基于嵌入式平臺的視頻編碼器的實現(xiàn)

 引言

　　H.264是由ISO（國際標準化組織）/IEC（國際電工協(xié)會）和ITU（國際電信標準化部門）合作制定的新一代視頻編碼標準，目前正處于應(yīng)用開發(fā)階段。與以往的視頻編碼標準相比，h.264具有更高的壓縮效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，在相同的圖像質(zhì)量下，h.264所需碼率約為MPEG.2的36％、H.263的5l％、MPEG-4的61％u-31。這些優(yōu)勢將使h.264在實時視頻通信、廣播電視、視頻存儲播放等領(lǐng)域中得到應(yīng)用M。伴隨著效率的提高，算法的復(fù)雜度也提高很多，因此需要研究h.264的壓縮算法和它的嵌入式應(yīng)用。

　　1  視頻編碼器的硬件設(shè)計

　　1.1 pxa255處理器的特點

　　Intel Xscale PXA255蜘是基于Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)的Intel PCA處理器，內(nèi)部采用XScale內(nèi)核構(gòu)架，頻率高達400MHz，內(nèi)核擴充許多DSP指令極大提高了多媒體處理能力，同時了提供LCD（液晶顯示器）控制器、無線局域網(wǎng)（802.1Ib）、藍牙、高速紅外、USB等多種功能模塊。PXA255處理器還使用了BranchTargetBuffer技術(shù)，可以提高指令執(zhí)行（流水線）的效率。作為便攜移動設(shè)備的首選嵌入式處理器，PXA255內(nèi)核具有Intel最先進的動態(tài)電源管理技術(shù)，可以根據(jù)處理器所執(zhí)行的任務(wù)情況動態(tài)調(diào)整工作頻率和多種節(jié)電模式，適合嵌入式視頻采集系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　視頻編碼器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從攝像頭輸出的原始視頻流通過USB接口進入PXA255芯片進行h.264壓縮，壓縮后的碼流由網(wǎng)口（ETHERNET）傳到主機進行顯示，F(xiàn)lash中燒寫了嵌入式Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序，SDRAM用于存儲編碼過程中的一些臨時數(shù)據(jù)。

　　2  視頻采集的實現(xiàn)

　　Linux操作系統(tǒng)中使用vide041inux內(nèi)核模塊來進行視頻操作的，它針對視頻設(shè)備提供了一系列的API函數(shù)。本文就是利用videAlinux提供的API函數(shù)來實現(xiàn)視頻采集功能的。視頻采集流程如圖2所示。

      具體視頻采集的實現(xiàn)介紹如下：

　　先調(diào)用函數(shù)fd=open（“dcv／video",O 來打開攝像頭RDWR）設(shè)備，成功后返回攝像頭的文件描述符fd。然后通過調(diào)用vi.[!--empirenews.page--]

　　dco_get capability0和video_get pictureO兩個函數(shù)來獲得攝像頭和圖像的基本信息。利用ictol（fd,VIDIOCGPICT,&grab pic.ture）函數(shù)設(shè)定圖像的亮度、對比度、色度等信息。接著調(diào)用函數(shù)ictol（fd,V1DIoCMCAPTRUE，&grab 開始抓取一幀圖像，。bur）再調(diào)用函數(shù)ictol（fd，VIDIOSYNC，&grab buf）判斷這一幀圖像抓取是否結(jié)束。這樣連續(xù)的抓取多幀圖。像就完成了原始視頻信息的采集。圖3就是抓取的一幀原始圖像。

　　3  h.264編碼算法

　　h.264編碼標準是目前提出的最新的視頻壓縮標準。與以前的壓縮標準相比，h.264通過對幀內(nèi)預(yù)測、幀問預(yù)測、變換編碼和熵編碼等算法的改進來進一步提高編碼效率和圖像質(zhì)量。

這些改進包括：

　?。?）運動估計時，可以靈活地選擇宏塊（MB）的大小。在宏塊劃分上，h，264采用了16x6，16x8，8x16，8x8這4種模式；當劃分為8x8模式時，又可進一步采用8x4，4x8，4x4這3種子宏塊劃分模式（如圖4所示）進一步劃分，這樣做既可以使運動物體的劃分更加精確，減小運動物體邊緣的銜接誤差，又可以減小變換過程中的計算量。

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　?。?）1／4像素精度的運動估值。在h.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得l／2像素位置的預(yù)測值。當l／2像素值獲得后，通過取整數(shù)像素位置和l／2像素位置像素值均值的方式獲得l／4像素位置的值，這樣迸一步減小幀間預(yù)測誤差，減少了經(jīng)變換和量化后的非零比特數(shù)，提高了編碼效率。

　?。?）多參考幀運動估值。以往的編碼技術(shù)在對P幀（場）圖像進行幀間預(yù)測時，只允許以前一個I幀（場）圖像或P幀（場）圖像為參考幀。對B圖像進行預(yù)測時只允許以前后兩個I幀（場）圖像或P幀（場）圖像為參考圖像。h.264則允許在ReferenceBuffer中的多個圖像中選取一個（P預(yù)測方式）或兩個（B預(yù)測方式，圖像作為參考圖像。參考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測編碼方式的圖像。

　?。?）參考圖像的選取與其編碼方式無關(guān)。允許選取與當前圖像更加匹配的圖像為參考圖像進行預(yù)測，減小了預(yù)測誤差，提高編碼效率。

　　（5）更精確的幀內(nèi)預(yù)測。在h.264中，每個4*4塊中的每個像素都可用17個最接近先前已編碼的像素的不同加權(quán)和來進行幀內(nèi)預(yù)測。

　?。?）環(huán)路去方塊濾波器。h.264／AVC把去方塊濾波引入運動估計預(yù)測環(huán)路中，既可去除方塊效應(yīng)，又能保護圖像細節(jié)邊緣，同時亦改善了圖像的主、客觀評定質(zhì)量。而且經(jīng)過濾波后的圖像根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測，進一步提高預(yù)測精度。

　　（7）h.264使用統(tǒng)一的可交長度編碼國Ⅵz）碼表。以往標準的熵編碼通常采用變長度的哈夫曼編碼，其碼表不統(tǒng)一，不能適應(yīng)變化多端的視頻內(nèi)容，從而影響編碼效率的提高。在此，即對h.263不同系數(shù)采用不同碼表進行VLC作了改進，采用了一個統(tǒng)一碼表的IrvIC，同時，又對h.26L中的VCL方法進行了改進，使量化后的DCT變換系數(shù)使用基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長度編碼（CAⅥC），此外還定義了一種基于上下文內(nèi)容的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼（CABAC），其性能比CAVLC更好。從而，借助UVLC，CAVLC及CABAC較好地提高了壓縮編碼效率。

　　4  PXA255上的h.264編碼算法的實現(xiàn)

　　ITU-T（國際電信標準化部門）提供了h.264的核心算法，本文使用的是開源編碼軟件x264。將其通過交叉編譯后移植到PXA255嵌入式開發(fā)平臺上。由于h.264編碼算法復(fù)雜度高、運算量大等特點導(dǎo)致h.264編碼效率不高，經(jīng)初步測試編碼速率為QCIF格式圖像10幀／秒，不能達到實時視頻編碼的要求。

　　因此需要對編碼程序進行相應(yīng)的優(yōu)化。

　　4.1 C語言優(yōu)化

　　編碼軟件包含了解碼和傳輸部分的程序，而本文只對視頻進行編碼，并不需要解碼和傳輸。所以對代碼進行調(diào)整，刪除解碼和傳輸部分的代碼，再重新改寫makefile文件。這樣可以縮小程序的空間大小，減少程序的運行時間，提高編碼效率。

　　使用盡量小的數(shù)據(jù)類型。能夠使用字符型（char）定義的變量，就不要使用整型（int）變量來定義；能夠使用整型變量定義的變量就不要用長整型（10ng in0，能不使用浮點型（float）變量就不要使用雙精度浮點型（doubles）變量。

　　程序中被多次調(diào)用的、函數(shù)體代碼不是很大的函數(shù)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)。使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以避免由于保護現(xiàn)場和記憶執(zhí)行的地址所帶來的時間和空間方面的開銷，以提高程序的執(zhí)行效率。

　　4.2 Itrm匯編優(yōu)化

　　用C語言編程結(jié)構(gòu)化程度高，易于編寫，但執(zhí)行速度相對較慢：與之相反，匯編程序速度快，但很難有較好的結(jié)構(gòu)，而且編寫起來耗時，不易調(diào)試。C和匯編混合編程結(jié)合了各自的優(yōu)勢，往往能構(gòu)造出結(jié)構(gòu)好且執(zhí)行速度快的程序。利用匯編語言優(yōu)化C語言代碼，優(yōu)化后的匯編程序可以被C語言程序調(diào)用，并且在匯編程序中也可以調(diào)用C語言程序。[!--empirenews.page--]

　　將編碼程序中的較復(fù)雜的部分程序段使用arm匯編進行改寫，這樣可以很大程度的提高代碼的運行速度。例如下面就是宏塊預(yù)測predict.c中的一段匯編優(yōu)化的代碼，C代碼如下：

　　4.3 基于PXA255結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　結(jié)合PXA255硬件結(jié)構(gòu)特點，從以下幾個方面對h.264編碼程序進行優(yōu)化處理：

　?。?）合理分配變量的存儲位置。根據(jù)片內(nèi)存儲器容量小而存取速度快，片外存儲器容量大但存取速度慢的特點，在分配存儲器的時候?qū)τ谀切┙?jīng)常使用的變量放在片內(nèi)，如VLC表、運動矢量、反量化、反DCT的系數(shù)以及其它中間變量等，而對于那些執(zhí)行次數(shù)比較少或者比較大的變量如參考幀則放在片外。此外由于編譯和分配空間是以文件為單位的，所以把頻繁使用的函數(shù)放在同一文件中，再將這個文件放入片內(nèi)存儲器以高效地利用有限的片內(nèi)資源。

　?。?）PXA255處理器中集成了大量的DSP多媒體操作指令，使用這些指令可以極大的提高程序的運行效率。

　?。?）指令并行執(zhí)行是提高程序執(zhí)行效率的很好的方法，PXA255處理器中引入了Branch Target Buffer技術(shù)，以實現(xiàn)指令執(zhí)行的流水線。

　　5  實驗結(jié)果

　　為了驗證程序優(yōu)化的效果，改變每次采集的幀數(shù)進行實驗結(jié)果分析。結(jié)果如表1所示。由表l中的實驗結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化的h.264編碼器每秒能處理20幀左右的QCIF圖像，而圖像的質(zhì)量沒有什么影響。因此，優(yōu)化后，h.264壓縮算法能夠?qū)Σ杉降膱D像進行實時壓縮，具有很好的實用性。圖5為采集的視頻經(jīng)過h.264壓縮后的視頻流。

　　6  結(jié)束語

　　本文描述了在嵌入式平臺PXA255上實現(xiàn)新一代視頻壓縮標準h.264編碼算法，并結(jié)合硬件芯片特點和專有匯編指令對原程序進行相應(yīng)優(yōu)化，實現(xiàn)了編碼器實時編碼的要求。研究基于嵌入式平臺的h.264視頻編碼算法有很大的實用價值，它的優(yōu)異的壓縮性能也將在嵌入式數(shù)字電視廣播以及視頻實時通信等各個方面發(fā)揮作用。