基于ARM處理器的AAC音頻解碼算法優(yōu)化和仿真

林飛 成都東軟學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心

引言：2017年5月互聯(lián)網(wǎng)上一則關(guān)于“MP3格式宣告死亡”的新聞[1]引起熱議，當(dāng)民眾熟悉的MP3格式面臨退出歷史舞臺(tái)之時(shí)，它的最有力繼任者AAC音頻格式逐步引發(fā)關(guān)注。其實(shí)，早在1999年MPEG組織便制定了ISO/IEC14496標(biāo)準(zhǔn)[2]（俗稱MPEG4標(biāo)準(zhǔn)）。MPEG4_AAC 作為ISO/IEC 14496 part 3中的一部分于2000年公布初版，最近一個(gè)版本更新到2009年。

對(duì)于MPEG的音視頻標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC都公開(kāi)提供標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的參考軟件，另外，其他組織也有相應(yīng)的開(kāi)放源碼項(xiàng)目。而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，當(dāng)前主要是ARM處理器，和基于x86處理器的PC平臺(tái)相比，在性能和各種硬件資源上非常受限。因此這些參考軟件代碼能夠根據(jù)嵌入式ARM處理器做一定優(yōu)化，比如通過(guò)利用ARM處理器新增的DSP擴(kuò)展指令完成常規(guī)的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，則可以大大節(jié)省常規(guī)指令的低效率調(diào)用時(shí)間。解碼函數(shù)調(diào)用時(shí)間的縮短，有利于終端設(shè)備節(jié)省寶貴的電池資源，也有利于APP程序的用戶流暢體驗(yàn)。

本文將以Audio Coding組織開(kāi)發(fā)的FAAD工具包（Open Source項(xiàng)目）為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)AAC音頻解碼算法優(yōu)化，并在ARM公司官方的仿真工具上提供分析和結(jié)論。

1 AAC音頻解碼算法概述

AAC音頻編解碼系統(tǒng)算法借鑒了MP3感知編碼的成功經(jīng)驗(yàn)，也以心理聲學(xué)模型運(yùn)用為主，通過(guò)添加新的工具集，使得其具備了相當(dāng)?shù)撵`活性。下圖給出了典型的AAC音頻解碼流程圖。

圖1 AAC的解碼流程圖

其中，粗箭頭部分代表音頻碼流，細(xì)箭頭代表編碼器控制信息。TNS即瞬時(shí)噪聲成形，用于控制編碼噪聲的細(xì)微時(shí)間結(jié)構(gòu)。濾波器組利用M=4的多相正交濾波器（PQF）劃分為四個(gè)等寬的子帶，完成對(duì)輸入碼流的IMDCT變換，從時(shí)域轉(zhuǎn)為頻域。M/S工具用于提高編碼效率，在M/S判決信息控制下，把中/邊（Mid/Side）聲道的一對(duì)輸出頻譜轉(zhuǎn)至左/右(L/R)聲道。熵編碼應(yīng)用Huffman編碼及其指定Huffman表。

從上述AAC的解碼過(guò)程不難看出，解碼算法工作量主要集中在濾波器組IMDCT變換數(shù)學(xué)運(yùn)算部分，本文將闡述這個(gè)部分的算法優(yōu)化思路，以及基于ARM處理器仿真工具的軟件實(shí)現(xiàn)。

2 反濾波器組IMDCT運(yùn)算優(yōu)化

反濾波器組運(yùn)算是由IMDCT（Inverse Modified Discrete Cosine Transform改進(jìn)的離散余弦反變換）完成的，由ARMulator仿真數(shù)據(jù)可以看出它要占整個(gè)AAC解碼過(guò)程中一半以上的運(yùn)算量。因此很有必要對(duì)IMDCT做重點(diǎn)優(yōu)化。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)IMDCT的快速算法研究比較多，這些快速算法普遍利用了IMDCT和IDCT的密切關(guān)系，要么直接用快速DCT變換，要么利用FFT來(lái)計(jì)算，在窗函數(shù)處理上都是相似的，它們的運(yùn)算復(fù)雜度也相差不大。由于在AAC標(biāo)準(zhǔn)中，窗長(zhǎng)均是2的冪，且FFT算法相當(dāng)成熟，比較適合ARM處理器上實(shí)現(xiàn)，故選擇Duhamel & Mahieux[3]提出的快速M(fèi)DCT/IMDCT算法作為本文研究對(duì)象。

為敘述方便，這里免去該算法的理論推導(dǎo)，直接給出該算法的簡(jiǎn)單計(jì)算步驟：

1.預(yù)運(yùn)算

預(yù)運(yùn)算的目的是對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，使之可以直接利用FFT運(yùn)算；

2.IFFT

直接利用一般的IFFT運(yùn)算，對(duì)于不同的處理器架構(gòu)可以選擇不同的實(shí)現(xiàn)方式；

3.后運(yùn)算

后運(yùn)算將IFFT后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行適當(dāng)縮放，再將實(shí)部和虛部分開(kāi)，得到對(duì)應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)。

在MP3標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)MDCT規(guī)定了兩種窗長(zhǎng)，即長(zhǎng)窗為36點(diǎn)，短窗為12點(diǎn)。由于這兩種窗長(zhǎng)都不是2的冪，故一般的快速M(fèi)DCT算法都采用基3 FFT來(lái)計(jì)算。另外，MP3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)窗函數(shù)只規(guī)定了正弦窗，使得這些算法采用了正弦窗函數(shù)的對(duì)稱性來(lái)減少計(jì)算量。

在AAC標(biāo)準(zhǔn)中，MDCT還是兩種窗長(zhǎng)，不過(guò)長(zhǎng)窗為2048點(diǎn)，短窗為256點(diǎn)。兩種窗長(zhǎng)都是2的冪，但不是4的冪，一般的快速算法采用基2 FFT[4]來(lái)計(jì)算。采用基2和基4的組合構(gòu)成的分裂基計(jì)算可以獲得更好的性能，但由于其特殊的結(jié)構(gòu)不利于ARM匯編語(yǔ)言快速實(shí)現(xiàn)。因此可以對(duì)長(zhǎng)窗仍采用基2 FFT（512點(diǎn)）運(yùn)算，而對(duì)于短窗可以采用效率更高的基4 FFT（64點(diǎn)）運(yùn)算。

值得說(shuō)明的是在AAC標(biāo)準(zhǔn)[2]中也允許對(duì)小幀長(zhǎng)的支持，這樣長(zhǎng)窗為1920點(diǎn)，短窗為240點(diǎn)，這些數(shù)值非2的冪不能套用上面的算法。此外這將會(huì)增加程序兼容性的負(fù)擔(dān)。

ARM處理器在ARMv5TE架構(gòu)開(kāi)始就加入了DSP增強(qiáng)擴(kuò)展指令，下面給出了ARMv5TE架構(gòu)下利用匯編宏函數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法的示例：

圖2 32×16位單周期乘法指令應(yīng)用示意

3 仿真結(jié)果和分析

仿真工具為ARM公司的開(kāi)發(fā)工具ARMulator[5]（指令集仿真器），包含于ADS（ARM Developer Suite）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中。ARMulator不僅可以仿真ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)和指令集，還可以仿真Cache，MMU，存儲(chǔ)器甚至某些外圍設(shè)備，ADS軟件包內(nèi)提供了這些參考模塊，另外開(kāi)發(fā)者還可以通過(guò)規(guī)范編寫(xiě)用戶模塊。ARM公司當(dāng)前流行的開(kāi)發(fā)工具RealView包含一個(gè)類似的指令集仿真器（Instruction Set Simulator），兩者提供的功能是相同的，因此不再贅述。本文用到的仿真結(jié)果包括統(tǒng)計(jì)（Statistics）信息和剖析（profiling）信息，前者用于數(shù)據(jù)流和功耗估計(jì)，后者用于算法和編程優(yōu)化。

ARMulator比較可取的地方是能夠完整執(zhí)行整個(gè)解碼軟件程序，從測(cè)試文件輸入到生成輸出文件。測(cè)試文件為AAC文件，輸出文件為WAV文件，便于音質(zhì)（誤差）的定量分析。

圖2可以看到負(fù)荷最重的IMDCT模塊在優(yōu)化后占用時(shí)間由37.35%降到16.93%，而使得其他模塊的占用時(shí)間相對(duì)上升（例如Huffman相對(duì)略有抬升），但絕對(duì)解碼時(shí)間明顯縮短了。

圖3 算法優(yōu)化剖析信息對(duì)比

通過(guò)上面的分析我們可以對(duì)IMDCT模塊優(yōu)化前后在ARMulator中獲取更詳細(xì)的Statistics信息。在測(cè)試?yán)蟹謩e對(duì)長(zhǎng)窗（N=2048）和短窗（N=256）的FFT變換做比較。基4 FFT匯編優(yōu)化方法得到的性能提升是顯著的，在指令周期上節(jié)省了50%的運(yùn)算量，而堆棧大小同時(shí)也縮小了，指令數(shù)減少使得間接提高了Cache命中率。Cache行填充次數(shù)的顯著減少使得外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)頻率大大降低，速度功耗比得到了顯著增強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著消費(fèi)類電子軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，更高品質(zhì)的音頻會(huì)帶給用戶更好的體驗(yàn)。而當(dāng)前不斷涌現(xiàn)更新的音頻編解碼算法，對(duì)于資源受限的嵌入式系統(tǒng)而言，需要更高效的軟件算法和優(yōu)化手段。本文對(duì)AAC音頻解碼運(yùn)算中耗時(shí)最多的三個(gè)模塊的快速算法實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化的問(wèn)題。通過(guò)ARM軟件系統(tǒng)的仿真，相比普通解碼軟件實(shí)現(xiàn)，本優(yōu)化實(shí)例節(jié)省了20%左右的解碼時(shí)間，對(duì)ARM處理器在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)用有一定借鑒意義。