多媒体信息处理在DaVinci上的实现与研究
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摘 要
随着多媒体信息处理技术，嵌入式处理技术的不断发展，人们对高品质实时
的多媒体信息与便携式多媒体设备的需求与日俱增。手机、掌上电脑、数字机顶
盒、数码相机、数码相框等嵌入式产品越来越具有市场，多媒体信息处理技术应
用前景越来越广泛。
H.264 视频编解码标准是新一代视频编解码国际标准，具有优
异的视频编解码性能。本文选用 TI 公司设计的嵌入式处理芯片 DM6446 处理器，
此芯片基于 DaVinci 数字多媒体信息处理技术，高效实时的实现 H.264 视频编解码。
本文研究了多媒体信息在 DaVinci 平台上的处理。首先介绍了 H.264 编解码标
准的技术特点，然后介绍 DaVinci 平台的处理优势，定制和裁剪 U-Boot 并移植到
DaVinci 平台，作为平台的 BootLoader 引导嵌入式 Linux 系统的加载，搭建了一个
多媒体信息处理的软硬件开发平台。视频摄像头采集到的信号送入 DaVinci 平台上
的解码芯片解码，并通过 Linux 下的 CCDC 驱动以文件流的方式读入采集到系统
并存入缓冲区。调用 DaVinci 平台上集成的 H.264 编解码算法对缓冲区实现编码，
并实时解码供本地回放使用。Linux 系统支持的 FBDev 驱动，将解码后的缓存区
数据送到 DaVinci 平台的 VPBE 端，输出给显示屏显示。在 Linux 下使用多线程编
码技术同时实现视频的采集、编解码及本地回放。
关键词：多媒体 DaVinci H.264 Linux 多线程
ABSTRACT
With the development of multimedia information processing technology,
embedded processing technology, the demand for people that is high-quality and
real-time multimedia information and portable multimedia devices is increasing. There
are more and more mobile phones, personal digital assistant, digital set-top boxes,
digital cameras, digital photo frame and other embedded products in markets, and
multimedia information processing technology become increasingly popular. H.264
video codec standard is a new generation of video codec with international standards,
and with excellent video codec performance. This paper is about TI's DM6446
processor chip designed for embedded processors. This chip is based on DaVinci digital
multimedia information processing technology, and efficient implementation of
real-time H.264 video codec.
This paper introduces how to achieve multi-media information processing in the
DaVinci platform. Firstly, it introduces the H.264 codec standard technical features, and
then introduces the advantage of DaVinci platform. The U-Boot is customized, tailored
and ported to DaVinci platform, as a bootloader to load embedded Linux systems. It sets
up a multimedia information processing hardware and software development platform.
The signal captured by video camera is sent to the decoder chip decoding on the
DaVinci platform, and then the CCDC driver in Linux to read it through the file stream
way and sent it to the buffer stored. Call H.264 codec algorithm integrated in DaVinci
platform to encode and decode the buffer. The FBDev driver supported by Linux system
will sent the data decoded in the buffer to the VPBE side of DaVinci platform, and then
display in the screen. It implements video capturing, encoding and decoding and local
playback through multi-threading technology in Linux.
Key Words：Multimedia, DaVinci, H.264, Multi-Threaded in Linux
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景与意义 .......................................................................................1
§1.2 视频编解码标准及比较 ...................................................................................1
§1.3 本文主要研究内容 ...........................................................................................3
第二章 H.264 编解码标准 ..............................................................................................5
§2.1 H.264 视频编码器结构 .....................................................................................5
§2.2 H.264 视频编码标准分层设计 .........................................................................6
§2.1.1 网络适配层 .............................................................................................6
§2.1.2 视频编码层 .............................................................................................8
§2.3 H.264 的关键技术 .............................................................................................9
第三章 多媒体信息处理开发平台的搭建 ...................................................................11
§3.1 DaVinci 平台系统功能 ................................................................................... 11
§3.1.1 功能框图 ...............................................................................................11
§3.1.2 处理器存储空间配置 ...........................................................................12
§3.1.3 视频处理子系统 ...................................................................................12
§3.2 DaVinci 技术软件架构 ................................................................................... 13
§3.3 开发环境的建立 ..............................................................................................15
§3.4 BootLoader 的移植 ......................................................................................... 17
§3.4.1 U-boot 的初始化 ................................................................................... 17
§3.4.2 U-Boot 的移植 .......................................................................................18
第四章 多媒体信息处理系统功能模块设计 ...............................................................19
§4.1 视频采集模块 .................................................................................................19
§4.1.1 硬件连接 ...............................................................................................19
§4.1.2 CCDC 驱动特性 ....................................................................................20
§4.1.3 视频采集原理及实现 ...........................................................................22
§4.2 视频处理模块 .................................................................................................26
§4.2.1 Codec Engine 框架 ................................................................................ 26
§4.2.2 Core Engine 模块 .................................................................................. 27
§4.2.3 H.264 视频算法处理 .............................................................................29
§4.3 视频显示模块 ..................................................................................................32
§4.3.1 视频驱动显示架构 ...............................................................................32
§4.3.2 FBDev 驱动特性 ................................................................................... 33
§4.3.3 视频显示设计 .......................................................................................35
第五章 多媒体信息处理系统软件设计 .......................................................................38
§5.1 多线程技术 ......................................................................................................38
§5.1.1 线程的初始化 .......................................................................................38
§5.1.2 设置线程属性 .......................................................................................39
§5.1.3 使用互斥量同步 ...................................................................................40
§5.2 程序主流程设计 .............................................................................................40
§5.2.1 主线程 ...................................................................................................42
§5.2.2 视频处理线程 .......................................................................................43
§5.2.3 显示线程 ...............................................................................................44
§5.2.4 捕获线程 ...............................................................................................45
§5.2.5 线程间的交互 .......................................................................................46
第六章 总结与展望 .......................................................................................................48
§6.1 总结 .................................................................................................................48
§6.2 展望 .................................................................................................................48
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................50
一、发表论文 ..........................................................................................................50
二、科研项目 ..........................................................................................................50
致 谢 .............................................................................................................................51
参考文献 .........................................................................................................................52
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景与意义
近年来随着通信技术的飞速发展，多媒体信息处理技术应用越来越广泛，人
们对丰富的多媒体信息需求与日俱增。多媒体技术被广泛的应用于网络多媒体通
信、实时监视系统、高清晰度数字电视等方面。特别是随着现代社会的日益信息
化，计算机和网络已经成为日常生活的一部分，各种多媒体设备不断出现，如新
型数码产品、MP5、PDA、机顶盒、数字相框等数字化产品，IP 可视电话、网络
视频会议、车载电子设备、视频监控系统等[2]。而很大一部分多媒体信息处理系统
都是手持设备或可移动设备，使得日常的成熟的大型计算机处理设备已无法满足
这些需求，需要建立一种嵌入式设备的通用多媒体信息处理系统来实现这些实时
的，低码率的信息处理技术。嵌入式多媒体信息技术易于实现系统的模块化设计，
且便于安装、维护，具有广阔的应用前景和研究价值。
多媒体技术和产品的开发有如下特点：高度集成的处理平台，完善的高质量
的多媒体处理算法，强大的开发工具。多媒体信息处理平台上要包含更多加速应
用创新的技术、统一开放的算法标准以及协调开放式可编程的开发手段。DaVinci
技术充分利用了 TI 25 年的数字信号处理与集成电路专业技术来提供系统级芯片
(SoC)，这种系统针对灵活的数字视频实施而进行了精心优化，拥有业界领先的性
能并集成了可编程数字信号处理器(DSP)内核、ARM 处理器以及视频加速协处理
器。凭借高效的处理能力、存储器、I/O 带宽、平衡的内部互连以及专用外设组合，
基于达芬奇技术的 SoC 能够以最低的成本为视频应用提供理想的核心动力[3]。
DaVinci 数字媒体技术平台 DM6446 具有极其丰富的板级硬件资源及外围设备接
口，它几乎集成了目前业界嵌入式开发平台应具有的各类元器件。因此，在 DaVinci
平台上实现多媒体信息的处理，提供了一种可供参考的嵌入式信息处理方法。
§1.2 视频编解码标准及比较
多媒体信息主要包括文字、声音，图像、图形和视频等内容，其中视频又是
多媒体信息中最重要的组成部分。据统计人类接受的信息大约 70%来自视觉，较
之其他信息，视频信息极易被人类接受，具有直观、形象、准确、高效和应用广
泛等特点。同时，视频的信息容量大，与音频、数据相比，视频具有无与伦比的
信息容量，使得未经压缩的数字视频几乎没有实用价值[4]。庞大数据量对通信系统
中有限的带宽和存储空间提出了严峻的挑战。
近年来，多媒体信息压缩编解码技术得到了迅速的发展和广泛的应用，一系
多媒体信息处理在 DaVinci 上的实现与研究
2
列的国际编解码标准也相应产生。1986 年国际标准组织 ISO（International Standards
Organization）和国际电报电话咨询委员会 CCITT 成立了联合图像专家组 JPEG
（Joint Photographic Experts Group），研究连续色调静止图像压缩算法国际标准，
并 在 1992 年7月 通 过 了 JPEG 标 准 [5] 。1988 年ISO 和国际电工委员会 IEC
（International Electrotechnical Commission）成立了活动图像专家组 MPEG
（Moving
Picture Expert Group），1991 年公布了 MPEG-1 视频编码标准，码率为 1.5Mbps，
主要应用于家用 VCD 视频压缩，1994 年11 月，公布了 MPEG-2 标准，用于数字
视频广播、家用 DVD 视频压缩及高清晰度电视。1995 年，国际电信联盟 ITU-T
（International Triathlon Union）推出 H.263 标准，用于低于 64Kbps 的低码率视频
传输，如可视会议、多媒体通信等。1984 年和 2000 年又分别公布了 H.263+、H.263++
等标准[6,7,8]。1999 年12 月份，ISO/IEC 通过了视听对象的编码标准 MPEG4，它除
了定义视频压缩编码标准外，还强调了多媒体通信的交互性和灵活性。2003 年3
月，ITU-T 和ISO/IEC 正式公布了 H.264 视频压缩标准，不仅显著提高了压缩比，
而且具有良好的网络亲和性，加强了对 IP 网、移动网的误码和丢包的处理。
H.264
为新一代的视频编码标准。
MPEG-4 是针对视频会议、可视电话的超低比特率编码的。而在其调查过程中，
高能通用芯片性价比提高使得基于软件平台的压缩编码具有实用可能，且人们在
对视频信息的应用需求从播放型逐渐转到基于内容的访问和操作型。为此，
MPEG-4 制定新的目标：支持多种多媒体应用（侧重于对多媒体信息内容的访问），
可根据应用要求配置解码器。MPEG-4 标准的编码基于对象，便于操作和控制对象。
在比特率控制时，即使在低带宽条件下，
MPEG-4 也可利用码率分配方法，对用户
感兴趣的对象多分配比特率，对其它则少分配比特率，保证主观质量。MPEG-4
的对象操作使用户可在终端直接将不同对象进行拼接，得到用户合成图像。
MPEG-4 具有很好的扩展性，可进行时域和空域的扩展。这在 MPEG-2 中也有所
体现，但不突出[10,11]。MPEG-4 可根据带宽和误码率的客观条件，在时域或空域进
行扩展。前者指在带宽允许时增加帧率带宽窄时，减少帧率，已达到充分利用带
宽；后者指对图像进行采样插值，增加或减少空间分辨率。
由于会议电视和可视电话的需要，CCITT 发布了码率为 p×64Kbps 的H.261
建议，这个视频编码方案对以后各种视频编码标准产生了深远影响。H.261 用于视
频通信，会产生多个国家的互通困难的问题，不同国家采用不同的彩电制式，不
可能直接互通。H.261 采用一种公共中间格式（CIF，Common Intermediate Format），
不论何种彩色格式，发送方先把自己国家的彩电制式转换成 CIF 格式，经 H.261
编码后再由 CIF 格式转换到接收方彩电制式。H.263 的视频编码方法与 H.261 很类
似，但有多种格式的输入，输出为 H.263 码流。传输码率最初定为低于 64Kbps，
摘要：
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摘要随着多媒体信息处理技术，嵌入式处理技术的不断发展，人们对高品质实时的多媒体信息与便携式多媒体设备的需求与日俱增。手机、掌上电脑、数字机顶盒、数码相机、数码相框等嵌入式产品越来越具有市场，多媒体信息处理技术应用前景越来越广泛。H.264视频编解码标准是新一代视频编解码国际标准，具有优异的视频编解码性能。本文选用TI公司设计的嵌入式处理芯片DM6446处理器，此芯片基于DaVinci数字多媒体信息处理技术，高效实时的实现H.264视频编解码。本文研究了多媒体信息在DaVinci平台上的处理。首先介绍了H.264编解码标准的技术特点，然后介绍DaVinci平台的处理优势，定制和裁剪U-Boot并...
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