基于TMS320DM642的MPEG4編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引 言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻信息通信的重要性和需求急劇增長(zhǎng)，而其中的關(guān)鍵就在于視頻壓縮編碼技術(shù)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]曾提出了一種基于TMS320DM642 DSP的視頻編碼方案，實(shí)現(xiàn)了H.264算法。同H.264相比，MPEG4具有軟硬件開發(fā)成本低和更容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，是目前視頻編碼應(yīng)用的主流。本文提出了一種基于TMS320DM642 DSP的MPEG4視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)方法，該方案可用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等諸多領(lǐng)域。

MPEG4是由國(guó)際運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)開發(fā)制定的國(guó)際通用視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)發(fā)展成為可適應(yīng)不同傳輸帶寬、可用最少的數(shù)據(jù)來(lái)獲得最佳質(zhì)量圖像的高效壓縮算法和工具。MPEG采用了DCT、量化、熵編碼等算法，通過(guò)對(duì)形狀、運(yùn)動(dòng)、紋理等信息的分析，消除圖像數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，具有高效壓縮性及普遍適用性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為視頻信息高效存儲(chǔ)、傳輸提供了方便。

MPEG4為不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)的碼率、分辨率、質(zhì)量和服務(wù)定義了編碼器和碼流的不同框架和級(jí)別，其中的簡(jiǎn)單框架提供了對(duì)矩形視頻對(duì)象的編碼功能。本文所實(shí)現(xiàn)的就是MPEG4視頻編碼算法的簡(jiǎn)單框架。

2 MPEG4編碼器硬件平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)MPEG4編碼器的硬件平臺(tái)以TMS320DM642DSP為核心，并配合以適當(dāng)?shù)耐獠看鎯?chǔ)器SDRAM，F(xiàn)LASH等外圍設(shè)備。

2.1 TMS320DM642特性

TMS320DM642是TI為多媒體應(yīng)用而開發(fā)的基于C64x內(nèi)核的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，時(shí)鐘頻率600 MHz，最高處理能力可達(dá)4 800 MIPS。DM642具有C6000系列DSP的公共定點(diǎn)指令集，增加了多媒體擴(kuò)展指令，可以更加方便快速地執(zhí)行圖像處理中的算法。DM642的這些特點(diǎn)，使其非常適合于視頻圖像處理，是實(shí)現(xiàn)MPEG4視頻編碼器的理想硬件平臺(tái)。

2.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

編碼器的硬件平臺(tái)如圖1所示，圖中DM642作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，完成MPEG4編碼算法；可編程視頻格式轉(zhuǎn)換電路將輸入的原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成編碼器可接受的視頻格式的數(shù)字信號(hào)；E2PROM和FLASH用來(lái)固化應(yīng)用程序和初始化參數(shù)，SDRAM作為片外存儲(chǔ)器，在編碼過(guò)程中存儲(chǔ)待處理的視頻數(shù)據(jù)，以上三者通過(guò)EMIF總線與DM642連接；通過(guò)JTAG接口，利用CCS，可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件仿真與調(diào)試；實(shí)時(shí)時(shí)鐘為數(shù)字視頻提供實(shí)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)信息。

3 MPEG4編碼器的軟件實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化

3.1 MPEG4的軟件實(shí)現(xiàn)

MPEG4是一個(gè)開放的框架標(biāo)準(zhǔn)，并沒(méi)有規(guī)定具體的算法和程序，用戶可根據(jù)需要自行開發(fā)代碼，我們采用了XVID 1.1.0開放源碼來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG4編碼器。XVID代碼實(shí)現(xiàn)了MPEG4的簡(jiǎn)單框架算法，不需要形狀編碼，只對(duì)I-VOP和P-VOP進(jìn)行編碼。但XVID是針對(duì)PC機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)開發(fā)的，要將他移植到DSP中，必須對(duì)代碼進(jìn)行分析，結(jié)合DSP的指令結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行修改。

XVID代碼實(shí)現(xiàn)的MPEG4編碼器，以原始視頻數(shù)據(jù)中的每一幀作為一個(gè)視頻對(duì)象，首先判斷是I幀還是P幀，I幀需要對(duì)整幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲(chǔ)，P幀則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，只編碼當(dāng)前幀與參考幀之間的圖像殘差和運(yùn)動(dòng)矢量。每幀數(shù)據(jù)都被分為1616宏塊，每個(gè)宏塊又分為88子塊，在宏塊和子塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行DCT、量化、VLC編碼?；诓桓叩膱D像質(zhì)量需求，我們減化了XVID的某些功能，如GMC(全局運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)、RVLC等，減少了代碼運(yùn)算量，降低了復(fù)雜度。

3.2 代碼優(yōu)化

為提高代碼執(zhí)行效率，必須結(jié)合DSP的特點(diǎn)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化主要分為3個(gè)層次：

3.2.1 項(xiàng)目級(jí)優(yōu)化

TI提供了功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境CCS，包含了各種高效的編譯工具，在代碼編譯過(guò)程中，通過(guò)使用編譯器提供的編譯選項(xiàng)(如-o3和-pm等)，編譯器可自動(dòng)改善代碼結(jié)構(gòu)，減少代碼中指令的相關(guān)性，通過(guò)軟件流水等方法，提高指令并行性，改善循環(huán)性能，并可以優(yōu)化代碼的尺寸。

3.2.2 C語(yǔ)言程序級(jí)優(yōu)化

通過(guò)使用CCS中的profile工具，對(duì)C代碼進(jìn)行評(píng)估，找出運(yùn)算量最大的程序段，如DCT、量化、運(yùn)動(dòng)估計(jì)等，這部分代碼的優(yōu)化對(duì)提高編碼器性能有顯著影響，我們采用了以下C程序級(jí)優(yōu)化方法：

(1) 使用C6000 DSP特有的關(guān)鍵字和內(nèi)聯(lián)函數(shù)來(lái)改寫C代碼，如使用關(guān)鍵字restrict可消除數(shù)據(jù)間的相關(guān)性以提高代碼并行執(zhí)行能力，而使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)(如_add2()，nassert())可快速優(yōu)化C代碼，作為直接映射為內(nèi)聯(lián)C6000指令的特殊函數(shù)，可提高代碼在DSP中的執(zhí)行效率。

(2) 使用整型訪問(wèn)短型數(shù)據(jù)，使用32位整型一次訪問(wèn)2個(gè)16位短型數(shù)據(jù)，分別存放在32位寄存器的高、低16位字段，可減少對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)，將程序讀取數(shù)據(jù)的效率提高一倍，再使用能同時(shí)對(duì)2個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)高低16位進(jìn)行操作的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，如add2()；mpy2()等，可大大提高代碼執(zhí)行效率。

(3) 采用循環(huán)展開的方法，將多循環(huán)變?yōu)樯傺h(huán)甚至單循環(huán)，減少循環(huán)嵌套，消除冗余循環(huán)，可以提高指令并行執(zhí)行的程度。

(4) DSP沒(méi)有專門的硬件除法運(yùn)算單元，除法都用連續(xù)減法實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算量比較大，所以要盡量減少除法運(yùn)算，不能減少的除法用移位運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，可減少運(yùn)算耗時(shí)。

(5)使用TI圖像庫(kù)函數(shù)。TI提供了功能強(qiáng)大的IM-AGE庫(kù)支持，包括了很多圖像處理常用函數(shù)，如88子塊的DCT變換(IMG_fdct_88)、SAD計(jì)算(IMG_sad_88)，這些函數(shù)都是優(yōu)化過(guò)的，代碼效率很高，可直接應(yīng)用到程序中。

3.2.3 匯編程序級(jí)優(yōu)化

線性匯編語(yǔ)言是C6000系列DSP所特有的一種編程語(yǔ)言，類似匯編，但不需要給出指令使用的功能單元、寄存器、并行性等細(xì)節(jié)信息，匯編優(yōu)化器可根據(jù)代碼情況自動(dòng)確定。我們將代碼中運(yùn)算量大、調(diào)用頻率高的關(guān)鍵部分用線性匯編進(jìn)行了改寫，如量化、DCT、SAD等模塊，進(jìn)一步優(yōu)化了循環(huán)迭代、提高了指令的并行性效果。表2給出了改寫前后幾個(gè)函數(shù)模塊程序?qū)?幀foreman.qcif測(cè)試序列編碼時(shí)消耗的時(shí)鐘周期數(shù)對(duì)比。

3.3 存儲(chǔ)空間的配置

DSP的片上存儲(chǔ)空間有限，編碼器要處理的大量視頻數(shù)據(jù)(包括當(dāng)前幀和參考幀等圖像)必須放在片外，而CPU訪問(wèn)片外的速度要比訪問(wèn)片內(nèi)慢很多。利用DM642的EDMA功能，CPU對(duì)前一幀數(shù)據(jù)編碼的同時(shí)，通過(guò)ED-MA通道提前將片外的數(shù)據(jù)搬移到片上內(nèi)存，二者并行工作，提高了數(shù)據(jù)由片外傳輸至片內(nèi)的效率，可減少CPU等待時(shí)間。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用編碼器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)qcif格式(176144)測(cè)試序列進(jìn)行編碼來(lái)測(cè)試編碼器性能，其中news序列300幀，suzie序列150幀，foreman序列400幀，通過(guò)TI的集成開發(fā)環(huán)境CCS 2.0進(jìn)行硬件仿真實(shí)驗(yàn)，在設(shè)定碼率為100 b／s的條件下，結(jié)果如表3所示。

通過(guò)分析測(cè)試序列編碼結(jié)果，編碼器的編碼速率達(dá)到25 fps以上，可以滿足實(shí)時(shí)編碼的要求。在傳輸碼率降低的情況下，編碼速率還可以進(jìn)一步提高。從編碼結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)試序列編碼前后的壓縮比不同，這是由于測(cè)試序列圖像的運(yùn)動(dòng)情況、背景變換造成的，如suzie序列背景單一，運(yùn)動(dòng)緩和，壓縮比較高，而news序列由于背景不斷變換，壓縮比就相對(duì)較低。通過(guò)對(duì)比編碼前和編碼后解碼得到的圖像，畫面無(wú)失真現(xiàn)象，圖像質(zhì)量并沒(méi)有明顯下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探討了MPEG4編碼器在DM642上的實(shí)現(xiàn)方案和優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)了MPEG4編碼的簡(jiǎn)單框架算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的方案具有較高的易實(shí)現(xiàn)性和實(shí)用性，增加和改進(jìn)的代碼優(yōu)化方法是有效的，性能測(cè)試獲得了滿意的效果。在此基礎(chǔ)上，我們還可進(jìn)一步對(duì)實(shí)現(xiàn)MPEG4高級(jí)框架和代碼優(yōu)化方法的改進(jìn)，進(jìn)行更深入地研究，以滿足更高的應(yīng)用要求。