基于H．264視頻編解碼DSP實現(xiàn)與優(yōu)化

摘要：H．264是最新的視頻編碼國際標準，是圖像通信研究領(lǐng)域的熱點問題之一，利用高性能數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)H．264：實時編解碼是一種快速有效的方法，有助于H．264視頻標準的迅速推廣和應用。TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有很強的并行處理能力和信號處理功能，是實現(xiàn)H．264編解碼的理想平臺。給出視頻編解碼在DSP中實現(xiàn)的一些關(guān)鍵問題，針對DM642的整體系統(tǒng)方案，設(shè)計出為H．264的實時實現(xiàn)搭建了良好的硬件平臺，并給出系統(tǒng)的性能測試結(jié)果。解碼速度達到了實時的效果，圖像主觀質(zhì)量較好，無明顯方塊效應，碼率也比較低。
關(guān)鍵詞：H．264標準；數(shù)字信號處理器；視頻編解碼；DM642

0 引言
    基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字視頻產(chǎn)業(yè)前景看好，而3G的規(guī)模部署，也會推動移動視頻通信成為現(xiàn)實。但數(shù)字化后的視頻圖像具有數(shù)據(jù)海量性，給圖像的存儲和傳輸造成較大的困難。數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)。H．264以其良好的網(wǎng)絡適應性和高編碼壓縮效率，靈活的語法配置，在視頻處理領(lǐng)域比以往的視頻編碼標準更加適合視頻處理的發(fā)展方向，更加適合不同應用環(huán)境的對象。H．264充分考慮了多媒體通信對視頻編解碼的各種要求，有著多個技術(shù)閃光點，在保留運動補償和變換編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入了諸如類離散余弦整數(shù)變換(DCT)、基于內(nèi)容的自適應可變長編碼(CAVLC)、基于上下文的自適應二進制算術(shù)編碼(CABAC)，以及高精度、多模式的運動估計等新技術(shù)，進一步提高了編碼算法的壓縮效率和圖像回放質(zhì)量。在肉眼主觀感受相同的情況下，H．264較之H．263的編碼效率提高了50％左右。
    利用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)H．264實時編碼器是一種快速有效的方法，有助于H．264視頻標準的迅速推廣和應用，也指明了視頻圖像壓縮領(lǐng)域最新的研究方向。

1 H．264編碼的關(guān)鍵技術(shù)
1．1 基于靈活分割宏塊(MB)的運動矢量估計和補償以及增加變換的壓縮效果
    H．264根據(jù)宏塊的編碼特性采用亮度塊直流變換，色度塊直流變換與普通差值變換相結(jié)合的方法。在運動估計時，H．264信源編碼采用基于4×4塊的整數(shù)變換，可以靈活地選擇塊的大小。而其他標準處理的像素塊大小均為16×16或者8x8。H．264以可變大小的塊來適應不同應用環(huán)境和要求，采用16×16，16×8，8×16，8×8四種模式；當劃分為8×8模式時，又可進一步采用8×4，4×8，4×4三種子宏塊劃分模式進一步劃分，如圖1所示。根據(jù)需要由不同尺寸的宏塊來執(zhí)行，采用整數(shù)變換既可以使運動物體的劃分更加精確，不可以減小運動物體邊緣的銜接誤差，處理好需要更多運動細節(jié)的場合，即以引入更小運動補償塊可以提高一般和特殊情況下的預測質(zhì)量，它可以提高主觀視覺效果，同時又減小了變換過程中的計算量。實驗表明，應用7種不同大小和形狀的塊可以比單一利用16×16塊進行的編碼提高15％以上的壓縮率。

1．2 支持l／4像素或l／8像素精度的運動估值
    運動估計與補償算法是目前視頻壓縮技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分，影響著編碼的速度、質(zhì)量和碼率，其編碼的復雜度也是整個編碼系統(tǒng)中最高的。
    在H．264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1／2像素位置的預測值。當獲得1／2像素值后，通過取整數(shù)像素位置和1／2像素位置像素值均值的方式獲得l／4像素位置的值。在高碼率情況下，提供1／8像素精度的運動估計。采用高精度運動估計會進一步減小幀間預測誤差，減少經(jīng)變換和量化后的非0比特數(shù)，提高了編碼效率。利用1／4像素空間精度可以比原有的一個像素精度(整數(shù)精度)預測提高20％的編碼效率。
1．3 多參考幀預測
    參考幀是幀間預測編碼，也就是運動補償?shù)幕A(chǔ)，根據(jù)它與待預測幀之間的位置關(guān)系，可分為前向參考幀和后向參考幀。
    以往的編解碼技術(shù)在對P幀圖像進行幀間預測時，只允許以參考前一幀圖像進行編碼，即以前一個I圖像或P圖像為參考幀，在對B圖像進行預測時，只允許參考前后幀圖像進行編碼，即以前后兩個I圖像或P圖像為參考圖像。H．264則打破了這些限制，允許在從當前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像，對宏塊進行運動預測，當選用多參考幀模式時。編碼器從幾個參考幀中選擇一個效果最好的參考幀，達到最佳的預測效果，參考幀圖像甚至可以是采用雙向預測編碼方式的圖像，大幅度降低了預測誤差。另外，幀問編碼部分還引入了SP幀，用于有效地實現(xiàn)編碼率環(huán)境下的切換，可用于隨機、快速播放過程，比單參考幀的方法節(jié)省5％～lO％的傳碼率，并且有利于比特流的錯誤恢復、解碼恢復更高圖像質(zhì)量。因此，多參考幀預測對周期性運動和背景切換能夠提供更好的預測效果。[!--empirenews.page--]
1．4 消除塊效厘適應性濾波器
    基于分塊處理的變換編碼算法，忽略了物體邊緣的連續(xù)性，在低碼率情況下，容易出現(xiàn)方塊效應。為消除在預測和變換過程中引入的塊效應，H．264對此采用了消除塊效應適應性濾波器，對宏塊邊緣進行平滑，有效改進圖像的主觀質(zhì)量。但與以往標準不同的是，H．264的消除塊效應濾波器位于運動估計循環(huán)內(nèi)部，可以利用消除塊效應以后的圖像去預測其他圖像的運動，即濾波后宏塊用于運動估計，以產(chǎn)生更小的幀差進行編碼，進一步提高預測精度。
1．5 增強的熵編碼
    以往標準的熵編碼采用變長的哈夫曼編碼，碼表統(tǒng)一，不能適應變換多端的視頻內(nèi)容，影響編碼效率。根據(jù)視頻內(nèi)容的不同，H．264利用較短的碼字來代表出現(xiàn)，高頻率的符號，可進一步去除碼流中的冗余，提供兩種熵編碼，即上下文自適應二進制算術(shù)編碼(CABAC)和基于內(nèi)容的自適應可變長編碼(CAVLC)，CABAC的編碼效率更高，也更復雜，在相同圖像質(zhì)量下，使用CABAC編碼電視信號可降低10％左右(10％～15％)的碼率，后者具有較強抗誤碼能力。

2 H．264的視頻編解碼的DSP平臺實現(xiàn)
    在數(shù)字圖像處理中，要完成大量的數(shù)字信號處理工作，特別是對于H．264這樣的新一代視頻壓縮編碼標準。就其Baseline而言，其解碼復雜度是同等情況下H．263的2倍，而編碼復雜度更是H．263的3倍，解決這種高運算量問題，很大程度上依賴于高速DSP技術(shù)，而且采用半導體制造工藝生產(chǎn)的DSP處理器可以有更低的功耗。因此為圖像的實時壓縮處理搭建了一個合理的DSP硬件平臺。
    TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有超高主頻、很強的并行處理能力和信號處理功能，是實現(xiàn)H．264編解碼的理想平臺。
    TI公司生產(chǎn)的642系列是一款專門面向多媒體應用的專用DSP，該DSP時鐘頻率高達600 MHz，8個并行運算單元，處理能力達4 800 MIPS。它是在C64X的基礎(chǔ)上，增加了很多外圍設(shè)備和接口。可見，DM642是一個強大的多媒體處理器，是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好平臺。它豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺；它的完全可編程性，又使它能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標準，構(gòu)成通用的軟件平臺。
    該系統(tǒng)主要是為了對模擬視頻圖像(PAL制式)進行采集，之后對其進行壓縮，然后把壓縮后的數(shù)據(jù)通過擴頻的方式發(fā)送到接收端，在接收端接收碼流后由DSP進行解壓縮，之后再由DSP負責圖像的顯示，存儲等。所以總體設(shè)計方案必須包括視頻的輸入／輸出、網(wǎng)絡等接口。設(shè)計圖如圖2所示。

    在發(fā)送端，視頻輸出由視頻A／D芯片先轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，然后輸入到DM642的視頻端口2，由DM642進行圖像采集，并把圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM中，同時DM642對視頻圖像進行實時壓縮，并把壓縮后的數(shù)據(jù)通過McBSP發(fā)送到信道編碼部分，完成發(fā)送端的工作。在接收端，接收由信道譯碼部分送來的壓縮圖像數(shù)據(jù)，然后由DM642完成圖像的實時解壓，并把解壓后的數(shù)據(jù)送到SDRAM中，然后把解壓后的圖像數(shù)據(jù)送人視頻端口0，再由視頻端口0把數(shù)據(jù)送入視頻D／A，完成視頻的實時顯示。圖2中音頻／視頻接口作為擴展，10／100Mb／s的以太網(wǎng)卡以及USB控制器外設(shè)主要是為了方便接收端直接把數(shù)字視頻信號傳送到計算機或者終端各處，供電及復位電路完成對電路板的供電及復位功能。

3 H．264的視頻編解碼的DSP優(yōu)化
    將H．264編碼器移植到DM642圖像處理平臺上，由于H．264的核心算法不僅在代碼結(jié)構(gòu)上需要改進，而且在具體的核心算法上也需要做較大的改動，因此整個系統(tǒng)的編碼速度非常令人不滿意，達不到實時應用的要求，因此需要從各個方面對該系統(tǒng)進行優(yōu)化，將編碼的時間減少下去。首先去除了編碼器中的冗余代碼，然后優(yōu)化工作分三步：在PC機上實現(xiàn)H．264算法并進行優(yōu)化；PC機H．264代碼的DSP化，可以在DSP上實現(xiàn)H．264的編解碼算法，但是，這樣實現(xiàn)的算法運行效率很低，因為所有的代碼都是由C語言編寫，并沒有完全利用DSP的各種性能，所以必須結(jié)合DSP本身的特點，對其進一步優(yōu)化，才能實現(xiàn)H．264視頻解碼器算法對視頻圖像的實時處理，即要H．264的DSP算法優(yōu)化。對于DSP代碼的優(yōu)化共分為三個層次：項目級優(yōu)化、C程序級優(yōu)化、匯編程序級優(yōu)化。

4 結(jié)語
    在上述環(huán)境下，解碼器算法對QCIF測試序列已經(jīng)能夠達到45～60 f／s的解碼速度，達到了實時性解碼的目的。測試結(jié)果表明，圖像主觀質(zhì)量較好，無明顯方塊效應，碼率也比較低。另外，圖像編碼的實時性能與圖像的內(nèi)容、運動的劇烈程度等都有一定的關(guān)系。在DM642板卡上實現(xiàn)的H．264視頻編解碼器具有功能強，使用靈活等特點，有廣泛的應用前景。相信在不久的將來，基于H．264算法和DSP處理器的可視電話、視頻會議、有線電視、無線流媒體通信等產(chǎn)品會逐漸地走進千家萬戶，視頻編解碼器在嵌入式處理終端上的應用會漸漸地成為應用的主流。