摘  要： 提出了一種視頻在i.MX51平臺的硬件解碼方案,，詳細(xì)描述了使用VPU進(jìn)行視頻硬件解碼的邏輯處理過程及解碼流程。使用本方案將MPEG4格式的視頻文件在Android平臺進(jìn)行解碼并獲得成功,。對于使用i.MX51進(jìn)行多媒體開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義,。
關(guān)鍵詞： i.MX51開發(fā)板； 硬件解碼,； VPU,； MPEG4

    隨著多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,，數(shù)字視頻的應(yīng)用越來越廣泛。人們對高清視頻的狂熱追逐給視頻解碼帶來了巨大的壓力[1],。傳統(tǒng)的軟件解碼方法已經(jīng)很難滿足視覺要求,。高清視頻的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般格式視頻，其碼率也很高,再加上視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的壓縮率高,，使得解碼運算量很大,。因此,常規(guī)地直接用CPU解碼會極大地消耗CPU的運算能力，于是轉(zhuǎn)向硬件解碼,。硬件解碼是通過顯卡的視頻加速功能對高清視頻進(jìn)行解碼,能夠?qū)PU從繁重的視頻解碼運算中釋放出來,，使計算機(jī)具備流暢播放高清視頻的能力。本文通過研究主流Android開發(fā)板i.MX51上的VPU,，給出了使用VPU實現(xiàn)視頻硬件解碼的主要流程和方法,。
1 i.MX51 EVK平臺硬件視頻解碼方案
1.1 i.MX51處理器的特性
    i.MX51 是飛思卡爾公司自主研發(fā)的ARM體系結(jié)構(gòu)的中央處理器單元。i.MX51處理器采用了先進(jìn),、高效率的ARM Cortex A8 內(nèi)核,，處理器運行在800 MHz的高速下[2]。相比于ARM11產(chǎn)品,，其性能被大大提高,。它支持最高200 MHz的DDR2和移動DDR DRAM時鐘速率，擁有32 KB的指令緩存和數(shù)據(jù)緩存以及256 KB的二級緩存[3],；處理器內(nèi)部集成了DDR/DDR2內(nèi)存控制器,；同時集成了矢量運算,、浮點運算以及ARM NEON SIMD媒體和信號處理器,，為多媒體信息娛樂終端提供了強大的處理核心支持。
1.2 i.MX51 VPU
    i.MX51 VPU(視頻處理單元)是一個支持多標(biāo)準(zhǔn)編解碼操作的高性能的視頻編解器引擎,。VPU編解碼器支持MPEG-1/2,、MJPEG、H.264,、MPEG-4的編解碼,。 VPU在i.MX51上支持的解碼高達(dá)HD水平，編碼為SD水平,。VPU通過32 bit的APB總線和64 bit的AXI總線與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò),，APB總線用于系統(tǒng)控制，AXI總線用于數(shù)據(jù)的傳輸,。同進(jìn),，利用片上存儲器實現(xiàn)高性能。
    VPU中的視頻硬件模塊被最佳化設(shè)計以用來在不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)中共享使用,，并提供強大的性能和超低的功耗,，如圖1所示,。

    VPU提供一套主控接口寄存器，通過這些寄存器主處理器可以簡單,、高效地控制VPU,。VPU擁有一個16 bit的DSP內(nèi)核——位處理器，通過該位處理器可以控制內(nèi)部硬件模塊并實現(xiàn)視頻編解碼操作,。

1.3 視頻解碼方案
    i.MX51開發(fā)板具有支持多種操作系統(tǒng)的特性,，例如Android等實時OS。為了能夠獲得較好的推廣應(yīng)用,，采用比較流行的Android系統(tǒng),。
    在Android中創(chuàng)建自己的解碼函數(shù)庫，通過JNI穿越系統(tǒng)的應(yīng)用框架層直接訪問庫函數(shù),才能實現(xiàn)Android系統(tǒng)下對硬件的直接調(diào)用和控制,。首先,，使用C語言對VPU的API組織調(diào)用，實現(xiàn)視頻的解碼,；然后,，生成相應(yīng)的動態(tài)庫，并提供給JNI相應(yīng)的應(yīng)用接口,；最后,，在Java類中使用C實現(xiàn)視頻解碼的本地方法。
2 VPU解碼的內(nèi)部邏輯
2.1 VPU的初始化
    VPU中位處理器用于處理比特流數(shù)據(jù),，位處理器是一個高度優(yōu)化的,，它還可控制VPU與主處理器之間的通信[4]。位處理器固件被分為兩部分來進(jìn)行視頻的解碼：一部分是引導(dǎo)代碼,，這些代碼是主處理器通過IP總線下載到位處理器內(nèi)部存儲器的,，啟動代碼大小為1 KB，這些啟動代碼被寫在外部存儲器一塊區(qū)域中,，固件區(qū)域的基地址由VPU的API寫入,；另一部分是進(jìn)行解碼處理的固件包，在開始解碼前,，固件先被寫進(jìn)外部存儲器啟動代碼之后的一塊連續(xù)的區(qū)域中,，運行過程中，位處理器自行下載固件,，根據(jù)不同的解碼標(biāo)準(zhǔn)下載到相應(yīng)的內(nèi)部存儲器中,，它是通過AXI總線進(jìn)行加載的，VPU初始化過程如圖2所示,。

2.2 VPU與應(yīng)用程序的交互
    圖3給出了位處理器和VPU視頻處理核心模塊,，并且指明了VPU如何與應(yīng)用軟體進(jìn)行交互。從根本上說,，在框架水準(zhǔn)之上,，主處理器是通過API與主處理器進(jìn)行通信的,。
2.3 VPU的硬件抽象層
　圖4為VPU的硬件抽象層的詳細(xì)內(nèi)容。VPU的解碼器的寄存器頭文件vpu_reg.h中定義了內(nèi)存映射地址,；頭文件vpu_io.h中定義了I/O操作的各種定義,，聲明了I/O操作的各種函數(shù),并在vpu_io.c中實現(xiàn)了其頭文件中的各個函數(shù)；vpu_lib.c是VPU的庫函數(shù),，實現(xiàn)了VPU編解碼的所有操作,；vpu_lib.h中定義了VPU函數(shù)庫中的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，并聲明了各個函數(shù),；vpu_util.c中是與VPU中位處理器相關(guān)的各種操作。

3 VPU硬件解碼流程分析
3.1 VPU進(jìn)行視頻解碼的流程
　通過VPU解碼的基本流程包括以下步驟：
　(1)調(diào)用函數(shù)Init()來初始化VPU,；
　(2)使用函數(shù)DecOpen()打開一個解碼器實例,；
　(3)為了能夠提供合適數(shù)量的字節(jié)流，使用DecGetBitstreamBuffer()獲取字節(jié)流緩沖地址,；
　(4)在改變解碼器的輸入流之后,使用DecUpdateBit-
streamBuffer()通知傳輸?shù)阶止?jié)流緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)量,；
　(5)在進(jìn)行一個圖片的解碼操作之前，使用DecGetInitialInfo()來為解碼操作獲取重要的參數(shù),，如圖片大小,、幀緩沖等；
　(6)使用返回的幀緩沖大小配置幀緩沖區(qū)合適的大小,，并且使用函數(shù)DecRegisterFrameBuffer()把這個數(shù)據(jù)傳達(dá)給i.MX51 VPU,。
　 (7)使用DecStartOneFrame()開始圖片解碼器操作，一張一張地進(jìn)行圖片解碼,；
　 (8)等待完成圖片解碼器操作的中斷事件,；
　 (9)使用DecGetOutputInfo()檢查解碼器操作的結(jié)果；
　 (10)播放第n幀后,，使用DecClrDispFlag()清除播放緩沖標(biāo)志,；
    (11)如果還有更多的比特需要解碼,，返回到步驟(7)繼續(xù)執(zhí)行,，否則就執(zhí)行下一步；
    (12)使用DecClose()關(guān)閉實例,，終止操作,；
    (13)調(diào)用UnInit()釋放系統(tǒng)資源。
3.2 數(shù)據(jù)處理與控制
    VPU擁有一個專用的路徑進(jìn)行主處理器與VPU之間的數(shù)據(jù)或信息的交流,，即共享存儲器,。共享存儲器通過ABMA主總線被訪問，使用這個存儲器進(jìn)行比特流和數(shù)據(jù)幀的交換,。通過使用VPU寄存器中的主控寄存器來實現(xiàn)主處理器與VPU之間專一的信息交流路徑,。所有在主處理器與VPU之間的命令和響應(yīng)都是通過這些寄存器來交換的,。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與命令及響應(yīng)相關(guān)的信息也是通過主控寄存器來交換的。從主處理器可以訪問VPU主控接口的所有寄存器,。一些主控寄存器用于交換實際的命令和響應(yīng),，另一些寄存器則用來向主處理器提供VPU內(nèi)部狀態(tài)信息。
    主應(yīng)用程序通過API發(fā)送命令和相應(yīng)的參數(shù)給VPU來控制VPU,。從VPU接收到一個中斷之后,，發(fā)送要求的操作已經(jīng)完成的信息。如圖5所示為應(yīng)用程序數(shù)據(jù)處理的過程,。

    每個API的定義包括請求命令和輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。從API給出的命令經(jīng)常被寫進(jìn)一個專用的I/O寄存器，但是輸入和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過一套包括輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果的I/O命令寄存器傳輸?shù)摹?br />     所有的像素數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)流處理被主處理器執(zhí)行或者通過在SDRAM中的共享內(nèi)存被VPU執(zhí)行,。為了保證主處理器與VPU之間的安全性,，所需信息被存放在主控寄存器中。這些事務(wù)一般都是單向的,，VPU或主處理器寫數(shù)據(jù),，其他設(shè)備在一個單數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。
4 視頻硬件解碼在Android下的應(yīng)用
4.1 MPEG-4在i.MX51上的硬件解碼實現(xiàn)
    本文以MPEG-4視頻流為例實現(xiàn)其硬件解碼,。圖6為MPEG4的解碼流程,。

    (1)初始化VPU
    用BIT Code Download命令下載BITProcessor固件到存儲器；設(shè)置初始化參數(shù)用于對BIT Processor進(jìn)行一般性設(shè)置,，設(shè)置工作緩沖區(qū)基址,、BIT Code存儲器地址、比特流緩沖區(qū)控制等,；命令BIT Run Start運行BIT處理器初始化VPU,。
    (2)創(chuàng)建并初始化一個MPEG-4解碼進(jìn)程
    設(shè)置SEQ_INIT參數(shù)，這一過程通過調(diào)用MPEG4_initial()進(jìn)行解碼初始化,，包括打開文件,、設(shè)置硬件參數(shù)(如codec)、解碼參數(shù)初始化(如波特率設(shè)置),、申請地址空間(如配置基地址),；運行SEQ_INIT命令，開始一個MPEG-4解碼進(jìn)程,。如果出現(xiàn)Wait BusyFlag=0,則等待BIT處理器完成SEQ_INIT命令的執(zhí)行,，以進(jìn)行接下來的處理。
    (3)運行MPEG-4解碼進(jìn)程
    設(shè)置PICTURE_RUN參數(shù)配置幀源地址和目標(biāo)地址,；運行PICTURE_RUN命令,，通過調(diào)用MPEG4_continue()啟動MPEG-4的解碼進(jìn)程。以幀為單位完成讀輸入,、解碼和寫輸出的工作,。返回1代表解碼正常,，可對其本身進(jìn)行再調(diào)用，實現(xiàn)下一幀的解碼,；返回0則代表文件結(jié)束或者出現(xiàn)異常,。如果出現(xiàn)Wait BusyFlag=0,則等待BIT處理器完成PICTURE_RUN命令的執(zhí)行。它也意味著結(jié)束了一幀數(shù)據(jù)的解碼,，將解碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送到圖像處理單元進(jìn)行后處理并播放,。
    (4)繼續(xù)執(zhí)行第(3)步，如果比特流緩沖區(qū)是空的,，則在運行下一幀解碼之前,，主處理器應(yīng)該下載新的比特流到比特流緩沖區(qū)。
    (5)運行SEQ_END命令調(diào)用MPEG4_stop(),，編碼完成終止解碼進(jìn)程,。對硬件進(jìn)行設(shè)置，并釋放內(nèi)存空間,。
    一般而言,，不同編碼標(biāo)準(zhǔn)的解碼處理流程是相似的，盡管不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的固件版本有小幅改進(jìn),，但其具體的執(zhí)行過程是由VPU驅(qū)動來完成的,。
4.2 Android平臺使用VPU硬件解碼
    之前的解碼是用C語言編譯通過的,而開發(fā)板i.MX51上運行的是Android系統(tǒng)，需要在Android系統(tǒng)上對解碼實現(xiàn),，本文采用的是JNI技術(shù),。
    首先,編寫Mikefile文件并編譯；接著,在終端中進(jìn)入工程目錄,，運行ndk-build命令進(jìn)行編譯,，編譯通過后即可生成動態(tài)庫文件libvpu.so；最后,在Java文件代碼中對本地庫進(jìn)行調(diào)用,。使用public native String stringFromJNI()申明本地方法,；使用System.loadLibrary()來加C動態(tài)庫。至此,，對本地庫的調(diào)用即完成,。
    本文深入地分析和研究了i.MX51開發(fā)板的功能特性，詳細(xì)介紹了其硬件解碼模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用方法,，并具體說明了其應(yīng)用程序接口函數(shù),。在此基礎(chǔ)之上，探討了其一般使用流程,，并用MPEG4的具體解碼過程進(jìn)行了說明，最后在Android系統(tǒng)下實現(xiàn),。實驗結(jié)果表明其運行情況良好,。
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