??? 摘? 要： 分析了ARM7處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對解碼器的優(yōu)化特點(diǎn)和芯片的硬件結(jié)構(gòu),，采用了算法級,、語言級、ARM級聯(lián)合優(yōu)化的方法,，對標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4解碼過程進(jìn)行了優(yōu)化,。通過本文所總結(jié)的ARM7TDMI上視頻解碼的優(yōu)化方法，可以使MPEG4視頻解碼節(jié)約大量的數(shù)據(jù)處理時間,，能較好地滿足低分辨率、低幀率場合實(shí)時解碼的要求,。?

????關(guān)鍵詞： ARM7,；MPEG-4；視頻解碼器

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??? 目前,，手持設(shè)備的視頻播放非常流行,。一直以來，圖像壓縮大都采用H.263壓縮算法,，然而,，由于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的成熟,，很多視頻圖像都已經(jīng)采用MPEG-4算法進(jìn)行壓縮,。本文旨在研究基于ARM7微處理器的MPEG-4視頻解碼器的優(yōu)化。利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPEG-4視頻解碼,，處理器的選擇是關(guān)鍵。在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核,，因為它具有體積小,、功耗低,、成本低,、性價比高的特點(diǎn),，這對于移動應(yīng)用領(lǐng)域非常重要,。ARM7系列微處理器為低功耗的32位處理器,，最適合于對價位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用^[1],。本解碼器可以運(yùn)用于低分辨率和低幀率的應(yīng)用場合，因此選擇在ARM7TDMI核上實(shí)現(xiàn)解碼功能,。要實(shí)現(xiàn)更高幀率和分辨率的解碼，可將軟件直接應(yīng)用在更高端的處理器上,。?

1 MPEG-4視頻解碼算法?

??? MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為一套子標(biāo)準(zhǔn),，標(biāo)準(zhǔn)的每一部分都有各自最適合的應(yīng)用場合,。MPEG-4 SVP(Simple Visual Profile^[2])就是一種特殊的,、簡單的MPEG-4實(shí)現(xiàn),。其專門針對手持式產(chǎn)品中視頻傳輸應(yīng)用場合制定的,。由于本解碼器可應(yīng)用在手持移動設(shè)備視頻解碼的場合，因此選用MPEG-4 SVP作為解碼算法。?

??? 本文選用ARM7TDMI作為核心處理器進(jìn)行MPEG-4視頻解碼器的開發(fā)。在實(shí)際開發(fā)過程中,，針對ARM7TDMI的結(jié)構(gòu)和MPEG-4的算法特點(diǎn),，做了大量優(yōu)化工作,，保證了解碼精度，大幅度提高了解碼速度,。嚴(yán)格來說,，ARM7處理能力有限，更適合用于控制類型的應(yīng)用,。由于其沒有針對視頻解碼數(shù)據(jù)處理而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,，因而不太適合于視頻解碼等數(shù)據(jù)處理類應(yīng)用,。但是由于該芯片具有明顯的成本優(yōu)勢,，所以經(jīng)過優(yōu)化,，在充分利用其性能的前提下，還是可以作為手機(jī)等嵌入式系統(tǒng)的視頻解碼應(yīng)用,。?

??? 解碼過程實(shí)際上就是從視頻編碼碼流中恢復(fù)出VOP數(shù)據(jù)的過程。圖1描述了一個視頻解碼過程,。解碼器主要包含運(yùn)動解碼和紋理解碼,。I幀中只含有紋理信息，因此只須解碼紋理信息即可恢復(fù)I幀,。而P幀中不僅包含紋理信息,，還包含運(yùn)動信息，所以須解碼運(yùn)動信息,，獲得運(yùn)動矢量并進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償,。另外，還須進(jìn)行紋理解碼獲得殘差值,，將這兩部分組合起來才能重建P幀^[3],。?

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??? 解碼器的實(shí)現(xiàn)主要是提供一個簡單的接口函數(shù)，供解碼時調(diào)用,。該接口函數(shù)根據(jù)解碼的不同需要和不同階段提供了5個入口,。5個接口函數(shù)中,，有 4個供初始化、預(yù)處理及后續(xù)處理時調(diào)用,，剩余1個是幀解碼的實(shí)現(xiàn)函數(shù),。圖2為幀解碼主程序流程圖。?

??? 解碼過程的計算主要集中在如下幾個模塊：IDCT,、運(yùn)動補(bǔ)償MC、逆量化,、逆掃描,、逆預(yù)測以及變長解碼VLD。表1給出了優(yōu)化前解碼過程的特征信息,。從表1中可以看出,，上述運(yùn)算模塊在解碼過程中占有很大比例。對以上各模塊進(jìn)行優(yōu)化的效果將直接反映在解碼器的實(shí)時效率上,。?

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2 解碼器優(yōu)化?

2.1 效率更高的IDCT變換?

??? 通常,，MPEG－4編碼過程中有8×8塊在DCT變換后AC系數(shù)大都接近于零，經(jīng)過量化后直接變成了零,。同時根據(jù)幀間預(yù)測的相關(guān)性：在運(yùn)動不是非常劇烈的情況下,，量化后大部分DCT相關(guān)性是零。表2顯示了在快速運(yùn)動和慢速運(yùn)動序列下所有全零塊的百分比,。?

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??? 對于快速運(yùn)動序列,，大約25％的DCT塊是全零；對于慢速運(yùn)動序列,，全零塊的百分比大約47％^[4],。這樣，可以把DCT塊分為不同的三類：一類是全零塊(DC系數(shù)和AC系數(shù)都是零),，一類是只含有DC系數(shù)(AC系數(shù)是零),，一類是含有DC系數(shù)和AC系數(shù)，如圖3所示(這里用4×4的塊舉例,，D代表DC系數(shù),，A表示AC系數(shù))。對于不同的IDCT進(jìn)行不同的處理：對于第一類情況,，全零塊,，跳過反變換；對于第二類情況,，只進(jìn)行反DC變換,，通常除以8，即移3位即可,；對于非零AC系數(shù)塊,，按照快速的IDCT處理,。這樣就可以針對不同的情況采用不同的處理辦法，提高了解碼效率,。?

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2.2 效率更高的運(yùn)動補(bǔ)償?

2.2.1 運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)邊?

??? MPEG-4在進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償時,，使用運(yùn)動向量在參考圖像中尋找預(yù)測塊。如果運(yùn)動向量變化比較快,，則運(yùn)動向量很可能指向參考圖像以外,。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)框架中，采用了很多分支判斷語句來處理運(yùn)動向量指向參考圖像以外的情況,。一方面IF語句的判斷會降低程序的效率,，造成解碼過程速度的下降；另一方面如果運(yùn)動向量沒有指向參考圖像以外,，IF判斷就顯得多余,。為了提高解碼效率，可以采用參考幀擴(kuò)邊的方式來解決,。將參考圖像的邊界擴(kuò)大部分全部置零,，這樣就可以減少很多判斷語句，提高解碼效率,。在實(shí)際中,，運(yùn)動向量的有效范圍很大，但當(dāng)運(yùn)動向量使計算一個預(yù)測塊所需的像素完全處于參考圖像以外時,，則不論運(yùn)動向量的水平分量或者垂直分量延伸多遠(yuǎn),，所得到的預(yù)測塊都是相同的。而運(yùn)動補(bǔ)償既可以基于塊(8×8)的,，也可以基于宏塊(16×16)的,，因此將擴(kuò)展的字節(jié)數(shù)取為16就可以了。同時將運(yùn)動向量的兩個分量分別裁剪到不超過參考圖像左邊和上邊的邊界8 B以及下邊和右邊的邊界2 B,。擴(kuò)展后的參考圖像見圖4,。?

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2.2.2 雙線性插值的改進(jìn)?

??? MEPG-4解碼算法中，運(yùn)動補(bǔ)償是以宏塊為單位進(jìn)行的,。最初的做法基于參考圖像采用雙線性插值,，見圖5。?

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??? 對這一做法進(jìn)行如下改進(jìn)：對宏塊的運(yùn)動補(bǔ)償是根據(jù)獲得運(yùn)動矢量進(jìn)行不同的判斷,，而不是固定采用雙線性插值的算法,。運(yùn)動補(bǔ)償根據(jù)從解碼數(shù)據(jù)中獲得的水平運(yùn)動矢量MV_X和垂直運(yùn)動矢量MV_Y進(jìn)行，即根據(jù)MV_X和MV_Y最低位為0或1的情況分為：只進(jìn)行直接復(fù)制相應(yīng)數(shù)據(jù),；只進(jìn)行垂直方向插值,；只進(jìn)行水平方向插值；進(jìn)行雙線性插值,。具體做法如下：?

??? 當(dāng)MV_X和MV_Y的最低位都為零時,，運(yùn)動矢量指向的16×16的塊本身與緩沖區(qū)中的像素重合,，這時不需要進(jìn)行任何插值處理，直接復(fù)制相應(yīng)數(shù)據(jù),。當(dāng)MV_X最低位為零而MV_Y的最低位不為零時,，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在某列兩相鄰像素的中間，這時只需要進(jìn)行垂直方向的插值,。當(dāng)MV_X最低位不為零而MV_Y的最低位為零時,，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在某行兩相鄰像素的中間，這時只需要進(jìn)行水平方向的插值,。當(dāng)MV_X與MV_Y的最低位均不為零時,，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在相鄰四個像素的中心，這時必須同時進(jìn)行兩個方向的插值,。由于相鄰幀之間具有很大的時間相關(guān)性,，所以本幀和上一幀大部分?jǐn)?shù)據(jù)是相同的,。假設(shè)上面4種運(yùn)動補(bǔ)償情形各占1/4,，當(dāng)進(jìn)行水平或垂直插值時，運(yùn)動補(bǔ)償所占的運(yùn)算量僅為原來的雙線性插值的1/2,，比雙線性插值約節(jié)省一半的計算量,，從而大大節(jié)省了運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臅r間。?

2.2.3 像素的并行處理?

??? 解碼過程中處理的像素是8位,，如果運(yùn)動補(bǔ)償是在字節(jié)或像素的基礎(chǔ)上執(zhí)行,，則字節(jié)加載和存儲將被使用，它是存儲器訪問中代價最高的操作,。因為ARM7是32位微處理器,，存儲器可以按字讀取數(shù)據(jù)，因此設(shè)計出一種有效的運(yùn)動補(bǔ)償方法,，即在字?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作,。利用這種方法，便可以用一種非常有效的方式同時對四像素進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償,。下面以水平方向的半像素補(bǔ)償為例,，講述補(bǔ)償?shù)倪^程。?

??? 首先讀入一個字到寄存器中,，從低到高的數(shù)據(jù)依次對應(yīng)像素0,、像素1、像素2和像素3,；然后將讀碼流指針增加1字節(jié),，再讀取下一個字到另一寄存器中，從低到高的數(shù)據(jù)依次對應(yīng)的為像素1,、像素2,、像素3和像素4,。示意圖如圖6所示。?

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??? 對于垂直方向和水平垂直方向的半像素補(bǔ)償,，其原理與水平方向相同,。在具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，由解碼數(shù)據(jù)獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的運(yùn)動矢量,，根據(jù)獲得的運(yùn)動矢量得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊在參考幀的具體位置,，從而得到運(yùn)動補(bǔ)償所需要的參考數(shù)據(jù)塊。參考數(shù)據(jù)拷貝到片內(nèi),。運(yùn)動補(bǔ)償在片內(nèi)實(shí)行,，按照字讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)情況采用不同的半像素插值，提高了程序的執(zhí)行效率,。?

2.3 VLD優(yōu)化?

??? 由于MPEG-4變長編碼中的碼字長度是不定的,，而解碼器的輸入是連續(xù)的比特流，碼字之間沒有間隔符,，所以VLC(Variable Length Coding)碼表必須判斷碼字的長度,。在通常情況下，VLD(Variable Length Decoding)解碼是通過不斷搜索和判斷得到碼字和碼長,，故解碼的時間因碼長而異,。對于實(shí)時處理來說，若該部分計算量過大,，將影響整個系統(tǒng)的處理速度,。原始查表方法涉及到多次讀取和判斷，計算量較大^[5],。另外,，信源符號內(nèi)容不同，對應(yīng)碼長也不同,，造成查表判斷耗費(fèi)的時間差別很大,。可以采用基于分組的辦法,，根據(jù)碼字編碼位的不同劃分為多個碼表,，將碼字按照不同的區(qū)域進(jìn)行劃分。這樣,，不斷的搜索判斷可以簡化為三個步驟：(1)讀入定長碼字,；(2)通過對讀入數(shù)據(jù)大小的判斷確定讀入的符號應(yīng)屬于哪一個查找表；(3)利用得到的碼字在查找表中直接獲得其對應(yīng)的信息,。因每個分組包含的符號較少,，所以可在取出分組信息后，從剩下的信息位中直接得到符號在表中對應(yīng)的位置。?

??? 經(jīng)分組后,，解碼過程簡化為(按最大碼字長度讀入數(shù)據(jù),，以8位數(shù)據(jù)為例，設(shè)分成碼長小于3的小碼表和碼長大于3的大碼表)：?

??? (1)對讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行大小判斷,。因分組時考慮到數(shù)據(jù)大小判斷的簡便性,，可用移位代替。?

??? (2)數(shù)據(jù)大小的比較,。右移5位,，判斷是否為0。如果為0,，則符號落在碼長小碼表中,；否則，符號落在大碼表中,。?

??? (3)若符號落在小碼表中,，以右移5位的讀入數(shù)據(jù)作為相對地址，直接在小碼表中找到對應(yīng)非零系數(shù)個數(shù)和正/負(fù)個數(shù)及碼長,。若符號落在大碼表中,，則直接以讀入的數(shù)據(jù)為相對地址，在大碼表中找到相應(yīng)的信息,。?

??? 無法預(yù)見的反復(fù)讀取和判斷,，經(jīng)過基于分組的解碼優(yōu)化簡化成上述三個可預(yù)見的步驟,，減少了判斷次數(shù),，加快了處理時間。?

3 實(shí)驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析?

　　通過優(yōu)化,，MPEG－4的解碼性能有了較大的提升,。在ADS1.2環(huán)境下分別對各模塊進(jìn)行C算法優(yōu)化和ARM代碼優(yōu)化，結(jié)果如表3,。按調(diào)用一次模塊函數(shù)所需周期數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計,。?

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??? 這些模塊是解碼過程中經(jīng)常會調(diào)用的函數(shù)，因此,，這些函數(shù)的優(yōu)化將使解碼速度有明顯提高,。?

??? 表4比較了不同序列的15幀QCIF格式視頻解碼優(yōu)化前后所需的帶寬。這些圖像具有不同的復(fù)雜度,，因而結(jié)果也不一樣,。

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??? 解碼速度基本取決于圖像畫面的運(yùn)動情況和顏色是否豐富。從上面的數(shù)據(jù)可以看出對于不同的序列,，其解碼速度也不同,。news、salesman和miss_am之所以很快，是因為圖像背景靜止,，只有肩部和頭部有運(yùn)動,，因而P幀的編碼數(shù)據(jù)量較少，解碼速度較高,。另外,，如果圖像很簡單（單調(diào)），其能量集中到DC系數(shù)（直流分量）上,，交流系數(shù)會出現(xiàn)多個零,，因此變長解碼速度就會較高,從而節(jié)約了解碼時間。?

??? 通過本文所總結(jié)的ARM7TDMI上視頻解碼的優(yōu)化方法,，可以使MPEG4視頻解碼節(jié)約大量的數(shù)據(jù)處理時間,。由實(shí)驗結(jié)果可見，本視頻解碼器能較好地滿足低分辨率,、低幀率場合實(shí)時解碼的要求,。?

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