H.264視頻編碼器在DSP上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

摘要：在DM642 EVM平臺上實(shí)現(xiàn)了 H.264視頻編碼器，并從內(nèi)存分配、Cache優(yōu)化、代碼優(yōu)化以及匯編程序級優(yōu)化等幾個(gè)方面對編碼器進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的編碼器能保持較高的圖象質(zhì)量和壓縮效率，并具有較好的實(shí)時(shí)性能。

1 引言

　　H.264/AVC是ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC運(yùn)動圖象專家組聯(lián)合提出的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。在相同的條件下，與MPEG-1、MPEG-2、H.263、MPEG-4等標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264/AVC能夠減少50%的碼流。但是，H.264的高編碼效率是以高運(yùn)算量和高復(fù)雜度為代價(jià)的。

　　本文采用具有較高運(yùn)算速度和較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的DM642 EVM作為H.264視頻編碼器實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化的DSP硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了 H.264視頻編碼算法，并對算法程序進(jìn)行了綜合優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的 H.264視頻編碼器能保持較高的圖象質(zhì)量和壓縮效率，并具有較好的實(shí)時(shí)性能。

2 H.264視頻編碼技術(shù)及DM642 EVM開發(fā)平臺

　　2.1 H264視頻編碼技術(shù)

　　H.264壓縮算法采用與H.263和MPEG-4類似的基于塊的混和編碼方法，采用幀內(nèi)(Intra)和幀間(Inter)兩種編碼模式。為了提高編碼效率、壓縮比和圖象質(zhì)量，H.264采用了許多新的編碼技術(shù)，這些技術(shù)主要有：

　　⑴ H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮系統(tǒng)由視頻編碼層(VCL，Video Coding Layer)和網(wǎng)絡(luò)抽象層(NAL，Network Abstraction Layer)兩部分組成。

　?、?H.264采用幀內(nèi)預(yù)測，昀大程度地減少圖象的空間冗余信息。

　?、?H.264的幀間預(yù)測采用多幀參考幀（參考的個(gè)數(shù)為1～5）、高精度的內(nèi)插算法(包括1/4和 1/8精度)、多種變形搜索塊等新的方法，在很大程度上提高運(yùn)動估計(jì)與補(bǔ)償?shù)男省?/p>

　?、?1/4、1/8象素精度的亞象素運(yùn)動估計(jì)：對于QCIF視頻格式使用1/4象素精度預(yù)測方式，對于CIF視頻格式使用1/8象素精度預(yù)測方法。

　　⑸ 殘差圖象的4x4整數(shù)DCT變換技術(shù)，逆變換過程中沒有匹配錯(cuò)誤問題。

　?、?新的環(huán)路濾波技術(shù)及熵編碼技術(shù)等。

　　2.2 DM642 EVM開發(fā)平臺DM642

　　EVM是TI推出的一款專門面向多媒體應(yīng)用的開發(fā)平臺,板上資源包括：DM642 CPU芯片、4M×64bit同步動態(tài)存儲器(SDRAM)、4M×8bit FLASH存儲器和一路視頻編碼和兩路視頻解碼等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。DM642基于C64X內(nèi)核，主頻高達(dá)600MHz，采用超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，每個(gè)指令周期可并行處理8條32位的指令，處理能力達(dá)4800MIPS；片上內(nèi)存采用二級緩存Cache結(jié)構(gòu)，L1由16KB的數(shù)據(jù)Cache L1D和16KB的程序Cache L1P組成，256KB的L2可配置成SRAM或Cache，大幅度提高了程序的運(yùn)行性能；片內(nèi)64位的EMIF(External MemoryInterface)接口可以與SDRAM、Flash等存儲器件無縫連接，極大地方便了大量數(shù)據(jù)的搬移；DM642包括了3個(gè)專用的視頻端口(VP0～VP2)，用于接收、處理視頻數(shù)據(jù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能；DM642自帶的EMAC口以及從EMIF口擴(kuò)展出來的ATA口，還為處理完成后產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)提供了存儲通道。因此，實(shí)現(xiàn)H.264的視頻算法，高性能的DM642 EVM是一個(gè)理想的硬件平臺。

3 H.264視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

　　3.1 編碼器的實(shí)現(xiàn)

　　H.264視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)有多種方法，不過大部分都是進(jìn)行移植、優(yōu)化的操作。H.264代碼要在DSP的軟件平臺CCS環(huán)境下運(yùn)行，需要注意幾個(gè)問題：如配置文件、庫文件的改動、數(shù)據(jù)類型的調(diào)整、匯編程序的處理、內(nèi)存終結(jié)模式的調(diào)整等。

　　H.264編碼采用變換和預(yù)測的混合編碼方法，其原理如圖2所示。輸入幀或者場Fn以宏塊為單位被編碼器處理，即將圖象分成子圖象塊，以子圖象塊作為編碼單元。當(dāng)采用幀內(nèi)預(yù)測編碼時(shí)，預(yù)測值P是由當(dāng)前片中已編碼的參考圖象經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償(MC)后得出的，其中參考圖象用F1n-1表示；為了提高預(yù)測精度，從而提高壓縮比，實(shí)際的參考圖象可在過去或未來已編碼解碼重建和濾波的幀中選擇。預(yù)測值P和當(dāng)前塊相減后，產(chǎn)生一個(gè)殘差塊Dn，經(jīng)塊變換、量化后產(chǎn)生一組量化后的變化系數(shù)X，再經(jīng)過熵編碼，與解碼所需的一些邊信息（如預(yù)測模式量化參數(shù)、運(yùn)動矢量等）一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)過NAL供傳輸和存儲用。