一種基于DSP平臺的快速H.264編碼算法的設計

　　視頻壓縮編碼標準H.264／AVC是由ISO／IEC和ITU-T組成的聯(lián)合視頻專家組(JVT)制定的，他引進了一系列先進的視頻編碼技術(shù)，如4×4整數(shù)變換、空域內(nèi)的幀內(nèi)預測，多參考幀與多種大小塊的幀間預測技術(shù)等，標準一經(jīng)推出，就以其高效的壓縮性能和友好的網(wǎng)絡特性受到業(yè)界的廣泛推崇。特別是在2004年7月JVT組織做了重要的保真度范圍擴展的補充后，更加擴大了標準的應用范圍，但同時巨大的運算量卻成為其廣泛應用的瓶頸?？紤]到H.264協(xié)議實現(xiàn)的復雜度，本文的思路是：一方面提高硬件處理速度和能力，采用TI公司最新的數(shù)字媒體處理器Davinci TMS320DM6446 DSP芯片作為H.264編碼器實現(xiàn)的硬件平臺，另一方面提高算法效率。最后提出一個基于這個芯片的嵌入式H.264編碼器的設計方案。

　　1 硬件平臺

　　1.1 Davinci DM6446芯片介紹

　　DM6446采用DSP+ARM的雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)(內(nèi)核圖見圖1)，其中的DSP芯片的CPU時鐘頻率可達594 MHz，ARM的引入可以釋放DSP在控制方面的部分功能，使DSP專門進行數(shù)據(jù)處理的工作。芯片采用增強型的哈佛結(jié)構(gòu)總線，其CPU內(nèi)部有2個數(shù)據(jù)通道，8個32 b的功能單元，2個通用寄存器組(A和B)，可同時執(zhí)行8條32 b長指令。如果能充分利用這8個功能單元，總字長為256 b的指令包同時分配到8個并行處理單元，在完全流水的情況下，該芯片的指令吞吐量將達到594×8=4 752 MIPS。處理器具有雙16 b擴充功能，芯片能在一個周期內(nèi)完成雙16 b的乘法、加減法、比較、移位等操作。該芯片內(nèi)部支持兩級Cache，其中第一級32 kB的程序緩存器L1P，80 kB的數(shù)據(jù)緩存器L1D，而第二級的Cache大小是可配置的64 kB，芯片自動完成這兩級Cache之間數(shù)據(jù)一致性的維護。有了這兩級Cache的支持將使CPU的執(zhí)行速度大大加快。

　　Davinci DM6446具有專用的視頻圖像處理子系統(tǒng)。視頻處理子系統(tǒng)包括1個視頻前端和1個視頻末端，視頻前端的輸入接口用于接受外部傳感器或視頻譯碼器輸出的BT.656等圖像輸入信息；視頻末端輸出接口輸出圖像，實現(xiàn)圖像本地重現(xiàn)。

　　視頻前端輸入(VPFE)接口由1個CCD控制器(CCDC)，1個預處理器，柱狀模塊，自動曝光／白平衡／聚焦模塊(H3A)和寄存器組成。CCD控制器可以與視頻解碼器CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接。預處理器是一個實時的圖形處理器。

　　1.2 H.264編碼器硬件平臺

　　本系統(tǒng)的平臺核心處理芯片為Davinci DM6446，如圖2所示，片外RAM選取兩片DDR并聯(lián)成32位的數(shù)據(jù)寬度，空間為256 MB。模擬視頻信號在“VIDEO IN”引入后經(jīng)過解碼芯片TVP5146變換為數(shù)字信號后輸入TMS320DM6446芯片中進行處理，H.264編碼處理后的碼流可以通過視頻末端輸出保存在本地硬盤上，以方便調(diào)試檢查。或者可以通過10／100 M以太網(wǎng)物理層接口輸出，進行網(wǎng)絡傳輸。同時，本地的重構(gòu)圖像可以通過TMS320DM6446芯片內(nèi)部OSD模塊和編碼模塊D／A變換后直接顯示輸出。

　　2 H.264編碼器結(jié)構(gòu)與編碼流程

　　2.1 H.264編碼器結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示輸入的圖像以宏塊為單位進入編碼器中，根據(jù)圖像變化的快慢選擇幀內(nèi)或幀間預測編碼。如果選擇幀內(nèi)預測編碼，首先判斷當前待編碼塊中是否包含很多的細節(jié)，再決定是否要把幀進行再分割。接著以重建幀μF′n中的塊為參考，結(jié)合當前塊周圍塊的預測模式，選擇當前塊的最佳預測模式。最后由重建幀μF′n中相應塊和當前塊選定的預測模式得到當前塊的預測值。按照上述方法，對圖像中的每一宏塊作出幀內(nèi)預測，進而得到一幀圖像的預測值P。如果選擇幀間預測編碼，當前輸入幀F(xiàn)n和前一幀(參考幀)Fn-1被送到運動估計器(ME)，通過塊搜索，匹配可以得到當前幀中的各宏塊相對于參考幀中對應宏塊的偏移量，也就是常說的運動矢量。接著，參考幀F(xiàn)n-1和剛得到的運動矢量MV被送到運動補償器(MC)，通過計算得到幀間預測值P；當前幀F(xiàn)n和幀預測值P相減，得到殘差Dn，經(jīng)過變換，量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)過熵編碼，與解碼所需的一些邊信息(如預測模式量化參數(shù)，運動矢量等)一起組成一個壓縮后的碼流，經(jīng)NAL(網(wǎng)絡自適應層)供傳輸和存儲。