關鍵詞： API , dsp , 視頻處理

數字信號處理器(DSP)具有出色的多媒體性能。一般而言，它們運行編解碼器所需的周期只有通用處理器(GPP)內核的40%到50%。DSP還能提供比ASIC大得多的靈活性和可重配置性。但迄今為止，要在數字視頻應用中運用DSP，編程人員還不得不花費較多時間精力去學習相關專用語言。不過，隨著應用編程接口(API)的出現，已不再需要學習這些專用DSP語言了。在運行于GPP上的應用中，API可以輕輕松松地充分發揮DSP的優勢。

開源多媒體構架在GPP上一般運行在Linux操作系統下，是這些API的理想對象。利用API可以卸載視頻編解碼器的計算負荷，大大減小DSP編程的復雜性。這種方案只要求編程人員具備基本的DSP知識即可，無需編寫代碼來整合DSP功能與那些運行在GPP上的功能。這種優勢，加上利用免費開源插件和構架提供的許多功能的能力，可以大幅度縮短新視頻產品的上市時間。

硬件平臺的選擇

在選擇運行編解碼器(壓縮傳輸或存儲的數字流，再解壓以供查看或編輯)的硬件平臺時，開發人員有幾種可選方案。ASIC是專門為數字視頻應用而設計的，能在這類應用中提供高性能和低功耗。它的缺點流片(NRE)費用很高。此外，ASIC若有變化，比如改動以適應編解碼標準，相關實現費用非常高昂。

另一方面，GPP內核的流片費用相對較低，針對變動進行重編程相當容易。但由于它們在執行計算密集的信號處理應用時效率低下，故在應用于數字視頻處理時性能較低。例如，GPP通過一系列移位和加法運算來實現乘法運算，而每一個移位和加法運算需要一個以上的時鐘周期。

DSP具有集上述二者之優勢的潛力。不同于GPP，DSP是為數字視頻應用中計算密集的信號處理應用而優化的。它具有單周期乘法器或乘法累加單元，能夠加快編解碼算法的執行速度。更高性能的DSP還包含有幾個可以并行操作的獨立執行單元，這使得它們能夠每條指令執行好幾個操作。此外，DSP還提供完全的軟件編程能力，包括現場重編程能力。這就讓用戶可以先推出MPEG-2產品，以后再升級為H.264視頻編解碼器。DSP在數字視頻應用中的主要局限是它們通常需要采用專用語言來編程，而熟悉DSP的編程人員遠沒有熟悉流行的GPP架構的來得多。

圖1：只含解碼器的范例中的多媒體框架職責和數據流程

組件集成的挑戰

數字視頻系統的開發人員還面臨著集成的挑戰。數字視頻系統包含了多個編碼器、解碼器、編解碼器、多種算法及其它軟件，這些組件都必須集成到一個可執行映象(image)中，然后才能在系統上運行內容。集成所有這些組件并確保其運行協調是一件很困難的任務。不同的系統可能需要截然不同的視頻、圖像、語音、音頻和其他多媒體模塊。手工集成每一個軟件模塊或算法的開發人員就被增值功能性(比如增加創新性功能)搞得頭痛不已。

許多數字視頻開發人員都開始采取開源途徑來構建軟件。一種常用的方案是從開源獲得軟件的重要部分，而在可用性和硬件集成方面充分發揮內部專業能力。開發人員常常參與開源技術開發項目，以滿足特定要求并把內部開發的代碼和開源代碼集成在一起來創建新產品。

新的API

為了解決上述問題，德州儀器(TI)開發出了一款API，該產品能夠充分發揮開源多媒體框架中的GStreamer等DSP的優勢。這款API使多媒體編程人員可以利用熟悉環境中的DSP編解碼引擎，把數字視頻編程人員從復雜的DSP編程中解放出來，讓ARM/Linux開發人員得以輕松利用DSP編解碼器的加速功能，無需具備相關硬件知識。該接口還能自動高效地在ARM和DSP間進行工作劃分，從而不再需要為運行在DSP上和運行在GPP內核上的功能間的協調而編寫代碼。該接口已由TI按照開源社群標準以GStreamer插件的形式開發成功。

圖2：GStreamer內數據通過GstBuffer結構進行表征的方法與其它幾種操作系統及其相應多媒體框架所采取的方法相一致。

GStreamer是一種媒體處理庫，提供了某種轉換過程的抽象模型，其通過管道的概念進行工作，媒體在其中按照已定義的方向從輸入流到輸出。GStreamer能夠以一種簡化編程過程的方式來提取不同媒體的操作行為，在數字視頻編程社群中廣受歡迎。通過GStreamer，能夠編寫出一種能夠支持多種不同格式和網絡的通用視頻或音樂播放器。而且大部分操作由插件執行，并非GStreamer內核。GStreamer的基本功能性主要與注冊和加載插件有關，并可提供基類，這些基類定義了GStreamer類的基本功能。

GStreamer過濾器

源過濾器負責從從數據源獲取原始的多媒體數據以供處理，這里的數據源可以是硬盤文件(比如文件源過濾器)，或CD或DVD光盤，也可以是電視接收卡或網絡這種“實時”源。某些源過濾器只是簡單地把原始數據傳遞到剖析器(parser)或分離過濾器(splitter filter)，同時其它源過濾器也執行自己的剖析步驟。變換過濾器 (Transform filter)接收原始數據或部分經過處理的數據，進一步處理后再傳遞到下一級過濾器。

變換過濾器有多種類型，剖析器即是一例。這種過濾器把原始字節流分離為多個樣本或幀、壓縮器或解壓縮器，以及格式轉換器。呈現過濾器(Renderer filter)一般接收完全處理過的數據，并在系統顯示器上或通過揚聲器或某些外部設備進行播放。這一類過濾器還包括“file writer (文件創建器)”過濾器和網絡傳輸過濾器，前者可以把數據保存到硬盤或其它持久穩固的存儲設備上。

數據處理在plug-in_chain() 或 plug-in_loop()函數中進行。該函數可能像元件縮放那么簡單，也可能像真實的MP3解碼器那么復雜。數據被處理后，利用一個gst_pad_push()函數從GStreamer元件(element)的源襯墊(pad)發送出去，由此把數據傳遞到管道鏈的下一個元件。

GStreamer緩沖器

在GStreamer中，緩沖器是數據傳輸的基本單元。GstBuffer(實例)類提供了把一個存儲區定義為流媒體的一部分所必需的全部狀態。經由GstBuffer結構，Gstreame內部的數據表示遵循幾種其它操作系統及其各自的多媒體構架所采用的方法(比如，Microsoft DirectShow中的媒體采樣概念)。此外，還支持次級緩沖器，允許緩沖器的一小部分成為它自己的緩沖器，利用這種處理機制確保了存儲空間不會過早釋放。

圖3：復用已分配在驅動器上且在物理上是連續的緩沖的一種有效途徑。

緩沖器通常利用gst_buffer_new()來創建。創建好一個緩沖器之后，一般是為它分配存儲器，設置緩沖器數據的大小。下面給出了一個緩沖器創建的例子，該緩沖器能夠保存具有給定寬度、高度和每像素位的視頻幀。

緩沖器創建

基于DaVinci技術的DM644x器件上ARM926的MMU(存儲器管理單元)具有虛擬/物理尋址能力。然而，C64x+DSP內核只能夠處理物理地址。因此，用于DSP處理的輸入和輸出緩沖器必須駐存在物理上連續的存儲器中。

虛擬到物理地址的轉換由編解碼引擎處理。通過復用(指針指向)某些由驅動器分配的緩沖器，可獲得物理上連續的存儲器，這里使用了Linux中的一些技術，比如dma_alloc_coherent()，來在內核空間中分配這類存儲器。由TI開發的庫/內核模塊CMEM，允許從用戶空間應用來分配物理上連續的存儲器。

例如，我們利用前面提到的CMEM驅動器來分配物理上連續的“輸出”緩沖器。編解碼引擎對幀進行解碼，并把解碼后的幀放在輸出緩沖器中。

接下來，指向輸出緩沖器的指針被傳遞給fbvideosink(通過 GstBuffer)。這個videosink必須把解碼后的數據memcpy(復制)到幀緩存中，然后才能顯示。由于memcpy操作是一種成本很高的GPP使用，這種方法使得ARM 和DDR接口的負載很重，因而增加了功耗，且效率極低。

這種技術對非常小的緩沖器是可行的，但在開發人員使用D1(和更高)大小的緩沖器時，將開始降低系統性能。一種更有效的方案是復用已經驅動器分配了的物理連續緩沖器，并在編解碼器引擎和videosink插件之間把指向這些緩沖器的指針來回傳遞。幸運的是，GStreamer提供了一個便于這類交互作用的API。

這個API替代方案利用gst_buffer_new()來創建新的緩沖器。當元件獲知它將在哪一個源襯墊上推動數據時，就對gst_pad_alloc_buffer()函數進行調用。這允許對應的元件為調用元件的工作提供特殊的“硬件”緩沖器，故而減少了系統所需的memcpys數量。

視頻解碼器插件(變換過濾器，通過編解碼器引擎API能夠充分利用DSP的優勢)將把從視頻呈現過濾器獲得的緩沖器用作視頻解碼器和執行解碼的輸出緩沖器。一旦解碼完成，這個輸出緩沖器將被推動(即指針被傳遞)給視頻呈現過濾器插件。由于解碼后的圖像已經存在于視頻驅動存儲器中，就不再需要memcpy了，在幀被顯示時，視頻呈現過濾器將只需把目前的顯示緩沖器轉換為這種特定的緩沖器就可以了。

AV同步處理

播放期間的音頻/視頻(AV)同步處理一般需要三類決策：一是重復幀的決策。一般在媒體流的幀的顯示時間比幀間隔時間更大時采用。二是顯示幀的決策。一般在媒體流的幀的顯示時間在最小和最大閾值之間時采用。三是跳幀決策。一般在幀的顯示時間落后顯示時間至少兩個幀時采用。這樣，跳過當前幀，處理下一個幀，以期彌補下一個幀間隔。持續這樣做直到下一個幀被顯示或不再剩有幀可供比較。

另外，管道中的所有元件都使用共同的時鐘，以便于這些活動的進行。幸運的是，所有這些決策都由GStreamer內核庫中的音頻視頻sink基類來完成。這樣一來，AV同步的復雜性大部分都在用戶那里被轉移了。

以插件形式開發的接口

TI開發了一種GStreamer變換過濾器插件，它利用DSP來進行視頻解碼，運行于ARM上，使用Linux操作系統。TI還提供有Linux外設驅動器，在驅動器接口和編解碼引擎API方面符合標準開源機構的要求，后者注意了DSP編程的相當大部分的復雜性。由硬件制造商提供的API，事先已針對硬件實現做了優化。如果改用新的硬件，無需改變應用代碼就可直接替以新的驅動器。這種方案大幅度降低了視頻開發的成本和交付周期。

硬件的計算資源以一種最優方式被執行，無需任何匯編編程。其中包括很多復雜的操作，比如DSP資源的最佳利用，和基于硬件的加速引擎；鏈接模式(chained mode)下增強型直接存儲器訪問(Enhanced Direct Memory Access)外設的使用，以提高數據傳輸效率；以及中斷模式和tasklet模式的數據包處理，以靈活滿足不同應用的要求。

由于GStreamer是一種非常流行、廣為人知的架構，它已成為數字視頻開發的一種標準，在這種環境中充分利用 DSP優勢的能力使得編程人員不再需要學習專用DSP編程語言。

該方案還易于把DSP的功能和GPP內核上運行的典型應用的一些其他要求集成在一起。利用其他GStreamer插件，可以把解碼編碼與數字視頻應用所需的其他操作相結合。這種多媒體架構通過把各種本來需要手工編碼的操作整合在一起來實現集成。

總而言之，這一新接口能夠利用GStreamer Linux多媒體構架來充分發揮TI的DaVinci處理器平臺的軟件基礎架構的優勢。這種整合型的基礎架構提供了靈活的構架，能夠適應新一代多媒體編解碼器的要求。

該軟件架構可以實現各式廣泛的視頻產品的設計。利用這種開源結構，能為視頻設備設計人員提供社群支持、穩健的基礎架構，從而縮短上市時間。