H.264在ADSP-BF561上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

1.2 H.264關(guān)鍵技術(shù)
1.2.1 幀內(nèi)預(yù)測(cè)
　　H.264引入了幀內(nèi)預(yù)測(cè)以提高壓縮效率。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼就是利用周圍鄰近的像素值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的像素值，然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼。這種預(yù)測(cè)是基于塊的。對(duì)于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16有4種預(yù)測(cè)模式，4×4有9種預(yù)測(cè)模式；對(duì)于色度分量，預(yù)測(cè)是對(duì)整個(gè)8×8塊進(jìn)行的，有4種預(yù)測(cè)模式。
1.2.2 幀間預(yù)測(cè)
　　幀間預(yù)測(cè)時(shí)所用塊的大小可變。假設(shè)基于塊的運(yùn)動(dòng)模型，其塊內(nèi)的所有像素都做了相同的平移，在運(yùn)動(dòng)比較劇烈或者運(yùn)動(dòng)物體的邊緣外，這一假設(shè)會(huì)與實(shí)際出入較大，從而導(dǎo)致較大的預(yù)測(cè)誤差，這時(shí)減小塊的大小可以使假設(shè)在小塊中依然成立。另外小塊所造成的塊效應(yīng)相對(duì)也小，因此，小塊可以提高預(yù)測(cè)的效果。H.264一共采用了7種方式對(duì)一個(gè)宏塊進(jìn)行分割，每種方式下塊的大小和形狀都不相同，編碼器可以根據(jù)圖像的內(nèi)容選擇最好的預(yù)測(cè)模式。與僅使用16x16塊進(jìn)行預(yù)測(cè)相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率節(jié)約15%以上。
　　同時(shí)，幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用了更精細(xì)的預(yù)測(cè)精度，H.264中亮度分量的運(yùn)動(dòng)矢量使用1/4像素精度。色度分量的運(yùn)動(dòng)矢量使用1/8像素精度。
1.2.3 多幀參考
　　H.264支持多幀參考預(yù)測(cè)，最多可以有5個(gè)在當(dāng)前幀之前的解碼幀作為參考幀產(chǎn)生對(duì)當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)，提高H.264解碼器的錯(cuò)誤恢復(fù)能力。
1.2.4 整數(shù)變換
　　H.264對(duì)殘差圖像的4×4整數(shù)變換技術(shù)，采用定點(diǎn)運(yùn)算來(lái)代替以往DCT變換中的浮點(diǎn)運(yùn)算。以降低編碼時(shí)間，同時(shí)也更適合硬件平臺(tái)的移植。
1.2.5 熵編碼
　　H.264支持兩種熵編碼方法，即CAVLC(基于上下文的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼)和CABAC(基于上下文的自適應(yīng)算術(shù)編碼)。其中CAVLC的抗差錯(cuò)能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率強(qiáng)，但需要的計(jì)算量和存儲(chǔ)容量更大。
1.2.6 去方塊濾波
　　去方塊濾波的作用是消除經(jīng)反量化和反變換后重建圖像中由于預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生的塊效應(yīng)，從而改善圖像的主觀質(zhì)量和預(yù)測(cè)誤差。經(jīng)過(guò)濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測(cè)，而不是僅僅用來(lái)改善主觀質(zhì)量，因此該濾波器位于解碼環(huán)中。對(duì)于幀內(nèi)預(yù)測(cè)，使用的是未經(jīng)過(guò)濾波的重建圖像。
2 算法實(shí)現(xiàn)
2.1 平臺(tái)選擇
2.1.1 ADSP-BF561芯片介紹
　　ADSP-BF561是Blackfin系列中的一款高性能定點(diǎn)DSP視頻處理芯片。其主頻最高可達(dá)750 MHz，內(nèi)核包含2個(gè)16位乘法器MAC、2個(gè)40位累加器ALU、4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)40位移位器。該芯片中的兩套數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器(DAG)可為同時(shí)從存儲(chǔ)器存取雙操作數(shù)提供地址，每秒可處理1 200兆次乘加運(yùn)算。芯片帶有專用的視頻信號(hào)處理指令以及100KB的片內(nèi)L1存儲(chǔ)器(16 KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的數(shù)據(jù)Cache/SRAM，4 KB的臨時(shí)數(shù)據(jù)SRAM)、128 KB的片內(nèi)L2存儲(chǔ)器SRAM，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)電源管理功能。此外，Blackfin處理器還包括豐富的外設(shè)接口，包括EBIU接口(4個(gè)128 MB SDRAM接口，4個(gè)1 MB異步存儲(chǔ)器接口)、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)UART、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行接口和1路并行外設(shè)接口(支持ITU-656數(shù)據(jù)格式)等。Blackfin處理器在結(jié)構(gòu)上充分體現(xiàn)了對(duì)媒體應(yīng)用(特別是視頻應(yīng)用)算法的支持。
2.1.2 ADSP-561 EZkite
　　ADSP-BF561視頻編碼器平臺(tái)采用ADI公司的ADSP-BF561 EZ-kit Lite評(píng)估板。此評(píng)估板包括1塊ADSP-BF561處理器、32 MB SDRAM和4 MB Flash，板中的AD-V1836音頻編解碼器可外接4輸入/6輸出音頻接口；而ADV7183視頻解碼器和ADV7171視頻編碼器則可外接3輸入/3輸出視頻接口。此外，該評(píng)估板還包括1個(gè)UART接口、1個(gè)USB調(diào)試接口和1個(gè)JTAG調(diào)試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號(hào)經(jīng)視頻芯片ADV7183A轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)從ADSP-BF561的PPI1(并行外部接口)進(jìn)入ADSP-BF561芯片進(jìn)行壓縮，壓縮后的碼流則經(jīng)ADV7179轉(zhuǎn)換后從ADSP-BF561的PPI2口輸出。此系統(tǒng)可通過(guò)Flash加載程序，并支持串口及網(wǎng)絡(luò)傳輸。編碼過(guò)程中的原始圖像、參考幀等數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在SDRAM中。
2.2 算法選取與優(yōu)化方案
2.2.1 算法選取
　　H.264實(shí)現(xiàn)的源代碼不止一種，其中最常見(jiàn)的有JM、X264和T264。對(duì)比這三種實(shí)現(xiàn)源代碼，X264比T264具有更高的效率。而且相比廣泛采用的JM編碼模型，X264在兼顧編碼質(zhì)量的同時(shí)大幅度地提升了編碼速度，所以選取X264作為算法原型。
2.2.2 優(yōu)化方案
　　該優(yōu)化方案從三個(gè)層次對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化：算法層次、代碼層次、平臺(tái)層次。下面介紹具體優(yōu)化方法。
2.2.2.1 編碼器具體參數(shù)的選擇
　　該編碼器使用main檔次，I、B、P幀量化值分別為26、31、29，流控參數(shù)選為CBR。IDR幀間隔設(shè)為50，B幀間隔為2幀。這樣的選擇是為了在速度和運(yùn)算量上取折中。選用B幀并將其量化值加大，可比baseline檔次、IPPP結(jié)構(gòu)提高約10%的壓縮率。而B(niǎo)幀的計(jì)算量，因其不用做參考幀，故無(wú)需進(jìn)行去塊濾波和插值計(jì)算，在31的qp下，很多塊會(huì)被判做skip模式編碼，因而多數(shù)時(shí)B幀總運(yùn)算量候反而較P幀低。
2.2.2.2 算法層次的優(yōu)化
　　算法層次的優(yōu)化主要是指在參數(shù)選定的情況下，對(duì)部分算法所作的替換或優(yōu)化。和參數(shù)的選擇一樣，算法層次優(yōu)化也主要受優(yōu)化策略的指導(dǎo)。如運(yùn)動(dòng)匹配準(zhǔn)則是選用SSD、SAD或SATD。如果只看中準(zhǔn)確程度，則選擇SSD最佳；如果只看中運(yùn)行速度，則選擇SAD最佳；如果要兼顧二者，則選用SATD是比較好的一個(gè)方案。在進(jìn)行算法優(yōu)化時(shí)還應(yīng)該注意一個(gè)問(wèn)題，即要考慮實(shí)際運(yùn)行平臺(tái)的支持情況。如在追求速度的策略下，匹配準(zhǔn)則選用SAD，如果只計(jì)算一半的點(diǎn)則會(huì)大大降低運(yùn)算速度。但是如果考慮ADSP-BF561匯編指令的設(shè)計(jì)情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣做反而會(huì)增加指令數(shù)，會(huì)使速度更低。算法層次優(yōu)化包括如下幾個(gè)部分：
　　(1)除法求余。改進(jìn)策略是浮點(diǎn)型算法盡量改為整型，64位盡量改為32位，32位盡量改為16位。而對(duì)于某些計(jì)算比較多的，則改為查表計(jì)算。在ADSP-BF561平臺(tái)上，一次32位整形除法需耗時(shí)300個(gè)CYCLE，而查表僅需幾個(gè)CYCLE，這樣的改進(jìn)能顯著提高速度。
　　(2)飽和函數(shù)。在視頻的計(jì)算中，幾乎每次像素的計(jì)算都會(huì)調(diào)用飽和函數(shù)，X264代碼的實(shí)現(xiàn)中已將這部分代碼改為查表函數(shù)，在其他的編解碼器實(shí)現(xiàn)中也有將這部分改為一個(gè)判斷和幾個(gè)邏輯運(yùn)算的形式。對(duì)大部分DSP平臺(tái)，采用判斷跳轉(zhuǎn)會(huì)打斷流水線，即使平臺(tái)有比較好的跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)功能，打斷流水仍然會(huì)造成stall。所以查表方法是一種高效方法。而在ADSP-BF561匯編指令中，可以通過(guò)設(shè)置指令后綴或使用某些特殊指令來(lái)進(jìn)行飽和工作。甚至不用查表，在不同的場(chǎng)合使用不同的飽和算法能大大提高代碼的執(zhí)行效率。
　　(3)MC部分函數(shù)。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)MC部分函數(shù)運(yùn)行效率不如ffmpeg解碼器中MC部分效率高，所以將這部分代碼用ffmpeg中的相應(yīng)部分替換。此外qpel16_hv函數(shù)中計(jì)算有冗余，減少這些冗余能提高代碼運(yùn)行效率。
　　(4)算法替代和改進(jìn)。幀間預(yù)測(cè)的改進(jìn)：關(guān)于算法的改進(jìn)主要集中在對(duì)me（motion estimation）的改進(jìn)上，流程如圖2所示。costmin1=min(cost16，cost8，cost16×8，cost8×16)，costmin2=min(costmin1，costsub)，依次在16×16、8×8、16×8和8×16大小宏塊的整像素位置做預(yù)測(cè)，再做次像素估計(jì)和幀內(nèi)預(yù)測(cè)，選用匹配準(zhǔn)則函數(shù)（采用sad作為匹配準(zhǔn)則函數(shù)）取得最小值的模式進(jìn)行編碼。每計(jì)算一種模式，都將sad值與一個(gè)經(jīng)驗(yàn)閥值做比較。當(dāng)sad值小于這個(gè)閥值時(shí)，立即結(jié)束運(yùn)動(dòng)估計(jì)，從而減少運(yùn)算量。

　　幀內(nèi)預(yù)測(cè)的改進(jìn)：H.264標(biāo)準(zhǔn)所采用的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式除了DC模式都具有方向性，相鄰4×4塊都具有相關(guān)性。根據(jù)這樣的相關(guān)性，只將當(dāng)前4×4塊上邊和左邊選用預(yù)測(cè)模式及其相鄰的兩種預(yù)測(cè)模式作為當(dāng)前4×4塊的預(yù)測(cè)模式，當(dāng)其閥值都大于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)閥值時(shí)，才采用DC模式。這樣的方案不用一一計(jì)算9種預(yù)測(cè)模式，在復(fù)雜度、編碼效率、質(zhì)量和速度上取了一個(gè)折中。流程如圖3所示。

2.2.2.3 代碼層次優(yōu)化
　　針對(duì)ADSP-BF561平臺(tái)，代碼層次的優(yōu)化工作包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)內(nèi)聯(lián)函數(shù)。將經(jīng)常調(diào)用的函數(shù)體較小的函數(shù)改為內(nèi)聯(lián)。編譯條件中有關(guān)于內(nèi)聯(lián)函數(shù)優(yōu)化的選項(xiàng)。內(nèi)聯(lián)函數(shù)的使用是將代碼的大小和運(yùn)行效率取一個(gè)折中。根據(jù)實(shí)際情況，代碼的大小并非限制條件，所以應(yīng)盡可能多地使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)。在項(xiàng)目配置中選中when declared inline選項(xiàng)。
　　(2)跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)。ADSP-BF561采用了靜態(tài)預(yù)測(cè)的方式來(lái)預(yù)測(cè)有條件判斷情況，預(yù)測(cè)不成功會(huì)造成4～8個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘（CCLK）的延誤。如果事先知道某些跳轉(zhuǎn)的概率，將可能性最大的分支放在最前面，可以從概率上降低預(yù)測(cè)不成功而造成的stall。
　　(3)使用硬件支持循環(huán)。對(duì)于大部分平臺(tái)，將一些循環(huán)體小的循環(huán)展開(kāi)也能提高效率。ADSP-BF561有兩組硬件計(jì)數(shù)器用以支持循環(huán)。所以除非是展開(kāi)三層以上的循環(huán)，否則，展開(kāi)循環(huán)體不能提高效率。
　　(4)內(nèi)存。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存是非常寶貴的資源。避免頻繁的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存，能減少碎片產(chǎn)生，提高內(nèi)存的利用率。X264工程也不會(huì)頻繁地申請(qǐng)釋放內(nèi)存。在項(xiàng)目中，具體做法是編寫平臺(tái)相關(guān)的malloc和free函數(shù)。將經(jīng)常使用的中間數(shù)據(jù)在L1數(shù)據(jù)空間中分配。
　　(5)注釋不需要代碼。去掉代碼中不需要的部分，主要會(huì)去掉CAVLC以及部分碼率控制、csp、cpu、信息統(tǒng)計(jì)、調(diào)試和psnr計(jì)算等部分代碼，這樣做的目的是為了減小文件大小和去除代碼中的一些跳轉(zhuǎn)。不建議刪除代碼，可以使用注釋符或用宏切換的方式，以防止以后參數(shù)改變時(shí)需要使用未使用過(guò)的代碼。
2.2.2.4 平臺(tái)層次優(yōu)化
　　ADSP-BF561相應(yīng)的編程參考和硬件參考對(duì)其平臺(tái)特性有詳細(xì)介紹。一些平臺(tái)自帶的優(yōu)化功能，如CACHE的開(kāi)啟和配置等不專門在此討論。
　　(1)匯編代碼編寫
　　使用匯編優(yōu)化有兩個(gè)方法：對(duì)于LEAF函數(shù)（函數(shù)體中不再調(diào)用其余函數(shù)），采用整個(gè)函數(shù)完全用匯編指令重寫的方式；而對(duì)于NONLEAF函數(shù)則可使用asm關(guān)鍵字，在C代碼中嵌入?yún)R編代碼。在匯編代碼的編寫過(guò)程中一些情況會(huì)造成流水線stall，在編寫匯編代碼時(shí)要特別注意避免這些情況。IDE集成了PIPLELINE VIEWER工具，如圖4所示。在編寫完成匯編代碼后，可使用該工具觀察運(yùn)行時(shí)流水線的情況。如果有stall等出現(xiàn)，會(huì)給出原因，優(yōu)化人員根據(jù)工具分析結(jié)果重新更改代碼，提高執(zhí)行效率。

　　ADI公司提供的IDE具有非常靈活的設(shè)置，能根據(jù)用戶的需要生成針對(duì)不同限制的代碼。如內(nèi)存有限，用戶可以設(shè)置生成文件更小的代碼；如果用戶更注重運(yùn)行速度，則設(shè)置編譯器生成運(yùn)行速度更快的代碼，或是在其間取一個(gè)折中。
　　ADSP-BF561有專門用于處理視頻相關(guān)的一些專用DSP指令(video pixel operations、vector operations等)，這些專用指令通過(guò)SIMD技術(shù)或者操作專門硬件支持某些特殊運(yùn)算（累加、多參數(shù)取均值，同時(shí)完成加減法等），以提高運(yùn)行速度。如前文求SAD情況，匯編指令中有指令專門計(jì)算連續(xù)4個(gè)像素與另外連續(xù)4個(gè)像素之差的絕對(duì)值之和，結(jié)果與累加器的值相加。如果要隔點(diǎn)算（即取一半的點(diǎn)計(jì)算），反而需要增加指令后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，既耗時(shí)而且不準(zhǔn)確。所以采用計(jì)算一半像素點(diǎn)的策略并不適用于ADSP-BF561。編譯器自動(dòng)生成的代碼中不會(huì)使用到這些專用指令。所以只能根據(jù)對(duì)算法的理解和對(duì)平臺(tái)的熟悉程度來(lái)對(duì)算法進(jìn)行匯編優(yōu)化。
　　在編寫匯編代碼時(shí)還需注意部分寄存器的使用，如I0、I1，其值不僅用做地址索引，還會(huì)影響許多指令的計(jì)算結(jié)果。在使用這些寄存器時(shí)，一定要注意將其壓棧或置為適當(dāng)?shù)闹?。此外，關(guān)于數(shù)據(jù)的載入，一般應(yīng)遵循對(duì)齊原則，但在做運(yùn)動(dòng)估計(jì)計(jì)算匹配準(zhǔn)則函數(shù)時(shí)，這樣的要求往往達(dá)不到。故如能將兩者分開(kāi)來(lái)計(jì)算，將更能提高效率。
　　此外，應(yīng)盡量合理地使用寄存器，多使用并行指令也能提高代碼的執(zhí)行效率。
　　(2)分級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
　　ADSP-BF561處理器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和分級(jí)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。Level 1(L1)存儲(chǔ)器以全速運(yùn)行，只有很少的延遲。在L1級(jí)，指令存儲(chǔ)器存放指令。兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，一個(gè)專用的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放堆棧和局部變量信息。由多個(gè)L1 存儲(chǔ)器組成的模塊，可進(jìn)行SRAM和CACHE 的混合配置。存儲(chǔ)器管理單元(MMU)提供存儲(chǔ)器保護(hù)功能，對(duì)運(yùn)行于內(nèi)核上的獨(dú)立任務(wù)，可保護(hù)系統(tǒng)寄存器免于意外的存取。L1 存儲(chǔ)器是ADSP-BF561處理器內(nèi)核中性能最高、最重要的存儲(chǔ)器。通過(guò)外部總線接口單元(EBIU)，片外存儲(chǔ)器可以由SDRAM、FLASH 和SRAM 進(jìn)行擴(kuò)展，可以訪問(wèn)多達(dá)132 MB的物理存儲(chǔ)器。根據(jù)這樣的特點(diǎn)，將執(zhí)行率更高的代碼放入L1指令緩存中，能使代碼更快地運(yùn)行。IDE提供了Profile工具，能在運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)各個(gè)函數(shù)所占的CYCLE數(shù)和占總CYCLE數(shù)的百分比。通過(guò)將X264中比較耗時(shí)的部分算法代碼，如模式選擇部分代碼放入L1指令空間，能進(jìn)一步提升運(yùn)行效率。Profile工具統(tǒng)計(jì)結(jié)果同樣也是選擇需要使用匯編優(yōu)化函數(shù)的依據(jù)，IDE可根據(jù)Profile結(jié)果對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。X264代碼Profile統(tǒng)計(jì)結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)有很大關(guān)系，選用更類似以后應(yīng)用場(chǎng)所的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，能使統(tǒng)計(jì)結(jié)果更接近以后的應(yīng)用環(huán)境。為達(dá)到比較準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最好在Simulation階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。雖然這樣非常耗時(shí)，但為得到一個(gè)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)作為參考依據(jù)是值得的。此外CACHE VIEWER工具能提供運(yùn)行時(shí)CACHE的使用情況，使用它來(lái)分析CACHE的使用，對(duì)于提高代碼運(yùn)行效率很有用處。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估
3.1 關(guān)鍵函數(shù)優(yōu)化測(cè)試結(jié)果
　　采用以上優(yōu)化方法對(duì)編碼關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后函數(shù)耗時(shí)如表1所示?？梢?jiàn)，以上優(yōu)化方法能大幅度減少編碼時(shí)間。

3.2 測(cè)試序列測(cè)試結(jié)果
　　對(duì)三種測(cè)試序列在總線頻率120MHz下進(jìn)行優(yōu)化前后幀率測(cè)試，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，采用以上優(yōu)化方法能顯著提高幀率。

3.3 不同數(shù)據(jù)總線頻率下測(cè)試結(jié)果
　　對(duì)于不同的總線頻率，優(yōu)化后編碼幀率不同，結(jié)果如表3所示，采用的測(cè)試序列為foreman。

　　本文介紹了H.264標(biāo)準(zhǔn)的框架，研究了X264軟件的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)ADSP-BF561處理器體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了一套X264優(yōu)化方案，包括：算法替代和改進(jìn)、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、匯編代碼編寫、高速存儲(chǔ)器應(yīng)用等。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的算法編碼效率有顯著提高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。但是，本文主要從編碼速度和效率兩方面對(duì)編碼器進(jìn)行優(yōu)化，在復(fù)雜度和編碼質(zhì)量上仍需不斷對(duì)關(guān)鍵算法進(jìn)行分析整合，提出新的優(yōu)化算法。同時(shí)，編碼器的碼率控制尚未完善，如何在降低計(jì)算復(fù)雜度的前提下有效進(jìn)行碼率控制，需進(jìn)一步研究。

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