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0 引言
　　H．264／AVC是ITU-TVCEG和ISO／IEC MPEG聯(lián)合制定的最新視頻編碼國(guó)際規(guī)則，是目前圖像通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)疑問(wèn)之一。H．264的視頻編碼層(VCL)采用了許多新技能，因而使得編碼性能大幅度提高。與以往的視頻編解碼規(guī)則相比，在相同的碼率下，H．264具有更佳的圖像質(zhì)量，這使得H．264在無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)鹊痛a率視頻運(yùn)用 領(lǐng)域得到了更為廣泛的運(yùn)用 。但這是以復(fù)雜度的成本添加為代價(jià)的，故使H．264在實(shí)時(shí)視頻編碼及傳輸運(yùn)用 中面臨巨大的挑戰(zhàn)。而用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 來(lái)實(shí)現(xiàn)H．264實(shí)時(shí)編碼器是一種高速有效的要領(lǐng)，有助于H．264視頻規(guī)則的快速推廣和運(yùn)用 。ADSP-BF561處理器性能卓越，具有600 MHz的主頻，且集成了一套通用的數(shù)字圖像處理外圍設(shè)備接口，從而為多媒體和圖像運(yùn)用 建立了一個(gè)圓滿的系統(tǒng)級(jí)片上處理方案。本文針對(duì)低碼率視頻傳輸?shù)捻氁�，研究并�?shí)現(xiàn)基于H．264規(guī)則的視頻編碼系統(tǒng)，同時(shí)探討H．264軟件編碼器在DSP上的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化要領(lǐng)。
　　1 H．264編碼算法及ADSP-BF561簡(jiǎn)介
　　在實(shí)際開(kāi)發(fā)流程中，針對(duì)H．264的算法特性和ADSP-BF561雙核處理器的結(jié)構(gòu)特征，本文做了大量?jī)?yōu)化工作，從而在保證編碼精度的同時(shí)，大幅度提高了編碼速度。下面簡(jiǎn)要介紹H．264視頻編碼算法和ADSP-BF561雙核處理器系統(tǒng)。
　　1．1 H．264編碼算法
　　H．264是ISO和ITU聯(lián)合制定的新一代視頻編碼規(guī)則，具有很高的壓縮比和很好的魯棒性。其整體框架如圖1所示。

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　　在繼承了原有視頻編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，H．264作了多方面的改良，包括引入4×4子塊和16x16子塊共9種模式的幀內(nèi)預(yù)測(cè)。幀內(nèi)模式的引入是為了與變換編碼一起用于消除空間上的冗余，進(jìn)而大大提高編碼效率。在幀間模式中，H．264可支撐多尺寸的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償。其幀間預(yù)測(cè)時(shí)塊的大小不是固定的8x8，而是可以從4×4到16x16，并且包括長(zhǎng)寬不等的塊(共7種類(lèi)型)，同時(shí)支撐多參考幀，故可大大提高預(yù)測(cè)性能。此外，H．264還采用整數(shù)DCT變換來(lái)降低計(jì)算量，同時(shí)采用自適應(yīng)算術(shù)編碼來(lái)提高編碼效率，并可運(yùn)用 濾波器消除低比特量化帶來(lái)的塊效應(yīng)等。事實(shí)上，H．264的效率比現(xiàn)有的編碼技能可提高 50％。

1．2 ADSP-BF561芯片結(jié)構(gòu)
　　ADSP-BF561是一種雙核750 MHz處理器，具有對(duì)稱(chēng)多處理(SMP)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其SMP結(jié)構(gòu)在信號(hào)處理和控制功能的集成和分割方面能夠?yàn)橛脩籼峁┹^高的性能和較大的設(shè)計(jì)靈活性。 ADSP-BF561的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包含coreA和coreB兩個(gè)核，每個(gè)核的處理頻率可達(dá)750MHz。兩個(gè)核都有各自獨(dú)立的32KB L1指令存儲(chǔ)器(16KB Cache／SRAM)和64KB L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(32KB Cache／SDRAM)，并可共享128KB L2存儲(chǔ)器。兩內(nèi)核訪問(wèn)不同內(nèi)存時(shí)，其速率有明顯差異，其中訪問(wèn)L1存儲(chǔ)器最快，L2次之，而訪問(wèn)片外內(nèi)存和設(shè)備則最慢。
　　由于訪問(wèn)存儲(chǔ)器速率的差異。雙核之間執(zhí)行 數(shù)據(jù)交換最好在L1段直接執(zhí)行 ，而且須要運(yùn)用 IMDMA控制器。這個(gè)DMA控制器的主要功能是在雙核之間的L1存儲(chǔ)器之間執(zhí)行 數(shù)據(jù)交換。運(yùn)用 IMDMA控制器可以在訪問(wèn)速率比較慢的片外內(nèi)存或者對(duì)L2執(zhí)行 數(shù)據(jù)處理操作時(shí)，提高數(shù)據(jù)處理的速率，進(jìn)而提高編碼效率。

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　　2 H．264視頻編碼算法的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)
　　對(duì)編碼器的優(yōu)化主要是對(duì)P幀編碼流程的優(yōu)化和對(duì)ADSP-BF561雙核處理系統(tǒng)的優(yōu)化，合理的流程有利于各種模塊的獨(dú)立性和完整性，同時(shí)有利于以后只針對(duì)某個(gè)模塊的優(yōu)化或升級(jí)處理。而運(yùn)用 ADSP-BF561的雙核協(xié)調(diào)處理優(yōu)勢(shì)可以進(jìn)一步提高其速度。
　　2．1 P幀編碼流程的優(yōu)化
　　由于H．264編碼算法比較龐大，對(duì)程序細(xì)節(jié)上執(zhí)行 優(yōu)化事實(shí)上無(wú)法帶來(lái)明顯的效率提高，所以應(yīng)對(duì)程序流程本身執(zhí)行 調(diào)整。在H．264編碼器JM86版本中，I幀、P幀的編碼采用同一模塊，這樣就有大量幀內(nèi)、幀間宏塊的重復(fù)判斷，故使編碼速度受限。Micro_h264編碼軟件模型針對(duì)這一缺點(diǎn)執(zhí)行 了處理，將I幀、P幀的編碼提取出來(lái)分別獨(dú)立編碼。但是遺憾的是，micro_h264編碼軟件模型對(duì)一幀圖像的宏塊執(zhí)行 編碼是按照宏塊在圖像中的光柵掃描順序一一執(zhí)行 的，沒(méi)有考慮到宏塊在一幀圖像中的不同位置有著不同的特征，而且對(duì)這些宏塊采用統(tǒng)一模式執(zhí)行 編碼，也會(huì)產(chǎn)生很多判斷條件，這不但不利于DSP的流水操作，也不利于模塊的優(yōu)化。本文針對(duì)這一個(gè)缺點(diǎn)對(duì)micro h264的P幀編碼流程執(zhí)行 優(yōu)化。

根據(jù)宏塊在一幀圖像中位置的不同，可以對(duì)不同位置的宏塊分別獨(dú)立執(zhí)行 編碼。同時(shí)，根據(jù)子塊在宏塊中的不同位置，也可以對(duì)其執(zhí)行 獨(dú)立編碼。
　　一幀圖像被分成多個(gè)宏塊時(shí)，不同位置的宏塊有不同的特征。因此，可以根據(jù)宏塊在一幀圖像中的不同位置來(lái)對(duì)宏塊執(zhí)行 分類(lèi)，以將具有相同編碼特征的宏塊歸為一類(lèi)，這樣，可以將幀圖像的宏塊分成五類(lèi)。圖3所示是其宏塊分類(lèi)圖。
　　通過(guò)對(duì)宏塊執(zhí)行 分類(lèi)，可對(duì)不同的宏塊調(diào)用不同的函數(shù)來(lái)對(duì)其獨(dú)立編碼，從而減少很多不必要的判斷，這樣就不會(huì)打斷DSP的流水操作，達(dá)到提高速度之目的，同時(shí)在執(zhí)行 優(yōu)化時(shí)也更具針對(duì)性。
　　本編碼器在P幀編碼時(shí)，只用了一幀參考幀，并且改良了micro_h264編碼器軟件模型所運(yùn)用的對(duì)宏塊編碼模式逐一遍歷的算法，而是采用宏塊編碼模式高速挑選算法。P幀編碼的流程圖如圖4所示。

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　　運(yùn)行平臺(tái)的不同，軟件結(jié)構(gòu)也應(yīng)該根據(jù)各自的特性做些調(diào)整。較低復(fù)雜度的編碼器可將多個(gè)不同類(lèi)宏塊獨(dú)立出來(lái)單獨(dú)處理，這樣可以省去許多中間的重復(fù)判斷，不僅能提高編碼速度，同時(shí)程序結(jié)構(gòu)也顯得更為清晰，而且，由于各個(gè)模塊的相對(duì)獨(dú)立，也有利于程序的擴(kuò)展。雖然這樣在一定程度上添加了代碼量，但卻能有效地提高編碼速度。
　　2．2 ADSP-BF561雙核處理系統(tǒng)的優(yōu)化
　　為了保證編碼器的穩(wěn)定工作，本文把內(nèi)核定位在600 MHz，如果能在600 MHz的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)4CIF格式的實(shí)時(shí)編碼，那么，提高內(nèi)核處理頻率就能支撐更高質(zhì)量的4CIF格式的視頻編碼處理。為了實(shí)現(xiàn)25幀圖像的實(shí)時(shí)編碼，每幀須要的時(shí)鐘周期數(shù)為600 MHz／25=24MHz，即須要在24 MHz時(shí)鐘周期數(shù)內(nèi)編碼一幀。大約相當(dāng)于在6 MHz內(nèi)執(zhí)行 一幀CIF格式的視頻處理，顯然，如果運(yùn)用一個(gè)核是很難做到實(shí)時(shí)編碼處理的。本文不同于大多數(shù)雙核系統(tǒng)的一個(gè)核運(yùn)行操作系統(tǒng)，而另一個(gè)核運(yùn)行其它軟件的工作方式，是將編碼器放在兩個(gè)核內(nèi)同時(shí)執(zhí)行 處理。

在ADSP-BF561開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)這個(gè)編碼算法時(shí)，其主要的難點(diǎn)是兩個(gè)核之間如何 通信以及協(xié)調(diào)工作。雙核同時(shí)運(yùn)行一個(gè)視頻編碼程序時(shí)，須要對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行 共享和交換。雖然，運(yùn)用片外內(nèi)存或者L2共享存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行 宏塊數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)比較基本，且不須要執(zhí)行 數(shù)據(jù)的拷貝，但是，大量訪問(wèn)低速率存儲(chǔ)器的操作將極大地影響程序執(zhí)行的速率，進(jìn)而影響編碼器的編碼效率，所以，無(wú)法采用共享內(nèi)存來(lái)執(zhí)行 宏塊數(shù)據(jù)的交換。本文采用的是IMDMA在雙核各自的L1數(shù)據(jù)段直接執(zhí)行 數(shù)據(jù)交換，而且在編碼處理的同時(shí)執(zhí)行 內(nèi)存數(shù)據(jù)的交換，從而防止了大量訪問(wèn)低速率的存儲(chǔ)空間操作，減少了程序執(zhí)行的時(shí)間。而由于消息交換數(shù)據(jù)量很小，可以運(yùn)用共享存儲(chǔ)器，因此，可以采用訪問(wèn)速率相對(duì)較快的L2存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行 存取。事實(shí)上，筆者已經(jīng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化編程在BF561開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了上述編碼算法。其雙核編碼主流程如圖5所示。

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　　3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)剖析
　　經(jīng)過(guò)優(yōu)化，H．264的編碼性能有了較大的提高，實(shí)現(xiàn)了在BF561芯片上對(duì)4CIF格式視頻的實(shí)時(shí)編碼處理。同時(shí)，筆者還在 VisualDSP++5．0編譯環(huán)境下分別對(duì)原編碼器和雙核編碼器實(shí)現(xiàn)的編碼結(jié)果執(zhí)行 了測(cè)試，其結(jié)果如表1所列。事實(shí)上，編碼速度基本取決于圖像畫(huà)面的運(yùn)動(dòng)情況和顏色能無(wú)法 豐厚。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于不同序列，其編碼速度也不同。Claire序列的編碼速度之所以很快，是因?yàn)閳D像背景靜止，只有肩部和頭部有運(yùn)動(dòng)，所以編碼數(shù)據(jù)量較表1對(duì)不同序列的優(yōu)化結(jié)果(25f／s CIF格式)少，編碼速度較高。另外，如果圖像比較基本，其編碼速度也會(huì)較高，從而節(jié)約編碼時(shí)間。

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　　試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文的優(yōu)化要領(lǐng)可以節(jié)約大量的H．264視頻編碼數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，能較好地滿足4CIF視頻序列實(shí)時(shí)編碼的要求。而對(duì)于很復(fù)雜的圖像，也可以在一定的量化參數(shù)下實(shí)現(xiàn)4CIF的實(shí)時(shí)編碼。
4 結(jié)束語(yǔ)
　　本文重點(diǎn)研究了基于ADSP-BF561雙核處理器的H．264視頻編碼算法的優(yōu)化及其實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)。同時(shí)針對(duì)ADSP-BF561雙核處理器的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)編碼的關(guān)鍵部分執(zhí)行 了算法流程的調(diào)整，并通過(guò)BF561雙核之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)工作，在雙核上實(shí)現(xiàn)了4CIF格式視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)編碼。實(shí)踐證明，運(yùn)用 VisualDSP++5．0仿真軟件，在ADSP-BF561開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)25f／s的H．264 4CIF視頻編碼系統(tǒng)，可以滿足人們對(duì)視頻傳輸?shù)男枨蟆?