MPEG-4SP （ Simple Profile）編碼器以其出眾的壓縮效率和圖像質(zhì)量受到了廣泛關(guān)注，并隨之誕生了很多基于PC平臺的編解碼器（如Divx、Xvid等） ，在遠(yuǎn)程教育和高清晰度電影等方面得到了廣泛應(yīng)用。而2001年發(fā)布的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)V2. 0 中包含的ASP編碼器，則在SP的基礎(chǔ)上增加了一些新的工具，進(jìn)一步提高了壓縮效率，因此更適合在無線視頻通信和數(shù)碼攝像機(jī)等嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

1 硬件平臺TMS320C6416介紹

選用的實(shí)驗(yàn)硬件平臺是TMS320C6416 DSK（DSP Starter Kit） 。其核心處理器為美國TI公司的高性能定點(diǎn)32位DSP C6416，基于第2代高性能Ve2lociTI. 2 VLIW結(jié)構(gòu)，帶有64個32位字長的寄存器，8個高度獨(dú)立的功能單元（ 2個乘法單元， 6個算術(shù)邏輯單元） ，工作時鐘頻率為600MHz，峰值處理速度可達(dá)4800Mbit/s。C6416 DSP具有1MB 的片上存儲空間，采用兩級緩存結(jié)構(gòu)。其中同CPU直接相連的L1P和L1D能以CPU相同的速度運(yùn)行， 而L2CACHE有5 種配置模式，可根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)定L2CACHE的大小。同時C6416還具有64個獨(dú)立的EDMA通道，可在CPU 后臺進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)搬移，并集成了16MB的SDRAM，可配置為高速緩存 ，提高訪問效率。

2 MPEG-4ASP視頻編碼

運(yùn)動圖像專家組MPEG于2001年在其新發(fā)布的V2. 0版本中增加了一些新的工具和框架，其中包括了ASP 。ASP 在SP的基礎(chǔ)上增加了對B-VOP、1/4像素精度的運(yùn)動矢量、可選量化器 、全局運(yùn)動補(bǔ)償GMC等的支持，進(jìn)一步提高了壓縮效率。

（1）B-VOP使用雙向預(yù)測來提高運(yùn)動補(bǔ)償?shù)男?，也即每個block塊或者macroblock宏塊都可由前向和后向預(yù)測加權(quán)得到。

（2） 1/4像素運(yùn)動矢量 ： 在進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)和補(bǔ)償之前， 參考VOP先在1/2像素位置處，進(jìn)而在1/4處進(jìn)行插值，盡管這樣增加了運(yùn)動估計(jì)、運(yùn)動補(bǔ)償和圖像重建的復(fù)雜度，但編碼效率相比SP編碼器得到了提高。

（3）可選量化器：在ASP中提供了一種可選的反量化方式。在這種方式中，量化系數(shù)FQ （ u， v）按照下面的方式進(jìn)行反量化來生成系數(shù)F （u， v） ： if （FQ = 0） F = 0; elseF = ［ （2 ×Fc（ u， v） + k） ×WW （ u， v） ×QP ］ /16。其中WW 是8 ×8的加權(quán)因子矩陣，這種反量化方式使得編碼器可根據(jù)量化系數(shù)在塊中的位置，使用WW 改變步長。

（4）全局運(yùn)動補(bǔ)償（GMC） ：同一視頻對象（VO）中的宏塊可能經(jīng)歷相似的運(yùn)動，如攝像機(jī)鏡頭的縮放和旋轉(zhuǎn)等造成的線性移動，其中的一些宏塊可能向同一方向運(yùn)動。帶GMC的編碼器只需發(fā)送少量的運(yùn)動參數(shù)就能為整個VOP描述這個“全局”運(yùn)動。因此，當(dāng)VOP中相當(dāng)數(shù)量的宏塊擁有相同運(yùn)動特性時， GMC就可以顯著的提高壓縮效率。

3 軟件移植及優(yōu)化

由于DSP不同于普通的PC環(huán)境，因此簡單的將代碼放到DSP上去編譯，運(yùn)行效率低甚至不能運(yùn)行，必須進(jìn)行適合DSP特點(diǎn)的代碼移植、改寫和優(yōu)化工作，才能達(dá)到實(shí)時性要求。

3. 1 軟件移植

為使代碼適合在DSP平臺上運(yùn)行，首先刪除程序代碼中大量的printf等調(diào)試信息，對必要的信息輸出改用puts，以減少函數(shù)開銷;對double類型數(shù)據(jù)改用long類型定義;刪除不必要的浮點(diǎn)運(yùn)算（如PSNR的計(jì)算） ，必要的浮點(diǎn)運(yùn)算通過定標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

3. 2 存儲器優(yōu)化

C6416DSP有1MB 的片上存儲空間，最大能以CPU時鐘頻率進(jìn)行訪問。在DSK上集成了16Mb/s的SDRAM，可通過EM IFA以100MHz的頻率進(jìn)行訪問。訪問速度上存在的差異以及CPU尋址外部存儲空間將導(dǎo)致流水線停止數(shù)個周期，因此，如何合理利用C6416的片上存儲空間和二級緩存結(jié)構(gòu)成了非常關(guān)鍵的因素。將1MB的存儲空間分為256k的L2CACHE和768 k的L2SRAM，代碼段、全局?jǐn)?shù)據(jù)等放在片內(nèi)存儲器L2SRAM 上， 外部SDRAM 設(shè)定為可高速緩存（Cacheable）以提高訪問效率。這些設(shè)置可以通過調(diào)用CSL （Chip Support Library）庫函數(shù)來完成：

#include

#include

CSL_init （ ） ;

CSL_enableCaching（CACHE_EM IFA_CE00） ;

CACHE_setL2Mode （CACHE_256 k CACHE） 。

3. 3 項(xiàng)目級優(yōu)化

TI為其集成編譯環(huán)境CCS提供了一系列的編譯優(yōu)化參數(shù)，可根據(jù)代碼性能要求進(jìn)行選取。因此可以通過不斷對各個參數(shù)（ - mw， - pm， - o3， - mt等）進(jìn)行組合、優(yōu)選，這可以通過CCS 2. 20的PBC選項(xiàng)來完成。同時在代碼鏈接過程中，對代碼段鏈接順序進(jìn)行一定的安排，可以減少程序執(zhí)行時代碼調(diào)用帶來的緩存缺失，提高程序的執(zhí)行效率。

3. 4 代碼優(yōu)化

代碼優(yōu)化是MPEG-4 ASP視頻編碼器軟件開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，未經(jīng)過優(yōu)化的代碼在DSK平臺上的執(zhí)行效率很低，平均約25s才進(jìn)行一幀編碼，而實(shí)時性的指標(biāo)為每秒25幀以上。

（1）使用TI庫函數(shù)

TI提供了圖像處理函數(shù)庫IMGL IB，可以調(diào)用其中的函數(shù)進(jìn)行FDCT和IDCT變換。

（2）對C代碼進(jìn)行改寫

首先對程序中的循環(huán)操作進(jìn)行分解展開，對不能展開的循環(huán)則合理安排循環(huán)內(nèi)外層，以更大程度地提高流水效率。C6000的編譯器還提供了許多內(nèi)聯(lián)函數(shù)（ intrinsics） ，這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)能直接映射到對應(yīng)的匯編指令，提高程序的效率。同時可利用編譯指示偽語句（ Pragma Directive）向編譯器提供一些先驗(yàn)知識，以提高編譯效率。如用#p ragma （minimum value， maximumvalue， factor）向編譯器指出循環(huán)執(zhí)行的信息，這樣便于編譯器利用數(shù)據(jù)打包等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以計(jì)算宏塊中像素同均值偏差的dev16函數(shù)為例，采用了以上方法改寫后，函數(shù)執(zhí)行周期數(shù)由277 個cycles變?yōu)?30個cycles （同在o3條件下） ，性能提升超過50%。

（3）進(jìn)行線性匯編改寫

線性匯編是針對C6000 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的介于C和匯編語言之間的一種編程語言，其編譯效率能達(dá)到匯編代碼的90%以上。同時C64x系列DSP針對圖像和視頻應(yīng)用增加了許多特有的指令，使得這些應(yīng)用的代碼編寫效率得到了提高。如在ASP視頻編碼器中，半像素插值使用的avgu4、shrmb、unpklu4 和unpkhu4指令，計(jì)算SAD 時用到的dotpu4、subabs4 指令，圖像重建時用到的SPACK2指令等等。也方便了代碼的編寫，如ME （Motion Estimation運(yùn)動估計(jì)）時在參考圖像幀中進(jìn)行像素值讀取的LDNDW 指令，解決了參考圖像中數(shù)據(jù)不滿足雙字對齊的問題。下面給出了將函數(shù)transfer_16 to8copy（ ）通過線性匯編改寫后的代碼，同在o3選項(xiàng)下，線性匯編代碼只需C代碼15. 8%的指令周期。表1給出了部分代碼改寫前后的性能對比（同在o3優(yōu)化選項(xiàng)下） 。

。 global _transfer_16 to8copy

_transfer_16 to8copy： 。 cp roc dst， src， stride

。 reg pdst， p src， count

。 reg ahi： alo， bhi： blo， chi： clo

mvk 8， count

mv dst， pdst

mv src， p src

loop： 。 trip 8， 8

lddw 3 *psrc， ahi： alo

spacku4 ahi， alo， blo; keep the value

in the range 0 - 255

lddw 3 *+psrc （8） ， chi： clo

spacku4 chi， clo， bhi

stdw bhi： blo， 3 pdst

add pdst， stride， pdst

add p src， 16， p src

［count ］ sub count， 1， count

［ count ］ b loop

。 endp roc

3. 5 數(shù)據(jù)搬移優(yōu)化

由于片上存儲空間有限，因此只能將參考圖像及重建圖像等數(shù)據(jù)放在外部SDRAM中，但也導(dǎo)致了訪問外部存儲器時帶來的巨大開銷。而C64x具有的EDMA和QDMA只需花費(fèi)數(shù)個時鐘周期進(jìn)行參數(shù)初始化后，就可以在CPU 后臺進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)搬移操作，提高了程序執(zhí)行效率。針對簡單的數(shù)據(jù)搬移，可以利用CSL庫提供的DAT函數(shù)進(jìn)行。以一段簡單的2D數(shù)據(jù)搬移為例，給出利用QDMA后的實(shí)現(xiàn)代碼：

unsigned int transferID = DAT_open （DAT_CHAA-NY，DAT_PR I_LOW，DAT_OPEN_2D） ;

DAT_copy2d （DAT_2D2D， con， ref， 16， 16，width） ;

DAT_wait （ transferID） 。

對復(fù)雜的數(shù)據(jù)搬移，可以采用多通道的EDMA來實(shí)現(xiàn)。EDMA提供了linking和chaining的機(jī)制，在部分?jǐn)?shù)據(jù)搬移完成后，自動對EDMA鏈路或通道參數(shù)進(jìn)行更新載入，無需CPU干預(yù)，特別適合進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)搬移。然而需要注意，由于SDRAM中的待搬移數(shù)據(jù)在L2CACHE中存在副本，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移前，需對L2CACHE和SDRAM中的待搬移數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性操作（Coherence Operations） ，否則將得不到正確的結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過上面提到的軟件優(yōu)化方法，在C6416 DSK上對MPEG - 4視頻編碼器進(jìn)行了仿真。為了得到編碼信息，如峰值信噪比（ PSNR） ，在代碼中臨時加入了calc_p snr （ ）函數(shù)，以便于對ASP編碼器和SP編碼器進(jìn)行性能比較。以352 ×288大小的CIF格式foreman視頻序列為例，在編碼碼率為256 K時，對分別支持GMC、QPEL和B - VOP以及同時支持上述3 個工具的ASP編碼器和SP編碼器進(jìn)行了性能對比（ SP編碼形式為“IPPPP.”， ASP使用B - VOP時為“ IBBPBB-

PBBP.”） 。

表2給出了得到的編碼文件長度，可以看出ASP編碼器相比SP編碼器其存儲空間要求更小，而圖像質(zhì)量變化不大，因此更適合于數(shù)碼攝像等嵌入式場合的應(yīng)用。

圖1 對ASP編碼器（支持B -VOP、GMC 及QPEL） 與SP 編碼器進(jìn)行了比較， 可以看出前者在PSNR性能上較后者平坦，均方差較小，圖像質(zhì)量更為穩(wěn)定。

圖1 foreman序列ASP和SP視頻編碼器PSNR性能比較

雖然壓縮效率提升，但導(dǎo)致計(jì)算量上升，并且由于編碼時采用了B-VOP增加了后向預(yù)測，編碼時延增大，圖像幀速率有所降低。

5 結(jié)束語

由于ASP視頻編碼器具有更高的壓縮效率，雖然在編碼速度上有所降低，時延增大，但仍能在DSP上進(jìn)行實(shí)時編碼，因此適合在存儲容量受限的場合（如數(shù)碼攝像、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域）應(yīng)用。

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