摘 要： 針對(duì)高清視頻龐大的數(shù)據(jù)量以及H.264編碼器復(fù)雜的編碼結(jié)構(gòu)引起的低編碼速率的問(wèn)題，對(duì)影響算法編碼速率的原因進(jìn)行了深入分析，并設(shè)計(jì)了高效的多核并行方案，進(jìn)而充分利用TMS320C6678的多核性能，并結(jié)合TMS320C6678的運(yùn)算存儲(chǔ)特性，對(duì)H.264編碼器進(jìn)行了多方面的優(yōu)化，最終使H.264編碼器對(duì)720P高清視頻序列編碼速率從1.2 fps增加到27.2 fps，更加貼近于實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： H.264編碼器；TMS320C6678；高清視頻
0 引言
H.264標(biāo)準(zhǔn)吸取以往標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)點(diǎn)，編碼效率與H.263+以及MPEG-4 SP相比最多可節(jié)省50%的碼率，存儲(chǔ)需求大大降低。正是由于H.264強(qiáng)大的功能及其巨大的市場(chǎng)潛力，國(guó)內(nèi)外不少公司開(kāi)始對(duì)H.264的編解碼應(yīng)用進(jìn)行研究并有產(chǎn)品紛紛面世。目前國(guó)內(nèi)也紛紛對(duì) H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，使用專用H.264編解碼芯片推出了許多產(chǎn)品。編碼芯片速度很快，但是性能固定，無(wú)法根據(jù)需求進(jìn)行性能的改進(jìn)，另一方面新一代的HEVC編碼算法性能更為優(yōu)越，但是由于其技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，H.264仍然擁有巨大的應(yīng)用潛力，因而在DSP上實(shí)現(xiàn)H.264編碼器具有重大意義。
1 H.264復(fù)雜度分析
H.264標(biāo)準(zhǔn)相比于以往壓縮標(biāo)準(zhǔn)有以下主要優(yōu)點(diǎn)[1]：
（1）在相同重建圖像質(zhì)量下，H.264相比H.263+和MPEG-4節(jié)約50%的碼率；
?。?）H.264具有較強(qiáng)的抗誤碼能力，可以在惡劣的無(wú)線環(huán)境中運(yùn)用；
（3）H.264采用簡(jiǎn)潔的分層模式，具有更友好的特性。
本文采用H.264編碼器的可靠性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。
為了對(duì)編碼器進(jìn)行更具針對(duì)性的優(yōu)化，本文對(duì)編碼器內(nèi)部主要算法部分進(jìn)行了時(shí)間統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。
2 編碼器在DSP上的實(shí)現(xiàn)
2.1 DSP的多核并行處理方案
為了充分發(fā)揮TMS320C6678的性能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高效的多核并行處理方案[2]。核間通信（IPC）的方式一般有兩種：MessageQ消息機(jī)制和Notify中斷機(jī)制。其中中斷機(jī)制是一種不可屏蔽的中斷通信機(jī)制，通信快速便捷，因而本文采用Notify中斷方式進(jìn)行核間通信。多核之間實(shí)現(xiàn)可靠通信后，就需要為8個(gè)核的并行運(yùn)算設(shè)計(jì)一種高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常有Data-Flow模式和Master-Slave模式兩種常用的核間通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
（1）Data-Flow模式：通信控制邏輯簡(jiǎn)單，適合單向通信，多核利用率不穩(wěn)定，取決于各個(gè)核流水工作量均衡度，適用于能將算法分成多個(gè)獨(dú)立的相等工作量任務(wù)的情況。
（2）Master-Slave模式：通信控制邏輯相對(duì)復(fù)雜，多核利用率較高，程序開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單[3]。
根據(jù)圖1中時(shí)間測(cè)試可知，H.264編碼器中各任務(wù)工作時(shí)間很不均衡，因此本文采用Master-Slave模式。
2.2 多核算法流程
在Master-Slave模式下，核0充當(dāng)邏輯控制器及數(shù)據(jù)流收發(fā)器，其他核則專于壓縮算法處理。當(dāng)核0接收到視頻幀時(shí)，將720P視頻幀盡可能均勻地分成7個(gè)視頻片分配到各核的接收緩沖區(qū)中，核1~5的視頻片為106×1 280，核6~7的視頻片為90×1 280，各核在編碼完后將數(shù)據(jù)流存放在發(fā)送緩沖區(qū)中。為充分利用、提高多核并行效率，本文為每個(gè)運(yùn)算核提供了兩組數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，形成一個(gè)乒乓緩沖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用以節(jié)約運(yùn)算核對(duì)核0的等待時(shí)間，使各個(gè)核運(yùn)算基本保持全速運(yùn)行狀態(tài)，從而充分地利用多核并行處理能力。
3 H.264編碼器的DSP優(yōu)化
編碼器在DSP上的優(yōu)化依據(jù)是基于DSP硬件結(jié)構(gòu)上的特有操作，分為傳輸與運(yùn)算兩種操作。傳輸優(yōu)化是DSP核、EDMA控制器等主動(dòng)模塊對(duì)不同存儲(chǔ)類型訪問(wèn)性能優(yōu)化配置過(guò)程。本文采用的傳輸方面優(yōu)化有緩存優(yōu)化、EDMA優(yōu)化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化；在運(yùn)算方面主要是針對(duì)C66x核的單指令多數(shù)據(jù)操作（SIMD）以及并行操作特性，在編譯器、C語(yǔ)言以及匯編語(yǔ)言層面上對(duì)編碼器進(jìn)行優(yōu)化。
3.1 緩存（Cache）優(yōu)化
C6678擁有兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，SYS/BIOS默認(rèn)將一級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（L1D）32 KB、一級(jí)程序存儲(chǔ)（L1P）32 KB全部設(shè)置為緩存，而本地二級(jí)存儲(chǔ)（LL2）則默認(rèn)全部為普通存儲(chǔ)，可用于存放一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。圖2是在一級(jí)緩存為32 KB大小的情況下通過(guò)測(cè)試得到二級(jí)存儲(chǔ)不同緩存化程度與平均編碼時(shí)間的關(guān)系圖[4]。
由圖2可以看出，當(dāng)二級(jí)緩存大小超過(guò)1/8Cache程度時(shí)，編碼時(shí)間基本保持不變?？紤]到資源寶貴，LL2用來(lái)存放一些高速運(yùn)行的算法數(shù)據(jù)會(huì)表現(xiàn)出更好的性能，本文將二級(jí)緩存設(shè)置為1/8Cache模式。
3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化是根據(jù)C6678對(duì)不同存儲(chǔ)資源訪問(wèn)的不同速度而確定數(shù)據(jù)分配，表2是DSP多核共享訪問(wèn)DDR3和SL2的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)對(duì)比。
編碼過(guò)程中，全局變量所在的數(shù)據(jù)段為bss，動(dòng)態(tài)開(kāi)辟的空間、臨時(shí)變量以及中間保存結(jié)果所在的數(shù)據(jù)段為stack，還有全局?jǐn)?shù)組所在的段為far，這部分訪問(wèn)頻繁的數(shù)據(jù)則放在LL2上；其他訪問(wèn)較少的段，如text、sysmem、cio則統(tǒng)一放在DDR3上。
3.3 EDMA優(yōu)化
TMS320C6678共有3個(gè)EDMA管理器，10個(gè)通道。本文待壓縮視頻序列為720P，YUV420格式，一幅圖像的大小為1.32 MB，在任務(wù)分配過(guò)程中需要對(duì)圖像進(jìn)行拷貝。對(duì)于這種大數(shù)據(jù)量的復(fù)制過(guò)程，EDMA比通過(guò)DSP核進(jìn)行復(fù)制具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，并且EDMA還可以完成非連續(xù)數(shù)據(jù)段的復(fù)制[5]。EDMA和DSP核的復(fù)制性能與復(fù)制數(shù)據(jù)量的關(guān)系測(cè)試對(duì)比如圖3所示。
3.4 匯編優(yōu)化
匯編優(yōu)化是一種運(yùn)算型的優(yōu)化，通過(guò)充分利用C66x核的SIMD特性以及運(yùn)算單元并行特性，從而減少運(yùn)算過(guò)程中所消耗的時(shí)間[6]。
根據(jù)圖1中所示，編碼時(shí)間主要集中在預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、DCT、量化等部分，選擇各部分算法中的關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行匯編優(yōu)化[7]，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。
3.5 其他優(yōu)化
除上述4種基于TMS320C6678特性的獨(dú)特優(yōu)化，還可以進(jìn)行一些DSP中常用的普適優(yōu)化，這里只做簡(jiǎn)單描述。
?。?）-O優(yōu)化：-O優(yōu)化是編譯器對(duì)代碼優(yōu)化的級(jí)別，其中-O2深度優(yōu)化速度和減少代碼體積，一般為推薦等級(jí)，故本文選擇-O2優(yōu)化級(jí)別。
?。?）去雙重循環(huán)優(yōu)化：在文件級(jí)優(yōu)化的過(guò)程中，編譯器對(duì)于單重循環(huán)可以進(jìn)行Pipeline優(yōu)化，當(dāng)遇到雙重循環(huán)時(shí)，通過(guò)解開(kāi)一層循環(huán)，優(yōu)化效率會(huì)得到很大提升[8]。
?。?）內(nèi)聯(lián)函數(shù)優(yōu)化：內(nèi)聯(lián)函數(shù)在調(diào)用處直接插入，而不是調(diào)用，因而可以省略掉函數(shù)的調(diào)用開(kāi)銷，適合對(duì)頻繁調(diào)用的簡(jiǎn)單函數(shù)如T264_sad_u_c（）等進(jìn)行優(yōu)化。
4 測(cè)試結(jié)果
4.1 測(cè)試環(huán)境
本文編碼器測(cè)試環(huán)境如下：調(diào)試軟件環(huán)境CCS5.2.1，測(cè)試用到的DSP硬件平臺(tái)為TMS320C6678，編碼算法為H.264，量化參數(shù)Qp=30，編碼結(jié)構(gòu)GOP為I幀：P幀=1：5，測(cè)試視頻序列為官方KristenAndSara.yuv、shields_ter.yuv兩個(gè)序列，分辨率為720P，為更方便準(zhǔn)確地計(jì)算平均編碼速率，測(cè)試幀數(shù)設(shè)定為300幀。
4.2 測(cè)試結(jié)果
以KristenAndSara.yuv的測(cè)試為記錄，編碼器在優(yōu)化過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)整體記錄如表4所示。
由表4可以看出，表中一系列優(yōu)化以后，編碼圖像質(zhì)量并沒(méi)有什么影響，編碼速度得到了極大的提升，其中多核優(yōu)化的作用非常明顯，說(shuō)明本文的多核結(jié)構(gòu)效率是很高的。
5 結(jié)論
H.264具有相當(dāng)優(yōu)越的壓縮性能，面對(duì)其運(yùn)算復(fù)雜性與龐大運(yùn)算量的難題，本文結(jié)合硬件特點(diǎn)，對(duì)編碼器進(jìn)行一系列優(yōu)化，從而使編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)高清視頻序列實(shí)時(shí)編碼。目前對(duì)DSP編碼器的研究很熱，本文提供的C6678多核方案、基于C6678硬件特點(diǎn)的優(yōu)化以及720P實(shí)時(shí)高清視頻H.264編碼器都是很有意義的。
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