基于H．264视频编解码DSP实现与优化

摘要：H．264是最新的视频编码国际标准，是图像通信研究领域的热点问题之一，利用高性能数字信号处理器来实现H．264：实时编解码是一种快速有效的方法，有助于H．264视频标准的迅速推广和应用。TI公司生产的DM64X系列芯片具有很强的并行处理能力和信号处理功能，是实现H．264编解码的理想平台。给出视频编解码在DSP中实现的一些关键问题，针对DM642的整体系统方案，设计出为H．264的实时实现搭建了良好的硬件平台，并给出系统的性能测试结果。解码速度达到了实时的效果，图像主观质量较好，无明显方块效应，码率也比较低。
关键词：H．264标准；数字信号处理器；视频编解码；DM642

0 引言
基于互联网的数字视频产业前景看好，而3G的规模部署，也会推动移动视频通信成为现实。但数字化后的视频图像具有数据海量性，给图像的存储和传输造成较大的困难。数字视频压缩编码技术是解决这一问题的关键技术。H．264以其良好的网络适应性和高编码压缩效率，灵活的语法配置，在视频处理领域比以往的视频编码标准更加适合视频处理的发展方向，更加适合不同应用环境的对象。H．264充分考虑了多媒体通信对视频编解码的各种要求，有着多个技术闪光点，在保留运动补偿和变换编码技术的基础上，加入了诸如类离散余弦整数变换(DCT)、基于内容的自适应可变长编码(CAVLC)、基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)，以及高精度、多模式的运动估计等新技术，进一步提高了编码算法的压缩效率和图像回放质量。在肉眼主观感受相同的情况下，H．264较之H．263的编码效率提高了50％左右。
利用高性能数字信号处理器(DSP)来实现H．264实时编码器是一种快速有效的方法，有助于H．264视频标准的迅速推广和应用，也指明了视频图像压缩领域最新的研究方向。

1 H．264编码的关键技术
1．1 基于灵活分割宏块(MB)的运动矢量估计和补偿以及增加变换的压缩效果
H．264根据宏块的编码特性采用亮度块直流变换，色度块直流变换与普通差值变换相结合的方法。在运动估计时，H．264信源编码采用基于4×4块的整数变换，可以灵活地选择块的大小。而其他标准处理的像素块大小均为16×16或者8x8。H．264以可变大小的块来适应不同应用环境和要求，采用16×16，16×8，8×16，8×8四种模式；当划分为8×8模式时，又可进一步采用8×4，4×8，4×4三种子宏块划分模式进一步划分，如图1所示。根据需要由不同尺寸的宏块来执行，采用整数变换既可以使运动物体的划分更加精确，不可以减小运动物体边缘的衔接误差，处理好需要更多运动细节的场合，即以引入更小运动补偿块可以提高一般和特殊情况下的预测质量，它可以提高主观视觉效果，同时又减小了变换过程中的计算量。实验表明，应用7种不同大小和形状的块可以比单一利用16×16块进行的编码提高15％以上的压缩率。

1．2 支持l／4像素或l／8像素精度的运动估值
运动估计与补偿算法是目前视频压缩技术中最为关键的部分，影响着编码的速度、质量和码率，其编码的复杂度也是整个编码系统中最高的。
在H．264中通过6阶FIR滤波器的内插获得1／2像素位置的预测值。当获得1／2像素值后，通过取整数像素位置和1／2像素位置像素值均值的方式获得l／4像素位置的值。在高码率情况下，提供1／8像素精度的运动估计。采用高精度运动估计会进一步减小帧间预测误差，减少经变换和量化后的非0比特数，提高了编码效率。利用1／4像素空间精度可以比原有的一个像素精度(整数精度)预测提高20％的编码效率。
1．3 多参考帧预测
参考帧是帧间预测编码，也就是运动补偿的基础，根据它与待预测帧之间的位置关系，可分为前向参考帧和后向参考帧。
以往的编解码技术在对P帧图像进行帧间预测时，只允许以参考前一帧图像进行编码，即以前一个I图像或P图像为参考帧，在对B图像进行预测时，只允许参考前后帧图像进行编码，即以前后两个I图像或P图像为参考图像。H．264则打破了这些限制，允许在从当前帧的前几帧中选择一帧作为参考帧图像，对宏块进行运动预测，当选用多参考帧模式时。编码器从几个参考帧中选择一个效果最好的参考帧，达到最佳的预测效果，参考帧图像甚至可以是采用双向预测编码方式的图像，大幅度降低了预测误差。另外，帧问编码部分还引入了SP帧，用于有效地实现编码率环境下的切换，可用于随机、快速播放过程，比单参考帧的方法节省5％～lO％的传码率，并且有利于比特流的错误恢复、解码恢复更高图像质量。因此，多参考帧预测对周期性运动和背景切换能够提供更好的预测效果。