H.264視頻編碼器在DSP上的實(shí)現與優(yōu)化

摘要：在DM642 EVM平臺上實(shí)現了 H.264視頻編碼器，并從內存分配、Cache優(yōu)化、代碼優(yōu)化以及匯編程序級優(yōu)化等幾個(gè)方面對編碼器進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗結果表明，優(yōu)化后的編碼器能保持較高的圖象質(zhì)量和壓縮效率，并具有較好的實(shí)時(shí)性能。

1 引言

　　H.264/AVC是ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組和ISO/IEC運動(dòng)圖象專(zhuān)家組聯(lián)合提出的新一代視頻編碼標準。在相同的條件下，與MPEG-1、MPEG-2、H.263、MPEG-4等標準相比，H.264/AVC能夠減少50%的碼流。但是，H.264的高編碼效率是以高運算量和高復雜度為代價(jià)的。

　　本文采用具有較高運算速度和較強數據處理能力的DM642 EVM作為H.264視頻編碼器實(shí)現和優(yōu)化的DSP硬件平臺，實(shí)現了 H.264視頻編碼算法，并對算法程序進(jìn)行了綜合優(yōu)化。實(shí)驗結果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 H.264視頻編碼器能保持較高的圖象質(zhì)量和壓縮效率，并具有較好的實(shí)時(shí)性能。

2 H.264視頻編碼技術(shù)及DM642 EVM開(kāi)發(fā)平臺

　　2.1 H264視頻編碼技術(shù)

　　H.264壓縮算法采用與H.263和MPEG-4類(lèi)似的基于塊的混和編碼方法，采用幀內(Intra)和幀間(Inter)兩種編碼模式。為了提高編碼效率、壓縮比和圖象質(zhì)量，H.264采用了許多新的編碼技術(shù)，這些技術(shù)主要有：

　?、?H.264標準壓縮系統由視頻編碼層(VCL，Video Coding Layer)和網(wǎng)絡(luò )抽象層(NAL，Network Abstraction Layer)兩部分組成。

　?、?H.264采用幀內預測，昀大程度地減少圖象的空間冗余信息。

　?、?H.264的幀間預測采用多幀參考幀（參考的個(gè)數為1～5）、高精度的內插算法(包括1/4和 1/8精度)、多種變形搜索塊等新的方法，在很大程度上提高運動(dòng)估計與補償的效率。

　?、?1/4、1/8象素精度的亞象素運動(dòng)估計：對于QCIF視頻格式使用1/4象素精度預測方式，對于CIF視頻格式使用1/8象素精度預測方法。

　?、?殘差圖象的4x4整數DCT變換技術(shù)，逆變換過(guò)程中沒(méi)有匹配錯誤問(wèn)題。

　?、?新的環(huán)路濾波技術(shù)及熵編碼技術(shù)等。

　　2.2 DM642 EVM開(kāi)發(fā)平臺DM642

　　EVM是TI推出的一款專(zhuān)門(mén)面向多媒體應用的開(kāi)發(fā)平臺,板上資源包括：DM642 CPU芯片、4M×64bit同步動(dòng)態(tài)存儲器(SDRAM)、4M×8bit FLASH存儲器和一路視頻編碼和兩路視頻解碼等，其結構如圖1所示。DM642基于C64X內核，主頻高達600MHz，采用超長(cháng)指令字(VLIW)結構，每個(gè)指令周期可并行處理8條32位的指令，處理能力達4800MIPS；片上內存采用二級緩存Cache結構，L1由16KB的數據Cache L1D和16KB的程序Cache L1P組成，256KB的L2可配置成SRAM或Cache，大幅度提高了程序的運行性能；片內64位的EMIF(External MemoryInterface)接口可以與SDRAM、Flash等存儲器件無(wú)縫連接，極大地方便了大量數據的搬移；DM642包括了3個(gè)專(zhuān)用的視頻端口(VP0～VP2)，用于接收、處理視頻數據，提高了整個(gè)系統的性能；DM642自帶的EMAC口以及從EMIF口擴展出來(lái)的ATA口，還為處理完成后產(chǎn)生的海量數據提供了存儲通道。因此，實(shí)現H.264的視頻算法，高性能的DM642 EVM是一個(gè)理想的硬件平臺。

3 H.264視頻編碼器的實(shí)現與優(yōu)化

　　3.1 編碼器的實(shí)現

　　H.264視頻編碼器的實(shí)現有多種方法，不過(guò)大部分都是進(jìn)行移植、優(yōu)化的操作。H.264代碼要在DSP的軟件平臺CCS環(huán)境下運行，需要注意幾個(gè)問(wèn)題：如配置文件、庫文件的改動(dòng)、數據類(lèi)型的調整、匯編程序的處理、內存終結模式的調整等。

　　H.264編碼采用變換和預測的混合編碼方法，其原理如圖2所示。輸入幀或者場(chǎng)Fn以宏塊為單位被編碼器處理，即將圖象分成子圖象塊，以子圖象塊作為編碼單元。當采用幀內預測編碼時(shí)，預測值P是由當前片中已編碼的參考圖象經(jīng)過(guò)運動(dòng)補償(MC)后得出的，其中參考圖象用F1n-1表示；為了提高預測精度，從而提高壓縮比，實(shí)際的參考圖象可在過(guò)去或未來(lái)已編碼解碼重建和濾波的幀中選擇。預測值P和當前塊相減后，產(chǎn)生一個(gè)殘差塊Dn，經(jīng)塊變換、量化后產(chǎn)生一組量化后的變化系數X，再經(jīng)過(guò)熵編碼，與解碼所需的一些邊信息（如預測模式量化參數、運動(dòng)矢量等）一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)過(guò)NAL供傳輸和存儲用。