基于 TMS320DM6446 的 H.264 編碼器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2003年發(fā)布的H.264視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上解決了要在盡可能低的碼率下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量這一問題。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264能夠比H.263節(jié)約50%左右的比特率，此外H.264還增強(qiáng)了其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，差錯(cuò)的恢復(fù)能力，使其非常適用于數(shù)字視頻存儲(chǔ)、IPTV及手機(jī)電視等視頻質(zhì)量要求高而信道傳輸環(huán)境不穩(wěn)定的場(chǎng)合。

由于加入了多模式位移估計(jì)、基于4×4塊的整數(shù)變換等多種新的算法，使H.264算法本身的復(fù)雜度大幅增加。因此本文采用基于TI的TMS320DM6446的DAVINCI_EVM平臺(tái)作為算法的硬件平臺(tái)，提出針對(duì)達(dá)芬奇平臺(tái)對(duì)H.264編碼器進(jìn)行優(yōu)化，在不降低編碼質(zhì)量的情況下提高程序運(yùn)行效率，降低運(yùn)算復(fù)雜度的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。

H.264編碼器的算法流程
H.264編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入的Fn為當(dāng)前幀或場(chǎng)，編碼器以宏塊為單位進(jìn)行處理，每個(gè)宏塊可以選擇幀內(nèi)或者幀間預(yù)測(cè)兩種編碼方式。如果采用幀內(nèi)編碼模式，其預(yù)測(cè)值PRED（圖中為P）是由本幀之前已經(jīng)經(jīng)過編碼、解碼、重建的一些樣本點(diǎn)生成。而如果采用幀間模式，則P由一個(gè)或者多個(gè)參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)生成。預(yù)測(cè)值P和當(dāng)前塊相減后，產(chǎn)生一個(gè)殘差塊D，經(jīng)塊變換、量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)熵編碼，與解碼所需的一些信息一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)NAL供傳輸和存儲(chǔ)用。

圖1 H.264編碼器結(jié)構(gòu)

編碼硬件平臺(tái)概況
本文采用的達(dá)芬奇數(shù)字視頻評(píng)估模塊DVEVM（Digital Video Evaluation Module）是TI提供的用來評(píng)估DaVinci技術(shù)和DM644x體系架構(gòu)的評(píng)估模塊，是強(qiáng)調(diào)片上能力的一個(gè)很好的參考平臺(tái)。其硬件資源包括TM320DM6446的DSP和ARM9的雙核芯片、128MB的SDRAM、16MB的NAND Flash以及豐富的外設(shè)接口。

TM320DM6446中用于編碼器具體實(shí)現(xiàn)的C64x+ DSP的時(shí)鐘頻率達(dá)到600MHz。C64x+ DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)器的配置包括32KB的程序存儲(chǔ)器L1P、80KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L1D和64KB的二級(jí)緩存L2。圖2為TM320DM6446中DSP端的核心C64x+的結(jié)構(gòu)原理圖。

編圖2 C64x+結(jié)構(gòu)原理圖

碼器在TM320DM6446上的實(shí)現(xiàn)
由于DSP平臺(tái)與PC平臺(tái)的差異性，必須對(duì)PC上開發(fā)的編碼器程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，并進(jìn)行合理的內(nèi)存分配才能在DSP平臺(tái)上正常的運(yùn)行。主要實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1 編碼器C語言結(jié)構(gòu)調(diào)整
PC平臺(tái)上用C語言實(shí)現(xiàn)的編碼器在DSP平臺(tái)上的編碼幀率（fps）非常低，平均2秒才能編完一幀，其主要原因是無法利用DSP的并行處理機(jī)制。因此針對(duì)C64x+的特點(diǎn)，將程序中對(duì)流水線操作影響較大的的循環(huán)拆分成若干小循環(huán)實(shí)現(xiàn)。對(duì)編碼器運(yùn)行速度影響較大的模塊如sad的計(jì)算，DCT變換等采用CCS自帶的圖像庫(kù)以提高編碼效率。