基于DM642的X.264編碼器優(yōu)化

H.264標(biāo)準(zhǔn)的全稱(chēng)為“H.264/MPEG-4 part 10”，是由ITU-T和ISO/IEC共同成立的聯(lián)合視頻組(Joint Video Team，JVT)制定的新標(biāo)準(zhǔn)。H.264依然采用預(yù)測(cè)結(jié)合變換的混合編碼方案，為了在相同的編碼框架下得到更高的視頻壓縮編碼性能和更廣泛的適用性，H.264標(biāo)準(zhǔn)引入了許多新技術(shù)，如1/4，1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、多參考幀的幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波和自適應(yīng)算術(shù)編碼等。H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在編碼質(zhì)量和壓縮比上比原有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都有了明顯的提高。

　　在相同的視覺(jué)感知質(zhì)量上，編碼效率比之前的編碼方式提高了50%。H.264標(biāo)準(zhǔn)的編碼性能超越了以往所有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的應(yīng)用前景，大量的應(yīng)用于視頻壓縮和視頻監(jiān)控。

　　目前，H.264編解碼標(biāo)準(zhǔn)的研究主要分為算法研究和硬件實(shí)現(xiàn)兩大類(lèi)，硬件實(shí)現(xiàn)的方案主要分為3種：

　　(1)基于PC平臺(tái)的方案。此方案為純軟件實(shí)現(xiàn)編解碼，利用MMX和SSE/SSE2等多媒體指令集來(lái)優(yōu)化程序，具有開(kāi)發(fā)成本低和周期短等優(yōu)點(diǎn)。PC機(jī)的CPU體系結(jié)構(gòu)并不適合處理數(shù)字信號(hào)，故CPU的有效利用率比較低。

　　(2)基于ASIC芯片的純硬件方案。此方案將視頻編解碼算法固化成硬件，具有集成度高和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但是專(zhuān)用型比較強(qiáng)，產(chǎn)品不易升級(jí)。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了H.264的編解碼芯片，如Fujitsu的MB86H51、Hisilcon的GOALTMHi3510和JVC公司的JCY0237 LSI等。

　　(3)基于DSP的軟硬件結(jié)合方案。此方案利用DSP芯片和其它外圍芯片來(lái)構(gòu)成處理系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)靈活性高、處理能力強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期低、功耗低和易升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。隨著DSP性價(jià)比的不斷提高，該方案已經(jīng)成為目前H.264編碼器硬件實(shí)現(xiàn)的理想方案。

　　H.264編解碼標(biāo)準(zhǔn)具有壓縮比高、適應(yīng)性廣、容錯(cuò)能力強(qiáng)和圖像恢復(fù)質(zhì)量高等特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。TMS320DM642是TI公司推出的一款針對(duì)視頻和圖像處理領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字多媒體處理芯片，具有處理能力強(qiáng)和集成度高等特點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)H.264視頻編碼器的理想芯片之一。很多國(guó)內(nèi)外公司都在開(kāi)發(fā)或已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于DM642開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 X.264編碼器移植

　　X.264是由法國(guó)巴黎中心學(xué)校的中心研究所于2004年6月發(fā)起，由許多視頻愛(ài)好者共同完成的項(xiàng)目，它注重實(shí)效性，在不明顯降低編碼性能的前提下，努力降低編碼的計(jì)算復(fù)雜度，摒棄了JM中一些耗時(shí)相對(duì)較大但對(duì)性能的提升影響很小的模塊，如多參考幀、幀間預(yù)測(cè)中不必要的塊模式、CABAC等。X.264編碼器在程序結(jié)構(gòu)上，利用了MMX/SSE/SSE2等基于X86構(gòu)架的多媒體硬件加速指令。需要將相關(guān)的X86指令屏蔽，對(duì)部分函數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于在DSP上執(zhí)行。簡(jiǎn)單移植過(guò)后的X.264編碼器，在DM642平臺(tái)上的編碼效率極低，表1為移植過(guò)后的X.264編碼器在DM642平臺(tái)上編碼結(jié)果。

　　由結(jié)果可以看出，移植完成后的X.264在DM642平臺(tái)上的編碼效率非常低，只能達(dá)到平均0.6 f/s的編碼速率，需要進(jìn)一步針對(duì)X.264編碼器和DM642的特性來(lái)優(yōu)化以提高編碼效率。

2 X.264編碼器的優(yōu)化

　　2.1 編碼器參數(shù)設(shè)置

　　X.264編碼器在VC下的優(yōu)化使用了一些平臺(tái)相關(guān)的硬件加速指令，所以在VC調(diào)試下的X.264編碼器參數(shù)在DSP平臺(tái)上執(zhí)行將對(duì)編碼速度產(chǎn)生很大的影響。在CCS中優(yōu)化X.264編碼器時(shí)，在不影響編碼質(zhì)量的情況下修改部分參數(shù)以提高編碼的速度。

　　(1)關(guān)閉環(huán)路濾波：環(huán)路濾波器能使解碼圖像的主觀質(zhì)量有所提高，但環(huán)路濾波器只對(duì)提高壓縮效率做出很小的貢獻(xiàn)。如果采用環(huán)路濾波將降低1 ms的編碼時(shí)間。不使用環(huán)路濾波對(duì)圖像的解壓本身沒(méi)有太大影響，而DSP注重速率的情況下關(guān)閉環(huán)路濾波可以獲得更高的編碼速度。表2對(duì)有無(wú)環(huán)路濾波的編碼圖像的峰值信噪比進(jìn)行了對(duì)比，從表中可以看出環(huán)路濾波對(duì)編碼的質(zhì)量影響有限。

　　(2)對(duì)P幀使用半像素搜索，不采用1/4像素搜索。表3列出了半像素搜索與1/4像素搜索的時(shí)鐘周期對(duì)比圖。