并行處理的H.264到AVS轉碼器設計

　　1 引言

　　轉碼應用涉及視頻服務(wù)器、通用多媒體訪(fǎng)問(wèn)設備、監控系統、機頂盒、DVD等多媒體設備和系統。其基本原則是在環(huán)境和處理能力受限的情況下，在碼流轉換的質(zhì)量和復雜性之間取得最佳折衷。實(shí)現的關(guān)鍵是對壓縮視頻碼流中的壓縮數據進(jìn)行復用，避免重新編碼中的復雜運算。研究中的轉碼技術(shù)主要包括：碼率轉換、分辨率轉換、幀率轉換、語(yǔ)法轉換等。

　　MediaCoder是目前比較優(yōu)秀的一款轉碼軟件，它將眾多來(lái)自開(kāi)源社區優(yōu)秀的音視頻軟件整合于一個(gè)友好的圖形界面。它可以直接、批量地在眾多音頻視頻壓縮格式和容器格式之間轉換，支持的格式包括H.264，Xvid，MPEG-1／2／4等，但是沒(méi)有將AVS視頻編碼標準融合進(jìn)來(lái)。本文介紹的軟件解碼器實(shí)現了H.264到AVS兩個(gè)視頻編碼標準的轉碼。針對這兩個(gè)標準的硬件轉碼器還在研發(fā)之中，上海龍晶微電子有限公司基于A(yíng)VS標準提出了國內第一款具有完全自主知識產(chǎn)權的高清電視解碼芯片DS10000。雙核技術(shù)的廣泛應用可用并行處理辦法加快速度。視頻轉碼可分為同類(lèi)視頻轉碼技術(shù)和不同類(lèi)視頻轉碼技術(shù)。

　　2 像素域和變換域轉碼結構

　　圖1是空域轉碼器結構框圖，將H.264碼流進(jìn)行熵解碼和反量化，然后逆DCT變換，得到像素域的像素值；根據解碼的運動(dòng)矢量和頻域殘差數據進(jìn)行運動(dòng)估計(Motion Estimation，ME)，根據得到的運動(dòng)矢量進(jìn)行運動(dòng)補償(Motion Compensation，MC)；再將得到的殘差數據進(jìn)行變換和量化、熵編碼形成AVS碼流。

　　圖2是變換域轉碼器結構框圖，轉碼中不需要解得像素域的像素值，H.264碼流經(jīng)過(guò)熵解碼和反量化，在頻域中進(jìn)行補償，得到頻域中重構的HT系數值，然后由H.264中的4×4HT系數變換成AVS中的8×8HT系數，根據H.264中解碼得到的運動(dòng)矢量和HT系數值來(lái)進(jìn)行運動(dòng)估計ME，由得到的8×8HT系數值在頻域進(jìn)行誤差補償；進(jìn)行量化和熵編碼形成AVS碼流。

　　3 多線(xiàn)程轉碼器設計

　　應用程序加載到內存中，給出一個(gè)執行點(diǎn)稱(chēng)為線(xiàn)程。線(xiàn)程是系統需要分配CPU時(shí)間的基本執行單元。單個(gè)進(jìn)程在任何時(shí)刻可包含多個(gè)線(xiàn)程，它們可同時(shí)執行進(jìn)程地址空間內的代碼。

　　1) 子線(xiàn)程的創(chuàng )建與終止

　　VC++應用程序的主線(xiàn)程在創(chuàng )建應用程序時(shí)生成，創(chuàng )建子線(xiàn)程可通過(guò)調用CreateThread函數創(chuàng )建，其格式：

HANDLE = CreateThread (LPSECURITY ATTRIBUTES Ipsa，DWORD cbstack，LPTHREAD START ROUTINE lpStartAd2dr，LPVOIDlpvThreadParm，DWORD fdwCreate，LPDWORD lpIDThread)；

　　在本轉碼器中，子線(xiàn)程創(chuàng )建方法如下：

slot=0； hThrds[slot]=CreateThread(NULL，0，ThreadFunc，(LPVOID)slot，0，&threadID)．

　　2) 轉碼器的多線(xiàn)程實(shí)現結構

　　由圖1和圖2可以看出，轉碼器的解碼和編碼部分是相對獨立的。雖然在編碼端要用到解碼得到的運動(dòng)矢量、分塊模式還有頻域中的系數等信息，如果是單線(xiàn)程程序的話(huà)，在編碼到這一幀時(shí)，解碼程序就要停止，只有當編碼這一幀的程序執行完后，才能開(kāi)始執行下一幀的解碼程序。所以，在解碼時(shí)編碼程序停止，在編碼時(shí)解碼程序停止，這將花費大量的時(shí)間來(lái)等待。

　　如果是在雙核或者多核計算機上，可采用并行處理的方法，可啟動(dòng)兩個(gè)或多個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)解碼線(xiàn)程和一個(gè)編碼線(xiàn)程，在編碼第n幀時(shí)，同時(shí)解碼第n+1幀，達到解碼和編碼同時(shí)執行的效果?？紤]到對系統內存的要求，這里設置緩存區的大小為2，多線(xiàn)程轉碼器實(shí)現框架如圖3所示。

　　多線(xiàn)程轉碼器執行順序如下：當解碼第n幀完成，判斷第n-1幀是否已經(jīng)編碼完成，如果沒(méi)有完成，則等待編碼第n-1幀直到它完成，如果第n-1幀已完成，則開(kāi)始解碼第n+1幀，并同時(shí)開(kāi)始編碼第n幀；當第n+1幀解碼完成時(shí)，再判斷第n幀編碼是否完成，若沒(méi)完成，則等待它完成，若完成，則開(kāi)始編碼第n+1幀，然后令n=n+2，進(jìn)行循環(huán)。所以，實(shí)現了編碼和解碼并行處理，解碼當前幀和編碼前一幀是同時(shí)進(jìn)行的。

　　3) 多線(xiàn)程轉碼器的具體實(shí)現方法

　　緩存區大小設置為2，奇數幀共用一組變量，偶數幀共用一組變量。H.264中解碼的當前幀序號用img->number表示，AVS編碼端編碼的當前幀序號用img_avs->number表示。在解碼第n+2幀時(shí)，decode_slice()解碼一幀的函數前面加上判斷是否編碼完第n幀：

if (img->number=(img_aVs->number+2))WaitForSingleObject(hThrds[0]，INFINITE)；

　　解碼第n+2幀完成時(shí)，等待編碼線(xiàn)程結束，Wait-ForSingleObjeet(hThrds[0]，INFINITE)，然后開(kāi)始一個(gè)新的進(jìn)程：

slot=0；hThrds[0]=CreateThread(NULL，0，ThreadFunc，(LPVOID)slot，0，&threadID)

　　在整個(gè)程序執行完之前，等待線(xiàn)程執行完以后，再結束整個(gè)轉碼程序。

　　4 仿真結果

　　測試序列：foreman，格式為CIF(352×288)，編碼成IPPPPIPPP…，264量化系數為28，AVS端編碼的量化系數為36，編碼幀數為100幀。

　　計算機配置：Intel奔騰1.6 GHz，內存1 Gbyte，Win-dows XP sp2操作系統。

　　對于串行單線(xiàn)程的方式，平均轉碼一幀的時(shí)間為113.57 ms；并行多線(xiàn)程的方式，平均轉碼一幀的時(shí)間為80.19 ms。所以使用多線(xiàn)程編碼的方式，由于編碼和解碼同時(shí)執行，時(shí)間可節約41.63%，轉碼速度是單線(xiàn)程編碼方式的1.42倍。這是因為進(jìn)程調度也要花費一定時(shí)間，所以雙線(xiàn)程編碼的速度沒(méi)有達到單線(xiàn)程編碼的2倍。本文中，考慮到對存儲的要求，緩存區僅設置為2，使用的是一種乒乓式的訪(fǎng)問(wèn)策略，解碼端和編碼端在每一時(shí)刻都分別只訪(fǎng)問(wèn)一組存儲空間，不會(huì )同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)一組存儲空間。如果把緩存區設置得更大一點(diǎn)，速度將還會(huì )有大幅度的提高。