摘 要： 針對光電經(jīng)緯儀高幀頻和高分辨率圖像實時壓縮難以實現(xiàn)的問題，在TI公司提供的H.264單核編碼開源工程和多核并行算法的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320C6678多核處理器的H.264并行算法。在單核編碼開源工程實現(xiàn)多核并行視頻編碼，將每幀圖像平均劃分成多個Slice，每個DSP核處理一個Slice。實驗結(jié)果表明，與單核視頻編碼相比，多核并行視頻編碼的加速與比核數(shù)的增加呈線性增長，在TMS320C6678多核處理器上實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的實時圖像壓縮具備較強的工程實踐性。
關(guān)鍵詞： 光電經(jīng)緯儀；H.264；TMS320C6678；實時壓縮；Slice
隨著高幀頻、高分辨率成像傳感器技術(shù)在光電經(jīng)緯儀領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，光電經(jīng)緯儀圖像在傳輸和存儲過程中將占用更大帶寬和更多存儲資源，因此有必要對圖像進(jìn)行實時壓縮。
在當(dāng)前眾多視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，H.264因其高數(shù)據(jù)壓縮率和友好的網(wǎng)絡(luò)親和性得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是，H.264更高的計算復(fù)雜度帶來了更長的編碼時間，參考文獻(xiàn)[3]以x264為基礎(chǔ)，僅僅實現(xiàn)了時域可伸縮的編碼方案，也只能支持最大分辨率QVGA的實時編碼，這一困境使得H.264很難在光電經(jīng)緯儀實時圖像傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用。
本文立足多核DSP和H.264編碼層次結(jié)構(gòu)的研究，在TMS320C6678多核DSP上實現(xiàn)H.264的多核并行壓縮編碼，在TI公司提供的H.264開源工程單核編碼的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對光電經(jīng)緯儀圖像的實時壓縮。
1 H.264多核并行算法分析
基于Slice級的并行算法是將每幀圖像劃分為多個Slice[4]，因為同一幀的各個Slice之間沒有數(shù)據(jù)依賴，所以可以實現(xiàn)并行編碼。當(dāng)把一幀圖像分成多個Slice后，降低了圖像內(nèi)部相關(guān)性，但過多的Slice劃分會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此不能無限制地進(jìn)行Slice劃分[5]。
在同一幅圖像上，不同的區(qū)域其內(nèi)容復(fù)雜度也可能各不相同[6]，使得各個Slice的編碼時間各不相同，直接導(dǎo)致了整個編碼器的均衡程度降低。另一方面，在編碼下一幀圖像之前，各個核必須完成對應(yīng)Slice的編碼，因此各個Slice必須在編碼下一幀圖像之前進(jìn)行同步，同步的時間直接取決于各個核對Slice編碼的均衡程度。
2 H.264核心代碼結(jié)構(gòu)分析
本文基于H.264單核編碼實現(xiàn)多核并行壓縮， H.264單核編碼的流程圖如圖1所示。H.264工程對編碼參數(shù)和存儲空間初始化后，循環(huán)調(diào)用Encode_one_frame部分，對每一幀圖像進(jìn)行編碼，直至最后一幀。在H.264開源工程的基礎(chǔ)上，給出了基于Slice的多核并行壓縮編碼，流程圖如圖2所示。編碼前先對一幀圖像進(jìn)行Slice劃分，當(dāng)所有內(nèi)核完成相應(yīng)Slice編碼后進(jìn)行多核同步，然后才能進(jìn)行下一幀圖像的編碼。依此類推，直至最后一幀圖像編碼完成。
3 H.264的DSP實現(xiàn)
本文選擇TI codec庫提供的H.264開源工程[7]，該程序在作者實驗室的DSP+FPGA圖像處理開發(fā)板上實現(xiàn)，運行頻率為1 GHz，編譯環(huán)境為CCS v5.0。
多核并行編碼的實現(xiàn)是把一幀圖像分為多個Slice，由多個處理器核來實現(xiàn)每個Slice的壓縮算法。經(jīng)過對H.264工程的研究，Slice劃分算法的實現(xiàn)可以由以下兩種方式來實現(xiàn)：
?。?）按照宏塊數(shù)目平均劃分（這里宏塊大小為16宏塊數(shù)），如式（1）所示：
其中，image_height為圖像的高度，ncores為參與編碼并行核數(shù)，m[ncores]為每個Slice的邊界（單位為行）。ncores個核并行處理的Slice邊界分別為：
核0：（0~m[ncores]）（表示核0處理第0~m[ncores]行的數(shù)據(jù)）
核1：（m[ncores]~2×m[ncores]）
…
核7：（7×m[ncores]~8×m[ncores]）
單核并行處理時只調(diào)用核0，雙核時調(diào)用核0~1，四核時調(diào)用核0~3。
?。?）按照宏塊計算復(fù)雜度平均劃分（這里的宏塊大小為16×16）。首先計算出一幀圖像中每個宏塊的計算復(fù)雜度，記為cost[i]，i為宏塊的序列號；其次，計算所有宏塊的總計算復(fù)雜度，記為Total_cost；最后，按照Total_cost來平均劃分Slice邊界：
其中，M[j]為宏塊的序列號，j為實現(xiàn)次數(shù)。計算Slice邊界步驟如下：
?、佼?dāng)式（2）中的條件首次實現(xiàn)時，記錄M[1]，并將M[1]帶入式（3）中，計算出第一個Slice的行數(shù)N[1]；
②ncores變?yōu)閚cores-1，i由0變?yōu)镸[1]，Total_cost減去式（2）的左值，得到新的Total_cost；
③轉(zhuǎn)到步驟①，計算下一個新的M[2]值，直到ncores為0，停止計算，可以得到ncores個核并行處理的Slice邊界為：
核0：（0~M[1]）
核1：（M[1]~M[2]）
…
核7：（M[7]~M[8]）
4 實驗結(jié)果分析
為了測試H.264編碼算法在TMS320C6678多核處理器上的并行實現(xiàn)，實驗中將相同YUV視頻序列分別使用（1）、（2）兩種Slice劃分算法實現(xiàn)，這兩種算法均經(jīng)過單核、雙核、四核分別運行。本文實驗對象為YUV420P格式10幀圖像，幀排序方式為IPPP，輸出為H.264格式。對比不同劃分算法的多核并行處理結(jié)果如表1、2所示。
從表1、2可看出，第1幀的處理時間為剩余9幀的一半，這是因為第1幀編碼為I幀，是幀內(nèi)預(yù)測；而第2~10幀圖像都是P幀，是幀間預(yù)測。劃分算法（1）單核情況下每幀圖像的處理時間與劃分算法（2）單核情況下的處理時間相同，這是因為單核情況下，每幀圖像都為一個Slice；在雙核情況下，劃分算法（2）相對于劃分算法（1）在處理上有5%的提升；四核情況下，劃分算法（2）相對于劃分算法（1）在時間上有很小的提升。
劃分算法（2）相對于算法（1）在性能上能有所提升是因為本實驗所選擇的圖像的計算復(fù)雜度分布不均勻，算法（2）是以一幀圖像的宏塊復(fù)雜度為基礎(chǔ)來平均劃分一幀圖像的，因此對于一幀圖像來說，每片Slice所分配的計算負(fù)載更加平均，比算法（1）的按行數(shù)平均劃分處理時間要減少。
單核、雙核、四核并行處理加速比對比結(jié)果如表3所示。
從表3可以看出，在四核處理情況下，劃分算法（1）的加速比是單核處理的3.6倍，劃分算法（2）相對于劃分算法（1）性能上有很小的提升；在雙核情況下，劃分算法（1）的加速比約為單核處理的1.84倍，而劃分算法（2）相對于劃分算法（1）的性能有6%的提升。
單核、雙核、四核的處理加速比沒有與并行核數(shù)完全成線性關(guān)系的原因是：（1）每幀圖像劃分的每個Slice的計算復(fù)雜度不同，因此編碼所需的時間也不同，每幀圖像需要等到編碼最慢的Slice完成，才算一幀圖像編碼結(jié)束；（2）每個Slice都包含獨立的頭信息，在編碼時會有額外的讀取頭信息的時間消耗。
由表1、2可以得出，單核處理的幀率為82 f/s，雙核處理的幀率達(dá)到150~160 f/s，四核處理的幀率達(dá)到了300 f/s，可以看出多核并行用于實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀圖像實時壓縮的潛能。
本文針對光電經(jīng)緯儀高幀頻和高分辨率圖像實時壓縮難以實現(xiàn)的問題，對H.264算法在TMS320C6678上的多核并行進(jìn)行了研究，在H.264單核編碼的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了兩種Slice級多核并行壓縮編碼算法，分別實現(xiàn)了光電經(jīng)緯儀圖像實時壓縮的功能。
本文的試驗驗證了多核并行壓縮算法在實時壓縮方面的可行性，對Slice劃分算法的優(yōu)化沒有進(jìn)行詳細(xì)研究，這是下一步研究的重點。
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