基于ADSP-BF561的H.264视频编码器系统的实现

H.264／AVC是ITU-TVCEG和ISO／IECMPEG联合制定的最新视频编码国际标准，是目前图像通信研究领域的热点技术之一。H.264的视频编码层(VCL)采用了许多新技术，因而使其编码性能有了大幅度提高。但这是以复杂度的成倍增加为代价的，这也使得H.264在实时视频编码及传输应用中面临着巨大的挑战。因此，要满足图像压缩的实时性要求，就需要对现有的H.264编解码器进行优化。本文主要讨论H.264系统的硬件平台和任务流程，并针对基于DSP硬件平台的特点，介绍了从代码级对算法进行优化，进一步提高编码算法的运算速度，实现H.264实时编码的具体方法。由于ADIBlackfin561是AD公司推出的一款高性能的数字信号处理器，它具有600MHz的主频。为此，本文选择其作为硬件平台，来探索在资源有限的DSP平台上实现H.264编码器的有效途径。

1硬件平台

1.1ADSP-BF561处理器

Blackfin561是Blackfin系列中的一款高性能定点DSP视频处理芯片。其主频最高可达750MHz，其内核包含2个16位乘法器MAC、2个40位累加器ALU、4个8位视频ALU，以及1个40位移位器。该芯片中的2套数据地址产生器(DAG)可为同时从存储器存取双操作数提供地址，每秒可处理1200M次乘加运算。芯片带有专用的视频信号处理指令以及100KB的片内L1存储器(16KB的指令Cache，16KB的指令SRAM，64KB的数据Cache／SRAM，4KB的临时数据SRAM)、128KB的片内L2存储器SRAM，同时具有动态电源管理功能。此外，Blackfin处理器还包括丰富的外设接口，包括EBIU接口(4个128MBSDRAM接口，4个1MB异步存储器接口)、3个定时／计数器、1个UART、1个SPI接口、2个同步串行接口和1路并行外设接口(支持ITU-656数据格式)等。

Blackfin处理器在结构上充分体现了对媒体应用(特别是视频应用)算法的支持。

1.2基于ADSP-BF561的视频编码器平台

Blackfin561视频编码器的硬件结构如图1所示。该硬件平台采用ADI公司的ADSP-BF561EZ-kitLite评估板。此评估板包括1块ADSP-BF561处理器、32MBSDRAM和4MBFlash，板中的AD-V1836音频编解码器可外接4输入／6输出音频接口，而ADV7183视频解码器和ADV7171视频编码器则可外接3输入／3输出视频接口此外，该评估板还包括1个UART接口、1个USB调试接口和1个JTAG调试接口。在图1中，摄像头输入的模拟视频信号经视频芯片ADV7183A转化为数字信号，此信号从Blackfin561的PPI1(并行外部接口)进入Blackfin561芯片进行压缩，压缩后的码流则经ADV7179转换后从ADSP-BF561的PPI2口输出。此系统可通过Flash加载程序，并支持串口及网络传输。编码过程中的原始图像、参考帧等数据可存储在SDRAM中。

2H.264视频压缩编码算法的主要特点

视频编解码标准主要包括两个系列：一个是MPEG系列，一个是H.26X系列。其中MPEG系列标准由ISO／IEC组织(国际标准化组织)制定，H.26X系列标准由ITU-T(国际电信联盟)制定。I-TU-T标准包括H.261、H.262、H.263、H.264等，主要用于实时视频通信，如电视会议等。

H.264视频压缩算法采用与H.263和MPEG-4类似的、基于块的混和编码方法，它采用帧内编码(Intra)和帧间编码(Inter)两种编码模式。与以往的编码标准相比，为了提高编码效率、压缩比和图像质量，H.264采用了以下全新的编码技术：

(1)H.264按功能将视频编码系统分为视频编码层(VCL，VideoCodingLayer)和网络抽象层(NAL，NetworkAbstractionLayer)两个层次。其中VCL用于完成对视频序列的高效压缩，NAL则用于规范视频数据的格式，主要提供头部信息以适合各种媒体的传输和存储。

(2)先进的帧内预测，它对含有较多空域细节信息的宏块采用4×4预测，而对于较平坦的区域则采用16×16的预测模式，前者有9种预测方法，后者有4种预测方法。

(3)帧间预测采用更多的块划分种类，标准中定义了7种不同尺寸和形状的宏块分割(16×16、16×8、8×16)和子宏块分割(8×8、8×4、4×8、4×4)。由于采用更小的块和自适应编码方式，故可使得预测残差的数据量减少，从而进一步降低了码率。

(4)可进行高精度的、基于1／4像素精度的运动预测。

(5)可进行多参考帧预测。在帧间编码时，最多可选5个不同的参考帧。

(6)整数变换(DCT／IDCT)。对残差图像的4×4整数变换技术，采用定点运算来代替以往DCT变换中的浮点运算。以降低编码时间，同时也更适合到硬件平台的移植。

(7)H.264／AVC支持两种熵编码方法，即CAVLC(基于上下文的自适应可变长编码)和CABAC(基于上下文的自适应算术编码)。其中CAVLC的抗差错能力比较高，但编码效率比CABAC低；而CABAC的编码效率高，但需要的计算量和存储容量更大。

(8)采用新的环路滤波