基于TMS320DM642的MPEG4编码器设计与实现

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。文献[1]曾提出了一种基于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。