一種處理器的視頻編碼器平臺的探討

　　1 硬件平臺

　　1.1 ADSP-BF561處理器

　　ADSP-BF561 的推出使Analog Devices公司的Blackfin處理器系列得到了進一步的擴充，這款器件具有由兩個Blackfin處理器內核構成的對稱多處理結構。相比ADSP-BF533，ADSP-BF561可提供兩倍的信號處理性能、兩倍的片上處理器以及顯著提高的數據帶寬能力。ADSP-BF561 與ADSP-BF533完全代碼兼容，并利用架構的動態(tài)電源管理能力而繼續(xù)保持了非常低的功耗。

　　Blackfin561是Blackfin系列中的一款高性能定點DSP視頻處理芯片。ADSP-BF561 集成了兩個工作頻率均高達756MHz的Blackfin處理器內核（ADI公司還提供了低成本的500MHz和600MHz版本）和2.6Mbytes的片上SRAM存儲器。ADSP-BF561 片上存儲器被分配于每個內核的專用、高速L1存儲器和一個128KBytes大容量共享L2存儲器之間。32位外部端口和雙16通道DMA控制器提供了極高的數據帶寬。ADSP-BF561 片上外設包括兩個并行外設接口（均支持ITU-R 656視頻格式化）和支持I2S格式的高速串行端口。ADSP-BF561 專門針對各種消費類多媒體應用進行了優(yōu)化。

　　1.2 基于ADSP-BF561的視頻編碼器平臺

　　此評估板包括1塊ADSP-BF561處理器、32MBSDRAM和4MBFlash，板中的AD-V1836音頻編解碼器可外接4輸入／6輸出音頻接口，而ADV7183視頻解碼器和ADV7171視頻編碼器則可外接3輸入／3輸出視頻接口此外，該評估板還包括1個UART接口、1個USB調試接口和1個JTAG調試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號經視頻芯片ADV7183A轉化為數字信號，此信號從Blackfin561的PPI1（并行外部接口）進入Blackfin561芯片進行壓縮，壓縮后的碼流則經ADV7179轉換后從ADSP-BF561的PPI2口輸出。此系統可通過Flash加載程序，并支持串口及網絡傳輸。編碼過程中的原始圖像、參考幀等數據可存儲在SDRAM中。

　　2 H.264視頻壓縮編碼算法的主要特點

　　H.264壓縮算法和以太網（IP）接口，可實現1路單向數字視頻、2路雙向高保真音頻、1～2路雙向異步數據在以太網上高質量傳輸。視頻編解碼標準主要包括兩個系列：一個是MPEG系列，一個是H.26X系列。其中MPEG系列標準由ISO／IEC組織制定，H.26X系列標準由ITU-T制定。

　　H.264視頻壓縮算法采用與H.263和MPEG-4類似的、基于塊的混和編碼方法，它采用幀內編碼（Intra）和幀間編碼（Inter）兩種編碼模式。與以往的編碼標準相比，為了提高編碼效率、壓縮比和圖像質量，H.264采用了以下全新的編碼技術：

　?。?）H.264按功能將視頻編碼系統分為視頻編碼層（VCL，VideoCodingLayer）和網絡抽象層（NAL，NetworkAbstractionLayer）兩個層次。其中VCL用于完成對視頻序列的高效壓縮，NAL則用于規(guī)范視頻數據的格式，主要提供頭部信息以適合各種媒體的傳輸和存儲。

　?。?）先進的幀內預測，它對含有較多空域細節(jié)信息的宏塊采用4×4預測，而對于較平坦的區(qū)域則采用16×16的預測模式，前者有9種預測方法，后者有4種預測方法。

　?。?）幀間預測采用更多的塊劃分種類，標準中定義了7種不同尺寸和形狀的宏塊分割和子宏塊分割。由于采用更小的塊和自適應編碼方式，故可使得預測殘差的數據量減少，從而進一步降低了碼率。

　?。?）1/4 采樣精度運動補償：以前的標準最多 1/2 精度運動補償，首次 1/4 采樣精度運動 補償出現在 MPEG-4 第二部分高級類部分，但 H.264/AVC 大大減少了內插處理的復雜度。

　?。?） 改善“跳過”和“直接”運動推測：在以前的標準中，預測編碼圖像的“跳過”區(qū) 不能有運動。當編碼有全局運動的圖像時，該限制有害。H.264/AVC 對“跳過”區(qū)的 運動采用推測方法。對雙預測的 B 幀圖像，采用高級運動預測方法，稱為“直接”運動補 償，進一步改善編碼效率。

　　（6）整數變換（DCT／IDCT）。對殘差圖像的4×4整數變換技術，采用定點運算來代替以往DCT變換中的浮點運算。以降低編碼時間，同時也更適合到硬件平臺的移植。

　　（7）H.264／AVC支持兩種熵編碼方法，即CAVLC（基于上下文的自適應可變長編碼）和CABAC（基于上下文的自適應算術編碼）。其中CAVLC的抗差錯能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率高，但需要的計算量和存儲容量更大。

　　（8）多參考圖像運動補償：在 MPEG-4及以前的標準中，P 幀只使用一幀，B 幀只使用 兩幀圖像進行預測。H.264/AVC 使用高級圖像選擇技術，可以用以前已編碼過且保留在緩 沖區(qū)的大量的圖像進行預測，大大提高了編碼效率。

　　H.264的這些新技術使運動圖像壓縮技術向前邁進了一大步，它具有優(yōu)于MPEG-4和H.263的壓縮性能，可應用于因特網、數字視頻、DVD及電視廣播等高性能視頻壓縮領域。

　　3 H.264視頻編碼算法的實現

　　將H.264在DSP進行改進要經過以下3個步驟：PC機上的C算法優(yōu)化、從PC機到DSP的程序移植、在DSP平臺上的代碼優(yōu)化。

　　3.1 PC機上的C算法優(yōu)化

　　根據系統要求，本設計選擇了ITU的Jm8.5版本baselineprofile作為標準算法軟件。ITU的參考軟件JM是基于PC機設計的，故可取得較高的編碼效果。將視頻編解碼軟件移植到DSP時，應考慮到DSP系統資源，主要應考慮的因素是系統空間，需要對原始的C代碼進行評估，這就需要對所移植的代碼有所了解。

　　了解了算法結構以后，還需要確定在編碼算法的實現過程中，運算量較大且耗時較長的部分。VC6自帶的profile分析工具顯示：幀內與幀間編碼部分占用了整體運行時間的60％以上。其中ME（MoveEstimation，運動估計）又占用了其中較多的時間。

　?。?）大幅刪減不必要的文件和函數

　　由于選用了baseline和單一參考幀，因此，很多文件和函數都可以刪減，包括有關B幀、SI片、SP片和數據分割、分層編碼、權值預測模式、CABAC編碼模式等不支持特性的冗余程序代碼，此外，還可以刪除top_pic、bottom_pic等與場有關的全局變量與局部變量、分層編碼、多slice分割以及FMO、與場編碼／幀場自適應編碼／宏塊自適應編碼有關的預測、參考幀排序、輸入輸出以及解碼器緩存操作等；也可以刪除隨機幀內宏塊刷新模式和權值預測模式等相關的冗余代碼，同時刪除rtp.c；sei.c中包含一些輔助編碼信息（并不編入碼流中），如果不用，也可以刪除leaky_bucket.c用于計算泄漏緩存器的參數。

　?。?）配置函數的改寫

　　由于JM的系統參數配置是通過讀取encoder.cfg文件來實現的，故可將參數配置由讀取文件改為通過初始化集中賦值函數來實現，這樣既減少了代碼量，又減少了對有限內存空間的占用和讀取時間，提高了編碼器整體的編碼速度。

　?。?）去除冗余的打印信息

　　為了調試與算法改進的方便，JM保留了大量的打印信息。為了提高編碼速度，減少存儲空間消耗，這些信息完全可以刪掉。如果lor.dat和stat.dat僅需在PC機上調試時使用，也沒必要移植到DSP平臺上，跟這部分相關的代碼完全可以去除。但是，調試時所需的基本信息（如碼率、信噪比、編碼序列等）則應保留參考。

　　通過調整可使得代碼的結構、容量更加精簡，從而為接下來在DSP上的移植做好準備。

　　3.2 從PC機到DSP的程序移植

　　要將PC端精簡的程序移植到ADSP-BF561的開發(fā)環(huán)境VisualDSP下，以使其能夠初步運行，所需考慮的主要是語法規(guī)則和內存分配等問題。

　?。?）除去所有編譯環(huán)境不支持的函數

　　（2）添加與硬件相關的代碼

　?。?）配置LDF文件

　　（4）Malloc問題的解決

　　4 DSP平臺上的代碼優(yōu)化

　　在VisualDSP開發(fā)環(huán)境下對代碼進行優(yōu)化的主要方法有C語言級優(yōu)化和匯編級優(yōu)化。

　　4.1 C語言級優(yōu)化

　　通過VC6的profile分析工具發(fā)現：移植與優(yōu)化的重點應在運動估計部分。DS算法可采用兩種搜索模板，分別是有9個檢索點的大模板LD-SP和有5個檢索點的小模板SDSP（SmallDiamondSearchPattern）。搜索時，先用大模板計算，當最小塊誤差SAD點出現在中心點處時，再將大模板LDSP換為SDSP進行匹配運算，這時，5個點中具有最小SAD者若為中心點，則該點即為最優(yōu)匹配點，然后結束