一種基于DSP平臺(tái)的快速H.264編碼算法的設(shè)計(jì)

視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264／AVC是由ISO／IEC和ITU-T組成的聯(lián)合視頻專家組(JVT)制定的，他引進(jìn)了一系列先進(jìn)的視頻編碼技術(shù)，如4×4整數(shù)變換、空域內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)，多參考幀與多種大小塊的幀間預(yù)測(cè)技術(shù)等，標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)推出，就以其高效的壓縮性能和友好的網(wǎng)絡(luò)特性受到業(yè)界的廣泛推崇。特別是在2004年7月JVT組織做了重要的保真度范圍擴(kuò)展的補(bǔ)充后，更加擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍，但同時(shí)巨大的運(yùn)算量卻成為其廣泛應(yīng)用的瓶頸?？紤]到H.264協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，本文的思路是：一方面提高硬件處理速度和能力，采用TI公司最新的數(shù)字媒體處理器Davinci TMS320DM6446 DSP芯片作為H.264編碼器實(shí)現(xiàn)的硬件開發(fā)平臺(tái)，另一方面提高算法效率。最后提出一個(gè)基于這個(gè)芯片的嵌入式H.264編碼器的設(shè)計(jì)方案。

1 硬件平臺(tái)

1.1 Davinci DM6446芯片介紹

DM6446采用DSP+ARM的雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)(內(nèi)核圖見圖1)，其中的DSP芯片的CPU時(shí)鐘頻率可達(dá)594 MHz，ARM的引入可以釋放DSP在控制方面的部分功能，使DSP專門進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作。芯片采用增強(qiáng)型的哈佛結(jié)構(gòu)總線，其CPU內(nèi)部有2個(gè)數(shù)據(jù)通道，8個(gè)32 b的功能單元，2個(gè)通用寄存器組(A和B)，可同時(shí)執(zhí)行8條32 b長(zhǎng)指令。如果能充分利用這8個(gè)功能單元，總字長(zhǎng)為256 b的指令包同時(shí)分配到8個(gè)并行處理單元，在完全流水的情況下，該芯片的指令吞吐量將達(dá)到594×8=4 752 MIPS。處理器具有雙16 b擴(kuò)充功能，芯片能在一個(gè)周期內(nèi)完成雙16 b的乘法、加減法、比較、移位等操作。該芯片內(nèi)部支持兩級(jí)Cache，其中第一級(jí)32 kB的程序緩存器L1P，80 kB的數(shù)據(jù)緩存器L1D，而第二級(jí)的Cache大小是可配置的64 kB，芯片自動(dòng)完成這兩級(jí)Cache之間數(shù)據(jù)一致性的維護(hù)。有了這兩級(jí)Cache的支持將使CPU的執(zhí)行速度大大加快。

Davinci DM6446具有專用的視頻圖像處理子系統(tǒng)。視頻處理子系統(tǒng)包括1個(gè)視頻前端和1個(gè)視頻末端，視頻前端的輸入接口用于接受外部傳感器或視頻譯碼器輸出的BT.656等圖像輸入信息；視頻末端輸出接口輸出圖像，實(shí)現(xiàn)圖像本地重現(xiàn)。

視頻前端輸入(VPFE)接口由1個(gè)CCD控制器(CCDC)，1個(gè)預(yù)處理器，柱狀模塊，自動(dòng)曝光／白平衡／聚焦模塊(H3A)和寄存器組成。CCD控制器可以與視頻解碼器CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接。預(yù)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)的圖形處理器。

1.2 H.264編碼器硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)的平臺(tái)核心處理芯片為Davinci DM6446，如圖2所示，片外RAM選取兩片DDR并聯(lián)成32位的數(shù)據(jù)寬度，空間為256 MB。模擬視頻信號(hào)在“VIDEO IN”引入后經(jīng)過(guò)解碼芯片TVP5146變換為數(shù)字信號(hào)后輸入TMS320DM6446芯片中進(jìn)行處理，H.264編碼處理后的碼流可以通過(guò)視頻末端輸出保存在本地硬盤上，以方便調(diào)試檢查?；蛘呖梢酝ㄟ^(guò)10／100 M以太網(wǎng)物理層接口輸出，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。同時(shí)，本地的重構(gòu)圖像可以通過(guò)TMS320DM6446芯片內(nèi)部OSD模塊和編碼模塊D／A變換后直接顯示輸出。

2 H.264編碼器結(jié)構(gòu)與編碼流程

2.1 H.264編碼器結(jié)構(gòu)

如圖3所示輸入的圖像以宏塊為單位進(jìn)入編碼器中，根據(jù)圖像變化的快慢選擇幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)編碼。如果選擇幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼，首先判斷當(dāng)前待編碼塊中是否包含很多的細(xì)節(jié)，再?zèng)Q定是否要把幀進(jìn)行再分割。接著以重建幀μF′n中的塊為參考，結(jié)合當(dāng)前塊周圍塊的預(yù)測(cè)模式，選擇當(dāng)前塊的最佳預(yù)測(cè)模式。最后由重建幀μF′n中相應(yīng)塊和當(dāng)前塊選定的預(yù)測(cè)模式得到當(dāng)前塊的預(yù)測(cè)值。按照上述方法，對(duì)圖像中的每一宏塊作出幀內(nèi)預(yù)測(cè)，進(jìn)而得到一幀圖像的預(yù)測(cè)值P。如果選擇幀間預(yù)測(cè)編碼，當(dāng)前輸入幀F(xiàn)n和前一幀(參考幀)Fn-1被送到運(yùn)動(dòng)估計(jì)器(ME)，通過(guò)塊搜索，匹配可以得到當(dāng)前幀中的各宏塊相對(duì)于參考幀中對(duì)應(yīng)宏塊的偏移量，也就是常說(shuō)的運(yùn)動(dòng)矢量。接著，參考幀F(xiàn)n-1和剛得到的運(yùn)動(dòng)矢量MV被送到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器(MC)，通過(guò)計(jì)算得到幀間預(yù)測(cè)值P；當(dāng)前幀F(xiàn)n和幀預(yù)測(cè)值P相減，得到殘差Dn，經(jīng)過(guò)變換，量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)過(guò)熵編碼，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)。


2.2 編碼器編碼流程

如圖4所示為H.264編碼器主流程。對(duì)輸入的一幀圖像首先進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑阂院陦K為基本單元進(jìn)行劃分，再由若干宏塊在組合成Slice，由Slice再組合成Slice Group，這樣每個(gè)宏塊所屬的Slice和Slice Group也就確定了。再判斷輸入的一幀圖像是I-Frame還是P-Frame。在以上工作完成后，也就可以對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行編碼了。在對(duì)每個(gè)宏塊都編碼完成后，還需要對(duì)重構(gòu)圖像進(jìn)行1／4象素精度插值處理、參考幀緩沖區(qū)插入處理等工作。至此，編碼一幀的工作才算完成。

3 運(yùn)動(dòng)估計(jì)模式快速率失真決策

為了減少圖像序列的時(shí)間冗余，達(dá)到更好壓縮效果的目的，H.264／AVC編碼方案采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)和預(yù)測(cè)。即由先前已編碼的一個(gè)或多個(gè)幀產(chǎn)生當(dāng)前編碼幀的一種預(yù)測(cè)模式，然后再進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼。且采用了一種可變塊尺寸的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模式，亮度塊尺寸的范圍從16×16變化到4×4，其中包含很多可選模式，形成了一種樹形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。對(duì)于I幀(包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16)，對(duì)P幀(包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16、SKIP模式、幀間16×16、幀間16×8、幀間8×16、幀間8×8、幀間8×4、幀間4×8)同時(shí)還為P幀和B幀提供了特殊的SKIP模式，總共11種模式。這些可選模式的存在使得編碼方式更加靈活，編碼精度相對(duì)于固定尺寸塊預(yù)測(cè)要高很多。然而，可選的幀問(wèn)預(yù)測(cè)模式增加了，必然會(huì)使得運(yùn)算復(fù)雜度增加，因此有必要采用一種高效的決策方法來(lái)選取塊尺寸組合方式，使得編碼效率和編碼質(zhì)量均佳。

3.1 拉各朗日代價(jià)函數(shù)

引入拉各朗日代價(jià)函數(shù)如下：


其中D表示重構(gòu)恢復(fù)圖像相對(duì)于原始圖像間的失真；R(si，m)表示對(duì)宏塊編碼后數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)在碼流中所占用的比特?cái)?shù)，一般由編碼統(tǒng)計(jì)得到，但對(duì)于SKIP模式，比特?cái)?shù)默認(rèn)為1比特；λ表示模式選擇時(shí)所使用的拉各朗日乘積因子。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)估計(jì)，可使用拉各朗日代價(jià)函數(shù)作為選擇運(yùn)動(dòng)矢量的判決標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)式(1)得到對(duì)一個(gè)采樣塊si進(jìn)行ME判決的代價(jià)函數(shù)為下：


該式返回產(chǎn)生最小代價(jià)值的最佳匹配運(yùn)動(dòng)矢量mi，其中M指各種可能編碼模式的集合，m為當(dāng)前選定模式，式(2)中R(si，m)是運(yùn)動(dòng)矢量(mx，my)所要傳輸(按熵編碼)的比特?cái)?shù)。D(si，m)表示對(duì)圖像宏塊的預(yù)測(cè)誤差，對(duì)于該預(yù)測(cè)誤差的計(jì)算有兩種方案：當(dāng)預(yù)測(cè)誤差選擇是絕對(duì)誤差時(shí)用(SAD)表示，如式(3)；當(dāng)預(yù)測(cè)誤差選擇是平方差時(shí)，則用SSD表示，如式(4)中：

其中A為當(dāng)前編碼宏塊。在使用多參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，mi表示所選用的最佳參考幀。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索時(shí)，對(duì)塊si先是進(jìn)行整象素精度的運(yùn)動(dòng)搜索，以取式(1)最小值為匹配標(biāo)準(zhǔn)，得到整象素精度最佳匹配點(diǎn)后，以同樣的方法進(jìn)行1／2，1／4象素精度的匹配搜索。同時(shí)在多個(gè)參考幀內(nèi)作同樣的操作，將所得的函數(shù)代價(jià)進(jìn)行比較得到最小值，也就找到了s，塊的最佳匹配的運(yùn)動(dòng)矢量mi。

3.2 快速預(yù)測(cè)模式判斷算法

快速算法相對(duì)于拉各朗日代價(jià)函數(shù)算法，可分以下兩步實(shí)現(xiàn)：

(1)以基于預(yù)測(cè)模式的方式計(jì)算代價(jià)函數(shù)J，但是這里采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，對(duì)每一種采樣模式進(jìn)行分行交錯(cuò)隔點(diǎn)采樣，如對(duì)8×8塊內(nèi)象素進(jìn)行下采樣，采樣如圖5所示。


然后對(duì)采樣點(diǎn)計(jì)算SAD，記做SADi。僅對(duì)采樣點(diǎn)計(jì)算的拉各朗日代價(jià)函數(shù)如下：

J=[SAD(si，m)+λ?R(si，m)]

先對(duì)上述各種模式分別計(jì)算代價(jià)函數(shù)J，然后選擇代價(jià)最小的3種模式構(gòu)成候選模式集。

(2)對(duì)步驟(1)所得到的候選模式集中每個(gè)模式，按照式(1)，通過(guò)計(jì)算基于率失真的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于RDO的模式選擇，也即C值最小的模式作為最終預(yù)測(cè)模式。

4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

目前，基于DM6446平臺(tái)上設(shè)計(jì)的以上H.264編碼器系統(tǒng)己基本完成，我們選擇了幾個(gè)常見的視頻對(duì)該編碼器進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)表明本H.264編碼器能夠正常工作，且表現(xiàn)出較好的壓縮性能。當(dāng)然該編碼器只實(shí)現(xiàn)了H.264協(xié)議的基本檔次的部分，而且尚未進(jìn)行更專門的優(yōu)化過(guò)程，而協(xié)議的其他部分，由于其復(fù)雜性，則需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，沿著這個(gè)方向，視頻還可以進(jìn)一步壓縮。