依靠視頻預/后處理實(shí)現更出眾的高清多媒體

視頻預處理和后處理算法的實(shí)現

與視頻編解碼算法不同，預處理和后處理算法并沒(méi)有統一的標準，各個(gè)產(chǎn)品采用的算法是不同的。此外，原有算法會(huì )不斷升級，新的算法也會(huì )不斷涌現，這些都要求預/后處理算法的硬件具有更高的可編程能力，因此專(zhuān)門(mén)針對這些算法優(yōu)化過(guò)的可配置處理器是一個(gè)不錯的解決方案。

你可能并不熟悉可配置處理器的概念，但你一定對固定指令集架構處理器有所了解，自片上系統誕生之日起就在使用它們。固定指令集架構處理器延續了自1971年Intel發(fā)明業(yè)界第一顆商用單片處理器4004以來(lái)一直使用標準處理器架構的傳統。SOC的出現(其實(shí)就是內置處理器的ASIC)在90年代中期改變了微處理器的傳統架構。既然用戶(hù)可以根據特定應用定制硅片，那么同樣也可以定制片上的處理器。但是過(guò)去由于缺乏專(zhuān)門(mén)的處理器設計人員和開(kāi)發(fā)維護軟件工具鏈的昂貴費用，定制處理器一直未能實(shí)現。

如今，自動(dòng)化工具已經(jīng)可以幫助邏輯設計和軟件開(kāi)發(fā)人員針對特定的任務(wù)來(lái)定制處理器，而不需要專(zhuān)門(mén)的處理器設計者參與了。由于增加了新的指令和寄存器以及將多條指令合并成單條指令，優(yōu)化后的定制處理器實(shí)現目標算法的性能比通用處理器和DSP要高得多。因此，開(kāi)發(fā)一個(gè)視頻專(zhuān)用處理器來(lái)加速各種視頻預/后處理算法就順理成章了。有很多方法來(lái)實(shí)現視頻算法，這里提到的辦法很簡(jiǎn)單：用C語(yǔ)言來(lái)描述算法，在處理器上編譯運行并進(jìn)行性能分析，接下來(lái)就可以看到在不同處理器架構上的性能差異了。

表1列出了采用上述方法針對5種不同的視頻算法分別在RISC處理器、DSP處理器、針對算法用自動(dòng)化工具定制的處理器和設計人員手工定制的處理器上運行的結果。這里的RISC處理器是一款基于Tensilica Xtensa架構的RISC核，DSP處理器同樣基于Tensilica Xtensa架構，但是增加了包括4路SIMD MAC和DSP專(zhuān)用ALU等一系列DSP擴展指令，能夠執行4路或8路SIMD向量操作，該處理器還支持超長(cháng)指令字功能，每個(gè)時(shí)鐘周期能夠發(fā)射3條獨立的指令，這套擴展指令集被稱(chēng)作Vectra LX指令集。

表1中所列視頻處理算法包括：

* 5x5像素2D濾波器：2維濾波器可用于包括圖像銳化，模糊化和增加抖動(dòng)等操作中。

* 5x5像素門(mén)限濾波器：門(mén)限濾波用黑白二值來(lái)表示圖像像素，從而使每個(gè)像素只占用1bit。濾波結果中不包括灰度信息，用于噪聲檢測等算法中

* 中值濾波：中值濾波經(jīng)常用于減小椒鹽噪聲和高斯噪聲的影響。

* 幀采樣：簡(jiǎn)單的圖像縮小功能

* 幀求和：該算法用于衡量視頻圖像不同部位的光強，在降噪、曝光補償中都有應用，也用于輔助視頻壓縮。

經(jīng)過(guò)了SIMD/DSP擴展的Xtensa處理器比未擴展版本快很多，大多數視頻處理算法的性能都得到了巨大提升，但增加的面積相對來(lái)說(shuō)很小(在TSMC 65LP制程下大約0.4mm²)。

表1中“XPRES”列所示為采用Tensilica自動(dòng)化工具XPRES定制的處理器執行5種算法的性能。

XPRES對C源代碼進(jìn)行性能分析并自動(dòng)生成針對相應代碼進(jìn)行優(yōu)化的處理器擴展指令。自動(dòng)生成的處理器比擴展了Vectra LX指令集的處理器面積稍小，但在大多數算法的性能上卻可以略勝一籌。

表1最后一列所示為手工定制擴展指令和IO接口來(lái)加速特定算法的處理器性能。我們可以看到5x5 2D濾波算法的性能比未定制處理器提高了170倍；5x5門(mén)限濾波算法的性能提高了225倍；幀求和算法的性能提高了44倍。

表1：視頻算法性能結果：RISC處理器、DSP處理器和Tensilica自動(dòng)化工具XPRES定制的處理器之間的性能比較。