基于数字信号处理器实现MPEG4视频编码器的软硬件设计

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。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

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。

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。