何蘇勤，劉 靜，邢藏菊

（北京化工大學(xué) DSP與嵌入式系統(tǒng)研究室，北京 100029）

H.264作為新一代多媒體視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用了許多先進(jìn)的技術(shù)，在編碼效率和性能大幅度提高的同時(shí)，增加了抗誤碼及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)等功能，廣泛地應(yīng)用于視頻電話、移動(dòng)視頻和流媒體等場合[1]。傳統(tǒng)上進(jìn)行音視頻開發(fā)一般使用視頻編解碼ASIC芯片的方法，但是這種方法開發(fā)周期長、適應(yīng)性差，而近年出現(xiàn)的高性能DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）就很好的解決了這些問題且產(chǎn)品性能更穩(wěn)定，所以筆者采用TI公司專門推出的高性能DSP平臺(tái)TMS320DM6437（簡稱DM6437）數(shù)字媒體處理器來實(shí)現(xiàn)H.264視頻編碼器[2]。X264是一款支持H.264標(biāo)準(zhǔn)的開源編碼器代碼，是由網(wǎng)上自由組織聯(lián)合開發(fā)，注重實(shí)用，與另外兩種開源代碼JM和T264相比，在不明顯降低圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度，廣泛應(yīng)用于視頻壓縮和格式轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，因此本文選擇開發(fā)源代碼X264（20081113 版）進(jìn)行研究。

基于DM6437平臺(tái)實(shí)現(xiàn)H.264編碼器，需要通過改進(jìn)算法或者重新進(jìn)行資源配置，以滿足應(yīng)用環(huán)境的要求。筆者重點(diǎn)研究了H.264編碼器在以TMS320DM6437為目標(biāo)的CCS平臺(tái)上的移植和優(yōu)化工作，包括C語言級(jí)的優(yōu)化、算法優(yōu)化、整數(shù)DCT變換和量化的線性匯編編寫以及匯編級(jí)優(yōu)化等。

1 H.264視頻編碼器的構(gòu)建

1.1 X264編碼器到DM6437的移植

X264編碼器支持H.264的基本檔次以及主要檔次的某些功能選項(xiàng)和功能模塊，代碼尺寸非常龐大，視頻編碼速度相當(dāng)慢。在對(duì)X264源碼研究過程中，發(fā)現(xiàn)在視頻編碼質(zhì)量下降不是很明顯的情況下，可以將一些功能模塊刪除，以減小代碼尺寸，加快編碼速度。此項(xiàng)工作在文獻(xiàn)[3-4]中均有詳細(xì)講解，讀者可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整應(yīng)用。筆者利用TI公司提供的CCS3.3 （Code Composer Studio）平臺(tái)，將裁剪后的X264模型移植到DM6437平臺(tái)上。

1.2 視頻采集

DM6437數(shù)字媒體處理器中的視頻處理前端 （VPFE）具有視頻采集功能，可以將CCD攝像頭采集的RGB圖像轉(zhuǎn)換為符合BT.656規(guī)范的YUV4:2:2圖像[5]。采集完的視頻數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在進(jìn)行H.264視頻編碼時(shí)，必須調(diào)整原始視頻的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果對(duì)D1格式的視頻進(jìn)行編碼，Y分量數(shù)據(jù)不變，U分量和V分量數(shù)據(jù)做垂直方向的2:1亞采樣，轉(zhuǎn)換成360×288的分辨率；如果對(duì)cif格式的視頻進(jìn)行編碼，需要對(duì)Y分量進(jìn)行水平和垂直方向的2:1亞采樣，轉(zhuǎn)換成352×288分辨率，同時(shí)對(duì)U分量和V分量進(jìn)行水平方向的2:1亞采樣和垂直方向上的4:1亞采樣，轉(zhuǎn)換成176×144的分辨率。圖2為經(jīng)過調(diào)整后的Y、U、V各分量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖1 DM6437的VPFE所采集視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Data structure of captured video data in DM6437

圖2 調(diào)整后視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure after adjustment

1.3 LCD回放

DM6437視頻處理子系統(tǒng)中的視頻處理后端 （VPBE）[6]負(fù)責(zé)將符合BT.656規(guī)范的YUV4:2:2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB數(shù)據(jù)，因此可以與LCD顯示器進(jìn)行無縫連接。在攝像頭采集和H.264編碼工作完成以后，本文提出LCD回放模塊，進(jìn)行重建圖像回放，便于觀察效果?；贒M6437實(shí)時(shí)視頻采集的H.264視頻編碼器系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架示意圖Fig.3 System framework schemes

2 H.264編碼器在DM6437上的優(yōu)化

剛構(gòu)建好的基于DM6437的H.264編碼器很慢，難以滿足視頻監(jiān)控需求，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高處理性能。對(duì)H.264編碼程序主要從系統(tǒng)優(yōu)化、算法優(yōu)化和匯編優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)優(yōu)化主要是對(duì)CCS提供的各種編譯參數(shù)進(jìn)行選擇、搭配、調(diào)整。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化[7]：1）編譯器的優(yōu)化。首先設(shè)定合適的編譯選項(xiàng)，控制編譯器生成更高效、代碼尺寸更小的匯編代碼。文中設(shè)計(jì)的H.264編碼器所用到的編譯選項(xiàng)包括：-pm，-op2，-o3，-mt，-mh，-k 等。 2）DSP/BIOS 的配置。在DM6437的開發(fā)中，Cache和EDMA等功能的應(yīng)用已不能單純通過在程序中調(diào)用相關(guān)API來實(shí)現(xiàn)，必須在有DSP/BIOS進(jìn)行管理的條件下才能正常工作，此時(shí)就涉及到存儲(chǔ)空間的合理配置，為了最大化DM6437的存儲(chǔ)性能，本文通過進(jìn)行多次配置后編碼器工作性能的比較，將LIP配置為32 kB的L1PCache，將L1D配置為32 kB的L1DCaehe和48kB的L1DSRAM，將L2配置為64 kB的L2Cache和64 kB的L2SRAM。在DM6437中配置Cache過程包括:L1和L2Cache大小的設(shè)置，模式的設(shè)置，以及外部存儲(chǔ)器DDR可被高速緩存的設(shè)置。3）任務(wù)調(diào)度。文中設(shè)計(jì)的H.264視頻編碼器中采集和回放過程的主要操作是數(shù)據(jù)搬移，可以用EDMA3來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而解放CPU來專心進(jìn)行編碼工作。因此設(shè)置一個(gè)任務(wù)即可。

2.2 算法優(yōu)化

H.264數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的壓縮性能，但其運(yùn)算復(fù)雜度是H.263標(biāo)準(zhǔn)的3倍以上，所以需要采用算法來降低運(yùn)算復(fù)雜度。其中比較常用的方法是在幀內(nèi)/幀間預(yù)測過程中采用快速算法，降低模式選擇的次數(shù)；或者是對(duì)H.264中采用的Lagrangian率失真優(yōu)化模型進(jìn)行化簡，提高運(yùn)算的速度。除上述方法之外，全零塊預(yù)判算法也是有效手段之一。

在低碼率視頻應(yīng)用中，常見的是運(yùn)動(dòng)緩慢的具有靜止背景的圖像，靜止背景經(jīng)過DCT和量化后往往所有系數(shù)都為零。被判斷為全零塊的圖像塊可以省去DCT和量化兩個(gè)環(huán)節(jié)而降低運(yùn)算量、節(jié)約運(yùn)算時(shí)間。因此基于H.264編碼器的預(yù)判零方案如圖4所示。

圖4 H.264編碼器預(yù)判零方案Fig.4 H.264 encoder anticipation zero solutions

由于 H.264 中的幀間模式有 16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4 7種模式，所以在運(yùn)動(dòng)搜索過程中，零塊的判決閥值也要隨幀間模式的變化而發(fā)生變化，不同塊模式（M×N塊）的零塊判決閥值可以定義為：

其中，M、N=4、8 或 16，BKM×N是 M×N 塊中 4×4 塊的個(gè)數(shù)，即為 M×N/16。

根據(jù)以上的分析，基于最佳零塊判決的運(yùn)動(dòng)搜索算法，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索時(shí)，加入停止搜索條件，對(duì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算出來的每個(gè)子塊的SAD值進(jìn)行全零塊判決，這個(gè)判決門限由（1）決定，若當(dāng)前M×N塊的SAD小于門限值，則提前結(jié)束對(duì)該子塊的運(yùn)動(dòng)搜索，并跳過其后的變換和量化操作；否則與常規(guī)的運(yùn)動(dòng)搜索過程相同。

新的AZBs檢測方法可歸納如下：

1）檢查當(dāng)前M×N塊的SAD值是否小于BKMxN·TH1的值。如果是真的，判定該M×N塊不是全零塊，否則轉(zhuǎn)到步驟2）；

2）檢查當(dāng)前M×N塊的SAD值是否小于BKMxN·TH0的值。如果是真的，判定該M×N塊是全零塊，否則轉(zhuǎn)到步驟3）；

3）執(zhí)行DCT/Q模塊。

2.3 匯編優(yōu)化

文中在CCS3.3中用profile工具對(duì)H.264程序進(jìn)行剖析，結(jié)果如表1所示，可發(fā)現(xiàn)H.264標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)動(dòng)估計(jì)、DCT變換、量化等是最耗時(shí)的部分。

表1 X264主要函數(shù)耗時(shí)剖析結(jié)果Tab.1 Profiling results of H.264

對(duì)這些耗時(shí)部分主要采用以下2種方式進(jìn)行優(yōu)化：

1）內(nèi)聯(lián)函數(shù)（intrinsics）優(yōu)化 內(nèi)聯(lián)函數(shù)是 C6000編譯器提供的可以直接映射成為內(nèi)聯(lián)（inline）匯編指令的特殊函數(shù)，這樣就可以提高應(yīng)用程序的性能。由于上述函數(shù)都很適合運(yùn)用數(shù)據(jù)打包和SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）操作，而6000編譯器提供的內(nèi)聯(lián)函數(shù)中有很多相關(guān)的函數(shù)接口，因此將這些費(fèi)時(shí)函數(shù)全部用內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行改寫，例如要進(jìn)行4x4塊的量化操作，需要16次循環(huán)，要進(jìn)行16次取數(shù)據(jù)，16次乘法，16次加法，16次移位操作。dct數(shù)組元素寬度為16位，可以利用_memd8（）函數(shù)一次讀取4個(gè)數(shù)組元素，這樣可將讀取數(shù)據(jù)次數(shù)減為4次，并在外層循環(huán)體內(nèi)使用其他intrinsics函數(shù)一次對(duì)兩個(gè)DCT數(shù)組元素進(jìn)行處理，從而拆解了內(nèi)層循環(huán)[8]。

2）線性匯編優(yōu)化 整數(shù)DCT變換及量化過程在H.264編碼器代碼中占用了大概20%～25%的時(shí)間，對(duì)該部分進(jìn)行匯編級(jí)優(yōu)化，可提高編碼器的性能。整數(shù)DCT變換的關(guān)鍵函數(shù)sub4x4_dct用于計(jì)算殘差塊并對(duì)殘差塊進(jìn)行整數(shù)DCT變換；add4x4_idct函數(shù)是其逆過程，作用是對(duì)反量化后的系數(shù)進(jìn)行反DCT變換，并將反變換后的系數(shù)矩陣與預(yù)測塊矩陣疊加[9]。以sub4x4_dct函數(shù)為例，對(duì)整數(shù)變換的線性匯編級(jí)優(yōu)化過程進(jìn)行說明。整數(shù)變換的公式見（2）式。

整數(shù)DCT4x4蝶形變換過程中，將二維整數(shù)變換轉(zhuǎn)換為兩次一維的變換，先進(jìn)行水平變換，水平變換后的系數(shù)按列存放，垂直變換就轉(zhuǎn)換成系數(shù)矩陣的水平變換[10]。因此，水平變換和垂直變換可以調(diào)用相同的程序來完成。

對(duì)量化函數(shù)采取匯編優(yōu)化后，把 qbits和 MF值用表的形式存儲(chǔ)，要使用這兩個(gè)參數(shù)時(shí)，從表中讀取i_qscale的對(duì)應(yīng)值。整數(shù)DCT變換及量化過程優(yōu)化前后的效率如表2所示。

表2 整數(shù)DCT變換及量化過程優(yōu)化前后效率對(duì)比Tab.2 Comparison between before and after Integer DCT transform and quantization process optimization

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中對(duì)經(jīng)過移植和優(yōu)化后的H.264編碼器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取具有代表性的視頻序列 akiyo（背景簡單，景物運(yùn)動(dòng)緩慢）進(jìn)行編碼，視頻為 YUV 4:2:0格式，采用 IPPP…… 編碼模式，DM6437的時(shí)鐘頻率為600 MHz，對(duì)于cif和D1視頻格式的圖像在不同QP值下測試的結(jié)果如表3所示。

（注：平均PSNR的單位為dB，碼率單位為kbit/s，編碼速度單位為fps）

對(duì)表3進(jìn)行分析可以看出，在PSNR和碼率沒有引起明顯變化的情況下，H.264編碼器的編碼速度獲得了極大的提高，其中cif格式視頻編碼已經(jīng)滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)Dl格式在QP=36時(shí)編碼速度達(dá)到了18 fps，這樣的編碼性能基本可以滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

編碼結(jié)束后生成的.264文件存到PC機(jī)，可以用VLCplayer進(jìn)行解碼播放。解碼播放出來的圖像如圖5所示。

表3 基于DM6437硬件環(huán)境優(yōu)化前后編碼器性能比較Tab.3 Comparison between before and after optimization based on DM6437

圖5 對(duì)H.264編碼生成的cif格式.264文件用VLC解碼截圖Fig.5 Pictures from cif format.264 files coded by H.264 and decoded by VLC

圖5為用VLC播放cif格式的akiyo視頻文件的截圖，圖（a）表示 akiyo視頻原文件截圖，圖（b）表示經(jīng)過 H.264編碼器編碼的akiyo視頻文件截圖，由截圖的畫面質(zhì)量可以看出，圖像質(zhì)量沒有明顯下降，整個(gè)畫面有不明顯的噪點(diǎn)（臉部），顏色偏暗，證明此H.264編碼器對(duì)于cif格式的視頻文件編碼效果較好。

4 結(jié) 論

文中首先在DM6437上構(gòu)建了H.264視頻編碼器，編碼器主要分為攝像頭實(shí)時(shí)采集、H.264編碼、LCD回放3個(gè)部分，組成一個(gè)完整的可觀看編碼效率和效果的系統(tǒng)。將X264編碼器移植到DM6437平臺(tái)之后，對(duì) DM6437硬件資源及性能進(jìn)行深入研究，分別從C語言級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、整數(shù)DCT變換和量化的線性匯編編寫以及匯編級(jí)等方面進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了cif格式視頻的實(shí)時(shí)編碼，基本滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)中編碼器的需求。本文介紹的針對(duì)DM6437平臺(tái)的H.264編碼器移植、優(yōu)化的思路和方法，對(duì)構(gòu)建高效的視頻應(yīng)用平臺(tái)具有一定的參考價(jià)值。

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