基于TMS320C64x的MPEG-4实时编码器设计与实现
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图3 预测运动矢量示意图
(2)确定筛选候选值的依据——SAD(绝对误差和)的门限值ThreshSAD。
SAD是确定最佳匹配块的准则。门限值ThreshSAD是指这样一个值:如果参考帧内某一宏块和当前宏块的SAD小于ThreshSAD,则当前宏块的MV值就可取作二者之间的位移。因此,ThreshSAD就可作为筛选7个候选值的依据。
由于SAD在空间上的相关性,ThreshSAD由相邻宏块的SAD值来确定:
ThreshSAD=Min{SADleft,SADtop,SADtop_left}
其中,SADleft、SADtop、SADtop-right分别为MBleft、MBtop、MBtop-right和其对应匹配块的SAD值,ThreshSAD取三者的最小值。
(3)从7个候选值中选出当前宏块的MV值。
按照PreMV1~7的顺序,依次计算当前宏块和7个匹配块的SAD值。如果有SAD值小于ThreshSAD,即停止计算,选用对应的PreMV作为当前宏块的MV值;如果7个SAD值均大于ThreshSAD,则采用运动搜索来确定当前宏块的MV值。该运动搜索并不以MV=(0,0)为中心,而是以对应SAD值最小的PreMV为中心,搜索采用简化的菱形算法。
对标准视频序列foreman.cif(352×288)进行编码(码率300kbps),测得表1所示数据。采用预测的运动估计算法利用视频序列在时间和空间上的相关性,无需对每个宏块都进行运动搜索,而且其搜索中心点也同样利用了相关信息,搜索算法也可进一步简化,因此大大减少了运动估计的计算量;同时,预测有助于提高图像质量,直接进行快速运动搜索通常会带来局部最小的问题,从而影响图像质量,而PreMV1~7取自位于当前宏块周围各个方向的宏块的MV值,避免陷入局部最小。
表1 预测技术对运动搜索性能的提高
| 采用预测 | 平均每个宏块所需的 SAD值计算次数 | 峰值信噪比PSNR(dB) | 平均帧率(fps) |
| 是 | 5 | 33.16 | 120 |
| 否 | 15 | 33.23 | 95 |
3 基于C64x CPU的软件优化技术
为了提高代码的执行效率,必须充分利用C64x CPU的VLIW和流水线结构对其进行优化,使程序无冲突地并行执行。MPEG-4编码程序中包含大量的循环体,例如计算SAD值、量化、DCT、半像素插值、运动补偿和构建重建帧等。这些循环体代码并不复杂,但执行次数频繁,占据了编码的绝大部分时间,因此循环体的优化是重点。本文所采取的代码优化分为C语言优化和编写线性汇编两个步骤,主要从消除数据相关性、数据打包和循环体的软件流水三个方面进行优化。
3.1 针对C语言的优化
C代码的优化主要依靠开发环境CCS的编译器完成,编程者需要合理选择编译选项,并利用特定的关键字和指令向编译器提供优化信息。例如关键字restrict用来消除数据间的相关性,编译器从而可以安排语句的并行执行;内联函数_nassert有助于数据的打包处理;宏指令#pragma MUST_ITERATE告诉编译器有关循环迭代次数的信息,编译器会根据这一信息进行软件流水。
3.2 用线性汇编改写关键代码
线性汇编是TMS320C6000特有的一种编程语言,介于高级语言和汇编语言之间。它可以指定指令用到的寄存器和功能单元,更易于对数据的打包处理。
线性汇编代码的并行处理和软件流水由汇编优化器完成,编程者需要熟悉C64x DSP的CPU结构和指令集,认真设计代码并充分利用编译器的反馈信息合理修改代码,才能写出高质量的线性汇编。本设计中程序主框架采用C语言编写,其它各关键部分的代码采用线性汇编实现。表2是代码优化前后的效率对比,表2中所列各代码段均针对8×8宏块进行处理。
表2 各关键代码优化前后消耗指令周期数对比
| 代码段 | 未优化 | C优化后 | 线性汇编优化后 |
| SAD值计算 | 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 |
| 运动补偿、做差 | 1950 | 160 | 59 |
| 重建宏块 | 1000 | 890 | 88 |
4 结果分析
对各标准视频序列进行编码,测得表3所示数据。实时采集D1(720×576)分辨率的视频进行编码,测得码率为850kbps时,编码速率达25fps以上,峰值信噪比(PSNR)高于31dB,实现了高分辨率的实时MPEG-4编码。
表3 标准视频序列的编码结果
| 视频序列 | 分辨率 | 码率(bps) | PSNR(dB) | 平均帧率(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中各视频序列的编码均采用了8×8半像素精度的运动估计,解码图像的视觉效果较好。对于较低分辨率的视频(QCIF、CIF),其编码速率已远远高于实时的要求,因此可以考虑添加新的算法以提高压缩效率并增强码流的抗差错性能。
本文以DM642芯片为例详述了基于C64x DSPs的MPEG-4实时编码器设计。编码器采用MPEG-4 Simple Profile算法,在算法和代码优化方面还有一定的研究空间。本文给出的设计方法可以进一步推广到H.264或者其他视频编码系统。
参考文献
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