H.264協(xié)議是的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，但其算法復(fù)雜度也是超常的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種采用TI公司的多媒體處理器Davinci DM6446為的硬件平臺(tái)，而在算法上提出了新的基于拉各朗日（Lagrange）的快速算法，充分利用中間結(jié)果，預(yù)先排除一些可能性小的預(yù)測(cè)模式，然后快速完成對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的判決和模式選擇的優(yōu)化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以有效地解決實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)具有參考價(jià)值的H.264編碼器。

　　1 硬件平臺(tái)

　　1.1 Davinci DM6446芯片介紹

　　DM6446采用DSP+ARM的雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)（內(nèi)核圖見(jiàn)圖1），其中的DSP芯片的CPU時(shí)鐘頻率可達(dá)594 MHz，ARM的引入可以釋放DSP在控制方面的部分功能，使DSP專門進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工作。芯片采用增強(qiáng)型的哈佛結(jié)構(gòu)總線，其CPU內(nèi)部有2個(gè)數(shù)據(jù)通道，8個(gè)32 b的功能單元，2個(gè)通用寄存器組（A和B），可同時(shí)執(zhí)行8條32 b長(zhǎng)指令。處理器具有雙16 b擴(kuò)充功能，芯片能在一個(gè)周期內(nèi)完成雙16 b的乘法、加減法、比較、移位等操作。該芯片內(nèi)部支持兩級(jí)Cache，其中級(jí)32 kB的程序緩存器L1P，80 kB的數(shù)據(jù)緩存器L1D，而第二級(jí)的Cache大小是可配置的64 kB，芯片自動(dòng)完成這兩級(jí)Cache之間數(shù)據(jù)一致性的維護(hù)。有了這兩級(jí)Cache的支持將使CPU的執(zhí)行速度大大加快。

　　Davinci DM6446具有專用的視頻圖像處理子系統(tǒng)。視頻處理子系統(tǒng)包括1個(gè)視頻前端和1個(gè)視頻末端，視頻前端的輸入接口用于接受外部傳感器或視頻譯碼器輸出的BT.656等圖像輸入信息；視頻末端輸出接口輸出圖像，實(shí)現(xiàn)圖像本地重現(xiàn)。

　　視頻前端輸入（VPFE）接口由1個(gè)CCD控制器（CCDC），1個(gè)預(yù)處理器，柱狀模塊，自動(dòng)曝光／白平衡／聚焦模塊（H3A）和寄存器組成。CCD控制器可以與視頻解碼器CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接。預(yù)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)的圖形處理器。

　　1.2 H.264編碼器硬件平臺(tái)

　　本系統(tǒng)的平臺(tái)處理芯片為Davinci DM6446，如圖2所示，片外RAM選取兩片DDR并聯(lián)成32位的數(shù)據(jù)寬度，空間為256 MB。模擬視頻信號(hào)在“VIDEO IN”引入后經(jīng)過(guò)解碼芯片TVP5146變換為數(shù)字信號(hào)后輸入TMS320DM6446芯片中進(jìn)行處理，H.264編碼處理后的碼流可以通過(guò)視頻末端輸出保存在本地硬盤上，以方便調(diào)試檢查。或者可以通過(guò)10／100 M以太網(wǎng)物理層接口輸出，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。同時(shí)，本地的重構(gòu)圖像可以通過(guò)TMS320DM6446芯片內(nèi)部OSD模塊和編碼模塊D／A變換后直接顯示輸出。

　　2 H.264編碼器結(jié)構(gòu)與編碼流程

　　2.1 H.264編碼器結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示輸入的圖像以宏塊為單位進(jìn)入編碼器中，根據(jù)圖像變化的快慢選擇幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)編碼。如果選擇幀間預(yù)測(cè)編碼，當(dāng)前輸入幀F(xiàn)n和前一幀（參考幀）Fn-1被送到運(yùn)動(dòng)估計(jì)器（ME），通過(guò)塊搜索，匹配可以得到當(dāng)前幀中的各宏塊相對(duì)于參考幀中對(duì)應(yīng)宏塊的偏移量，也就是常說(shuō)的運(yùn)動(dòng)矢量。接著，參考幀F(xiàn)n-1和剛得到的運(yùn)動(dòng)矢量MV被送到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器（MC），通過(guò)計(jì)算得到幀間預(yù)測(cè)值P；當(dāng)前幀F(xiàn)n和幀預(yù)測(cè)值P相減，得到殘差Dn，經(jīng)過(guò)變換，量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)過(guò)熵編碼，與解碼所需的一些邊信息（如預(yù)測(cè)模式量化參數(shù)，運(yùn)動(dòng)矢量等）一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)NAL（網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層）供傳輸和存儲(chǔ)。

　　2.2 編碼器編碼流程

　　如圖4所示為H.264編碼器主流程。對(duì)輸入的一幀圖像首先進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑阂院陦K為基本單元進(jìn)行劃分，再由若干宏塊在組合成Slice，由Slice再組合成Slice Group，這樣每個(gè)宏塊所屬的Slice和Slice Group也就確定了。再判斷輸入的一幀圖像是I-Frame還是P-Frame。在以上工作完成后，也就可以對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行編碼了。在對(duì)每個(gè)宏塊都編碼完成后，還需要對(duì)重構(gòu)圖像進(jìn)行1／4象素插值處理、參考幀緩沖區(qū)插入處理等工作。至此，編碼一幀的工作才算完成。

　　3 運(yùn)動(dòng)估計(jì)模式快速率失真決策

　　為了減少圖像序列的時(shí)間冗余，達(dá)到更好壓縮效果的目的，H.264／AVC編碼方案采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)和預(yù)測(cè)。即由先前已編碼的一個(gè)或多個(gè)幀產(chǎn)生當(dāng)前編碼幀的一種預(yù)測(cè)模式，然后再進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼。且采用了一種可變塊尺寸的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模式，亮度塊尺寸的范圍從16×16變化到4×4，其中包含很多可選模式，形成了一種樹(shù)形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。對(duì)于I幀（包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16），對(duì)P幀（包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16、SKIP模式、幀間16×16、幀間16×8、幀間8×16、幀間8×8、幀間8×4、幀間4×8）同時(shí)還為P幀和B幀提供了特殊的SKIP模式，總共11種模式。這些可選模式的存在使得編碼方式更加靈活，編碼相對(duì)于固定尺寸塊預(yù)測(cè)要高很多。然而，可選的幀問(wèn)預(yù)測(cè)模式增加了，必然會(huì)使得運(yùn)算復(fù)雜度增加，因此有必要采用一種高效的決策方法來(lái)選取塊尺寸組合方式，使得編碼效率和編碼質(zhì)量均佳。

　　3.1 拉各朗日代價(jià)函數(shù)

　　引入拉各朗日代價(jià)函數(shù)如下：

　　其中D表示重構(gòu)恢復(fù)圖像相對(duì)于原始圖像間的失真；R（si，m）表示對(duì)宏塊編碼后數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)在碼流中所占用的比特?cái)?shù)，一般由編碼統(tǒng)計(jì)得到，但對(duì)于SKIP模式，比特?cái)?shù)默認(rèn)為1比特；λ表示模式選擇時(shí)所使用的拉各朗日乘積因子。

　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)估計(jì)，可使用拉各朗日代價(jià)函數(shù)作為選擇運(yùn)動(dòng)矢量的判決標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)式（1）得到對(duì)一個(gè)采樣塊si進(jìn)行ME判決的代價(jià)函數(shù)為下：

　　該式返回產(chǎn)生代價(jià)值的匹配運(yùn)動(dòng)矢量mi，其中M指各種可能編碼模式的集合，m為當(dāng)前選定模式，式（2）中R（si，m）是運(yùn)動(dòng)矢量（mx，my）所要傳輸（按熵編碼）的比特?cái)?shù)。D（si，m）表示對(duì)圖像宏塊的預(yù)測(cè)誤差，對(duì)于該預(yù)測(cè)誤差的計(jì)算有兩種方案：當(dāng)預(yù)測(cè)誤差選擇是誤差時(shí)用（SAD）表示，如式（3）；當(dāng)預(yù)測(cè)誤差選擇是平方差時(shí)，則用SSD表示，如式（4）中：

　　其中A為當(dāng)前編碼宏塊。在使用多參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，mi表示所選用的參考幀。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索時(shí)，對(duì)塊si先是進(jìn)行整象素的運(yùn)動(dòng)搜索，以取式（1）值為匹配標(biāo)準(zhǔn)，得到整象素匹配點(diǎn)后，以同樣的方法進(jìn)行1／2，1／4象素的匹配搜索。同時(shí)在多個(gè)參考幀內(nèi)作同樣的操作，將所得的函數(shù)代價(jià)進(jìn)行比較得到值，也就找到了s，塊的匹配的運(yùn)動(dòng)矢量mi。

　　3.2 快速預(yù)測(cè)模式判斷算法

　　快速算法相對(duì)于拉各朗日代價(jià)函數(shù)算法，可分以下兩步實(shí)現(xiàn)：

　?。?）以基于預(yù)測(cè)模式的方式計(jì)算代價(jià)函數(shù)J，但是這里采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，對(duì)每一種采樣模式進(jìn)行分行交錯(cuò)隔點(diǎn)采樣，如對(duì)8×8塊內(nèi)象素進(jìn)行下采樣，采樣如圖5所示。

　　然后對(duì)采樣點(diǎn)計(jì)算SAD，記做SADi。僅對(duì)采樣點(diǎn)計(jì)算的拉各朗日代價(jià)函數(shù)如下：

　　先對(duì)上述各種模式分別計(jì)算代價(jià)函數(shù)J，然后選擇代價(jià)的3種模式構(gòu)成候選模式集。

　?。?）對(duì)步驟（1）所得到的候選模式集中每個(gè)模式，按照式（1），通過(guò)計(jì)算基于率失真的代價(jià)實(shí)現(xiàn)基于RDO的模式選擇，也即C值的模式作為終預(yù)測(cè)模式。

　　4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

　　目前，基于DM6446平臺(tái)上設(shè)計(jì)的以上H.264編碼器系統(tǒng)己基本完成，我們選擇了幾個(gè)常見(jiàn)的視頻對(duì)該編碼器進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)表明本H.264編碼器完夠正常工作，而且表現(xiàn)出較好的壓縮性能。不過(guò)該編碼器只實(shí)現(xiàn)了H.264協(xié)議的基本檔次的部分，且尚未進(jìn)行更專門的優(yōu)化過(guò)程，協(xié)議的其他部分由于復(fù)雜性，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，沿著這個(gè)方向，視頻還可以進(jìn)一步壓縮。

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