一種處理器的視頻編碼器平臺的探討

　　1 硬件平臺

　　1.1 ADSP-BF561處理器

　　ADSP-BF561 的推出使Analog Devices公司的Blackfin處理器系列得到了進一步的擴充，這款器件具有由兩個Blackfin處理器內(nèi)核構(gòu)成的對稱多處理結(jié)構(gòu)。相比ADSP-BF533，ADSP-BF561可提供兩倍的信號處理性能、兩倍的片上處理器以及顯著提高的數(shù)據(jù)帶寬能力。ADSP-BF561 與ADSP-BF533完全代碼兼容，并利用架構(gòu)的動態(tài)電源管理能力而繼續(xù)保持了非常低的功耗。

　　Blackfin561是Blackfin系列中的一款高性能定點DSP視頻處理芯片。ADSP-BF561 集成了兩個工作頻率均高達756MHz的Blackfin處理器內(nèi)核（ADI公司還提供了低成本的500MHz和600MHz版本）和2.6Mbytes的片上SRAM存儲器。ADSP-BF561 片上存儲器被分配于每個內(nèi)核的專用、高速L1存儲器和一個128KBytes大容量共享L2存儲器之間。32位外部端口和雙16通道DMA控制器提供了極高的數(shù)據(jù)帶寬。ADSP-BF561 片上外設包括兩個并行外設接口（均支持ITU-R 656視頻格式化）和支持I2S格式的高速串行端口。ADSP-BF561 專門針對各種消費類多媒體應用進行了優(yōu)化。

　　1.2 基于ADSP-BF561的視頻編碼器平臺

　　此評估板包括1塊ADSP-BF561處理器、32MBSDRAM和4MBFlash，板中的AD-V1836音頻編解碼器可外接4輸入／6輸出音頻接口，而ADV7183視頻解碼器和ADV7171視頻編碼器則可外接3輸入／3輸出視頻接口此外，該評估板還包括1個UART接口、1個USB調(diào)試接口和1個JTAG調(diào)試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號經(jīng)視頻芯片ADV7183A轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，此信號從Blackfin561的PPI1（并行外部接口）進入Blackfin561芯片進行壓縮，壓縮后的碼流則經(jīng)ADV7179轉(zhuǎn)換后從ADSP-BF561的PPI2口輸出。此系統(tǒng)可通過Flash加載程序，并支持串口及網(wǎng)絡傳輸。編碼過程中的原始圖像、參考幀等數(shù)據(jù)可存儲在SDRAM中。

　　2 H.264視頻壓縮編碼算法的主要特點

　　H.264壓縮算法和以太網(wǎng)（IP）接口，可實現(xiàn)1路單向數(shù)字視頻、2路雙向高保真音頻、1～2路雙向異步數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上高質(zhì)量傳輸。視頻編解碼標準主要包括兩個系列：一個是MPEG系列，一個是H.26X系列。其中MPEG系列標準由ISO／IEC組織制定，H.26X系列標準由ITU-T制定。

　　H.264視頻壓縮算法采用與H.263和MPEG-4類似的、基于塊的混和編碼方法，它采用幀內(nèi)編碼（Intra）和幀間編碼（Inter）兩種編碼模式。與以往的編碼標準相比，為了提高編碼效率、壓縮比和圖像質(zhì)量，H.264采用了以下全新的編碼技術(shù)：

　　（1）H.264按功能將視頻編碼系統(tǒng)分為視頻編碼層（VCL，VideoCodingLayer）和網(wǎng)絡抽象層（NAL，NetworkAbstractionLayer）兩個層次。其中VCL用于完成對視頻序列的高效壓縮，NAL則用于規(guī)范視頻數(shù)據(jù)的格式，主要提供頭部信息以適合各種媒體的傳輸和存儲。

　?。?）先進的幀內(nèi)預測，它對含有較多空域細節(jié)信息的宏塊采用4×4預測，而對于較平坦的區(qū)域則采用16×16的預測模式，前者有9種預測方法，后者有4種預測方法。

　?。?）幀間預測采用更多的塊劃分種類，標準中定義了7種不同尺寸和形狀的宏塊分割和子宏塊分割。由于采用更小的塊和自適應編碼方式，故可使得預測殘差的數(shù)據(jù)量減少，從而進一步降低了碼率。

　?。?）1/4 采樣精度運動補償：以前的標準最多 1/2 精度運動補償，首次 1/4 采樣精度運動 補償出現(xiàn)在 MPEG-4 第二部分高級類部分，但 H.264/AVC 大大減少了內(nèi)插處理的復雜度。

　?。?） 改善“跳過”和“直接”運動推測：在以前的標準中，預測編碼圖像的“跳過”區(qū) 不能有運動。當編碼有全局運動的圖像時，該限制有害。H.264/AVC 對“跳過”區(qū)的 運動采用推測方法。對雙預測的 B 幀圖像，采用高級運動預測方法，稱為“直接”運動補 償，進一步改善編碼效率。

　?。?）整數(shù)變換（DCT／IDCT）。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，同時也更適合到硬件平臺的移植。

　?。?）H.264／AVC支持兩種熵編碼方法，即CAVLC（基于上下文的自適應可變長編碼）和CABAC（基于上下文的自適應算術(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的編碼效率高，但需要的計算量和存儲容量更大。

　?。?）多參考圖像運動補償：在 MPEG-4及以前的標準中，P 幀只使用一幀，B 幀只使用 兩幀圖像進行預測。H.264/AVC 使用高級圖像選擇技術(shù)，可以用以前已編碼過且保留在緩 沖區(qū)的大量的圖像進行預測，大大提高了編碼效率。

　　H.264的這些新技術(shù)使運動圖像壓縮技術(shù)向前邁進了一大步，它具有優(yōu)于MPEG-4和H.263的壓縮性能，可應用于因特網(wǎng)、數(shù)字視頻、DVD及電視廣播等高性能視頻壓縮領域。

　　3 H.264視頻編碼算法的實現(xiàn)

　　將H.264在DSP進行改進要經(jīng)過以下3個步驟：PC機上的C算法優(yōu)化、從PC機到DSP的程序移植、在DSP平臺上的代碼優(yōu)化。

　　3.1 PC機上的C算法優(yōu)化

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，本設計選擇了ITU的Jm8.5版本baselineprofile作為標準算法軟件。ITU的參考軟件JM是基于PC機設計的，故可取得較高的編碼效果。將視頻編解碼軟件移植到DSP時，應考慮到DSP系統(tǒng)資源，主要應考慮的因素是系統(tǒng)空間，需要對原始的C代碼進行評估，這就需要對所移植的代碼有所了解。

　　了解了算法結(jié)構(gòu)以后，還需要確定在編碼算法的實現(xiàn)過程中，運算量較大且耗時較長的部分。VC6自帶的profile分析工具顯示：幀內(nèi)與幀間編碼部分占用了整體運行時間的60％以上。其中ME（MoveEstimation，運動估計）又占用了其中較多的時間。

　　（1）大幅刪減不必要的文件和函數(shù)

　　由于選用了baseline和單一參考幀，因此，很多文件和函數(shù)都可以刪減，包括有關(guān)B幀、SI片、SP片和數(shù)據(jù)分割、分層編碼、權(quán)值預測模式、CABAC編碼模式等不支持特性的冗余程序代碼，此外，還可以刪除top_pic、bottom_pic等與場有關(guān)的全局變量與局部變量、分層編碼、多slice分割以及FMO、與場編碼／幀場自適應編碼／宏塊自適應編碼有關(guān)的預測、參考幀排序、輸入輸出以及解碼器緩存操作等；也可以刪除隨機幀內(nèi)宏塊刷新模式和權(quán)值預測模式等相關(guān)的冗余代碼，同時刪除rtp.c；sei.c中包含一些輔助編碼信息（并不編入碼流中），如果不用，也可以刪除leaky_bucket.c用于計算泄漏緩存器的參數(shù)。

　　（2）配置函數(shù)的改寫

　　由于JM的系統(tǒng)參數(shù)配置是通過讀取encoder.cfg文件來實現(xiàn)的，故可將參數(shù)配置由讀取文件改為通過初始化集中賦值函數(shù)來實現(xiàn)，這樣既減少了代碼量，又減少了對有限內(nèi)存空間的占用和讀取時間，提高了編碼器整體的編碼速度。

　?。?）去除冗余的打印信息

　　為了調(diào)試與算法改進的方便，JM保留了大量的打印信息。為了提高編碼速度，減少存儲空間消耗，這些信息完全可以刪掉。如果lor.dat和stat.dat僅需在PC機上調(diào)試時使用，也沒必要移植到DSP平臺上，跟這部分相關(guān)的代碼完全可以去除。但是，調(diào)試時所需的基本信息（如碼率、信噪比、編碼序列等）則應保留參考。

　　通過調(diào)整可使得代碼的結(jié)構(gòu)、容量更加精簡，從而為接下來在DSP上的移植做好準備。

　　3.2 從PC機到DSP的程序移植

　　要將PC端精簡的程序移植到ADSP-BF561的開發(fā)環(huán)境VisualDSP下，以使其能夠初步運行，所需考慮的主要是語法規(guī)則和內(nèi)存分配等問題。

　?。?）除去所有編譯環(huán)境不支持的函數(shù)

　?。?）添加與硬件相關(guān)的代碼

　　（3）配置LDF文件

　?。?）Malloc問題的解決

　　4 DSP平臺上的代碼優(yōu)化

　　在VisualDSP開發(fā)環(huán)境下對代碼進行優(yōu)化的主要方法有C語言級優(yōu)化和匯編級優(yōu)化。

　　4.1 C語言級優(yōu)化

　　通過VC6的profile分析工具發(fā)現(xiàn)：移植與優(yōu)化的重點應在運動估計部分。DS算法可采用兩種搜索模板，分別是有9個檢索點的大模板LD-SP和有5個檢索點的小模板SDSP（SmallDiamondSearchPattern）。搜索時，先用大模板計算，當最小塊誤差SAD點出現(xiàn)在中心點處時，再將大模板LDSP換為SDSP進行匹配運算，這時，5個點中具有最小SAD者若為中心點，則該點即為最優(yōu)匹配點，然后結(jié)束