H．264算法的DSP移植與優(yōu)化

摘要：在TMS320DM643平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)H．264基檔次編碼器的移植與優(yōu)化顯得格外實(shí)用和必要?；趯?duì)DSP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性和H．264的計(jì)算復(fù)雜度分析，主要從核心算法、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)器／Cache使用幾方面對(duì)H．264編碼器進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于CIF格式的視頻序列，優(yōu)化后的H．264編碼器能夠達(dá)到每秒高于24幀的編碼速度，滿足了視頻處理對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求。
關(guān)鍵詞：H．264編碼；TMS320DM643；算法優(yōu)化

0 引言
    針對(duì)視頻通信中傳輸帶寬或存儲(chǔ)容量與視頻質(zhì)量的矛盾，ITU-T的VCEG和ISO／IEC的MPEG聯(lián)合制定了低碼率視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H．264。相對(duì)于以往的標(biāo)準(zhǔn)，H．264除了增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力外，大幅度提高了壓縮編碼效率，在相同的碼率下能夠獲得更高的主客觀質(zhì)量。2003年5月，H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)正式推出，正式名稱為H．264 MPEG-4 part 10 AVC(Advanced Video Coding)，以下簡稱為H．264標(biāo)準(zhǔn)。

1 編碼器
    H．264仍采用圖像預(yù)測(cè)和變換編碼相結(jié)合的編碼結(jié)構(gòu)，編碼器采用的仍是變換和預(yù)測(cè)的混合編碼法。輸入的幀或場(chǎng)以宏塊為單位被編碼器處理。首先，按幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)編碼的方法進(jìn)行處理。如果采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼，其預(yù)測(cè)值PRED是由當(dāng)前片中前面己編碼的參考圖像經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(MC)后得出，與解碼所需的一些邊信息(如預(yù)測(cè)模式量化參數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量等)一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)NAL(網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層)供傳輸和存儲(chǔ)用。為了提供進(jìn)一步預(yù)測(cè)用的參考圖像，編碼器必須有重建圖像的功能。因此必須使殘差圖像經(jīng)反量化、反變換后得到。為了去除編碼解碼環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲，為了提高參考幀的圖像質(zhì)量，從而提高壓縮圖像性能，設(shè)置了一個(gè)環(huán)路濾波器。即重建圖像可用作參考圖像。
1．1 視頻編碼的硬件結(jié)構(gòu)
    H．264視頻編碼器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。FLASH模塊用于存放程序，EEPROM用于存放編碼系統(tǒng)的初始化配置信息和系統(tǒng)MAC層地址。片內(nèi)SRAM用于緩存當(dāng)前正在處理的宏塊數(shù)據(jù)，以及一些頻繁調(diào)用的數(shù)據(jù)段和程序段。外接存儲(chǔ)器SDRAM主要用于存儲(chǔ)原始幀、參考幀和重建幀的源數(shù)據(jù)。片內(nèi)、片外存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸借助EDMA在后臺(tái)操作，這樣可并行處理數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算操作，提高效率。

1．2 DSP芯片簡介
    DM643的EDMA可在64個(gè)獨(dú)立的通路上，提供超過2GB／s的I／O帶寬。此外，運(yùn)用兩級(jí)片內(nèi)高速緩存Cache和64位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，可方便地實(shí)現(xiàn)與同步／異步存儲(chǔ)器的無縫連接。DM643還集成了多種新型的片內(nèi)外設(shè)，以適應(yīng)于媒體數(shù)字化處理和網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用：(1)三個(gè)可配置的視頻端口，提供和通用視頻A／D和D／A芯片的無縫接口；(2)壓控晶體振蕩器插值控制端口，用于與MPEG-2傳輸流接口時(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)；(3)管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊，用于列舉系統(tǒng)中的物理層設(shè)備并監(jiān)視它們的連接狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
1．3 H．264編碼算法的主要特征
    H．264編碼算法進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和擴(kuò)展，明顯改善編碼效率的特征如下：
    (1)網(wǎng)絡(luò)適配層NAL：傳統(tǒng)的視頻編碼編完的視頻碼流在任何應(yīng)用領(lǐng)域下都是統(tǒng)一的碼流模式，視頻碼流僅有視頻編碼層。(2)自適應(yīng)塊大小編碼模式：H．264允許使用16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4等子塊預(yù)測(cè)和編碼模式，采用更小塊和自適應(yīng)編碼的方式，使預(yù)測(cè)殘差的數(shù)據(jù)量減少，進(jìn)一步降低了碼率。(3)多幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)：傳統(tǒng)的視頻壓縮編碼采用一個(gè)或兩個(gè)解碼幀作為當(dāng)前預(yù)測(cè)的參考幀。

2 算法優(yōu)化
    如上所述，運(yùn)動(dòng)估計(jì)，整數(shù)余弦變換／反整數(shù)余弦變換，量化是H．264編碼器中最耗時(shí)的部分。因此，這3項(xiàng)是優(yōu)化的主要對(duì)象。
2．1 運(yùn)動(dòng)估計(jì)
    視頻序列圖像在時(shí)間上存在很強(qiáng)的相關(guān)性，采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)可以消除時(shí)間冗余以提高編碼效率。運(yùn)動(dòng)估計(jì)粗略分為全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)、基于像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)、基于塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)和基于區(qū)域地運(yùn)動(dòng)估計(jì)。
    H．264標(biāo)準(zhǔn)采用塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)匹配算法，它包含匹配原則(主要有MAD、MSE和NCCF三類)，搜索范圍，搜索方案等。但是搜索算法是影響塊匹配算法性能的主要因素。在整像素的運(yùn)動(dòng)估計(jì)中，采用了基于菱形搜索算法。
2．2 CPU與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸
    DM643有一個(gè)兩級(jí)(Level2)高性能Cache結(jié)構(gòu)，它們都有16 kB的獨(dú)立存儲(chǔ)器，并且均可以被存入兩級(jí)Cache中。兩級(jí)Cache可以被設(shè)置為Cache，SRAM或者Cache，SRAM的一部分。CPU與Cache之間的數(shù)據(jù)讀取過程如圖3所示。

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2．3 ICT／反ICT和量化
    原始的ICT／IICT和量化算法不能夠充分發(fā)揮DSP的并行優(yōu)勢(shì)，以至于8個(gè)功能單元在編碼的過程中都處于閑置狀態(tài)，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被頻繁重復(fù)的訪問也導(dǎo)致了DSP運(yùn)行效率的降低。在圖4所示中，提出對(duì)于ICT／IICT和量化部分的算法圖例，一個(gè)宏塊中所有基于4×4塊的IC-T／IICT變換都能夠同時(shí)執(zhí)行，這充分利用了DSP的8個(gè)功能單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)量化后，計(jì)算一個(gè)ICT／HCT的4×4塊僅僅需要12個(gè)平均周期。這一優(yōu)化不但提高了算法的速度又顯著地降低了碼流大小，使視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理成為可能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    在600 MHz的TMS320DM643平臺(tái)上，通過開發(fā)軟件CCS載入開源代碼X264構(gòu)架對(duì)CIF格式的5個(gè)視頻序列(Akiyo，News，F(xiàn)oreman，F(xiàn)ootba-ll，Mobile)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在這5個(gè)視頻序列中，Akiyo和News序列有較低的運(yùn)動(dòng)級(jí)別，背景變化畫面人物運(yùn)動(dòng)幅度不大，而Foreman和Fo-otball有高的運(yùn)動(dòng)級(jí)別，運(yùn)動(dòng)劇烈有場(chǎng)景切換，最后一種Mobile序列則有復(fù)雜的背景。表1列出了在量化步長(QP)為25的情況下，原始H．264編碼器和優(yōu)化后的H．264編碼器之間的對(duì)比結(jié)果。從中可以看出，原始的編碼器的編碼速度是2～3 f／s，而優(yōu)化后的編碼速度是前者的10倍多。

4 總結(jié)
    本系統(tǒng)采用TMS320DM643作為的核心處理器，這款DSP芯片主要是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片。它具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力，先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在通信、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，特別在實(shí)時(shí)性方面效果最佳。
    本設(shè)計(jì)借助開源代碼X264在CCS開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試了編碼優(yōu)化前后的幀率等各種性能，旨在尋求更高效的視屏編碼算法。