針對(duì)PXA27X微處理器開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行MPEG-4視頻編碼的優(yōu)化

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品（如PDA，MP4，HDTV等）需求不斷增加，特別是對(duì)高質(zhì)量高清晰多媒體的要求越來(lái)越高，因此視頻質(zhì)量已經(jīng)成為廣大消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。 MPEG-4編解碼的基本思想是基于圖像內(nèi)容的第二代視頻編解碼方案，并將基于合成的編碼方案也結(jié)合在標(biāo)準(zhǔn)中。它根據(jù)圖像的內(nèi)容將圖像分割成不同的視頻對(duì)象VO（Video Object），在編碼過(guò)程中對(duì)前景對(duì)象和后景對(duì)象采用不同的編碼策略，對(duì)于人們所關(guān)心的前景對(duì)象，則盡可能的保持對(duì)象的細(xì)節(jié)及平滑，而對(duì)不大關(guān)心的后景對(duì)象采用大壓縮比的編碼策略。

l MPEG一4是視頻標(biāo)準(zhǔn)

MPEG一4視頻部分是MPEG一4標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容之一。既提供傳統(tǒng)的基于幀的編碼方法又提供基于視頻對(duì)象（VO）的編碼方法。在某一時(shí)刻，視頻對(duì)象以視頻對(duì)象平面（VOP）的形式出現(xiàn)，圖1所示為MPEG一4編碼的框架。編碼也主要針對(duì)該時(shí)刻視頻對(duì)象的形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理這三類(lèi)信息來(lái)進(jìn)行。

2 MPEG一4視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)

MPEG-4按照如下五個(gè)層次組織要編碼的圖像，從上至下依次為：視頻段VS（Video Session）、視頻對(duì)象VO（Video Object）、視頻對(duì)象層VOL（Video Object Layer）、視頻對(duì)象組層GOV（Group of Video Object Plane）、視頻對(duì)象平面VOP（Video Object Plane）。 MPEG-4的編碼流程：第一步是VO的形成（VO Formation），先要從原始視頻流中分割出VO，之后由編碼控制（Coding control）機(jī)制為不同的VO以及各個(gè)VO的三類(lèi)信息分配碼率，之后各個(gè)VO分別獨(dú)立編碼，最后將各個(gè)VO的碼流。

2.1 形狀編碼

MPEG一4首次引入形狀信息的編碼。VO的形狀信息有2類(lèi)：二值形狀信息和灰度形狀信息。二值形狀信息用0，1表示VOP的形狀。二值信息的編碼采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，可以無(wú)損或有損編碼。灰度形狀信息用0～255之間的數(shù)值表示VOP的透明程度。目前對(duì)灰度形狀信息的編碼主要采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與DCT方法，在不需要形狀信息的應(yīng)用中，形狀編碼會(huì)被屏蔽掉。這部分編碼是以宏塊為單位進(jìn)行的。

2.2 運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償編碼

類(lèi)似于現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)，MPEG一4采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)去除圖像信息中的時(shí)間冗余成分，這些運(yùn)動(dòng)信息的編碼技術(shù)可視為由現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)向任意形狀的 VOP的延伸。VOP的編碼有3種模式，即幀內(nèi)編碼模式（I—VOP）、幀間預(yù)測(cè)編碼模式（P—VOP）和雙向預(yù)測(cè)編碼模式（B—VOP）。圖像填充技術(shù)利用VOP內(nèi)部的像素值外推VOP外的像素值，以此獲得運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的參考值。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)宏塊，采用傳統(tǒng)的基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)。

2.3 紋理編碼

VOP視頻的紋理信息可以表示為亮度成分Y和兩個(gè)色度成分Cr，Cb。幀內(nèi)編碼情況下，紋理信息包含有亮度和色度成分；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償情況下，紋理信息表示經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的殘差。紋理編碼的對(duì)象可以是幀內(nèi)編碼模式的I—VOP，也可以是幀間預(yù)測(cè)編碼模式B—VOP或P—VOP運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)誤差。在幀內(nèi)編碼模式中，對(duì)于完全在VOP內(nèi)的像素塊，采用經(jīng)典DCT方法。對(duì)于完全位于VOP之外的像素塊則不進(jìn)行編碼：對(duì)于部分在VOP內(nèi)，部分在VOP外的像素塊首先采用圖像填充技術(shù)獲得VOP之外的像素值，之后再進(jìn)行DCT編碼。在幀間編碼模式中，為了對(duì)B—VOP和P—VOP運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼，將那些位于VOP區(qū)域之外的像素值設(shè)為128。紋理編碼過(guò)程如圖2所示，DCT變換、量化、掃描及變長(zhǎng)編碼，這些過(guò)程與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基本相同。

3 MPEG一4是視頻編碼軟件

MPEG一4是軟件編碼是一個(gè)比較大的工程，項(xiàng)目用到的主要函數(shù)有：

mp4_encoder_init：初始化編碼的參數(shù)，如視頻大小尺寸、碼流、緩沖大??；

encode_MPEG一4：編碼調(diào)用的總函數(shù)，文本是基本層；

encode_pvop_MPEG一4對(duì)P幀的VOP的編碼的總函數(shù)；

ippiBlockMatcn_Imeger_16x16_MVFAST：運(yùn)動(dòng)搜索MVFAST（Motion Vector Field AdaDtive Search Technique）。

下面是幀間宏塊編碼的函數(shù)：

encode_inter_mb_MPEG一4

（1）lookup_uvmv_MPEG一4：查找色度圖像塊的運(yùn)動(dòng)矢量；

（2）ippiComputeTextureErrorBlock_SAD_8u16s：計(jì)算塊殘余的紋理誤差；

（3）encode_block_inter_MPEG一4：DCT變化和量化每塊的系數(shù)。這還得反變化，來(lái)重構(gòu)下幀的參考幀；

（4）create_mb_MPEG一4：得到宏塊編碼的信息；

（5）ippiEncodeMV_MPEG一4_8u16s：運(yùn)動(dòng)矢量和紋理殘余的編碼；

（6）ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG一4_16slu：zigzig掃描和變長(zhǎng)編碼。

IPP的函數(shù)合理使用，可以提高性能。如ip—piBlockMatch_InIeger_16x16_MVFAST這個(gè)函數(shù)就比ippiMotionEstimation_16x16_MVFAST減少3倍時(shí)間。這個(gè)函數(shù)是占正個(gè)系統(tǒng)最多的時(shí)間之一。

4 MPEG一4是視頻編碼優(yōu)化和結(jié)果

針對(duì)Intel公司的PXA27X處理器，MPEG一4計(jì)算量復(fù)雜，特別是運(yùn)動(dòng)搜索，必須對(duì)其必要的優(yōu)化，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)編碼的要求。編譯優(yōu)化是靜態(tài)優(yōu)化，優(yōu)化編譯器可以自動(dòng)完成程序段和代碼塊范圍內(nèi)的優(yōu)化問(wèn)題，但由于對(duì)算法的流程很難獲取，所以人工優(yōu)化是不必可少的。合理分配指令周期流水線也是重點(diǎn)，如WLDRD需要4個(gè)周期，而WUN—PCKEL只需要1個(gè)周期，使用IPP庫(kù)函數(shù)將大量節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高性能等，按照實(shí)際的工程的需要編寫(xiě)指令。

這里的試驗(yàn)平臺(tái)是南望信息產(chǎn)業(yè)有限公司PDA，主頻可達(dá)624 MHz。視頻大?。?80×272）透過(guò)大量的試驗(yàn)，測(cè)試表明MPEG一4編碼可以滿(mǎn)足用戶(hù)拍視頻需求，速度可達(dá)到20幀／s，而且有較高的壓縮率，碼流比較低，質(zhì)量也不錯(cuò)。圖3，4為實(shí)際拍攝2幀圖像。

針對(duì)Intel公司的PXA27X微處理器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視頻編碼的功能。但是消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品對(duì)視頻的畫(huà)面有更高的要求，同時(shí)由于視頻編碼需要消耗大量的電源，電源的管理仍是視頻開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn)。