AVS編碼與DSP實(shí)現(xiàn)的視頻編碼器

引 言
隨著數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)世界上出現(xiàn)了許多數(shù)字音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。AVS(Audio Vicleo Coding Stand-ard)是我國(guó)自主制定，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。與世界其他知名音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，它具有如下特點(diǎn)：①性能高，編碼效率比MPEG2高2倍以上，與H．264的編碼效率相當(dāng)；②算法復(fù)雜度比H．264低；③軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于H．264；④專利授權(quán)模式簡(jiǎn)單，費(fèi)用明顯低于同類標(biāo)準(zhǔn)。在碼率和PSNR相當(dāng)?shù)那闆r下，AVS的編碼速度是H.264的4倍以上。
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列技術(shù)來(lái)達(dá)到高效率的視頻編碼，包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、變換和量化、熵編碼等。幀問(wèn)預(yù)測(cè)使用基于塊的運(yùn)動(dòng)矢量消除圖像聞的冗余；幀內(nèi)預(yù)測(cè)使用空間預(yù)測(cè)模式消除圖像內(nèi)的冗余；再通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行變換和量化消除圖像內(nèi)的視覺(jué)冗余；最后，運(yùn)動(dòng)矢量、預(yù)測(cè)模式、量化參數(shù)和變換系數(shù)用熵編碼進(jìn)行壓縮，以消除編碼碼字冗余。
DSP的實(shí)現(xiàn)是AVS硬件應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，而實(shí)時(shí)性則是一個(gè)重要要求；但由于標(biāo)準(zhǔn)提出的時(shí)間短，所以DSP實(shí)現(xiàn)的實(shí)例很少，能將AV5算法在DSP上實(shí)現(xiàn)，對(duì)AVS的發(fā)展有很大的意義。另外，具有強(qiáng)大處理能力的DSP非常適合應(yīng)用在通信和圖像處理領(lǐng)域。
本系統(tǒng)選用TI公司最新推出的數(shù)字媒體處理器TMS320DM6446(簡(jiǎn)稱“DM6446”)，其主頻高達(dá)594MHz，具有豐富的專為多媒體運(yùn)算優(yōu)化的指令集，包括可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并能降低系統(tǒng)成本的集成多媒體與通信外設(shè)。片上集成的基于ARM9的ARM926EJ-S核(主頻高達(dá)297 MHz)，豐富的媒體、外設(shè)接口，為AVS視頻編解碼方案提供了很好的硬件基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)DSP對(duì)CCD攝像頭獲取的YUV 4：2：0信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將壓縮后的數(shù)據(jù)流通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到監(jiān)控室。
數(shù)據(jù)壓縮單元主要由DSP和SDRAM實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

DM6446增加了很多外圍設(shè)備及接口。例如：
◇視頻處理子系統(tǒng)VPSS(Video Processing Subsystem)，其中包含CCD設(shè)備接口；
◇擴(kuò)展內(nèi)存接口EMIF(External Memory Inter-faces)；
◇FPGA接口(VLYNQ Interface)；
◇以太網(wǎng)接口1O／100Mbps EMAC(Ethernet MAC)。
視頻信號(hào)采集進(jìn)來(lái)之后，采用EDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移；搬移到緩存(cache)中后，DM6446便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。圖2為該系統(tǒng)的軟件流程圖。

緩存完l幀后，DSP便通過(guò)EDMA讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，結(jié)果通過(guò)EDMA存儲(chǔ)在SDRAM中。當(dāng)DSP處理完1幀之后，通知主機(jī)讀取數(shù)據(jù)；主機(jī)接到通知后，通過(guò)以太網(wǎng)以EDMA形式將壓縮數(shù)據(jù)讀到主機(jī)內(nèi)存中并保存在硬盤(pán)里。在監(jiān)控主機(jī)上安裝有AVS解碼器客戶端，還可以在主機(jī)上對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。上述過(guò)程循環(huán)執(zhí)行。在執(zhí)行過(guò)程中可以根據(jù)視頻碼率自動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)參數(shù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 AVS視頻壓縮原理
該系統(tǒng)采用AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)，原理框圖如圖3所示。

在AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)中，所有宏塊都要進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)殘差需要進(jìn)行88離散余弦變換(DCT)和量化，然后對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行掃描，得到一維排列的量化系數(shù)，最后對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行熵編碼。AVS使用環(huán)路濾波器對(duì)重建圖像濾波，優(yōu)點(diǎn)在于：一方面可以消除方塊效應(yīng)．改善重建圖像的主觀質(zhì)量；另一方面能夠提高編碼效率。濾波強(qiáng)度可以自適應(yīng)調(diào)整。

2．2 AVS的主要技術(shù)
(1)變換和量化
考慮到編碼性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用等多方面因素，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)最終選擇了88離散余弦變換。在AVS中，采用帶PIT(Pre-Scaled Integer Transform)的8x8整數(shù)余弦變換技術(shù)，即正向縮放、量化、反向縮放結(jié)合在一起，而解碼端只進(jìn)行反量化，不再需要反向縮放。AVS的88變換量化可在16位精度上無(wú)失配地實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于PC機(jī)，一般將DCT中大量的乘加運(yùn)算使用加法和移位來(lái)實(shí)現(xiàn)。但就本系統(tǒng)的TMS32013M6446而言，乘加可以通過(guò)合理安排流水線而在一個(gè)周期內(nèi)完成，完全沒(méi)有必要也不應(yīng)該為了減少乘法而使用大量的加法和移位運(yùn)算。而對(duì)于2的整次冪的乘法還是應(yīng)使用移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐莆贿\(yùn)算比乘法運(yùn)算的功耗要低。
(2)幀內(nèi)預(yù)測(cè)
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)提高幀內(nèi)編碼宏塊的編碼效率，預(yù)測(cè)時(shí)使用當(dāng)前塊的左邊塊和上邊塊中的相鄰像素作為參考像素。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)以88亮度塊和色度塊為單位，定義了5種88亮度塊預(yù)測(cè)模式和4種88色度塊預(yù)測(cè)模式(參見(jiàn)表1和圖4)，大大簡(jiǎn)化了幀內(nèi)預(yù)測(cè)。

(3)幀間預(yù)測(cè)
AVS支持P幀和B幀兩種幀間預(yù)測(cè)圖像。P幀至多采用2個(gè)前向參考幀，可在不增加緩沖區(qū)大小的前提下提高編碼效率；B幀采用前后各一個(gè)參考幀。
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊的大小包括1616、168、816、88等。運(yùn)動(dòng)矢量的精度為1／4像素，為得到非整數(shù)樣本，需要進(jìn)行插值運(yùn)算。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了2個(gè)4抽頭FIR濾波器，分別用于l／2和1／4亮度樣本的插值。與H．264使用的6抽頭FIR濾波器相比，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的濾波器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低。
(4)環(huán)路濾波
基于塊的視頻編碼很容易造成方塊效應(yīng)，特別是在低碼率的情況下。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了自適應(yīng)環(huán)路濾波器來(lái)消除方塊效應(yīng)，改善重建圖像的主觀質(zhì)量，同時(shí)可提高編碼效率。環(huán)路濾波是對(duì)亮度塊和色度塊的邊界進(jìn)行的。濾波時(shí)首先對(duì)塊的水平邊界濾波，然后再對(duì)塊的垂直邊界濾波。濾波強(qiáng)度由宏塊編碼模式、量化參數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量等決定。H．264的環(huán)路濾波器濾波時(shí)使用邊界左右各4個(gè)像素，而AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)只使用左右各3個(gè)像素，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低于H.264的環(huán)路濾波器。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)使用的環(huán)路濾波器也更有利于DSP的并行實(shí)現(xiàn)。
(5)熵編碼
AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)使用k階(k=O～3)指數(shù)哥倫布碼。CBP、宏塊模式和運(yùn)動(dòng)矢最等用0階指數(shù)哥倫布碼編碼。量化系數(shù)使用全部4種指數(shù)哥倫布碼，采用2D-VLC編碼方法，對(duì)量化系數(shù)的(run、level)進(jìn)行編碼。指數(shù)哥倫布碼的碼字結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，解碼器不需要存儲(chǔ)碼表。量化系數(shù)使用的19張映射表所需的存儲(chǔ)空間小于2 KB。視頻標(biāo)準(zhǔn)還定義了新的ESCAPE編碼方法，能夠獲得O．05～O．08 dB的編碼增益。

2．3 程序在DSP上的優(yōu)化
本系統(tǒng)壓縮部分程序以AVS參考代碼rm52f為編碼部分的源代碼基礎(chǔ)，針對(duì)AVS編碼算法和DSP的特點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)。對(duì)程序作如下優(yōu)化：
①合理設(shè)置結(jié)構(gòu)體和變量類型。經(jīng)常用到的數(shù)組變量不放到結(jié)構(gòu)體中，否則要進(jìn)行雙級(jí)尋址，降低效率；對(duì)變最長(zhǎng)度進(jìn)行合理定義，嚴(yán)格合理區(qū)分8位、16位、32位的變量分配，能用小的則不用大的。(注意：在循環(huán)體中，循環(huán)計(jì)數(shù)變量應(yīng)一律使用int型，即船位，而不要使用short型)
②循環(huán)展開(kāi)。過(guò)多過(guò)深的循環(huán)不利于編譯器做軟件流水優(yōu)化，影響DSP并行處理，因此根據(jù)DSP特性適當(dāng)拆開(kāi)內(nèi)循環(huán)，可以使DSP在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。優(yōu)化循環(huán)較好的方法是抽出循環(huán)作為單獨(dú)文件，對(duì)其重新編寫(xiě)、編譯和單獨(dú)執(zhí)行。由于內(nèi)層循環(huán)是惟一可以進(jìn)行軟件流水的循環(huán)，所以應(yīng)該注意以下問(wèn)題(否則會(huì)使循環(huán)不能進(jìn)行軟件流水，嚴(yán)重影響性能)：①可以包括內(nèi)聯(lián)函數(shù)，但不可包括函數(shù)調(diào)用；②不可有條件終止、提前退出指令；③必須遞減計(jì)數(shù)且在O時(shí)終止(可用-o2、-o3自動(dòng)轉(zhuǎn)換)；④不可在循環(huán)體中修改循環(huán)計(jì)數(shù)值。
③使用EEMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，這在CPU頻繁訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)能大大節(jié)省CPU資源。其主要實(shí)現(xiàn)了下列數(shù)據(jù)傳輸：視頻數(shù)據(jù)從片外存儲(chǔ)器傳到片內(nèi)Cache中；編碼數(shù)據(jù)從片內(nèi)傳輸?shù)狡獗４?；做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，將片外對(duì)應(yīng)的參考?jí)K數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡瑑?nèi)。
④使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和線性匯編。DSP提供了許多非常有用的內(nèi)聯(lián)函數(shù)(Intrinsics)，使用這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以很大程度地提高程序運(yùn)行速度。對(duì)于耗時(shí)最多的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和DCT變換部分進(jìn)行線性匯編能大大提高程序的執(zhí)行效率。使用線性匯編和標(biāo)準(zhǔn)匯編相比，不必考慮并行指令安排、指令延遲、寄存器使用和功能單元的使用，可以大大縮短編寫(xiě)代碼的時(shí)間，且效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C程序。
⑤利用編譯選頂?？梢酝ㄟ^(guò)參數(shù)-o3的設(shè)置進(jìn)行最高級(jí)別的軟件流水線優(yōu)化；可以通過(guò)參數(shù)-mt告訴編譯器源程序沒(méi)有使用混疊技術(shù)，以此提高編譯器優(yōu)化的效果；可以通過(guò)參數(shù)-pm的設(shè)置，使編譯器對(duì)程序級(jí)代碼進(jìn)行優(yōu)化。使用C64xx型DSP時(shí)，應(yīng)使用-mv6400編譯選項(xiàng)，以便對(duì)此類DSP進(jìn)行更高級(jí)別的優(yōu)化。
⑥利用快速算法。AVS編碼器中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)耗時(shí)相當(dāng)大。優(yōu)化運(yùn)動(dòng)估計(jì)的搜索次序，采用自適應(yīng)的搜索策略可以較大地提高運(yùn)動(dòng)估計(jì)的速度，比如使用FastME來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。另外在1／4像素插值方面也可進(jìn)行一些調(diào)整，以避免重復(fù)計(jì)算。

3 總結(jié)
本系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮處理及傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、內(nèi)存讀寫(xiě)、SDRAM讀寫(xiě)、配置空間讀寫(xiě)和寄存器讀寫(xiě)操作，同時(shí)協(xié)調(diào)幾種操作實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的AVS壓縮。本系統(tǒng)能夠完成4路CIF格式(352288)視頻的實(shí)時(shí)編碼，且有預(yù)留資源可供性能擴(kuò)展。以CIF格式測(cè)試序序bus為例，本系統(tǒng)壓縮的結(jié)果：當(dāng)設(shè)置QP為36時(shí)，碼率為952．77 kbps，SNRY(亮度信號(hào)的信噪比)為30．80 dB，編碼速度為36 fps。從結(jié)果中可以看出，對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，PSNR(峰值信噪比)指標(biāo)較理想，編碼速度也滿足了實(shí)時(shí)的要求。隨著AVS視頻編碼技術(shù)的不斷完善，該系統(tǒng)可以很容易地進(jìn)行升級(jí)，將在電視會(huì)議等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>