基于DSP的MPEG-4視頻編碼技術(shù)研究與實現(xiàn)

丁嘉霖 張立鵬 龐翔 陸波亮 謝藝

【摘 要】隨著社會不斷發(fā)展進步，視頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活與專業(yè)領(lǐng)域之中。MPEG-4視頻編碼技術(shù)為其中一種常用技術(shù)，本文闡述應(yīng)用BF561處理器完成MPEG-4 SP框架層次下視頻編碼系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。首先，運用純C語言實現(xiàn)編碼功能，可通過建立的軟件完成算法研究、修改，并將其作為DSP移植的根本，實現(xiàn)在DSP的開發(fā)。其次，應(yīng)用集成調(diào)試環(huán)境Visual DSP 4.5++完成后續(xù)開發(fā)，最終達到編碼目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】DSP;MPEG-4;編碼

1.Visual DSP 4.5++

Visual DSP 4.5 ++擁有強大的編輯功能與高效的工程管理能力，還具有優(yōu)秀的調(diào)試控制能力與可視效果。其調(diào)試媒介能夠應(yīng)用軟件進行模擬，也能夠用硬件應(yīng)用JTAG在EZKIT評估板上，還能夠應(yīng)用USB口實現(xiàn)調(diào)試。Visual DSP4.5++調(diào)試器具有優(yōu)秀的繪圖功能，能夠清晰展現(xiàn)數(shù)據(jù)，促進工作效率。此外，其統(tǒng)計學(xué)特性能夠?qū)崿F(xiàn)在不中斷程序的情況下獲取代碼運行情況，更精準(zhǔn)的改進程序性能。

2.MPEG-4 SP編碼系統(tǒng)整體設(shè)計

MPEG-4 SP框架結(jié)構(gòu)高效、容錯高的特點，十分適合運用在數(shù)字電視、多媒體監(jiān)控等低功耗系統(tǒng)中，屬嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主要技術(shù)。本次設(shè)計MPEG-4 SP應(yīng)用混合編碼框架，編碼原理框架如圖1。

系統(tǒng)的硬件平臺如圖2

設(shè)計開發(fā)流程如下，第一，應(yīng)用VC 6.0新建“encode-PC”，利用Xvidcorl.0.2構(gòu)建編碼器。第二，構(gòu)建純C代碼，實現(xiàn)源代碼修改。注意，輸入為.yuv文件，輸出為.m4v 文件。第三，于PC平臺，刪減不需要的代碼，調(diào)節(jié)函數(shù)數(shù)，將常用小函數(shù)寫入，完成準(zhǔn)備工作。第四，于Visual DSP 4.5++，架構(gòu)工程組，調(diào)節(jié)函數(shù)存放位置。第五，反復(fù)完成編譯、修繕、調(diào)試，構(gòu)建可應(yīng)用于DSP的程序。第六，將輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閿z像頭，輸出轉(zhuǎn)變?yōu)镾DRAM緩存。第七，應(yīng)用Visual DSP4.5++M優(yōu)化方案，選擇正確的編譯選項。第八，結(jié)合統(tǒng)計窗口，調(diào)整LDF中的存儲器規(guī)模，重設(shè)L1存儲SRAM于Cache大小，再對相應(yīng)變量的位置進行調(diào)節(jié)。第九，實現(xiàn)BF561在宏塊層上的并行處理。第十，完善匯編級代碼。第十一，將處理好的二進制文件轉(zhuǎn)移到Flash完成調(diào)試。

3.軟件移植

主要目的在于調(diào)整代碼適用于BF561，使其能夠應(yīng)用于DSP。流程如下，第一，于VisualDSP4.5++，新建項目組，并構(gòu)建corea、coreb、sml2、sml3四個項目，分別代表內(nèi)核A、B與存儲空間L1、L2。第二，將源代碼轉(zhuǎn)移到對應(yīng)項目，隨后反復(fù)進行編譯修改。第三，于VisualDSP 4.5++進行數(shù)據(jù)讀寫，確保程序正常運行，再改寫輸入輸出模式，除去不需要函數(shù)，輸入轉(zhuǎn)為從PPI0由A/D轉(zhuǎn)成的數(shù)據(jù)，輸出轉(zhuǎn)為輸出緩沖區(qū)。

4.雙核DSP宏塊層并行結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1并行性分析

視頻編碼算法中并行性分析分兩種，其一，可并行計算，其數(shù)據(jù)流明確、運算簡便、相關(guān)性弱。其二，不可并行計算，其運算控制與數(shù)據(jù)相關(guān)性強。通過并行處理視頻壓縮能夠有效應(yīng)對計算量大的情況。以下對MPEG-4進行并行分析，優(yōu)化設(shè)計，MPEG-4圖像編碼囊括I、P、B-VOP，其中B-VOP未應(yīng)用于MPEG-4 SP。MPEG-4的層次由上至下分作塊層、宏塊層、條層、視頻對象層、視頻對象平面組層，按照上述次序進行編碼，于宏塊以外的各層添加起始碼與頭標(biāo)，構(gòu)建MPEG-4基本碼流。結(jié)合并行特點，從塊層開始考慮并行性，塊層兩核之間進行運動補償將產(chǎn)生強烈的相關(guān)特性，需傳遞信息量巨大，效率不高;而宏塊層與并行粒度最適，在16*16宏塊，實現(xiàn)并行性能夠達到很好的效率，但編碼依賴于前一宏塊，所以需采用科學(xué)通信方式，解決該問題;條層能取得媒體并行運算處理機制，通過MPEG引進SLICE，是指能夠單獨進行編碼;以更粗糙層進行考慮，能夠用VOG實現(xiàn)并行處理，不過，GOP無法徹底排除I-VOP、P-VOP、B-VOP間的強依靠性，若設(shè)VOP為IBBPBBPBBPBB能夠得知，最終幀的編碼一定會依靠下一VOG的首幀，因此同樣產(chǎn)生相關(guān)性，綜上，采取宏塊層實現(xiàn)并行性處理是最有效的方式。

4.2BF561并行性算法

BF561雙核有大量硬件資源支持，可單獨運行，避免BF561兩個核通信頻繁降低效率，結(jié)合MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用宏塊層進行并行處理。依據(jù)MPEGY編碼步驟，處理視頻數(shù)據(jù)，并存在SDRAM，由BF561經(jīng)過DMA讀取16*16個宏塊相對的Y、Cb、Cr，如圖3，根據(jù)4：2：0格式實現(xiàn)雙核編碼，最后輸入至存儲空間。

綜合BF561雙核對稱特性及Ⅲ級存儲優(yōu)點，發(fā)揮DMA強大功能，設(shè)計有效的編碼流程，具體流程如圖4。該流程特點在于核A進行流程操控，核B實現(xiàn)運算，結(jié)構(gòu)相對簡潔，利于編寫與維護。為了充分發(fā)揮雙核性能，采用L2傳遞信息與數(shù)據(jù)，A核增加控制DMA與處理全局信息的功能。

4.3并行編碼存在問題及解決方法

（1）宏塊編碼相關(guān)性

宏塊編碼中，DC值根據(jù)上一宏塊DC值當(dāng)作偏量，不影響A核，其所需DC值已經(jīng)記錄在前一循環(huán)中。B核不相同，其相對的B、C、D亮度塊不受影響。不過，E、F色差塊需要的DC值存儲在A核，且處于運算中，因此，可以在L2劃分3個儲存變量，只要A核實現(xiàn)A、E、F編碼，將DC值記錄到相應(yīng)變量，編到B核對應(yīng)位置，就能從L2傳遞。由于，A核編碼起始時間早，兩核運算能力差不多，相對于L1，L2讀取速度下降1/2，犧牲速率存在限制，但能更有效地完成編碼。另一種解決方式為，B核直接應(yīng)用前循環(huán)儲存的DC，相關(guān)度強，DC偏差自然小，不會降低運算效率，不過會產(chǎn)生一定的偏差，降低質(zhì)量。

（2）同步信號

兩個核同時處理宏塊的過程中，應(yīng)用儲存于L2的變量作為同步的信號。其中，由于兩個核可能隨時處理上述變量，當(dāng)另一個核讀取時，可能產(chǎn)生讀取的內(nèi)容為儲存在核里的變量的副本，導(dǎo)致讀取值與實際值不同，運行處理錯誤的問題，因此，變量儲存類別需要采用volatile限定符進行處理。如添加volatile限定詞，每當(dāng)讀取變量值，轉(zhuǎn)而讀取L2儲存空間的實際值，保障并行工作運行無誤。

5.結(jié)束語

綜上所述，實現(xiàn)MPEG-4編碼技術(shù)在DSP上的運用，需要充分結(jié)合應(yīng)用Visual DSP 4.5++環(huán)境實現(xiàn)初步的設(shè)計編碼，需要了解并掌握MPEG-4 SP框架編碼程序原理，從而實現(xiàn)編碼系統(tǒng)的整體設(shè)計，通過語言的轉(zhuǎn)換將軟件移植入DSP，實現(xiàn)基礎(chǔ)的技術(shù)構(gòu)建。結(jié)合實際情況，了解到視頻編碼運行計算量龐大，通過對比分析，得出采用宏塊層并行結(jié)構(gòu)能夠更有效地實現(xiàn)視頻編碼技術(shù)目標(biāo)，并對編碼過程中產(chǎn)生的問題提出相應(yīng)的處理辦法、采取對應(yīng)的解決措施，以完成視頻編碼技術(shù)的實現(xiàn)。

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