基于Blackfin533的H.264编码

黄晓伟、张 莹、陈 峰

(清华大学 自动化系, 北京 100084)

　　随着计算机网络和多媒体技术的发展,数字视频的应用越来越广泛,如DVD、网络会议服务、数字电视等。在这些视频处理与通信中,有效的视频编码是其关键技术。
　　H.264/AVC是ITU-T视频编码专家组和ISO/IEC运动图像专家组联合提出的最新一代的视频编码标准。H.264具有许多优良的性能[1]:压缩比更高,与现有编码标准(H.263、MPEG-4 Simple Profile)相比,在相同视频质量下,能节省大约50%的码流,图像质量更好,适应性更广,能较好地满足实时(视频会议)及非实时(存储、广播等)等各种应用。在DSP上实现H.264的实时编码具有较大的工程意义及经济价值。

1 H.264标准简介及DSP平台
1.1 H.264标准简介

　　H.264是ITU-T和ISO/IEC联合制定的最新的视频编码标准,于1997年由ITU-T提出,2003年3月形成最终标准草案。它包含了视频压缩领域的许多最新研究成果,主要采用了下面的技术[1]:
　　(1) 将编码分为编码层VCL(Video Coding Layer)和传输层NAL(Network Abstraction Layer)。将编码层和传输层分离,有利于H.264的扩展。
　　(2) H.264采用了空域内的帧内预测,共两种预测模式:intra16×16和intra4×4。其中intra16×16有四种预测方式,intra4×4有九种预测方式。
　　(3) 对于帧间预测,增加了预测模式,共七种预测模式。预测块从16×16可以最小细分为4×4。
　　(4) 增加了参考帧的数目,使预测更为准确。
　　(5) 将去块效应滤波放在编码环内,提高图像的主观质量。
　　(6) B帧可以作为参考帧,同时将图像的解码顺序与显示顺序分离。
　　(7) 采用整系数变换,提高变换速度。
　　(8) 采用CAVLC、CABAC等新的熵编码方法以提高编码效果。
　　(9) 提高了码流的抗误码能力,如对编码数据进行分割,一帧图像可以灵活地分为几个slice等。

1.2 基于Blackfin533的DSP平台

　　Blackfin533是ADI公司Blackfin系列中的一款高性能视频处理芯片。其主频最高能达600MHz,每秒可处理1200M次乘加运算。具有大量针对视频的专用指令,可以并行处理多条指令。
　　从总体上看,Blackfin533分为内核和系统接口两大部分。内核指处理器、L1存储器、事件控制器、内核定时器等;系统接口指SPORT接口、PPI接口、SPI接口、外部存储控制器、DMA控制器及与它们接口的外部资源等。
　　Blackfin533开发平台原理图如图1所示。摄像头输出的模拟视频信号经7113视频芯片转化为数字信号,此信号从Blackfin533的PPI接口进入Blackfin533,压缩后的码流由PCI桥传给PC机。此系统通过Flash启动,编码过程中的原始图像、参考帧及其他变量存储在SDRAM中。
　　图2为H.264编码系统的视频输入模块。7113芯片从视频端子读入摄像头输出的模拟信号,通过并口将数字信号输出给Blackfin533。Blackfin533通过I2C总线对7113进行配置,使其输出YUV模式、ITU656模式及增强ITU656模式等。


图1 Blackfin533平台总体框架图

图2 视频输入模块

图3 H.264编码模块图

2 H.264编码器的优化
2.1 总体优化

　　总体优化主要包括两部分内容:程序模块化的设计及数据结构的设计。
　　程序模块化设计时,既要考虑模块的独立性,又要考虑模块的完整性。笔者的H.264的模块关系图如图3所示。视频输入模块负责图像序列的读取,从PPI口进入的图像首先保存到外部存储器,再进行编码。读入的图像经帧间模式选择和帧内模式选择模块,得到每个宏块的预测模式。整系数变换、量化模块对预测后的残差进行整系数变换及量化处理。量化后的系数经过扫描后,在编码模块中进行UVLC编码。最后由写码流模块输出。其中,去块效应滤波模块对反量化、整系数逆变换后的重建图像进行滤波;图像缓存管理模块负责管理对参考图像的存取。从图3中可以看出,整系数变换与量化结合在一起作为一个模块。主要因为:一方面H.264中,量化和整系数变换本身就部分结合在一起;另一方面这样可以在寄存器中一起完成变换、量化,有助于减少数据的存储次数和读取时间。对于反量化、整系数逆变换,采用相似的设计思路。
　　数据结构的设计是H.264编码的重要组成部分。合理的数据结构既有利于提高数据访问的速度又有利于程序的不同平台的移植。主要有以下原则:尽可能连续存放数据,这样有利于用DMA方式对数据进行读取;每种数据结构完成相对简单的功能,这样便于对不同数据结构的数据进行管理。如表示帧间模式的InterMode、帧内模式的IntraMode需要放在片内存储器中以加快读取速度,而参考帧的数据ImgData由于数据太大则需要放在片外存储器中;尽可能使用短的数据类型,节省DSP的存储空间。