在ADSP-BF561上實現(xiàn)與優(yōu)化的H.264解析

目前，音視頻技術日新月異，其中，視頻實時編碼傳輸極具代表性。在視頻壓縮算法領域，新一代視頻壓縮標準H.264以其優(yōu)異的壓縮性能和圖像質(zhì)量使視頻實時編碼傳輸技術的實現(xiàn)成為可能。但該標準的計算復雜度高，用一般的圖像處理芯片難以達到實時編解碼的要求，它需要快速、穩(wěn)定的處理器作為硬件平臺。ADSP-BF561是ADI公司推出的高性能多媒體處理器。其主要特點是具有兩個ADSP-BF533處理器核心（以下簡稱核心A和核心B），最高時鐘頻率達到600MHz，其內(nèi)部采用哈佛總線結構，存儲模型層次化。其典型應用模式是A核運行嵌入式操作系統(tǒng)，B核運行多媒體處理算法，如H.264。本文提出了一套采用ADSP-BF561芯片實現(xiàn)H.264視頻壓縮算法的設計方案，結合該DSP平臺對算法進行了針對性的優(yōu)化，充分發(fā)揮了ADSP-BF561強大的處理能力。
　　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標準采用分層體系結構，系統(tǒng)分為：視頻編碼層VCL（Video CodingLayer），負責高效的數(shù)字視頻壓縮；網(wǎng)絡抽象層NAL（Network AbstractionLayer），負責對數(shù)據(jù)進行打包和傳送。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幀為前向預測幀，B幀為雙向預測幀，編碼時都需要根據(jù)參考幀進行運動估計。同時，H.264在提高圖像傳輸容錯性方面做了大量工作，重新定義了適于圖像的結構劃分。在編碼時，圖像幀各部分被劃分到多個Slice結構中，每個Slice都可以被獨立編碼，不受其他部分影響。Slice由圖像最基本的結構——宏塊組成，每個宏塊包含一個16×16的亮度塊和兩個8×8的色度塊。H.264標準的整體編碼框圖如圖1所示。編碼過程中，原始數(shù)據(jù)進入編碼器后，當采用幀內(nèi)編碼時，首先選擇相應的幀內(nèi)預測模式進行幀內(nèi)預測，隨后對實際值和預測值之間的差值進行變換、量化和嫡編碼，同時編碼后的碼流經(jīng)過反量化和反變換之后重構預測殘差圖像，再與預測值相加得出重構幀，得出的結果經(jīng)過去塊濾波器平滑后送入幀存儲器。采用幀間編碼時，輸入的圖像塊首先在參考幀中進行運動估計，得到運動矢量。運動估計后的殘差圖像經(jīng)整數(shù)變換、量化和嫡編碼后與運動矢量一起送入信道傳輸。同時另一路碼流以相同的方式重構后，經(jīng)去塊濾波后送入幀存儲器作為下一幀編碼的參考圖像。
　　
　　1.2 H.264關鍵技術
　　1.2.1 幀內(nèi)預測
　　H.264引入了幀內(nèi)預測以提高壓縮效率。幀內(nèi)預測編碼就是利用周圍鄰近的像素值來預測當前的像素值，然后對預測誤差進行編碼。這種預測是基于塊的。對于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16有4種預測模式，4×4有9種預測模式；對于色度分量，預測是對整個8×8塊進行的，有4種預測模式。
　　1.2.2 幀間預測
　　幀間預測時所用塊的大小可變。假設基于塊的運動模型，其塊內(nèi)的所有像素都做了相同的平移，在運動比較劇烈或者運動物體的邊緣外，這一假設會與實際出入較大，從而導致較大的預測誤差，這時減小塊的大小可以使假設在小塊中依然成立。另外小塊所造成的塊效應相對也小，因此，小塊可以提高預測的效果。H.264一共采用了7種方式對一個宏塊進行分割，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)容選擇最好的預測模式。與僅使用16x16塊進行預測相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率節(jié)約15%以上。
　　同時，幀內(nèi)預測采用了更精細的預測精度，H.264中亮度分量的運動矢量使用1/4像素精度。色度分量的運動矢量使用1/8像素精度。
　　1.2.3 多幀參考
　　H.264支持多幀參考預測，最多可以有5個在當前幀之前的解碼幀作為參考幀產(chǎn)生對當前幀的預測，提高H.264解碼器的錯誤恢復能力。
　　1.2.4 整數(shù)變換
　　H.264對殘差圖像的4×4整數(shù)變換技術，采用定點運算來代替以往DCT變換中的浮點運算。以降低編碼時間，同時也更適合硬件平臺的移植。
　　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可變長編碼）和CABAC（基于上下文的自適應算術編碼）。其中CAVLC的抗差錯能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率強，但需要的計算量和存儲容量更大。
　　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測誤差產(chǎn)生的塊效應，從而改善圖像的主觀質(zhì)量和預測誤差。經(jīng)過濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預測，而不是僅僅用來改善主觀質(zhì)量，因此該濾波器位于解碼環(huán)中。對于幀內(nèi)預測，使用的是未經(jīng)過濾波的重建圖像。
　　2 算法實現(xiàn)
　　2.1 平臺選擇
　　2.1.1 ADSP-BF561芯片介紹
　　ADSP-BF561是Blackfin系列中的一款高性能定點DSP視頻處理芯片。其主頻最高可達750MHz，內(nèi)核包含2個16位乘法器MAC、2個40位累加器ALU、4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器。該芯片中的兩套數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器（DAG）可為同時從存儲器存取雙操作數(shù)提供地址，每秒可處理1 200兆次乘加運算。芯片帶有專用的視頻信號處理指令以及100KB的片內(nèi)L1存儲器（16KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的數(shù)據(jù)Cache/SRAM，4 KB的臨時數(shù)據(jù)SRAM）、128KB的片內(nèi)L2存儲器SRAM，同時具有動態(tài)電源管理功能。此外，Blackfin處理器還包括豐富的外設接口，包括EBIU接口（4個128 MBSDRAM接口，4個1MB異步存儲器接口）、3個定時/計數(shù)器、1個UART、1個SPI接口、2個同步串行接口和1路并行外設接口（支持ITU-656數(shù)據(jù)格式）等。Blackfin處理器在結構上充分體現(xiàn)了對媒體應用（特別是視頻應用）算法的支持。
　　2.1.2 ADSP-561 EZkite
　　ADSP-BF561視頻編碼器平臺采用ADI公司的ADSP-BF561 EZ-kitLite評估板。此評估板包括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，該評估板還包括1個UART接口、1個USB調(diào)試接口和1個JTAG調(diào)試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號經(jīng)視頻芯片ADV7183A轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，此信號從ADSP-BF561的PPI1（并行外部接口）進入ADSP-BF561芯片進行壓縮，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Flash加載程序，并支持串口及網(wǎng)絡傳輸。編碼過程中的原始圖像、參考幀等數(shù)據(jù)可存儲在SDRAM中。