H.264在ADSP-BF561上的實現(xiàn)與優(yōu)化
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1 算法介紹
1.1 H.264編碼模型框架
H.264以其高壓縮比、高圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性廣受業(yè)界歡迎。在同等質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比比MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。其需要的帶寬只有MPEG-4的50%, MPEG-2的12.5％。
H.264標準采用分層體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為：視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)，負責(zé)高效的數(shù)字視頻壓縮；網(wǎng)絡(luò)抽象層NAL(Network Abstraction Layer)，負責(zé)對數(shù)據(jù)進行打包和傳送。H.264編碼圖像通常分為三種類型：I幀、P幀、B幀。I幀為幀內(nèi)編碼幀，其編碼不依賴于已編碼的圖像數(shù)據(jù)。P幀為前向預(yù)測幀，B幀為雙向預(yù)測幀，編碼時都需要根據(jù)參考幀進行運動估計。同時，H.264在提高圖像傳輸容錯性方面做了大量工作，重新定義了適于圖像的結(jié)構(gòu)劃分。在編碼時，圖像幀各部分被劃分到多個Slice結(jié)構(gòu)中，每個Slice都可以被獨立編碼，不受其他部分影響。Slice由圖像最基本的結(jié)構(gòu)――宏塊組成，每個宏塊包含一個16×16的亮度塊和兩個8×8的色度塊。H.264標準的整體編碼框圖如圖1所示。編碼過程中，原始數(shù)據(jù)進入編碼器后，當(dāng)采用幀內(nèi)編碼時，首先選擇相應(yīng)的幀內(nèi)預(yù)測模式進行幀內(nèi)預(yù)測，隨后對實際值和預(yù)測值之間的差值進行變換、量化和嫡編碼，同時編碼后的碼流經(jīng)過反量化和反變換之后重構(gòu)預(yù)測殘差圖像，再與預(yù)測值相加得出重構(gòu)幀，得出的結(jié)果經(jīng)過去塊濾波器平滑后送入幀存儲器。采用幀間編碼時，輸入的圖像塊首先在參考幀中進行運動估計，得到運動矢量。運動估計后的殘差圖像經(jīng)整數(shù)變換、量化和嫡編碼后與運動矢量一起送入信道傳輸。同時另一路碼流以相同的方式重構(gòu)后，經(jīng)去塊濾波后送入幀存儲器作為下一幀編碼的參考圖像。
1.2 H.264關(guān)鍵技術(shù)
1.2.1 幀內(nèi)預(yù)測
H.264引入了幀內(nèi)預(yù)測以提高壓縮效率。幀內(nèi)預(yù)測編碼就是利用周圍鄰近的像素值來預(yù)測當(dāng)前的像素值，然后對預(yù)測誤差進行編碼。這種預(yù)測是基于塊的。對于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16有4種預(yù)測模式，4×4有9種預(yù)測模式；對于色度分量，預(yù)測是對整個8×8塊進行的，有4種預(yù)測模式。
1.2.2 幀間預(yù)測
幀間預(yù)測時所用塊的大小可變。假設(shè)基于塊的運動模型，其塊內(nèi)的所有像素都做了相同的平移，在運動比較劇烈或者運動物體的邊緣外，這一假設(shè)會與實際出入較大，從而導(dǎo)致較大的預(yù)測誤差，這時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)相對也小，因此，小塊可以提高預(yù)測的效果。H.264一共采用了7種方式對一個宏塊進行分割，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)測模式。與僅使用16x16塊進行預(yù)測相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率節(jié)約15%以上。
同時，幀內(nèi)預(yù)測采用了更精細的預(yù)測精度，H.264中亮度分量的運動矢量使用1/4像素精度。色度分量的運動矢量使用1/8像素精度。
1.2.3 多幀參考
H.264支持多幀參考預(yù)測，最多可以有5個在當(dāng)前幀之前的解碼幀作為參考幀產(chǎn)生對當(dāng)前幀的預(yù)測，提高H.264解碼器的錯誤恢復(fù)能力。
1.2.4 整數(shù)變換
H.264對殘差圖像的4×4整數(shù)變換技術(shù)，采用定點運算來代替以往DCT變換中的浮點運算。以降低編碼時間，同時也更適合硬件平臺的移植。
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的抗差錯能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率強，但需要的計算量和存儲容量更大。
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)測誤差。經(jīng)過濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測，而不是僅僅用來改善主觀質(zhì)量，因此該濾波器位于解碼環(huán)中。對于幀內(nèi)預(yù)測，使用的是未經(jīng)過濾波的重建圖像。
2 算法實現(xiàn)
2.1 平臺選擇
2.1.1 ADSP-BF561芯片介紹
ADSP-BF561是Blackfin系列中的一款高性能定點DSP視頻處理芯片。其主頻最高可達750 MHz，內(nèi)核包含2個16位乘法器MAC、2個40位累加器ALU、4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器。該芯片中的兩套數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器(DAG)可為同時從存儲器存取雙操作數(shù)提供地址，每秒可處理1 200兆次乘加運算。芯片帶有專用的視頻信號處理指令以及100KB的片內(nèi)L1存儲器(16 KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的數(shù)據(jù)Cache/SRAM，4 KB的臨時數(shù)據(jù)SRAM)、128 KB的片內(nèi)L2存儲器SRAM，同時具有動態(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128 MB SDRAM接口，4個1 MB異步存儲器接口)、3個定時/計數(shù)器、1個UART、1個SPI接口、2個同步串行接口和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)了對媒體應(yīng)用(特別是視頻應(yīng)用)算法的支持。
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