摘要:H.264是最新的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),是圖像通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一,,利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)H.264:實(shí)時(shí)編解碼是一種快速有效的方法,,有助于H.264視頻標(biāo)準(zhǔn)的迅速推廣和應(yīng)用。TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有很強(qiáng)的并行處理能力和信號(hào)處理功能,,是實(shí)現(xiàn)H.264編解碼的理想平臺(tái)。給出視頻編解碼在DSP中實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵問題,,針對(duì)DM642的整體系統(tǒng)方案,,設(shè)計(jì)出為H.264的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)搭建了良好的硬件平臺(tái),并給出系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果,。解碼速度達(dá)到了實(shí)時(shí)的效果,圖像主觀質(zhì)量較好,,無明顯方塊效應(yīng),碼率也比較低,。
關(guān)鍵詞:H.264標(biāo)準(zhǔn),;數(shù)字信號(hào)處理器,;視頻編解碼;DM642
0 引言
基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字視頻產(chǎn)業(yè)前景看好,,而3G的規(guī)模部署,,也會(huì)推動(dòng)移動(dòng)視頻通信成為現(xiàn)實(shí),。但數(shù)字化后的視頻圖像具有數(shù)據(jù)海量性,,給圖像的存儲(chǔ)和傳輸造成較大的困難。數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù),。H.264以其良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和高編碼壓縮效率,靈活的語法配置,,在視頻處理領(lǐng)域比以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)更加適合視頻處理的發(fā)展方向,,更加適合不同應(yīng)用環(huán)境的對(duì)象,。H.264充分考慮了多媒體通信對(duì)視頻編解碼的各種要求,,有著多個(gè)技術(shù)閃光點(diǎn),,在保留運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和變換編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上,,加入了諸如類離散余弦整數(shù)變換(DCT),、基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(CAVLC),、基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC),,以及高精度、多模式的運(yùn)動(dòng)估計(jì)等新技術(shù),,進(jìn)一步提高了編碼算法的壓縮效率和圖像回放質(zhì)量,。在肉眼主觀感受相同的情況下,,H.264較之H.263的編碼效率提高了50%左右。
利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)H.264實(shí)時(shí)編碼器是一種快速有效的方法,,有助于H.264視頻標(biāo)準(zhǔn)的迅速推廣和應(yīng)用,也指明了視頻圖像壓縮領(lǐng)域最新的研究方向,。
1 H.264編碼的關(guān)鍵技術(shù)
1.1 基于靈活分割宏塊(MB)的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)和補(bǔ)償以及增加變換的壓縮效果
H.264根據(jù)宏塊的編碼特性采用亮度塊直流變換,,色度塊直流變換與普通差值變換相結(jié)合的方法,。在運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí),,H.264信源編碼采用基于4×4塊的整數(shù)變換,可以靈活地選擇塊的大小,。而其他標(biāo)準(zhǔn)處理的像素塊大小均為16×16或者8x8。H.264以可變大小的塊來適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和要求,,采用16×16,,16×8,,8×16,8×8四種模式,;當(dāng)劃分為8×8模式時(shí),,又可進(jìn)一步采用8×4,,4×8,4×4三種子宏塊劃分模式進(jìn)一步劃分,,如圖1所示。根據(jù)需要由不同尺寸的宏塊來執(zhí)行,,采用整數(shù)變換既可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確,,不可以減小運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差,處理好需要更多運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的場(chǎng)合,,即以引入更小運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊可以提高一般和特殊情況下的預(yù)測(cè)質(zhì)量,,它可以提高主觀視覺效果,,同時(shí)又減小了變換過程中的計(jì)算量,。實(shí)驗(yàn)表明,,應(yīng)用7種不同大小和形狀的塊可以比單一利用16×16塊進(jìn)行的編碼提高15%以上的壓縮率,。
1.2 支持l/4像素或l/8像素精度的運(yùn)動(dòng)估值
運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償算法是目前視頻壓縮技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分,,影響著編碼的速度,、質(zhì)量和碼率,,其編碼的復(fù)雜度也是整個(gè)編碼系統(tǒng)中最高的,。
在H.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1/2像素位置的預(yù)測(cè)值,。當(dāng)獲得1/2像素值后,,通過取整數(shù)像素位置和1/2像素位置像素值均值的方式獲得l/4像素位置的值,。在高碼率情況下,提供1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì),。采用高精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)會(huì)進(jìn)一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差,,減少經(jīng)變換和量化后的非0比特?cái)?shù),,提高了編碼效率,。利用1/4像素空間精度可以比原有的一個(gè)像素精度(整數(shù)精度)預(yù)測(cè)提高20%的編碼效率,。
1.3 多參考幀預(yù)測(cè)
參考幀是幀間預(yù)測(cè)編碼,,也就是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ),,根據(jù)它與待預(yù)測(cè)幀之間的位置關(guān)系,,可分為前向參考幀和后向參考幀。
以往的編解碼技術(shù)在對(duì)P幀圖像進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí),,只允許以參考前一幀圖像進(jìn)行編碼,即以前一個(gè)I圖像或P圖像為參考幀,,在對(duì)B圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),只允許參考前后幀圖像進(jìn)行編碼,,即以前后兩個(gè)I圖像或P圖像為參考圖像。H.264則打破了這些限制,,允許在從當(dāng)前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像,對(duì)宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè),,當(dāng)選用多參考幀模式時(shí),。編碼器從幾個(gè)參考幀中選擇一個(gè)效果最好的參考幀,,達(dá)到最佳的預(yù)測(cè)效果,參考幀圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像,,大幅度降低了預(yù)測(cè)誤差,。另外,,幀問編碼部分還引入了SP幀,,用于有效地實(shí)現(xiàn)編碼率環(huán)境下的切換,,可用于隨機(jī),、快速播放過程,,比單參考幀的方法節(jié)省5%~lO%的傳碼率,,并且有利于比特流的錯(cuò)誤恢復(fù),、解碼恢復(fù)更高圖像質(zhì)量,。因此,,多參考幀預(yù)測(cè)對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)和背景切換能夠提供更好的預(yù)測(cè)效果,。
1.4 消除塊效厘適應(yīng)性濾波器
基于分塊處理的變換編碼算法,,忽略了物體邊緣的連續(xù)性,,在低碼率情況下,,容易出現(xiàn)方塊效應(yīng),。為消除在預(yù)測(cè)和變換過程中引入的塊效應(yīng),H.264對(duì)此采用了消除塊效應(yīng)適應(yīng)性濾波器,,對(duì)宏塊邊緣進(jìn)行平滑,,有效改進(jìn)圖像的主觀質(zhì)量,。但與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是,,H.264的消除塊效應(yīng)濾波器位于運(yùn)動(dòng)估計(jì)循環(huán)內(nèi)部,,可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像去預(yù)測(cè)其他圖像的運(yùn)動(dòng),,即濾波后宏塊用于運(yùn)動(dòng)估計(jì),,以產(chǎn)生更小的幀差進(jìn)行編碼,,進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。
1.5 增強(qiáng)的熵編碼
以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼采用變長(zhǎng)的哈夫曼編碼,,碼表統(tǒng)一,,不能適應(yīng)變換多端的視頻內(nèi)容,影響編碼效率,。根據(jù)視頻內(nèi)容的不同,,H.264利用較短的碼字來代表出現(xiàn),,高頻率的符號(hào),,可進(jìn)一步去除碼流中的冗余,,提供兩種熵編碼,即上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)和基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼(CAVLC),,CABAC的編碼效率更高,,也更復(fù)雜,在相同圖像質(zhì)量下,,使用CABAC編碼電視信號(hào)可降低10%左右(10%~15%)的碼率,,后者具有較強(qiáng)抗誤碼能力。
2 H.264的視頻編解碼的DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
在數(shù)字圖像處理中,,要完成大量的數(shù)字信號(hào)處理工作,,特別是對(duì)于H.264這樣的新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。就其Baseline而言,,其解碼復(fù)雜度是同等情況下H.263的2倍,,而編碼復(fù)雜度更是H.263的3倍,,解決這種高運(yùn)算量問題,很大程度上依賴于高速DSP技術(shù),,而且采用半導(dǎo)體制造工藝生產(chǎn)的DSP處理器可以有更低的功耗,。因此為圖像的實(shí)時(shí)壓縮處理搭建了一個(gè)合理的DSP硬件平臺(tái)。
TI公司生產(chǎn)的DM64X系列芯片具有超高主頻,、很強(qiáng)的并行處理能力和信號(hào)處理功能,,是實(shí)現(xiàn)H.264編解碼的理想平臺(tái),。
TI公司生產(chǎn)的642系列是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP,,該DSP時(shí)鐘頻率高達(dá)600 MHz,,8個(gè)并行運(yùn)算單元,處理能力達(dá)4 800 MIPS,。它是在C64X的基礎(chǔ)上,,增加了很多外圍設(shè)備和接口??梢?,DM642是一個(gè)強(qiáng)大的多媒體處理器,是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好平臺(tái),。它豐富的外圍接口使得它近乎是一個(gè)多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺(tái),;它的完全可編程性,又使它能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號(hào)處理標(biāo)準(zhǔn),,構(gòu)成通用的軟件平臺(tái),。
該系統(tǒng)主要是為了對(duì)模擬視頻圖像(PAL制式)進(jìn)行采集,之后對(duì)其進(jìn)行壓縮,,然后把壓縮后的數(shù)據(jù)通過擴(kuò)頻的方式發(fā)送到接收端,,在接收端接收碼流后由DSP進(jìn)行解壓縮,之后再由DSP負(fù)責(zé)圖像的顯示,,存儲(chǔ)等,。所以總體設(shè)計(jì)方案必須包括視頻的輸入/輸出、網(wǎng)絡(luò)等接口,。設(shè)計(jì)圖如圖2所示,。
在發(fā)送端,視頻輸出由視頻A/D芯片先轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào),,然后輸入到DM642的視頻端口2,,由DM642進(jìn)行圖像采集,并把圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM中,,同時(shí)DM642對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮,,并把壓縮后的數(shù)據(jù)通過McBSP發(fā)送到信道編碼部分,完成發(fā)送端的工作,。在接收端,,接收由信道譯碼部分送來的壓縮圖像數(shù)據(jù),然后由DM642完成圖像的實(shí)時(shí)解壓,,并把解壓后的數(shù)據(jù)送到SDRAM中,,然后把解壓后的圖像數(shù)據(jù)送人視頻端口0,再由視頻端口0把數(shù)據(jù)送入視頻D/A,,完成視頻的實(shí)時(shí)顯示,。圖2中音頻/視頻接口作為擴(kuò)展,10/100Mb/s的以太網(wǎng)卡以及USB控制器外設(shè)主要是為了方便接收端直接把數(shù)字視頻信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)或者終端各處,,供電及復(fù)位電路完成對(duì)電路板的供電及復(fù)位功能,。
3 H.264的視頻編解碼的DSP優(yōu)化
將H.264編碼器移植到DM642圖像處理平臺(tái)上,由于H.264的核心算法不僅在代碼結(jié)構(gòu)上需要改進(jìn),,而且在具體的核心算法上也需要做較大的改動(dòng),,因此整個(gè)系統(tǒng)的編碼速度非常令人不滿意,達(dá)不到實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求,,因此需要從各個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,,將編碼的時(shí)間減少下去。首先去除了編碼器中的冗余代碼,,然后優(yōu)化工作分三步:在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)H.264算法并進(jìn)行優(yōu)化,;PC機(jī)H.264代碼的DSP化,可以在DSP上實(shí)現(xiàn)H.264的編解碼算法,,但是,,這樣實(shí)現(xiàn)的算法運(yùn)行效率很低,因?yàn)樗械拇a都是由C語言編寫,,并沒有完全利用DSP的各種性能,,所以必須結(jié)合DSP本身的特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化,,才能實(shí)現(xiàn)H.264視頻解碼器算法對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)處理,,即要H.264的DSP算法優(yōu)化。對(duì)于DSP代碼的優(yōu)化共分為三個(gè)層次:項(xiàng)目級(jí)優(yōu)化,、C程序級(jí)優(yōu)化,、匯編程序級(jí)優(yōu)化,。
4 結(jié)語
在上述環(huán)境下,解碼器算法對(duì)QCIF測(cè)試序列已經(jīng)能夠達(dá)到45~60 f/s的解碼速度,,達(dá)到了實(shí)時(shí)性解碼的目的,。測(cè)試結(jié)果表明,圖像主觀質(zhì)量較好,,無明顯方塊效應(yīng),,碼率也比較低。另外,,圖像編碼的實(shí)時(shí)性能與圖像的內(nèi)容,、運(yùn)動(dòng)的劇烈程度等都有一定的關(guān)系。在DM642板卡上實(shí)現(xiàn)的H.264視頻編解碼器具有功能強(qiáng),,使用靈活等特點(diǎn),,有廣泛的應(yīng)用前景。相信在不久的將來,,基于H.264算法和DSP處理器的可視電話,、視頻會(huì)議、有線電視,、無線流媒體通信等產(chǎn)品會(huì)逐漸地走進(jìn)千家萬戶,,視頻編解碼器在嵌入式處理終端上的應(yīng)用會(huì)漸漸地成為應(yīng)用的主流。