BSAC音頻編碼器在TI DaVinci平臺上的實現(xiàn)

徐 蘭，呂 衛(wèi)，宋 垣

(天津大學電視與圖像信息研究所，天津300072)

隨著數(shù)字化移動終端的日益普及以及地面數(shù)字多媒體廣播標準的廣泛應用，BSAC(Bit-Sliced Arithmetic Coding，比特分片算術編碼)成為目前最流行的的音頻壓縮標準之一。BSAC采用了精細粒度可分級技術，適合運用在非平穩(wěn)通信信道或多播環(huán)境中傳輸實時音頻流，為了使其優(yōu)勢得到較好實現(xiàn)，且出于對開發(fā)時間的考慮，本文選擇TI DaVinci(達芬奇)平臺。

為了使BSAC能夠在DaVinci平臺上實現(xiàn)，必須使其符合xDM接口標準，這也是本文的研究重點，本文還對BSAC音頻壓縮編碼在DM6446平臺上的應用程序進行了開發(fā)。

1 BSAC編碼概述

MPEG-4 BSAC是在AAC基礎上發(fā)展而來的，保留了AAC編碼中引入的心理聲學模型、尺度因子編碼，用算術編碼代替了AAC的Huffman編碼，同時改變了碼率的分級系數(shù)和量化的頻譜成分，并提供差錯復原技術，從而極大改善了在易出錯信道上傳輸?shù)囊纛l信號質量。AAC可分級性允許的典型步長為16 kbit/s，而BSAC能使每個音頻頻道以1 kbit/s的步長從16 kbit/s變化到64 kbit/s，實現(xiàn)碼率的可分級，立體聲以步長2 kbit/s實現(xiàn)分級［1］。通常情況下，噪聲和多徑傳播會引起信道容量的減少，進而影響移動通信網(wǎng)絡和數(shù)字廣播系統(tǒng)的性能，BSAC的精細粒度可分級技術可以對動態(tài)自適應糾錯編碼提供支持，因此能夠有效抑制移動通信網(wǎng)絡和數(shù)字廣播系統(tǒng)性能的降低。

2 xDAIS和xDM算法接口標準

TI公司開發(fā)的標準xDAIS(eXpressDSP Algorithm Interface Standard)使通過組件構建復雜系統(tǒng)的過程變得更加快捷和可靠，也使編解碼算法的改進和移植更加方便［2］。所有xDAIS標準的算法必須實現(xiàn)IALG接口［3］，IALG接口函數(shù)的調(diào)用順序如圖1所示。xDM(eXpressDSP Digital Media Standard)是在xDAIS基礎上增加了一些雙核通信的協(xié)議，從而適合DaVinci技術應用的開發(fā)，xDM比xDAIS增加了兩個擴展函數(shù)process()和control()。

圖1 IALG接口函數(shù)的調(diào)用順序

3 DaVinci軟件架構

DaVinci的軟件架構能夠使片上系統(tǒng)的硬件和軟件無縫地組合起來，它規(guī)定了應用程序和算法庫之間統(tǒng)一、標準的API接口，從而大大縮短了系統(tǒng)研究與開發(fā)的時間。DaVinci軟件架構如圖2所示。用戶層進行Linux應用程序的開發(fā)，通過EPSI(Easy Peripheral Software Interface，外圍軟件接口)API來訪問和操作I/O及控制各種外設，通過Codec Engine(編解碼引擎)提供的VISA(Video，Image，Speech，Audio)API來調(diào)用DSP側兼容xDM標準的音視頻編碼器算法［4］。

圖2 DaVinci軟件架構

4 BSAC音頻編碼器實現(xiàn)

4.1 編碼器開發(fā)流程

TMS320DM6446是采用雙核架構(DSP+ARM)的SoC芯片，通過Codec Engine和Codec Server(編解碼服務器)來管理ARM和DSP的協(xié)同工作。DSP端通過DSP/BIOS運行高性能的BSAC音頻編碼，ARM端通過Monta Vista Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)對外設的管理以及音頻的采集和處理。

BSAC編碼器的開發(fā)流程如圖3所示。首先在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3工程下將BSAC編碼器按xDM標準進行封裝，生成編碼庫文件bsacenc.l64P，加上配置文件(.xs.xdc package.bld)生成能夠被Codec Engine配置套件所用的Codec包(ti.sdo.codecs.bsacenc)，然后配置DSP的操作系統(tǒng)DSP/BIOS，以及通過XDC工具配置其他組件，生成DSP端的可執(zhí)行代碼(Codec Server)，最后ARM端通過Codec Engine的VISA API接口函數(shù)調(diào)用符合xDM標準的BSAC編碼算法。

圖3 BSAC編碼器開發(fā)流程

4.2 Codec包封裝

4.2.1 BSAC算法的xDM封裝

將BSAC編碼器構建成符合xDM標準的算法，IALG接口函數(shù)中的 algNumAlloc()，algActivate()，algControl()，algDeactivate()可不完成任何處理，為了減少函數(shù)的調(diào)用，節(jié)省代碼空間，本文設計的BSAC編碼器將上述函數(shù)指針置為NULL。BSAC算法實例接口函數(shù)IBSACENC_Fxns如圖4所示。IBSACENC_Fxns結構體的第一個成員表示模塊BSACENC的地址，用來標明具體模塊實例;BSACENC_TI_alloc()表示BSAC編碼器申請的內(nèi)存資源，本文申請了3塊內(nèi)存空間，分別用來存儲BSAC算法實例對象，采集的原始音頻數(shù)據(jù)，編碼后的輸出碼流;BSACENC_TI_init()初始化BSAC算法實例對象，只有該函數(shù)成功返回后，算法實例才能開始處理數(shù)據(jù);BSACENC_TI_Moved()允許移動BSAC算法實例對象，重新定位存儲器資源;BSACENC_TI_process()實現(xiàn)將輸入的PCM數(shù)據(jù)進行BSAC編碼，并輸出編碼后的碼流及幀長;BSACENC_TI_control()實現(xiàn)對BSAC音頻編碼器參數(shù)(如比特率、采樣率、通道模式、量化位數(shù)等)的設置及BSAC算法狀態(tài)信息的查詢;BSACENC_TI_free()釋放BSACENC_TI_alloc()申請的內(nèi)存空間。

圖4 BSAC算法實例接口函數(shù)

4.2.2 Codec包創(chuàng)建

為了使兼容xDM標準的BSAC音頻編碼算法能夠被編解碼引擎調(diào)用，須將該算法打包生成1個Codec，即“包”。1個包對應1個目錄，目錄中包含了1個獨立組件需要的所有文件以及相關的元數(shù)據(jù)。

本文使用TI RTSC(實時系統(tǒng)組件)編解碼器包向導來創(chuàng)建BSAC Codec包，首先下載安裝必要組件(ceutils(Codec Engine工具)，cg_xml(代碼生成工具))，設置XDCPATH(具體方法如下所示)，然后在xdc工具安裝路徑下執(zhí)行./xs ti.sdo.codecutils.genpackage-g，生成codec包所需的5個配置的文件：1)package.xdc定義的BSAC codec包的名稱為ti.sdo.codecs.bsacenc，包含了1個算法模塊BSACENC;2)package.xs定義了BSAC Codec包所需要的庫文件名稱(lib="lib/bsacenc.l64P");3)package.bld定義了build相關的屬性;4)BSACENC.xdc聲明和定義了模塊BSACENC，該文件名必須和package.xdc文件中定義的模塊名稱(BSACENC)一致;5)BSACENC.xs實現(xiàn)了BSACENC.xdc中聲明的方法。具體代碼為：

export XDCPATH="/home/user/dvsdk_2_00_00_22/codec_engine_2_23_01/packages;

/home/user/dvsdk_2_00_00_22/xdais_6_23/packages;/home/user/dvsdk_2_00_00_22/ceutils_1_06/packages"

4.3 Codec Server創(chuàng)建

在將BSAC編碼器打包成Codec后，為了支持Codec Engine調(diào)用運行在DSP上的音頻編碼算法，必須生成一個DSP端的可執(zhí)行代碼Codec Server(bsacenc.x64P)，該服務器結合了Codecs，F(xiàn)ramework組件和系統(tǒng)代碼。為了生成 Codec Server，需要一些配置文件如.tcf，.cfg，main()等。Tconf腳本語言的配置文件bsacenc.tcf配置了DSP/BIOS，它分配了數(shù)據(jù)和代碼段的存儲空間、使能任務管理器和動態(tài)分配堆，創(chuàng)建和初始化其他DSP/BIOS數(shù)據(jù)對象等。main()用來初始化Codec Engine。通過XDC配置其余組件(如框架組件、DSP/BIOS Link、Codec Engine)，BSAC Server配置文件(bsacenc.cfg)部分代碼如下所示，它定義了 Server的模塊屬性，獲得編碼模塊BSACENC，說明Codec Server中可用的算法bsacenc。具體代碼為：

4.4 ARM端BSAC應用程序創(chuàng)建

ARM端的應用程序主要是完成Codec Engine的配置及BSAC編碼器的多線程設計。Codec Engine的配置文件是通過*.cfg文件存儲的，本文的BSAC編碼器引擎配置文件部分代碼如下所示，它定義了引擎的名字，設置了全局模塊來使配置文件生效，設置引擎的運行環(huán)境和與Codec Server相對應的名稱。BSAC應用程序的Linux多線程程序設計主要包括原始音頻信號的采集，音頻信號的壓縮編碼，最后編碼后的碼流存到本地磁盤用于解碼輸出。具體代碼為：

5 測試結果與分析

BSAC編碼器在封裝的過程中，進行了一些優(yōu)化操作，如浮點運算轉換為定點運算、結構的優(yōu)化、將使用頻繁的變量直接存儲到DSP的L1DSRAM中等，這樣可大大降低DSP的占用率且提高編碼算法的穩(wěn)定性。實驗表明，經(jīng)代碼優(yōu)化后，DSP的占用率從36%減少到18%，大大節(jié)約了DSP資源，為同時執(zhí)行多種編碼器提供了可能。本文的BSAC編碼器能夠支持多種采樣率(48 kHz，44.1 kHz，24 kHz)，量化精度能實現(xiàn)8位或16位，并且能夠壓制出不超過96 kbit/s碼率的碼流。經(jīng)反復測試，編碼器穩(wěn)定性能相對較好，編碼速度快，能夠達到音頻編碼的實時要求，且壓縮后的碼流經(jīng)解碼器還原的聲音從主觀感覺上無法分辨與原始音頻的差別。

6 結束語

針對達芬奇平臺雙核架構的特點，本文采用TMS320DM6446實現(xiàn)了BSAC音頻編碼器的設計，與傳統(tǒng)的方法相比，大大縮短了開發(fā)時間。本文介紹了xDM算法接口標準及DaVinci的軟件架構，成功地將BSAC算法按照xDM接口標準進行了封裝，并且在TMS320DM6446的DSP上實現(xiàn)，在ARM端開發(fā)的BSAC音頻編碼應用程序可根據(jù)用戶需求，自行設置不同的采樣率及碼率，編碼性能均較好。

［1］ISO/IEC JTC1/SC29/WG11.Information technology-coding of audiovisual objects Part3：Audio［S］.2001.

［2］趙勇.DAVINCI技術原理與應用指南［M］.南京：東南大學出版社，2008.

［3］劉書洋，李鳳亭.基于DSP平臺的AVS實時編碼系統(tǒng)設計［J］.電視技術，2009，33(S1)：60-64.

［4］張起貴.最新DSP技術：“達芬奇”系統(tǒng)、框架和組件［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.