基于DM642的X264開源代碼實(shí)現(xiàn)的研究

引言

H.264/AVC是ISO/IEC和ITU-T兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。它引入多種宏塊劃分、多模式的幀內(nèi)和幀間預(yù)測編碼、高精度亞像素運(yùn)動估計(jì)、多參考幀運(yùn)動補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，提高了壓縮比；采用整數(shù)DCT變換，避免了精度的損失。在碼流結(jié)構(gòu)上，提出VCL層和NAL層的概念，其中增加的NAL層負(fù)責(zé)將編碼器的輸出碼流適配到各種類型的網(wǎng)絡(luò)中，提供了友好的網(wǎng)絡(luò)接口。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)提供的許多工具如參數(shù)集、靈活的宏塊排列次序、冗余片等，使得H.264的碼流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)具有更強(qiáng)的抗誤碼性能。基于H.264的實(shí)時(shí)編解碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)前視頻通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

1、H.264開源代碼簡介

H.264所具有的獨(dú)特優(yōu)勢促進(jìn)了與之對應(yīng)的開源軟件的開發(fā)與應(yīng)用。目前常見的H.264開源軟件編解碼器有以下三種 ：

1）JM

H.264的官方測試源碼，由德國HHI研究所負(fù)責(zé)開發(fā)。該代碼旨在實(shí)現(xiàn)H.264的所有特性，因而結(jié)構(gòu)冗長，編碼復(fù)雜度極高，多用于學(xué)術(shù)研究，不適于實(shí)際應(yīng)用。

2）X264

X264是由法國巴黎中心學(xué)校的中心研究所于2004年6月發(fā)起，并由許多視頻編碼愛好者共同完成的項(xiàng)目。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)用的264編碼器，所以它引入MMX、SSE等匯編指令來提高編碼速度，同時(shí)摒棄了一些耗時(shí)但對編碼性能提高微小的模塊，如多參考幀等。

3）T264

由中國視頻編碼自由組織聯(lián)合開發(fā)的H.264編解碼器。它和X264一樣注重實(shí)用，吸收了JM、X264、XVID的優(yōu)點(diǎn)。但其解碼器只能解T264編碼器生成的碼流。

2、X264代碼分析

本文所介紹的X264為060418版，下文所提到的程序結(jié)構(gòu)和運(yùn)行結(jié)果如不作特殊說明均針對該版本。

代碼的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 X264編碼流程圖

整個代碼的執(zhí)行可以分為以下三個部分：

1）數(shù)據(jù)的讀入與存放

X264開辟了unused、next、current、reference等區(qū)域分別保存未處理原始圖片序列、即將編碼幀序列、當(dāng)前編碼幀和參考幀序列，同時(shí)還開辟了fenc和fdec區(qū)域用于存放已編碼幀和重構(gòu)幀。

程序按以下順序讀入數(shù)據(jù)：首先，從YUV數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)存到臨時(shí)變量pic_in，同時(shí)為unused開辟存儲空間，并用fenc指針指向這個空間。接著，將pic_in中的圖片數(shù)據(jù)拷貝到fenc所指向的區(qū)域，并在拷貝完成后對圖片大小進(jìn)行判斷，如果長寬不為16的整數(shù)倍則進(jìn)行像素?cái)U(kuò)展；將處理后的fenc區(qū)域數(shù)據(jù)放入next區(qū)域。之后，如果存在B幀，則從next區(qū)域取出B幀以后的P幀放到current區(qū)域中，也就是說先編碼I、P幀再編碼之間的B幀；否則，直接從next區(qū)域取出一幀存入current區(qū)域。此時(shí)current區(qū)域中存放的就是已經(jīng)過預(yù)處理的即將要編碼的幀數(shù)據(jù)了。最后，由于fenc區(qū)域是編碼的直接對象，再將current區(qū)域中的內(nèi)容拷貝到fenc中正式開始編碼。

2）數(shù)據(jù)的壓縮編碼

①判斷幀類型，初始化相關(guān)參數(shù)

如果是IDR幀，意味著是一個新切片的開始。在H.264中為了防止編碼錯誤擴(kuò)散規(guī)定當(dāng)前切片不以本切片以外的其它幀為參考，因而遇到IDR幀需要重置參考幀區(qū)域。同時(shí)，將SEI（Sequence Enhancement Information）、SPS（Sequence Parameter Set）和PPS（Picture Parameter Set）分別單獨(dú)寫入NAL單元。這三個參數(shù)集集合了編解碼的核心參數(shù)，直接關(guān)系解碼端能否正常解碼。如果不是IDR幀，依據(jù)幀類型設(shè)定當(dāng)前NAL單元的類型和切片類型。

接著進(jìn)行一系列初始化參數(shù)的操作，包括建立關(guān)于參考幀的list0和list1，初始化量化參數(shù)QP、MV、參考幀等相關(guān)變量，初始化比特流的起始位置和大小等。

②以宏塊為單位對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼

在進(jìn)行預(yù)測編碼之前必須得到周圍塊的相關(guān)信息。在X264中開辟了intra4x4_pred_mode和non_zero_count區(qū)域用來存放當(dāng)前宏塊左側(cè)和上側(cè)相鄰宏塊的預(yù)測模式和非零值個數(shù)。在編碼開始之前通過x264_macroblock_cache_load()函數(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)載入緩存。然后，利用x264_macroblock_analyse()函數(shù)分析參數(shù)，確定最佳編碼模式。I片從9種4x4模式和4種16x16模式中選擇模式； P片選擇幀間預(yù)測模式下的宏塊分割方式或幀內(nèi)預(yù)測模式下的4x4模式和16x16模式。接著，用x264_macroblock_encode()函數(shù)對宏塊進(jìn)行編碼。編碼過程嚴(yán)格按照編碼框架中規(guī)定的DCT變換、zigzag掃描和熵編碼的過程以先亮度塊再色度塊的順序進(jìn)行。需要聲明的是編碼過程對DC參數(shù)和AC參數(shù)的處理是分開進(jìn)行的：首先對整個宏塊進(jìn)行DCT變換，然后將亮度塊和色度塊的DC參數(shù)抽出分別組成44和22的子塊并對剩余AC參數(shù)進(jìn)行量化掃描，接著對DC子塊再進(jìn)行Hadmard變換、量化、zigzag掃描、反變換、反量化，再對剩下的AC參數(shù)進(jìn)行反量化，最后將處理后的DC子塊和AC子塊重新組合并對組合后的宏塊進(jìn)行IDCT變換。

以上過程完畢以后，統(tǒng)計(jì)CBP（Coded Block Pattern）信息。CBP一共6bit，用于表示當(dāng)前宏塊是否存在非零值，主要用于決定熵編碼時(shí)采用的碼表。其中，高2bit表示2個88色度塊的CBP (2：Cb、Cr中至少一個44塊的AC系數(shù)不全為0；1：Cb、Cr中至少一個22的DC系數(shù)不全為0；0：所有色度系數(shù)全0）。低4bit分別對應(yīng)4個88亮度塊，第i位（ｉ= 0、1、2、3）表示一個MB中第i行的4個44子塊是否有非零參數(shù)。若存在非零值，則將相應(yīng)位置1。將各子塊的非零值個數(shù)保存到non_zero_count區(qū)域。使用先前得到的CBP查相應(yīng)碼表進(jìn)行熵編碼，將編碼參數(shù)和編碼數(shù)據(jù)寫入比特流。

③保存編碼信息

利用x264_macroblock_cache_save()函數(shù)將當(dāng)前MB最下一行和最右一列的子塊的編碼模式保存到intra4x4_pred_mode，將子塊非零參數(shù)的個數(shù)保存到non_zero_count中，以備下一次預(yù)測編碼采用。最后，統(tǒng)計(jì)MB信息，更新參考幀列表，并從unused區(qū)域取出新的幀放入fenc區(qū)域以備下次編碼。

3）數(shù)據(jù)的輸出

對NAL編碼數(shù)據(jù)加上NAL頭信息組成完整的NAL單元，輸出到本地文件。

3、X264在TMS320DM642平臺上的移植與優(yōu)化

原始的X264代碼是基于PC平臺的，程序通過采用MMX和SSE語言編寫SAD、DCT等函數(shù)使X264具有很高的編碼速度。而在實(shí)際應(yīng)用中，要想實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)H.264的復(fù)雜算法，必須借助DSP這樣具有超強(qiáng)運(yùn)算能力的嵌入式平臺。本文采用TMS320DM642開發(fā)板作為實(shí)現(xiàn)和開發(fā)的平臺，并在其上進(jìn)行代碼的移植和優(yōu)化。

1）TMS320DM642硬件平臺簡介

TMS320DM642是一款基于TI 的第二代高性能超長指令字(VLIW) 架構(gòu)VelociTI.2(tm)的高性能DSP，該器件是目前計(jì)算密集型視頻/圖像應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇，其主要特點(diǎn)如下 ：

① 增強(qiáng)功能單元：DM642 的8 個功能單元中的VelociTI.2 擴(kuò)展包括加速視頻與影像應(yīng)用性能的新指令。

② L1/L2 分級存儲器結(jié)構(gòu)：16 KB 直接映射的L1P 程序高速緩存，16 KB 雙路關(guān)聯(lián)L1D 數(shù)據(jù)高速緩存，256 KB L2 統(tǒng)一映射RAM/高速緩存(靈活的RAM/緩存分配)。

③ 64 位外部存儲器接口(EMIF)：可實(shí)現(xiàn)與異步存儲器和同步存儲器無縫連接。

④ 增強(qiáng)型直接存儲器存取(EDMA)控制器(64個獨(dú)立通道)。

以DM642為硬件平臺開發(fā)視頻編碼器，開發(fā)者可以充分利用其硬件特性，提高視頻編解碼算法的運(yùn)算速度。

2）X264的移植

由于適用于PC機(jī)通過MMX和SSE編寫的代碼在DSP上無法運(yùn)行，想要使X264代碼在DM642上運(yùn)行，必須將原來的代碼加以修改使其變成純C語言的代碼。具體做法是：在X264代碼中將HAVE_MMX編譯選項(xiàng)屏蔽，同時(shí)將代碼中與該編譯選項(xiàng)相關(guān)的代碼注釋掉。當(dāng)程序成為純C代碼時(shí)，就可以開始往DM642上移植了。

然而，DSP開發(fā)工具CCS有自己的ANSI C編譯器和優(yōu)化器，并有自己的語法規(guī)則和定義。所以需要將代碼作相應(yīng)修改，使其完全符合DSP中C的規(guī)則，同時(shí)要配置CCS的編譯選項(xiàng)，才能使X264在CCS和VC下運(yùn)行產(chǎn)生的結(jié)果一致。這個過程稱為代碼的DSP化。

由于純C語言編寫的程序無法利用DSP的并行處理機(jī)制，此時(shí)代碼的運(yùn)行速度非常慢。在DM642平臺上，對相同的YUV數(shù)據(jù)（此處采用container.qcif）進(jìn)行編碼，若采用帶X86匯編的X264代碼（DCT和SAD部分采用匯編代碼）在VC環(huán)境下運(yùn)行，編碼速度能達(dá)到QCIF 60fps；若將代碼改為純C語言仍然在VC下運(yùn)行，則編碼速度馬上降到QCIF 10fps ；將該代碼稍作修改移植到DM642的硬件平臺，用CCS編譯，編碼速度僅能達(dá)到1幀/6秒。這樣的速度離實(shí)時(shí)處理的目標(biāo)還非常遙遠(yuǎn)。

所以，必須結(jié)合DSP本身的特點(diǎn)，對代碼進(jìn)行優(yōu)化，才能在DM642平臺上實(shí)現(xiàn)X264對視頻圖像的實(shí)時(shí)處理。

3）X264的優(yōu)化

X264代碼的優(yōu)化分為三個層次：項(xiàng)目級優(yōu)化，算法級優(yōu)化和指令級優(yōu)化。

①項(xiàng)目級優(yōu)化：主要通過設(shè)置CCS編譯器的選項(xiàng)，調(diào)整代碼結(jié)構(gòu)和合理分配內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)。如設(shè)置-o3選項(xiàng)，將常用數(shù)據(jù)分配到訪問速度高的片內(nèi)內(nèi)存等。

②算法級優(yōu)化：提出快速高效算法，從算法上挖掘潛力，提高運(yùn)行速度，達(dá)到優(yōu)化目的。用X264支持的4種運(yùn)動估計(jì)算法（菱形搜索算法、六邊形搜索算法、非對稱十字型多層次六邊形格點(diǎn)搜索算法和連續(xù)消除法）處理同樣的YUV數(shù)據(jù)（此處仍為container.qcif），編碼速度分別為13fps、11fps、9fps和4fps，可見不同的運(yùn)動估計(jì)算法引起的編碼速度的差別非常明顯。

③指令級優(yōu)化：這部分又可以分為C語言級的優(yōu)化和匯編級的優(yōu)化。前者主要包括消除冗余代碼、調(diào)整數(shù)據(jù)類型、優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、打開for循環(huán)和充分利用內(nèi)聯(lián)函數(shù)等操作。后者主要是將耗時(shí)函數(shù)抽取出來，用線性匯編改寫，充分利用豐富的媒體處理指令，最大限度的利用DSP的并行性，加快編碼速度。匯編級優(yōu)化涉及到的主要部分有SAD計(jì)算、DCT變換、反DCT變換、量化等過程比較規(guī)范，重復(fù)性比較高的計(jì)算過程。

4、結(jié)束語

目前，H.264視頻編碼技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢，受到業(yè)界幾乎所有主流視頻相關(guān)設(shè)備、產(chǎn)品廠商的支持。由于完全獨(dú)立開發(fā)編解碼器所需要的人力和物力都很大，許多公司和團(tuán)體都采用直接修改移植開源代碼的方式以求縮短開發(fā)周期。在目前可選的幾種開源代碼中， X264以其結(jié)構(gòu)精簡適于應(yīng)用的特點(diǎn)，成為眾多團(tuán)體選擇的對象。熟悉X264代碼，以此為基礎(chǔ)將其移植到DSP平臺并進(jìn)行優(yōu)化，對構(gòu)建高效的多媒體平臺具有一定的實(shí)際意義。

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