基于TMS320C64x的MPEG-4實(shí)時(shí)編碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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圖3 預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量示意圖
(2)確定篩選候選值的依據(jù)——SAD(絕對(duì)誤差和)的門(mén)限值ThreshSAD。
SAD是確定最佳匹配塊的準(zhǔn)則。門(mén)限值ThreshSAD是指這樣一個(gè)值:如果參考幀內(nèi)某一宏塊和當(dāng)前宏塊的SAD小于ThreshSAD,則當(dāng)前宏塊的MV值就可取作二者之間的位移。因此,ThreshSAD就可作為篩選7個(gè)候選值的依據(jù)。
由于SAD在空間上的相關(guān)性,ThreshSAD由相鄰宏塊的SAD值來(lái)確定:
ThreshSAD=Min{SADleft,SADtop,SADtop_left}
其中,SADleft、SADtop、SADtop-right分別為MBleft、MBtop、MBtop-right和其對(duì)應(yīng)匹配塊的SAD值,ThreshSAD取三者的最小值。
(3)從7個(gè)候選值中選出當(dāng)前宏塊的MV值。
按照PreMV1~7的順序,依次計(jì)算當(dāng)前宏塊和7個(gè)匹配塊的SAD值。如果有SAD值小于ThreshSAD,即停止計(jì)算,選用對(duì)應(yīng)的PreMV作為當(dāng)前宏塊的MV值;如果7個(gè)SAD值均大于ThreshSAD,則采用運(yùn)動(dòng)搜索來(lái)確定當(dāng)前宏塊的MV值。該運(yùn)動(dòng)搜索并不以MV=(0,0)為中心,而是以對(duì)應(yīng)SAD值最小的PreMV為中心,搜索采用簡(jiǎn)化的菱形算法。
對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻序列foreman.cif(352×288)進(jìn)行編碼(碼率300kbps),測(cè)得表1所示數(shù)據(jù)。采用預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法利用視頻序列在時(shí)間和空間上的相關(guān)性,無(wú)需對(duì)每個(gè)宏塊都進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索,而且其搜索中心點(diǎn)也同樣利用了相關(guān)信息,搜索算法也可進(jìn)一步簡(jiǎn)化,因此大大減少了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的計(jì)算量;同時(shí),預(yù)測(cè)有助于提高圖像質(zhì)量,直接進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)搜索通常會(huì)帶來(lái)局部最小的問(wèn)題,從而影響圖像質(zhì)量,而PreMV1~7取自位于當(dāng)前宏塊周圍各個(gè)方向的宏塊的MV值,避免陷入局部最小。
表1 預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)搜索性能的提高
| 采用預(yù)測(cè) | 平均每個(gè)宏塊所需的 SAD值計(jì)算次數(shù) | 峰值信噪比PSNR(dB) | 平均幀率(fps) |
| 是 | 5 | 33.16 | 120 |
| 否 | 15 | 33.23 | 95 |
3 基于C64x CPU的軟件優(yōu)化技術(shù)
為了提高代碼的執(zhí)行效率,必須充分利用C64x CPU的VLIW和流水線結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,使程序無(wú)沖突地并行執(zhí)行。MPEG-4編碼程序中包含大量的循環(huán)體,例如計(jì)算SAD值、量化、DCT、半像素插值、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和構(gòu)建重建幀等。這些循環(huán)體代碼并不復(fù)雜,但執(zhí)行次數(shù)頻繁,占據(jù)了編碼的絕大部分時(shí)間,因此循環(huán)體的優(yōu)化是重點(diǎn)。本文所采取的代碼優(yōu)化分為C語(yǔ)言優(yōu)化和編寫(xiě)線性匯編兩個(gè)步驟,主要從消除數(shù)據(jù)相關(guān)性、數(shù)據(jù)打包和循環(huán)體的軟件流水三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。
3.1 針對(duì)C語(yǔ)言的優(yōu)化
C代碼的優(yōu)化主要依靠開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS的編譯器完成,編程者需要合理選擇編譯選項(xiàng),并利用特定的關(guān)鍵字和指令向編譯器提供優(yōu)化信息。例如關(guān)鍵字restrict用來(lái)消除數(shù)據(jù)間的相關(guān)性,編譯器從而可以安排語(yǔ)句的并行執(zhí)行;內(nèi)聯(lián)函數(shù)_nassert有助于數(shù)據(jù)的打包處理;宏指令#pragma MUST_ITERATE告訴編譯器有關(guān)循環(huán)迭代次數(shù)的信息,編譯器會(huì)根據(jù)這一信息進(jìn)行軟件流水。
3.2 用線性匯編改寫(xiě)關(guān)鍵代碼
線性匯編是TMS320C6000特有的一種編程語(yǔ)言,介于高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言之間。它可以指定指令用到的寄存器和功能單元,更易于對(duì)數(shù)據(jù)的打包處理。
線性匯編代碼的并行處理和軟件流水由匯編優(yōu)化器完成,編程者需要熟悉C64x DSP的CPU結(jié)構(gòu)和指令集,認(rèn)真設(shè)計(jì)代碼并充分利用編譯器的反饋信息合理修改代碼,才能寫(xiě)出高質(zhì)量的線性匯編。本設(shè)計(jì)中程序主框架采用C語(yǔ)言編寫(xiě),其它各關(guān)鍵部分的代碼采用線性匯編實(shí)現(xiàn)。表2是代碼優(yōu)化前后的效率對(duì)比,表2中所列各代碼段均針對(duì)8×8宏塊進(jìn)行處理。
表2 各關(guān)鍵代碼優(yōu)化前后消耗指令周期數(shù)對(duì)比
| 代碼段 | 未優(yōu)化 | C優(yōu)化后 | 線性匯編優(yōu)化后 |
| SAD值計(jì)算 | 1400 | 55 | 34 |
| 量化 | 1250 | 238 | 108 |
| 逆量化 | 1200 | 291 | 170 |
| FDCT | 1360 | 292 | 96 |
| IDCT | 1600 | 373 | 102 |
| 半像素插值 | 2800 | 466 | 246 |
| 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、做差 | 1950 | 160 | 59 |
| 重建宏塊 | 1000 | 890 | 88 |
4 結(jié)果分析
對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)視頻序列進(jìn)行編碼,測(cè)得表3所示數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)采集D1(720×576)分辨率的視頻進(jìn)行編碼,測(cè)得碼率為850kbps時(shí),編碼速率達(dá)25fps以上,峰值信噪比(PSNR)高于31dB,實(shí)現(xiàn)了高分辨率的實(shí)時(shí)MPEG-4編碼。
表3 標(biāo)準(zhǔn)視頻序列的編碼結(jié)果
| 視頻序列 | 分辨率 | 碼率(bps) | PSNR(dB) | 平均幀率(fps) |
| News | QCIF | 100k | 36.23 | 480 |
| Silent | QCIF | 100k | 35.66 | 485 |
| Foreman | QCIF | 100k | 32.04 | 465 |
| Foreman | CIF | 300k | 33.16 | 120 |
表3中各視頻序列的編碼均采用了8×8半像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì),解碼圖像的視覺(jué)效果較好。對(duì)于較低分辨率的視頻(QCIF、CIF),其編碼速率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)時(shí)的要求,因此可以考慮添加新的算法以提高壓縮效率并增強(qiáng)碼流的抗差錯(cuò)性能。
本文以DM642芯片為例詳述了基于C64x DSPs的MPEG-4實(shí)時(shí)編碼器設(shè)計(jì)。編碼器采用MPEG-4 Simple Profile算法,在算法和代碼優(yōu)化方面還有一定的研究空間。本文給出的設(shè)計(jì)方法可以進(jìn)一步推廣到H.264或者其他視頻編碼系統(tǒng)。
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評(píng)論