软硬件协同的MPEG-4视频解码器设计与实现

摘要

音视频多媒体技术以最直观的方式表达信息，给人们带来了丰富的信息和多彩的娱乐感受。在多媒体设备中，MPEG-4标准因其编码方式先进，压缩效率高，错误控制机制可靠而被普遍采用。视频解码是其中最重要、最复杂的技术。 视频解码器的主流方案包括纯软件解码方案和纯硬件（ASIC）的解码方案两种。这两种方案有各自的优点和缺点。纯软件解码方案的主要优点是灵活，易于开发和调整更新。主要缺点是解码效率低，功耗大。ASIC方案的优点是集成度高，功耗小，可靠性高，运算速度快。其缺点在于，开发难度大，周期长，灵活性差。 针对MPEG-4视频解码器，综合软件方案和硬件方案的长处，本设计采用软硬件协同的解决方案，即CPU配合硬件加速器的形式。这个方案将整个解码过程进行合理划分，将运算比较集中的部分用硬件加速器方式实现，而运算量较小、控制复杂的部分用软件实现。采用软硬件协同的设计方法可以较好的兼顾解码速度、功耗、灵活性、成本以及开发周期的要求。 通过分析MPEG-4视频解码的原理和流程，在开源解码软件XVID的基础上，本文首先根据软件计算量统计的结果，确定了软硬件划分方案，将占整体计算量74％以上的IDCT、帧间运动补偿、反量化三部分划入硬件加速器。设计了系统的四级流水机制。接下来，给出了各个模块的详细设计。包括主控电路、反量化模块、反离散余弦变换(IDCT)模块和运动补偿模块。根据标准规定的算法结合实际情况做出优化，力争提高效率的同时节约资源的使用。实现了软硬件协同，在XVID的基础上，修改其中涉及到硬件加速器的软件代码，使之与硬件加速器协同工作。 硬件加速器用Verilog HDL硬件描述语言完成开发，结果证明，本设计达到了设计要求。在CPU工作频率200 MHz、硬件加速器工作频率50 MHz、软硬件协同工作下，解码性能相对纯软件大约提高了3至5倍左右，能够满足CIF分辨率实时视频播放的要求。