視頻業(yè)務(wù)作為下一代移動(dòng)通信的重要應(yīng)用，已經(jīng)越來越受到重視。目前，很多高端移動(dòng)通信設(shè)備和智能手機(jī)都提供嵌入式操作系統(tǒng)，支持第三方的小應(yīng)用程序。因此，在嵌入式手機(jī)平臺(tái)上開發(fā)視頻應(yīng)用具有很好的前景。但是，由于目前手機(jī)平臺(tái)資源有限，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性較高的實(shí)時(shí)視頻壓縮編碼，所以首先要實(shí)現(xiàn)視頻的解碼處理。下面介紹在嵌入式手機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)視頻解碼處理的方法及相應(yīng)結(jié)果。
1 系統(tǒng)處理流程
　　在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的視頻解碼可以分為系統(tǒng)設(shè)置(包括操作系統(tǒng)初始化等)和視頻解碼處理兩部分。處理流程如圖1所示。
1.1 系統(tǒng)設(shè)置
　　完成初始化系統(tǒng)，調(diào)用系統(tǒng)程序完成CPU初始化，配置寄存器以確保存儲(chǔ)器訪問正確。對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行初始化，以μITRON操作系統(tǒng)為例，調(diào)用vsta_knl和ivsta_knl實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)初始化。初始化過程主要包括：
　　(1)設(shè)置終端寄存器和矢量寄存器(VBR)等關(guān)鍵寄存器。
　　(2)初始化內(nèi)核工作區(qū)。
　　(3)創(chuàng)建初始化定義對(duì)象。
　　(4)啟動(dòng)生成的系統(tǒng)初始化程序，包括定時(shí)器(timer)、存儲(chǔ)管理單元(MMU)等。
　　(5)轉(zhuǎn)向多任務(wù)進(jìn)程(MultiTasking)，并開始第一個(gè)任務(wù)。
　　由于視頻解碼算法采用C語言實(shí)現(xiàn)，因此還要完成任務(wù)的配置和初始化等工作以及C語言運(yùn)行環(huán)境配置等。
　　在完成操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化之后，程序進(jìn)入多任務(wù)狀態(tài)，其中視頻解碼處理部分作為主任務(wù)開始執(zhí)行。
1.2 視頻解碼處理
　　視頻解碼處理部分是整個(gè)系統(tǒng)的主任務(wù)，其第一步仍然是任務(wù)配置和初始化。首先通過寄存器配置啟動(dòng)CACHE并初始化，主要完成指令CACHE(IC)、操作數(shù)CACHE(OC)使能以及其他必需的模塊操作。接下來初始化LCD顯示模塊，包括設(shè)置LCD初始化參數(shù)、LCD驅(qū)動(dòng)參數(shù)及LCD繪圖參數(shù)。RGB轉(zhuǎn)換單元初始化用于使能視頻引擎單元及視頻色彩空間的轉(zhuǎn)換。

　　在解碼開始前，先對(duì)解碼參數(shù)初始化，包括分配存儲(chǔ)和倒換緩沖區(qū)、初始化查找表等。而后通過解析壓縮的標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù)流獲取序列和圖像參數(shù)集及標(biāo)記信息。若解析得到的信息顯示存在一幀圖像數(shù)據(jù)，則進(jìn)入主處理模塊進(jìn)行圖像解碼；否則釋放資源，任務(wù)結(jié)束。在每一幀圖像解碼完成后，通常得到Y(jié)CbCr格式的數(shù)據(jù)，通過RGB轉(zhuǎn)換單元變換成可在LCD顯示的RGB格式的數(shù)據(jù)(后處理)，送入相應(yīng)的緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)LCD顯示。然后繼續(xù)解析碼流，直到完成整個(gè)序列的解碼、顯示。最后釋放資源，任務(wù)結(jié)束。
2 視頻解碼算法實(shí)現(xiàn)
　　目前，比較流行的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG4和H.264。其中H.264的壓縮效率和圖像質(zhì)量在同等條件下要優(yōu)于MPEG4，同時(shí)也更適合移動(dòng)應(yīng)用。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的移動(dòng)視頻標(biāo)準(zhǔn)AVS-M" title="AVS-M">AVS-M也在制定。AVS-M與H.264 Baseline在標(biāo)準(zhǔn)框架上有很多相似之處，下面對(duì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)中采用的關(guān)鍵處理模塊進(jìn)行分析。
　　由于嵌入式移動(dòng)終端的主頻和存儲(chǔ)資源有限，因此實(shí)現(xiàn)視頻解碼的關(guān)鍵在于如何優(yōu)化程序，提高執(zhí)行效率，降低存儲(chǔ)需求。針對(duì)嵌入式處理器的特點(diǎn)，考慮到資源的有效利用，在實(shí)現(xiàn)視頻解碼過程中應(yīng)采用下列策略：
　　(1)優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高指針和數(shù)組的尋址效率等。
　　(2)改善數(shù)據(jù)處理流程。例如將解碼過程中宏塊的預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量的初始化在幀一級(jí)實(shí)現(xiàn)，通過模塊模糊化盡可能減少各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)緩存的倒換等。
　　(3)充分利用硬件平臺(tái)特點(diǎn)。例如提高CACHE命中率、有效利用片上存儲(chǔ)資源、實(shí)現(xiàn)軟件流水等。
　　以AVS-M為例，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻序列總線進(jìn)行測(cè)試，得到如表1所示的視頻解碼算法中各部分的處理時(shí)間比例。
　　在解碼過程中，反量化" title="反量化">反量化/反變換模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊和重構(gòu)" title="重構(gòu)">重構(gòu)模塊占用了大部分處理資源，因此這里主要考慮對(duì)這三個(gè)模塊的處理。

2.1 反量化/反變換
　　為降低運(yùn)算量，H.264基線和AVS-M的變換采用整數(shù)離散余弦的4×4變換，變換矩陣由全部是整數(shù)的核心矩陣和系數(shù)矩陣組成。系數(shù)矩陣與量化過程結(jié)合，變換部分就成為可逆的整數(shù)變換。視頻解碼過程中，從碼流解析出每個(gè)4×4塊的量化系數(shù)進(jìn)行反量化和反變換，生成該4×4數(shù)據(jù)塊的參差矩陣，與預(yù)測(cè)矩陣共同重構(gòu)出解碼圖像塊。實(shí)現(xiàn)此功能可采取以下策略：
　　(1)將4×4量化系數(shù)矩陣用一維數(shù)組來表示，避免在每次取操作數(shù)時(shí)兩次尋址，提高尋址效率。
　　(2)在同一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)反量化、反變換和重構(gòu)。整個(gè)操作過程均針對(duì)存放16個(gè)量化系數(shù)的數(shù)組進(jìn)行，每完成一個(gè)運(yùn)算過程直接更新數(shù)組相應(yīng)的元素，從而避免塊數(shù)據(jù)的倒換。完成該操作后即得到解碼圖像塊。
　　(3)將重構(gòu)過程中的兩重4次循環(huán)的內(nèi)循環(huán)打開，實(shí)現(xiàn)軟件流水。也可以在整個(gè)宏塊的所有4×4塊均完成反量化和反變換后對(duì)兩重16次循環(huán)采用軟件流水，這樣可以提高速度，但增加了存儲(chǔ)資源占用。
　　(4)反量化過程采用查找表實(shí)現(xiàn)，降低了運(yùn)算復(fù)雜性。查找表存入CACHE，可提高訪問速度。
　　采用上述方法可大大提高處理速度，同時(shí)節(jié)省存儲(chǔ)資源。
2.2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償
　　為降低碼率，H.264和AVS-M采用1/4像素精度的亮度插值" title="插值">插值預(yù)測(cè)和1/8像素精度的色度插值預(yù)測(cè)。插值過程占用了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)拇蟛糠謺r(shí)間。因此，在處理運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)采用如下策略：
　　(1)并行化處理。視頻處理中，1/2像素插值通過水平FIR濾波器和垂直FIR濾波器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于亮度插值，每個(gè)像素點(diǎn)的取值范圍在[0，255]，濾波器抽頭系數(shù)在[-63，64]之間，每個(gè)插值計(jì)算的結(jié)果不會(huì)超出[-6630，22950]，因此可以用16位運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)。而目前采用的嵌入式處理器至少是32位的，因此在每個(gè)指令周期可以并行完成至少兩個(gè)插值運(yùn)算，進(jìn)而大大減少了插值運(yùn)算時(shí)間。
　　(2)預(yù)擴(kuò)展參考圖像邊界。對(duì)于幀間預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)塊根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量在參考圖像中確定預(yù)測(cè)參考?jí)K(根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量的取值，參考?jí)K數(shù)據(jù)可以是參考像素值，也可以是1/2像素或1/4像素插值結(jié)果)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)矢量指向的參考樣本超出圖像參考邊界時(shí)，需要使用圖像內(nèi)距離該參考樣本最近的整數(shù)樣本代替。如果每次在參考樣本超出邊界時(shí)進(jìn)行判斷和賦值，則會(huì)增加判斷次數(shù)并會(huì)導(dǎo)致軟件流水中斷。為此，可以預(yù)先將參考圖像根據(jù)邊緣像素值做水平和垂直擴(kuò)展。參考樣本全在參考圖像外面時(shí)，不論運(yùn)動(dòng)矢量延伸多大，所得到的預(yù)測(cè)塊像素值都是相同的，可以將擴(kuò)展的寬度設(shè)定為宏塊的寬/高度以確保結(jié)果的正確性。這樣就不再需要判斷，同時(shí)解決了軟件流水問題。
　　(3)提高CACHE命中率。由于CACHE的存儲(chǔ)空間有限，不可能將參考圖像全部放入CACHE，因此考慮根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量的統(tǒng)計(jì)特性將最有可能的參考樣本放入CACHE，用以提高命中率。
2.3 圖像重構(gòu)
　　圖像重構(gòu)過程與反量化/反變換結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)參見2.1。
3 測(cè)試結(jié)果
　　利用上述方法，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式手機(jī)平臺(tái)上的視頻解碼。表2給出了在手機(jī)開發(fā)平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果。其中CPU主頻為216MHz，操作系統(tǒng)為μITRON，視頻標(biāo)準(zhǔn)為AVS-M，圖像格式為QVGA，大小為320×240。測(cè)試序列選擇具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)序列。