。
除了利用量化步长的改变来适应信道码率外，在H.264中，还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从总体上说，数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的服务质量QoS。例如采用基于语法的数据分割（syntax-based data partitioning）方法，将每帧数据的按其重要性分为几部分，这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可以采用类似的时间数据分割（temporal data partitioning）方法，通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。
在无线通信的应用中，我们可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。可是，在多播的情况下，要求编码器对变化的各种比特率进行响应是不可能的。因此，不同于MPEG-4中采用的精细分级编码FGS（Fine Granular Scalability）的方法（效率比较低），H.264采用流切换的SP帧来代替分级编码。
H.264的性能比较
TML-8为H.264的测试模式，用它来对H.264的视频编码效率进行比较和测试。测试结果所提供的PSNR已清楚地表明，相对于MPEG-4（ASP：Advanced Simple Profile）和H.263++（HLP：High Latency Profile）的性能，H.264的结果具有明显的优越性。
H.264的PSNR比MPEG-4（ASP）和H.263++（HLP）明显要好，在6种速率的对比测试中，H.264的PSNR比MPEG-4（ASP）平均要高2dB，比H.263（HLP）平均要高3dB。6个测试速率及其相关的条件分别为：32 kbit/s速率、10f/s帧率和QCIF格式；64 kbit/s速率、15f/s帧率和QCIF格式；128kbit/s速率、15f/s帧率和CIF格式；256kbit/s速率、15f/s帧率和QCIF格式；512 kbit/s速率、30f/s帧率和CIF格式；1024 kbit/s速率、30f/s帧率和CIF格式。
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