H.264视频编码器在DSP上的实现与优化

摘要：在DM642 EVM平台上实现了 H.264视频编码器，并从内存分配、Cache优化、代码优化以及汇编程序级优化等几个方面对编码器进行了优化。实验结果表明，优化后的编码器能保持较高的图象质量和压缩效率，并具有较好的实时性能。

1 引言

　　H.264/AVC是ITU-T视频编码专家组和ISO/IEC运动图象专家组联合提出的新一代视频编码标准。在相同的条件下，与MPEG-1、MPEG-2、H.263、MPEG-4等标准相比，H.264/AVC能够减少50%的码流。但是，H.264的高编码效率是以高运算量和高复杂度为代价的。

　　本文采用具有较高运算速度和较强数据处理能力的DM642 EVM作为H.264视频编码器实现和优化的DSP硬件平台，实现了 H.264视频编码算法，并对算法程序进行了综合优化。实验结果表明，经过优化的 H.264视频编码器能保持较高的图象质量和压缩效率，并具有较好的实时性能。

2 H.264视频编码技术及DM642 EVM开发平台

　　2.1 H264视频编码技术

　　H.264压缩算法采用与H.263和MPEG-4类似的基于块的混和编码方法，采用帧内(Intra)和帧间(Inter)两种编码模式。为了提高编码效率、压缩比和图象质量，H.264采用了许多新的编码技术，这些技术主要有：

　　⑴ H.264标准压缩系统由视频编码层(VCL，Video Coding Layer)和网络抽象层(NAL，Network Abstraction Layer)两部分组成。

　　⑵ H.264采用帧内预测，昀大程度地减少图象的空间冗余信息。

　　⑶ H.264的帧间预测采用多帧参考帧（参考的个数为1～5）、高精度的内插算法(包括1/4和 1/8精度)、多种变形搜索块等新的方法，在很大程度上提高运动估计与补偿的效率。

　　⑷ 1/4、1/8象素精度的亚象素运动估计：对于QCIF视频格式使用1/4象素精度预测方式，对于CIF视频格式使用1/8象素精度预测方法。

　　⑸ 残差图象的4x4整数DCT变换技术，逆变换过程中没有匹配错误问题。

　　⑹ 新的环路滤波技术及熵编码技术等。

　　2.2 DM642 EVM开发平台DM642

　　EVM是TI推出的一款专门面向多媒体应用的开发平台,板上资源包括：DM642 CPU芯片、4M×64bit同步动态存储器(SDRAM)、4M×8bit FLASH存储器和一路视频编码和两路视频解码等，其结构如图1所示。DM642基于C64X内核，主频高达600MHz，采用超长指令字(VLIW)结构，每个指令周期可并行处理8条32位的指令，处理能力达4800MIPS；片上内存采用二级缓存Cache结构，L1由16KB的数据Cache L1D和16KB的程序Cache L1P组成，256KB的L2可配置成SRAM或Cache，大幅度提高了程序的运行性能；片内64位的EMIF(External MemoryInterface)接口可以与SDRAM、Flash等存储器件无缝连接，极大地方便了大量数据的搬移；DM642包括了3个专用的视频端口(VP0～VP2)，用于接收、处理视频数据，提高了整个系统的性能；DM642自带的EMAC口以及从EMIF口扩展出来的ATA口，还为处理完成后产生的海量数据提供了存储通道。因此，实现H.264的视频算法，高性能的DM642 EVM是一个理想的硬件平台。

3 H.264视频编码器的实现与优化

　　3.1 编码器的实现

　　H.264视频编码器的实现有多种方法，不过大部分都是进行移植、优化的操作。H.264代码要在DSP的软件平台CCS环境下运行，需要注意几个问题：如配置文件、库文件的改动、数据类型的调整、汇编程序的处理、内存终结模式的调整等。

　　H.264编码采用变换和预测的混合编码方法，其原理如图2所示。输入帧或者场Fn以宏块为单位被编码器处理，即将图象分成子图象块，以子图象块作为编码单元。当采用帧内预测编码时，预测值P是由当前片中已编码的参考图象经过运动补偿(MC)后得出的，其中参考图象用F1n-1表示；为了提高预测精度，从而提高压缩比，实际的参考图象可在过去或未来已编码解码重建和滤波的帧中选择。预测值P和当前块相减后，产生一个残差块Dn，经块变换、量化后产生一组量化后的变化系数X，再经过熵编码，与解码所需的一些边信息（如预测模式量化参数、运动矢量等）一起组成一个压缩后的码流，经过NAL供传输和存储用。