在ADSP-BF561上實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化的H.264解析

目前，音視頻技術(shù)日新月異，其中，視頻實(shí)時(shí)編碼傳輸極具代表性。在視頻壓縮算法領(lǐng)域，新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264以其優(yōu)異的壓縮性能和圖像質(zhì)量使視頻實(shí)時(shí)編碼傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。但該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算復(fù)雜度高，用一般的圖像處理芯片難以達(dá)到實(shí)時(shí)編解碼的要求，它需要快速、穩(wěn)定的處理器作為硬件平臺(tái)。ADSP-BF561是ADI公司推出的高性能多媒體處理器。其主要特點(diǎn)是具有兩個(gè)ADSP-BF533處理器核心（以下簡(jiǎn)稱核心A和核心B），最高時(shí)鐘頻率達(dá)到600MHz，其內(nèi)部采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)模型層次化。其典型應(yīng)用模式是A核運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，B核運(yùn)行多媒體處理算法，如H.264。本文提出了一套采用ADSP-BF561芯片實(shí)現(xiàn)H.264視頻壓縮算法的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合該DSP平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化，充分發(fā)揮了ADSP-BF561強(qiáng)大的處理能力。
　　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(biāo)準(zhǔn)采用分層體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為：視頻編碼層VCL（Video CodingLayer），負(fù)責(zé)高效的數(shù)字視頻壓縮；網(wǎng)絡(luò)抽象層NAL（Network AbstractionLayer），負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)幀，B幀為雙向預(yù)測(cè)幀，編碼時(shí)都需要根據(jù)參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)。同時(shí)，H.264在提高圖像傳輸容錯(cuò)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(shí)，圖像幀各部分被劃分到多個(gè)Slice結(jié)構(gòu)中，每個(gè)Slice都可以被獨(dú)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(gè)宏塊包含一個(gè)16×16的亮度塊和兩個(gè)8×8的色度塊。H.264標(biāo)準(zhǔn)的整體編碼框圖如圖1所示。編碼過(guò)程中，原始數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器后，當(dāng)采用幀內(nèi)編碼時(shí)，首先選擇相應(yīng)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，隨后對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)行變換、量化和嫡編碼，同時(shí)編碼后的碼流經(jīng)過(guò)反量化和反變換之后重構(gòu)預(yù)測(cè)殘差圖像，再與預(yù)測(cè)值相加得出重構(gòu)幀，得出的結(jié)果經(jīng)過(guò)去塊濾波器平滑后送入幀存儲(chǔ)器。采用幀間編碼時(shí)，輸入的圖像塊首先在參考幀中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，得到運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)估計(jì)后的殘差圖像經(jīng)整數(shù)變換、量化和嫡編碼后與運(yùn)動(dòng)矢量一起送入信道傳輸。同時(shí)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(chǔ)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(cè)
　　H.264引入了幀內(nèi)預(yù)測(cè)以提高壓縮效率。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼就是利用周圍鄰近的像素值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的像素值，然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼。這種預(yù)測(cè)是基于塊的。對(duì)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(cè)模式，4×4有9種預(yù)測(cè)模式；對(duì)于色度分量，預(yù)測(cè)是對(duì)整個(gè)8×8塊進(jìn)行的，有4種預(yù)測(cè)模式。
　　1.2.2 幀間預(yù)測(cè)
　　幀間預(yù)測(cè)時(shí)所用塊的大小可變。假設(shè)基于塊的運(yùn)動(dòng)模型，其塊內(nèi)的所有像素都做了相同的平移，在運(yùn)動(dòng)比較劇烈或者運(yùn)動(dòng)物體的邊緣外，這一假設(shè)會(huì)與實(shí)際出入較大，從而導(dǎo)致較大的預(yù)測(cè)誤差，這時(shí)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(duì)也小，因此，小塊可以提高預(yù)測(cè)的效果。H.264一共采用了7種方式對(duì)一個(gè)宏塊進(jìn)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(cè)模式。與僅使用16x16塊進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shí)，幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用了更精細(xì)的預(yù)測(cè)精度，H.264中亮度分量的運(yùn)動(dòng)矢量使用1/4像素精度。色度分量的運(yùn)動(dòng)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(cè)，最多可以有5個(gè)在當(dāng)前幀之前的解碼幀作為參考幀產(chǎn)生對(duì)當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)，提高H.264解碼器的錯(cuò)誤恢復(fù)能力。
　　1.2.4 整數(shù)變換
　　H.264對(duì)殘差圖像的4×4整數(shù)變換技術(shù)，采用定點(diǎn)運(yùn)算來(lái)代替以往DCT變換中的浮點(diǎn)運(yùn)算。以降低編碼時(shí)間，同時(shí)也更適合硬件平臺(tái)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(zhǎng)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(cuò)能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率強(qiáng)，但需要的計(jì)算量和存儲(chǔ)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(cè)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(cè)誤差。經(jīng)過(guò)濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測(cè)，而不是僅僅用來(lái)改善主觀質(zhì)量，因此該濾波器位于解碼環(huán)中。對(duì)于幀內(nèi)預(yù)測(cè)，使用的是未經(jīng)過(guò)濾波的重建圖像。
　　2 算法實(shí)現(xiàn)
　　2.1 平臺(tái)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(diǎn)DSP視頻處理芯片。其主頻最高可達(dá)750MHz，內(nèi)核包含2個(gè)16位乘法器MAC、2個(gè)40位累加器ALU、4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)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(shí)從存儲(chǔ)器存取雙操作數(shù)提供地址，每秒可處理1 200兆次乘加運(yùn)算。芯片帶有專用的視頻信號(hào)處理指令以及100KB的片內(nèi)L1存儲(chǔ)器（16KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的數(shù)據(jù)Cache/SRAM，4 KB的臨時(shí)數(shù)據(jù)SRAM）、128KB的片內(nèi)L2存儲(chǔ)器SRAM，同時(shí)具有動(dòng)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(gè)128 MBSDRAM接口，4個(gè)1MB異步存儲(chǔ)器接口）、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)UART、1個(gè)SPI接口、2個(gè)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(duì)媒體應(yīng)用（特別是視頻應(yīng)用）算法的支持。
　　2.1.2 ADSP-561 EZkite
　　ADSP-BF561視頻編碼器平臺(tái)采用ADI公司的ADSP-BF561 EZ-kitLite評(píng)估板。此評(píng)估板包括1塊ADSP-BF561處理器、32 MB SDRAM和4 MBFlash，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(píng)估板還包括1個(gè)UART接口、1個(gè)USB調(diào)試接口和1個(gè)JTAG調(diào)試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號(hào)經(jīng)視頻芯片ADV7183A轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)從ADSP-BF561的PPI1（并行外部接口）進(jìn)入ADSP-BF561芯片進(jìn)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(guò)Flash加載程序，并支持串口及網(wǎng)絡(luò)傳輸。編碼過(guò)程中的原始圖像、參考幀等數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在SDRAM中。