信息時(shí)代對(duì)于視頻通訊的需求越來越廣，從較低碼率的可視電話、視頻會(huì)議、實(shí)時(shí)監(jiān)控到高碼率的空中偵察、數(shù)字電視等，迫切要求將高效率、高質(zhì)量的視頻壓縮算法實(shí)用化。MPEG-4于2000年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)并不斷地?cái)U(kuò)展。它不僅支持碼率低于64kbps的多媒體通信，還能支持廣播級(jí)的視頻應(yīng)用。與以前的視頻標(biāo)準(zhǔn)相比，MPEG-4可以提供更高的壓縮效率、更好的交互性以及更強(qiáng)的抗誤碼能力。目前，MPEG-4已經(jīng)成為視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的主流。
　　MPEG-4算法非常復(fù)雜，其編解碼的實(shí)時(shí)性難以保證，通常只能實(shí)現(xiàn)對(duì)中低分辯率視頻的實(shí)時(shí)編碼。本文基于TI公司的C64x系列DSPs設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種MPEG-4編碼器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)D1分辨率(720×576)視頻的實(shí)時(shí)編碼，且在保證輸出碼率低于1Mbps的同時(shí)，解碼圖像具有較高的峰值信噪比和較好的視覺效果。
1? 編碼系統(tǒng)" title="編碼系統(tǒng)">編碼系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　編碼系統(tǒng)以TMS320DM642高性能通用DSP芯片為核心。圖1為系統(tǒng)框圖。

1.1? TMS320DM642芯片的特點(diǎn)
　　DM642屬于TI公司的C64x系列DSPs。Veloci TI結(jié)構(gòu)使C6000 DSPs在視頻和圖像處理中得到廣泛應(yīng)用。CPU的VLIW結(jié)構(gòu)由多個(gè)并行運(yùn)行的執(zhí)行單元組成，這些單元在單個(gè)周期內(nèi)可執(zhí)行多條指令。并行是C6000獲得高性能的關(guān)鍵。C64x在C6000的基礎(chǔ)上有一些重要的改進(jìn)。除了有更高的時(shí)鐘頻率外，C64x從以前的Veloci TI結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到Veloci TI.2結(jié)構(gòu)，包含了許多新的指令，增加了額外的數(shù)據(jù)通道，寄存器的數(shù)量也增加了一倍。這些擴(kuò)展使得CPU可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)，從而獲得更高的運(yùn)算性能。
　　DM642芯片集成了各種片內(nèi)外設(shè)，使得開發(fā)視頻和圖像領(lǐng)域的應(yīng)用更為方便。它帶有三個(gè)可配置的視頻端口，提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無縫接口。這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入/輸出，包括BT.656、HDTV Y/C、RGB以及MPEG-2碼流的輸入。利用DM642開發(fā)視頻編碼器，其視頻輸入部分只需要一塊視頻采集芯片即可，如Phillips的SAA7113，無需外加邏輯控制電路和FIFO緩存，使硬件系統(tǒng)更為簡單和穩(wěn)定。DM642的其它外設(shè)包括：10Mbps/100Mbps的以太網(wǎng)口（EMAC）、多通道音頻串口（McASP）、外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）、主機(jī)接口（HPI）、多通道緩沖串口（McBSP）以及PCI接口等。
1.2? 系統(tǒng)工作流程
　　該編碼系統(tǒng)可分為圖像壓縮卡和主機(jī)兩部分。其工作流程如圖2所示。

　　首先主機(jī)通過PCI初始化DSP并對(duì)其加載程序；DSP開始運(yùn)行MPEG-4編碼程序，從視頻端口獲取實(shí)時(shí)采集的視頻，如圖1所示。SAA7113輸出BT.656格式的數(shù)字視頻，作為DM642 VPORT的輸入，VPORT輸出YUV（4:2:0）格式的圖像，作為編碼程序的輸入；DSP完成一幀圖像的編碼，通過PCI向主機(jī)發(fā)出中斷；主機(jī)響應(yīng)中斷，從DSP的存儲(chǔ)空間讀取原始圖像數(shù)據(jù)和壓縮后的碼流。主機(jī)程序在VC++環(huán)境下編寫，提供與用戶交互的界面，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，包括原始視頻的實(shí)時(shí)播放、保存,壓縮碼流的實(shí)時(shí)解壓播放、保存、回放、網(wǎng)絡(luò)傳輸，從網(wǎng)絡(luò)接收壓縮碼流實(shí)時(shí)解壓回放等。
　　需要注意的是原始圖像和壓縮碼流在DSP中的存儲(chǔ)。視頻端口、編碼程序和主機(jī)都要訪問原始圖像，例如在某一時(shí)刻，編碼程序訪問當(dāng)前幀圖像，主機(jī)讀取上一幀圖像，而視頻端口正在輸入下一幀圖像，為了避免訪問沖突，原始圖像在DSP中采用三緩沖區(qū)進(jìn)行管理。壓縮碼流由編碼程序?qū)懭?，主機(jī)讀取，所以采用乒乓制進(jìn)行存儲(chǔ)。
1.3 內(nèi)存分配
　　DM642片內(nèi)只有256KB的存儲(chǔ)空間，因此當(dāng)前幀、參考幀和當(dāng)前幀的重建幀都必須放至片外存儲(chǔ)器，壓縮碼流若被主機(jī)讀取，也放至片外。其它數(shù)據(jù)如程序代碼、全局變量、VLC碼表、各編碼模塊產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)等均可放至片內(nèi)。
　　由于CPU訪問片外的速度通常要比訪問片內(nèi)慢幾十倍，片外數(shù)據(jù)的傳輸通常成為程序運(yùn)行時(shí)的瓶頸，即使代碼效率很高，流水線也會(huì)因?yàn)榈却龜?shù)據(jù)而被嚴(yán)重阻塞。解決這一問題的有效方法是用EDMA傳送數(shù)據(jù)。程序是逐個(gè)宏塊" title="宏塊">宏塊進(jìn)行編碼的，在編碼當(dāng)前宏塊的同時(shí)，EDMA將下一個(gè)宏塊的數(shù)據(jù)、用到的參考幀數(shù)據(jù)由片外傳送至片內(nèi)；當(dāng)前宏塊做完運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，EDMA將重建后的宏塊由片內(nèi)傳送至片外。這樣CPU只對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，使得流水線可以順利進(jìn)行，而壓縮碼流按逐個(gè)碼字有時(shí)間間隔地寫入，可由CPU直接寫至片外。
2 采用預(yù)測(cè)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法
　　運(yùn)動(dòng)估計(jì)是MPEG-4編碼中計(jì)算量最大的一部分，占據(jù)整個(gè)編碼時(shí)間的50%以上。各種快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法" title="估計(jì)算法">估計(jì)算法也成為近年來研究的熱點(diǎn)。本文通過實(shí)驗(yàn)證明，采用預(yù)測(cè)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)不但可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，而且也有助于提高圖像的質(zhì)量。
　　宏塊（Macro Block）的運(yùn)動(dòng)矢量（Motion Vector）在時(shí)間和空間都具有相關(guān)性，預(yù)測(cè)的原理就是利用當(dāng)前幀和參考幀內(nèi)相鄰位置宏塊的MV來預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊的MV。下面詳述本文所采用的預(yù)測(cè)算法。
　　（1）確定當(dāng)前宏塊MV的7個(gè)候選值PreMV1~7。
　　如圖3所示。PreMV1=(0,0)；PreMV4取當(dāng)前宏塊左邊相鄰宏塊的MV值；PreMV5取上邊相鄰宏塊的MV值；PreMV6取右上方相鄰宏塊的MV值；PreMV2=mid{PreMV4, PreMV5, PreMV6}，即取三者的中值；PreMV3取參考幀相同位置宏塊的MV值；PreMV7取參考幀右下方相鄰宏塊的MV值。

　　（2）確定篩選候選值的依據(jù)——SAD（絕對(duì)誤差和）的門限值ThreshSAD。
　　SAD是確定最佳匹配塊的準(zhǔn)則。門限值ThreshSAD是指這樣一個(gè)值：如果參考幀內(nèi)某一宏塊和當(dāng)前宏塊的SAD小于ThreshSAD，則當(dāng)前宏塊的MV值就可取作二者之間的位移。因此，ThreshSAD就可作為篩選7個(gè)候選值的依據(jù)。
　　由于SAD在空間上的相關(guān)性，ThreshSAD由相鄰宏塊的SAD值來確定：
　　ThreshSAD=Min{SAD_left,SAD_top,SAD_{top_left}}
　　其中，SAD_left、SAD_top、SAD_top-right分別為MB_left、MB_top、MB_top-right和其對(duì)應(yīng)匹配塊的SAD值，ThreshSAD取三者的最小值。
　　(3)從7個(gè)候選值中選出當(dāng)前宏塊的MV值。
　　按照PreMV1~7的順序，依次計(jì)算當(dāng)前宏塊和7個(gè)匹配塊的SAD值。如果有SAD值小于ThreshSAD，即停止計(jì)算，選用對(duì)應(yīng)的PreMV作為當(dāng)前宏塊的MV值；如果7個(gè)SAD值均大于ThreshSAD，則采用運(yùn)動(dòng)搜索來確定當(dāng)前宏塊的MV值。該運(yùn)動(dòng)搜索并不以MV=(0,0)為中心，而是以對(duì)應(yīng)SAD值最小的PreMV為中心，搜索采用簡化的菱形算法。
　　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻序列" title="視頻序列">視頻序列foreman.cif(352×288)進(jìn)行編碼(碼率300kbps)，測(cè)得表1所示數(shù)據(jù)。采用預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法利用視頻序列在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，無需對(duì)每個(gè)宏塊都進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索，而且其搜索中心點(diǎn)也同樣利用了相關(guān)信息，搜索算法也可進(jìn)一步簡化，因此大大減少了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的計(jì)算量；同時(shí)，預(yù)測(cè)有助于提高圖像質(zhì)量，直接進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)搜索通常會(huì)帶來局部最小的問題，從而影響圖像質(zhì)量，而PreMV1~7取自位于當(dāng)前宏塊周圍各個(gè)方向的宏塊的MV值，避免陷入局部最小。

3 基于C64x CPU的軟件優(yōu)化技術(shù)
　　為了提高代碼的執(zhí)行效率，必須充分利用C64x CPU的VLIW和流水線結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使程序無沖突地并行執(zhí)行。MPEG-4編碼程序中包含大量的循環(huán)體，例如計(jì)算SAD值、量化、DCT、半像素插值、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和構(gòu)建重建幀等。這些循環(huán)體代碼并不復(fù)雜，但執(zhí)行次數(shù)頻繁，占據(jù)了編碼的絕大部分時(shí)間，因此循環(huán)體的優(yōu)化是重點(diǎn)。本文所采取的代碼優(yōu)化分為C語言優(yōu)化和編寫線性匯編兩個(gè)步驟，主要從消除數(shù)據(jù)相關(guān)性、數(shù)據(jù)打包和循環(huán)體的軟件流水三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。
3.1 針對(duì)C語言的優(yōu)化
　　C代碼的優(yōu)化主要依靠開發(fā)環(huán)境CCS的編譯器完成，編程者需要合理選擇編譯選項(xiàng)，并利用特定的關(guān)鍵字和指令向編譯器提供優(yōu)化信息。例如關(guān)鍵字restrict用來消除數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，編譯器從而可以安排語句的并行執(zhí)行；內(nèi)聯(lián)函數(shù)_nassert有助于數(shù)據(jù)的打包處理；宏指令#pragma MUST_ITERATE告訴編譯器有關(guān)循環(huán)迭代次數(shù)的信息，編譯器會(huì)根據(jù)這一信息進(jìn)行軟件流水。
3.2? 用線性匯編改寫關(guān)鍵代碼
　　線性匯編是TMS320C6000特有的一種編程語言，介于高級(jí)語言和匯編語言之間。它可以指定指令用到的寄存器和功能單元，更易于對(duì)數(shù)據(jù)的打包處理。
　　線性匯編代碼的并行處理和軟件流水由匯編優(yōu)化器完成，編程者需要熟悉C64x DSP的CPU結(jié)構(gòu)和指令集，認(rèn)真設(shè)計(jì)代碼并充分利用編譯器的反饋信息合理修改代碼，才能寫出高質(zhì)量的線性匯編。本設(shè)計(jì)中程序主框架采用C語言編寫，其它各關(guān)鍵部分的代碼采用線性匯編實(shí)現(xiàn)。表2是代碼優(yōu)化前后的效率對(duì)比，表2中所列各代碼段均針對(duì)8×8宏塊進(jìn)行處理。

4 結(jié)果分析
　　對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)視頻序列進(jìn)行編碼，測(cè)得表3所示數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)采集D1(720×576)分辨率的視頻進(jìn)行編碼，測(cè)得碼率為850kbps時(shí)，編碼速率達(dá)25fps以上，峰值信噪比(PSNR)高于31dB，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的實(shí)時(shí)MPEG-4編碼。