摘  要： 針對(duì)光電經(jīng)緯儀高幀頻和高分辨率圖像實(shí)時(shí)壓縮難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，在TI公司提供的H.264單核編碼開(kāi)源工程和多核并行算法的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320C6678多核處理器的H.264并行算法,。在單核編碼開(kāi)源工程實(shí)現(xiàn)多核并行視頻編碼,，將每幀圖像平均劃分成多個(gè)Slice,，每個(gè)DSP核處理一個(gè)Slice,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單核視頻編碼相比,，多核并行視頻編碼的加速與比核數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)，在TMS320C6678多核處理器上實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的實(shí)時(shí)圖像壓縮具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐性。

　　關(guān)鍵詞： 光電經(jīng)緯儀；H.264,；TMS320C6678,；實(shí)時(shí)壓縮,；Slice

　　隨著高幀頻、高分辨率成像傳感器技術(shù)在光電經(jīng)緯儀領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，光電經(jīng)緯儀圖像在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中將占用更大帶寬和更多存儲(chǔ)資源,，因此有必要對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮,。

　　在當(dāng)前眾多視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，H.264因其高數(shù)據(jù)壓縮率和友好的網(wǎng)絡(luò)親和性得到廣泛應(yīng)用[1-2],。但是，H.264更高的計(jì)算復(fù)雜度帶來(lái)了更長(zhǎng)的編碼時(shí)間,，參考文獻(xiàn)[3]以x264為基礎(chǔ)，僅僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)域可伸縮的編碼方案，也只能支持最大分辨率QVGA的實(shí)時(shí)編碼，這一困境使得H.264很難在光電經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　本文立足多核DSP和H.264編碼層次結(jié)構(gòu)的研究,，在TMS320C6678多核DSP上實(shí)現(xiàn)H.264的多核并行壓縮編碼，在TI公司提供的H.264開(kāi)源工程單核編碼的基礎(chǔ)上,，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電經(jīng)緯儀圖像的實(shí)時(shí)壓縮,。

1 H.264多核并行算法分析

　　基于Slice級(jí)的并行算法是將每幀圖像劃分為多個(gè)Slice[4],，因?yàn)橥粠母鱾€(gè)Slice之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴，所以可以實(shí)現(xiàn)并行編碼,。當(dāng)把一幀圖像分成多個(gè)Slice后,，降低了圖像內(nèi)部相關(guān)性,，但過(guò)多的Slice劃分會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此不能無(wú)限制地進(jìn)行Slice劃分[5],。

　　在同一幅圖像上,，不同的區(qū)域其內(nèi)容復(fù)雜度也可能各不相同[6]，使得各個(gè)Slice的編碼時(shí)間各不相同,，直接導(dǎo)致了整個(gè)編碼器的均衡程度降低,。另一方面，在編碼下一幀圖像之前,，各個(gè)核必須完成對(duì)應(yīng)Slice的編碼,，因此各個(gè)Slice必須在編碼下一幀圖像之前進(jìn)行同步，同步的時(shí)間直接取決于各個(gè)核對(duì)Slice編碼的均衡程度,。

2 H.264核心代碼結(jié)構(gòu)分析

　　本文基于H.264單核編碼實(shí)現(xiàn)多核并行壓縮,，   H.264單核編碼的流程圖如圖1所示。H.264工程對(duì)編碼參數(shù)和存儲(chǔ)空間初始化后,，循環(huán)調(diào)用Encode_one_frame部分,，對(duì)每一幀圖像進(jìn)行編碼,，直至最后一幀。在H.264開(kāi)源工程的基礎(chǔ)上,，給出了基于Slice的多核并行壓縮編碼,，流程圖如圖2所示。編碼前先對(duì)一幀圖像進(jìn)行Slice劃分,，當(dāng)所有內(nèi)核完成相應(yīng)Slice編碼后進(jìn)行多核同步,，然后才能進(jìn)行下一幀圖像的編碼。依此類推,，直至最后一幀圖像編碼完成,。

3 H.264的DSP實(shí)現(xiàn)

　　本文選擇TI codec庫(kù)提供的H.264開(kāi)源工程[7]，該程序在作者實(shí)驗(yàn)室的DSP+FPGA圖像處理開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn),，運(yùn)行頻率為1 GHz,，編譯環(huán)境為CCS v5.0。

　　多核并行編碼的實(shí)現(xiàn)是把一幀圖像分為多個(gè)Slice,，由多個(gè)處理器核來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)Slice的壓縮算法,。經(jīng)過(guò)對(duì)H.264工程的研究，Slice劃分算法的實(shí)現(xiàn)可以由以下兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　?。?）按照宏塊數(shù)目平均劃分（這里宏塊大小為16宏塊數(shù)）,，如式（1）所示：

　　其中，image_height為圖像的高度,，ncores為參與編碼并行核數(shù),，m[ncores]為每個(gè)Slice的邊界（單位為行）。ncores個(gè)核并行處理的Slice邊界分別為：

　　核0：（0~m[ncores]）（表示核0處理第0~m[ncores]行的數(shù)據(jù)）

　　核1：（m[ncores]~2×m[ncores]）

　　…

　　核7：（7×m[ncores]~8×m[ncores]）

　　單核并行處理時(shí)只調(diào)用核0,，雙核時(shí)調(diào)用核0~1，四核時(shí)調(diào)用核0~3,。

　?。?）按照宏塊計(jì)算復(fù)雜度平均劃分（這里的宏塊大小為16×16）。首先計(jì)算出一幀圖像中每個(gè)宏塊的計(jì)算復(fù)雜度,，記為cost[i],，i為宏塊的序列號(hào)；其次,，計(jì)算所有宏塊的總計(jì)算復(fù)雜度,，記為Total_cost；最后,，按照Total_cost來(lái)平均劃分Slice邊界：

　　其中,，M[j]為宏塊的序列號(hào)，j為實(shí)現(xiàn)次數(shù),。計(jì)算Slice邊界步驟如下：

　?、佼?dāng)式（2）中的條件首次實(shí)現(xiàn)時(shí),，記錄M[1]，并將M[1]帶入式（3）中,，計(jì)算出第一個(gè)Slice的行數(shù)N[1],；

　　②ncores變?yōu)閚cores-1,，i由0變?yōu)镸[1],，Total_cost減去式（2）的左值，得到新的Total_cost,；

　?、坜D(zhuǎn)到步驟①，計(jì)算下一個(gè)新的M[2]值,，直到ncores為0,，停止計(jì)算，可以得到ncores個(gè)核并行處理的Slice邊界為：

　　核0：（0~M[1]）

　　核1：（M[1]~M[2]）

　　…

　　核7：（M[7]~M[8]）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　為了測(cè)試H.264編碼算法在TMS320C6678多核處理器上的并行實(shí)現(xiàn),，實(shí)驗(yàn)中將相同YUV視頻序列分別使用（1）,、（2）兩種Slice劃分算法實(shí)現(xiàn)，這兩種算法均經(jīng)過(guò)單核,、雙核,、四核分別運(yùn)行。本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為YUV420P格式10幀圖像,，幀排序方式為IPPP,，輸出為H.264格式。對(duì)比不同劃分算法的多核并行處理結(jié)果如表1,、2所示,。

　　從表1、2可看出,，第1幀的處理時(shí)間為剩余9幀的一半,，這是因?yàn)榈?幀編碼為I幀，是幀內(nèi)預(yù)測(cè),；而第2~10幀圖像都是P幀,，是幀間預(yù)測(cè)。劃分算法（1）單核情況下每幀圖像的處理時(shí)間與劃分算法（2）單核情況下的處理時(shí)間相同,，這是因?yàn)閱魏饲闆r下,，每幀圖像都為一個(gè)Slice；在雙核情況下,，劃分算法（2）相對(duì)于劃分算法（1）在處理上有5%的提升,；四核情況下，劃分算法（2）相對(duì)于劃分算法（1）在時(shí)間上有很小的提升,。

　　劃分算法（2）相對(duì)于算法（1）在性能上能有所提升是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所選擇的圖像的計(jì)算復(fù)雜度分布不均勻,，算法（2）是以一幀圖像的宏塊復(fù)雜度為基礎(chǔ)來(lái)平均劃分一幀圖像的,，因此對(duì)于一幀圖像來(lái)說(shuō)，每片Slice所分配的計(jì)算負(fù)載更加平均,，比算法（1）的按行數(shù)平均劃分處理時(shí)間要減少,。

　　單核、雙核,、四核并行處理加速比對(duì)比結(jié)果如表3所示,。

　　從表3可以看出，在四核處理情況下,，劃分算法（1）的加速比是單核處理的3.6倍,，劃分算法（2）相對(duì)于劃分算法（1）性能上有很小的提升；在雙核情況下,，劃分算法（1）的加速比約為單核處理的1.84倍,，而劃分算法（2）相對(duì)于劃分算法（1）的性能有6%的提升。

　　單核,、雙核,、四核的處理加速比沒(méi)有與并行核數(shù)完全成線性關(guān)系的原因是：（1）每幀圖像劃分的每個(gè)Slice的計(jì)算復(fù)雜度不同，因此編碼所需的時(shí)間也不同,，每幀圖像需要等到編碼最慢的Slice完成,，才算一幀圖像編碼結(jié)束；（2）每個(gè)Slice都包含獨(dú)立的頭信息,，在編碼時(shí)會(huì)有額外的讀取頭信息的時(shí)間消耗,。

　　由表1、2可以得出,，單核處理的幀率為82 f/s,，雙核處理的幀率達(dá)到150~160 f/s，四核處理的幀率達(dá)到了300 f/s,，可以看出多核并行用于實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀圖像實(shí)時(shí)壓縮的潛能,。

　　本文針對(duì)光電經(jīng)緯儀高幀頻和高分辨率圖像實(shí)時(shí)壓縮難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)H.264算法在TMS320C6678上的多核并行進(jìn)行了研究,，在H.264單核編碼的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了兩種Slice級(jí)多核并行壓縮編碼算法，分別實(shí)現(xiàn)了光電經(jīng)緯儀圖像實(shí)時(shí)壓縮的功能,。

　　本文的試驗(yàn)驗(yàn)證了多核并行壓縮算法在實(shí)時(shí)壓縮方面的可行性,，對(duì)Slice劃分算法的優(yōu)化沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)研究，這是下一步研究的重點(diǎn),。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 張紀(jì)鈴,，夏超，黃富良.一種基于H264編碼標(biāo)準(zhǔn)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法[J].電子測(cè)量技術(shù),，2009,，32（8）：69-73.

　　[2] 許春冬,，姚萌，廖薇.基于DM642的T264視頻編碼器優(yōu)化[J].新特器件應(yīng)用,，2009,，11（12）：11-13，17.

　　[3] 孔群娥,，曾學(xué)文.基于x264實(shí)現(xiàn)H.264的時(shí)域可伸縮編碼[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,，2011，32（3）：24-28.

　　[4] 黃亮.基于多核處理器的SVC高清實(shí)時(shí)編碼[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,，2013,，49（13）：170-174.

　　[5] 夏齡，舒濤.一種H.264/AVC視頻編碼并行算法[J].計(jì)算機(jī)工程,，2013,，39（4）：314-317.

　　[6] 陳曉娟，陳淑榮.實(shí)時(shí)視頻圖像的清晰度檢測(cè)算法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2010,，29（17）：36-38.

　　[7] 彭旭鋒，劉文怡,，李金力.基于DSP和FPGA的實(shí)時(shí)圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2019，29（11）：17-20.