基于TMS320DM642的MPEG4编码器的设计与实现

2007-08-16 14:10:49来源: 现代电子技术

1 引 言

近年来,随着网络和多媒体技术的发展,视频信息通信的重要性和需求急剧增长,而其中的关键就在于视频压缩编码技术的应用。文献[1]曾提出了一种基于TMS320DM642 DSP的视频编码方案,实现了H.264算法。同H.264相比,MPEG4具有软硬件开发成本低和更容易实现的优势,是目前视频编码应用的主流。本文提出了一种基于TMS320DM642 DSP的MPEG4视频编码器的实现方法,该方案可用于远程视频监控、视频会议等诸多领域。

MPEG4是由国际运动图像专家组(MPEG)开发制定的国际通用视频压缩编码标准,目前已经发展成为可适应不同传输带宽、可用最少的数据来获得最佳质量图像的高效压缩算法和工具。MPEG采用了DCT、量化、熵编码等算法,通过对形状、运动、纹理等信息的分析,消除图像数据在时间和空间上的相关性,具有高效压缩性及普遍适用性等独特优势,为视频信息高效存储、传输提供了方便。

MPEG4为不同的应用对应的码率、分辨率、质量和服务定义了编码器和码流的不同框架和级别,其中的简单框架提供了对矩形视频对象的编码功能。本文所实现的就是MPEG4视频编码算法的简单框架。

2 MPEG4编码器硬件平台

实现MPEG4编码器的硬件平台以TMS320DM642DSP为核心,并配合以适当的外部存储器SDRAM,FLASH等外围设备

2.1 TMS320DM642特性

TMS320DM642是TI为多媒体应用而开发的基于C64x内核的高性能定点数字信号处理器,时钟频率600 MHz,最高处理能力可达4 800 MIPS。DM642具有C6000系列DSP的公共定点指令集,增加了多媒体扩展指令,可以更加方便快速地执行图像处理中的算法。DM642的这些特点,使其非常适合于视频图像处理,是实现MPEG4视频编码器的理想硬件平台。

2.2 硬件系统结构

编码器的硬件平台如图1所示,图中DM642作为整个系统的核心,对视频数据进行高速处理,完成MPEG4编码算法;可编程视频格式转换电路将输入的原始视频数据进行预处理,转换成编码器可接受的视频格式的数字信号;E2PROM和FLASH用来固化应用程序和初始化参数,SDRAM作为片外存储器,在编码过程中存储待处理的视频数据,以上三者通过EMIF总线与DM642连接;通过JTAG接口,利用CCS,可方便地实现系统软硬件仿真与调试;实时时钟为数字视频提供实时时间基准信息。


3 MPEG4编码器的软件实现和优化

3.1 MPEG4的软件实现

MPEG4是一个开放的框架标准,并没有规定具体的算法和程序,用户可根据需要自行开发代码,我们采用了XVID 1.1.0开放源码来实现MPEG4编码器。XVID代码实现了MPEG4的简单框架算法,不需要形状编码,只对I-VOP和P-VOP进行编码。但XVID是针对PC机应用而设计开发的,要将他移植到DSP中,必须对代码进行分析,结合DSP的指令结构和特点进行修改。

XVID代码实现的MPEG4编码器,以原始视频数据中的每一帧作为一个视频对象,首先判断是I帧还是P帧,I帧需要对整帧图像数据进行编码存储,P帧则进行运动估计和补偿,只编码当前帧与参考帧之间的图像残差和运动矢量。每帧数据都被分为16×16宏块,每个宏块又分为8×8子块,在宏块和子块的基础上进行DCT、量化、VLC编码。基于不高的图像质量需求,我们减化了XVID的某些功能,如GMC(全局运动补偿)、RVLC等,减少了代码运算量,降低了复杂度。

3.2 代码优化

为提高代码执行效率,必须结合DSP的特点对代码进行优化,优化主要分为3个层次:

3.2.1 项目级优化

TI提供了功能强大的集成开发环境CCS,包含了各种高效的编译工具,在代码编译过程中,通过使用编译器提供的编译选项(如-o3和-pm等),编译器可自动改善代码结构,减少代码中指令的相关性,通过软件流水等方法,提高指令并行性,改善循环性能,并可以优化代码的尺寸。

3.2.2 C语言程序级优化

通过使用CCS中的profile工具,对C代码进行评估,找出运算量最大的程序段,如DCT、量化、运动估计等,这部分代码的优化对提高编码器性能有显著影响,我们采用了以下C程序级优化方法:

(1) 使用C6000 DSP特有的关键字和内联函数来改写C代码,如使用关键字restrict可消除数据间的相关性以提高代码并行执行能力,而使用内联函数(如_add2(),nassert())可快速优化C代码,作为直接映射为内联C6000指令的特殊函数,可提高代码在DSP中的执行效率。

(2) 使用整型访问短型数据,使用32位整型一次访问2个16位短型数据,分别存放在32位寄存器的高、低16位字段,可减少对内存的访问次数,将程序读取数据的效率提高一倍,再使用能同时对2个寄存器对应高低16位进行操作的内联函数,如add2();mpy2()等,可大大提高代码执行效率。

(3) 采用循环展开的方法,将多循环变为少循环甚至单循环,减少循环嵌套,消除冗余循环,可以提高指令并行执行的程度。

(4) DSP没有专门的硬件除法运算单元,除法都用连续减法实现,运算量比较大,所以要尽量减少除法运算,不能减少的除法用移位运算来实现,可减少运算耗时。

(5)使用TI图像库函数。TI提供了功能强大的IM-AGE库支持,包括了很多图像处理常用函数,如8×8子块的DCT变换(IMG_fdct_8×8)、SAD计算(IMG_sad_8×8),这些函数都是优化过的,代码效率很高,可直接应用到程序中。

3.2.3 汇编程序级优化

线性汇编语言是C6000系列DSP所特有的一种编程语言,类似汇编,但不需要给出指令使用的功能单元、寄存器、并行性等细节信息,汇编优化器可根据代码情况自动确定。我们将代码中运算量大、调用频率高的关键部分用线性汇编进行了改写,如量化、DCT、SAD等模块,进一步优化了循环迭代、提高了指令的并行性效果。表2给出了改写前后几个函数模块程序对3帧foreman.qcif测试序列编码时消耗的时钟周期数对比。

3.3 存储空间的配置

DSP的片上存储空间有限,编码器要处理的大量视频数据(包括当前帧和参考帧等图像)必须放在片外,而CPU访问片外的速度要比访问片内慢很多。利用DM642的EDMA功能,CPU对前一帧数据编码的同时,通过ED-MA通道提前将片外的数据搬移到片上内存,二者并行工作,提高了数据由片外传输至片内的效率,可减少CPU等待时间。

3.4 实验结果

使用编码器对标准qcif格式(176×144)测试序列进行编码来测试编码器性能,其中news序列300帧,suzie序列150帧,foreman序列400帧,通过TI的集成开发环境CCS 2.0进行硬件仿真实验,在设定码率为100 b/s的条件下,结果如表3所示。

通过分析测试序列编码结果,编码器的编码速率达到25 fps以上,可以满足实时编码的要求。在传输码率降低的情况下,编码速率还可以进一步提高。从编码结果可以发现,不同测试序列编码前后的压缩比不同,这是由于测试序列图像的运动情况、背景变换造成的,如suzie序列背景单一,运动缓和,压缩比较高,而news序列由于背景不断变换,压缩比就相对较低。通过对比编码前和编码后解码得到的图像,画面无失真现象,图像质量并没有明显下降。

4 结 语

本文探讨了MPEG4编码器在DM642上的实现方案和优化的方法,实现了MPEG4编码的简单框架算法。实验结果表明,本文所提出的方案具有较高的易实现性和实用性,增加和改进的代码优化方法是有效的,性能测试获得了满意的效果。在此基础上,我们还可进一步对实现MPEG4高级框架和代码优化方法的改进,进行更深入地研究,以满足更高的应用要求。

关键字:视频  压缩  量化  算法

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/dsp/200708/15211.html
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