解析H．264视频编解码DSP实现与优化

引言

　　基于互联网的数字视频产业前景看好，而3G的规模部署，也会推动移动视频通信成为现实。但数字化后的视频图像具有数据海量性，给图像的存储和传输造成较大的困难。数字视频产业，是指数字内容中以数字视频形态为主的文化创意和传播产业，及其必需依赖的多学科高科技技术支撑和保障服务产业。为此，该专家组基于帧内图像相邻像素间及相邻行间的空间相关性和相邻帧间运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术，将那些对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了存储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，使数字化正在变为现实。数字视频压缩编码技术是解决这一问题的关键技术。H.264以其良好的网络适应性和高编码压缩效率，灵活的语法配置，在视频处理领域比以往的视频编码标准更加适合视频处理的发展方向，更加适合不同应用环境的对象。进一步提高了编码算法的压缩效率和图像回放质量。在肉眼主观感受相同的情况下，H.264较之H.263的编码效率提高了50%左右。

　　利用高性能数字信号处理器（DSP）来实现H.264实时编码器是一种快速有效的方法，有助于H.264视频标准的迅速推广和应用，也指明了视频图像压缩领域最新的研究方向。数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

　　1 H.264编码的关键技术

　　1.1 基于灵活分割宏块（MB）的运动矢量估计和补偿以及增加变换的压缩效果

　　H.264根据宏块的编码特性采用亮度块直流变换，色度块直流变换与普通差值变换相结合的方法。在运动估计时，H.264信源编码采用基于4×4块的整数变换，可以灵活地选择块的大小。而其他标准处理的像素块大小均为16×16或者8x8.H.264以可变大小的块来适应不同应用环境和要求，采用16×16,16×8,8×16,8×8四种模式；当划分为8×8模式时，又可进一步采用8×4,4×8,4×4三种子宏块划分模式进一步划分，如图1所示。根据需要由不同尺寸的宏块来执行，采用整数变换既可以使运动物体的划分更加精确，不可以减小运动物体边缘的衔接误差，处理好需要更多运动细节的场合，即以引入更小运动补偿块可以提高一般和特殊情况下的预测质量，它可以提高主观视觉效果，同时又减小了变换过程中的计算量。实验表明，应用7种不同大小和形状的块可以比单一利用16×16块进行的编码提高15%以上的压缩率。

　　1.2 支持l/4像素或l/8像素精度的运动估值

　　运动估计与补偿算法是目前视频压缩技术中最为关键的部分，影响着编码的速度、质量和码率，其编码的复杂度也是整个编码系统中最高的。

　　在H.264中通过6阶FIR滤波器的内插获得1/2像素位置的预测值。FIR（Finite Impulse Response）滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。当获得1/2像素值后，通过取整数像素位置和1/2像素位置像素值均值的方式获得l/4像素位置的值。在高码率情况下，提供1/8像素精度的运动估计。采用高精度运动估计会进一步减小帧间预测误差，减少经变换和量化后的非0比特数，提高了编码效率。利用1/4像素空间精度可以比原有的一个像素精度（整数精度）预测提高20%的编码效率。

　　1.3 多参考帧预测

　　参考帧是帧间预测编码，也就是运动补偿的基础，根据它与待预测帧之间的位置关系，可分为前向参考帧和后向参考帧。

以往的编解码技术在对P帧图像进行帧间预测时，只允许以参考前一帧图像进行编码，即以前一个I图像或P图像为参考帧，在对B图像进行预测时，只允许参考前后帧图像进行编码，即以前后两个I图像或P图像为参考图像。H.264则打破了这些限制，允许在从当前帧的前几帧中选择一帧作为参考帧图像，对宏块进行运动预测，当选用多参考帧模式