H.264在A(yíng)DSP-BF561上的實(shí)現與優(yōu)化
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1 算法介紹
1.1 H.264編碼模型框架
H.264以其高壓縮比、高圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò )親和性廣受業(yè)界歡迎。在同等質(zhì)量條件下，H.264的數據壓縮比比MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。其需要的帶寬只有MPEG-4的50%, MPEG-2的12.5％。
H.264標準采用分層體系結構，系統分為：視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)，負責高效的數字視頻壓縮；網(wǎng)絡(luò )抽象層NAL(Network Abstraction Layer)，負責對數據進(jìn)行打包和傳送。H.264編碼圖像通常分為三種類(lèi)型：I幀、P幀、B幀。I幀為幀內編碼幀，其編碼不依賴(lài)于已編碼的圖像數據。P幀為前向預測幀，B幀為雙向預測幀，編碼時(shí)都需要根據參考幀進(jìn)行運動(dòng)估計。同時(shí)，H.264在提高圖像傳輸容錯性方面做了大量工作，重新定義了適于圖像的結構劃分。在編碼時(shí)，圖像幀各部分被劃分到多個(gè)Slice結構中，每個(gè)Slice都可以被獨立編碼，不受其他部分影響。Slice由圖像最基本的結構――宏塊組成，每個(gè)宏塊包含一個(gè)16×16的亮度塊和兩個(gè)8×8的色度塊。H.264標準的整體編碼框圖如圖1所示。編碼過(guò)程中，原始數據進(jìn)入編碼器后，當采用幀內編碼時(shí)，首先選擇相應的幀內預測模式進(jìn)行幀內預測，隨后對實(shí)際值和預測值之間的差值進(jìn)行變換、量化和嫡編碼，同時(shí)編碼后的碼流經(jīng)過(guò)反量化和反變換之后重構預測殘差圖像，再與預測值相加得出重構幀，得出的結果經(jīng)過(guò)去塊濾波器平滑后送入幀存儲器。采用幀間編碼時(shí)，輸入的圖像塊首先在參考幀中進(jìn)行運動(dòng)估計，得到運動(dòng)矢量。運動(dòng)估計后的殘差圖像經(jīng)整數變換、量化和嫡編碼后與運動(dòng)矢量一起送入信道傳輸。同時(shí)另一路碼流以相同的方式重構后，經(jīng)去塊濾波后送入幀存儲器作為下一幀編碼的參考圖像。
1.2 H.264關(guān)鍵技術(shù)
1.2.1 幀內預測
H.264引入了幀內預測以提高壓縮效率。幀內預測編碼就是利用周?chē)徑南袼刂祦?lái)預測當前的像素值，然后對預測誤差進(jìn)行編碼。這種預測是基于塊的。對于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16有4種預測模式，4×4有9種預測模式；對于色度分量，預測是對整個(gè)8×8塊進(jìn)行的，有4種預測模式。
1.2.2 幀間預測
幀間預測時(shí)所用塊的大小可變。假設基于塊的運動(dòng)模型，其塊內的所有像素都做了相同的平移，在運動(dòng)比較劇烈或者運動(dòng)物體的邊緣外，這一假設會(huì )與實(shí)際出入較大，從而導致較大的預測誤差，這時(shí)減小塊的大小可以使假設在小塊中依然成立。另外小塊所造成的塊效應相對也小，因此，小塊可以提高預測的效果。H.264一共采用了7種方式對一個(gè)宏塊進(jìn)行分割，每種方式下塊的大小和形狀都不相同，編碼器可以根據圖像的內容選擇最好的預測模式。與僅使用16x16塊進(jìn)行預測相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率節約15%以上。
同時(shí)，幀內預測采用了更精細的預測精度，H.264中亮度分量的運動(dòng)矢量使用1/4像素精度。色度分量的運動(dòng)矢量使用1/8像素精度。
1.2.3 多幀參考
H.264支持多幀參考預測，最多可以有5個(gè)在當前幀之前的解碼幀作為參考幀產(chǎn)生對當前幀的預測，提高H.264解碼器的錯誤恢復能力。
1.2.4 整數變換
H.264對殘差圖像的4×4整數變換技術(shù)，采用定點(diǎn)運算來(lái)代替以往DCT變換中的浮點(diǎn)運算。以降低編碼時(shí)間，同時(shí)也更適合硬件平臺的移植。
1.2.5 熵編碼
H.264支持兩種熵編碼方法，即CAVLC(基于上下文的自適應可變長(cháng)編碼)和CABAC(基于上下文的自適應算術(shù)編碼)。其中CAVLC的抗差錯能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率強，但需要的計算量和存儲容量更大。
1.2.6 去方塊濾波
去方塊濾波的作用是消除經(jīng)反量化和反變換后重建圖像中由于預測誤差產(chǎn)生的塊效應，從而改善圖像的主觀(guān)質(zhì)量和預測誤差。經(jīng)過(guò)濾波后的圖像將根據需要放在緩存中用于幀間預測，而不是僅僅用來(lái)改善主觀(guān)質(zhì)量，因此該濾波器位于解碼環(huán)中。對于幀內預測，使用的是未經(jīng)過(guò)濾波的重建圖像。
2 算法實(shí)現
2.1 平臺選擇
2.1.1 ADSP-BF561芯片介紹
ADSP-BF561是Blackfin系列中的一款高性能定點(diǎn)DSP視頻處理芯片。其主頻最高可達750 MHz，內核包含2個(gè)16位乘法器MAC、2個(gè)40位累加器ALU、4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)40位移位器。該芯片中的兩套數據地址產(chǎn)生器(DAG)可為同時(shí)從存儲器存取雙操作數提供地址，每秒可處理1 200兆次乘加運算。芯片帶有專(zhuān)用的視頻信號處理指令以及100KB的片內L1存儲器(16 KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的數據Cache/SRAM，4 KB的臨時(shí)數據SRAM)、128 KB的片內L2存儲器SRAM，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)電源管理功能。此外，Blackfin處理器還包括豐富的外設接口，包括EBIU接口(4個(gè)128 MB SDRAM接口，4個(gè)1 MB異步存儲器接口)、3個(gè)定時(shí)/計數器、1個(gè)UART、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行接口和1路并行外設接口(支持ITU-656數據格式)等。Blackfin處理器在結構上充分體現了對媒體應用(特別是視頻應用)算法的支持。
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