H.264视频编码在DM642上的实现与优化

　　1 引言

　　新一代视频编码标准H.264 以实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等优点, 被广大视频应用产业接纳。相对于传统视频标准MPEG- 2、MPEG- 4 而言, 其在码率压缩效率上具有无可比拟的优势, 在相同画面质量的情况下, H.264 需要的带宽只有MPEG- 4 的1/2、MPEG- 2 的 1/8。但是, H.264 算法非常复杂,其编解码的实时性难以保证,通常只能实现对中低分辩率视频的实时编码。本文在DM642 上移植了H.264 标准算法; 在此基础上进行了有关程序结构、数据结构和算法的改进, 以便利充分发挥DSP 的性能; 并进行了C 语言级和汇编语言级的优化。

　　2 264 视频压缩编码算法的主要特点

　　H.264 压缩算法也采用与 H.263 和 MPEG- 4 类似的基于块的混和编码方法, 采用帧内(Intra)和帧间(In-ter)两种编码模式。与以往编码标准相比, 为了提高编码效率、压缩比和图像质量, H.264 采用了很多全新的编码技术, 这些技术包括:

　　1). H.264 按功能将视频编码系统分为视频编码层(VCL, Video Coding Layer)和网络抽象层(NAL, NetworkAbstraction Layer)两个层次。VCL 完成对视频序列的高效压缩; NAL 规范视频数据的格式, 主要提供头部信息以适合各种媒体的传输和存储。

　　2). 先进的帧内预测, 对含有较多空域细节信息的宏块采用 4×4 预测, 而对于较平坦的区域采用 16×16的预测模式, 前者有9 种预测方法, 后者有 4 种预测方法。

　　3). 帧间预测采用更多的块划分种类, 定义了 7 种不同尺寸和形状的宏块分割和子宏块分割。采用更小的块和自适应编码的方式, 使得预测残差的数据量减少, 进一步降低了码率。

　　4). 1/4、1/8 像素精度的亚像素运动估计。

　　5). 多参考帧预测。

　　6). 残差图像的 4×4 整数 DCT 变换技术。

　　7.) 新的环路滤波技术及熵编码技术等。

　　H.264 的这些新技术使运动图像压缩技术向前迈进了一大步, 它具有优于 MPEG- 4 和 H.263 的压缩性能, 可应用于因特网、数字视频、DVD 及电视广播等高性能视频压缩领域。

　　3 264 视频编码器的硬件设计

　　3.1 DM642 DSP 芯片的特点

　　DM642 是TI 公司开发研制的一款专门面向多媒体应用的专用数字信号处理芯片。该DSP 内核时钟高达600MHz, 有8个并行运算单元, 处理能力达4800MIPS; 同时DM642 还带有三个视频口, 均可输入或输出, 支持BT656, 百兆以太网口, 多路音频串口,66MHz PCI 等, 可支持四路D1 图像 30 帧的 MPEG- 2的实时压缩。TMS320DM642 存储结构分为三层: 第一层L1D(16K)、L1P(16K), 存储容量小, 存取速度快; 第二层L2(256K), 存储容量和存取速度介于一、三层之间;第三层外部存储器, 存取速度慢。DM642 还提供了DMA(Direct Memory Access)机制, 当CUP 要访问存储在外存某块区域上的数据时, 它可以将该数据区的首地址、长度及结构信息提交给DMA 控制器, 传输工作由DMA 控制器负责具体实施, 这样在传输过程的同时, CPU 就可以进行其他的运算处理工作, 更充分的利用硬件计算资源。根据DM642 的这些性能, 可用来实现H.264 的压缩算法, 以达到实时编码的目标。