運(yùn)用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中DCT系數(shù)快速量化的方法

摘要：以運(yùn)用TMS320C6200定點(diǎn)DSP芯片完成MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中DCT系數(shù)量化為例，簡(jiǎn)要介紹MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的量化方法，提出一種用定點(diǎn)乘法和移位運(yùn)算代替量化過(guò)程中的除法和飽和運(yùn)算的方法，并實(shí)現(xiàn)了快速運(yùn)算。

關(guān)鍵詞：量化 DCT變換 定點(diǎn)DSP芯片 MPEG-4

在基于DCT變換的圖像壓縮編碼方法中，對(duì)DCT系數(shù)必須做量化處理。量化過(guò)程是一個(gè)多對(duì)一的映射，例如對(duì)一個(gè)8×8塊的64個(gè)DCT變換系數(shù)分別除以量化步長(zhǎng)后取整。由于大多數(shù)DCT變換系數(shù)量化后變?yōu)榱?，因而達(dá)到壓縮的目的。由于在量化過(guò)程中用到除法，因此通常需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

但是，可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片結(jié)構(gòu)比定點(diǎn)DSP芯片復(fù)雜，價(jià)格一般也比定點(diǎn)DSP芯片高很多。所以數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中通常采用定點(diǎn)DSP芯片來(lái)完成圖像壓縮運(yùn)算，這種方法已經(jīng)成為數(shù)字圖像處理技術(shù)的的一個(gè)趨勢(shì)。

可用于數(shù)字圖像處理的比較好的定點(diǎn)DSP芯片有德州儀器公司新一代高性能定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6200系列。它具有VLIW（Very Long Instruction Word）結(jié)構(gòu)，由8個(gè)可并行運(yùn)行的執(zhí)行單元構(gòu)成。這些單元使得該系列芯片在單周期內(nèi)可以并行執(zhí)行多條指令，例如在單周期內(nèi)并行完成2個(gè)16位×16位乘法和2個(gè)移位操作。它還具有流水線結(jié)構(gòu)，使得若干條指令的不同執(zhí)行階段可以并行執(zhí)行。這些設(shè)計(jì)使得TMS320C6200系列芯片程序執(zhí)行速度更快、性能更高。如200MHx時(shí)鐘的TMS320C6201峰值性能可以達(dá)到1600MIPS。

在定點(diǎn)DSP上完成除法，通常的辦法是調(diào)用庫(kù)函數(shù)。但是調(diào)用庫(kù)函數(shù)，勢(shì)必會(huì)打破循環(huán)中的流水線操作，嚴(yán)重影響量化的完成速度。所以提高量化過(guò)程速度的關(guān)鍵就在于避免任何函數(shù)調(diào)用、跳轉(zhuǎn)等操作。

本文以TMS320C6200系列定點(diǎn)DSP為例，提出一種用定點(diǎn)乘法和移位運(yùn)算來(lái)代替量化過(guò)程中除法和飽和運(yùn)算的方法，從而極大地提高了量化過(guò)程的運(yùn)行速度。該方法也同樣適用于其它各種定點(diǎn)微處理器。

1 MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中采用的量化技術(shù)及程序優(yōu)化

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種量化方式：H.263量化方式和MPEG-4量化方式。這里為簡(jiǎn)單起見，只介紹TMN2.0編碼器所用到的一種量化策略：AC系數(shù)和幀間宏塊的DC系數(shù)用H.263量化方式，而幀內(nèi)宏塊的DC系數(shù)用MPEG-4量化方式中的DC系數(shù)非線性量化方式。

1.1 H.263量化方式

量化參數(shù)QP可以取值[1,3]，量化步長(zhǎng)為2QP。則量化公式為：

對(duì)于幀內(nèi)宏塊，LEVEL=|COF|/(2QP)

對(duì)于幀間宏塊，LEVEL=(|COF|-QP/2)/(2QP)式中，COF表示即將被量化的DCT變換系數(shù)，LEVEL表示量化結(jié)果的絕對(duì)值。

1.2 MPEG-4DC系數(shù)非線性量化方法

量化公式為：LEVEL=DC_COF//dc_scaler

式中，DC_COF表示即將被量化的DCT變換DC系數(shù)；LEVEL表示量化結(jié)果；//表示先進(jìn)行除法運(yùn)算，然后對(duì)結(jié)果四舍五入取整。

在內(nèi)部宏塊內(nèi)，定義亮度塊為類型 1塊，色差塊為類型2塊，類型1塊的C系數(shù)由類型1的非線性標(biāo)尺量化；類型2的DC系數(shù)由類型2的非線性標(biāo)尺量化。

表1為定義DC非線性量化標(biāo)尺dc_scaler。

表1 幀內(nèi)宏塊DC系數(shù)標(biāo)尺

從表1中可以看到亮度塊和色差塊的DC系數(shù)有獨(dú)立的量化標(biāo)尺，亮度塊具有較大的標(biāo)尺而色度塊具有較小的標(biāo)尺。這種分段線性的非線性量化策略是一種高效的量化方式，它在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了壓縮效率。

1.3 將量化除法改定點(diǎn)乘法的方式

以內(nèi)部宏塊的AC系數(shù)量化公式為例，將其改寫為：

LEVEL=|COF|/2QP=|COF|（2 n/2QP）/2 n

定義量化參數(shù)ac_cocff=[2n/2QP],[x]表示對(duì)x截尾取整，則：

LEVEL=|COF|×ac_coeff/2n

在QP的取值都范圍[1,31]內(nèi)，要使截尾取整后的每一個(gè)2 n/2QP的值都能夠用量化參數(shù)ac_coeff一一對(duì)應(yīng)地表示，n必須足夠大。通過(guò)計(jì)算得出：當(dāng)n≥11時(shí)滿足要求。

取n=11得到ac_coeff的計(jì)算公式為：

ac_coeff=[2 11/2QP]

其實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)字（32 bit）的低11位（0Q11）來(lái)表示1/2QP的小數(shù)部分。

由于QP在[1,31]之間，可以用上述公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)于幀內(nèi)宏塊AC系數(shù)量化的量化系數(shù)的查找表：ac_coeff=AcQConff[QP]。用C語(yǔ)言表示為（假設(shè)QP=0時(shí)ac_coeff=0）：

const short int AcQConeff[32]=

{0x000,0x400,0x200,0x155,0x100,0x0cc,0x0aa,0x092,

0x080,0x071,0x066,0x05d,0x055,0x04e,0x049,0x044,

0x040,0x03c,0x038,0x035,0x033,0x030,0x02e,0x02c,

0x02a,0x028,0x027,0x025,0x024,0x023,0x022,0x021};

計(jì)算表明，AC系數(shù)量化系數(shù)、亮度塊DC系數(shù)量化系數(shù)和色差塊DC量化系數(shù)都可以統(tǒng)一用一個(gè)字的低11位（0Q11）來(lái)表示。這樣就可以分別計(jì)算出它們的量化系數(shù)的查找表，從而實(shí)現(xiàn)用乘法運(yùn)算代替除法運(yùn)算。

而除以2 n的操作可以用右移n位的辦法來(lái)完成。

對(duì)于8bit無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)表示的象素值，在經(jīng)過(guò)DCT變換后，其DCT變換系數(shù)的值域?yàn)閇-2048,2047]，最大有12位二進(jìn)制數(shù)。同時(shí)，由上述分析可知量化系數(shù)最大有11位。所以DCT變換系數(shù)與量化系數(shù)相乘的結(jié)果最大將有11+12共23位。由于TMS320C62xDSP芯片中集成的乘法器是16位×16位的乘法器，乘法運(yùn)算結(jié)果存放到32位的寄存器中。所以用本文方法計(jì)算出的量化系數(shù)與DCT變換系數(shù)相乘后，結(jié)果不會(huì)溢出。

根據(jù)MPEG-4 Visual標(biāo)準(zhǔn)TMN 2.0的要求，量化后AC系數(shù)值要飽和到[-2048，2047]之間。這可以利用TMS320C62x芯片指令集中的飽和左移指令SSHL來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需兩條指令即可完成飽和運(yùn)算，無(wú)需使用比較指令和跳轉(zhuǎn)指令。

下面給出內(nèi)部宏塊量化的TMS320C62x線性匯編程序：

cmpeq type,1 //type定義的是當(dāng)前塊的類型

[type] ldh *+DcLumQCoeff[QP],dc_coeff //得到類型1的DC系數(shù)的量化參數(shù)

[!type] ldh *+DcChromQCoeff[QP],dc_coeff //得到類型2的DC系數(shù)的量化參數(shù)

lde *coeff[0],level //取出DCT變換DC系數(shù)

mpy level,dc_coeff,level //用乘法進(jìn)行量化

addk 0x400,level //加 0x400,對(duì)結(jié)果進(jìn)行四舍五入

shr level,11,level //右移11位

cmpgt level,maxDC,tmp //對(duì)量化后的DC系數(shù)進(jìn)行飽和運(yùn)算

[tmp] mv maxDC,level //將其限制在[1,maxDC]之間cmplt level,1,tmp

[tmp] mvk 1,level

ldh *+AcQcoeff[QP],ac_coeff //得到AC系數(shù)的量化參數(shù)

mvk 63,cntr //63次循環(huán)，只對(duì)AC系數(shù)進(jìn)行量化

loop: .trip 63 ldh *coeff++[1],cof //取出DCT變換AC系數(shù)

abs cof,level

mpy level,ac_coeff,level //對(duì)AC系數(shù)絕對(duì)值用乘法進(jìn)行量化

shru level,11,level //右移11位

cmplt cof,0,tmp

[tmp] neg level,result

[!tmp] mv level,result

sshl result,20,result //將量化后的AC系數(shù)值進(jìn)行飽和運(yùn)算，

shru result,20,result //將結(jié)果限制在[-2048,2047]之間

sth result,*qcoeff++[1]

[cntr] sub cntr,1,cotr

[cntr] b loop

由該程序可以看到，程序中沒有任何會(huì)影響流水線的的跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句及函數(shù)調(diào)用。因此將該程序編譯后會(huì)發(fā)現(xiàn)，此循環(huán)被優(yōu)化構(gòu)成軟件流水。如果再使用其它一些優(yōu)化手段，比如合并程序中的移位指令，合作字訪問指令一次處理兩個(gè)短型數(shù)據(jù)等，該程序的效率將會(huì)更高。我們用TMS320C62x軟件仿真器測(cè)試表明，原來(lái)使用除法的量化函數(shù)需要4871個(gè)周期，而運(yùn)用上述優(yōu)化辦法進(jìn)行優(yōu)化后的量化函數(shù)只需275個(gè)周期即可完成，效率提高約18倍。

DCT/IDCT變換及量化過(guò)程是視頻圖像壓縮系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊。該模塊的執(zhí)行速率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的處理流度影響很大，因此將量化過(guò)程中的浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)運(yùn)行，提高該模塊在定點(diǎn)DSP芯片上的執(zhí)行速度，其意義顯得尤為重要。同時(shí)由于目前絕大多數(shù)數(shù)字通訊系統(tǒng)都基于定點(diǎn)DSP芯片，如果用定點(diǎn)芯片完成視頻圖像處理將會(huì)有易于與數(shù)字通訊系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。我們的這一方法為在定點(diǎn)芯片上完成圖像處理進(jìn)行了有益的嘗試，為后續(xù)的研發(fā)工作打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。