基于H．264視頻編解碼DSP實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

摘要：H．264是最新的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是圖像通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)H．264：實(shí)時(shí)編解碼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。TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有很強(qiáng)的并行處理能力和信號(hào)處理功能，是實(shí)現(xiàn)H．264編解碼的理想平臺(tái)。給出視頻編解碼在DSP中實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)DM642的整體系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)出為H．264的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)搭建了良好的硬件平臺(tái)，并給出系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果。解碼速度達(dá)到了實(shí)時(shí)的效果，圖像主觀質(zhì)量較好，無(wú)明顯方塊效應(yīng)，碼率也比較低。
關(guān)鍵詞：H．264標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)字信號(hào)處理器；視頻編解碼；DM642

0 引言
基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字視頻產(chǎn)業(yè)前景看好，而3G的規(guī)模部署，也會(huì)推動(dòng)移動(dòng)視頻通信成為現(xiàn)實(shí)。但數(shù)字化后的視頻圖像具有數(shù)據(jù)海量性，給圖像的存儲(chǔ)和傳輸造成較大的困難。數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。H．264以其良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和高編碼壓縮效率，靈活的語(yǔ)法配置，在視頻處理領(lǐng)域比以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)更加適合視頻處理的發(fā)展方向，更加適合不同應(yīng)用環(huán)境的對(duì)象。H．264充分考慮了多媒體通信對(duì)視頻編解碼的各種要求，有著多個(gè)技術(shù)閃光點(diǎn)，在保留運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和變換編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入了諸如類離散余弦整數(shù)變換(DCT)、基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(CAVLC)、基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)，以及高精度、多模式的運(yùn)動(dòng)估計(jì)等新技術(shù)，進(jìn)一步提高了編碼算法的壓縮效率和圖像回放質(zhì)量。在肉眼主觀感受相同的情況下，H．264較之H．263的編碼效率提高了50％左右。
利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)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，也指明了視頻圖像壓縮領(lǐng)域最新的研究方向。

1 H．264編碼的關(guān)鍵技術(shù)
1．1 基于靈活分割宏塊(MB)的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)和補(bǔ)償以及增加變換的壓縮效果
H．264根據(jù)宏塊的編碼特性采用亮度塊直流變換，色度塊直流變換與普通差值變換相結(jié)合的方法。在運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，H．264信源編碼采用基于4×4塊的整數(shù)變換，可以靈活地選擇塊的大小。而其他標(biāo)準(zhǔn)處理的像素塊大小均為16×16或者8x8。H．264以可變大小的塊來(lái)適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和要求，采用16×16，16×8，8×16，8×8四種模式；當(dāng)劃分為8×8模式時(shí)，又可進(jìn)一步采用8×4，4×8，4×4三種子宏塊劃分模式進(jìn)一步劃分，如圖1所示。根據(jù)需要由不同尺寸的宏塊來(lái)執(zhí)行，采用整數(shù)變換既可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確，不可以減小運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差，處理好需要更多運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的場(chǎng)合，即以引入更小運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊可以提高一般和特殊情況下的預(yù)測(cè)質(zhì)量，它可以提高主觀視覺(jué)效果，同時(shí)又減小了變換過(guò)程中的計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用7種不同大小和形狀的塊可以比單一利用16×16塊進(jìn)行的編碼提高15％以上的壓縮率。

1．2 支持l／4像素或l／8像素精度的運(yùn)動(dòng)估值
運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償算法是目前視頻壓縮技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分，影響著編碼的速度、質(zhì)量和碼率，其編碼的復(fù)雜度也是整個(gè)編碼系統(tǒng)中最高的。
在H．264中通過(guò)6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1／2像素位置的預(yù)測(cè)值。當(dāng)獲得1／2像素值后，通過(guò)取整數(shù)像素位置和1／2像素位置像素值均值的方式獲得l／4像素位置的值。在高碼率情況下，提供1／8像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。采用高精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)會(huì)進(jìn)一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差，減少經(jīng)變換和量化后的非0比特?cái)?shù)，提高了編碼效率。利用1／4像素空間精度可以比原有的一個(gè)像素精度(整數(shù)精度)預(yù)測(cè)提高20％的編碼效率。
1．3 多參考幀預(yù)測(cè)
參考幀是幀間預(yù)測(cè)編碼，也就是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，根據(jù)它與待預(yù)測(cè)幀之間的位置關(guān)系，可分為前向參考幀和后向參考幀。
以往的編解碼技術(shù)在對(duì)P幀圖像進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí)，只允許以參考前一幀圖像進(jìn)行編碼，即以前一個(gè)I圖像或P圖像為參考幀，在對(duì)B圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，只允許參考前后幀圖像進(jìn)行編碼，即以前后兩個(gè)I圖像或P圖像為參考圖像。H．264則打破了這些限制，允許在從當(dāng)前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像，對(duì)宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，當(dāng)選用多參考幀模式時(shí)。編碼器從幾個(gè)參考幀中選擇一個(gè)效果最好的參考幀，達(dá)到最佳的預(yù)測(cè)效果，參考幀圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像，大幅度降低了預(yù)測(cè)誤差。另外，幀問(wèn)編碼部分還引入了SP幀，用于有效地實(shí)現(xiàn)編碼率環(huán)境下的切換，可用于隨機(jī)、快速播放過(guò)程，比單參考幀的方法節(jié)省5％～lO％的傳碼率，并且有利于比特流的錯(cuò)誤恢復(fù)、解碼恢復(fù)更高圖像質(zhì)量。因此，多參考幀預(yù)測(cè)對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)和背景切換能夠提供更好的預(yù)測(cè)效果。