基于DSP和FPGA的視頻編碼器

2 視頻壓縮算法優(yōu)化

(1)MPEG-4數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)表明,如果代碼和代碼要訪問的數(shù)據(jù)在C6201片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)(PRAM和DRAM),其代碼執(zhí)行速度要比代碼和數(shù)據(jù)在片外同步SDRAM中平均快17倍(片內(nèi)總線寬度為256位,數(shù)據(jù)訪問為1個(gè)CPU周期)。因此,將執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)放到片內(nèi)將大大提高程序的運(yùn)行速度。

在MPEG-4算法中,由于沒有考慮存儲(chǔ)器的限制,算法每次讀入一幀YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。但對(duì)于C6201來說,片內(nèi)只有64K字節(jié)DRAM,不可能一次將一幀數(shù)據(jù)讀到片內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行壓縮。如果將一幀數(shù)據(jù)一次讀到片外存儲(chǔ)器(SDRAM)中進(jìn)行壓縮,又會(huì)大大降低代碼的執(zhí)行速度,因此,我們對(duì)視頻壓縮算法進(jìn)行了改進(jìn),一次對(duì)一個(gè)切片(slice)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼,并將壓縮碼流數(shù)據(jù)直接送入到發(fā)送緩沖區(qū)中。

編碼器一次將一個(gè)切片的YUV數(shù)據(jù)(當(dāng)前幀)讀入到片內(nèi)存儲(chǔ)器中,然后根據(jù)計(jì)算決定切片宏塊的編碼類型(幀內(nèi)/幀間編碼)。如果宏塊進(jìn)行幀內(nèi)編碼,則YUV數(shù)據(jù)被分成8×8的像素塊(一個(gè)宏塊包含4個(gè)Y分量像素塊和2個(gè)UV分量像素塊)進(jìn)行DCT變化,以消除圖像空間冗余信息。DCT變化后的系數(shù)經(jīng)過量化后進(jìn)行游程編碼(RunLengthCoding即RLC)和變長(zhǎng)編碼(VariableLengthCoding,即VLC),變長(zhǎng)編碼的結(jié)果送入到視頻發(fā)送緩沖區(qū)中。與此同時(shí),量化后的DCT系數(shù)經(jīng)過反量化(結(jié)果放入內(nèi)存B中)和反DCT過程形成重建幀,重建幀用作下一幀的參考幀。

如果宏塊進(jìn)行幀間編碼,則以宏塊為單位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì),根據(jù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的結(jié)果建立預(yù)測(cè)幀。當(dāng)前幀和預(yù)測(cè)幀的差值形成了殘差幀(residue frame),殘差幀的編碼過程與幀內(nèi)編碼過程相同。

(2)宏塊編碼類型判別算法

在MPEG-4算法中采用了快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法,但是在進(jìn)行宏塊編碼類型判別時(shí)計(jì)算量仍然很大。為此,本文提出了基于宏塊空間復(fù)雜度的判別算法MTJBSC,進(jìn)一步降低了運(yùn)動(dòng)估計(jì)過程中的計(jì)算量。

在編碼P幀宏塊的時(shí)候,首先要決定宏塊是進(jìn)行幀內(nèi)編碼還是幀間編碼。在標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4算法中是通過以下方法決定的[5]:

設(shè)參考宏塊的像素值(Y分量值,以下同)用P(x,y)表示,當(dāng)前宏塊的像素值用C(x,y)表示,x,y表示宏塊的縱、橫坐標(biāo),M,N表示宏塊的寬和高。當(dāng)前宏塊像素值的方差用EVAR表示,其值為

參考宏塊和當(dāng)前宏塊的方差用EVMC表示,其值為

EVMC值越小(比如EVMC

if(EVMC>EVARandEVMC≥9)then幀內(nèi)編碼else幀間編碼

顯然,在MPEG-4算法中,為了判斷宏塊的編碼模式進(jìn)行了大量的計(jì)算(對(duì)于每一個(gè)P幀宏塊都要進(jìn)行上面的計(jì)算)。為了減少計(jì)算復(fù)雜度,本文提出了基于宏塊空間復(fù)雜度(EMBC)的宏塊類型判斷(MTJBSC)算法,用以判斷P幀宏塊的幀內(nèi)/幀間編碼模式。

定義宏塊的空間復(fù)雜度為水平方向上相鄰像素差值的絕對(duì)值之和,即

在基于幀間差原理進(jìn)行視頻壓縮的MPEG標(biāo)準(zhǔn)中,一般都是采用絕對(duì)差總合(ESAD)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的。在MPEG標(biāo)準(zhǔn)中,宏塊的ESAD值定義為

式中:m,n為該宏塊的運(yùn)動(dòng)向量。

根據(jù)上述定義,MTJBSC算法可簡(jiǎn)單描述為:

如果宏塊的ESAD小于其EMBC,則該P(yáng)幀宏塊進(jìn)行幀間編碼;否則進(jìn)行幀內(nèi)編碼。實(shí)驗(yàn)表明,在壓縮質(zhì)量和壓縮輸出碼率均沒有大的變動(dòng)的情況下,該算法有效降低了視頻編碼器的計(jì)算復(fù)雜度,編碼器的壓縮幀率(f/s)得到明顯提高。