基于H．264視頻編解碼DSP實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

摘要：H．264是最新的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是圖像通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)H．264：實(shí)時(shí)編解碼是一種快速有效的方法，有助于H．264視頻標(biāo)準(zhǔn)的迅速推廣和應(yīng)用。TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有很強(qiáng)的并行處理能力和信號(hào)處理功能，是實(shí)現(xiàn)H．264編解碼的理想平臺(tái)。給出視頻編解碼在DSP中實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)DM642的整體系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)出為H．264的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)搭建了良好的硬件平臺(tái)，并給出系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果。解碼速度達(dá)到了實(shí)時(shí)的效果，圖像主觀(guān)質(zhì)量較好，無(wú)明顯方塊效應(yīng)，碼率也比較低。
關(guān)鍵詞：H．264標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)字信號(hào)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(huì)推動(dòng)移動(dòng)視頻通信成為現(xiàn)實(shí)。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(chǔ)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(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。H．264以其良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和高編碼壓縮效率，靈活的語(yǔ)法配置，在視頻處理領(lǐng)域比以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)更加適合視頻處理的發(fā)展方向，更加適合不同應(yīng)用環(huán)境的對(duì)象。H．264充分考慮了多媒體通信對(duì)視頻編解碼的各種要求，有著多個(gè)技術(shù)閃光點(diǎn)，在保留運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和變換編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入了諸如類(lèi)離散余弦整數(shù)變換(DCT)、基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(CAVLC)、基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)，以及高精度、多模式的運(yùn)動(dòng)估計(jì)等新技術(shù)，進(jìn)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(guān)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(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)H．264實(shí)時(shí)編碼器是一種快速有效的方法，有助于H．264視頻標(biāo)準(zhǔn)的迅速推廣和應(yīng)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(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)和補(bǔ)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(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(lái)適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和要求，采用16×16，16×8，8×16，8×8四種模式；當(dāng)劃分為8×8模式時(shí)，又可進(jìn)一步采用8×4，4×8，4×4三種子宏塊劃分模式進(jìn)一步劃分，如圖1所示。根據(jù)需要由不同尺寸的宏塊來(lái)執(zhí)行，采用整數(shù)變換既可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確，不可以減小運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差，處理好需要更多運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的場(chǎng)合，即以引入更小運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊可以提高一般和特殊情況下的預(yù)測(cè)質(zhì)量，它可以提高主觀(guān)視覺(jué)效果，同時(shí)又減小了變換過(guò)程中的計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用7種不同大小和形狀的塊可以比單一利用16×16塊進(jìn)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(yùn)動(dòng)估值
    運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)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(fù)雜度也是整個(gè)編碼系統(tǒng)中最高的。
    在H．264中通過(guò)6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1／2像素位置的預(yù)測(cè)值。當(dāng)獲得1／2像素值后，通過(guò)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(yùn)動(dòng)估計(jì)。采用高精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)會(huì)進(jìn)一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差，減少經(jīng)變換和量化后的非0比特?cái)?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(gè)像素精度(整數(shù)精度)預(yù)測(cè)提高20％的編碼效率。
1．3 多參考幀預(yù)測(cè)
    參考幀是幀間預(yù)測(cè)編碼，也就是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，根據(jù)它與待預(yù)測(cè)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(duì)P幀圖像進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí)，只允許以參考前一幀圖像進(jìn)行編碼，即以前一個(gè)I圖像或P圖像為參考幀，在對(duì)B圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，只允許參考前后幀圖像進(jìn)行編碼，即以前后兩個(gè)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(dāng)前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像，對(duì)宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，當(dāng)選用多參考幀模式時(shí)。編碼器從幾個(gè)參考幀中選擇一個(gè)效果最好的參考幀，達(dá)到最佳的預(yù)測(cè)效果，參考幀圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像，大幅度降低了預(yù)測(cè)誤差。另外，幀問(wèn)編碼部分還引入了SP幀，用于有效地實(shí)現(xiàn)編碼率環(huán)境下的切換，可用于隨機(jī)、快速播放過(guò)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(cuò)誤恢復(fù)、解碼恢復(fù)更高圖像質(zhì)量。因此，多參考幀預(yù)測(cè)對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)和背景切換能夠提供更好的預(yù)測(cè)效果。[!--empirenews.page--]
1．4 消除塊效厘適應(yīng)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(yīng)。為消除在預(yù)測(cè)和變換過(guò)程中引入的塊效應(yīng)，H．264對(duì)此采用了消除塊效應(yīng)適應(yīng)性濾波器，對(duì)宏塊邊緣進(jìn)行平滑，有效改進(jìn)圖像的主觀(guān)質(zhì)量。但與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是，H．264的消除塊效應(yīng)濾波器位于運(yùn)動(dòng)估計(jì)循環(huán)內(nèi)部，可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像去預(yù)測(cè)其他圖像的運(yùn)動(dòng)，即濾波后宏塊用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)，以產(chǎn)生更小的幀差進(jìn)行編碼，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。
1．5 增強(qiáng)的熵編碼
    以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼采用變長(zhǎng)的哈夫曼編碼，碼表統(tǒng)一，不能適應(yīng)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(lái)代表出現(xiàn)，高頻率的符號(hào)，可進(jìn)一步去除碼流中的冗余，提供兩種熵編碼，即上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)和基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(CAVLC)，CABAC的編碼效率更高，也更復(fù)雜，在相同圖像質(zhì)量下，使用CABAC編碼電視信號(hào)可降低10％左右(10％～15％)的碼率，后者具有較強(qiáng)抗誤碼能力。

2 H．264的視頻編解碼的DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
    在數(shù)字圖像處理中，要完成大量的數(shù)字信號(hào)處理工作，特別是對(duì)于H．264這樣的新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。就其Baseline而言，其解碼復(fù)雜度是同等情況下H．263的2倍，而編碼復(fù)雜度更是H．263的3倍，解決這種高運(yùn)算量問(wèn)題，很大程度上依賴(lài)于高速DSP技術(shù)，而且采用半導(dǎo)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(shí)時(shí)壓縮處理搭建了一個(gè)合理的DSP硬件平臺(tái)。
    TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有超高主頻、很強(qiáng)的并行處理能力和信號(hào)處理功能，是實(shí)現(xiàn)H．264編解碼的理想平臺(tái)。
    TI公司生產(chǎn)的642系列是一款專(zhuān)門(mén)面向多媒體應(yīng)用的專(zhuān)用DSP，該DSP時(shí)鐘頻率高達(dá)600 MHz，8個(gè)并行運(yùn)算單元，處理能力達(dá)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?？梢?jiàn)，DM642是一個(gè)強(qiáng)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(tái)。它豐富的外圍接口使得它近乎是一個(gè)多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺(tái)；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(hào)處理標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成通用的軟件平臺(tái)。
    該系統(tǒng)主要是為了對(duì)模擬視頻圖像(PAL制式)進(jìn)行采集，之后對(duì)其進(jìn)行壓縮，然后把壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)擴(kuò)頻的方式發(fā)送到接收端，在接收端接收碼流后由DSP進(jìn)行解壓縮，之后再由DSP負(fù)責(zé)圖像的顯示，存儲(chǔ)等。所以總體設(shè)計(jì)方案必須包括視頻的輸入／輸出、網(wǎng)絡(luò)等接口。設(shè)計(jì)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(hào)，然后輸入到DM642的視頻端口2，由DM642進(jìn)行圖像采集，并把圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM中，同時(shí)DM642對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，并把壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(lái)的壓縮圖像數(shù)據(jù)，然后由DM642完成圖像的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示。圖2中音頻／視頻接口作為擴(kuò)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(hào)傳送到計(jì)算機(jī)或者終端各處，供電及復(fù)位電路完成對(duì)電路板的供電及復(fù)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(tái)上，由于H．264的核心算法不僅在代碼結(jié)構(gòu)上需要改進(jìn)，而且在具體的核心算法上也需要做較大的改動(dòng)，因此整個(gè)系統(tǒng)的編碼速度非常令人不滿(mǎn)意，達(dá)不到實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求，因此需要從各個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將編碼的時(shí)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(jī)上實(shí)現(xiàn)H．264算法并進(jìn)行優(yōu)化；PC機(jī)H．264代碼的DSP化，可以在DSP上實(shí)現(xiàn)H．264的編解碼算法，但是，這樣實(shí)現(xiàn)的算法運(yùn)行效率很低，因?yàn)樗械拇a都是由C語(yǔ)言編寫(xiě)，并沒(méi)有完全利用DSP的各種性能，所以必須結(jié)合DSP本身的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)H．264視頻解碼器算法對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)處理，即要H．264的DSP算法優(yōu)化。對(duì)于DSP代碼的優(yōu)化共分為三個(gè)層次：項(xiàng)目級(jí)優(yōu)化、C程序級(jí)優(yōu)化、匯編程序級(jí)優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)
    在上述環(huán)境下，解碼器算法對(duì)QCIF測(cè)試序列已經(jīng)能夠達(dá)到45～60 f／s的解碼速度，達(dá)到了實(shí)時(shí)性解碼的目的。測(cè)試結(jié)果表明，圖像主觀(guān)質(zhì)量較好，無(wú)明顯方塊效應(yīng)，碼率也比較低。另外，圖像編碼的實(shí)時(shí)性能與圖像的內(nèi)容、運(yùn)動(dòng)的劇烈程度等都有一定的關(guān)系。在DM642板卡上實(shí)現(xiàn)的H．264視頻編解碼器具有功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。相信在不久的將來(lái)，基于H．264算法和DSP處理器的可視電話(huà)、視頻會(huì)議、有線(xiàn)電視、無(wú)線(xiàn)流媒體通信等產(chǎn)品會(huì)逐漸地走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，視頻編解碼器在嵌入式處理終端上的應(yīng)用會(huì)漸漸地成為應(yīng)用的主流。