基于ADSP-BF5619處理的H．264視頻編碼器設(shè)計(jì)

0 引言
    H．264／AVC是ITU-TVCEG和ISO／IEC MPEG聯(lián)合制定的最新視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是目前圖像通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。H．264的視頻編碼層(VCL)采用了許多新技術(shù)，因而使得編碼性能大幅度提高。與以往的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同的碼率下，H．264具有更佳的圖像質(zhì)量，這使得H．264在無線通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)鹊痛a率視頻應(yīng)用領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。但這是以復(fù)雜度的成本增加為代價(jià)的，故使H．264在實(shí)時(shí)視頻編碼及傳輸應(yīng)用中面臨巨大的挑戰(zhàn)。而用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(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。ADSP-BF561處理器性能卓越，具有600 MHz的主頻，且集成了一套通用的數(shù)字圖像處理外圍設(shè)備接口，從而為多媒體和圖像應(yīng)用創(chuàng)建了一個(gè)完美的系統(tǒng)級(jí)片上解決方案。本文針對(duì)低碼率視頻傳輸?shù)男枰?，研究并?shí)現(xiàn)基于H．264標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼系統(tǒng)，同時(shí)探討H．264軟件編碼器在DSP上的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化方法。

1 H．264編碼算法及ADSP-BF561簡(jiǎn)介
    在實(shí)際開發(fā)過程中，針對(duì)H．264的算法特點(diǎn)和ADSP-BF561雙核處理器的結(jié)構(gòu)特性，本文做了大量?jī)?yōu)化工作，從而在保證編碼精度的同時(shí)，大幅度提高了編碼速度。下面簡(jiǎn)要介紹H．264視頻編碼算法和ADSP-BF561雙核處理器系統(tǒng)。
1．1 H．264編碼算法
    H．264是ISO和ITU聯(lián)合制定的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的壓縮比和很好的魯棒性。其整體框架如圖1所示。

    在繼承了原有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，H．264作了多方面的改進(jìn)，包括引入4×4子塊和16x16子塊共9種模式的幀內(nèi)預(yù)測(cè)。幀內(nèi)模式的引入是為了與變換編碼一起用于消除空間上的冗余，進(jìn)而大大提高編碼效率。在幀間模式中，H．264可支持多尺寸的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償。其幀間預(yù)測(cè)時(shí)塊的大小不是固定的8x8，而是可以從4×4到16x16，并且包括長(zhǎng)寬不等的塊(共7種類型)，同時(shí)支持多參考幀，故可大大提高預(yù)測(cè)性能。此外，H．264還采用整數(shù)DCT變換來降低計(jì)算量，同時(shí)采用自適應(yīng)算術(shù)編碼來提高編碼效率，并可利用濾波器消除低比特量化帶來的塊效應(yīng)等。事實(shí)上，H．264的效率比現(xiàn)有的編碼技術(shù)可提高50％。
1．2 ADSP-BF561芯片結(jié)構(gòu)
    ADSP-BF561是一種雙核750 MHz處理器，具有對(duì)稱多處理(SMP)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其SMP結(jié)構(gòu)在信號(hào)處理和控制功能的集成和分割方面能夠?yàn)橛脩籼峁┹^高的性能和較大的設(shè)計(jì)靈活性。ADSP-BF561的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包含coreA和coreB兩個(gè)核，每個(gè)核的處理頻率可達(dá)750MHz。兩個(gè)核都有各自獨(dú)立的32KB L1指令存儲(chǔ)器(16KB Cache／SRAM)和64KB L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(32KB Cache／SDRAM)，并可共享128KB L2存儲(chǔ)器。兩內(nèi)核訪問不同內(nèi)存時(shí)，其速率有明顯差異，其中訪問L1存儲(chǔ)器最快，L2次之，而訪問片外內(nèi)存和設(shè)備則最慢。
    由于訪問存儲(chǔ)器速率的差異。雙核之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換最好在L1段直接進(jìn)行，而且需要使用IMDMA控制器。這個(gè)DMA控制器的主要功能是在雙核之間的L1存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。使用IMDMA控制器可以在訪問速率比較慢的片外內(nèi)存或者對(duì)L2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作時(shí)，提高數(shù)據(jù)處理的速率，進(jìn)而提高編碼效率。

2 H．264視頻編碼算法的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)
    對(duì)編碼器的優(yōu)化主要是對(duì)P幀編碼流程的優(yōu)化和對(duì)ADSP-BF561雙核處理系統(tǒng)的優(yōu)化，合理的流程有利于各種模塊的獨(dú)立性和完整性，同時(shí)有利于以后只針對(duì)某個(gè)模塊的優(yōu)化或升級(jí)處理。而利用ADSP-BF561的雙核協(xié)調(diào)處理優(yōu)勢(shì)可以進(jìn)一步提高其速度。
2．1 P幀編碼流程的優(yōu)化
    由于H．264編碼算法比較龐大，對(duì)程序細(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化事實(shí)上不能帶來明顯的效率提高，所以應(yīng)對(duì)程序流程本身進(jìn)行調(diào)整。在H．264編碼器JM86版本中，I幀、P幀的編碼采用同一模塊，這樣就有大量幀內(nèi)、幀間宏塊的重復(fù)判斷，故使編碼速度受限。Micro_h264編碼軟件模型針對(duì)這一缺點(diǎn)進(jìn)行了處理，將I幀、P幀的編碼提取出來分別獨(dú)立編碼。但是遺憾的是，micro_h264編碼軟件模型對(duì)一幀圖像的宏塊進(jìn)行編碼是按照宏塊在圖像中的光柵掃描順序一一進(jìn)行的，沒有考慮到宏塊在一幀圖像中的不同位置有著不同的特性，而且對(duì)這些宏塊采用統(tǒng)一模式進(jìn)行編碼，也會(huì)產(chǎn)生很多判斷條件，這不但不利于DSP的流水操作，也不利于模塊的優(yōu)化。本文針對(duì)這一個(gè)缺點(diǎn)對(duì)micro h264的P幀編碼流程進(jìn)行優(yōu)化。
    根據(jù)宏塊在一幀圖像中位置的不同，可以對(duì)不同位置的宏塊分別獨(dú)立進(jìn)行編碼。同時(shí)，根據(jù)子塊在宏塊中的不同位置，也可以對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立編碼。
    一幀圖像被分成多個(gè)宏塊時(shí)，不同位置的宏塊有不同的特性。因此，可以根據(jù)宏塊在一幀圖像中的不同位置來對(duì)宏塊進(jìn)行分類，以將具有相同編碼特性的宏塊歸為一類，這樣，可以將幀圖像的宏塊分成五類。圖3所示是其宏塊分類圖。
    通過對(duì)宏塊進(jìn)行分類，可對(duì)不同的宏塊調(diào)用不同的函數(shù)來對(duì)其獨(dú)立編碼，從而減少很多不必要的判斷，這樣就不會(huì)打斷DSP的流水操作，達(dá)到提高速度之目的，同時(shí)在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)也更具針對(duì)性。
    本編碼器在P幀編碼時(shí)，只用了一幀參考幀，并且改進(jìn)了micro_h264編碼器軟件模型所使用的對(duì)宏塊編碼模式逐一遍歷的算法，而是采用宏塊編碼模式快速選擇算法。P幀編碼的流程圖如圖4所示。

    運(yùn)行平臺(tái)的不同，軟件結(jié)構(gòu)也應(yīng)該根據(jù)各自的特點(diǎn)做些調(diào)整。較低復(fù)雜度的編碼器可將多個(gè)不同類宏塊獨(dú)立出來單獨(dú)處理，這樣可以省去許多中間的重復(fù)判斷，不僅能提高編碼速度，同時(shí)程序結(jié)構(gòu)也顯得更為清晰，而且，由于各個(gè)模塊的相對(duì)獨(dú)立，也有利于程序的擴(kuò)展。雖然這樣在一定程度上增加了代碼量，但卻能有效地提高編碼速度。
2．2 ADSP-BF561雙核處理系統(tǒng)的優(yōu)化
    為了保證編碼器的穩(wěn)定工作，本文把內(nèi)核定位在600 MHz，如果能在600 MHz的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)4CIF格式的實(shí)時(shí)編碼，那么，提高內(nèi)核處理頻率就能支持更高質(zhì)量的4CIF格式的視頻編碼處理。為了實(shí)現(xiàn)25幀圖像的實(shí)時(shí)編碼，每幀需要的時(shí)鐘周期數(shù)為600 MHz／25=24MHz，即需要在24 MHz時(shí)鐘周期數(shù)內(nèi)編碼一幀。大約相當(dāng)于在6 MHz內(nèi)進(jìn)行一幀CIF格式的視頻處理，顯然，如果使用一個(gè)核是很難做到實(shí)時(shí)編碼處理的。本文不同于大多數(shù)雙核系統(tǒng)的一個(gè)核運(yùn)行操作系統(tǒng)，而另一個(gè)核運(yùn)行其它軟件的工作方式，是將編碼器放在兩個(gè)核內(nèi)同時(shí)進(jìn)行處理。
    在ADSP-BF561開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)這個(gè)編碼算法時(shí)，其主要的難點(diǎn)是兩個(gè)核之間如何通信以及協(xié)調(diào)工作。雙核同時(shí)運(yùn)行一個(gè)視頻編碼程序時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和交換。雖然，使用片外內(nèi)存或者L2共享存儲(chǔ)器來進(jìn)行宏塊數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單，且不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝，但是，大量訪問低速率存儲(chǔ)器的操作將極大地影響程序執(zhí)行的速率，進(jìn)而影響編碼器的編碼效率，所以，不能采用共享內(nèi)存來進(jìn)行宏塊數(shù)據(jù)的交換。本文采用的是IMDMA在雙核各自的L1數(shù)據(jù)段直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而且在編碼處理的同時(shí)進(jìn)行內(nèi)存數(shù)據(jù)的交換，從而避免了大量訪問低速率的存儲(chǔ)空間操作，減少了程序執(zhí)行的時(shí)間。而由于消息交換數(shù)據(jù)量很小，可以使用共享存儲(chǔ)器，因此，可以采用訪問速率相對(duì)較快的L2存儲(chǔ)器來進(jìn)行存取。事實(shí)上，筆者已經(jīng)經(jīng)過優(yōu)化編程在BF561開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了上述編碼算法。其雙核編碼主流程如圖5所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
    經(jīng)過優(yōu)化，H．264的編碼性能有了較大的提升，實(shí)現(xiàn)了在BF561芯片上對(duì)4CIF格式視頻的實(shí)時(shí)編碼處理。同時(shí)，筆者還在VisualDSP++5．0編譯環(huán)境下分別對(duì)原編碼器和雙核編碼器實(shí)現(xiàn)的編碼結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如表1所列。事實(shí)上，編碼速度基本取決于圖像畫面的運(yùn)動(dòng)情況和顏色是否豐富。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于不同序列，其編碼速度也不同。Claire序列的編碼速度之所以很快，是因?yàn)閳D像背景靜止，只有肩部和頭部有運(yùn)動(dòng)，所以編碼數(shù)據(jù)量較表1對(duì)不同序列的優(yōu)化結(jié)果(25f／s CIF格式)少，編碼速度較高。另外，如果圖像比較簡(jiǎn)單，其編碼速度也會(huì)較高，從而節(jié)約編碼時(shí)間。

    試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文的優(yōu)化方法可以節(jié)約大量的H．264視頻編碼數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，能較好地滿足4CIF視頻序列實(shí)時(shí)編碼的要求。而對(duì)于很復(fù)雜的圖像，也可以在一定的量化參數(shù)下實(shí)現(xiàn)4CIF的實(shí)時(shí)編碼。

4 結(jié)束語
    本文重點(diǎn)研究了基于ADSP-BF561雙核處理器的H．264視頻編碼算法的優(yōu)化及其實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)針對(duì)ADSP-BF561雙核處理器的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)編碼的關(guān)鍵部分進(jìn)行了算法流程的調(diào)整，并通過BF561雙核之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)工作，在雙核上實(shí)現(xiàn)了4CIF格式視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)編碼。實(shí)踐證明，使用VisualDSP++5．0仿真軟件，在ADSP-BF561開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)25f／s的H．264 4CIF視頻編碼系統(tǒng)，可以滿足人們對(duì)視頻傳輸?shù)男枨蟆?br />